DE102013106571B3

DE102013106571B3 - Ermitteln einer radiometrischen Inhomogenität bzw. Homogenität einer flächigen Strahlungsverteilung

Info

Publication number: DE102013106571B3
Application number: DE102013106571.6A
Authority: DE
Inventors: Andreas Baumgartner
Original assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Current assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Priority date: 2013-06-24
Filing date: 2013-06-24
Publication date: 2014-09-25
Anticipated expiration: 2033-06-25

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Ermitteln einer Homogenität einer radiometrischen Strahlungsverteilung einer Strahlung aussendenden Fläche, bei dem die Fläche mit einem ersten optischen Detektor D1 mit Detektorpixeln PD1,i1 entlang einer ersten Scanrichtung zur Erfassung eines ersten Datensatzes DS1 mit Messwerten M1(PD1,i1, XD1,i1) gescannt wird, die Fläche mit einem zweiten optischen Detektor D2 mit Detektorpixeln PD2,i2 in einer zur ersten Scanrichtung verschiedenen zweiten Scanrichtung zur Erfassung eines zweiten Datensatzes DS2 mit Messwerten M2(PD2,i2, XD2,i2) gescannt wird, für jedes Detektorpixel PD1,i1 bzw. PD2,i2 aus den Messwerten M1(PD1,i1, XD1,i1) bzw. M2(PD2,i2, XD2,i2) relative Messwerte M1r(PD1,i1, XD1,i1) bzw. M2r(PD2,i2, XD2,i2) erzeugt werden, die Datensätze DS1r und DS2r registriert werden, so dass diejenigen relativen Messwerte aus M1r(PD1,i1, XD1,i1) und aus M2r(PD2,i2, XD2,i2) einander zugeordnet sind, für die gilt: XD1,i1 = XD2,i2, für jedes Detektorpixel PD1,i1 alle oder eine Teilmenge derjenigen relativen Messwerte M1r(PD1,i1, XD1,i1) zur Erzeugung eines Mittelwertes MW1(PD1,i1) gemittelt werden, für die solchermaßen zugeordnete Messwerte aus M2r(PD2,i2, XD2,i2 = XD1,i1) vorliegen, zur Erzeugung eines Mittelwertes MW2(PD1,i1) jeweils diejenigen Messwerte M2r(PD2,i2, XD2,i2) gemittelt werden, deren zugeordnete Messwerte aus M1r(PD1,i1, XD1,i1 = XD2,i2) zur Erzeugung des Mittelwertes MW1(PD1,i1) verwendet wurden, wobei diejenigen Messwerte M2r(PD2,i2, XD2,i2) für die zugeordnete Messwerte aus M1r(PD1,i1, XD1,i1 = XD2,i2) vorliegen, für jeden Pixel PD2,i2 auf die Werte normiert sind, für die gilt XD1,i1 = XD2,i2, ein erster Datensatz DS1r' mit angepassten Messwerten M1r'(PD1,i1, XD1,i1) ermittelt wird, wobei für jeden Messwert M1r'(PD1,i1, XD1,i1) gilt M1r'(PD1,i1, XD1,i1) = [M1r(PD1,i1, XD1,i1)/MW1]·MW2, die Homogenität der radiometrische Strahlungsverteilung auf Basis der Messwerte M1r'(PD1,i1, XD1,i1) ermittelt und ausgegeben wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Ermitteln einer radiometrischen Strahlungsverteilung einer Strahlung aussendenden Fläche. Insbesondere dient diese Erfindung zum Ermitteln der radiometrischen Homogenität bzw. Inhomogenität einer Strahlung aussendenden Fläche mittels eines oder mehrerer optischer Detektoren. Weiterhin dient die Erfindung auch dazu, die relative radiometrische Empfindlichkeit der einzelnen Detektorpixel zu bestimmen.
Die Erfindung wird findet bevorzugt in folgenden Gebieten Anwendung: zur Charakterisierung von diversen optischen (Referenz-)Flächen wie z. B. Ulbrichtkugeln, Spektralone, Diffusoren etc.; zur relativen radiometrische Kalibrierung von optischen Detektoren wie abbildenden Spektrometer, Zeilensensoren, Kameras etc.; zur relativen radiometrische Kalibrierung von optischen Flugzeug- und Satellitensensoren im Flug bzw. Orbit.
Die relative radiometrische (In-)Homogenität einer strahlenden (Ober-)Fläche wird bisher durch folgende Verfahren gemessen:

1. mit einem Radiometer, das die Fläche bspw. im Rasterverfahren scannt. Sollen dabei Spektralinformation erfasst werden, können bspw. Filter vor das Radiometern angebracht werden.
2. mit mehreren Radiometern, die die Fläche abtasten.
3. mit einem radiometrisch kalibrierten Zeilensensor, der über die Fläche scannt.
4. mit einer radiometrisch kalibrierten Kamera, die die Fläche abfotografiert.

