Logo der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt

Zur Richtungs- und deren Wellenlängenabhängigkeit von Photometerköpfen

03.01.2013

Gut charakterisierte Photometer sind die Basis seriöser Messungen an modernen Lichtquellen. Soll Licht aus einem großen Öffnungswinkel mit einem Photometer richtig bewertet werden, muss auch seine Richtungsabhängigkeit sorgfältig charakterisiert werden. Bei modernen Lichtquellen, wie Energiesparlampen, LEDs oder organischen LEDs (OLEDs) weicht die Strahlungsfunktion der Lichtquelle deutlich von der Normlichtart A (Planck'scher Strahler bei 2856 K) ab. Für die Messung an diesen Quellen muss auch die Wellenlängenabhängigkeit richtungsabhängig bestimmt werden. Dadurch ist es schließlich möglich, Messdaten auch an ausgedehnten Lichtquellen zu korrigieren. 

Die photometrische Empfindlichkeit von Photometern ergibt sich aus dem Faltungsintegral seiner spektralen Empfindlichkeit mit der spektralen Verteilung des Lichtes eines Planck-Strahlers bei 2856 K. In der Praxis lassen sich daher Photometer sehr einfach mit Hilfe von Lichtstärkenormallampen mit einer Wendeltemperatur von 2856 K unter Zuhilfenahme des photometrischen Abstandsgesetztes direkt rückgeführt kalibrieren. Für hochgenaue Messungen ausgedehnter moderner Lichtquellen mit stark von einem Planck'schen Strahler abweichenden Strahlungsfunktionen in den Goniophotometern der PTB sind daher Korrekturen für die eingesetzten Photometer notwendig, die ihre tatsächlichen spektralen und räumlichen Eigenschaften abbilden. Dies erfordert eine umfangreiche Charakterisierung und Kalibrierung der eingesetzten Empfänger, wozu insbesondere die Bestimmung der spektralen, richtungsabhängigen Empfindlichkeit der Photometer gehört. Dabei müssen sich für die winkelabhängigen Messungen die Drehachsen der Photometer im Zentrum der (virtuellen) effektiven Lichteintrittsblende schneiden. Die Die Lage der Drehachsen hängt vom Aufbau des Photometerkopfes ab und muss separat bestimmt werden. Erst durch diese Charakterisierung ist es möglich, die Messwerte mit ermittelten Korrekturfunktionen hinsichtlich spektraler und räumlicher Fehlanpassung zu korrigieren.

Die Messungen der Richtungsabhängigkeit bei aussagekräftigen Wellenlängen wurden am Lasermessplatz TULIP durchgeführt. Dieser Messplatz stellt mit seinem durchstimmbaren Lasersystem optische Strahlung u.a. im Wellenlängenbereich von 360 nm bis 830 nm bereit. Die eingesetzten Laser werden leistungsstabilisiert betrieben, wobei Kohärenzeffekte mit Hilfe einer Ulbricht-Kugel und weiterer geeigneter Methoden unterdrückt werden /1/. Die Stabilität der Gesamtapparatur wird durch Monitorempfänger sichergestellt. Die Ulbrichtkugel erzeugt ein homogenes Strahlungsfeld am Ort der limitierenden Blende des Photometerkopfes. (Bild 1)

Bild 1: Versuchsaufbau zur Bestimmung der spektralen und richtungsabhängigen Empfindlichkeit von Photometerköpfen (TULIP)

Die zu charakterisierenden Empfänger sind übereinander auf einem Drehtisch montiert. Die Empfänger sind dabei so ausgerichtet, dass eine Drehung stets um die geometrische Lage der limitierenden Blende ausgeführt wird. Der Drehtisch befindet sich auf einem Dreiachsen-Positioniersystem zur Ausrichtung der Empfänger zur Strahlungsquelle.

Bild 2 zeigt die Winkelabhängigkeit im Winkelbereich von -35° bis +35° von drei Empfängern bezogen auf senkrechten Lichteinfall für die Wellenlängen 555 nm und 750 nm. Es ist zu erkennen, dass alle Photometer eine vom Kosinus abweichende Richtungsabhängigkeit aufweisen. Allerdings ist die Abweichung für die Photometer LV10 und F30 sehr gering und nahezu nicht wellenlängenabhängig, wohingegen die Abweichung des Photometers P10 deutlich zu erkennen und auch stark wellenlängenanhängig ist. Dies ist durch das Fehlen der Streuscheibe beim Photometer P10 einfach zu erklären. Hier legt die Strahlung, die nicht senkrecht auf das Filter auftrifft, im Filterglas unterschiedlich lange Wege zurück, wird teilweise absorbiert und trifft z.T. nicht mehr vollständig auf den Detektor. Je größer der Winkel, desto größer auch der Anteil der Strahlung, der absorbiert oder reflektiert wird. Wird jedoch eine Streuscheibe vor das Filter gesetzt, so wird die nicht senkrecht auftreffende Strahlung ins Material hineingestreut. Dadurch wird sichergestellt, dass nur ein sehr geringer Teil der Strahlung nicht vom Empfänger erfasst wird. Die Winkelabhängigkeit des Photometers ohne Streuscheibe ist ebenfalls wellenlängenabhängig. Bei 555 nm, der Peak-Wellenlänge des Filters, ist die Winkelabhängigkeit dem Kosinus am ähnlichsten. Mit zunehmender Abweichung von dieser Wellenlänge weicht auch die Winkelabhängigkeit stärker vom Kosinus ab. Das resultiert aus der Absorptionseigenschaft des Filters. Bei 555 nm ist die Absorption im Filter am geringsten, bei Wellenlängen unterhalb und oberhalb dieser Wellenlänge nimmt die Absorption zu.

    

Bild 2: Winkelabhängigkeit für die drei Photometer LV10, P10 und F30 exemplarisch bei den Wellenlängen 555 nm (a) und 750 nm (b)

Bild (3) zeigt das Ergebnis einer gewichteten Richtungsabhängigkeit im Winkelbereich -35° bis +35° in Abhängigkeit von der Wellenlänge für die dargestellten Photometer. Dabei wird berücksichtigt, dass je nach Anwendung des Photometers oft nur ein eingeschränkter Winkelbereich genutzt wird. Auch hier ist zu erkennen, dass die Abweichung vom idealen Kosinus für die Photometer LV10 und F30 sehr gering und nicht wellenlängenabhängig ist. Das Photometer P10 zeigt jedoch eine deutliche Abweichung vom Kosinus, die bei 555 nm am geringsten ist und zu kleineren und größeren Wellenlängen deutlich zunimmt.

Bild 3: Gewichtete Richtungsabhängigkeit für die drei Photometer

Werden in einem Goniophotometer ausgedehnte Lichtquellen mit einer vom Planck'schen Strahler abweichenden Strahlungsfunktion kalibriert, so muss der verwendete Referenzempfänger hinsichtlich seiner spektralen und richtungsabhängigen Empfindlichkeit umfangreich charakterisiert werden. Mit Hilfe der spektralen Empfindlichkeit kann eine Korrektur der spektralen Fehlanpassung durchgeführt werden, wenn die Strahlungsfunktion des Kalibrierobjektes bekannt ist. Auch die richtungsabhängige Empfindlichkeit muss genau bekannt sein, um einen geeigneten Referenzempfänger für das Kalibrierobjekt auszuwählen. Dabei muss auch die Wellenlängenabhängigkeit der Richtungsabhängigkeit mit berücksichtigt werden.


Literatur:

 /1/ Schuster, M. et. al., Spectral calibration of radiometric detectors using tunable laser sources, Appl. Opt. Vol. 51, No. 12, 2012.