Bild 1: Das Goniophotometer LGS 350  bewegt die γ-Achse mit bis zu 34 °/s.

Bild 1: Das Goniophotometer LGS 350 bewegt die γ-Achse mit bis zu 34 °/s. Instrument Systems

Im Hinblick auf die Zukunft energieeffizienter Lichtlösungen in Gebäuden lassen sich Goniophotometer von Instrument Systems in vielfältigen Applikationen zur hochpräzisen und schnellen Prüfung von LED-Modulen einsetzen.

Während das LGS 350 bis zu 70 cm große Prüflinge mit maximal 8 kg Gewicht vermessen kann, nimmt das größere LGS 1000 bis zu 2 m große Prüflinge mit maximal 50 kg Gewicht auf.  Die Goniometereinheiten können je nach Aufgabenstellung auch mit einem Spektralradiometer, einem Photometer und weiteren Messmitteln kombiniert werden. Die Probenplatte am Schwenkarm ermöglicht eine mechanisch wie auch elektrisch vielseitige und kundenspezifische Adaptierung von Prüflingen.

Im Folgenden werden die beiden Goniophotometer sowie Messzubehör, Mess-Software und Wissenwertes zu Messmethoden vorgestellt.

Eckdaten

Goniophotometrische Messungen eignen sich gut, um LED-Produkte schnell und präzise nach ErP-Richtlinie oder anderen internationalen Standards zu prüfen. Instrument Systems bietet hierfür zwei Goniophotometer sowie unfangreiches Messzubehör und  Mess-Software an und vermittelt Wissenwertes zu den Messungen.

Neues auf der Light + Building

Das neu optimierte Design des LGS 350-Systems (Bild 1) führt zu einer Steigerung der Verfahrgeschwindigkeit der γ-Achse um 85 % auf 34°/s. Die laut CIE-S-025 zugelassene Höchstgeschwindigkeit von 0,25 m/s ist damit für eine große Vielzahl an LED-Probengrößen möglich. Gegenüber bisherigen Messlösungen bedeutet dies für den Nutzer stark erhöhte Durchsätze bei gleichbleibender hoher Präzision der Messungen. Über ein Zusatzmodul der etablierten Spec-Win-Pro-Software stehen umfassende ErP-Tests zur Erstellung von Prüfberichten nach der EU-Richtlinie zur Verfügung.

Bild 2: Mit einem speziellen Adapter für das LGS 1000 erfolgt die nach CIE-S-025 geforderte Korrektur der Brennlage schnell und einfach.

Bild 2: Mit einem speziellen Adapter für das LGS 1000 erfolgt die nach CIE-S-025 geforderte Korrektur der Brennlage schnell und einfach. Instrument Systems

Das mit einem speziellen Adapter erweiterte Leuchtenwender-Goniophotometer LGS 1000 (Bild 2) ermöglicht ein innovatives Brennlage-Korrekturverfahren für Messungen an großen SSL-Leuchten im Fernfeld. Die sogenannte Hilfsphotometer-Methode ermöglicht hochgenaue Messungen, die dem neuen internationalen Standard CIE-S-025 entsprechen. Durch seine kompakte Bauweise und den geringen Platzbedarf wird das LGS 1000 mit Brennlagekorrektur zu einer kostengünstigen Alternative zu großen und teuren Drehspiegel-Goniophotometern. Dank leicht zu bedienender Software können so weltweit immer mehr Benutzer hochwertige Messergebnisse gemäß CIE-S-025 gewinnen. Somit trägt die Brennlagekorrektur dazu bei, die Zuverlässigkeit und Qualität von SSL-Produkten (Solid State Lighting) weiter zu verbessern.

Vorführungen der Messsysteme finden auf der Light + Building 2016 am Stand 4.1/K 89 statt.

