DE2834983B2

DE2834983B2 - Meßkopf für Beleuchtungsstärke-Meßgeräte

Info

Publication number: DE2834983B2
Application number: DE19782834983
Authority: DE
Inventors: Vladimir Dr.-Ing. 5100 Aachen Blazek
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1978-08-10
Filing date: 1978-08-10
Publication date: 1981-01-08
Also published as: DE2834983A1; DE2834983C3

Description

dadurch gekennzeichnet, daß

c) das tichteüitritts- und das mindestens eine Lichtaustrittsfenster aus freien öffnungen (4 bzw. 6) bestehen,

d) der Innendurchmesser der Photometerkugel (1, 2) etwa zehnmal so groß ist wie der Durchmesser der Öffnungen (4 bzw. 6),

e) der Abschatter (5) ebenfalls mit dem Farbbelag (3) versehen und nicht größer als zur Abschirmung des mindestens einen Lichtaustrittsfensters (6) gegen Direktlicht nötig ausgebildet ist,

f) der spektrale Verlauf des Reflexionsfaktors des Farbbelags (3) so an die spektrale Empfindlichkeitscharakteristik des mindestens einen Wandlers (7) angepaßt ist, daß die vorgegebene Bewertungsfunktion allein durch den Farbbelag und den mindestens einen Wandler (7) festgelegt ist.

2. Meßkopf nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der spektrale Verlauf des Reflexionsfaktors an die Empfindlichkeitscharakteristik des mindestens einen z. B. als Si-Photodiode ausgebildeten Wandlers (7) so angepaßt ist, daß sich als Bewertungsfunktion die spektrale Heilempfindlichkeitskurve des menschlichen Auges ergibt.

3. Meßkopf nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in dem vom Abschatter (5) abgeschirmten Bereich der Innenwand der Photometerkugel (1, 2) zwei oder mehr öffnungen für den Lichtaustritt samt zugeordneten photoelektrischen Wandlern vorgesehen sind, und daß die Wandler gleiche oder unterschiedliche Empfindlichkeitscharakteristiken besitzen.

Die Erfindung betrifft einen Meßkopf gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs I.

Alle physikalischen lichttechnischen Messungen beruhen auf der Ermittlung einer Beleuchtungsstärke. Die Beleuchtungsstärke ist nach Gl. I definiert als Quotient aus dem auf eine Fläche auftreffenden Lichtstrom und der beleuchteten Fläche:

E =

Φ A '

(gemessen in lux gleich Itimcri pro Quadratmeter/ Ix=Im · m~²/).

Im Handel sind derartige Meßgeräte unter dem Namen LUX-Meter oder BELEUCHTUNGSMESSER bekannt, obwohl sie eigentlich den auffallenden Lichtstrom Φ messen und die Beleuchtungsstärke E aus Φ erst durch Division mit der Räche A des Empfängers entsteht

Die physikalischen Beleuchtungsstärke-Meßgeräte sollen vor allem den folgenden Forderungen genügen:

1) Strahlungsbewertung gemäß der spektralen HeIlempfindlichkeit des menschlichen Auges (VW-gemäße Bewertung).

2) Diffuse gleichmäßige Beleuchtung der ganzen Fläche des Photodetektors.

3) Exakte Messung nicht nur für gerichteten, sondern auch für schrägen bzw. diffusen Lichteinfall.

4) Möglichst linearer Zusammenhang zwischen der Beleuchtungsstärke und der Anzeige (Photostrom).

5) Einfache Bedienbarkeit, kleine Abmessungen und geringes Gewicht

6) Große Meßgenauigkeit im weiten Meßbereich.

Wie bereits erwähnt, soll die Strahlungsbewertung in allen Beleuchtungsstärke-Meßgeräten gemäß der spek traten Hellempfindlichkeit des menschlichen Auges, nämlich der IJ^Kurve, bewertet werden. Dies geschieht nach dem jetzigen Stand der Technik durch die sog. Partial- oder Teilfilterung. Vor den Photodetektor wird ein sowohl im optischen als auch im

U) mechanischen Sinne (bis zu 16 verschiedene Filter) aufwendiges Filtersystem gesetzt (vgl. Farbe 7 [1958\ 153-162; Farbe 10 [1961], 45-56), das mit einer Photometerkugel kombiniert sein kann, vgl. Farbe und Lack78(1972),619—622.

