DE2816017C2

DE2816017C2 - Light meter

Info

Publication number: DE2816017C2
Application number: DE19782816017
Authority: DE
Inventors: Dieter Dipl.-Phys. Dr. Ernst; Dieter 3000 Hannover Reinhardt
Original assignee: Gesellschaft für Strahlen- und Umweltforschung mbH, 8000 München
Priority date: 1978-04-13
Filing date: 1978-04-13
Publication date: 1987-04-23
Also published as: DE2816017A1; NL7900630A; GB2023812B; SE7903223L; NL178276C; SE440400B; GB2023812A; ATA41879A; AT376041B; NL178276B

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Lichtmessgeraet mit richtungsunabhaengiger Bewertung aller Einfallsrichtungen aus dem Halbraum oder mit Bewertung des einfallenden Lichtes mit der Funktion 1/cos alpha bis zu einer Obergrenze, wobei das Licht von einem Detektor aufgenommen wird. Ueber dem Detektor ist ein Dom als Streukoerper angeordnet. Der Dom besteht aus zwei uebereinanderstehenden Teilkoerpern, wovon der obere Teilkoerper Licht streut, ohne die ideale Halbraumgeometrie zu erreichen und der untere Teilkoerper die Maengel des oberen Teilkoerpers ausgleicht. Hierbei koennen Ausfuehrungsformen der erfindungsgemaessen Lichtmessvorrichtung vorsehen, dass der obere Teilkoerper eine Halbkugel mit zentraler Abdeckung ist. Andere Formen, z.B. Kegel oder Rotationshalbellipsoid, sind auch moeglich. Der untere Teilkoerper ist in vorteilhafter Ausfuehrung ein Zylinder von gleichem oder geringerem Durchmesser als der Durchmesser des oberen Teilkoerpers in der Beruehrungsebene beider Teilkoerper. Die besonderen Vorteile bestehen darin, dass das Geraet Beleuchtungs- und Remissionsmessungen, vor allem fuer oekologische, gaertnerische oder arbeitsphysiologische Zwecke incl. der Spektralverteilung erlaubt. So werden ueber einer Messoeffnung ein Dom aus lichtstreuendem Material sowie Blenden gesetzt, die die allseitige Empfindlichkeit bewirken. Die Abmessungen von Halbkugel bzw. Kegel und Zylinder sind auf minimale Abweichung von der Richtungsunabhaengigkeit optimiert. Entsprechendes gilt...U.S.WThe invention relates to a light measuring device with direction-independent evaluation of all directions of incidence from the half-space or with evaluation of the incident light with the function 1/cos alpha up to an upper limit, whereby the light is recorded by a detector. A dome is arranged above the detector as a scattering body. The dome consists of two sub-bodies positioned one above the other, of which the upper sub-body scatters light without achieving the ideal half-space geometry and the lower sub-body compensates for the deficiencies of the upper sub-body. Embodiments of the light measuring device according to the invention can provide that the upper sub-body is a hemisphere with a central cover. Other shapes, e.g. cone or semi-ellipsoid of revolution, are also possible. In an advantageous design, the lower part of the body is a cylinder with the same or smaller diameter than the diameter of the upper part of the body in the plane of contact between the two parts. The particular advantages are that the device allows lighting and remission measurements, especially for ecological, horticultural or occupational physiological purposes, including the spectral distribution. A dome made of light-scattering material and apertures are placed over a measuring opening, which ensure sensitivity on all sides. The dimensions of the hemisphere or cone and cylinder are optimized for minimal deviation from direction independence. The same applies...etc.

Description

Die Erfindung betrifft ein Lichtmeßgerät mit richtungsunabhängiger Bewertung aller Einfallsrichtungen aus dem Halbraum, wobei das Licht von einem Detektor aufgenommen wird, über dem ein aus zwei Teilkörpern bestehender Dom als Streukörper angeordnet ist, und die Kosinusverteilungskurve des Detektors korrigierende Teile vorgesehen sind.The invention relates to a light measuring device with direction-independent evaluation of all directions of incidence from the half-space, wherein the light is recorded by a detector, above which a dome consisting of two partial bodies is arranged as a scattering body, and parts are provided which correct the cosine distribution curve of the detector.

