Basic Concepts in Photometry

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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
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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
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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
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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.
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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
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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.
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8. Ilmenauer Lichttag
Sauter 22
Ich danke für Ihre Aufmerksamkeit
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