DE2834983C3

DE2834983C3 - Meßkopf für Beleuchtungsstärke-Meßgeräte

Info

Publication number: DE2834983C3
Application number: DE19782834983
Authority: DE
Inventors: Vladimir Dr.-Ing. 5100 Aachen Blazek
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1978-08-10
Filing date: 1978-08-10
Publication date: 1981-09-03
Also published as: DE2834983A1; DE2834983B2

Description

Die Erfindung betrifft einen Meßkopf gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Alle physikalischen lichttechnischen Messungen beruhen auf der Ermittlung 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/ Ix = Im ■ m-V).

Im Handel sind derartige Meßgeräte unter dem Namen LUX-Meter oder BELEUCHTUNGSMESSER bekannt, obwohl sie eigentlich den auffallenden Lichtstrom Φ messen und die Beleuchtungsstärke £aus Φ erst durch Division mit der Fläche A des Empfängers entsteht.

Die physikalischen Beleuchtungsstärke-Meßgeräte sollen vor allem den folgenden Forderungen genügen:

1) Strahlungsbewertung gemäß der spektralen Hellempfindlichkeit des menschlichen Auges (Vß)-gemäße Bewertung).

2) Diffuse gleichmäßige Beleuchtung der ganzen Fläche des Photodetektors.

3) Exakte Messung nicht nur für gerichteten, sondern auch für schrägen bzw. diffusen Lichteinfall.

4) Möglichst linearer Zusammenhang zwischen der Beleuchtungsstärke und der Anzeige (Photostrom).

5) Einfache Bedienbarkeit, kleine Abmessungen und geringes Gewicht.

6) Große Meßgenauigkeit im weilen Meßbereich.

Wie bereits erwähnt, soll die Strahlungsbewertung in allen Beleuchtungsstärke-Meßgeräten gemäß der spektralen Hellempfindlichkeit des menschlichen Auges, nämlich der VfA^Kurve, bewertet werden. Dies geschieht nach dem jetzigen Stand der Technik durch die sog. Partial- oder Teilfilterung. Vor den Photodetektor wird ein sowohl im optischen als auch im mechanischen Sinne (bis zu 16 verschiedene Filter) aufwendiges Filiersystem gesetzt (vgl. Farbe 7 [1958], 153-162; Farbe 10 [1961], 45-56), das mit einer Photometerkugel kombiniert sein kann, vgl. Farbe und Lack 78 (1972), 619-622.

Da die V^angepaßten Photodetektoren sehr kostspielig sind, fällt bei einfachen Beleuchtungsstärke-Meßgeräten die νγλ/Anpassung ganz weg, was /u erheblichen Meßfehlern um ca. 20% und mehr (Heibig, E.: Grundlagen der Lichtmeßtechnik. Verlag GEEST& PORTIG, Leipzig 1972,154-155) führt.

Außerdem weisen die Geräte, die mit durch Partialfilterung angepaßten Photodetektoren arbeiten, erhebliche Schwächen auf. Sollen die Filtersätze die genaue Vjfl/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 Lichtsinfall erhebliche Meßfehler. Eine zur Lichtrichtung geneigte Fläche empfängt eine geringere Beleuchtungsstärke, weil der gleiche Lichtstrom eine größere Fläche anstrahlt. (Vgl. zum Beispiel Schade, H.: Technische Optik, Verlag Vieweg[1968]).

Da in der praktischen Lichtmeßtechnik nur sehr selten ein parallelgebündelter, über seinem Querschnitt homogener Lichtstrom existiert, andererseits aber diffuses Licht gemessen werden soll, liegt die negative Auswirkung der Partialfilterung mit Filtersälzen auf die Meßgenauigkeit deutlich auf der Hand.

Aus der DE-OS 24 17 399 ist bereits ein Hohlraum-Vorsatz für Strahlungsmeßgeräte bekannt, dessen Innenoberfläche zur Realisierung einer spektralen Bewertungsfunktion mit einer selektiv reflektierenden Schicht bedeckt ist, der jedoch außerdem mit einem vor einem Photodeteklor angeordneten Filtersatz ausgerüstet ist. Darüber hinaus werden in dieser Druckschrift Photometcrkugeln mit offener Eintritts- und gegen-

überwiegender Austrittsöffnung als bekannt vorausgesetzt.

