Homogene Ulbrichtkugel-Lichtquellen mit großem Dynamikbereich für Test und Kalibrierung von Kameras
Für die Messung der Empfindlichkeit, Linearität und Ungleichförmigkeit von bildgebenden Sensoren wird ein Messaufbau mit einer Referenzlichtquelle mit großem Dynamikbereich benötigt, die den Prüfling homogen bestrahlt. Die EMVA 1288 empfiehlt Ulbrichtkugel-Lichtquellen mit quasi monochromatischen Emissionsspektren für die Qualifizierung von Graustufen- und Farbkameras und deren Sensoren. Zum Abgleich bzw. Test von bildgebenden Sensoren und Systemen für photometrische und spektralradiometrische Messaufgaben sind dagegen Lichtquellen mit einem kontinuierlichen Emissionsspektrum erforderlich. Das Standardleuchtmittel für diesen Einsatz ist die Quarz-Halogenlampe.
Spektral breitbandige Verteilung
Das einzige Leuchtmittel mit einem breitbandigen kontinuierlichen Emissionsspektrum von Ultraviolett bis Infrarot ist die Quarz-Halogenlampe. Ihr spektraler Emissionsverlauf entspricht im Wellenlängenbereich von 250 nm bis 2500 nm angenähert dem eines schwarzen Strahlers [1]. Mit der Farbtemperatur wird die Betriebstemperatur der Lampenwendel definiert [1].
Quarz-Halogenlampen werden als Kalibrierlampen für die spektrale Bestrahlungsstärke und den spektralen Strahlungsfluss genutzt. Zur Verwendung als Kalibrierlampe für die spektrale Strahldichte lassen sich Quarz-Halogenlampen mit einer Ulbrichtkugel kombinieren. Solche Ulbrichtkugel-Lichtquellen bieten ein Leuchtfeld mit homogener Intensitätsverteilung und quasi hemisphärischer Abstrahlung.
Auslegung der Ulbrichtkugelgeometrie
Zur Dimensionierung der Ulbrichtkugel gilt die Faustformel, die Gesamtfläche sämtlicher Öffnungen in einer Ulbrichtkugel-Lichtquelle (Leuchtfeld, Leuchtmittel, Monitordetektor) solle nicht mehr als 5% der Kugeloberfläche betragen, um die gleichmäßige Lichtverteilung in der Kugel sicherzustellen. Entscheidend für die Lichtausbreitung in der Kugel sind neben dem Flächenverhältnis auch die Ausführung der Kugelbeschichtung und der Baffel. Diese Baffel sind erforderlich, um eine direkten Sichtkontakt vom Leuchtfeld zum Leuchtmittel zu vermeiden.
Der Pegel der spektralen Strahldichte am Leuchtfeld ist von verschiedenen Parametern abhängig:
- Durchmesser der Ulbrichtkugel und ihrer Öffnungen (je größer der Durchmesser und der Öffnungen desto höher die Dämpfung).
- Reflexionsgrad der Kugelbeschichtung (je höher der Reflexionsgrad desto höher der Lichtdurchsatz). Dabei muss der wellenlängenspezifische Reflexionsgrad berücksichtigt werden.
- Flächengröße der Baffel.
- Der in der Ulbrichtschen Kugel eingespeiste Strahlungsfluss
- Der Strahlungsfluss von Quarz-Halogenlampen ist abhängig von der Lampenleistung.
- Der Strahlungsfluss von Quarz-Halogenlampen steigt mit ihrer Farbtemperatur.
- Der gesamte Strahlungsfluss der Quarz-Halogenlampe kann von der Ulbrichtschen Kugel nur erfasst werden, wenn das Leuchtmittel im Inneren der Kugel angeordnet ist.
Intensitätssteuerung der Lichtquelle
Für die Messung der Linearität von bildgebenden Sensoren werden diese mit unterschiedlichen Intensitäten beleuchtet. Eine wichtige Voraussetzung für die Linearitätsmessung ist, dass sich das Emissionsspektrum und die Homogenität der Referenzlichtquelle bei allen Intensitäten nicht verändert. Bei Ulbrichtkugel-Lichtquellen mit interner Anordnung der Leuchtmittel kann eine Änderung der Intensität nur durch Ein- und Ausschalten erreicht werden. Eine Veränderung der elektrischen Lampenleistung bewirkt eine Änderung der Farbtemperatur und ist damit unzulässig. Für eine variable Intensitätseinstellung kann die Quarz-Halogenlampe außerhalb der Kugel angeordnet werden. Der Lichtstrom in die Kugel wird durch eine Blende mit einstellbarer Öffnung kontrolliert. Besonders wichtig für eine farbtemperaturneutrale Intensitätseinstellung durch die mechanische Blende ist deren möglichst homogene Ausleuchtung durch die Quarz-Halogenlampe. Hierfür hat sich die Verwendung von Reflektoren mit diffuser Oberfläche bewährt.
Die Verwendung von optischen Korrekturfiltern vor den außerhalb der Ulbrichtkugeln angebrachten Quarz-Halogenlampen ist wegen der sehr hohen Temperaturstrahlung (Infrarot) nur dann möglich, wenn diese Filter eine geringe Infrarotabsorption aufweisen.
Zur Messung der Empfindlichkeit der bildgebenden Sensoren und Kameras kann die Intensität des Leuchtfeldes in der Messgröße der W/m² sr nm der spektralen Strahldichte kalibriert werden. Dies kann bei unterschiedlichen Intensitäten der Strahldichte erfolgen. Zudem bietet sich die Möglichkeit eines auf die Leuchtdichte abgeglichenen Monitordetektors, der dem Anwender eine Skalierung der spektralen Strahldichte ermöglicht.
Exemplarische messtechnische Lösungen
Gigahertz Optik GmbH fertigt Ulbrichtkugel-Lichtquellen mit Kugeldurchmessern von 50 mm bis 1000 mm. Unsere Standardmodelle ISS-17-VA und ISS-30-VA haben ihre Anwendungen in der Kalibrierung der spektralen Strahldichte von Spektralradiometern aber auch der Homogenität von bildgebenden Leuchtdichtemessgeräten und multispektralen sowie hyperspektralen Sensoren. Neben dem Bau von Standardversionen ist Gigahertz-Optik GmbH auf applikationsspezifisch konfigurierte Ulbrichtkugel Lichtquellen ausgerichtet.