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Meßkopf für Beleuchtungsstärke-Meßgeräte
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Alle physikalischen lichttechnischen Messungen beruhen auf der Brraittlung
einer Beleuchtungsstärke. Die Beleuchtungsstärke ist nach Gl. 1 definiert als Quotient
aus dem auf eine Fläche auftreffenden Lichtstrom und der beleuchteten Fläche:
(gemessen in lux gleich lumen pro Quadratmeter/lx=lm.m 1).
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Im Handel sind derartige Meßgeräte unter dem Namen LUX-Meter oder
BELEUCHTUNGSMESSER bekannt, obwohl sie eigentlich den auffallenden Licht strom messen
und die Beleuchtungsstärke E aus # erst durch Division mit der Fläche A des Empfängers
entsteht.
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Die physikalischen Beleuchtungsstärke-Meßgeräte sollen vor allem den
folgenden Forderungen genügen: 1) Strahlungsbewertung gemäß der spektralen Hellempfindlichkeit
des menschlichen Auges (V(#)-gemäße Bewertung).
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2) Diffuse gleichmäßige Beieuchtung der ganzen Fläche des Photodetektors-.-3)
Exakte Messung nicht nur für gerichteten, sondern-auch für schrägen bzw. diffusen
Lichteinfall.
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4) Möglichst linearen Zusammenhang zwischen der Beleuchtungsstärke
und der Anzeige (Photostrom).
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5) Einfache Beaienbarkeit, kleine Abmessungen und geringes Gewicht.
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6) Große Meßgenauigkeit im weiten Meßbereich.
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Wie bereits erwähnt, soll die Strahlungsbewertung in allen Beleuchtungsstärke-Meßgeräten
gemäß der spektralen Hellempfindlichkeit des menschlichen Auges, nämlich der V()-Kurve,
bewertet werden. Dies geschieht nach dem jetzigen Stand der Technik durch die sog.
Partial- oder Teilfilterung. Vor dem Photodetektor wird ein sowohl im optischen
als auch im mechanischem Sinne (bis zu 16 verschiedene Filter) aufwendiges Filtersystem
gesetzt (vergl.
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z. B.: Farbe und Lack, 78 (1972), 620; Farbe 7 (1958), 153 - t62;
Farbe 10 (1961), 45 - 56)..
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Es liegt nahe, aaß solche v(#)-angepaßte Detektoren sehr kostenaufwendig
sind. Als Orientierungsbeispiel sei ein Preis von ca.
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DM 1.500,-- für einen V(#)-angepaßten Osram-Si-Photodetektor angegeben.
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Da die V( S)-ar,gepaßten Photodetektoren sehr kostspielig sind, fällt
bei einfachen Beleuchtungsstärke-Meßgeräten die V(#)-Anpassung ganz weg, was zu
erheblichen Meßfehlern um ca. 20 % und mehr (Helbig, E.: Grundlagen der Lichtmesstechnik.
Verlag GEEST & PORl'IG,Leipzig 1972) führt-.
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der auch die Geräte, die mit durch Partialfilterung angepaßten Photodetektoren
arbeiten, weisen erhebliche Schwächen auf. Sollen die Filtersätze die genaue V(#)-Anpassung
gewähren, müssen sie in ihrer ganzen Fläche gleichmäßig und senkrecht durchstrahlt
werden. Wenn diese Voraussetzungen nicht erfüllt werden, entstehen auf Grund des
geometrischen Aufbaus und auf Grund der geänderten Transmissionseigenschaften z.
B. bei schrägem Lichteinfall erhebliche Meßfehler. Eine zur Lichtrichtung geneigte
Fläche emp-fängt eine geringere Beleuchtungsstärke, weil der gleiche Lichtstrom.
eine größere Fläche anstrahlt. (Vergl. z. B. Schade,H.: Technische Optik, Verlag
Vieweg (1968)).