So ist aus der US 2003/0035102 A1 eine Vorrichtung sowie ein Verfahren zur Messung einer zweidimensionalen Strahlungsverteilung bekannt. Aus der GB 1 392 506 A geht ein Verfahren zur Erfassung von Oberflächentemperaturen hervor. Die JP 07270241 A offenbart ein Verfahren zur Messung von Oberflächentemperaturen in einem Ofen. Der EP 2 154 499 A1 kann eine Vorrichtung sowie ein Verfahren zur Video Thermographie entnommen werden.
Diese Verfahren haben jedoch folgende Nachteile. Das Abtasten einer Fläche mit einem Radiometer ist sehr zeitaufwendig. Eine Erhöhung der geometrischen Auflösung (feineres Rastern) erhöht linear die Messzeit. Gleiches gilt für die spektrale Auflösung.
Die Messung mit mehreren Radiometern erfordert, dass diese vorher radiometrisch kalibriert und unter einander abgeglichen werden. Die Genauigkeit dieser Kalibrierung limitiert die Genauigkeit der späteren Homogenitätsmessung. Je nach Dauer zwischen Messung und Kalibrierung kann sich die Empfindlichkeit der Messgeräte ändern, was wiederum zu größeren Messfehlern führt. Abhängig von Anzahl der Radiometer ist dieses Messverfahren aufwendig und zeitintensiv. Eine Erhöhung der geometrischen und spektralen Auflösung führt ebenfalls zu einer linearen Erhöhung der Messzeit.
Das Scannen einer Fläche mittels eines optischen Sensors (z. B. Zeilensensor, Kamera etc.) erfolgt bisher in einer Scanrichtung. Um das Ergebnis der einzelnen Detektorpixel abgleichen zu können, muss die relative radiometrische Empfindlichkeit dieser Pixel bekannt sein. Diese wird üblicherweise durch Messung einer Referenzfläche ermittelt. Dabei ist die Genauigkeit dieser Messung abhängig von der Homogenität der Referenzfläche. Die Bestimmung der Homogenität einer Referenzfläche ist damit nicht möglich.
Das abfotografieren einer Fläche zur Bestimmung der radiometrischen Homogenität von dieser setzt ebenfalls eine relativ radiometrisch kalibrierte Kamera voraus. Die Kalibrierung der Kamera wird ebenfalls mittels einer Referenzfläche vorgenommen und ist somit in der Genauigkeit durch die Qualität der Referenzfläche limitiert. Die Kalibrierung einer Referenzfläche ist somit ebenfalls nicht möglich. Spektrale Eigenschaften können nur durch sehr breitbandige Kanäle und daher grob ermittelt werden.
Die Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Ermittelung einer radiometrischen Inhomogenität bzw. Homogenität einer flächigen Strahlungsverteilung anzugeben, das die vorbeschriebenen Nachteile vermeidet bzw. zumindest verringert.
Die Erfindung ergibt sich aus den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche. Vorteilhafte Weiterbildungen und Ausgestaltungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche. Weitere Merkmale, Anwendungsmöglichkeiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, sowie der Erläuterung von Ausführungsbeispielen der Erfindung, die in den Figuren dargestellt sind.
Ein verfahrensgemäßer Aspekt der Aufgabe ist mit einem Verfahren zum Ermitteln einer Inhomogenität bzw. Homogenität einer radiometrischen Strahlungsverteilung einer Strahlung aussendenden Fläche gelöst. Das Verfahren umfasst folgende Schritte.
In einem ersten Schritt wird die Fläche mit einem ersten optischen Detektor D1, der eine Anzahl n₁ von Detektorpixeln P_D1,i1 aufweist, mit n1 ≥ 2 und i1 = 1, ..., n1, entlang einer ersten Scanrichtung zur Erfassung eines ersten Datensatzes DS1 mit Messwerten M1(P_D1,i1, X_D1,i1) gescannt, wobei X_D1,i1 eine jeweilige Scanposition des Detektorpixels P_D1,i1 angibt.
In einem zweiten Schritt wird die Fläche mit einem zweiten optischen Detektor D2, der eine Anzahl n₂ von Detektorpixeln P_D2,i2 aufweist, mit n2 ≥ 1 und i2 = 1, ..., n2, in einer zur ersten Scanrichtung verschiedenen zweiten Scanrichtung zur Erfassung eines zweiten Datensatzes DS2 mit Messwerten M2(P_D2,i2, X_D2,i2) gescannt wird, wobei X_D2,i2 eine jeweilige Scanposition des Detektorpixels P_D2,i2 angibt.
Das Verfahren benötigt somit im einfachsten Fall einen ersten Detektor D1 mit zwei Detektorpixeln P_D1,i1, d. h. n1 = 2 und einen zweiten Detektor D2 mit einem Detektorpixel P_D2,i2, d. h. n2 = 1. Jedes Detektorpixel umfasst bevorzugt ein Photodetektorelement und einen aktiven Verstärker. Die Detektoren D1 und D2 sind in einer Weiterbildung des Verfahrens identisch. Die Detektoren D1 und D2 sind bevorzugt Aktive Pixel Sensoren Abkürzung: (APS) basierend CMOS oder CCD-Technik. Natürlich können je nach Anwendung geeignete andere bekannte optische Detektoren für das Verfahren eingesetzt werden. Bevorzugt sind die Detektoren D1 und D2 Zeilensensoren, wobei die Scanrichtung bevorzugt senkrecht zur Zeilenerstreckung ist.
In einer Weiterbildung werden zeitliche Intensitätsschwankungen der lichtaussendenden Fläche mit einem geeigneten Messgerät, idealerweise mit einem Radiometer, erfasst. Bevorzugt werden anschließend Nichtlinearitäten der Sensorempfindlichkeit in den Datensätzen D1 und D2 und weiterhin zeitliche Intensitätsschwankung der lichtaussendenden Fläche in den Datensätzen D1 und D2 korrigiert.
In einem dritten Schritt werden die Datensätze DS1 und DS2 derart registriert, dass diejenigen Messwerte aus M1(P_D1,i1, X_D1,i1) und aus M2(P_D2,i2, X_D2,i2) einander zugeordnet sind, für die gilt: X_D1,i1, = X_D2,i2. Diese geometrische Registrierung von Datensätzen und geeignete Verfahren hierzu sind insbesondere aus der Bilddatenverarbeitung bekannt. Vereinfacht ausgedrückt, werden die Datensätze DS1 und DS2 bei der Registrierung derart aufeinander abgebildet, dass Messdaten für gleiche Scanorte (X_D1,i1 = X_D2,i2) einander zugeordnet sind. Die Genauigkeit dieser Zuordnung hängt von der Genauigkeit ab, mit der die jeweiligen Scanorte/-positionen der Sensoren D1 und D2 bei dem Scannen erfasst wurden bzw. wie genau und eindeutig die Zuordnung der Scanorte zu den am jeweiligen Scanort erfasst/gemessenen Flächenelement ist.
In einer Weiterbildung erfolgt die Registrierung der Datensätze DS1 und DS2 auf Basis der Kenntnis der Scangeometrien während der Erfassung des ersten Datensatzes DS1 bzw. des zweiten Datensatzes DS2, und/oder von in dem ersten Datensatz DS1 und dem zweiten Datensatz DS2 erkennbaren Inhomogenitäten oder Strukturen (merkmals- oder flächenbasierte Registrierung), und/oder auf der Fläche angeordneten oder der Fläche zugeordneten und in dem ersten Datensatz DS1 und dem zweiten Datensatzes DS2 abgebildeten Referenzmarkern (merkmalsbasierte Registrierung).
Sind geometrische Verzerrungen der erfassten Datensätze DS1 und/oder DS2 vorhanden, so werden diese bevorzugt vor oder im Rahmen der Registrierung durch entsprechende Korrekturtransformation behoben.
In einem vierten Schritt werden für jedes Detektorpixel P_D1,i1 alle oder eine Teilmenge derjenigen Messwerte M1(P_D1,i1, X_D1,i1) zur Erzeugung eines Mittelwertes MW1(P_D1,i1) gemittelt, für die solchermaßen zugeordnete Messwerte aus M2(P_D2,i2, X_D2,i2 = X_D1,i1) vorliegen, weiterhin werden zur Erzeugung eines Mittelwertes MW2(P_D1,i1) diejenigen Messwerte M2(P_D2,i2, X_D2,i2) für jeden Pixel P_D2,i2 normiert für die zugeordnete Messwerte aus M1(P_D1,i1, X_D1,i1 = X_D2,i2) vorliegen und anschließend jeweils diejenigen Messwerte M2(P_D2,i2, X_D2,i2) gemittelt, deren zugeordnete Messwerte aus M1(P_D1,i1, X_D1,i1 = X_D2,i2) zur Erzeugung des Mittelwertes MW1(P_D1,i1) verwendet wurden. Es muss dabei auf die Werte normiert werden für die gilt X_D1,i1 = X_D2,i2. Ansonsten kann es zu einer unterschiedlich starken Gewichtung der einzelnen Pixel von M2 kommen.
