3.2 Parameter eines Spektralradiometers

Die folgenden Abschnitte bieten Informationen zu:


Wellenlängengenauigkeit

Die Wellenlängengenauigkeit eines Spektrometers wird durch verschiedene Größen bestimmt. Grundsätzlich ist die Qualität der Wellenlängenkalibrierung die wichtigste Basis der Genauigkeit. Für die Kalibrierungen werden meist physikalische (intrinsische) Linien, wie die der Hg-, Ar-, oder Ne-Linienlampen herangezogen, mittlerweile auch Fabry-Perot-Etalons, um speziell die Bereiche zwischen physikalischen Linien exakter definieren zu können. Die physikalischen Linien haben eine sehr schmale FWHM und können von gängigen lichttechnischen Spektralradiometern kaum aufgelöst werden, d. h., je nach Bandbreite des Spektralradiometers erscheinen diese Linien nun unterschiedlich breit. Speziell bei Geräten mit großen optischen Bandbreiten kann dies zur Überlappung einiger Linien führen. Diese Linien müssen für die Kalibrierung interpretiert und die dementsprechenden Pixel des Spektrometers einer Wellenlänge zugeordnet werden. Schließlich wird zwischen den ermittelten Stützpunkten eine Interpolation der Wellenlängen-/ Pixel-Zuordnung durchgeführt. Hierbei ist es wichtig, Stützpunkte im kompletten Spektralbereich des Spektrometers sowie eine genügend hohe Anzahl dieser zu bestimmen. Interpolation zwischen den Linien ist nur bedingt genau. Die Extrapolation zu den Pixeln am Rand des Spektralbereichs ist kritisch und sollte, wenn möglich, vermieden werden.

Für die Genauigkeit der Kalibrierung ist zudem auch die Messaufgabe zu betrachten. Wird z. B. ein Linienstrahler mit vielen spektral eng beieinander liegenden Linien vermessen (z. B. 3 Linien im Abstand 2 nm), so können diese mit einem Spektrometer der optischen Bandbreite 10 nm nicht mehr aufgelöst werden und die Genauigkeit ist durch die optische Bandbreite limitiert. Mit einem Spektrometer der Bandbreite 2 nm könnten diese Linien hingegen noch sehr gut aufgelöst werden (siehe optische Bandbreite).

Auch die Pixelauflösung geht in die Wellenlängengenauigkeit ein. Hat z. B. ein Gerät eine Pixelschrittweite von 2 nm und eine optische Bandbreite von 2 nm, so kann die gute optische Bandbreite nur relativ unbefriedigend durch die geringe Pixelanzahl genutzt werden. Empfehlenswert sind mindestens 3 Pixel pro optischer Bandbreitenfunktion (siehe Pixelauflösung).

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die Wellenlängengenauigkeit, die optische Bandbreite und die Pixelanzahl zusammenpassen müssen. Zudem muss die Wellenlängenkalibrierung im vollen Spektralbereich genügend präzise mit einer ausreichenden Anzahl an physikalischen Linien oder vergleichbaren Methoden erfolgen.


Absolute Genauigkeit

Die absolute Genauigkeit eines Spektralradiometers ist von der Qualität der Absolut-Kalibrierung sowie der Stabilität des Messgerätes, d. h., auch der Eingangsoptik abhängig. Die Qualität der Kalibrierung hängt nicht nur vom verwendeten Kalibrierstandard, sondern auch vom Know-How und der Ausstattung des Kalibrierlabors ab. Die Absolut-Kalibrierung ist ein komplexer, nicht trivialer Vorgang.

Neben der Kalibrierung ist die Stabilität des Messgeräts mindestens genauso wichtig, denn ein Messgerät, welches um einige Prozent pro Jahr driftet, erlaubt nur kurzeitig genaue Messungen. Da diese Veränderungen des Messgerätes langsam von statten gehen, fallen sie oftmals nicht auf. Erst nach einer Re-Kalibrierung kann die Alterung erkannt werden. Allgemein empfiehlt es sich eine Re-Kalibrierung im Jahresrhythmus durchzuführen. Geräte mit Stabilitätsproblemen benötigen unter Umständen kürzere Re-Kalibrierungszyklen. Vor allem sind die Geräte während der Re-Kalibrierungszeit nicht verfügbar, wodurch unter Umständen Maschinenzeit verloren geht. Hersteller bieten hierfür oftmals spezielle Re-Kalibrierungsmöglichkeiten an (Ulbrichtkugel mit Kalibrierstandard und Software-Unterstützung), um eigenständig Re-Kalibrierungen durchführen zu können oder kurzfristige Kalibrierungen innerhalb von Tagen.

