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Licht- und Strahlungsmessung
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 Informationsanforderung
Zur physikalischen Beschreibung von Lichtcharakteristiken werden Strahlungsgrößen benutzt. Da die physikalischen Wirkungen elektromagnetischer Strahlung von der Wellenlänge abhängen, muss zu einer vollständigen Beschreibung die gesamte Verteilung der Energie innerhalb des Bereiches von 320 bis 780 nm angegeben werden. Das Ziel der physikalischen Beschreibung ist es, für jeden Punkt anzugeben, welche Strahlungsenergie mit welcher Wellenlänge pro Zeiteinheit auf ihn auftrifft. Die von einer Strahlungsquelle in einer Zeiteinheit abgegebene Energie, wird als Strahlungsfluss bezeichnet (engl.: „radiant flux“) und ist durch den Buchstaben P gekennzeichnet. Der Strahlungsfluss, also die in einer Sekunde transportierte Energie, wird in Watt (W) gemessen und analog zur mechanischen Leistung auch oft als Strahlungsleistung (engl.: „radiation power“) bezeichnet. Elektromagnetische Strahlungen sind nur zwischen 320 bis 780 nm sichtbar. Aber auch innerhalb dieses Bereichs sind nicht alle Strahlungen gleich wirksam. Abgesehen von den Unterschieden im Farbton, der durch Strahlung unterschiedlicher Wellenlänge hervorgerufen wird, können Strahlungsquellen unterschiedlicher Wellenlänge auch unterschiedlich hell erscheinen. Die Photometrie ist der Zweig der Strahlungsmessung, der diese visuelle Gewichtung berücksichtigt. Der Begriff „Leuchtdichte“ ist als photometrisches Analogon zu „Strahldichte“ definiert. Weitere photometrische Größen analog zu den Strahlungsgrößen können eingeführt werden, wie Lichtstärke, Leuchtstrom oder Bestrahlungsstärke.
| Radiometrie | Symbol | Einheit |
| Strahlungsleistung | Φ e | W |
| Strahlstärke | Ie | W/sr |
| Bestrahlungsstärke | Ee | W/m² |
| Strahldichte | Le | W/m² sr |
| Photometrie | | |
| Lichtstrom | ΦV | Lm |
| Lichtstärke | IV | lm/sr = cd |
| Beleuchtungsstärke | EV | Lm/m² = lx |
| Leuchtdichte | LV | Cd/m² |
Überblick über radiometrische und photometrische Einheiten
Die Photometrie kann also als die Messung des sichtbaren Lichts unter Einbeziehung der menschlichen Wahrnehmung oder Empfindung bezeichnet werden. Dabei werden radiometrische Daten (also die ausschließlich physikalischen Werte) mit der u.a. Effizienzkurve verrechnet und über den sichtbaren Bereich integriert.
Spektrale Hellempfindlichkeitskurve
Messaufbau einer Strahlungsmessung
Spektrale Strahlungsmessungen können mittels verschiedener Messaufbauten und in unterschiedlichen Wellenlängenbereichen durchgeführt werden. Neben dem eingemessenen Spektrometer – dem Kernstück des Aufbaus, dienen Glasfaserkabel, Kosinuskorrektoren oder Ulbrichtkugeln als Peripheriegeräte. Das Spektrometer, beispielsweise unser getSpec-2048 wird gegen eine kalibrierte und geeichte Lichtquelle eingemessen und kann nunmehr für Absolutmessungen im UV/VIS, VIS/NIR oder beiden genutzt werden. Die Faser sowie der angeschlossene Kosinuskorrektor müssen allerdings mit dem Spektrometereingang verbunden bleiben, um die Gültigkeit der Kalibrierung nicht zu gefährden. Allerdings bietet getSpec.com auch Kalibrierlichtquellen (getLight-HAL-CAL für den VIS/NIR-Bereich oder getLight-DHS-CAL für den UV/VIS/NIR-Bereich) an), um eine Kalibrierung des Spektrometers vor Ort zu ermöglichen. Über die mitgelieferte Software getSoftIRRAD können Kalibrierungen getätigt und geladen werden.
