DE102022102915A1

DE102022102915A1 - Bestrahlungsanlage zur Simulation von solarer terrestrischer Exposition basierend auf vier separat regulierbaren Strahlenquellen

Info

Publication number: DE102022102915A1
Application number: DE102022102915.8A
Authority: DE
Inventors: Alexander Rapp; Rüdiger Greinert; Beate Volkmer; Jean Krutmann; Petra Boukamp
Original assignee: Hautkrebszentrum Buxtehude Elbekliniken Stade Buxtehude; Iuf Leibniz Inst Fuer Umweltmedizinische Forschung GmbH; Iuf Leibniz Institut Fuer Umweltmedizinische Forschung GmbH; Technische Universitaet Darmstadt
Current assignee: Hautkrebszentrum Buxtehude Elbekliniken Stade Buxtehude; Iuf Leibniz Inst Fuer Umweltmedizinische Forschung GmbH; Iuf Leibniz Institut Fuer Umweltmedizinische Forschung GmbH; Technische Universitaet Darmstadt
Priority date: 2022-02-08
Filing date: 2022-02-08
Publication date: 2023-08-10

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Simulation solarer terrestrischer Strahlung, wobei vier Leuchtquellen aus dem Infrarotspektrum, sichtbaren Spektrum, UVA-Spektrum sowie UVB-Spektrum durch Einsatz von dichroitischen Strahlkombinierern Strahlteilern definiert nach Wellenlängenbereichen kombiniert werden, wobei die Intensität der vier Spektralbereiche individuell reguliert werden kann sowie ein entsprechendes Verfahren zur Simulation solarer terrestrischer Strahlung.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Simulation solarer terrestrischer Strahlung, wobei vier Leuchtquellen aus dem Infrarotspektrum, sichtbaren Spektrum, UVA-Spektrum sowie UVB-Spektrum durch Einsatz von dichroitischen Strahlteilern definiert nach Wellenlängenbereichen kombiniert werden, wobei die Intensität der vier Spektralbereiche individuell reguliert werden kann sowie ein entsprechendes Verfahren zur Simulation solarer terrestrischer Strahlung.
Es ist in den letzten Jahrzehnten eine Vielzahl von Publikationen zum Thema UV-Strahlung und insbesondere zur Wirkung von UV-Strahlung auf die Haut, oder zum Zusammenhang von UV-Strahlung und Hautkrebs erschienen. Allerdings benutzte der Großteil dieser Studien dabei Bestrahlungsquellen, die nur in einem Wellenlängen-Bereich (UVA oder UVB)-Strahlung emittieren. Nur eine vergleichsweise kleine Anzahl von Untersuchungen wurde mit solar-simulated radiation/UV, SSRUV (UVA+UVB in einem konstanten Intensitätsverhältnis wie bei solarer UV-Exposition) durchgeführt.
Für die Untersuchung der biologischen Effekte, die UV-Strahlung in menschlicher Haut hervorruft, und insbesondere für die Aufklärung der Mechanismen der UVinduzierten Hautkrebsentstehung unter natürlichen (solaren) UV-Expositionen, reicht es nicht aus, den Einfluss einzelner selektiver spektraler Anteile des optischen Spektrums der Sonne zu untersuchen. Solche Untersuchungen berücksichtigen nicht die möglichen Wechselwirkungen zwischen biologischen Effekten, die durch unterschiedliche spektrale Anteile an unterschiedlichen zellulären Komponenten der Haut bzw. der Hautzellen hervorgerufen werden können. So gibt es biologische Effekte, die speziell (oder bevorzugt) von UVB (beispielsweise die Induktion von bestimmten DNA-Schäden, wie Cyclobutan-Pyrimidindimere) oder UVA (wie beispielsweise die Erzeugung zellulärer reaktiver Sauerstoff-Spezies) in menschlichen Hautzellen hervorgerufen werden. Derart unterschiedliche zelluläre Veränderungen können interagieren und zu anderen zellulären, genetischen oder epigenetischen Effekten beitragen, die vermehrt (oder aber auch vermindert) zur Induktion von Hautkrebs beitragen. Ebenso müssen in einem Gesamtbild gleichzeitige Einflüsse von sichtbarem Licht und Infrarot-Strahlung beachtet werden. Erst dann ist es möglich, auch im Sinne einer Risikoabschätzung, die molekularen Mechanismen aufzuklären, die zur Hautkrebsentstehung bei solarer Exposition beitragen.
Im Stand der Technik sind auch Vorrichtungen bekannt, die den gesamten Bereich der solaren Strahlung abdecken (UVA, UVB, sichtbares Licht, IR). Bei diesen sind die unterschiedlichen Strahlenqualitäten aber nur in einem fest vorgegebenen Intensitäts-Verhältnis nutzbar. Zudem sind diese Geräte vergleichsweise teuer (30.000 bis 50.0000 €) oder in der Leistung bzw. Bestrahlungsfläche limitiert.
Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, Vorrichtungen und Verfahren bereitzustellen, mit denen sich das Spektrum solarer terrestrischer Strahlung möglichst realitätsnah abbilden lässt und insbesondere auch die Intensität unterschiedlicher Spektralbereiche möglichst unabhängig voneinander einstellen lassen. Insbesondere sollen entsprechende Vorrichtungen/Verfahren möglichst kostengünstig sein (vorzugsweise 10.000 bis 12.000€) und die Variation der Bestrahlungsintensitäten in den einzelnen Spektralbereichen mit möglichst einfachen Mitteln ermöglichen.
In einer ersten Ausführungsform wird diese Aufgabenstellung gelöst durch eine Vorrichtung zur Simulation solarer terrestrischer Strahlung, umfassend wenigstens eine erste Leuchtquelle, die Strahlung im Infrarot-Spektrum emittiert, wenigstens eine zweite Leuchtquelle, die Strahlung im sichtbaren Spektrum emittiert, wenigstens eine dritte Leuchtquelle, die Strahlung im UVA-Spektrum emittiert, wenigstens eine vierte Leuchtquelle, die Strahlung im UVB-Spektrum emittiert, wenigstens einen ersten Strahlteiler, der Strahlung mit einer Wellenlänge oberhalb einer Wellenlänge a transmittiert und Strahlung mit einer Wellenlänge unterhalb der Wellenlänge a reflektiert, wobei a in einem Bereich von 700 bis 800 nm liegt, wenigstens einen zweiten Strahlteiler, der Strahlung mit einer Wellenlänge oberhalb einer Wellenlänge b transmittiert und Strahlung mit einer Wellenlänge unterhalb der Wellenlänge b reflektiert, wobei b in einem Bereich von 360 bis 440 nm liegt, wenigstens einen dritten Strahlteiler, der Strahlung mit einer Wellenlänge oberhalb einer Wellenlänge c transmittiert und Strahlung mit einer Wellenlänge unterhalb der Wellenlänge c reflektiert, wobei c in einem Bereich von 300 bis 340 nm liegt, wobei die Leuchtquellen und die Strahlteiler so angeordnet sind, dass die Strahlung aus den Leuchtquellen durch Reflektion und Transmission an den Strahlteilern zu einer simulierten solaren terrestrischen Strahlung vereinigt werden, deren Spektrum Strahlung mit einer Wellenlänge oberhalb der Wellenlänge a aus der ersten Leuchtquelle, Strahlung mit einer Wellenlänge in einem Bereich der Wellenlängen a bis b aus der zweiten Leuchtquelle, Strahlung mit einer Wellenlänge in einem Bereich der Wellenlänge b bis c aus der dritten Leuchtquelle und Strahlung mit einer Wellenlänge unterhalb der Wellenlänge c aus der vierten Leuchtquelle enthält, wobei die Intensität der Strahlung aus der ersten, zweiten, dritten und vierten Leuchtquelle unabhängig voneinander geregelt werden kann.
Unter solarer terrestrischer Strahlung im Sinne der vorliegenden Erfindung wird elektromagnetische Strahlung mit einem Spektrum verstanden, welches dem Spektrum des Sonnenlichts an der Erdoberfläche entspricht.
