2.1 Eingangsoptik eines Detektors und ihre Richtungsempfindlichkeit

Die Gestaltung der Eingangsoptik ist von der gewünschten Richtungsempfindlichkeit des Detektors bestimmt. Diese hängt wiederum von der zu messenden radiometrischen oder photometrischen Größe ab:

  • Zur Bestimmung des Strahlungsflusses oder Lichtstroms einer Lichtquelle bedarf es einer konstanten Richtungsempfindlichkeit über den Raumwinkel von 4π Steradiant oder über den Halbraum mittels des Raumwinkels von 2π Steradiant. Dies ist durch eine Ulbrichtkugel umsetzbar, bei der die Lichtquelle entweder innerhalb der Kugel oder direkt an der Eingangsöffnung platziert wird.

  • Damit Bestrahlungsstärke und Beleuchtungsstärke berechnet werden können, muss die Richtungsempfindlichkeit eines Detektors proportional zum Kosinus des Einfallswinkels sein. Hierfür wird entweder ein Flachfelddetektor herangezogen oder die Eingangsöffnung einer Ulbrichtkugel benutzt.

  • Strahl- und Lichtstärke

  • Strahldichte und Leuchtdichte sind zwei Größen, die als eine Funktion des Raumwinkels berechnet werden. Daher gilt es, das Sichtfeld des Detektors auf einen kleinen Winkel zu begrenzen. Hierfür werden Blenden und/oder in einer Röhre angeordnete Linsen herangezogen.


Die folgenden Abschnitte bieten Informationen zu


Ulbrichtkugeln im Zusammenspiel mit integralen Detektoren

Im Idealfall besteht die innere Oberfläche einer Ulbrichtkugel aus einem gleichmäßig diffusen Lambertschen Reflektor. Die Richtungsverteilung reflektierter Strahlung ist daher unabhängig von der Richtungsverteilung einfallender Strahlung, sodass keine Spiegelreflexion auftritt. Eine ideale Ulbrichtkugel weist durch ihre Geometrie eine konstante Bestrahlungsstärke (oder Beleuchtungsstärke) über ihre gesamte innere Oberfläche hinweg auf. Zudem hängt die Höhe dieser Bestrahlungsstärke nicht von ihrer Richtungsverteilung ab (die Beleuchtungsstärke ist nur von der Gesamtmenge an Strahlungsfluss, also Lichtstrom, der in die Kugel eintritt, abhängig).

 

Abb. 1: Ideale mehrfache Lambertsche Reflexionen im Innern einer UlbrichtkugelAbb. 1: Ideale mehrfache Lambertsche Reflexionen im Innern einer Ulbrichtkugel

In der Realität weisen diese Oberflächen jedoch keine perfekten Voraussetzungen für Lambertsche Reflexionen auf. Obwohl Spiegelreflexion durch die Eigenschaften des betreffenden Materials begrenzt ist, tritt sie trotzdem auf. Mit Hilfe von Blenden, die an bestimmten Orten innerhalb der Kugel platziert sind, werden größere, durch Spiegelreflexion verursachte, Messfehler verhindert. Zudem befindet sich an der Eingangs- und Ausgangsöffnung keine Beschichtung und somit wird hier die Strahlung nicht wie gewünscht reflektiert. Folglich hängt die Qualität der Messungen mit Ulbrichtkugeln stark von deren Beschichtungen, von der genauen Position der Blenden und von der Größe der Öffnung in Relation zum Kugeldurchmesser ab. Allgemein gilt, dass die Gesamtfläche der Eingangs- und Ausgangsöffnung nicht mehr als 5 % der inneren Kugeloberfläche betragen darf. Zur Bestimmung von radiometrischen und photometrischen Größen werden zahlreiche Standardeinstellungen herangezogen, die die Anordnung der Eingangs- und Ausgangsöffnung sowie der innen platzierten Blenden festlegen (siehe Messung von Strahlungsfluss und LichtstromBestrahlungs- und BeleuchtungsstärkeStrahl- und LichtstärkeStrahl- und Leuchtdichte sowie Reflexions- und Transmissionseigenschaften).

