Basic Concepts in Photometry
Transcrição
Basic Concepts in Photometry
Aktuelle Entwicklungen in der Licht- und Strahlungsmesstechnik Georg Sauter, Armin Sperling, PTB 1 Physikalische Photometrie 2 Photometerbank 3 Goniophotometer 4 Array - Spektroradiometer 5 Ausblick 8. Ilmenauer Lichttag 28.03.2009 Dr. Georg Sauter Physikalisch-Technische Bundesanstalt Bundesallee 100 D-38116 Braunschweig Aktuelle Licht- und Strahlungsmesstechnik Fax: email: +49 531 592 4170 http://www.ptb.de [email protected] 8. Ilmenauer Lichttag Sauter 1 1 Physikalische Photometrie Bewertungsfunktionen (Beobachter) 1924 photopisch V 1931 farbmetrisch 2° x , y , z 1951 skotopisch V 1964 farbmetrisch 10° x10 , y10 , z10 1988 Judd-Modifikation VM Candela-Definition 1979 K m 683 / V 555 683 lm/W K m 683 / V 555 1700 lm/W nur relative spektrale Bewertung nicht für Einheiten von Größen jetzt z.B. appearance, elderly persons .... Aktuelle Licht- und Strahlungsmesstechnik 8. Ilmenauer Lichttag Sauter 2 1 Physikalische Photometrie Photometrie: Messung bewerteter optischer Strahlung SI Basis Einheit Candela, CGPM*) spekt. Bewertungsfunktionen, CIE **) v K m e, V d Photometrisches Abstandsgesetz v , sin d d v 0 0 0 Spektrum Richtung z E , V V E r x y LED *) Conférence Générale des Poids et Mesures **) Commission Internationale de L'Éclairage Aktuelle Licht- und Strahlungsmesstechnik r , , Kugel-Koordinaten 8. Ilmenauer Lichttag Sauter 3 1 Physikalische Photometrie Messgeometrie gerichtet: Photometerbank Quelle beliebig auf Fläche punktförmig in Raumwinkel ausgedehnt in Raumwinkel Raumwinkel: Quelle beliebig punktförmig ausgedehnt Messgröße photometrische Größen Beleuchtungsstärke E x, y Lichtstärke Leuchtdichte A Goniophotometer E x, y (kompakt) Lichtstrom (Spiegel) Lichtstärke-Verteilung I , (Nahfeld) Strahlenkörper L x, y, , I , L x, y , , Bestimmung photometrischer Messwerte spektral integrierend spektral aufgelöst + numerisch Integration Photometer Dreibereichs - Farbmessko pf Leuchtdich te - Messgerät Messkamera Array - Spektroradiometer Doppel - Monochroma tor Strahldichte - Spektrorad iometer Spektralme sskamera Aktuelle Licht- und Strahlungsmesstechnik 8. Ilmenauer Lichttag Sauter 4 2 Photometerbank Kalibrierung von Transfernormalen: - Photometer - Leuchtdichte, -messkamera - Licht-, Beleuchtungsstärkenormal - LED-Cluster - OLEDs Variation Entfernung: Beleuchtungsstärke 200:1 40 m 34 m 2m 1 30 m 2 3 4 5 - 6 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 Aktuelle Licht- und Strahlungsmesstechnik 8. Ilmenauer Lichttag Sauter 5 6 2 Photometerbank - Photometer Kalibrierung 20 kW Halogen CIE Lichtart A 10 000 lx Aktuelle Licht- und Strahlungsmesstechnik 50 lx 8. Ilmenauer Lichttag Sauter 6 2 Photometerbank - Photometer Kalibrierung 20 kW Halogen CIE Lichtart A 10 000 lx 500 lx Aktuelle Licht- und Strahlungsmesstechnik 12 kW Metall-Halogendampf ähnlich Tageslicht D65 50 lx 100 000 lx 8. Ilmenauer Lichttag Sauter 7 2 Photometerbank - Photometer Kalibrierung 20 kW Halogen CIE Lichtart A 10 000 lx 500 lx 6 Photometer Spektrometer 600 lx 12 kW Metall Halogendampf ähnlich Tageslicht D65 50 lx 100 000 lx 2 Monitor Photometer Monitor Photometer Aktuelle Licht- und Strahlungsmesstechnik 8. Ilmenauer Lichttag Sauter 8 2 Photometerbank - Photometer Kalibrierung 20 kW Halogen CIE Lichtart A 10 000 lx 500 lx 12 kW Metall Halogendampf ähnlich Tageslicht D65 50 lx 100 000 lx 6 Photometer Array-Spektrometer 600 lx P1…P6 = Photometer Photometer Drehteller SPM P6 SPM = Array-Spektroradiometer P1 V1 V2 L = Justierlaser P2 P5 RP = Referenz Punkt L P4 RP Entfernungsanzeige P3 M M = Mikrometer-Anzeige V1, V2 = Verschluss Aktuelle Licht- und Strahlungsmesstechnik Wagenantrieb 8. Ilmenauer Lichttag Sauter 9 2 Photometerbank - LED-Cluster Kalibrierung Bahn Scheinwerfer 20 kW Halogen CIE Lichtart A 10 000 lx 500 lx 12z kW Metall Halogendampf ähnlich Tageslicht D65 50 lx 100 000 lx 6 Photometer Array-Spektrometer 600 lx x y Aktuelle Licht- und Strahlungsmesstechnik Goniophotometer -180°< < 180° 0°< < 165° Auflösung = 0.01° 8. Ilmenauer Lichttag Sauter 10 2 Photometerbank - Lichtstärke Kalibrierung 