DE102012014263B3

DE102012014263B3 - Vorrichtung zur Kalibrierung eines optischenSensors

Info

Publication number: DE102012014263B3
Application number: DE201210014263
Authority: DE
Inventors: Thomas Schwarzmaier; Peter Gege
Original assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Current assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Priority date: 2012-07-19
Filing date: 2012-07-19
Publication date: 2014-01-16
Anticipated expiration: 2032-07-20

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Kalibrierung eines optischen Sensors (101), umfassend: eine optische Strahlungsquelle (102) zur Beleuchtung einer relativ dazu angeordneten, diffus reflektierenden Reflexionsfläche (103) entlang einer optischen Achse (104) der Strahlungsquelle (102), wobei die optische Achse (104) der Strahlungsquelle (102) de Reflexionsfläche (103) im Punkt P schneidet, zwei oder mehr erste Sensoren (105–109) zur Ermittlung jeweils einer Strahldichte, die jeweils koaxial zur optischen Achse (104) der Strahlungsquelle (102) und derart relativ zur Reflexionsfläche (103) angeordnet sind, dass deren optische Achsen (110–114) sich im Punkt P treffen, die Abstände der ersten Sensoren (105–109) zu dem Punkt P identisch sind, und die optischen Achsen (110–114) der ersten Sensoren (105–109) relativ zu der optischen Achse (104) der optischen Strahlungsquelle (102) den identischen Winkel W einschließen, ein erstes Mittel (115) zur Halterung und Ausrichtung des zu kalibrierenden optischen Sensors (101) derart, dass eine optische Achse (116) des optischen Sensors (101) auf die Reflexionsfläche (103) im Punkt P trifft, und ein mit den ersten Sensoren (105–109) verbundenes zweites Mittel (117) zur Ermittlung einer Strahldichte L in einem Bereich um den Punkt P als Kalibrierstandard basierend auf den von den ersten Sensoren jeweils ermittelten Strahldichten.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Kalibrierung von optischen Sensoren, mit denen die Strahldichte von Objekten gemessen wird. Mit dem Begriff „Objekt” werden dabei räumlich ausgedehnte Körper bezeichnet, die elektromagnetische Strahlung von einer Oberfläche oder aus einem ausgedehnten Volumen abstrahlen. Unter dem Begriff „Strahldichte” (engt.: radiance) wird vorliegend die gesamte Leistung der von dem Objekt in ein Raumwinkelelement abgestrahlte elektromagnetischen Energie, bezogen auf die Größe der auf den Sensor projizierten Fläche des Objekts, verstanden. Insbesondere bezieht sich die Erfindung auf eine Vorrichtung zur Kalibrierung eines optischen Sensors zur Messung der spektralen Strahldichte. Diese gibt an, welche Strahldichte pro Frequenz- bzw. Wellenlängenintervall vom Objekt abgestrahlt wird.
Im Stand der Technik werden zu einer gattungsgemäßen Kalibrierung eines optischen Sensors sogenannte „Ulbrichtkugeln” mit eingebauter Beleuchtung und einer Strahlaustrittsöffnung als diffuse Lichtquelle verwendet. Ein weiterer gängiger Aufbau ist die Beleuchtung einer diffus reflektierenden Reflexionsplatte, bspw. eines Spektralonpanels, mit einer Glühlampe. Die Kalibrierung der bekannten Vorrichtungen zur Messung der spektralen Strahldichte erfolgt heute regelmäßig bei anerkannten Eichämter oder Eich-Einrichtungen.
Bei der Verwendung von Ulbrichtkugeln wird zwar eine sehr homogene Strahldichte erzeugt, diese ist jedoch aufgrund vieler unbekannter oder schwer erfassbarer Einflussgrößen von Geometrie und Innenbeschichtung der Kugel nicht eindeutig berechenbar und kann nur durch Messungen ermittelt werden. Daher muss bei jeder Änderung der Strahldichte das Gesamtsystem neu kalibriert werden. Solche Änderungen der Strahldichte treten bspw. bei Verschmutzung oder bei einem Lampenwechsel auf.
Häufig sind in der Ulbrichtkugel mehrere Lampen zur Beleuchtung eingebaut, um unterschiedliche Lichtintensitäten erzeugen zu können. Jede Lichtintensität muss dabei separat kalibriert werden. Da Eich-Einrichtungen normalerweise lange Vorlaufzeiten für die Terminierung einer Sensor-Kalibrierung haben und eine komplette Kalibrierung in der Regel mehrere Wochen dauert, sind lange Ausfallzeiten der Ulbrichtkugel die Regel. Bei einer Routinekalibrierung liegt die Ausfallzeit typischerweise in der Größenordnung von mehreren Wochen, bei ungeplantem Lampenwechsel können es mehrere Monate sein.