Bevorzugt werden für jedes Detektorpixel P_D1,i1 alle diejenigen Messwerte M1(P_D1,i1, X_D1,i1) zur Erzeugung eines Mittelwertes MW1(P_D1,i1) gemittelt, für die solchermaßen zugeordnete Messwerte aus M2(P_D2,i2, X_D2,i2 = X_D1,i1) vorliegen.
In einem fünften Schritt wird ein erster Datensatzes DS1' mit angepassten Messwerten M1'(P_D1,i1, X_D1,i1) ermittelt, wobei für jeden Messwert M1'(P_D1,i1, X_D1,i1) gilt: M1'(P_D1,i1, X_D1,i1) = [M1(P_D1,i1, X_D1,i1)/MW1(P_D1,i1)]·MW2(P_D1,i1) (1).
In einem sechsten Schritt wird die Inhomogenität bzw. Homogenität der radiometrischen Strahlungsverteilung auf Basis der Messwerte M1'(P_D1,i1 X_D1,i1) ermittelt.
In einem siebten Schritt wird die Inhomogenität bzw. Homogenität der radiometrischen Strahlungsverteilung ausgegeben.
In einer bevorzugten Weiterbildung des Verfahrens werden die vorstehend beschrieben Schritte 3–7 durch folgende Schritte 3'–8' ersetzt. Im Wesentlichen unterscheiden sich diese Verfahrensschritte in der Durchführung von Normierungsschritten. So werden in einem Schritt 3' für jedes Detektorpixel P_D1,i1 aus den Messwerten M1(P_D1,i1, X_D1,i1) relative Messwerte M1r(P_D1,i1, X_D1,i1), und für jedes Detektorpixel P_D2,i2 aus den Messwerten M2(P_D2,i2, X_D2,i2) relative Messwerte M2r(P_D2,i2, X_D2,i2) erzeugt. Zur Erzeugung der relativen Messwerte werden in einer bevorzugten Weiterbildung die Messwerte M1(P_D1,i1, X_D1,i1) die von einem Detektorpixel P_D1,i1 erfasst wurden jeweils auf 1 normiert. Andere Verfahren zur Erzeugung von relativen Messwerten sind dem Fachmann bekannt.
In einem Schritt 4' werden die Datensätze DS1r und DS2r derart registriert, dass diejenigen relativen Messwerte aus M1r(P_D1,i1 X_D1,i1) und aus M2r(P_D2,i2, X_D2,i2) einander zugeordnet sind, für die gilt: X_D1,i1 = X_D2,i2. Diese geometrische Registrierung von Datensätzen und geeignete Verfahren hierzu sind insbesondere aus der Bilddatenverarbeitung bekannt. Vereinfacht ausgedrückt, werden die Datensätze DS1r und DS2r bei der Registrierung derart aufeinander abgebildet, dass Messdaten für gleiche Scanorte (X_D1,i1 = X_D2,i2) einander zugeordnet sind. Die Genauigkeit dieser Zuordnung hängt von der Genauigkeit ab, mit der die jeweiligen Scanorte/-positionen der Sensoren D1 und D2 bei dem Scannen erfasst wurden bzw. wie genau und eindeutig die Zuordnung der Scanorte zu den am jeweiligen Scanort erfasst/gemessenen Flächenelement ist.
In einer Weiterbildung erfolgt die Registrierung der Datensätze DS1r und DS2r auf Basis der Kenntnis der Scangeometrien während der Erfassung des ersten Datensatzes DS1 bzw. des zweiten Datensatzes DS2, und/oder von in dem ersten Datensatz DS1 und dem zweiten Datensatz DS2 erkennbaren Inhomogenitäten oder Strukturen (merkmals- oder flächenbasierte Registrierung), und/oder auf der Fläche angeordneten oder der Fläche zugeordneten und in dem ersten Datensatz DS1 und dem zweiten Datensatzes DS2 abgebildeten Referenzmarkern (merkmalsbasierte Registrierung).
Sind geometrische Verzerrungen der erfassten Datensätze DS1 und/oder DS2 vorhanden, so werden diese bevorzugt vor oder im Rahmen der Registrierung durch entsprechende Korrekturtransformation behoben.
In einem Schritt 5' werden für jedes Detektorpixel P_D1,i1 alle oder eine Teilmenge derjenigen relativen Messwerte M1r(P_D1,i1, X_D1,i1) zur Erzeugung eines Mittelwertes MW1(P_D1,i1) gemittelt, für die solchermaßen zugeordnete Messwerte aus M2r(P_D2,i2, X_D2,i2 = P_D1,i1) vorliegen, weiterhin werden zur Erzeugung eines Mittelwertes MW2(P_D1,i1) diejenigen Messwerte M2r(P_D2,i2, X_D2,i2) für jeden Pixel P_D2,i2 normiert, für die zugeordnete Messwerte aus M1r(P_D1,i1, X_D1,i1 = X_D2,i2) vorliegen und anschließend jeweils diejenigen Messwerte M2r(P_D2,i2, X_D2,i2) gemittelt, deren zugeordnete Messwerte aus M1r(P_D1,i1, X_D1,i1 = X_D2,i2) zur Erzeugung des Mittelwertes MW1(P_D1,i1) verwendet wurden. Es muss dabei auf die Werte normiert werden für die gilt X_D1,i1 = X_D2,i2. Ansonsten kann es zu einer unterschiedlich starken Gewichtung der einzelnen Pixel von M2r kommen. Beim Datensatz M2r sind alle Werte für jeden Pixel P_D2,i2 bevorzugt auf 1 normiert. Schneidet man jetzt den Bereich aus dem Datensatz M2r aus, für den gilt: X_D1,i1 = X_D2,i2, stimmt natürlich die Normierung auf 1 nicht mehr. Deshalb muss hier nochmals normiert werden.
Bevorzugt werden für jedes Detektorpixel P_D1,i1 alle diejenigen relativen Messwerte M1r(P_D1,i1, X_D1,i1) zur Erzeugung eines Mittelwertes MW1(P_D1,i1) gemittelt, für die solchermaßen zugeordnete Messwerte aus M2r(P_D2,i2, X_D2,i2 = X_D1,i1) vorliegen.
In einem Schritt 6' wird ein erster Datensatzes DS1r' mit angepassten Messwerten M1r'(P_D1,i1, X_D1,i1) ermittelt, wobei für jeden Messwert M1r'(P_D1,i1, X_D1,i1) gilt: M1r'(P_D1,i1, X_D1,i1) = [M1r(P_D1,i1, X_D1,i1)/MW1(P_D1,i1)]·MW2(P_D1,i1) (1).
In einem Schritt 7' wird die Inhomogenität bzw. Homogenität der radiometrischen Strahlungsverteilung auf Basis der Messwerte M1r'(P_D1,i1, X_D1,i1) ermittelt.
In einem Schritt 8' wird die Inhomogenität bzw. Homogenität der radiometrischen Strahlungsverteilung ausgegeben.
Das vorgeschlagene Verfahren wird in einer Weiterbildung automatisiert ausgeführt. In einer alternativen Weiterbildung wird das Verfahren in einzelnen Schritten interaktiv ausgeführt, so dass ein Nutzer bspw. Einfluss auf die erste und zweite Scanrichtung, die Auswahl der zur Erzeugung eines Mittelwertes MW1(P_D1,i1) bzw. MW2(P_D1,i1) verwendeten Messwerte M1 und M2 bzw. M1r und M2r, die Art der Normierung der Messwerte M1 und M2, etc. nehmen kann.
Bei dem Verfahren erfolgt das Scannen der Fläche mit den Detektoren D1 bzw. D2 im einfachsten Fall in der ersten bzw. zweiten Scanrichtung einmal. Das Verfahren wird in einer Weiterbildung mehrfach für unterschiedliche erste und zweite Scanrichtungen ausgeführt. Wobei die dabei jeweils erzeugten Messwerte M1'(P_D1,i1, X_D1,i1) bzw. M1r'(P_D1,i1, X_D1,i1) bevorzugt gemittelt werden, und die Inhomogenität bzw. Homogenität der radiometrischen Strahlungsverteilung auf Basis gemittelten Messwerte M1'(P_D1,i1, X_D1,i1) bzw. M1r'(P_D1,i1, X_D1,i1) ermittelt wird.
In einer bevorzugten Weiterbildung des Verfahrens ist die zweite Scanrichtung orthogonal zur ersten Scanrichtung.
Eine Weiterbildung des Verfahrens zeichnet sich dadurch aus, dass für mehrere Detektorpixel P_D1,i1 Mittelwerte MW1(P_D1,i1) zur Erzeugung eines ersten Mittelwertes MW1' gemittelt werden, zugehörige Mittelwerte MW2(P_D1,i1) zur Erzeugung eines ersten Mittelwertes MW2' gemittelt werden, und das Ermitteln der radiometrischen Strahlungsverteilung auf Basis der Mittelwerte MW1' und MW2' gemäß M1' = [M1/MW1']·MW2', bzw. (2) M1r' = [M1r/MW1']·MW2' (3) erfolgt. Dies erhöht die Genauigkeit des Verfahrens.
