Aktuelle Entwicklungen in der Licht- und Strahlungsmesstechnik

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1 Aktuelle Entwicklungen in der Licht- und Strahlungsmesstechnik Georg Sauter, Armin Sperling, PTB 1 Physikalische Photometrie 2 Photometerbank 3 Goniophotometer 4 Array - Spektroradiometer 5 Ausblick Dr. Georg Sauter Physikalisch-Technische Bundesanstalt Fax: Bundesallee D Braunschweig Georg.Sauter@ptb.de Sauter 1

2 1 Physikalische Photometrie Bewertungsfunktionen (Beobachter) 1924 photopisch V 1931 farbmetrisch 2 x, y, z 1951 skotopisch V 1964 farbmetrisch 10 x, y Judd-Modifikation V jetzt z.b. appearance, elderly persons... z10 10, M Candela-Definition 1979 K m K m 683/ V 683/ V lm/w lm/w nur relative spektrale Bewertung nicht für Einheiten von Größen Sauter 2

3 1 Physikalische Photometrie SI Basis Einheit Candela, CGPM *) Photometrie: Messung bewerteter optischer Strahlung spekt. Bewertungsfunktionen, CIE **) Photometrisches Abstandsgesetz 0 V v K m e, d Spektrum v 0 0 sin, v Richtung z d d V V x E, r LED E y *) Conférence Générale des Poids et Mesures **) Commission Internationale de L'Éclairage r,, Kugel-Koordinaten Sauter 3

4 1 Physikalische Photometrie Messgeometrie Messgröße photometrische Größen gerichtet: Photometerbank Quelle beliebig auf Fläche Beleuchtungsstärke E x, y punktförmig in Raumwinkel Lichtstärke ausgedehnt in Raumwinkel Leuchtdichte I, Raumwinkel: Goniophotometer E x, y Quelle beliebig (kompakt) Lichtstrom punktförmig (Spiegel) Lichtstärke-Verteilung I, ausgedehnt (Nahfeld) Strahlenkörper L x, y,, Bestimmung photometrischer Messwerte spektral integrierend Photometer Dreibereichs - Farbmessko pf Messgerät Leuchtdichte - Messkamera A Lx, y,, spektral aufgelöst + numerisch Integration Array - Spektroradiometer Doppel - Monochroma tor Spektroradiometer Strahldichte - Spektralme sskamera Sauter 4

5 2 Photometerbank Variation Entfernung: Beleuchtungsstärke 200:1 2 m 30 m 34 m Kalibrierung von Transfernormalen: - Photometer - Leuchtdichte, -messkamera - Licht-, Beleuchtungsstärkenormal - LED-Cluster - OLEDs 40 m Räume in einer Linie angeordnet und trennbar mit flexiblen Wänden - 3 Abschnitte des Photometerbank-Systems mit gemeinsamer optischer Achse - Raumtemperatur einstellbar von 20 C bis 25 C und stabilisiert auf ± 0.5 C Sauter 5

6 2 Photometerbank - Photometer Kalibrierung 20 kw Halogen CIE Lichtart A lx 50 lx Sauter 6

7 2 Photometerbank - Photometer Kalibrierung 20 kw Halogen CIE Lichtart A lx 500 lx 12 kw Metall-Halogendampf ähnlich Tageslicht D65 50 lx lx Sauter 7

8 2 Photometerbank - Photometer Kalibrierung 20 kw Halogen CIE Lichtart A lx 500 lx 6 Photometer Spektrometer 600 lx 12 kw Metall Halogendampf ähnlich Tageslicht D65 50 lx lx 2 Monitor Photometer Monitor Photometer Sauter 8

9 2 Photometerbank - Photometer Kalibrierung 20 kw Halogen CIE Lichtart A lx 500 lx 6 Photometer Array-Spektrometer 600 lx 12 kw Metall Halogendampf ähnlich Tageslicht D65 50 lx lx P1 P6 = Photometer Photometer Drehteller V1 P5 L P6 SPM P1 P2 V2 SPM = Array-Spektroradiometer L = Justierlaser RP = Referenz Punkt P4 RP Entfernungsanzeige P3 M M = Mikrometer-Anzeige V1, V2 = Verschluss Wagenantrieb Sauter 9

10 2 Photometerbank - LED-Cluster Kalibrierung Bahn Scheinwerfer 20 kw Halogen CIE Lichtart A lx 500 lx 6 Photometer Array-Spektrometer 600 lx 12 zkw Metall Halogendampf ähnlich Tageslicht D65 50 lx lx x y Goniophotometer -180 < < < < 165 Auflösung = 0.01 Sauter 10

11 2 Photometerbank - Lichtstärke Kalibrierung 20 kw Halogen CIE Lichtart A lx 500 lx 6 Photometer Array-Spektrometer 600 lx 12 kw Metall Halogendampf ähnlich Tageslicht D65 50 lx lx Lampenhalter auf Querbank Goniophotometer -180 < < < < 165 Auflösung = 0.01 Sauter 11

