Wozu dient die Selbstabsorptionskorrektur?

1. Kurzbeschreibung

Die Selbstabsorptionskorrektur (manchmal auch Substitutionsfehlerkorrektur oder Substitutionskorrektur genannt) wird bei Messungen mit Ulbricht-Kugeln genutzt um die Messung an das zu messende Objekt (DUT = Device under Test) anzupassen, bzw. um dessen Einfluss während der Messung zu berücksichtigen. Das Messobjekt verschließt den offenen Port der Ulbricht-Kugel zu einem gewissen Anteil. Dabei entsteht eine Rückreflexion in die Kugel und somit ein Zusatzsignal in der Kugel. Dieses wird auf das Signal des DUT aufsummiert und verfälscht den Messwert. Dieses sowohl spektral als auch integral. Dieser Effekt kann mit Hilfe des sogenannten Selbstabsorptionskorrektur-Verfahrens kompensiert werden. In diesem Artikel wird der theoretische Hintergrund als auch die Anwendung dieses Verfahrens näher erklärt. Zur Veranschaulichung werden Beispielmessungen mit dem BTS256-LED Tester und einer externen großen Ulbricht-Kugel durchgeführt.

2. Selbstabsorptionskorrektur

2.1. Hintergrund

Das Messen mit einer Ulbricht-Kugel ermöglicht eine einfache, schnelle und kosteneffektive Lichtstrom Messung. Dabei wirkt die Kugel als Integrator zur Ermittlung des gesamten Lichtstroms. Dies ist möglich, da sich durch die Mehrfachreflexion in der Ulbricht-Kugel eine gleichmäßige Beleuchtungsstärke (Lichtstrom pro Flächenteil) an der Kugeloberfläche einstellt. Die Beleuchtungsstärke kann mit einem Detektor gemessen und eine Aussage über den gesamten Lichtstrom in der Kugel gegeben werden.

Abbildung 1: Aufbau Ulbrichtkugel allgemein

Es gibt eine Vielzahl von verschiedenen Ulbricht-Kugeln. Diese unterscheiden sich in ihrer Ausführung, Größe und Anwendung. Die Firma Gigahertz-Optik stellt Kugeln mit, einer großen Auswahl an Durchmessern, Port-Ausführungen je nach Applikation etc. her. Dies ist durch das flexible und individualisierbare Baukastensystem möglich.

Für präzise Ulbircht-Kugel Messungen sollte der Kugeldurchmesser ein Vielfaches der Bauteilgröße des zu testenden Objektes sein. Zudem sollte die Kugelöffnung möglichst klein gehalten werden, damit nur eine geringe Beeinflussung des Kugelfaktors besteht und kein Umgebungslicht in die Kugel eintreten kann.

Des Weiteren haben, das Objekt selbst (diffus, reflektierend, absorbierend, etc.), die Halterung des Objekts (Farbe, etc.) und die Anpassung der Kugelöffnung an das Messobjekt, Einfluss auf die Messung. Auf eine exakte mathematische Beschreibung der Physik von Ulbricht-Kugeln wird im Rahmen dieses Artikels verzichtet [1].

Abbildung 2: Aufbau Ulbricht-Kugel beim BTS256 LED-Tester

2.2. Vorgehensweise

Eine Ulbricht-Kugel wird im Regelfall auf die Geometrie der „offenen Kugel“ bzw. der „leeren Kugel“ kalibriert. Eine offene Kugel führt dazu, dass das Licht des DUT oder der integrierten Hilfslampe aus der Ulbricht-Kugel austreten kann.

Abbildung 3: Offene Ulbricht-Kugel 1 

Abbildung 4: Offene Ulbricht-Kugel 2

Bei der Anwendung ist jedoch entweder die Messöffnung ganz oder Teilweise mit dem DUT verschlossen, oder der DUT sitzt in der Kugel. Im Folgenden wird in beiden Fällen von einer „vollen Kugel“ gesprochen. Ein Teil des Lichtes, welcher bei der offenen Kugel austreten würde, wird nun an dem DUT in die Kugel zurück reflektiert und das Signal erhöht. Befindet sich der DUT in der Kugel, wird ein Teil des Lichtes von dem Gehäuse des DUT's absorbiert und trägt nicht mehr zur Mehrfachreflexion bei, somit wird das Signal reduziert. Die Größe des induzierten Fehlers von Rückreflexion bzw. der Absorption auf das Signal, hängt von der Beschaffenheit des DUT und der Halterung ab. 

