DE19826409C2 - Verfahren und Vorrichtung zur Messung der Abstrahlcharakteristik von Strahlungsquellen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Messung der Abstrahlcha­ rakteristik von Strahlungsquellen.

Radiometrische und photometrische Messungen setzen entsprechend geeichte Empfänger voraus, die entweder nur einen räumlichen begrenzten Teil der Strahlung des Emitters empfangen oder eine angenäherte integrale Registrierung unter Verwendung einer Ulbricht­ kugel ermöglichen. Die Verwendung einer Ulbrichtkugel ist bereits in E. Helbig "Grund­ lagen der Lichtmeßtechnik" Leipzig 1977 beschrieben. Beide Meßarten können mit relativ großen Fehlern behaftet sein, wenn entweder die Strahlung im Raum stark anisotrop bzgl. der Photonenanzahl bzw. der Wellenlänge ist oder wenn die innere Oberfläche der Ulbrichtkugel nicht ideal streut bzw. ebenfalls wellenlängensensitiven Charakter bezüglich der Reflexion aufweist.

Eine wellenlängenabhängige Registrierung der Abstrahlcharakteristiken greift entweder auf ein zusätzliches Spektrometer oder aber auf entsprechende aufwendige Filterkombina­ tionen zurück.

Andere bisher bekannte Lösungen verwenden zur Erfassung der Abstrahlcharakteristik einer Strahlungsquelle Arrays von Photoempfängern, die aber in einer Ebene angeordnet sind und somit eine Transformation der räumlich verteilten Strahlung in eine laterale voraussetzen. Das kann mit erheblichen Fehlern verbunden sein und wird erst genügend genau bei großen Abständen zwischen Emitter und Empfänger. Dreidimensionale Nahfeldaufnahmen sind so nicht realisierbar.

Für eine möglichst genaue Erfassung der Emission eines Strahlers im Raum ist es aber auch bekannt, Messungen mittels Goniometeranordnungen durchzuführen. Sie ermög­ lichen eine exakte Aufnahme der Strahlung im Raum, verlangen aber eine aufwendige Bewegung des Empfängers um den Emitter bzw. umgekehrt, was mit zusätzlichen Fehlern und insbesondere mit langen Meßzeiten verbunden ist. Die räumliche Auflösung wird stark durch die Empfängerfläche und den Abstand Meßobjekt-Empfänger bestimmt. Zur schnellen Erfassung der Abstrahlcharakteristik eines Emitters ist es weiterhin denkbar, eine Vielzahl von Empfängern, die um den Emitter sphärisch angeordnet sind, oder gekrümmte Arrays zu verwenden. Der Einsatz von einzelnen Photoempfängern, die sphärisch um die Strahlungsquelle angeordnet sind, setzt eine hohe Gleichmäßigkeit ihrer Empfindlichkeit und eine sehr große Anzahl kleinflächiger Elemente voraus, was außer­ ordentlich hohe Kosten verursachen würde. Andererseits ist der technische Aufwand zur Herstellung gekrümmter Arrays sehr groß.

Zur Messung reflektierter oder gestreuter Strahlung, beispielsweise zur Oberflächenbe­ gutachtung von Proben, sind spezielle faseroptische Anordnungen bekannt geworden, bei denen die zu messende Strahlung über eine Mehrzahl von Lichtleitfasern einem oder mehreren Photodetektoren zugeführt wird.

Aus der DE 43 21 042 ist es bekannt, daß unter Verwendung von Lichtwellenleitern, die in viertelkreisförmigen Bögen um eine das eingespiegelte Laserlicht streuende Probe angeordnet sind, das von deren Oberfläche reflektierte Streulicht gemessen und daraus auf die Eigenschaften der belichteten Probe geschlossen wird. Dabei erfolgt die Auswertung der unterschiedlichen Signale anhand willkürlich herausgegriffener Fasern, was auf eine Art von Fehlerrechnung bzw. zur Applikation neuronaler Netze hinausläuft. Die in den beiden vorgenannten Schriften angegebenen Lösungen sind jedoch auf die Mes­ sung der in den Raum emittierten Strahlung von Selbststrahlern oder von durchstrahlten Proben nicht anwendbar. So ist zunächst festzustellen, daß die für die Einstrahlung des Anregungslichtes wichtigste Stelle des Faserarrays entsprechend diesen bekannten Lösungen jeweils nicht mit Fasern besetzt ist. Viel wesentlicher ist aber, daß eine Zuord­ nung des dem Detektor über die einzelnen Fasern zugeführten Lichtes zu einzelnen Meßpixeln des Empfängers, beispielsweise einer CCD-Zeile oder -Matrix bei den mit diesen Lösungen vorzunehmenden Messungen nicht erforderlich ist und daher auch nicht erfolgt. Für die Ermittlung der Abstrahlcharakteristik einer Quelle, also die Ermittlung der von ihr in verschiedenen Winkeln des Raumes abgegebenen Strahlung, ist eine solche Zuordnung jedoch unerläßlich.

