Das Jahr des Lichtes

2015

Physikalisch-Technische Bundesanstalt Braunschweig und Berlin Nationales Metrologieinstitut

mitteilungen 4

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015

Das Jahr des Lichtes

TitelbildKameragestuumltzte mechanische Ausrichtung einer Lichtstaumlrke-Normallampe an derPhotometerbank Quelle PTB

2

InhaltDas Jahr des Lichtes

bull Einfuumlhrung in die Metrologie des Lichtes 3 Stefan Kuumlck Armin Sperling

bull Die Candela als Maszligeinheit des Lichtes 4 Armin Sperling

bull Ruumlckfuumlhrung in der Photometrie ndash die Realisierung und Ruumlckfuumlhrung der Candela 8 Detlef Lindner Stefan Winter

bull Kurze Geschichte der Goniophotometrie in der PTB 18 Matthias Lindemann

bull Metrologie fuumlr moderne Lichtquellen LEDs und OLEDs 32 Thorsten Gerloff

bull Effektpigmente Eine Herausforderung fuumlr die optische Messtechnik 39 Egbert Buhr Alfred Schirmacher Andreas Houmlpe

Internationale Zusammenarbeit

bull Aktuelles aus der OIML 45 Susanne Ludwig Roman Schwartz

Technologietransfer

bull E27-Scanner fuumlr Ulbrichtkugeln 48bull Umwandlung gepulster Laser-Strahlung in konstante Strahlung 49bull Homogenisierung von Strahlungsquellen und Focal Plane Arrays (FPA) 50

Fachorgan fuumlr Wirtschaft und Wissenschaft Amts- und Mitteilungsblatt der Physikalisch-Technischen BundesanstaltBraunschweig und Berlin

125 Jahrgang Heft 4 Dezember 2015

3

Licht ist der fuumlr das menschliche Auge sichtbare Teil elektromagnetischer Strahlung und wird von den angrenzenden infraroten und ultravioletten Spektralbereichen der Strahlung eingebettet Die spektrale Empfindlichkeit des menschlichen Auges hat hierbei ihr Maximum im Gelb-Gruumlnen und nimmt zum Infraroten und Ultravioletten hin stark ab Im Detail ist die Augenempfindlichkeit individuell sehr unterschiedlich und die Wahr-nehmung selbst ist durch die beteiligten physio-logischen Prozesse in vieler Hinsicht (z B Hel-ligkeit Farbwahrnehmung etc) nichtlinear Im Zuge der Industrialisierung hat man aber schnell erkannt dass eine von diesen physiologischen Prozessen losgeloumlste metrologische Bewertung von Lichtquellen und damit von Licht notwendig ist [1] Wir unterscheiden daher zwischen der Wahrnehmung dem Sehen und der Photome-trie der physikalischen Bewertung von Licht Um dies zu gewaumlhrleisten hat die internationale Beleuchtungsorganisation CIE (Commission Internationale de lrsquoEacuteclairage) im Jahr 1924 die mittlere Hellempfindlichkeit des menschlichen Auges fuumlr die unterschiedlichen Wellenlaumlngen des Lichtes als Empfindlichkeitsfunktion eines bdquoNormalbeobachtersldquo fuumlr photopisches Sehen (sog Tagsehen) festgelegt und als sogenannte V(λ)-Funktion veroumlffentlicht Mithilfe eines derartigen Normalbeobachters technisch realisiert z B durch gefilterte Silizium-Halbleiterempfaumlnger laumlsst sich die Quantitaumlt von Licht messen ndash eine wesentliche Voraussetzung fuumlr die Entwicklung eines Marktes fuumlr Beleuchtungsprodukte der derzeit allein in Deutschland einen Umsatz von uumlber 6 Mrd Euro produziert Es stellt sich aber neben der Quantitaumlt des Lichtes auch die Frage nach der Qualitaumlt des Lichtes

Einhergehend mit genaueren Untersuchungen des Aufbaus des menschlichen Auges einerseits

und der Verarbeitung des optischen Reizes im Auge und den nachgeschalteten Nervenzellen bzw des Gehirns andererseits ist das Verstaumlndnis um die Wirkung von Licht auf den Menschen per-manent gewachsen Parallel hierzu sind auch die technologisch realisierbaren Moumlglichkeiten zur Gestaltung kuumlnstlichen Lichtes deutlich gestie-gen sodass hiermit einhergehend auch stetig die Anforderungen an die Metrologie des Lichtes steigen Sind z B fuumlr die Beleuchtungstechnik heute noch Leuchtmittel mit konstanter Farbtem-peratur (warm warm-weiszlig kalt-weiszlig Tageslicht) oft im Einsatz ndash und damit auch im Fokus der Photometrie werden in Zukunft Lichtquellen mit einstellbarer Farbtemperatur und deren Lichtstaumlr-keverteilung messtechnisch eindeutig zu beschrei-ben sein Die derzeit noch getrennt behandelten Gebiete Photometrie Reflektometrie und Spekt-roradiometrie wachsen hierbei zunehmend weiter zusammen

Diese Ausgabe der PTB-Mitteilungen die im internationalen Jahr des Lichtes erscheint gibt einen Uumlberblick uumlber die Arbeiten in der PTB zum Thema Licht und spannt einen Bogen von der Bedeutung der Candela fuumlr die Photometrie uumlber die Realisierung der SI-Basiseinheit Candela hin zu den derzeitigen Herausforderungen in der Photometrie und Reflektometrie

Literatur

[1] A Sperling G Sauter Lichtstaumlrke ndash Die SI-Basisein-heit PTB-Mitteilungen Jahrgang 122Heft 12012 Das System der Einheiten pp 83ndash91

Einfuumlhrung in die Metrologie des Lichtes

Stefan Kuumlck Armin Sperling

Prof Dr Stefan Kuumlck Fachbereich bdquoPhotometrie und angewandte Radioshymetrieldquo EshyMail stefankueckptbde

Dr Armin Sperling Arbeitsgruppe bdquoPhotoshymetrieldquo EshyMail arminsperlingptbde

DAS JAHR DES LICHTES

4

PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4Das Jahr des Lichtes

Die Candela ist die Basiseinheit des Lichtes und ist ein Maszlig fuumlr die Lichtstaumlrke d h der Eigen-schaft einer realen oder virtuellen Lichtquelle die angibt wie viel Licht in eine Richtung abgegeben wird (siehe Bild 1) Die Candela und die daraus abgeleiteten lichttechnischen Einheiten haben fuumlr den Normalverbraucher spaumltestens seit der Einfuumlhrung der ECO-Design-Richtline der EU und dem damit verbundenen Verkaufsverbot von Gluumlhlampen ab dem Jahr 2009 an Bedeutung gewonnen Die photometrischen Einheiten und Kennzahlen sind wie kaum andere Einheiten ins Zentrum des allgemeinen Interesses geruumlckt wenn es darum geht Licht Lampen und Leuchten zu bewerten Statt der alleinigen Angabe einer elektrischen Leistung in Watt sind Begriffe wie Lichtstaumlrke (in cd) Lichtstrom (in lm) Effizienz (in lmWndash1) aumlhnlichste Farbtemperatur TN (ange-geben in Kelvin) und Farbwiedergabeindex Ra kaufentscheidend Ungluumlcklicherweise hat die fuumlr die monetaumlre Abrechnung wichtige Maszligeinheit Watt beim Kunden das Verstaumlndnis um die photo-metrischen Groumlszligen geschwaumlcht was bei modernen LED-Lichtquellen durch Fehlinterpretation von Leistungsdaten oft zur Veraumlrgerung fuumlhrt Mit der Ruumlckfuumlhrung all dieser Einheiten und Kenngroumlszligen befasst sich das Fachgebiet der Photometrie

Die Aufgabe der Photometrie ist hierbei allge-mein die quantitative Bewertung von Strahlung in dem Spektralbereich den wir als Licht bezeichnen und zwar unter den spektralen und geometri-schen Randbedingungen die durch das mensch-liche Auge ndash oder genauer durch das Auge eines definierten Normalbeobachters ndash vorgegeben sind Die physikalische Groumlszlige die hierbei von beson-derer technischer Bedeutung ist ist die Groumlszlige der photometrischen Lichtstaumlrke1 Die Geometrie von Messbedingungen ist hierbei fuumlr photometri-sche Groumlszligen essenziell Weil die Lichtstaumlrke eine charakteristische Eigenschaft einer Quelle ist und mit einfachsten Mitteln gemessen (verglichen) werden konnte ist die Lichtstaumlrke als Basisgroumlszlige der Photometrie ausgewaumlhlt worden und nicht der Lichtstrom der als photometrisches Pendant zur radiometrischen Strahlungsleistung ebenfalls nahegelegen haumltte An dieser Stelle gibt es jedoch oft ein Missverstaumlndnis zwischen Photometri-kern (Lichtmesstechnikern) und Radiometrikern (Strahlungsmesstechnikern) Wenn Photometriker uumlber den Lichtstrom sprechen meinen sie ndash den von einer Quelle aus in den Raum abgegebenen Strahlungsfluss der in erster Linie als Integral uumlber die Verteilung der in die verschieden Richtungen abgegebenen Lichtstaumlrken verstanden wird Der Radiometriker assoziiert mit Strahlungsleistung hingegen meistens den Strahlungsfluss der auf eine Empfaumlngeroberflaumlche auftrifft und der sich in erster Linie als Integral uumlber die Verteilung der auf dem Empfaumlnger auftreffenden Bestrahlungs-staumlrke ergibt Fuumlr den Photometriker ist daher die Geometrie der Strahlung entscheidend waumlhrend fuumlr den Radiometriker oft die Betrachtung der Geometrie des Empfaumlngers ausreicht

Aufgrund ihrer physikalischen Eigenschaft kann die Groumlszlige Lichtstaumlrke auch als die Dichte des von einem Ursprung aus in einen Raumwinkel ausge-sendeten Lichtstroms bezeichnet werden wobei der Lichtstrom die mit der Augenempfindlichkeit bewertete Strahlungsleistung einer Quelle ist Die Lichtstaumlrke ist somit eine klassische Strahlereigen-schaft Daher wurde sie auch fruumlher mit Normal-strahlungsquellen wie z B der Hefner-Lampe (ab 1890) mit der Einheit Hefner-Kerze (HK) und

Dr Armin Sperling Arbeitsgruppe bdquoPhoshytometrieldquo EshyMail arminsperlingptbde

Die Candela als Maszligeinheit des Lichtes Armin Sperling

1 Tatsaumlchlich wurde in der visuellen (subshyjektiven) Photometrie bis weit in die Mitte des 20 Jahrhunderts hinein unser Auge aufgrund seiner hoshyhen Empfindlichkeit als Messinstrument verwendet Erst mit der Entwicklung empfindlicher Phoshytozellen und stabiler Halbleiterempfaumlnger begann auch in der physikalischen (obshyjektiven) Photometrie der Siegeszug der elektronischen Messshywerterfassung

Bild 1 Der Lichtstrom einer Lichtquelle ist die im sichtbaren Spektralbereich in alle Rich-tungen abgestrahlte Lichtleistung

5

PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4 Die Candela als Maszligeinheit des Lichtes

von 1942 bis 1981 mit dem Platin-Punkt-Strahler und der Einheit Candela (cd) als unabhaumlngige Groumlszlige zu den anderen Basisgroumlszligen des SI-Systems realisiert Bei dem Platin-Punkt-Strahler handelte es sich im Uumlbrigen um einen Temperaturstrahler der den heutigen Hochtemperatur-Fixpunkt-strahlern in der Thermometrie zur Realisierung der Temperaturskala nicht unaumlhnlich war Mit staumlrker werdendem Einfluss der Radiometrie auf die Photometrie und des damit einhergehenden Wunsches die photometrische Basiseinheit direkt an die radiometrische Einheit Watt zu koppeln wurde 1979 der Beschluss gefasst die Definition der Einheit Candela von ihrer Realisierung zu trennen Seitdem gilt die DefinitionDie Candela ist die Lichtstaumlrke in einer bestimmten Richtung einer Strahlungsquelle die monochroma-tische Strahlung der Frequenz 540 THz aussendet und deren Strahlstaumlrke in dieser Richtung (1683) Watt durch Steradiant betraumlgt

Der Umrechnungsfaktor (1683) Wsrndash1 wurde hierbei vor der Umstellung der Einheit durch mehrere Messungen in den nationalen Metrolo-gieinstituten bestimmt vom Consultative Comittee for Photometry and Radiometry (CCPR) festgelegt und 1977 offiziell vom International Comittee for Weights and Measures (CIPM) uumlbernommen [1]

Diese Definition ist nicht als Realisierungsvor-schrift fuumlr die Candela gedacht Im Gegensatz zur Definition der Candela uumlber eine thermische Strahlungsquelle die als Licht aufgefasst die Wichtung der spektralen Strahlungsleistung mit der Augenempfindlichkeit automatisch einschlieszligt ist nun die Kenntnis der Augenempfindlichkeit erforderlich um aus Strahlung Licht zu machen Die Definition ist daher vielmehr als absolute Anbindung der Hellempfindlichkeitsfunktion V(λ) des menschlichen Auges an das radiometrische Watt zu verstehen War der spektrale Verlauf der Empfindlichkeit des menschlichen Auges fuumlr die Realisierung und Weitergabe der Messgroumlszlige Licht-staumlrke vor 1981 kaum von Bedeutung so wurde sie mit der neuen Definition fuumlr die Metrologie essenziell

In Luft bei n = 100028 [2] liegt die Wellen-laumlnge der in der Definition angegebene Frequenz von v = 540 middot 1012 Hz bei λ = 555016 nm Sie liegt damit sehr nahe dem Maximum der 1972 vom CIPM empfohlenen V(λ)-Funktion des photopi-schen CIE-Normalbeobachters fuumlr das Tagsehen das bei exakt λm = 555 nm liegt und definiert dort laut Definition das maximale photopische Strahlungsaumlquivalent (Index m fuumlr bdquomaximumldquo ) dort zu Km = 683002 lmWndash1 Somit wird uumlber die Candela-Definition und der tabellarisch festge-legten V(λ)-Funktion fuumlr jede Wellenlaumlnge im Definitionsbereich das wellenlaumlngenabhaumlngige photometrische Strahlungsaumlquivalent K(λ) = Km middot V(λ) eindeutig festgelegt

Neben dieser V(λ)-Funktion wurde 1951 von der CIE auch eine skotopische Empfindlichkeitsfunk-tion V ʹ (λ) fuumlr das Nachtsehen tabellarisch festge-legt und 1976 vom CIPM bestaumltigt Das Maximum dieser Funktion liegt bei λʹm = 507 nm mit einem maximalen skotopischen Strahlungsaumlquivalent von K ʹ m = 1700 lmWndash1

Der Hintergrund dieser beiden Bewertungsfunk-tionen liegt darin begruumlndet dass unser Auge in der Retina fuumlr das Sehen uumlber zwei unterschied-liche Empfaumlngersysteme die Staumlbchen und die Zapfen verfuumlgt Die Zapfen die sich noch einmal in unterschiedliche Rezeptoren aufteilen und die auch fuumlr das Farbsehen verantwortlich sind haumlufen sich insbesondere in und um die Netzhautgrube die in der optischen Achse des Auges liegt Hier werden insbesondere die achsennah auf das Auge auftreffenden Strahlen detektiert weshalb man auch vom 2deg-Beobachter spricht Zum Nachtsehen mit weit geoumlffneter Pupille tragen vor allem die deutlich empfindlicheren Staumlbchen bei die zudem in den achsenfernen Bereichen der Retina domi-nieren Die unterschiedlichen spektralen Empfind-lichkeiten von Zaumlpfchen und Staumlbchen spiegeln sich in den K(λ)- und K ʹ (λ)-Kurven (siehe Bild 2) wieder

Die hier beschriebene Verknuumlpfung der Bewer-tungsfunktionen mit der Candela-Definition ist aus der Einheitendefinition selbst nicht ersichtlich Weitergehende Informationen findet man wie fuumlr die Basiseinheiten uumlblich in der sogenannten Ausfuumlhrungsbestimmung (mise en pratique) zur Candela [3]

Betrachtet man die Leuchtdichte die vom Auge aufgenommen wird so umfasst der sko-topische Bereich Leuchtdichten bis ungefaumlhr L lt 0005 cdmndash2 und der photopische Bereich Leuchtdichten ab ungefaumlhr L gt 5 cdmndash2 Uumlber den mesopischen Zwischenbereich wurde lange Zeit keine Aussage gemacht Erst im Jahr 2010 ist auch

Bild 2 Die mesopische Hellempfindlichkeitsfunktionen Vmes(λ) fuumlr unterschiedliche Adap tionsniveaus mit deren zugehoumlrigen maximalen Strahlungsaumlquivalenzen

6

PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4Das Jahr des Lichtes

im Uumlbergangsbereich des Daumlmmerungssehens das Verhalten der Empfindlichkeit des Normalbe-obachters von der CIE festgelegt worden Je nach Leuchtdichte und damit Adaptionsniveau m des Auges wobei m = 0 dem dunkeladaptieren Auge und m = 1 dem helladaptierten Auge entspricht ergibt sich in diesem mesopischen Bereich fuumlr Leuchtdichten zwischen 0005 cdmndash2 lt L lt 5 cdmndash2 eine Hellempfindlichkeitsfunktion Vmes(λ) die sich gemaumlszlig

VM m

mV m Vmes( )( )

( ( ) ( ) ( ))λ λ λ= + minus prime1 1 (1)

aus einer Linearkombination der photopischen und skotopischen Empfindlichkeit berechnen laumlsst (siehe Bild 2) In der Abbildung sind die spektralen photometrischen Strahlungsaumlquivalenzen fuumlr eine Reihe ausgewaumlhlter Adaptionsniveaus zwischen 0 und 1 dargestellt Der Faktor M(m) ist lediglich ein Normierungsfaktor der das jeweilige Maximum von Vmes(λ) auf eins normiert

Durch die Candela-Definition werden alle Kurven der spektralen Strahlungsaumlquivalenzen im Punkt (555016 nm 683 lmWndash1) normiert Inso-fern wird klar warum in der Candela-Definition nur eine Frequenz stehen darf

In der Realitaumlt ist das Adaptionsniveau aber typischerweise nicht bekannt Das Adaptions-niveau m laumlsst sich aber aus einer gemessenen mittleren Leuchtdichte rekursiv bestimmen [4] Fuumlr reale Anwendungen z B die Auswertung von Messkamerabildern einer beleuchteten Straszlige bei Nacht reicht dies jedoch in der Regel nicht aus da bisher nicht geklaumlrt ist welche im Gesichtsfeld der Kamera (bzw des Auges) erfasste mittlere Leuchtdichte zur Berechnung eines Adaptionsniveaus hinzuzuziehen ist In einer Arbeitsgruppe des CCPR des CIPM wird derzeit an einer neuen Ausfuumlhrungsbestimmung gearbeitet die die mesopische Empfindlichkeits-funktion auch offiziell fuumlr die Anwendung in Zusammenhang mit der Einheit Candela nutzbar machtAus der Lichtstaumlrke I lassen sich alle weiteren bekannten photometrischen Einheiten herleiten So kann der Lichtstrom Φ als raumlumliches Integral uumlber eine Lichtstaumlrkeverteilung

Φ = intint I( )ϑ ϕ ϑ ϕ ϑϑ ϕ

sin d d

(2)

die Beleuchtungsstaumlrke E als Dichte des Licht-stroms der auf eine Flaumlche A auftrifft

E A= d dΦ (3)

und die Leuchtdichte L als Dichte des Lichtstroms in einem ausgestrahlten Buumlndel G

L G= d dΦ (4)

mit G AA

= intint cos d d

α ΩΩ

(5)

dargestellt werden wobei α hier den Winkel zwi-schen der Richtung des Buumlndels und der Flaumlchen-normalen der Quelle beschreibt

Die Beleuchtungsstaumlrke nimmt hierbei eine besondere Stellung ein da sich jede photomet-rische Messung im Prinzip auf die Messung des Photostroms i eines Empfaumlngers zuruumlckfuumlhren laumlsst der der mittleren Beleuchtungsstaumlrke Endash

auf seiner Oberflaumlche A0 proportional ist Die Beleuchtungsstaumlrke kann hierbei immer als integrale Wichtung der spektralen Empfindlichkeit s(λ) = s0srel(λ) des Empfaumlngers mit der relativen spektralen Strahlungsverteilung S(λ) = dΦ(λ)dλ der Quelle verstanden werden

E iKA s

S V

S s

m= sdot

( ) ( )

( ) ( )

infin

infin

int

intm

rel

d

d0 0

0

0

λ λ λ

λ λ λ

(6)

Die Geometrie des Strahlengangs von der Quelle bis zur Empfaumlngeroberflaumlche die beim Mess-prozess in das Modell der Auswertung eingeht bestimmt hierbei welche photometrische Groumlszlige gemessen wird Der Faktor hinter dem Photostrom in (6) beschreibt die photometrische Empfind-lichkeit sv eines Photometers die im Allgemeinen keine Konstante ist sondern vom Spektrum der Lichtquelle S(λ) abhaumlngt Um einem Photome-ter trotzdem einen eindeutigen Kalibrierwert zuzuordnen hat man sich darauf verstaumlndigt die Empfindlichkeit bezogen auf die Strahlungsfunk-tion eines Planckschen Strahlers P(TA λ) bei einer Temperatur TA = 2856 K die auch als Normlicht-art A bezeichnet wird anzugeben

Da bei einer realen Messung weder die spektrale Empfindlichkeit des verwendeten Photometers ideal an eine der Bewertungsfunktionen V(λ ) Vʹ(λ ) oder Vmes(λ) angepasst ist noch die betrach-tete Lichtquelle einem Planckschen Strahler entspricht sind gewonnene Messwerte immer uumlber eine spektrale Fehlanpassungskorrektur CCF gemaumlszlig

