Institut für Elektrische Meßtechnik und Meßsignalverarbeitung. Übersicht

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1 Übersicht Allgemeine Übersicht, Licht, Wellen- vs. Teilchenmodell, thermische Strahler, strahlungsoptische (radiometrische) vs. lichttechnische (fotometrische) Größen Beschreibung radiometrische, fotometrische Größen Detektoren Geometrische Optik Bildgebende Verfahren Anwendungen Licht als elektromagnet. Welle, Interferenz, Kohärenz, Laser, Interferometrie, Anemometrie 1

2 Teilchen! [Hecht] 2

3 [Hecht] 3

4 QED Quantenelektrodynamik Dualismus Welle-Teilchen Photon Ruhemasse m Ph = 0 Quanten-, Photonenenergie: W Ph = hf (= hν) Plank sches Wirkungsquant: h = 6, Ws 2 de-broglie Wellenlänge: λ = h p = c f Impuls: p = W Ph c = hf c = h λ 4

5 V(λ) Spektraler Hellempfindlichkeitsgrad für Tagsehen Relative sensitivity = V( ) Commission International de l Eclairage (CIE) max. bei 555nm Strahlungsphysikalische vs. Lichttechnische Größen [Foley et al., Computer Graphics ] 5

6 Strahlungsphysikalische (radiometrische) Lichttechnische Größen (fotometrische) [Hoffmann, TB d. Messtechnik] 6

7 Strahlungsenergie (-menge), Strahlungsfluss Strahlungsenergie Q e Strahlungsfluss Φ e = dq e dt Gesamte von einer Quelle emittierte Energie Gesamte von einer Quelle emittierte Leistung [Q e ] = J = Ws [ e ] = W Index e energetisch Strahlungsphysikalische/radiometrische Grundgrößen 7

8 je Wellenlänge Spektrale Strahlungsenergie Q e Spektraler Strahlungsfluss e [Q e ] = J/m = Ws/m [ e ] = W/m Gesamte von einer Quelle emittierte Energie Leistung einer bestimmten Wellenlänge 8

9 [Pedrotti et al.] 9

10 Fluss pro Raumwinkel Strahlstärke I e I e = dφ e dω [I e ] = W sr [Pedrotti et al.] 10

11 Strahldichte L e Strahlstärke der projizierten Quellenfläche (effektive Senderfläche) senkrecht zur Beobachtungsrichtung L e = di e da 1 cos ε = d 2 Φ e dω da 1 cos ε Sonderfall Lambert scher Strahler: I e = I e0 cos ε L e = I e0 = const. A 1 L e = W sr m 2 Strahldichte ist unabhängig vom Betrachtungswinkel Sonderfall Kugelstrahler: I e ( )= const. 11

12 I e = I e0 cos [Pedrotti et al.] 12

13 Strahlcharakteristik Richtungsabhängigkeit der Strahlstärke I e ( ): Kugelstrahler I e = Φ e 4π sr = const. Lambert- (Cosinus-)strahler I e = I e0 cos ε Keulencharakteristik I e = I e (ε) (Öffnungswinkel: Abfall von I e auf 50%) 13

14 Spezifische Ausstrahlung M e Strahlungsflussdichte einer Quelle die den Strahlungsfluss d e,h vom Flächenelement da 1 in den Halbraum strahlt: M e = dφ e,h da 1 [M e ]= W m 2 14

15 Bestrahlungsstärke E e, Bestrahlung H e Strahlungsflussdichte auf einer Empfängerflache da 2 : E e = dφ e da 2 [E e ]= W m 2 über einen Zeitraum: H e = E e dt [H e ]= Ws m 2 15

16 [Pedrotti et al.] 16

17 Wie misst man strahlungsphysikalische Größen? [Pedrotti et al.] 17

18 Strahlungsdetektion Wechselwirkung Photon/Strahlung Detektor Photonendetektion, Beispiel Photodiode Schwarzkörper Absorption, Beispiel Bolometer Immer nur in einem bestimmten Energiebereich! z.b.: λ 2Eeλ dλ λ 1 Spektrale Empfindlichkeit berücksichtigen! z.b.: λ 2η(λ)Eeλ dλ λ 1 ( ) z.b. Quanteneffizienz ( ), z.b. für Silizium 18

19 Beispiel Photodiode BS520E0F von Sharp Im Sperrbetrieb (III. Quadrant): Sperrstrom streng proportional zu Bestrahlungsstärke und Fläche Lineare KL (I/E e ) E e I H e I dt [Hoffmann, TB d. MT] 19

20 Beispiel Bolometer a. Absorber E e Erwärmung d. Membran T b. Widerstandsänderung R [Hoffmann, TB d. MT] Perfekt schwarze Membran: Allgemein: Spektrale Albedo ρ( )=0 E e (1-ρ( )) 20

