DE1472158C - Anordnung zur Messung der spektralen Energieverteilung einer Lichtquelle - Google Patents

Description

1 2

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Messung die die Messung definierter spektraler Bandbreiten

der spektralen Energieverteilung einer Lichtquelle, bei gleichzeitiger Erfassung eines Raumwinkels von

insbesondere einer strahlungsschwachen, räumlich 2 π Steradiant erlaubt.

ausgedehnten Lichtquelle mit diffuser Lichtaussen- Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt gemäß der Erdung, unter Anwendung von lichtelektrischen Emp- 5 findung dadurch, 'daß die Anordnung mindestens fängern und Farbfiltern. . zwei fotoelektrische Empfänger enthält, die annähernd

Die Lichtart einer Lichtquelle ist bekanntlich ebene lichtempfindliche Flächen besitzen und einen charakterisiert durch ihre spektrale Energieverteilung, Raumwinkel von 2 π Steradiant erfassen, und daß je d. h. durch die Energie, die sie in kleine Wellenlängen- ein optischer Farbfilter unterschiedlicher, definierter Intervalle abstrahlt. Die Messung der spektralen 10 Kantenlage, jedoch gleicher Durchlässigkeit jedem Energieverteilung beschränkt sich häufig auf die Licht- Empfänger vorgeschaltet ist, so daß die Spannungsmessung über einen relativ großen Wellenlängen- differenz zwischen je zwei Empfängern der Strahlungsbereich, z. B. über den roten oder blauen Spektral- . energie zwischen den Kanten der zugehörigen Filter bereich. Die bei dieser Messung verwendeten licht- entspricht.

elektrischen Empfänger arbeiten dabei in der Regel i₅ Nach einem anderen Vorschlag der Erfindung soll selektiv; dies bedeutet, daß sie in einem größeren die Anordnung einen fotoelektrischen Empfänger mit Wellenlängenbereich empfindlich sind und dort eine annähernd ebener lichtempfindlicher Fläche enthalwellenlängenabhängige Empfindlichkeit zeigen. Die ten, der einen Raumwinkel von 2 π Steradiant erfaßt, Messung erfolgt integral, indem die lichtelektrischen und diesem Empfänger sollen optische Farbfilter Empfänger die insgesamt in ihren Empfindlichkeits- 20 verschiedener definierter Kantenlage, jedoch gleicher bereich zugestrahlte Energie der Lichtquelle erfassen Durchlässigkeit nacheinander vorgeschaltet werden, und bewerten. Diese Messung wird daher auch. be- wobei die Änderung der Fotospannung ein Maß für zeichnet als integrale Lichtbewertung bezüglich der die Intensität in demjenigen Spektralbereich ergibt, relativen spektralen Empfindlichkeit des lichtelek- der zwischen den durch die Kantenlage zweier betrischen Empfängers. Wird sie z. B. für den roten 25 nachbarter Filter gegebenen Grenzen liegt,
und blauen Spektralbereich durchgeführt, ist das Die Erfindung ermöglicht infolge der Verwendung Verhältnis von Rot-Wert zu Blau-Wert eine'allzu von optischen Filtern, bei denen die Lage der Abgrobe Kennzeichnung der spektralen Energieverteilung . sorptionskanten unabhängig von der Einfallsrichtung einer Lichtquelle, wie überhaupt die integrale Bewer- des Lichtes ist (es können beispielsweise die bekannten tung die Feinheiten einer spektralen Energieverteilung 30 Anlaufgläser verwendet werden), eine Messung über nicht berücksichtigen kann. den gesamten Raumwinkel 2 Steradiant. Da zudem . Ähnlich verhält es sich bei der Verwendung opti- solche Filter mit einer relativ feinen Stufung der scher Bandfilter, die einem lichtelektrischen Emp- Absorptionskanten in dem interessierenden Wellenfänger vorgeschaltet jeweils die Lichtenergie eines längenbereich vorliegen, kann mit den erfindungsbestimmten Spektralbereiches zu dem Empfänger 35 gemäßen Anordnungen ohne große Schwierigkeiten durchlassen. Nachteilig an diesen optischen Band- die Messung der Strahlungsenergie in entsprechend filtern ist, daß diese keine definierten, scharfen Ab- schmalen, definierten spektralen Bandbreiten durchsorptionskanten aufweisen. geführt werden.