Derartige Lichtmeßgeräte sind bekannt (DE-OS 24 30 689, DE-AS 18 13 306 oder DE-AS 10 28 357). Die verwendeten Teilkörper in Form von Linsen, Prismenringen, Kalotte und Ringe erbringen jedoch eine besondere genaue Erfüllung des cos-Gesetzes und nicht eine winkelunabhängige Bewertung.Such light measuring devices are known (DE-OS 24 30 689, DE-AS 18 13 306 or DE-AS 10 28 357). However, the parts used in the form of lenses, prism rings, domes and rings provide a particularly precise fulfillment of the cos law and not an angle-independent evaluation.

Der Versuch, eine solche richtungsunabhängige Bewertung durchzuführen, wird mit einem Lichtmeßgerät (Vollenweider, R.A., 1969, Primary Production in Aquatic Environments, IBP Handbook No. 12, Blackwell Scientific Publications, Oxford) versucht, welches z. Zt. in der Limnologie Messungen mit einfachen Selenphotoelementen gestattet. Seine spektrale Empfindlichkeit wird durch Filter korrigiert. Es weist jedoch keine allseitige Lichtempfindlichkeit auf.An attempt is made to carry out such a direction-independent evaluation using a light meter (Vollenweider, R.A., 1969, Primary Production in Aquatic Environments, IBP Handbook No. 12, Blackwell Scientific Publications, Oxford), which currently allows measurements in limnology using simple selenium photoelements. Its spectral sensitivity is corrected by filters. However, it does not exhibit all-round light sensitivity.

Weiterhin wird von Sauberer, S., Rüttner, F., 1941 "Die Strahlungsverhältnissse der Binnengewässer", Akademische Verlagsgesellschaft Leipzig, und Kleschnin, A.F., 1960 "Die Pflanze und das Licht" Akademie-Verlag, Berlin gefordert, daß für limnologische Zwecke die Lichtmessung mit einem in jeder Richtung gleich empfindlichen Empfänger vorzunehmen ist. Ein brauchbares Gerät wird jedoch nicht beschrieben.Furthermore, Sauberer, S., Rüttner, F., 1941 "The radiation conditions of inland waters", Akademische Verlagsgesellschaft Leipzig, and Kleschnin, A.F., 1960 "The plant and the light" Akademie-Verlag, Berlin, demand that for limnological purposes, light measurements should be carried out with a receiver that is equally sensitive in every direction. However, a usable device is not described.

Auch wird in Weinberg, S., 1974 "A Relative Irradiance Meter for Submarine Ecological Measurements", Netherlands Journal of Sea Research 8 (4) : 354-360, ein Lichtmeßgerät angegeben, welches alle Strahlung des oberen Halbraumes gleichmäßig erfassen soll. Es wird dafür eine einfache streuende Halbkugel über dem Empfänger empfohlen. Diese Anordnung ist jedoch mit extremen Fehlern bis zu 100% des 90°-Wertes behaftet.In Weinberg, S., 1974 "A Relative Irradiance Meter for Submarine Ecological Measurements", Netherlands Journal of Sea Research 8 (4) : 354-360, a light measuring device is specified which is supposed to measure all radiation in the upper half of the space evenly. A simple scattering hemisphere above the receiver is recommended for this purpose. However, this arrangement is subject to extreme errors of up to 100% of the 90° value.

Ebenfalls bekannt ist aus Heath. O.V.S., 1972, Physiologie der Photosynthese, Georg Thieme Verlag, Stuttgart, ein Meßgerät, das Licht richtungsunabhängig erfassen soll, wobei eine streuende Halbkugel mit zentraler Abschirmung vorgesehen ist. Auch diese Anordnung weist starke Fehler bezüglich der Richtungsunabhängigkeit auf.Also known from Heath. O.V.S., 1972, Physiology of Photosynthesis, Georg Thieme Verlag, Stuttgart, is a measuring device that is supposed to detect light independently of direction, whereby a scattering hemisphere with central shielding is provided. This arrangement also shows serious errors with regard to direction independence.