Auch für positionsempfindliche Messungen, welche die Erfassung von Strahlungscharak­ teristiken aktiver Strahlungsquellen oder von Reflexionsschichten empfangener Strahlung ermöglichen, finden aber inzwischen Meßanordnungen mit in geeigneter Weise zur Strah­ lungsquelle angeordneten Bündeln von Lichtleitfasern Verwendung. So ist aus der EP 0 385 135 ein positionsempfindlicher Fotodetektor bekannt, bei dem die von einer Strahlungsquelle abgegebene Strahlung über ein Bündel von Glasfasern einer Auswerteein­ heit zugeführt wird. Die Glasfasern bilden durch ihre Anordnung und Anzahl eine rechteckige Eintrittsfläche für die einfallende Strahlung aus. Um die Position eines bei­ spielsweise auf diese Fläche auftreffenden Lichtflecks bestimmen zu können sind die einzelnen Lichtleitfasern innerhalb des Bündels in definierter Weise zueinander angeord­ net, wobei dies im Hinblick auf die Fertigung des Bündels einen erhöhten Aufwand bedeu­ tet.

Aus der EP 0 383 244 ist es bekannt, daß auf eine Probe gerichtetes und an dieser ge­ streutes Laserlicht mittels Lichtleitfasern einem Detektor zur Oberflächenbegutachtung zugeleitet wird. Ähnlich verhält es sich bei der Lösung gemäß der DE 197 14 725, welche eine Meßanordnung zur Bewertung einer Materialoberfläche betrifft. Das Material wird hierzu über ein Faserbündel bestrahlt und die reflektierte Strahlung ausgekoppelt und einem Empfängerarray zugeführt. Auch hier wird die positionsbezogene Beurteilung der Materialoberfläche nur dadurch möglich, daß die Lichtleitfasern innerhalb des Bündels eine definierte Zuordnung aufweisen. Weiterhin ist aus der DE 88 01 431 eine Meßanord­ nung zur Bewertung des Streulichtes von mit Laserstrahlen angeregten, in einer wäßrigen Lösung enthaltenen Teilchen bekannt, bei welcher ein Faserbündel verwendet wird. Das Faserbündel mündet in eine in Sektoren unterteilte Lichteintrittsfläche. In welcher Weise die Zuordnung zwischen Strahlungswinkel und Ort genau erfolgt, ist der Schrift nicht zu entnehmen.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Möglichkeit zu schaffen, 2D- bzw. 3D-Abstrahlcharakteristiken von Strahlungsquellen hochauflösend, schnell und zuverlässig zu messen. Dabei soll zudem der Aufwand für die Eichung und Kalibrierung einer für der­ artige Messungen geeigneten Vorrichtung gering sein. Die Aufgabe erweiternd, soll die Möglichkeit bestehen, weitere licht- bzw. strahlungstechnische Parameter wie spektrale Verteilungen und die Farbkoordinaten der Strahlungsquelle zu bestimmen. Die Lösung der Aufgabe soll es ermöglichen, die Abstrahlcharakteristik von Proben, wie z. B. von Lichtemitter-, Strahlungsemitter- und Laserdioden sowie deren Chips, von Mikrolämpchen von axial abstrahlenden Lichtwellenleitern oder von Lichtleitbündeln, von Endoskopen, von lateral abstrahlenden Lichtleitfasern und Leuchtstofflampen, axial strahlenden Lampen, von optisch durchstrahlten Bauelementen, wie Linsen oder strahlungsleitenden und -formenden Systemen, von Displays und von Bildröhren zu bestimmen.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch ein Verfahren gemäß dem Hauptanspruch gelöst. Eine unter Einsatz des durch den Hauptanspruch charakterisierten Verfahrens die Lösung der Aufgabe ermöglichende Vorrichtung ist entsprechend den Merkmalen des Anspruchs 7 gestaltet. Vorteilhafte Ausgestaltungen oder Weiterbildungen des erfindungs­ gemäßen Verfahren bzw. der erfindungsgemäßen Vorrichtung sind durch die auf den Hauptanspruch bzw. den Anspruch 7 rückbezogenen Unteransprüche gegeben.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren erfolgt die Messung der Abstrahlcharakteristik einer Strahlungsquelle mittels eines faseroptischen Radiometers, bei dem die von der Strah­ lungsquelle emittierte Strahlung über ein Bündel von Lichtleitfasern direkt oder über ein Objektiv dem Photodetektor zugeführt wird. Dabei sind die Lichtleitfasern an jeweils einem Faserende mit ihren Lichteintrittsflächen mittels Bügeln halbkreis- oder kreisförmig oder mittels schalenförmigen Elementen halbkugel- oder kugelförmig in einem konstanten Radius um die Strahlungsquelle herum angeordnet. Die Strahlungsquelle kann punkt­ förmig sein oder durch entsprechende Blenden punktförmig gestaltet werden.