Grundsätzlich gilt zudem der Hinweis, dass Umgebungseinflüsse, die Häufigkeit der Nutzung und Lagerung Einfluss auf die Stabilität des Geräts haben. Diese bestimmen das Re-Kalibrierungsintervall. Außerdem gilt, dass nicht nur die Stabilität des Messgeräts selbst entscheidend ist, sondern die des ganzen Messsystems. Dies kann z. B. zusätzlich noch aus der verwendeten Ulbrichtkugel bestehen, deren Beschichtung einer gewissen Alterung unterliegt, welche vom Know-How der Beschichtungstechnologie abhängt.


Reproduzierbarkeit

Eine sehr hohe Reproduzierbarkeit eines Spektralradiometers ist für alle ernstzunehmenden Messungen Grundvoraussetzung, speziell bei anspruchsvollen Messaufgaben. Bedingt ist die Reproduzierbarkeit durch Faktoren wie Stabilität des Geräts, Kalibrierung, Rauschen des Messgeräts oder Korrekturen von Umgebungseinflüssen (z. B. Temperatur). Im Binning-Bereich kann hierfür die Stabilität des Farbortes als Kriterium herangezogen werden. Ein gutes Spektralradiometer hat z. B. eine Reproduzierbarkeit der x-y-Koordinaten von 0,0001 bis 0,0002 für typische weiße LEDs.


Pixelauflösung

Bei CCD- oder CMOS-Detektoren entspricht jedes Pixel einer Wellenlänge. Die Zuordnung wird bei der Wellenlängenkalibrierung des Gerätes definiert. Nötig sind mindestens 3 Pixel, empfehlenswert 5 Pixel pro Bandbreitenfunktion eines Spektralradiometers, d. h., ein Spektralradiometer mit 2 nm Bandbreite sollte eine Pixelauflösung von 0,6 nm oder besser haben. Die Gesamtanzahl der Pixel richtet sich nach dem zu vermessenden Spektralbereich. So sollte ein Spektralradiometer, welches von 280 nm bis 1000 nm misst und eine Bandbreiten von 2 nm aufweist, idealerweise mehr als 1800 Pixel aufweisen:

1000 nm - 280 nm  · 5 = 1800 ) Pixel
2 nm

Optische Auflösung / Bandbreite

Die optische Bandbreite bestimmt wie fein eine optische Linie (z. B. eine Linie eines Linienstrahles wie HgAr) gemessen werden kann. Es ist für das Messgerät somit nicht möglich, spektrale Details innerhalb der optischen Bandbreite zu messen. Technisch bestimmt wird die optische Bandbreite hauptsächlich über die Kombination aus Eingangsspalt, Beugungsgitter und der Abbildungsqualität des Geräts. Der Eingangsspalt wird im Spektrometer auf den Detektor abgebildet. Je nach Spektralbereich des Geräts bedeutet dies eine gewisse optische Bandbreite, denn die abgebildete Eingangsspaltgröße auf dem Detektor entspricht der optischen Bandbreite in nm. Nachdem die Eingangsspaltbreite direkt in die Bandbreite mit eingeht, ist es hierdurch möglich, die Bandbreite des Geräts anzupassen. Kleinere Bandbreiten haben präziser aufgelöste Messdaten zur Folge, jedoch auch weniger Signal, weshalb sich die Messzeiten erhöhen. D. h., für die Applikation sollte die optische Bandbreite an die Messaufgabe angepasst werden. Empfehlenswert sind Bandbreiten von 5 nm oder kleiner. Größere Bandbreiten sollten nur dann genutzt werden, wenn breitbandige Strahler vermessen werden oder wenn eine mathematische Bandbreitenkorrektur durchgeführt wird. In der folgenden Abbildung wird ein Linienspektrum gezeigt (Intrinsische Linienlampe), welches mit verschiedenen Bandbreiten gemessen wurde. Mit höherer optischer Bandbreite werden Linien spektral breiter und deren Peak-Intensität nimmt ab. Bei breitbandigen Spektren (Vielfaches der optischen Bandbreite) sind diese Effekte nicht mehr ausgeprägt erkennbar.