Im Deutschen Reichspatent 4 72 363 wird ein Meßgerät zur zahlenmäßigen Bestimmung der Raumhelligkeit beschrieben, wobei das Meßgerät aus einer dem Licht ausgesetzten Voll- oder Hohlkugel besteht. Die Kugel ist trüb ausgebildet und dient zum Auffangen der Lichtströme aus verschiedenen Richtungen, so daß sich integrierte Helligkeit der Lichtströme durch eine Messung messen läßt. Diese Einrichtung erfüllt den Zweck einer richtungsunabhängigen Messung zwar einigermaßen gut, ist jedoch extrem unhandlich, da die Kugel stets wesentlich größer als der eigentliche Lichtempfänger sein muß. Weiterhin erlaubt sie nicht, die Lichtströme des oberen Halbraumes (Raumwinkel 2π) alleine zu erfassen. Die Auftrennung des Gesamtlichtstromes in den Anteil des oberen und des unteren Halbraumes ist jedoch für die praktische Messung ganz wesentlich.German Reich Patent 4 72 363 describes a measuring device for numerically determining the brightness of a room, whereby the measuring device consists of a solid or hollow sphere exposed to light. The sphere is cloudy and serves to capture the light fluxes from different directions, so that the integrated brightness of the light fluxes can be measured by one measurement. This device fulfils the purpose of a direction-independent measurement reasonably well, but is extremely unwieldy, since the sphere must always be considerably larger than the actual light receiver. Furthermore, it does not allow the light fluxes of the upper half-space (solid angle 2 π ) to be recorded alone. The separation of the total light flux into the portion of the upper and lower half-space is, however, very important for practical measurement.

Aus das in der Deutschen Patentschrift 5 56 677 beschriebene Meßinstrument dient dem gleichen Zweck. Es wird ein trüber durchscheinender Kegel mit 34° Spitzenwinkel auf den Lichtempfänger gesetzt. Grundriß und Aufrißfläche sind bei einem solchen Kegel gleich groß. Er bewertet zwar senkrecht und waagrecht einfallendes Licht gleich stark, für Zwischenwinkel gibt es jedoch starke Überbewertungen.The measuring instrument described in German Patent Specification 5 56 677 serves the same purpose. A cloudy, translucent cone with a 34° apex angle is placed on the light receiver. The plan and elevation areas of such a cone are the same size. Although it evaluates vertical and horizontal light equally, there are strong overvaluations for intermediate angles.

Weiterhin ist ein Lichtmesser der Firme Techtum Instrument QSM-2500, Umea, Schweden, bekannt, der jedoch keine richtungsunabhängige Bewertung des Lichtes erlaubt. Eine spektrale Auflösung mit Hilfe eines gradlinigen Verlauffilter-Monochromators kann allerdings durchgeführt werden.A light meter from the company Techtum Instrument QSM-2500, Umea, Sweden, is also known, but this does not allow for a direction-independent evaluation of the light. Spectral resolution can, however, be achieved using a linear graduated filter monochromator.

Diese bekannten Vorrichtungen zur richtungsunabhängigen Messung bewerten demnach die mittleren Winkel zu hoch. Bei Geräten ohne spektrale Auflösung ist die vollständige Korrektur, insbesondere der Übergang von energierichtiger zu quantenrichtiger Anzeige wegen der begrenzten Auswahl der Filter und Empfänger extrem schwer.These known devices for direction-independent measurement therefore overestimate the mean angles. In devices without spectral resolution, complete correction, especially the transition from energy-correct to quantum-correct display, is extremely difficult due to the limited selection of filters and receivers.

Die Aufgabe, welche der Erfindung gestellt ist, besteht darin, das Lichtmeßgerät der eingangs genannten Art derart auszubilden, daß eine Gleichbewertung aller Einfallsrichtungen von Tages- oder Kunstlicht im Halbraum ermöglicht wird.The object of the invention is to design the light measuring device of the type mentioned at the beginning in such a way that an equal evaluation of all directions of incidence of daylight or artificial light in the half-space is possible.

Die Lösung dieser Aufgabe ist in den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruches beschrieben.The solution to this problem is described in the characterizing features of the claim.