Das andere Ende der Fasern (Lichtaustrittsfläche) wird zu einem Bündel zusammengefaßt. Die Lage der Einzelfasern innerhalb des Bündels wird durch mindestens drei beleuchtbare Referenzfasern bestimmt. In einem einmalig durchzuführenden Zuordnungsvorgang wird die Zuordnung der Winkelposition jeder Lichtleitfaser zur Lage im Faserbündel in bezug zu den drei Referenzfasern ermittelt und in einer elektronischen Steuer- und Verarbeitungsein­ heit gespeichert.

Nach der Ankopplung des Faserbündels an den der Messung dienenden Photodetektor wird in einem Kalibrierschritt die Lage der als Bezugssystem dienenden Referenzfasern und damit die Lage des Faserbündels in bezug auf die strahlungsempfindliche Oberfläche des lokal sensitiv ausgebildeten Photodetektors ermittelt. Bei der Messung werden dann selektiv die von den einzelnen Lichtleitfasern auf den Photodetektor übertragenen Anteile des Gesamtstromes der von der Strahlungsquelle abgegebenen Strahlung gemessen. Die räumliche Lage dieser Anteile im Strahlungsfeld der Strahlungsquelle wird dann mittels der Steuer- und Verarbeitungseinheit aus der in ihr gespeicherten Positionsangabe einer jeweiligen Lichtleitfaser und der bei der Kalibrierung festgestellten Lage des Faserbündels in bezug auf den Photodetektor bestimmt.

Die unter Nutzung dieses Verfahrens arbeitende erfindungsgemäße Vorrichtung ist wie folgt aufgebaut.

Um eine punktförmige Strahlungsquelle werden mindestens in Form eines Halbkreises Lichtleitfasern in bestimmten Gradeinteilungen bezüglich des Kreismittelpunktes derart angeordnet, daß sie den Halbkreis mit einem Radius R umgeben, wobei auch im Zenit und in Zenitnähe eine normale oder sogar dichtere Faserverteilung vorhanden ist, um in engen Abstrahlbereichen eine Auflösung bis unter 0,1 Grad zu erreichen. Die Fasereinbettung kann in halbkreis- oder kreisförmigen Bügeln oder in willkürlicher Verteilung innerhalb der Oberfläche schalenförmiger Elemente in der Art einer Halb- oder Vollkugel erfolgen. Eine erhöhte Faserdichte im Zenit ist insbesondere dann wichtig, wenn Strahler mit engen Emissionscharakteristiken (z. B. eng abstrahlende LED oder Laserdioden) zu charakterisie­ ren sind. Voraussetzung einer möglichst dichten Packung für eine hohe Winkelauflösung ist die Einhaltung bestimmter Verhältnisse von Bügelradius zu Faserdurchmesser und Gradeinteilung, da genügend Platz für die zielgerichtete und exakte Faserlage vorhanden sein muß. Die Fasern werden derart angeordnet, daß sie mit ihrer optischen Achse alle auf den Mittelpunkt des durch den oder die Bügel bzw. das oder die schalenförmigen Elemen­ te beschriebenen Radius ausgerichtet sind. An ihrem jeweils anderen Ende werden die Fasern erfindungsgemäß willkürlich, also ungeordnet unter Einbeziehung von mindestens drei Referenzfasern zu einem Faserbündel zusammengeführt, wobei sie an der dem Photo­ detektor bei der Messung zugewandten Seite eine gemeinsame, ebene Lichtaustrittsfläche bilden. Zur Messung wird dieses, eine möglichst hohe Packungsdichte aufweisende Faser­ bündel einem photoelektrischen Empfänger gegenübergestellt, wobei entweder eine optische Abbildung auf die Chipfläche mit Objektiven oder eine direkte Faser-Chip-Kopp­ lung möglich ist.

Die meßtechnische Bewertung der von den Faserenden abgestrahlten Lichtmenge erfolgt durch die Auswertung der einzelnen lichtempfindlichen Elemente (Pixel) des photoelektri­ schen Empfängers unter Verwendung der über die Faserzuordnung in der Steuer- und Verarbeitungseinheit gespeicherten Information und unter Berücksichtigung der im Rahmen eines Kalibrierschritts ermittelten Lage des Faserbündels zum Detektor. Hierbei sind typischerweise mehrere Pixel einer Faser zuzuordnen.