r> Da die Vjft^-angepaßten Photodetektoren sehr kostspielig sind, fällt bei einfachen Beleuchtungsstärke-Meßgeräten die Vß/Anpassung ganz weg, was zu erheblichen Meßfehlern um ca. 20% und mehr (Heibig, E: Grundlagen der Lichtmeßtechnik. Verlag

GEEST & PORTIG, Leipzig 1972.154-155) führt

Außerdem weisen die Geräte, die mit durch Partialfilterung angepaßten Photodetektoren arbeiten, erhebliche Schwächen auf. Sollen die Ritersätze die genaue Vjfl^Anpassung gewähren, müssen sie in ihrer ganzen Fläche gleichmäßig und senkrecht durchstrahlt werden. Wenn diese Voraussetzungen nicht erfüllt werden, entstehen auf Grund des geometrischen Aufbaus und auf Grund der geänderten Transmissionseigenschaften z. B. bei schrägem Lichteinfall erhebliche

W Meßfehler. Eine zur Lichtrichtung geneigte Fläche empfängt eine geringere Beleuchtungsstärke, weil der gleiche Lichtstrom eine größere Fläche anstrahlt (Vgl. zum Beispiel Schade, H.: Technische Optik, Verlag Vieweg[1968D.

Da in der praktischen Lichtmeßtechnik nur sehr selten ein parallelgebündelter, über seinem Querschnitt homogener Lichtstrom existiert, andererseits aber diffuses Licht gemessen werden soll, liegt die negative Auswirkung der Partialfilterung mit Filtersätzen auf die

w) Meßgenauigkeit deutlich auf der Hand.

Aus der DE-OS 24 17 399 ist bereits ein Hohlraum-Vorsatz für Strahlungsmeßgeräte bekannt, dessen Innenoberfläche zur Realisierung einer spektralen Bewertiingsfunktion mit einer selektiv reflektierenden

hi Schicht bedeckt ist, der jedoch außerdem mit einem vor einem Photodetektor angeordneten Filtersatz ausgerüstet ist. Darüber hinaus werden in dieser Druckschrift Photometerkugeln mit offener Eintritts- und gegen-

überliegender Austrittsöffnung als bekannt vorausgesetzt

Die Aufgabe der Erfindung ist es, einen Meßkopf der eingangs genannten Art so auszubilden, daß die jeweils erforderliche, z.B. V(2>gemäße Strahlungsbewertung mit einfachen und billigen Mitteln erreicht wird.

Zur Lösung dieser Abgabe sind die im Kennzeichen des Anspruchs 1 angegebenen Maßnahmen vorgesehen.

Bei dem erfindungsgemäßen Meßkopf für Beleuchtungsstärke-Meßgeräte wird die Strahlungsbewertung somit nicht durch Partialfilterung mit Filtersätzen, sondern durch die selektive Reflexion des Farbbelages auf der Innenwand de? Meßkopfes in Verbindung mit der spektralen Empfindlichkeitscharakteristik des photoelektrischen Wandlers bewirkt wobei gleichzeitig ohne besondere Vorkehrungen die gesamte Oberfläche des Photodetektors mit diffusem Licht ausgeleuchtet wird.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.

Im folgenden sind anhand der Zeichnungen ein Ausfuhrungsbeispiel des erfindungsgemäßen Meßkopfes sowie ein beispielsweiser Rechnungsgang zur Ermittlung des spektralen Verlaufes des Reflexionsfaktors und des Farbtones für den Farbbelag der Meßkopfinnenwand beschrieben. Es zeigt

F i g. 1 einen schematischen Schnitt durch einen Meßkopf,

Fig.2 bis 4 Kurven zur Veranschaulichung des Rechnungsganges.

Der Meßkopf, der eine modifizierte Ulbricht-Kuge¹ darstellt, besteht aus zwei zusammengesetzten Teilen 1 und 2. Die äußere Form kann der jeweiligen Anwendung angepaßt sein (z. B. würfelförmig oder kugelförmig), innen muß jedoch ein möglichst geome- j, trisch genau kugelförmiger Hohlraum vorhanden sein.

Durch die freie Meßöffnung 4 fällt der zu messende Lichtstrom L in den Meßkopf ein. Dieser Lichtstrom kann im Gegensatz zu den bisherigen Meßgeräten beliebige Ausbreitungsform haben und z. B. diffus, gerichtet fokussiert (Laserstrahl) oder defokussiert sein. Der zu messende Lichtstrom L wird durch die mehrfache Reflexion an einem selektiv diffus remittierenden Farbbelag 3 gefiltert und gelangt schließlich durch die Photodetektoröffnung 6 auf den Photodetektor 7.