Abb. 1: Auswirkung der optischen Bandbreite auf die Messung intrinsischer Linien

Abb. 1: Auswirkung der optischen Bandbreite auf die Messung intrinsischer Linien


Mathematische Bandbreitenkorrektur

Für die mathematische Bandbreitenkorrektur gibt es mittlerweile einige verschiedene Ansätze. Der am einfachsten anwendbare ist der von Stearns und Stearns [2]. Dieser liefert zufriedenstellende Ergebnisse, kann aber das optische Verhalten des Messgeräts selbst nicht berücksichtigen, da er eine dreieckige Bandpassfunktion annimmt. Dies ist in der Realität meist nicht der Fall, wodurch nur eine wenig befriedigende Korrekturqualität erreicht werden kann.

Ohno und Woolliams haben diese Methodik weiterentwickelt, sodass direkt die Bandpassfunktion des Geräts gemessen und korrigiert wird. Diese Methoden haben sich durchgesetzt, wobei die Woolliams-Methode (Woolliams et al., 2011) [3] die von der CIE empfohlene ist.

Nachfolgend ist in Abbildung 2 eine LED-Messung gegeben, die mit 5 nm Bandbreite gemessen wurde. Bei angewendeter Bandbreitenkorrektur ist die spektrale Verteilung der korrigierten Daten gleich der Referenzmessung, welche mit 0,5 nm Bandbreite gemessen wurde. D. h., Bandbreitenfehler können mittels mathematischer Korrektur reduziert bzw. idealerweise eliminiert werden.

Abb. 2: Bandbreitenkorrigierte Messung

Abb. 2: Bandbreitenkorrigierte Messung


Streulicht

Das Thema Streulicht ist sehr komplex und kann in der Kürze nicht vollständig erklärt werden. Dennoch sollte man ein Verständnis für den Effekt und die Ursache von Streulicht haben. Einfach ausgedrückt zählt jedes Signal, welches nicht dem wahren Spektrum des zu messenden Strahlers entspricht, als Streulicht. Diese Signale können z. B. durch Kratzer auf den optischen Oberflächen entstehen, durch Mehrfachreflexionen im Gerät, Gittergeister, optische Oberflächen schlechter Qualität, etc. Die Ursachen sind vielfältig und hängen auch stark vom Spektralbereich ab. Ein gutes Spektrometer sollte mindestens eine Streulichtunterdrückung von 3 bis 4 Größenordnungen haben. Auch hier ist wieder der Effekt auf die spätere Applikation abzuwägen. Werden z. B. Messungen im UV-VIS-Spektralbereich angestrebt, so ist eine sehr gute Streulichtkorrektur nötig, um die hohe Messdynamik der Messung abbilden zu können. Die typischerweise wesentlich stärkeren sichtbaren Signale können die Nachweisgrenze im UV derart verschlechtern, dass diese Signale im Streulicht untergehen. D. h., das Signal aus dem sichtbaren Spektralbereich erzeugt einige Counts Streulicht pro Pixel im UV, wodurch das schwache UV-Signal unter Umständen nicht mehr detektiert werden kann. Im sichtbaren Spektralbereich kann dieses Thema wesentlich unkritischer sein, da die Messsignaldynamik eine andere ist.

Dennoch sollte dieses Thema auch hier beachtet werden und optimaler Weise ein Spektralradiometer mit wenig Streulicht, vielleicht sogar ein Spektralradiometer mit mathematischer Streulichtkorrektur, ausgewählt werden.

Es gibt verschiedene Arten von mathematischer Streulichtkorrektur. Bei einfachen Methoden werden Farbfilter genutzt, welche z. B. das Signal im UV-VIS blocken, d. h., dass jedes Signal, welches dann noch in diesem Spektralbereich angezeigt wird, Streulicht sein muss und später von der Messung abgezogen wird. Diese Methode ermöglicht es, Streulicht bedingt gut, jedoch einfach und schnell zu korrigieren.