Die in Form einer Maske als Relativangabe der Lage zu den Referenzfasern in der Steuer- und Verarbeitungseinheit hinterlegte Information über die Position einer jeden Lichtleitfa­ ser innerhalb der Bügel oder schalenförmigen Elemente wird gemäß dem erfindungsgemä­ ßen Verfahren in vorteilhafter Weise während des Herstellungsprozesses des Faserbündels durch gezielte Lichteinkopplung in einzelne Fasern mittels einer geeigneten Vorrichtung und Auswertung der bestrahlten Pixel eines Photoempfängers softwaregestützt gewonnen. Die geometrische Zuordnung des durch die Referenzfasern realisierten Koordinatensy­ stems zum Faserbündel erfolgt vor der Messung in einem Kalibrierschritt, bei dem Licht, beispielsweise von LEDs, in die freien Faserenden der Referenzfasern eingekoppelt wird. Dadurch werden die Referenzfasern dem Detektor und dem angeschlossenen Steuer- und Verarbeitungssystem als leuchtende Punkte sichtbar gemacht. Anhand dieser Punkte wird für die Messung wiederum durch einen vorteilhafterweise softwaregestützen Algorithmus die Lage des Faserbündel-Koordinatensystems zur Position des Photoempfängers und die notwendige Maskentransformation (Translation, Rotation, Maßstab) für die Zuordnung der Pixel zu den Fasern vorgenommen. Im Unterschied zu einer auch denkbaren festen Zuord­ nung von Pixeln zu bestimmten Fasern ergibt sich eine höhere Fehlertoleranz des Systems gegenüber möglichen Dejustagen zwischen Photoempfänger und Faserenden und eine größere Flexibilität beim Austausch einzelner Komponenten.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung auf Basis einer faseroptischen Anordnung hat den Vorteil, daß eine hohe räumliche Auflösung punktartiger Strahlungsquellen möglich ist, ohne daß Teile der Anordnung unnötig bewegt werden und Ungenauigkeiten infolge der Empfängergröße auftreten. Eine einmalige Eichung genügt, um für lange Zeiten zuver­ lässige Messungen zu gestatten. Die Transformation der räumlich inhomogen verteilten Strahlung erfolgt durch die Faseranordnung im Raum auf einem gedachten Kreis- bzw. Kugelabschnitt um die Strahlungsquelle herum automatisch unter Nutzung bestimmter Faserverteilungen sowie erfindungsgemäßer Zuordnungs- und Auswertealgorithmen, wobei die jeweils anderen Faserenden auf einen ebenen Empfänger geleitet und die von ihnen geführte Strahlung durch diesen registriert werden.

Eine solche faseroptische Anordnungen verwendet optische Lichtwellenleiter aus Glas oder auch aus Kunststoff mit einen bestimmten Durchmesser D, mit einer vorgegebenen numeri­ schen Apertur NA und mit einer materialspezifischen wellenlängenabhängigen Transmis­ sion. Ein runder optischer Lichtwellenleiter registriert eine punktförmige Strahlungsquelle mit einer Ungewißheit in der Winkelangabe, die allein durch die Ungenauigkeit ihrer Lage im Raum gegeben ist, da von einer Punktquelle nur die Strahlung registriert werden kann, die direkt den lichleitenden Querschnitt der Faser trifft. Im Falle eines Flächenstrahlers re­ gistriert die Faser die Strahlung im Rahmen ihrer NA, weist also einen wesentlich größe­ ren Beobachtungswinkel und somit eine wesentlich größere Ungewißheit in der Winkelan­ gabe auf. Hat man es mit einem idealen Flächenstrahler zu tun, ist die Ungewißheit relativ klein. Emittiert der Flächenstrahler sehr inhomogen in den Raum, kann die Ungewißheit den Wert der NA erreichen, was jedoch selten der Fall sein dürfte. Durch entsprechende Auswertealgorithmen kann der Fehlerbereich in diesem Falle stark eingeschränkt werden.

Die Erfindung soll an Hand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert werden. In der zu­ gehörigen Zeichnung zeigen:

Fig. 1 Die schematische Darstellung einer möglichen praktischen Umsetzung der erfin­ dungsgemäßen Vorrichtung

Fig. 2 Eine typische Anordnung der Referenzfasern in einem 180° Bügel

Fig. 3 Möglichkeiten der Ankopplung des Faserbündels an den Photodetektor

Fig. 4 Eine kreisförmige Faseranordnung

Fig. 5 Beispiel einer Abstrahlcharakteristik in Polarkoordinatendarstellung für zwei Faserbügel einer grünes Licht emittierenden Diode

In der Fig. 1 ist die prinzipielle Anordnung des faseroptischen Radiometers 1 mit einem halbkreisförmigen Faserbügel 5 mit einem Radius R ohne Wiedergabe der in dem Faser­ bündel 7 enthaltenen Referenzfasern 8 dargestellt. Die Fasern 2 sind derart im Bügel 5 ausgerichtet, daß ihre optische Achse 3 auf den Mittelpunkt 4 des umschlossenen Halbkrei­ ses weisen, wobei ihre polierte Endfläche senkrecht zur optischen Achse 3 steht und mit der inneren Bügeloberfläche endet. Sie weist im Normalfalle eine Oberfläche mit der gleichen Krümmung wie der Bügel 5 auf, kann jedoch auch in ebener Form vorliegen. Die Bügel 5 sind generell mit Fasern 2 im Zenit geschlossen und weisen, je nach Verwendungs­ zweck, in Zenitnähe oder auch in anderen Bügelbereichen eine erhöhte Faseranzahl pro Grad auf, um auch "Vorzugsbereiche" der Abstrahlcharakteristiken sehr gut aufzulösen.

