Licht, Mär. 2015 - Instrument Systems

3 | 2015
67. Jahrgang
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KTECHNIK
DIE VERMESSUNG DER LICHT-WELT
GONIOPHOTOMETRIE UND -SPEKTRALRADIOMETRIE FÜR SSL-LICHTQUELLEN (Teil 2)
In der LICHT-Ausgabe 11–12/2014 [1] ist der erste Teil
der Artikelserie »Die Vermessung der Licht-Welt« erschienen. Er stellte die wesentlichen Inhalte des neuen
Normentwurfs CIE DIS 025:2014 [2] vor. Der hier folgende Teil 2 wird nun die korrekte Anwendung der Norm in
der Goniophotometrie anhand applikativer Messungen
diskutieren. Er stellt Messungen verschiedener Lichtquellen mit einem Leuchtenwender solchen Messungen
gegenüber, die mit einem sogenannten Lichtstromintegrator durchgeführt wurden, bei dem die Brennlage der
Lichtquelle eingehalten wird. Dabei kommen sowohl ein
hochwertiges Spektralradiometer als auch ein klassisches Photometer als Detektor zum Einsatz. Insbesondere wird der Einfluss der Brennlage verschiedener
Lichtquellen auf die Lichtstrommessungen untersucht
und die Wirksamkeit der im Normentwurf CIE DIS 025:
2014 geforderten Methode der Lagekorrektur geprüft.
Schließlich werden Messbeispiele für die vielfältigen
Charakterisierungsmöglichkeiten von Solid-State Lighting (SSL)-Lichtquellen mit einem Goniospektralradiometer vorgestellt.
GONIOPHOTOMETRIE
Goniophotometer werden normalerweise für die Bestimmung der
Beleuchtungsstärke- und Lichtstärkeverteilung eingesetzt, sowie zur
Messung des Gesamtlichtstroms durch geeignete numerische Integration dieser Verteilungen. Die Bestimmung des Lichtstroms mit einem
Goniophotometer ist im Vergleich zur Messung in einer Ulbricht-Kugel
zwar deutlich zeitintensiver, dafür aber viel genauer.
Bei diesem Verfahren werden die gemessenen Beleuchtungsstärken in
allen Winkelpositionen um eine Lichtquelle herum aufsummiert, wie in
Abb. 1 links schematisch dargestellt. Diese Methode wird von führenden Nationallabors bevorzugt und ist Voraussetzung für die Kalibrierung
von Lichtstromlampen, welche die Referenzwerte bei anderen Messverfahren liefern.
Ein Goniophotometer ist unerlässlich, wenn Kenngrößen wie Teillichtstrom oder Halbwertswinkel von Lichtquellen bestimmt werden sollen,
wie es zum Beispiel die Charakterisierung nach Energieeffizienz erfordert [3]. Die Goniometereinheit kann je nach Aufgabenstellung sowohl
mit einem klassischen Photometer als auch mit einem Spektralradiometer verwendet werden.
Mit einem Photometerkopf als Detektor lassen sich sehr schnelle Messungen des Lichtstroms und der Lichtstärkeverteilung durchführen. Für
die Vermessung von SSL-Lichtquellen muss das Photometer über eine
gute Anpassung an die Empfindlichkeitsfunktion des menschlichen
Auges V(λ) verfügen. Zur Bewertung dieser Eigenschaft wird normalerweise der Kennwert f1‘ verwendet. Um normkonform zu messen, muss
f1‘ kleiner oder gleich 3% sein [2].
Kommt ein Spektralradiometer anstelle des Photometers zum Einsatz,
wird das System Goniospektralradiometer genannt. Es erlaubt die Bestimmung der räumlichen Verteilung aller relevanten photometrischen
und farbmetrischen Größen, neben den Lichtstärkeverteilungskurven
(LVK) auch der Farbkoordinaten, der ähnlichsten Farbtemperatur (CCT)
und sogar des Farbwiedergabeindex (CRI).
