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Bild 1: Einfaches Photometer mit Filterpaket (links) beziehungsweise Mosaikfilter (rechts); in der Praxis umfassen die Detektoren sowohl Paket- als auch Mosaikfilterelemente. (Bild: Instrument Systems)

Eckdaten

Beim integralen Messverfahren hängt die Messqualität des Photometers davon ab, wie gut die spektrale Anpassung der optischen Filter an die spektrale Empfindlichkeit des menschlichen Auges erfolgt. Dahingegen basiert die Spektralauflösung über ein Spektralradiometer auf einer Kombination der spektralen Leistungsverteilung mit der Definition der menschlichen Wahrnehmung (V(λ)-Kurve und Spektralwertfunktionen). Beide Methoden besitzen abhängig vom Messaufbau und den gewünschten Messergebnissen Vor- und Nachteile.

Das Photometer gilt als Lichtmessgerät mit besonders einfachem Aufbau. Das System umfasst einen Detektor (zum Beispiel eine Silizium-Photodiode) sowie einen Filter und simuliert in seiner Empfindlichkeit die Wahrnehmung des menschlichen Auges. Derartige Detektoren werden zur Messung der Leuchtdichte (zum Beispiel Emission eines Computerbildschirms oder Fernsehers), der Beleuchtungsstärke (zum Beispiel auf ein Blatt Papier fallendes Licht), der Lichtstärke (zum Beispiel Licht aus kleinen oder weit entfernten Lichtquellen) oder des Lichtstroms (gesamte Lichtleistung einer Lichtquelle) verwendet. Die Güte eines Photometers hängt unter anderem stark von der Übereinstimmung mit der Empfindlichkeit des menschlichen Auges ab.

Filterbasierte Messaufbauten

Bei der sogenannten Vollfilterung (Bild 1 links) durchdringt das einfallende Licht nacheinander im Allgemeinen mehrere Filterschichten über die gesamte Empfängerfläche. Ein hochwertiges Filterpaket verfügt in der Regel über mindestens fünf Schichten. Da das Licht jeden Filter einzeln durchdringen muss, entspricht die Gesamtdurchlässigkeit dem Produkt aus den Teildurchlässigkeiten der Schichten. In diesem Aufbau sind die Teildurchlässigkeiten voneinander abhängig, sodass der Aufbau des Filterpakets sehr präzise erfolgen muss. Diese Variante ermöglicht äußerst genaue und stabile Geräte.

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Bild 2 a: Empfindlichkeiten von einem Soll- und fünf Ist-Photometern in Abhängigkeit von der Wellenlänge. Metas

Bei der sogenannten Partialfilterung mit Mosaikfiltern (Bild 1 rechts) sind die Filterelemente nebeneinander angeordnet. Das einfallende Licht durchdringt jedes Element nur teilweise und die Gesamtdurchlässigkeit entspricht der Summe aus den Teildurchlässigkeiten. Die Detektoreigenschaften lassen sich über die Anordnung im Mosaikfilter leicht konfigurieren und ermöglichen eine äußerst präzise spektrale Anpassung. Gleichzeitig besteht aber eine starke Abhängigkeit vom Lichteintrittswinkel: Mosaikfilter reagieren sehr sensitiv auf die räumliche Beleuchtungshomogenität und die einzelnen Teildurchlässigkeiten variieren unterschiedlich stark mit der Veränderung des Einfallswinkels. Deshalb werden Photometer mit Partialfilterung in der Regel in Kombination mit einem Diffusor verwendet. Dieser mischt das einfallende Licht in Bezug auf Raum und Einfallswinkel, führt aber unweigerlich zu Lichtverlusten, einer verringerten Empfindlichkeit sowie längeren Messzeiten. Aufgrund dieser Nachteile ist ein Partialfilter für die Messung von schwachen Lichtquellen oder schnell benötigte Ergebnisse eher ungeeignet. Hier ist das Vollfilterungsverfahren vorzuziehen, insbesondere auch in der Goniophotometrie, wenn mehrere tausend winkelabhängige Messungen möglichst rasch erfasst werden sollen.

Photometer-Güte

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Bild 2 b: Verhältnis der einzelnen Empfindlichkeiten zu der des Soll-Photometers. Metas

Kleinste Modellunterschiede im Aufbau eines Photometers können gravierende Auswirkungen auf deren Güte haben. Bild 2 a zeigt die Empfindlichkeitskurven von fünf verschiedenen Geräten in der Praxis. Verglichen mit einem „perfekten“ Photometer weist das Gerät 1 offensichtlich die größte Ungenauigkeit auf. Dennoch verzeichnet es bei 450 nm die geringste Abweichung (Bild 2 b).