Abb. 3: Streulichtkorrektur mittels Subtraktion

Abb. 3: Streulichtkorrektur mittels Subtraktion

Wesentlich komplexere und aufwendigere Methoden sind die von Zong et al. (2006) [4] und Nevas et al. (2012) [1]. Für diese muss das Spektralradiometer mit z. B. einem durchstimmbaren Laser gescannt und charakterisiert werden, d. h., das Gerät wird mit einer Wellenlänge angeregt und die spektrale Antwort des Geräts gemessen. Wird dies mit einer Vielzahl an Wellenlängen durchgeführt, kann mit dieser Methodik das Gerät über den kompletten Spektralbereich charakterisiert werden. Hiermit kann die sogenannte LSF-Matrix des Geräts (line spread function) gemessen werden, welche für die Korrektur herangezogen wird.

Abb. 4: LSF-Funktionen eines Arrayspektrometers

Abb. 4: LSF-Funktionen eines Arrayspektrometers

Nachfolgend (Abb. 5) ist eine korrigierte und eine unkorrigierte Messung dargestellt. Es kann je nach Messung in etwa eine Größenordnung an Streulichtkorrektur gewonnen werden. Die LSF-Matrix ist geräteabhängig und muss für jedes Gerät gemessen werden. Dies macht diese Methode aufwendiger.

Abb. 5: Streulicht-Korrigierte LED Messung

Abb. 5: Streulicht-Korrigierte LED Messung


Linearität

Eine wichtige Eigenschaft eines Spektralradiometers ist die Linearität des Geräts. D. h., das Signal x führt zu y Counts Aussteuerung und das Signal 100 x führt zu 100 y Counts Aussteuerung und nicht zu 97 y. Dies ist eine sehr wichtige Eigenschaft, denn ist dies nicht der Fall, so ist die Messunsicherheit von der Aussteuerung abhängig. Deshalb ist eine sehr gute Linearisierung des Spektralradiometers über die komplette Messdynamik des Geräts wichtig. Dies wird meist mathematisch durch eine aufgenommene Linearitäts- Kalibrierungskurve durchgeführt. Gigahertz-Optik hat hierfür zusätzlich noch die BTS-Technologie entwickelt. Bei dieser wird parallel zur Messung mit dem Spektralradiometer noch mit einer sehr linearen Diode gemessen, wodurch dessen Linearität zusätzlich genutzt werden kann, um das Spektralradiometer zu linearisieren.


Dynamikbereich

Für die Lichtmesstechnik sind analytische Spektrometer meist nicht besonders geeignet. Denn in der Lichtmesstechnik überdecken viele Anwendungen einige Dekaden an Dynamik, wodurch die Geräte eigens dafür entwickelt werden sollten. Diese Dynamik beruht rein physikalisch darauf, dass das menschliche Auge ein logarithmisches Sehempfinden hat und somit unterliegen auch die Beleuchtungssituationen im Alltag großer Dynamik. Zudem werden die Geräte bei einer bestimmten Intensität kalibriert, welche nicht unbedingt der späteren Anwendung entspricht. Neben einer sehr guten Linearität ist demnach auch eine genügend große Dynamik des Messgeräts nötig. Hinzu kommt die große Dynamik in den spektralen Verteilungen der Strahler wie LED- oder CFL-Lampen. Dieser gewaltigen Anforderung müssen Messgeräte nachkommen. Die Dynamik wird hierbei nicht nur durch das optische Design mit seinem Detektor (CCD hat in der Regel eine größere Dynamik im Vergleich zum CMOS), sondern auch durch die Elektronik selbst maßgeblich bestimmt. Oftmals wird die Dynamik noch mit optischen Dichtefiltern erweitert.


Dunkelsignalabzug

Für eine Messung mit einem Spektralradiometer ist neben der Linearität, Wellenlängengenauigkeit und Streulicht auch die Qualität des Dunkelsignalabzugs von entscheidender Bedeutung. Wird kein Signal in das Spektralradiometer eingekoppelt, so darf dieses auch keine Aussteuerung anzeigen. Gängige CCD- sowie CMOS-Chips weisen jedoch das so genannte Basissignal oder Dunkelsignal auf. Dieses besteht meist aus einem elektronisch sowie thermisch bedingenden Grundlevel.

Zudem nimmt mit steigender Integrationszeit dieses Signallevel zu, wobei diese Zunahme temperaturabhängig ist. Für eine präzise Messung muss das Dunkelsignal gemessen und von der eigentlichen Messung (der Hellmessung) abgezogen werden.

Hierbei ist zu beachten, dass das Dunkelsignal sehr stabil sein muss, d. h., im Zeitraum zwischen Dunkel- und Hellmessung darf sich das Signal nicht mehr ändern, da sonst nach der Subtraktion Restfehler bestehen bleiben.

