DE3634597A1 - Verfahren und anordnung zur messung der strahldichte von inkohaerentes licht abstrahlenden optischen sendern bzw. der leuchtdichte von inkohaerenten lichtquellen - Google Patents

Verfahren und anordnung zur messung der strahldichte von inkohaerentes licht abstrahlenden optischen sendern bzw. der leuchtdichte von inkohaerenten lichtquellen

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Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Messung der Strahldichte von inkohärentes Licht abstrahlenden optischen Sendern bzw. der Leuchtdichte von inkohärenten Lichtquellen, bei welchem Meßwerte der von Flächenelementen der abstrahlenden Senderfläche in einen Raumwinkel­ bereich abgestrahlten Lichtleistung gebildet werden.
Ein derartiges Verfahren ist beispielsweise in IEEE Journal of Quantum Electronics, Vol. QE-12, No. 6, S. 360-364 beschrieben.
Die Abstrahleigenschaften von inkohärenten optischen Quellen, z. B. von lichtemittierenden Dioden (LED) für die optische Nachrichtentechnik, werden durch die radiometrische Größe "Strahldichte" L e (Englisch: radiance) charakterisiert. Entsprechend werden die Abstrahleigenschaften von Lichtquellen, z. B. von Leuchten oder Bildschirmen, durch die analoge photometrische, d. h. physiologisch bewertete Größe "Leuchtdichte" L v (Englisch: luminance) beschrieben. Bezüglich weiterer Einzelheiten wird auf DIN 5031 und IUPAP, Dokument U.I.P.20 (1978) verwiesen.
Aus der Strahldichte lassen sich die weiteren radiometrischen Größen Strahlstärke, spezifische Ausstrahlung und Strahlungsfluß durch Integration berechnen. Entsprechend lassen sich aus der Leuchtdichte die weiteren photometrischen Größen Lichtstärke, spezifische Lichtausstrahlung und Lichtstrom durch Integration berechnen.
Die Strahldichte ergibt sich aus der von einem Flächenelement des Strahlers in ein Raumwinkelelement abgestrahlten Leistung. Im bekannten Fall müssen zur Ermittlung der Strahldichte der Flächeninhalt einer kleinen Senderfläche, ein kleiner Raumwinkel und eine optische Leistung gemessen werden.
Die Leuchtdichte kann entweder visuell oder objektiv gemessen werden.
Die objektive Messung entspricht der Messung der Strahldichte, wobei jedoch das optische Spektrum mit der Empfindlichkeitskurve des Auges zu bewerten ist.
Die Leuchtdichte L v ergibt sich aus der Strahldichte L e durch Multiplikation mit dem relativen spektralen Hellempfindlichkeitsgrad V λ des menschlichen Auges:
L v = V λ L e
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, das Verfahren der eingangs genannten Art zu vereinfachen.
Die Lösung gelingt dadurch, daß die Eingangsfläche eines einmodigen Lichtwellenleiters (LWL) vor das jeweilige Flächenelement gerichtet wird und daß die Lichtleistung des den LWL verlassenden Strahls mittels eines optischen Leistungsmessers gemessen wird.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren brauchen keine Flächenelemente und Raumwinkel gemessen zu werden.
Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, daß in den einmodigen Lichtwellenleiter eine Lichtleistung eingekoppelt wird, welche im Falle einer inkohärenten und mit einer bestimmten Wellenlänge g strahlenden Quelle der Strahldichte L e der Strahlungsquelle direkt proportional ist:
P = k · L e (k ist dabei eine Konstante).
Durch Verschiebung der Eingangsfläche des LWL über die strahlende Fläche läßt sich die Ortsabhängigkeit der Strahldichte ermitteln. Da der Felddurchmesser der Grundmode im einmodigen LWL etwa 10 µm beträgt, kann erfindungsgemäß mit einer Ortsauflösung in der Größenordnung von 10 µm gemessen werden.
Bei Lambert-Strahlern ist die Strahldichte unabhänging von der Abstrahlrichtung. Wenn andere Strahlungsquellen untersucht werden sollen, bei welchen die Strahldichte von der Strahlrichtung abhängt, ist es vorteilhaft möglich, daß mit verschiedenen Winkelrichtungen des LWL relativ zum optischen Sender gemessen wird.