21 Strahlungsphysikalisch Lichttechnisch Viele wellenlängen-abhängige Gewichtungen: ( ), ρ( ),, V( ) Spektraler Hellempfindlichkeitsgrad für Tagsehen Relative sensitivity = V( ) 780nm Lichtstrom φ = K m V(λ)φeλ 380nm dλ [Foley et al., Computer Graphics ] K m = 683 lm/w fotometrisches Strahlungsäquivalent 21

22 [Pedrotti et al.] 22

23 Radiometrie Fotometrie Allgemein: Fotometrische Größe, z.b. φ, φ v, φ vis Index visible für sichtbares Licht Fotometrische Größe = K( ) Radiometrische Größe K λ = K m V λ mit K m = 683 lm W Es gibt die gleiche Berechnung auch für Nachtsehen: K λ = K mv λ mit K m = 1699 lm W 23

24 Nachtsehen Tagsehen 650 [Pedrotti et al.] 24

25 0,2 [Pedrotti et al.] 25

26 Praxis-Beispiel: 3D-PITOTI Projekt (1) Benötigt der Scanner eine Abdunkelung? Kann unter Tageslicht-Bedingungen gearbeitet werden? Labor-Anordnung: Tageslicht (Fenster) Pico-DLP mit 100 lm 26

27 Praxis-Beispiel: 3D-PITOTI Projekt (2) Benötigt der Scanner eine Abdunkelung? Kann unter Tageslicht-Bedingungen gearbeitet werden? Tageslicht: Solarkonstante gerade ausserhalb der Atmosphäre: E e = 1355 W/m 2 Erdoberfläche, Sonne im Zenith: E e = 1120 W/m 2 Wikipedia: E vis,tageslicht = [ lx] Mitteleuropa, Mittag: Sommer: E vis = lx Winter: E vis = lx Im Schatten (kein direktes Sonnenlicht), Sommer: E vis = lx [Bergmann, Schäfer, Experimentalphysik] W/m 2 lx? ( K m V(λ)) DLP mit 100 ANSI Lumen lx? (lx = lm/m 2 ) ~20 15cm = 0,03 m 2 100lm /0,03m 2 = lx 27

28 Praxis-Beispiel: 3D-PITOTI Projekt (3) Benötigt der Scanner eine Abdunkelung? Nein! Kann unter Tageslicht-Bedingungen gearbeitet werden? Ja! Tageslicht + DLP - = Tageslicht 28

29 Praxis-Beispiel: 3D-PITOTI Projekt (4) Stand Okt. 2014: Statt DLP-Projektor High-power LEDs Custom Illumination, 220 LEDs, up to lx!! Direktes Sonnenlicht möglich! Tageslicht + LED-Beleuchtung - = Tageslicht 29

30 Wie misst man lichttechnische Größen? [Pedrotti et al.] 30

31 Beleuchtungsstärke Luxmeter E = dφ Bekannte Empfängerfläche A da Si-Photodiode, Farbfilter mit V( )-Charakteristik E I Luxmeter im EMT-Bildmesslabor 31

32 Lichtstrom Fotometerkugel nach Ulbricht Ulbrichtkugel Indirekter, gesamter im Inneren der Kugel erzeugter Lichtstrom: E ind = φc k C k Kugelkonstante Kalibrierung d. Kugelkonstanten [Hoffmann, TB d. MT] 32

33 Zum Abschluss Strahlungsphysikalische Lichttechnische Größen Si-Einheiten W lm Lumen W/sr cd Candela = lm/sr W/m 2 lx Lux = lm/m 2 Lichttechnische Si-Basiseinheit: Candela Und noch ein Gewicht 33

34 Responsivity Relative spektrale Antwort cutoff wavelength [Jähne et al.] [5] Rieke, G. H., (1994). Detection of Light: From the Ultraviolet to the Submillimeter. Cambridge University Press Einfach: R λ = U(λ) φ λ U Spannung am Detektor Vollständig: R λ, f = U(λ,f) φ λ (f) f Abtastfrequenz 34

35 Detektoren Photonen-Detektoren Innerer Photoeffekt Valenz Leitungsband R λ = η(λ)λqg hc W Ph = hc Photonenenergie q Ladung des Elektrons G photoconductive gain Thermische Detektoren Alles wird absorbiert T R λ = U dark U light φ eλ = S φ eλ const Photonen-Detektor Thermischer Detektor 35

36 Optische Methoden in der Messtechnik 2VO WS Axel Pinz 2LU WS Christoph Feichtenhofer, Thomas Höll Vorbesprechung 13.10, 16:00, SR EMT 36