Überraschenderweise hat sich gezeigt, dass über den Einsatz von Strahlteilern das simulierte solare Spektrum aus vier einzelnen Leuchtquellen zusammengesetzt werden kann, wobei jede Leuchtquelle genau einem Spektralbereich zugeordnet werden kann. Die einzelnen Leuchtquellen emittieren Licht im infraroten, sichtbaren, UVA- beziehungsweise UVB-Spektralbereich. Dabei weisen die vier Leuchtquellen gegebenenfalls ein breiteres Emissionsspektrum auf, beziehungsweise können sich in ihren Emissionsspektren überschneiden. Durch den Einsatz von Strahlteilern, die Strahlen oberhalb einer definierten Wellenlänge transmittieren und Strahlen unterhalb dieser definierten Wellenlänge reflektieren, kann eine simulierte solare terrestrische Strahlung erzeugt werden, die in genau definierten Spektralbereichen vollständig aus der jeweiligen Leuchtquelle stammt.
Überraschenderweise hat sich gezeigt, dass mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung simulierte solare terrestrische Strahlung erzeugt werden kann, wobei Variation der Bestrahlungsintensitäten in den einzelnen Spektralbereichen mit einfachen Mitteln (z.B. Einbringung von selektiven neutral density (ND) Filtern, metallischen Apertur Filtern, Ausschalten bestimmter Spektral-Anteile) möglich ist. Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann vergleichsweise günstig (10.000 bis 12.000C) realisiert werden. Die erfindungsgemäße Vorrichtung erlaubt nun den Vergleich von kombinierter Strahlung mit Einzelbestrahlungen in einem speziellen Wellenlängenbereich und mit unterschiedlichen Intensitätsverhältnissen.
Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung handelt es sich insbesondere um eine Bestrahlungsanlage zur Simulation der solaren Bestrahlung mit der die spektralen Komponenten getrennt reguliert eingesetzt werden können. Im Gegensatz zu Bestrahlungsanlagen aus dem Stand der Technik, sogenannten „Solar Spectrum Irradiators“ oder Solar-Simulatoren bei denen die Beleuchtung durch eine Lichtquelle (meist einen Xenonbrenner) vorgenommen wird, welche den entsprechenden Bedürfnissen entsprechend gefiltert wird, umfasst die erfindungsgemäße Vorrichtung vier separate Leuchtquellen, welche über Strahlteiler kombiniert sind und so eine individuelle Anpassung der vier Spektralbereiche UV-B, UV-A, Visuell und Infrarot erlauben. Die erfindungsgemäße Vorrichtung weist den überraschenden Vorteil auf, dass eine Exposition mit einem sonnenähnlichen Spektrum erfolgen kann, wenn alle vier Bestrahlungsquellen gleichzeitig genutzt werden.
Durch die Wahl der Strahlteiler lassen sich die einzelnen spektralen Komponenten den Bedürfnissen ideal anpassen. Durch die mögliche relativ große Entfernung der Lichtquellen zum Bestrahlungsobjekt kann eine sehr gute Ausleuchtungshomogenität erreicht werden, ohne dass spezielle „Beamshaper“ eingesetzt werden müssen. Dadurch, dass die Strahlung aus vier separaten Leuchtquellen gewonnen wird und keine starke Filterung der Bestrahlungsquellen benötigt wird, kann eine relative hohe Bestrahlungsstärke erreicht werden, ohne dass sehr teure Speziallampen mit entsprechender Kühlung benötigt werden.
Jede einzelne Strahlenquelle kann weiterhin spektral durch einfache Bandpassfilter weiter verfeinert werden, welche wiederum durch den begrenzten spektralen Bereich qualitativ hochwertig und ohne Einfluss auf die anderen spektralen Bereiche gestaltet werden können. Die Positionierung dieser zusätzlichen Filter beeinflusst dabei nur die eine, ausgewählte Strahlenquellen und nicht die anderen Strahlungsquellen im Aufbau. Durch die besonderen Filtermöglichkeiten können so physikalisch reine Bestrahlungen in ausgewählten spektralen Bändern erreicht werden.
Ebenso ist eine Regulation der einzelnen spektralen Bänder hinsichtlich ihrer Intensität auf mehreren Ebenen möglich. Je nach verwendeter Strahlquellen kann dies beispielsweise durch elektrisches Dimmen, Verwendung eines neutralen Graufilters, Metall-Gitter, Filter, Puls-modulierte Bestrahlung oder durch Variation der Beleuchtungsdauer erreicht werden.
Da dies auf der Ebene der individuellen Strahlenquellen geschehen kann, ist eine effektive Filterung möglich, ohne dass die anderen spektralen Bereiche beeinflusst werden. Das heißt, dass die erfindungsgemäße Vorrichtung auch als Bestrahlungsquelle für isolierte spektrale Bereiche (beispielsweise als reine UVA Quelle) benutzt werden kann. So kann zum Beispiel das solare UVA zu UVB Verhältnis nachgestellt werden.
Im Folgenden wird die Funktionsweise der erfindungsgemäßen Vorrichtung und insbesondere der Strahlengang in den bevorzugten Ausführungsformen beschrieben. Die folgende Beschreibung dient der Veranschaulichung der Erfindung und soll deren Gegenstand nicht beschränken.

1 zeigt schematisch eine bevorzugte Anordnung der erfindungsgemäß vorgesehenen vier Leuchtquellen sowie drei Strahlteilern. Das in 1 dargestellt Schema demonstriert beispielhaft einen möglichen Strahlengang der erfindungsgemäßen Vorrichtung. Als allgemeines Prinzip lässt sich ein entsprechender Strahlengang mit allen weiteren beschriebenen konkreten Merkmalen der Vorrichtung kombinieren. Der in 1 schematisch dargestellte Strahlengang lässt sich mit unterschiedlichen Anordnungen der Komponenten im Raum realisieren.

1 zeigt eine erste Leuchtquelle 2, die Strahlung im Infrarotbereich emittiert, und so angeordnet ist, dass die Strahlung auf den ersten Strahlteiler 6 trifft. Der erste Strahlteiler 6 kann so angeordnet sein, dass die Strahlung aus der ersten Leuchtquelle 2 in einem schrägen Winkel, vorzugsweise in einem Winkel im Bereich von 40 bis 50°, insbesondere 45°, auf den ersten Strahlteiler 6 trifft. Der erste Strahlteiler 6 transmittiert Strahlung mit einer Wellenlänge oberhalb von a und reflektiert Strahlung mit einer Wellenlänge unterhalb von a, wobei a erfindungsgemäß im Bereich 700 bis 800 nm liegt. Demnach kann die Strahlung aus der ersten Leuchtquelle 2 mit einer Wellenlänge oberhalb der Wellenlänge a durch den ersten Strahlteiler 6 transmittiert werden und die Strahlung aus der ersten Leuchtquelle 2 mit einer Wellenlänge unterhalb der Wellenlänge a durch den ersten Strahlteiler 6 reflektiert werden.
Die zweite Leuchtquelle 3, die Strahlung im sichtbaren Spektrum emittiert, kann so angeordnet sein, dass die Strahlung auf den ersten Strahlteiler 6 trifft. Die zweite Leuchtquelle 3 kann insbesondere so angeordnet sein, dass die Strahlung aus der zweiten Leuchtquelle 3 in einem schrägen Winkel, vorzugsweise in einem Winkel in einem Bereich von 40 bis 50°, insbesondere 45°, auf den ersten Strahlteiler 6 trifft. Vorzugsweise trifft die Strahlung aus der zweiten Leuchtquelle 3 den ersten Strahlteiler 6 von einer anderen Seite als die Strahlung aus der ersten Leuchtquelle 2, wie in 1 dargestellt ist. Es ist besonders bevorzugt, dass die erste Leuchtquelle 2 und die zweite Leuchtquelle 3 im Wesentlichen senkrecht zueinander angeordnet sind und der erste Strahlteiler 6 im Schnittpunkt der beiden Strahlengänge im 45° Winkel angeordnet ist. Die Strahlung aus der zweiten Leuchtquelle 3 mit einer Wellenlänge oberhalb der Wellenlänge a kann durch den ersten Strahlteiler 6 transmittiert werden und die Strahlung aus der zweiten Leuchtquelle 3 mit einer Wellenlänge unterhalb der Wellenlänge a kann durch den ersten Strahlteiler 6 reflektiert werden.
