DE102015012602A1 - Method for reference-free spectral characterization of integrating spheres and the direct determination of the reflection properties of optical coatings - Google Patents

Method for reference-free spectral characterization of integrating spheres and the direct determination of the reflection properties of optical coatings Download PDF

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein messtechnisches optisches Verfahren zur Charakterisierung einer integrierenden Sphäre und zur Bestimmung der optischen Eigenschaften von Beschichtungen in integrierenden Sphären ohne den Einsatz einer kalibrierten Normalstrahlungsquelle und ohne den Einsatz eines kalibrierten Beleuchtungsstärkemessgerätes. Realisiert werden die Charakterisierung der integrierenden Sphäre und die Bestimmung des effektiven Reflexionskoeffizienten der integrierenden Sphäre durch die relative Messung der Beleuchtungsstärken bei zwei Zuständen eines Zusatzmessportes bekannter innerer Fläche, wobei der effektive spektrale Reflektionskoeffizient der intergrierenden Sphäre aus dem Quotienten der Beleuchtungsstärken bei offenem Zusatzmessport und bei geschlossenem Zusatzmessport ermittelt wird.The invention relates to a metrological optical method for characterizing an integrating sphere and for determining the optical properties of coatings in integrating spheres without the use of a calibrated normal radiation source and without the use of a calibrated illuminance measuring device. The characterization of the integrating sphere and the determination of the effective reflection coefficient of the integrating sphere are realized by the relative measurement of the illuminances at two states of an additional measurement port of known inner surface, where the effective spectral reflection coefficient of the integrating sphere is the quotient of illuminances with open additional measurement port and closed Additional measuring port is determined.

Description

Technisches GebietTechnical area

Die Erfindung betrifft ein messtechnisches optisches Verfahren zur direkten und referenzfreien Charakterisierung von integrierenden Sphären und der Bestimmung der spektralen Reflexionseigenschaften von optischen Beschichtungen, wie sie z. B. in integrierenden Sphären zum Einsatz kommen.The invention relates to a metrological optical method for direct and reference-free characterization of integrating spheres and the determination of the spectral reflection properties of optical coatings, as described, for. B. in integrating spheres are used.

Stand der TechnikState of the art

Die Charakterisierung der spektralen Reflexionseigenschaften von integrierenden Sphären bzw. der inneren Beschichtung von integrierenden Sphären ist die unabdingbare Voraussetzung für den Einsatz dieser Elemente in optischen Messsystemen, wie z. B. zur Messung des Lichtstromes oder dem Einsatz einer integrierenden Sphäre als uniforme Messlichtquelle.The characterization of the spectral reflection properties of integrating spheres or the inner coating of integrating spheres is the indispensable prerequisite for the use of these elements in optical measuring systems, such. B. for measuring the luminous flux or the use of an integrating sphere as a uniform measuring light source.

Typischerweise wird der zu messende Lichtstrom an der inneren Oberfläche der integrierenden Sphäre vielfach diffus reflektiert. Dabei steigt die Intensität des diffusen Lichtfeldes in der Sphäre an, bis die Verluste (Reflexionsverluste, Auskoppelverluste) im Gleichgewicht mit der zugeführten Strahlung stehen. Für das Verhältnis des diffus reflektierten Lichtstrom ΦR zum eingekoppelten Lichtstromes Φ0 findet man im Grenzfall einer idealen gleichmäßig diffus reflektierenden integrierenden Sphäre:

Figure DE102015012602A1_0002
Typically, the luminous flux to be measured is reflected many times diffusely on the inner surface of the integrating sphere. The intensity of the diffuse light field in the sphere increases until the losses (reflection losses, coupling-out losses) are in equilibrium with the supplied radiation. For the ratio of the diffusely reflected luminous flux Φ R to the coupled luminous flux Φ 0 , one finds in the limiting case of an ideal uniformly diffusely reflecting integrating sphere:
Figure DE102015012602A1_0002

Wobei ρ[λ] den spektralen Reflexionsgrad der inneren Beschichtung der intergierenden Sphäre bezeichnet [ „Die lichttechnischen Grundgrößen”, Expert Verlag, Renningen-Malmsheim 1999, ISBN 3-8169-1699-6, S. 64 ]. Mathematisch entspricht diese Lösung der Reihensumme einer geometrischen Reihe der unendlich vielen reflektierten Anteile pro Oberflächenelement.Where ρ [λ] denotes the spectral reflectance of the inner coating of the intergear sphere [ "The photometric basic quantities", Expert Verlag, Renningen-Malmsheim 1999, ISBN 3-8169-1699-6, p. 64 ]. Mathematically, this solution corresponds to the sum of rows of a geometric series of the infinitely many reflected components per surface element.