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Da in der praktischen Lichtmeßtechnik nur sehr selten ein parallelgebündelter,
über seinem Querschnitt homogener Lichtstrom e-xistiert, andererseits aber diffuses
Licht gemessen werden soll, liegt die negative Auswirkung der Partialfilterung mit
Filtersätzen auf die Meßgenauigkeit deutlich auf der Hand.
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Die Aufgabe der Erfindung ist es, die genannten NachS der bekannten,
mit Filtersätzen oder mit angepaßten Photodetektoren versehenen Beleuchtungsstärke-Meßgeräte
zu vermeiden und einen Meßkopf für diesen Zweck zu schaffen, der die jeweils erforderliche,
z.B. VCA)- gemäße Strahlungsbewertung mit einfachen und billigen Mitteln erreicht.
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Zur Lösung dieser Aufgabe bedient sich die Erfindung eines Meßkopfes
für Beleuchtungsstärke-Meßgeräte gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1. Derartige
Meßköpfe sind dem Fachmann unter der Bezeichnung 11ülbrichtsche Kugel" bekannt und
z.B. in der DE-OS 26 06 675 sowie in der Zeitschrift "Farbe und Lack" 78- (1972)
S. 619/620 beschrieben.
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Ausgehend von diesem bekannten Meßkopf besteht die Erfindung gemäß
dem Kennzeichen des Patentanspruchs 1 darin, daß der Wandbelag des hohlkugelförmigen
Innenraumes zur Erzielung der gewünschten Filterwirkung bzw. Strahlungsbewertung
als selektiv reflektierender Farbbelag ausgebildet ist.
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Bei dem erfindungsgemäßen Meßkopf für Beleuchtungsstärke-Meßgeräte
wird die Strahlungsbewertung somit nicht durch Partialfilterung mit Filtersätzen
sondern durch die selektive Reflexion des Farbbelages auf der Innenwand des Meßkopfes
bewirkt, wobei gleichzeitig ohne besondere Vorkehrungen die gesamte Oberfläche des
Photodetektors mit diffusem Licht ausgeleuchtet wird.
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Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen
angegeben.
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Im folgenden sind anhand der Zeichnungen ein Ausführungsbeispiel des
erfindungsgemäßen-Meßkopfes sowie ein beispielsweiser Rechnungsgang zur Ermittelung
des spektralen Verlaufes des Reflexionsfaktors und des Farbtones für den Farbbelag
der Meßkopfinnenwand beschrieben. Es zeigen: Figur 1 einen schematischen Schnitt
durch einen Meßkopf nach der Erfindung Figur 2 bis 4 Kurven zur Veranschaulichung
des Rechnungsganges.
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Der Meßkopf, der eine modifizierte Ulbricht Kugel darstellt (mit den
bisher bekannten Kugeln aber nur die Ausnutzung der optischen Integration gemeinsam
hat, da diese grundsätzlich mit einem aselektiven Reflexionsbelag beschichtet waren
und dadurch keinen Filtereffekt aufwiesen) besteht aus zwei zusammengesetzten Teilen
1 und 2. Die äußere Form kann der jeweiligen Anwendung angepaßt sein (z.B. würfpelförmig
oder kugelförmig), innen muß jedoch ein möglichst geometrisch genau kugelförmiger
Hohlraum vorhanden sein.
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Durch die Meßöffnung 4, die frei sein oder mit einer Glasscheibe abgedeckt
sein kann, fällt der zu messende Lichtstrom L in den Meßkopf ein. Dieser Lichtstrom
kann im Gegensatz zu den bisherigen Meßgeräten beliebige Ausreitungsform haben und
z.B. diffus, gerichtet, fokussiert (Laserstrahl) oder defokussiert sein. Der zu
messende Lichtstrom L wird durch die mehrfache Reflexion an einem selektiv diffus
remittierenden Farbbelag 3 gefiltert und gelangt schließi-ch durch die Photodetektoröffnung
6 auf den Photodetektor 7 Ein Abschatter 5 sorgt dafür, daß kein Antail des einfallenden
Lichtstroms L direkt, d.h. noch ungefiltert an den Photodetektor 7 gelangt.