Über die Richtungsempfindlichkeit hinaus, haben Ulbrichtsche Kugeln noch weitere Vorteile aufzuweisen:

  • Die hohe Anzahl an Reflexionen im Inneren ermöglicht es, die Empfindlichkeit des Detektors gegenüber Polarisation einfallender Strahlung aufzuheben.
  • Bei der Bestimmung starker Lichtquellen dienen Ulbrichtkugeln zur Dämpfung, damit Sättigungseffekte des Detektors verhindert werden. Die Dämpfung hat einen Anstieg der Innentemperatur zur Folge und daher ist die Höchstleistung durch den Betriebstemperaturbereich der Kugel begrenzt.
  • Generell ist geometrische Ausrichtung der Quelle und der Ulbrichtkugel nicht besonders ausschlaggebend, was zur Vereinfachung der Kalibierungs- und Messvorgänge führt.

Klicken Sie hier für einen tiefergehenden Einblick in die Theorie und Praxis von Ulbrichtkugeln.


Messung von Strahlungsfluss und Lichtstrom

Strahlungsfluss und Lichtstrom von Laser und Spot-Strahlern

Laser, LEDs, Spot-Strahler, Endoskope, optische Fasern und andere Quellen emittieren Strahlung mit unterschiedlicher Richtungsverteilung. Solange sich die Emission auf einen Halbraum mit einem Raumwinkel von 2π Steradiant begrenzt, kann die Quelle an das Eingangsfenster der Ulbrichtkugel angebracht werden. Somit werden Wechselwirkungen mit den Reflexionen im Inneren der Kugel vermieden.

Die Eingangsöffnung muss groß genug sein, damit die gesamte Strahlung der Quelle in die Kugel eintreten kann. Mit Hilfe einer Blende wird der Detektor von der direkten Bestrahlungsstärke der Quelle abgeschirmt.

Abb. 2a: Ulbrichtkugel zur Leistungsmessung von Laser (links)Abb. 2: Ulbrichtkugel zum Messen von Strahlungsfluss + Lichtstrom (Spotstrahler)

Abb. 2: Ulbrichtkugel zur Leistungsmessung von Laser (links) und
zur Messung von Strahlungsfluss und Lichtstrom von Spotstrahlern (rechts)

Alternativ können Strahlungsfluss und Lichtstrom kollimierter (paralleler) Strahlen direkt mittels Flachfelddetektoren gemessen werden, solange die aktive Fläche des Detektors größer ist als der Strahlquerschnitt. Trotz des einfachen Aufbaus für  diese Messung, birgt diese Methode schwerwiegende Nachteile im Vergleich zur Vorgehensweise mit einer Ulbrichtkugel:

  • Der Detektor könnte empfindlich auf die Polarisation des Strahls reagieren.
  • Die aktive Fläche des Detektors könnte eine inhomogene Empfindlichkeit aufweisen. In diesem Fall ist es entscheidend, dass eine gleichmäßige Beleuchtung während der Kalibrierung und Messung sichergestellt ist.
  • Die Ausrichtung des Detektors ist im Hinblick auf den Strahl ausschlaggebend.

Strahlungsfluss und Lichtstrom von Lampen

Lampen geben Strahlung in alle Richtungen des gesamten Raumwinkels (4π Steradiant) ab. Folglich muss eine Lampe im Inneren einer Ulbrichtkugel angebracht werden, damit ihr gesamter Strahlungsfluss sowie Lichtstrom bestimmt werden kann. Daraus folgt, dass die Lampe und ihre Komponenten mit der Reflexion im Inneren der Kugel in Wechselwirkung treten, was zu Messfehlern führen kann. Diese werden jedoch unter Verwendung von Hilfslampen behoben (siehe unten).