Der indirekte, diffus reflektierte Lichtstrom ist nach der Mehrfachreflexion idealer Weise vollständig gleichmäßig auf die innere Oberfläche der integrierenden Sphäre verteilt. Die Beleuchtungsstärke ER auf der inneren Fläche der integrierenden Sphäre kann in einem oder mehreren Punkten der Sphäre gemessen werden.The indirect, diffusely reflected luminous flux after the multiple reflection is ideally distributed completely evenly on the inner surface of the integrating sphere. The illuminance ER on the inner surface of the integrating sphere can be measured in one or more points of the sphere.

Figure DE102015012602A1_0003
Figure DE102015012602A1_0003

Die Variable A bezeichnet dabei die Größe der inneren Fläche der integrierenden Sphäre.The variable A denotes the size of the inner surface of the integrating sphere.

Für spektrale Messungen des Lichtstromes oder der spektralen Eigenschaften von Testproben mit oder in der integrierenden Sphäre muss die Reflexionseigenschaft der optischen Beschichtung auf der Innenseite der integrierenden Sphäre ρ bekannt sein. Gleiches gilt für die Anwendung einer integrierenden Sphäre als uniforme Strahlungsquelle. In der Praxis ist die Beschichtung aber nicht vollständig homogen und reflektiert nicht vollständig diffus. Entsprechend kann nur ein effektiver Reflexionskoeffizient der inneren Beschichtung der integrierenden Sphäre ρeff bestimmt werden.For spectral measurements of the luminous flux or spectral properties of test samples with or in the integrating sphere, the reflection property of the optical coating on the inside of the integrating sphere ρ must be known. The same applies to the application of an integrating sphere as a uniform radiation source. In practice, however, the coating is not completely homogeneous and does not reflect completely diffuse. Accordingly, only an effective reflection coefficient of the inner coating of the integrating sphere ρ eff can be determined.

Zur spektralen Charakterisierung von integrierenden Sphären verwendet man in der Regel ein bekanntes Lichtstromnormal als Kalibrierlichtquelle und ein kalibriertes Spektralanalysegerät (optisches Spektrometer) zur Analyse des reflektierten bzw. gestreuten Lichtes. Die Bestimmung des Reflexionsgrades der Beschichtung bzw. des effektiven Reflexionsgrades der integrierenden Sphäre erfolgt dabei über den Vergleich mit einer Kalibrierschicht mit bekannten spektralen Reflexionsgrad.For the spectral characterization of integrating spheres, a known luminous flux standard is normally used as calibration light source and a calibrated spectral analyzer (optical spectrometer) for the analysis of the reflected or scattered light. The determination of the reflectance of the coating or of the effective reflectance of the integrating sphere is effected by comparison with a calibration layer having a known spectral reflectance.

Durch Verschmutzung und Alterung verändert sich die Reflexionseigenschaft der inneren optischen Beschichtung, was eine ständige aufwendige Neucharakterisierung von integrierenden Sphären bzw. deren Beschichtung erfordert.As a result of soiling and aging, the reflection property of the inner optical coating changes, which necessitates a constant and expensive re-characterization of integrating spheres or their coating.

Aufgabenstellung task

Es besteht die Aufgabe, die Charakterisierung einer integrierenden Sphäre ohne Kalibrierlichtquelle und ohne ein kalibriertes Spektralanalysegerät und ohne eine Kalibrierbeschichtung bekannten Reflexionsgrades zu realisieren. Dazu soll der effektive Reflexionskoeffizient der inneren Beschichtung der integrierenden Sphäre ρeff ohne den Einsatz einer Kalibrierlichtquelle und ohne den Einsatz eines kalibrierten Spektralanalysegerätes direkt aus einer relativen Messung bestimmt werden.The object is to realize the characterization of an integrating sphere without calibration light source and without a calibrated spectral analyzer and without a calibration coating of known reflectance. For this purpose, the effective reflection coefficient of the inner coating of the integrating sphere ρ eff should be determined directly from a relative measurement without the use of a calibration light source and without the use of a calibrated spectral analyzer.

Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe mit einem Verfahren realisiert, bei dem Licht einer unkalibrierten Lichtquelle in die integrierende Sphäre eingekoppelt wird und die Beleuchtungsstärke ER[λ] über einen Port in der integrierenden Sphäre unkalibriert gemessen wird. Über einen zusätzlichen Port (Zusatzmessport) in der integrierenden Sphäre kann ein definierter Anteil ΔA der inneren Fläche der integrierenden Sphäre A entweder mit der diffus reflektierenden inneren Beschichtung versehen und geschlossen oder geöffnet bleiben. Für beide Zustände des Zusatzmessportes (geschlossen und geöffnet) ist jeweils eine Messung der Beleuchtungsstärke durchzuführen. Bemisst den relativen Anteil der Fläche des Zusatzmessportes an der gesamten inneren Fläche der integrierenden Sphäre: ε = ΔA / A Gl. 3 so ergibt sich für das Verhältnis des diffus reflektierten Lichtstroms ΦR* zum eingekoppelten Lichtstromes Φ0 bei offenem Zusatzmessport:

Figure DE102015012602A1_0004
und für die spektrale Beleuchtungsstärke ER* auf der inneren Fläche der integrierenden Sphäre in diesem Fall: ER*[λ] = ΦR*[λ] / A Gl. 5 According to the invention, this object is achieved by a method in which light from an uncalibrated light source is coupled into the integrating sphere and the illuminance E R [λ] is measured uncalibrated via a port in the integrating sphere. Via an additional port (additional measuring port) in the integrating sphere, a defined proportion ΔA of the inner surface of the integrating sphere A can either be provided with the diffusely reflecting inner coating and remain closed or open. For both states of the additional measuring port (closed and open) a measurement of the illuminance is to be carried out in each case. Measures the relative proportion of the area of the additional measurement port on the entire inner surface of the integrating sphere: ε = ΔA / A Eq. 3 for the ratio of the diffusely reflected luminous flux Φ R * to the coupled luminous flux Φ 0 with an open additional measuring port:
Figure DE102015012602A1_0004
and for the spectral illuminance E R * on the inner surface of the integrating sphere in this case: E R * [λ] = Φ R * [λ] / A Eq. 5

Aus den relativen Messwerten der spektralen Beleuchtungsstärken für die beiden Zustände des Zusatzmessportes (geschlossen und geöffnet) kann der effektive spektrale Reflexionskoeffizient der Innenfläche der integrierenden Sphäre nach Gleichung 6 direkt berechnet werden:

Figure DE102015012602A1_0005
From the relative measurements of the spectral illuminances for the two states of the additional measurement port (closed and open), the effective spectral reflection coefficient of the inner surface of the integrating sphere can be calculated directly from Equation 6:
Figure DE102015012602A1_0005

Die Messung der Beleuchtungsstärke ER und ER* wird erfindungsgemäß mit einem wellenlängenselektiven Messgerät (optisches Spektrometer) realisiert. Eine Charakterisierung dieses Messgerätes ist nicht notwendig, da erfindungsgemäß nur relative Messwerte benötigt werden. Die Kennlinie des Messgerätes muss linear sein.The measurement of the illuminance E R and E R * is realized according to the invention with a wavelength-selective measuring device (optical spectrometer). A characterization of this measuring device is not necessary, since according to the invention only relative measured values are needed. The characteristic of the measuring instrument must be linear.

Alternativ ist auch die Messung mit einem über einen Wellenlängenbereich integrierenden Detektor möglich. In diesem Fall kann nur der über den Wellenlängenbereich des Detektors gemittelte effektive Reflexionskoeffizient der integrierenden Sphäre bestimmt werden.Alternatively, the measurement is possible with a detector integrating over a wavelength range. In this case, only the effective reflection coefficient of the integrating sphere averaged over the wavelength range of the detector can be determined.

Wird die Messung bei hoher Strahlungsleistung der eingekoppelten Lichtquelle realisiert, kann die zeitliche spektrale Veränderung der Reflexionseigenschaften des Material auf der Innenseite der integrierenden Sphäre in Folge von strukturellen Veränderungen im Material direkt gemessen werden.If the measurement is realized at high radiation power of the coupled-in light source, the temporal spectral change of the reflection properties of the material on the inside of the integrating sphere can be measured directly as a result of structural changes in the material.

Die Methode kann auch zur direkten Bestimmung der spektralen Reflexionseigenschaften von optischen Beschichtungen eingesetzt werden. The method can also be used to directly determine the spectral reflection properties of optical coatings.