Es ist auch nicht möglich, ein Bandfilter mit gleich- Bei der Messung sehr geringer Intensitäten ist es

steilen Absorptionskanten auf beiden Seiten etwa 40 vorteilhaft, wenn jeder Empfänger aus mehreren,

durch Kombination der bekannten sogenannten An- einzelnen fotoelektrischen Empfängern besteht, deren

laufgläser herzustellen. Anlaufgläser gibt es nämlich annähernd ebene lichtempfindliche Flächen ihrerseits

nur mit einer nach längeren Wellenlängen ansteigen- in einer gemeinsamen Ebene'liegen. Auf diese Weise

den Absorptionskante. können dann auch äußerst lichtschwache, ausge-

An Stelle solcher Bandfilter werden deshalb oftmals 45 dehnte Strahlungsquellen vermessen werden,
sogenannte Interferenzbandfilter verwendet, die je- Eine Ausgestaltung der Erfindung sieht für den doch wieder den Nachteil haben, ihre Kantenlage in Fall der Energiemessung durch Fotospannungs-Dif-Abhängigkeit von der Einfallsrichtung des Lichtes fcrenzbildung vor, daß den Empfängern jeweils ein zu ändern.. Es ist daher mit Interferenzfiltern nicht Filter bestimmter Kantenlage fest zugeordnet ist ohne weiteres möglich, größe Raumwinkel zu ver- 50 und daß eine Meßeinrichtung vorgesehen ist, die die messen, wie dies bei der spektralen Vermessung Differenz zweier, von zwei Empfangseinheiten ermiträumlich ausgedehnter Lichtquellen, beispielsweise teilen Intensitätswerte zwischen den Kantenwellendes Himmelslichtes, notwendig wäre. Da mit solchen längen direkt mißt.

Interferenzbandfiltern versehene Meßeinrichtungen Bei der anderen Ausführungsform der Erfindung

nur das aus einem kleinen Raumwinkel einfallende 55 soll in weiterer Ausbildung dem Empfänger ein

Licht erfassen können (wegen der Gewährleistung Verstärker und eine Differenzierstufe nachgeschaltet

konstanter Einfallsrichtung des Lichtes und damit sein.

konstanter Kantenlage), müßte die Vermessung eines An Hand der Zeichnung werden Aufbau und Wirgrößeren Raumwinkels durch azimutales Drehen kungsweise der erfindungsgemäßen Anordnungen der Meßeinrichtung unter gleichzeitiger Veränderung 60 näher beschrieben. Es zeigt

des Höhenwinkels erfolgen. Dies bedingt jedoch F i g. I eine Meßanordnung in Draufsicht, bei

einen erheblichen technischen Aufwand. Darüber der einem Empfänger nacheinander Farbfilter unter-

hinaus ist wegen der Beschränkung auf einen kleinen schiedlicher Kantenlage vorgeschaltet werden,

Raumwinkel eine hinreichend genaue spektrale Vor- F i g. 2 die spektrale Energieverteilung einer WoIf-

messung von intcnsilätsarmen Lichtquellen, beispiels- 65 ramlampe über einen Wellenlängenbereich von 300 bis

weise des Himmcls-Nachtrcstlichtcs, unmöglich. 1200 nm,

Diu Ja Hrfindung zugrunde liegende Aufgabe F i g. 3 den Verlauf der Transinissionskurven einiger

bestellt daher darin, eine Anordnung /11 schaffen, optischer Farbfilter,

P j ji. 4 den Verlauf der spektralen Empfindlichkeit eines Empfängers,

p j σ. 5 eine Anordnung, bei der vier Empfänger /usarnmengeschaltet sind.

Bei d^er Anordnung nach F i g. 1 ist auf einer Grundplatte 19 eine Empfangseinheit 10, die aus mehreren gleichartigen, in einer Ebene angeordneten foto- ■ clektrfschen Empfängern 11 besteht, derart aufgebaut, daß Licht von allen Seiten unter einem beliebigen Winkel zwischen 0 und 90° zur Flächennormalen auf die Anordnung fallen kann. Auf der Welle 12 eines nicht dargestellten Elektromotors befinden sich in Revolveranordnung mehrere, hier kreissegmentformig ausgebildete optische Filter 13 (Anlaufgläser) hinreichend eng gestufter Kantenlage. Durch Drehung der Welle 12 werden die auf der Grundplatte 19 befindlichen fotoelektrischen Empfänger 11 nacheinander von den verschiedenen optischen Filtern 13 überdeckt. Die von der Empfangseinheit 10 abgegebenen elektrischen Signale, beispielsweise die Fotospannung U (t), werden zur Auswertung über einen # Verstärker 14 auf eine Differenzierstufe 15 geleitet. Es soll beispielsweise die spektrale Energieverteilung L(X) der Strahlung einer Wolframlampe, die durch den Kurvenzug 16 aus F i g. 2 wiedergegeben ist, ausgemessen werden. Als optische Filter 13 sollen Anlaufgläser verwendet werden, deren konstante und gleiche Transmission T(X) durch den Verlauf 17 aus F i g. 3 angegeben und bei denen die Lage der Absorptionskanten durch die Grenzwellenlängen A₁, A₂... A₅ (F ig. 3) gekennzeichnet ist. Gleiche Werte der Transmission können' übrigens jederzeit durch Kombination der Filter mit passenden Graufiltern erreicht werden.