Die erste Leuchtquelle 2, die zweite Leuchtquelle 3 und der erste Strahlteiler 6 sind vorzugsweise so angeordnet, dass die durch den ersten Strahlteiler 6 transmittierte Strahlung mit einer Wellenlänge oberhalb der Wellenlänge a aus der ersten Leuchtquelle 2 und die durch den ersten Strahlteiler 6 reflektierte Strahlung mit einer Wellenlänge unterhalb der Wellenlänge a aus der zweiten Leuchtquelle 3 in einem IR/VIS-Strahl vereinigt werden, wobei der IR/VIS-Strahl die durch den ersten Strahlteiler 6 reflektierte Strahlung mit einer Wellenlänge unterhalb der Wellenlänge a aus der ersten Leuchtquelle 2 und die durch den ersten Strahlteiler 6 transmittierte Strahlung mit einer Wellenlänge oberhalb der Wellenlänge a aus der zweiten Leuchtquelle 3 nicht umfasst. Diese Anordnung kann vorzugsweise wie in 1 gezeigt realisiert werden. Strahlung mit einer Wellenlänge oberhalb der Wellenlänge a aus der ersten Leuchtquelle 2 passiert den ersten Strahlteiler 6 gerade und ungehindert. Dadurch, dass die zweite Leuchtquelle 3 senkrecht zur ersten Leuchtquelle 2 angeordnet ist und der erste Strahlteiler 6 im Schnittpunkt der beiden Strahlen im Wesentlichen im 45° Winkel angeordnet ist, wird die Strahlung mit einer Wellenlänge unterhalb der Wellenlänge a aus der zweiten Leuchtquelle 3 am Strahlteiler 6 senkrecht reflektiert und vereinigt sich mit der Strahlung mit einer Wellenlänge oberhalb der Wellenlänge a aus der ersten Leuchtquelle 2 zu dem IR/VIS-Strahl.
Nach dem gleichen Funktionsprinzip können über den zweiten und dritten Strahlteiler 7, 8 die Anteile der dritten und vierten Leuchtquelle 4, 5 in den Strahlengang selektiv eingeführt werden. Die Strahlteiler (insbesondere dichroitische Spiegel) fungieren hierbei überall insbesondere als Kurz-Pass Filter.
Der zweite Strahlteiler 7 ist vorzugsweise so angeordnet, dass der IR/VIS-Strahl auf den zweiten Strahlteiler 7 trifft, wobei die Strahlung aus dem IR/VIS-Strahl mit einer Wellenlänge oberhalb der Wellenlänge b durch den zweiten Strahlteiler 7 transmittiert wird und die Strahlung aus dem IR/VIS-Strahl mit einer Wellenlänge unterhalb der Wellenlänge b durch den zweiten Strahlteiler 7 reflektiert wird. Eine beispielhafte Anordnung ist in 1 gezeigt. Der zweite Strahlteiler 7 ist vorzugsweise in einem Winkel in einem Bereich von 40 bis 50°, insbesondere 45°, im IR/VIS-Strahl angeordnet.
Die dritte Leuchtquelle 4, die Strahlung im UVA-Spektrum emittiert, kann so angeordnet sein, dass die Strahlung auf den zweiten Strahlteiler 7 trifft. Die dritte Leuchtquelle 4 kann insbesondere so angeordnet sein, dass die Strahlung aus der dritten Leuchtquelle 4 in einem schrägen Winkel, vorzugsweise in einem Winkel in einem Bereich von 40 bis 50°, insbesondere 45°, auf den zweiten Strahlteiler 7 trifft. Vorzugsweise trifft die Strahlung aus der dritten Leuchtquelle 4 den zweiten Strahlteiler 7 von einer anderen Seite als der IR/VIS-Strahl, wie in 1 dargestellt ist. Es ist besonders bevorzugt, dass die dritte Leuchtquelle 4 im Wesentlichen senkrecht zum Strahlengang des IR/VIS-Strahls angeordnet ist und der zweite Strahlteiler 7 im Schnittpunkt der beiden Strahlengänge im 45° Winkel angeordnet ist. Die Strahlung aus der dritten Leuchtquelle 4 mit einer Wellenlänge oberhalb der Wellenlänge b kann durch den zweiten Strahlteiler 7 transmittiert werden und die Strahlung aus der dritten Leuchtquelle 4 mit einer Wellenlänge unterhalb der Wellenlänge b kann durch den zweiten Strahlteiler 7 reflektiert werden.
Die dritte Leuchtquelle 4 und der zweite Strahlteiler 7 sind insbesondere so angeordnet, dass die durch den zweiten Strahlteiler 7 transmittierte Strahlung mit einer Wellenlänge oberhalb der Wellenlänge b aus dem IR/VIS-Strahl und die durch den zweiten Strahlteiler 7 reflektierte Strahlung mit einer Wellenlänge unterhalb der Wellenlänge b aus der dritten Leuchtquelle 4 in einem IR/VIS/UVA-Strahl vereinigt werden, wobei der IR/VIS/UVA-Strahl die durch den zweiten Strahlteiler 7 reflektierte Strahlung mit einer Wellenlänge unterhalb der Wellenlänge b aus dem IR/VIS-Strahl und die durch den zweiten Strahlteiler 7 transmittierte Strahlung mit einer Wellenlänge oberhalb der Wellenlänge b aus der dritten Leuchtquelle 4 nicht umfasst. Diese Anordnung kann vorzugsweise wie in 1 gezeigt realisiert werden. Strahlung mit einer Wellenlänge oberhalb der Wellenlänge b aus dem IR/VIS-Strahl passiert den zweiten Strahlteiler 7 gerade und ungehindert. Dadurch, dass die dritte Leuchtquelle 4 senkrecht zum Strahlengang des IR/VIS-Strahls angeordnet ist und der zweite Strahlteiler 7 im Schnittpunkt der beiden Strahlen im 45° Winkel angeordnet ist, wird die Strahlung mit einer Wellenlänge unterhalb der Wellenlänge b aus der dritten Leuchtquelle 4 am zweiten Strahlteiler 7 senkrecht reflektiert und vereinigt sich mit der Strahlung mit einer Wellenlänge oberhalb der Wellenlänge b aus dem IR/VIS-Strahl zu dem IR/VIS/UVA-Strahl.
Der dritte Strahlteiler 8 ist vorzugsweise so angeordnet, dass der IR/VIS/UVA-Strahl auf den dritten Strahlteiler 8 trifft, wobei die Strahlung aus dem IR/VIS/UVA-Strahl mit einer Wellenlänge oberhalb der Wellenlänge c durch den dritten Strahlteiler 8 transmittiert wird und die Strahlung aus dem IR/VIS/UVA-Strahl mit einer Wellenlänge unterhalb der Wellenlänge c durch den dritten Strahlteiler 8 reflektiert wird. Eine beispielhafte Anordnung ist in 1 gezeigt. Der dritte Strahlteiler ist vorzugsweise in einem Winkel in einem Bereich von 40 bis 50°, insbesondere 45°, im IR/VIS/UVA-Strahl angeordnet.
Die vierte Leuchtquelle 5, die Strahlung im UVB-Spektrum emittiert, kann so angeordnet sein, dass die Strahlung auf den dritten Strahlteiler 8 trifft. Die vierte Leuchtquelle 5 kann insbesondere so angeordnet sein, dass die Strahlung aus der vierten Leuchtquelle 5 in einem schrägen Winkel, vorzugsweise in einem Winkel in einem Bereich von 40 bis 50°, insbesondere 45°, auf den dritten Strahlteiler 8 trifft. Vorzugsweise trifft die Strahlung aus der vierten Leuchtquelle 5 den dritten Strahlteiler 8 von einer anderen Seite als der IR/VIS/UVA-Strahl, wie in 1 dargestellt ist. Es ist besonders bevorzugt, dass die vierte Leuchtquelle 5 im Wesentlichen senkrecht zum Strahlengang des IR/VIS/UVA-Strahls angeordnet ist und der dritte Strahlteiler 8 im Schnittpunkt der beiden Strahlengänge im 45° Winkel angeordnet ist. Die Strahlung aus der vierten Leuchtquelle 5 mit einer Wellenlänge oberhalb der Wellenlänge c kann durch den dritten Strahlteiler 8 transmittiert werden und die Strahlung aus der vierten Leuchtquelle mit einer Wellenlänge unterhalb der Wellenlänge c kann durch den dritten Strahlteiler 8 reflektiert werden.