Gerade bei der Entwicklung und Vermarktung von Lichtquellen auf LEDBasis ist der hohe Farbwiedergabeindex ein zunehmend wichtiges Entscheidungskriterium. Goniospektralradiometrie ist daher ein universales
Werkzeug um SSL-Lichtquellen vollständig zu charakterisieren. Darüber
hinaus können SSL-Lichtquellen mit schmalbandigen Spektralanteilen
mit deutlich höherer Genauigkeit vermessen werden. Das Spektralradiometer muss mindestens den Wellenlängenbereich von 380 …780 nm
mit einer Wellenlängengenauigkeit unter 0,5 nm abdecken und eine
Bandbreite von höchstens 5 nm aufweisen [2]. Besser ist, das gesamte
.
sichtbare Spektrum von 360…830 nm [4] abzudecken.
Abb. 1: Integration der
Beleuchtungsstärke E zum
Lichtstrom Φv (links) und
Definition des C, -Koordinatensystems (rechts).
C entspricht dem Winkel
Φ und dem Winkel θ in
Kugelkoordinaten.
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TECHNIK
wohl die Brennlage der in SSL-Lichtquellen enthaltenen Einzel-LEDs an
sich eigentlich irrelevant ist. Der neue Normentwurf CIE DIS 025:2014
lockert diese Einschränkung auf und gibt als Toleranzbedingung an,
dass das Prüfobjekt während der Stabilisierungs- und Prüfzeit durchgehend in seiner spezifizierten Brennlage verbleiben muss [2]. Ist diese
Bedingung nicht erfüllt, müssen die Messungen entsprechend auf das
Verhalten des Prüfobjektes in der spezifizierten Brennlage korrigiert
werden, z.B. durch die Anwendung einer Hilfsphotometermethode.
In der Studie, die diesem Artikel zugrunde liegt, wurde der Einfluss
der Brennlage verschiedener Lichtquellen mit beiden Messsystemen
untersucht – einem sogenannten Lichtstromintegrator, bei dem die
Brennlage eingehalten wird und einem Leuchtenwender. Bei den Messungen mit dem Leuchtenwender wurde bei Bedarf eine Lagekorrektur
angewandt.
LEUCHTENWENDER
Abb. 2: Leuchtenwender (links) und Messkopf im Streulichttubus auf Stativ
(rechts).
Vom nordamerikanischen Standard IES LM-79-08, der mangels internationaler Standards bisher weltweit verwendet wurde, werden nur Typ-CGoniophotometer für die Messung von SSL-Lichtquellen empfohlen [5].
Typ-C-Goniophotometer gibt es in verschiedenen Ausführungen, mit
bewegtem Detektor oder mit Drehspiegel. Systeme beider Ausführungen sind sehr teuer und groß und erfordern sehr viel Platz für Fernfeldmessungen. Ein Leuchtenwender, der ein C, -Koordinatensystem nach
CIE 121-1996 verwend et (Abb. 1 rechts), ist hingegen viel kompakter.
Dadurch kann ein Leuchtenwender, im Gegensatz zu einem Drehspiegelgoniometer, in einem Labor mit Standard-Deckenhöhe betrieben
werden. Mit einem Leuchtenwender wird jedoch die Brennlage der Lichtquelle während der Messung verändert.
Aufgrund möglicher Unterschiede in der Konvektionskühlung empfiehlt
die LM-79, die Prüflinge in der Betriebsorientierung zu vermessen, ob-
Abb. 2 zeigt einen Leuchtenwender, der ein C, -Koordinatensystem
nach CIE 121-1996 verwendet. Der Photometerkopf kann in einem beliebigen festen Abstand entlang der C-Achse des Goniometers auf die
optische Achse des Prüflings ausgerichtet werden. Der Abstand des
Messkopfes sollte so gewählt werden, dass er mindestens das 15-fache
der längsten Dimension der Quelle beträgt. Damit ist gewährleistet,
dass sich der Detektor auch nach der strengsten Anforderung von
CIE DIS 025:2014 für engwinklige Quellen auf jeden Fall im Fernfeld der
Leuchte befindet [2]. Der Photometerkopf ist durch einen Tubus gegen
unerwünschtes Streulicht abgeschirmt. Alternativ kann eine Einkoppeloptik für ein Spektralradiometer als Detektor verwendet werden.
