DE102006041283A1

DE102006041283A1 - Autochromator

Info

Publication number: DE102006041283A1
Application number: DE200610041283
Authority: DE
Inventors: Ralf Adelhelm
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2006-09-02
Filing date: 2006-09-02
Publication date: 2008-03-06

Abstract

Die Erzeugung von wohldefinierten Spektren optischer Strahlung wird in vielen technischen Anwendungen gefordert und ist für die Beleuchtung nicht praktikabel. Die erfindungsgemäße Aufstellung von bekannten optischen Bauelementen führt zu einer spektral variablen Strahlungsquelle, die auch zur Messung von spektralen Empfindlichkeiten geeignet ist.

Description

1 Einleitung
Die Bereitstellung einer wohldefinierten Bestrahlung oder Beleuchtung eines Objektes oder eine Fläche umfasst nicht nur die räumliche Strahldichteverteilung aus Sicht des Empfängers, sondern insbesondere auch die spektrale Zusammensetzung der optischen Strahlung. Die Nachbildung einer vorgegebenen spektralen Bestrahlungsstärke wie das Tageslichtspektrum D65 oder das standardisierte AM1.5global ist für Photometrie, Spektralradiometrie, (Human-) Biologie und Messungen an Photoempfängern wie Solarzellen bedeutend.
2 Stand der Technik
Gewöhnlich werden Sonnensimulatoren mit einer oder mehreren Strahlungsquellen mit optischen Filtern und optischen Integratoren zur Nachbildung vorgegebener Spektren mit eingeschränkten interessierenden Spektralbereich eingesetzt. Besonders hohe Anforderungen an die spektrale Güte des Spektrum werden z.B. bei Messungen von Solarzellen mit mehreren pn-Übergängen oder auch in der Bildreproduktion gestellt. Eine spektral regelbare Lichtquelle zur Erzeugung von Beleuchtung hoher spektraler Variabilität zur mehrkanaligen Bildaufnahme ist bekannt. Diese Lichtquelle steht im Zusammenhang mit DE 10323193 A1 , Einrichtung und Verfahren zur multispektralen Abtastung einer Farbbildvorlage.
Ein subtraktiver Doppelallochromator mit Spektralschablone kann zwar die gewünschte spektrale Bestrahlungsstärke erzeugen, hat aber verglichen mit der ursprünglich eingesetzten Strahlungsdichte der Quelle eine sehr geringe Effizienz. So ist die Erzeugung hoher Bestrahlungsstärken auf ausreichend großer Fläche nur mit hoher Leistung der Strahlungsquelle zu erkaufen.
3 Aufgabenstellung
Es ist eine spektral variable Strahlungsquelle gefordert, die mit den Vorzügen des Allochromators und seiner steuerbaren Spektralschablone ausgestattet ist, jedoch insgesamt die Effizienz des Systems steigert. Es soll die für den Allochromator nicht verwertete oder verwertbare Strahlung der Strahlungsquelle der eigentlichen Anwendung der Strahlung zu Gute kommen. Eine Vereinfachung und Kostenreduktion des Allochromators soll erreicht werden.
4 Funktionsprinzip
Die Aufgabe wird mit dem erfindungsgemäßen „Autochromator" gelöst sowie erfindungsgemäßer Anordnungen von optischen Bauelementen.
In der bekannten baulichen Anordnung des Allochromators wird in der Ebene der Spektralschablone mittels spiegelnder Spektralschablone eine Autokollimation durchgeführt, so dass Eintritts- und Austrittsspalt identisch sind. Es handelt sich nicht um eine Quasi-Autokollimation mit unmittelbarer Nähe der beiden Spalte, wie sie als Anordnung bekannt ist. Die erfindungsgemäße echte Autokollimation benutzt die Eintrittskollimation auch als Austrittskollimation. Typischerweise liegt das abgebildete, durch den Autochromator spektral geänderte Bild des Eintrittsspalt wieder in dem selben