Die rasante Entwicklung der Festkörperbeleuchtung hat den Bedarf an präzisen und zuverlässigen Lichtstrommessungen erhöht. Um energiesparende LED-Systeme zu entwickeln, müssen Lichtausbeute, Farbstabilität, Wärmeentwicklung und tatsächlicher Lichtstromabfall genau bestimmt werden. Die gängigste Messmethode ist diejenige, die auf einem integrierende Kugel Dabei handelt es sich um ein optisches Gehäuse, das speziell dafür ausgelegt ist, das gesamte emittierte Licht einer Lampe oder eines Halbleiteremitters unabhängig von der Richtung des emittierten Lichts aufzufangen.
Im Gegensatz zu punktuellen Messverfahren mittelt die Ulbricht-Kugel mithilfe diffuser Reflexionswände die Strahlungsenergie. Durch diese Mittelung werden Winkeleffekte eliminiert und ein realer Wert der gesamten Lichtausbeute ermittelt. Dieses Verfahren ist für Hersteller, Zertifizierungslabore und photometrische Forschungs- und Entwicklungszentren von großer Bedeutung, da dort eine rückführbare Messgenauigkeit bei LED-Prüfgeräten erforderlich ist.

Physikalisches Verhalten innerhalb einer Ulbricht-Kugel

Die räumliche Mittelung ist das Kernprinzip eines Messsystems mit Ulbricht-Kugel. Nur ein kleiner Teil des von einer LED emittierten Lichts trifft direkt auf den Detektor. Der Großteil trifft auf die Innenfläche der Kugel und wird in alle Richtungen gestreut, bevor er den Sensor erreicht. Diese Mehrfachstreuung erzeugt eine homogene photometrische Innenfläche.
Die Qualitätsmessung hängt maßgeblich vom Beschichtungsmaterial ab. Hochleistungs-Ulbrechtkugeln weisen in ihren Beschichtungen Reflexionswerte über 95 % und extrem geringe Fluoreszenz auf. Aufgrund der hohen Spitzenwellenlängen von LEDs ist die spektrale Neutralität der Beschichtung von entscheidender Bedeutung.

Kugelgeometrie und ihr Einfluss auf die Messung

Der Kugeldurchmesser ist von entscheidender Bedeutung. Ist die Kugel zu klein, kann die Selbstabsorption hoch sein, da die LED und ihre Halterung interne Reflexionen blockieren. Ist die Kugel hingegen zu groß, führt dies zu einer starken optischen Dämpfung und damit zu einer schwachen Detektorantwort.
Übliche Kugeldurchmesser für LED-Messgeräte liegen je nach Produktgröße und Lichtstärke zwischen 0.3 und 2 Metern. Größere Kugeln eignen sich besser für Lampen, Leuchten oder Multi-Chip-Module, während kleinere Kugeln ideal für die Prüfung einzelner LEDs sind.
Die räumliche Gleichmäßigkeit hängt auch von der inneren Geometrie ab. Direktes Licht, das auf den Detektor fällt, muss vermieden werden, da es die Detektoramplitude künstlich verändert. Eine Ulbricht-Kugel ist mit mehreren Blendensätzen ausgestattet, sodass das Licht, das zum Detektor gelangt, eine Reihe von Reflexionen durchläuft und die Mittelungsgenauigkeit verbessert wird.

Abbildung: Ulbrichtkugel

Stabilisierungsanforderungen vor der Messung

Bei der Messung des Lichtstroms ist eine Temperaturstabilisierung der LEDs unerlässlich. Die Lichtstromschwankungen von LEDs werden durch die Erwärmung der Übergänge verursacht, daher muss die Lichtausbeute unter konstanten elektrischen und thermischen Bedingungen gemessen werden.
Professionelle Labore stellen fest:
• Ein festgelegter Stabilisierungszeitraum.
• Einheitliche Einhaltung der aktuellen Bestimmungen.
• Geregelte Wärmeableitung.
• Messbeginn, sobald der Stabilisierungsschwellenwert des Flusses erreicht ist
Der Lumenunterschied kann selbst bei geringen Änderungen der Sperrschichttemperatur insbesondere zwischen Prototypen, Produktionschargen oder anderen thermischen Degradationsbedingungen gemessen werden. LM-80 Alterungstests.

Kugelbasiertes Messverfahren

Eine Ulbricht-Kugel ist ein Messinstrument zur präzisen Bestimmung des Lichtstroms. Sie arbeitet nach einem methodischen Ansatz und beginnt mit einer Umgebungsreferenzkalibrierung, gefolgt von standardisierten Messungen. Für die Kalibrierung werden Referenzlampen in Laborqualität verwendet, deren optische Werte rückführbar sind. Die Messung dieser Lampen erfolgt in der Kugel, um Umrechnungsfaktoren zwischen Photodiodenmessungen und absoluten Lichtstrommessungen zu ermitteln.
Die Hersteller LISUN Hochwertige Systeme herstellen, die diese Kalibrierungszyklen mithilfe automatisierter Sequenzen, photometrischer Linearitätskorrektur, spektraler Fehlerkompensation sowie digitaler Kalibrierungsabfrage kombinieren.
Nach der Kalibrierung des Systems werden LED-Proben angeregt. Die Detektoren erfassen den emittierten Lichtstrom und wandeln ihn mithilfe der Ulbricht-Kugel bzw. des Detektors in photometrische Einheiten um.
Tabelle: Typische Kalibrierungswerte für kugelbasierte Leuchtkraftmessungen