Wie ausgeführt, erfolgt alternativ eine Kalibrierung von optischen Sensoren mit einer diffus reflektierenden Reflexionsplatte/Reflexionsfläche. Bei diesem Aufbau ist die Strahldichte, welche von der Reflexionsfläche/-platte emittiert wird, bei bekanntem Reflexionsgrad der Reflexionsfläche und bekannter Emission der die Reflexionsfläche beleuchtenden Lampe berechenbar. Daher genügt es, bei einer Neukalibrierung die veränderte Komponente (Reflexionsfläche oder Lampe) zu charakterisieren, was mit relativ geringem Aufwand möglich ist. Die Strahldichte ist jedoch inhomogen, und zwar umso mehr, je größer die Reflexionsfläche und je kleiner der Abstand zwischen der Lampe und der Reflexionsfläche Ist. Daher wird ein solcher Aufbau bisher entweder für Reflexionsflächen mit kleiner Fläche verwendet, oder der Abstand zwischen der Lampe und der Reflexionsfläche wird sehr groß gewählt. Im ersten Fall ist der Einsatzbereich auf Messgeräte mit kleinem Gesichtsfeld beschränkt, im zweiten Fall vergrößert sich aufgrund der stark reduzierten Intensität die Messunsicherheit beträchtlich.
Aus der DD 87 405 A5 ist ein Colorimeter mit einer Beleuchtungsvorrichtung für eine Probe bekannt, deren Farbe gemessen werden soll, umfassend in den Lichtgang eingeschaltete Filter. Das Colorimeter weist eine Anzahl von Lichtführungen auf, die sich zwischen einem Detektor und einem Abtastkopf erstrecken, welcher so eingestellt werden kann, dass die Enden der Lichtführungen Licht von der Probe aufnehmen. Dabei weisen wenigstens eine und vorzugsweise die meisten oder alle Lichtführungen im Lichtgang ein einzelnes Korrektionsfilter auf, so dass das vom Detektor aufgenommene Licht von wenigstens einer der Lichtführungen das einzelne Korrektionsfilter, das dieser Lichtführung zugeordnet ist, durchläuft und die am Detektorausgang gemessenen Werte den Werten X, Y oder Z des Normalbeobachters oder einer anderen Funktion entsprechen.
Aus der DE 10 2004 048 A1 ist ein spektrometrischer Messkopf mit Rekalibrierung bekannt, bestehend aus einem, mit einem Fenster versehenen Gehäuse, in dem eine Beleuchtungsquelle, eine Spektrometeranordnung und mindestens zwei Standards zur internen Rekalibrierung vorhanden sind. Diese Standards können wahlweise so in den Strahlengang des Messkopfes geschwenkt werden, dass das gesamte von der Beleuchtungsquelle ausgehende Messlicht zur Rekalibrierung verwendet wird. Im Gehäuse sind weiterhin ein Prozessor zur Erfassung und Bearbeitung der Messwerte und eine Schnittstelle zu einem Bussystem angeordnet.
Aus der DE 199 60 910 C2 ist ein Verfahren zur Qualitätskontrolle eines Photosensors, insbesondere eines Photodiodenarrays bekannt, dessen Ausgangssignal von der Intensität eines mit elektromagnetischen Wellen gebildeten Eingangssignals abhängt. Der zu testende Photosensor wird dabei mit die Eingangssignale ausbildenden Stimuliersignalen unter Variation der Stimuliersignalintensität der Stimuliersignale beaufschlagt. Die zugehörigen Ausgangssignale des zu testenden Photosensors werden gemessen und zu Auswertungszwecken erfasst. Der zu testende Photosensor wird mit wenigstens zwei unabhängig voneinander steuerbaren, sich überlagernden individuellen Stimuliersignalen individueller Stimuliersignalintensität beaufschlagt.
Aus der EP 1 775 565 B1 ist ein Verfahren zur Farbmessung von gedruckten Proben mit Aufhellern bekannt, wobei ein spektraler Reflexionsfaktor einer Probe ermittelt und für die Berechnung von die Farbe charakterisierenden Werten zur Verfügung gestellt wird.
