DE112006003778B4

DE112006003778B4 - Optische Messvorrichtung

Info

Publication number: DE112006003778B4
Application number: DE112006003778.1T
Authority: DE
Inventors: Kazuaki Ohkubo
Original assignee: Otsuka Electronics Co Ltd
Current assignee: Otsuka Electronics Co Ltd
Priority date: 2006-04-12
Filing date: 2006-04-12
Publication date: 2014-12-24
Anticipated expiration: 2026-04-13
Also published as: DE112006003778T5; WO2007122674A1; US7283222B1; KR20080108403A; JPWO2007122674A1; CN101287974A; CN101287974B; US20070242264A1; JP4216314B2; KR100967859B1

Abstract

Optische Messvorrichtung, umfassend: einen planen Spiegel, der eine zentrale Öffnung aufweist, die als Lichteintrittsfenster oder als Lichtquellen-Einpassloch dient, und eine Halbkugel, deren Krümmungsradiuszentrum in der zentralen Öffnung des planen Spiegels definiert ist und deren Innenwandfläche als Licht streuende Reflexionsfläche funktioniert, wobei der plane Spiegel und die Halbkugel im Inneren einen Integrationsraum bilden; dadurch gekennzeichnet, dass der plane Spiegel ein Beobachtungsfenster aufweist, durch das ein Photodetektor Messungen vornehmen kann; wobei kein Leitblech in dem Integrationsraum angeordnet ist.

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft eine optische Messvorrichtung, die den Gesamtlichtfluss einer Lichtquelle messen kann.
Stand der Technik
Eine Gesamtlichtfluss-Messvorrichtung ist eine optische Messvorrichtung, die den Gesamtlichtfluss einer von der Oberfläche emittierenden Lichtquelle wie etwa eines Displays in Bezug auf eine Gesamtlichtfluss-Standardlampe, die etwa zylindrische Lichtquelle ist, messen kann. Eine typische herkömmliche Gesamtlichtfluss-Messvorrichtung umfasst eine perfekte Integrationskugel, deren Innenfläche mit einem perfekt streuenden Reflexionsmaterial wie etwa Bariumsulfat beschichtet ist. Eine Probenlampe, die das zu messende Objekt ist, wird im Zentrum der Integrationskugel angeordnet, wobei ihr Lichtfluss durch ein Beobachtungsfenster auf der Oberfläche der Integrationskugel gemessen wird. Ein Leitblech ist zwischen dem Beobachtungsfenster und der Probenlampe angeordnet, sodass das von der Probenlampe emittierte Licht nicht direkt in das Beobachtungsfenster eintritt. Indem der Lichtfluss der Probenlampe mit dem bekannten Gesamtlichtfluss einer Gesamtlichtfluss-Standardlampe unter Verwendung eines derartigen Kugelphotometers gemessen und verglichen wird, kann der Gesamtlichtfluss der Probenlampe erhalten werden.
In einem derartigen Kugelphotometer muss die Probenlampe im Zentrum der Integrationskugel betrieben werden, sodass ein Halteglied für die Fixierung der Probenlampe im Zentrum der Integrationskugel erforderlich ist. Weil jedoch ein derartiges Halteglied und die Lampe selbst Licht absorbieren und dadurch einen Messfehler verursachen, wird das Halteglied häufig mit demselben Material beschichtet, das auch auf der Innenfläche der Integrationskugel aufgetragen ist.
Gemäß einem vorgeschlagenen Verfahren wird eine Lichtquelle zum Messen der Selbstabsorption auf der Innenfläche der Integrationskugel betrieben, wobei die Selbstabsorption des Halteglieds und der Probenlampe als das Verhältnis zwischen der Ausgabe der Messvorrichtung mit dem Halteglied und der Probenlampe einerseits und der Ausgabe der Probenlampe ohne Messvorrichtung und Halteglied andererseits berechnet wird. Tatsächlich dient das Lampenhalteglied häufig auch als Drahtführung für den Betrieb der Lampe und ist häufig an der Integrationskugel fixiert. Deshalb wird gewöhnlich nur das Selbstabsorptionsverhältnis der Probenlampe berechnet (siehe JIS CS607-1991, Method for Measuring the Total Luminous Flux of Light Measuring Standard Electrical Discharge Lamp, Appendix: How to Calculate Correction Coefficient, 2. How to Define Self Absorption Correction Coefficient k2 according to Various Lamp Shapes or Sizes).
Außerdem unterscheiden sich die räumlichen und spektralen Verteilungen des aus der Probenlampe emittierten Lichts von denjenigen der Gesamtlichtfluss-Standardlichtquelle, sodass die Selbstabsorption des Lampenhalteglieds und der Probenlampe einen nicht zu vernachlässigenden Wert aufweist.
Um dieses Problem zu beseitigen, wurde eine neuartige Gesamtlichtfluss-Messvorrichtung einschließlich einer Halbkugel und eines planen Spiegels in dem Patentdokument 1 vorgeschlagen.
Die in dem Patentdokument Nr. 1 vorgeschlagene Vorrichtung wird hergestellt, indem eine Integrationshalbkugel 2, deren Innenfläche mit einem Licht streuenden Reflexionsmaterial 1 wie etwa Bariumsulfat beschichtet ist, vorgesehen wird und die Öffnung der Integrationshalbkugel 2 mit einem planen Spiegel 3 wie in 8 gezeigt geschlossen wird. Ein Loch 5 wurde durch den planen Spiegel 3 derart geschnitten, dass es im Zentrum der Krümmung der Integrationshalbkugel vorgesehen ist und eine zu messende Lichtquelle 4 aufnimmt. Indem die zu messende Lichtquelle 4 in der Integrationshalbkugel 2 betrieben wird, wird ein virtuelles Bild der Innenwand der Integrationshalbkugel 2 und der zu messenden Lichtquelle 4 durch den planen Spiegel 3 gebildet. Die zu messende Lichtquelle 4 und ein virtuelles Bild derselben leuchten also beide in einer Integrationskugel mit demselben Radius wie die Integrationshalbkugel. Auf diese Weise wird der Gesamtlichtfluss der zwei Lichtquellen, d. h. der zu messenden Lichtquelle 4 und des virtuellen Bildes derselben, durch einen Photodetektor 6 gemessen.
In dieser Vorrichtung ist das Lampenhalteglied (die Leuchtenhalterung) 8 außerhalb des Integrationsraums angeordnet, sodass der gemessene Gesamtlichtfluss nicht durch die Selbstabsorption beeinflusst wird, die durch das Lampenhalteglied 8 erzeugt wird. Folglich wird eine hohe Messgenauigkeit realisiert, ohne dass zum Beispiel ein komplizierter Prozess zum Korrigieren der Selbstabsorption des Lampenhalteglieds 8 durchgeführt werden muss. Weil außerdem der Integrationsraum nur einer Hälfte eines vollständigen Integrationsraums entspricht, kann der Photodetektor 6 eine doppelte Beleuchtungsstärke an einem Lichtempfangsfenster aufweisen. Daraus resultiert, dass das Signal-Rausch-Verhältnis beim Messen des Gesamtlichtflusses erhöht werden kann.
Patentdokument Nr. 1: Offen gelegte japanische Patentanmeldung mit der Veröffentlichungsnummer 6-167338 (siehe 1)
Beschreibung der Erfindung
Problemstellung der Erfindung
Gemäß der Anordnung von 8 muss das Leitblech 7 jedoch nicht nur das direkt aus der zu messenden Lichtquelle 4 kommende Licht blockieren, sondern auch das direkt aus dem virtuellen Bild der zu messenden Lichtquelle 4 kommende Licht. Deshalb muss die Größe des Leitblechs 7 mehr als doppelt so groß vorgesehen werden wie in dem Fall, in dem nur die zu messende Lichtquelle 4 in einer vollständigen Integrationskugel wie weiter unten beschrieben betrieben wird. Das Leitblech 7 in der Integrationskugel schneidet den optischen Pfad des reflektierten Lichts in der Integrationskugel teilweise ab. Weil aber das Leitblech selbst Licht absorbiert, vergrößert sich der Messfehler wie bei dem Lampenhalteglied, das in der vollständigen Integrationskugel angeordnet ist.
Im Folgenden werden das Prinzip der Messung unter Verwendung der Integrationskugel und der durch die Selbstabsorption des Leitblechs verursachte Fehler im Detail beschrieben.
Zuerst wird das Prinzip der Messung unter Verwendung der Integrationskugel mit Bezug auf 9 beschrieben, das anhand eines planen Modells zeigt, wie die Integrationskugel funktioniert.
