Eckdaten

Bei der Entwicklung neuer Leuchten geht es darum, die Auswirkungen einer Designänderung schnell vor Ort im Entwicklungslabor zu bewerten. In der Produktion gilt es, die gefertigten Leuchten zuverlässig zu prüfen. MKS Instruments entwickelte dazu mit Ophir Fluxgage eine neue Familie kompakter Messsysteme, die in einem Schritt die relevanten Lichtparameter von LED-Leuchten aus unterschiedlichen Anwendungsbereichen präzise ermitteln.

Früher gestaltete sich der Kauf einer neuen Glühbirne ganz einfach, Wattzahl und Größe der Fassung genügten. Beim Kauf einer LED-Lampe ist schon mehr Sorgfalt erforderlich. Wichtige Lichtparameter bei weißen Lichtquellen sind neben dem Gesamt-Lichtstrom, der in Lumen angegeben wird, der Farbort, die ähnlichste

Schematischer Aufbau des Ophir-Flux-Gage-Messgeräts.

Schematischer Aufbau des Ophir-Flux-Gage-Messgeräts. MKS Instruments

Farbtemperatur und der Farbwiedergabewert. Der Farbort beschreibt Farbton und Farbsättigung einer Farbe in der CIE-Normfarbtafel anhand von X- und Y-Koordinaten. Gleichzeitig zeigt der Farbort an, bei welcher Farbtemperatur das gemessene Licht dem Planckschen Kurvenzug am nächsten ist. Dieser basiert auf den Werten eines Schwarzkörper-Strahlers als Referenz, anhand derer der Weißgrad von Lichtquellen beurteilt wird. Die Abweichung von dieser Kurve wird mit Duv angegeben. Die ähnlichste Farbtemperatur (auch Correlated Colour Temperature, CCT) beschreibt die relative Farbtemperatur einer weißen Lichtquelle und wird in Kelvin angegeben. Hingegen beschreibt der Farbwiedergabewert (Colour Rendering Index, CRI) wie gut die Lichtquelle die Farben im Vergleich zur Referenz wiedergibt. Bis vor einigen Jahren wurde meistens der Ra, also der allgemeine Farbwiedergabeindex verwendet. Ra ist ein Mittelwert der acht Testfarben (R1-8) und kann im optimalen Fall den Wert 100 annehmen.

Insbesondere bei der Beschreibung der LED-Lichtquellen reicht dieser Index allerdings nicht mehr aus. Hier wird heute in der Regel die von der nordamerikanischen Illuminating Engineering Society (IES) entwickelte TM-30-15-Methode verwendet. Bei diesem Verfahren werden 99 statt nur acht Testfarben genutzt, und ermittelt wird damit der neue Farbwiedergabeindex – der Fidelity Index (Rf). Lichtquellen mit gleichem CRI oder Rf können aber noch immer eine unterschiedliche spektrale Verteilung haben und damit die Farben unterschiedlich erscheinen lassen. Die TM-30-15-Methode verwendet deshalb zusätzlich noch den Gamut-Index (Rg), der die Farbsättigung berücksichtigt.

Zusätzlich darf das Flimmern nicht zu stark sein. In der Entwicklung müssen die vielfältigen Komponenten einer LED-Leuchte so kombiniert werden, dass das fertige Produkt exakt die gewünschten Lichtparameter liefert und gleichzeitig eine lange Lebensdauer der Leuchte gewährleistet. Bis dato erforderte es allerdings größtenteils mehrere aufwendige, unhandliche Messapparaturen, um die Lichtparameter der Leuchten präzise zu ermitteln. Mit dem kompakten Ophir-Fluxgage-System lassen sich zentrale Messwerte in einem Schritt auf kleinem Raum ermitteln – ohne spezielle Ansprüche an die Umgebung, in der gemessen wird.