Die besonderen Vorteile der Erfindung bestehen darin, daß das Gerät Beleuchtungs- und Remissionsmessungen, vor allem für ökologische, gärtnerische oder arbeitsphysiologische Zwecke incl. der Spektralverteilung erlaubt. So werden über einer Meßöffnung ein Dom aus lichtstreuendem Material sowie Blenden gesetzt, die die allseitige Empfindlichkeit bewirken. Die Abmessungen von Halbkugel und Zylinder sind auf minimale Abweichung von der Richtungsunabhängigkeit optimiert.The particular advantages of the invention are that the device allows illumination and remission measurements, especially for ecological, horticultural or occupational physiological purposes, including spectral distribution. A dome made of light-scattering material and apertures are placed over a measuring opening, which provide sensitivity on all sides. The dimensions of the hemisphere and cylinder are optimized for minimal deviation from direction independence.

Die Erfindung wird im folgenden mittels Ausführungsbeispielen anhand der Fig. 1 bis 9 näher erläutert.The invention is explained in more detail below by means of embodiments with reference to Figs. 1 to 9.

Die Fig. 1 zeigt das Lambertische Kosinus-Gesetz, Fig. 1 shows the Lambertian cosine law,

Fig. 2 die Darstellung einer richtungsunabhängigen Messung, Fig. 2 shows a direction-independent measurement,

Fig. 3 und 4 die schematische Darstellungen für verschiedene Richtungsbewertungen, Fig. 3 and 4 show the schematic representations for different directional evaluations,

Fig. 5 bis 7 drei Alternativbeispiele für das Lichtmeßgerät, Fig. 5 to 7 three alternative examples for the light meter,

Fig. 8 die Abweichung der tatsächlichen von der idealen Bewertung eines Streukörpers und Fig. 8 the deviation of the actual from the ideal evaluation of a scattering body and

Fig. 9 die Berechnung eines Streukörpers mit linearer Bewertung. Fig. 9 the calculation of a scattering body with linear weighting.

Übliche Beleuchtungsmessungen setzen ein Meßgerät voraus, bei dem das lichtempfindliche Element bzw. der Detektor 1 ebene Form hat und damit einfallendes Licht verschiedener Richtung entsprechend dem Lambertschen Kosinus-Gesetz gemäß der Fig. 1 bewertet. Aufgetragen ist der Meßwert M = L · cos α wobei α der Einfallswinkel, L die Lichtintensität und α G der Grenzwinkel für die Lichtintensität bedeuten.Conventional illumination measurements require a measuring device in which the light-sensitive element or detector 1 has a flat shape and thus evaluates incident light from different directions according to Lambert's cosine law as shown in Fig. 1. The measured value M = L · cos α is plotted, where α is the angle of incidence, L is the light intensity and α G is the critical angle for the light intensity.

Zum Beispiel Pflanzen sind jedoch richtungsunabhängige Lichtempfänger (Richtungsempfänger wie Detektor 1 nach Fig. 2). Um für gärtnerische oder ökologische Zwecke eine geeignete Bewertung der verschiedenen Lichtrichtungen zu erhalten, muß eine richtungsunabhängige Messung erfolgen, wie sie in Fig. 2 dargestellt ist. Das Meßgerät 1 erfaßt den gesamten oberen Halbraum (Raumwinkel 2π). Der Meßwert M entspricht der Lichtintensität L. Sind Messungen auch im noch nicht erfaßten unteren Halbraum (restlichen Raumwinkel 2π) erforderlich, so wird entweder ein zweites Meßgerät benutzt oder die Messung nach entsprechender Drehung des Meßkopfes 1 wiederholt.However, plants, for example, are direction-independent light receivers (directional receivers such as detector 1 in Fig. 2). In order to obtain a suitable evaluation of the various light directions for horticultural or ecological purposes, a direction-independent measurement must be carried out, as shown in Fig. 2. The measuring device 1 covers the entire upper half-space (solid angle 2 π ). The measured value M corresponds to the light intensity L . If measurements are also required in the lower half-space not yet covered (remaining solid angle 2 π ), either a second measuring device is used or the measurement is repeated after appropriate rotation of the measuring head 1 .