Es soll angenommen werden, dass eine Lichtquelle 4 im Zentrum einer Integrationskugel mit einem Radius r angeordnet ist und ein infinitesimales Flächenelement A auf der Wand der Integrationskugel mit einer Lichtstärke I₀(α) durch die Lichtquelle 4 in der durch einen Winkel α definierten Richtung beleuchtet wird. In diesem Fall wird die Beleuchtungsstärke E_a des infinitesimalen Flächenelements A auf der Integrationskugelwand durch die folgende Gleichung (1) wiedergegeben: E_a = I₀(α)/r² (1)
Auf der Innenwand der Integrationskugel wird eine perfekt gestreute Reflexion mit einem Reflexionsgrad ρ erzeugt. Wenn man annimmt, dass das infinitesimale Flächenelement A auf der Innenwand eine Fläche dS aufweist, ergibt sich der Lichtfluss Φ_a des von dem infinitesimalen Flächenelement A reflektierten Lichts durch die folgende Gleichung (2): Φ_a = ρ·E_a·dS (2)
Es soll angenommen werden, dass ein infinitesimales Flächenelement B auf der Innenwand der Integrationskugel vorhanden ist, das einen Winkel θ in Bezug auf eine Normale zu dem infinitesimalen Flächenelement A definiert. Weil das infinitesimale Flächenelement A eine perfekt streuende Reflexionsfläche ist, wird die Lichtstärke I_a(θ) in der Richtung von dem infinitesimalen Flächenelement A zu dem infinitesimalen Flächenelement B durch die folgende Gleichung (3) berechnet. I_a(θ) = Φ_a·cosθ/π (3)
Weil die Fläche B auf der Innenwand der Integrationskugel angeordnet ist, weist das zu der Fläche B gerichtete Licht mit der Lichtstärke I_a(θ) einen Einfallswinkel θ auf und ist die Distanz von dem infinitesimalen Flächenelement A zu dem infinitesimalen Flächenelement B gleich 2r·cosθ. Deshalb weist an der Fläche B das Licht mit der Lichtstärke I_a(θ) die Beleuchtungsstärke E_ab auf, die sich aus der folgenden Gleichung (4) ergibt: E_ab = I_a(θ)·cosθ/(2r·cosθ)² = Φ_a/(4π·r²) = ρ·I₀(α)·dS/(4π·r⁴) (4)
Aus der Gleichung (4) wird deutlich, dass das durch das infinitesimale Flächenelement A reflektierte Licht einen beliebigen Teil der Innenwand der Integrationskugel mit Licht mit einer gleichmäßigen Beleuchtungsstärke unabhängig von dem Winkel θ des von dem infinitesimalen Flächenelement A reflektierten Lichts beleuchtet. Weil die Integrationskugel eine Innenfläche von 4π·r² aufweist, kann die sehr kleine Fläche dS durch die folgende Gleichung (5) unter Verwendung eines kleinen soliden Winkels δΩ berechnet werden: dS = (4π·r²/2π)·dΩ = 2r²·dΩ (5)
Deshalb kann die Gleichung (4) zu der folgenden Gleichung (6) modifiziert werden: E_ab = ρ·I₀(α)·dΩ/(2π·r²) (6)
Der Gesamtlichtfluss Φ der Lichtquelle 4 wird durch die Integration von I₀(α)·dΩ der Gleichung (6) über den gesamten Raum erhalten. Deshalb weist das reflektierte Licht der ersten Ordnung des Strahlenbündels, das aus der Lichtquelle 4 emittiert und dann von der gesamten Innenwand der Integrationskugel reflektiert wurde, eine Beleuchtungsstärke E_b1 auf der Fläche B auf, was durch die folgende Gleichung (7) wiedergegeben wird: E_b1 = ρ·Φ/(2π·r²) (7)
Das reflektierte Licht der ersten Ordnung des Strahlenbündels, das aus der Lichtquelle 4 emittiert wurde und dann von der Innenwand der Integrationskugel mit einer Beleuchtungsstärke E_b1 auf die Fläche B reflektiert wurde, wird weiterhin durch die Fläche B reflektiert, um eine Reflexion der zweiten Ordnung mit einem Reflexionsgrad ρ zu erzeugen. Wenn man annimmt, dass das infinitesimale Flächenelement B eine Fläche dS aufweist, ergibt sich der Lichtfluss Φ_b,2 des von der Fläche B reflektierten Lichts durch die folgende Gleichung (8): Φ_b,2 = ρ·E_b1·dS = ρ·E_b1·2r²·dΩ (8)
Weil die Fläche B eine perfekt streuende Reflexionsfläche ist, wird die Beleuchtungsstärke I_b(θ) des von der Fläche B mit dem Winkel θ gestreuten Lichts durch die folgende Gleichung (9) berechnet: I_b(θ) = Φ_b,2·cosθ/π (9)
Wenn man annimmt, dass ein Punkt C vorhanden ist, der den Winkel θ in Bezug auf die Fläche B definiert, ergibt sich die Beleuchtungsstärke E_bc des Lichts mit der Lichtstärke I_b(θ) auf der Fläche B durch die folgende Gleichung (10): Ebc = I_b(θ)·cosθ/(2r·cosθ)² = Φ_b,2/(4π·r²) = ρ·{ρ·Φ·dΩ}/(2π·r²) (10)
Folglich beleuchtet das von der Fläche B reflektierte Licht der zweiten Ordnung einen beliebigen Teil der Innenwand der Integrationskugel mit einer konstanten Beleuchtungsstärke unabhängig von dem Winkel θ, mit dem das Licht von der Fläche B reflektiert wurde. Das heißt, das reflektierte Licht der zweiten Ordnung von der gesamten Innenwand der Integrationskugel weist eine Beleuchtungsstärke auf der Fläche B auf, die durch das Integrieren von dΩ der Gleichung (10) über den gesamten Raum erhalten wird, wie durch die folgende Gleichung (11) wiedergegeben: E_b2 = ρ²·Φ/(2π·r²) (11)
Wenn man annimmt, dass das von der Lichtquelle 4 direkt zu der Fläche B emittierte Licht eine Lichtstärke I₀(β) aufweist, und wenn man reflektiertes Licht einer hohen Ordnung betrachtet, das dem reflektierten Licht der ersten Ordnung folgt, ergibt sich die Beleuchtungsstärke Eb des Lichts auf der Fläche B durch die folgende Gleichung (12): E_b = I₀(β)/r² + ρ·Φ/(2π·r²) + ρ²·Φ/(2π·r²) + ρ·Φ/(2π·r²) ... = I₀(β)/r² + ρ·Φ/{(1 – ρ)·2π·r²} (12)
Wenn die Lichtquelle 4 eine kugelförmige räumliche Lichtverteilung erzeugt, wird die Beleuchtungsstärke E_b,0 des direkt aus der Lichtquelle 4 kommenden Lichts mit der Beleuchtungsstärke E_b auf der Fläche B durch die folgende Gleichung (13) berechnet: E_b,0 = I₀(β)/r² = Φ/(2π ·r²) (13)
Weiterhin wird die Beleuchtungsstärke E_b,r des von der Innenwand der Integrationskugel reflektierten Lichts mit einer Beleuchtungsstärke E_b auf der Fläche B durch die folgende Gleichung (14) berechnet: E_b,r = ρ·Φ/{(1 – ρ)·2π·r²) (14)
Das Verhältnis der Beleuchtungsstärke E_b,0 des direkt aus der Lichtquelle 4 kommenden Lichts zu der Beleuchtungsstärke E_b,r des von der Innenwand der Integrationskugel reflektierten Lichts ergibt sich aus der folgenden Gleichung (15): E_b,0:E_b,r = Φ/(2π·r²):ρ·Φ/{(1 – ρ)·2π·r²} = 1:ρ/(1 – ρ) (15)
Das Verhältnis wird durch den Reflexionsgrad ρ der Licht streuenden Reflexionsfläche 1 bestimmt. Wenn zum Beispiel der Reflexionsgrad bei ungefähr 95% liegt, weist das direkt aus der Lichtquelle 4 kommende Licht eine Beleuchtungsstärke E_b,0 von ungefähr 5% auf. Dieser Wert wird erhalten, wenn die Lichtquelle 4 eine kugelförmige räumliche Lichtverteilung erzeugt und eine wesentlichen Änderung der räumlichen Lichtverteilung des durch die zu messende Lichtquelle 4 erzeugten Lichts vorliegt.
Aus diesem Grund weist die herkömmliche Integrationskugel ein Beobachtungsfenster auf der Wandfläche B der Integrationskugel auf. Und wenn ein Photodetektor 6 mit einer korrigierten Lichtausbeute an dem Beobachtungsfenster angeordnet ist, wird das direkt mit der Lichtstärke I₀(β) aus der Lichtquelle 4 kommende Licht durch das Lenkblech 7 abgeschnitten. Daraus resultiert, dass der Photodetektor 6 eine Beleuchtungsstärke messen kann, die proportional zu dem Gesamtlichtfluss der Lichtquelle 4 ist.