CCF

S V

S s

P T V

P T s

=

( ) ( )

( ) ( )

( ) ( )

( )

infin

infin

infin

int

int

intλ λ λ

λ λ λ

λ λ λ

λ

d

d

d0

0

0

rel

A

A r

eel λ λ( )infin

int d0

(7)

zu korrigieren wobei hier V(λ) in (7) stellvertre-

7

PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4 Die Candela als Maszligeinheit des Lichtes

tend fuumlr die benoumltigte Bewertungsfunktion steht Waren die erforderlichen Korrekturen bei Gluumlh-lampenbeleuchtung klein so koumlnnen Sie je nach Guumlte der spektralen Anpassung des verwendeten Photometers bei modernen LED-Lichtquellen durchaus im zweistelligen Prozentbereich sein Aus diesem Grunde diskutiert man im internati-onalen Rahmen die Einfuumlhrung weiterer Norm-lichtarten fuumlr LED-Lichtquellen [5]

Alternativ besteht immer auch die Moumlglichkeit das Spektrum direkt absolut und spektral aufgeloumlst zu messen und die photometrischen Bewertungs-funktionen rein rechnerisch zu beruumlcksichtigen Die hierzu infrage kommenden Systeme sind aber in der Regel teuer und bezuumlglich ihrer Robustheit und Stabilitaumlt fuumlr viele Anwendungen noch nicht ausreichend Regelmaumlszligig werden leider die Mess-unsicherheiten derartiger System unterschaumltzt was auch daran liegt dass aufgrund der komplexeren Messtechnik zusaumltzliche Unsicherheitsbeitraumlge (z B durch Bandpasseigenschaften und Streu-licht) die dem Anwender oft nicht zugaumlnglich sind bei der absoluten Bestimmung photomet-rischer Groumlszligen mithilfe von Spektroradiometern beruumlcksichtigt werden muumlssen

Unverzichtbar und mittlerweile marktbestim-mend sind jedoch spektral aufloumlsende Geraumlte wie Array-Spektroradiometer dort wo nur relative Messwerte wie z B bei der Bestimmung der Farbe von Licht bzw der Farbe von reflektiertem Licht benoumltigt werden

Bei der Bestimmung von Farbe geht es um die Bestimmung des Verhaumlltnisses von spektralen Strahlungsfunktionen die mit den Normspektral-wertfunktionen x y z( ) ( ) ( )λ λ λ bewertet werden wobei y( )λ mit V(λ) identisch ist Insofern ist auch die Farbmesstechnik an die Photometrie gekoppelt

Da es sich bei den farbmetrischen Groumlszligen um Eigenschaften handelt die durch Verhaumlltnismes-sungen gewonnen werden spricht man hier auch von farbmetrischen Kennzahlen und nicht von Einheiten Nichtsdestotrotz haben eben solche farbmetrischen Kennzahlen wie die Normfarb-wertanteile (x y) oder der Farbwiedergabeindex Ra (engl CRI colour rendering index) seit Einfuumlh-rung von modernen Lichtquellen eine besondere Bedeutung erhalten da z B mit LED-Lichtquellen im Prinzip sehr unterschiedliche Lichtfarben und Farbwiedergaben hergestellt werden koumlnnen Die Tatsache dass es sich bdquonurldquo um Kennzahlen handelt heiszligt jedoch nicht dass die Messungen messtechnisch einfach sind Genau das Gegenteil ist der Fall da fuumlr die Bestimmung der Farborte die steilen Flanken der Normalspektralwertfunk-tionen mit den Strahlungsfunktionen der Quellen gewichtet werden muumlssen die wie bei LEDs typisch auch spektral sehr steile Flanken aufwei-sen koumlnnen Unsicherheiten in der Bestimmung

der Strahlungsfunktion fuumlhren hier schnell zu groszligen Unsicherheitsbeitraumlgen in der Bestimmung des Farbortes Hier kann die PTB als Nationales Metrologieinstitut die Wuumlnsche nach den kleinen Messunsicherheiten wie sie von Herstellern sowie von Mess- und Kalibrierlaborartorien gefordert werden zurzeit noch nicht im vollen Umfang erfuumlllen

In der Vergangenheit wurden bei Testergebnis-sen haumlufig sowohl fuumlr photometrische Messwerte als auch fuumlr Kennzahlen in der Farbmesstechnik keine Messunsicherheiten angegeben Auch wurde deren Wirkung bei der Angabe von Toleranzen nicht immer adaumlquat beruumlcksichtig Fuumlr die Messung von LED-Lichtquellen wurde mit der in diesem Jahr veroumlffentlichten europaumlischen Norm DIN EN 13032-42015 [6] die uumlber die Commis-sion Internationale de lrsquoEacuteclairage Internationale Beleuchtungskommission (CIE) auch als internati-onaler Standard CIE S025 [7] veroumlffentlicht wurde ein erster Schritt in die Richtung gegangen auch fuumlr die Ergebnisse von Testverfahren die Angabe ruumlckfuumlhrbarer Messunsicherheiten zu fordern und diese bei Toleranzangaben zu beruumlcksichtigen

Dieser Vorstoszlig in der LED-Messtechnik wird sicherlich in Zukunft auch auf andere Anwen-dungsnormen zur Bewertung von Licht und Farbe von leuchtenden und nicht selbstleuchtenden Quellen einwirken Fuumlr die Weitergabe von Mes-sunsicherheiten auf dieser Ebene des Messwesens werden die nationalen Metrologieinstitute und die akkreditierten Kalibrierlabore gefordert sein die Industrie mit geeigneten applikationsnahen Trans-ferstandards zu unterstuumltzen

Literatur[1] Comptes Rendus de la 16e CGPM (1979) 1980

p100[2] WR Blevin Corrections in Optical Pyrometry

and Photometry for the Refractive Index of AirMetrologia 8 146ndash147 1972

[3] SI Brochure Appendix 2 Practical realization ofthe definition of the candela httpwwwbipmorgutilsenpdfSIApp2_cd_enpdf(letzter Aufruf 03122015)

[4] CIE 1912010 Recommended System for MesopicPhotometry Based on Visual Performance

[5] T Pulli et al Advantages of white LED lampsand new detector technology in photometryLight Science amp Applications (2015) 4 e332

[6] EN 13032-42015 Light and lighting ndash Mea-surement and presentation of photometricdata of lamps and luminaires ndash Part 4 LEDlight sources and luminaires

[7] CIE S0252015 Test Methods for LED Lampsndash LED Luminaires and LED Modules

8

Das Jahr des Lichtes PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4

Aufgrund der herausragenden Bedeutung des Lichts und des Sehens fuumlr die Interaktion des Menschen mit seiner Umwelt wurde die Candela als Einheit der Lichtstaumlrke in den Rang einer SI-Basis einheit gehoben Die Mehrzahl der Basiseinheiten sind uumlber physikalische Zusammenhaumlnge miteinander verknuumlpft und muumlssen entsprechend Ihrer Defini-tion realisiert und in den meisten Faumlllen auf andere Einheiten ruumlckgefuumlhrt werden In diesem Artikel wird die bdquometrologische Herkunftldquo der Candela im Stammbaum der Einheiten beschrieben

Definition der Candela

Im internationalen Einheitensystem (Systegraveme International drsquoUniteacutes abgekuumlrzt SI) ist die Candela wie folgt definiert

Die Candela ist die Lichtstaumlrke in einer bestimmten Richtung einer Strahlungsquelle die monochro-matische Strahlung der Frequenz 540 times 1012 Hz aussendet und deren Strahlstaumlrke in dieser Richtung (1683) Watt durch Steradiant betraumlgt

Hierbei handelt es sich um die exakte physika-lische Definition fuumlr die Lichtstaumlrke Nun besteht Licht jedoch praktisch nie nur aus Strahlung dieser Wellenlaumlnge weshalb die Definition um eine prak-tische Realisierung ergaumlnzt ist Denn es ist das Ziel der Photometrie Licht so zu messen dass die Mess-ergebnisse weitestgehend mit der visuellen Wahr-nehmung eines menschlichen Beobachters korre-liert sind Hierfuumlr wurden zwei spezielle Funktionen V(λ) und V ʹ(λ) [1] eingefuumlhrt die die relative spektrale Empfindlichkeit eines durchschnittlichen menschlichen Auges fuumlr photopisches (hell-adaptiertes) und skotopisches (dunkel-adaptiertes) Sehen beschreiben Die wichtigere der beiden Funktionen die V(λ) Funktion fuumlr hell-adaptiertes Sehen ist bei der Wellenlaumlnge auf eins normiert bei der das Auge die houmlchste Empfindlichkeit besitzt (555 nm) Mit dieser Definition lassen sich pho-tometrische Groumlszligen durch Bewertung der ent-sprechenden spektroradiometrischen Groumlszligen mit V(λ) und Multiplikation mit dem Maximalwert des Strahlungsaumlquivalents Km = 683 lmW berechnen

Die Lichtstaumlrke Iv ist durch das photometri-sche Grundgesetz mit der Beleuchtungsstaumlrke Ev verknuumlpft

IE d

vv=sdot 2

0ΩΩ0 = 1sr (1)

wobei d den Abstand zur Lichtquelle und Ω0 einen Raumwinkel von 1 sr bezeichnet Zur praktischen Bestimmung der Beleuchtungs-staumlrke verwendet man ein Photometer welches eine spektrale Bestrahlungsstaumlrke-Empfindlichkeit s(λ) besitzt deren relativer Verlauf idealerweise der V(λ)-Funktion entspricht und dessen Signal y proportional zu der Beleuchtungsstaumlrke ist Bei dem Proportionalitaumltsfaktor handelt es sich um die photometrische Empfindlichkeit sv des Photome-ters fuumlr die gemessene Lichtquelle

y s E= sdotv v (2)

Druumlckt man nun die Beleuchtungsstaumlrke Ev durch spektroradiometrische Groumlszligen aus so ergibt sich Ev aus der spektralen Bestrahlungsstaumlrke Eλ(λ)

E K E Vv m d= sdot sdot sdotinfin

int0 λ λ λ λ( ) ( ) (3)

Aus der spektralen Bestrahlungsstaumlrke Eλ(λ) und der spektralen Bestrahlungsstaumlrke-Empfindlichkeit des Photometers s(λ) ergibt sich das Signal y des Photometers

y E s= sdot sdotinfin

int λ λ λ λ( ) ( ) d0

(4)

Fuumlgt man die Formeln (2) bis (4) in (1) ein so ergibt sich fuumlr die Lichtstaumlrke

I y dK E V

E sv = sdot sdot

sdot sdot sdot

sdot sdot

infin

infinintint

2

0

0

0

Ω

m d

d

λ

λ

λ λ λ

λ λ λ

( ) ( )

( ) ( ) (5)

Aus dieser Formel laumlsst sich ablesen welche Groumlszligen fuumlr die Ruumlckfuumlhrung der Lichtstaumlrke bestimmt werden muumlssen Fuumlr die Ruumlckfuumlhrung

Detlef Lindner Arshybeits gruppe bdquoPhotoshymetrieldquo EshyMail detleflindnerptbde

Dr Stefan Winter Arbeitsgruppe bdquoSolarzellenldquo EshyMail stefanwinterptbde

Ruumlckfuumlhrung in der Photometrie ndash die Realisierung und Ruumlckfuumlhrung der Candela

Detlef Lindner Stefan Winter

9

Ruumlckfuumlhrung in der Photometrie hellipPTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4

der Candela wird das Signal y eines Photometers bestimmt welches sich in einem Abstand d von einer Lichtquelle entfernt befindet Von dem Pho-tometer muss die absolute spektrale Empfindlich-keit s(λ) bekannt sein und von der Lichtquelle die spektrale Bestrahlungsstaumlrke Eλ (λ)

In den naumlchsten drei Abschnitten wird das eigentliche Experiment zur Realisierung der Candela beschrieben dann das Verfahren zur Kalibrierung von Photometern und als letztes die Ruumlckfuumlhrung der spektralen Bestrahlungsstaumlrke Damit sind alle Groumlszligen zur Bestimmung der Candela bekannt Im letzten Abschnitt wird dann uumlber die abgeleiteten Groumlszligen Beleuchtungsstaumlrke und Leuchtdichte berichtet

Realisierung der Candela

Die Lichtstaumlrke Iv laumlsst sich durch Verwendung der Gleichungen (1) und (3) in die folgende Form bringen

I K d E Vv m d= sdot sdot sdot sdotinfin

int2

0 0Ω λ λ λ λ( ) ( ) (6)

Die spektrale Empfindlichkeit s(λ) eines Photo-meters laumlsst sich als Produkt aus einer absoluten Empfindlichkeit s(λ0) und einer relativen Emp-findlichkeit sr(λ) darstellen

s s s( ) ( ) ( )λ λ λ= sdot0 r mit sr ( ) λ0 1= (7)

Damit ergibt sich fuumlr das Ausgangssignal y dieses Photometers gemaumlszlig Gleichung (4)

y s E s= sdot sdot sdotinfin

int( ) ( ) ( ) λ λ λ λλ00

r d (8)

Ebenso laumlsst sich die spektrale Bestrahlungsstaumlrke einer Lichtquelle als Produkt aus einer absoluten und relativen Bestrahlungsstaumlrke schreiben

E E Eλ λλ λ λ( ) ( ) ( )= sdot0 r mit Er ( ) λ0 1= (9)

In der PTB werden zur Realisierung der Candela Gluumlhlampen verwendet deren relative spektrale Bestrahlungsstaumlrke Er (λ0) durch eine Strahlungs-funktion S (λT) ersetzt wird der eine Verteilungs-temperatur T zugeordnet werden kann [2] Befin-det sich die Lampe auszligerhalb der photometrischen Grenzentfernung im Abstand d zum Photome-terkopf und beleuchtet dessen Lichteintrittsflaumlche senkrecht so ergibt sich aus Gleichung (5) ihre Lichtstaumlrke Iv (T)

Die Anpassungskorrektur F (T) ist eine Funktion der Verteilungstemperatur T die den Photo-strom so korrigiert als waumlre mit einem ideal an V (λ)-angepassten Photometerkopf gemessen worden [3] In der Praxis ist die Anpassungskor-rektur meist eine monotone Funktion der Vertei-lungstemperatur und kann z B durch ein logarith-misches Polynom ersten Grades hinreichend gut angenaumlhert werden

F TS T V

S T sa T

m

( )( ) ( )

( ) ( )=

sdot sdot

sdot sdotcong sdot

infin

infinintint

λ λ λ

λ λ λ

d

d Kr

0

0

2856

(11)

Der Koeffizient a gibt den Wert der Anpassungs-korrektur fuumlr Normlichtart A (bei T = 2856 K) an da hier die Klammer den Wert eins hat Den Verlauf der Funktion mit der Verteilungstempera-tur beschreibt die Klammer mit dem Anpassungs-index m als Exponenten der somit eine charakte-ristische Groumlszlige eines Photometerkopfes ist Eine weitere Charakterisierung ist seine photometrische Empfindlichkeit sv

1

0sK asv

m=sdot

( )

λ(12)

Aus den Gleichungen (10) bis (12) folgt die in der Arbeitsgruppe bdquoPhotometrieldquo der PTB fuumlr die Realisierung der Lichtstaumlrke-Einheit grundlegende Beziehung

I T d y Ts

Tm

v ( ) ( ) = sdot sdot

2

0 2856Ω v K (13)

Demnach muumlssen neben dem Photostrom y(T) folgende Groumlszligen bekannt sein

bull die photometrische Empfindlichkeit sv desPhotometerkopfes

bull der Anpassungsindex m zur Korrektur derspektralen Fehlanpassung

bull der Wert der Verteilungstemperatur T der ver-wendeten Lichtquelle

bull der Abstand d zwischen Lichtquelle undPhotometerkopf

Die Einheit der Lichtstaumlrke wird an der PTB

I T y d Ks

S T V

S T syv

m

r

d

d( ) = sdot sdot

( )sdot sdot

sdot sdot= sdot

infin

infinintint

2

0 0

0

0

Ω λ

λ λ λ

λ λ λ

( ) ( )

( ) ( )

dd Ks

F T2

0 0Ωsdot( ) ( )m

λ (10)

10

Das Jahr des Lichtes PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4

repraumlsentiert und bewahrt durch eine Gruppe von 17 hochstabilen Gluumlhlampen (Typ Toshiba 5 A 10 V 15 cd) deren Strahlungsfunktionen der eines Hohlraumstrahlers von 2042 K sehr aumlhnlich sindDie Gesamtmessunsicherheit einer Realisierung der Lichtstaumlrke-Einheit in der PTB beim Vertrau-ensniveau k = 2 berechnet sich so zu 04

Gluumlhlampen altern praktisch nur waumlhrend ihrer Brennzeit demgegenuumlber koumlnnen Photometer ihre Eigenschaften unabhaumlngig vom Gebrauch veraumlndern Bild 2 verdeutlicht diesen Sachverhalt Deshalb sollten photometrische Einheiten mit Normallampen verkoumlrpert und bewahrt werden

sie dienen zum Kalibrieren von Photometern Kalibrierte Photometer sollten dagegen vorzugs-weise als Transfernormale verwendet werden

Weitergabe der Lichtstaumlrke-Einheit

Als Lichtstaumlrkenormale werden speziell gefertigte Gluumlhlampen mit besonderen optischen geometri-schen und elektrischen Eigenschaften verwendet z B die Lampe Typ OSRAM WI41G Bild 3 zeigtschematisch eine solche Lampe die zur Reduzie-rung der mechanischen Justierunsicherheit miteinem Spezialsockel der PTB ausgestattet wurdeZur Weitergabe der Lichtstaumlrke-Einheit werdenGruppen solcher Lampen als Lichtstaumlrkenormaleverwendet wobei auf Verteilungstemperaturenzwischen 2000 K und 2856 K eingestellt werdenkann siehe Bild 3 unten

In der PTB erfolgt die Bestimmung der Lichtstaumlrke Iv(T) einer Lampe durch den Vergleich mit der Lichtstaumlrke Iv(TR) eines nationalen Normals mit einer Verteilungstemperatur TR und mithilfe eines an V(λ)-angepassten Photometers mit den zugehouml-renden Photostroumlmen y(T) und y(TR)

Bild 1 Kameragestuumltzte mechanische Ausrichtung einer Lichtstaumlrke-Normallampe an derPhotometerbank Quelle PTB

0990

0992

0994

0996

0998

1000

1002

0 5 10 15 20 25

Rel Werte

Brennzeith

Bild 2 Alterungsverhalten von Lampen und Photometern Links schematisch rechts reales Alterungsver-halten einer Lampe im Betrieb rot Strom blau Spannung gruumln Lichtstaumlrke

Bild 3 Lichtstaumlrke-Normallampe WI41G mit PTB-Spezialsockel (oben) sowie verschiedene Lichtstaumlrke-Normallampen-gruppen zur Bewahrung und Weitergabe der Lichtstaumlrke-Einheit (unten)

11

Ruumlckfuumlhrung in der Photometrie hellipPTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4

I T I T y Ty T

TT

m

v v RR R

( ) ( ) ( )( )

= sdot sdot

(14)

Lichtstaumlrke-Normallampen

Die von der PTB in Kalibrierscheinen angegebe-nen Werte fuumlr die photometrischen Groumlszligen bezie-hen sich immer auf einen definierten Betriebszu-stand der Lampe Ihr momentaner Betriebszustand wird dagegen wesentlich bestimmt durch

bull die Zeitspanne seit dem Einschalten

bull die Betriebszustaumlnde bei fruumlheren Brennvor-gaumlngen und deren Dauer

bull die Eigenschaften der verwendetenMessapparatur

Zur Weitergabe der Lichtstaumlrke-Einheit werden zumeist Lampen des Typs WI41G verwendet Einige charakteristische Eigenschaften dieses Lam-pentyps werden nachfolgend angegeben - Kurzzeitstabilitaumlt ∆I Iv v le sdot minus2 10 4

- mechanische Justierunsicherheitfuumlr Lampe mit E27-Sockel ∆I Iv v le sdot minus2 10 3 fuumlr Lampe mit Spezialsockel ∆I Iv v le sdot minus4 10 4

- photometrisches Signal Alterung je Brennstundebzw Rauschen (siehe folgendes Bild 4)

- Richtungsabhaumlngigkeit der Lichtstaumlrke beiDrehung um die vertikale und horizontale Achse in der Leuchtkoumlrperebene Abhaumlngigkeit uumlberwiegend bei Drehung um die horizontale Achse fuumlr beide Winkel sollte der Justierfehler 1deg nicht uumlbersteigen

Bei der Weitergabe der Einheiten der gerich-teten Photometrie macht man sich das Moni-torverfahren zunutze D h der aktuelle photo-metrische Betriebszustand von Lichtstaumlrke- und Leuchtdichte normalen wird durch geeignete Monitortechniken kontrolliert Dafuumlr werden spe-ziell konstruierte Monitorphotometer eingesetzt (siehe folgendes Bild 5)

Die Signale der Monitorphotometer werden synchron mit den Referenz- bzw Testphotometern ausgelesen und dokumentieren so die bdquoEinbrenn-phaseldquo bzw die Stabilitaumlt des photometrischen Signals waumlhrend der Messablaumlufe und dienen gegebenenfalls zur Korrektur