Wenn nun die aus den einzelnen Empfängern 11 gebildete Empfangseinheit 10 und die optischen Filter 13 als kongruente Kreissegmente der Winkelerstreckung Ip₀, wie in F i g. 1 angedeutet ist, ausgebildet sind, wird durch Drehung der die Filter 13 aufnehmenden Welle 12 mit konstanter Winkelgeschwindigkeit C)₀ die Empfangseinheit 10 zu jedem Zeitpunkt t anteilig von jeweils zwei benachbarten ~ Filtern /und /+ 1 mit den Kanten A,- bzw. A_i+., über- * deckt. Für die zeitabhängige, verstärkte Fotospannung U (t) ergibt sich mathematisch folgende Beziehung:

ν-υ {ή= κ · t;,-(U₁-U₁₊₁)-κ·-i

worin U_k die Fotospannung bei Bedeckung des Empfängers durch ein Filter k mit der Filterkante X_k, α eine Eichkonstante, T die (konstante) Transmission der Filter 13, S (λ) die relative spektrale Empfindlichkeit der Empfänger 11 (Kurvenzug 18 aus F i g. 4) und L(A) · d A die wellenlängena.bhängige Lichtenergie über die Wellenlängeneinheit d A bedeuten, ergibt sich für die verstärkten Fotospannungen U₁ bzw. U_i+1 zum Zeitpunkt t — f_f und t = i_i+1

V-U(ti) = K-Uj = α- T-V-[S(X)- L(X)-UX

bzw.

= V-U_i+l = α-TV

- I S(A)-L(A)-

Wenn diese Beziehungen wiederum in die Gleichung für die differenzierte verstärkte Fotospannung K -τ— eingesetzt wird, folgt

ψο

oder

dt

₌ y.^S-._a._T. Γ S(X)-L(X)-Ψο J

~ _ V-^--a-T-L(J)-S(J)-Oi,

άΧ

V₁

wobei A diejenige Wellenlänge ist, bei der die spektrale Empfindlichkeit S (A) des Empfängers gerade den Mittelwert im Intervall A₁- bis A_i+1 annimmt.

Die in das Wellenlängenintervall A_; bis A_i+1 abgestrahlte Energie L(X) ■ dl ist damit

L(X)-UX

L(X)- dl

Ψο

dU

di

dU
dt '

Ψο

und durch Differentiation nach der Zeit:

dU

dt

wobei Kein Verstärkungsfaktor, U,-und U_i+1 die Fotospannungen zum Zeitpunkt der vollständigen Verdeckung der Empfangseinheit durch das Filter / bzw. i'+l, οι, die Winkelgeschwindigkeit der Welle 12, 7t, die Winkelerstreckung der kongruenten Kreissegmente, fj der Zeitpunkt der vollständigen Verdeckung der Empfänger durch das Filter / ist.
Mit der Gleichung für die Fotospannung

7.

U_k = a T- f S

d. h„ sie ist dem Differentialquotienten der Fotospannung nach der Zeit proportional. In der Anordnung nach F i g. 1 ist also am Ausgang der Differenzierstufe 15 ein der abgestrahlten Energie der Lichtquelle proportionales Signal vorhanden.

Nun ist es gemäß der Erfindung auch möglich, die spektrale Verteilung der von einer Lichtquelle äbgestrahlten Energie dadurch zu messen, daß gleichzeitig mindestens zwei Empfänger bzw. Empfangseinheiten vorgesehen sind, denen Filter mit unterschiedlichen Kanten vorgeschaltet werden. Die zwischen diesen beiden Empfängern gemessene Spannungsdifferenz ist dann ein Maß für die Strahlungsenergie in dem spektralen Band, das durch die beiden Filterkanten begrenzt ist. In der F i g. 5· ist eine Anordnung gezeigt, die nach diesem Prinzip mißt. Dort sind vier identische Empfangseinheiten 21, 22, 23, 24 vorgesehen, die ebenfalls wiederum eine Reihe von in einer Ebene angeordneten fotoelektrischen Empfängern enthalten. Jeder der vier Empfangseinheiten sind optische Filter fest vorgeschaltet, deren Trans-

mission wieder etwa den in F i g. 3 dargestellten Verlauf 17 hat und deren Kantenlage durch die Wellenlängen A, bis A₄ gekennzeichnet ist. Zwischen den Empfangseinheiten ist ein Spannungsmesser 25 angeordnet, der über einen Wählschalter 26 mit jeweils zwei Empfangseinheiten verbunden werden kann.

