DE102010008738B4

DE102010008738B4 - Vorrichtung und Verfahren zur Bestimmung von Reflexionseigenschaften eines Reflektors

Info

Publication number: DE102010008738B4
Application number: DE102010008738A
Authority: DE
Inventors: Dipl.-Ing. Sutter Florian; Dr.-Ing. Heller Peter; Dipl.-Ing. Meyen Stephanie; Christoph Prahl
Original assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Current assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Priority date: 2010-02-20
Filing date: 2010-02-20
Publication date: 2011-12-08
Anticipated expiration: 2030-02-21
Also published as: DE102010008738A1

Abstract

Vorrichtung zur Bestimmung von Reflexionseigenschaften eines Reflektors (20), mit einer Lichtquelle (12), einem Bildsensor (26), einer zwischen der Lichtquelle (12) und dem Reflektor (20) angeordneten Kondensorlinse (16), einer zwischen dem Reflektor (20) und dem Bildsensor (26) angeordneten Objektivlinse (24) und einer zwischen dem Reflektor (20) und der Objektivlinse (24) angeordneten Akzeptanzblende (22), dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtquelle (12) eine homogene Punktlichtquelle ist, wobei die Kondensorlinse (16) zur Fokussierung des Strahlengangs der Lichtquelle (12) auf den Mittelpunkt (23) der Akzeptanzblende (22) ausgebildet ist und wobei der Bildsensor (26) ein digitaler Flächensensor ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Bestimmung von Reflexionseigenschaften eines Reflektors, insbesondere eines Spiegels, der in der konzentrierenden Solartechnik zum Einsatz kommt.
Eine Bestimmung von Reflexionseigenschaften eines Reflektors ist zur Qualitätskontrolle insbesondere im Fall von Spiegeln zur Gewinnung von Solarenergie von Bedeutung.
Wichtigster Parameter für die Eignung eines Spiegels für konzentrierende Solartechnik ist sein solar gewichteter direkter Reflexionsgrad ρ_SWD. Der direkte Reflexionsgrad ρ_direct setzt sich aus dem gerichteten Reflexionsgrad ρ_spec und der gerichteten Streuung innerhalb des Akzeptanzwinkels zusammen. Für konzentrierende Solartechnik ist der Akzeptanzwinkel 25 mrad relevant.
Gegenwärtig existieren Messgeräte, die den hemisphärischen Reflexionsgrad ρ_hem spektral aufgelöst vermessen. Aus diesen Messdaten kann durch eine Gewichtung mit dem Standardsolarspektrum (ISO 9050 oder ASTM GI73-03) der solar gewichtete hemisphärische Reflexionsgrad ρ_SWH bestimmt werden. Zur Bestimmung des direkten Reflexionsgrades erfolgt eine Vermessung bei einer diskreten Wellenlänge (typischerweise 660 nm). Der solar gewichtete direkte Reflexionsgrad ρ_SWD wird herkömmlicherweise über folgende Formel bestimmt:
Weder die Geräte zur hemisphärischen noch zur direkten Reflexionsmessung sind ortsauflösend. Die Größe des Messflecks beträgt typischerweise bis zu 1 cm im Durchmesser. Das am häufigsten verwendete Reflektometer stammt von der Firma Devices & Services. Alternative Reflektometer sind InspectIR-VIS von Sulfate Optics und Discobulus von Abengoa, die nach ähnlichen Prinzipien arbeiten.
Bei dem Devices & Services (D&S) 15R portable specular reflectometer hat das von der Lichtquelle abgestrahlte Licht die Wellenlänge 660 ± 9 nm. Eine Linse und eine Leuchtfeldblende erzeugen ein Strahlenbündel kreisförmiger Querschnittsfläche parallelen Lichts, das auf eine plane Spiegelprobe fällt. Das reflektierte Strahlenbündel passiert eine Blende, bevor es auf den Detektor fällt. Durch ein Blendenrad können 3 verschiedene Blenden und somit Akzeptanzwinkel eingestellt werden: 15, 25 und 46 mrad. Das reflektierte Strahlenbündel muss manuell über zwei Einstellschrauben auf die Blende zentriert werden. Um reproduzierbare Werte zu erzielen, muss das Gerät mit Vorsicht bedient werden. Die Reproduzierbarkeit des D&S-Geräts ist höher als bei den anderen Reflektometern.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung und ein Verfahren zur ortsauflösenden Bestimmung von Reflexionseigenschaften eines Reflektors zu schaffen.