Die anderen Enden der Fasern 2 eines Bügels 5 werden in einem gemeinsamen Faserbün­ del 7 zusammengefaßt. Die Fasern 2 eines Bündels 7 können im Bündel 7 willkürlich ver­ teilt sein. In diesem Bündel 7 sind auch die für die Faser-Pixel-Zuordnung notwendigen Referenzfasern 8 enthalten, die nur für den Kalibriervorgang Licht führen, wobei vorzugs­ weise Licht einer im Radiometergehäuse 1 angebrachten LED 9 verwendet wird siehe Fig. 2). Eine typische Anordnung der Referenzfasern 8 innerhalb des Faserbündels 7 ist in der Fig. 2 dargestellt. Das Faserbündel 7 wird verklebt, geläppt und poliert, so daß eine optisch einwandfreie ebene Oberfläche aller Faserendflächen vorliegt. Zusätzliche Fa­ sern 12 für die Aufnahme der spektralen Verteilung des Emitters, für die geeichte Radio­ meterdiode zum absoluten Strahlungsabgleich und für die V(λ)-Diode zum photometri­ schen Abgleich können im Bügel 5 an unterschiedlichen Stellen angeordnet sein und enden alle in SMA-Steckern 13 oder auf intern angeordneten photoelektrischen Empfängern. Die Kopplung der strahlungsführenden Faserbündelendfläche 16 mit dem hochintegrierten Photoempfänger (CCD-Matrix oder CCD-Zeilensensor oder auch Diodenzeilensensor) 14 kann, wie aus Fig. 3 ersichtlich, entweder über eine optische Abbildung mittels Objek­ tiv 15 oder durch eine direkte Faser-Chip-Kopplung erfolgen. Der hochintegrierte Pho­ toempfänger 14 enthält eine interne oder auch externe elektronische Steuer- und Verarbei­ tungseinheit 10, 11, so daß im Normalfall keine zusätzliche Framegraberkarte notwendig ist. Die Steuer- und Verarbeitungseinheit 10, 11 besteht gemäß dem Beispiel aus einer Bildverarbeitungseinheit 10 und einem schnellen PC 11 entsprechender Speicherkapazität, mit dem eine Auswertung sofort erfolgen kann. Die Ergebnisausgabe erfolgt über einen Bildschirm und/oder andere Ausgabegeräte wie Drucker, Plotter und dgl.

Da die Pixel-Faser-Zuordnung durch eine Kalibrierung erstellt und in die Software eingear­ beitet wird, ist auch durch den späteren Nutzer nach kleinen Dejustierungen schnell eine Neuzuordnung unter Verwendung der Kalibrierfasern mittels Softwaresteuerung möglich. Die von jeder Faser 2 registrierten photoelektrischen Signale werden beispielsweise durch ein entsprechendes Softwareprogramm direkt weiterverarbeitet, so daß entweder eine Zusammenfassung der Daten in Tabellenform oder ein direkter Ausdruck in kartesischen Koordinaten oder in Polarkoordinaten erfolgen kann. Die Bewertung der Daten in radiome­ trischer oder photometrischer Hinsicht erfolgt über das Computerprogramm nach Wunsch. Ein gleichzeitiger Ausdruck der mitgemessenen spektralen Verteilungen ist möglich.

Zur Ermittlung der Abstrahlcharakteristika von großflächigen Emittern wird eine Blende verwendet, die einen solchen Durchmesser hat, daß man näherungsweise einen Punktemit­ ter voraussetzen kann. Unter Verwendung eines x-y-Tisches erfolgt dann eine gesteuerte Bewegung zur Abrasterung der großen Emitterfläche.

Für die Aufnahme der Abstrahlcharakteristik in Breiten- und Längenkreisen wird entweder der Radiometergrundkörper 1 um die strahlungsemittierende Probe 6 oder der Emitter 6 im Radiometergrundkörper 1 gedreht.

Ein weiteres Ausführungsbeispiel ist gemäß Fig. 4 dadurch gekennzeichnet, daß die mes­ senden Fasern 2 eine lichtemittierende Probe 6 (z. B. runde Leuchtstofflampe, lateral abstrahlende Faser) ringförmig umschließen, so daß die Abstrahlcharakteristik unter Verwendung unterschiedlicher Blenden stückweise in Längsrichtung und vollständig rundherum schnell aufgenommen werden können. Hierbei ist wie auch im ersten Ausfüh­ rungsbeispiel zu beachten, daß vagabundierende Reflexionen und Streustrahlung durch eine nahezu vollständige Schwärzung der Bügel 5 und der Bügelinnenseiten auf minimale Werte herabgesetzt werden.

Die jeweils anderen Enden der Lichtleitfasern 2 sind wieder in einem oder, unter Beibehal­ tung des erfinderische Grundprinzips und bei jeweiliger Einbeziehung der erforderlichen Referenzfasern 8 in mehreren Faserbündeln 7 zusammengefaßt, die der photoelektrischen Einheit 14 zugeführt werden. Wie oben geschildert läuft die Auswertungsprozedur analog ab.