Kalibrierung von Photometern

Bei der Kalibrierung von Photometern wird deren absolute spektrale Bestrahlungsstaumlrke-Empfindlich-keit vom UV bis ins nahe Infrarot bestimmt Dabei wird das Photometer im quasi monochromatischen homogenen Strahlungsfeld bekannter Bestrahlungs-staumlrke vollstaumlndig uumlberstrahlt und die sich dabei ergebende Stromstaumlrke gemessen Der Quotient aus Stromstaumlrke und Bestrahlungsstaumlrke bei der einge-stellten Wellenlaumlnge ergibt die spektrale Bestrah-lungsstaumlrke-Empfindlichkeit s(λ) Diese Messung wird alle 5 nm von 360 nm bis mindestens 830 nm durchgefuumlhrt und ergibt dann einen Kurvenverlauf der bei guten Photometern der oben beschriebenen V(λ)-Funktion sehr nahe kommt

Aus der experimentell bestimmten spektralen Bestrahlungsstaumlrke-Empfindlichkeit s(λ) laumlsst sich nun mithilfe tabellarisch definierter Groumlszligen (Normlichtart A S(λ 2856 K) V(λ)-Funktion und dem Maximalwert des Strahlungsaumlquivalents Km) die in Formel (2) eingefuumlhrte photometrische Empfindlichkeit sv des Photometers zusammen mit Formeln (3) und (4) berechnen

sS s

K S Vv

m

d

d=

sdot sdot

sdot sdot

infin

infinintint

( ) ( )

( ) ( )

λ λ λ

λ λ λ

2856

2856

0

0

K

K (15)

Ebenso laumlsst sich nun nach Formel (11) die Anpas-sungskorrektur F(T) direkt berechnen

2300 2500 2700 T K 2900 1

2

3

4

Alterung je Brennstunde

Rauschen ∆YY104

Photometrisches Signal

2856 K

Bild 4 Alterung je Brennstunde bzw Rauschen des photometri-schen Signals

Bild 5 Monitor-Photometer zur Uumlberwachung bzw Korrektur der Stabilitaumlt bei Messungen in der gerichteten Photometrie

Monitor-Photometer

12

Das Jahr des Lichtes PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4

Experimentell wird die spektrale Bestrahlungs-staumlrke traditionell mit einem Monochromator-messplatz wie dem DSR-Messplatz ermittelt Dieser sondert aus einem Xenonlampenspektrum oder einem Gluumlhlampenspektrum einen schma-len Wellenlaumlngenbereich aus der dann fuumlr die Bestimmung der spektralen Empfindlichkeit bei seiner Schwerpunktwellenlaumlnge benutzt wird Besonders wichtig ist dabei dass der genaue Wert der Schwerpunktwellenlaumlnge bekannt ist und dass die ausgesonderte Strahlung ein sehr homogenes Strahlungsfeld erzeugt Entscheidend dafuumlr ist der geschickte und wellenlaumlngenabhaumlngige Aufbau der Eingangs- und Ausgangsoptik mit mehreren Linsen

Lampenbasierte Monochromatormessplaumltze haben jedoch einen entscheidenden Nachteil Ihre maximale Leistung betraumlgt typisch nur 100 microW Deshalb muumlssen mehrere Kompromisse bei der Messung eingegangen werden Die Messung muss verhaumlltnismaumlszligig dicht hinter dem Messplatz durch-gefuumlhrt werden wo sich die Bestrahlungsstaumlrke noch stark mit dem Abstand aumlndert und inhomoge-ner als im Fernfeld ist Je spektral reiner die Strah-lung eingestellt wird umso weniger Strahlungs-leistung passiert den Monochromator sodass auch hier wieder ein Kompromiss eingegangen werden muss Trotz der Kompromisse ist der Wellenlaumln-genbereich in dem die spektrale Empfindlichkeit bestimmt werden kann oft auf 400 nm bis 750 nm beschraumlnkt also auf den Bereich bei dem die spekt-rale Empfindlichkeit noch ausreichend hoch ist

Deshalb wurde ein neuer laserbasierter Messplatz aufgebaut (s Bild 6) Dieser erzeugt ein 100- bis 10000-mal kraumlftigeres Strahlungsfeld (s Bild 7) Zudem erlaubt der Messplatz die Bestimmung der Winkelabhaumlngigkeit von Photometern sowie die Messung des spektralen Temperaturkoeffizienten von ndash70 degC bis 180 degC Es koumlnnen mit dem laser-basierten Messplatz selbst unempfindliche Photo-meter in einem deutlich groumlszligeren Wellenlaumlngenbe-reich als bislang gemessen werden (s Bild 8ndash9) Da so viel Strahlungsleistung selbst fuumlr einen erweiter-ten Wellenlaumlngenbereich nicht benoumltigt wird kann mit einem laserbasierten Messplatz im homogenen Fernfeld und mit houmlherer spektraler Reinheit gemessen werden und somit die Messunsicherheit signifikant reduziert werden

Bild 6 Aufbau eines laser-basierten Messplat-zes zur Kalibrierung der spektralen Bestrahlungsstaumlrke-Empfindlichkeit von Photometern Das eigentliche Laser-system ist in der unteren Haumllfte von a) skizziert und in b)als Foto dargestellt

a

b

13

Ruumlckfuumlhrung in der Photometrie hellipPTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4

Realisierung der spektralen Bestrahlungsstaumlrke

Wie bereits vorher erwaumlhnt ist zur Realisierung der Candela die Kenntnis der relativen spektralen Bestrahlungsstaumlrke Er(λ) = S(λ T) von Tempera-turstrahlern (Gluumlhlampen) der Verteilungstempe-ratur T erforderlich

Bereits zum Ende des neunzehnten Jahrhunderts beschaumlftigten sich an der Physikalisch-Techni-schen-Reichsanstalt (PTR) in Berlin die Wissen-schaftler Otto Lummer Ernst Pringsheim und Fer-dinand Kurlbaum unter der Leitung von Wilhelm Wien mit der Pruumlfung elektrischer Gluumlhlampen fuumlr die Industrie und in diesem Zusammenhang mit der Verbesserung von Lampen und Vergleichs-normalen fuumlr Waumlrmestrahlung [4]

Sie entwickelten basierend auf Ideen von Kirch-hoff ab 1895 die ersten Hohlraumstrahler die als sogenannter Schwarzer Strahler zur Erzeugung von Temperaturstrahlung bis zu etwa 2000 K ein-gesetzt werden konnten Aufbauend auf Vorarbei-ten von Kirchhoff (1859) Stefan und Boltzmann (187984) sowie auf eigene Berechnungen (1893) konnte Wilhelm Wien anhand erster Messergeb-nisse 1896 die heute nach ihm benannte Wiensche Strahlungsgleichung aufstellen die die Ergebnisse der Experimente gut traf allerdings systema-tische Abweichungen fuumlr groszlige Produkte von λ middot T ergab Die Wiensche Gleichung war jedoch wesentlich genauer als das von Rayleigh und Jeans aufgestellte Pendant mit seiner inhaumlrenten Ultraviolettkatastrophe

Am 19 Oktober 1900 konnte Max Planck der vom Gastwissenschaftler Heinrich Rubens uumlber die Messergebnisse in der PTR unterrichtet wurde in einer Sitzung der Physikalischen Gesellschaft eine Gleichung vorlegen die die Messungen seiner Kollegen in der PTR besser als alle bis dato bekannten Gleichungen wiedergab Bereits am 14 Dezember 1900 trug er die komplette Her-leitung der Planckschen Strahlungsgleichungwiederum der Berliner Physikalischen Gesellschaftvor und leitete damit (verbunden mit der Energie-quantelung) die Quantenphysik ein [5]

Mithilfe des Planckschen Strahlungsgesetzes laumlsst sich die spektrale Dichte der Bestrahlungs-staumlrke EλBB(λTBB) eines Hochtemperatur-Hohl-raumstrahlers (auch Planckscher Strahler oder Schwarzer Strahler) berechnen

E T T Ad

cn

ec

n Tλ

λ

λ ε λλ BB BB BB

BB

BBBB

( ) = ( ) sdot sdot sdot

minus2

12 5

1

12

(16)

Bild 7 Wellenlaumlngenabhaumlngige optische Leistung des herkoumlmmlichen DSR-Messplatzes (untere Kurven) und des Laser-DSR-Messplatzes einmal direkt hinter dem Laser gemessen (gruumlne Kurven) und einmal die Leistung der tatsaumlchlich in der Messebe-ne nutzbaren Strahlung (rote Kurven)

Bild 8 Photometer Referenzphotodiode (links) sowie Solarzelle (unten) am Laser-DSR-Messplatz

Bild 9 Mit dem Laser-DSR-Messplatz und dem DSR-Messplatz gemessene spektrale Empfindlichkeiten von zwei verschiedenen Photometern (gruumlne und blaue Kurve) sowie die spektrale Empfindlichkeit von der als Referenz benutzten Photodiode (rote Kurve) Die Signalhoumlhen unterscheiden sich um einen Faktor von bis zu 100 Millionen Obwohl das am Laser-DSR-Messplatz gemessene Photometer ca 7 mal unempfindlicher als das am DSR-Messplatz gemessene Photometer ist kann die spektrale Empfindlichkeit in einem deutlich groumlszligeren Wellenlaumlngenbereich gemessen werden

14

Das Jahr des Lichtes PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4

Hierbei ist

TBB die Temperatur des Planckschen Strahlers ε(λTBB) der effektive Emissionsgrad des Strahlers ABB die Groumlszlige der Strahleroumlffnung dBB der Abstand zur Referenzebene fuumlr die Bestrahlungsstaumlrke c1 c2 die Planckschen Strahlungskonstanten und n der Brechungsindex von Luft

In der PTB wird im Fachbereich 41 bdquoPho-tometrie und angewandte Radiometrieldquo ein Hochtemperatur-Hohlraumstrahler vom Typ BB3200pg als nationales Normal fuumlr spektrale Bestrahlungsstaumlrke im Spektralbereich 200 nm bis 2500 nm eingesetzt Der Strahler der vom russi-schen Institut fuumlr optophysikalische Messungen (VNIIOFI) entwickelt [6] und von der PTB fuumlr seine Messaufgabe aufwendig charakterisiert und optimiert wurde [7] besitzt einen Hohlraum aus pyrolytischem Graphit der mittels Gleichstrom auf Temperaturen bis 3200 K aufgeheizt werden kann Der Strahler besitzt einen effektiven Emissions-grad von ε(λTBB) gt 09998 und eine ausgepraumlgte Homogenitaumlt der Temperatur im Hohlraum Er kann somit als Planckscher Strahler behandelt werden

Zur Berechnung des Planckschen Strahlungs-gesetzes werden weitere Groumlszligen des SI-Systems benoumltigt die in der PTB ruumlckfuumlhrbar kalibriert werden So wird zum Beispiel die Strahlerflaumlche ABB in Fachbereich 53 bdquoKoordinatenmesstechnikldquo kalibriert und die Bestimmung der Strahlertem-peratur TBB erfolgt mithilfe von Filterradiometern die in Fachbereich 73 bdquoDetektorradiometrie und Strahlungsthermometrieldquo gegen ein Kryo-

radiometer ruumlckgefuumlhrt werden Mithilfe dieser Berechnungsparameter fuumlr Gleichung (16) kann der Schwarze Strahler als Primaumlrnormal fuumlr strah-lungsphysikalische Groumlszligen eingesetzt werden

Die Kalibrierung von Gluumlhlampen bezuumlglich spektraler Bestrahlungsstaumlrke erfolgt in Sub-stitution durch direkten Vergleich gegen das Primaumlrnormal bzw entsprechend ruumlckgefuumlhrte Sekundaumlrnormale Hierbei handelt es sich um 1000-W-Gluumlhlampen vom Typ FEL die mit einer Verteilungstemperatur von etwa 3080 K einem dem Schwarzen Strahler sehr aumlhnlichen Verlauf der relativen spektralen Strahlungsfunktion besitzen Die Substitution erfolgt mithilfe eines Spektroradiometers das mit drei Monochroma-toren und Empfaumlngern einen Spektralbereich von 250 nm bis 2500 nm abdeckt [8] Eine Ulbrichtku-gel dient als Eingangsoptik und ihre Eintrittsoumlff-nung als Referenzebene fuumlr die Bestrahlungsstaumlrke Die durch die Kugel transmittierte Strahlung gelangt in einen Vormonochromator und wird nach spektraler Vorzerlegung wahlweise in einen Monochromator fuumlr den Spektralbereich 250 nm bis 1100 nm oder in einen Monochromator fuumlr den infraroten Spektralbereich eingekoppelt Ein Photomultiplier eine Si-Photodiode und eine InGaAs-Photodiode erfassen die aus den derart kombinierten beiden Doppelmonochromatoren austretende Strahlung Im fuumlr die Photometrie relevanten sichtbaren Spektralbereich werden spektrale Messungen mit einer spektralen Band-breite von 1 nm und einem Streulichtanteil im Bereich von 10ndash7 durchgefuumlhrt

Das Verhaumlltnis der mit den unterschiedlichen Strahlern gemessenen Photostroumlme entspricht im Wesentlichen dem Verhaumlltnis ihrer spektralen Bestrahlungsstaumlrken Beim Vergleich eines Strah-

Bild 10 Der Hochtemperatur-Hohlraumstrahler BB3200pg der in der PTB als Primaumlrnormal fuumlr die spektrale Bestrahlungsstaumlrke eingesetzt wird Der Hohlraum aus Pyrographit kann bis zu 3200 K aufgeheizt werden

15

Ruumlckfuumlhrung in der Photometrie hellipPTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4

lers bdquoSldquo mit der Verteilungstemperatur T mit dem Schwarzen Strahler der Temperatur TBB laumlsst sich prinzipiell also die unbekannte spektrale Bestrah-lungsstaumlrke EλS (λT) ermitteln aus

E T E Ty

yS eS

λ λλ λλλ ( ) = ( ) sdot ( )( )BB BB

BB

wobei ys(λ) und yBB(λ) die fuumlr die beiden Strahler gemessenen Photostroumlme bei der Wellenlaumlngen-einstellung λ sind und EλBB (λTBB) die spektrale Bestrahlungsstaumlrke des Hochtemperatur-Hohl-raumstrahlers nach dem Planckschen Strahlungs-gesetz (16) ist

Ableitung und Weitergabe weiterer photometrischer Einheiten gerichteter photometrischer Groumlszligen

Neben der Einheit fuumlr die Lichtstaumlrke sind in der gerichteten Photometrie die Einheit der Beleuch-tungsstaumlrke zur Kalibrierung von Photometern und die Einheit der Leuchtdichte zur Angabe von Lampeneigenschaften besonders wichtig

Beleuchtungsstaumlrke

In der PTB werden Beleuchtungsstaumlrke-Messgeraumlte mit einem Referenzphotometer mittels der Substi-tutionsmethode kalibriert wobei die Lichteintritts-flaumlchen der Photometerkoumlpfe an derselben Stelle senkrecht und gleichmaumlszligig beleuchtet werden

Dazu wird zunaumlchst das Referenzphotometer (Linearitaumlt und Anpassungsindex m bekannt) mit Lichtstaumlrke-Normallampen beliebiger Vertei-lungstemperatur T kalibriert Durch Umstellung von Gleichung (13) folgt fuumlr seine photometrische Empfindlichkeit

s d y TI T

Tm

v K= sdot sdot

2

0 2856Ω( )( )

v

(18)

Auf einer 40 m langen Photometerbank siehe Bild 10 koumlnnen dann mit beliebigen Gluumlhlampen unterschiedlicher elektrischer Leistung aber bekannter Verteilungstemperatur Beleuchtungsstaumlrken zwischen 0001 lx und 10000 lx erzeugt werden

Die Kalibrierung von Beleuchtungsstaumlrke-Mess-geraumlten erfolgt meistens mit Licht der Normlicht-art A eine entsprechende Lampe ist in Bild 15 dargestellt Die Anzeige des zu kalibrierenden Beleuchtungsstaumlrke-Messgeraumltes wird mit dem Messwert der Beleuchtungsstaumlrke Ev des Referenz-photometers verglichen

E T ysv

vK( )= =2856

001

01

1

10

100

350 400 450 500 550 600 650 700 750

spek

tral

e Be

stra

hlun

gsst

aumlrke

E[microW

cm

sup2nm

]

Wellenlaumlnge λ [nm]

Schwarzer Strahler (3076 K)Schwarzer Strahker (2995 K)FEL 81 A (3080 K)FEL 67 A (2780 K)WI 41G 54 A (2700 K)

Bild 11 Spektrale Bestrahlungsstaumlrke unterschiedlicher Strahler im sichtbaren Spektralbe-reich Die als Sekundaumlrnormale eingesetzten 1000-W-Gluumlhlampen vom Typ FEL und die in der Photometrie verwendeten Gluumlhlampen vom Typ WI 41G besitzen einen sehr aumlhnlichen spektralen Verlauf wie der als Primaumlrnormal eingesetzte Schwarze Strahler bei unterschiedlichen Strahlertemperaturen

Bild 12 Der Messplatz fuumlr die Kalibrierung von Gluumlhlampen bezuumlglich spektraler Bestrah-lungsstaumlrke in der PTB Auf der rechten Seite befinden sich zwei als Sekun-daumlr- und Arbeitsnormale eingesetzte Gluumlhlampen Auf der linken Seite ist das Spektroradiometer zu sehen dass an seiner Oberseite eine Ulbrichtkugel als Eingangsoptik montiert hat deren Oumlffnung in Richtung Strahler als Referenzebene fuumlr die Bestrahlungsstaumlrke verwendet wird

Bild 13 Messplatz zur Weitergabe der Einheit der Beleuchtungsstaumlrke zur Kalibrierung von Photometern

(17)

(19)

16

Das Jahr des Lichtes PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4

Leuchtdichte

Leuchtdichten homogen leuchtender begrenzter Flaumlchen koumlnnen aus groszligem Abstand wie Licht-staumlrken gemessen werden Wird z B eine kreisfoumlr-mige Blendenoumlffnung (zentrisch und senkrecht zur Messrichtung) zwischen der leuchtender Flaumlche und dem Photometerkopf angeordnet und damit ein Teillichtstrom ausgesondert so kann dieser in groszligem Abstand als Lichtstaumlrke bestimmt werden und es gilt fuumlr die Leuchtdichte Lv der prinzipielle Zusammenhang

LIAvv= (20)

In der PTB wird fuumlr die mit Gluumlhlampen ausgestat-teten Leuchtdichtenormale (d h Verteilungstem-peratur T bekannt) zunaumlchst die photometrische Empfindlichkeit sv des Referenzphotometers wie in Abschnitt 41 bestimmt dann die Lichtstaumlrke nach Gleichung (13) gemessen und schlieszliglich die mittlere Leuchtdichte innerhalb der leuchtenden Flaumlche A nach Gleichung (20) berechnet

Fuumlr Leuchtdichtenormale gelten prinzipiell einige der im Kapitel bdquoLichtstaumlrke-Normallampenldquo aufgefuumlhrten Merkmale Sie unterscheiden sich jedoch im Detail in der Art der Ausfuumlhrung z B sind sie mit Gluumlhlampen oder mit LEDs bestuumlckt sie koumlnnen hinsichtlich der Leuchtdichte bzw Farbe durchstimmbar sein oder mit gesonderter Monitortechnik ausgestattet sein

Die traditionellen Messverfahren zur Bestim-mung der Leuchtdichte bzw die Verwendung von Photometern mit direkter Anzeige der Leuchtdich-tewerte werden zunehmend durch den Einsatz von Leuchtdichtekameras (pixelaufgeloumlste Darstellung von Leuchtdichteverteilungen) ergaumlnzt Eine abso-lute Kalibrierung dieser modernen Systeme stellt aber messtechnisch eine groszlige Herausforderung

Bild 14 Die 40 m lange photometrische Bank zur Realisierung und Weitergabe der Einhei-ten der gerichteten Photometrie

Bild 15 20-kW-Hochleistungshalogengluumlhlampe fuumlr hohe Beleuchtungsstaumlrken zur Kalibrierung von Beleuchtungsstaumlrke-Messgeraumlten u a mit Normlichtart A

Bild 16 Gluumlhlampenbasierte Normale zum Transfer der Leuchtdichte-Einheit

17

Ruumlckfuumlhrung in der Photometrie hellipPTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4

dar aktuell werden zur Charakterisierung solcher Kameras national im FNL3 (Normenausschuss bdquoPhotometrieldquo im DIN) und international in der CIE (TC2-59 TC2-62) u a Messverfahren dis-kutiert die dann mittels definierter Kenngroumlszligen beschrieben werden

Literatur

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temperature 1994[3] G Sauter Die Candela Erlaumluterungen zum Ver-

staumlndnis der Definition und der RealisierungPTB-Mitteilungen 107 1997

[4] W Schreier (Hrsg) Biographien bedeutender Phy-siker 2 Aufl Volk und Wissen Berlin 1988S 203ndash205

[5] M Planck Zur Theorie des Gesetzes der Energie-verteilung im Normalspektrum Verhandlungender Deutschen Physikalischen Gesellschaft 21900 S 237ndash245

[6] V I Sapritsky B BKhlevnoy V B KhromchenkoB E Lisiansky S N MekhontsevU A Melenevsky S P Morozova A V ProkhorovL N Samoilov V I Shapoval K A SudarevM F Zelener Precision Blackbody sources forradiometric standards Appl Opt 1997 36S 5403ndash5408

[7] P Sperfeld Entwicklung und Realisierungeiner empfaumlngergestuumltzten spektralen Bestrah-lungsstaumlrkeskala Dissertation Braunschweig2861999 httpwwwbibliotu-bsdeedissdata19990628a19990628ahtml(Letzter Aufruf 28102015)

[8] P Sperfeld S Pape B Barton From Primary Stan-dard to Mobile Measurements ndash Overview of theSpectral Irradiance Calibration Equipment at PTBMAPAN-Journal of Metrology Society of India 252010 S 11ndash19