Messaufbau für absolute Strahlungsmessungen |
| | UV/VIS-Bereich | VIS/NIR-Bereich |
| Spektrometer | getSpec- 2048 |
| Gitter UC (200-400nm), UV, 50 µm Spalt | Gitter VA (360-1100nm), 50µm Spalt, OSC-350-1100 |
| Gitter UA (200-1100nm), UV, 50µm Spalt, OSC-200-1100 |
| Software | getSoft Full und getSoft IRRAD |
| Werksseitige Kalibrierung | IRRAD-CAL-UV (200-400 nm) | IRRAD-CAL-VIS (360-1100nm) |
| IRRAD-CAL-UV/VIS (200-1100nm) |
| Lichtquelle (optional) | getLight-DHS-CAL Deuterium-Halogen-Kalibrierlichtquelle mit CC-UV/VIS | getLight-HAL-CAL Halogenkalibrierlichtquelle mit CC-UV/VIS |
| Faseroptiken | 1 FC-UV200-2 Faser 200µm UV/VIS, 2m, SMA |
| Zubehör | CC-UV/VIS Kosinuskorrektor oder getSphere-IRRAD-CAL Ulbrichtkugel |
Irradiance Software – getSoftIRRAD
Mittels unserer getSoftIRRAD können radiometrische und photometrische Werte in Abhängigkeit der gemessenen Spektralverteilung kalkuliert werden.
Farbe wird mittels der x, y und z-Werte angegeben. Diese Koordinaten werden im Bereich 380 – 780 nm in 1nm-Schritten angezeigt. Die Messung und Ausgabe der Werte (ebenso wie u,v und Farbtemperatur) geschieht in Echtzeit. Als Besonderheit in der getSoft-IRRAD kann das X,Y-Diagramm mit insbesonders für die LED-Analyse wichtigen Parametern wie dominierende Wellenlänge, Farbreinheit oder zentrale Wellenlänge angezeigt werden.
Screenshot der Strahlungsmesssoftware
Die Messwerte können auf 2 Wegen gespeichert und ausgegeben werden:
Im Hauptfenster werden die Daten als spektrale Strahlungsparameter in µWatt/cm2/nm über die Wellenlänge angezeigt (siehe obere Abbildung). Darüber hinaus können in einem separaten Fenster weitere radiometrische Werte wie µWatt/cm2, µJoule/cm2, µWatt, µJoule, oder photometrische Angaben wie Lux oder Lumen, Farbkoordinaten X, Y, Z, x, y, z, u, v und Farbtemperatur angezeigt werden. |
Der Kosinuskorrektor
Der Kosinuskorrektor oder Diffusor CC-3 wird hauptsächlich in der Strahlungsmessung und in der Lichtmesstechnik eingesetzt. Durch die Streuung im Diffusormaterial wird ein Empfangscharakteristik der einfallenden Strahlung nahe der Lambertschen Verteilung erreicht. Der Korrektor ist für den Bereich 200 – 1100 nm aus Teflon gefertigt. Der Diffusor ist in einem schwarz eloxierten Aluminiumgehäuse mit einem SMA-Gewinde gefasst. Der Korrektor wird direkt mit einer SMA-terminierten Glasfaser verbunden. | | |
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Ulbrichtkugel – getSphere-IRRAD
Ulbrichtkugeln können auch in der Lichtmesstechnik eingesetzt werden. Eine Ulbrichtkugel ist eine Hohlkugel deren Innenfläche aus einem diffus und hochgradig reflektierenden Material besteht. Durch die Mehrfachreflexion des eintretenden Lichtes innerhalb der Kugel arbeitet die Kugel entweder als Strahler oder Detektor mit Lambertscher Strahlcharakteristik. Die Abbildung zeigt den prinzipiellen Aufbau der getSphere-IRRAD. Die getSphere-IRRAD wurde zur Analyse von Lasern, LED oder Halogenlampen entwickelt. Ein spezieller Adapter zur reproduzierbaren Fixierung und Positionierung von LED’s ( 3, 5 und 8 mm) ist optional erhältlich. | |  |