Im Folgenden wird ein durch die Selbstabsorption des Leitblechs verursachter Fehler mit Bezug auf 10(a) und 10(b) beschrieben.
Es soll angenommen, werden, dass das Leitblech 7 zwischen der Lichtquelle 4 und dem Photodetektor 6 wie in 10(a) und 10(b) gezeigt angeordnet ist. Wenn in diesem Fall durch das Lichtempfangsfenster des Photodetektors 6 geblickt wird, ist die Beleuchtung von dem p-q-Bereich auf der Innenwand der Integrationskugel wie in 10(a) gezeigt abwesend. Wenn dagegen von der Lichtquelle 4 her geblickt wird, kann der p'-q'-Bereich auf der Innenwand der Integrationskugel wie in 10(b) gezeigt nicht direkt beleuchtet werden. Daraus resultiert, dass Messfehler in beiden Situationen erzeugt werden. Dieser Fehler vergrößert sich, wenn das Leitblech 7 größer wird. Je größer die zu messende Lichtquelle 4 ist, desto größer muss das Leitblech 7 sein.
Bei der Anordnung von 8 ist das Leitblech 7 zum Abschneiden des direkt aus der zu messenden Lichtquelle 4 kommenden Lichts auf den planen Spiegel 3 gesetzt. In diesem Fall muss das Leitblech 7 das direkt aus den zwei Lichtquellen, d. h. aus der zu messenden Lichtquelle 4 und von dem virtuellen Bild, kommende Licht wie in 11 gezeigt abschneiden. Deshalb muss in der Anordnung von 8 die Größe des Leitblechs 7 im Vergleich zu dem Fall, in dem nur die zu messende Lichtquelle 4 in der vollständigen Integrationskugel betrieben wird, mehr als verdoppelt werden, wodurch aber auch die Größe der Messfehler vergrößert wird.
Aus DE 40 24 929 A1 ist eine optische Messvorrichtung bekannt, mit einer Halbkugel, die im Inneren einen Integrationsraum bildet, und mit einer planen Ebene mit einer Öffnung, die als Lichteintrittsfenster dient. Durch ein Beobachtungsfenster in der planen Ebene kann ein Photodetektor Messungen vornehmen. Zwischen Lichteintrittsöffnung und Detektor befindet sich eine bis etwa zur Mitte der Kugelhälfte reichende Trennwand.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine optische Messvorrichtung anzugeben, die den Gesamtlichtfluss mit hoher Genauigkeit messen kann, wobei Messfehler, die ansonsten durch das Vorhandensein eines Leitblechs verursacht werden, wesentlich reduziert werden können.
Problemlösung
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst wie in Anspruch 1 angegeben. Vorteilhafte Ausführungsbeispiele ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Eine optische Messvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung umfasst: einen planen Spiegel, der eine zentrale Öffnung, die als Lichteintrittsfenster oder als Lichtquellen-Befestigungsloch dient, und ein Beobachtungsfenster aufweist, durch das ein Photodetektor Messungen vornehmen kann; und eine Halbkugel, deren Krümmungsradiuszentrum in der zentralen Öffnung des planen Spiegel definiert ist und deren Innenwand als Licht streuende Reflexionsfläche dient. Der plane Spiegel und die Halbkugel bilden im Inneren einen Integrationsraum. In dem Integrationsraum ist kein Leitblech angeordnet.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist der Photodetektor in das Beobachtungsfenster des planen Spiegels gepasst.
In einer anderen bevorzugten Ausführungsform steht eine in die zentrale Öffnung gepasste Lichtquelle von dem planen Spiegel mit einer Höhe L_h in den Integrationsraum vor. Wenn in dieser Situation die Distanz von dem Zentrum der zentralen Öffnung zu dem Zentrum des Beobachtungsfensters gleich L ist, das Beobachtungsfenster einen Radius R₁ aufweist und eine lichtempfindliche Ebene des Photodetektors einen Radius R₂ aufweist, ist der Photodetektor mit einer Distanz L_d unterhalb des Beobachtungsfensters angeordnet und erfüllt die Beziehung: L_d > L_h(R₁ + R₂)/(L – R₁).
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist der Photodetektor ein Luminometer.
In dieser speziellen bevorzugten Ausführungsform beträgt die Distanz von dem Beobachtungsfenster zu der zentralen Öffnung 65% oder mehr des Krümmungsradius der Halbkugel.
Effekte der Erfindung
Die optische Messvorrichtung der vorliegenden Erfindung weist ein Beobachtungsfenster auf einem planen Spiegel auf, der sich durch das Zentrum einer Integrationshalbkugel erstreckt und so verhindern kann, dass das direkt von einer Lichtquelle kommende Licht in das Beobachtungsfenster eintritt, ohne dass ein Leitblech in dem Integrationsraum vorgesehen werden muss. Deshalb gibt es keine Selbstabsorption des Leitblechs und keine Vignette der reflektierten Strahlenbündel, sodass durch diese Erscheinungen verursachte Messfehler reduziert werden. Folglich kann der Gesamtlichtfluss mit einer hohen Ausgabe und einem hohen Signal-Rausch-Verhältnis gemessen werden.
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
1 ist eine Querschnittansicht eines Kugelphotometers gemäß einer ersten bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
2 ist eine Querschnittansicht eines Kugelphotometers gemäß einer zweiten bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
3 zeigt die räumliche Verteilung des durch eine zylindrische Lichtquelle erzeugten Lichts.
4 zeigt die relative Position eines Photodetektors 6, wenn ein Strahlenbündel direkt von einer Lichtquelle 4 in ein Beobachtungsfenster 6' eintritt.
5 ist eine Querschnittansicht eines Kugelphotometers gemäß einer dritten bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, wenn das Photometer verwendet wird, um Messungen einer planen Lichtquelle vorzunehmen.
6 ist eine Querschnittansicht eines Kugelphotometers gemäß einer dritten bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, wenn das Photometer verwendet wird, um Messungen einer zylindrischen Lichtquelle vorzunehmen.
7 zeigt Messfehler unter Verwendung der Position eines Beobachtungsfensters als Parameter, wenn der Gesamtlichtfluss einer planen Lichtquelle mit einer zylindrischen Lichtquelle gemessen wird, die als Gesamtlichtflussstandard betrachtet wird.
8 zeigt die Anordnung des Photometers in dem Patentdokument Nr. 1.
9 zeigt das Betriebsprinzip eines Kugelphotometers.
10(a) und 10(b) zeigen Fehler, die verursacht werden, wenn ein Leitblech in einem Kugelphotometer vorgesehen ist.
11 zeigt eine Fehler, der verursacht wird, wenn ein Leitblech in einem Kugelphotometer mit der in dem Patentdokument Nr. 1 angegebenen Anordnung angeordnet ist.
Bezugszeichenliste

1: Licht streuende Reflexionsfläche
2: Integrationshalbkugel
3: planer Spiegel
4: Lichtquelle
5: Lichtquellen-Einpassfenster
6: Photodetektor
6': Beobachtungsfenster
7: Leitblech
8: Luminometer

Bevorzugte Ausführungsform der Erfindung
Die Erfinder der vorliegenden Erfindung haben das Verhalten von Licht in einem Integrationsraum, der durch eine Integrationshalbkugel und einen planen Spiegel wie in dem Patentdokument Nr. 1 angegeben gebildet wird, analysiert und dabei festgestellt, dass wenn ein Beobachtungsfenster, das gemäß dem Betriebsprinzip aus dem Stand der Technik auf der Kugel angeordnet werden sollte, statt dessen auf dem planen Spiegel angeordnet wird, der Gesamtlichtfluss einer Lichtquelle weiterhin gemessen werden kann und auf das Leitblech verzichtet werden kann.
Wie bereits im Detail mit Bezug auf 9 beschrieben, wurde das herkömmliche Prinzip zur Messung des Gesamtlichtflusses durch Gleichungen zu der Beleuchtungsstärke auf der Innenwandfläche der Integrationskugel erhalten, wobei man davon ausging, dass dieses nur auf eine kugelförmige Innenwandfläche anwendbar sein. Im Verlauf von Untersuchungen haben die Erfinder der vorliegenden Erfindung jedoch herausgefunden, dass das Prinzip entgegen dieser verbreiteten Annahme auch auf einen planen Spiegel angewendet werden kann, der sich durch das Zentrum einer Kugel erstreckt. Wir haben die grundlegende Idee der vorliegenden Erfindung auf der Basis dieser Erkenntnis gewonnen und geben eine neuartige Anordnung an, in der das Beobachtungsfenster auf dem planen Spiegel angeordnet ist, sodass der Gesamtlichtfluss genauer und ohne Leitblech gemessen werden kann.