Ist beispielsweise das DUT außerhalb der Kugel eher groß im Verhältnis zur Kugelöffnung und hoch reflektierend, so wird der induzierte Fehler größer sein, als bei einem kleinen absorbierenden DUT. Befindet sich der DUT hingegen in der Kugel und ist hoch reflektierend, so ist der induzierte Fehler geringer, als bei einem stark absorbierenden DUT.

Abbildung 5: Volle Ulbricht-Kugel 1

Abbildung 6: Volle Ulbricht-Kugel 2

Die dadurch entstehende Messwertabweichung kann mit Hilfe einer Selbstabsorptionskorrektur kompensiert werden. Bei dieser werden das Signal der leeren „(offenen) Kugel“, sowie das Signal mit DUT an bzw. in der „vollen Kugel“ gemessen. Aus den unterschiedlichen gemessenen Intensitäten wird ein Korrekturfaktor ermittelt, welcher das Verhältnis der beiden Messungen darstellt [2]. Diese Kompensation wird für den integralen Detektor sowie für das Spektralradiometer durchgeführt. Da die Korrekturfaktoren von der Geometrie sowie der spektralen Reflexion des DUT abhängig sind, können die ermittelten Korrekturfaktoren für alle Lichtquellen des gleichen Bautyps verwendet werden (sofern sich die Messgeometrie nicht geändert hat), z.B. LED’s des gleichen Typs [3].

3. Kurzbeschreibung: BTS256-LED Tester

Der BTS256-LED Tester wurde von Gigahertz-Optik entwickelt, um z.B. On Board LEDs zu vermessen. Durch seine Handlichkeit kann er ohne Probleme im mobilen, aber auch im Laborbereich eingesetzt werden.

Das Konzept des Gerätes ist es, das Messmittel zu dem Messobjekt zu bringen und nicht umgekehrt. Daher kann der Benutzer die LEDs unter realen Betriebsbedingungen vermessen.

Abbildung 7: BTS256-LED Tester

Der BTS256-LED Tester ist mit einer kleinen Ulbricht-Kugel ausgestattet, deren Oberfläche aus dem robusten Material ODM98 vom Typ OP.DI.MA. besteht. Das Material verfügt nahezu über perfekte diffuse Streuungseigenschaften. Um Verschmutzungen zu vermeiden ist die Öffnung mit einem 3D Fenster ausgestattet. Durch die konische (kegelförmige) Form des Adapters kann das Gerät direkt über der LED positioniert werden. Um den gesamten Lichtstrom zu messen, muss die gesamte Fläche der LED innerhalb des konischen Adapters liegen.

Die konischen Adapter sind in verschiedenen Größen vorhanden, um die Geometrie den zu vermessenden LEDs anzupassen.

Für die Selbstabsorptionskorrektur sind weiße LEDs verbaut, welche als Hilfslampe dienen. Durch diese kann ohne Aufwand direkt der Korrekturfaktor der Probe ermittelt werden.

Des Weiteren kann der BTS256-LED Tester an externen Kugeln mit Hilfe des Bajonett Anschlusses montiert werden. Hierbei befindet sich an der Stelle des konischen Adapters die Ulbricht-Kugel. Die externen Kugeln benötigen eine zusätzliche Hilfslampe zur Selbstabsorptionskorrektur.

Abbildung 8: Ulbricht-Kugel mit BTS256-LED Tester

4. Durchführung der Selbstabsorptionskorrektur

4.1. Durchführung mit dem BTS256-LED Tester

Eine Selbstabsorptionskorrektur kann mit Hilfe, der zum Gerät gelieferten Software intuitiv durchgeführt werden. Zunächst wird eine Messung ohne DUT durchgeführt. Dabei empfiehlt sich die Kugelöffnung mit einem stark absorbierenden Material zu verdecken (Dunkelraum). Der Sättigungswert der Messung, damit gemeint die Aussteuerung des Arrays, sollte zwischen 54% und 90% liegen. Diese Größe kann durch die Integrationszeit angepasst werden. Das bedeutet, je geringer das Signal ist, desto länger muss die Integrationszeit gewählt werden, um die gewünschte Aussteuerung zu erhalten. Eine ausreichende Sättigung ist wichtig, um mit dem Array ein ausreichend gutes Signal/Rausch Verhältnis zu erhalten. Es wird eine Aussteuerung von ca. 75% empfohlen. Zu beachten ist, dass bei der Messung ohne DUT, die Aussteuerung nicht bereits knapp an der Grenze der maximalen Aussteuerung liegt. Denn wird im Anschluss der DUT vermessen, kann das Signal steigen und eine Übersteuerung könnte auftreten [4].