20 kW Halogen CIE Lichtart A 10 000 lx 500 lx 6 Photometer Array-Spektrometer 600 lx Lampenhalter auf Querbank Aktuelle Licht- und Strahlungsmesstechnik 12 kW Metall Halogendampf ähnlich Tageslicht D65 50 lx 100 000 lx Goniophotometer -180°< < 180° 0°< < 165° Auflösung = 0.01° 8. Ilmenauer Lichttag Sauter 11 2 Photometerbank - Lichtstärke Kalibrierung Justierung in 6 Freiheitsgraden Messung 7 Sensitivitätskoeffizienten 1 2 - Videokameras für Vergrößerung - Bild-Dokumentation - Variation computergesteuert Ort: Abstand, seitlich Drehung: horizontal, vertikal Betrieb: Strom, Spannung, Leistung Teleskop + Videokamera 1 Videokamera 3 Fadenkreuz des Teleskops 2 y x 3 Lampenhalter mit 6 Freiheitsgraden 2 zus. Drehachsen Aktuelle Licht- und Strahlungsmesstechnik 8. Ilmenauer Lichttag Sauter 12 3 Goniophotometer - Lichtstrom, Robotersystem Messroboter Radius r <3m Wiederholung Dr < 1mm Lampenhalterroboter Quellen < 50 kg Gewicht Messroboter Parkposition Laser-Tracker 1000 Readings/sec U(r,,) = 0.1 mm Aktuelle Licht- und Strahlungsmesstechnik 8. Ilmenauer Lichttag Sauter 13 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 Aktuelle Licht- und Strahlungsmesstechnik 8. Ilmenauer Lichttag Sauter 14 3 Goniophotometer - Lichtstrom, Robotersystem Messkopf A1 A2 A4 Glass-fiber to spectrometer A3 Temperature control x-channel A5 A6 A7 entrance aperture Integrating sphere Siphotodiode y-channel z-channel - Kalibrierung von Licht- und Strahlungsquellen (UVA bis NIR mit Pelek< 20 kW) als Transfernormale zur Industrie - Messtechnik vorbereitet als Nahfeld – Goniophotometer zur Rückführung dieser Messtechnik auf nationale Normale Aktuelle Licht- und Strahlungsmesstechnik 8. Ilmenauer Lichttag Sauter 15 4 Array Spektroradiometer - schnell und einfach zu handhaben - zunehmend in Industrie verwendet aber: - Stabilität extrem designabhängig - Streulicht wenig unterdrückt Aktuelle Licht- und Strahlungsmesstechnik 8. Ilmenauer Lichttag Sauter 16 4 Array Spektroradiometer Aktuelle Licht- und Strahlungsmesstechnik 8. Ilmenauer Lichttag Sauter 17 4 Array Spektroradiometer Y. Zong, et al., "Simple spectral stray light correction method for array spectroradiometers," Applied Optics, 45, pp. 1111-1119, 2006. Aktuelle Licht- und Strahlungsmesstechnik 8. Ilmenauer Lichttag Sauter 18 4 Array Spektroradiometer - Tunable Laser der PTB (358 nm < < 950 nm) (240 nm < < 2400 nm) (230 nm < < 3300 nm) - TULIP, CW laser system (im Reinraum) - PLACOS, pulsed laser system - quasi CW system, (in Vorbereitung) shutter/optic pump laser tunable laser tapered multimode fibre power control wavemeter voltmeter spectrometer voltmeter I/U Optic of spectrometer baffle monitor integrating sphere I/U transfer standard (trap) monitor stage x stage y z holographic diffuser Aktuelle Licht- und Strahlungsmesstechnik 8. Ilmenauer Lichttag Sauter 19 4 Array Spektroradiometer – Streulichtkorrektur Voraussetzungen: - Bandpassfilter am Eingangsspalt - sehr gute Linearität - hohe Stabilität Messsignal : Streulicht : Spektrum korr. : Ymeas YIB Ys_spec Ys_spec D YIB Ymeas I D YIB YIB I D Ymeas 1 YIB Cspec Ymeas aber: Ziel: Messungen sind extrem aufwendig Matrix Cspec zur Streulichtkorrektur nicht individuell, sondern für Spektroradiometer - Typen d.h. hohe Fertigungsstabilität erforderlich Y. Zong, et al., "Simple spectral stray light correction method for array spectroradiometers," Applied Optics, 45, pp. 1111-1119, 2006. Aktuelle Licht- und Strahlungsmesstechnik 8. Ilmenauer Lichttag Sauter 20 4 Array Spektroradiometer – Streulichtkorrektur Normalised Spectrum / a.u. 1 : Array Spectroradiometer : With stray light corr. : DMC Spectroradiometer 0.1 0.01 10-3 10-4 10-5 10-6 10-7 Reduktion des Streulichts um 1 bis 2 Größenordnungen 400 500 600 Wavelength / nm 700 800 Spektrale Verteilung einer blauen LED Aktuelle Licht- und Strahlungsmesstechnik 8. Ilmenauer Lichttag Sauter 21 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. Aktuelle Licht- und Strahlungsmesstechnik 8. Ilmenauer Lichttag Sauter 22 Ich danke für Ihre Aufmerksamkeit Aktuelle Licht- und Strahlungsmesstechnik 8. Ilmenauer Lichttag Sauter 23