Spalt, genutzt als Austrittsgalt. So wird die Strahlung, die in dem Autochromator gemäß der dem Spiegel vorliegenden Spektralschablone geändert wird, an den Herkunftsort, der Strahlungsquelle, zurückreflektiert. Idealtypisch hat die Strahlungsquelle damit einen Rückreflektor mit einstellbarem Reflexionsgrad erhalten. Für die eigentliche Anwendung der Strahlung setzt sich das Strahlungsgemisch nun aus der direkt von der Strahlungsquelle stammendem Spektrum zuzüglich dem aus dem Autochromator stammendem Spektrum zusammen.
Der Wert ein solchen Aufstellung von Lampe, Spalten, dispersives Element, etc., bei der das Eingangssignal mit dem Ausgangssignal auf dem selben Weg liegt, wird hier erkannt und erfindungsgemäß zur Erzeugung von variablen Spektren genutzt. Insbesondere kann eine zeitlich gesteuerte Änderung der Spektralschablone das Spektrum planmäßig variieren lassen, um z.B. ein zeitsynchrone Messung eines Antwortsignal ggf. in Lock-In-Technik z.B. einer Solarzelle durchzuführen.
Um den Effekt des Autochromators zu erhöhen, kann ein zusätzlicher teildurchlässiger Spiegel die Strahlung der Strahlungsquelle in den Autochromator lenken. Die Mehrfachreflexion zwischen Autochromator und teildurchlässigen Spiegel führt zur Erhöhung des „autochromatischen" Strahlungsanteil im Gesamtstrahlungsgemisch, welches hinter dem teildurchlässigen Spiegel der eigentlichen Anwendung zugeführt wird. Weiterhin kann erfindungsgemäß der Strahlungsanteil, der den Eintrittsgalt des Autochromators nicht passieren kann, in die Strahlungsquelle zurückreflektiert werden.
5 Ausgestaltungen
Die Spektralapparate mit quasi-parallelen Strahlengang, d.h. mit Quasi-Autokollimation, dienen als bekannte Grundlage, um mit geringer Veränderung der Aufstellung der Bauelemente eine echte Autokollimation zu erreichen. Zeichnung 1 zeigt eine schematische Darstellung des erfindungsgemäßen Autochromators 1. Die den Eintrittsgalt 11 passierende Strahlung 12 geht durch die abbildenden Linse 13, das dispersives Element (hier ein Prisma) 14 und eine Feldlinse 15 auf einen Spiegel 16, um dort in den selben Weg zurückreflektiert zu werden (Autokollimation). Damit liegt typischerweise das abgebildete, durch den Autochromator spektral geänderte Bild des Eintrittsspalt 11 wieder in dem selben Spalt 11, genutzt als Austrittsgalt.
Eine nicht-reflektierende Spektralschablone 17 deckt einen planmäßigen Teil des Spiegels ab und blendet ortsabhängig (bezüglich einer Richtung) und damit wellenlängenabhängig Strahlung aus. Ein solche Blende kann mit einem Flüssigkristall-Display (LCD) oder einem TFT-Display realisiert werden, um ein elektronische Steuerung der Blende zu erhalten.
Wird der Spiegel 16 mit Spektralschablone 17 in der Spektralebene durch ein Spiegelsystem mit vielen einzeln positionierbaren Spiegelsegmenten ersetzt, können die Spiegelsegmente als einstellbare Spektralschablone verwendet werden. Ein Digital Light Processor (DLP) kann diese Funktion des Spiegelsystems für die sichtbare Strahlung übernehmen. Ein entsprechendes Spiegelsystem für UV und IR sowie hohe Bestrahlungsstärken ist entsprechend auszulegen.
Der Autochromator bildet zusammen mit der Strahlungsquelle 21 und den Kondensorlinse 22 und Abbildunglinse 23 auf Seiten des Autochromators und einer auf die Anwendung angepasste Optik 24 eine spektral variabel einstellbare Strahlungsquelle, ein System wie in Zeichnung 2. So wird der den Spalt 11 passierenden Teil der Strahlung von der Quelle 21 wieder in sich selbst abgebildet.