12 2 Photometerbank - Lichtstärke Kalibrierung 1 Teleskop + Videokamera 2 Justierung in 6 Freiheitsgraden Messung 7 Sensitivitätskoeffizienten - Videokameras für Vergrößerung - Bild-Dokumentation - Variation computergesteuert Ort: Abstand, seitlich Drehung: horizontal, vertikal Betrieb: Strom, Spannung, Leistung Videokamera Fadenkreuz 1 des Teleskops 2 3 y x 3 Lampenhalter mit 6 Freiheitsgraden 2 zus. Drehachsen Sauter 12

13 3 Goniophotometer - Lichtstrom, Robotersystem Messroboter Radius r < 3 m Wiederholung Dr < 1mm Lampenhalterroboter Quellen < 50 kg Gewicht Messroboter Parkposition Laser-Tracker 1000 Readings/sec U(r,,) = 0.1 mm Sauter 13

14 3 Goniophotometer - Lichtstrom, Robotersystem Photometerkopf Photometerkopf Raumbeleuchtung verdeckt zur Reduktion von Streulicht kubischer Raum 8.5 m Kantenlänge Temperatur einstellbar 20 C bis 35 C, stabilisiert auf ± 0.5 C Wandabdeckung mitgeheizt, streulichtarmer Belag, Luftströmung < 0.1 m/s Sauter 14

15 3 Goniophotometer - Lichtstrom, Robotersystem Messkopf A 1 A4 A3 A2 Glass-fiber to spectrometer Temperature control A5 x-channel A6 A7 entrance aperture Integrating sphere y-channel z-channel Siphotodiode - Kalibrierung von Licht- und Strahlungsquellen (UVA bis NIR mit P elek < 20 kw) als Transfernormale zur Industrie - Messtechnik vorbereitet als Nahfeld Goniophotometer zur Rückführung dieser Messtechnik auf nationale Normale Sauter 15

16 4 Array Spektroradiometer - schnell und einfach zu handhaben - zunehmend in Industrie verwendet aber: - Stabilität extrem designabhängig - Streulicht wenig unterdrückt Sauter 16

17 4 Array Spektroradiometer Sauter 17

18 4 Array Spektroradiometer Y. Zong, et al., "Simple spectral stray light correction method for array spectroradiometers," Applied Optics, 45, pp , Sauter 18

19 spectrometer 4 Array Spektroradiometer - Tunable Laser der PTB - TULIP, CW laser system (im Reinraum) (358 nm < < 950 nm) - PLACOS, pulsed laser system (240 nm < < 2400 nm) - quasi CW system, (in Vorbereitung) (230 nm < < 3300 nm) pump laser tunable laser power control shutter/optic tapered multimode fibre wavemeter voltmeter I/U voltmeter Optic of spectrometer baffle monitor I/U integrating sphere stage transfer standard (trap) x stage monitor z y holographic diffuser Sauter 19

20 4 Array Spektroradiometer Streulichtkorrektur Voraussetzungen: - Bandpassfilter am Eingangsspalt - sehr gute Linearität - hohe Stabilität Messsignal : Streulicht : Spektrum korr.: Y Y Y meas s_spec meas Y IB Y IB Y D Y IB s_spec I DYIB 1 I D Ymeas IB spec aber: Messungen sind extrem aufwendig Ziel: Matrix C spec zur Streulichtkorrektur nicht individuell, sondern für Spektroradiometer - Typen d.h. hohe Fertigungsstabilität erforderlich Y C Y meas Y. Zong, et al., "Simple spectral stray light correction method for array spectroradiometers," Applied Optics, 45, pp , Sauter 20

21 Normalised Spectrum / a.u. 4 Array Spektroradiometer Streulichtkorrektur : Array Spectroradiometer : With stray light corr. : DMC Spectroradiometer Reduktion des Streulichts um 1 bis 2 Größenordnungen Wavelength / nm Spektrale Verteilung einer blauen LED Sauter 21

22 5 Ausblick Die Beispiele sind typisch für Messsysteme in der PTB. Kalibrierung moderner Lichtquellen und Strahlungs-Messgeräten - mit kleiner Messunsicherheit - als Transfernormale zur industriellen Messung (Substitutionsmethode) erfordert komplexe Messsysteme in - aufwendig klimatisierten Räumen, mit - mechanisch, elektrisch und elektronisch umfangreichem Aufbau, - Stabilisierung durch Monitorempfängern oder quellen und - hoher Flexibilität zur schnellen Anpassung an neue Entwicklungen. Verallgemeinerung der 2D Streulichtkorrektur für lineare Arrays auf 3D Messkameras mit Matrix Sensoren möglich z.b. Leuchtdichtemesskameras. Sauter 22

23 Ich danke für Ihre Aufmerksamkeit Sauter 23