Bild 17 Pixelaufgeloumlste Darstellung einer Leuchtdichteverteilung mit einer Leuchtdichtemesskamera

pim_140107_anz_forschung_178x29indd 1 280214 1033

18

PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4Das Jahr des Lichtes

Kurze Geschichte der Goniophotometrie in der PTB Matthias Lindemann

Zusammenfassung

Die Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB) ist das nationale Metrologieinstitut (NMI) der Bundesrepublik Deutschland das seinen Fokus auf die Realisierung Bewahrung und Weitergabe der SI-Einheiten richtet Deshalb hat auch die goniophotometrische Bestimmung des Licht-stroms nahezu beliebiger Lichtquellen eine lange Tradition Seit mehr als 50 Jahren werden in der PTB hierzu noumltige Messsysteme entwickelt genutzt verbessert und an neue Messaufgaben angepasst Schon in den 50er- und 60er-Jahren des vergangenen Jahrhunderts erlaubte ein soge-nanntes Einarm-Goniophotometer die Realisie-rung der Lichtstromeinheit lumen (lm) als direkte Ableitung von der SI-Basiseinheit Candela (cd) mithilfe von Lichtstaumlrke-Normallampen Spaumlter gestattete ein groszliges Kardan-Goniophotometer mit einem Messradius von 25 m die notwendige automatisierte spiralfoumlrmige Bewegung eines Photometers bzw eines Dreibereichsfarbmess-kopfes Fuumlr die Lichtstrom-Kalibrierungen von Kleingluumlhlampen aber auch von zunehmend nachgefragten Messungen an LEDs wurde schon in den fruumlhen 1980er Jahren ein sogenanntes Mini-Goniophotometer ebenfalls als Kardan-

Goniophotometer mit nur 03 m Messradius entwickelt und eingesetzt Dieser Entwicklungs-prozess haumllt an und ermoumlglicht heute die Kalibrie-rung auch modernster LED-Lichtquellen Im Jahr 2006 wurde das erste Roboter-Goniophotometer im neuen Albert-Einstein-Gebaumlude der PTB in Betrieb genommen und ermoumlglicht seitdem die Kalibrierung nahezu beliebiger Lichtquellen mit der noumltigen kleinen Messunsicherheit

1 Einfuumlhrung

Mehr als 11 der elektrischen Energie werden heute in Deutschland fuumlr Beleuchtung einge-setzt Tendenz steigend Daher ist der Lichtstrom oumlkonomisch gesehen die wichtigste photometri-sche Groumlszlige Es ist notwendig seine Einheit das Lumen (lm) direkt von der SI-Basiseinheit fuumlr die Lichtstaumlrke der Candela (cd) abzuleiten Dies geschieht regelmaumlszligig mittels Goniophotometrie um den Lichtstrom der zu untersuchenden Licht-quelle zu bestimmen Obwohl auch absolut arbei-tende Ulbricht-Kugel-Methoden existieren [1] benoumltigen diese streng genommen zumindest die relative raumlumliche Lichtstaumlrkeverteilung welche nur durch goniophotometrische Methoden messbar ist

Das Prinzip der Goniophotometrie ist unabhaumln-gig von der technischen Realisierung der unter-schiedlichen Goniophotometertypen Ein Gonio-photometer misst die raumlumliche Verteilung der Beleuchtungsstaumlrke E(r ϑ φ) auf einer geschlosse-nen Huumlllflaumlche mittels V(λ)-angepasstem Pho-tometer fuumlr alle Richtungen (ϑ φ) der Lichtaus-strahlung im vollen Raumwinkel (4π sr) um die Lichtquelle herum wie Bild 1 zeigt

Der Radiusvektor r(ϑ φ) beschreibt die Position des Photometers in Kugelkoordinaten und r(ϑ φ) durchstoumlszligt das zur Lampe gerichtete Eintrittsfens-ter immer orthogonal Der Radiusvektor r(ϑ φ) beschreibt auch die Entfernung zwischen Lampe und Photometer

Der Winkel ϑ beschreibt die Position des Photometers zwischen den Polen traditionell im Bereich (0 lt ϑ lt π) Der Winkel φ beschreibt die Photometer-Position in der Aumlquator-Richtung

Matthias Lindemann Arbeitsgruppe bdquoGoniophotometrieldquo EshyMail matthiaslindemannptbde

Bild 1 Beleuchtungsstaumlrke E als Funktion des Radiusvektors r(ϑ φ)

19

PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4 Kurze Geschichte der Goniophotometrie in der PTB

(0 lt φ lt 2π) Der Wert des Lichtstroms Φ der Lampe kann aus der Beleuchtungsstaumlrkeverteilung E(ϑ φ) berechnet werden entweder aus der Licht-staumlrkedefinition I = dΦdω oder aus der Defini-tion der Beleuchtungsstaumlrke E = dΦdΑ

Φ = ( )int I ϑ ϕ ω4πsr

d (1)

Φ = ( )int E Ar

ϑ ϕ4 2π

d (2)

Das Raumwinkelelement dω der Gleichung (1) ist gegeben durch

d sin d dω ϑ ϑ ϕ= ( ) (3)

und das Flaumlchenelement dA der Gleichung (2) erhaumllt man aus

d sin d dA r= ( ) ( )2 ϑ ϕ ϑ ϑ ϕ

(4)

Der Radius r des Radiusvektors r(ϑ φ) kann als Konstante behandelt werden da er sich gewoumlhn-lich waumlhrend einer goniophotometrischen Messung nicht aumlndert Dann kann die Lichtstaumlrke-verteilung I(ϑ φ) durch Anwendung des photome-trischen Grundgesetzes aus der Beleuchtungsstaumlr-keverteilung E(ϑ φ) bestimmt werden

I r Eϑ ϕ ϑ ϕ ( ) = ( )2 (5)

Falls die photometrisch wirksame Ausdehnung rL der zu messenden Lampe deutlich kleiner ist als der Messradius r des Goniophotometers ist kann Gleichung (1) mit Gleichung (3) und r = const wie folgt geschrieben werden

Φ = ( ) ( )intintr E2

00

2

d sin dϕ ϑ φ ϑ ϑππ

(6)

Andererseits fuumlhrt Gleichung (2) mit Glei-chung (4) und r = const ebenfalls auf Gleichung (6) Aber fuumlr groszlige Lampen koumlnnte die Anwen-dung von Gleichung (5) zu fehlerhaften Ergeb-nissen fuumlhren (rL gt r) aber der ermittelte Wert des Lichtstroms entsprechend Gleichung (6) waumlre korrekt falls das Photometer das einfallende Licht mit dem Kosinus des Einfallswinkels bewertet

2 Geschichte der Goniophotometer- Systeme in der PTB

Wie bereits teilweise in Abschnitt 1 diskutiert sollte ein ideales Goniophotometer eine Reihe von Anforderungen erfuumlllen wie die folgende Auflis-tung zeigt

1 Kalibrierung der Photometer mittels Licht-staumlrke-Normallampen zur Sicherung der Ruumlckfuumlhrung auf die nationale Realisierung der Einheit Candela

2 Ausfuumlhrung einer Relativbewegung zwischen Lampe und Photometer wobei sich ϑ-Achse und φ-Achse rechtwinklig schneiden

3 Verwendung eines V(λ)-angepassten Photo-meters zur Lichtstrommessung

4 Automatische Messdatenanalyse5 Unabhaumlngige Bestimmung des Lichtstromwer-

tes von der raumlumlichenspektralen Verteilung der gemessenen Bestrahlungsstaumlrke Ee(λ ϑ φ) des Lichts

6 Unabhaumlngigkeit der Empfindlichkeit des Pho-tometers von der Umgebungstemperatur bzw Durchfuumlhrung einer entsprechenden Korrektur

7 Beliebige Betriebslage der zu untersuchenden Lampe

8 Einstellbare Umgebungsbedingungen fuumlr Luft-temperatur und Luftfeuchte

9 Geringer Streulichtanteil im Messraum bzw Streulicht-Korrektur

10 Elektrische Antriebe fuumlr die Bewegung der ϑ- und φ-Achsen

11 Verwendung von Farbmesskoumlpfen zur Bestim-mung der raumlumlich wirksamen aumlhnlichsten Farbtemperatur undoder Bestimmung der relativen raumlumlichen spektralen Verteilung der gemessenen Bestrahlungsstaumlrke

12 Messung ohne Bewegung der zu untersuchen-den Lampe

13 Vollstaumlndige Abtastung der Beleuchtungs-staumlrke- bzw Lichtstaumlrkeverteilung der zu untersuchenden Lampe

14 Staumlndige Uumlberwachung des photometrischen Betriebsverhaltens der Lampe um Alterung waumlhrend der Messzeit erkennen bzw korrigie-ren zu koumlnnen (sogenanntes Monitorsystem)

15 Messraumwaumlnde sollen etwa auf Lufttem-peratur sein um den Strahlungsaustausch zwischen Entladungslampen und Waumlnden des Messraums zu stabilisieren

16 Online-Streulichtkorrektur ndash insbesondere fuumlr ausgedehnte Lampen wie Leuchtstofflampen da diese den Einsatz eines Streulichttubus mit groumlszligerem Gesichtsfeld erfordern

17 Die Beleuchtungseinrichtung des Gonio-photometerraums soll zur Messzeit abgedeckt und ausgeschaltet sein um den Streulichtan-teil nicht zu erhoumlhen

18 Variation des Messradius r (Validierung von Nahfeld-Fernfeld-Messungen mit abbilden-den Systemen)

In der Goniophotometrie sind verschiedene Koor-dinatensysteme wie Bild 1a zeigt zu unterscheiden Dies sind regelmaumlszligig das Lampenkoordinatensys-tem Lamp das Raumkoordinatensystem Room und

20

PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4Das Jahr des Lichtes

das Goniophotometerkoordinatensystem bezogen auf dessen Zentrum Center Bild 1a zeigt moumlgliche Offsets zwischen diesen Systemen in Translation und Rotation

Um folgende Betrachtungen und Erklaumlrungen zu vereinfachen werden die genannten Koordina-tensysteme als deckungsgleich angenommen das heiszligt es werden keine Offsets in Translation und Rotationen zwischen den Koordinatensysteme vorausgesetzt

Im Weiteren werden die Eigenschaften Vor- und Nachteile der uumlber Dekaden in der PTB entwi-ckelten und genutzten Goniophotometer unter Beruumlcksichtigung der gewuumlnschten vorstehend gelisteten Eigenschaften diskutiert Es beginnt mit einem einfachen Einarm-Goniophotometer aus den 50er-Jahren des vergangenen Jahrhunderts und endet zumindest vorlaumlufig mit dem State-of-the-art-Roboter-Goniophotometer das 2007 in Betrieb ging

21 Einarm-Goniophotometer (1950ndash1975)

In der Zeit von 1950 bis 1975 wurde ein manuell betriebenes Einarm-Goniophotometer nach Bild 2 benutzt In den 50er-Jahren war diese Messappara-tur noch mit einem visuellen Photometer ausge-stattet Dieses Photometer erlaubte die relative Messung von Beleuchtungsstaumlrken mittels einer im Photometer installierten Hilfslampe in Verbindung mit einem optischen Abschwaumlcher [2 Seite 321] Die Ruumlckfuumlhrung auf die nationale Lichtstaumlrke-Einheit die Candela war durch Kalibrierung des visuellen Photometers mit Lichtstaumlrke-Normal-lampen sichergestellt (dies erfuumlllt Anforderung 1 der Anforderungsliste) entsprechend basieren auch Abstandsmessungen auf der nationalen Laumln-geneinheit dem Meter

Wegen der Lageabhaumlngigkeit der internen Hilfs-lampe im Innern des visuellen Photometer war es an einer festen Stelle der Messapparatur ange-bracht wie Bild 2 zeigt Ein Spiegel-Prismen-Sys-tem leitete das Licht der zu untersuchenden Lampe auf das Photometer Eine detaillierte Beschreibung aumlhnlicher Systeme kann [2 Seite 319] entnommen werden Damit ist Anforderung 2 ebenfalls erfuumlllt

Die vollstaumlndige Bestimmung des Lichtstroms Φ erfordert eine groumlszligere Anzahl Messungen von Beleuchtungsstaumlrken fuumlr ebenso viele manuell eingestellte unterschiedliche Kugelkoordina-ten (ϑ φ) Wird die fiktive Kugel gemaumlszlig Bild 1 in ϑ-Richtung in parallele Zonen eingeteilt und jede dieser Zonen i ist wiederum in n Sektoren j gleicher Laumlnge (Δφ = const) mit den zugehoumlrigen Beleuchtungsstaumlrken Eij unterteilt ist es moumlglich die mittlere Beleuchtungsstaumlrke Endashi jeder Zone i nach Gleichung 7 zu bestimmen

E Ei n i jj

n

==sum1

1 (7)

und der Wert des Lichtstroms Φ ergibt sich weiter aus der numerischen Integration nach Gleichung (8)

Φ = ( )minus ( )( )+

=sum2 2

10

1

πr cos cosϑ ϑi ii

m

iE-

(8)

Die Anzahl der notwendigen Beleuchtungsstaumlr-kemessungen haumlngt von der raumlumlichen Lichtver-teilung der zu untersuchenden Lampe ab Wegen der manuellen Einstellung des groszligen Arms (ϑ) der Drehung der Lampe (φ) und des gleichfalls noumltigen manuellen Abgleichs des visuellen Pho-tometers ist diese Methode sehr zeitaufwendig Sollen beispielsweise 600 Punkte gemessen werden (aus heutiger Sicht also nicht besonders viele) und man benoumltigt ca 25 Sekunden pro Messung werden also mehr als 4 Stunden benoumltigt um eine

Bild 1a Koordinatensysteme

Bild 2 Einarm-Go-niophotometer 1950ndash1975

21

PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4 Kurze Geschichte der Goniophotometrie in der PTB

Lampe mit relativ homogener raumlumlichen Licht-verteilung zu messen

In 1963 wurde ein internationaler Lichtstrom-vergleich auf der Basis von Entladungslampen ohne Fluoreszenzstoff durchgefuumlhrt Diese Lampen wiesen eine massive Inhomogenitaumlt ihrer raumlumlichen Lichtverteilung auf sodass die beschriebene manuelle Methode wegen der noumltigen hohen Anzahl von Messpunkten nicht praktikabel war Zur Loumlsung dieses Problems in [3] beschrieben wurde das visuelle Photometer durch einen grob an V(λ)-angepassten Photover-vielfacher ersetzt zusaumltzlich wurde die φ-Achse mit einem elektrischen Antrieb versehen und ein Praumlzisionskondensator ermoumlglichte die analoge Integration des Photostroms des Photovervielfa-chers Damit konnte fuumlr jede der erforderlichen ϑ-Einstellungen des groszligen Arms der elektri-sche Antrieb der φ-Achse diese mit konstanter Winkelgeschwindigkeit rotieren lassen waumlhrend der Praumlzisionskondensator den Photostrom des Photovervielfachers integrierte Nach etwa t = 5 min fuumlr eine Umdrehung repraumlsentierte die Ladung Q = C middot U des Praumlzisionskondensators die mittlere Beleuchtungsstaumlrke

E k C Uti = sdot (9)

dieser gemessenen Zone i Daraus berechnet sich der Lichtstrom wiederum gemaumlszlig Gleichung (8) Es ist nicht noumltig das Produkt k ∙ C exakt zu kennen da dies uumlber das Kalibrierverfahren durch die bekannte Beleuchtungsstaumlrke einer Lichtstaumlrke-Normallampe eliminiert werden kann es muss lediglich uumlber die gesamte Messzeit hinweg kons-tant sein

Spaumlter in den 1960er-Jahren wurde auch das visuelle Photometer durch ein modernes V(λ)-angepasstes Photometer basierend auf gefilterten Silizium-Photodioden in Kombination mit einen PhotostromSpannungswandler und einem xy-Plotter ersetzt Man erhielt so die Beleuchtungs-staumlrkeverteilung jeder Zone die sich dann leicht mit grafischen oder numerischen Verfahren inte-grieren lieszlig Es wird spaumlter gezeigt werden dass diese verwendete bdquoanaloge Zonenintegrationldquo sehr aumlhnlich der heutigen digitalen zonalen Bewertung ist

Diese letzten 2 Verbesserungen erfuumlllen die Anforderung 3 und teilweise auch die Anforde-rung 4

22 Kardan-Goniophotometer (1976ndash2007)

Das existierende Einarm-Goniophotometer war immer auf eine bdquohelfende Handldquo angewiesen um es von Punkt zu Punkt zu bewegen Die anschlie-szligende Berechnung des Lichtstroms wurde grund-saumltzlich ebenfalls haumlndisch ausgefuumlhrt Dieses Ver-

fahren war dementsprechend sehr zeitaufwendig und der zunehmende Wunsch der Industrie auch groszlige Objekte wie z B lange Leuchtstofflampen aber spaumlter auch sehr kleine Mikrolampen und erste LEDs zu kalibrieren fuumlhrte zur Entwicklung sogenannter Kardan-Goniophotometer ver schie-dener Ausfuumlhrungen

221 Groszliges Kardan-Goniophotometer

Nach der intensiven Umgestaltung einiger Raumlume im Koumlsters-Bau der PTB war es moumlglich im neuen Goniophotometerraum (7 x 10 x 8 m3) das Kar-dan-Goniophotometer [4] zu installieren Bild 3 zeigt das groszlige Kardan-Goniophotometer Am Bildoberrand ist eine zu kalibrierende stabfoumlrmige Leuchtstofflampe zu sehen

Dieser Raum war zusaumltzlich auch mit einer geregelten elektrischen Heizung ausgestattet um die geforderten Messbedingungen bezuumlglich Umgebungstemperatur einstellen zu koumlnnen Im Prinzip besteht ein Kardan-Goniophotometer wie in Bild 4 gezeigt aus 3 Rahmen wobei der aumluszligere α-Rahmen der raumlumlichen Ausrichtung (durch Drehung um die y-Achse) der zu untersu-chenden Lampe dient Innerhalb dieses aumluszligeren α-Rahmens ist der mittlere φ-Rahmen endlos drehbar um die z-Achse gelagert Der innere ϑ-Rahmen ist wiederrum drehbar im φ-Rahmen gelagert jedoch ist seine Bewegung auf knapp 180deg durch den noumltigen Lampenhalter begrenzt Alle 3 Rahmen sind mechanisch ausgeglichen und mit elektrischen Antrieben versehen Ihre Rotationsgeschwindigkeiten waren per 10-Gang-Praumlzisionspotentiometer einstellbar eine Folge der angewandten analogen Regelung der Achsan-triebe Die Winkelbestimmung der Achsen erfolgte mittels 13-bit-Winkelencodern Das Photometer war am ϑ-Rahmen (Bild 4) platziert und ermoumlg-lichte so einen festen Messradius von 2500 mm Es bestand die Moumlglichkeit ein zweites Photometer

Bild 3 Kardan-Goniophotometer 1976ndash2007

22

PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4Das Jahr des Lichtes

oder einen Farbmesskopf auf der gegenuumlberliegen-den Seite des ϑ-Rahmens einzusetzen

In diesem Fall war der Arbeitsbereich limitiert im Bereich 4deg lt ϑ lt 176deg da jeweils Lampenhalter von rechts und links zur Aufnahme einer beispiels-weise stabfoumlrmigen Leuchtstofflampe eingesetzt werden konnten (siehe auch Bild 3) Im Falle von einseitig gesockelten Lampen wurde meist nur ein PhotometerFarbmesskopf verwendet was eine Drehung der gegenuumlberliegenden Messkopf-aufnahme um 90deg ermoumlglichte Diese sogenannte bdquoKroumlpfungldquo lieszlig dann Raum fuumlr den nun einseiti-gen Lampenhalter und der Arbeitsbereich vergrouml-szligerte sich zu 0deg lt ϑ lt 176deg

Entsprechend der Gleichung (6) muss die gemessene Beleuchtungsstaumlrkeverteilung uumlber den vollen Raumwinkel 4π sr zum Wert des Licht-stroms integriert werden So ist es naheliegend digitale uumlber die Zeit integrierende Methoden zur Erfassung und Speicherung der gemessenen Beleuchtungsstaumlrkewerte zu verwenden Bild 5 zeigt den Signalfluss Sowohl Photometer- undoder Farbmesskopf als auch Photostrom-Fre-

quenz-Wandler waren temperaturstabilisiertDer Photostrom des Photometers mit seiner

photometrischen Empfindlichkeit s normalisiert auf die CIE-Lichtart A wird mittels Ruumlckkopp-lung Rg eines Photostromverstaumlrkers in eine Spannung U gewandelt und weiter durch einen Spannungs-Frequenzwandler in eine Frequenz f mit dem zugehoumlrigen Wandlungsfaktor wf kon-vertiert Diese Frequenz wird letztlich von einem digitalen Zaumlhler kontinuierlich gezaumlhlt Simultan wird die Quarz-Frequenz fq durch einen zweiten digitalen Zaumlhler erfasst um waumlhrend der spaumlteren Datenanalyse die urspruumlnglichen Photostroumlme berechnen zu koumlnnen Diese Methode stellt damit die schon erwaumlhnte Signal-Zeit-Integration sicher

Die die zu untersuchende Lampe umgebene fiktive Kugel ist wie Bild 5 zeigt in Zonen und Sektoren unterteilt Infolge der analogen Geschwindigkeitsregelung der zwei bewegten Rahmen sind positive und negative Beschleu-nigungsphasen am Anfang und am Ende einer vollstaumlndigen Abtastung und Lastreaktionen des rotierenden Systems und die damit verbundenen geringen Gleichlaufschwankungen unvermeid-bar Die Unterteilung jeder Zone in Sektoren mit der Laumlnge Δφj als Gewichtung reduziert jedoch diesen Einfluss Damit berechnet sich die mittlere Beleuchtungsstaumlrke Endashi nach Gleichung (10)