Die Aufgabe der Erfindung ist es. einen Meßkopf der eingangs genannten Art so auszubilden, daß die jeweils erforderliche, z. B. Vjfl/gemäße Strahlungsbewertung mit einfachen und billigen Mitteln erreicht wird.

Zur Lösung dieser Aufgabe sind die im Kennzeichen des Anspruchs 1 angegebenen Maßnahmen vorgesehen.

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 in Verbindung mit der spektralen Empfindlichkeitscharakteristik des photoelektrischen Wandlers bewirkt, wobei gleichzeitig ohne besondere Vorkehrungen die gesamte Oberfläche des Photodetektors mit diffusem Licht ausgeleuchtet wird.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.

Im folgenden sind anhand der Zeichnungen ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Meßkopfes sowie ein beispielsweiser Rechnungsgang zur Ermittlung des spektralen Verlaufes des Reflexionsfaktors und des Farbtones für den Farbbelag der Meßkopfinnenwand beschrieben. Es zeigt

Fig. 1 einen schematischen Schnitt durch einen Meßkopf,

Fig. 2 bis 4 Kurven zur Veranschaulichung des Rechnungsganges.

Der Meßkopf, der eine modifizierte Ulbricht-Kugel darstellt, besteht aus zwei zusammengesetzten Tci;cn 1 und 2. Die äußere Form kann der jeweiligen Anwendung angepaßt sein (z. B. würfelförmig oder kugelförmig), innen muß jedoch ein möglichst geometrisch genau kugelförmiger Hohlraum vorhanden sein.

Durch die freie Meßöffnung 4 fällt der zu messende Lichtslrom L in den Meßkopf ein. Dieser Lichtstrom kann im Gegensatz zu den bisherigen Meßgeräten beliebige Ausbreitungsform 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 schließlich durch die Photodetektoröffnung 6 auf den Photodetektor 7.

Ein Abschatter 5 sorgt dafür, daß kein Anteil des einfallenden Lichstroms L direkt, d. h. noch ungefiltert an den Photodesektor 7 gelangt.

Statt einer Wandöffnung 6 und eines Photodetektors 7 können Öffnungen für mehrere Photodioden mit gleicher oder unterschiedlicher spektraler Empfindlichkeit in dem durch den Abschatter vor direkter Lichteinstrahlung geschützten Kugelwandbereich untergebracht werden. Durch das Addieren bzw. Substrahieren der spektralen Empfindlichkeiten der einzelnen Photoelemente läßt sich die resultierende spektrale Empfindlichkeit in gewünschter Weise beeinflussen.

Der innendurchmesser der Hohlkugel kann für die verschiedenen Anwendungen verschieden sein und z. B. zwischen ca. 5 mm und 100 mm oder mehr betragen. Bei der Wahl des Durchmessers und dadurch der Größe des Meßkopfes müssen folgende Gesichtspunkte beachtet werden:

a) Der Durchmesser Oder Hohlkugel soll ca. lOmal so groß sein, wie der Durchmesser d der Meß- und Photodetektoröffnung;

b) je größer der Durchmesser D ist. desio besser und genauer wird die opiische Filterung;

c) je kleiner D und je giöUer dsind, desto größer v, ird der Übertragungsfaktor des MeDkopfes;

d) de^r Abschatter 5 soli immer möglichst klein sein (Störung der optischen Integration) und ebenso wie die Meßkopfinnenseite mit dem selektiven Farbbelag 3 beschichtet werden.

Der Farbbelag 3 der Kugeiinnenwand soll homogen aufgetragen und diffus reflektierend sein.

Als Beispiel soll der Rechnungsgang für die Ermittlung des Reflexionsfaktors ß('/.) mit zugehöriger Farbauswertung des Farbbelags 3 für eine Vßj-gemäße Anpassung eines ausgewählten Siüzium-Photodetektors angegeben werden. Für eine andere Art von Photodetel.toren (z. B. Ge-Dioden, Photomuhipliern usw.) können analog andere ßß)-Verlaufe des Farbanstrichs berechnet werden. Die Durchführung der Berechnung von ßß) erfolgt zweckmäßig mit Hilfe eines Computer-Programms ir. einem Rechenzentrum.