Aufgabe der Erfindung ist es eine Vorrichtung zur Kalibrierung eines optischen Sensors zur Messung einer (spektralen) Strahldichte anzugeben, der einfach im Aufbau ist und bei dem die (spektrale) Strahldichte hinreichend genau bekannt ist.
Die Erfindung ergibt sich aus den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs 1. 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.
Die Aufgabe ist mit einer Vorrichtung zur Kalibrierung eines optischen Sensors gelöst. Die Vorrichtung umfasst: eine optische Strahlungsquelle zur Beleuchtung einer relativ dazu angeordneten, diffus reflektierenden Reflexionsfläche entlang einer optischen Achse der Strahlungsquelle, wobei die optische Achse der Strahlungsquelle die Reflexionsfläche im Punkt P schneidet; zwei oder mehr erste Sensoren zur Ermittlung jeweils einer Strahldichte, die jeweils koaxial zur optischen Achse der Strahlungsquelle und derart relativ zur Reflexionsfläche angeordnet sind, dass deren optische Achsen sich im Punkt P treffen, die Abstände A_i der ersten Sensoren zu dem Punkt P identisch sind A_i = A₀, und die optischen Achsen der ersten Sensoren relativ zu der optischen Achse der optischen Strahlungsquelle den identischen Winkel W einschließen; ein erstes Mittel zur Halterung und Ausrichtung des zu kalibrierenden optischen Sensors derart, dass eine optische Achse des optischen Sensors auf die Reflexionsfläche im Punkt P trifft; und ein mit den ersten Sensoren verbundenes zweites Mittel, bspw. ein Computer, zur Ermittlung einer Strahldichte L in einem Bereich um den Punkt P als Kalibrierstandard basierend auf den von den ersten Sensoren jeweils ermittelten Strahldichten.
Bevorzugt wird von den ersten Sensoren eine spektrale Strahldichte ermittelt.
Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung wird eine räumlich ausgedehnte Lichtquelle mit bekannter Strahldichteverteilung durch Beleuchtung der Reflexionsfläche mit der optischen Strahlungsquelle realisiert. Diese einfache Geometrie erlaubt es, die von der Reflexionsfläche abgestrahlte spektrale Strahldichte und ihre Änderungen mit den ersten Sensoren zu erfassen und darüber hinaus mit Hilfe eines mathematischen Modells zu beschreiben, das nur wenige freie Parameter besitzt (z. B. die Temperatur der Lampe). Die spektrale Strahldichte, und damit die freien Parameter des mathematischen Modells, werden bspw. zu einem Zeitpunkt t₀ durch Charakterisierung der einzelnen Komponenten (Lampe, Reflexionsfläche) und des Gesamtaufbaus bei einer Eich-Einrichtung ermittelt. Die Reflexionsfläche ist besonders bevorzugt eine ebene diffus reflektierende zweidimensionale Fläche.
Bestandteil der erfindungsgemäßen Vorrichtung sind mehrere Kalibrier-Sensoren (erste Sensoren), mit denen Änderungen der spektralen Strahldichte gemessen und bspw. auf Änderungen der Modellparameter zurückgeführt werden können. Indem man mehr erste Sensoren verwendet als zur Bestimmung der vorgenannten Parameter erforderlich sind, lassen sich fehlerhafte Messungen identifizieren und korrigieren. Auf diese Weise lässt sich die spektrale Strahldichte der ausgedehnten Lichtquelle (Reflexionsfläche) und ihre Unsicherheit zu jedem Zeitpunkt t sehr genau ermitteln.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung ermöglicht es somit die spektrale Strahldichte der Reflexionsfläche hinreichend genau zu überwachen, da sie nur ansatzweise konstant zu halten ist und Änderungen in Intensität und Spektralverlauf auftreten können. Diese Änderungen können über lange Zeiträume entstehen, bspw. durch Veränderungen der Strahlungsquelle, wie Ablagerungen von Metall auf der Innenseite des Glaskolbens der Strahlungsquelle oder Veränderungen der Glühwendel durch Abdampfen von Metall, oder durch Veränderung der Reflexionsfläche durch Wassereinlagerung aus der Luftfeuchtigkeit oder durch Verschmutzung. Schwankungen können aber auch kurzfristig auftreten durch Veränderung der Temperatur der Strahlungsquelle oder nicht konstante Stromversorgung.