Typische Meßergebnisse sind aus der Fig. 5 ersichtlich. Die Figur gibt beispielhaft die Abstrahlcharakteristik einer grünes Licht emittierenden Diode für zwei verschiedene Azimute in Polarkoordinatendarstellung wieder.

Aufstellung der verwendeten Bezugszeichen

1

Radiometer, Radiometergehäuse

2

Lichtleitfaser

3

optische Achse

4

Mittelpunkt

5

Bügel

6

Strahlungsquelle, Probe

7

Faserbündel

8

Referenzfaser

9

Strahlunsquelle

10

Steuer- u. Verarbeitungseinheit, Bildverarbeitungseinheit

11

Steuer- und Verarbeitungseinheit, PC

12

Lichtleitfaser

13

SMA-Stecker

14

Photodetektor

15

Objektiv

16

Faserbündelendfläche, Lichtaustrittsfläche

Claims (24)

1. Verfahren zur Messung der Abstrahlcharakteristik von Strahlungsquellen mittels eines faseroptischen Radiometers, bei dem die von der Strahlungsquelle emittierte Strahlung über ein Bündel von Lichtleitfasern einem mit den Lichtleitfasern direkt oder über ein Objektiv gekoppelten Photodetektor zugeführt wird, wobei die Lichtleit­ fasern an jeweils einem Faserende mit ihren Lichteintrittsflächen mittels Bügeln halbkreis- oder kreisförmig oder mittels schalenförmigen Elementen halbkugel- oder kugelförmig in einem konstanten Radius um die punktförmig ausgebildete oder aufgrund der Größe des Radius und des damit verbundenen Abstandes zu den Licht­ leitfasern oder aufgrund der Verwendung von Blenden als punktförmig anzusehende Strahlungsquelle herum angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtleit­ fasern an ihren während der Messung mit dem Photodetektor zu koppelnden Faser­ enden unter Einbeziehung der Faserenden von mindestens drei weiteren als Referenz­ fasern dienenden Lichtleitfasern in einer beliebigen Zuordnung zueinander fixiert werden und in einem einmalig durchzuführenden Zuordnungsvorgang die Position einer jeden Lichtleitfaser innerhalb der Bügel oder schalenförmigen Elemente ermittelt und als Relativangabe ihrer Lage zu den Referenzfasern in einer elektronischen Steuer- und Verarbeitungseinheit gespeichert wird, daß nach der Ankopplung des Faserbündels an den der Messung dienenden Photodetektor in einem Kalibrierschritt die Lage der als Bezugssystem dienenden Referenzfasern und damit die Lage des Faserbündels in bezug auf die strahlungsempfindliche Oberfläche des lokal sensitiv ausgebildeten Photodetektors ermittelt und bei der sich anschließenden Messung selektiv die von den einzelnen Lichtleitfasern auf den Photodetektor übertragenen Anteile des Gesamtstromes der von der Strahlungsquelle abgegebenen Strahlung gemessen sowie die räumliche Lage dieser Anteile im Strahlungsfeld der Strah­ lungsquelle mittels der Steuer- und Verarbeitungseinheit aus der in der Steuer- und Verarbeitungseinheit gespeicherten Positionsangabe der jeweiligen Lichtleitfaser und der bei der Kalibrierung festgestellten Lage des Faserbündels in bezug auf den Photodetektor bestimmt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei dem Zuordnungs­ vorgang in alle Lichtleitfasern, einschließlich in die Referenzfasern, nacheinander einzeln und selektiv Strahlung aus einer Strahlungsquelle eingetragen und dabei die Position der jeweiligen Faser in dem Faserbündel erfaßt wird, während bei dem Kalibrierschritt lediglich die Referenzfasern mit einer von einer Strahlungsquelle abgegebenen Strahlung beaufschlagt werden, um die Lage des Faserbündels in Bezug auf den für die Messung angekoppelten Photodetektor festzustellen.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine die Abstrahl­ charakteristik für verschiedene Azimute oder unter Berücksichtigung mehrerer Breiten- und/oder Längenkreise erfassende Messung bei einem Radiometer mit einer halbkreis- oder kreisförmigen Anordnung der Lichtleitfasern um die Strahlungsquelle durch Schwenken oder Drehen des oder der mit den Lichtleitfasern besetzten Bügel und/oder durch Schwenken oder Drehen der Strahlungsquelle realisiert wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß im Zuge der Kalibrierung oder unmittelbar vor dem Beginn der Messung mittels einer in der Nähe des Zenits eines Bügels oder eines schalenförmigen Elementes angeordneten bevorzugten Lichtleitfaser eine Überprüfung des für die Messung vorgegebenen Abstandes zwischen der Strahlungsquelle und den Lichteintrittsflächen der in dem Bügel oder dem schalenförmigen Element angeordneten Lichtleitfasern auf der Basis des photometrischen Entfernungsgesetzes erfolgt.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß über einzelne Lichtleitfasern des Faserbündels eine Messung der spektralen Verteilung der von der Strahlungsquelle emittierten Strahlung vorgenommen wird.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die der Messung der spektralen Verteilung zugeführten Strahlungsanteile einer V(λ)-Bewertung unterzogen werden.

