Kommerzielle Kameras in der Radiometrie: Bestimmung der Homogenität von Bestrahlungsstärkefeldern

Für viele radiometrische Anwendungen ist die Kenntnis und Optimierung der Homogenität der benutzen Bestrahlungsstärkefelder von großer Bedeutung. Diese Informationen erhält man normalerweise durch ein langwieriges Abscannen der Fläche mit einem Photodetektor. In diesem Artikel wird gezeigt, wie stattdessen eine kommerziell erhältliche Kamera für die Messung der Homogenität eines Strahlungsfelds im Wellenlängenbereich von 300 nm bis 1100 nm eingesetzt werden kann. Diese kamerabasierte Methode ermöglicht eine Analyse der Feldhomogenität nahezu in Echtzeit. Auf diese Weise wird die Justierung optischer Messplätze wesentlich beschleunigt und die Qualitätskontrolle deutlich vereinfacht.

Einleitung

Bei präzisen radiometrischen Messungen werden hohe Anforderungen an die Homogenität des Strahlungsfelds gestellt. Insbesondere während der Justierung von Monochromatormessplätzen kostet die wiederholte Messung der Homogenität durch Abscannen viel Zeit. Ein Scan kann dabei durchaus länger als eine Stunde dauern und muss unter Umständen bei vielen Wellenlängen wiederholt werden, insbesondere wenn sich Linsen im Strahlengang befinden. Im Falle nicht ausreichend guter Homogenität müssen die Spiegel, Linsen, Blenden usw. sukzessive nachjustiert werden, und die Scans müssen dann wiederholt werden. Dieser Justierprozess kann mit einer Online-Darstellung der Homogenität signifikant beschleunigt werden. Erste Messungen dazu wurden bereits 2001 durchgeführt. Jedoch konnten die verschiedenen Schritte damals noch nicht automatisiert werden.

Experimenteller Aufbau

Drei verschiedene Kameras wurden für die Bestimmung der Homogenität eines Strahlungsfelds untersucht:
a)      Eine Kompaktkamera Canon Powershot G7
b)      Eine digitale Spiegelreflexkamera Canon EOS 350 D
c)      Eine modifizierte digitale Spiegelreflexkamera Canon EOS 350 D, bei der der Infrarotsperrfilter ausgebaut wurde

Das kamerabasierte Messverfahren hängt von der Größe des Strahlungsfelds ab. Falls das Strahlungsfeld kleiner als der Sensor der Kamera ist, kann die Kamera direkt im Strahlengang platziert werden. Weil dazu das Kameraobjektiv entfernt werden muss, ist diese Vorgehensweise ausschließlich mit Wechselobjektivkameras möglich.

Falls die Ausdehnung des Strahlungsfelds größer als der Sensor ist, muss die Bestrahlungsstärke mit Hilfe einer ebenen BaSO₄-Tablette oder einfach mit einem weißen Blatt Papier in eine Strahldichte umgewandelt werden. Papier hat sogar den Vorteil, das es aufgrund seiner fluoreszierenden optischen Aufheller auch die Messung von UV-Strahlung ermöglicht.
Da es nicht möglich ist, die Kamera auf eine kontrastlose weiße Fläche zu fokussieren, wird in einem ersten Schritt ein Fadenkreuz dort platziert, wo später die Homogenität des Strahlungsfeld gemessen werden soll (siehe Abb. 1 bis 3).

Charakterisierung der Kamera

Die Homogenität der Kameraempfindlichkeit ist die wichtigste zu untersuchende Eigenschaft. Sie wurde mit Hilfe eines Leuchtdichtenormals bestimmt. Dabei wurde festgestellt, dass das mitgelieferte Zoomobjektiv der Spiegelreflexkamera eine starke Abschattung zum Rand hin aufweist. Daher wurde es durch ein hochwertiges Festbrennweitenobjektiv ersetzt, welches mit einer mittleren Blendenöffnung betrieben wird. Die verbleibende Randabschattung kann für sehr genaue Messungen numerisch korrigiert werden. Es gibt eine weitere Möglichkeit, das ortsaufgelöste Homogenitätsprodukt aus Kameraempfindlichkeit und Reflexion des Papiers zu bestimmen: es wird eine Referenzmessung in einem homogenen Strahlungsfeld durchgeführt, z.B. in einem sehr großen Abstand von einer hellen Lampe oder draußen in der Sonne bei wolkenlosem Himmel.

Die spektrale Empfindlichkeit der Spiegelreflexkamerasensoren wurde an einem Monochromatormessplatz bestimmt. Abb. 4 zeigt die spektralen Empfindlichkeiten der zwei Spiegelreflexkameras, wobei die eine noch das standardmäßig eingebaute IR-Sperrfilter besitzt, welches bei der anderen bereits ausgebaut war. Um Messungen oberhalb von 650 nm durchführen zu können, muss das Sperrfilter ausgebaut sein.

Ergebnisse

Eine digitale Fotokamera ist ein sehr nützliches Werkzeug, das eine schnelle Homogenitätsmessung eines Strahlungsfelds ermöglicht. Der Einsatz einer Fotokamera ermöglicht eine kostengünstige Bestimmung der Homogenität eines Strahlungsfelds in beinahe Echtzeit, viel genauer als das menschliche Auge und viel schneller als beim Abscannen des Feldes. Deshalb ist die beschriebene Methode besonders bei solchen Aufgaben hilfreich, bei denen das Abscannen sehr aufwändig ist, z.B. beim Justieren eines Monochromatormessplatzes.

Abb. 1: Screenshot der Software, die zum computergesteuerten Fotografieren benutzt wurde. Auf der linken Seite können die Kameraeinstellungen geändert werden. Auf der rechten Seite ist ein Foto des Fadenkreuzes zu sehen, mit dem der Autofokus eingestellt wurde. Danach wurde der Fokus gelockt.

Abb. 2: Nach dem Entfernen des Fadenkreuzes, muss sowohl das Raumlicht als auch der Computermonitor ausgeschaltet werden. Die bestrahlte weiße Fläche wird mit den gleichen Fokuseinstellungen wie in Abb. 1 fotografiert, jedoch mit einer längeren Belichtungszeit. So wie hier dargestellt, nimmt das bloße Auge die Homogenität wahr. Sie scheint in diesem Fall recht gut zu sein.

Abb. 3: Die Bitmap aus Abb. 2 wird automatisch von der Auswertesoftware importiert und in Falschfarben dargestellt. Die Homogenität erscheint deutlich schlechter als mit bloßem Auge wahrnehmbar. Die Homogenität wurde durch herkömmliches Abscannen bestätigt. Die Homogenität des Strahlungsfelds konnte anschließend durch eine Optimierung der Linsenpositionen optimiert werden.

Abb. 4: Prinzipieller Verlauf der spektralen Empfindlichkeit zweier Spiegelreflexkameras ohne Objektiv. Die obere Abbildung zeigt den Verlauf bei einer üblichen Kamera, d.h. mit IR-Sperrfilter. Die untere Abbildung zeigt den Verlauf bei einer Kamera, bei der der IR-Sperrfilter ausgebaut wurde. Da die Linearität des Gesamtsystems aus Sensor und Software noch nicht abschließend analysiert wurde, zeigt die Abbildung nur, dass das umgebaute Systems noch sehr viel weiter im IR genutzt werden kann, jedoch keine quantitativen Empfindlichkeiten an. Teile der blauen Kurve wurden interpoliert.