Im Folgenden werden bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben.
(Ausführungsform 1)
Im Folgenden wird eine erste bevorzugte Ausführungsform einer optischen Messvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung mit Bezug auf 1 beschrieben.
Die optische Messvorrichtung dieser bevorzugten Ausführungsform ist eine Gesamtlichtfluss-Messvorrichtung, die eine Integrationshalbkugel 2, deren Innenwandfläche als Licht streuende Reflexionsfläche 1 dient, und einen planen Spiegel 3 zum Schließen der Öffnung der Integrationshalbkugel 2 umfasst. Die Licht streuende Reflexionsfläche 1 wird durch das Beschichten der Innenfläche der Integrationshalbkugel 2 mit einem streuenden Material gebildet, das die zu messende Strahlung streut, wobei die Innenfläche der Integrationshalbkugel 2 aber auch entsprechend bearbeitet werden kann. Der plane Spiegel 3 weist eine zentrale Öffnung, die als Lichteintrittsfenster oder Lichtquellen-Einpassloch 5 dient, und ein Beobachtungsfenster 6' auf, durch das ein Photodetektor 6 Messungen vornehmen kann. Das Zentrum des Krümmungsradius der Halbkugel 2 ist in der zentralen Öffnung des planen Spiegels 3 definiert, wobei der plane Spiegel 3 und die Integrationshalbkugel 2 im Inneren einen halbkugelförmigen Integrationsraum bilden. Und die Lichtquelle 4, deren Gesamtlichtfluss gemessen werden soll, wird in das Lichtquellen-Einpassloch 5 des planen Spiegels 3 eingepasst.
Die Gesamtlichtfluss-Messvorrichtung dieser bevorzugten Ausführungsform unterscheidet sich von einer herkömmlichen Gesamtlichtfluss-Messvorrichtung durch die Position des Photodetektors 6. Während nämlich ein Beobachtungsfenster zum Einpassen eines Photodetektors auf der kugelförmigen Wandfläche der Integrationskugel vorgesehen ist, ist gemäß dieser bevorzugten Ausführungsform das Beobachtungsfenster 2 zum Einpassen des Photodetektors 2 nicht an der Wandfläche der Integrationshalbkugel, sondern auf dem planen Spiegel 3 vorgesehen.
Im Folgenden wird das Betriebsprinzip der Messvorrichtung dieser bevorzugten Ausführungsform mit Bezug auf 1 beschrieben.
In dieser bevorzugten Ausführungsform soll angenommen werden, dass die zu messende Lichtquelle 4 eine plane Lichtquelle wie etwa eine LCD-Hintergrundbeleuchtung ist, die eine perfekt gestreute räumliche Lichtverteilung aufweist. Wie in 1 gezeigt, definiert eine Linie, die das Zentrum des Beobachtungsfensters 6' und ein infinitesimales Flächenelement A auf der Integrationshalbkugel 2 miteinander verbindet, einen Winkel θ_d in Bezug auf eine Normale von dem infinitesimalen Flächenelement A zu dem planen Spiegel 3. Und θ ist der Winkel zwischen einer Linie, die das Zentrum der Lichtquelle 4 (d. h. das Krümmungszentrum der Integrationshalbkugel 2) mit dem infinitesimalen Flächenelement A verbindet, und einer Normalen zu der Lichtquelle 4. Wenn weiterhin die Lichtquelle 4 einen Gesamtlichtfluss Φ und eine Lichtstärke I₀(0) entlang der Normalen aufweist, dann wird die folgende Gleichung (16) erfüllt: Φ = π·I₀(0) (16)
Gemäß dem Lambertschen Cosinusgesetz ergibt sich die Lichtstärke I₀(θ) in der Richtung von der Lichtquelle 4 zu dem infinitesimalen Flächenelement A aus der folgenden Gleichung (17): I₀(θ) = I₀(0)·cosθ = (Φ/π)·cosθ/π = Φ·cosθ/π (17)
Wenn man annimmt, dass die Integrationshalbkugel einen Krümmungsradius r aufweist, wird die Beleuchtungsstärke E₀(θ) an dem infinitesimalen Flächenelement A auf der Innenwand der Integrationskugel durch die folgende Gleichung (18) wiedergegeben: E₀(θ) = I₀(θ)/r² = Φ·cosθ/(π·r²) (18)
Auf der Licht streuenden Reflexionsfläche 1 auf der Innenwand der Integrationshalbkugel 2 wird eine perfekt gestreute Reflexion mit einem Reflexionsgrad ρ erzeugt. Wenn man annimmt, dass das infinitesimale Flächenelement A auf der Innenwand eine Fläche Δs aufweist, ergibt sich der Lichtfluss Φ_a des von dem infinitesimalen Flächenelement A reflektierten Lichts durch die folgende Gleichung (19): Φ_a = ρ·E₀(θ)·Δs = ρ·Δs·Φ·cosθ/(π·r²) (19)
Wenn die lichtempfindliche Ebene des Photodetektors 6 derart angeordnet ist, dass sie einen Winkel θ + θ_d in Bezug auf eine Normale zu dem infinitesimalen Flächenelement A definiert, wird die Lichtstärke I_a,d(θ) des Lichts mit dem Leichtfluss Φ_a von dem infinitesimalen Flächenelement A zu dem Photodetektor 6 durch die folgende Gleichung (20) berechnet, weil das infinitesimale Flächenelement A eine perfekt gestreute Reflexionsfläche ist: I_a,d(θ) = (Φ_a/π)·cos(θ + θ_d) = Φ_a·cos(θ + θ_d)/π = ρ·Δs·Φ·cosθ·cos(θ + θ_d)/(π²·r²) (20)
Wenn man annimmt, dass L_ad die Distanz von dem infinitesimalen Flächenelement A zu der lichtempfindlichen Ebene des Photodetektors 6 ist, ergibt sich die Beleuchtungsstärke E_a,d,1 des reflektierten Lichts der ersten Ordnung, das aus der Lichtquelle 4 mit der Lichtstärke I₀(θ) emittiert wurde, von dem infinitesimalen Flächenelement A reflektiert wurde und dann an dem Photodetektor 6 erfasst wird, aus der folgenden Gleichung (21): E_a,d,1 = I_a,d(θ)/L_ad ² = ρ·Δs·Φ·cosθ·cos(θ + θ_d)/(π·r²·L_ad ²) (21)
Weiterhin ergibt sich die Beleuchtungsstärke E_a,f des Lichts, das von der Lichtquelle 4 in allen Richtungen ausgestrahlt wurde und dann auf das infinitesimale Flächenelement A fällt, aus der folgenden Gleichung (22) ähnlich wie in der Gleichung (12): E_a,f = ρ·Φ/{(1 – ρ)·π·r²) (22) wobei jedoch die Beleuchtungsstärke an dem infinitesimalen Flächenelement A aufgrund des durch den planen Spiegel 3 erzeugten virtuellen Bildes verdoppelt wurde.