Die vierte Leuchtquelle 5 und der dritte Strahlteiler 8 sind insbesondere so angeordnet, dass die durch den dritten Strahlteiler 8 transmittierte Strahlung mit einer Wellenlänge oberhalb der Wellenlänge c aus dem IR/VIS/UVA-Strahl und die durch den dritten Strahlteiler 8 reflektierte Strahlung mit einer Wellenlänge unterhalb der Wellenlänge c aus der vierten Leuchtquelle 5 zu simulierter solarer terrestrischer Strahlung vereinigt werden, wobei die simulierte solare terrestrische Strahlung die durch den dritten Strahlteiler 8 reflektierte Strahlung mit einer Wellenlänge unterhalb der Wellenlänge c aus dem IR/VIS/UVA-Strahl und die durch den dritten Strahlteiler 8 transmittierte Strahlung mit einer Wellenlänge oberhalb der Wellenlänge c aus der vierten Leuchtquelle 5 nicht umfasst. Diese Anordnung kann vorzugsweise wie in 1 gezeigt realisiert werden. Strahlung mit einer Wellenlänge oberhalb der Wellenlänge c aus dem IR/VIS/UVA-Strahl passiert den dritten Strahlteiler 8 gerade und ungehindert. Dadurch dass die vierte Leuchtquelle 5 senkrecht zum Strahlengang des IR/VIS/UVA-Strahls angeordnet ist und der dritte Strahlteiler 8 im Schnittpunkt der beiden Strahlen im 45° Winkel angeordnet ist, wird die Strahlung mit einer Wellenlänge unterhalb der Wellenlänge c aus der vierten Leuchtquelle 5 am dritten Strahlteiler 8 senkrecht reflektiert und vereinigt sich mit der Strahlung mit einer Wellenlänge oberhalb der Wellenlänge c aus dem IR/VIS/UVA-Strahl zu der simulierten solaren terrestrischen Strahlung.
Wie in 1 dargestellt ist, bildet die Strahlung aus der ersten Leuchtquelle 2 vorzugsweise die Richtung des Strahlengangs der zu simulierenden solaren terrestrischen Strahlung. Anteile oberhalb der Wellenlänge a passieren vorzugsweise sämtliche Strahlteiler 6, 7, 8 ungehindert und bilden so den Anteil oberhalb der Wellenlänge a in der simulierten terrestrischen Strahlung. Die erhaltene simulierte terrestrische Strahlung enthält Strahlung mit einer Wellenlänge oberhalb der Wellenlänge a vorzugsweise ausschließlich aus der ersten Leuchtquelle 2. Die simulierte solare terrestrische Strahlung enthält Strahlung aus der ersten Leuchtquelle 2 vorzugsweise ausschließlich mit einer Wellenlänge oberhalb der Wellenlänge a.
Die Strahlung aus der zweiten Leuchtquelle 3 kreuzt vorzugsweise im Bereich des ersten Strahlteilers 6 den Strahlengang der zu simulierenden solaren terrestrischen Strahlung. Anteile oberhalb der Wellenlänge a passieren vorzugsweise den ersten Strahlteiler 6 ungehindert und werden so kein Teil der zu simulierenden solaren terrestrischen Strahlung. Anteile zwischen den Wellenlängen a und b werden vorzugsweise am ersten Strahlteiler 6 durch Reflektion in den Strahlengang der zu simulierenden solaren terrestrischen Strahlung umgelenkt und passieren den zweiten und dritten Strahlteiler 7, 8 ungehindert und bilden so den Anteil im Bereich zwischen den Wellenlängen a und b in der simulierten solaren terrestrischen Strahlung. Anteile unterhalb der Wellenlänge b werden vorzugweise am ersten Strahlteiler 6 durch Reflektion in den Strahlengang der zu simulierenden solaren terrestrischen Strahlung umgelenkt und sodann am zweiten Strahlteiler 7 durch erneute Reflektion aus dem Strahlengang wieder eliminiert und werden so kein Teil der zu simulierenden solaren terrestrischen Strahlung. Die simulierte solare terrestrische Strahlung enthält Strahlung mit einer Wellenlänge im Bereich zwischen den Wellenlängen a und b vorzugsweise ausschließlich aus der zweiten Leuchtquelle 3. Die simulierte solare terrestrische Strahlung enthält Strahlung aus der zweiten Leuchtquelle 3 vorzugsweise ausschließlich mit einer Wellenlänge in einem Bereich zwischen den Wellenlängen a und b.
Die Strahlung aus der dritten Leuchtquelle 4 kreuzt vorzugsweise im Bereich des zweiten Strahlteilers 7 den Strahlengang der zu simulierenden solaren terrestrischen Strahlung. Anteile oberhalb der Wellenlänge b passieren vorzugsweise den zweiten Strahlteiler 7 ungehindert und werden so kein Teil der zu simulierenden solaren terrestrischen Strahlung. Anteile zwischen den Wellenlängen b und c werden vorzugsweise am zweiten Strahlteiler 7 durch Reflektion in den Strahlengang der zu simulierenden solaren terrestrischen Strahlung umgelenkt und passieren den dritten Strahlteiler 8 ungehindert und bilden so den Anteil im Bereich zwischen den Wellenlängen b und c in der simulierten solaren terrestrischen Strahlung. Anteile unterhalb der Wellenlänge c werden vorzugweise am zweiten Strahlteiler 7 durch Reflektion in den Strahlengang der zu simulierenden solaren terrestrischen Strahlung umgelenkt und sodann am dritten Strahlteiler 8 durch erneute Reflektion aus dem Strahlengang wieder eliminiert und werden so kein Teil der zu simulierenden solaren terrestrischen Strahlung. Die simulierte solare terrestrische Strahlung enthält Strahlung mit einer Wellenlänge im Bereich zwischen den Wellenlängen b und c vorzugsweise ausschließlich aus der dritten Leuchtquelle 4. Die simulierte solare terrestrische Strahlung enthält Strahlung aus der dritten Leuchtquelle 4 vorzugsweise ausschließlich mit einer Wellenlänge in einem Bereich zwischen den Wellenlängen b und c.
Die Strahlung aus der vierten Leuchtquelle 5 kreuzt vorzugsweise im Bereich des dritten Strahlteilers 8 den Strahlengang der zu simulierenden solaren terrestrischen Strahlung. Anteile oberhalb der Wellenlänge c passieren vorzugsweise den dritten Strahlteiler 8 ungehindert und werden so kein Teil der zu simulierenden solaren terrestrischen Strahlung. Anteile unterhalb der Wellenlänge c werden vorzugweise am dritten Strahlteiler 8 durch Reflektion in den Strahlengang der zu simulierenden solaren terrestrischen Strahlung umgelenkt und bilden so den Anteil unterhalb der Wellenlänge c in der simulierten terrestrischen Strahlung. Die simulierte solare terrestrische Strahlung enthält Strahlung mit einer Wellenlänge unterhalb der Wellenlänge c vorzugsweise ausschließlich aus der vierten Leuchtquelle 5. Die simulierte solare terrestrische Strahlung enthält Strahlung aus der vierten Leuchtquelle 5 vorzugsweise ausschließlich mit einer Wellenlänge unterhalb der Wellenlänge c.
In einer bevorzugten Ausführungsform emittiert die erste Leuchtquelle Strahlung im Infrarot-Spektrum in einem Wellenlängenbereich von 500 bis 4000 nm. Besonders bevorzugt ist ein Wellenlängenbereich von 500 bis 2500 nm. Ganz besonders bevorzugt ist ein Wellenlängenbereich von 700 bis 2000 nm, insbesondere 750 bis 1700 nm. Die zweite Leuchtquelle emittiert vorzugsweise Strahlung im sichtbaren Spektrum in einem Wellenlängenbereich von 350 bis 900 nm, besonders bevorzugt 400 bis 750 nm. Die dritte Leuchtquelle emittiert vorzugsweise Strahlung im UVA-Spektrum in einem Wellenlängenbereich von 300 bis 500 nm, besonders bevorzugt 320 bis 420 nm. Die vierte Leuchtquelle emittiert vorzugsweise Strahlung im UVB-Bereich in einem Wellenlängenbereich von 285 bis 340 nm, besonders bevorzugt 290 bis 320 nm.
Besonders bevorzugt emittiert keine der Leuchtquellen Strahlung mit einer Wellenlänge unterhalb von 285 nm. Diese Beschränkung ist insbesondere relevant, wenn natürliche solare Strahlung simuliert werden soll, die keine Anteile mit Wellenlängen unterhalb von 285 nm enthält. Strahlung mit einer solchen Wellenlänge weist insbesondere extreme biologische Effekte auf.