Eine Unterstützung für die Auswahl des geeignetsten Gerätes bietet die Anpassungsgüte f1′. Diese Funktion beschreibt die Übereinstimmung der relativen spektralen Empfindlichkeit des Photometers mit der Funktion der Hellempfindlichkeit V(λ). Sie bietet sich insbesondere für Weiß- beziehungsweise Breitbandlichtquellen an. Obwohl sie nicht als Fehlerindikator dient, lassen sich aus ihr vorhandene Korrelationen ableiten. Für einfarbige LEDs gilt dies nicht. f1′ lässt bei LED-Messungen keine Rückschlüsse auf die Photometergüte zu. Über Alternativen wird seit über zehn Jahren ohne abschließendes Ergebnis diskutiert. Deshalb sind insbesondere bei der Messung einfarbiger LEDs die Stabilität und der Aufbau des Photometers ausschlaggebend.

Messung der spektralen Leistungsverteilung

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Bild 3: Schema eines Doppelmonochromators in subtraktiver Anordnung, bei der die Restdispersion am Ausgangsspalt null ist. Instrument Systems

Spektralradiometer sind in der LED-Messtechnik dem Photometer vorzuziehen, da die photometrischen Größen aus den Spektraldaten anhand genau definierter Funktionen der CIE (Internationale Beleuchtungskommission beziehungsweise Commission Internationale de l‘Éclairage) errechnet werden. Während scannende Spektrometer über einen Monochromator mit einem oder mehreren rotierenden Beugungsgittern und nur einem Detektor verfügen, besitzen Array-Spektrometer einen Spektrographen mit fest montiertem Gitter und einem aus vielen einzelnen Dioden oder CCD-Elementen bestehenden Detektor. Vorteilhaft bei Array-Spektrometern ist die gleichzeitige Erfassung des gesamten Spektrums. Bei beiden Varianten hängt die Genauigkeit der Spektrometer vom Zusammenspiel ihrer einzelnen Komponenten ab.

Ein scannendes Spektralradiometer garantiert im Allgemeinen die größte Genauigkeit, weist jedoch längere Messzeiten von einigen bis zu mehreren Dutzend Sekunden auf. Der Dynamikbereich kann während des Scanvorgangs elektronisch umgeschaltet werden, wodurch selbst die steilen Flanken sehr schmalbandiger LEDs präzise erfasst werden. Die Nutzung eines einzigen Detektors ermöglicht einen zusätzlichen Spalt mit Blenden zur optimalen Streulichtunterdrückung. Hierdurch entsteht für die Messung von LEDs ein weiter optischer Dynamikbereich von bis zu fünf Größenordnungen. Für bestimmte Messanwendungen, wie zum Beispiel die Bewertung der photobiologischen Sicherheit von Lampen, empfiehlt sich ein Doppelmonochromator bestehend aus zwei Einzelmonochromatoren (siehe Bild 3). Drehen sich die beiden Beugungsgitter um dieselbe Rotationsachse, dann ist höchstmögliche Stabilität gewährleistet und die Synchronisierung der beiden Monochromatoren optimal. In dieser Anordnung bieten Doppelmonochromatoren eine extrem gute Streulichtunterdrückung (10-9 für LED-Messungen). Ein weiterer Vorteil der scannenden Spektralradiometer sind Messungen über weite Spektralbereiche bei gleichzeitig hoher Spektralauflösung und Wellenlängengenauigkeit. Damit sind sie vielfältig einsetzbar, zum Beispiel zum Testen der Nachtsichtkompatibilität von Bildschirmen und grafischen Bedienoberflächen, zur hochauflösenden Spektralmessung von Plasmaquellen oder für Transmissions- und Reflexionsmessungen.

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Bild 4: Anordnung eines Array-Spektralradiometers mit gekreuztem Czerny-Turner-Aufbau. Instrument Systems

Mit Array-Spektrometern lassen sich Messungen deutlich schneller ausführen als mit scannenden Spektralradiometern, da das gesamte Wellenlängenspektrum zeitgleich erfasst wird. Bestenfalls dauert die Messung so lediglich einige Millisekunden. Die Empfindlichkeit lässt sich dabei durch eine längere Integrations- beziehungsweise Messzeit individuell verbessern. Allerdings wird Streulicht bei Array-Spektralradiometern aufgrund des fehlenden Austrittsspalts weniger gut unterdrückt. Das durch den Eintrittsspalt einfallende Licht wird direkt auf dem Detektorarray abgebildet, wodurch sich der Dynamikbereich im Vergleich zum scannenden Spektrometer um etwa eine Größenordnung verkleinert. Die Spektralauflösungen von Array-Spektrometern variieren je nach Pixelzahl des Detektors und der optischen Auflösung des Spektrographen zwischen 1 und 10 nm. Die Abbildungseigenschaften lassen sich im Allgemeinen durch längere Brennweiten und eine breitere Optik verbessern (Bild 4).