Ein Abschatter 5 sorgt dafür, daß kein Anteil des einfallenden Lichstroms L direkt d. h. noch ungefiltert an den Photodetektor 7 gelangt

Statt einer Wandöffnung 6 und eines Photodetektors w 7 können öffnungen für mehrere Photodioden mit gleicher oder unterschiedlicher spektraler Empfindlichkeit in dem durch den Abschatter vor direkter Lichteinstrahlung geschützten Kugelwandbereich untergebracht werden. Durch das Addieren bzw. Substra- hieren der spektralen Empfindlichkeiten der einzelnen Photoelemente läßt sich die resultierende spektrale Empfindlichkeit in gewünschter Weise beeinflussen.

Der Innendurchmesser der Hohlkugel kann für die verschiedenen Anwendungen verschieden sein und ζ. Β. μ zwischen ca. 5 mm und 100 mm oder mehr betragen. Bei der Wahl des Durchmessers und dadurch der Größe des Meßkopfes müssen folgende Gesichtspunkte beachtet werden:

a) Der Durchmesser Udcr Hohlkugel soll ca. lOmal so groß sein, wie dtr Durchmesser d der Meß- und Photodetektoröffnung;

b) je größer der Durchmesser D ist desto besser und genauer wird die optische Filterung;

c) je kleiner Ound je größer t/sind, desto größer wird der Übertragungsfaktor des Meßkopfes;

d) der Abschatter 5 soll immer möglichst klein sein (Störung der optischen Integration) und ebenso wie die Meßkopfinnenseite mit dem selektiven Farbbelag 3 beschichtet werden.

Der Farbbelag 3 der Kugelinnenwand soll homogen aufgetragen und diffus reflektierend sein.

Als Beispiel soll der Rechnungsgang für die Ermittlung des Reflexionsfaktors ßß) mit zugehöriger Farbauswertung des Farbbelags 3 für eine V#>gemäße Anpassung eines ausgewählten Silizium-Photodetektors angegeben werden. Für eine andere Art von Photodetektoren (z. B. Ge-Dioden, Photomultipliern usw.) können analog andere /?(λ^ Verläufe des Farbanstrichs berechnet werden. Die Durchführung der Berechnung von ßß)erfolgt zweckmäßig mit i.äfe eines Computer-Programms in einem Rechenzentrum.

Die relative spektrale Empfindlichkeit fyß) des Si-Photodetektors vom Typ PIN 10 D, aktive Fläche A = lern², ist für den sichtbaren Wellenlängenbereich (A = 180 nm bis 780 nm) in Tab. 1 absolut und in F i g. 2 relativ angeführt Dieser Verlauf der Empfindlichkeit ist die Ausgangsgröße für die Berechnung.

Gewünscht ist daß diese spektrale Empfindlichkeit Sß)ni durch die Filterwirkung des selektiven Kugelfarbbelages 3 des Meßkopfs an die spektrale Hellempfindlichkeit des menschlichen Auges V(X) angepaßt wird, da die Wirkung des sichtbaren Lichtes auf das Auge nicht nur von den physikalischen Eigenschaften des Lichtes (der Dichte des Energiestroms, der Wellenlänge oder der spektralen Zusammensetzung) abhängig ist, sondern auch von der spektralen Hellempfindlichkeit des menschlichen Auges Vß). Für ein normales menschliches Auge ist Vßjrei= 100% bei λ = 555 /im. Der Verlauf Vß) ist in DIN 5031, Blatt 3, festgelegt und in F i g. 3 dargestellt

Das Ergebnis der Berechnung — der Verlauf des für dieses Anwendungsbeispiel erforderlichen Reflexionsfaktors ßß)reides Kugelanstrichs 3'in Abhängigkeit von der Wellenlänge A ist in Fig.4 dargestellt (Prinzip der Berechnung, s. Anhang 1).

Die zugehörige Farbauswertung für das 2°-Normva-Ienz-System bezogen auf die Normlichtart A (Prinzip der Berechnung s. Anhang 2) ergab folgende Ergebnisse:

Farbort:

— Normfarbwerte:

X = 35,264 Y = 43,476 Z = 6,485

— Normfarbwertanteile:

χ = 0,414 y = 0.5ΪΌ ζ = 0,076

Farbton:

— Farbtongleiche Wellenlänge:

Xf = 560 nm

Sättigung:

— Spektraler Farbanteil:

Pr = 0,4754

Diese Ergebnisse bilden die Unterlagen zur Herstellung der Farbe für den Farbbelag 3 des Meßkopfs durch einen einschlägigen Farbhersteller.