Die schattenlose Ausleuchtung von Arbeitsplätzen erfordert eine richtungsunabhängige Bewertung des Lichtes. Bei der Bewertung nach dem Kosinusgesetz wird gerade das Licht, das die Seitenflächen irgendwelcher Gegenstände beleuchtet, fast nicht mitgemessen. Bei Remissionsmessungen wird dahingegen von einer Fläche zurückgeworfenes Licht von einem über der Fläche angebrachten Lichtmesser 1 erfaßt. Aus perspektivischen Gründen werden hierbei stark seitlich liegende Flächenbereiche Δ R ₂ (siehe hierzu die schematischen Darstellungen für die verschiedenen Richtungsbewertungen gemäß der Fig. 3 und Fig. 4) um den Faktor 1/cos² α gegenüber dem Flächenelement Δ R ₁ zu gering bewertet. Der Empfänger 1 muß dann diesen Fehler durch eine 1/cosα-Charakteristik bis zu einem gewissen Grenzwinkel α G ausgleichen.The shadow-free illumination of workplaces requires an evaluation of the light independent of direction. When evaluating according to the cosine law, the light that illuminates the side surfaces of any objects is hardly measured. In remission measurements, however, light reflected from a surface is recorded by a light meter 1 mounted above the surface. For perspective reasons, surface areas ΔR ₂ that are located very far to the side (see the schematic representations for the various direction evaluations according to Fig. 3 and Fig. 4) are underestimated by a factor of 1/cos ² α compared to the surface element ΔR _1. The receiver 1 must then compensate for this error using a 1/cos α characteristic up to a certain limit angle α G.

Daraus ergibt sich, daß Licht verschiedener Einfallsrichtungen entweder entsprechend dem Lambertschen Kosinusgesetz, richtungsunabhängig oder invers zum Konsinusgesetz (für Remissionsmessungen) bewertet werden muß.This means that light from different directions of incidence must be evaluated either according to Lambert's cosine law, independently of direction, or inversely to the cosine law (for remission measurements).

Die Fig. 5 bis 7 zeigen nunmehr drei Alternativbeispiele für die Ausfertigung des Domes 2, der zur Messung von Arbeitsplatzbeleuchtungen mit spektraler Bewertung nach der Augenempfindlichkeitskurve sowie Remissionsmessungen und der Messung der Spektralkurve als Energie pro Wellenlängenintervall, wie bei Lichtenergiemessungen, und in Quanten pro Wellenlängenintervall, wie z. B. für photochemische Zwecke bei der Photosynthese in Pflanzen, geeignet ist. Der Dom 2 besteht im Ausführungsbeispiel gemäß der Fig. 5 aus zwei Teilkörpern 3 und 4, wobei der obere Teilkörper 3 ein teilweise abgedeckte Halbkugel 3 bildet und der untere Teilkörper 4 einen Zylinder. Der Durchmesser des Zylinders 4 ist hier kleiner als der Durchmesser der Halbkugel 3 in der Berührungsebene 6. Fig. 5 to 7 show three alternative examples for the design of the dome 2 , which is suitable for measuring workplace lighting with spectral evaluation according to the eye sensitivity curve as well as remission measurements and the measurement of the spectral curve as energy per wavelength interval, as in light energy measurements, and in quanta per wavelength interval, such as for photochemical purposes in photosynthesis in plants. In the embodiment according to Fig. 5, the dome 2 consists of two partial bodies 3 and 4 , the upper partial body 3 forming a partially covered hemisphere 3 and the lower partial body 4 forming a cylinder. The diameter of the cylinder 4 is smaller here than the diameter of the hemisphere 3 in the contact plane 6 .

In der Fig. 6 weisen sowohl der obere halbkugelförmige Teilkörper 3 als auch der Zylinder 4 gleichen Durchmesser in der Berührungsebene 6 auf. Der obere segmentartige Teil 5 ist wie bei den Ausführungsbeispielen nach Fig. 5 und Fig. 7 lichtundurchlässig abgedeckt. In der Berührungsebene 6 ist eine ringförmige Blende 7 größeren Durchmessers als dem der beiden Teilkörper 3 und 4 angeordnet. Diese Blende 7 dient zur Abschattung von Teilen des Zylinders 4, je nach Einstrahlungsrichtung des Lichtes. Im Beispiel nach Fig. 5 und 7 wird diese Abschattung vom ringförmig ausgebildeten Verbindungsteil 10 der beiden Teilkörper 3 und 4 übernommen, wobei dieser Ring 10 ebenfalls lichtundurchlässig ist.In Fig. 6, both the upper hemispherical part 3 and the cylinder 4 have the same diameter in the contact plane 6. The upper segment-like part 5 is covered so that it cannot let in light, as in the embodiments according to Fig. 5 and Fig. 7. An annular aperture 7 with a larger diameter than that of the two parts 3 and 4 is arranged in the contact plane 6. This aperture 7 serves to shade parts of the cylinder 4 , depending on the direction of the light. In the example according to Fig. 5 and 7, this shading is taken over by the annular connecting part 10 of the two parts 3 and 4 , whereby this ring 10 is also opaque.