Es w R

fyt

fjj

ni j

i j=

sdot sdot sdot( )sdot sdot minus

=sum1

2 10

πϕ

f gq∆∆

∆

(10)

mit der Dunkelfrequenz f0 (Photometer abgeschat-tet) und den Differenzsignal-Zaumlhlungen Δyi j und den Differenzzeit-Zaumlhlungen Δti j jeweils vom Sek-toranfang bis zum Sektorende Wiederum koumlnnte der Lichtstrom nach Gleichung (8) bestimmt werden jedoch werden jetzt noch Korrekturfakto-ren fuumlr das Streulicht cstr der spektralen Fehlanpas-sung des Photometers cspec und Abweichungen von den nominalen elektrischen Betriebsbedingungen celec eingefuumlhrt wie nun Gleichung (11) zeigt

Φ = sdot sdot sdot sdot minus( ) sdot+=

minus

sumc c c r Ei ii

m

istr spec elec cos cos2 21

0

1

π ϑ ϑ

(11)

Im Verlauf einer Lichtstrommessung werden neben dem Photometer auch die Waumlnde des Messraums von der zu untersuchenden Lampe beleuchtet Diese Beleuchtung wird ebenfalls vom im Goniophotometer verwendeten Photometer bdquogesehenldquo und fuumlhrt zu einer Streubeleuchtung auf dem Lichteintrittsfenster dieses Photome-ters Diese Streubeleuchtung haumlngt einerseits vom Reflexionsgrad der verwendeten Wandfarbe (ρ asymp 3 ) und vom Gesichtsfeld des sich vor dem

Bild 4 Groszliges Kardan-Goniophotometer 1976ndash2007

Bild 5 Signalfluss

23

PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4 Kurze Geschichte der Goniophotometrie in der PTB

Photometer befindlichen Streulichtreduzierungs-tubus ab Daher muss fuumlr jeden eingesetzten Tubus mit seinem individuellen Gesichtsfeld der wirksame spezifische Streulichtkorrekturfaktor cstr bestimmt werden Diese koumlnnen ermittelt werden indem Blenden mit unterschiedlichen Durchmes-sern zwischen der zu untersuchenden Lampe und dem Photometer waumlhrend normalen Lichtstrom-messungen positioniert werden Eine detaillierte Beschreibung kann [5] entnommen werden

Die technische Realisierung eines Photometers ist immer nur eine Naumlherung fuumlr V(λ) Dies bedeu-tet dass im Prinzip in allen Faumlllen diese spektrale Fehlanpassung korrigiert werden muss Allgemein kann der spektrale Korrekturfaktor cstr fuumlr alle Lampen mit beliebiger Strahlungsfunktion S(λ) nach Gleichung (12) bestimmt werden

cV S

s S

V P T

s Pspek

rel

A

rel

d

d

d=

( )sdot ( )( ) sdot ( )

( ) sdot ( )( ) sdot

intint

intint

λ λ λ

λ λ λ

λ λ λ

λ

λλ λTA d( )

(12)

Hierzu ist jedoch die Kenntnis der relativen spektralen Empfindlichkeit srel(λ) des Photome-ters notwendig P(λ TA) bezeichnet dabei einen Planckstrahler mit einer Verteilungstemperatur von TA = 2856 K

Im Fall von Gluumlhlampen ist ein etwas einfache-rer Weg fuumlr diese Korrektur ohne die Kenntnis von srel(λ) moumlglich Gleichung (13) beschreibt die Abhaumlngigkeit der Beleuchtungsstaumlrke E(T) von der Verteilungstemperatur T

E Ty T

sTT

m

( ) = ( )

A

y

(13)

eines gemessenen Photostroms y(T) und der pho-tometrischen Empfindlichkeit s des Photometers fuumlr Lichtart A Eine charakteristische Eigenschaft des Photometers ist der Exponent my bdquoyldquo indiziert den Exponent fuumlr ein V(λ)- angepasstes Photome-ter oder den y-Kanal eines Dreibereichsfarbmess-kopfes wobei die anderen Kanaumlle unterschiedliche Werte fuumlr diese Exponenten haben Ein ideales Photometer wuumlrde einen Wert von 0 fuumlr diese Exponenten aufweisen Beispielsweise beschreibt my = 0018 ein qualitativ durchaus gutes Photo-meter Der Exponent my (und auch mx und mz) koumlnnen aus einem Fit bekannter Paare (E(T) T) einer Lichtstaumlrke-Normallampe bei verschiedenen Arbeitspunkten wie in [6 7] beschrieben gefun-den werden Damit kann der Korrekturfaktor cspec fuumlr Gluumlhlampen wie folgt geschrieben werden

c TT

my

specA

=

(14)

Werden Gluumlhlampen in der Naumlhe von CIE-Licht-art A betrieben ist die Korrektur auf elektrische Nominalbedingungen celec ebenfalls nach Glei-chung (15) sehr einfach da der Lichtstrom eine Funktion des Betriebsstroms J ist

c JJ

m

elec

J

=

minus

0 (15)

Hier ist J0 der Nominalstrom und mJ cong 684 Mehr Information kann in [7] gefunden werden

Die Datenanalyse fuumlr einen Dreibereichsfarb-messkopf erfolgt in gleicher Weise und man erhaumllt die Normfarbwertanteile (x y) aus den Gleichun-gen (16 17)

x =+ +Φ

Φ Φ ΦX

X Y Z (16)

y =+ +Φ

Φ Φ ΦY

X Y Z (17)

Leider konnten nur der Lichtstrom und die zuge-houmlrigen Normfarbwertanteile bestimmt werden da aufgrund der geringen Speichermoumlglichkeit der verwendeten Computertechnik die raumlumliche Information verlorenging

Daher wurden im Jahre 1991 alle Computer Analogsysteme die Verdrahtung und viele weitere Elemente durch moderne Ausruumlstung ersetzt Von nun an konnten alle Rohdaten mittels geeigneter Speichermedien dauerhaft bewahrt werden Das galt auch fuumlr groszlige Datenmengen des ab 1997 eingesetzten Array-Spektrometers zur Messung der relativen spektralen Leistungsverteilung der Strahlung synchron zur Lichtstrombestimmung Leider wiesen Photometer und Einkoppeloptik des Array-Spektrometers unterschiedliche Gesichtsfel-der auf und hatten etwas unterschiedliche Positi-onen auf dem Goniophotometer was die Daten-analyse komplizierte Dennoch konnten erstmalig raumlumliche spektrale Informationen uumlber zu untersuchende Lampen ermittelt werden Damit erfuumlllte das groszlige Kardan-Goniophotometer in seiner Ausbaustufe von 1997 die Anforderungen 1ndash14 aus Abschnitt 2 Die relative erweiterte Mes-sunsicherheit fuumlr den Lichtstrom fuumlr k = 2 betrug jetzt 060

222 Kleines Kardan-Goniophotometer

Fuumlr die Messung kleiner Lampen und LEDs wurde in den fruumlhen 1980er-Jahren ein dem groszligen Kardan-Goniophotometer sehr aumlhnliches kleines Kardan-Goniophotometer mit einem Messra-dius von nur 300 mm entwickelt hergestellt und

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PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4Das Jahr des Lichtes

betrieben Das Foto in Bild 6 zeigt dieses seinerzeit sogenannte bdquoMini-Goniophotometerldquo

Die Messtechnik entsprach nahezu vollstaumln-dig dem groszligen Kardan-Goniophotometer bis hin zum Signalfluss einschlieszliglich Spannungs-Frequenzwandler und nachgeschalteten Zaumlhlern Damit sind alle Aspekte dieser Apparatur bereits in Abschnitt 221 diskutiertIm Jahre 2007 wurde dieses Instrument durch ein spezielles Goniophotometer fuumlr die Messung von LEDs ersetzt siehe auch Kapitel Metrologie fuumlr moderne Lichtquellen LEDs und OLEDs [10]

23 Roboter-Goniophotometer (2006 bis heute)

Am Ende der 1990er-Jahre wurde die Planung eines neuen Goniophotometertyps mehr und mehr konkret Nahezu gleichzeitig entschied sich die PTB fuumlr den Neubau eines modernen Gebaumludes fuumlr die Abteilung Optik dem heutigen Albert-Einstein-Bau Infolge dieses Zusammentreffens

beider Ereignisse konnte bei der Planung das neue Gebaumlude quasi um das neue Roboter-Goniopho-tometer herum geplant und spaumlter auch so gebaut werden

In 19951996 zeigte G Sauter dass Gonio-photometrie mittels Robotern moumlglich ist und erhebliche Vorteile gegenuumlber den bisher verwendeten Kardan-Goniophotometern auf-weist [8] Wie weiterhin in [8] beschrieben sind sogenannte Service-Roboter gut geeignet um ein Roboter-Goniophotometer zu realisieren Diese zeichnen sich durch eine schlanke Konstruktion mit langen Armen bei gleichzeitig relativ gerin-gem Gewicht aus Sie verfuumlgen uumlber eine hohe Flexibilitaumlt um beispielsweise ein Photometer auf gewuumlnschten Bahnen mit unterschiedlichen Radien (1000 mm lt r lt 3000 mm) auf der fiktiven Kugeloberflaumlche um die Lampe herumzufuumlhren Jeder Roboter verfuumlgt uumlber 7 Freiheitsgrade (engl seven degrees of freedom 7 DOF) Dies garantiert die notwendige Flexibilitaumlt und das erforderli-che Arbeitsvolumen Zur Abdeckung des vollen Raumwinkels 4π sr sind daher 2 der beschriebenen Roboter notwendig Ein dritter aumlhnlicher Roboter positioniert dabei die zu untersuchende Lampe in der gewuumlnschten Brennstellung im Raum Alle Roboter-Basen sind direkt mit dem Stahlbeton des Gebaumludes verbunden um eine langzeitstabile raumlumliche Positionierung der Roboter zu gewaumlhr-leisten Bild 8 zeigt das Roboter-Goniophotometer waumlhrend der Messung einer LED-Signalleuchte

Im Gegensatz zu Kardan-Goniophotometern ist der Messradius variabel in dem alle 7 Achsen in entsprechende Positionen gebracht werden Wegen der groszligen Redundanz eines 7-DOF-Roboters kann die Zielposition einschlieszliglich Orientierung durch eine sehr groszlige Anzahl unter-schiedlicher Einstellungen der 7 Achsen erreicht werden Daher wird eine Strategie benoumltigt um die jeweilige Achs einstellung zu finden Diese

Bild 6 Kleines Kardan-Goniophotometer 1982ndash2007

Bild 7 Arm des Roboter-Goniophotometers

Bild 8 Roboter-Goniophotometer 2006 bis heute

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PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4 Kurze Geschichte der Goniophotometrie in der PTB

Strategie ist relativ simpel Sie besagt dass alle Achseinstellungen derart gefunden werden dass saumlmtliche Bestandteile des Roboters einen maxi-malen Abstand zum Zentrum des Roboters haben sollen um das von der Roboterstruktur reflektierte Streulicht moumlglichst gering zu halten Eine beson-dere Software ist notwendig um alle Achswinkel ausgedruumlckt in counts jedes Winkelencoders fuumlr jede Achse zu bestimmen um die gewuumlnschten Kugelkoordinaten (r ϑ φ) anzufahren Waumlhrend der Messung der zu untersuchenden Lampe liest das Roboter-Kontrollsystem alle 10 ms diese counts jeder Achse und versucht jede Achse entsprechend diese Vorgabe einzustel-len Nach dieser Einstellung welche fuumlr alle 7 Achsen gleichzeitig erfolgt werden die Ist-Winkel jeder Achse wiederum in counts synchron gelesen und mit den zugehoumlrigen photo-metrischen Daten und elek trischen Daten des Lampenbetriebs in eine Datenbank gespeichert Prinzipiell ist der Signal-fluss dem des in Abschnitt 221 beschriebenen groszligen Kardan-Goniophotometers sehr aumlhnlich Aber es gibt ein zusaumltzliches wichtiges Element den sogenannten Zeitstempel Da ein weit verteiltes Datenerfassungssystem vorliegt wird ein Mecha-nismus zur Datensynchronisierung in Form eines 1-Mhz-Taktes verwendet Dieser ist im gesamten System verfuumlgbar Beim Messungsstart synchron gestartete Zaumlhler erlauben daher die spaumltere Synchronisierung aller angefallenen Daten Wie beschrieben ist die Position jeder Achse und damit die Position und Orientierung des Photometers das Ergebnis eines Regelprozesses Somit ist es not-wendig die tatsaumlchliche Position und Orientierung des Photometers aus den gespeicherten Daten der Winkelencoder zu berechnen

In der Robotik ist es uumlblich einen Roboter des

verwendeten Typs wie eine biegesteife mechani-sche Kette mit sogenannten Denavit-Hartenberg-Parametern (DH-Parameter) zu beschreiben [9] Die Tabelle 1 zeigt diese DH-Parameter am Beispiel des Roboters 1

Mit diesen Parametern und den aktuellen Winkeln θi fuumlr jede Achse ist die Berechnung der Position bzw Orientierung der siebten Achse in Basis-Koordinatensystem des Roboters moumlglich Hierzu werden 7 Matrizen nach Gleichung (18) ver-wendet Jede Matrize beschreibt die Position (blau) und Orientierung (gruumln) jeder einzelnen Achse

Die PositionierungOrientierung der Achse 7 ergibt sich aus dem Vektorprodukt T1 T2 T3 T4 T5 T6 T7

Um jedoch die Koordinaten in Bezug auf das Koordinatensystem der fiktiven Kugel zu erhalten muumlssen 2 weitere aumlhnliche Matrizen verwendet werden Die sogenannte Base Frame Matrix F beschreibt die Positionierung und Orientierung des Roboter-Koordinatensystems zum Koor-dinatensystem der fiktiven Kugel waumlhrend die Matrix W die Positionierung und Orientierung des Photometers zur Achse 7 beschreibt Nun laumlsst sich die Position und Orientierung des Photome-ters P im Koordinatensystem der fiktiven Kugel mit Gleichung (19) beschreiben

P = F T1 T2 T3 T4 T5 T6 T7 W (19)

axisi Δθi offset to rotation around Z-axis

αi rotation around X-axis

di

translation in Z-axis

αi

translation in X-axis

1 ndash1438deg 45024deg 0000 mm ndash0400 mm

2 191088deg ndash90026deg 2686322 mm 0696 mm

3 178585deg 89996deg 274088 mm 0781 mm

4 6229deg ndash90022deg 1410499 mm 0474 mm

5 ndash0141deg ndash89955deg 173036 mm ndash0779 mm

6 ndash0924deg 90032deg 1191007 mm 0223 mm

7 180443deg 90007deg 91130 mm 0000 mm

Tabelle 1 DH-Parameter von Roboter 1

T

a

i

i i i i i i i i i i i

=

+( ) minus +( ) +( ) +cos sin cos sin sin cos∆ ∆ ∆ ∆θ θ θ θ α θ θ α θ θ(( )+( ) +( ) minus +( ) +sin cos cos cos sin sin∆ ∆ ∆ ∆θ θ θ θ α θ θ α θ θi i i i i i i i i i ia (( )

00 0 0 1

sin cosα αi i id

(18)

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PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4Das Jahr des Lichtes

Bild 9 zeigt die Achsenkoordinatensysteme (17) das Base-Frame-Koordinatensystem und das Koordinatensystem des Photometers zur Achse 7 in schematischer Weise Das Koordinatensys-tem der fiktiven Kugel faumlllt mit dem Zentrum des Goniophotometers zusammen und wird mit Center bezeichnet P ist jetzt auf dieses Center-Koordinatensystem bezogen Zusaumltzlich ist eine typische Bahn eingezeichnet Wegen des aller-dings nicht dargestellten Lampenhalters ist diese Bahn im oberen Bereich verdichtet um eine Kollision mit dem Lampenhalter zu vermeiden Wie bereits erwaumlhnt setzt die Verwendung von Gleichung (19) einen biegesteifen Roboter voraus der in der Praxis nicht existiert P ist also von statischen Gewichtskraumlften des Roboters dyna-mischen Kraumlften infolge der Bewegung als auch von thermischen Laumlngenaumlnderungen uumlberlagert Daher muss Gleichung (19) um eine entspre-chende Korrektur C erweitert werden Glei-chung (20) zeigt nun das endguumlltige Modell zur Bestimmung von P

wobei C

t tT Rθ θ

θ θ1 7

1 7 dd

dd amb

diese finale Korrektur basierend auf den Winkeln θ1θ7 aller Achsen ihren zeitlichen Ableitungen

dd

dd

θ θ1 7

t t

und der Umgebungstemperatur Tamb beschreibt

Der letzte Parameter R steht fuumlr einen groszligen Datensatz und beschreibt Eigenschaften des Roboters wie Abmessungen Teilmassen usw Die Berechnung von C() ist aufwendig und wurde vom Hersteller des Roboters ausgefuumlhrt Aus Gruumlnden des Wettbewerbs muss diese Berechnung vertrau-lich behandelt werden und kann daher hier nicht veroumlffentlicht werden Jedoch kann die Wirkung von C() beispielhaft auf den Messradius mitgeteilt werden (siehe Bild 10)

Die noumltige Radiuskorrektur rcorr bewegt sich im Bereich ndash2 mm lt rcorr lt 3 mm je nach Position (θ φ) des Photometers Der Aumlquatorbereich benouml-tigt eine groumlszligere Korrektur infolge hier wirksamer groumlszligerer Zentrifugalkraumlfte als die Polregion Der Radius selbst laumlsst sich dann aus der Positionssub-matrix von P bestimmen

Der Signalfluss stimmt im Wesentlichen mit dem wie in Bild 5 gezeigt uumlberein Prinzipiell kann der Lichtstrom mit den Gleichungen (11) und (10) berechnet werden da aber nun 2 Photometer benutzt werden muss dies fuumlr jede Hemisphaumlre also fuumlr jeden Roboter separat geschehen Die Gleichungen (21) und (22) demonstrieren das

Bild 9 Koordinatensystem des Roboter-Gonio-photometers und Beispielbahn

P Ct t

T R F T T T T T T=

sdot sdot sdot sdot sdot sdot sdot sdotθ θ

θ θ1 7

1 71 2 3 4 5 6

dd

dd amb TT W7 sdot

(20)

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PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4 Kurze Geschichte der Goniophotometrie in der PTB

fuumlr Roboter 1 Der Radius r1i befindet sich dabei innerhalb der Summation von Gleichung (22) Das Roboter-Goniophotometer ist zusaumltzlich mit einem Monitorphotometer ausgeruumlstet Dieses Photometer wird waumlhrend der Messung nicht bewegt ist aber staumlndig von einem fixen Punkt aus auf die zu untersuchende Lampe gerichtet und erlaubt somit die Korrektur einer moumlglichen Alterung der Lampe waumlhrend des Messprozesses als Funktion der Zeit (cmon(t1i))

Es w R

fyt

fi jj

ni j

i j1

1 1 11

1

1

11 0

12

1

=

( )sdot minus

=sumπ

ϕf g

q∆∆

∆

(21)

Φ1 1 1 12

1 1 1 12= sdot sdot sdot sdot ( ) sdot minus( )+c c r c ti i i ii

str spec mon cos cosπ ϑ ϑ==

minus

sum sdot0

1

1

1m

iE

(22)

Roboter 2 wird in gleicher Weise behandelt und der Lichtstrom ergibt sich somit aus der Summe von Φ1 und Φ2 korrigiert mit dem elektrischen Korrekturfaktor celec aus Gleichung (15)

Φ Φ Φ= sdot +( )celec 1 2 (23)

Die Bestimmung der Streulichtkorrektur cstr unter-scheidet sich methodisch von jener des Kardan-Goniophotometers Es ist schwierig Blenden zwischen Photometer und Lampe zu positionieren wie in [5] beschrieben Hier wird die Streulicht-korrektur cstr direkt aus der Leuchtdichteverteilung auf den Waumlnden des Messraums bestimmt Mit der Kenntnis der geometrischen und photometrischen Eigenschaften des Raumes der raumlumlichen Licht-staumlrkeverteilung der Lampe und dem verwendeten Streulichttubus vor dem Photometer lieszlige sich die Streulichtkorrektur cstr berechnen Hier jedoch wird diese Korrektur mit sogenannten Back-Loo-king-Photometern bestimmt [11]

Bild 11 zeigt ein Foto der bdquoRoboterhandldquo mit mon-tiertem Photometer und Back-Looking-Photometer Letzteres ist ein wenig schraumlg ausgerichtet um nicht im Bereich des Schattenwurfs des Photome-ters auf den Waumlnden zu messen

Bild 12 zeigt beispielhaft eine typische in finite Flaumlchenelemente gerasterte Streulichtsituation im Goniophotometermessraum wie sie durch die zu untersuchende Lichtquelle generiert wird Dieses Beispiel arbeitet mit finiten Flaumlchen der Groumlszlige 05 m middot 05 m um die Flaumlchen sichtbar zu machen Zur realen Berechnung werden Flaumlchen der Groumlszlige 01 m middot 01 m verwendet Natuumlrlich ist der Streulichtanteil auf der aktiven Flaumlche des

Bild 10Wirkung der Radiuskorrektur

Bild 11 Photometer (links) und Back-Looking-Photometer (rechts)

Bild 12 Wirkung des Streulichts und seine Bestimmung

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PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4Das Jahr des Lichtes