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getLight-Hal-Cal - Kalibrierlichtquelle
Die getLight-HAL-CAL ist eine kalibrierte Wolfram-Halogen-Lichtquelle für den Bereich von 360 - 1000 nm. Die Kalibrierung ist NIST- rückführbar. Die Lichtquelle ist zur Kalibrierung der absolut zu messenden Intensität von Spektrometern, Spektroradiometern und anderen optischen Systemen geeignet. Zum Lieferumfang der Lichtquelle gehört ein CC-3-Kosinuskorrektor. Die Kopplung an die Glasfasern erfolgt über SMA-Stecker. Die Lampe wird durch einen Lüfter gekühlt, wodurch eine hohe Stabilität der Ausgangsleistung erreicht wird. Als Lichtquelle für Transmissions- und Reflexionsmessungen ist die getLight-HAL-CAL nicht geeignet. Die Lichtquelle benötigt zum Betrieb ein separat zu bestellendes Netzteil. | | |
Absolute Strahlungsmessung mit der getLight-Hal-Cal - Kurzanleitung
1. Starten Sie die Software und klicken Sie auf den „Start“ Button im Hauptfenster
2. Schließen Sie ein Glasfaserkabel an den entsprechenden Input Port am Spektrometer an.
3. Starten Sie die Absolute Irradiance Application Software, indem Sie im Menü auf die Option „Application/Absolute Irradiance“ klicken.
4. Klicken Sie nun auf den Button „Perform Intensity Calibration”.
Wählen Sie den zu kalibrierenden Kanal am Spektrometer sowie die Kalibrierlampe aus und geben Sie den Durchmesser der Glasfaser/Kosinuskorrektor oder des Probeneingangs an der Ulbrichtkugel ein. Für den Kosinuskorrektor bitte 3900 µm angeben.
5. Schalten Sie die Referenzlichtquelle ein: getLight-HAL-CAL. Wenn am Ende der Glasfaser ein Kosinuskorrektur angebracht ist, kann das Glasfaserkabel direkt an der Lichtquelle befestigt werden. Die getLight-Hal-Cal wird mit einem integriertem Kosinuskorrektor geliefert. Somit können Sie die Glasfaser direkt an den Kosinuskorrektor anschließen. Wird das Glasfaserkabel direkt an eine Ulbrichtkugel angeschossen, so muss der Probeneingang an der Ulbrichtkugel direkt über den Lichtausgang angebracht werden.
6. Die Kalibrierlampe muss mindestens 15 Minuten eingeschaltet sein, bevor eine Kalibrierung durchgeführt werden kann. Klicken Sie dann auf den Button “Start Intensity Calibration”. Versuchen Sie die Integrationszeit so einzustellen, dass indem Sie auf das Referenzlicht schauen, die maximale Countfolge über dem Wellenlängenbereich ungefähr 1400 Counts beträgt. Eine optimale Integrationszeit kann auch durch getSoft berechnet werden, indem man einfach auf den „AC“ Button klickt.
7. Stellen Sie nun die Smoothing-Parameter ein, um für das verwendete Glasfaser/Schlitz eine optimale Glättung zu erzielen.
8. Wenn ein gutes Referenzsignal angezeigt wird, klicken Sie auf den weißen „Save Reference“ Button. Das Referenzspektrum wir nun durch eine weiße Linie sichtbar. Schalten Sie danach die Kalibrierlampe aus, warten Sie, bis das Spektrum flach wird und klicken Sie auf den schwarzen Button, um das Dunkelspektrum zu speichern. Das Dunkelspektrum wird anhand einer schwarzen Linie sichtbar.
