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Wie sich Lichtquellen für den Sensoriktest entwickeln lassen

Autor / Redakteur: Martin Buck * / Dipl.-Ing. (FH) Hendrik Härter

Für den Test von optischen Sensoren sind Lichtquellen notwendig, um die optische Leistung zu bestimmen. Allerdings sind entsprechende Lösungen meist streng vertraulich. Wir zeigen, wie es trotzdem funktioniert.

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Lichtquelle für Halbleitertests: Für den Test von Lichtsensoren hat ams eine Lichtquelle aus einem LED-Array entwickelt. Auf der linken Seite befindet sich ein EEPROM, um die Lichtquelle zu erkennen und zu Kalibrierung. Die verwendeten roten LEDs haben ein Spektrum von 635 nm.
Lichtquelle für Halbleitertests: Für den Test von Lichtsensoren hat ams eine Lichtquelle aus einem LED-Array entwickelt. Auf der linken Seite befindet sich ein EEPROM, um die Lichtquelle zu erkennen und zu Kalibrierung. Die verwendeten roten LEDs haben ein Spektrum von 635 nm.
(Bild: ams)

Moderne Lichtsensoren werden zunehmend komplexer. Um die optische Leistung des Sensors zu testen, benötigt man eine Lichtquelle. Doch wo fängt man an? Für Speicherzellen oder A/D-Wandler beispielsweise sind die Testmethoden gut dokumentiert. Für die Entwicklung von Lichtquellen für Lichtsensoren gibt es keine Referenzen.

Der Grund ist einfach: Die verwendeten Lösungen sind ein streng gehütetes Geheimnis.

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Trotzdem sollen einige der wichtigsten Datenblattparameter in Bezug auf lichtemittierende Dioden, also den LEDs, erörtert werden. Sie bilden die Grundlage vieler im Halbleitertest genutzter Lichtquellen. Kennt der Entwickler die Parameter, so kann er mit der Entwicklung der Lichtquelle beginnen. Erwähnenswert ist, dass – optional - eine kommerzielle Software bei der Entwicklung von Lichtquellen zur Verfügung steht. Aber auch ohne sie ist die Entwicklung einer geeigneten Lichtquelle möglich, indem man die Lichtquelle einfach modifizierbar gestaltet.

Die Lichtstärke muss während des Tests konstant bleiben

Generell fallen LEDs nach einer bestimmten Anzahl von Gebrauchsstunden nicht plötzlich einfach aus. Das ist der Grund für den Irrglauben, dass eine LED ewig leuchtet. In Wirklichkeit verringert sich mit der Zeit die Leistung der LED. Im sichtbaren Lichtspektrum wird das von der Lichtquelle abgegebene Licht als Lichtstrom bezeichnet und in Lumen angegeben. Mit dem sogenannten Lichtstromverhältnis wird der verbleibende Lichtstrom zu einem bestimmten Zeitpunkt beschrieben. Zur Angabe der Lebensdauer haben einige LED-Hersteller den L70-Standard der Illuminating Engineering Society (IES) übernommen.

Die L70-Degradation gibt die Lebensdauer auf der Grundlage der Anzahl der vergangenen Stunden an, bis das abgegebene Licht auf 70 Prozent seines Ausgangsniveaus fällt. Das L70-Niveau wurde gewählt, weil das menschliche Auge den Unterschied bezüglich der Leistung einer Leuchte erst erkennen kann, wenn diese um 30 Prozent gesunken ist.

Lichtsensor reagiert empfindlich

Ein weiterer Irrglaube ist die Annahme, dass die Leistung einer LED mit der Zeit linear sinkt. Tatsächlich kann sich in den ersten hundert Betriebsstunden der LED die Lichtstärke erhöhen oder verringern. Während die Schwankungen für das menschliche Auge nicht erkennbar sind, reagiert ein Lichtsensor darauf. Es ist wichtig, dass die Lichtstärke während des Tests konstant bleibt. Anzumerken ist, dass die Lebensdauer nicht immer auf einem Datenblatt angegeben ist. Falls doch, handelt es sich möglicherweise nicht um die Angabe der L70-Degradation, darauf sollte man achten.

Die Lichtstärke hängt auch von der Betriebstemperatur ab. Durch eine Temperaturveränderung kann sich die relative Lichtstärke schnell verdoppeln oder halbieren. Das Diagramm auf der dritten Seite zeigt die Daten der roten LED des Typs KPTR-3216SURCK von Kingbright. Temperaturschwankungen wirken sich zudem auf die dominante Peakwellenlänge der LED aus, was problematisch für das Device Under Test (DUT) werden kann. Die dem Test unterzogene Fotodiode wird eine bestimmte Spektralempfindlichkeit aufweisen. Aufgrund der Spektralempfindlichkeit könnten Änderungen der Peakwellenlänge zu einem höheren oder niedrigeren Messergebnis als erwartet führen.

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