Die Leuchte wird um die C- und die -Achse des Goniometers gedreht,
ändert also während der Messung ihre Brennlage. Vor jeder Messung
ist es wichtig, die Leuchte gemäß den Vorgaben von IES LM-79-08
und CIE DIS 025:2014 entsprechend einzubrennen. Daher wurden alle
untersuchten Lichtquellen mindestens eine Stunde vor der Messung
eingebrannt.
LICHTSTROMINTEGRATOR
Abb. 3: Goniophotometer mit Lichtstromintegrator (links) und Lichtstromintegrator mit Photometer und Spektralradiometer (rechts).
74
Mit einem sogenannten Lichtstromintegrator ist es möglich, die
Leuchtmittel in ihrer erforderlichen Brennlage zu charakterisieren. Der
Leuchtenwender kann mit Hilfe einer Erweiterungsoption, bestehend
aus einem Integratorarm und einer separaten Probenhalterung, zu
einem Goniometer mit drehendem Detektor umgebaut werden. Bei
diesem Goniometertyp bleibt der Prüfling während der Messung in
seiner Position unverändert und der Detektor bewegt sich auf einer
Kugelfläche um die Leuchte (Abb. 3). Als Detektor kann entweder
nur ein Photometerkopf oder zusätzlich auch eine Einkoppeloptik für
ein Spektralradiometer verwendet werden. Beide befinden sich in je
einem Streulichttubus, der unerwünschtes Fremdlicht bei der Messung
minimiert. Konstruktionsbedingt ist der Abstand des Detektors von
der Leuchte fest und begrenzt, so dass die Bedingung der photometrischen Grenzentfernung nur für kleinere Quellen erfüllt ist. Diese ist
jedoch für die Bestimmung des Lichtstroms durch die Integration der
Beleuchtungsstärkeverteilung nicht erforderlich. Je nach Abstrahlwinkel
der Quelle kann aber eine maximale Ausdehnung angegeben werden,
die zusätzliche Lichtstärkeverteilungen sowie alle photometrischen und
farbmetrischen Abstrahlcharakteristiken im Fernfeld erlaubt. Vor der
LICHT 3 | 2015
KTECHNIK
Lichtquelle
Abstrahlwinkel
Fv [lm]
Lichtstromintegrator
Fv [lm]
Lichtstromintegrator
Fv [lm]
Leuchtenwender
Photometer
Spektralradiometer
Photometer
SSL-Downlight 1
97°
798
806
1%
806,9
1,1%
SSL-Downlight 2
80°
665,3
673,5
1,2%
671,9
1%
SSL-Downlight 3
52°
1834
1854
1,1%
1878
2,4%
SSL-Downlight 4
29°
403
408,7
1,4%
409,4
1,6%
LED-Modul mit Kühler
104°
1 167
1181
1,2%
1178
0,9%
LED-Floodlight
103°
1 697
1693
-0,2%
1743
2,7%
Sun lamp (Halogen)
32°
4 150
4231
2%
4021
-3,1%
Messung mit dem Lichtstromintegrator wurde jede Lichtquelle in ihrer
Normbrennlage eingebrannt.
LAGEKORREKTUR
Messabweichung von etwa 1% in den Messungen mit dem Spektralradiometer und dem Photometer als Detektor im Lichtstromintegrator
erkennen, wobei hier die Brennlage der Leuchte eingehalten wurde und
die Messungen sukzessive erfolgten. Wenn man außerdem bedenkt,
dass die Messung mit dem Spektralradiometer bis zu einer Stunde dauern kann und mit dem Photometer nur wenige Minuten, erscheinen die
Streuungen der Messergebnisse für die nicht temperaturstabilisierten
.
Prüflinge noch unkritischer.