Für die Leuchtquellen können prinzipiell alle geeigneten Strahlungsquellen eingesetzt werden, die Strahlung in den beschriebenen Spektren emittieren. Die Leuchtquellen können insbesondere jeweils eine oder mehrere Lampen (Lampen-Array) umfassen oder daraus bestehen. Als Lampen können beispielsweise konventionelle Leuchtmittel eingesetzt werden, oder auch Kurzbogenlampen, Hochdrucklampen, LEDs oder ähnliches. Die Intensitäten der verwendeten Lampen sollten so gewählt sein, dass die Probenfläche mit Intensitäten, die der solaren Emission entsprechen bestrahlt wird. Dies hängt vom effektiv nutzbaren Spektralbereich der verwendeten Strahlungsquelle, deren Entfernung, den verwendeten Filtern sowie der Größe der Bestrahlungsfläche ab. Bevorzugt sollte eine Bestrahlungsstärke im Probenraum von wenigstens 0.37 W/m² im UVB-, wenigstens 30 W/m² im UVA, wenigstens 420 W/m² im sichtbaren und wenigstens 430 W/m² im Infrarot-Bereich erreicht werden.
Die Leuchtquellen können jeweils neben den genannten Lampen auch Filter umfassen, über die die Intensität der Leuchtquellen oder deren Spektrum reguliert oder angepasst werden kann.
In einer bevorzugten Ausführungsform kann eine oder mehrere der Leuchtquellen einen Bandpassfilter umfassen, mit dem das von der Leuchtquelle emittierte Spektrum angepasst werden kann. Als Bandpassfilter können beispielsweise Wasserfilter, vorzugsweise aktiv gekühlt, Langpassfilter und/oder Kurzpassfilter zum Einsatz kommen.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform umfasst die erste Leuchtquelle eine Infrarotlampe und einen Wasserfilter. Der Wasserfilter ist vorzugsweise aktiv gekühlt. Der Wasserfilter kann insbesondere als Wassersäule mit einer Höhe in einem Bereich von 10 bis 40 mm, besonders bevorzugt 15 bis 25 mm, insbesondere 20 mm, ausgestaltet sein.
Überraschenderweise hat sich gezeigt, dass wenn die Strahlung der Infrarotlampe durch einen Wasserfilter gefiltert wird, die Kontamination des Bestrahlungsraums mit Wärmestrahlung verhindert werden kann und zudem auch die für die Atmosphäre typischen Wasserabsorptionsbanden im solaren optischen Spektrum als Teil der simulierten solaren terrestrischen Strahlung erhalten werden können.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform kann der Wasserfilter weiterhin einen integrierten Bandpassfilter enthalten, insbesondere einen Acrylglas-Bandpassfilter der in eine Wasserküvette des Wasserfilters eingebaut ist. Mit einem solchen Bandpassfilter kann das Spektrum der Infrarotlampe und damit das von der ersten Leuchtquelle emittierte Spektrum eingeschränkt werden, beispielsweise auf einen Wellenlängenbereich von 750 bis 1700 nm. Ein besonderer Vorteil dieser Ausführungsform ist, dass durch die Kombination eines Wasserfilters mit integriertem Bandpassfilter beispielsweise ein kostengünstiger Acrylglas-Bandpassfilter für die Infrarotfilterung eingesetzt werden kann. Solche Filter können andernfalls aufgrund der Hitzeabsorption nicht ohne eine aktive Kühlung realisiert werden.
In einer bevorzugten Ausführungsform umfassen eine oder mehrere Leuchtquellen Intensitätsfilter, mit denen sich die Strahlungsintensität anpassen beziehungsweise die von einer Lampe abgegebene Strahlungsintensität reduzieren lassen. Als Intensitätsfilter können beispielsweise optische Neutraldichte Filter, Farb- und Absorptionsfilter oder Metallmaschenfilter eingesetzt werden.
Zur Auswahl stehen unterschiedliche Filtermethoden. Zum einen können metallische Neutraldichte Filter verwendet werden, die durch Bedampfung mit Metalllegierungen zur gewünschten optischen Dichte hergestellt werden. Je größer die Dichte der Metallbedampfung desto größer ist die Absorption. Alternativ können reine Metallgitter mit einem feinen Aperturmuster verwendet werden, die die Strahlungsquelle teilweise verdecken (metal mesh shaders). Voraussetzung für eine gleichmäßige Abschwächung sind eine regelmäßige Anordnung der Aperturen, sowie eine entsprechende Entfernung zwischen Aperturarray und der Bestrahlungsfläche, sowie eine homogene Ausleuchtung der Filter. Entscheidend für die Filtereigenschaft ist der Einstrahlwinkel sowie der Offenheits Faktor (openess factor), der die relative freie Fläche im Strahlengang angibt.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform umfassen die erste, zweite, dritte und/oder vierte Leuchtquelle einen optischen Filter aus Metallgewebe (metal mesh filter, Metallmaschenfilter). Überraschenderweise hat sich gezeigt, dass mit derartigen Filtern aus Metallgewebe beziehungsweise Metallmaschenfiltern die Intensität der Leuchtquellen optimal eingestellt werden kann.
Bei den Metallgewebefiltern liegt der große Vorteil auf der Langzeitstabilität, vor allem, da die Filter direkt in unmittelbarer Nähe der Lampen montiert werden können. Ebenso sind die Abschwächungsraten sehr genau und einfach durch das Flächenverhältnis von offener zu abgedeckter Fläche variierbar. Ein weiterer Vorteil der Metallgewebefilter liegt darin, dass sie im gesamten optischen Bereich der solaren Bestrahlung unabhängig von der Wellenlänge arbeiten, im Gegensatz zu z.B. Neutraldichtefiltern.
Der erste, zweite und dritte Strahlteiler können in einer bevorzugten Ausführungsform insbesondere als dichroitische Spiegel ausgeführt sein. Die Strahlteiler transmittieren erfindungsgemäß Strahlen oberhalb einer bestimmten Wellenlänge und reflektieren Strahlen unterhalb einer bestimmten Wellenlänge. Anhand dieser charakteristischen Wellenlängen der Strahlteiler erfolgt die Aufteilung der zu simulierenden solaren terrestrischen Strahlung auf die vier Leuchtquellen.
Der erste Strahlteiler trennt den Strahlengang erfindungsgemäß bei einer Wellenlänge a in einem Bereich von 700 bis 800 nm. Vorzugsweise liegt die Wellenlänge a im Bereich von 740 bis 780 nm. Insbesondere kann die Wellenlänge a 750 nm betragen. Der zweite Strahlteiler trennt den Strahlengang erfindungsgemäß bei einer Wellenlänge b in einem Bereich von 360 bis 440 nm. Vorzugsweise liegt die Wellenlänge b im Bereich von 390 bis 410 nm. Insbesondere kann die Wellenlänge b 400 nm betragen. Der dritte Strahlteiler trennt den Strahlengang erfindungsgemäß bei einer Wellenlänge c in einem Bereich von 300 bis 340 nm. Vorzugsweise liegt die Wellenlänge c im Bereich von 310 bis 330 nm. Insbesondere kann die Wellenlänge c 320 nm betragen.
In einer speziellen Ausführungsform beträgt die Wellenlänge a 750 nm, die Wellenlänge b 400 nm und die Wellenlänge c 320 nm. In diesem Fall stammen die Anteile der erzeugten simulierten solaren terrestrischen Strahlung mit einer Wellenlänge oberhalb von 750 nm aus der ersten Leuchtquelle, die entsprechenden Anteile mit einer Wellenlänge in einem Bereich von 400 bis 750 nm aus der zweiten Leuchtquelle, die entsprechenden Anteile mit einer Wellenlänge in einem Bereich von 320 bis 400 nm aus der dritten Leuchtquelle und die entsprechenden Anteile mit einer Wellenlängte unterhalb von 320 nm aus der vierten Leuchtquelle. In dieser speziellen Ausführungsform lassen sich damit die Intensität der simulierten solaren terrestrischen Strahlung in den Bereich oberhalb von 750 nm, zwischen 400 und 750 nm, zwischen 320 und 400 nm sowie unterhalb von 320 nm getrennt voneinander anpassen.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform umfasst die erfindungsgemäße Vorrichtung ein fest eingebautes Spektrometer, welches eine kontinuierliche Qualitätskontrolle der emittierten Strahlung ermöglicht und auch zur Steuerung der applizierten Dosis dienen kann. Hierfür kann beispielsweise ein CCD-Array basiertes Spektrometer mittels eines Lichtleiters in den Probenraum eingekoppelt sein, welches in Echtzeit die Dosis pro Quadratmeter und Nanometer erfasst. Dies ermöglicht nicht nur die exakte Reproduzierbarkeit der Bestrahlungsbedingungen, sondern kann auch spektrale Veränderungen der einzelnen Strahlungsquellen während des längeren Gebrauchs registrieren und kompensieren. Ebenfalls können durch die permanente Messung thermische Effekte, welche die spektralen Eigenschaften beeinflussen ausgeglichen werden. Die Steuerung des verbauten Spektrometers, sowie die aus den Messungen resultierenden Schaltungen können beispielsweise durch einen angeschlossenen PC realisiert werden. Dies ermöglicht nicht nur die interaktive Steuerung der Lampen, sondern ermöglicht ebenfalls die Aufzeichnung der realen spektralen Messwerte zu Zwecken der Qualitätssicherung, Dokumentation und Dosisbestimmung.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann weiterhin einen Probenraum enthalten, der mit der simulierten solaren terrestrischen Strahlung bestrahlt werden kann. Vorzugsweise besitzt die erfindungsgemäße Vorrichtung eine eingebaute Temperiereinheit des Probenraumes. Diese kann beispielsweise durch eine gekoppelte Wasser/Peltierkühlung realisiert sein, welche es ermöglicht Proben während der Bestrahlung bei konstanter Temperatur zu halten und die Temperatur beispielsweise in einem Bereich von 4°C bis 37°C zu definieren, um mögliche thermische Effekte zu unterdrücken. Die Temperaturkontrolle kann insbesondere durch einen angeschlossenen PC realisiert sein und erlaubt dann ebenfalls die Sicherung der Messwerte zur Dokumentation.