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Statt einer Wandöffnung 6 und eines Photodetektors 7 können Offnungen
für mehrere Photodioden mit gleicher oder unterschiedlicher spektraler Empfindlichkeit
in dem durch den Abschatter vor direkter Lichteinstrahlung geschützten Kugelwandbereich
untergebracht werden.
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Durch das Addieren bzw. Substrahieren der spektralen Empfindlichkeiten
der einzelnen Photoelemente läßt sich die resultierende spektrale Empfindlichkeit
in gewünschter Weise beeinflussen.
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Der Innendurchmesser der Hohlkugel kann für die verschiedenen Anwendungen
verschieden sein und z.B. zwischen ca. 5 mm und 100 mm oer mehr betragen. Bei der
Wahl des Durchmessers und dadurch der Größe des Meßkopfes müssen folgende Gesichtspunkte
beachtet werden: a) Der Durchmesser D der Hohlkugel soll ca. 10 mal so groß sein
wie der Durchmesser d der Meß- und Photodetektoröffnung; b) je größer der Durchmesser
D ist, desto besser und genauer wird die optische Filterung;
c)
je kleiner D und je größer d sind, desto größer wird der Übertragungsfaktor des
Meßkopfes; d) der Abschatter 5 soll immer möglichst klein sein (Störung der optischen
Integration) und ebenso wie die Meßkopf innenseite mit dem selektiven Farbbelag
3 beschichtet werden.
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Der Farbbelag 3 der Kugelinnenwand soll homogen aufgetragen und diffus
reflektierend sein.
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Als Beispiel soll der Rechnungsgang für die Ermittlung des Reflexionsfaktors
mit zugehöriger Farbauswertung des Farbbelags 3 für eine V(#)-gemäße Anpassung eines
ausgewählten Silizium-Photodetektors angegeben werden. Für eine andere Art von Photodetektoren
(z.B. Ge-Dioden, Photomultipliern usw.) können analog andere ß(#)-Verläufe des Farbanstrichs
berechnet werden. Die Durchführung der Berechnung von ß(#)erfolgt zweckmäßig mit
Hilfe eines Computer-Programms in einem Rechenzentrum.
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Die relative spektrale Empfindlichkeit S(#)des Si-Photodetektors vom
Typ PIN 10 D, aktive Fläche A = 1 cm2, ist für den sichtbaren Wellenlängenbereich
( # = 380 nm bis 780 nm) in Tab. 1 absolut und in Fig. 2 relativ angeführt. Dieser
Verlauf der Empfindlichkeit ist die Ausgangsgröße für die Berechnung.
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Gewünscht ist, daß diese spektrale Empfindlichkeit S(#)rel durch die
Filterwirkung des selektiven Kugelfarbbelages 3 des Meßkopf an die spektrale Hellempfindlichkeit
des menschlichen Auges V(#) angepaßt wird, da die Wirkung des sichtbaren Lichtes
auf das Auge nicht nur von den physikalischen Eigenschaften des Lichtes (der Dichte
des Energiestroms, der Wellenlänge oder der spektralen Zusammensetzung) abhängig
ist, sondern auch von der spektralen Hellempfindlichkeit des menschlichen Auges
V(). Für ein normales menschliches Auge ist V(x)rel = 100 % bei A = 555 nm. Der
Verlauf V(X) ist in DIN 5031, Blatt 3, festgelegt und in Fig. 3 dargestellt Das
ergebnis der Berechnung - der Verlauf des für dieses Anwendungsbeispiel erforderlichen
Reflexionsfaktors ß(#)rel des Kugelanstrichs 3 in Abhängigkeit von der Wellenlänge
R Ist in Fig. 4 dargestellt (Prinzip der Berechnung, =. Anhang 1).