Photometers eine Funktion des Gesichtsfeldes des jeweils verwendeten Streulichttubus vor dem Photometer Derzeit werden 2 Tuben je nach Groumlszlige der Lichtquelle mit Oumlffnungswinkeln von ca 15deg und ca 225deg verwendet Ihre typischen Korrekturwerte betragen etwa 09995 und 09990 Da jeder Messroboter mit diesem Back-Looking-Photometer ausgeruumlstet ist kann so der Streulicht-anteil fuumlr jedes Photometer bestimmt werden Da die Back-Looking-Photometer bdquoruumlckwaumlrtsldquo gerichtet sind wird also jeweils die Streulichtkorrektur fuumlr den gegenuumlberliegenden Messroboter bestimmt Damit ist es moumlglich den Wert des Lichtstroms mit zugehoumlriger Messunsicherheit zu bestimmen Tabelle 2 illustriert Ergebnisse einer vereinfachten Monte-Carlo-Simulation (MC) am Beispiel einer OSRAM-Wi4-Lichtstrom-Normallampe Ihre Lichtstaumlrkeverteilung ist in Bild 13 wiedergegeben

Die MC basiert auf den folgenden Gleichun-gen (24) Werte der wichtigsten Beitraumlge zur Mes-sunsicherheit koumlnnen der Tabelle 2 entnommen werden Eine detailliertere Beschreibung der Roboter und Analyse der Messunsicherheit kann [12] entnom-men werden

Bild 13 Raumlumliche Lichtstaumlrkeverteilung einer OSRAM-Wi4-Lichtstrom-Normallampe

Quantity Symbol Value Uncertainty Unit Sensitivity Contribution lm Relative contribution

Luminous responsivity 1 s1 3065E-10 9195E-13 A lxndash1 188E+12 173 000150

Luminous responsivity 2 s2 4111E-10 12333E-12 A lxndash1 143E+12 177 000153

Spectral matching exponent 1 m2 y 0021 0015 1 20 030 000026

Spectral matching exponent 2 m2 y 0036 0015 1 18 027 000023

CCT or distribution temperature T 2762 10 K 0012 012 000011

Uncertainty in r Δr 0000 00020 m 901 180 000156

Calibration factor for frequency F cFH 1000 00005 1 1141 057 000049

Calibration factor for frequency ƒ cFD 1000 00050 1 104 005 000005

Voltage to frequency converter 1 w1 f 500849 25 Hz Vndash1 0012 031 000027

Voltage to frequency converter 2 w2 f 500561 25 Hz Vndash1 00118 029 000026

Amplification gain 1 R1 g 1000E+09 99996 Ω 6223E-07 006 000005

Amplification gain 2 R2 g 9997E+08 99966 Ω 5430E-07 005 000005

Calibration factor for cmon ccm 1000 00005 1 1162 058 000050

Correction factor for stray light cstr 09995 00005 1 1134 057 000049

Luminous flux Φ 11541 327 00028

Tabelle 2 Unsicherheitsbudget

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PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4 Kurze Geschichte der Goniophotometrie in der PTB

Somit ergibt sich zurzeit eine erweiterte Mess-unsichert von 056 fuumlr k = 2 Dies entspricht etwa der Messunsicherheit welche mit dem groszligen Kardan-Goniophotometer erreichbar war Im Unterschied zum Kardan-Goniophotometer (fester Messradius) verfuumlgt das Roboter-Goniophotometer jedoch uumlber die noumltige hohe Flexibilitaumlt (z B durch Variation des Messradius) die noumltig ist um kuumlnftige Anforderungen erfuumlllen zu koumlnnen Eben diese hohe Flexibilitaumlt fuumlhrt bei der Bestimmung des Messradius zu relativ groszligen Messunsicherheiten Hier koumlnnte die Verwendung einer Lookup-Table oder eine On-Line-Verfolgung mittels Tracer-Syste-men der Bahnen diese Unsicherheit verkleinernMittlerweile ist das Roboter-Goniophotometer voll-staumlndig charakterisiert und wird fuumlr beleuchtungs-staumlrkebasierte Lichtstromkalibrierungen und auch fuumlr internationale Vergleiche eingesetzt Damit werden auch die Anforderungen (15ndash17) erfuumllltIm naumlchsten Schritt wird das Roboter-Goniopho-tometer mit Leuchtdichtemesskameras ausgeruumlstet

werden um es als bdquoNahfeld-Goniophotometerrdquo einzusetzen Es wird dann die direkte Messung der Leuchtdichteverteilung erlauben aus welcher nahezu alle noumltigen photometrischen Groumlszligen abgeleitet werden koumlnnen Dieser kuumlnftige Schritt wird dann auch den letzten Punkt (18) der Anfor-derungen erfuumlllen

3 Zusammenfassung

Die Geschichte der Goniophotometrie in der PTB uumlber einen Zeitraum von mehr als 50 Jahren wird praumlsentiert Verschiedene Goniophotometer ange-fangen vom manuell bewegten Einarm-Goniopho-tometer mit visuellem Photometer uumlber das groszlige und kleine Kardan-Goniophotometer bis hin zum bdquoState-of-the-art-Roboter-Goniophotometerldquo fuumlr das 21 Jahrhundert werden beschrieben Das Letztere hat das Potenzial in der traditionellen Betriebsart aber auch im Nahfeldmodus uumlber viele Jahre eingesetzt zu werden Neu aufkommende

Quantity Symbol Value Uncertainty Unit Sensitivity Contribution lm Relative contribution

Luminous responsivity 1 s1 3065E-10 9195E-13 A lxndash1 188E+12 173 000150

Luminous responsivity 2 s2 4111E-10 12333E-12 A lxndash1 143E+12 177 000153

Spectral matching exponent 1 m2 y 0021 0015 1 20 030 000026

Spectral matching exponent 2 m2 y 0036 0015 1 18 027 000023

CCT or distribution temperature T 2762 10 K 0012 012 000011

Uncertainty in r Δr 0000 00020 m 901 180 000156

Calibration factor for frequency F cFH 1000 00005 1 1141 057 000049

Calibration factor for frequency ƒ cFD 1000 00050 1 104 005 000005

Voltage to frequency converter 1 w1 f 500849 25 Hz Vndash1 0012 031 000027

Voltage to frequency converter 2 w2 f 500561 25 Hz Vndash1 00118 029 000026

Amplification gain 1 R1 g 1000E+09 99996 Ω 6223E-07 006 000005

Amplification gain 2 R2 g 9997E+08 99966 Ω 5430E-07 005 000005

Calibration factor for cmon ccm 1000 00005 1 1162 058 000050

Correction factor for stray light cstr 09995 00005 1 1134 057 000049

Luminous flux Φ 11541 327 00028

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(24)

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PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4Das Jahr des Lichtes

Anforderungen fuumlr die Ruumlckfuumlhrung photome-trischer Einheiten wie beispielsweise im Solid-State-Lighting-Bereich koumlnnen so erfuumlllt werden

Literatur

[1] Y Ohno 1995 Realization of NIST Luminous Flux Scale Using an Integrating Sphere with an External Source CIE Proceedings 23rd Session New Delhi

[2] R Sewig 1938 Handbuch der Lichttechnik Band 1 pp 319 321 Berlin Springer Verlag

[3] D Foumlrste 1966 Zur Lichtstrommessung an Lam-pen mit ungleichmaumlszligiger Lichtverteilung PTB-Mitteilungen 166 pp 18ndash20 Braunschweig PTB

[4] D Foumlrste 1979 Ein Goniophotometer zur genauen Bestimmung des Lichtstroms Licht-Forschung 1 Jahrgang 379 pp 30ndash36 Heidelberg Huumlthig Verlag

[5] D Foumlrste 1980 Elimination des Fremdlichts bei der Lichtstrombestimmung mit dem Gonio-photometer Licht-Forschung 2 Jahrgang 180 pp 27ndash29 Heidelberg Huumlthig Verlag

[6] W Erb 1997 PTB Network for realization and maintenance of the candela Metrologia 3497 pp 115ndash124 Bristol UK

[7] G Sauter 1996 Kalibrierung von Lichtstaumlrke-Normallampen und Angabe der Messunsicherheit PTB interner Bericht Braunschweig PTB

[8] G Sauter 1996 Goniophotometry new calibra-tion method and instrument design Metrologia 32 (199596) pp 685ndash688 Bristol UK

[9] httpenwikipediaorgwikiDenavit-Hartenberg_Parameters (letzter Aufruf 03122015)

[10] M Lindemann 2009 Photometry and Colori-metry of Reference LEDs by Using a Compact Goniophotometer MAPAN ndash Journal of Metro-logy Society of India Vol 24 No 3 pp 143ndash152 New Delhi India

[11] G Bizjak 2009 Determination of Stray Light at the PTB Goniophotometer Facility MAPAN ndash Jour-nal of Metrology Society of India Vol 24 No 3 pp 163ndash173 New Delhi India

[12] M Lindemann et al 2015 Robot goniopho-tometry at PTB Metrologia 52 pp 167ndash194 Bristol UK

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PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4Das Jahr des Lichtes

1 Eine einleitende Beschreibung von Gluumlhlampen LEDs und OLEDs

Der Einsatz Licht Emittierender Dioden (LED) in der Allgemeinbeleuchtung hat in den vergangenen Jahren erheblich zugenommen Ein entscheiden-der Vorteil der LED gegenuumlber der traditionellen Gluumlhlampe liegt in ihrer uumlberlegenen Lichtaus-beute ηv ndash dem Verhaumlltnis des emittierten Licht-stroms Φv und der aufgenommenen elektrischen Leistung Pel angegeben in LumenWatt

Dieser Vorteil beruht auf den Unterschieden der zugrunde liegenden Technologien der Lichterzeu-gung beider Lampentypen Bei einer (Halogen-)Gluumlhlampe wird der Gluumlhfaden durch elektrischen Strom auf Temperaturen um 3000 K aufgeheizt Obwohl hierbei fast die gesamte elektrische Leis-tung in Strahlung umgewandelt wird ndash Verluste durch thermische Konvektion oder Waumlrmeleitung sind gering ndash kann das menschliche Auge lediglich einen geringen spektralen Anteil der ungefaumlhr 5 der Gesamtstrahlungsleistung ausmacht wahr-nehmen Der Groszligteil der Strahlungsleistung liegt im infraroten Spektralbereich und kann nicht fuumlr Beleuchtungszwecke genutzt werden In Bild 1 ist die spektrale Verteilung einer Gluumlhlampe bei einer Temperatur von 2856 K im Spektralbereich

von 300 nm bis 1200 nm dargestellt Das sichtbare Licht im Spektralbereich zwischen 360 nm und 830 nm ist mit den entsprechenden Spektralfarben hinterlegt Oberhalb 830 nm beginnt der fuumlr das menschliche Auge unsichtbare infrarote Anteil der Strahlung

Der fuumlr photometrische Messungen normativ festgelegte spektrale Hellempfindlichkeitsgrad V(λ) also die Hellempfindlichkeit des Auges eines bdquoNormalbeobachtersldquo ist mit seinem Maximum bei 555 nm schwarz eingezeichnet

Da die Gluumlhlampe eine thermische Strahlungs-quelle ist verschiebt sich mit zunehmender Tem-peratur die Lage des Strahlungsmaximums ent-sprechend des Wienschen Verschiebungsgesetzes zu kuumlrzeren Wellenlaumlngen Um die Lichtausbeute von Gluumlhlampen zu erhoumlhen muumlsste man das Strah-lungsmaximum durch Temperaturerhoumlhung in den kurzwelligeren Bereich des sichtbaren Lichts verschieben Die Maximaltemperatur ist jedoch bei Gluumlhfaumlden aus Wolfram auf etwa 3000 K begrenzt ndash bei houmlheren Temperaturen nimmt die Lebensdauer drastisch ab

Das Funktionsprinzip einer LED-Lichtquelle basiert auf dem Phaumlnomen der Elektrolumines-zenz Der prinzipielle Aufbau einer LED aumlhnelt einer pn-Halbleiterdiode Durch Anlegen einer Gleichspannung rekombinieren Ladungstraumlger in der p-n-Grenzschicht der Leuchtdiode unter Emission von Strahlung Durch gezielte Auswahl der verwendeten Halbleitermaterialien und ihrer Dotierung wird deren Bandluumlcke und somit die Farbe des emittierten Lichtes bestimmt Im Jahr 1992 gelang der Durchbruch in der Entwicklung hocheffizienter blauer LEDs die den Einsatz von LEDs zur Allgemeinbeleuchtung erst ermoumlgli-chen Die zugrunde liegenden Forschungsarbei-ten wurden 2014 mit dem Nobelpreis fuumlr Physik gewuumlrdigt [1]

Eine schmalbandige Lichtemission ist charak-teristisch fuumlr LEDs Dementsprechend verfuumlgt ihr Licht uumlber eine hohe Farbsaumlttigung Durch die Bedeckung des LED-Chips mit breitbandig pho-tolumineszierenden Farbstoffen wird ein Teil der Strahlung in energieaumlrmeres langwelligeres Licht konvertiert und es entstehen Mischfarben wie

Metrologie fuumlr moderne Lichtquellen LEDs und OLEDs Thorsten Gerloff

Thorsten Gerloff Arbeitsgruppe bdquoPhotometrieldquo EshyMail thorstengerloffptbde

Bild 1 Spektrale Verteilung einer Gluumlhlampe und spektraler Hellempfindlichkeitsgrad (V(λ)-Funktion)

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PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4 Metrologie fuumlr moderne Lichtquellen

i Infokasten LED

Lichtausbeute einer Strahlungsquelle ηv

Die Lichtausbeute einer Strahlungsquelle gibt das Verhaumlltnis aus ausgestrahltem Lichtstrom und aufgenommener elektrischer Leistung an Die Einheit ist LumenWatt (lmW) Je houmlher die Lichtausbeute ist umso energieeffizienter ist die Beleuchtung Gluumlhlampen besitzen Lichtausbeuten zwischen 10 und 20 lmW

Lichtstrom Φv

Der Lichtstrom beruumlcksichtigt den Hellempfind-lichkeitsgrad V(λ) des Auges und gibt die in alle Raumrichtungen abgegebene bdquoLichtleistungldquo einer Lampe an Der Lichtstrom enthaumllt keine Information daruumlber wie die Lampe das Licht im Raum verteilt Der Lichtstrom gibt an wie hell ein beleuchteter Raum dem Menschen erscheint

Spektraler Hellempfindlichkeitsgrad V(λ)

Der exakt definierte spektrale Hellempfindlich-keitsgrad V(λ) ist eine Bewertungsfunktion fuumlr elektromagnetische Strahlung Hiermit wird der bdquoHelligkeitseindruck eines menschlichen Durch-schnittsaugesldquo berechnet Dies ermoumlglicht den objektiven Vergleich von Lichtquellen mit physika-lischen Messmethoden Subjektive Wahrnehmun-gen einzelner Menschen koumlnnen damit nicht exakt wiedergegeben werden

Aumlhnlichste Farbtemperatur TN

Es gibt unterschiedliche Farbtemperaturen in der Photometrie Verhaumlltnis- und Verteilungstem-peratur sind nur bei thermischen Strahlern wie der Gluumlhlampe anwendbar Nur die aumlhnlichste Farbtemperatur (englisch Correlated Colour Temperature CCT) laumlsst sich fuumlr Lichtquellen mit beliebiger spektraler Zusammensetzung berech-nen sofern die Normfarbwertanteile aumlhnlich einem thermischen Strahler sind Die aumlhnlichste Farbtemperatur wird in der Einheit Kelvin (K) angegeben Sie gibt an ob das Licht warmweiszlig (ca 3000 K) neutralweiszlig (ca 4500 K) oder tages-lichtweiszlig (gt5500 K) erscheint

Normfarbwertanteile (x y)

Fuumlr die Angabe von Farbe gibt es neben dem spek-tralen Hellempfindlichkeitsgrad V(λ)noch weitere definierte Bewertungsfunktionen Hiermit laumlsst sich die Farbwahrnehmung eines fiktive Normalbeob-achters aus der gemessenen spektralen Verteilung des Lichts durch Angabe von nur zwei Werten (x und y) angeben Diese Werte geben die Koordi-naten auf der Normfarbtafel (s Abbildung) an

Normfarbtafel

Farbwiedergabeindex Ra

Der Farbwiedergabeindex ist eine Kennzahl fuumlr Lichtquellen der bewertet die Qualitaumlt der Farb-wiedergabe Je houmlher der Wert desto besser ist die Farbwiedergabe Der Maximalwert liegt bei 100 Werte zwischen 90 und 100 geben eine ausgezeich-nete Farbwiedergabe an Werte unter 80 sind fuumlr viele Anwendungen nicht ausreichend

Im Folgenden soll ein kleiner Leitfaden gegeben werden der in allgemeinverstaumlndlicher Form die grundlegenden Ideen wichtiger lichttechnischer Groumlszligen erlaumlutern soll Komplexe Details der zugrunde liegenden Normen und Definitionen werden hierbei nicht beruumlcksichtigt

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PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4Das Jahr des Lichtes

Pastellfarbtoumlne oder auch weiszliges LichtIn Bild 2 sind die spektralen Verteilungen einer

LED mit und ohne Leuchtstoff abgebildet In der linken Abbildung erkennt man die schmalbandige blaue Emission des LED-Chips In der rechten Abbildung wird ein Teil dieser Strahlung durch einen Leuchtstoff in laumlngerwelliges Licht konver-tiert und die Mischfarbe erscheint weiszlig

Der Vorteil einer LED gegenuumlber einer Gluumlh-lampe bezuumlglich der Lichtausbeute ist offensicht-lich Es wird ndash von unvermeidbarer thermischer Verlustleistung abgesehen ndash nur Strahlung im sichtbaren Wellenlaumlngenbereich emittiert Daruumlber hinaus ist die Farbe des Lichts von LEDs durch Kombination verschiedener Leuchtstoffe und LEDs nahezu beliebig einstellbar und man ist nicht auf aumlhnlichste Farbtemperaturen von ca 3000 K wie bei der Gluumlhlampe begrenzt

Allerdings gibt es auch Nachteile gegenuumlber dem Licht einer Gluumlhlampe Dem typischen Spektrum einer LED-Lichtquelle fehlen im Gegensatz zu Sonnenlicht oder Gluumlhlampenlicht einzelne Spekt-ralfarben Dies macht sich negativ bei der Qualitaumlt der Farbwiedergabe bemerkbar

Die Farbe des emittierten Lichts einer LED laumlsst sich durch additive Farbmischung sehr aumlhnlich zu Sonnenlicht oder auch Gluumlhlampenlicht einstellen Wenn jedoch Objekte mit Licht beleuchtet werden kommt es auch auf die spektrale Zusammensetzung des Lichts an Nehmen wir einen Blumenstrauszlig aus roten Rosen der im Tageslicht steht Im Son-nenlicht sind alle Spektralfarben vorhanden und diese beleuchten die Rosen Die roten Bluumltenblaumltter absorbieren einige spektrale Anteile des Lichts und reflektieren im Wesentlichen rotes Licht welches in das Auge des Betrachters faumlllt Wenn die Rosen von einer anderen Lichtquelle beleuchtet werden in der die roten Spektralanteile zumindest teilweise fehlen koumlnnen diese nicht reflektiert werden und die Farben der Rosen erscheinen unnatuumlrlich

Dies ist von weitreichender Bedeutung fuumlr die Wahl einer geeigneten Lichtquelle da wir einen Kompromiss aus Licht mit guter Farbwieder-gabe und hoher Lichtausbeute schlieszligen muumlssen Licht mit hoher Farbwiedergabe setzt sich aus moumlglichst vielen Spektralfarben zusammen und Lichtquellen mit hoher Lichtausbeute sollten nur Spektralfarben beinhalten fuumlr die das menschliche Auge besonders empfindlich ist In den Auszligenbe-zirken vieler Staumldte werden zur Nachtbeleuchtung der Gehwege haumlufig Natriumdampflampen mit orangefarbenem Licht eingesetzt Die Lichtaus-beute dieser Lampen ist mit etwa 150 lmW auszligerordentlich hoch da das menschliche Auge in diesem Spektralbereich sehr empfindlich ist Diese Beleuchtung ist jedoch ungeeignet um Farben natuumlrlich wiederzugeben Aufgrund des Aufbaus des menschlichen Auges ist es also nicht moumlglich eine Beleuchtung mit sehr hoher Qualitaumlt der Farbwiedergabe bei gleichzeitig sehr hoher Lichtausbeute zu realisieren

Weiszlige LEDs zur Allgemeinbeleuchtung nutzen in der Regel Leuchtstoffe die teilweise qualita-tiv hochwertige Farbwiedergabeeigenschaften besitzen Eine weitere Methode zur Erzeugung von weiszligem Licht ist das Mischen von rotem gruumlnem und blauem Licht (RGB-Verfahren) welches die Grundlage jedes Displays ist Hierbei sind neben weiszligem Licht auch andere Lichtfarben moumlglich ndash die Farbwiedergabeeigenschaften sind allerdings schlecht Fuumlr die Endverbraucher sind in der Regel die Farbwiedergabeeigenschaften von Lichtquellen als Ra-Werte auf der Verpackung angegeben

Organische Licht Emittierende Dioden (OLED) sind eine junge Beleuchtungstechnologie die noch keinen Zugang zum Massenmarkt erhalten hat Die weltweit erste kommerzielle OLED-Leuchte wurde 2008 vertrieben Der fuumlr den Nutzer wesentliche Unterschied zwischen OLEDs und LEDs besteht im Aufbau Der leuchtende Kristall

Bild 2 Spektrale Verteilung einer blauen LED (links) und einer weiszligen LED (rechts) bei der ein Teil des blauen Lichts zu gelbem Licht konvertiert wurde