Thermische Eigenschaften während der Flussmessung

Die Lichtausbeute von LEDs ist stark temperaturabhängig. Mit steigendem Vorwärtsstrom sinkt die Sperrschichttemperatur nichtlinear. Diese Degradation beträgt typischerweise 10–20 % und tritt insbesondere bei hohen Temperaturen auf. Um diesem Effekt entgegenzuwirken und so die Integration in die Gesamtkugel zu ermöglichen, müssen Mechanismen zur thermischen Stabilisierung implementiert werden.
Professionelle Setups verwenden:
• Kühlkörper-Montagehalterungen
• Präzisionsstromtreiber
• Niederohmige Verdrahtungsverbindungen
• Protokollierung von Daten anhand der Temperaturänderung.
Die Wärmeentwicklung an der Sperrschicht ist nicht der einzige Umwelteinfluss. Die Ausgangskonstanz wird durch die Umgebungstemperatur in der Kammer, die Vorbrennzeit und die Welligkeit der Wellenform beeinflusst.

Behebung von spektralen Fehlanpassungsfehlern

Werden LEDs zur Erzeugung von Spektralverteilungen mit scharfen Peaks verwendet, können herkömmliche photometrische Sensoren zu Messfehlern führen. Weicht die Empfindlichkeit des Detektors von der Lichtausbeutekurve des umgebenden Materials ab, entstehen spektrale Abweichungen. Die Ulbricht-Kugel wirkt diesem Problem entgegen und ersetzt einfache Fotodioden durch kalibrierte spektroradiometrische Sensoren.
Neue LED-Testgeräte verfügen über integrierte Spektrometer mit spektraler Korrektur. Korrekturalgorithmen nutzen den gespeicherten Lampenspektrum-Gewichtungsspeicher, um den korrekten Lichtstrom ohne manuelle Kompensation zu ermitteln.

Umgang mit der Lichtabsorption im Inneren der Kugel

Kühlkörper, LED-Gehäuse, Verdrahtungselemente und Montagezubehör absorbieren einen Teil des Lichtstroms. Dies wird als Eigenabsorption bezeichnet. Andernfalls rechnet sich die Anlage nicht und liefert falsch berechnete Lumenwerte.
Professionelle Messverfahren gleichen dies aus durch:
1. Messung der Kugelbasislinie in Abwesenheit des Prüflings.
2. Messung bei ausgeschaltetem Prüfling
3. Messung bei eingeschaltetem Prüfling
4. Anwenden von Korrekturkoeffizienten.
Dadurch wird sichergestellt, dass die Endergebnisse der abschließenden Messungen nicht durch Lichtabsorption von Trägerstrukturen verfälscht werden.

Detektorlinearität bei Hochleistungs-LED-Messung

Bei der Entwicklung von LED-Modulen in Museumsqualität kann es zu einer Sättigung des Detektors kommen. Eine Belichtung oberhalb der linearen Sensorbereiche führt zu Fehlmessungen. Labore können dies vermeiden, indem sie entweder Dämpfungsfilter verwenden oder Detektorkanäle mit hohem Lichtstrom und geringer Empfindlichkeit wählen.
Zu den korrekt konstruierten Ulbricht-Kugel-Messsystemen gehören:
• Zwei Detektorkanäle
• Automatische Entfernungsmessung bei Detektionsschaltungen.
• Rauscharme Verstärkung
• Unnötige redundante Kalibrierungskoeffizienten
Dies gewährleistet eine ordnungsgemäße Flusserfassung sowohl bei niedriger als auch bei hoher Intensität.

Anwendungsbereiche, in denen die Kugelmessung die Entscheidungsfindung im Ingenieurwesen verbessert

Die Forschungszentren, die LED-Phosphormischungen bewerten, verwenden Kugelsysteme zur Überprüfung der Phosphorumwandlungseffizienz. Hersteller, die das thermische Lastprofil von Treibern messen, testen die Lichtstromänderung bei unterschiedlichen Temperaturen. Die Entwickler von Hochleistungsmodulen messen den Lichtstromabfall in beschleunigten Alterungstests. Teams aus der Serienfertigung werden zur Zertifizierung von Lieferanten eingesetzt. Diese Gruppen können die Leistungskennzahlen objektiv mithilfe einer kalibrierten Ulbricht-Kugel messen.

Fazit

Integrierende Sphäre Die Kugel ist eines der präzisesten optischen Messinstrumente zur Bestimmung des vollen Lichtstroms von LEDs. Dank thermischer Stabilität in der Montage und komplexer Sensorkompensationslogik ermöglicht sie äußerst zuverlässige Messungen. Die Genauigkeit und Wiederholbarkeit der spektralen Stabilität moderner LED-Testsysteme ist mit herkömmlichen Richtungsmessverfahren nicht zu erreichen. Labore mit systematischen Prozessen haben maßgeblich dazu beigetragen, die LED-Leistung in jeder Phase der Produktentwicklung – von der Materialformulierung bis zur Markteinführung – zu quantifizieren. So können technische Entscheidungen auf der tatsächlichen Lichtstärke und nicht auf Berechnungsabweichungen basieren.