7. Vorrichtung zur Messung der Abstrahlcharakteristik von Strahlungsquellen, ausge­ bildet als ein faseroptisches Radiometer mit einem der mechanischen Fixierung und elektrischen Kontaktierung der Strahlungsquelle dienenden Meßobjektträger und mit Bügeln oder schalenförmigen Elementen, die halbkreis- oder kreisförmig bzw. halb­ kugel- oder kugelförmig um die zu messende Strahlungsquelle angeordnet sind und in die in einer definierten Verteilung die mit ihrer Lichteintrittsfläche die Strahlung der Strahlungsquelle aufnehmenden Enden von Lichtleitfasern eingeordnet sind, welche an ihren jeweils anderen Faserenden in einem Faserbündel zusammenlaufend, während der Messung mit einem lokal sensitiven Photodetektor gekoppelt sind, der mit einer elektronischen Steuer- und Verarbeitungseinheit in eine Wirkverbindung gebracht ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtleitfasern (2) in die Bügel (5) oder schalenförmigen Elemente so eingeordnet sind, daß sich die gedachten Fortset­ zungen ihrer zur Lichteintrittsfläche rechtwinklig verlaufenden optischen Achsen (3) im Mittelpunkt (4) des durch einen Bügel (5) oder ein schalenförmiges Element beschriebenen Radius und damit, bei einer hinsichtlich ihrer Lage mittels des Meßob­ jektträgers richtig in der Meßanordnung plazierten Strahlungsquelle (6), in dieser zu messenden Strahlungsquelle (6) schneiden, daß die jeweils anderen Faserenden der Lichtleitfasern (2) in dem Faserbündel (7) gemeinsam mit mindestens drei weiteren als Referenzfasern (8) wirkenden Lichtleitfasern in ihrer Lage zueinander fixiert und unter Ausbildung einer ebenen Lichtaustrittsfläche (16) angeordnet sind, daß am oder im Radiometer (1) eine separate Strahlungsquelle (9) vorgesehen und zur Kali­ brierung der Vorrichtung mit den Referenzfasern (8) koppelbar ist und daß in der Steuer- und Verarbeitungseinheit (10; 11) als Maske eine Information über die Position einer jeden Lichtleitfaser (2) innerhalb der Bügel (5) oder schalenförmigen Elemente als Relativangabe ihrer Lage zu den Referenzfasern (8) innerhalb des Faserbündels (7) hinterlegt ist.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die in dem Faser­ bündel (7) in ihrer Lage zueinander fixierten Lichtleitfasern (2; 8) miteinander verklebt sind und die von ihnen zur Ankopplung an den Photodetektor gebildete Lichtaustrittsfläche (16) geläppt und poliert ist.

9. Vorrichtung nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß die elektro­ nische Steuer- und Verarbeitungseinheit (10; 11) aus einer Bildverarbeitungseinheit (10) und einem mit dieser Bildverarbeitungseinheit (10) gekoppelten PC (11) besteht, durch welchen bei der Kalibrierung die Lage des Faserbündels (7) in bezug auf den Photodetektor (14) und während der Messung, unter Berücksichtigung der ermittelten Lage des Faserbündels (7) und der in dem PC (11) hinterlegten Information über die Position einer jeden Lichtleitfaser (2) innerhalb des Faserbündels (7), die von den einzelnen Lichtleitfasern (2) auf den Photodetektor (14) übertragenen Anteile des Gesamtstromes der von der Strahlungs­ quelle (6) abgegebenen Strahlung gemessen sowie die räumliche Lage dieser Anteile im Strahlungsfeld der Strahlungsquelle softwaregestützt ermittelt werden und daß an den PC (11) ein Gerät zur Ausgabe der vom PC ermittelten, die Strahlungscharak­ teristik der Strahlungsquelle darstellenden Daten angeschlossen ist.

10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß es sich bei den Lichtleitfasern (2) um Glas- oder Kunststoffasern mit einer Numerischen Apertur NA von 0,45 oder geringer handelt.

11. Vorrichtung nach einem Ansprüche 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß für eine die Abstrahlcharakteristik für verschiedene Azimute oder unter Berücksichtigung mehrerer Breiten- und/oder Längenkreise erfassende Messung eine Wirkverbindung zwischen dem oder den die Lichtleitfasern (2) aufnehmenden Bügeln (5) und der Steuer- und Verarbeitungseinheit (10; 11) und/oder eine Wirkverbindung zwischen der Steuer- und Verarbeitungseinheit (10; 11) und dem der mechanischen Fixierung und elektrischen Kontaktierung der Strahlungsquelle (6) dienenden Meßobjektträger besteht, so daß mittels der Steuer- und Verarbeitungseinheit (10; 11) eine Schwenk- oder Drehbewegung des oder der mit den Lichtleitfasern (2) besetzten Bügel (5) und/oder der Strahlungsquelle (6) steuerbar ist.