Die optische Strahlung (z.B. Licht), die an den Ort 25 der Anwendung der Strahlung gelangt, setzt sich aus dem direkt aus der Strahlungsquelle 21 stammenden Strahlung zuzüglich der aus dem Autochromator stammenden „autochromatische" Strahlung zusammen (2).
Zur Verringerung von Abbildungsfehlern und chromatische Abberation kann die Strahlung durch Hohlspiegel kollimiert werden, die je einen Halbraum um die Strahlungsquelle erfassen. Eine Ausgestaltung für eine Punkt-ähnliche Strahlungsquelle für einen solchen doppelten Hohlspiegel ist durch zwei elliptische Spiegel 31 und 32 gegeben, deren idealtypisch geschlossene Seite bis auf Höhe des Brennpunktes weggeschnitten ist (3).
Die für den Autochromator nicht verwertbare Strahlung, die nicht den Eintrittsspalt passiert, sondern in unmittelbarer Nähe auftrifft, kann in die Strahlungsquelle mittels Spiegel 41 zurückreflektiert werden, um letztlich am Ort der Anwendung 25 der Strahlung zu gelangen (3).
Den autochromatischen Anteil an der Gesamtstrahlung am Ort 25 kann erhöht werden, indem der kollimierende Hohlspiegel 51 (mit geschlossenem Scheitel), vorzugsweise ein elliptischer Spiegel nicht vollständig reflektiert sondern eine gewisse Transmission der Strahlung zulässt (4). Je geringer der spektrale Transmissionsgrad des Spiegels ist, umso mehr Strahlung gelangt in den Autoschromator und letztlich nach (mehrfacher) Reflexion am Ort 25.
Ausgehend von diesem Beispiel (4) wird eine weitere Ausführung (5) erreicht durch einen zweiten teiltransmittierenden sphärischen Spiegel 52 (vorzugsweise elliptischer Spiegel) der um die Strahlungsquelle 21 angeordnet wird, damit die in den zweiten Halbraum emittierte Strahlung (direkt von der Quelle zuzüglich der autochromierten Strahlung) für die weitere Verwendung kollimiert wird. Eine zusätzliche Ergänzung von vollständig reflektierenden Hohlspiegelsegmenten 31 und 32 außerhalb der teiltransmittierenden Spiegel 51 und 52 erhöht vorteilhaft den insgesamt für den Ort 25 verwertbaren Strahlungsfluss.
Eine gerichtet diffus streuende oder diffus streuende Oberfläche bei Reflexion an oder Durchgang durch bestimmte optische Bauelemente kann für die Güte der Strahlung hinsichtlich ihrer räumlichen Verteilungen vorteilhaft sein.
6 Vorteile
Eine Komposition eines Spektrums nach Stand der Technik besteht i.d.R. aus der Addition von maximal n + m Spektren, die aus n Filtern und m Strahlungsquellen stammen. Diese hohe Aufwand bei eingeschränkter Variabilität wird durch eine spektrale Zerlegung mittels Allochromator und als Spiegelsystem ausgestaltete Spektralschablone deutlich verbessert.
Mit Einsatz des erfindungsgemäßen Autochromators kann die Strahlung einer Strahlungsquelle durch einen variablen Strahlungsanteil überlagert werden. Dadurch wird eine höhere Effizienz erreicht und Bauteile im Spektralapparat werden gespart.
Es vereinfacht sich die Erzeugung von wohldefinierten Spektren, wie sie in vielen Anwendungen benötigt werden. Auch bei der Messung von spektralen Empfindlichkeiten kann auf eine zusätzliche Bias-Bestrahlung verzichtet werden. Insbesondere die komplizierte Messung von Solarzellen mit mehreren pn-Übergängen wird wesentlich vereinfacht.
Ein spektral variable Beleuchtung wird ermöglicht, ist neu und kann ohne bewegliche Bauteile auskommen.
7 Zeichnung
Die Zeichnungen 1 bis 5 zeigen schematisch die optischen Bauelemente und sind nicht notwendigerweise maßstäblich zueinander.