In einer alternativen Ausführungsform wird die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabenstellung gelöst durch ein Verfahren zur Simulation solarer terrestrischer Strahlung, wobei man einen ersten Strahlteiler, der Strahlung mit einer Wellenlänge oberhalb einer Wellenlänge a transmittiert und Strahlung mit einer Wellenlänge unterhalb der Wellenlänge a reflektiert, wobei a in einem Bereich von 700 bis 800 nm liegt, mit einer Infrarotstrahlung und einer Strahlung im sichtbaren Spektrum bestrahlt, sodass die Anteile der Infrarotstrahlung mit einer Wellenlänge oberhalb der Wellenlänge a und die Anteile der Strahlung im sichtbaren Spektrum mit einer Wellenlänge unterhalb der Wellenlänge a zu einer IR/VIS-Strahlung vereinigt werden, die die Anteile der Infrarotstrahlung mit einer Wellenlänge unterhalb der Wellenlänge a und die Anteile der Strahlung im sichtbaren Spektrum mit einer Wellenlänge oberhalb der Wellenlänge a nicht umfasst, wobei man einen zweiten Strahlteiler, der Strahlung mit einer Wellenlänge oberhalb einer Wellenlänge b transmittiert und Strahlung mit einer Wellenlänge unterhalb der Wellenlänge b reflektiert, wobei b in einem Bereich von 360 bis 440 nm liegt, mit der IR/VIS-Strahlung und einer UVA-Strahlung bestrahlt, sodass die Anteile der IR/VIS-Strahlung mit einer Wellenlänge oberhalb der Wellenlänge b und die Anteile der UVA-Strahlung mit einer Wellenlänge unterhalb der Wellenlänge b zu einer IR/VIS/UVA-Strahlung vereinigt werden, die die Anteile der IR/VIS-Strahlung mit einer Wellenlänge unterhalb der Wellenlänge b und die Anteile der UVA-Strahlung mit einer Wellenlänge oberhalb der Wellenlänge b nicht umfasst, wobei man einen dritten Strahlteiler der Strahlung mit einer Wellenlänge oberhalb einer Wellenlänge c transmittiert und Strahlung mit einer Wellenlänge unterhalb der Wellenlänge c reflektiert, wobei c in einem Bereich von 300 bis 340 nm liegt, mit der IR/VIS/UVA-Strahlung und einer UVB-Strahlung bestrahlt, sodass die Anteile der IR/VIS/UVA-Strahlung mit einer Wellenlänge oberhalb der Wellenlänge c und die Anteile der UVB-Strahlung mit einer Wellenlänge unterhalb der Wellenlänge c zu einer simulierten solaren terrestrischen Strahlung vereinigt werden, die die Anteile der IR/VIS/UVA-Strahlung mit einer Wellenlänge über der Wellenlänge c und die Anteile der UVB-Strahlung mit einer Wellenlänge oberhalb der Wellenlänge c nicht umfasst, wobei die Intensität der Infrarotstrahlung, der Strahlung im sichtbaren Spektrum, der UVA-Strahlung und der UVB-Strahlung unabhängig voneinander gewählt werden.
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren kann überraschenderweise simulierte solare terrestrische Strahlung durch Kombination von vier Strahlungen im Infrarot, VIS-, UVA- und UVB-Bereich erzeugt werden. Das Verfahren kann insbesondere mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung durchgeführt werden. Das Verfahren weist grundsätzlich die gleichen Vorteile gegenüber dem Stand der Technik auf. In dem Verfahren können sämtliche Merkmale der erfindungsgemäßen Vorrichtung entsprechend verwirklicht werden.
In einer alternativen Ausführungsform wird die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabenstellung gelöst durch die Verwendung der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung und das erfindungsgemäße Verfahren können insbesondere im Bereich der biologischen Strahlenforschung eingesetzt werden, beispielsweise in der Humanbiologie, Pflanzen- und Umweltforschung. Weiterhin können die erfindungsgemäße Vorrichtung und das erfindungsgemäße Verfahren für technische Anwendungen eingesetzt werden, die eine möglichst realitätsnah simulierte solare terrestrische Strahlung benötigen.
Ausführungsbeispiel
Eine erfindungsgemäße Vorrichtung wurde mit den folgenden vier Strahlungsquellen realisiert:

Für den Infrarot-Bereich: GE Healthcare 750 W Halogen Lampe HPL 750W LL 240V, Farbtemperatur 3200K, 15600 Lumen
Für den visuellen Bereich: Osram Xenon high pressure short arc lamp XBO R 300 W/60 C OFR, Farbtemperatur 6000K
Für den UVA-Bereich: Philips Cleo high pressure UVA lamp
Für den UVB-Bereich: 4 Stück Philips PL-S 9W/12 2P UVB broadband tube

Für den Infrarotbereich wurde eine 750 W Halogen Lampe (HPL 750 W LL 240 V, GE Healthcare) gewählt, die zum einen den Vorteil aufweist, einen sehr starken Infrarot-Anteil zu besitzen, ein über längere Zeit stabiles Emissionsspektrum aufweist und dazu kostengünstig zu beziehen ist. Für den Sichtbaren Bereich wurde eine Hochdruck Quecksilber-Kurzbogen Lampe (Osram XBO R 300 W/60 C OFR) verwendet. Diese ist mit den 300 W etwas schwach bemessen kann aber relative einfach gegen stärkere Varianten mit 500, 750 der 1000 W ausgetauscht werden. Der Vorteil der Xenon-Lampen liegt in ihrem gleichmäßig verlaufenden Spektrum im gesamten sichtbaren Bereich, das dem Sonnenspektrum sehr nahekommt. Die Nachteile, wie fehlende Infrarotabdeckung und Abweichungen im UV-Bereich werden in dem beschriebenen Aufbau umgangen. Im UVA Bereich wurde eine 400 W Cleo Hochdruck UVA Lampe (Philips) verwendet, die eine sehr hohe Leistung im UVA Bereich aufweist und nur eine minimale Emission im UVB zeigt. Für den UVB Bereich kamen PL-S 9 W/12 2 P UVB Breitband Leuchtstoffröhren zum Einsatz, die den Vorteil aufweisen, dass sie besonders lange stabil in der Emission sind und breitbandig im Emissionsspektrum abstrahlen und somit den gesamten UVB Bereich gleichmäßig abdecken. Zudem weisen diese Strahler kaum einen UVC Anteil aus. Da der UVB Bereich im solaren Spektrum mit nur geringen Intensitäten vertreten ist, ist für die Realisierung ein einfaches Array aus 4 Lampen mit jeweils 9 W mehr als ausreichend.
Die Emissionsspektren der eingesetzten Lampen im Bereich 200 bis 1300 nm sind in 2 dargestellt.
Eine spektrale Filterung der Leuchtquellen zu längeren Wellenlängen hin erfolgte durch die Verwendung von dichroitischen Strahlteilern.
