Optische Materialeigenschaften

 

Optische Materialeigenschaften beinhalten Messgrößen wie Reflexion, Transmission, Absorption, Fluoreszenz und Fotolumineszenz. Gigahertz-Optik GmbH bietet Messgeräte, Komplementärprodukte, Kalibrierstandards und Kalibrierungen zur Messung optischer Materialeigenschaften. Auf dieser Seite werden Anwendungsbeispiele dieser Produkte vorgestellt.

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App. 034

Zerstörungsfreie Messung der Lichttransmission von großen Glasscheiben

Für Glasscheiben in Automobilen, Flugzeugen, Zügen, Fenstern, Glastüren usw. ist die Transmission maßgebend wie sie von uns Menschen empfunden wird. Die Lichttransmission erfordert daher eine Bewertung optischer Strahlung mit der photometrischen Empfindlichkeit des menschlichen Auges. In stationären Messgeräten wie Spektralphotometern aber auch z.B. im ECE R43 Messaufbau zur Qualifizierung der gesetzlich vorgegebenen Lichttransmission von Autoscheiben können nur relativ kleine Glasscheiben vermessen werden. Zur Vermessung großer Scheiben müssen diese in kleine Proben geschnitten werden. Mobile Spektralphotometer helfen diesen zeit- und kostenträchtigen Aufwand zu vermeiden und ermöglichen sogar vor Ort die Messung der Lichttransmission eingebauter Scheiben.

Die große Herausforderung beim Entwurf eines mobilen Spektralphotometers ist die Umsetzung der Messgeometrie. Die klassische Messanordnung wie z.B. die der ECE R43 mit Probenbeleuchtung durch ein paralleles Lichtbündel und einer Ulbrichtschen Kugel als Detektor repräsentiert das konventionelle stationäre Messgerät.

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Prinzipielle ECE R43ISO 3538 Messanordnung zur Lichttransmission 2

Bild 1: Prinzipielle ECE R43/ISO 3538 Messanordnung zur Lichttransmission

Die Umsetzung einer invertierten Messgeometrie der ECE-R-43 kann wesentlich kompakter ausgeführt werden. Diese folgt dem Helmholtz-Reziprozität-Prinzip zur Umkehrbarkeit eines Strahlengangs. Die Messgeometrie entspricht gleichzeitig auch der Leuchtdichte-Messanordnung gemäß CIE 130 [2] und DIN 5036 [3].

Prinzipielle Darstellung der invertierten ECE R43 Messanordnung zur Lichttransmission

Bild 2: Prinzipielle Darstellung der invertierten ECE R43 Messanordnung zur Lichttransmission

Bei der Umsetzung des invertierten ECE R43 Messanordnung in ein mobiles Spektralphotometer zur Messung der Lichttransmission muss besonderes Augenmerk gelegt werden auf die Einhaltung von:

  • Größenverhältnis des Leuchtfeldes der Ulbrichtkugel-Lichtquelle und des Messstrahls des Leuchtdichtemessgerätes
  • Ulbrichtkugel-Lichtquelle mit spektralen Monitordetektor zur Simulation von den CIE-Standardlichtarten A, D50 und D65 sowie zur Korrektur von Rückreflexionen der Probe in die Ulbrichtkugel
  • Robustes Halbleiter-Leuchtmittel
  • Pulsbetrieb der Lichtquelle zur Freistellung des Messsignals von Umgebungslicht
  • Leuchtdichtemesskopf mit quasi parallelem Messbündel
  • Leuchtdichtemesskopf mit spektralem Detektor zur Simulation der photometrischen CIE-Wirkungsfunktion
  • Leuchtdichtemesskopf mit Kamera zur zentrischen Ausrichtung des Leuchtdichtemessstrahls auf das Leuchtfeld der Ulbrichtkugel-Lichtquelle

Die Lichtquelle und das Leuchtdichtemesser sind getrennt ausgeführt. Vor der Messung müssen die beiden für einen 100 % Abgleich aufeinandergesetzt werden. Anschließend werden Lichtquelle und Leuchtdichtemesser je auf einer Seite der Scheibe aufgesetzt und zueinander ausgerichtet. Danach erfolgt die Messung der Lichttransmission in % gemessen mit CIE-Standardlichtart A, C und D65 sowie die spektrale Transmission.

Gigahertz-Optik GmbH bietet mit dem LCRT-2005-S ein in vielen Applikationen bewährtes mobiles Spektralphotometer. Die kompakte Größe ermöglicht Messungen an Scheiben ohne Größenbeschränkungen. Das Gerät kann in stationäre Messaufbauten integriert werden. Das angebotene Zubehör unterstützt viele Messaufgaben.


Referenzen

[1] UN ECE Regulation No. 43 - Uniform provisions concerning the approval of safety glazing materials and their installation on vehicles. 

