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Neues Korrekturverfahren für die Vermessung von Lichtquellen

Besonders interessant für:
  • Vermessung von Leuchtmitteln
  • Spektrometrie

Die bei der spektralen Vermessung von Lichtquellen oder Wärmestrahlern beobachteten Verteilungskurven weisen typischerweise spektrale Verzerrungen und eine für die genaue Charakterisierung unzureichende spektrale Auflösung auf. Ein in der PTB entwickeltes mathematisches Verfahren verbessert beides.

Vermessung einer Lichtquelle (links) mit einer Kamera (rechts).
Simuliertes Beispiel einer spektralen Korrektur mithilfe einer Standardmethode und dem neuen Verfahren.
Vermessung einer Lichtquelle (links) mit einer Kamera (rechts).
Simuliertes Beispiel einer spektralen Korrektur mithilfe einer Standardmethode und dem neuen Verfahren.

Eine Herausforderung bei der Messung von spektralen Verteilungskurven optischer und thermischer Strahlungsquellen stellt die Behandlung spektraler Verzerrungen in der Verteilungskurve dar, die durch das verwendete Messinstrument hervorgerufen werden und nur schwer vermeidbar sind. Die beobachtete Verteilungskurve kann in den meisten Anwendungen mathematisch als die Faltung der tatsächlichen spektralen Verteilungskurve der Quelle mit der Linienbildfunktion des verwendeten Messgerätes modelliert werden. Die Bestimmung der spektralen Verteilungskurve der untersuchten Quelle aus den Messdaten erfordert dann eine Entfaltung. Die Entfaltung von Messdaten mit einer Übertragungsfunktion des Messgerätes wird in der Bild- und Signalverarbeitung häufig benötigt; deshalb existiert eine Vielzahl von entsprechenden Methoden in der Literatur.

In der PTB wurde in Zusammenarbeit mit der Firma TechnoTeam Bildverarbeitung GmbH die sogenannte Richardson-Lucy-Methode (RLM), die ihren Ursprung in der digitalen Bildverarbeitung hat, für die Spektrometrie anwendbar gemacht. Bei der RLM handelt es sich um ein iteratives Verfahren. In jeder Iteration wird eine neue Schätzung der Verteilungskurve aus der vorherigen Schätzung erhalten. Eine in der Literatur oft diskutierte Herausforderung bei der Verwendung der RLM ist die Bestimmung der Anzahl der Iterationen. In der PTB wurde ein Kriterium für diese Wahl entwickelt, welches keine Parameter benötigt, um die optimale Anzahl zu bestimmen. Dazu wird die Veränderung der Schätzergebnisse im Laufe der Iterationen mathematisch bewertet, um diejenige Iteration zu detektieren, ab welcher die geschätzte Verteilungskurve sich nicht weiter verbessert und rauschbedingte Verzerrungen beginnen.

Dieses neue Verfahren wurde in umfassenden Simulationen und Untersuchungen an Messdaten erprobt. Es erwies sich als äußerst robust in Bezug auf das Messrauschen und die Schrittweite der gemessenen Werte der Verteilungsfunktion. Damit ist dieses Verfahren sehr gut für die praktische Anwendung geeignet. Eine neuentwickelte Software vereinfacht die Anwendung zusätzlich.

Das Verfahren kann in vielen Bereichen der Radiometrie und Photometrie angewendet werden, beispielsweise für die Verbesserung von Messungen sowohl breitbandiger spektraler Verteilungskurven (etwa von Wärmestrahlern) als auch schmalbandiger spektraler Verteilungskurven (etwa von LEDs) mithilfe von Array-Spektrometern oder Monochromatoren.

Ansprechpartner

Sascha Eichstädt
Fachbereich 8.4 Mathematische Modellierung und Datenanalyse
Telefon: (030) 3481-7946
Opens window for sending emailsascha.eichstaedt(at)ptb.de

Wissenschaftliche Veröffentlichung:

S. Eichstädt, F. Schmähling, G. Wübbeler, K. Anhalt, L. Bünger, U. Krüger, C. Elster: Comparison of the Richardson-Lucy method and a classical approach for spectrometer bandpass correction. Metrologia 50, 107–118 (2013)