Daraufhin wird die Messung mit dem ausgeschalteten DUT durchgeführt. Dabei befindet sich das zu vermessende Objekt im ausgeschalteten Zustand (d.h. keine Emission von Licht) in der Öffnung des konischen Adapters. Die Hilfslampe wird dabei automatisch vom Gerät gesteuert.

Aus den beiden gemessenen Kurven wird der Korrekturfaktor wie schon in 2.2. beschrieben ermittelt.

Die Software zeigt folgendes Ergebnis an:

Abbildung 9: Vergleich Messung mit DUT und ohne DUT

Dieser Graph zeigt die beiden Signale der Messung ohne DUT (blau) und der Messung mit DUT (grün).

Hierbei wird deutlich, dass beide Kurven voneinander abweichen. Hätte der DUT keinen Einfluss, so würden beide Messkurven aufeinander liegen und es ergäbe sich ein Korrekturfaktor von 1, d.h. es wäre keine Selbstabsorptionskorrektur nötig. Der Selbstabsorptionskorrekturfaktor ist das Verhältnis der beiden Kurven.

Eine typische Größe für einen Selbstabsorptionskorrekturfaktor ist 0,95. D.h. bei Vernachlässigung der Selbstabsorptionskorrektur würde sich ein Messfehler von 5 % ergeben. Dies zeigt wie wichtig diese Korrektur für eine präzise Messung ist.

4.2. Durchführung mit der externen Ulbricht-Kugel

Bei der Messung mit der externen Ulbricht-Kugel, dient der BTS256-LED Testers als Messgerät. Der BTS256-LED Tester wird von außen an der Kugel montiert. Die Selbstabsorptionskorrektur wird mit Hilfe der S-BTS256 Software durchgeführt. Hierbei wird nicht die integrierte Hilfslampe sondern die der Kugel genutzt. In der Software kann die Kalibriereinstellung einer externen Kugel ausgewählt werden. Diese deaktiviert automatisch die intern verbaute Hilfslampe des BTS256-LED Testers.

Zunächst wird die Messung ohne DUT vorgenommen. Dafür wird der Kugelaufbau in den Zustand gebracht, in der die Kugel kalibriert wurde. Das bedeutet der Probenteller befindet sich in unterster Position in der Kugel. Die Hilfslampe wird mit Hilfe eines Netzteils aktiviert und die Messung gestartet.

Bei der Messung sollte wie bereits unter 4.1. erklärt, der Aussteuerungswert zwischen 54% und 90% liegen.

Abbildung 10: Ulbricht-Kugel für Messung ohne DUT

Anschließend wird die Messung mit dem Messobjekt durchgeführt. Hierfür wird der Probenteller in der Mitte der Kugel positioniert und auf diesem Vorsichtig das Messobjekt befestigt. Dabei sollte beachtet werden, dass die Farbschicht nicht beschädigt wird. Es wird die Messung mit ausgeschalteten DUT gestartet (d.h. keine Emission von Licht des DUT).

Abbildung 11 Ulbricht-Kugel für Messung mit DUT

Aus den beiden gemessenen Kurven wird der Korrekturfaktor wie schon in 2.2. beschrieben ermittelt.

Abbildung 12: Vergleich Messung mit DUT und ohne DUT

Dieser Graph zeigt den Unterschied zwischen der Messung ohne DUT (blau) und der Messung mit DUT (grün) bei der Messung mit einer externen Ulbricht-Kugel.