Goniophotometrische Messungen

Das LGS 1000 eignet sich hervorragend für die Bestimmung der winkelabhängigen Abstrahlcharakteristik von großen LED-Modulen, SSL-Produkten sowie konventionellen Lampen und Leuchten. Es kann sowohl zusammen mit einem Photometer als klassisches Goniophotometer als auch mit einem Spektrometer als hochwertiges Goniospektralradiometer betrieben werden. Auf diese Weise können alle wichtigen Kenngrößen wie Lichtstärkeverteilungen, Lichtstrom, Farbkoordinaten und sogar der Farbwiedergabeindex mit höchster Präzision gemessen werden.

In Kombination mit einem Photometer lassen sich zudem sehr schnelle Messungen durchführen und die räumliche Lichtverteilung des Prüflings in kürzester Zeit ermitteln. Umfangreiche Software erleichtert ferner die Auswertung und Aufbereitung der Messdaten.

Bild 3: Farbtemperaturverteilung  einer Leuchte in 3D-Darstellung.

Bild 3: Farbtemperaturverteilung einer Leuchte in 3D-Darstellung. Instrument Systems

Schwenkbereich des LGS 1000

Durch die Bauweise mit horizontaler optischer Achse gemäß des C-γ-Koordinatensystems (CIE 121-1996) ermöglicht das LGS 1000 einen sehr kompakten Messplatz für winkelabhängige Kenngrößen. Trotz seiner beeindruckenden Abmessungen passt es in ein Labor mit Standarddeckenhöhe und grenzt sich dadurch von großen und komplizierten Drehspiegel-Goniophotometern ab.

Der Winkelbereich der voll rotierbaren C-Achse erstreckt sich von -90° bis +270°. Die Gamma-Achse kann um ±165° verfahren werden. Zwei synchron gesteuerte Servomotoren mit Präzisionswinkelgebern ermöglichen eine sehr feine Winkelauflösung von 0,01° und sorgen für eine simultane und vibrationsarme Bewegung beider Achsen. Die Reproduzierbarkeit der Probenpositionierung ist bei Nennbelastung kleiner als 0,1°. Die komplette Goniometereinheit ist schwarz beschichtet, um Oberflächenreflexe zu vermeiden.

Bild 4: Lichtstärkeverteilungen verschiedener LED-Module.

Bild 4: Lichtstärkeverteilungen verschiedener LED-Module. Instrument Systems

Steuern und Auswerten per Software

Die Steuerung des Messablaufs erfolgt durch die Messsoftware Spec Win Pro in zwei unterschielichen Verfahren. Beim Sequenzmodus wird die Abstrahlcharakteristik des Prüflings in bestimmten Winkelabständen auf beiden Achsen aufgenommen. Der Winkelbereich und die Intervalle sind frei zu bestimmen. Die komplette Messung erfolgt dann jedoch in den immer gleichen Intervallschritten. Der Mess-Serienmodus hingegen ermöglicht Messungen in einer beliebig definierbaren Winkelabfolge. Größere und kleinere Intervallschritte sind innerhalb eines Winkelbereiches frei wählbar. In beiden Fällen regelt die Software die Bestromung und Ansteuerung des Prüflings und nimmt elektrische Messdaten auf. Spannung, Stromstärke, Einschalt- und Einbrennvorgang sowie die Sequenzabfolge sind dabei speicherbare Voreinstellungen und können für wiederkehrende Messaufgaben, wie zum Beispiel der Test nach Ökodesign-Richtlinie und Energieeffizienz-Kennzeichnung, erneut abgerufen werden.

Die Software Spec-Win-Pro verfügt über fünf verschiedene Darstellungsmöglichkeiten der räumlichen Abstrahlcharakteristik: radial, halb-radial, kartesisch, sphärisch und 3D (Bild 3, 4). Das bedeutet, sämtliche photometrische, radiometrische, farbmetrische und spektrale Messdaten können in allen Darstellungsformen abgebildet werden. Die Auswertung und Aufbereitung der Messdaten ist äußerst flexibel und vielfältig. Neben der Möglichkeit das Messfenster an die jeweilige Applikation anzupassen, steht auch ein Export-Manager für die Erstellung kundeneigener Messprotokolle zur Verfügung. Die Messprotokolle sind frei konfigurierbar. Insbesondere können auch die für die Beleuchtungsindustrie so wichtigen Formate wie IES und Eulumdat erzeugt werden, um sie in Simulationsprogrammen zu verwenden.