Zur Reduzierung von Messungenauigkeiten müssen die Ulbrichtkugeln, die normalerweise für Messungen von Strahlungsfluss und Lichtstrom herangezogen wurden, genauestens für die Testlampe geeignet sein. Ein Eignungsmerkmal dabei ist, dass der Durchmesser der hohlen Kugel ungefähr zehnmal größer sein muss als die Gesamtgröße der Lampe (zweimal so groß bei einer Röhrenlampe). So sollte etwa eine Ulbrichtkugel zur Messung des Lichtstroms einer Leuchtstofflampe mit einer Länge von 120 cm (47 in) einen Durchmesser von mindestens 2 m (79 in) haben. Hinzu kommt, dass der Durchmesser der Kugel die Höchstleistung der Lampe beeinträchtigt.

Während der Messung muss die Lampe genau im Zentrum der hohlen Kugel angeordnet werden. Dies geschieht für gewöhnlich mit einer Röhrenfassung, die die Strom- und Messleitungen in die Kugel führt. Durch eine Halterung am Ende der Röhre wird die Lampe stabilisiert und verbunden. Zur Stabilisierung der Lampe an einer zentralen Position werden drehbare Ulbrichtkugeln verwendet. Sie können geöffnet werden und haben große Durchmesser von mehr als 50 cm (20 in). Kugeln mit kleineren Durchmessern können mit einer Öffnung größeren Durchmessers ausgestattet sein, damit die Lampe in der Mitte der Kugel angebracht werden kann. Während der Messung ist die Öffnung für gewöhnlich durch einen Deckel verschlossen. Die Innenfläche des Deckels sollte die gleiche diffuse Beschichtung aufweisen wie die innere Oberfläche der Kugel. Der Detektor wird an die Öffnung der Kugel angebracht und muss mittels einer Blende gegen direkte Bestrahlungsstärke der Lampe abgeschirmt werden.

Abb. 3: Untersuchungsaufbau, Messung Strahlungsfluss und Lichtstrom einer Lampe

Abb. 3: Untersuchungsaufbau zur Messung von Strahlungsfluss und Lichtstrom einer Lampe.
Die Hilfslampe dient der Reduzierung von Messfehlern, verursacht durch die Wechselwirkung
der Testlampe und ihrer Komponenten mit der reflektierten Strahlung im Innern der Kugel.

Zur Erhaltung genauer Messdaten muss die Lampe vor dem Test in Betrieb genommen worden sein. Die Einbrennzeit hängt dabei vom jeweiligen Lampentyp ab. Die Einbrennzeit einer Wolframlampe beträgt zwischen 2 und 5 Stunden (IEC 64), während bei Bogenlampen eine Einbrennzeit von circa 100 Stunden (IEC 81) empfohlen wird.

Bei Aufbauten für genaue Messungen des Lichtstroms wird eine Hilfslampe mit einer oder mehreren Blenden empfohlen. Die diffuse Beleuchtung der Hilfslampe kann zur Reduzierung der nachteiligen Effekte der Testlampe und ihrer Komponenten beitragen. Dies wird gemäß der Gleichung

ΦX = ΦN ·  YX  ·  YHN
YN YHX

ausgedrückt. Dabei entspricht

ΦX: dem Lichtstrom der Testlampe
ΦN: dem Lichtstrom der Kalibrierlampe
YX: dem Messsignal der Testlampe (die Hilfslampe ist dabei aus)
YN: dem Messsignal der der Kalibrierlampe (die Hilfslampe ist dabei aus)
YHN: dem Messsignal der Hilfslampe (die Kalibrierlampe ist dabei aus)
YHX: dem Messsignal der Hilfslampe (die Testlampe ist dabei aus)

Messung von Bestrahlungs- und Beleuchtungsstärke

Gemäß der Gleichung 3 in Abschnitt Grundlegende radiometrische Größen muss ein Detektor für Bestrahlungs- oder Beleuchtungsstärke einer Oberfläche die einfallende Strahlung messen und zwar gemäß dem Kosinus seines Einfallswinkels. Dies kann folgendermaßen erreicht werden:

  • Durch eine speziell für Messungen der Bestrahlungs- (oder Beleuchtungsstärke) ausgelegte Ulbrichtkugel (siehe untere Abb.) oder
  • Durch einen sogenannten Kosinus-Diffusor. Mit diesem optischen Element wird reine diffuse Transmission angezeigt, unabhängig von der Richtungsverteilung der einfallenden Strahlung (Abb. 5).