5. Beispielmessungen

5.1. Beispielmessung mit dem BTS256-LED Tester

Messablauf:

Für die Ermittelung des Selbstabsorptions­korrekturfaktors wird zunächst die Messung „without device“ durchgeführt. Hierzu wird die Öffnung des BTS256-LED Testers mit einem stark absorbierenden Material (im gesamten spektralen Messbereich) bedeckt und die Messung gestartet. Liegt der Aussteuerungswert im zulässigen Bereich (54–90)n%, kann die Messung „with device“ durchgeführt werden. Hierbei wird der BTS256-LED Tester waagerecht über die zu messende LED gehalten, so dass sich die ausgeschaltete LED in der Öffnung des konischen Adapters befindet. Dieser schließt mit der Platine ab, sodass kein Umgebungslicht in die Kugel eintreten kann. Anschließend ermittelt die Software automatisch die Selbstabsorptionskorrekturfaktoren (integral als auch spektral). Daraufhin können LEDs präzise vermessen werden. Der BTS256-LED Tester wird hierzu wie bei der Messung „with device“ über der LED positioniert.

Abbildung 13: Vermessung von LEDs direkt auf der Platine

Die Messung wurde mit drei verschiedenen Geometrien durchgeführt. Diese ergeben sich durch Nutzung verschieden großer Öffnungsadapter.

Abbildung 14: Verschiedene konische Adapter für den BTS256-LED Tester

Vergleicht man die Messwerte, welche mit und ohne Selbstabsorptionskorrekturfaktor gemessen wurden, so erhält man folgende Abweichungen:

Anhand der erhaltenen Werte folgt, dass die Größe der Kugelöffnung (Adaptergröße) in Relation zur Kugelgröße und der induzierte Fehler im direkten Verhältnis zueinander stehen. Dies ist eine Folge der Veränderung des Kugelfaktors. Je größer die Kugelöffnung ist, desto ungünstiger wird der Kugelfaktor und somit die Messung sensibler und ungenauer. Bei dem kleinen konischen Adapter schließt die Öffnung annähernd mit der LED ab. Hierbei ist die reflektierende Fläche fast auf die LED beschränkt und daher der Selbstabsorptionseffekt sehr gering. Bei den größeren konischen Adaptern wird der Unterschied zwischen der LED und der konischen Adapteröffnung größer und somit auch die reflektierende Fläche größer. Dies spiegelt sich in den gemessenen Werten wieder. Je größer die reflektierende Fläche bzw. die Kugelöffnung ist, desto größer ist auch der Korrekturfaktor.

Abbildung 15: Adapter auf der Platine

5.2. Beispielmessung mit der externen Ulbricht-Kugel

Messablauf:

Zur Ermittlung des Selbstabsorptionskorrekturfaktors muss die Kugel in den Zustand, in der sie kalibriert wurde, gebracht werden. Das bedeutet, dass der Probenteller im untersten Punkt befestigt ist und alle Ports verschlossen sind. Anschließend wird die externe Hilfslampe aktiviert und die Messung „without device“ wird gestartet sobald sich der Aussteuerungswert im zulässigen Bereich (54 - 90) % befindet. Anschließend wird das zu vermessende Objekt im ausgeschalteten Zustand in der Kugel positioniert. Das Messobjekt wird mit Hilfe des Probentellers idealerweise in die Mitte der Kugel gefahren. Daraufhin wird die Kugel geschlossen und die Messung „with device“ durchgeführt (Aussteuerung analog Messung „without device“). Anschließend wird der Selbstabsorptionskorrekturfaktoren automatisch bestimmt (integral als auch spektral).

Abbildung 16: Ermittlung des Selbstabsorptionskorrekturfaktors

Für die anschließende Vermessung des Messobjekts wird die Hilfslampe deaktiviert und das Messobjekt eingeschaltet.

Abbildung 17: Vermessung eines LED’s Panels mit einer Ulbricht-Kugel

Für hochgenaue Messungen muss auch eine konstante Raum- und Lufttemperatur sowie Luftfeuchtigkeit beachtet werden.

Bei dem Messobjekt handelt es sich um ein 6x6 LED-Panel mit einem Metallgehäuse, welches mit einer 50 cm und einer 100 cm Ulbricht-Kugel vermessen wird.

Es ergeben sich folgende Messwerte:

Diese Messwerte zeigen, dass zum einen der Selbstabsorptionskorrekturfaktor sehr groß sein kann. Dies ist gleichbedeutend damit, dass bei einer Messung ohne Selbstabsorptionskorrekturfaktor der Messfehler sehr groß wäre. Zudem zeigen diese Messungen, dass die Abweichung von der Größe des Messobjekts im Verhältnis zum Kugeldurchmesser, sowie von der Beschaffenheit des Messobjekts abhängt. Der Selbstabsorptionskorrekturfaktor der kleinen Kugel ist deutlich größer, als bei der großen Kugel. In diesen Beispielmessungen ist der Korrekturfaktor besonders groß, da das Messobjekt selbst sehr stark absorbiert und somit eine große Störstelle darstellt.