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PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4 Metrologie fuumlr moderne Lichtquellen

anorganischer LEDs besitzt eine maximale Kan-tenlaumlnge von etwa einem Millimeter Bei OLEDs wird das Licht in groszligflaumlchigen amorphen organi-schen Schichten erzeugt Momentan sind OLEDs mit leuchtenden Flaumlchen von bis zu 20 x 20 cmsup2 erhaumlltlich Das Licht wird aumlhnlich wie bei LEDs durch Ladungstraumlgerrekombination unter Auftre-ten von Elektrolumineszenz erzeugt Dabei ist das Emissionsspektrum der verwendeten organischen Emittermaterialien wesentlich breitbandiger als das einer LED (vgl Bild 3) Daher wird das weiszlige Licht von OLEDs in der Regel durch Verwendung von roten gruumlnen und blauen Emittermaterialien erzeugt ohne dass die Farbwiedergabeeigenschaf-ten sehr stark darunter leiden

2 Entwicklung von (O)LED-Transfer-normalen in der PTB

Eine der Kernaufgaben der PTB ist die Weiter-gabe der gesetzlichen Einheiten Bis zum heuti-gen Tage bieten Transfernormale in Form von speziellen Gluumlhlampen die besten Eigenschaften um als Maszligverkoumlrperung der Einheiten Candela oder Lumen zu dienen Da der Anwender in der Regel jedoch die Substitutionsmethode bei seinen Messungen anwendet um notwendige Korrektu-ren auf ein Minimum zu reduzieren (Gleiches mit Gleichem vergleichen) sind auch Transfernormale auf Basis der LED-Technologie von Interesse

Bereits in den 80er-Jahren des vergangenen Jahr-hunderts wurden LEDs in der PTB kalibriert Diese waren fuumlr Beleuchtungszwecke noch ungeeignet und dienten lediglich als Signallampen Zeitgleich wurden die ersten PTB-LED-Transfernormale entwickelt deren optische Eigenschaften durch thermische Regelung des LED-Chips stabilisiert wurden Die mechanische Ausrichtung der LEDs leistet aufgrund des typischerweise stark gerichteten Abstrahlprofils der LEDs einen groszligen Beitrag auf die Messunsicherheit Daher werden die LEDs seit

2002 in ein rotationssymmetrisches robustes VA-Stahl-Gehaumluse eingebaut welches sich sehr repro-duzierbar ausrichten laumlsst (vgl Bild 4)

Diese Transfernormale werden unter Konstant-Strom-Bedingungen und ndash durch gezieltes Aufhei-zen des LED-Chips durch den Heizwiderstand ndash unter Konstant-Spannung-Bedingungen betrieben Aufgrund der halbleitenden Eigenschaften sinkt mit steigender Temperatur die Betriebsspannung und sowohl der Lichtstrom als auch die Peakwellenlaumlnge des emittierten Lichts veraumlndert sich Die Sollspan-nung wird auf einen Wert festgelegt der unterhalb der Gleichgewichtsspannung durch Eigenerwaumlr-mung im Betrieb ohne Heizwiderstand bei einer Umgebungstemperatur von etwa 35 degC liegt Somit ist auch ein Einsatz der Transfernormale in Laboren ohne Klimatisierung moumlglich

Fuumlr LEDs mit houmlheren Leistungen wurde im Jahr 2011 ein weiterer Prototyp eines Transfernormals vorgestellt (vgl Bild 5) Da die hier verwendeten LEDs eine houmlhere Leistungsaufnahme besitzen werden sie waumlrmer Das reduziert die Lebensdauer und Reproduzierbarkeit der photometrischen

Bild 3 Exemplarische spektrale Verteilung einer weiszligen OLED

Bild 4 Temperaturgeregeltes LED-Transfernormal auf Basis von Kleinleistungs-LEDs mit Lichtstroumlmen von bis zu 10 Lumen

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PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4Das Jahr des Lichtes

Groumlszligen deutlich Daher muumlssen sie gekuumlhlt werden Hierfuumlr kommt bei diesen Normalen ein Peltier-Element zum Einsatz welches geregelt Waumlrme in einen dahinterliegenden Kuumlhlkoumlrper leitet und hierdurch das emittierte Licht stabilisiert Diese Transfernormale zeichnen sich durch ein geringes

Gewicht bei einer Laumlnge von ca 100 mm und einem Durchmesser von etwa 20 mm aus Allerdings ist die Verwendung von LEDs mit sehr hohen Leistun-gen nicht moumlglich da die Abwaumlrme lediglich passiv an den Raum abgegeben wird Eine detaillierte Beschreibung der Eigenschaften dieses Transfer-normals wurde 2012 veroumlffentlicht [2]

Fuumlr die thermische Stabilisierung von LEDs mit sehr hohen Leistungen wurde ein weiteres Trans-fernormal unter Einsatz von Peltier-Elementen Heatpipes und aktivem Kuumlhlsystem in der PTB entwickelt (vgl Bild 6)

Im Rahmen des europaumlischen Forschungspro-jekts OLED100eu wurde in der PTB weiterhin das weltweit erste Transfernormal unter Einsatz einer organischen Leuchtdiode entwickelt (vgl Bild 7) Dieses Normal wurde fuumlr den Einsatz in einer Ulbricht-Kugel konzipiert und in ein mattes Aluminiumgehaumluse eingebaut Eine Besonderheit dieses Normals ist die Stand-Alone-Versorgungs-einheit die ohne Rechner o auml saumlmtliche relevan-ten elektrischen und thermischen Groumlszligen regelt und auf einem USB-Stick speichert

3 LED-Messtechnik in der PTB

Neben LED-Transfernormalen mit guter Reprodu-zierbarkeit ist eine hochentwickelte Messtechnik fuumlr deren Kalibrierung mit minimaler Messunsi-cherheit erforderlich

Die photometrische Beschreibung von LEDs erfolgt durch Angabe ihrer Lichtstaumlrke ILED mit der Einheit Candela und ihrem Lichtstrom ΦLED mit der Einheit Lumen Diese Groumlszligen werden in der PTB unter Verwendung ruumlckgefuumlhrter Photometer bestimmt Hierfuumlr wird die Beleuchtungsstaumlrke ELED unter definierten geometrischen Bedingungen fuumlr alle Abstrahlrichtungen der LED mit einem Goniophotometer gemessen

Fuumlr die Bestimmung der colorimetrischen Werte kommen Spektralradiometer zum Einsatz Hiermit werden spektrale Bestrahlungsstaumlrken gemessen und daraus die abgeleiteten colorime-

Bild 5 Temperaturgeregeltes LED-Transfernormal auf Basis von Hochleistungs-LEDs mit Lichtstroumlmen von bis zu 100 Lumen Im rechten Bild ist die Temperaturverteilung in Grad Celsius waumlhrend des Betriebs abgebildet

Bild 6 Temperaturgeregeltes LED-Transfernormal auf Basis von Houmlchstleistungs-LEDs mit Lichtstroumlmen von bis zu 2500 Lumen

Bild 7 Temperaturgeregeltes OLED-Transfernormal auf Basis kommerziell erhaumlltlicher OLEDs

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PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4 Metrologie fuumlr moderne Lichtquellen

trischen Kenngroumlszligen wie z B die Normfarb-wertanteile (x y) bei weiszligen LEDs die aumlhnlichste Farbtemperatur TN mit der Einheit Kelvin und bei farbigen LEDs die dominante Wellenlaumlnge λdom berechnet Grundlegende Informationen und Definitionen uumlber die photometrischen und colorimetrischen Groumlszligen und deren Messung sind in [3] [4] und [5] zu finden

In Bild 8 ist der Aufbau des LED-Messplatzes an der PTB zu sehen Fuumlr die Bestimmung der Mess-groumlszligen in alle raumlumlichen Abstrahlwinkel wird die LED durch ein Goniophotometer bewegt

Die LED wird in horizontaler Betriebslage zentrisch normal zur Referenzebene des Photo-meterkopfes ausgerichtet Ein Translationstisch ermoumlglicht dabei eine Variation des Abstandes d zwischen Photometer und LED Eine horizontale Rotationsachse (φ-Achse) und eine senkrechte Rotationsachse (ϑ-Achse) die sich an der LED-Spitze im rechten Winkel schneiden erlauben durch Drehung der LED eine Bestimmung der Beleuchtungsstaumlrke ELED in alle Raumrichtungen Beide Rotationsachsen werden waumlhrend der Messung zeitgleich bewegt Hierdurch bewegt sich die relative Position der lichtempfindlichen Emp-faumlngeroumlffnung bezuumlglich des Schnittpunkts beider Drehachsen auf der Oberflaumlche einer virtuellen Kugel entlang einer Spiralbahn von bdquoPol zu Polldquo dieser Kugel

Die Bestimmung des Lichtstroms ΦLED erfolgt analog der Beschreibung in dem Kapitel Kurze Geschichte der Goniophotometrie in der PTB Der wesentliche Unterschied zu goniophotome-trischen Messungen an Gluumlhlampen besteht darin dass bei LED-Messungen die Lichtquelle typischerweise bewegt werden kann ohne dass sich ihre optischen Eigenschaften aumlndernAufgrund des stetig wachsenden Bedarfs an ruumlck-gefuumlhrten Kalibrierungen von High-Power-LEDs sind Masse und Abmessungen der Transfernor-male erheblich gestiegen Daher wurde der Mess-platz 2015 um ein weiteres Goniophotometer fuumlr schwere und groszlige Objekte erweitert (vgl Bild 9)

Neben den photometrischen Empfaumlngern befinden sich auch Einkoppeloptiken fuumlr Spekt-ralradiometer auf dem drehbaren Empfaumlngerka-russell Alle Empfaumlnger lassen sich hiermit auto-matisiert waumlhrend einer Messung zu den LEDs ausrichten Vor jeder LED-Kalibrierung werden die Spektralradiometer bezuumlglich Ihrer spektralen Empfindlichkeit und Wellenlaumlnge kalibriert Die entsprechenden Normallampen befinden sich neben dem Empfaumlngerkarussell (vgl Bild 10) und ermoumlglichen so ebenfalls eine automatisierte Messung

Den spektralen Messungen an LEDs kommt neben der Notwendigkeit fuumlr die Bestimmung colorimetrischer Kennzahlen noch eine beson-dere Bedeutung fuumlr die photometrischen Messun-

Bild 9 Goniophotometer fuumlr photometrische Messungen an Hochleistungs-LEDs

Bild 10 Entladungslampen mit verschiedenen Gasfuumlllungen dienen der Wellenlaumlngenka-librierung der Spektrometer Im Hintergrund ist eine Bestrahlungsstaumlrke-Normal-lampe fuumlr die spektrale Empfindlichkeitskalibrierung zu sehen

Bild 8 Goniophotometer fuumlr photometrische Messungen an Kleinleistungs-LEDs

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PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4Das Jahr des Lichtes

gen zu Wie in der Einleitung erklaumlrt unterscheiden sich die spektralen Verteilungen von LEDs und Gluumlhlampen deutlich voneinander Photometerkoumlpfe bestehen in der Regel aus einer Silizium-Photodiode deren spektrale Empfindlichkeit durch den Einsatz von Glasfiltern moumlglichst gut an den Hellemp-findlichkeitsgrad V(λ) angepasst wird Aufgrund internationaler Standardisierung wird die photo-metrische Empfindlichkeit von Photometerkoumlpfen fast ausschlieszliglich fuumlr Normlichtart A kalibriert In der Praxis werden hierfuumlr Gluumlhlampen mit einer Verteilungstemperatur von 2856 K verwendet Wenn man ein solches Photometer fuumlr Messungen an anderen Gluumlhlampen verwendet sind die spektralen Verteilungen meist so aumlhnlich dass nur geringe oder gar vernachlaumlssigbare Korrekturen aufgrund der spektralen Fehlanpassung also der Abweichung der realen spektralen Empfindlichkeit des Photometers von dem Hellempfindlichkeitsgrad notwendig sind Wenn man ein solches Photometer jedoch bei LEDs insbesondere farbigen LEDs einsetzt koumlnnen die Abweichungen aufgrund der spektralen Fehlan-passung sehr groszlig werden (gt10 fuumlr hochwertige Photometerkoumlpfe sind moumlglich)

Mit Kenntnis der relativen spektralen Verteilung der Leuchtdiode SLED(λ) und der relativen spekt-ralen Empfindlichkeit srel(λ) laumlsst sich die spektrale Fehlanpassung durch folgenden Korrekturfaktor cSpek korrigieren

cV S

s S

V P T

sSpek

LED

rel LED

A

rel

d

d

d=

( ) ( )( ) ( )

( ) ( )( )

intint

intλ λ λ

λ λ λ

λ λ λ

λ

intint ( )P Tλ λ A d

P(λ TA) beschreibt Lichtart A durch das Planck-sche Strahlungsgesetz fuumlr TA = 2856 K

Eine detaillierte Auflistung und Diskussion aller zu beruumlcksichtigenden Details bei Kalibrierungen von LEDs und das dazugehoumlrige Messunsicher-heitsbudget soll an dieser Stelle nicht gegeben werden Interessierte Leser koumlnnen hierfuumlr Infor-mationen in einer fruumlheren Veroumlffentlichung [6] oder in den Ergebnissen eines internationalen Vergleichs von LED-Messungen [7] finden

Fazit und Ausblick

Der Verzicht auf LEDs ist fuumlr Beleuchtungsan-wendungen nicht mehr vorstellbar Durch ihre kontinuierliche Weiterentwicklung erobern LEDs immer weitere Anwendungsfelder (z B Haus-halts- Straszligen- und Automobilbeleuchtung) mit denen der Endkunde in Kontakt kommt Bei diesen Anwendungen sind die Anforderungen an die Lichtquellen vielfaumlltig und fuumlr eine quantitative Beschreibung ihrer Eigenschaften muss auch die Messtechnik entsprechend umfassend und ausge-reift sein

Neben dem allgemeinen Forschungs- und Ent-wicklungsbedarf fuumlr bessere LED-Messverfahren und -geraumlte die die Grundlage ihrer technologi-schen Weiterentwicklung bilden gibt es eine weitere Herausforderung Aufgrund der nahezu unbe-grenzten Moumlglichkeiten eine bestimmte Lichtfarbe durch additive Farbmischung zu erhalten sind LEDs verschiedener Hersteller mit unterschiedlichen Emissionsspektren aber einer nominell gleichen aumlhnlichsten Farbtemperatur erhaumlltlich Dennoch ist teilweise ein Unterschied der Lichtfarbe mit bloszligem Auge erkennbar wenn sich unterschiedliche LEDs nebeneinander befinden

Es ist ungewoumlhnlich dass man ohne technische Hilfsmittel nominell gleiche Lichtfarben faktisch unterscheiden kann Um die Charakterisierung von LEDs soweit zu verbessern dass dies nicht mehr moumlglich ist ist einerseits eine Reduzierung der Messunsicherheit bei der Bestimmung der Normfarbwertanteile (Lichtfarbe) notwendig Andererseits muss man sich bewusst machen dass photometrische und colorimetrische Messverfahren auf rein physikalischen Zusammenhaumlngen basieren Individuelle menschliche Wahrnehmung und Sehen werden bei photometrischen Messungen nicht beruumlcksichtigt ndash diese werden durch Festlegung von exakt definierten Wichtungsfunktionen wie dem Hellempfindlichkeitsgrad fuumlr einen fiktiven Normalbeobachter ausgegrenzt Diese Wichtungs-funktionen koumlnnen gegebenenfalls auch noch optimiert werden um die objektive Beurteilung von Lichtquellen mit physikalischen Messmethoden zu verbessern Somit gibt es auch in Zukunft noch interdisziplinaumlre Herausforderungen fuumlr die Metro-logie moderner Lichtquellen

Literatur

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Effektpigmente hellipPTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4

Einleitung

Farbe ist fuumlr Menschen die wohl auffaumllligste sub-jektive Stoffeigenschaft Bereits den Fruumlhmenschen war diese visuelle Qualitaumlt bekannt deren Wahr-nehmung allen Primaten eigen ist So wurde 2008 in Suumldafrika eine ca 100000 Jahre alte steinzeitli-che bdquoMalerwerkstattldquo entdeckt [1] Auch heutzu-tage spielt Farbe in der Gestaltung unserer Umwelt eine wichtige Rolle Jedes Jahr praumlsentiert uns die Mode die neuen Farben der Saison Farben dienen zur Regelung des Verkehrs Ohne bunte Farben waumlre unsere Welt trist und oumlde

Es ist wichtig festzustellen dass Farbe ein physiologischer Sinneseindruck ist wie z B auch Tasten oder Riechen D h Farbe ist keine immanente physikalische Eigenschaft eines Gegenstandes wie z B seine Masse oder Waumlrme-leitfaumlhigkeit Die physiologische Wahrnehmungs-kette ist hierbei folgende Das vom betrachteten Gegenstand reflektierte Licht trifft auf das Auge und loumlst hierbei einen Farbreiz aus Dieser Farbreiz beruht auf der spektralen Zusammensetzung des empfangenen Lichts d h er ist abhaumlngig von der verwendeten Lichtquelle und dem spektralen Reflexionsvermoumlgen des betrachteten Objektes Die Anregung der licht- und farbempfindlichen Zellen in der Netzhaut fuumlhrt zu einer Farbvalenz die uumlber den Sehnerv an das Gehirn weitergeleitet wird Die eigentliche Farbempfindung die wir dann mit einem Gegenstand verknuumlpfen entsteht erst im Gehirn [2] Liegt z B eine Farbfehlsich-tigkeit vor so kann der Farbeindruck des betrof-fenen Menschen auch ein ganz anderer sein Auch viele Tiere mit ihren teilweise erheblich abweichenden visuellen Systemen nehmen Farbe ganz unterschiedlich als wir Menschen wahr Im Folgenden soll mit Farbe immer die Koumlrperfarbe auch Gegenstandsfarbe Objektfarbe bzw Oberflauml-chenfarbe genannt einer nicht selbstleuchtenden Flaumlche bezeichnet werden die durch Reflexion von Licht an einem Koumlrper entsteht

Die genannten Zusammenhaumlnge machen die mathematisch-physikalische Beschreibung von Farbe schwierig und aufwendig da auch die spe-zifischen Eigenarten der menschlichen Wahrneh-

mungskette nachgestellt werden muumlssen Diesem Umstand wird versucht uumlber die verschiedenen Farbmaszligsysteme Rechnung zu tragen welche die Farbe eines Objektes mithilfe von quantifizierba-ren Zahlenwerten kennzeichnen [3]

Generell koumlnnen farbige Flaumlchen je nach Tageszeit und Lichteinfall sehr unterschiedlich wirken Die Aumlnderungen basieren hierbei auf der unterschiedlichen spektralen Zusammenset-zung des Tageslichts und den winkelabhaumlngigen Glanz- und Struktureigenschaften von Oberflauml-chen Ganz besonders deutlich ist dies bei auf dem Interferenzeffekt basierenden Effektpigmenten der Fall Deren visuelles Erscheinungsbild im englischen mit Visual Appearance bezeichnet kann sich bei variierendem Beobachtungswinkel und unterschiedlichen Lichtverhaumlltnissen komplett veraumlndern Man spricht hierbei von sogenannten Flop-Lacken wobei man zwischen Hell-Dunkel-Flop und Farb-Flop unterscheiden kann [4]

Generell kann man sagen dass Farbe und visuelle Effekte einen entscheidenden Anteil am Verkaufserfolg eines Produktes haben denn Farben wecken Emotionen und verschiedene Neuro marketingstudien belegen dass ca 95 aller Kaufentscheidungen emotional gepraumlgt sind [5] Deshalb spielt eine moderne Farbgestaltung unter Nutzung aktueller Effektpigmente im Pro-duktdesign eine entscheidende Rolle denn durch den Einsatz solcher Pigmente kann Gegenstaumlnden eine houmlhere Attraktivitaumlt verliehen werden Daher findet man moderne Effektpigmente heutzutage in vielen teilweise sehr unterschiedlichen Indus-trieprodukten wie z B in Autolackierungen Haumluserfassaden Kosmetikartikeln oder sogar bei Pralineacutes wie dies in Bild 1 zu sehen ist

Pigmente

Als Pigmente aus dem Lateinischen kommend von pigmentum fuumlr bdquoFaumlrbestoff Schminkeldquo bezeichnet man aus Teilchen bestehende im Anwendungs-medium praktisch unloumlsliche Sub stanzen die als Farbmittel oder wegen anderer spezieller physika-lischer und chemischer Eigenschaften als funktio-nale Farbzentren verwendet werden [6]

Effektpigmente Eine Herausforderung fuumlr die optische Messtechnik

Egbert Buhr Alfred Schirmacher Andreas Houmlpe

Dr Egbert Buhr Fachbereich bdquoBildshy und Wellenoptikldquo EshyMail egbertbuhrptbde

Dr Alfred Schirmacher Arbeitsshygruppe bdquoReflexion und Transmissionldquo EshyMail alfredschirmacherptbde

Dr Andreas Houmlpe dagger ehemals Arbeitsgrupshype bdquoReflexion und Transmissionldquo

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PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4Das Jahr des Lichtes

In der Natur vorkommende anorganische Pig-mente sind schon seit praumlhistorischen Zeiten bekannt Schon die Menschen der Steinzeit benutzen mineralische Pigmente fuumlr die ersten Houmlhlenzeichnungen Sie erkannten dass sie mit unterschiedlichen Erdsorten farbig malen konnten Eisenoxidhaltige Erden liefern gelbrote bis braunrote Kalk und Gips weiszlige Mangan-oxide sowie Holz- und Knochenkohle schwarze Farbtoumlne