1: erfindungsgemäßer Autochromator
11: Eintrittsspalt
12: schematisch dargestellte Strahlen der optischen Strahlung
13: Linse
14: Prisma
15: Linse
16: Spiegel, auch DLP
17: Spektralschablone, auch LCD, TFT
21: Strahlungsquelle
22: Kondensorlinse
23: Linse
24: auf die Anwendung angepasste Linse
25: Ort, an dem Strahlung seine Anwendung hat
31: Hohlspiegel, z.B. elliptischer Spiegel, ohne geschlossene Seite ab der Höhe des brennpunktes
32: Hohlspiegel, wie 31, ggf. mit anderer Brennweite
41: Hohlspiegel, sphärischer Spiegel mit Spalt für den Eintrittsspalt des Autochromators
51: Hohlspiegel z.B. elliptischer Spiegel mit einem spektralen Transmissionsgrad
52: Hohlspiegel wie 51, ggf. mit anderer Brennweite und anderem spektralen Transmissionsgrad
60: ausgewählte Strahlen der optischen Strahlung zur Illustration des Strahlengangs

Claims

Eine Vorrichtung, genannt Autochromator, bestehend aus einem Spektralapparat mit einer Öffnung, abbildenden ggf. fokussierenden optischen Elementen (Linsen, Spiegel) und einem dispergierenden Element (Prisma, Gitter) in einer Aufstellung, dass die durch die Eingangsöffnung tretenden optische Strahlung in einer Spektrumsebene spektral zerlegt wird, dadurch gekennzeichnet, dass die spektral zerlegte Strahlung aus der Spektrumsebene mittels Spiegel oder System von Spiegeln in den Strahlengang exakt zurückreflektiert wird und die nicht durch Spektralschablone ausgeblendete Strahlung durch die erst genannte Öffnung wieder austritt, also die Eintrittsöffnung (Spalt) mit der Austrittsöffnung (Spalt) identisch ist.
Ein Autochromator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Spiegel bzw. das Spiegelsystem, das der Autokollimation dient, eine leicht veränderbare Spektralschablone darstellt, was vorzugsweise mit einer Vorrichtung vergleichbar dem Digital Light Processor erreicht wird.
Eine Vorrichtung zur Erzeugung einer optischen Strahlung (Spektrum) für eine Anwendung (z.B. Beleuchtung bzw. Bestrahlung in Photochemie, -biologie, -metrie, etc.), bestehend aus einer Strahlungsquelle, optischen Elementen und einem Spektralapparat, dadurch gekennzeichnet, dass der Spektralapparat ein Autochromator gemäß Anspruch 1 oder 2 ist, die Strahlung der Strahlungsquelle in den Autochromator eingeleitet wird und die zurückreflektierte Strahlung der Anwendung zugeführt wird.
Eine Vorrichtung gemäß Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die in einen Halbraum gehende Strahlung der Strahlungsquelle apparativ kollimiert (Kondensor, offener sphärischer Spiegel) in den Autochromator eingekoppelt wird und die aus dem Autochromator stammende (autochromierte) Strahlung gemeinsam mit der Strahlung der Strahlungsquelle über den zweiten Halbraum, ggf. auch kollimiert, einer Anwendung zugeführt wird.
Eine Vorrichtung gemäß Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass ein teiltransmittierender, sphärischer Spiegel, vorzugsweise ein elliptischer Spiegel, zum Kollimieren der optischen Strahlung der Strahlungsquelle zur Einkoppelung in den Autochromator verwendet wird (, also die vom genannten Hohlspiegel transmittierte Strahlung direkt zur Anwendung geht und der (mehrfach) reflektierte Teil zum Autochromator) und damit der spektrale Transmissions- und Reflexionsgrad des Spiegels den autochromierten Anteil an der Gesamtstrahlung festlegt und damit optimierbar ist.
Eine Vorrichtung gemäß Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass ein zweiter teiltransmittierender sphärischer Spiegel (vorzugsweise elliptischer Spiegel) um die Strahlungsquelle angeordnet wird, damit die in den zweiten Halbraum emittierte Strahlung (direkt von der Quelle zuzüglich der autochromierten Strahlung) für die weitere Verwendung kollimiert wird, was zusätzlich durch Ergänzung von vollständig reflektierenden Hohlspiegelsegmenten außerhalb der teiltransmittierenden Spiegel verbessert wird.
Eine Vorrichtung gemäß einer oder mehrerer Ansprüche 3–6, dadurch gekennzeichnet, dass die Strahlung, welche die Eingangsöffnung des Autochromators nicht passieren kann, mittels sphärischen Spiegel wieder in die Strahlungsquelle oder in andere Vorzugsrichtung reflektiert wird.
Eine Vorrichtung gemäß einer oder mehrerer Ansprüche 3–7, dadurch gekennzeichnet, dass ein Antwortsignal (z. B. Kurzschlussstrom) eines Strahlungsempfängers (z.B. Solarzelle) zeitlich synchronisiert mit der Änderung der Spektralschablone (z.B. Digital Light Processor) erfasst, i.d.R. gemessen wird und so die spektrale Empfindlichkeit des Antwortsignals, auch unter Zuhilfenahme des Multiplexverfahrens, ermittelt wird.
Verfahren zur Erzeugung eines vordefinierten Spektrums mittels Strahlungsquelle und Spektralapparat, dadurch gekennzeichnet, dass die als Spiegelsystem in exakter Autokollimation ausgestaltete Spektralschablone planmäßig so eingestellt wird, dass der in den Eingangsspalt zurückreflektierte Strahlungsanteil zusammen mit der Strahlungsquelle das vordefinierte Spektrum erzeugt.
Verfahren zur Ermittlung der spektralen Empfindlichkeit eines Strahlungsempfängers, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren gemäß Anspruch 9 durch Variation des Spiegelsystems eine Variation des Spektrums hervorbringt und eine zeitsynchrone Messung der Antwort des Strahlungsempfängers, ggf. in Lock-In-Technik, durchgeführt wird.