Abbildung 18: Messaufbau mit 100cm und 50 cm Ulbricht-Kugel

Hinweis: Es handelt sich hierbei um Beispielmessungen. Die Abweichungen sind keine Normwerte. Diese können von Messung zu Messung variieren. Sie hängen dabei von dem Messgerät, der Ulbricht-Kugel und dem Messobjekt ab.

6. Zusammenfassung

Werden Messobjekte mit Hilfe einer Ulbrichtkugel vermessen, können durch das Messobjekt selbst Messfehler induziert werden. Diese kommen durch Rückreflektion bzw. Absorption der Strahlung durch das Messobjekt selbst zustande. Um diesen Messfehler zu kompensieren, muss eine Selbstabsorptionskorrektur durchgeführt werden. Hierzu wird, unter Verwendung von Hilfslampen, eine Messung ohne und eine mit dem Messobjekt durchgeführt. Aus den beiden ermittelten Werten wird ein spektraler und integraler Korrekturfaktor errechnet, welcher direkt im Messgerät den Messwert korrigiert. Der Selbstabsorptionskorrekturfaktor kann für baugleiche Messobjekte unter gleicher Messgeometrie erneut verwendet werden.

Folgende Selbstabsorption Korrekturfaktoren haben sich in den Beispielmessungen ergeben:

Mit Hilfe dieser Faktoren werden die erhaltenen Messwerte korrigiert. Dabei hängt die Größe des Korrekturfaktors beim BTS256-LED Tester sehr von der Größe des Messobjekts im Vergleich zur Kugelöffnung ab, d.h. der reflektierenden Fläche. Denn je größer die Kugelöffnung ist, desto mehr wird der Kugelfaktor beeinflusst. Bei einer externen Ulbricht-Kugel hängt die Höhe des Faktors nicht nur von der Größe des Messobjekts im Vergleich zum Kugeldurchmesser ab, sondern auch von der Position des Messobjekts. Es kann z.B. an einem Port oder in der Mitte der Kugel sitzen.

Als Richtwert lässt sich daher annehmen, dass die Kugelöffnung des BTS256-LED Testers in ihrer Größe so genau wie möglich, an das Messobjekt angepasst sein sollte. So ist eine Ulbricht-Kugel mit der minimal möglichen Öffnung das Optimum. Bei einer externen Kugel sollte das Verhältnis Kugeldurchmesser zur Messobjektsgröße genügend groß sein, da so der Einfluss des Messobjektes geringer wird. Zudem muss die Größe an das Signal des Messobjektes angepasst sein, so dass sich ein ausreichendes Signal zu Rausch Verhältnis bei adäquaten Messzeiten ergibt.

Abbildung 19: Adapter auf der Platine

Abbildung 20: Externe Ulbricht-Kugeln mit verschiedenen Durchmessern

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die Kugelgeometrie an die Messaufgabe angepasst werden sollte. Zudem nimmt das Messobjekt selbst Einfluss auf die Messung und muss demnach für genaue Messungen berücksichtigt werden. Dieses Verfahren wird Selbstabsorptionskorrektur genannt und muss zusätzlich zur Messung durchgeführt werden. Da die Korrekturfaktoren jeweils nur von der Bauform der Reflexionseigenschaften des Messobjektes abhängig sind, können die ermittelten Korrekturfaktoren für z.B. alle LED’s des gleichen Bautyps verwendet werden.

7. Quellen

[1] Bergmann, Ludwig/Schäfer, Clemens/Niedrig, Heinz (Hrsg): Lehrbuch der Experimentalphysik, Optik. Wellen- und Teilchenoptik, Band 3. Berlin, New York: de Gruyter, 2004

[2] Cayless, M.A./ Coaton, J.R./ Marsden, A.M. (Hrsg.): Lamps and Lighting. Oxon, New York: Routledge, 2011

[3] Photometrische Verfahren. In: DIN 5032-1 Lichtmessung. Berlin: Beuth, 1994

[4] Demtröder, Wolfgang (Hrsg.): Laserspektroskopie, Grundlagen und Techniken, Band 4. Kaiserslautern: Springer, 2004