In beiden Fällen kann das ideale Kosinus-Richtungsverhalten nur ungefähr geschätzt werden. Abweichungen im realen Richtungsverhalten eines Detektors vom idealen Kosinus-Verhalten werden mittels der Kosinus-Fehlerfunktion des Detektors ausgedrückt und zwar durch

cosine error (ϑ) =  [ S(ϑ) / S(0) ] - cos(ϑ)  =  S(ϑ) - S(0) cos(ϑ)
cos(ϑ) S(0) cos(ϑ)

S(θ) bezeichnet dabei das Detektorsignal, verursacht durch einen Lichtstrahl, der auf dessen Eingangsoptik bei einem Winkel θ von auftrifft, gemessen in Relation zur Normalen (siehe Abb. 4).

S(0) steht für das Detektorsignal, verursacht durch den gleichen Lichtstrahl, der vertikal auf dessen Eingangsoptik auftritt.

 Abb. 4: Ulbrichtkugel, Messung von Bestrahlungs- oder Beleuchtungsstärke

Abb. 4: Ulbrichtkugel ausgelegt zur Messung von Bestrahlungs- oder Beleuchtungsstärke einer horizontalen Oberfläche.
Die Blende verhindert direkte Beleuchtung des Detektors. Die Messerkanten an der Eingangsöffnung beugen
Abschattung durch die Kugelwand vor, diese würden sonst das Kosinus-Verhalten des Detektors verfälschen.

 

Lichtquelle Geschätzte durchschnittliche Beleuchtungsstärke
Bewölkter Nachthimmel 0,0001
Vollmond 0,1
Bürolicht 500
Wolkenfreier Himmel 70000 – 85000

Tab. 1: Beispielwerte durchschnittlicher Beleuchtungsstärke

 

Abb. 5a: Detektorkopf für Bestrahlungsstärke mit Kosinus-Diffusor Abb. 5: wasserfeste Detektorköpfe für den Gebrauch unter Wasser und im Freien

Abb. 5: Bild 1: Detektorköpfe für Bestrahlungsstärke mit Kosinus-Diffusor
Bild 2 – 4: wasserfeste Köpfe für den Gebrauch unter Wasser und im Freien


Messung von Strahl- und Lichtstärke

Die Strahl- und Lichtstärke beschreibt die Richtungsverteilung emittierter Strahlung einer Lichtquelle. Zur Bestimmung dieser Richtungsverteilung gilt es, die relative Position zwischen Quelle  und Detektor zu verändern. Das Goniophotometer ist eine mechanische Vorrichtung, mit der die Ausrichtungsveränderung der Quelle und / oder Positionsveränderung des Detektors möglich ist. Dabei bleibt die Entfernung zwischen Quelle und Detektor konstant. Für genaue Messwerte von Strahl- und Lichtstärke ist es nicht ratsam, die Quelle um die horizontale Achse zu drehen, da die Richtungscharakteristiken häufig von ihrer inneren Temperaturverteilung und somit von ihrer Position zur vertikalen Achse abhängen.

Strahl- und Lichtstärke werden durch das Oberflächenintegral von Strahl- und Leuchtdichte definiert (siehe Gleichung 4) und daher muss die emittierende Quelle vollständig im Sichtfeld des Detektors liegen. Im Idealfall werden beide Größen mittels eines Aufbaus ermittelt, mit dem die Quelle quasi als Punkt betrachtet wird. Als ungefähre Regel lässt sich sagen, dass die Entfernung zwischen Detektor und Quelle mindestens zehnmal größer sein soll als die größte geometrische Abmessung der Quelle.

Bei der Bestimmung genauer Messwerte gilt besondere Vorsicht bei der Reflexionsreduzierung in der Umgebung der Lampe (Wände, Decke und das Goniophotometer selbst) in Richtung des Detektors. Hierfür werden Maßnahmen wie Verdunkelung der Umgebung, der Gebrauch zusätzlicher Blenden und die Reduzierung des Sichtfelds des Detektors ergriffen.


