Designkriterien für eine universell einsetzbare Ulbrichtkugel zur Messung lichttechnischer Stoffkennzahlen

Lichttechnische Stoffkennzahlen beschreiben die optischen Eigenschaften von Materialien in Form ihrer Reflexion, Transmission und Absorption [1]. Zur Messung der Stoffkennzahlen werden die Materialproben mit optischer Strahlung beaufschlagt. Die optische Strahlung wird von den Proben teilweise reflektiert, transmittiert oder absorbiert. Die üblichen Messgeräte für lichttechnische Stoffkennzahlen von Materialien unterschiedlichster Zusammensetzung sind Spektralphotometer. Diese bestehen aus einer Lichtquelle zur Probenbeleuchtung, einem Probenhalter mit Messgeometrie zur Erfassung der reflektierten bzw. transmittierten Strahlung und einem Detektor zur Messung der Strahlung. Wenn die Lichtquelle eine spektral breitbandige Beleuchtung der Probe bereitstellt, ist der Detektor ein Spektrometer, typischerweise Array-basiert. Alternativ kann die Probe mit monochromatischer durchstimmbarer Strahlung beleuchtet werden. In dieser Konfiguration werden Fotodioden oder Photomultiplier als Detektoren verwendet.

In den Anwendungen, in denen streuende Materialproben vermessen werden, sind Ulbrichtkugeln [2] als Messgeometrie erforderlich. Für experimentale Messaufgaben, für die kommerzielle Spektralphotometer nicht nutzbar sind, besteht Bedarf an universal konfigurierbaren Ulbrichtkugeln. Deren Design muss auf die Anforderungen der Messung von Stoffkennzahlen bestmöglich abgestimmt sein. Im folgenden werden Designkriterien für eine universell einsetzbare Ulbrichtkugel zur Messung licht-technischer Stoffkennzahlen beschrieben.

Geometrieüberlegungen zur Messsystemauslegung

Der bestmögliche Kompromiss hinsichtlich hohem Strahlungsdurchsatz und hohem Kugelfaktor lässt sich mit einer 6 Zoll (150 mm) Ulbrichtkugel erreichen. Deren Kugelfläche von ca. 71.000 mm² ermöglicht unter Einhaltung des 5 % Verhältnis der Portflächen zur Kugelfläche insgesamt 3.500 mm² Fläche, die für Applikations- und Detektoröffnungen genutzt werden kann. Für eine universell ausgelegte Ulbrichtkugel können damit z.B. fünf Applikationsöffnungen mit bis zu 30 mm Durchmesser (jeweils 700 mm²) vorgesehen werden. Mit diesen fünf Öffnungen lassen sich z.B. die beiden Messgeometrien 0/d und 8/d (mit Glanzfalle) realisieren.

Bild: 0/d und 8/d Messgeometrie

Messtechnische Vorgehensweise und Rahmenbedingungen

Von entscheidender Bedeutung für die präzise Messung der Reflexion bzw. Transmission von streuenden Materialproben ist die Gestaltung der Applikationsöffnungen. Deren Ränder müssen sehr schmallippig mit sogenannten Messerkanten ausgeführt sein. Die durch die Probe gestreute Strahlung kann dadurch auch bei flachen Einfallswinkeln ohne Kontakt mit den Seitenrändern der Applikationsöffnung in die Ulbrichtsche Kugel eintreten.

Den Verschluss der ungenutzten Applikationsöffnungen bzw. zur Reduzierung des freien Durchmessers ermöglichen Portstopfen oder Portreduziereinsätze. Wichtig ist, dass deren Vorderseite in gleicher Ebene wie die der Hohlkugel liegen. Zudem muss diese Fläche entsprechend dem Coating der Hohlkugel beschichtet sein. Nur so ist die ungestörte Strahlausbreitung der Ulbrichtschen Kugel sichergestellt.

Zur Messung der Reflexion und Transmission werden die Proben an der Außenseite einer Applikationsöffnung befestigt. Die erforderlichen Probenhalter sind idealerweise so ausgeführt, dass die Probe plan an den Rand der Öffnung gedrückt wird. Der Anpressdruck sollte unabhängig von der Probenstärke sein. Zusätzlich müssen sich der Probenhalter mit Portreduziereinsätzen und anderem Zubehör wie z.B. Lichtfallen kombinieren lassen. Lichtfallen sind immer dann erforderlich, wenn teildurchlässige Materialproben hinsichtlich ihrer Reflexion vermessen werden sollen. Die Lichtfallen bieten in diesem Fall einen definierten schwarzen Hintergrund ohne Rückreflexion.

Zur Messung der Absorption werden die Materialproben innerhalb der Ulbrichtschen Kugel angeordnet. Flüssige Proben werden in Küvetten vermessen. Die Probenhalter müssen zur Positionierung der Proben in der Höhe verstellbar und drehbar ausgeführt sein. Die Probenöffnung muss durch den Stopfen des Probenhalters verschlossen werden. Wichtig ist, dass die Kugelseite des Stopfens in der Ebene der Hohlkugel liegt und beschichtet ist. Nur so ist die ungestörte Strahlausbreitung der Ulbrichtschen Kugel auch im Bereich der Probenöffnung sichergestellt. Ist der Befestigungsstab des Probenhalters hohl, können zusätzliche Litzen zur elektrischen Stimulation einer Probe in die Ulbrichtsche Kugel geführt werden.

Messtechnische Umsetzung zur Ermittlung lichttechnischer Stoffkennzahlen

Als günstige Position für den Strahlungsdetektor bietet sich der Südpol der Ulbrichtschen Kugel an. Für Reflexions- und Transmissionsmessungen muss sich der Detektor zur Applikationsöffnung mit angesetzter Probe baffeln lassen. Für Absorptionsmessungen muss sich ein Baffel zwischen dem Detektor und der Probe im Kugelzentrum anbringen lassen.

Gigahertz-Optik GmbH bietet mit der UPB-150-ARTA eine 6" Ulbrichtsche Kugel für Reflexion, Transmission und Absorption, die sich zusammen mit dem angebotenen Zubehör universell einsetzen lässt. Falls sich das Einsatzgebiet auf Reflexion und Transmission beschränkt, bietet das Modell UPB-150-ART eine preiswertere Alternative.

Referenzen

[1] Grundlagen der Lichtmesstechnik – 1.8 Reflexion, Transmission und Absorption

[2] CIE 130-1998 Practical Methods for the Measurement of Reflectance and Transmittance