7.8 LED-Messtechnik

Heutzutage findet ein schneller und beständiger Technologiewandel in großem Stil statt: Die traditionelle Glühlampe wird nach und nach durch spezielle Halbleiterbauelemente, bekannt als lichtemittierende Dioden oder LEDs, ersetzt. In den letzten zehn Jahren haben LEDs eine entscheidende Rolle in Sachen Effizienz eingenommen und liefern heutzutage eine kostengünstige Alternative zu Glühlampen. Sie sind zudem verstärkt als helle Signallampen in Ampeln oder in der Fahrzeugbeleuchtung zu finden.

Eine LED kann so hergestellt sein, dass sie nur Licht einer bestimmten Farbe ausstrahlt. Da die Emissionsfarbe von der spektralen Verteilung der LED abhängt, wächst die Nachfrage nach LEDs mit identischen Leistungsumfängen. Aufgrund fertigungsspezifischer Toleranzen müssen LEDs gemäß ihres Leistungsumfangs ausgesucht werden. Dabei spricht man auch von Binning. Bei diesem Vorgang gilt es, sehr schnelle und genaue Messungen durchzuführen und gelingt durch optimierte spektrale Radiometer, die Diodenanordnungen verwenden.

Eine handelsübliche LED weist eine Lebensdauer von 100.000 Stunden (bei Glühlampen sind es 1.000 Stunden) auf, was zu einer erheblichen Reduzierung der Wartung und bei einem LED-Umstieg oftmals zu einer deutlichen Kosteneinsparung führen kann. Als Beispiel hierfür dient Denver: Gegen Ende der 90er hatte die Stadt circa 20.000 Glühlampen in Signalanlagen durch LEDs ersetzt. In Bezug auf die Lebensdauer einer LED wurde eine ungefähre Ersparnis von 300 $ pro Signal errechnet.

Polychromatische vs. monochromatische Quellen

Der Laser ist inzwischen die wohl bekannteste monochromatische Strahlungsquelle. Aufgrund seiner einheitlichen monochromatischen Strahlung, der hohen Leistungsfähigkeit, schnellen Frequenzmodulation und genauen Strahlausrichtung ist der Laser die am häufigsten verwendete Strahlungsquelle für glasfasergestützte Kommunikationssysteme, Entfernungsmesser, Interferometer, Ausrichtungssysteme, Scanner zur Profilmessung, Laser-Scan-Mikroskope und weitere optische Systeme.

Traditionelle monochromatische Anwendungen für radiometrische Messungen kommen in der optischen Spektroskopie mitsamt schmalbandig gefilterten Detektoren und scannenden Monochromatoren vor, die als monochromatische Detektionssysteme oder monochromatische Lichtquellen verwendet werden.

Optische Strahlung beschreibt elektromagnetische Strahlung im Wellenlängenbereich von λ = 100 nm bis λ = 1 mm. Die Mehrzahl der Laser für Messanlagen und glasfasergestützte Telekommunikationssysteme werden überwiegend im Wellenlängenbereich von 200 nm bis 1800 nm betrieben.

In Anbetracht ihres monochromatischen Emissionsspektrums und festgelegten Ausgangswellenlänge brauchen Detektoren zur Laser-Leistungsmessung keine radiometrische Breitbandeigenschaft aufzuweisen. D. h., dass die typische spektrale Empfindlichkeit von Fotodioden aus Si oder InGaAs ohne die ansonsten verlangte spektrale Korrektur verwendet werden kann.

Zur Durchführung absoluter Leistungsmessungen kann die spektrale Empfindlichkeit des unbedeckten Detektors bei einer einzigen Wellenlänge oder über seinen gesamten spektralen Bereich (normalerweise in 10 nm-Stufen) kalibriert werden.

Während der Laser-Hochleistungsmessung erfolgt die Auswahl des dazugehörigen Kalibrierfaktors für die spezifische Wellenlänge. Bei einigen Messgeräten kann über das Displaymenü eine Wellenlänge ausgewählt werden. Nach Anwendung des Kalibrierfaktors für die ausgewählte Wellenlänge berechnet das Gerät den Messwert und zeigt ihn auf dem Display an.

Es haben sich zwei wesentliche Strategien für die Laser-Leistungsermittlung herausgebildet:

  • Die Messung von Laser mit kollimierten (parallelen) Strahlen erfolgt häufig mit einem Flachfelddetektor, dessen wirksame Fläche größer ist als der Laserstrahldurchmesser. Aufgrund der hohen Energie des Lasers muss das Ansprechvermögen des Detektors ggf. mittels eines Dämpfungsfilters reduziert werden. Allerdings kann es auch zu Messfehlern am Detektor in Verbindung mit Polarisierung, Oberflächenreflexionen in die Lichtbahn durch optische Oberflächen sowie nicht richtig ausgerichteter Lichtstrahlen kommen.
  • Aufgrund der unterschiedlichen Einfallswinkel können Laser mit nicht kollimierten (divergenten) Strahlen nicht mit einem Flachfelddetektor gemessen werden. Die Ausgangsleistung dieser Laser wird für gewöhnlich durch Detektoren mitsamt Ulbrichtkugel ermittelt, denn hiermit kann die gesamte eingehende Strahlung, unabhängig vom Einfallswinkel, gesammelt werden. Nachfolgend werden einzelne Merkmale einer Ulbrichtkugel dargestellt:
    • Im Inneren der Kugeln finden multiple Reflexionen statt und somit bietet sie ausreichend Dämpfung in Bezug auf Hochleistungsmessungen. Die Grenze der maximalen Leistung bemisst sich anhand der Höchstgrenze der Kugel-Betriebstemperatur.
    • Diese multiplen Reflexionen verhindern zudem auch Messfehler bedingt durch Polarisierungseffekte in Verbindung mit Flachfelddetektoren.
    • Für Messungen mit größeren Strahlendurchmessern kann der Öffnungsdurchmesser der Kugel erweitert werden und zwar durch Vergrößerung des Kugeldurchmessers.
  • Laser-Streulicht: So nützlich Laser-Strahlung sein kann, so schädigend kann sie sich auf das menschliche Auge auswirken. Selbst Laser-Streulicht kann aufgrund der hohen Energiepegel gefährlich sein. Die Standards gemäß DIN EN 60825 beschreiben eine Risikoklassifikation bei Lasermessmethoden. Zur Feststellung von Laser-Streulicht wird ein Detektorkopf mit 7 mm Öffnungsdurchmesser verwendet, sodass die geöffnete Pupille nachgebildet wird.