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E
BL
A
IL
A
AV
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W
O
N
Falls, wie beim Leuchtenwender, die Betriebslage der Leuchte während
der Messung von der Normbrennlage abweicht, ist nach CIE DIS 025:
2014 eine Korrektur der Messwerte notwendig [2]. Basierend auf der
Charakteristik der Brennlagenabhängigkeit des speziellen Prüfobjekts
und der tatsächlich genutzten Brennlage müssen die Messergebnisse
korrigiert werden. Die Abweichung kann mit einem Hilfsphotometer
bestimmt werden. Dazu darf die Richtung und der Abstand des Photometerkopfes zur Lichtquelle während der Bewegung nicht geändert
werden, so dass Änderungen des Lichtstroms durch eine Änderung der
Brennlage in einem proportionalen Photostrom resultieren. Mit dem Bezug auf den Photometerwert in der Normbrennlage wird für jede angefahrene Position des Goniophotometers ein Korrekturfaktor bestimmt
und angewandt. Die Lagekorrektur mit der Hilfsphotometermethode
kann dank einer speziellen Software-Routine sehr einfach durchgeführt
werden [1]. Mit den konkreten Anweisungen durch den Korrekturablauf
hilft die Software, Messzeit einzusparen und eine fehlerhafte Implementierung der Korrektur zu vermeiden. Da die Lagekorrektur direkt
im Anschluss an die Messung mit dem Leuchtenwender durchgeführt
werden kann, entfällt das lange Einbrennen der Lichtquelle und der
zusätzliche Zeitaufwand hält sich in Grenzen. Die Norm erlaubt beim
Testen von vielen gleichartigen Lichtquellen die Verwendung einer typischen Lagekorrektur, was ebenfalls wertvolle Messzeit spart.
Tabelle 1: Vergleich
der Lichtströme,
gemessen mit dem
Lichtstromintegrator
(beide Detektoren)
und dem Leuchtenwender für verschiedene Lichtquellen.
MESSVERGLEICH
Die Ergebnisse der Lichtstrommessungen verschiedener Lichtquellen
mit dem Lichtstromintegrator, sowohl mit dem Spektralradiometer als
auch mit dem Photometer als Detektor, sind in der Tabelle 1 zusammengefasst und den Messergebnissen mit dem Leuchtenwender
gegenübergestellt. Die Messergebnisse des Lichtstromintegrators mit
dem Photometer dienen als Bezugswerte für die Berechnung prozentualer Abweichungen. Die Konsistenz der Ergebnisse ist sehr gut, besonders wenn man bedenkt, dass es sich um verschiedene Messsysteme
mit unterschiedlichen Geometrien und Kalibrierungen handelt. Da alle
Messabweichungen innerhalb typischer Messunsicherheiten für die jeweiligen Systeme liegen, kann nicht leicht auf eine Abhängigkeit von der
Brennlage geschlossen werden. Vielmehr kann man eine systematische
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TECHNIK
Fv [lm]
Leuchtenwender
Fv [lm]
Leuchtenwender
lagekorrigiert
LED-Floodlight
1 743
2,7%
1 702
0,3%
Sun lamp 300 W
4 021
-3,1%
4 111
-0,9%
SSL-Downlight 1 bei 215V
721,8
-9,5%
805,8
1%
SSL-Downlight 1 bei 200V
650,9
-18,4%
806,9
1,1%
Tabelle 2: Anwendung der Lagekorrekturmethode auf die Messungen mit dem
Leuchtenwender
Die Messabweichungen des Leuchtenwenders vom Messwert des
Lichtstromintegrators sind vergleichbar niedrig, obwohl hier die Lichtquellen ständig ihre Brennlage ändern und die Bewegung zur Abkühlung
und dadurch zur Ergebnisbeeinflussung führen kann. Insbesondere für
alle untersuchten SSL-Downlights und ein LED-Modul mit eingebautem
Kühler ist die Abweichung so niedrig, dass eine Lagekorrektur nicht
sinnvoll erscheint. Es ist nicht verwunderlich, dass die Rotation der
Downlights um die C-Achse während der Messung mit dem Leuchtenwender keine Änderung des Lichtstroms verursacht, da die Rippen