In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung erfolgt die Messung an einer kugelförmigen integrierenden Sphäre (Ulbrichtkugel). Alternativ sind aber auch andere geometrisch geformte integrierende Sphären einsetzbar, wie z. B.: Hohlzylinder oder frei geformte Hohlkörper.In a particularly preferred embodiment of the invention, the measurement is carried out on a spherical integrating sphere (integrating sphere). Alternatively, however, other geometrically shaped integrating spheres are used, such. B .: Hollow cylinder or free-formed hollow body.

Ein besonderer Vorteil der Methode ist die Tatsache, dass die Genauigkeit der Messmethode mit dem Wert des effektiven Reflexionskoeffizienten der integrierenden Sphäre bzw. mit der Reflektivität der optischen Beschichtung ansteigt. Anders als bei allen bekannten Methoden zur Bestimmung des effektiven Reflexionskoeffizienten reduziert sich im Fall hoher spektralen Reflexionskoeffizienten der Einfluss von messtechnischen Einflussgrößen wie Drift oder Rauscheinflüssen.A particular advantage of the method is the fact that the accuracy of the measuring method increases with the value of the effective reflection coefficient of the integrating sphere or with the reflectivity of the optical coating. In contrast to all known methods for determining the effective reflection coefficient, in the case of high spectral reflection coefficients, the influence of metrological factors such as drift or noise influences is reduced.

Ausführungsbeispieleembodiments

Die Erfindung kann in unterschiedlichen Varianten realisiert werden. In einer bevorzugten Variante wird das Messlicht über ein Lichtleitkabel in einen an den Durchmesser des Lichtleitkabels angepassten Port in die integrierende Sphäre eingekoppelt. An einem baugleichen, um 90° versetzten Port wird das Messlicht in einen gleichartigen oder verschiedenen Lichtwellenleiter ausgekoppelt. Die Gesamtfläche beider Ports ist, in dieser Ausführung, vernachlässigbar klein im Vergleich zur gesamten Innenfläche der integrierenden Sphäre A. Das wellenlängenselektive Messgerät wird direkt am Lichtwellenleiter des Auskoppelportes angebracht. Der Zusatzmessport kann mechanisch oder elektromechanisch geöffnet oder geschlossen werden. Die relative Größe der Innenfläche des Zusatzmessportes ΔA ist der Absolutgröße der integrierenden Sphäre anzupassen und beträgt typischerweise zirka 1% der gesamten Innenfläche der integrierenden Sphäre A. Die Anordnung des Zusatzmessportes erfolgt unter 90° zum Einkoppelport und unter 90° zum Auskoppelport. Die geometrische Form des Zusatzmessportes ist beliebig.The invention can be realized in different variants. In a preferred variant, the measuring light is coupled via a light guide cable into a port adapted to the diameter of the light guide cable into the integrating sphere. On a structurally identical port offset by 90 °, the measuring light is coupled out into a similar or different optical waveguide. The total area of both ports, in this embodiment, is negligible compared to the entire inner surface of the integrating sphere A. The wavelength-selective measuring device is mounted directly on the optical waveguide of the coupling-out port. The additional measuring port can be opened or closed mechanically or electromechanically. The relative size of the inner surface of the Zusatzmessportes ΔA is the absolute size of the integrating sphere to adjust and is typically about 1% of the entire inner surface of the integrating sphere A. The arrangement of the additional measuring port is at 90 ° to Einkoppelport and at 90 ° to Auskoppelport. The geometric shape of the additional measuring port is arbitrary.

Die 1 zeigt eine Ausführung der Erfindung als fasergekoppelte Variante. Bestehend aus: kugelsymmetrischer integrierender Sphäre (1), Fasereinkoppelport (2), Faserauskoppelport (3) und schaltbarem Zusatzmessport (4) sowie Referenzlichtquelle (5) und spektralaufgelöstem linearem Beleuchtungsstärkemessgerät (6). Die 2 zeigt beispielhaft eine Messung in dieser Ausführungsvariante mit einem Durchmesser der kugelförmigen integrierenden Sphäre von 300 mm und einem Zusatzmessport mit einer Fläche von ΔA = 1963 mm2 was ε = 0,69% entspricht.The 1 shows an embodiment of the invention as a fiber-coupled variant. Consisting of: spherically symmetric integrating sphere ( 1 ), Fiber docking port ( 2 ), Fiber extraction port ( 3 ) and switchable additional measuring port ( 4 ) as well as reference light source ( 5 ) and spectrally resolved linear illuminance meter ( 6 ). The 2 shows by way of example a measurement in this embodiment with a diameter of the spherical integrating sphere of 300 mm and an additional measuring port with an area of ΔA = 1963 mm 2, which corresponds to ε = 0.69%.