Eine Weiterbildung des Verfahrens zeichnet sich dadurch aus, dass der erste optische Detektor D1 und der zweite optische Detektor D2 mehrere spektrale Kanäle erfassen, und das Verfahren jeweils für ein oder mehrere dieser spektralen Kanäle ausgeführt wird.
Eine Weiterbildung des Verfahrens zeichnet sich dadurch aus, dass auf Basis der ermittelten radiometrischen Strahlungsverteilung und dem Datensatz DS1 ein Datensatz DS1', und auf Basis der ermittelten radiometrischen Strahlungsverteilung und dem Datensatz DS2 ein Datensatz DS2' ermittelt werden, wobei in den Datensätzen DS1' und DS2' Inhomogenitäten der ermittelten Strahlungsverteilung herausgerechnet sind, und auf Basis der Datensätze DS1' und DS2' für alle oder einzelne Detektorpixel P_D1,i1 und/oder P_D2,i2 relative radiometrische Empfindlichkeiten ermittelt werden. Das Verfahren ermöglicht somit eine einfache und von einer radiometrischen Inhomogenität der von der Fläche ausgesandten Strahlung unabhängige Kalibrierung des Detektors D1 bzw. D2.
Das Verfahren ermöglicht Homogenitätsmessung mit hoher geometrischer und je nach Sensorart spektraler Auflösung in kürzerer Zeit als mittels einem oder mehrerer Radiometer. Hierzu ist kein kalibrierter Sensor nötig und deshalb entstehen keine Messfehler, die bei bisherigen Verfahren durch die Qualität der Kalibrierung bedingt sind. Das ist insbesondere ein Vorteil gegenüber der bisherigen Verwendungsweise von Kameras und Zeilensensoren. Gleichzeitige ermöglicht die Erfindung eine einfache, genaue und zuverlässige relative radiometrische Kalibrierung der Detektoren unabhängig von der radiometrischen Inhomogenität der gescannten Fläche.
Ein vorrichtungsgemäßer Aspekt der Erfindung wird gelöst durch eine Vorrichtung zum Ermitteln einer Inhomogenität bzw. Homogenität einer radiometrischen Strahlungsverteilung einer Strahlung aussendenden Fläche. Die Vorrichtung in einer ersten Ausführungsform umfasst: einen ersten optischen Detektor D1, der eine Anzahl n₁ von Detektorpixeln P_D1,i1 aufweist, mit n1 ≥ 2 und i1 = 1, ..., n1, mit dem die Fläche entlang einer ersten Scanrichtung zur Erfassung eines ersten Datensatzes DS1 mit Messwerten M1(P_D1,i1, X_D1,i1) scannbar ist, wobei X_D1,i1 eine jeweilige Scanposition des Detektorpixels P_D1,i1 angibt, einen zweiten optischen Detektor D2, der eine Anzahl n₂ von Detektorpixeln P_D2,i2 aufweist, mit n2 ≥ 1 und i2 = 1, ..., n2, mit dem die Fläche in einer zur ersten Scanrichtung verschiedenen zweiten Scanrichtung zur Erfassung eines zweiten Datensatzes DS2 mit Messwerten M2(P_D2,i2, X_D2,i2) scannbar ist, wobei X_D2,i2 eine jeweilige Scanposition des Detektorpixels P_D2,i2 angibt, ein Registriermittel, mit dem die Datensätze DS1 und DS2 registrierbar sind, so dass diejenigen Messwerte aus M1(X_D1,i1, X_D1,i1) und aus M2(P_D2,i2, X_D2,i2) einander zugeordnet sind, für die gilt: X_D1,i1 = X_D2,i2, einem zweiten Mittel, mit dem für jedes Detektorpixel P_D1,i1 alle oder eine Teilmenge derjenigen Messwerte M1(P_D1,i1, X_D1,i1) zur Erzeugung eines Mittelwertes MW1(P_D1,i1) gemittelt werden, für die solchermaßen zugeordnete Messwerte aus M2(P_D2,i2, X_D2,i2 = X_D1,i1) vorliegen, und mit dem zur Erzeugung eines Mittelwertes MW2(P_D1,i1) jeweils diejenigen Messwerte M2(P_D2,i2, X_D2,i2) gemittelt werden, deren zugeordnete Messwerte aus M1(P_D1,i1, X_D1,i1 = X_D2,i2) zur Erzeugung des Mittelwertes MW1(P_D1,i1) verwendet wurden, wobei diejenigen Messwerte M2(P_D2,i2, X_D2,i2) für die zugeordnete Messwerte aus M1(P_D1,i1, X_D1,i1 = X_D2,i2) vorliegen, für jedes Pixel P_D2,i2 normiert sind, einem dritten Mittel zum Ermitteln eines ersten Datensatzes DS1' mit angepassten Messwerten M1'(P_D1,i1, X_D1,i1), wobei für jeden Messwert M1'(P_D1,i1, X_D1,i1) gilt: M1'(P_D1,i1, X_D1,i1) = [M1(P_D1,i1, X_D1,i1)/MW1(P_D1,i1)]·MW2(P_D1,i1) (1)
Ein viertes Mittel zum Ermitteln der Inhomogenität bzw. Homogenität der radiometrischen Strahlungsverteilung auf Basis der Messwerte M1'(P_D1,i1, X_D1,i1), und Ein Ausgabemittel zum Ausgeben der ermittelten Inhomogenität bzw. Homogenität der radiometrischen Strahlungsverteilung.
Eine zweite Ausführungsform der Vorrichtung zum Ermitteln einer Inhomogenität bzw. Homogenität einer radiometrischen Strahlungsverteilung einer Strahlung aussendenden Fläche umfasst: einen ersten optischen Detektor D1, der eine Anzahl n₁ von Detektorpixeln P_D1,i1 aufweist, mit n1 ≥ 2 und i1 = 1, ..., n1, mit dem die Fläche entlang einer ersten Scanrichtung zur Erfassung eines ersten Datensatzes DS1 mit Messwerten M1(P_D1,i1, X_D1,i1) scannbar ist, wobei X_D1,i1 eine jeweilige Scanposition des Detektorpixels P_D1,i1 angibt, einen zweiten optischen Detektor D2, der eine Anzahl n₂ von Detektorpixeln P_D2,i2 aufweist, mit n2 ≥ 1 und i2 = 1, ..., n2, mit dem die Fläche in einer zur ersten Scanrichtung verschiedenen zweiten Scanrichtung zur Erfassung eines zweiten Datensatzes DS2 mit Messwerten M2(P_D2,i2, X_D2,i2) scannbar ist, wobei X_D2,i2 eine jeweilige Scanposition des Detektorpixels P_D2,i2 angibt, einem ersten Mittel, mit dem für jedes Detektorpixel P_D1,i1 aus den Messwerten M1(P_D1,i1, X_D1,i1) relative Messwerte M1r(P_D1,i1, X_D1,i1) erzeugbar sind, und mit dem für jedes Detektorpixel P_D2,i2 aus den Messwerten M2(P_D2,i2, X_D2,i2) relative Messwerte M2r(P_D2,i2, X_D2,i2) erzeugbar sind, einem Registriermittel, mit dem die Datensätze DS1r und DS2r registrierbar sind, so dass diejenigen relativen Messwerte aus M1r(P_D1,i1, X_D1,i1) und aus M2r(P_D2,i2, X_D2,i2) einander zugeordnet sind, für die gilt: X_D1,i1 = X_D2,i2, einem zweiten Mittel, mit dem für jedes Detektorpixel P_D1,i1 alle oder eine Teilmenge derjenigen relativen Messwerte M1r(P_D1,i1, X_D1,i1) zur Erzeugung eines Mittelwertes MW1(P_D1,i1) gemittelt werden, für die solchermaßen zugeordnete Messwerte aus M2r(P_D2,i2, X_D2,i2 = X_D1,i1) vorliegen, und mit dem zur Erzeugung eines Mittelwertes MW2(P_D1,i1) jeweils diejenigen Messwerte M2r(P_D2,i2, X_D2,i2) gemittelt werden, deren zugeordnete Messwerte aus M1r(P_D1,i1, X_D1,i1 = X_D2,i2) zur Erzeugung des Mittelwertes MW1 verwendet wurden, einem dritten Mittel zum Ermitteln eines ersten Datensatzes DS1r' mit angepassten Messwerten M1r'(P_D1,i1, X_D1,i1), wobei für jeden Messwert M1r'(P_D1,i1, X_D1,i1) gilt: M1r'(P_D1,i1, X_D1,i1) = [M1r(P_D1,i1, X_D1,i1)/MW1(P_D1,i1)]·MW2(P_D1,i1) (1)
Ein viertes Mittel zum Ermitteln der Inhomogenität bzw. Homogenität der radiometrischen Strahlungsverteilung auf Basis der Messwerte M1r'(P_D1,i1, X_D1,i1), und Ein Ausgabemittel zum Ausgeben der ermittelten Inhomogenität bzw. Homogenität der radiometrischen Strahlungsverteilung.
Vorteilhafte Weiterbildungen und Vorteile ergeben sich durch eine analoge und sinngemäße Übertragung der in Zusammenhang mit dem Verfahren vorstehend gemachten Ausführungen.
Die Aufgabe der Erfindung ist weiterhin gelöst durch ein Computersystem, mit einer Datenverarbeitungsvorrichtung, wobei die Datenverarbeitungsvorrichtung derart ausgestaltet ist, dass das vorbeschriebene Verfahren auf der Datenverarbeitungsvorrichtung ausgeführt wird.
Zudem wird die Aufgabe der Erfindung gelöst durch ein digitales Speichermedium mit elektronisch aus lesbaren Steuersignalen, wobei die Steuersignale so mit einem programmierbaren Computersystem zusammenwirken können, dass das vorbeschriebene Verfahren ausgeführt wird.