Wenn man die Normfarbwerte v, y. ?. in eine Normfarbtafel (vgl. zum Beispiel: DIN 5033, Blatt 3, Seite 2) einträgt, erhält man einen Farbort, der für die Kennzeichnung der Farbe im Spektralfarbenzug zuständig ist. Es handelt sich bei dem angeführten Beispiel um eine ziemlich gesättigte (Pi =0,4754), grüne (A/ - 560 nm) Farbe.

Die Berechnung wurde deshalb auf Normlichtart A bezogen, weil die Kalibrierung handelsüblicher Lux-Meter im allgemeinen mit Glühlampenlicht von 2856 K vorgenommen wird. Die Normlichtart A ist in DIN 50J3, Blatt 7, definiert und wird im sichtbaren Teil des Spektrums durch die spektrale Strahllingsverteilung einer gasgefüllten Wolfram-Glühlampe der Verteilungstemneratur T.. = 28.W Kelvin erzeugt und kann als representativer Vertreter der künstlichen Beleuchtung bezeichnet werden.

Anhang I

Berechnung des wellenlängenabhängigen
Reflexionsfaktors des Kugelfarbbelages 3

Ist Φ der Gesamtlichtstrom, der in den Meßkopf einfällt, so wird von der Kugelwand mit dem Reflexionsgrad ßß) nach einmaliger Reflexion der Lichtstrom ßß) ■ Φ reflektiert. Der reflektierte Lichtstrom gelangt erneut zur Kugelwand, bei der zweiten Reflexion wird der Anteil ßßf ■ Φ reflektiert, sodann ßßP Φ — ßßT ■ Φ etc., wobei schließlich η — »gilt.

Unter Berücksichtigung aller Reflexionen fällt also insgesamt der Lichtstrom

Φ + /;(/) ■Φ + ji[Xf ■ Φ + ... ,![λ)" ■ Φ (2)

auf die Innenwand der Kugei. Der in Klammern stehende Ausdruck stellt eine unendliche Reihe mit der Summe

Nach unendlich vielen Reflexionen trifft also insgesamt der Lichtstrom

φ + φ —''^ίΛ> -I-/UÄ)

(3)

auf die Kugel wand und erzeugt dort die Beleuchtungsstärke

F ₌

(4)

A_k A_k 1 - ,1(X) ·
wobei A_k die Fläche der Kugelinnen wand ist:
A₁ = 4πΓ ; (5)

r... Radius der Kueelinnenwand.

Der erste Summand in Gl. (4) fehlt an den Stellen, die nur von reflektiertem Licht getroffen werden (Wirkung des Abschalters 5) z. B. an der Photodetektoröffnung 6. so daß die Gleichung (4) in Gleichung (6) übergeht:

A_k I -/U/) '

Um die I (/!-gemäße Bewertung zu erhalten, muß eeltcn:

SOX, · , % = VO.U,.

Die Werte Sß) und V(K) werden für alle Wellenlängen als bekannt vorausgesetzt, so daß der absolute und relative Reflexionsfaktor des Kugelanstrichs nach Gl. (8) und (^u) berechnet werden kann:

so),,,

+ 1

Anhang 2
Farbauswertung

Die valenzmetrische Farbauswertung erfolgt nach dem durch DIN 5033 festgelegten 2°-Normvalenz-System.

Die Normfarbwerte X, Y. Z werden nach den Gleichungen (10), (11) und (12) berechnet:

x = kjs_s(X)inx)x[X)dx. (10)

.1

γ = kJss(X),iO)yi>)dx, (H)

Z = kjs_s(X),iiX)l(X)dX. (12)

Dabei bedeuten:
S_S[X) spektrale Strahlungsfunktion,

ß(X) Reflexionsfaktor des Kugelanstrichs,

z[X) 2°-Normspektralwertfunktionen,

a = 380 nm,

b = 780 nm Integrationsgrenzen.