Alternative Realisierungsvarianten beinhalten andere Ports mit verschiedenen Grundflächen zur Einkopplung des Referenzlichtes und zur Auskopplung des Messlichtes und beliebig geformte innenbeschichtete Hohlkörper als integrierende Sphäre.Alternative implementation variants include other ports with different base areas for coupling the reference light and for decoupling the measurement light and arbitrarily shaped internally coated hollow body as an integrating sphere.

In einer weiteren Ausführung sind die Lichtquelle oder/und der Detektor direkt in der integrierenden Sphäre untergebracht.In a further embodiment, the light source or / and the detector are housed directly in the integrating sphere.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte Nicht-PatentliteraturCited non-patent literature

  • „Die lichttechnischen Grundgrößen”, Expert Verlag, Renningen-Malmsheim 1999, ISBN 3-8169-1699-6, S. 64 [0004] "The photometric basic quantities", Expert Verlag, Renningen-Malmsheim 1999, ISBN 3-8169-1699-6, p. 64 [0004]

Claims (8)

Ein Verfahren zur Charakterisierung einer integrierenden Sphäre beliebiger geometrischer Form und beliebiger innerer Reflexionsbeschichtung für den beliebigen technischen Einsatz der gesamten Anordnung, durch die relative lineare Messung der Beleuchtungsstärke an einem Auskoppelport der integrierenden Sphäre bei zwei Zuständen eines Zusatzmessportes bekannter innerer Fläche, wobei der effektive spektrale Reflektionskoeffizient der intergrierenden Sphäre aus dem Quotienten der Beleuchtungsstärken bei offenem Zusatzmessport und bei geschlossenem Zusatzmessport und dem Verhältnis der Größe des Zusatzmessportes zur Größe der Innenfläche der integrierenden Sphäre berechnet wird.A method for characterizing an integrating sphere of arbitrary geometric shape and arbitrary internal reflection coating for any technical use of the entire assembly, by the relative linear measurement of illuminance at an integrating sphere output port at two states of an additional measurement port of known internal surface, wherein the effective spectral reflection coefficient the integrating sphere is calculated from the quotient of illuminances with open additional measuring port and with closed additional measuring port and the ratio of the size of the additional measuring port to the size of the inner surface of the integrating sphere. Ein Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die integrierende Sphäre neben dem Zusatzmessport mehrere unterschiedlich aufgebaute weitere Ports ausgebildet als Lichtleitfaserport oder wahlweise verschließbare oder schaltbare mechanische Öffnung ausweist.A method according to claim 1, characterized in that the integrating sphere designed in addition to the additional measuring port a plurality of differently constructed further ports formed as Lichtleitfaserport or optionally closable or switchable mechanical opening. Ein Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die die Messlichtquelle und/oder des Beleuchtungsstärkemessgerät in der integrierenden Sphäre platziert sind.A method according to claim 1, characterized in that the measuring light source and / or the illuminance measuring device are placed in the integrating sphere. Ein Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Beleuchtungsstärke wellenlängenintegriert oder wellenlängenselektiv gemessen wird.A method according to claim 1, characterized in that the illuminance wavelength integrated or measured wavelength selective. Ein Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass es als Softwareroutine direkt in Auswerteprogramme für lichttechnische Anwendungen von integrierenden Sphären integriert werden kann.A method according to claim 1, characterized in that it can be integrated as a software routine directly into evaluation programs for lighting applications of integrating spheres. Ein Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass es zur Messung der Alterung und der Zerstörung von Innenbeschichtungen integrierender Sphären genutzt werden kann.A method according to claim 1, characterized in that it can be used to measure the aging and the destruction of interior coatings of integrating spheres. Ein Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass es als Messverfahren zur direkten Bestimmung der spektralen Eigenschaften Reflexion, Transmittion, und Absorption von optischen Beschichtungen oder Materialien genutzt werden kann.A method according to claim 1, characterized in that it can be used as a measuring method for the direct determination of the spectral characteristics of reflection, Transmittion, and absorption of optical coatings or materials. Ein Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zur Charakterisierung von integrierenden Sphären genutzt wird, welche als uniforme Lichtquellen in messtechnischen Anordnungen zum Einsatz kommen.A method according to claim 1, characterized in that is used for the characterization of integrating spheres, which are used as uniform light sources in metrological arrangements used.
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