Ferner wird die Aufgabe der Erfindung gelöst durch ein Computer-Programm-Produkt mit auf einem maschinenlesbaren Träger gespeicherten Programmcode zur Durchführung des vorbeschriebenen Verfahrens, wenn der Programmcode auf einer Datenverarbeitungsvorrichtung ausgeführt wird.
Schließlich betrifft die Erfindung ein Computer-Programm mit Programmcodes zur Durchführung des vorbeschriebenen Verfahrens, wenn das Programm auf einer Datenverarbeitungsvorrichtung abläuft. Dazu kann die Datenverarbeitungsvorrichtung als ein beliebiges aus dem Stand der Technik bekanntes Computersystem ausgestaltet sein.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, in der – gegebenenfalls unter Bezug auf die Zeichnung – zumindest ein Ausführungsbeispiel im Einzelnen beschrieben ist.
Es zeigen:
1 einen schematischen Ablaufplan des Verfahrens gemäß einem Ausführungsbeispiel,
2 Erste Messung. Eine schematische Darstellung des gescannten Bereiches einer Fläche. Eine umrahmte Teilfläche zeigt den Bereich der mit einem Zeilendetektor mit mehreren Detektorpixeln gescannt wurde. In diesem Fall wurde entlang der y-Achse gescannt.
3 Zweite Messung. Scannen derselben Fläche unter 90° verschiedener Scanrichtung. Hier wurde entlang der x-Achse gescannt.
4 aufeinander angepasste Messwerte aus Messung 1 und 2.
5 Beispielwerte gemessen mit Detektorpixel 1, 2 und 3. Die Messwerte an Position 4 werden zur Korrektur der gesamten Kurven herangezogen. Die Kurven sind untereinander nicht vergleichbar
6 Die Messwerte von Pixel 1, 2 und 3 der ersten Messung werden auf das Niveau der zweiten Messung angepasst. Die Kurve der zweiten Messung wurde mit Pixel 4 aufgenommen
7 Die angepassten Messwerte der ersten Messung von Pixel 1, 2 und 3. Die drei Kurven sind jetzt untereinander vergleichbar
8a, b Draufsicht auf die Ulbrichtkugel mit einem Durchmesser von 165 cm und einer Öffnung von 40 cm × 55 cm. b) Vergrößerte Draufsicht: Drei Verfahrwege mit dem Scanbereich des Sensors auf Höhe der Öffnung
9 Schematische Schritt für Schritt Beschreibung der Berechnung des Homogenitätsdatensatzes
10 Finale Homogenitätsmatrix
der Ulbrichtkugel. Relative Empfindlichkeit der Detektorpixel
11 Relative Empfindlichkeit der Detektorpixel an verschiedenen Orten der Kugel.
12: Unterschied zwischen der zentralen y-Achse von
und der entsprechenden Achse von
13 Standardabweichung entlang der y-Achse von
abgezogen von den entsprechenden Bereichen von
14 schematischer Aufbau einer erfindungsgemäßen Vorrichtung
1 zeigt einen schematischen Ablaufplan des Verfahrens zum Ermitteln einer Inhomogenität bzw. Homogenität einer radiometrischen Strahlungsverteilung einer Strahlung aussendenden Fläche, gemäß einem Ausführungsbeispiel.
In einem ersten Schritt 101 wird die Fläche mit einem ersten optischen Detektor D1, der eine Anzahl n₁ von Detektorpixeln P_D1,i1 aufweist, mit n1 ≥ 2 und i1 = 1, ..., n1, entlang einer ersten Scanrichtung zur Erfassung eines ersten Datensatzes DS1 mit Messwerten M1(P_D1,i1, X_D1,i1) gescannt, wobei X_D1,i1 eine jeweilige Scanposition des Detektorpixels P_D1,i1 angibt. In einem zweiten Schritt 102 wird die Fläche mit einem zweiten optischen Detektor D2, der eine Anzahl n₂ von Detektorpixeln P_D2,i2 aufweist, mit n2 ≥ 1 und i2 = 1, ..., n2, in einer zur ersten Scanrichtung verschiedenen zweiten Scanrichtung zur Erfassung eines zweiten Datensatzes DS2 mit Messwerten M2(P_D2,i2, X_D2,i2) gescannt wird, wobei X_D2,i2 eine jeweilige Scanposition des Detektorpixels P_D2,i2 angibt. In einem dritten Schritt 103 werden für jedes Detektorpixel P_D1,i1 aus den Messwerten M1(P_D1,i1, X_D1,i1) relative Messwerte M1r(P_D1,i1, X_D1,i1), und für jedes Detektorpixel P_D2,i2 aus den Messwerten M2(P_D2,i2, X_D2,i2) relative Messwerte M2r(P_D2,i2, X_D2,i2) erzeugt. In einem vierten Schritt 104 werden die Datensätze DS1r und DS2r derart registriert, dass diejenigen relativen Messwerte aus M1r(P_D1,i1, X_D1,i1) und aus M2r(P_D2,i2, X_D2,i2) einander zugeordnet sind, für die gilt: X_D1,i1 = X_D2,i2. In einem fünften Schritt 105 werden für jedes Detektorpixel P_D1,i1 alle oder eine Teilmenge derjenigen relativen Messwerte M1r(P_D1,i1, X_D1,i1) zur Erzeugung eines Mittelwertes MW1(P_D1,i1) gemittelt, für die solchermaßen zugeordnete Messwerte aus M2r(P_D2,i2, X_D2,i2 = X_D1,i1) vorliegen, weiterhin werden zur Erzeugung eines Mittelwertes MW2(P_D1,i1) jeweils diejenigen Messwerte M2r(P_D2,i2, X_D2,i2) gemittelt, deren zugeordnete Messwerte aus M1r(P_D1,i1, X_D1,i1 = X_D2,i2) zur Erzeugung des Mittelwertes MW1(P_D1,i1) verwendet wurden, wobei diejenigen Messwerte M2(P_D2,i2, X_D2,i2) für die zugeordnete Messwerte aus M1(P_D1,i1, X_D1,i1 = X_D2,i2) vorliegen, für jedes Pixel P_D2,i2 normiert sind, In einem sechsten Schritt 106 wird ein erster Datensatzes DS1r' mit angepassten Messwerten M1r'(P_D1,i1, X_D1,i1) ermittelt, wobei für jeden Messwert M1r'(P_D1,i1, X_D1,i1) gilt: M1r'(P_D1,i1, X_D1,i1) = [M1r(P_D1,i1, X_D1,i1)/MW1(P_D1,i1)]·MW2(P_D1,i1) (1).
In einem siebten Schritt 107 wird die Inhomogenität bzw. Homogenität der radiometrischen Strahlungsverteilung auf Basis der Messwerte M1r'(P_D1,i1, X_D1,i1) ermittelt. In einem achten Schritt 108 wird die Inhomogenität bzw. Homogenität der radiometrischen Strahlungsverteilung ausgegeben.
Das entwickelte Verfahren zur Messung der radiometrischen Inhomogenität/Homogenität einer Fläche kann in zwei Scan-Schritte aufgeteilt werden. Zuerst wird die Fläche mittels eines optischen Detektors, z. B. einem Zeilensensor oder idealerweise einem abbildenden Spektrometer, in der ersten Scanrichtung gescannt (vgl. 2). D. h. der Detektor wird über diese Fläche in eine Richtung verfahren bzw. darüber hinweggeschwenkt und es werden mehrere Einzelaufnahmen aufgezeichnet. Das relative Signal jedes Detektorpixels wird entlang des Verfahrweges mit sich selbst verglichen. Dadurch können die Bereiche die von einem Detektorpixel gemessen wurden miteinander verglichen werden. Andere Bereiche die mit anderen Detektorpixeln des Detektors gemessen wurden, sind jedoch nicht untereinander vergleichbar. Um diese Vergleichbarkeit zu erreichen, wird der zweite Scanschritt durchgeführt (vgl. 3). Dabei wird die Fläche aus einer anderen Richtung nochmals gescannt (idealerweise unter 90° zur 1. Messung). Hier ist nicht zwingenderweise die Verwendung desselben Detektors notwendig, allerdings wird der Einfachheit im Folgenden davon ausgegangen, dass nur ein Detektor verwendet wird. Auch bei zweiten Scan sind wieder nur die Bereiche, die mit demselben Detektorpixel abgetastet wurden, untereinander vergleichbar. Um eine mögliche Winkelabhängigkeit der/Inhomogenität Homogenität der Strahlung aussendenden Fläche zu beachten, können mehrere Messungen unter verschiedenen Betrachtungswinkeln durchgeführt werden.
Beide Messungen werden übereinander gelegt. D. h., die Messwerte der ersten Messung müssen den Messwerten der zweiten Messung, die vom selben Bereich/Flächenelement der Fläche sind, zugeordnet bzw. registriert werden. Die kann z. B. geschehen durch:

• Genau Kenntnis der Lage im Raum von Sensor und Fläche und der optischen Sensorgeometrie.
• Über in den Daten sichtbare Inhomogenität und Strukturen.
• Über Referenzierung mittels Hilfsmarken. D. h., es werden Markierungen (Fadenkreuz, Punkte, Lasermarkierung etc.) zwischen der ersten und der zweiten Messung angebracht. Mittels zweier weiterer Messungen mit einmal in Ausrichtung der ersten Messung und einmal mit der Ausrichtung der zweiten Messung werden zwei Datensätze mit den Markierungen aufgezeichnet.

Sind die beiden Messungen verzerrt, kann durch Interpolation oder andere Transformationen die Form der Datensätze angepasst werden.
Die Datensätze der ersten und zweiten Messung werden registriert (gedanklich ortsrichtig übereinandergelegt). Die Messwerte, die jeweils mit demselben Detektorpixel aufgezeichnet worden sind, können nun an die Werte der anderen Detektorpixel angepasst werden. 4 zeigt die aufeinander angepassten Messwerte aus Messung 1 und 2. Mit den Werten aus dem schwarz markierten Bereich (Zeile) wird beispielhaft die Anpassung der Messwerte der ersten drei Pixel zueinander gezeigt. 5 zeigt Bespielwerte der ersten drei Detektorpixel aufgezeichnet mit Messung 1. Die Werte an Position 4 werden zur Korrektur der Kurven verwendet. Wie in 6 dargestellt werden die Werte der von Pixel 1, 2 und 3 der ersten Messung auf das Niveau der zweiten Messung bei den entsprechenden Positionen angepasst. Die fertig angepassten und somit untereinander vergleichbaren Messwerte sind in 7 dargestellt.
Idealerweise verwendet man nicht nur eine Position aus der ersten Messung und einen Pixel aus der zweiten Messung, sondern bildet den Mittelwert über mehrere Positionen und Pixel um die Unsicherheiten zu reduzieren. Weil nun die Inhomogenität des Untergrundes bekannt ist, kann in einem weiteren Schritt dieser aus den Messdaten herausgerechnet werden. Somit erhält man schließlich die relative radiometrische Empfindlichkeit jedes Detektorpixels unabhängig von der Homogenität der Fläche.
Es folgt eine Beschreibung eines Ausführungsbeispiels, nämlich die Messung der Inhomogenität/Homogenität einer Ulbrichtkugel mittels eines abbildenden Spektrometers. Dazu wurde ein abbildendes Spektrometer benutzt, das ein Zeilensensor ist, der zusätzliche spektrale Informationen aufzeichnet. Als Zeilensensor wurde das abbildende Spektrometer HySpex VNIR-1600 von der Firma NEO (Norsk Elektro Optik A/S) verwendet. In Tabelle 1 sind dessen Geräteeigenschaft aufgelistet. Der Fokusbereich des Sensors liegt dabei im Unendlichen.