[2] CIE 130-1998 Practical Methods for the Measurement of Reflectance and Transmittance

[3] DIN 5036-3 Radiometric and photometric properties of materials; methods of measurement for photometric and spectral radiometric characteristics

App. 035

Designkriterien für eine universell einsetzbare Ulbrichtkugel zur Messung lichttechnischer Stoffkennzahlen

Lichttechnische Stoffkennzahlen beschreiben die optischen Eigenschaften von Materialien in Form ihrer Reflexion, Transmission und Absorption [1]. Zur Messung der Stoffkennzahlen werden die Materialproben mit optischer Strahlung beaufschlagt. Die optische Strahlung wird von den Proben teilweise reflektiert, transmittiert oder absorbiert. Die üblichen Messgeräte für lichttechnische Stoffkennzahlen von Materialien unterschiedlichster Zusammensetzung sind Spektralphotometer. Diese bestehen aus einer Lichtquelle zur Probenbeleuchtung, einem Probenhalter mit Messgeometrie zur Erfassung der reflektierten bzw. transmittierten Strahlung und einem Detektor zur Messung der Strahlung. Wenn die Lichtquelle eine spektral breitbandige Beleuchtung der Probe bereitstellt, ist der Detektor ein Spektrometer, typischerweise Array-basiert. Alternativ kann die Probe mit monochromatischer durchstimmbarer Strahlung beleuchtet werden. In dieser Konfiguration werden Fotodioden oder Photomultiplier als Detektoren verwendet.

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In den Anwendungen, in denen streuende Materialproben vermessen werden, sind Ulbrichtkugeln [2] als Messgeometrie erforderlich. Für experimentale Messaufgaben, für die kommerzielle Spektralphotometer nicht nutzbar sind, besteht Bedarf an universal konfigurierbaren Ulbrichtkugeln. Deren Design muss auf die Anforderungen der Messung von Stoffkennzahlen bestmöglich abgestimmt sein.

Der bestmögliche Kompromiss hinsichtlich hohem Strahlungsdurchsatz und hohem Kugelfaktor lässt sich mit einer 6 Zoll (150 mm) Ulbrichtkugel erreichen. Deren Kugelfläche von ca. 71.000 mm² ermöglicht unter Einhaltung des 5 % Verhältnis der Portflächen zur Kugelfläche insgesamt 3.500 mm² Fläche, die für Applikations- und Detektoröffnungen genutzt werden kann. Für eine universell ausgelegte Ulbrichtkugel können damit z.B. fünf Applikationsöffnungen mit bis zu 30 mm Durchmesser (jeweils 700 mm²) vorgesehen werden. Mit diesen fünf Öffnungen lassen sich z.B. die beiden Messgeometrien 0/d und 8/d (mit Glanzfalle) realisieren.

0d und 8d Messgeometrie

Bild: 0/d und 8/d Messgeometrie

Von entscheidender Bedeutung für die präzise Messung der Reflexion bzw. Transmission von streuenden Materialproben ist die Gestaltung der Applikationsöffnungen. Deren Ränder müssen sehr schmallippig mit sogenannten Messerkanten ausgeführt sein. Die durch die Probe gestreute Strahlung kann dadurch auch bei flachen Einfallswinkeln ohne Kontakt mit den Seitenrändern der Applikationsöffnung in die Ulbrichtsche Kugel eintreten.

Den Verschluss der ungenutzten Applikationsöffnungen bzw. zur Reduzierung des freien Durchmessers ermöglichen Portstopfen oder Portreduziereinsätze. Wichtig ist, dass deren Vorderseite in gleicher Ebene wie die der Hohlkugel liegen. Zudem muss diese Fläche entsprechend dem Coating der Hohlkugel beschichtet sein. Nur so ist die ungestörte Strahlausbreitung der Ulbrichtschen Kugel sichergestellt.

Zur Messung der Reflexion und Transmission werden die Proben an der Außenseite einer Applikationsöffnung befestigt. Die erforderlichen Probenhalter sind idealerweise so ausgeführt, dass die Probe plan an den Rand der Öffnung gedrückt wird. Der Anpressdruck sollte unabhängig von der Probenstärke sein. Zusätzlich müssen sich der Probenhalter mit Portreduziereinsätzen und anderem Zubehör wie z.B. Lichtfallen kombinieren lassen. Lichtfallen sind immer dann erforderlich, wenn teildurchlässige Materialproben hinsichtlich ihrer Reflexion vermessen werden sollen. Die Lichtfallen bieten in diesem Fall einen definierten schwarzen Hintergrund ohne Rückreflexion.

Zur Messung der Absorption werden die Materialproben innerhalb der Ulbrichtschen Kugel angeordnet. Flüssige Proben werden in Küvetten vermessen. Die Probenhalter müssen zur Positionierung der Proben in der Höhe verstellbar und drehbar ausgeführt sein. Die Probenöffnung muss durch den Stopfen des Probenhalters verschlossen werden. Wichtig ist, dass die Kugelseite des Stopfens in der Ebene der Hohlkugel liegt und beschichtet ist. Nur so ist die ungestörte Strahlausbreitung der Ulbrichtschen Kugel auch im Bereich der Probenöffnung sichergestellt. Ist der Befestigungsstab des Probenhalters hohl, können zusätzliche Litzen zur elektrischen Stimulation einer Probe in die Ulbrichtsche Kugel geführt werden.

Als günstige Position für den Strahlungsdetektor bietet sich der Südpol der Ulbrichtschen Kugel an. Für Reflexions- und Transmissionsmessungen muss sich der Detektor zur Applikationsöffnung mit angesetzter Probe baffeln lassen. Für Absorptionsmessungen muss sich ein Baffel zwischen dem Detektor und der Probe im Kugelzentrum anbringen lassen.

Gigahertz-Optik GmbH bietet mit der UPB-150-ARTA eine 6" Ulbrichtsche Kugel für Reflexion, Transmission und Absorption, die sich zusammen mit dem angebotenen Zubehör universell einsetzen lässt. Falls sich das Einsatzgebiet auf Reflexion und Transmission beschränkt, bietet das Modell UPB-150-ART eine preiswertere Alternative.


Referenzen

[1] Grundlagen der Lichtmesstechnik – 1.8 Reflexion, Transmission und Absorption

[2] CIE 130-1998 Practical Methods for the Measurement of Reflectance and Transmittance

App. 036

Kalibrierung von Spektralphotometern für 8/d Reflexion

Ulbrichtkugeln finden sich in vielen kommerziell angebotenen Spektralphotometern als Messoptik zur Messung der Reflexion von Materialproben. Die 8/d Messgeometrie ist die für streuende Materialproben übliche Wahl. Bei dieser wird die Probe mit einem Strahlenbündel unter 8° Einfallswinkel beleuchtet und die gesamte diffuse reflektierte Strahlung gemessen.

Reflexion ist eine relative Messgröße und weist die Differenz zu 100 % aus. Spektralphotometer zur Messung der Reflexion müssen vor den Messungen auf 100 % abgeglichen werden.

Zum Abgleich von 8/d Reflexions-Spektralphotometern sind streuend reflektierende Kalibrierstandards erforderlich. Üblich sind solche aus gepresstem Bariumsulfat-Pulver oder solche aus synthetischen Materialien. Letztere sind wesentlich robuster und können bei Verschmutzung durch Nachbearbeitung der Reflexionsfläche gereinigt werden. Zudem bieten diese auf PTFE basierenden weißen Kunststoffe einen breiten nutzbaren Spektralbereich von 250 nm bis 2400 nm.

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Der Reflexionsgrad der verwendeten Materialien ist innerhalb ihres nutzbaren Spektralbereiches nicht konstant. Darum ist eine Kalibrierung des spektralen Reflexionsgrades erforderlich. Die Kalibrierung erfolgt durch den Vergleich des Kalibrierstandards mit einem Transfernormal. Das Transfernormal ist zur Sicherstellung der Rückführbarkeit durch ein metrologisches Institut zu kalibrieren, das wiederum eine Rückführbarkeit seiner Kalibrierung auf ein Eichnormal eines staatlichen metrologischen Instituts bietet.

Zur Durchführung der Kalibrierung eines Spektralphotometers empfiehlt sich die Nutzung von sogenannten Arbeitsnormalen. Die Kalibrierung der Arbeitsnormale führt der Anwender des Spektralphotometers selber durch. Als Referenz verwendet er sein Transfernormal. Mit mindestens drei Arbeitsnormalen kann durch Vergleichsmessungen sichergestellt werden, dass sich die Reflexionseigenschaften der Arbeitsnormale bei ihrer Nutzung nicht verändert haben.

Der Reflexionsstandard muss zur Kalibrierung die Messöffnung der Ulbrichtschen Kugel vollständig abdecken. Beim Anlegen des Standards an die Messöffnung darf seine Oberfläche nicht eingedrückt bzw. poliert werden, um spätere Fehlmessungen durch Schattenbildung in den Vertiefungen bzw. Glanz an den polierten Flächen auszuschließen. Bei Nichtgebrauch ist der Reflexionsstandard licht- und staubdicht zu verschließen.

Mit dem BN-R98-D2 bietet Gigahertz-Optik GmbH einen Reflexionsstandard aus dem synthetischen Material ODM98. Sein Durchmesser beträgt 2" bzw. 50,8 mm. Das Gehäuse kann durch eine Kappe mit Schnellverschluss lichtdicht geschlossen werden. Die Kalibrierung des spektralen Reflexionsgrades im Spektralbereich von 250 nm bis 2400 nm erfolgt durch das Kalibrierlabor für optische Strahlungsmessgrößen der Gigahertz-Optik GmbH.