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Die zugehörige Farbauswertung für das 2°-Normvalenz-System bezogen
auf die Normlichtart A (Prinzip der Berechnung s. Anhang 2) ergab folgende Ergebnisse:
Farbort: -Normfarbwerte: X = 70,940 Y = 79,851 z = 8,336 -Normfarbwertanteile: x
= 0,446 y = 0,502 z = 0,052 Farbton: -Farbtongleiche Wellenlänge Af = 570 nm Sättigung:
-Spektraler Farbanteil: Pf = 0,6436 Diese Ergebnisse bilden die Unterlagen zur Herstellung
der Farbe für den Farbbelag 3 des Meßkopfs durch einen einschlägigen Farbhersteller.
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Wenn r.lan die Normfarbwerte x, y, z in eine Normfarbtafel (vergl.
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z. B.: DIN 5033, Blatt 3, Seite 2) einträgt, erhält man einen Farbort,
der für die Kennzeichnung der Farbe im Spektralfarbenzug zuständig ist. Es handelt
sich bei dem angeführten Beispiel in eine ziemlich gesättigte (Pf = 0,6436), grüne
(A f = 570 nm) Farbe.
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Die Berechnung wurde deshalb auf Normlichtart A bezogen, weil die
Kalibrierung handelsüblicherLux-Meter im allgemeinen mit Glühlampenlicht von 2856
K vorgenommen wird. Die Normlichtart A ist in DIN 5033, Blatt 7, definiert und wird
im sichtbaren Teil des Spektrums durch die spektrale Strahlungsverteilung einer
gasgefüllten Wolfram-Glühlampe der Verteilungstemperatur Tv = 2856 Kelvin erzeugt
und kann als representativer Vertreter der künstlichen Beleuchtung bezeichnet werden.
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Anhang 1: Berechnung des wellenlängenabhängigen Reflexionsfaktors
des Kugelfarbbelages 3 Ist ç der Gesamtlichtstrom, der in den Meßkopf einfällt,
so wird von der Kugelwand mit dem Reflexionsgrad 4(R) nach einmaliger Reflexion
der Lichtstrom ß(# # reflektiert. Der reflektierte Lichtstrom gelangt erneut zur
Kugelwana, bei der zweiten Reflexion wird der Anteil ß(#)2 # reflektiert, sodann
ß(#)## .... ß(#)## ect., wobei schließlich n## gilt.
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Unter Berücksichtigung aller Reflexionen fällt also insgesamt der
Lichtstrom
auf die Innenwand der Kugel. Der in -Klammern stehende Ausdruck stellt eine unendliche
Reihe mit der Summe
dar.
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Nach unendlich vielen Reflexionen trifft also insgesamt der Lichtstrom
auf die Kugelwand und erzeugt dort die Beleuchtungsstärke
wobei Ak die Fläche der Kugelinnenwand ist: Ak =4##@ r ... Radius der Kugelinnenwand
Der erste Summand in Gl.(4) fehlt an den Stellen, die nur von reflektiertem
Licht
getroffen werden (Wirkung des Abschatters 5) z. B. an der Photodetektoröffnung 6,
so daß die Gleichung (4) in Gleichung (6) übergeht
Um die V(#)-gemäße Bewertung zu erhalten, muß gelten:
Die Werte S(#) und V(R) werden für alle Wellenlängen als bekannt vorausgesetzt,
so daß der absolute und relative Reflexionsfaktor des Kugelanstrichs nach Cl. (8)
und (9) berechnet werden kann:
Anhang 2: Farbauswertung Die valenzmetrische Farbauswertung erfolgt
nach dem durch DIN 5033 festgelegten 2°-Normvalenz-System.
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Die Normfarbwerte X, Y, Z werden nach den Gleichungen (10), (11) und
(12) berechnet
Dabei bedeuten SN(#) . . . spektrale Strahlungsfunktion, ß(#) . . . Reflexionsfaktor
des Kugelanstrichs, x(#), y(#), z(#) . . . 2°-Normspektralwertfunktionen a = 380
nm, b = 780 nm . . . Integrationsgrenzen.