VNIR-1600

Spektralbereich 410–1000 nm

Spektrale Schrittweite 3,7 nm

Sichtwinkel 17°

Geometrische Pixel 1600

Kanäle 160

Radiometrische Auflösung 12 Bit

Tabelle 1: Eigenschaft des abbildenden Spektrometers HySpex VNIR-1600.
Die Ulbrichtkugel
Eine Ulbrichtkugel ist eine innen diffus reflektierend beschichtete Kugel die an ihrer Austrittsöffnung eine besonders homogene und diffus gestreute Strahlung erzeugt. Sie wird u. a. zum Weißabgleich von optischen Sensoren wie Kameras und radiometrischen Kalibrierung von Spektrometern verwendet. Die Kenntnis der Homogenität ist wichtig, weil sie die Qualität dieser Kalibrierungen beeinflusst.
Die verwendete Kugel hat einen Durchmesser von 165 cm und eine Öffnung auf der Oberseite von 40 cm × 55 cm. In der oberen Hemisphäre sind 18 Quarz-Wolfram-Halogen-Lampen mit einer Gesamtleistung von 2225 W installiert. Diese können zu 13 verschiedenen Kombinationen zusammengeschaltet werden. Ebenfalls in der oberen Hälfte der Kugel ist ein Lüfter zur Kühlung installiert.
Messung
Eine Linearführung, welche den HySpex-Sensor trägt, wurde über der Kugel platziert. Das Blickfeld des Sensors war dabei senkrecht nach unten gerichtet. Der Sensor war in einer Höhe von 208 cm über dem Boden in der Mitte der Ulbichtkugel montiert. Daraus resultiert, dass ein Pixel eine Fläche von 0.34 mm abdeckt. 14 der 18 Lampen der Ulbrichtkugel mit einer Leistung von 2025 W waren eingeschaltet. 8 zeigt eine Zeichnung der Kugel, das Gesichtsfeld des Sensors auf Höhe der Kugelöffnung und die Orientierung der drei Messungen. Für die erste Messung (8, Weg 1) wurde die Linearführung parallel zur x-Achse und 5 Zentimeter zum Mittelpunkt der y-Achse platziert. Das Gesichtsfeld war dabei parallel zu y-Achse. Die Messung wurde außerhalb der Öffnung gestartet und gestoppt und dauerte 223 Sekunden. Der aufgezeichnete Datensatz wird
genannt. Eine zweite Messung wurde neben der ersten Messung mit ansonsten denselben Parametern durchgeführt (8, Weg 2) wodurch man den Datensatz
erhielt. Eine dritte Messung wurde senkrecht zu den ersten beiden im Zentrum der Öffnung entlang der y-Achse gemacht (8, Weg 3). Hierdurch erhielt man den Datensatz
welcher in 160 Sekunden aufgezeichnet wurde.
Die Messungen wurden mit 50 Messpunkten pro Zentimeter aufgezeichnet, was zu einer Überlappung von 58% zwischen zwei Messpunkten entlang der Scanachse führt. Die Integrationszeit war auf 4000 μs gestellt und die radiometrische Antwortfunktion des Sensors wird als linear angenommen.
Weil während des Scanprozesses sich der Intensitätslevel der Ulbrichtkugel und die Empfindlichkeit des HySpex-Sensors ändern können, wurde deren Stabilität bestimmt. Dazu wurde die Intensität der Ulbrichtkugel mit dem HySpex und einem Gamma Scientific Radiometer (Typ: 10830-4) für 330 Sekunden gemessen. Die Abweichung zwischen beiden Sensoren war kleiner als eine Standardabweichung von δ = 0.01% und die Stabilitätsschwankung der Kugel war kleiner als δ = 0.02%.
Datenauswertung
Dieses Kapitel behandelt die detaillierte Beschreibung der Datenauswertung. Diese kann in drei Hauptbereiche unterteil werden. Zuerst wird die Homogenität entlang des Verfahrweges bestimmt, was jedoch keinen Vergleich der Daten zwischen verschiedenen Detektorpixeln erlaubt. Der zweite Teil beschreibt wie diese Datensätze benutzt werden um eine komplette Homogenitätsmatrix zu erzeugen. Zuletzt wird die relative radiometrische Kalibrierung des HySpex-Sensors beschrieben.
Homogenität entlang der Scanachse
Die Idee ist, dass jeder Detektorpixel als einzelnes Radiometer angesehen wird. Dies erlaubt eine relative radiometrische Messung entlang der Scanachse. Jeder gemessene Datensatz
ist ein dreidimensionaler Datenwürfel, siehe 9a. Im Folgenden beschreiben die Indices s, p und c die individuellen Elemente des Datensatzes: Scanposition (s), geometrischer Pixel (p) und spektraler Kanal (c). Von jedem Datensatz wird der Dunkelstrom abgezogen und die nicht beleuchteten Bereiche aus den Datensätzen entfernt. Weil an jeder Scanposition nur ein Frame aufgenommen wurde, ist das Rauschen zu hoch um eine Genauigkeit von besser als 0.15% zu erhalten.
Deshalb wurde der Mittelwert über die Kanäle 70 bis 89 gebildet und die übrigen Kanäle wurden verworfen. Diese Kanäle wurden gewählt weil sie den größten Signallevel haben. Werden mehrere Aufnahmen pro Position gemacht, kann auch die spektrale Information behalten und auf eine Mittelung verzichtet werden, die Auswerteoperationen bleiben dabei gleich. Von den Messwerten jedes Detektorpixels werden schließlich die relativen Werte gebildet. Die auf die Weise berechneten Datensätze werden
genannt, siehe 9b. Die Werte jedes Detektorpixels sind untereinander vergleichbar, aber nicht mit Werten andere Pixel. Dazu ist der im nächsten Abschnitt beschriebene Schritt notwendig.
Komplette Homogenität
Dieser Abschnitt zeigt, wie der senkrecht zu
aufgenommene Datensatz
benutzt wird, um Messwerte verschiedener Detektorpixel vergleichbar zu machen. Weil die Datensätze
teilweise die gleiche Fläche auf dem Kugelboden abdecken, können diese zu einem größeren Datensatz
zusammenkopiert werden, siehe 9c. Um den Datensatz
anzupassen wird ersterer transponiert zu
siehe 9d. Mit Hilfe einer Nearest-Neighbor-Interpolation wird die Form von
angepasst, was zum Datensatz
führt, siehe 9e. Die in den Daten sichtbaren Strukturen werden benutzt, um die Datensätze aneinander anzupassen. Aus
wurde der Bereich ausgeschnitten der sich senkrecht unter der Kugelöffnung befindet und die restlichen Daten verworfen. Dieser Datensatz wird
genannt, siehe 9f. Aus diesem wird wiederum der Bereich ausgeschnitten der sich mit
überlappt, was
ergibt, siehe 9g. Bildet man nun bei beiden Datensätzen entlang der x-Achse den Mittelwert erhält man
siehe 9h. Teilt man
durch
erhält man den eindimensionalen Korrekturdatensatz c, siehe 9i. Die Multiplikation von
mit c liefert schließlich die Homogenitätsmatrix
siehe 9j und 10.
Mit der Kenntnis von c ist es auch möglich die relative Radiometrische Empfindlichkeit der Detektorpixel zu bestimmen. In diesem Fall ist es die kombinierte Empfindlichkeit von 20 Kanälen, aber das gleiche Prinzip trifft auch auf einzelne Kanäle zu, wenn über mehrere Messungen gemittelt wird.
(a für absolute) ist der Datensatz mit den absoluten Werten von
wird auf dieselbe Weise berechnet wie
mit der Ausnahme, dass nicht die relativen Werte berechnet werden. Vergleiche dazu 9a–h, von Schritt a nach b werden die relativen Werte nicht berechnet, so dass statt
die Datensätze
erzeugt werden. Dividiert man nun
durch c (berechnet mittels der relativen Werten) erhält man die relative Empfindlichkeit R der Detektorpixel. 11 zeigt R wie es mit Hilfe von
bestimmt wurde, um den Punkt an dem
und
zusammengefügt wurden, welches durch die vertikale Linie in 11 angedeutet wird. Dies bedeutet auch, dass die relative Empfindlichkeit an verschiedenen Orten der Kugel bestimmt wurde. Die Standardabweichung zwischen beiden Empfindlichkeiten ist 0.05%.
Genauigkeit der Methode
Um die Genauigkeit der Methode zu bestimmen, werden die Werte von
entlang der y-Achse mit den zugehörigen Werten von
verglichen.
wurde von den entsprechenden Bereichen von
abgezogen. 12 zeigt den Unterschiede zwischen der zentralen y-Achse von
(x = 27,5 cm) und der entsprechenden Achse von
Idealerweise wäre dies eine horizontale Linie mit einem möglichen Offset.
Für jede x Position von
die durch
abgedeckt wird, wird die Standardabweichung entlang der y-Achse berechnet, welche um 0.1% liegt, siehe 13. Der Peak in der Mitte von 13 wird durch Schmutz hervorgerufen, welcher zwischen der Messung von
in die Kugel fiel. Ein Vergleich entlang der x-Achse von
mit der Scanachse von
ist nicht notwendig, weil die Werte von
mit demselben Faktor multipliziert wurden. Wie bereits zuvor erwähnt, wurde die relative Empfindlichkeit der Detektorpixel mit einer Reproduzierbarkeit von δ = 0.05% bestimmt.
Zusammenfassung
Die Anwendbarkeit des Verfahrens wurde anhand der Homogenitätsmessung einer Ulbrichtkugel in der Praxis gezeigt. Die Genauigkeiten der Ergebnisse sind durch die Stabilität von Kugel und Sensor und dem Rauschen der Daten limitiert. Zusätzlich wurde die relative Empfindlichkeit der Sensorpixel mit einer höheren Genauigkeit bestimmt, als es die Homogenität der Kugel für gewöhnliche Verfahren zulassen würde. Wenn man mehr Bilder pro Scanposition mittelt, würde dies nochmals das Rauschen der Daten reduzieren und dies die Möglichkeit geben, auch die Homogenität abhängig von der Wellenlänge zu bestimmen.
14 zeigt einen schematischen Aufbau einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Ermitteln einer Inhomogenität bzw. Homogenität einer radiometrischen Strahlungsverteilung einer Strahlung aussendenden Fläche und zur Ausführung eines Verfahrens gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, umfassend: einen ersten optischen Detektor D1 201, der eine Anzahl n₁ von Detektorpixeln P_D1,i1 aufweist, mit n1 ≥ 2 und i1 = 1, ..., n1, mit dem die Fläche entlang einer ersten Scanrichtung zur Erfassung eines ersten Datensatzes DS1 mit Messwerten M1(P_D1,i1, X_D1,i1) scannbar ist, wobei X_D1,i1 eine jeweilige Scanposition des Detektorpixels P_D1,i1 angibt, einen zweiten optischen Detektor D2 202, der eine Anzahl n₂ von Detektorpixeln P_D2,i2 aufweist, mit n2 ≥ 1 und i2 = 1, ..., n2, mit dem die Fläche in einer zur ersten Scanrichtung verschiedenen zweiten Scanrichtung zur Erfassung eines zweiten Datensatzes DS2 mit Messwerten M2(_PD2,i2, X_D2,i2) scannbar ist, wobei X_D2,i2 eine jeweilige Scanposition des Detektorpixels P_D2,i2 angibt, einem ersten Mittel 203, mit dem für jedes Detektorpixel P_D1,i1 aus den Messwerten M1(P_D1,i1, X_D1,i1) relative Messwerte M1r(P_D1,i1, X_D1,i1) erzeugbar sind, und mit dem für jedes Detektorpixel P_D2,i2 aus den Messwerten M2(P_D2,i2, X_D2,i2) relative Messwerte M2r(P_D2,i2, X_D2,i2) erzeugbar sind,
einem Registriermittel 204, mit dem die Datensätze DS1r und DS2r registrierbar sind, so dass diejenigen relativen Messwerte aus M1r(P_D1,i1, X_D1,i1) und aus M2r(P_D2,i2, X_D2,i2) einander zugeordnet sind, für die gilt: X_D1,i1 = X_D2,i2, einem zweiten Mittel 205, mit dem für jedes Detektorpixel P_D1,i1 alle oder eine Teilmenge derjenigen relativen Messwerte M1r(P_D1,i1, X_D1,i1) zur Erzeugung eines Mittelwertes MW1(P_D1,i1) gemittelt werden, für die solchermaßen zugeordnete Messwerte aus M2r(P_D2,i2, X_D2,i2 = X_D1,i1) vorliegen, und mit dem zur Erzeugung eines Mittelwertes MW2(P_D1,i1) jeweils diejenigen Messwerte M2r(P_D2,i2, X_D2,i2) gemittelt werden, deren zugeordnete Messwerte aus M1r(P_D1,i1, X_D1,i1 = X_D2,i2) zur Erzeugung des Mittelwertes MW1 verwendet wurden, wobei diejenigen Messwerte M2r(P_D2,i2, X_D2,i2) für die zugeordnete Messwerte aus M1r(P_D1,i1, X_D1,i1 = X_D2,i2) vorliegen, für jeden Pixel P_D2,i2 normiert sind, einem dritten Mittel 206 zum Ermitteln eines ersten Datensatzes DS1r' mit angepassten Messwerten M1r'(P_D1,i1, X_D1,i1), wobei für jeden Messwert M1r'(P_D1,i1, X_D1,i1) gilt: M1r'(P_D1,i1, X_D1,i1) = [M1r(P_D1,i1, X_D1,i1)/MW1(P_D1,i1)]·MW2(P_D1,i1), ein viertes Mittel 207 zum Ermitteln der Inhomogenität bzw. Homogenität der radiometrischen Strahlungsverteilung auf Basis der Messwerte M1r'(P_D1,i1, X_D1,i1), und ein Ausgabemittel 208 zum Ausgeben der ermittelten Inhomogenität bzw. Homogenität der radiometrischen Strahlungsverteilung.
Obwohl die Erfindung im Detail durch bevorzugte Ausführungsbeispiele näher illustriert und erläutert wurde, so ist die Erfindung nicht durch die offenbarten Beispiele eingeschränkt und andere Variationen können vom Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen. Es ist daher klar, dass eine Vielzahl von Variationsmöglichkeiten existiert. Es ist ebenfalls klar, dass beispielhaft genannte Ausführungsformen wirklich nur Beispiele darstellen, die nicht in irgendeiner Weise als Begrenzung etwa des Schutzbereichs, der Anwendungsmöglichkeiten oder der Konfiguration der Erfindung aufzufassen sind. Vielmehr versetzen die vorhergehende Beschreibung und die Figurenbeschreibung den Fachmann in die Lage, die beispielhaften Ausführungsformen konkret umzusetzen, wobei der Fachmann in Kenntnis des offenbarten Erfindungsgedankens vielfältige Änderungen beispielsweise hinsichtlich der Funktion oder der Anordnung einzelner, in einer beispielhaften Ausführungsform genannter Elemente vornehmen kann, ohne den Schutzbereich zu verlassen, der durch die Ansprüche und deren rechtliche Entsprechungen, wie etwa weitergehenden Erläuterung in der Beschreibung, definiert wird.
Bezugszeichenliste