Die relative spektrale Empfindlichkeit S₂(X) des Si-Photodetektor:, vom Typ PiN 10 D. aktive Flüche A = lern², ist für den sichtbaren Wellenlängenbereich (A = 380 nm bis 780 nm) in 1 ab. 1 absolut und in F i g. 2 relativ angeführt. Dieser Verlauf der Empfindlichkeit ist die Ausgangsgröße für die Berechnung.

Gewünscht ist, daß diese spektrale Empfindlichkeit S(X)_n-Idurch die Filterwirkung des selektiven Kugelfarbbelages 3 des Meßkopfs an die spektrale Hellempfindlichkeit des menschlichen Auges V(X) 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(X). Für ein normales menschliches Auge ist V(I)_n-I= 100% bei X = 555 nm. Der Verlauf V(X) ist in DIN 5031, Blatt 3, festgelegt und in Fig. 3dargestellt.

Das Ergebnis der Berechnung — der Verlauf des für dieses Anwendungsbeispiel erforderlichen Reflexionsfaktors ßß),cides Kugelanstrichs 3 in Abhängigkeit von der Wellenlänge λ ist in F i g. 4 dargestellt (Prinzip der Berechnung, s. Anhang 1).

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 = 35,264
Y = 43,476
Z = 6,485

— Normfarbwertanteile:

χ = 0,414
y = 0,510
ζ = 0,076

Farbton:

— Farbtongleiche Wellenlänge:

Xf = 560 nm

Sättigung:

— Spektraler Farbanteil:

P₁ = 0,4754

Diese Ergebnisse bilden die Unterlagen /ur Herstellung der Farbe für den Farbbelag 3 des Meßkopfs durch einen einschlägigen Farbhersteller.

Wenn man die Normfarbwerte \. \. /. in eine Normfarbtafel (vgl. zum Beispiel: DIN 5033. Blau 3. Seite 2) eintrügt, erhalt man einen Farborl. der für die Kennzeichnir ü der Farbe im Spektralfarbenzug zuständig ist. Es hai'jcli sich bei dem angeführten Beispiel um eine ziemlich gesättigte (Pi = 0,4754). grüne (A/ = 560 nni) Farbe.

Die Berechnung wurde deshalb auf Normlichtart A bezogen, weil die Kalibrierung handelsüblicher Lux-Mcter im allgemeinen mit Glühlampenlicht von 2856 K vorgenommen wird. Die Normlichtarl A ist in DIN 5033, Blatt 7, definiert und wird im sichtbaren Teil des Spektrums durch die spektrale Strahlungsvertcilung einer gasgelüllten Wolfram-Glühlampe der Verteilungstemperatur Ty = 2856 Kelvin erzeugt und kann als reprcsenlativer Vertreter der künstlichen Beleuchtung bezeichnet werden.

Anhang 1

Berechnung des wcllenlängenabhängigcn
Reflexionsfaktors des Kugelfarbbclages 3

Ist '/' der Gesamilichistrom, der in den Meßkopf einfällt, so wird von der Kugclwand mit dem Reflexionsgrad β(λ) nach einmaliger Reflexion der L.ichtstroni ß(?.) ■ Φ reflektiert. Der reflektierte Licht· strom gelangt erneut zur Kugelwand, bei der zweiten Reflexion wird der Anteil ß(/.p ■ Φ reflektiert, sodann ßßp ■ Φ .. ..ßß)" ■ Φ etc.. wobei schließlich η ~ » gilt.

Unter Berücksichtigung aller Reflexionen fällt also insgesamt der l.ichlslrom

(2)

;ιLiΓ die Innenwand der Kugel. Her in Klammern stehende Ausdruck stellt eine unendliche Reihe mit der Summe

I - -A»

Nach unendlich vielen Reflexionen trifft also insgesamt der l.ichtstrom

Der erste Summand in Gl. (4) fehlt an den Stellen, die nur von reflektiertem Ucht getroffen werden (Wirkung des Abschalters 5) z. B. an der Photodctektoröffnuny 6. so daß die Gleichung (4) in Gleichung (6) übergeht:

A₁ 1 -,-■(/.)