Die Überwachung der spektralen Strahldichte der beleuchteten Reflexionsfläche erfolgt durch die ersten Sensoren (bspw. Radiometer oder Photodioden), die bevorzugt ringförmig um die optische Achse der optischen Strahlungsquelle angeordnet sind. Da sich auch diese ersten Sensoren im Laufe der Zeit verändern können, werden zwei oder mehr der ersten Sensoren gleichzeitig verwendet. Dies ist bei den herkömmlichen Aufbauten aufgrund der häufig kleinen Apertur und aufgrund der starken geometrischen Abhängigkeiten nicht umsetzbar.
Bevorzugt umfasst die erfindungsgemäße Vorrichtung drei, vier oder fünf erste Sensoren zur Ermittlung der spektralen Strahldichte. Bevorzugt sind dabei die ersten Sensoren (bspw. Photometer) in ihrer Gesamtheit derart ausgelegt sind, dass die spektrale Strahldichte in einem Wellenlängenbereich von 100 nm–20 μm oder von 350–2.500 nm ermittelt werden kann. Weiterhin bevorzugt sind zwei oder mehr der ersten Sensoren, Sensoren eines identischen Sensortyps. Letzteres ermöglicht eine hinreichende Überwachung einer zeitlichen Änderung der messtechnisch relevanten Eigenschaften der ersten Sensoren. Wird durch das zweite Mittel eine Änderung der Eigenschaften eines der ersten Sensoren festgestellt, erfolgt bevorzugt die Ausgabe einer Warnung, so dass ein Bediener darauf hingewiesen, wird den betroffenen ersten Sensor ggf. auszutauschen, nach zu justieren, etc. Weiterhin ist das zweite Mittel bevorzugt derart ausgelegt, Änderungen von Eigenschaften der Strahlungsquelle und/oder von Eigenschaften der Reflexionsfläche zu erkennen und im Fall einer erkannten Änderung eine Warnung auszugeben. Hierzu ist es insbesondere vorgesehen, diese Eigenschaften kennzeichnende Daten im zweiten Mittel zu speichern.
Der zu kalibrierende Sensor wird relativ zu dem Punkt P bevorzugt in dem Abstand A₀ angeordnet. Somit ist der zu kalibrierende Sensor vom Punkt P gleichermaßen beabstandet, wie die ersten Sensoren. Weiterhin bevorzugt ist der von den ersten Sensoren auf der Reflexionsfläche um den Punkt P erfasste Messbereich für alle ersten Sensoren identisch. Darüber hinaus ist dieser Messbereich auch bevorzugt identisch mit dem von dem zu kalibrierenden Sensor auf der Reflexionsfläche um den Punkt P erfassten Messbereich.
In einer bevorzugten Weiterbildung der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist der Abstand zwischen der optischen Strahlungsquelle und der Reflexionsfläche einstellbar bzw. veränderbar, so dass die Strahldichte der beleuchteten Reflexionsfläche stufenlos regelbar ist.
Eine bevorzugte Variante der erfindungsgemäßen Vorrichtung zeichnet sich dadurch aus, dass der Winkel W, den die optischen Achsen der ersten Sensoren jeweils relativ zu der optischen Achse der optischen Strahlungsquelle einschließen, 45° beträgt.
Weiterhin bevorzugt trifft die optische Achse der Strahlungsquelle im Punkt P othogonal auf die Reflexionsfläche auf. Diese geometrische Anordnung ermöglicht auch eine einfache Beschreibung mittels eines mathematischen Modells.
Die Reflexionsfläche besteht aus einem Material, das eine diffuse Reflexion von optischer Strahlung erzeugt, so dass die Strahlungsstärke der von einem beleuchteten Flächenelement der Reflexionsfläche ausgehenden Strahlung optimaler Weise nur von der Abstrahlrichtung abhängt. Bevorzugt gibt es für das Flächenelement außer diesem geometrischen Effekt keine weitere Winkelabhängigkeit der Strahlstärke, so ist die Strahldichte nach allen Richtungen konstant, in diesem Fall entspricht die beleuchtete Reflexionsfläche einem Lambert-Strahler. Bevorzugt besteht die Reflexionsfläche aus einem Fluorpolymer-Material.