Die Integrationskonstante Ic wird nach Gl. (13) bestimmt:

k= 100

(13)

Aus den Normf;irbwerten X. Y. /. werden die Normfiirbwcrtiinteile x. y. ζ nach Öl. (14). (15). (16) berechnel:

(14) (15) (16)

Anhang 3

Beispiele der Anpassung von Si-Photodetektoren an verschiedene Spektralwertfunktionen durch die Filter-

kugel

A) Anpassung an Normspektralwertfunktionen

In diesem falle könnte man mit drei Meßkugeln mit drei verschiedenen Filtereige>:M'haften eine Farbmessung ridCli dein >ug. DtirrdtMcitsveiiiiiiren durchführen (vgl. dazu: Richter. M.: F.inführung in die Farbmetrik. Berlin 197b. Walter de Gruyter Verlag).

B) Anpassung an die spektrale Empfindlichkeit F(K) einer photographischen Schicht Die spektrale Empfindlichkeit einer photographischen Schicht stimmt im allgemeinen nicht mit der Funktion VQ.) des Auges überein. Bei der Strahlungsanpassung an FQ.) kann die Beleuch tungsstärke E bzw. Belichtung B = E- t, gemessen in lux · sec, genau bestimmt werden. Im medizinischen Bereich ist SaIs Dosis üblich.

C) Anpassung an die spektrale Empfindlichkeit der menschlichen Haut im UV-S-Bereich Die Filterwirkung der hier beschriebenen Anordnung kann auch außerhalb des sichtbaren Strahlungsbereichs ausgenutzt werden, wobei nur der Anstrich 3 entsprechend geändert werden muß. Da der UV-S-Strahlungsbereich β = 280—315 nm) die Hautrötung (Sonnenbrand) hervorruft, kann die Bestimmung der Beleuchtungsstärke in diesem Bereich z. B. für die Dermatologie besondere Bedeutung haben. Als Photodetektor kann man in diesem Falle z. B. zwei Schottky-Barrier-Photodioden benutzen, die im UV-Bereich unterschiedliche spektrale Empfindlichkeiten S(k)\ und Sfi^ aufweisen (eine der Photodioden ist im UV-Bereich in ihrer Empfindlichkeit angehoben — s. Kurve 1 und 2 in Fig.5). Durch Substrahieren der beiden Empfindlichkeiten erhält man eine resultierende spektrale Empfindlichkeit Sß), die nach Normierung als Kurve 3 in F i g. 5 aufgezeichnet ist Tabelle I
Detektorkalibrierung

STANDARD DFTEKTOR NR. 6781, DIODENTYPPIN IOD AKTIVE FLÄCHE A - 1,0 cm'

DATUM DFR MESSUNG II. NOV. 1977

TEST DETEKTOR DIODE NR. I. DIODENTYP PIN 10 D, A - 1,0 cm'

Wl-: 1.1.1 NiANCiP.	-.	nm	TKST-Pl IOTOSTROM	ABS.
	M) 360		SPKKlK
375		PMPI
400	Amp. x 10 "	Amp/Wall
425	0,320	0,0400
450	0,460	0,0580
''' 475	1.770	0,1320
500	5,800	0.2010
525	12.500	0,2590
550	24.100	0,3040
575	39,000	0.3320
^!" 600	58.200	0.3(-U0
625	91,800	0.3810
650	108,000	0,3980
675	136,000	0.4160
700	164,000	0.4330
'· 725	192,000	0,4480
750	223,000	0,4610
775	249,000	0,4730
800	268,000	0.4830
v, 825	280,000	0,4930
850	283,000	0,5020
875	283,000	0,5100
900	294,000	0,5170
925	332,000	0,5170
45 950	389,000	0,5130
975	456,000	0.5030
1000	502,000	0.4820
1025	518,000	0,4480
1050	501,000	0.3920
50 1075	452,000	0.3260
1100	369,000	0,2440
249,000	0,1600
149,000	0,1020
87,000	0.0580

Hierzu 5 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Meßkopf für Beleuchtungsstärke-Meßgeräte mit

a) einer die folgende Merkmale aufweist:

1. ein Lichteintrittsfenster,

2. mindestens ein Lichtaustrittsfenster,

3. einen Abschatter im Wege des Direktlichts vom Lichteintritts- zum Lichtaustrittsfenster,

4. einen zur Erzielung einer vorgegebenen spektralen Bewertungsfunktion des gemessenen Lichts beitragenden selektiv reflektierenden Farbbelag der Innenwand,

b) mindestens einem photoelektrischen Wandler, der hinter dem mindestens einen Lichtaustrittsfenster angeordnet ist,