6 Theorie und Anwendungen von Ulbrichtkugeln

Ulbrichtkugeln sind vielseitig einsetzbare optische Elemente ausgelegt für die homogene Verteilung optischer Strahlung mittels mehrfacher Lambertscher Reflexionen an der Innenoberfläche der Kugel. Dabei kann die primäre Strahlquelle entweder im Innenbereich der Kugel oder aber vor die Eingangsöffnung der Quelle angebracht werden, wobei hier jedoch nur die optische Strahlung, die in die Kugel eintritt, für die innere Strahlungsverteilung der Kugel relevant ist.

Begrenzt man sich nur auf die Innenoberfläche bzw. Eingangsöffnung, die gegen direkte Bestrahlung durch die Primärquelle abgeschirmt sind und daher nur mittels ausschließlicher Reflexionen an der Innenoberfläche beleuchtet werden, führt der Grundgedanke einer idealen Ulbrichtkugel zu zwei wichtigen Schlussfolgerungen:

• Die Bestrahlungsstärke der Innenoberfläche ist proportional zum gesamten Strahlungsfluss, der entweder durch eine Quelle im Inneren der Kugel emittiert wird oder in die Kugel durch die Eingangsöffnung eintritt. Solange direkte Beleuchtung am betreffenden Bereich verhindert wird, beeinflussen die geometrische und direktionale Strahlungsverteilung der Primärquelle die Intensität der Bestrahlungsstärke nicht. Dieser Aspekt wird besonders dann wichtig, wenn eine Ulbrichtkugel als optisches Eingangselement eines – für Strahlungsfluss ausgerichteten – Detektors verwendet.

• Strahldichte, die von einem – gegen direkte Beleuchtung abgeschirmten – bestimmten Bereich der inneren Kugeloberfläche reflektiert wird, weist eine konstante Richtungsverteilung auf und ist vom spezifischen Ort, an dem die Reflexion stattfindet, unabhängig. Somit kann die Ausgangsöffnung der Kugel als ideale Lambertsche Quelle verwendet werden, da sich die optische Strahlung, die aus der Kugel austritt, durch homogene Strahldichte und Ausstrahlverteilung auszeichnet. Dieser Aspekt ist von besonderer Wichtigkeit, wenn eine Kugel als Kalibrierstandard herangezogen wird.

Abb 1: Ulbrichtkugel als Standardquelle für optische Strahlung. Mehrfache Lambertsche Reflexionen innerhalb
der Kugel führen zu homogener Strahldichte und Ausstrahlverteilung an der Ausgangsöffnung der Kugel.