Für die Kombination der Infrarot-Strahlung mit der Strahlung im visuellen Bereich kam ein konventioneller dichroitischer Spiegel der Firma Knight Optical auf Basis von Borosilikatglas zum Einsatz, der bei einem Einfallwinkel von 45° Strahlung im Bereich von 400 bis 750 nm reflektiert und im Übrigen transmittiert. Die dichroitischen Strahlteiler zur Kombination der IR/VIS-Strahlung mit der UVA-Strahlung und der IR/VIS/UVA- mit der UVB-Strahlung wurden speziell angefertigt und reflektieren Licht mit einer Wellenlänge unterhalb von 400 nm beziehungswiese 315 nm bei einem Einfallswinkel von 45°. Hierbei kamen 3 mm starke Spiegel mit einer Fläche von 255x168 mm aus Borosilikatglas zum Einsatz, die speziell bedampft wurden (Firma S1 Optics).
Eine spezielle Filterung für die Infrarotquelle ist eingebaut. Dabei handelt es sich um einen aktiv gekühlten Wasserfilter mit 20 mm Wassersäule. Dies verhindert nicht nur die Kontamination des Bestrahlungsraumes mit Wärmestrahlung, sondern ermöglicht die für die Atmosphäre typischen Wasserabsorptionsbanden im solaren optischen Spektrum. Zusätzlich wird in die Wasserküvette ein kostengünstiger Acrylglas-Bandpassfilter eingebaut, welcher spezifisch im Bereich 750-1700 nm durchlässig ist. Solche Filter können aufgrund der Hitzeabsorption nicht ohne eine aktive Kühlung realisiert werden.
Die Infrarotquelle wird demnach mittels eines Solaris IR S306 (PSC, Dänemark) gefiltert, welcher in die Wasserküvette eingebaut ist. Die UVA Quelle wird zusätzlich mittels eines WG320 (Schott) Langpassfilters gefiltert, um kontaminierende UVB Strahlung zu entfernen. Die UVB Lampe wird mit einem Asahi Spectra UV325 Kurzpassfilter, sowie mit einem B270 Langpassfilter (Schott) zur Vermeidung der Wellenlängen unter 285 nm gefiltert.
Die absoluten Intensitäten sowie das Intensitätsverhältnis zwischen UVA und UVB werden durch die Verwendung von Metallmaschenfiltern fein angepasst. Der Vorteil dieser Filtermethode liegt darin, dass diese kostengünstig ist, der Langzeitstabilität, vor allem, da die Filter direkt in unmittelbarer Nähe der Lampen montiert werden können, sowie in der genauen Regulierbarkeit, indem die offene zur abgedeckten Fläche variiert wird. Zudem sind die Filtereigenschaften Wellenlängenunabhängig. Für die beschriebene Umsetzung wurden Aluminiumlochbleche mit variablen Aperturdurchmessern (2-8 mm) und unterschiedlichen Aperturdichten verwendet, sodass eine Abschwächung zwischen 30 und 88% erreicht wurde. Im konkreten Fall wurden Aluminiumbleche mit 1,5-2,5 mm stärke verwendet.
Die Bestrahlungsanlage ist in einem geschlossenen System basierend auf einem Aluminumprofilsystem (Bosch&Rexroth) realisiert. Dabei können die einzelnen optischen Bauteile nachjustiert werden und so eine optimale Anpassung an die optischen Baugruppen und Strahlquellen realisiert werden. Ebenfalls ermöglicht dieses System eine gute thermische Kontrolle und erlaubt eine Ausdehnung unter Hitze.
3 zeigt eine Seitenansicht der erfindungsgemäßen Vorrichtung 10. Ein Probenraum 11 befindet sich am unteren Ende der Anlage. Die Strahlung wird, von oben kommend, ausgehend von der infraroten Strahlenquelle 12, im ersten Strahlteiler 16 (45°) mit der Strahlung der Strahlungsquelle für sichtbare Strahlung 13 kombiniert. In der darunter liegenden „Etage“ wird durch den zweiten Strahlteiler 17 die UVA Strahlung, ausgehend von der UVA Strahlungsquelle 14, zum Gesamtspektrum hinzugefügt. In der untersten Ebene wird die UVB-Strahlung, ausgehend von UVB Röhren 15 über den dritten Strahlteiler 18 eingespeist.
4 zeigt eine Topansicht der Vorrichtung 10. Es ist sichtbar, dass die InfrarotStrahlungsquelle 12 zentral auf der Oberseite der Anlage lokalisiert ist. Die anderen Strahlungsquellen 13, 14, 15 sind jeweils um 90° versetzt um den zentralen Bestrahlungsraum herum angeordnet. Dabei ist die Reihenfolge der Wellenlänge nach absteigend (VIS - UVA - UVB, von oben nach unten).
5 zeigt eine Rückansicht der Vorrichtung 10. Die Strahlteiler 16, 17, 18 sind jeweils im 45°-Winkel zur optischen Achse der Strahlungsquellen 13, 14, 15 und zur optischen Achse der Infrarotstrahlungsquelle 12 montiert.
Im Boden des Probenraums 11, dessen antibakterielle Oberfläche (Kupfer) über darunter liegende Peltierelemente temperiert werden kann, ist ein Messkopf (Cosinus Adapter auf einem Lichtleiter) integriert, welcher direkt mit einem LR1 Spektrometer (ASEQ instruments) verbunden ist und zur permanenten Kontrolle der spektralen Verteilung und Leistungsdichte verwendet werden kann.
6 zeigt einen Vergleich des von der Vorrichtung 10 emittierten Spektrums mit dem ASTM G173 Referenzspektrum für solare Strahlung. Es zeigt sich, dass mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung ein gut an das solare Spektrum angepasstes Emissionsspektrum erhalten werden kann, welches individuell in den vier spektralen Bereichen reguliert werden kann.

Claims

Vorrichtung zur Simulation solarer terrestrischer Strahlung, umfassend wenigstens eine erste Leuchtquelle, die Strahlung im Infrarot-Spektrum emittiert, wenigstens eine zweite Leuchtquelle, die Strahlung im sichtbaren Spektrum emittiert, wenigstens eine dritte Leuchtquelle, die Strahlung im UVA-Spektrum emittiert, wenigstens eine vierte Leuchtquelle, die Strahlung im UVB-Spektrum emittiert, wenigstens einen ersten Strahlteiler, der Strahlung mit einer Wellenlänge oberhalb einer Wellenlänge a transmittiert und Strahlung mit einer Wellenlänge unterhalb der Wellenlänge a reflektiert, wobei a in einem Bereich von 700 bis 800 nm liegt, wenigstens einen zweiten Strahlteiler, der Strahlung mit einer Wellenlänge oberhalb einer Wellenlänge b transmittiert und Strahlung mit einer Wellenlänge unterhalb der Wellenlänge b reflektiert, wobei b in einem Bereich von 360 bis 440 nm liegt, wenigstens einen dritten Strahlteiler, der Strahlung mit einer Wellenlänge oberhalb einer Wellenlänge c transmittiert und Strahlung mit einer Wellenlänge unterhalb der Wellenlänge c reflektiert, wobei c in einem Bereich von 300 bis 340 nm liegt, wobei die Leuchtquellen und die Strahlteiler so angeordnet sind, dass die Strahlung aus den Leuchtquellen durch Reflektion und Transmission an den Strahlteilern zu einer simulierten solaren terrestrischen Strahlung vereinigt werden, deren Spektrum Strahlung mit einer Wellenlänge oberhalb der Wellenlänge a aus der ersten Leuchtquelle, Strahlung mit einer Wellenlänge in einem Bereich der Wellenlängen a bis b aus der zweiten Leuchtquelle, Strahlung mit einer Wellenlänge in einem Bereich der Wellenlänge b bis c aus der dritten Leuchtquelle und Strahlung mit einer Wellenlänge unterhalb der Wellenlänge c aus der vierten Leuchtquelle enthält, wobei die Intensität der Strahlung aus der ersten, zweiten, dritten und vierten Leuchtquelle unabhängig voneinander geregelt werden kann.