Zudem sollte das Dunkelsignal so klein wie möglich gehalten werden. Dies ist zum einen durch einen Kühlvorgang möglich, welcher die Zunahme des Dunkelsignals verlangsamt. Hierbei gilt meist die Faustregel, alle 7 °C Temperaturunterschied halbiert sich das Rauschsignal. D. h., für ein Spektralradiometer, welches einen möglichst kleinen Dunkelsignaleinfluss erreichen möchte, ist eine stabile Kühlung eine Option. Allerdings ist zu erwähnen, dass diese sehr aufwendig ist. Wenn sich die Temperatur zwischen Dunkel- und Hellmessung ändert, werden Fehler induziert. Somit muss die Kühlung sehr stabil sein. Eine attraktivere und elegantere Lösung ist die der sehr kurzen Messzeit. Dadurch entstehen erst gar keine großen Dunkelsignale, womit der Einfluss gering gehalten werden kann. Kurze Messzeiten sind z. B. durch hoch sensitive back-thinned CCD-Chips sowie durch ein optisches Design mit hohen Signaldurchsatz möglich.

Ein allgemeiner Hinweis lautet, dass jedes Spektralradiometer, egal ob gekühlt oder nicht, eine genügend lange Warmlaufphase bekommen sollte, um sich hinsichtlich Temperatur einzupendeln bzw. zu stabilisieren. Nur dann sind stabile Dunkelsignale möglich.


Basislinienrauschen

Basislinienrauschen ist allgemein das Rauschen, das übrig bleibt, wenn eine Hellmessung ohne Signal von einer Dunkelmessung abgezogen wird. Dieses Niveau sollte im niedrigen Countbereich liegen und bei gleichbleibender Temperatur auch stabil sein. Dies ermöglicht es, eine Dunkelmessung des Geräts für mehrere darauffolgende Messungen zu nutzen. Dies ist eine wichtige Anforderung an die Stabilität des Messgeräts. Speziell Spektralradiometer, welche im Außeneinsatz sind, müssen hinsichtlich Temperaturschwankungen Korrekturmöglichkeiten oder sehr schnelle Dunkelmessungen erlauben.

Bei der Frage nach dem Rauschen stellt man sich auch die Frage, wie viele Counts Aussteuerung für eine gute Messung benötigt werden. Dies kann nicht pauschal beantwortet werden. Grundlegend lässt sich sagen, dass dies zunächst vom ADC des Spektralradiometers abhängt. So hat etwa ein 12 bit ADC eine Auflösung von 4096 Counts und ein 16 bit ADC eine Auflösung von 65536 Counts. Hierbei ist der 16 bit ADC im Vorteil, da er eine feinere Auflösung erlaubt, jedoch ist in manchen Anwendungen und je nach Preislage eines Geräts auch ein 12 bit ADC ausreichend. Wie viele Counts nun für eine gute Messung ausreichend sind, hängt vor allem vom Rauschverhalten des Spektralradiometers ab. Hat z. B. ein Gerät ein Basislinienrauschen von 2 Counts, so können mit 2000 Nutzcounts Messungen mit einem SNR von 100 durchgeführt werden. Ist das Rauschen 20 Counts groß, so wären für dieses SNR schon 20000 Counts nötig, was mit einem 12 bit ADC nicht möglich ist. Somit muss für die Interpretation des Rauschlevels die Auflösung des ADC berücksichtigt werden. 1 Count Rauschen bei einem 12 bit ADC entspricht 16 Counts Rauschen beim 16 bit ADC.


Eingangsoptik

Die Beschaffenheit einer Eingangsoptik muss auf die Anwendung angepasst werden. So benötigt die Messung der Bestrahlungsstärke einen guten, Kosinus getreuen Diffusor. Für Messungen in einer Ulbrichtkugel sollte die Eingangsoptik des Spektralradiometers in der Kugelebene sitzen, um z. B. den Empfehlungen der LM79 nachzukommen. Für die Messung der durchschnittlichen LED-Intensität vom Typ A oder B werden speziell dafür entwickelte Eingangsoptiken bzw. Messadapter benötigt.