am Kühlkörper symmetrisch um die Leuchte angeordnet sind. Beim
LED-Modul mit Kühler ist die aktive Kühlung erwartungsgemäß nicht
lageabhängig. Auch wenn die Abweichungen bei einem 30-W-LEDFloodlight und einer 300-W-Halogenlampe mit Gasgemisch, welche die
Sonne simuliert, relativ niedrig sind, kann hier eine Lagekorrektur wie
beschrieben angewandt werden. Die korrigierten Lichtströme verbessern sich im Vergleich zum Lichtstromintegrator und betragen für das
LED-Floodlight nur noch 0,3% und für die Sun lamp -0,9% Abwei-
chung (siehe Tabelle 2). Ein Grund für die leichte Lageabhängigkeit
des LED-Floodlights könnte die Anordnung der Kühlrippen am Kühlkörper sein, die parallel in eine Richtung verlaufen und bei Drehung am
Leuchtenwender zu leicht unterschiedlichen Kühlverhältnissen führen
können. Eine Variation der gemessenen Beleuchtungsstärke wurde auch
während der Bestimmung der Lagekorrektur beobachtet. Bei der Sun
lamp kann die Drehung zur Bewegung des Gasgemisches innerhalb der
Lampe und dadurch zur Messabweichung führen.
Allerdings sind die beobachteten Effekte eigentlich noch innerhalb der
typischen Messunsicherheiten und die Lageabhängigkeit des Prüflings
sollte höher sein, um die Anwendung der vorgestellten Lagekorrektur
zu bewerten. Da ein SSL-Downlight mit einer genügend hohen Lageabhängigkeit nicht zur Verfügung stand, wurde diese künstlich herbeigeführt. Dazu wurde das SSL-Downlight 1 bei niedrigeren Betriebsspannungen (215 V und 200 V) mit dem Leuchtenwender vermessen, was
natürlicherweise zu niedrigeren Lichtströmen führt (siehe Tabelle 2).
Für die anschließende Lagekorrektur wurde der Referenzwert in der
Normbrennlage bei nominalen 230 V nach ausreichender Einbrennzeit
aufgenommen. Nach jeweiliger Anwendung der Lagekorrektur wurden
die hohen Abweichungen zur Messung mit dem Lichtstromintegrator
von -9,5% bzw. -18,4% wieder auf etwa 1% korrigiert. Somit können
auch Lichtquellen, die eventuell eine große Lageabhängigkeit aufweisen,
sehr leicht mit dem Leuchtenwender vermessen und anschließend
normkonform nach CIE DIS 025:2014 lagekorrigiert werden.
GONIOSPEKTRALRADIOMETRISCHE CHARAKTERISIERUNG
LED-Module können verschiedene Abstrahlcharakteristiken haben, wie
Abb. 4 beispielhaft anhand der Lichtstärkeverteilungen von zwei SSLLichtquellen veranschaulicht. Der Abstrahlwinkel kann als Halbwerts-
Abb. 4: 3D-Darstellung der Lichtstärkeverteilung einer SSL-Lichtquelle mit
97° (a) und mit 104° (b) Abstrahlwinkel,
gemessen mit einem Leuchtenwender
Abb. 5: Polare Darstellung der CCT- (a)
und CRI-Verteilung (b) einer SSL-Lichtquelle, gemessen mit einem Goniospektralradiometer
76
LICHT 3 | 2015
KTECHNIK
ZUSAMMENFASSUNG
Goniophotometrische Vergleichsmessungen mit einem Lichtstromintegrator (konstante Betriebsbrennlage) und einem Leuchtenwender (Brennlage ändert sich während der Messung)
haben höchstens eine geringe Abhängigkeit von der Betriebslage bei den untersuchten Lichtquellen aufdecken können. Nichtsdestotrotz wurde beispielhaft die Möglichkeit einer Lagekorrektur mit der Hilfsphotometermethode nach CIE DIS 025:2014 demonstriert, die es erlaubt, auch
mit einem platzsparenden und einfach zu bedienenden Leuchtenwender normkonforme Messungen durchzuführen. Mit der Hilfsphotometermethode kann ein Anwender, der keine so aufwendige Untersuchung wie in der vorliegenden Studie durchführen kann, schnell und unkompliziert die
Anwendbarkeit der Norm sicherstellen und gegebenenfalls eine Lagekorrektur durchführen.