12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß in den oder die die Lichtleitfasern (2) aufnehmenden Bügel (5) bzw. schalenförmigen Elemente weitere zusätzliche Lichtleitfasern (12) eingeordnet sind, die an ihrem jeweils anderen Faserende mit einem faseroptischen Spektrometer koppelbar sind, wobei neben dem faseroptischen Spektrometer auch noch Photodetektoren für eine absolute Radiometrie und/oder eine photometrische Bewertung vorgesehen sind.

13. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß zur Berechnung der Farbkoordinaten zwischen der Steuer- und Verarbeitungseinheit (10; 11) und dem faseroptischen Spektrometer eine Wirkverbindung besteht, so daß die Berechnung der Farbkoordinaten innerhalb des Meßzyklus zur spektrometrischen Bewertung der Strahlungsquelle (6) ermöglicht ist, wobei eine Vergleichslichtquelle faseroptisch eingekoppelt wird und die Daten dieser Lichtquelle bekannter Farbtemperatur soft­ waremäßig herangezogen werden.

14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtleitfasern (2) in dem oder den Bügeln (5) bzw. dem oder den schalenförmigen Elementen gleichmäßig verteilt angeordnet sind.

15. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtleitfasern (2) in dem oder den Bügeln (5) bzw. dem oder den schalenförmigen Elementen ungleichmäßig verteilt angeordnet sind, wobei die Lichtleitfasern (2) in einem Bereich um den Zenit eines Bügels (5) oder eines schalenförmigen Elementes dichter angeordnet sind.

16. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß das in einem Bereich um den Zenit eines Bügels (5) oder schalenförmigen Elementes eine gegen eine andere Faseranordnung austauschbare Fasergruppe angeordnet ist.

17. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Faserenden der Lichtleitfasern (2) nicht unmittelbar an dem durch einen Bügel (5) oder ein schalenförmiges Element beschriebenen Radius münden, sondern hinter einer Strahlenfalle, die innen schwarz gefärbt ist und deren Länge ein Vielfaches des Durchmessers einer Lichtleitfaser (2) beträgt.

18. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtleitfasern (2) transparent für Strahlung im infraroten Bereich sind.

19. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß der Meßobjektträger und eine bevorzugte, in der Nähe des Zenits eines Bügels (5) oder schalenförmigen Elementes eingeordnete Lichtleitfaser (2) in einer Wirkverbindung mit der Steuer- und Verarbeitungseinheit (10; 11) stehen, so daß mittels einer am Meßobjektträger fixierten Referenzstrahlungsquelle mit einer bekannten Abstrahl­ charakteristik und durch die Einkopplung der von dieser Referenzstrahlungsquelle abgegebenen Strahlung in die bevorzugte Lichtleitfaser (2) unter Berücksichtigung des photometrischen Entfernungsgesetzes der Meßobjektträger von der Steuer- und Verarbeitungseinheit (10; 11) in eine für die zu messende Strahlungsquelle (6) korrekte Position steuerbar ist, bei der die zu messende Strahlungsquelle sich während der Messung im Mittelpunkt (4) des von dem oder den Bügeln (5) bzw. schalenförmigen Elementen beschriebenen Radius befindet und während des Meßvor­ gangs eine meßtechnische Entfernungskontrolle ermöglicht ist.

20. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 19, dadurch gekennzeichnet, daß es sich bei dem lokal sensitiven Photodetektor (14) um eine Diodenzeile handelt.

21. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 19, dadurch gekennzeichnet, daß es sich bei dem lokal sensitiven Photodetektor (14) um eine CCD-Matrix oder eine CCD-Zeilenkamera handelt.

22. Vorrichtung nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, daß durch Blenden und/oder Graufilter und auch unter Nutzung verschiedener Integrationszeiten der Kameraelektronik verschiedene Meßbereiche mit jeweils gleichen dynamischen Bereichen einstellbar sind.

23. Vorrichtung nach Anspruch 21 oder 22, dadurch gekennzeichnet, daß durch die Auflösung der CCD-Matrix oder -Zeilenkamera und die Zuordnung der Faserenden der Lichtleitfasern (2) in dem Faserbündel (7) zu deren einzelnen Pixeln vermittels der Steuer- und Verarbeitungseinheit (10; 11) auch eine inhomogene Strahlungs­ verteilung an der der CCD-Matrix oder -Zeilenkamera zugewandten Lichtaustritts­ fläche (16) einer Lichtleitfaser (2) erfaßbar und auswertbar ist.

24. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 23, dadurch gekennzeichnet, daß der Meßobjektträger die Aufnahme einer Lichtleitfaser als Probe (6), die Einkopplung einer Strahlung in diese Lichtleitfaser sowie eine Positionierung dieser Lichtleitfaser ermöglicht, bei der deren Längsachse durch den Mittelpunkt des von dem oder den Bügeln beschriebenen Radius verläuft und so jeweils abschnittsweise das radiale Abstrahlfeld dieser Lichtleitfaser meßbar ist.