Die Proportionalitätskonstante k gemäß der erwähnten Beziehung
P = k · L e
ist dem Quadrat der Wellenlänge λ, also dem Wert λ², proportional.
Die Wellenlängenabhängigkeit des mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens erhaltenen Ausgangssignals läßt sich gemäß der vorteilhaften Ausgestaltung dadurch eliminieren, daß dem optischen Leistungsmesser ein optisches Filter mit einem derart wellenlängenabhängigen Transmissionsgrad vorgeschaltet wird, daß einer Anzeigevorrichtung ein Signal zugeführt wird, welches der mit dem Faktor 1/λ² bzw. V λ /λ² multiplizierten Lichtleistung des Ausgangsstrahls des LWL proportional ist.
Wenn ein optischer Leistungsmesser verwendet wird, welcher unabhängig von der Wellenlänge direkt die optische Eingangsleistung anzeigt, also keine spektralen Empfindlichkeitsunterschiede aufweist, wäre ein optisches Filter mit einem Transmissionsgrad zu verwenden, der proportional 1/λ² ist.
Insbesondere bei Verwendung von Photodioden als optischen Detektoren kann deren spektrales Empfindlichkeitsverhalten durch eine geeignete spektrale Kennlinie der Transmission des optischen Filters kompensiert werden, so daß von einem optischen Detektor ein elektrisches Ausgangssignal abgreifbar ist, welches unabhängig von der Wellenlänge λ des Lichts der Strahlungsquelle ist.
Eine für die Untersuchung praktisch monochromatischer Strahlung vorteilhafte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, daß die Wellenlänge des gesendeten Lichts gemessen wird, und daß dem optischen Leistungsmesser ein elektronischer Meßwertwandler nachgeschaltet wird, durch welchen einer Anzeigevorrichtung Signale zugeführt werden, welche der mit dem Faktor 1/λ² bzw. V λ /λ² multiplizierten Ausgangsleistung des LWL proportional sind. Dabei wird die Funktion des oben erwähnten optischen Filters durch eine gleichwirkende elektronische Umwandlung der Ausgangssignale des Photodetektors ersetzt. Die Wellenlängenabhängigkeit der vom LWL geführten Lichtleistung und die unterschiedlichen spektralen Empfindlichkeiten des Photodetektors werden in dem Sinne kompensiert, daß schließlich ein Ausgangssignal erhalten wird, welches unmittelbar und unabhängig von der Wellenlänge des Lichts immer der Strahldichte der Strahlungsquelle direkt proportional ist.
Für eine solche elektronische Kompensation ist natürlich Voraussetzung, daß eine Information über die jeweilige Wellenlänge des Lichts der Strahlungsquelle vorliegt.
Da im allgemeinen der Wert 1/λ² im in Frage kommenden optischen Wellenlängenbereich nur in relativ engen Grenzen variieren kann, genügt es zur Erzielung ausreichender Genauigkeit, daß die Wellenlänge des Anteils des Sendelichts gemessen wird, welches mit der größten Leistung abgestrahlt wird.
Eine bevorzugte Ausgestaltung ist dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgangsleistung des LWL mittels mindestens zweier optischer Detektoren unterschiedlicher spektraler Empfindlichkeit gemessen wird, und daß aus deren Ausgangssignalen eine Information über die Wellenlänge λ ermittelt wird.
Wie es in der EP-OS 01 74 496 ausführlich beschrieben ist, können aus den elektrischen Ausgangssignalen der beiden Photodetektoren alle erforderlichen Informationen über die Wellenlänge λ und die Lichtleistung P erhalten werden.
Eine Anordnung zur Ausübung des Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, daß sie einen Längenabschnitt eines einwelligen LWL enthält, dessen Eingangsfläche mittels eines Manipulators in Flächenkoordinatenrichtungen verschiebbar und gegebenenfalls schwenkbar ist, und daß die Ausgangsfläche des LWL auf einen optischen Sender gerichtet ist.
Eine bevorzugte Ausführungsform ist derart weitergebildet, daß dem optischen Sender mindestens ein elektronisches und/oder optisches Transformationselement zugeordnet ist, so daß einer Anzeigevorrichtung ein Signal zugeführt wird, welches der mit dem Faktor 1/λ² bzw. V λ /λ² mutliplizierten Lichtleistungen des Ausgangslichtes des LWL proportional ist.
