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Neues roboterbasiertes Gonioreflektometer

31.12.2005

Reflexionsmessungen an diffusen Proben spielen eine wichtige Rolle in den verschiedensten Gebieten der optischen Messtechnik. Die Kalibrierkunden der PTB kommen aus den Bereichen der Papier-, Textil- und Farbindustrie, aus Firmen mit radiometrischer und photometrischer Produktpalette sowie aus anderen Staatsinstituten ohne eigene absolute Reflexionsskala. Die PTB realisiert, bewahrt und gibt dazu die Skalen der diffusen Reflexion, d.h. die Messung des (absoluten) spektralen Strahldichtefaktors β(λ) in den verschiedenen Reflexionsgeometrien weiter. Eine spezielle Klasse sind hierbei die so genannten gerichtet/gerichteten Geometrien, die mit Hilfe eines Gonioreflektometers realisiert werden. Bei einer gonioreflektometrischen Messung wird aus einer Raumrichtung auf das zu untersuchende Material eingestrahlt und die von ihm reflektierte Strahlung dann in einer beliebigen anderen Raumrichtungen gemessen.

Das neue Gonioreflektometer der PTB (Bild 1) erlaubt zusätzlich zur Messung von Reflexionskennzahlen für spezielle genormte Geometrien, wie z.B. 45/0 (einfallende Strahlung unter 45° auf die Probe/Reflexion senkrecht zur Probe) auch die Messung von allgemeinen Winkelverteilung der von Materialien reflektierten Strahlung innerhalb des gesamten Halbraumes oberhalb der Probe. Diese Flexibilität wird durch den Einsatz eines kleinen 5-Achs-Industrieroboters mit einer Schulterhöhe von nur 65 cm erreicht, welcher als Probenhalter dient. Damit ist es möglich im Zusammenspiel mit einem großen Drehtisch (ø = 1,5 m), der die bestrahlende Lampe auf einer Kreisbahn um 360° verfährt, die Probe aus jeder beliebigen Raumrichtung zu bestrahlen und die reflektierte Strahlung unabhängig davon in beliebiger Richtung detektieren zu können.

Das Gonioreflektometer benutzt eine breitbandige Bestrahlung der Proben mit anschließender spektal selektiver Detektion der reflektierten Strahlung. Die ungefilterte Bestrahlung erfolgt durch einen so genannten „homogenen Kugelstrahler“. Dieser besteht aus einer kleinen Ulbricht-Kugel mit einer internen 250 W Halogenlampe. Dieser Kugelstrahler hat eine Präzisionsapertur von 40 mm und emittiert eine Strahldichte mit einer Inhomogenität nur ± 0,2 % im gesamten Bereich der Öffnung.

Der Spektralbereich in dem Kalibrierungen durchgeführt werden können, beträgt derzeit 250 nm bis 1700 nm. Dieser Bereich soll im kommenden Jahr durch Einsatz eines weiteren Detektors bis in das ferne IR bei 2500 nm ausgeweitet werden. Das Reflexionssignal wird dabei mittels einer zweistufigen Spiegeloptik (Abbildungsmaßstab 10:1) in einen Monochromator abgebildet. Eine kreisrunde Fläche auf der Probe mit ø = 20 mm wird dabei auf den 2 mm breiten Eintrittsspalt des Monochromators abgebildet. Dies ergibt in Abhängigkeit der benutzten Gitter einen 3 nm Bandpass im Spektralbereich 250 nm bis 900 nm und einen 6 nm Bandpass im Bereich 900 nm bis 1700 nm. Vier verschiedene Photoempfänger hinter dem Monochromator werden zur Detektion der Reflexionssignale eingesetzt. Ein Solar-Blind Channel-PMT im Bereich zwischen 250 nm und 350 nm, ein „yellow enhanced“ Channel-PMT im Bereich zwischen 300 nm und 400 nm, eine Silizium Photodiode zwischen 400 nm und 1100 nm und eine InGaAs Photodiode zwischen 1000 nm und 1700 nm.

Das Messunsicherheitsbudget für Kalibrierungen des Strahldichtefaktors beträgt 0,2 % im sichtbaren und nahen IR-Bereich, 0,5 % im fernen IR und erreicht im tiefen UV Werte von bis zu 3,5 %.


Robotergonioreflektometer der PTB