Das Beispiel nach Fig. 7 stellt eine Anordnung nach Fig. 5 dar, bei der beide Streukörper 3 und 4 durch dünne lichtstreuende Schichten auf einem dickwandigen glasklaren Körper realisiert werden. Der Oberteil dieses Körpers stellt die Halbkugel 3 dar und trägt die Streuschicht außen, der Unterteil stellt den Zylinder 4 dar und trägt die Streuschicht innen.The example in Fig. 7 represents an arrangement according to Fig. 5, in which both scattering bodies 3 and 4 are realized by thin light-scattering layers on a thick-walled, crystal-clear body. The upper part of this body represents the hemisphere 3 and carries the scattering layer on the outside, the lower part represents the cylinder 4 and carries the scattering layer on the inside.

Die Fig. 8 gibt die Abweichung A der tatsächlichen von der idealen Bewertung eines Streukörpers 2 gemäß dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 5 für die 1/cosα-Bewertung wieder. Die Abweichung A ist als Funktion von α 0° bis 90° wiedergegeben. Neben der Abszisse steht die Spalte "Grad" für den Einfallswinkel und die Spalte "Delta A" für die Abweichung von der idealen Bewertungskurve in Bruchteilen von 1. Die Maße des Domes gemäß der Fig. 5 in Bruchteilen des Kuppelradius betragen für: lichtundurchlässig abgedeckt ab Höhe 0,476, Radius Zylinder 4: 0,625 und Höhe des Zylinders 4: 0,532. Fig. 8 shows the deviation A of the actual from the ideal evaluation of a scattering body 2 according to the embodiment of Fig. 5 for the 1/cos α evaluation. The deviation A is shown as a function of α 0° to 90°. Next to the abscissa, the "degrees" column represents the angle of incidence and the "Delta A " column represents the deviation from the ideal evaluation curve in fractions of 1. The dimensions of the dome according to Fig. 5 in fractions of the dome radius are: opaquely covered from height 0.476, radius cylinder 4 : 0.625 and height of cylinder 4 : 0.532.

In der Fig. 9 ist die Berechnung des Streukörpers 2 mit linearer Bewertung wiedergegeben. A stellt die Abweichung der tatsächlichen von der idealen Bewertung in Bruchteilen von 1 als Funktion von Alpha dar. Neben der Abszisse sind wiederum die Winkelgrade und die Spalte "Delta A" aufgetragen. Die Maße des Domes 2 in Bruchteilen des Kuppelradius sind wiederum folgende: Fig. 9 shows the calculation of the scattering body 2 with linear evaluation. A represents the deviation of the actual from the ideal evaluation in fractions of 1 as a function of alpha. Next to the abscissa, the angle degrees and the column "Delta A " are plotted. The dimensions of the dome 2 in fractions of the dome radius are again as follows:

lichtundurchlässig abgedeckt ab Höhe 0,698, Radius Zylinder 0,625 und Höhe Zylinder 0,202 (Zylinder 4).opaquely covered from height 0.698, cylinder radius 0.625 and cylinder height 0.202 (cylinder 4 ).

Claims

Light measuring device with direction-independent evaluation of all directions of incidence from the half-space, the light being recorded by a detector, above which a dome consisting of two partial bodies is arranged as a scattering body, and parts are provided which correct the cosine distribution curve of the detector, characterized in that the upper partial body ( 3 ) is a hemisphere with a central, opaque cover, that the lower partial body ( 4 ) is a cylinder of the same or smaller diameter than the diameter of the upper partial body ( 3 ) in the contact plane ( 6 ) of both partial bodies ( 3, 4 ) and that a diaphragm ( 7 ) or an opaque annular surface ( 10 ) is arranged in the contact plane ( 6 ).