Technologie basiert auf Solarmodulen

Herzstück der rechteckigen Messgeräte sind Solarmodule, die an den fünf Innenseiten des Gehäuses befestigt sind. Diese Solarmodule wiederum sind mit einer schwarzen Beschichtung versehen, die sehr viele feine Löcher enthält, um das Licht einfallen zu lassen. Der Aufbau minimiert die Reflektionen im Inneren des Messgeräts, sodass das Messgerät nur wenig größer sein muss als die zu messende LED-Leuchte. Diese wird einfach direkt über dem Messgerät platziert, sodass das Licht in den Innenraum abstrahlt. Das abgestrahlte Licht wird dann von den Solarmodulen gemessen und in ein elektrisches Signal gewandelt. Mithilfe eines integrierten Spektrometers berechnet die mitgelieferte Software daraus anschließend den Gesamt-Lichtstrom der LED-Leuchte. Das Spektrometer befindet sich mittig auf dem Boden des Messgeräts. Mit ihm werden auch die wichtigen Farbparameter vermessen. Als dritten Sensor verfügt das Messgerät über eine Photodiode zur Messung des Flimmerns.

Leuchten bis 1445 mm Länge lassen sich mit dem Fluxgage 1500 messen.

Leuchten bis 1445 mm Länge lassen sich mit dem Fluxgage 1500 messen. MKS Instruments

Die Handhabung des Geräts ist insgesamt einfach, da die Hintergrundbeleuchtung automatisch erfasst und von den gemessenen Werten der LED-Leuchte anschließend substrahiert wird. Die Messung selbst dauert nur wenige Sekunden. Neben allen in der Einleitung vorgestellten Messwerten – inklusive der neuen TM-30-15-Farbwiedergabewerte Rf und Rg – ermittelt das Fluxgage-System zahlreiche weitere Parameter unter anderem die Beleuchtungstärke, Flicker Index oder PAR-Werte. Sämtliche Messergebnisse lassen sich mit der Fluxgage-Software am angeschlossenen Computersystem in unterschiedlichen Varianten darstellen.

Produktfamilie für verschiedene Anwendungen

Seit der Entwicklung des neuartigen Messkonzepts entwickelten die Experten weitere Modelle, die den Anforderungen unterschiedlicher Anwendungen Rechnung tragen. Im ersten Schritt wurden die Abmessungen des Messinnenraums deutlich vergrößert. Konnte das erste Messsystem LED-Leuchten bis zu einer Größe von 640 mm auf 480 mm vermessen, bietet Fluxgage 1500 Platz für Leuchten mit Abmessungen von 1445 mm auf 640 mm und einen Gesamt-Lichtstrom von bis zu 80.000 Lumen. Insbesondere für die Messung von Leuchten mit einem geringen Lichtstrom bis hinunter auf 20 Lumen eignet sich die kürzlich vorgestellte High-Resolution-Variante (HR) des Systems. Fluxgage HR wird unter anderem eingesetzt, um LED-Leuchten zu prüfen, wie sie in der Automobilindustrie, der Fertigung von Signalleuchten oder im medizinischen Umfeld genutzt werden. Sämtliche Fluxgage-Systeme lassen sich mit dem eigens entwickelten LED-Kalibrierstandard-System FGC100 kalibrieren. Empfohlen wird dies einmal pro Jahr.

Fazit

Die Anforderungen an hochwertige LED-Leuchten wird in Zukunft weiter steigen. Insbesondere die Nachfrage an Lichtlösungen, die sich an den komplexen Bedürfnissen von Menschen, Tieren und Pflanzen orientieren, wird wachsen. Um hier effiziente Entwicklungsprozesse und gleichzeitig qualitativ hochwertige Produktionsergebnisse zu gewährleisten, sind schnelle und zuverlässige Messgeräte unabdingbar. Das Konzept des Fluxgage-Systems bietet eine gute Ausgangsbasis, um weitere Sensoren zu integrieren und auch zukünftige Anforderungen der Lichtbranche zu erfüllen.