Der Lichtfluss Φ_a,f des von dem infinitesimalen Flächenelement A mit der Beleuchtungsstärke E_a,f reflektierten Lichts ergibt sich aus der folgenden Gleichung (23): Φ_a,f = ρ·E_a,f·Δs = ρ²·Δs·Φ/{(1 – ρ)·π·r²) (23)
Die Leuchtintensität I_a,d,f(θ) des Lichts, das mit dem Lichtfluss Φ_a,f von dem infinitesimalen Flächenelement A zu dem Photodetektor 6 reflektiert wurde, wird durch die folgende Gleichung (24) berechnet, weil das infinitesimale Flächenelement A eine perfekt gestreute Fläche wie in der Gleichung (20) ist: I_a,d,f(θ) = Φ_a,d,f·cosθ/π = ρ²·Δs·Φ·cosθ/{(1 – ρ)·π²·r²) (24)
Deshalb wird die Beleuchtungsstärke E_a,d,f des Lichts, das von der Lichtquelle 4 mit dem Gesamtlichtfluss emittiert wurde, von dem infinitesimalen Flächenelement a als reflektiertes Licht der ersten Ordnung reflektiert wurde und dann auf den Photodetektor 6 fällt, durch die folgende Gleichung (25) wiedergegeben: E_a,d,f = I_a,d,f(θ)/L_ad ² = ρ²·Δs·Φ·cosθ/{1 – ρ)·π²·r²·L_ad ²} (25)
Das heißt, die Beleuchtungsstärke E_a,d auf der lichtempfindlichen Ebene des Photodetektors 6 des Lichts, das von dem infinitesimalen Flächenelement A auf der Innenwand der Integrationshalbkugel 2 gekommen ist, erfüllt die folgende Gleichung (26): E_a,d = E_a,d,1 + E_a,d,f (26)
Das Verhältnis zwischen E_a,d,1 und E_a,d,f ergibt sich aus der folgenden Gleichung (27): E_a,d,1:E_a,d,f = cos(θ + θ_d):ρ/(1 – ρ) (27)
Das Verhältnis der Beleuchtungsstärke E_F,d,1 auf dem Photodetektor 6 des reflektierten Lichts der ersten Ordnung, das aus der Lichtquelle 4 emittiert wurde und dann von der gesamten Innenwand der Integrationshalbkugel 2 reflektiert wurde, zu der Beleuchtungsstärke E_a,d,f auf dem Photodetektor 6 des gestreuten reflektierten Lichts, das von der gesamten Innenwand der Integrationshalbkugel 2 reflektiert wurde, ist gleich dem Wert der durch das Integrieren von (θ + θ_d) und θ in Bezug auf den gesamten Raum für E_a,d,1 und E_a,d,f der Gleichung (27) erhalten wird. Das ist der Grund, warum das Verhältnis die folgende Gleichung (28) erfüllt: E_F,d,1:E_F,d,f = 2π/3:π·ρ/(1 – ρ) = 2/3:ρ/(1 – ρ) (28)
In dieser bevorzugten Ausführungsform wird E_F,d,1 unter der Annahme berechnet, dass die Lichtquelle 4 eine perfekt streuende Lichtquelle mit einer idealen Ebene ist. Tatsächlich hängt jedoch E_F,d,1 von der räumlichen Verteilung des aus der Lichtquelle 4 emittierten Lichts ab, was aus der Gleichung (17) hervorgeht. Weiterhin hängt E_F,d,f von dem Gesamtlichtfluss der Lichtquelle 4 ab und wird nicht durch die räumliche Verteilung des Lichts beeinflusst, was aus der Gleichung (22) hervorgeht. Dementsprechend wird E_F,d,1 zu einem systematische Fehler, wenn der Gesamtlichtfluss gemessen wird.
Wie aus der Gleichung (28) hervorgeht, ist das Verhältnis von E_F,d,1 zu E_F,d,f immer konstant und hängt weder von θ, noch von dem Winkel θ_d der Linie zwischen dem Zentrum des Beobachtungsfensters 6' und dem infinitesimalen Flächenelement A ab. Mit anderen Worten ist E_F,d,f immer konstant, unabhängig davon, wo das Beobachtungsfenster 6' auf dem planen Spiegel angeordnet ist.
Wenn in diesem Fall die Integrationshalbkugel 2 einen Reflexionsgrad ρ von 95% oder mehr aufweist, liegt E_F,d,1 bei 3,4% oder weniger von E_F,d,1, was einem Wert in einer außergewöhnlichen Situation entspricht, in der eine der zwei Lichtquellen, deren Gesamtlichtfluss verglichen werden soll, eine Beleuchtungsstärke E_F,d,f von null aufweist. Das heißt, dieser Wert von 3,4% ist ein Fehler, der auftritt, wenn die Lichtquelle 4, die eine Lichtverteilung in einem derart schmalen Band aufweist, dass die Beleuchtungsstärke I₀(θ) in der Richtung von der Lichtquelle 4 zu dem infinitesimalen Flächenelement A einen Wert ungleich null aufweist, aber die Leuchtintensität I₀ in den anderen Richtungen gleich null ist, mit einer Lichtquelle mit einer perfekt gestreuten räumlichen Lichtverteilung verglichen wird. Zum Beispiel wird ein derartiger Fehler verursacht, wenn der Gesamtlichtfluss einer perfekt gestreuten Lichtquelle mit demjenigen der Quelle eines Lichtstrahls verglichen wird, der nur auf dem infinitesimalen Flächenelement A verdichtet wird. Das ist der Grund, warum gewöhnlich ein Fehler von höchstens 1% auftritt.
Von den beiden Beleuchtungsstärken E_F,d,1 und E_F,d,f wird E_F,d,1 durch die räumliche Verteilung der Lichtquelle 4 beeinflusst, während der Wert E_F,d,f proportional zu dem Gesamtlichtfluss unabhängig von der räumlichen Verteilung der Lichtquelle 4 ist. Das ist der Grund, warum bei dem Vergleich der Gesamtlichtflüsse der zwei Lichtquellen mit beinahe gleicher räumlicher Lichtverteilung eine hohe Genauigkeit durch diese ideale Integrationskugel realisiert wird, in der kein Fehler durch die Selbstabsorption des Leitblechs 7 verursacht wird.
(Ausführungsform 2)
Im Folgenden wird eine zweite bevorzugte Ausführungsform einer optischen Messvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung mit Bezug auf 2 beschrieben.
Das Photometer von 2 umfasst eine Integrationshalbkugel 2, deren Innenwandfläche als Licht streuende Reflexionsfläche 1 dient, und einen planen Spiegel, 3, der angeordnet ist, um die Öffnung der Integrationshalbkugel 2 zu schließen und sich über das Krümmungszentrum derselben erstreckt. Eine Lichtquelle 4, deren Gesamtlichtfluss gemessen werden soll, ist in ein Lichtquellen-Einpassfenster 5 eingepasst, das an dem Krümmungszentrum der Integrationshalbkugel 2 auf der Fläche des planen Spiegels 3 angeordnet ist. Weiterhin ist ein Photodetektor 6 in ein Beobachtungsfenster 6' auf der Fläche des planen Spiegels 3 eingepasst, aber derart angeordnet, dass die Lichtquelle 4 für den Photodetektor 6 unsichtbar ist.
Im Folgenden wird das Betriebsprinzip des Photometers der bevorzugten Ausführungsform beschrieben.
Die Lichtquelle 4 dieser bevorzugten Ausführungsform ist eine zylindrische Lichtquelle wie etwa eine einendige Halogenlampe. Insbesondere ist der Faden der Lichtquelle 4 in der Radialrichtung der Integrationshalbkugel 2 senkrecht zu dem planen Spiegel 3 angeordnet. Eine derartige Lichtquelle 4 weist eine räumliche Lichtverteilung wie in 2 gezeigt auf.
Es wird angenommen, dass ein infinitesimales Flächenelement A an dem Schnittpunkt zwischen einer Normalen zu dem Beobachtungsfenster 6' und der Integrationshalbkugel 2 angeordnet ist. Weiterhin soll der Einfachheit halber angenommen werden, dass das Emissionszentrum der Lichtquelle 4 an dem Krümmungszentrum der Integrationshalbkugel 2 und auf dem planen Spiegel 3 angeordnet ist.