Bei Verwendung eines analog anzeigenden Instruments kann man bei einer einfachen Ausführungsform vorsehen, daß der optische Leistungsmesser eine Photodiode ist, deren elektrisches Ausgangssignal nach Verstärkung einem Anzeigeninstrument zugeführt ist, welches für verschiedene Wellenlängen geeichte Skalen aufweist.
Die Erfindung und ihre Vorteile werden anhand der Beschreibung von in der Zeichnung dargestellten und für das erfindungsgemäße Verfahren vorteilhaft geeigneten Meßanordnungen näher erläutert.
Fig. 1 zeigt schematisch eine zur Ausübung des erfindungsgemäßen Verfahrens geeignete Meßanordnung.
Fig. 2 zeigt eine abgewandelte Meßanordnung mit zwei Photodetektoren unterschiedlicher spektraler Empfindlichkeit.
Fig. 3 zeigt die Kennlinie der für die Anordnung nach Fig. 2 verwendeten Photodetektoren.
Mit einer Anordnung nach Fig. 1 soll die Strahldichte der inkohärenten Strahlungsquelle 1 (z. B. LED) über die Senderfläche 2 ermittelt werden. Möglichst nahe vor der Senderfläche 2 endet die Eingangsstirnfläche eines einmodigen LWL 3, welcher an einem beweglichen Halte­ block 17 eines nicht dargestellten Manipulators gebräuchlicher Bauart befestigt ist. Der Halteblock 17 ist in einer zur Zeichenebene senkrechten Ebene derart in den Koordinatenrichtungen x und y verschiebbar, daß die Eingangsstirnfläche des LWL 3 vor jedes Flächenelement der Senderfläche 2 bringbar ist. Erforderlichenfalls kann der Halteblock auch z. B. um den Winkel α gedreht werden, so daß bei beliebigen Abstrahlungswinkeln gemessen werden kann. Bei Lambertschen Strahlern braucht jedoch nur in einer einzigen Winkelrichtung gemessen zu werden.
Da in den Anfangsbereichen des LWL 3 außer seiner Eigen­ mode auch Mantelmoden höherer Ordnung weitergeleitet werden können, welche ohne zusätzliche Maßnahmen erst nach vielen Metern vollständig abgestrahlt werden, ist ein Modenabstreifer 4 vorgesehen. Dann genügt für den LWL 3 bereits eine Länge von weniger als 20 cm.
Das vom LWL 3 geführte Licht wird über ein optisches Filter 5, dessen Transmission wellenlängenabhängig ist, auf die Eingangsfläche eines in Fig. 1 nicht dargestellten Photodetektors geleitet, dessen elektrisches Ausgangs­ signal bei vorgegebener Wellenlänge λ der empfangenen Lichtleistung proportional ist. Ein solcher Photodetektor ist Bestandteil der Meßwerterfassungseinrichtung 6, welche weiterhin elektronische Verstärker enthält.
Die Transmission des optischen Filters 5 ist dem Wert 1/g² proportional, falls die Empfindlichkeit der Meßwerterfassungseinrichtung 6 von der Wellenlänge λ unabhängig ist. Dann liefert die Meßwerterfassungsein­ richtung 6 ein Ausgangssignal, welches direkt ein Maß für die Strahldichte der Strahlungsquelle 1 ist.
Falls die Leuchtdichte gemessen werden soll, wäre ein optisches Filter 5 zu verwenden, dessen Transmission dem Faktor V λ /λ² proportional ist.
Eine besonders vorteilhafte Meßanordnung zeigt Fig. 2. Das vom LWL 3 geführte monochromatische Licht wird über eine Optik 7 und über einen Strahlteiler 8 auf zwei als Photodioden 9 und 10 ausgebildete Photodetektoren geleitet, deren elektrischen Ausgangssignale in der Meßwerterfassungseinrichtung 13 verstärkt und aufbereitet werden. Die Photodetektoren 9 und 10 weisen spektrale Empfindlichkeiten nach Fig. 3 auf, d. h. ihre elektrischen Ausgangssignale I verlaufen bei konstanter Lichtleistung gemäß den Kennlinien 11 (Photodetektor 9) bzw. der Kennlinie 12 (Photodetektor 10) in Abhängigkeit der Wellenlänge g.
Die Ausgangssignale der beiden Photodetektoren vermitteln bei gemeinsamer Auswertung sowohl eine Information über die Wellenlänge λ des gemessenen Lichts als auch über die Lichtleistung, wie in der EP-OS 01 74 496 ausführlich beschrieben ist.