Um eine vom Umgebungsdruck abhängige Kalibrierung eines optischen Sensors zu ermöglichen, ist die erfindungsgemäße Vorrichtung bevorzugt in einer Druckkammer angeordnet, so dass der die Vorrichtung umgebende Umgebungsdruck einstellbar ist. Dies ermöglicht insbesondere die Kalibrierung optischer Sensoren, die während ihres bestimmungsgemäßen Betriebs unter anderen Umgebungsdrucken betrieben werden, als auf der Erdoberfläche vorherrschen, bspw. in der freien Atmosphäre oder im Weltraum. Ein solcher optischer Sensor ist bspw. ein Spektrometer zum Einsatz auf Luftfahrzeugen, Satelliten oder Raumfahrzeugen.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung ermöglicht es, eine diffuse Lichtquelle (d. h. die Reflexionsfläche) zu betreiben, deren spektrale Strahldichte über einen großen Wellenlängenbereich bspw. vom Ultravioletten bis ins Infrarote auf wenige Prozent genau bekannt ist. Dabei ist es möglich Änderungen der Strahldichte zu erkennen und quantitativ zu bestimmen. Weiterhin ist es möglich, eine vergleichbare Beobachtungs-Geometrie für den zu kalibrierenden optischen Sensor und die ersten Sensoren (Kalibrier-Sensoren) zu realisieren.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, in der unter Bezug auf die Zeichnungen ein Ausführungsbeispiel im Einzelnen beschrieben ist. Gleiche, ähnliche und/oder funktionsgleiche Teile sind mit gleichen Bezugszeichen versehen.
Es zeigen:
1 eine Darstellung eines Grundaufbaus einer erfindungsgemäßen Vorrichtung ohne Sensoren, und
2 eine Darstellung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung mit ersten Sensoren 105–108 und einem zu kalibrierenden optischen Sensor 101.
Die 1 und 2 zeigen insgesamt eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Kalibrierung eines optischen Sensors 101, umfassend: eine optische Strahlungsquelle 102 zur Beleuchtung einer relativ dazu angeordneten, diffus reflektierenden Reflexionsfläche 103 entlang einer optischen Achse 104 der Strahlungsquelle, wobei die optische Achse 104 der Strahlungsquelle 102 die Reflexionsfläche 103 im Punkt P schneidet, fünf erste Sensoren 105–109 zur Ermittlung einer spektralen Strahldichte, die jeweils koaxial zur optischen Achse 104 der Strahlungsquelle 102 und derart relativ zur Reflexionsfläche 103 angeordnet sind, dass deren optische Achsen 110–114 sich im Punkt P treffen, die Abstände A_i der ersten Sensoren 105–109 zu dem Punkt P identisch sind A_i = A₀, und die optischen Achsen 110–114 der ersten Sensoren 105–109 relativ zu der optischen Achse 104 der optischen Strahlungsquelle 102 den identischen Winkel W einschließen, ein erstes Mittel 115 zur Halterung und Ausrichtung des zu kalibrierenden optischen Sensors 101 derart, dass eine optische Achse 116 des optischen Sensors 101 auf die Reflexionsfläche 103 im Punkt P trifft, und ein mit den ersten Sensoren 105–109 verbundenes zweites Mittel 117 (nicht dargestellt) zur Ermittlung einer spektralen Strahldichte L in einem Bereich um den Punkt P als Kalibrierstandard.
1 zeigt eine Darstellung eines Grundaufbaus einer erfindungsgemäßen Vorrichtung ohne Sensoren. Die Vorrichtung umfasst eine Montageschiene 119, auf der die optische Strahlungsquelle 102 mit einem umgebenden Gehäuse 121, eine Streulichtblende 120, ein Montagerahmen 118 und die Reflexionsfläche 103 entlang der Montageschiene 119 verschiebbar angeordnet sind. Die ebene Reflexionsfläche 103 wird von der Strahlungsquelle 102 beleuchtet. Die Reflexionsfläche 103 ist die Oberfläche einer ebenen Platte, die auf einer Halterung montiert ist. Eine Anbringung der Platte und damit der Reflexionsfläche 103 ist mit unterschiedlichen Orientierungen möglich.
2 zeigt eine Darstellung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung mit ersten Sensoren 105–109 und einem zu kalibrierenden optischen Sensor 101 entsprechend der vorstehenden Erläuterungen. Um Nachteile der Geometrieabhängigkeit zu bewältigen, sind die ersten Sensoren 105–109 und der zu kalibrierende optische Sensor 101 ringförmig um die optische Achse 104 der optischen Strahlungsquelle 102 vor der Reflexionsfläche 102 angeordnet. Das ermöglicht, die ersten Sensoren 105–109 und den zu kalibrierenden optischen Sensor 101 von der gleichen Stelle P der Reflexionsfläche 103 aus unter einem identischen Winkel W und mit gleichem Abstand A₀ zu beleuchten. Durch die Beleuchtung aus identischem Winkel W ist für alle Sensoren 105–109 und 101 dieselbe Beleuchtungsgeometrie gegeben. Das bedeutet, dass die Strahldichte, mit der die Sensoren 105–109 und, 101 beleuchtet werden, annähernd gleich ist, was einen Vergleich mehrerer zu kalibrierender Sensoren 101 und auch ein gleichzeitiges Messen und Überwachen der Quelle mittels der ersten Sensoren möglich macht.