Messung von Strahl- und Leuchtdichte

Mit Strahl- und Leuchtdichte wird die Richtungsverteilung von Strahlung, die von einem bestimmten Flächenelement emittiert oder reflektiert wird, beschrieben. Ähnlich wie bei Strahl- und Lichtstärke können Strahl- und Leuchtdichte mittels eines Goniophotometers bestimmten werden, wobei hier der Detektor weitaus näher an die emittierende oder reflektierende Oberfläche platziert und dessen Sichtfeld um ein paar Grad beschränkt wird. Folglich tritt in den Detektor nur Strahlung von einem beschränkten Oberflächenbereich der Quelle ein.

Lichtquelle

Geschätzte durchschnittliche Leuchtdichte (cd/m2)

Selbstleuchtende Farben

0,02 10-3
Kerzenflamme 1
PC-Bildschirm 100
bewölkter Tageshimmel 1000
wolkenfreier Himmel 5000 – 6000

Tab. 2: Beispielwerte durchschnittlicher Leuchtdichte


Messung von Reflexions- und Transmissionseigenschaften

Der Reflexions- oder Transmissionsgrad sind solche Größen, mit denen die optischen Eigenschaften von Materialien spezifiziert werden (siehe Reflexion, Transmission und Absorption).

Der Reflexionsgrad ρ

Der Reflexionsgrad ρ (für einfallende Strahlung einer gegebenen spektralen Zusammensetzung, Polarisation und geometrischen Verteilung) ist das Verhältnis von reflektiertem Strahlungsfluss oder Lichtstrom zum einfallenden Strahlungsfluss. Die Messung des Reflexionsgrades erfolgt durch den Vergleich eines standardisierten Reflexionsgrades ρN mit einem kollimierten oder konischen Strahlenbündel. Die Detektorsignale werden folgendermaßen berechnet:

ρ =  I (X) - I (verstreut)  · ρN
I (N) - I (verstreut)


I (X): Signal mit Proben-Bestrahlung
I (N): Signal mit Standard-Bestrahlung
I (Streulicht): Signal mit Messöffnung (offen)

Abb. 6: Messaufbau für Reflexion in einer Ulbrichtkugel

Abb. 6: Messaufbau für Reflexion in einer Ulbrichtkugel

Diffuser Reflexionsgrad ρd

Dieser bezeichnet das Verhältnis eines diffus reflektierten Teils eines (vollständig) reflektierten Strahlungsflusses zum einfallenden Strahlungsfluss. Die Messung des diffusen Reflexionsgrades ergibt sich aus dem Vergleich eines standardisierten Reflexionsgrades ρN mit einem kollimierten oder konischen Strahlenbündel. Die Detektorsignale werden wie folgt ermittelt:

ρd =   I (X) - I (verstreut) - ρ [ I (mi) - I (verstreut) ]  · ρN
I (N) - I (verstreut) - ρN [ I (mi) - I (verstreut) ]


I (X): Signal mit Proben-Bestrahlung
I (N): Signal mit Standard-Bestrahlung
I (Streulicht): Signal mit Messöffnung (offen)
I (mi): Signal mit Bestrahlungsstärke eines Spiegels

Abb. 7: Messaufbau für diffuse Reflexion in einer Ulbrichtkugel  

Abb. 7: Messaufbau für diffuse Reflexion in einer Ulbrichtkugel 

Transmissionsgrad τ

Der Transmissionsgrad τ (für einfallende Strahlung einer gegebenen spektralen Zusammensetzung, Polarisation und geometrischen Verteilung) bemisst sich aus dem Verhältnis von durchgegebenem Strahlungsfluss oder Lichtstrom zum einfallenden Strahlungsfluss. Die Messung des Transmissionsgrades erfolgt mittels eines kollimierten oder konischen Strahlenbündels. Die Signale des Detektors werden dabei wie folgt abgeleitet:

τ =  I (X)
I (open)


I (X): Signal mit Proben-Bestrahlung
I (offen): Signal mit Messöffnung (offen)