Thema der nächsten Seite: Die Wahl des passenden Messinstruments

Tabelle

Wichtigste AAuswahlkriterien. Instrument Systems

Aufgrund der vielfältigen Anwendungsfelder für Array- und scannende Spektralradiometer sollte die Wahl des passenden Messinstruments in erster Linie anhand der gewünschten Verwendung getroffen werden. Die Tabelle fasst für beide Spektralradiometertypen die wichtigsten Auswahlkriterien zusammen. Berücksichtigt werden hierbei die Merkmale von Monochromator beziehungsweise Spektrograph, Detektor und Elektronik.

Bildgebende Photometer und Farbmessgeräte

Bildgebende Photometer und Farbmessgeräte ermöglichen die schnelle Erfassung photo- und farbmetrischer Größen mit räumlicher Auflösung. Diese Anforderung wird neben traditionellen Automobil- und Bildschirmanwendungen auch für die Allgemeinbeleuchtung zunehmend interessant. Gegenüber Messinstrumenten ohne räumliche Auflösung, wie Spektralradiometern, bietet diese Technik mehrere Vorteile: In einem einzigen Bild lassen sich zeitgleich und damit zeitsparend mehrere Messungen vornehmen. Bildverarbeitungsfunktionen der Software ermöglichen automatische Analyseverfahren, zum Beispiel zur Berechnung der Homogenität oder des Kontrasts. Bildgebende Photometer und Farbmessgeräte besitzen keine so hohe absolute Messgenauigkeit wie Spektralradiometer, da sich die verwendete Kombination von CCD-Sensor und optischem Filter nur endlich genau an die Empfindlichkeit des menschlichen Auges anpassen lässt.

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Bild 5: Abweichung der dominanten Wellenlänge für Farbmessgeräte mit vier und sechs Filtern. Instrument Systems

Handelt es sich bei dem Bildgebungssystem um ein Farbmessgerät, dann wird die spektrale Empfindlichkeit des CCD-Sensors mithilfe mehrerer Glasfilter auf das CIE-Normvalenzsystem mit den Spektralwertfunktionen X, Y und Z abgestimmt. In High-End-Geräten imitieren zwei getrennte Filter die X-Funktion für den blauen sowie den roten Spektralbereich. Diese Vier-Filter-Technik verbessert die Genauigkeit im Vergleich zu herkömmlichen Farbmessgeräten deutlich. Die Einzelbilder der entsprechenden Farbwerte werden sequenzweise gespeichert und anschließend zu einem Gesamtbild mit zugehöriger Leuchtdichte und Verteilung der Farbkoordinaten verrechnet.

Neu ist die Nutzung von sechs statt vier Filtern für eine noch höhere Genauigkeit. Die Aufzeichnung von Daten aus sechs Kanälen zur Berechnung von nur drei Parametern X, Y und Z stellt redundante Daten zur Verfügung. Die Farbwerte können dann über eine optimierte 3 × 6-Adaptionsmatrix berechnet werden, die technisch bedingte Restfehler in der Filteranpassung bereinigt. Neben den Farbkoordinaten wird auch die dominante Wellenlänge mit deutlich größerer Genauigkeit bestimmt (Bild 5).

Bildgebende Photometer und Farbmessgeräte eignen sich optimal zur Messung der Leuchtdichte und Farbverteilung von Displays und Bedienelementen im Automobil- und Avionikbereich, zur Messung von Homogenität, Kontrast, Mura und der Modulationstransferfunktion von Flachbildschirmen sowie zur Analyse der Lichtstärke- und CCT-Verteilung von Lampen. Ein wesentliches Qualitätsmerkmal ist ähnlich wie bei Photometern die Filteranpassung f1′. Weitere Kriterien sind Dynamik, Verzeichnung durch die Linse, CCD-spezifische Fehler wie Smear und Blooming sowie Streulicht.

Schmalbandige Spektren

Bei schmalbandigen Spektren mit nahezu vollkommener Farbsättigung wie insbesondere bei farbigen LEDs wird zur Farbanalyse meist die dominante Wellenlänge verwendet. Diese wird anhand eines von der CIE empfohlenen Algorithmus aus den xy-Koordinaten berechnet. Die nur annähernde Übereinstimmung der Filter mit den Spektralwertfunktionen der CIE führt abhängig von der Wellenlänge der Strahlung zu Messfehlern. Ihre Ausprägung ist über den gesamten Spektralbereich unterschiedlich stark. Im Bereich 560 bis 610 nm beispielsweise liegt die Abweichung der dominanten Wellenlänge aufgrund exakter Filteranpassung bei unter 1 nm. Im roten Spektralbereich hingegen verschiebt eine nur geringfügige Veränderung der Farbkoordinaten die dominante Wellenlänge beträchtlich. Deshalb ist für rote LEDs die dominante Wellenlänge nur mit einer starken Abweichung bestimmbar, die sich jedoch dank der streng systematischen Abhängigkeit korrigieren lässt.

Dr. Günther Leschhorn

Leschhorn_Günther
Leiter Produktmanagement bei Instrument Systems

(ah)

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