Eine Ursache für eine Inhomogenität der Strahldichte der Reflexionsfläche 103 in einem Bereich um den Punkt P kann darin bestehen, dass die Reflexionsfläche 103 aufgrund von Oberflächenstrukturen in verschiedene Richtungen das Licht unterschiedlich streut. Diese Richtungsabhängigkeit soll so gering wie möglich sein und kann mit der Vorrichtung bestimmt werden, indem die Reflexionsfläche 103 unter verschiedenen Anordnungswinkeln auf ihrem Halter montiert wird. Mit Hilfe dieser Messungen können die winkelabhängigen Unterschiede der Strahldichte bei der Datenauswertung korrigiert werden.
Eine weitere Ursache für eine Inhomogenität der Strahldichte der Reflexionsfläche 103 ist eine gegebenenfalls nicht homogene Beleuchtung der Reflexionsfläche 103. Zum einen ist die Entfernung des Randes der Reflexionsfläche zur optischen Strahlungsquelle 102 größer als die Entfernung zur Mitte der Reflexionsfläche 103 (vorliegend der Punkt P), was zu einem gleichmäßigen Abfall der Beleuchtungsstärke zu den Rändern der Reflexionsfläche 103 führt, der sich einfach berechnen lässt. Des Weiteren sorgt die Geometrie der optischen Strahlungsquelle 102 für eine nichthomogene Beleuchtung der Reflexionsfläche 103, da sie keine Punktlichtquelle ist, sondern der gesamte Glühfaden mit seiner komplexen Geometrie die Lichtquelle darstellt. Dieses Problem wird vorliegend dadurch gelöst, dass alle Sensoren 105–109 und 101 auf denselben Punkt P der Reflexionsfläche blicken, und die Messfläche der Sensoren 105–109, 101 um den Punkt P gleich groß ist. Der Begriff „Messfläche” bezeichnet vorliegend die von dem jeweiligen Sensor auf der Reflexionsfläche zur Messung erfasste Fläche. Bei den Sensoren 105–109 und 101 mit gleichem Blickwinkel W ist dazu noch ein identischer Abstand zum Punkt P der Reflexionsplatte 103 notwendig, was durch den beschriebenen Aufbau sehr präzise realisiert wird. Der zu kalibrierende Sensor 101 kann grundsätzlich auch mit einem anderen Blickwinkel und mit einem entsprechend veränderten Abstand zum Punkt P moniert werden. Weiterhin ist es möglich mehrere zu kalibrierende Sensoren 101 gleichzeitig an dem Montagerahmen 118 oder einer zusätzlichen Montagevorrichtung (nicht dargestellt) zu montieren. So kann am Montagerahmen 118 an der dem Sensor 101 gegenüberliegenden Seite bspw. ein weiterer zu kalibrierender Sensor angeordnet werden. Die derart angebrachten Sensoren haben dabei bevorzugt identische Messflächen um den Punkt P auf der Reflexionsfläche 103, wodurch sich eine Inhomogenität der Beleuchtungsstärke auf alle Sensoren gleichermaßen auswirken, was einen direkten Vergleich der dabei gewonnen Messdaten ermöglicht.
Da mit dem hier vorgestellten Aufbau der erfindungsgemäßen Vorrichtung eine Inhomogenität der Strahldichte auf der Reflexionsfläche 103 für das Messergebnis weitestgehend unerheblich ist, erlaubt er die Verwendung von Reflexionsflächen 103 mit großer Fläche bei geringem Abstand. Der Abstand zwischen Strahlungsquelle 102 und Reflexionsfläche 103 kann darüber hinaus verändert werden, da die Halterung der Strahlungsquelle 102 auf der Montageschiene verstellbar montiert ist. Dies ermöglicht eine stufenlose Änderung der Strahldichte mit bekannter Abstandsabhängigkeit.
Indem man die Strahldichte so wählt, dass der ideale Messbereich der verwendeten Sensoren 105–109, 101 getroffen wird, lässt sich der Messfehler weiterhin minimieren. Dies ist besonders wichtig für die absolute Kalibrierung über einen großen Spektralbereich hinweg, da sich sowohl die Intensität der Strahlungsquelle 102 wie auch die Empfindlichkeit der Sensoren 105–109 und 101 mit der Wellenlänge stark ändern.