Während mit einem klassischen Goniophotometer sehr schnelle Messungen von Lichtstrom
und LVK erzielt werden, können nur mit einem Goniospektralradiometer alle photometrischen
und farbmetrischen Größen, wie z.B. der Farbwiedergabeindex (CRI), räumlich aufgelöst werden.
Goniospektralradiometrie ist daher ein unverzichtbares Werkzeug, um SSL-Lichtquellen auf LEDBasis vollständig zu charakterisieren. n
ee
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breite (FWHM) für jedes Profil berechnet werden. Wenn nur Abstrahlcharakteristiken von photometrischen Größen, wie z.B. Lichtverteilungskurven (LVK) von Interesse sind, können mit einem
Photometer als Detektor sehr schnelle, aber präzise Messungen durchgeführt werden. Wenn
die lichtemittierende Fläche klein genug ist, wie es bei fast allen untersuchten SSL-Lichtquellen
der Fall ist, können auch mit dem Lichtstromintegrator verlässliche Abstrahlcharakteristiken im
Fernfeld vermessen werden. Der Abstand soll je nach Abstrahlwinkel das 5-fache, 10-fache oder
15-fache der längsten Dimension der strahlenden Fläche betragen [2]. Nur SSL-Downlight 4
ist in der vorliegenden Studie ein Grenzfall, da wegen des engen Abstrahlwinkels von 29° streng
genommen der 15-fache Abstand knapp nicht erfüllt wird.
Mit einem Leuchtenwender jedoch kann praktisch jeder Abstand realisiert werden, so dass man
sicherheitshalber immer das 15-fache von der größten Quelle wählen kann. Mit einem Photometerkopf als Detektor hat man dadurch praktisch keine Zeitverluste. Ein Spektralradiometer als
Detektor ist jedoch unabdingbar, wenn es um präzise farbmetrische Messungen geht, insbesondere beim Farbwiedergabeindex (CRI).
Die räumliche Verteilung des CRI kann nur mit einem Goniospektralradiometer zusätzlich zur
CCT-Verteilung gemessen werden. Abb. 5 zeigt ein Beispiel für die polare Darstellung der räumlichen Verteilung von CCT und CRI einer SSL-Lichtquelle mit einem hohen Farbwiedergabeindex. In
der CCT-Verteilung ist eine leichte Richtungsinhomogenität mit einer Variation von bis zu 300 K
festzustellen. Der Grund dafür ist vermutlich die Positionierung zusätzlicher roter und grüner
LEDs neben den weißen LEDs im Modul, mit denen der Farbwidergabeindex auf bis zu 97 erhöht
wird. Feine Strukturen in der räumlichen Verteilung des CRI zwischen 95 und 97 können auch auf
diesem hohen Niveau der Farbwiedergabe mit einem Goniospektralradiometer aufgelöst werden,
wie in Abb. 5 (b) dargestellt.
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LITERATUR
[1] G. Leschhorn, Herausforderung der neuen Standardisierung in der Lichtmesstechnik,
LICHT 11–12/2014, S. 70–73
[2] CIE DIS 025/E:2014, Test Method for LED Lamps, LED Luminaires and LED Modules,
CIE Wien, 2014
[3] Verordnung (EU) Nr. 1194/2012, Amtsblatt der Europäischen Union L 342 vom 14.12.2012
[4] CIE S 014-1/E:2006, Colorimetry Part 1: CIE Standard Colorimetric Observers, CIE Wien, 2006
[5] IES LM-79-08, Electrical and Photometric Measurements of Solid-State Lighting Products
Autor: Dr. Đenan Konjhodžic, Instrument Systems GmbH, München
Grafiken und Tabellen: Instrument Systems, GmbH, www.instrumentsystems.de
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