Modulares Ulbrichtkugel-Konzept

Mit dem UM Baukastensystem der Gigahertz-Optik GmbH lassen sich Ulbrichtsche Kugeln individuell konfigurieren.

Von der Basis-Kugel zum Ulbrichtschen Kugel

Das Ulbrichtkugel Baukastensystem basiert auf Basiskugeln. Diese werden mit unterschiedlichen Durchmessern und Beschichtungen angeboten. Die Basiskugeln lassen sich mit dem angebotenen Kugel-Zubehör bestücken. Das Kugel-Zubehör beinhaltet Portrahmen, Portstopfen, Ständer, Detektor-Ports, und Bafflel. Der Aufbau der Kugeln wird im Rahmen eines Angebotes abgestimmt.

Standardteile mit Lagerhaltung

Die Basiskugeln und Teile des Kugel-Zubehörs werden in größeren Stückzahlen auf Lager produziert. Dadurch können die Kosten gering und Lieferzeiten kurz gehalten werden.

Von der Ulbrichtkugel zum Ulbrichtkugel Messsystem

Mit den Portadaptern, Lichtquellen, Licht-Detektoren und Lichtmessgeräten aus unserem Standard-Fertigungsprogramm können funktionsfertige Messsysteme zusammengestellt werden.

UMBB-150 konfiguriert mit Bauteilen aus dem Ulbrichtkugel-Baukastensystem und kundenspezifisch angefertigten Bauteilen.

* die Ulbrichtsche Kugel, Englisch Integrating Sphere, ist nach dem Ingenieur Richard Ulbricht (1849 bis 1923) benannt. Das M steht für das Modulare Konzept

 

Konfigurationsbeispiel einer Ulbrichtkugel mit dem UM Ulbrichtkugel-Baukastensystem

Bild 1 Modular
Design-Kriterien für typische Anwendungen der Ulbrichtschen Kugel:

Es gibt drei typische Anwendungsgebiete für Ulbrichtsche Kugeln:

 

Design Kriterien für den Aufbau von Ulbrichtkugel Detektoren (ISD)

Die Messung des Lichtstrom bzw. der Strahlungsleistung von Leuchtmitteln und Leuchten sind eine der Hauptanwendungen der Ulbrichtschen Kugel. Dabei wird die Vielfachreflektion der Ulbrichtschen Kugel ausgenutzt. Diese sorgt dafür, dass Licht, das von außen in die Kugel eintritt bzw. in der Kugel erzeugt wird, für eine gleichmäßige Ausleuchtung der Kugeloberfläche sorgt. Die Beleuchtungsstärke, die an einer Öffnung in der Kugel gemessen wird, ist proportional zum Lichtstrom in der Kugel. In Abhängigkeit der Abstrahlcharakteristik der Test-Lichtquelle gibt es verschiedene Design-Regeln.


Typische Aufbauformen Ulbrichtscher Kugeln zur Messung der Lichtleistung:

  1. Ulbrichtkugel Design für Lichtquellen, die ihre Strahlung frei in den Kugelraum ((4π) abstrahlen. Zur Messung wird die Testleuchte mittels eines Lampenhalters im Zentrum der Kugel positioniert. Ein Baffel muss zwischen der Testlampe und dem Lichtdetektor positioniert werden. Dieser verhindert eine direkt Beleuchtung des Detektors durch die Testlampe. Der Detektor selbst muss mit einer Streuscheibe ausgeführt sein. Diese sorgt dafür, dass möglichst die gesamte Kugeloberfläche vom Blickfeld des Detektors erfasst wird. Eine Hilfslampe ermöglicht es, die Einflüsse durch Selbstabsorption der Testlampe auf den Lichtdurchsatz der Kugel zu kompensieren.
  2. Für Anwendungen mit gerichteten Leuchtmitteln und Leuchten, Kaltlichtquellen mit Lichtleiter und Laser werden die Ulbrichtkugeln mit einer Applikationsöffnung ausgeführt. Die Strahlung der Lichtquelle, die außerhalb der Ulbrichtschen Kugel betrieben wird, gelangt durch diese Öffnung in die Ulbrichtkugel. Ein Baffel zwischen der Applikationsöffnung und dem Detektor ist nicht erforderlich, da der Detektor nicht direkt beleuchtet wird. Der Detektor muss mit einer Streuscheibe ausgeführt sein.
  3. Für Anwendungen mit Leuchtmitteln und Leuchten mit großem Abstrahlwinkel, wie z.B. LEDs muss der Detektor gegen die Messöffnung mit einem Baffel abgeschattet werden. Auch in dieser Konfiguration muss eine Streuscheibe vor dem Detektor vorgesehen werden.
Bild 2 Modular