Wenn die Lichtquelle 4 eine räumliche Lichtverteilung wie in 3 gezeigt aufweist, ergibt sich die Lichtstärke I(θ) an einem Winkel θ zwischen einer Normalen zu dem planen Spiegel, der sich über das Krümmungszentrum erstreckt, und einer Linie, die das Krümmungszentrum der Integrationshalbkugel 2 mit dem infinitesimalen Flächenelement A verbindet, aus der folgenden Gleichung (29): I(θ) = I(π/2)·sinθ (29)
Der Gesamtlichtfluss Φ der Lichtquelle 4 wird durch die folgende Gleichung (30) berechnet: Φ = π²·I(π/2) (30)
Deshalb wird die Lichtstärke I₀(θ) in der Richtung von der Lichtquelle 4 zu dem infinitesimalen Flächenelement A (durch die folgende Gleichung (31) wiedergegeben: I₀(θ) = Φ·sinθ/π² (31)
Wenn man annimmt, dass die Integrationshalbkugel 2 einen Krümmungsradius r aufweist, wird die Beleuchtungsstärke E₀(θ) an dem infinitesimalen Flächenelement A auf der Innenwand der Integrationskugel durch die folgende Gleichung (32) wiedergegeben: E₀(θ) = Φ·sinθ/(π²·r²) (32)
Wenn man annimmt, dass die perfekt gestreute Reflexion mit einem Reflexionsgrad ρ auf der Licht streuenden Reflexionsfläche 1 auf der Innenwand der Integrationshalbkugel erzeugt wird und dass das infinitesimale Flächenelement A auf der Innenwand eine Fläche Δs aufweist, dann wird der Lichtfluss Φ_a des von dem infinitesimalen Flächenelement A reflektierten Lichts durch die folgende Gleichung (33) wiedergegeben: Φ_a = ρ·E₀(θ)·Δs = ρ·Δs·Φ·sinθ/(π²·r²) (33)
Die Lichtempfindliche Ebene des Photodetektors 6 ist derart angeordnet, dass sie einen Winkel θ in Bezug auf eine Normale zu dem infinitesimalen Flächenelement A definiert. Die Lichtstärke I_a,d(θ) in der Richtung von dem infinitesimalen Flächenelement A zu dem Photodetektor 6 wird also durch die folgende Gleichung (34) berechnet, weil das infinitesimale Flächenelement A eine perfekt streuende Reflexionsfläche ist: I_a,d(θ) = Φ_a·cosθ/π = ρ·Δs·Φ·cosθ·sinθ/(π³·r²) (34)
Die Distanz von dem infinitesimalen Flächenelement A zu der lichtempfindlichen Ebene des Photodetektors 6 beträgt r·cosθ. Deshalb ergibt sich die Beleuchtungsstärke E_a,d,1 des reflektierten Lichts der ersten Ordnung, das aus der Lichtquelle 4 mit der Lichtstärke I(θ) emittiert wurde, von dem infinitesimalen Flächenelement A reflektiert wurde und dann an dem Photodetektor 6 erfasst wird, aus der folgenden Gleichung (35): E_a,d,1 = E_a,d(θ)/(r²·cos²θ) = ρ·Δs·Φ·sinθ/(π³·r⁴·cosθ) (35)
Weiterhin ergibt sich die Beleuchtungsstärke E_a,d,f des Lichts, das aus der Lichtquelle 4 in allen Richtungen gestrahlt wurde und dann auf das infinitesimale Flächenelement A gefallen ist, aus der folgenden Gleichung (36) wie in der Gleichung (25): E_a,d,f = I_a,d,f(θ)/(r²·cos²θ) = ρ²·Δs·Φ/{(1 – ρ)·π²·r⁴·cosθ} (36)
Die Beleuchtungsstärke E_a,d auf der lichtempfindlichen Ebene des Photodetektors 6 des Lichts, das von dem infinitesimalen Flächenelement A gekommen ist, erfüllt die folgende Gleichung (37): E_a,d = E_a,d,1 + E_a,d,f (37)
Das Verhältnis von E_a,d,1 zu E_d,f ergibt sich aus der folgenden Gleichung (38): E_a,d,1:E_a,d,f = 1:ρ·π/{(1 – ρ)·sinθ} (38)
Deshalb wird die folgende Gleichung (39) erfüllt: E_a,d,1 = E_a,d,f·(1 – ρ)·sindθ/ρ·π < E_a,d,f·(1 – ρ)/ρ·π (39)
Das Verhältnis der Beleuchtungsstärke E_F,d,1 auf dem Photodetektor 6 des reflektierten Lichts der ersten Ordnung, das aus der Lichtquelle 4 emittiert wurde und dann von der gesamten Innenwand der Integrationshalbkugel 2 reflektiert wurde, zu der Beleuchtungsstärke E_F,d,f auf dem Photodetektor 6 des gestreut reflektierten Lichts, das von der gesamten Innenwand der Integrationshalbkugel 2 reflektiert wurde, ist gleich dem Wert, der durch das Integrieren von θ in Bezug auf den gesamten Raum für E_a,d,1 und E_a,d,f der Gleichung (39) erhalten wird. Das ist der Grund, warum das Verhältnis die folgende Ungleichung (40) erfüllt: E_F,d,1 < E_F,d,f·(1 – ρ)/ρ·π (40)
Diese Ungleichung (40) wird immer erfüllt, unabhängig davon, wo das Beobachtungsfenster 6' auf dem planen Spiegel 3 angeordnet ist. Wenn die Integrationshalbkugel 2 einen Reflexionsgrad von 95% oder mehr aufweist, wird E_F,d,1 zu 1,7% oder weniger von E_F,d,f.
Der Wert von E_F,d,1 wird durch die räumliche Verteilung der Lichtquelle 4 beeinflusst, während der Wert von E_F,d,f proportional zu dem Gesamtlichtfluss unabhängig von der räumlichen Verteilung der Lichtquelle 4 ist. Das ist der Grund, warum beim Vergleichen der Gesamtlichtflüsse von zwei Lichtquellen mit beinahe gleicher räumlicher Lichtverteilung eine hohe Genauigkeit durch diese ideale Integrationskugel ohne Leitbleche 7 realisiert wird.
Im Vergleich zu der primären Standardlampe, die als nationaler Standard einer Gesamtlichtfluss-Standardlampe spezifiziert wird, kann eine einendige Halogenlampe mit einer niedrigeren Verteilungstemperatur von ungefähr 3000 K betrieben werden und kann einen höheren Prozentsatz des Lichtflusses für eine kurze Zeitdauer aufgrund des Halogenzyklus aufrechterhalten. Das ist der Grund, warum die einendige Halogenlampe effektiv als Gesamtlichtflussstandard/Spektralregelstandard verwendet werden kann. Wenn der Gesamtlichtfluss einer planen Lichtquelle unter Verwendung eines einendigen Halogenlampe als Gesamtlichtflussstandard gemessen wird, beträgt der Fehler 1,7% oder weniger, vorausgesetzt, dass der Reflexionsgrad ρ auf der Licht streuenden Reflexionsfläche 1 der Integrationshalbkugel 2 bei 95% liegt.
Die Fehler einer planen Lichtquelle und einer zylindrischen Lichtquelle sind E_F,d,1 und werden überlagert, wenn die Lichtquellen überlagert werden, wobei es sich um systematische Fehler handelt, die zu dem Gesamtlichtfluss proportional sind. Das ist der Grund, warm eine Abweichung des Verhältnisses zwischen Φ + E_F,d,1 der planen Lichtquelle und Φ + E_a,d,1 der zylindrischen Lichtquelle von eins in einem derartigen Fall als Fehler betrachtet wird, wobei der Fehler als das Verhältnis dieser Beleuchtungsstärken geschätzt werden kann.
In der oben beschriebenen bevorzugten Ausführungsform wird der Einfachheit halber angenommen, dass das Emissionszentrum der Lichtquelle 4 im Krümmungszentrum der Integrationshalbkugel 2 und auf dem planen Spiegel 3 liegt. Tatsächlich ist die Lichtquelle 4 jedoch mit einer Höhe L_h auf dem Reflexionsspiegel 3 vorgesehen. In diesem Fall tritt ein Strahlenbündel von der Lichtquelle 4 wie in 4 gezeigt in das Beobachtungsfenster 6' ein. Und wenn dieses Strahlenbündel in den Photodetektor 6 eingetreten ist, wird ein Messfehler verursacht.
Es soll angenommen werden, dass L die Distanz von dem Zentrum des Lochs 5 des planen Spiegels 3, in das die Lichtquelle 4 eingesetzt wird, zu dem Zentrum des Beobachtungsfensters 6' ist, R₁ der Radius des Beobachtungsfensters 6', R₂ der Radius der lichtempfindlichen Ebene des Photodetektors 6 ist und L_d die Distanz von der Oberfläche des planen Spiegels 3 gegenüber der Integrationshalbkugel 2 zu der lichtempfindlichen Ebene des Photodetektors 6 ist, sodass das durch L – R₁ und L_h gebildete Dreieck analog zu dem durch R₁ + R₂ und L_d gebildeten Dreieck ist. Das ist der Grund, warum der Photodetektor 6 derart angeordnet ist, dass er die folgende Ungleichheit (41) erfüllt, sodass der Photodetektor 6 niemals Licht empfängt, das direkt aus der Lichtquelle 4 kommt. Deshalb werden keine Messfehler verursacht. L_d > L_h(R₁ + R₂)/(L – R₁) (41)
(Ausführungsform 3)
Im Folgenden wird eine dritte bevorzugte Ausführungsform einer optischen Messvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung mit Bezug auf 5 beschrieben.
Die Vorrichtung dieser bevorzugten Ausführungsform (Gesamtlichtfluss-Messvorrichtung) umfasst eine Integrationshalbkugel 2, deren Innenwandfläche als Licht streuende Reflexionsfläche 1 dient, und einen planen Spiegel 3, der derart angeordnet ist, dass er die Öffnung der Integrationshalbkugel 2 schließt und sich über das Krümmungszentrum derselben erstreckt. Eine Lichtquelle 4, deren Gesamtlichtfluss gemessen werden soll, ist in ein Lichtquellen-Einpassfenster 5 eingesteckt, das im Krümmungszentrum der Integrationshalbkugel 2 auf der Fläche des planen Spiegels 3 angeordnet ist. In dieser bevorzugten Ausführungsform misst ein Luminometer 8 die Beleuchtungsstärke an einem infinitesimalen Flächenelement A auf der Innenwand der Integrationshalbkugel 2 durch ein Beobachtungsfenster 6' auf dem planen Spiegel 3.
Im Folgenden wird das Betriebsprinzip des Photometers der bevorzugten Ausführungsform beschrieben.