Um die I (/.!-gemäße Bewertung zu erhallen, muß

17)

Die Werte S(A.) und V(X) werden für alle Wellenlangen als bekannt vorausgesetzt, so daß der absolute und relative Reflexionsfaktor des Kugelanstrichs nach Gl. (8) und (9) berechnet werden kann:

Anhang 2 ·
Farbauswertung

Die valenzmetrischc l-'arbauswcrlung erfolgt nach dem durch DIN 5033 festgelegten 2"-Normvalenz-S>stcm.

Die Normfarbwerte A'. V. 7. werden nach den Gleichungen (10). (11) und (12) berechnet:

.V =

(Uli
(Hl
(12)

aufdie Kugelwand und erzeugt dort die Beleuchtungsstärke

(4)

A_k ■ A_k ι - ...·(;.) ·

wobei -I₁ die Fläche der Kuuelinnenwand ist:

A_k = 4-rr² : (5)

r. . . Radius der Kusieünnenwand.

Dabei bedeuten:

.Ν"_Ν(/) spektrale Strahlungsfunktion.

,.(/.) Reflexionsfaktor des Kugelanstrichs. .v(/.).i-(/.|.

;(/.) 2 -Normspektralwcrtfunktionen.
_(i = 380 nm.

b = 7SO nm Integrationsgrenzen.
Die Integrationskonstanle k wird nach Gl. (13) bestimmt:

k = KK)

Aus den Normfiirhwerlcn .V. Y. Z werden die Normfarbwertanleile v, y. ζ nach Gl. (14), (15). (16) berechnet:

-. = Z(X + >' +zr^l

(14)
(15)
(16)

Anhang 3

Tabelle I Delektorkalibrieiung

Beispiele der Anpassung von Si-Photodetektorcn an verschiedene Spektraluertfunktionen durch die Filter-

kugel

A) Anpassungen Normspektralwertfunktionen

In diesem Faüc könnte man mit drei Mcßkugeln mit drei verschiedenen Filtcrcigenschaften eine Farbmessung nach dem sog. Dreibereichsverfahren durchführen (vgl. dazu: Richter. M.: Einführung in die Farbmetrik. Berlin 1976, Walter de Gruyter Verlag).

B) Anpassung an die spektrale Empfindlichkeit F(K) einer phoiographischen Schicht

Die spektrale Empfindlichkeit einer photographischen Schicht stimmt im allgemeinen nicht mit der Funktion V(K) des Auges überein. Bei der Strahlungsanpassung an F(K) kann die Beleuchtungsstärke F.. bzw. Belichtung B=E- /.gemessen in lux ■ sec, genau bestimmt werden. Im medizinischen Bereich ist SaIs Dosis üblich.

C) Anpassung an die spektrale Empfindlichkeit der menschlichen Haut im UV-ß-Bereich

Die Filterwirkung der hier beschriebenen Anordnung kann auch außerhalb des sichtbaren Strahlungsbereichs ausgenutzt werden, wobei nur der Anstrich 3 entsprechend geändert werden muß. Da der UV-ß-Strahlungsbereich (K = 280-315 nm) die Hautrötung (Sonnenbrand) hervorruft, kann die Bestimmung der Beleuchtungsstärke in diesem Bereich z. B. für die Dermatologie besondere Bedeutung haben. Als Photodetektor kann man in diesem Falle z. B. zwei Schollky-Barrier-Photodioden benutzen, die im UV-Bereich unterschiedliche spektrale Empfindlichkeiten Sß)\ und S(X)₂ aufweisen (eine der Photodioden ist im UV-Bereich in ihrer Empfindlichkeit angehoben — s. Kurve 1 und 2 in Fig. 5). Durch Substrahieren der beiden Empfindlichkeiten erhält man eine resultierende spektrale Empfindlichkeit S(K). die nach Normierung als Kurve 3 in F i g. 5 aufgezeichnet ist.