Zur vereinfachten Darstellung sei die Messung der spektralen Energieverteilung wiederum an Hand der Kurve für die Leistungsverteilung L(X) (Position 16 in Fig. 2) einer Wolframlampe beschrieben.

Für die Fotospannung einer Empfangseinheit mit der relativen spektralen Empfindlichkeit S (A) (Kurve 18 in F i g. 5), der ein Filter mit der Filterkante A_t vorgeschaltet ist, ergab sich mathematisch

IO

15

U_k =

dA

20

und folglich für die Fotospannungsdifferenz der Empfänger mit den Filtern A₁ und A₁₊₁

2-i + i

= U₁-U₁₊₁ = α-T- j S(X)-

L(X) ■ άλ.

Wird wieder der Mittelwert der spektralen Empfindlichkeit S(X) ipa Intervall A₁- bis A₁₊₁, nämlich für die Wellenlänge A, eingeführt, so ergibt sich

L(J) ■ dl ~ U, - U₁₊₁ .

35

40

Damit ist also nachgewiesen, daß die Fotospannungsdiffereriz zweier mit optischen Filtern versehenen Empfangseinheiten der in dem durch die Filterkanten gegebenen Wellenlängenintervall abgestrahlten Energie proportional ist.

Soll nun mit der Anordnung nach F i g. 5 die anfallende Lichtleistung beispielsweise im Wellenlängenintervall A₂ bis A₃ gemessen werden, dann wird der Spannungsmesser 25 mit Hilfe des Wahlschalters 26 zwischen die Empfangseinheiten 22 und 23 geschaltet und die Spannungsdifferenz ermittelt.

Claims (5)

Patentansprüche:

1. Anordnung zur Messung der spektralen Energieverteilung einer Lichtquelle, insbesondere einer strahlungsschwachen, räumlich ausgedehnten Lichtquelle mit diffuser Lichtaussendung, unter Anwendung von lichtelektrischen Empfängern und Farbfiltern, dadurch gekennzeichnet, daß die Anordnung mindestens zwei fotoelektrische Empfänger (21 bis 24) enthält, die annähernd ebene lichtempfindliche Flächen besitzen und einen Raumwinkel von 2 .-r Steradiant erfassen, und daß je ein optischer Farbfilter unterschiedlicher definierter Kantenlage, jedoch gleicher Durchlässigkeit jedem Empfänger (21 bis 24) vorgeschaltet ist, so daß die Spannungsdifferenz zwischen je zwei Empfängern der Strahlungsenergie zwischen den Kanten der zugehörigen Filter entspricht.

2. Anordnung zur Messung der spektralen Energieverteilung einer Lichtquelle, insbesondere einer strahlungsschwachen, räumlich ausgedehnten Lichtquelle mit diffuser Lichtaussendung, unter Anwendung von lichtelektrischen Empfängern und Farbfiltern, dadurch gekennzeichnet, daß die Anordnung einen fotoelektrischen Empfänger (10) mit annähernd ebener lichtempfindlicher Fläche enthält, der einen Raumwinkel von 2 .-? Steradiant erfaßt, und daß diesem Empfänger (10) optische Farbfilter (13) verschiedener definierter Kantenlage, jedoch gleicher Durchlässigkeit nacheinander vorgeschaltet werden, wobei die Änderung der Fotospannung ein Maß für die Intensität in demjenigen Spektralbereich ergibt, der zwischen den durch die Kantenlage zweier benachbarter Filter (13) gegebenen Grenzen liegt.

3. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Empfänger (10, 21 bis 24) aus mehreren einzelnen fotoelektrischen Empfängern (11) besteht, deren annähernd ebene lichtempfindliche Flächen ihrerseits in einer gemeinsamen Ebene liegen.

4. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß für den Fall einer Differenzbildung den Empfängern (21 bis 24) jeweils ein Filter bestimmter Kantenlage fest zugeordnet ist und daß eine Meßeinrichtung (25) vorgesehen ist, die die Differenz zweier von zwei Empfangseinheiten ermittelten Intensitätswerte zwischen den Kantenwellenlängen direkt mißt.

5. Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß dem Empfänger (10) ein Verstärker (14) und eine Differenzierstufe (15) nachgeschaltet sind.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen ·