DE4223741A1 - Verfahren und Anordnung zur Messung von strahlungsphysikalischen und lichttechnischen Grundgrößen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Anordnung zur Messung von strahlungsphysikalischen und lichttechnischen Grundgrößen, wobei einzelne Raumwinkelelemente eines auszumessenden Halbraumes zeitlich nacheinander abgetastet und die ermittel­ ten Größen spektral bewertet werden.

Nach dem Stand der Technik ist es bekannt, strahlungsphysikalische und lichttechnische Größen wie Bestrahlungsstärken, Raumbestrahlungsstärken, Beleuchtungsstärken, zylindrische Beleuchtungsstär­ ken, Raumbeleuchtungsstärken und Farbkoordinaten mit speziellen Meßgeräten zu ermitteln, die für die jeweils zu messende Größe ausgerichtet sind. Für die Messung von UV-Bestrahlungsstärken, die für verschiedene technologische Prozesse (UV-Lacksta­ bilisierung, UV-Lithographie, Reproduktionstechnik, Entkeimung) für Biologie und Medizin (UV-Hautbe­ strahlung, UV-Blutbestrahlung) bedeutsam sind, sind Meßgeräte bekannt. Es sind auch Meßgeräte bekannt, die die Messung der UV-Bestrahlungsstärke durch das natürliche Tageslicht ermöglichen.

Diese Meßgeräte sind analog dem Beleuchtungsstär­ kenmesser der Beleuchtungstechnik aufgebaut, das heißt,sie filtern durch spezielle Glas- und Inter­ ferenzfilter den UV-Bereich der Strahlung aus und bewerten die Richtungsabhängigkeit der UV-Strahlung durch sogenannte Cosinuskorrekturvorsätze. Als Strahlungsempfänger werden Halbleiterfotodioden benutzt.

Nachteilig bei diesen Geräten ist, daß die spek­ trale Bewertung der Strahlung an die Verläufe und Gegebenheiten der verwendeten Filtermaterialien gebunden sind und nicht unterschiedlichen Meßauf­ gaben angepaßt werden können.

Die Messung des Tageslichtes, seine Gesamtwirkung als Bestrahlungs- und Beleuchtungsstärke, seine räumliche Verteilung, sein zeitlicher Verlauf und seine spektrale Verteilung sind von Interesse für die Meteorologie und Klimatologie, für die Technik der Energiegewinnung aus Sonnenenergie (Solartech­ nik) sowie für die Beleuchtungstechnik. Zur Ermitt­ lung der ökologischen Auswirkungen kommt dabei der Erfassung des UV-Anteils des Tageslichtes eine große Bedeutung zu. Hierzu sind verschiedene Meß­ geräte, insbesondere sogenannte Sky-Scanner, globale Beleuchtungsstärkemesser und Meßgeräte zur Messung von Solarbestrahlungsstärken bekannt.

Nachteilig bei diesen Geräten, die für die Messung lichttechnischer Größen an die V-Lambda-Kurve mit Filtern angepaßt sind, ist, daß sie keine Spektral­ messungen ermöglichen.

Zur Messung lichttechnischer Größen ist beispiels­ weise die Messung der Beleuchtungsstärke mit dem Luxmeter bekannt.

Diese Geräte werden durch Filtergläser spektral an die V-Lambda-Kurve angepaßt und erreichen durch geeignete Streuscheiben und Blenden die geforderte cosinusgetreue Bewertung. Durch Kombination mehr­ erer Strahlungsempfänger ist mit diesen Geräten die Messung der zylindrischen Beleuchtungsstärke und der Raumbeleuchtungsstärke möglich. Nachteilig bei diesen Geräten ist, daß sie nur jeweils die Messung einer spezifischen Meßgröße gestatten und auch keine spektralen Verläufe darstellen können.

Im Stand der Technik sind weiterhin Farbmeßgeräte bekannt. Hierbei unterscheidet man Spektralgeräte und Dreibereichsmeßgeräte. Bei den Spektralgeräten erfolgt die Bestimmung der Farbmaßzahlen durch rechentechnische Bewertung einer von der Probe erzeugten Spektralverteilung. Solche Geräte be­ sitzen ein spektralzerlegendes Teilgerät (Spektro­ meter) und einen rechentechnischen Teil, der die Farbmaßzahlen aus dem Spektrum der Probe errechnet. Die Mehrzahl der Farbmeßgeräte arbeitet nach dem sogenannten Dreibereichsverfahren, bei dem drei Empfänger gleichzeitig oder ein Empfänger wechsel­ weise an die drei Normspektralwertkurven mittels Filtern angepaßt sind. Alle diese Geräte gestatten es nicht, eine rich­ tungsabtastende Messung durchzuführen.

Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, mehrere strahlungsphysikalische und lichttechnische Größen durch ein einheitliches Meßsystem zu erfas­ sen, welches eine richtungsabtastende Messung eines Halbraumes ermöglicht.

Erfindungsgemäß gelingt die Lösung der Aufgabe dadurch, daß folgende verfahrensschritte ausgeführt werden:

• - Abtasten des Halbraumes in Kugelkoordinaten,
• - Ermitteln der spektralen Verteilung für jedes Raumwinkelelement durch zeilenweises Erfassen des Spektrums mittels bildauflösenden Empfänger und
• - Bewerten der Spektren.

Dabei ist es möglich, daß die Bewertung eine ener­ giegleiche Bewertung ist, daß die Bewertung nach Wirkungskurven, vorzugsweise nach der genormten Augenempfindlichkeitskurve (V-Lambda-Kurve) er­ folgt, daß die Bewertung nach Normspektralwert­ kurven erfolgt oder daß die Bewertung eine rich­ tungsmäßige Bewertung, vorzugsweise eine Cosinus Theta oder Sinus Theta Bewertung der Kugelkoordi­ naten ist.

Eine zweckmäßige Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens sieht vor, daß eine Summierung der ein­ zelnen Spektralanteile durchgeführt wird.

Die erfindungsgemäße Anordnung zur Durchführung des Verfahrens sieht vor, daß auf einem Grundkörper ein Spektrometer mit kurzbrennweitigen abbildenden Teilen, vorzugsweise mit Brennweiten, die kleiner als 50 mm sind, angeordnet ist, daß das Spektro­ meter drehbar gelagert ist, daß ein weiteres lichtablenkendes System, das vorzugsweise aus einem Spiegel besteht, um eine Achse, die senkrecht zur Drehachse des Spektrometers ist, drehbar angeordnet ist, daß je ein Schrittantrieb für die Drehung des Spektrometers und für die Drehung des licht­ ablenkenden Systems angeordnet ist und daß mit dem Spektrometer fest verbunden ein bildauflösender Empfänger mit hoher Auflösung angeordnet ist.

Durch die erfindungsgemäße Anordnung eines sehr kleinen Spektrometers gelingt es, das Spektrometer gemeinsam mit einem Empfänger mit hoher Auflösung drehbar anzuordnen. Der Empfänger mit hoher Auflö­ sung ermöglicht die Erfassung eines kurzen Spek­ trums großer spektraler Bandbreite, wodurch eine sehr kleine Anordnung ermöglicht wird. Durch die sehr kleine Anordnung wird es wiederum möglich, Spektrometer und Empfänger gemeinsam zu drehen und für die Drehung der übrigen Koordinaten nur einen Spiegel zu verwenden. Ansonsten wären zur Abtastung des Raumes zwei Drehspiegel erforderlich. Zur Gewährleistung der erforderlichen Abbildungs­ qualität wäre es außerdem noch erforderlich, zusätzlich eine optische Zwischenabbildung mit entsprechenden aufwendigen Bauelementen zu reali­ sieren.

Ein wesentlicher Vorteil ist dabei auch, daß insbesondere für die Messung im UV-Bereich große Verluste durch den Spiegel vermieden werden. Die Vermeidung eines zweiten Spiegels, der in bekannten optischen Systemen zur Richtungsablenkung um zwei senkrecht aufeinanderstehender Achsen üblich ist, durch die erfindungsgemäße Anordnung ist ein wesentlicher Vorzug.

Das erfindungsgemäße Meßgerät gestattet die Abtastung des Halbraumes in Kugelkoordinaten in einfacher Weise. Durch unterschiedliche Programmie­ rung und Auswertung der Meßergebnisse ist es mit einem einzigen Gerät möglich, verschiedene strah­ lungsphysikalische und lichttechnische Größen zu ermitteln. Die vorteilhafte Anwendung der Erfindung liegt vorzugsweise auf folgenden Gebieten:

• 1. Vermessung von UV-Bestrahlungsstärken und UV- Raumbestrahlungsstärken im UV-A, UV-B und UV-C- Bereich für technologische (Fotoreaktion in Chemie, Polygrafie, Mikroelektronik und Umwelttechnik) und medizinische Zwecke (UV-Haut- und Blutbestrahlung, Solarien).
• 2. Vermessung des natürlichen Tageslichtes hinsichtlich räumlicher und spektraler Verteilung einschließlich seines UV-Anteiles für Meteorologie, Klimatologie, Ökologie und Solartechnik.
• 3. Vermessung der Lichtverteilung in Innenräumen für die Beleuchtungstechnik (gleichzeitige Bestim­ mung von Beleuchtungsstärken, zylindrischen Be­ leuchtungsstärken, vertikalen Beleuchtungsstärken sowie Farbmaßzahlen zur Bestimmung komplexer Güte­ merkmale der Beleuchtung.

Die Erfindung soll im folgenden anhand eines Aus­ führungsbeispieles näher erläutert werden. In der zugehörigen Zeichnung zeigen:

Fig. 1: Eine schematische Darstellung der erfindungsgemäßen Anordnung in Draufsicht.

Fig. 2: Eine schematische Darstellung der erfindungsgemäßen Anordnung in Seitenansicht.

Fig. 3: Ein Beispiel für ein Spektrum, das zu einem ausgemessenen Raumelement gehört.

Wie aus Fig. 1 ersichtlich ist, besteht die Anord­ nung aus einem auf einer senkrechten Achse drehbar angeordneten kleinen Spektrometer mit Schrö­ der′schem Strahlengang mit einem Eintrittsspalt 1, einem Hohlspiegel 2 der Brennweite 33 mm, einem Beugungsgitter 3 und einer CCD-Zeile 4 als bildauf­ lösenden Zeilenempfänger.

Der Antrieb für die Drehung des Spektrometers er­ folgt durch einen Schrittmotor 5 mittels Zahn­ riemen. Durch diese Drehung wird die Kugelkoor­ dinate Phi festgelegt. Der Schrittmotor 5 ist durch einen Rechner so angesteuert, daß beliebige Schrittweiten eingestellt und die Anfangslage fest­ gehalten werden kann.

Zur Abtastung der Theta Kugelkoordinaten wird ein Drehspiegel 6 benutzt, der von einem zweiten Schrittmotor 7 angetrieben wird. Der Schrittmotor 7 wird in gleicher Weise wie der Schrittmotor 5 durch den Rechner angesteuert. Im Gerät sind noch die CCD-Taktsteuerung 8, die AD-Wandlung 9, der Video­ verstärker 10, ein Rechner-Interface 11 und die Leistungsstufen der Schrittmotor-Ansteuerung 12 angebracht.

Jeder Stellung des Spektrometers und des Dreh­ spiegels entsprechen die Kugelkoordinaten Phi und Theta.

Für jede dieser Stellungen wird vom Spektrometer ein Spektrum mittels der CCD-Zeile 4 aufgenommen und im Rechner abgespeichert.

In Fig. 3 ist ein solches Spektrum dargestellt.

Es können nun so alle erhaltenen Spektren auf­ summiert werden. Die Summe stellt die spektrale Verteilung der Raumbestrahlungsstärke Eo bzw. der Raumbeleuchtungsstärke für die obere Halbebene dar. Durch Multiplikation aller Spektren, die zu einem festen Theta gehören, mit cos Theta, erhält man die Bestrahlungsstärke E bzw. Beleuchtungsstärke E nach DIN 5031.

Durch Multiplikation aller Spektren, die zu einem festen Theta gehören, mit sin Theta, erhält man die zylindrische Beleuchtungsstärke Ez nach DIN 5031.

Durch Multiplikation der Signale der den einzelnen Wellenlängen zugeordneten Pixel der CCD-Zeile 4 legt man willkürlich Spektralbereiche fest (z. B. UV-A, UV-B, UV-C, VIS), erzeugt wellenlängenkon­ stante Empfindlichkeiten für energetische Bewer­ tungen, erzeugt V-Lambda-getreue Empfindlichkeiten für lichttechnische Bewertungen und erzeugt man Empfindlichkeiten anderer Art, z. B. Normspektral­ wertkurven für die Farbortbestimmung nach der Farb­ valenzmetrik oder beliebige aktinische Wirkungs­ kurven nach DIN 5031. Auf diese Weise werden z. B. aktinische Raumbestrahlungsstärken oder UV-Bestrah­ lungsstärken mit dem gleichen Gerät direkt ange­ zeigt.

Claims (7)

1. Verfahren zur Messung von strahlungsphysi­ kalischen und lichttechnischen Grundgrößen, bei dem einzelne Raumwinkelelemente eines auszumessenden Halbraumes zeitlich nacheinander abgetastet und die ermittelten Größen spektral bewertet werden, dadurch gekennzeichnet, daß folgende Verfahrens­ schritte ausgeführt werden:

• - Abtasten des Halbraumes in Kugelkoordinaten,
• - Ermitteln der spektralen Verteilung für jedes Raumwinkelelement durch Erfassen des Spektrums mittels bildauflösenden Empfänger und
• - Bewerten der Spektren.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzei­ chnet, daß die Bewertung eine energiegleiche Bewer­ tung ist.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzei­ chnet, daß die Bewertung nach Wirkungskurven, vor­ zugsweise nach der genormten Augenempfindlichkeits­ kurve (V-Lambda-Kurve) erfolgt.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzei­ chnet, daß die Bewertung nach Normspektralwert­ kurven erfolgt.

5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzei­ chnet, daß die Bewertung eine richtungsmäßige Bewertung, vorzugsweise eine Cosinus Theta oder Sinus Theta Bewertung der Kugelkoordinaten ist.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß eine Summierung der einzelnen Spektralanteile durchgeführt wird.

7. Anordnung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 6, unter Verwendung eines Spektrometers, dadurch gekennzeichnet, daß

• - auf einem Grundkörper ein Spektrometer mit kurz­ brennweitigen abbildenden Teilen, vorzugsweise mit Brennweiten die kleiner als 50 mm sind, angeordnet ist,
• - daß das Spektrometer drehbar gelagert angeordnet ist,
• - daß ein weiteres lichtablenkendes System, das vorzugsweise aus einem Spiegel besteht, um eine Achse, die senkrecht zur Drehachse des Spektrome­ ters ist, drehbar angeordnet ist,
• - daß je ein Schrittantrieb für die Drehung des Spektrometers und für die Drehung des lichtablenk­ enden Systems angeordnet ist,
• - daß mit dem Spektrometer fest verbunden ein bildauflösender Zeilenempfänger mit hoher Auflösung angeordnet ist.