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist definiert durch die Merkmale von Patentanspruch 1. Das erfindungsgemäße Verfahren ist definiert durch die Merkmale von Patentanspruch 7.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung weist eine Lichtquelle und einen Bildsensor auf, wobei der zu vermessende Reflektor zwischen der Lichtquelle und dem Bildsensor angeordnet ist. Eine Kondensorlinse zwischen der Lichtquelle und dem Reflektor ist zur Bündelung des Lichts vorgesehen. Vor einer Objektivlinse, welche ein Bild des Reflektors auf dem Bildsensor erzeugt, ist eine Akzeptanzblende angeordnet. Mit dieser kann der Akzeptanzwinkel eingestellt werden. Als Lichtquelle wird eine homogene Punktlichtquelle eingesetzt, die z. B. mit einem Pinhole in der Austrittsöffnung einer Ulbricht-Kugel erzeugt werden kann. Der Bildsensor ist ein digitaler CCD oder CMOS Flächensensor. Die Kondensorlinse ist zur Fokussierung des Strahlengangs der Lichtquelle auf den Mittelpunkt der Akzeptanzblende ausgebildet.
Um die Messgenauigkeit zu erhöhen und insbesondere Messfehler am Rand des Messbereichs zu vermeiden, ist der Beleuchtungsstrahlengang nicht parallel, sondern wird durch die Kondensorlinse auf den Mittelpunkt der Akzeptanzblende fokussiert. Mit der Objektivlinse wird das vom Reflektor reflektierte Licht, welches durch die Akzeptanzblende hindurch tritt, auf dem Bildsensor abgebildet. Aus den zweidimensionalen Bilddaten können der auf den Messbereich gemittelte direkte Reflexionsgrad, maximale und minimale Reflexionswerte in dem Messbereich und/oder Flächenanteile des Reflexionsgrades unterhalb eines Grenzwertes berechnet werden. Alternativ oder ergänzend kann ein ortsaufgelöstes zweidimensionales Bild mit den gemessenen Reflexionswerten erstellt werden.
Eine Farbfiltervorrichtung mit mindestens einem wählbaren Filterelement ist vorzugsweise zwischen der Lichtquelle und der Kondensorlinse vorgesehen, um selektiv verschiedene Wellenlängenbereiche des auf den Reflektor treffenden Lichts der Lichtquelle auszuwählen.
Zum Einstellen des Messbereichs auf dem Reflektor kann eine Leuchtfeldblende zwischen der Kondensorlinse und dem Reflektor vorgesehen sein.
Vorzugsweise ist für den Reflektor eine Haltevorrichtung, z. B. in Form einer Einspannvorrichtung oder einer den Reflektor ansaugenden Vakuumpumpeinrichtung vorgesehen. Hierbei ist die Haltevorrichtung vorzugsweise mit einer Positioniereinrichtung zum automatischen Einstellen der Messposition in mindestens zwei Dimensionen relativ zu dem Bildsensor vorgesehen.
Von besonderem Vorteil ist es erfindungsgemäß, wenn eine zentrale Steuervorrichtung mit der Lichtquelle, der Farbfiltervorrichtung, der Leuchtfeldblende, der Positioniereinrichtung, der Akzeptanzblende und/oder dem Bildsensor, zu deren elektronischer Steuerung elektrisch verbunden ist.
Hierbei wird vorzugsweise die Position des Reflektors während der Messung markiert, zum Beispiel indem die Position der Positioniereinrichtung elektrisch gespeichert und/oder der Reflektor mit einer Messmarkierung versehen wird, um die Reproduzierbarkeit der Messungen zu erhöhen.
Vorteilhafterweise werden die Messungen zu verschiedenen Zeitpunkten wiederholt, um in Form eines Alterungstests die Wachstumsgeschwindigkeit von Degradationen zu ermitteln. Durch Verstellen der Akzeptanzblende kann der Akzeptanzwinkel der Messungen eingestellt werden.
Die Farbfiltervorrichtung ist vorzugsweise als Filterrad ausgebildet, wobei verschiedene Farbfilterelemente durch Drehen des Filterrades ausgewählt werden können.
Die Filterelemente der Farbfiltervorrichtung sind vorzugsweise mit geringer Bandbreite von zum Beispiel weniger als ±10 nm ausgebildet. Dadurch kann der direkte Reflexionsgrad bei verschiedenen Wellenlängen gemessen werden. Das Verhältnis zwischen direktem und hemisphärischem Reflexionsgrad kann dann an mehreren Stellen des Spektrums ermittelt werden, um den solargewichteten direkten Reflexionsgrad präziser zu bestimmen.