STANDARD DETEKTOR NR. 6781, DIODENTYPPIN IOD AKTIVE I⁷LACHE A = 1,0 cm³

DATUM DER MESSUNG II. NOV. 1977

TEST - DETEKTOR DIODE NR. 1, DIODENTYP PIN 10 D, A = 1,0 cnr

ν, 360 375

400 425 450

-'' 475 500 525 550 575

¹⁽¹ 600 625 650 675 700

^;"' 725 750 775

800

in 825 850 875 900 925

α-, 950 975 K)(K) 1025 1050

-„ι 1075 IHK)

ίΐ·: TKST-iMioTosTROM	AUS.
	SI¹IiKTR.
	KM IT.
Amp. x 10 ^(\|	Λ m ρ /Wai
0,320	0,0400
0,460	0.0580
1,770	0,1320
5,800	0,2010
12,500	0,2590
24,100	0,3040
39,000	0.3320
58,200	0,3600
91,8(K)	0,3810
108,(KK)	0,3980
136,0(K)	0,4160
164.(X)O	0,4330
192,000	0,4480
223,000	0,4610
249,(KM)	0.4730
268,0(K)	0,4830
280,(KK)	0,493(1
283.(KK)	0.5020
283,0(K)	0,5100
294.(K)O	0.5170
332,(KK)	0.5170
389,0(K)	0.5130
456.(XK)	0,5030
502.(KK)	0.4820
518.000	0.44X0
501.000	0.3920
452,(KK)	0.32«)
369.(K)O	0.2440
249,0(K)	0.1600
149,(KK)	0.1020
87.(K)O	0.0580

Hier/« 5

Claims

Patentansprüche: Meßkopf für Beleuchtungsstärke-Meßgeräte mit a) einer Photometerkugel, die folgende Merkmale aufweist:

1. ein Lichteintrittsfenster,

2. mindestens ein Lichtaustrittsfenster,

3. einen Abschatter im Wege des Direktlichts vom Lichteinirius-zum Lichtaustrittsfenster,

4. einen zur Erzielung einer vorgegebenen spektralen Bewertungsfunktion des gemessenen Lichts beitragenden selektiv reflektierenden Farbbelag der Innenwand,

b) mindestens einem photoelektrischen Wandler, der hinter dem mindestens einen Lichtaustrittsfenster angeordnet ist,

dadurch gekennzeichnet, daß

c) das Lichteintritts- und das mindestens eine Lichtaustrittsfenster aus freien Öffnungen (4 bzw. 6) bestehen,

d) der Innendurchmesser der Photometerkugel (1, 2) etwa zehnmal so groß ist wie der Durchmesser der Öffnungen (4 bzw. 6),

e) der Abschatter (5) ebenfalls mit dem Farbbelag (3) versehen und nicht größer als zur Abschirmung des mindestens einen Lichtaustrittsfensters (6) gegen Direktlicht nötig ausgebildet ist,

f) der spektrale Verlauf des Reflexionsfaktors des Farbbelags (3) so an die spektrale Empfindlichkeitscharakteristik des mindestens einen Wandlers (7) angepaßt ist, daß die vorgegebene Bewertungsfunktion allein durch den Farbbelag und den mindestens einen Wandler (7) festgelegt ist.

2. Meßkopf nach Anspruch t, dadurch gekennzeichnet, daß der spektrale Verlauf des Reflexionsfaktors an die Empfindlichkeitscharakicrisiik des mindestens einen z. B. als Si-Photodiode ausgebildeten Wandlers (7) so angepaßt ist, daß sich als Bewertungsfunktion die spektrale Hellempfindlichkeitskurve des menschlichen Auges ergibt.

3. Meßkopf nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in dem vom Abschatter (5) abgeschirmten Bereich der Innenwand der Photometerkugel (1, 2) zwei oder mehr Öffnungen für den Lichtaustritt samt zugeordneten photoelektrischen Wandlern vorgesehen sind, und daß die Wandler gleiche oder unterschiedliche Empfindlichkeitscharakteristiken besitzen.