4.3 Kalibrierbare Größen

Spektrale Genauigkeit

Spektrale Kalibrierung wird normalerweise mittels physikalischer intrinsischer Lampen, wie Hq-, Ne-, Ar- und Kr-Linienlampen, durchgeführt. Die Wellenlängen dieser Emissionslinien sind genauestens durch die theoretische Atomphysik bekannt und können zur Kalibrierung spektraler Messgeräte wie Array-Spektrometer oder Monochromator herangezogen werden.

Spektrale Bestrahlungsstärke

Bestrahlungsstärke (W/m2), die als Wellenlängenfunktion (nm) gemessen wird, ist als spektrale Bestrahlungsstärke bekannt. Diese Art von Quellenkalibrierung wird mit Hilfe eines spektralen Messgeräts oder Spektroradiometers durchgeführt. Hierbei findet ein Vergleich zu einem Referenzstandard statt. Der spektrale Kalibrierbereich hängt dabei von der Quelle und der betreffenden spektralen Zone ab. Eine typische Halogenlampe (HQ) kann von 200 nm bis 2500 nm spektral abgebildet werden, indem – je nach gewünschter Auflösung – eine feste Wellenlängenerhöhung oder variable Bandbreite verwendet wird.

Spektrale Strahldichte

Strahldichte (W/cm2sr), die als Wellenlängenfunktion gemessen wird, wird als spektrale Strahldichte bezeichnet. In einer festgelegten und auf einem bestimmten Punkt einer realen oder imaginären Oberfläche bezeichnet man mit der Strahldichte die optische Einheit zur Kalibrierung optischer Strahlungsquellen. Kalibriert wird normalerweise mit einem spektralen Messsystem oder einem Spektroradiometer, ausgestattet mit Linsen für Strahlungsdichte, verwendet. Die Geräte werden hierfür zuvor mit einem Strahldichtestandard, basierend auf Messungen in Ulbrichtkugeln, kalibriert. Der spektrale Kalibrierbereich hängt dabei von der Quelle und der betreffenden spektralen Zone ab. Eine vollständige spektrale Abbildung kann Wellenlängen von 350 nm bis 2500 nm umfassen.

Spektrale Ansprechempfindlichkeit

Optische Detektoren, Fotodetektoren und Fotodioden zeigen Empfindlichkeitsveränderungen bei verschiedenen Wellenlängen. Gemessen wird diese spektrale Ansprechempfindlichkeit als relative Ansprechempfindlichkeit (in Prozent) über den wirksamen Bandbreitenfilter des betreffenden Geräts. Eine Abbildung mit einem Gerät aus Silizium deckt etwa einen Wellenlängenbereich von 250 nm bis 1100 nm bei einer festen Wellenlängenerhöhung ab, während eine Fotodiode aus GaAsP einen Bereich von 250 nm bis 700 nm umfasst. Je nach gewünschter Auflösung reicht die Erhöhungseinstellung von 1 nm bis zu 50 nm. In einigen Fällen reicht bereits das Ansprechverhalten eines einzigen Punktes bei einer bestimmten Wellenlänge für manche Messaufgaben aus. Die Kalibrierungen werden mittels der vergleichenden Übertragungsmethode vollzogen und sind somit für Referenzstandards qualifiziert.

Abb. 1: Detektor auf Basis von InGaAs mit Kugel. Diagramm für relative spektrale Ansprechempfindlichkeit

Beleuchtungsstärkenempfindlichkeit

Für gewöhnlich findet die Kalibrierung der Beleuchtungsstärkenempfindlichkeit von photopischen Detektoren als Übertragungsvergleich mit einem photopischen Referenzstandard statt. Das photometrische Ansprechvermögen des Referenzstandards wird durch radiometrische Messung ausgewiesen, wobei Fotodetektoren mit Rot-, Blau- und Grünfilter zum Einsatz kommen. Da es sich hierbei jedoch um einen aufwändigen Vorgang handelt, wird dieser oft modernen Laboratorien für Radiometrie überlassen. Die Kalibrierung der Beleuchtungsstärkenempfindlichkeit ermöglicht direktes Ablesen der photopisch korrigierten Detektoren in Lux (oder in angelsächs. Ländern in Footcandles). Wolfram-Lichtquellen sind beim Kalibrieren von Beleuchtungsstärke ein häufig herangezogenes Mittel. Stimmt die Ansprechempfindlichkeit des photopischen Detektors bis zu einem gewissen hohen Grad nicht mit der photopischen Kurve gemäß CIE überein, treten Messfehler bei unterschiedlichen Lichtquellen auf.