Es soll angenommen werden, dass die Mitte des Beobachtungsfensters 6' auf einer Normalen zu dem planen Spiegel 3 von dem infinitesimalen Flächenelement A auf der Integrationshalbkugel 2 liegt und dass die zu messende Lichtquelle 4 eine plane Lichtquelle mit einer perfekt gestreuten räumlichen Lichtverteilung wie etwa eine LCD-Hintergrundbeleuchtung ist. Der Winkel zwischen einer Normalen zu der Lichtquelle 4 und einer Linie, die das Zentrum der Lichtquelle 4 (das auch das Krümmungszentrum der Integrationshalbkugel 2 ist) mit dem infinitesimalen Flächenelement A verbindet, wird hier mit θ angenommen. Und wenn Φ der Gesamtlichtfluss der Lichtquelle 4 ist und I₀(0) die Lichtstärke entlang der Normalen der Lichtquelle 4 ist, wird die folgende Gleichung (42) erfüllt: Φ = π·I₀(0) (42)
Deshalb wird die Lichtstärke I₀(θ) in der Richtung von der Lichtquelle 4 zu dem infinitesimalen Flächenelement A durch die folgende Gleichung (43) wiedergegeben: I₀(θ) = Φ·cosθ/π (43)
Wenn man annimmt, dass die Integrationshalbkugel 2 einen Krümmungsradius r aufweist, wird die Beleuchtungsstärke E₀(θ) des Lichts der ersten Ordnung, das von der Lichtquelle 4 gekommen ist (d. h. des direkten Lichts), an dem infinitesimalen Flächenelement A auf der Innenwand der Integrationskugel durch die folgende Gleichung (44) wiedergegeben: E₀(θ) = Φ·cosθ/(π·r²) (44)
Wenn eine perfekt gestreute Reflexion mit einem Reflexionsgrad ρ auf der Licht streuenden Reflexionsfläche 1 auf der Innenwand der Integrationshalbkugel 2 erzeugt wird, wird die Lichtemission M_a,1 des Lichts der ersten Ordnung (d. h. des direkten Lichts), das aus der Lichtquelle 4 gekommen ist und dann von dem infinitesimalen Flächenelement A reflektiert wurde, durch die folgende Gleichung (45) wiedergegeben: M_a,1 = ρ·E₀(θ) = ρ·Φ·cosθ/(π·r²) (45)
Das Beobachtungsfenster 6' ist derart angeordnet, dass es einen Winkel θ in Bezug auf die Normale zu dem infinitesimalen Flächenelement A erfüllt, das eine perfekt streuende Reflexionsfläche ist. Das ist der Grund, warum die Leuchtkraft B_a,d,1(θ) in der Richtung von dem infinitesimalen Flächenelement A zu dem Beobachtungsfenster 6' durch die folgende Gleichung (46) wiedergegeben wird: B_a,d,1(θ) = M_a,1·cosθ/π = ρ·Φ·cos²θ/π²·r²) (46)
Weiterhin ergibt sich die Beleuchtungsstärke E_a,f des Lichts, das aus der Lichtquelle 4 in allen Richtungen gestrahlt wurde und dann auf das infinitesimale Flächenelement A gefallen ist, durch die folgende Gleichung (47) wie in der Gleichung (22): E_a,f = ρ·Φ/{(1 – ρ)·π·r²) (47) wobei jedoch die Beleuchtungsstärke an dem infinitesimalen Flächenelement A aufgrund eines durch den planen Spiegel 3 erzeugten virtuellen Bildes verdoppelt ist.
Die Lichtemission M_a,f des von dem infinitesimalen Flächenelement A mit der Lichtstärke E_a,f reflektierten Lichts durch die folgende Gleichung (48) wiedergegeben: M_a,f = ρ·E_a,f = ρ²·Φ/{(1 – ρ)·π·r²} (48)
Bei dieser Lichtemission M_a,f ergibt sich die Leuchtkraft B_a,d,f(θ) in der Richtung von dem infinitesimalen Flächenelement A zu dem Photodetektor 6 durch die folgende Gleichung (49), weil das infinitesimale Flächenelement A eine perfekt streuende Reflexionsfläche ist: B_a,d,f(θ) = Φ_a,d,f·cosθ/π = ρ²·Φ·cosθ/{(1 – ρ)·π²·r²} (49)
Das heißt, die Leuchtkraft B_a,d in der Richtung von dem infinitesimalen Flächenelement A auf der Innenwand des Integrationshalbkugel 2 zu dem Beobachtungsfenster 6' wird durch die folgende Gleichung (50) wiedergegeben. B_a,d = B_a,d,1 + B_a,d,f (50)
Diese Leuchtkraft B_a,d wird durch das Luminometer 8 gemessen.
B_a,d,1 kann über B_a,d,f wie in der folgenden Gleichung (51) wiedergegeben werden: B_a,d,f = B_a,d,f·cosθ·(1 – ρ)/ρ (51)
Wenn in diesem Fall das infinitesimale Flächenelement A bei θ = 75 Grad angeordnet ist, und wenn die Integrationshalbkugel 2 einen Innenwandreflexionsgrad ρ von 95% oder mehr aufweist, dann liegt B_a,d,1 bei 1,5% oder weniger von B_a,d,f. Es ist die Leuchtkraft B_a,d,1, die durch die räumliche Verteilung der Lichtquelle 4 beeinflusst wird, während der Wert von B_a,d,f proportional zu dem Gesamtlichtfluss unabhängig von der räumlichen Verteilung der Lichtquelle 4 ist. Das ist der Grund, warum bei einem Vergleich der Gesamtlichtflüsse der zwei Lichtquellen mit beinahe gleicher räumlicher Lichtverteilung eine hohe Genauigkeit durch diese ideale Integrationskugel ohne Leitbleche 7 realisiert wird.
Je näher der Photodetektor 6 zu der Wand der Integrationshalbkugel 2 ist, desto größer ist θ, desto kleiner ist B_a,d,1 und desto kleiner ist der Fehler.
6 zeigt, wie Messungen einer zylindrischen Lichtquelle unter Verwendung des Photometers der vorliegenden Ausführungsform genommen werden. Danach wird der Betrieb für diesen Fall beschrieben.
Es soll angenommen werden, dass die Mitte der Beobachtungsfensters 6' auf einer Normalen zu dem planen Spiegel 3 von dem infinitesimalen Flächenelement A auf der Integrationshalbkugel 2 liegt, und die zu messende Lichtquelle 4 eine plane Lichtquelle mit einer perfekt streuenden räumlichen Lichtverteilung wie etwa eine LCD-Hintergrundbeleuchtung ist.
Die Lichtquelle 4 ist eine zylindrische Lichtquelle wie etwa eine einendige Halogenlampe. Insbesondere ist der Faden der Lichtquelle 4 in der Radialrichtung der Integrationshalbkugel senkrecht zu dem planen Spiegel 3 angeordnet. Eine derartige Lichtquelle 4 weist eine räumliche Lichtverteilung wie in 3 gezeigt auf.
Der Einfachheit halber soll angenommen werden, dass das Emissionszentrum der Lichtquelle 4 an dem Krümmungszentrum der Integrationshalbkugel 2 und auf dem planen Spiegel 3 liegt. Es soll weiterhin angenommen werden, dass θ der durch die Linie zwischen dem Krümmungszentrum der Integrationshalbkugel 2 und dem infinitesimalen Flächenelement A definierte Winkel ist, wobei sich die Lichtstärke I(θ) in dieser Richtung aus der folgenden Gleichung (52) ergibt: I(θ) = I(π/2)·sinθ (52)
Der Gesamtlichtfluss Φ der Lichtquelle 4 wird durch die folgende Gleichung (53) berechnet: Φ = π²·I(π/2) (53)
Deshalb wird die Lichtstärke I₀(θ) in der Richtung von der Lichtquelle 4 zu dem infinitesimalen Flächenelement A durch die folgende Gleichung (54) wiedergegeben: I₀(θ) = Φ·sinθ/π² (54)
Wenn angenommen wird, dass die Integrationshalbkugel 2 einen Krümmungsradius r aufweist, wird die Beleuchtungsstärke E₀(θ) an dem infinitesimalen Flächenelement A auf der Innenwand der Integrationskugel durch die folgende Gleichung (55) wiedergegeben: E₀(θ) = Φ·sinθ/(π²·r²) (55)
Wenn eine perfekt gestreute Reflexion mit einem Reflexionsgrad ρ auf der Licht streuenden Reflexionsfläche 1 auf der Innenwand der Integrationshalbkugel 2 erzeugt wird, wird die Lichtemission M_a,1 des Lichts der ersten Ordnung (d. h. des direkten Lichts), das aus der Lichtquelle 4 gekommen ist und dann von dem infinitesimalen Flächenelement A reflektiert wurde, durch die folgende Gleichung (56) wiedergegeben: M_a,1 = ρ·E₀(θ) = ρ·sinθ/(π²·r²) (56)
Das Beobachtungsfenster 6' ist derart angeordnet, dass es einen Winkel θ in Bezug auf die Normale zu dem infinitesimalen Flächenelement A definiert, die eine perfekt streuende Reflexionsfläche ist. Das ist der Grund, warum die Leuchtkraft B_a,d,1(θ) in der Richtung von dem infinitesimalen Flächenelement A zu dem Beobachtungsfenster 6' durch die folgende Gleichung (57) wiedergegeben wird: B_a,d,1(θ) = M_a,1·cosθ/π = ρ·Φ·sinθ·cosθ/(π³·r²) (57)
Dagegen ergibt sich die Beleuchtungsstärke E_a,f des Lichts, das von der Lichtquelle 4 in allen Richtungen gestrahlt wurde und dann auf das infinitesimale Flächenelement A fällt, aus der folgenden Gleichung (58) wie in der Gleichung (22): E_a,f = ρ·Φ/{(1 – ρ)·π·r²} (58) wobei jedoch die Beleuchtungsstärke an dem infinitesimalen Flächenelement A aufgrund des durch den planen Spiegel 3 erzeugten virtuellen Bildes verdoppelt ist.