1. Ulbrichtkugel 2. Baffel 3. Streuscheibe 4. Detektor 5. Test-Leuchte

 

Design-Kriterien für den Aufbau von Ulbrichtkugel Lichtquellen (ISS)

Die Nutzung der Ulbrichtschen Kugeln als Lichtquelle ist das zweite Schwerpunktthema. Die Ulbrichtkugel bietet in dieser Anwendung ein Leuchtfeld mit hoher Homogenität der Lichtverteilung. Der Lichtaustritt erfolgt in den Kugelhalbraum. Deshalb sind Ulbrichtkugel Lichtquellen auch unter dem Begriff Uniform Light Sources ein Begriff geworden. Ein wichtiges Design Kriterium für UIlbrichtkugel Lichtquellen ist die Anordnung und Ausführung der Lichtquellen zur Beleuchtung der Kugel:

  1. Wenn Leuchtmittel wie beispielsweise Halogenlampen innerhalb der Ulbrichtschen Kugel betrieben werden, wird nahezu ihr gesamter Lichtstrom von der Ulbrichtkugel aufgefangen. In dieser Anordnung besteht keine Möglichkeit die Leuchtdichte am Kugelausgang zu variieren, da jede Veränderung des Lampenstroms zu einer Änderung der Farbtemperatur führen würde. Es besteht allerdings die Möglichkeit, mehrere Leuchtmittel in der Kugel anzuordnen. Die Leuchtdichte am Kugelausgang kann dann in Stufen durch Ein/Aus Schalten der Lampen variiert werden.
  2. Für eine variable Einstellung der Leuchtdichte am Ausgang der Ulbrichtschen Kugel ohne Veränderung der Farbtemperatur bieten sich einstellbare Blenden an. Diese werden zwischen der Lichtquelle und der Ulbrichtschen Kugel angeordnet. Für eine Intensitätsverstellung in Stufen bieten sich Lochrasterblenden an. Diese lassen sich auch mit einstellbaren Blenden kombinieren. Der Wirkungsgrad der Licht-Einkopplung in die Kugel kann durch Verwendung eines Reflektors erhöht werden.
  3. Halbleiter Leuchtmittel wie z.B. LEDs bieten die Möglichkeit der Intensitätsveränderung durch Regelung des Betriebsstroms der Leuchtdioden.
Bild 3 Modular

1. Ulbrichtsche Kugel 2. Lampe 3. Baffel 4. Einstellbare Blende 5. Leuchtfeld

 

Design-Kriterien für den Aufbau von Ulbrichtkugel für Material Kennzahlen (ISMP)

Die dritte Anwendung von Ulbrichtschen Kugeln ist die Bestimmung von lichttechnischen Materialeigenschaften. Im Wesentlichen sind das Reflexion, Transmission, Absorption, Fluoreszenz und Fotolumineszenz. In all diesen Anwendungen wird Licht als Referenz oder zur Anregung benötigt.

Typische Messanordnungen mit gebündelten Lichtquellen:

  1. Reflexion: Ulbrichtkugel mit Probenöffnung und gebündelter Lichtquelle zur Beleuchtung der Probe durch die Kugel. Gemessen wir die gerichtete und gestreute Reflexion von der Probe.
  2. Transmission: Ulbrichtsche Kugel mit Probenöffnung und gebündelter Lichtquelle zur Beleuchtung der Probe. Gemessen wird der gerichtete und gestreute Lichtaustritt der Probe.
  3. Absorption und Fluoreszenz: Ulbrichtsche Kugel mit Probenhalter zur Befestigung der Probe im Kugelzentrum. Probenbeleuchtung mit gebündelter Lichtquelle. Absorption: Messung des Unterschiedes mit und ohne Probe. Fluoreszenz und Fotolumineszenz: Messung der emittierten Strahlung der stimulierten Probe.

Bild 4 Modular

1. Ulbrichtsche Kugel 2. Gebündelte Lichtquelle 3. Probe


Typische Messanordnung mit diffuser Probenbeleuchtung:
Ulbrichtsche Kugel mit Probenhalter zur Befestigung der Probe im Kugelzentrum. Diffuse Beleuchtung der Probe durch Lichtquelle mit Baffel. Messung der spektralen Absorption durch die Probe innerhalb des Beleuchtungsspektrums.

Bild 5 Modular
1. Ulbrichtsche Kugel 2. Leuchtmittel 3. Baffel 4. Probe

 

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