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Die Integrationskonstante k wird nach Gl. (13) bestimmt:
zur den Normfarbwerten X, Y, Z werden die Normfarbwertanteile x, y, z nach Gl. (14),
(15), (16) berechnet x = X ( X + Y + Z )-1, (14) y = Y ( X + Y + Z )-1, (15) z =
Z ( X + Y + Z )-1. (16)
Anhang 3: Beispiele der Anpassung von Si-Photodetektoren
an verschiedene Spektralwertfunktionen durch die Filterkugel A) Anpassung an Normspektralwertfunktionen
In diesem Falle könnte man mit drei Meßkugeln mit drei verschiedenen Filtereigenschaften
eine Farbmessung nach dem sog.
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Dreibereichsverfahren durchführen (vergl. dazu: Richter, M.: Linführung
in die Farbmetrik. Berlin 1976, Walter de Gruyter Verlag).
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B) Anpassung an die spektrale Empfindlichkeit F(#) einer photographischen
Schicht Die spektrale Empfindlichkeit einer photographischen Schicht stimmt im allgemeinen
nicht mit der Funktion V(X) des Auges überein. Bei der Strahlungsanpassung an F(#)
kann die Beleuchtungsstärke E, bzw. Belichtung B = E.t, gemessen in lux e sec, genau
bestimmt werden. Im medizinischen Bereich ist B als Dosis üblich.
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C) Anpassung an die spektrale Empfindlichkeit der menschlichen haut
im UV-B-Bereich Die Filterwirkung der hier beschriebenen Anordnung kann auch außerhalb
des sichtbaren Strahlungsbereichs ausgenutzt werden, wobei nur der Anstrich 3 entsprechend
geändert werden muß.
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Da der UV-BStrahlungsbereich ( # = 280 - 315 nm) die llautrötung
(Sonnenbrand) hervorruft, kann die Bestimmung der Beleuchtungsstärke in diesen Bereich
z. B. fiLr die Dermatologie besondere Bedeutung haben. Als Photodetektor kann man
in diesem Falle z. B.
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zwei Schottky-Barrier-Photodioden benutzen, die im UV-Bereich unterschiedliche
spektrale Empfindlichkeiten S(#)1 und StA)2 2 aufweisen (eine der Photodioden ist
in UV-Bereich in ihrer Empfindlichkeit angehoben - s. Kurve 1 und 2 in Fig. 5).
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Durch Substrahieren der beiden Empfindlichkeiten erhält man eine
resultierende spektrale Empfindlichkeit S(#), die nach Normierung als Kurve 3 in
Fig. 5 aufgezeichnet ist.
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Tab. 1: Detektorkalibrierung STANDARD DETEKTOR NR. 6781 , DIODENTYP
PIN 10 D AKTIVE FLACHE A = 1,0 cm2 DATUM DER MESSUNG 11. NOV. 1977 TEST - DETEKTOR
DIODE NR. 1, DIODENTYP PIN 10 D, A = 1,0 cm2 WELLENLÄNGE TEST-PHOTOSTROM ABS. SPEKTR.
EMPE.
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nm Amp. x 10-6 Amp / Watt 360 0,320 0,0400 375 0,460 0,0580 400 1,770
0,1320 425 5,800 0,2010 450 12,500 0,2590 475 24,100 0,3040 500 39,000 0,3320 525
58,200 0,3600 550 91,800 0,3810 575 108,000 0,3980 600 136,000 0,4160 625 164,000
0,4330 650 192,000 0,4480 675 223,000 0,4610 700 249,000 0,4730 725 268,000 0,4830
750 280,000 0,4930 775 283,000 0,5020 800 283,000 0,5100 825 294,000 0,5170 850
332,000 0,5170 875 389,000 0,5130 900 456,000 0,5030 925 502,000 0,4820 950 518,000
0,4480 975 501,000 0,3920 1000 452,000 0,3260 1025 369,000 0,2440 1050 249,000 0,1600
1075 149,000 0,1020 1100 87,000 0,0580