Auch der Montagerahmen 118 ist auf der Montageschiene 119 verschiebbar montiert. Dies ermöglicht die Verwendung von Sensoren 105–109, 101 mit unterschiedlichem Gesichtsfeld, da der Abstand zwischen der Reflexionsfläche 103 und dem Montagerahmen an das Gesichtsfeld angepasst werden kann. Auch Sensoren 105–109, 101 mit unterschiedlicher Gehäuseform können verwendet werden, denn ein Schattenwurf lässt sich entweder durch Abstandsänderung oder durch Befestigung an anderer Position auf dem Montagerahmen 118 vermeiden.
Die optische Strahlungsquelle 102 ist vorliegend eine 1000 Watt FEL Wolfram-Halogen-Lampe (Gamma Scientific Modell 5000-16C), welche ein üblicher Bestrahlungsstärke-Standard ist. Die Strahlungsquelle 102 beleuchtet die Reflexionsfläche 103 mit den Abmessungen 25 cm × 25 cm senkrecht. Um Streulicht zu minimieren, ist die optische Strahlungsquelle 102 in einem Lampengehäuse 121 installiert. Das Lampengehäuse 121 ist beweglich auf der Montageschiene 119 montiert, um den Abstand zwischen der Strahlungsquelle 102 und der Reflexionsfläche 103 anpassen zu können. Das ermöglicht ein stufenloses Verstellen der Strahldichte.
Eine weitere Streulichtblende 120 ist beweglich auf der Montageschiene montiert, um die Beleuchtung exakt auf die Reflexionsfläche 103 zu begrenzen. Der Montagerahmen 118 ist vor der Reflexionsfläche 103 installiert, und bietet vorliegend Platz für sieben Sensoren (in 2 dargestellt sind lediglich sechs Sensoren), die in einem Halbkreis um die optische Achse 104 der Strahlungsquelle 102 angeordnet sind. Dieser Aufbau stellt sicher, dass alle Sensoren 105–109 und 101 aus gleicher Entfernung unter dem gleichen Winkel von 45° auf den Punkt P der Reflexionsfläche 103 ausgerichtet sind, um Unterschiede in der Ausleuchtung durch räumliche Inhomogenität in der Strahldichte zu vermeiden. Als erste Sensoren 105–107 werden vorliegend Radiometer mit Silizium Detektoren sowie mit optischen Filtern verwendet, so dass sich folgende Wellenlängenbereiche ergeben: 320–500 nm, 450–650 nm und 650–1050 nm. Weiterhin wird ein InGaAs-Detektor als erster Sensor 108 mit einem Wellenlängenbereich von 850–1700 nm, und ein Breitbandiger InGaAs-Detektor als erster Sensor 109 mit einem Wellenlängenbereich von 850–2.500 nm verwendet. Der Abstand des Montagerahmens 118 zur Reflexionsfläche 103 kann geändert werden, um die Verwendung von Messgeräten mit unterschiedlichem Gesichtsfeld und unterschiedlicher Gehäuseform zu ermöglichen.
Fünf der Montageplätze des Montagerahmens sind vorliegend mit Radiometern 105–109 belegt, welche die Stabilität des Systems überwachen. Durch die so erreichte fünffache Redundanz der Überwachung ist sichergestellt, dass Abweichungen der Messungen eindeutig auf deren Ursache, nämlich entweder eine tatsächliche Veränderung der Strahldichte, oder aber die Veränderung eines der Radiometer 105–109 zurückgeführt werden können.
Zu kalibrierende Sensoren, die sehr groß sind oder deren Gesichtsfeld sich deutlich von dem der Radiometer 105–109 unterscheiden werden zur radiometrischen Kalibrierung neben dem System auf separate Halterungen (nicht dargestellt) montiert und unter 45° auf den Punkt P der Reflexionsfläche ausgerichtet.
Die Besonderheiten des vorgestellten Aufbaus sind:
Die ringförmige Anordnung der Sensoren 105–109 und 101 um die optische Achse 104 der Strahlungsquelle 102. Dies erlaubt, mehrere Sensoren 105–109 und 101 mit gleichem Winkel W und gleichem Abstand A₀ von der gleichen Stelle P der Reflexionsplatte 103 zu beleuchten. Die Vorrichtung ermöglicht es dadurch, mit mehreren Sensoren 105–109, 101 simultan die emittierte Strahldichte unter gleichen Bedingungen zu messen, und ohne Geometriekorrektur direkt vergleichbare Messergebnisse zu erhalten.