Die Lichtemission M_a,f des Lichts, das durch das infinitesimale Flächenelement A mit der Beleuchtungsstärke E_a,f reflektiert wird, wird durch die folgende Gleichung (59) wiedergegeben: M_a,f = ρ·E_a,f = ρ²·Φ/{(1 – ρ)·π·r²) (59)
Bei dieser Lichtemission M_a,f ergibt sich die Leuchtkraft B_a,d,f(θ) in der Richtung von dem infinitesimalen Flächenelement A zu dem Photodetektor 6 durch die folgende Gleichung (60), weil das infinitesimale Flächenelement A eine perfekt streuende Reflexionsfläche ist: B_a,d,f(θ) = Φ_a,d,f·cosθ/π = ρ²·Φ·cosθ/{(1 – ρ)·π²·r²) (60)
Das heißt, die Leuchtkraft B_a,d in der Richtung von dem infinitesimalen Flächenelement A auf der Innenwand der Integrationshalbkugel 2 zu dem Beobachtungsfenster 6' wird durch die folgende Gleichung (61) wiedergegeben: B_a,d = B_a,d,1 + B_a,d,f (61)
Diese Leuchtkraft B_a,d wird durch das Luminometer 8 gemessen.
B_a,d,1 kann über B_a,d,f wie in der folgenden Gleichung (62) wiedergegeben werden: B_a,d,1 = B_a,d,f·sinθ·(1 – ρ)/(π·ρ) (62)
Wenn in diesem Fall das Beobachtungsfenster 6' bei θ = 3 Grad angeordnet ist und der Reflexionsgrad ρ bei 95% oder mehr liegt, dann liegt B_a,d,1 bei 1% oder weniger von B_a,d,f. Es ist die Leuchtkraft B_a,d,1, die durch die räumliche Verteilung der Lichtquelle 4 beeinflusst wird, während der Wert von B_a,d,f proportional zu dem Gesamtlichtfluss unabhängig von der räumlichen Verteilung der Lichtquelle 4 ist. Das ist der Grund, warum beim Vergleichen der Gesamtlichtflüsse der zwei Lichtquellen mit beinahe gleicher räumlicher Lichtverteilung eine hohe Genauigkeit durch diese ideale Integrationskugel ohne Leitbleche 7 realisiert wird.
Dieser Wert von 1% ist der größte Fehler, der verursacht werden kann, wenn eine Lichtquelle mit einer räumlichen Lichtverteilung in einem derart schmalen Band, dass die Lichtstärke I₀(θ) in der Richtung von der Lichtquelle 4 zu dem Punkt A gleich null ist, einer Messung in einem Vergleich mit einer Lichtquelle mit einer perfekt gestreuten räumlichen Lichtverteilung wie oben beschrieben unterworfen wird. Je näher das Beobachtungsfenster 6' an der Lichtquelle 4 ist, desto kleiner wird θ, desto größer wird das Verhältnis und desto kleiner der Fehler.
7 zeigt Fehler, die verursacht werden, wenn der Gesamtlichtfluss einer planen Lichtquelle mit einer einendigen Halogenlampe als Gesamtlichtflussstandard gemessen wird. Es wird angenommen, dass die Integrationshalbkugel 2 einen Reflexionsgrad ρ von 95% auf der Licht streuenden Reflexionsfläche 1 aufweist. Die Fehler der planen Lichtquelle und einer zylindrischen Lichtquelle sind B_a,d,1 und werden überlagert, wenn diese Lichtquellen überlagert werden, wobei es sich um systematische Fehler handelt, die proportional zu dem Gesamtlichtfluss sind. Das ist der Grund, warum eine Abweichung des Verhältnis zwischen B_a,d der planen Lichtquelle und B_a,d,1 der zylindrischen Lichtquelle von einem Wert eins in einem derartigen Fall als Fehler betrachtet wird, wobei der Fehler als das Verhältnis dieser Beleuchtungsstärken geschätzt werden kann. Die Abszisse gibt den Wert wieder, der durch das Normalisieren der Distanz von dem Zentrum der Integrationshalbkugel zu dem Beobachtungsfenster 6' mit dem Radius der Integrationshalbkugel erhalten wird.
Wie aus 7 hervorgeht, können die Messungen der planen Lichtquelle mit Bezug auf die zylindrische Lichtquelle mit einem auf 3% oder weniger reduzierten Fehler durchgeführt werden, indem das Beobachtungsfenster 6' mit einer Distanz angeordnet wird, die 65% oder mehr des Radius der Integrationshalbkugel 2, gemessen ab dem Zentrum der Integrationshalbkugel 2, entspricht.
Industrielle Anwendbarkeit
Die optische Messvorrichtung der vorliegende Erfindung umfasst ein Beobachtungsfenster und einen planen Spiegel, der sich über das Zentrum einer Integrationshalbkugel erstreckt, wodurch verhindert werden kann, dass direkt aus einer Lichtquelle kommendes Licht in das Beobachtungsfenster eindringt, ohne dass hierfür ein Leitblech in dem Integrationsraum vorgesehen werden muss. Deshalb gibt es keine Selbstabsorption des Leitblechs und keine Vignette des reflektierten Strahlenbündels, sodass durch diese Erscheinungen verursachte Messfehler reduziert werden können. Die optische Messvorrichtung der vorliegenden Erfindung kann also effektiv verwendet werden, um den Gesamtlichtfluss nicht nur einer allgemeinen Beleuchtungsquelle wie etwa einer Glühbirne oder einer Leuchtstofflampe, sondern auch einer LCD-Hintergrundbeleuchtung, eines Lichtquellensystems für elektronische Informationstafeln oder eines selbst emittierenden flachen Displays wie etwa eines Plasmabildschirms zu schätzen.

Claims

Optische Messvorrichtung, umfassend: einen planen Spiegel, der eine zentrale Öffnung aufweist, die als Lichteintrittsfenster oder als Lichtquellen-Einpassloch dient, und eine Halbkugel, deren Krümmungsradiuszentrum in der zentralen Öffnung des planen Spiegels definiert ist und deren Innenwandfläche als Licht streuende Reflexionsfläche funktioniert, wobei der plane Spiegel und die Halbkugel im Inneren einen Integrationsraum bilden; dadurch gekennzeichnet, dass der plane Spiegel ein Beobachtungsfenster aufweist, durch das ein Photodetektor Messungen vornehmen kann; wobei kein Leitblech in dem Integrationsraum angeordnet ist.
Optische Messvorrichtung nach Anspruch 1, wobei der Photodetektor in das Beobachtungsfenster des planen Spiegels eingepasst ist.
Optische Messvorrichtung nach Anspruch 1, wobei wenn eine in die zentrale Öffnung eingepasste Lichtquelle von dem planen Spiegel in den Integrationsraum mit einer Höhe Lh vorsteht, L die Distanz von dem Zentrum der zentralen Öffnung zu dem Zentrum des Beobachtungsfensters ist, das Beobachtungsfenster einen Radius R₁ aufweist und eine lichtempfindliche Ebene des Photodetektors einen Radius R₂ aufweist, ist der Photodetektor mit einer Distanz Ld unter dem Beobachtungsfenster vorgesehen und erfüllt die Beziehung: Ld > Lh(R₁ + R2)/(L – R₁).
Optische Messvorrichtung nach Anspruch 1, wobei der Photodetektor ein Luminometer ist.
Optische Messvorrichtung nach Anspruch 4, wobei die Distanz von dem Beobachtungsfenster zu der zentralen Öffnung 65% oder mehr des Krümmungsradius der Halbkugel beträgt.