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die erste Leuchtquelle, die zweite Leuchtquelle und der erste Strahlteiler so angeordnet sind, dass die Strahlung aus der ersten Leuchtquelle auf den ersten Strahlteiler trifft, wobei die Strahlung aus der ersten Leuchtquelle mit einer Wellenlänge oberhalb der Wellenlänge a durch den ersten Strahlteiler transmittiert wird und die Strahlung aus der ersten Leuchtquelle mit einer Wellenlänge unterhalb der Wellenlänge a durch den ersten Strahlteiler reflektiert wird, dass die Strahlung aus der zweiten Leuchtquelle auf den ersten Strahlteiler trifft, wobei die Strahlung aus der zweiten Leuchtquelle mit einer Wellenlänge oberhalb der Wellenlänge a durch den ersten Strahlteiler transmittiert wird und die Strahlung aus der zweiten Leuchtquelle mit einer Wellenlänge unterhalb der Wellenlänge a durch den ersten Strahlteiler reflektiert wird, und dass die durch den ersten Strahlteiler transmittierte Strahlung mit einer Wellenlänge oberhalb der Wellenlänge a aus der ersten Leuchtquelle und die durch den ersten Strahlteiler reflektierte Strahlung mit einer Wellenlänge unterhalb der Wellenlänge a aus der zweiten Leuchtquelle in einem IR/VIS-Strahl vereinigt werden, wobei der IR/VIS-Strahl die durch den ersten Strahlteiler reflektierte Strahlung mit einer Wellenlänge unterhalb der Wellenlänge a aus der ersten Leuchtquelle und die durch den ersten Strahlteiler transmittierte Strahlung mit einer Wellenlänge oberhalb der Wellenlänge a aus der zweiten Leuchtquelle nicht umfasst, wobei der zweite Strahlteiler und die dritte Leuchtquelle so angeordnet sind, dass der IR/VIS-Strahl auf den zweiten Strahlteiler trifft, wobei die Strahlung aus dem IR/VIS-Strahl mit einer Wellenlänge oberhalb der Wellenlänge b durch den zweiten Strahlteiler transmittiert wird und die Strahlung aus dem IR/VIS-Strahl mit einer Wellenlänge unterhalb der Wellenlänge b durch den zweiten Strahlteiler reflektiert wird, dass die Strahlung aus der dritten Leuchtquelle auf den zweiten Strahlteiler trifft, wobei die Strahlung aus der dritten Leuchtquelle mit einer Wellenlänge oberhalb der Wellenlänge b durch den zweiten Strahlteiler transmittiert wird und die Strahlung aus der dritten Leuchtquelle mit einer Wellenlänge unterhalb der Wellenlänge b durch den zweiten Strahlteiler reflektiert wird, und dass die durch den zweiten Strahlteiler transmittierte Strahlung mit einer Wellenlänge oberhalb der Wellenlänge b aus dem IR/VIS-Strahl und die durch den zweiten Strahlteiler reflektierte Strahlung mit einer Wellenlänge unterhalb der Wellenlänge b aus der dritten Leuchtquelle in einem IR/VIS/UVA-Strahl vereinigt werden, wobei der IR/VIS/UVA-Strahl die durch den zweiten Strahlteiler reflektierte Strahlung mit einer Wellenlänge unterhalb der Wellenlänge b aus dem IR/VIS-Strahl und die durch den zweiten Strahlteiler transmittierte Strahlung mit einer Wellenlänge oberhalb der Wellenlänge b aus der dritten Leuchtquelle nicht umfasst, und wobei der dritte Strahlteiler und die vierte Leuchtquelle so angeordnet sind, dass der IR/VIS/UVA-Strahl auf den dritten Strahlteiler trifft, wobei die Strahlung aus dem IR/VIS/UVA-Strahl mit einer Wellenlänge oberhalb der Wellenlänge c durch den dritten Strahlteiler transmittiert wird und die Strahlung aus dem IR/VIS/UVA-Strahl mit einer Wellenlänge unterhalb der Wellenlänge c durch den dritten Strahlteiler reflektiert wird, dass die Strahlung aus der vierten Leuchtquelle auf den dritten Strahlteiler trifft, wobei die Strahlung aus der vierten Leuchtquelle mit einer Wellenlänge oberhalb der Wellenlänge c durch den dritten Strahlteiler transmittiert wird und die Strahlung aus der vierten Leuchtquelle mit einer Wellenlänge unterhalb der Wellenlänge c durch den dritten Strahlteiler reflektiert wird, und dass die durch den dritten Strahlteiler transmittierte Strahlung mit einer Wellenlänge oberhalb der Wellenlänge c aus dem IR/VIS/UVA-Strahl und die durch den dritten Strahlteiler reflektierte Strahlung mit einer Wellenlänge unterhalb der Wellenlänge c aus der vierten Leuchtquelle zu simulierter solarer terrestrischer Strahlung vereinigt werden, wobei die simulierte solare terrestrische Strahlung die durch den dritten Strahlteiler reflektierte Strahlung mit einer Wellenlänge unterhalb der Wellenlänge c aus dem IR/VIS/UVA-Strahl und die durch den dritten Strahlteiler transmittierte Strahlung mit einer Wellenlänge oberhalb der Wellenlänge c aus der vierten Leuchtquelle nicht umfasst.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei es sich bei dem ersten Strahlteiler, dem zweiten Strahlteiler und/oder dem dritten Strahlteiler um dichroitische Spiegel handelt.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die erste Leuchtquelle Strahlung in einem Wellenlängenbereich von 500 bis 2500 nm emittiert.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die zweite Leuchtquelle Strahlung in einem Wellenlängenbereich von 350 bis 900 nm emittiert.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die dritte Leuchtquelle Strahlung in einem Wellenlängenbereich von 320 bis 500 nm emittiert.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei die vierte Leuchtquelle Strahlung in einem Wellenlängenbereich von 290 bis 340 nm emittiert.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei die erste Leuchtquelle einen Wasserfilter umfasst, wobei in den Wasserfilter ein Bandpassfilter, insbesondere ein Acrylglas-Bandpassfilter, integriert ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei die erste, zweite, dritte und/oder vierte Leuchtquelle einen optischen Filter aus Metallgewebe umfassen.
Verfahren zur Simulation solarer terrestrischer Strahlung, wobei man einen ersten Strahlteiler, der Strahlung mit einer Wellenlänge oberhalb einer Wellenlänge a transmittiert und Strahlung mit einer Wellenlänge unterhalb der Wellenlänge a reflektiert, wobei a in einem Bereich von 700 bis 800 nm liegt, mit einer Infrarotstrahlung und einer Strahlung im sichtbaren Spektrum bestrahlt, sodass die Anteile der Infrarotstrahlung mit einer Wellenlänge oberhalb der Wellenlänge a und die Anteile der Strahlung im sichtbaren Spektrum mit einer Wellenlänge unterhalb der Wellenlänge a zu einer IR/VIS-Strahlung vereinigt werden, die die Anteile der Infrarotstrahlung mit einer Wellenlänge unterhalb der Wellenlänge a und die Anteile der Strahlung im sichtbaren Spektrum mit einer Wellenlänge oberhalb der Wellenlänge a nicht umfasst, wobei man einen zweiten Strahlteiler, der Strahlung mit einer Wellenlänge oberhalb einer Wellenlänge b transmittiert und Strahlung mit einer Wellenlänge unterhalb der Wellenlänge b reflektiert, wobei b in einem Bereich von 360 bis 440 nm liegt, mit der IR/VIS-Strahlung und einer UVA-Strahlung bestrahlt, sodass die Anteile der IR/VIS-Strahlung mit einer Wellenlänge oberhalb der Wellenlänge b du die Anteile der UVA-Strahlung mit einer Wellenlänge unterhalb der Wellenlänge b zu einer IR/VIS/UVA-Strahlung vereinigt werden, die die Anteile der IR/VIS-Strahlung mit einer Wellenlänge unterhalb der Wellenlänge b und die Anteile der UVA-Strahlung mit einer Wellenlänge oberhalb der Wellenlänge b nicht umfasst, wobei man einen dritten Strahlteiler der Strahlung mit einer Wellenlänge oberhalb einer Wellenlänge c transmittiert und Strahlung mit einer Wellenlänge unterhalb der Wellenlänge c reflektiert, wobei c in einem Bereich von 300 bis 340 nm liegt, mit der IR/VIS/UVA-Strahlung und einer UVB-Strahlung bestrahlt, sodass die Anteile der IR/VIS/UVA-Strahlung mit einer Wellenlänge oberhalb der Wellenlänge c und die Anteile der UVB-Strahlung mit einer Wellenlänge unterhalb der Wellenlänge c zu einer simulierten solaren terrestrischen Strahlung vereinigt werden, die die Anteile der IR/VIS/UVA-Strahlung mit einer Wellenlänge über der Wellenlänge c und die Anteile der UVB-Strahlung mit einer Wellenlänge oberhalb der Wellenlänge c nicht umfasst, wobei die Intensität der Infrarotstrahlung, der Strahlung im sichtbaren Spektrum, der UVA-Strahlung und der UVB-Strahlung unabhängig voneinander gewählt werden.
Verwendung einer Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9 zur Durchführung eines Verfahrens nach Anspruch 10.