Im Folgenden wird anhand der Figur ein Ausführungsbeispiel der Erfindung näher erläutert. Die Figur zeigt einen schematischen Aufbau eines Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Vorrichtung.
Eine Lichtquelle 12 ist als homogene Punktlichtquelle in Form eines Pinholes einer Ulbricht-Kugel ausgebildet. Eine Farbfiltervorrichtung 14 ist als Farbfilterrad mit verschiedenen wählbaren Filterelementen unterschiedlicher Wellenlänge zwischen der Lichtquelle 12 und zweier hintereinander angeordneter Kondensorlinsen 16 angeordnet. Die Kondensorlinsen 16 bündeln das Licht der Lichtquelle zu einem nicht-parallelen Strahlengang, der von der Leuchtfeldblende begrenzt wird und auf den Reflektor in Form eines Spiegels fällt. Hierbei bündeln die Kondensorlinsen 16 den Strahlengang der Lichtquelle 12 derart, dass der von dem Reflektor 20 reflektierte Strahlengang auf den Mittelpunkt 23 der Öffnung der Akzeptanzblende 22 fokussiert ist. Die Akzeptanzblende 22 ist zwischen dem Reflektor 20 und einer Objektivlinse 24 angeordnet, die den reflektierten Strahlengang auf den Bildsensor 26 in Form eines CCD- oder CMOS-Sensors abbildet.
Das aus einer kleinen Öffnung der Ulbricht-Kugel austretende Licht der Lichtquelle 12 ist nach Art einer Punktlichtquelle in alle Raumrichtungen homogen. Das Licht wird durch die Kondensorlinse 16 auf den Mittelpunkt 23 der Akzeptanzblende 22 fokussiert, so dass bis zum eingestellten Akzeptanzwinkel gestreute Lichtstrahlen ebenfalls in der Messung erfasst werden.
Die Messung erfolgt in einem abgedunkelten Raum. Zudem wird ein Dunkelstrombild von dem aufgenommenen Messbild des Reflektors 20 abgezogen.
Die Messungen erfolgen bei Alterungstests wiederholt zu verschiedenen Zeitpunkten mit dem Reflektor 20 an jeweils derselben Position.
Der Reflektor 20 wird an einen Anschlag auf einer planen Platte angelegt. Eine Vakuumpumpe generiert einen Unterdruck zum Ansaugen des Spiegels gegen die plane Platte. Insbesondere bei leicht verformbaren Frontflächenspiegeln können auf diese Weise gute Messergebnisse erzielt werden. Für genaue Messungen spielt die Ebenheit der Probe eine große Rolle.
Das von dem Bildsensor 26 digital aufgenommene Bild des Reflektors 20 wird zur nachfolgenden Berechnung der Reflexionswerte herangezogen. Zunächst wird der Mittelpunkt des aufgenommenen digitalen Bildes automatisch detektiert. Jedem Pixel außerhalb des Messbereichs wird der Helligkeitswert 0 zugewiesen und für die Pixel innerhalb des Messbereichs werden die Helligkeitswerte über eine Kalibrierungsfunktion in den direkten Reflexionsgrad umgerechnet.
Aus den auf diese Weise gewonnenen Daten kann eine sogenannte ”Reflexionslandkarte” erstellt werden, d. h. ein zweidimensionales Bild aus den jedem Pixel zugeordneten Reflexionsgraden. Der mittlere Helligkeitswert der Pixel der ”Reflexionslandkarte” eines Referenzspiegels wird ermittelt und zur Kalibrierung des Messgeräts verwendet. Nach der Kalibrierung des Messgeräts wird der direkte Reflexionsgrad anstelle des Helligkeitswerts ausgegeben.
Bereiche, bei denen der direkte Reflexionsgrad unterhalb einer vom Benutzer festgelegten Grenze liegt, werden in einem Schwarz-Weiß-Bild als schwarze Bereiche dargestellt, um Degradationen des Reflektors ortsaufgelöst zu visualisieren. Der prozentuale Flächenanteil jeder Degradationsstelle in Bezug auf den gesamten Messbereich kann in einem weiteren Bild ausgegeben werden.
Durch Wiederholung der Aufnahme nach einem Alterungstest kann die Wachstumsgeschwindigkeit von Degradationen ermittelt werden. Das Messgerät kann auf diese Weise wichtige Daten für die Modellierung der Lebensdauer von Reflektoren liefern.
Von besonderem Vorteil ist die Anwendung der erfindungsgemäßen Vorrichtung und des erfindungsgemäßen Verfahrens bei Forschungseinrichtungen für Solarenergie, bei Herstellern von Reflektoren bzw. Spiegeln und bei Materialprüfungsanstalten, Testzentren usw.