Die Reflexionsfläche(-platte) 103 lässt sich unter verschiedenen Drehwinkeln/Orientierungen auf ihrer Halterung befestigen. Dies ermöglicht die Bestimmung und Korrektur richtungsabhängiger Unterschiede im Reflexionsverhalten der Reflexionsfläche 103.
Der Abstand zwischen der Strahlungsquelle 102 und der Reflexionsfläche 103 kann definiert verändert werden. Dies ermöglicht eine stufenlose Änderung der Strahldichte mit bekannter Abstandsabhängigkeit. Der Abstand des Montagerahmens 118 zur Reflexionsfläche 103 kann verändert werden. Dies ermöglicht die Verwendung von Sensoren 105–109 und 101 mit unterschiedlichem Gesichtsfeld und unterschiedlicher Gehäuseform.
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: zu kalibrierender optischer Sensor
102: optische Strahlungsquelle
103: Reflexionsfläche
104: optische Achse der optischen Strahlungsquelle 102
105–109: erste Sensoren
110–114: optische Achsen der jeweiligen ersten Sensoren 105–109
115: erstes Mittel
116: optische Achse des zu kalibrierenden optischen Sensors 101
117: zweites Mittel
118: Montagerahmen
119: Montageschiene
120: Streulichtblende
121: Gehäuse der optischen Strahlungsquelle
P: Punkt P auf der Reflexionsfläche

Claims

Vorrichtung zur Kalibrierung eines optischen Sensors (101), umfassend: – eine optische Strahlungsquelle (102) zur Beleuchtung einer relativ dazu angeordneten, diffus reflektierenden Reflexionsfläche (103) entlang einer optischen Achse (104) der Strahlungsquelle (102), wobei die optische Achse (104) der Strahlungsquelle (102) auf die Reflexionsfläche (103) im Punkt P auftrifft, – zwei oder mehr erste Sensoren (105–109) zur Ermittlung jeweils einer Strahldichte, die jeweils koaxial zur optischen Achse (104) der Strahlungsquelle (102) und derart relativ zur Reflexionsfläche (103) angeordnet sind, dass deren optische Achsen (110–114) sich im Punkt P treffen, die Abstände A_i der ersten Sensoren (105–109) zu dem Punkt P identisch sind: A_i = A₀, und die optischen Achsen (110–114) der ersten Sensoren (105–109) relativ zu der optischen Achse (104) der optischen Strahlungsquelle (102) den identischen Winkel W einschließen, – ein erstes Mittel (115) zur Halterung und Ausrichtung des zu kalibrierenden optischen Sensors (101) derart, dass eine optische Achse (116) des optischen Sensors (101) auf die Reflexionsfläche (103) ebenfalls im Punkt P auftrifft, und – ein mit den ersten Sensoren (105–109) verbundenes zweites Mittel (117) zur Ermittlung einer Strahldichte L in einem Bereich um den Punkt P als Kalibrierstandard basierend auf den von den ersten Sensoren jeweils ermittelten Strahldichten.
Vorrichtung nach Anspruch 1, mit drei, vier oder fünf ersten Sensoren (105–109) zur Ermittlung der Strahldichte.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, bei der die ersten Sensoren (105–109) in ihrer Gesamtheit derart ausgelegt sind, dass die spektrale Strahldichte in einem Wellenlängenbereich von 100 nm–20 μm oder von 350–2.500 nm ermittelbar ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei der der Abstand zwischen der optischen Strahlungsquelle (102) und der Reflexionsfläche (103) einstellbar ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei der der Winkel W 45° beträgt.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei der die optische Achse (104) der Strahlungsquelle im Punkt P othogonal auf die Reflexionsfläche (103) auftrifft.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, bei der die Reflexionsfläche (103) aus einem Fluorpolymer besteht.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, bei der die Vorrichtung in einer Druckkammer angeordnet ist, so dass der die Vorrichtung umgebende Umgebungsdruck einstellbar ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, bei der zwei oder mehr der ersten Sensoren (105–109) Sensoren eines identischen Sensortyps sind.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, bei der der optische Sensor (101) ein Spektrometer zum Einsatz im Labor, bei Feldkampagnen zu Land und Wasser, auf Wasserfahrzeugen, Luftfahrzeugen, Satelliten oder Raumfahrzeugen ist.