Bild 5: Eine Integration der Beleuchtungsstärke E über eine durchstrahlte Oberfläche ergibt dem Gesamtlichtstrom Φ.

Bild 5: Eine Integration der Beleuchtungsstärke E über eine durchstrahlte Oberfläche ergibt dem Gesamtlichtstrom Φ. Instrument Systems

Lichtstromintegration

Die Bestimmung der Strahlungsleistung oder des Lichtstroms durch Integration der Strahl- oder Lichtstärke mit einem Goniophotometer ist die genaueste aller Möglichkeiten, um diese Kenngrößen zu ermitteln. Diese Methode wird von führenden Nationallabors bevorzugt und ist beispielsweise Voraussetzung für die Kalibrierung von Lichtstrom-Normallampen, welche die Referenzwerte bei anderen Messverfahren liefern.

Die Messung des Lichtstroms mit einem Goniophotometer ist im Vergleich zur Verwendung von Ulbricht-Kugeln zwar deutlich zeitintensiver, dafür aber sehr viel genauer. Bei diesem Verfahren werden die Einzelspektren aller Winkelpositionen der Verteilung aufsummiert (Bild 5, 6)

Bild 6: Berechungsintegral zur Ermittlung des Lichtstroms Φ.

Bild 6: Berechungsintegral zur Ermittlung des Lichtstroms Φ. Instrument Systems

Dadurch ist eine echte Integration der gesamten spektralen Strahlungsleistung und damit die exakte Berechnung von farbmetrischen Kenngrößen gewährleistet. Durch das absolute Messverfahren wird außerdem kein Lichtstromnormal als Referenzwert benötigt, wie es beim Einsatz von Ulbricht-Kugeln der Fall ist.

Ein Goniophotometer lohnt sich, wenn die Kenngrößen Lichtstärkeverteilung und Lichtstrom gleichermaßen interessant sind, wie beispielsweise in der Allgemeinbeleuchtung. Ebenso ist es von Vorteil, wenn Lampen mit unterschiedlichen Lichtstärkeverteilungen gemessen oder sogar kalibriert werden sollen.

Unerlässlich ist es hingegen, wenn Kenngrößen wie Teillichtstrom oder Halbwertswinkel von Lichtquellen bestimmt werden sollen, wie es zum Beispiel bei der Charakterisierung nach Energieeffizienz der Fall ist.

Passendes Messzubehör

Bild 7: LGS 1000 mit Lichtstromintegrator.

Bild 7: LGS 1000 mit Lichtstromintegrator. Instrument Systems

Der Lichtstromintegrator ist ein optionales Zubehör, der die Möglichkeit bietet, Leuchtmittel in ihrer erforderlichen Brennlage schnell und platzsparend zu charakterisieren. Der Prüfling bleibt während der Messung in seiner Position unverändert und der Detektor bewegt sich auf einer Kugelhüllfläche um das Testobjekt (Bild 7).

Der Lichtstromintegrator bietet große Vorteile: Er macht die Messung des Lichtstroms schneller, einfacher und berücksichtigt die vorgeschriebene Brennlage. Bei kleinen Lichtquellen können zusätzlich Lichtstärkeverteilungen sowie photometrische und farbmetrische Abstrahlcharakteristiken in frei konfigurierbaren Brennlagen gemessen werden.

Es gibt zwei alternative Ausführungen des Lichtstromintegrators. Die erste Version nutzt ein Photometer als Detektor und ist dabei sehr schnell und kostengünstig. Die zweite Variante vereint Photometer und Spektralradiometer und bietet somit eine genaue spektralradiometrische Ermittlung aller Kenngrößen.

Analog zur Standardkonfiguration ist auch bei Verwendung des Lichtstromintegrators die Möglichkeit gegeben, den Prüfling mit einer integrierten AC-Stromquelle zu versorgen, sowie elektrische Kenngrößen über ein integriertes Messgerät zu erfassen.

Der Beitrag basiert auf Unterlagen von Instrument Systems.