Allgemein gilt, je stabiler das Design der Eingangsoptik und je besser es auf das Spektralradiometer angepasst ist, umso stabiler ist die Kalibrierung des Geräts. Dies ist insbesondere wichtig, wenn ein Gerät in mehreren Messgeometrien genutzt und demnach öfters umgebaut wird. Hier müssen die Adapter etc. mechanisch und optisch reproduzierbar gestaltet sein.


Mittelung

Um das Rauschen einer Messung zu reduzieren, ist eine Mehrfachmessung und Mittelung der Messdaten eine gängige Wahl. Der Nachteil dieser Methodik ist die vielfache Messzeit gemäß der Mittelungen.

Bei einer anderen Methodik werden bei einer Messung benachbarte Pixel miteinander gewichtet gemittelt. Dies erhöht die Messzeit nicht, da es auf einen einzigen Messdatensatz angewendet werden kann. Die Methodik kann aber zu Bandbreitenerhöhungen führen und sollte nur bei Spektren größerer Breite angewendet werden.


Interpolation

Durch die Pixelauflösung ist die Datenpunktauflösung einer Messung gegeben. Zwischen diesen Punkten kann aber meist ohne größere Probleme gut interpoliert werden, solange die Pixelauflösung wesentlich höher als die optische Auflösung ist. Es existieren einige geeignete Interpolationsverfahren, wobei die Spline-Interpolation die gängigste ist.


Software

Neben einem guten Spektralradiometer ist auch eine gute Software nötig. Diese muss z. B. spektrale Analysen ermöglichen, die sowohl gängige Messgrößen ermitteln als auch eine flexible Messablaufsteuerung zulassen. Hinzu kommen Funktionen wie die Substitutionskorrektur, eine Re-Kalibrierung und im Zusammenspiel mit einem Goniometer muss der Export in gängigen Datenformaten wie IES oder EULUMDAT möglich sein. Die Software sollte intuitiv bedienbar sein und auch applikationsbedingt Tools unterstützen.

Neben diesem umfangreichen Anforderungsprofil für eine Anwendersoftware ist auch oftmals ein SDK (Software Development Toolkit) nötig, sodass Geräte individuell in bestehende Software eingebunden werden können. D. h., es muss auch der programmiertechnische Zugang zu Geräten ermöglicht werden. In der Software sollte es keine Einschränkung geben, um dadurch in der Anwendung nicht beschränkt zu werden.


Datenübertragung

Neben den optisch technischen Parametern ist auch die Datenübertragungszeit eine wichtige Kenngröße. Denn die Daten schneller Messungen müssen auch schnell verfügbar sein. Für die Datenübertragung haben sich USB und Ethernet etabliert, wobei Ethernet gerade im Hochgeschwindigkeits-Binning zu wählen ist.


BTS-Technologie

Spektralradiometer weisen oftmals Probleme in der Linearität auf. Kostengünstige CMOS-Chips, speziell auch Chips, die nicht für die Spektralradiometrie ausgelegt sind, weisen Nichtlinearitäten auf. Auch teure CCDs besitzen eine gewisse Nichtlinearität sowie Instabilität. Diese Nichtlinearitäten können mathematisch korrigiert werden, dennoch ist die Stabilität (z. B. der integrierten lichttechnischen Größe) mit der einer Diode nicht vergleichbar. Die BTS-Technologie vereint nun alle Vorteile der Komponenten. Die spektralen Daten der Spektralradiometrischen Messung werden zur Korrektur des spektralen Fehlanpassungskoeffizienten der Diode genutzt. Die Linearität der Diode wird wiederum zur Korrektur des CCD- oder CMOS-Chips genutzt. Somit können beide Sensoren sehr gut gegenseitig korrigiert werden. Weiterhin weisen die Geräte den Vorteil auf, dass schnelle CW-Messungen mit der Diode durchgeführt werden, für Flickermessungen oder Einschwingverhalten. Dies ist mit Spektralradiometer nicht möglich. D. h., die BTS-Technologie erlaubt weitere Messmöglichkeiten, die mit „normalen” Spektralradiometern nicht möglich sind. Dabei ist jedoch klarzustellen, dass bei der BTS-Technologie jeder Sensor (Diode sowie Spektralradiometer) für sich ein eigenständiges Messsystem ist und somit auch ohne den anderen genutzt werden kann.


