6.2 Reale Ulbrichtkugeln

In der Praxis können die im Kapitel „Theorie der idealen Ulbrichtkugel“ vereinfacht dargestellten Sachverhalte einer idealen Ulbrichtkugel nicht direkt auf reale Anwendungen übertragen werden. Änderungen sind aus folgenden Gründen notwendig:

  • Der Reflexionsgrad ρ kann von der Wellenlänge abhängen. Dies hat einen wellenlängenabhängigen Multiplikator K und eine spektrale Verzerrung der Lichtausbeute der Primärquelle zur Folge. Daher können die für radiometrische Größen formulierten Gleichungen bezüglich der idealen Kugel nicht direkt in die Praxis übertragen werden. Stattdessen werden die jeweiligen Gleichungen für spektrale radiometrische Größen zur Bestimmung des Kugelverhaltens gegenüber monochromatischer Strahlung herangezogen.

  • Die Bestimmung radiometrischer Größen, die die Strahlungsausbeute der Quelle beschreiben, kann nach Wunsch auch mittels nachfolgender Wellenlängenintegration der betreffenden spektralen radiometrischen Größen durchgeführt werden.

  • In Abwägung der Intensität gilt es, kleinere Eingangs- und Ausgangsöffnungen zu benutzen, da der in die Kugel eintretende oder austretende Strahlungsfluss proportional zur Fläche der jeweiligen Öffnung ist. D. h., diese Öffnungen können die Menge des an der Kugel-Innenoberfläche reflektierten Lichtes beachtlich reduzieren, was mit einem modifizierten Multiplikator-Faktor einhergeht:

Egesamt =  Φ0  ·  ρ  =  Φ0  · K
AKugel 1 - ρ (1 - a) AKugel

mit

K =  p
1 - ρ (1 - a)

Hierbei stellt α den relativen Anteil aller Öffnungsflächen und aller anderen nicht reflektierenden Flächen auf der gesamten Innenoberfläche der Kugel dar:

a =  Summe aller nicht-reflektierenden Flächen
AKugel

Die nachfolgende Abbildung zeigt die Abhängigkeit des Multiplikators der Kugel vom Reflexionsgrad ρ für verschiedene Werte von a. Es wird deutlich, dass bereits eine geringe Reflexionsgradveränderung eine deutliche Veränderung des Multiplikators hervorrufen kann.


Abb. 1: Abhängigkeit des Multiplikators K vom Reflexionsgrad ρ

Abb. 1: Abhängigkeit des Multiplikators K vom Reflexionsgrad ρ für unterschiedliche Anteilswerte nicht reflektierender Flächen an der Kugelinnenoberfläche.


Daraus folgt, dass eine minimale Wellenlängenabhängigkeit von ρ in einer gewichteten Wellenlängenabhängigkeit des Multiplikators resultieren kann.

  • Der Einfluss der Objekte innerhalb einer Kugel, etwa wie der Lichtquelle, auf die reflektierte optische Strahlung, kann generell nicht außer Acht gelassen werden. Zur Bestimmung dieses Einflusses kann eine Hilfslampe herangezogen werden.

  • Blenden im Kugelinneren und Abweichungen der beschichtungsabhängigen Reflexionseigenschaften durch gleichmäßige Lambertsche Reflexion sorgen für weitere Abweichungen des Kugelverhaltens. Ihr Einfluss kann einzig mittels numerischer Monte-Carlo-Simulationen nachgebildet werden, dies sich im Wesentlichen Techniken zur Strahlenverfolgung der Photonenbahnen zahlreicher individueller Photonen bedienen.

Darüber hinaus unterliegen Ulbrichtkugeln in Bezug auf ihre optischen Eigenschaften auch zeitlichen Schwankungen. Sie werden vornehmlich durch den Abbau der Beschichtung hervorgerufen. Besonders Bariumsulfat (BaSO4), das traditionell als Beschichtungsmaterial eingesetzt wird, weist bei UV-Bestrahlung einen erheblichen Abbau auf.

OP.DI.MA, optisch diffuses Material, ist ein optisch hochwertiger Werkstoff, der als Volumenreflektor eingesetzt werden kann. Er dient als alternatives Beschichtungsmaterial zu Bariumsulfat für Ulbrichtkugeln bei Anwendungen mit UV-Strahlung und hohen Temperaturen. Seine Reflexionseigenschaften hängen von der Dicke ab. Normalerweise sind 10 mm als minimale Dicke in der Beleuchtungstechnik festgelegt.

Über seine zeitliche Stabilität hinaus bietet OP.DI.MA weitere Vorteile. Mit der Hilfe von Zusatzstoffen kann sein Reflexionsfaktor jedem Wert zwischen 3 % (tiefes Schwarz) und 99 % (helles Weiß) angepasst werden, wobei ein einheitlicher Reflexionsgrad über einen weiten Spektralbereich und über große geometrische Flächen erreicht werden kann. Wie bei anderen Materialien auch, sind bei diesem Werkstoff Arbeiten mit Dreh-, Bohr-, Säge- oder Fräsmaschine möglich und liegt zu diesem Zweck in Form von Rohblöcken, Platten oder Folien verschiedener Größen vor.