Claims

Vorrichtung zur Bestimmung von Reflexionseigenschaften eines Reflektors (20), mit einer Lichtquelle (12), einem Bildsensor (26), einer zwischen der Lichtquelle (12) und dem Reflektor (20) angeordneten Kondensorlinse (16), einer zwischen dem Reflektor (20) und dem Bildsensor (26) angeordneten Objektivlinse (24) und einer zwischen dem Reflektor (20) und der Objektivlinse (24) angeordneten Akzeptanzblende (22), dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtquelle (12) eine homogene Punktlichtquelle ist, wobei die Kondensorlinse (16) zur Fokussierung des Strahlengangs der Lichtquelle (12) auf den Mittelpunkt (23) der Akzeptanzblende (22) ausgebildet ist und wobei der Bildsensor (26) ein digitaler Flächensensor ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Farbfiltervorrichtung (14) mit mindestens einem auswählbaren Filterelement zwischen der Lichtquelle (12) und der Kondensorlinse (16) vorgesehen ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine Leuchtfeldblende (18) zwischen der Kondensorlinse (16) und dem Reflektor (20) vorgesehen ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass eine Haltevorrichtung zum Halten des Reflektors (20) z. B. durch Ansaugen des Reflektors an eine plane Halteplatte durch eine Vakuumpumpe vorgesehen ist.
Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Haltevorrichtung eine Positioniereinrichtung zum Einstellen der Messposition in mindestens zwei Dimensionen relativ zu dem Bildsensor (26) aufweist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass eine zentrale Steuervorrichtung mit der Lichtquelle (12), der Farbfiltervorrichtung (14), der Leuchtfeldblende (18), der Positioniereinrichtung, der Akzeptanzblende (22) und/oder dem Bildsensor (26) zu deren elektronischer Steuerung elektrisch verbunden ist.
Verfahren zur Bestimmung von Reflexionseigenschaften eines Reflektors (20) mit der Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Strahlengang der Lichtquelle (12) auf den Mittelpunkt (23) der Akzeptanzblende (22) fokussiert wird und dass ein zweidimensionales Bild des Reflektors (20) mit dem Bildsensor (26) aufgenommen wird.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Position des Reflektors (20) während der Messung markiert wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Messung zu verschiedenen Zeitpunkten wiederholt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Akzeptanzwinkel der Messung durch Verstellen der Akzeptanzblende (22) eingestellt wird.
Verfahren nach Anspruch 10, gekennzeichnet durch die Schritte: – Berechnen des auf den Messbereich gemittelten direkten Reflexionsgrades, – Berechnen von maximalen und minimalen Reflexionswerten in dem Messbereich, – Erstellen eines ortsaufgelösten zweidimensionalen Bildes mit den gemessenen Reflexionswerten als Reflektivitätslandkarte, – Berechnen von Flächenanteilen des Reflexionsgrades unterhalb eines Grenzwertes aus den aufgenommenen Bilddaten und/oder – Analyse des Wachstums von Degradationsstellen.