Leitfaden für spektrale Messungen (Applikationsbezogen)

Messung mit einem spektralradiometrischen Handmessgerät

Wichtig für die Messung mit einem spektralradiometrischen Handmessgerät ist neben den optischen Eigenschaften auch die Kompaktheit, Robustheit als auch Messgeschwindigkeit des Gerätes. D. h., ein Handgerät muss gewissen mechanischen Stress aushalten sowie genügend schnelle Messungen durch eine hohe spektrale Empfindlichkeit erlauben. Oftmals sind Anwendungen, bei denen ein Handmessgerät eingesetzt wird, nicht zeitlich stabil bzw. teure Arbeitszeit wird mit langen Messzeiten blockiert. Zudem entstehen durch die Bewegung des Messgerätes Messfehler. Das Messgerät sollte baulich kompakt sein, um eine flexible Anwendung sowie eine gute Mobilität zu gewährleisten. Für die optischen Eigenschaften ist neben den bekannten lichttechnischen Parametern eine Korrektur der Umgebungseinflüsse, wie etwa Temperatur wichtig. Hierbei ist für ein relativ anfälliges Bauteil wie ein Spektrometer eine sehr stabile und leicht korrigierbare Diode vorteilhaft, welche wiederum das Spektrometer rückwärts korrigieren kann. Dies ist z. B. in der BTS-Technologie mit inbegriffen.

Messung mit einem spektralradiometrischen Labormessgerät

Wichtig für die Messung mit einem Laborgerät ist eine gewisse Flexibilität. Somit sollte ein Gerät nicht nur für eine Messaufgabe ausgelegt sein, sondern z. B. mit kostengünstigen Zusatzkomponenten mehrere Messaufgaben erfüllen können. So kann ein Spektralradiometer mit einem COS-Diffusor Beleuchtungsstärke oder mit einer Ulbrichtkugel den Gesamtlichtstrom messen. Mit dem COS-Diffusor kann es auch als Beleuchtungsstärkemesskopf für ein Goniometer genutzt werden. Hierür ist eine gewisse Modularität des Herstellers wichtig, um nicht zusätzliche Kosten durch eine Vielzahl an Geräten stemmen zu müssen.

Messung mit einem industriellen spektralradiometrischen Messgerät

Für die Messung im industriellen Bereich sind meist die Messgeschwindigkeit, Langzeitstabilität, Messgenauigkeit, aber auch die einfache Integration in den Prozess wichtig. Diese Integration besteht nicht nur aus der mechanischen Integration, sondern auch aus der Software- Implementierung. Hierzu ist ein einfach handzuhabendes SDK (Software Development Toolkit) mit weitreichenden Kontrollmöglichkeiten des Messgeräts wichtig. Hinzu kommen hohe Anforderungen an Datenübertragungsraten (wenn möglich schneller als 10 ms für einen ganzen Datensatz) sowie umfangreiche Trigger-Möglichkeiten. Optisch ist z. B. im Binning-Bereich eine gute Wellenlängengenauigkeit ± 0,2 – 0,5 nm, eine optische Bandbreite zwischen 2 bis 5 nm, sehr gute Linearität (eventuell durch einen linearen integralen Detektor unterstützt), wenig Streulicht (mindestens besser 1E-3) sowie eine Stabile und präzise Absolut-Kalibrierung nötig. Eine hohe Empfindlichkeit durch back-thinned CCDs für kurze Messzeiten sowie wenig Rauschen für eine sehr gute Reproduzierbarkeit sind vorteilhaft. Des Weiteren ist eine gewisse Modularität und Vielfalt des Herstellers hilfreich, die optische Messtechnik so gut wie möglich an die Messsituation anpassen zu können. Hierzu sollten noch Standardprodukte wie Ulbrichtkugeln, Messadapter oder ähnliches verfügbar sein.


[1] Nevas S, Wübbeler G, Sperling A, Elster C and Teuber A 2012 Simultaneous correction of bandpass and stray-light effects in array spectroradiometer data Metrologia 49 S43

[2] Stearns E I and Stearns R E 1988 An example of a method for correcting radiance data for bandpass error Color Res. Appl.13 257

[3] Woolliams E R, Baribeau R, Bialek A and Cox M G 2011 Spectrometer bandwidth correction for generalized bandpass functions Metrologia 48 164

[4] Zong Y, Brown S W, Johnson B C, Lykke K R and Ohno Y 2006 Simple spectral stray light correction method for array spectroradiometers Appl. Opt. 45 1111-9