9. Klicken Sie nun auf den „Save Intensity Calibration” Button. Ein Dialog wird angezeigt, in dem die aktuellen Einstellungen dieser Helligkeitskalibrierung aufgelistet sind. Wenn die Kalibrierung mittels eines Diffusers durchgeführt wurde, so werden die Daten dieser Helligkeitskalibrierung in eine ASCII Datei mit der Erweiterung *.dfr gespeichert. Bei einer Kalibrierung mit einer Glasfaser ist die Endung *.fbr. Der Name für diese Kalibrierung kann durch Klicken auf den „Save As“ Button eingegeben werden.
Im TAB Tabelle können Sie nun die Hardwareeinstellungen eingeben sowie Farb-, Strahlungs-, Peak- oder Photometrieparameter auswählen. Danach auf OK klicken.
10. Im TAB Tabelle können Sie nun die Hardwareeinstellungen eingeben sowie Farb-, Strahlungs-, Peak- oder Photometrieparameter auswählen. Danach auf OK klicken.
11. Messung der Outputparameter im Versuch: Falls notwendig muss die Integrationszeit geändert werden, so dass der maximale Scope Mode bei ca. 14000 A/D Counts liegt. Danach die Lichtbahn zum Spektrometer hin blockieren und ein Dunkelspektrum speichern. Wenn die Strahlungsintensität noch einmal angezeigt werden soll, klicken Sie in den Einstellungen auf den TAB Measurement.
12. Die durchgeführte Kalibrierung kann für spätere Versuche erneut geladen werden, indem die Option „Load Intensity Calibration“ ausgewählt wird. Nach dem Laden dieser Kalibrierung muss ein Dunkelspektrum gespeichert werden, bevor man in den Irradiance Mode wechseln kann.
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Hardwareeinstellungen für Licht- und Strahlungsmessungen
In der unten aufgeführten Tabelle sind die Strahlungsparameter aufgelistet, die mit getSoft gemessen werden könne. Bitte beachten Sie, dass der Wellenlängebereich spezifiziert wird, indem angegeben wird anhand welches spektralen Outputs die Parameter integriert werden. In der ersten Spalte (Hardware Setup) bedeutet „In der Kugel“, dass Messungen mit einer Lichtquelle in der Ulbrichtkugel durchgeführt werden, wohingegen „Außerhalb der Kugel oder KK“ bedeutet, das Messungen mit einer Lichtquelle in einer bestimmten Entfernung von der Kugel oder mittels eines Kosinuskorrektors durchgeführt werden. |
| Hardware Setup | Parameter | Maßeinheit | Beschreibung |
| In der Kugel | Strahlungsfluss (ausgestrahlte Leistung) | µWatt | Gesamte optische Leistung, die von einer Quelle ausgestrahlt wird. |
| In der Kugel | Ausgestrahlte Energie | µJoule | Gesamte optische Energie, die von einer Quelle ausgestrahlt wird und durch Multiplizieren der Leistung mit der Integrationszeit berechnet wird. |
| Außerhalb der Kugel oder KK | Strahlungsfluss (ausgestrahlte Leistung) | µWatt | Gesamte optische Leistung, die von einer Quelle ausgestrahlt wird und durch Multiplizieren der Leistung mit der Integrationszeit berechnet wird. |
| Außerhalb der Kugel oder KK | Ausgestrahlte Energie | µJoule | Gesamte optische Energie, die von einer Quelle ausgestrahlt wird und durch Multiplizieren der Leistung mit der Integrationszeit berechnet wird. |
| Außerhalb der Kugel oder KK | Strahlungsintensität | µWatt/sr | Optische Leistung pro Raumwinkeleinheit, berechnet durch die Multiplikation der Strahlung mit der Entfernung zwischen punktartiger Strahlungsquelle und Diffusoroberfläche zum Quadrat. |
| Außerhalb der Kugel oder KK | Empfangene Leistung | µWatt | Leistung, die auf Diffusoroberfläche empfangen wird |
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Letzte Änderung 08/14/2007 08:58 AM
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