101–108: Verfahrensschritte
201: erster Detektor
202: zweiter Detektor
203: erstes Mittel
204: Registriemittel
205: zweites Mittel
206: drittes Mittel
207: viertes Mittel
208: Ausgabemittel

Claims

Verfahren zum Ermitteln einer Homogenität einer radiometrischen Strahlungsverteilung einer Strahlung aussendenden Fläche, bei dem: 1.1. in einem Schritt (101) die Fläche mit einem ersten optischen Detektor D1, der eine Anzahl n₁ von Detektorpixeln P_D1,i1 aufweist, mit n1 ≥ 2 und i1 = 1, ..., n1, entlang einer ersten Scanrichtung zur Erfassung eines ersten Datensatzes DS1 mit Messwerten M1(P_D1,i1, X_D1,i1) gescannt wird, wobei X_D1,i1 eine jeweilige Scanposition des Detektorpixels P_D1,i1 angibt, 1.2. in einem Schritt (102) die Fläche mit einem zweiten optischen Detektor D2, der eine Anzahl n₂ von Detektorpixeln P_D2,i2 aufweist, mit n2 ≥ 1 und i2 = 1, ..., n2, in einer zur ersten Scanrichtung verschiedenen zweiten Scanrichtung zur Erfassung eines zweiten Datensatzes DS2 mit Messwerten M2(P_D2,i2, X_D2,i2) gescannt wird, wobei X_D2,i2 eine jeweilige Scanposition des Detektorpixels P_D2,i2 angibt, 1.3. in einem Schritt (104) die Datensätze DS1 und DS2 registriert werden, so dass diejenigen Messwerte aus M1(P_D1,i1, X_D1,i1) und aus M2(P_D2,i2, X_D2,i2) einander zugeordnet sind, für die gilt: X_D1,i1 = X_D2,i2, 1.4. in einem Schritt (105) für jedes Detektorpixel P_D1,i1 alle oder eine Teilmenge derjenigen Messwerte M1(P_D1,i1, X_D1,i1) zur Erzeugung eines Mittelwertes MW1(P_D1,i1) gemittelt werden, für die solchermaßen zugeordnete Messwerte aus M2(P_D2,i2, X_D2,i2 = X_D1,i1) vorliegen, und zur Erzeugung eines Mittelwertes MW2(P_D1,i1) jeweils diejenigen Messwerte M2(P_D2,i2, X_D2,i2) gemittelt (105) werden, deren zugeordnete Messwerte aus M1(P_D1,i1, X_D1,i1 = X_D2,i2) zur Erzeugung des Mittelwertes MW1(P_D1,i1) verwendet wurden, wobei diejenigen Messwerte M2(P_D12,i2, X_D2,i2) für die zugeordnete Messwerte aus M1(P_D1,i1, X_D1,i1 = X_D2,i2) vorliegen, für jedes Pixel P_D2,i2 auf die Werte normiert sind, für die gilt P_D1,i1 = X_D2,i2, 1.5. in einem Schritt (106) ein erster Datensatzes DS1' mit angepassten Messwerten M1'(P_D1,i1, X_D1,i1) ermittelt wird, wobei für jeden Messwert M1'(P_D1,i1, X_D1,i1) gilt: M1'(P_D1,i1, X_D1,i1) = [M1(P_D1,i1, X_D1,i1)/MW1(P_D1,i1)]·MW2(P_D1,i1) (2) 1.6. in einem Schritt (107) die Homogenität der radiometrischen Strahlungsverteilung auf Basis der Messwerte M1'(P_D1,i1, X_D1,i1) ermittelt wird, und 1.7. in einem Schritt (108) die ermittelte Homogenität der radiometrischen Strahlungsverteilung ausgegeben wird.
Verfahren nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass anstelle der Schritte 1.3. bis 1.8. folgende Schritte ausgeführt werden: 2.1. für jedes Detektorpixel P_D1,i1 alle oder eine Teilmenge derjenigen relativen Messwerte M1r(P_D1,i1, X_D1,i1) zur Erzeugung eines Mittelwertes MW1(P_D1,i1) gemittelt (105) werden, für die solchermaßen zugeordnete Messwerte aus M2r(P_D2,i2, X_D2,i2 = X_D1,i1) vorliegen, 2.2. zur Erzeugung eines Mittelwertes MW2(P_D1,i1) jeweils diejenigen Messwerte M2r(P_D2,i2, X_D2,i2) gemittelt (105) werden, deren zugeordnete Messwerte aus M1r(P_D1,i1, X_D1,i1 = X_D2,i2) zur Erzeugung des Mittelwertes MW1(P_D1,i1) verwendet wurden, wobei diejenigen Messwerte M2r(P_D2,i2, X_D2,i2) für die zugeordnete Messwerte aus M1r(P_D1,i1, X_D1,i1 = X_D2,i2) vorliegen, für jeden Pixel P_D2,i2 auf die Werte normiert sind, für die gilt X_D1,i1 = X_D2,i2, 2.3. ein erster Datensatzes DS1r' mit angepassten Messwerten M1r'(P_D1,i1, X_D1,i1) ermittelt (106) wird, wobei für jeden Messwert M1r'(P_D1,i1, X_D1,i1) gilt: M1r'(P_D1,i1 + X_D1,i1) = [M1r(P_D1,i1, X_D1,i1)/MW1(P_D1,i1)]·MW2(P_D1,i1) (1) 2.4. die Inhomogenität bzw. Homogenität der radiometrischen Strahlungsverteilung auf Basis der Messwerte M1r'(P_D1,i1, X_D1,i1) ermittelt (107) wird, und 2.5. die ermittelte Homogenität der radiometrischen Strahlungsverteilung ausgegeben (108) wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Scanrichtung orthogonal zur ersten Scanrichtung ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Registrierung auf Basis – einer Kenntnis der Scangeometrien zur Erfassung des ersten Datensatzes DS1 und zur Erfassung des zweiten Datensatzes DS2, – von in dem ersten Datensatz DS1 und dem zweiten Datensatz DS2 erkennbaren Inhomogenitäten oder Strukturen, und/oder – auf der Fläche angeordneten und in dem ersten Datensatz DS1 und dem zweiten Datensatzes DS2 abgebildeten Referenzmarkern, erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass geometrische Verzerrungen der erfassten Datensätze DS1 und/oder DS2 durch eine Korrekturtransformation behoben werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass für mehrere Detektorpixel P_D1,i1 Mittelwerte MW1(P_D1,i1) zur Erzeugung eines ersten Mittelwertes MW1' gemittelt werden, zugehörige Mittelwerte MW2(P_D1,i1) zur Erzeugung eines ersten Mittelwertes MW2' gemittelt werden, und das Ermitteln der radiometrischen Strahlungsverteilung auf Basis der Mittelwerte MW1' und MW2' gemäß M1r' = [M1r/MW1']·MW2' (2) erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der erste optische Detektor D1 und der zweite optische Detektor D2 mehrere spektrale Kanäle erfassen, und das Verfahren jeweils für ein oder mehrere dieser spektralen Kanäle ausgeführt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der erste optische Detektor D1 und der zweite optische Detektor D2 jeweils Zeilensensoren sind.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass auf Basis der ermittelten radiometrischen Strahlungsverteilung und dem Datensatz DS1 ein Datensatz DS1', und auf Basis der ermittelten radiometrischen Strahlungsverteilung und dem Datensatz DS2 ein Datensatz DS2' ermittelt werden, wobei in den Datensätzen DS1' und DS2' Inhomogenitäten der ermittelten Strahlungsverteilung herausgerechnet sind, und auf Basis der Datensätze DS1' und DS2' für alle oder einzelne Detektorpixel P_D1,i1 und/oder P_D2,i2 relative radiometrische Empfindlichkeiten ermittelt werden.
Vorrichtung zum Ermitteln einer Homogenität einer radiometrischen Strahlungsverteilung einer Strahlung aussendenden Fläche und zur Ausführung eines Verfahrens gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, umfassend: – einen ersten optischen Detektor D1 (201), der eine Anzahl n₁ von Detektorpixeln P_D1,i1 aufweist, mit n1 ≥ 2 und i1 = 1, ..., n1, mit dem die Fläche entlang einer ersten Scanrichtung zur Erfassung eines ersten Datensatzes DS1 mit Messwerten M1(P_D1,i1, X_D1,i1) scannbar ist, wobei X_D1,i1 eine jeweilige Scanposition des Detektorpixels P_D1,i1 angibt, – einen zweiten optischen Detektor D2 (202), der eine Anzahl n₂ von Detektorpixeln P_D2,i2 aufweist, mit n2 ≥ 1 und i2 = 1, ..., n2, mit dem die Fläche in einer zur ersten Scanrichtung verschiedenen zweiten Scanrichtung zur Erfassung eines zweiten Datensatzes DS2 mit Messwerten M2(P_D2,i2, X_D2,i2) scannbar ist, wobei X_D2,i2 eine jeweilige Scanposition des Detektorpixels P_D2,i2 angibt, – ein Registriermittel (204), mit dem die Datensätze DS1 und DS2 registrierbar sind, so dass diejenigen Messwerte aus M1(P_D1,i1, X_D1,i1) und aus M2(P_D2,i2, X_D2,i2) einander zugeordnet sind, für die gilt: X_D1,i1 = X_D2,i2, – ein zweites Mittel (205), mit dem für jedes Detektorpixel P_D1,i1 alle oder eine Teilmenge derjenigen relativen Messwerte M1(P_D1,i1, X_D1,i1) zur Erzeugung eines Mittelwertes MW1(P_D1,i1) gemittelt werden, für die solchermaßen zugeordnete Messwerte aus M2(P_D2,i2, X_D2,i2 = X_D1,i1) vorliegen, und mit dem zur Erzeugung eines Mittelwertes MW2(P_D1,i1) jeweils diejenigen Messwerte M2(P_D2,i2, X_D2,i2) gemittelt werden, deren zugeordnete Messwerte aus M1(P_D1,i1, X_D1,i1 = X_D2,i2) zur Erzeugung des Mittelwertes MW1(P_D1,i1) verwendet wurden, wobei diejenigen Messwerte M2(P_D2,i2, X_D2,i2) für die zugeordnete Messwerte aus M1(P_D1,i1, X_D1,i1 = X_D2,i2) vorliegen, für jeden Pixel P_D2,i2 auf die Werte normiert sind, für die gilt X_D1,i1 = X_D2,i2, – ein drittes Mittel (206) zum Ermitteln eines ersten Datensatzes DS1’ mit angepassten Messwerten M1'(P_D1,i1, X_D1,i1), wobei für jeden Messwert M1'(P_D1,i1, X_D1,i1) gilt: M1'(P_D1,i1, X_D1,i1) = [M1(P_D1,i1, X_D1,i1)/MW1(P_D1,i1)]·MW2(P_D1,i1) (1) – ein viertes Mittel (207) zum Ermitteln der Homogenität der radiometrischen Strahlungsverteilung auf Basis der Messwerte M1'(P_D1,i1, X_D1,i1), und – ein Ausgabemittel (208) zum Ausgeben der ermittelten Homogenität der radiometrischen Strahlungsverteilung.