Abb. 2: Skotopische und photopische Funktion gemäß CIE

Leuchtdichtenempfindlichkeit

Das Ansprechvermögen von Leuchtdichte photopischer Detektoren, die eine Eingangsoptik mit begrenztem Sichtfeld aufweisen, wird anhand des Vergleichs zu einem auf einen Leuchtdichtestandard eingestellten Detektor ermittelt. Um ein einheitliches Leuchtdichtefeld zu erhalten, wird eine Kalibrierquelle mit einer Ulbrichtkugel oder einer Quelle mit optisch diffusem Material herangezogen. Dabei wird das Sichtfeld des eingesetzten Detektors auf einen kleinen Winkel begrenzt, sodass die Detektorfläche mit einem Auszug des einheitlichen Leuchtdichtefelds vollständig ausgefüllt wird. Die optische Messeinheit für die Kalibrierung solcher Detektoren ist Candela pro Quadratmeter (oder in Footlamberts in den USA).

Farbempfindlichkeit

Die Kalibrierung von Breitband-Detektoren für die Farbmetrik findet durch einen Vergleich von Referenzstandards statt, die auf den Tristimulus- Werten der CIE basieren und sich einer Lichtquelle mit bekannter Farbtemperatur bedienen. Je nach Leistungsfähigkeit des Farbmessgeräts können Farbtemperatur, Leuchtdichte und Beleuchtungsstärke kalibriert werden. Eine Kalibrierung des Farbmessgeräts zeigt die x-y- und / oder u'-v'-Farbortkoordinaten der zu testenden Lichtquelle an.

Abb. 3: Tristimulus-Funktionen für farbmetrische Breitband- Detektoren

Bestrahlungsstärkenempfindlichkeit

Auch bei Kalibrierungen von Breitband-Detektoren für Bestrahlungsstärke werden vergleichende Übertragungsmethoden angewendet. Verglichen werden Referenzstandards in Bezug auf die spektralen Eigenschaften des Testdetektors. Hierbei werden Referenzdetektoren bezüglich spektraler Bestrahlungsstärkemessungen kalibriert unter Verwendung eines Spektroradiometers mit Doppelmonochromator, der zuvor auf rückführbare Bestrahlungsstärkestandards kalibriert wurde. Bei der Kalibrierung von Detektoren für Bestrahlungsstärke werden die Messgrößen in Watt pro Quadratmeter oder pro Quadratzentimeter über einen bestimmten Wellenlängenbereich angezeigt.

Abb. 4: Spektrale Bestrahlungsstärkenempfindlichkeit eines Detektors im blauen Wellenlängenbereich

Spektraler Reflexionsgrad

Die Kalibrierung eines spektralen Reflexionsgrades von Materialien wird durch den Vergleich referentieller Reflexionsgradstandards durchgeführt. Diese werden zur Kalibriereinstellung von spektrophotometrischen Geräten, die die eigentliche Messung vornehmen, eingesetzt. Der Spektralbereich von Einstrahl- oder Doppelstrahl-Spektrophotometern reicht von 250 nm bis 2500 nm mit anpassbarer Wellenlängenerhöhung. Bei Anbindung an eine Ulbrichtkugel können mit dem Spektrophotometer der hemisphärische, diffuse und gerichtete Reflexionsgrad vollständig und getrennt gemessen werden. Ohne Ulbrichtkugel wird beim Reihenaufbau des Spektrophotometers nur der normale gerichtete Reflexionsgrad gemessen.

Abb. 5: Messaufbau für den Reflexionsgrad bei 8

Spektraler Transmissionsgrad

Der spektrale Transmissionsgrad von Materialien wird mittels des Vergleichs von referentiellen Transmissiongradstandards kalibriert. Diese kommen bei der Kalibrierung von spektrophotometrischen Messgeräten zum Einsatz. Einstrahl- oder Doppelstrahl-Spektrophotometer können einen Spektralbereich zwischen 250 nm und 2500 nm mit anpassbarer Wellenlängenerhöhung aufweisen. An eine Ulbrichtkugel angeschlossen können mit dem Spektrophotometer der hemisphärische, diffuse und gerichtete (gespiegelte) Transmissionsgrad getrennt gemessen werden. Im Gegensatz dazu wird ohne Ulbrichtkugel beim Reihenaufbau des Spektrophotometers nur der normale gerichtete Reflexionsgrad gemessen. Die Kalibrierung erfolgt als prozentuale Transmission in Bezug auf die Wellenlänge.

Abb. 6: Messaufbau für Transmission