Abb. 8: Messaufbau für Transmission in einer Ulbrichtkugel

Abb. 8: Messaufbau für Transmission in einer Ulbrichtkugel

Diffuser Transmissionsgrad τd

Bezeichnet das Verhältnis eines diffus durchgegebenen Teils eines (vollständig) durchgegebenen Strahlungsflusses zum einfallenden Strahlungsfluss. Dabei erfolgt die Messung mit einem kollimierten oder konischen Strahlenbündel. Die Signalberechnungergibt sich wie folgt:

τd =  I (X) - τI (verstreut)
I (offen) - I (verstreut)


I (X): Signal mit Proben-Bestrahlung
I (offen): Signal mit offener Messöffnung und geschlossenem Ausgang
I (Streulich): Signal mit offener Messöffnung und offenem Ausgang

Abb. 9: Messaufbau für diffuse Transmission in einer Ulbrichtkugel

Abb. 9: Messaufbau für diffuse Transmission in einer Ulbrichtkugel


Flickermessungen

Neue Entwicklungen im Bereich der Halbleiterlichtbranche haben neuen Anwendungen und Produkte den Weg in der Beleuchtungsindustrie gebahnt. So ist es beispielsweise möglich, dass LED-basierte Lichtquellen mit Pulsweitenmodulation (kurz PWM) oder anderen ausgefeilten Lichttechnologien gedimmt werden oder ihre Farbe ändern können. All diese neuen Funktionen werden häufig von einem komplexen elektronischen Ansteuerungskonzept begleitet. Diese Elektronikbauteile können hochfrequente Anteile enthalten, was neben den typischen niederfrequenten Schwingungen zu Flicker führen kann. Über die Jahre sind verschiedene Messkonzepte zur Untersuchung und Beschreibung dieser Lichtquellen entwickelt worden. Unter diese reihen sich Flicker-Frequenzen, Flicker-Index und Flicker-Prozent ein. Auf Grundlage der Messergebnisse können Lichtquellen miteinander verglichen und optimiert werden. Daraus resultieren wiederum neue messtechnische Aufgaben.

Flicker-Frequenz

Flicker-Frequenz wird mit dem Kehrwert eines Zyklusabschnittes T von Schwingungen definiert.

Abb. 10: Darstellung der Flicker-Frequenz

Abb. 10: Darstellung der Flicker-Frequenz 

 

Flicker-Prozent

Die Angabe des Flicker-Prozent hat sich als äußerst aussagekräftig erwiesen. Sie gibt in Prozent die Stärke (in Bezug auf die Amplitude) der Kurvenform an. Der Wert reicht von 0 bis 1 bzw. von 0 % bis 100 %. 0 % stellt dabei eine reine DC-Kurvenform und 100 % eine reine AC-Kurvenform dar. Der Wert trifft jedoch keine Aussage über den Einschaltzyklus des Signals. Das Flicker-Prozent eines Signals f wird mittels

Flicker-Prozent = 100 % ·  fmax - fmin
fmax + fmin

berechnet, wobei fmax der höchste Funktionswert und fmin der niedrigste Funktionswert von f ist. Abbildung 11 dient der graphischen Darstellung der Berechnung des Flicker-Prozent:

Abb. 11: Darstellung des Flicker-Prozent

Abb. 11: Darstellung des Flicker-Prozent

 

Flicker Index

Der Flicker-Index spielt ebenfalls eine wichtige Rolle. Dieser setzt die Fläche oberhalb der durchschnittlichen Lichtintensität (und unterhalb des gemessenen Signals) der Kurve (Fläche 1, grün) mit der Fläche unterhalb der durchschnittlichen Lichtintensität (und des Signals) der Kurve (Fläche 2, blau) ins Verhältnis. Wie in Abbildung 12 gezeigt, markiert die schwarze Mittellinie die mittlere Lichtintensität. Dabei entspricht 0 einer reinen DC-Kurve und 1 einer reinen AC-Kurve. Mit dieser Größe kann eine Aussage über den Einschaltzyklus des Signals getroffen worden.

Flicker Index =  Fläche 1
Fläche 1 + Fläche 2

Abb. 12: Darstellung des Flicker-Index

Abb. 12: Darstellung des Flicker-Index