Der Rechner 13 vergleicht die Meßinformation mit den im Speicher 14 im Rahmen eines Eichvorgangs eingespeicherten Informationen und liefert über die Anzeigeeinrichtung 15 oder die Datenschnittstelle 16 der Strahldichte bzw. Leuchtdichte direkt proportionale Ausgangssignale.
Selbstverständlich können, wie in der EP-OS 01 74 496 beschrieben ist, auch mehr als zwei messende Photodetektoren verwendet werden. Dann lassen sich zusätzlich Infor­ mationen über die spektrale Charakteristik der Strahlungs­ quelle 1 gewinnen und gegebenenfalls Warnsignale erzeugen, welche anzeigen, daß die Strahlungsquelle ein zu breites und praktisch nicht mehr monochromatisches Wellenlängenspektrum sendet. Dann könnten nämlich die Meßwertanzeigen der Anzeigeeinrichtung 15 fehlerhaft sein.

Claims (10)

1. Verfahren zur Messung der Strahldichte von inkohärentes Licht abstrahlenden optischen Sendern bzw. der Leucht­ dichte von inkohärenten Lichtquellen, bei welchem Meßwerte der von Flächenelementen der abstrahlenden Senderfläche in einen Raumwinkelbereich abgestrahlten Lichtleisten gebildet werden, dadurch gekennzeichnet, daß die Eingangsfläche eines einmodigen Lichtwellenleiters (LWL) vor das jeweilige Flächenelement gerichtet wird und daß die Lichtleistung des den LWL verlassenden Strahls mittels eines optischen Leistungsmessers gemessen wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mit verschiedenen Winkelrich­ tungen des LWL relativ zum optischen Sender gemessen wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß dem optischen Leistungsmesser ein optischer Filter mit derart wellenlängenabhängigen Transmissionsgrad vorgeschaltet wird, daß einer Anzeige­ vorrichtung ein Signal zugeführt wird, welches der mit 1/λ² bzw. V λ /λ² multiplizierten Lichtleistung des Ausgangsstrahls des LWL proportional ist.
4. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Wellenlänge des gesendeten Lichts gemessen wird, und daß dem optischen Leistungs­ messer ein elektronischer Meßwertwandler nachgeschaltet wird, durch welchen einer Anzeigevorrichtung Signale zuge­ führt werden, welche der mit dem Faktor 1/λ² bzw. V g /λ² multiplizierten Ausgangsleistung des LWL propor­ tional sind.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Wellenlänge λ des Anteils des Sendelichtspektrums gemessen wird, welches mit der größten Leistung abgestrahlt wird.
6. Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgangsleistung der LWL mittels mindestens zweier optischer Detektoren unterschiedlicher spektraler Empfindlichkeit gemessen wird, und daß aus den Ausgangssignalen eine Information über die Wellenlänge ermittelt wird.
7. Anordnung zur Ausübung des Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß sie einen Längenabschnitt eines monomodischen LWL enthält, dessen Eingangsfläche mittels eines Manipulators in Flächenkoordinatenrichtungen verschiebbar und gegebenenfalls schwenkbar ist, und daß die Ausgangsfläche des LWL auf einen optischen Sender gerichtet ist.
8. Anordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß dem optischen Sender mindestens ein elektronisches und/oder optisches Transformationselement zugeordnet ist, so daß einer Anzeigevorrichtung ein Signal zugeführt wird, welches der mit dem Faktor 1/λ² bzw. V λ /λ² multiplizierten Lichtleistung des Ausgangslichts des LWL proportional ist.
9. Anordnung nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Ausgangslicht des LWL über einen Strahlteiler auf mindestens zwei optische Leistungsmesser verschiedener spektraler Empfindlichkeit gerichtet ist.
10. Anordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der optische Leistungsmesser eine Photodiode ist, deren elektrisches Ausgangssignal nach Verstärkung einem Anzeigeinstrument zugeführt ist, welches für verschiedene Wellenlängen geeichte Skalen aufweist.
DE19863634597 1986-10-10 1986-10-10 Verfahren und anordnung zur messung der strahldichte von inkohaerentes licht abstrahlenden optischen sendern bzw. der leuchtdichte von inkohaerenten lichtquellen Withdrawn DE3634597A1 (de)

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