Aus heutiger industrieller Sicht ist ein Pigment ein fein aufgeteilter und unloumlslicher Feststoff mit der Hauptfunktion das Erscheinungsbild des verwendeten Mediums zu verbessern oder es zu faumlrben Pigmente werden dem Medium immer durch physikalisches Mischen beigegeben dies unterscheidet sie von Farbstoffen die in ihrem Medium loumlslich sind

Pigmente koumlnnen nach den optischen Prin-zipien ihrer Wechselwirkung mit Licht unter-schieden und in verschiedene Klassen eingeteilt werden Wichtige Pigmentklassen sind Weiszlig- Bunt- Schwarz- und Effektpigmente die alle wegen ihrer speziellen farbgebenden Eigenschaf-ten eingesetzt werden Bei den Effektpigmenten

kann in einer ersten vereinfachten Einteilung noch zwischen Metalleffekt- und den sogenannten speziellen Effektpigmenten unterschieden werden

Der Begriff bdquospezielle Effektpigmenteldquo umfasst die Gruppen der Perlglanzpigmente und der all-gemeinen Interferenzpigmente welche insbeson-dere bei aktuellen Pigmententwicklungen nicht scharf abgegrenzt werden koumlnnen Perlglanzpig-mente sind Effektpigmente die aus transparenten Plaumlttchen mit hohem Brechungsindex bestehen Sie erzeugen durch die spezielle Form der Mehr-fachreflexion des transmittierten Lichts an mehre-ren Pigmenten einen perlenaumlhnlichen Effekt bei dem die auftreffende Strahlung verteilt reflektiert wird wodurch der Eindruck einer mit der Tiefe abnehmenden diffusen Helligkeit entsteht Fuumlr das Auge ergibt sich so eine scheinbar dreidimen-sionale Glanzcharakteristik die aus der Tiefe des Objektes zu kommen scheint Interferenzpigmente dagegen sind Effektpigmente deren farbgebende Wirkung ganz oder vorwiegend auf dem Effekt der Vielstrahlinterferenz von Licht an duumlnnen hoch-brechenden Schichten beruht Interferenzpigmente koumlnnen dabei sowohl auf transparenten oder auch nichttransparenten Plaumlttchen basieren

Bild 1 a) Roadster mit ChromaFlairreg-Effektpigmentlackierung b) Verwaltungsgebaumlude in Braunschweig verkleidet mit Alucobondreg-spectra-colours-Verbundplatten c) Effektpigmente im Nagellack d) Pralineacute mit Effektpigmentuumlberzug

a

dc

bb

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Effektpigmente hellipPTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4

Die heute verwendeten Pigmente lassen sich somit grob in fuumlnf verschiedene Klassen einteilen

1) Weiszligpigmente Die Pigmente streuen das ge-samte auftreffende Licht nahezu verlustfrei in alle Richtungen durch diffuse ungerichtete Reflexion

2) Buntpigmente Die Pigmente streuen einen Teil des Lichtes diffus und absorbieren wellenlaumln-genselektiv einen anderen Teil des Lichtes

3) Schwarzpigmente Die Pigmente absorbieren alle Wellenlaumlngen des fuumlr das menschliche Auge sichtbaren Spektralbereiches

4) Metalleffektpigmente Die aus duumlnnen Metall-plaumlttchen vorwiegend Aluminium bestehen-den Metalleffektpigmente sind lichtundurch-laumlssig und reflektieren das gesamte auftreffende Licht durch spekulare gerichtete Reflexion Die Pigmentpartikel wirken dabei wie Mikrospie-gel und fuumlhren bei paralleler Ausrichtung im Anwendungsmedium zu einem spiegelnden Metallglanz dem Metallic-Effekt

5) Spezielle Effektpigmente Perlglanz- bzw Inter-ferenzpigmente deren optische Wirkung auf der Mehrfachreflexion an uumlberwiegend flaumlchig aus-gebildeten und ausgerichteten transparenten semitransparenten oder lichtundurchlaumlssigen Partikeln beruht

Weiszlig- Bunt- und auch Schwarzpigmente weisen typische Durchmesser im Bereich von 100 nm bis zu 1 microm auf Ihre Groumlszlige liegt damit zum Teil im Bereich der Wellenlaumlnge des sichtbaren Lichtes welches den Bereich von 380 nm bis 780 nm uumlberdeckt Einige Schwarzpigmente wie z B Ruszlig-pigmente liegen mit ihren Durchmessern jedoch auch zum Teil auch deutlich darunter Effektpig-mente besitzen dagegen Teilchendurchmesser die zumeist im Bereich von 5 microm bis 100 microm in einigen Faumlllen auch daruumlber liegen Sie sind damit bezuumlglich der mittleren Plaumlttchendurch-messer wesentlich groumlszliger als die Wellenlaumlnge des sichtbaren Lichtes Die Dicke der Plaumlttchen liegt von einigen Ausnahmen abgesehen unter 1 microm ebenso wie die Dicke der Interferenzschichten Demzufolge weisen Effektpigmente in der Regel ein hohes Aspektverhaumlltnis auf (Verhaumlltnis der lateralen Ausdehnung einer Struktur zu ihrer Houmlhe) welches bis zu 200 betragen kann

Interferenzpigmente ndash Wie die Farben entstehen

Die Farbe von Interferenzpigmenten haumlngt von der Schichtdicke der Metalloxidbeschichtung und dem Einstrahlungs- und Betrachtungswinkel ab Beide Parameter bestimmen die effektive optische Weg-

laumlngendifferenz fuumlr das einfallende weiszlige Licht zwischen oberer und unterer Grenzflaumlche und die somit auftretenden Interferenzfarben siehe Bild 3

Interferenzpigmente zeigen somit einen aus-gepraumlgten bdquoFarbflopldquo Die Winkelabhaumlngigkeit der Farbe wird hierbei auch als Goniochromasie bezeichnet Richtig bunt geht es zu wenn ein Interferenzpigment auf einen bereits bunten Untergrund aufgebracht wird Die Transparenz der Pigmente laumlsst die Untergrundfarbe durch-

Bild 2 Schematische Diagramme zum spektralen Verhalten verschiedener Pigmenttypen

Bild 3 Die Schichtdicke der Metalloxidbeschichtung und der kombinierte Einstrahlungs- und Betrachtungswinkel bestimmen die optische Weglaumlnge und somit die sich ergebenden Interferenzfarben in Reflexion und Transmission

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PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4Das Jahr des Lichtes

Bild 5 Die Effekte Spar-kling (1) und Coarseness (2) des Effektpigmentes Xirallicreg Crystal Silver in einer vergroumlszliger-ten Aufnahme auf weiszligem (links) und schwarzem Hinter-grund (rechts)

scheinen im Glanzwinkel wird sie aber von der Interferenzfarbe uumlberstrahlt wie dies in Bild 4 zu sehen ist

Der Effekt eines Helligkeitsunterschiedes unter verschiedenen Betrachtungswinkeln wird als Helligkeitsflop bezeichnet und ist an sich nichts Neues Sind jedoch die einzelnen Pigmentteilchen

aufgrund ihrer planaren Reflexionsoberflaumlchen in gerichteter Beleuchtung direkt beobachtbar was fuumlr mittlere Teilchengroumlszligen von 30 microm und groumlszliger der Fall ist so ergibt dies einen Effekt welcher mit dem Begriff Sparkle (Glitzern Funkeln) bezeichnet wird (Bild 5) Aumlndert sich die Beleuchtung von einer gerichteten Einstrahlung wie es an einem wolkenlosen sonnigen Sommertag der Fall ist hin zu einer diffusen ungerichteten Einstrahlung wie an einem stark bewoumllkten Herbsttag so verschwin-det das Sparkling der Pigmente und verwandelt sich in eine Koumlrnigkeit der Oberflaumlche Dieses optische Phaumlnomen wird als Coarseness (Bild-koumlrnigkeit) bezeichnet und ist unabhaumlngig vom Betrachtungswinkel (Bild 5)

Als neuer Archetypus des Sparkle-Begriffes haben sich in den letzten Jahren die Xirallicreg Pig-mente (High Chroma Chrystal Effect Pigments) der Firma Merck KGaA entwickelt Durch die Beschich-tung von Aluminiumoxidplaumlttchen mit hochbre-chenden Metalloxiden und einer optimierten Dicke und Ebenheit aller am Pigment beteiligten Schich-ten entstehen auszligergewoumlhnlich stark reflektierende Effektpigmente die einen besonders intensiven Sparkle-Effekt aufweisen Man spricht hierbei auch von sogenanntem Living Sparkle welcher sich in einem scheinbaren bdquoTanzenldquo der leuchtenden Punkte in der Probenoberflaumlche bei Veraumlnderung der Beobachtungsgeometrie aumluszligert [7 8]

Generell gilt dass die Farbe von Objekten mit Effektlackierung nicht mehr wie jahrzehntelang uumlblich und ausreichend mit konventionellen Farb-messgeraumlten mit nur einer festen Messgeometrie wie z B in der 45deg 0deg Geometrie (Einstrahlung unter 45deg Reflexionsmessung unter 0deg) bestimmt werden kann Dieser Umstand wird sehr gut durch die Grafik in Bild 6 illustriert Dargestellt sind die winkelabhaumlngig gemessenen Farbkoordinaten von drei verschiedenen keramischen Farbstandards der Farben rot gruumln und blau sowie eines mit dem Effektpigment Viola Fantasy der Firma Merck lackierten Blechs Der Einfallswinkel des Lichts auf die Proben betrug hierbei immer 45deg zur Oberflauml-chennormalen Das von den Proben reflektierte Licht wurde an 26 Positionen in einem 5deg Raster in planaren die Oberflaumlchennormale enthalten-den Messgeometrien im Winkelbereich von ndash70deg bis +70deg aufgenommen Bei den aus absorptiven Pigmenten bestehenden Keramiken zeigt sich eine nur sehr geringe Winkelabhaumlngigkeit der Farbe welche groumlszligtenteils auf unterschiedlicher winkelabhaumlngiger Helligkeit d h den Glanzeigen-schaften der Oberflaumlche beruht Das Effektpigment dagegen zeigt einen extremen winkelabhaumlngigen Farb-Flop (Goniochromasie) welcher einen Farbverlauf von Gruumln uumlber Rot-Gelb hin ins Blau-Violett bietet

Aber auch die neuen Lackfarben aus der Gruppe der Effektlackierungen muumlssen messtechnisch

Bild 4 Merck-Xirallicreg-Solaris-Red-Effektpigmente appliziert auf einem mit Standard-Ab-sorptionspigmenten hellblau lackierten Metallblech In Rich-tung des Glanzwin-kels auf der rechten Seite zeigt sich der langsame Aufbau der winkelabhaumlngigen Interferenzfarbe

1

Bild 6 CIELab Farbkoordinaten einer winkelabhaumlngigen Reflexionsmessung an vier verschiedenen Proben drei Keramiken der Farben rot gruumln blau und eine Effektpigmentlackierung mit Merck Colorstreamreg Viola Fantasy Das untergelegte Farbschema zeigt naumlherungsweise die den Koordinaten entsprechende Farbe

2

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Effektpigmente hellipPTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4

Abbildungsoptik Messungen der ortsaufgeloumlsten Leuchtdichte auf einer Laumlngenskala bis hinab zu 28 microm auf der zu untersuchenden Probe siehe Bild 8

Mit der Zeilenkamera sind Messungen von kompletten Reflexionsspektren im sichtbaren Spektralbereich zwischen 380 nm und 780 nm dem sogenannten V(λ)-Bereich auf einer Zeit-skala von 2 Minuten moumlglich Hieraus lassen sich dann Farbkoordinaten der untersuchten Proben in den unterschiedlichsten Farbraumsystemen berechnen Eine absolute Messung in 114 Win-kelkombinationen (siehe Bild 9) im Polarwinkel-

erfasst und ruumlckgefuumlhrt werden um eine gleich-bleibende Qualitaumlt in der Produktion gewaumlhrleis-ten zu koumlnnen Gerade diese vielfaumlltigen zusaumltz-lichen Eigenschaften stellen die Farbmesstechnik vor neue Herausforderungen

Farbmessung

Bisherige kommerzielle Farbmessgeraumlte charakte-risieren Probenoberflaumlchen fast ausschlieszliglich in den eben schon erwaumlhnten sogenannten in-plane Reflexionsgeometrien Dabei liegen die Richtun-gen des eingestrahlten und des reflektierten Lichts sowie die Oberflaumlchennormale der Probe in einer Ebene Diese Einschraumlnkung entspricht jedoch in keiner Weise der taumlglichen Realitaumlt bei der Oberflaumlchen aus beliebigen Richtungen beleuchtet und betrachtet werden Seitens der Messgeraumlteher-steller und Anwender gibt es daher einen Trend zur erweiterten Charakterisierung bezuumlglich zusaumltzlicher Winkelkombinationen im dreidimen-sionalen Raum Spitzenreiter dieser Entwicklung am Markt ist derzeit ein tragbares Mehrwinkel-Spektralphotometer mit insgesamt 19 verschie-denen Reflexionsgeometrien [9] Hiermit scheint aber auch das Ende dieser Entwicklung im Bereich der portablen handgefuumlhrten Geraumlte erreicht Der Wunsch der Anwender geht aktuell wieder zuruumlck zu einer geringeren Anzahl von Winkelkombi-nationen denn es ist unklar wie man aus dem Mehr an winkelaufgeloumlsten Reflexionsdaten die fuumlr die Charakterisierung der Farbeigenschaften relevanten Informationen gewinnen kann Daher stellt sich die Frage welches sind bdquoguteldquo d h an die Messaufgabe adaptierte optimal geeignete Messgeometrien

Um diese Frage zu beantworten betreibt die AG 424 bdquoReflexion und Transmissionldquo der PTB zwei roboterbasierte Gonioreflektometer die eine winkelaufgeloumlste Reflexionsmessung in beliebi-gen bidirektionalen Geometrien ermoumlglichen [10ndash12] Diese beiden Apparaturen sind in Bild 7 dargestellt

Das Standard-Gonioreflektometer ist hierbei das nationale Normal fuumlr die Messgroumlszlige spektraler Strahldichtefaktor in gerichteten Geometrien Es dient der Realisierung Bewahrung und Weiter-gabe der gerichteten Reflexionsskale in Form von Kalibrierungen Die zweite Apparatur bezeich-net mit dem Acronym ARGon3 (3D Appearance Robot-based Gonioreflectometer) ist ein flexibles Forschungsgeraumlt mit dem experimentelle Unter-suchungen u a im Rahmen des EMRP-Projektes Multidimensional Reflectometry for Industry der EU [13] durchgefuumlhrt werden Im Ver gleich zum Standard-Gonioreflektometer ist dieses Geraumlt mit einer photometrischen Leuchtdichteka-mera und einer Zeilenkamera ausgeruumlstet Die Leuchtdichtekamera erlaubt mit einer speziellen

Bild 7 Die beiden roboter-basierten Gonio-reflektometer der PTB oben Standard-Gonioreflektometer fuumlr Kundenkalibrie-rungen unten ARGon3-Messplatz fuumlr Forschungsanwen-dungen

Bild 8 Visualisierung desSparkling-Effektesvon Xironareg-Volcanic-Sparks-Pigmenten als Falschfarben-darstellung der ortsaufgeloumlsten LeuchtdichteDie bdquoNadelnldquo zeigendie Position derPigmente an

Bild 9 Beispielgeometrien zur Messung der winkelabhaumlngigen Reflexionseigen-schaften Realisiert wurden 4 Einstrah-lungsrichtungen (rote Pfeile) mit jeweils 114 Reflexionswinkeln (schwarze Punkte) im Bereich der Viertel-kugel oberhalb der Probenoberflaumlche

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PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4Das Jahr des Lichtes

bereich 0deg bis 70deg gleichmaumlszligig verteilt uumlber den Viertelraum oberhalb der Probe dauert hierbei ca 4 Stunden [14] Die so erhaltenen Daten bilden die Basis fuumlr kuumlnftige Verbesserungen in der Mess-technik fuumlr Anwender und Hersteller

Im Rahmen des EMRP-Projektes Multidimen-sional Reflectometry for Industry [13] sind damit die winkelabhaumlngigen Reflexionsspektren von insgesamt 66 verschiedenen Effektpigmentproben gemessen worden [15 16] Bei den vier verschie-denen Einstrahlungsrichtungen verbunden mit jeweils 114 Reflexionswinkeln im Bereich der Vier-telkugel oberhalb der Probenoberflaumlche ergeben sich somit uumlber 30000 Reflexionsspektren

Zielsetzung der Untersuchungen ist die Ver-besserung der Metrologie zur Materialcharak-terisierung mit reduzierter Messunsicherheit Dazu werden neue Messvorschriften und neue Standardmessartefakte entwickelt mit denen die Industrie die visuelle Wahrnehmung der von ihr produzierten Oberflaumlchen gezielt charakterisie-ren und kontrollieren kann Solche Messungen sollten einfach auszufuumlhren sein und die Ergeb-nisse muumlssen soweit wie moumlglich mit der visuellen menschlichen Wahrnehmung korrelieren Im europaumlischen und internationalen Rahmen sollen die Ergebnisse in die Normung einflieszligen um die allgemeine Vergleichbarkeit solcher Messungen zu gewaumlhrleisten

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Die 50 Sitzung des Internationalen Komitees fuumlr das gesetzliche Messwesen (CIML) fand vom 20 bis 22 Oktober 2015 in Arcachon Frankreich statt Im Vorfeld der CIML-Sitzung fand ein ein-taumlgiges OIML-Seminar uumlber Countries and Econo-mies with Emerging Metrology Systems (CEEMS) statt uumlber das weiter unten berichtet wird

Das CIML ist der Lenkungsausschuss der OIML Es trifft sich jaumlhrlich und besteht aus je einem Repraumlsentanten der Mitgliedstaaten der korrespondierenden Mitglieder und den Vertre-tern internationaler und regionaler Organisa-tionen die als Beobachter teilnehmen koumlnnen Das CIML ist zustaumlndig fuumlr die Vorbereitung und Durchfuumlhrung der Entscheidungen der Konfe-renz die alle vier Jahre stattfindet Es uumlberwacht die Arbeiten der Technischen Komitees und Unterkomitees und des Internationalen Buumlros fuumlr das gesetzliche Messwesen (BIML) in Paris

An der 50 CIML-Sitzung nahmen 144 Teilneh-mer aus 43 Mitgliedstaaten und 13 korrespondie-renden Mitgliedstaaten teil Zur deutschen Dele-gation gehoumlrten neben den o g Autoren auch die Herren Johann Fischer Direktor des Landesamts fuumlr Mess- und Eichwesen Berlin-Brandenburg sowie Prof Olaf Kuumlhn Direktor des Thuumlringer Landesamts fuumlr Verbraucherschutz als Vertreter der Bundeslaumlnder Dr Peter Ulbig Leiter der Abteilung Wissenschaftlich-technische Quer-schnittsaufgaben der PTB und Prof Manfred Kochsiek Vizepraumlsident a D der PTB ehema-liger CIML-Praumlsident und Ehrenmitglied der OIML Frau Dr Anna Cypionka persoumlnliche Referentin des Praumlsidenten der PTB nahm am OIML-Seminar fuumlr CEEMS teil Vertreten waren auch wieder internationale und regionale Orga-nisationen zu denen die OIML Verbindungen unterhaumllt wie das Internationale Buumlro fuumlr Maszlig und Gewicht (BIPM) die GSO-GCC Standardiza-tion Organization (Saudi-Arabien) die Internatio-nal Laboratory Accreditation Cooperation (ILAC) und der Europaumlische Verband der Waagenherstel-ler (CECIP)

Alle Beschluumlsse der 50 CIML-Sitzung koumlnnen auf den Internetseiten der OIML aufgerufen werden [1 2]

Die wichtigsten Entscheidungen und Entwick-lungen werden nachfolgend vorgestellt

1 Personalangelegenheiten

Der Vertrag von Willem Kool als Assistant Director wurde um vier Jahre der Vertrag des BIML-Direk-tors Stephen Patoray um drei Jahre verlaumlngert

2 Einfuumlhrung des PG Workspace im Internet

In seinem Bericht im Zusammenhang mit der Etablierung des neuen Webauftritts der OIML hob der CIML-Praumlsident Peter Mason (UK) die erfolgreiche Einfuumlhrung des Workspace fuumlr Pro-jektgruppen hervor Durch die Online-Arbeit wird erwartet dass die technische Arbeit an neuen bzw zu revidierenden OIML-Dokumenten vereinfacht und insgesamt effizienter wird

3 Revision der technische Richtlinien fuumlr die OIML (B 6 Directives for OIML tech-nical work)

In einem neuen Projekt sollen die in den vergan-genen Jahren revidierten OIML-Richtlinien fuumlr die technische Arbeit erneut uumlberarbeitet werden um u a den Prozess der Entwicklung und Uumlber-arbeitung von OIML-Publikationen noch weiter zu beschleunigen und den neuen internetbasierten Technologien und Arbeitsweisen Rechnung zu tragen

4 Umfassende strukturelle Uumlberarbeitung des OIML Certificate System

Das CIML verabschiedete die Gruumlndung einer Projektgruppe mit der Aufgabe einer substan-ziellen Uumlberarbeitung des OIML-Zertifizierungs-systems das z Zt aus dem Basiszertifizierungs-system und dem MAA3 besteht Urspruumlnglich ausgehend von der Annahme die Akzeptanz des MAA-Zertifizierungssystem muumlsse verstaumlrkt werden eine groumlszligere Verbreitung finden und mehr Messgeraumltearten abdecken erscheint es

Aktuelles aus der OIML (Internationale Organisation fuumlr das Gesetzliche Messwesen)Bericht uumlber die 50 Sitzung des CIML in Arcachon FrankreichSusanne Ludwig Roman Schwartz

INTERNATIONALE ZUSAMMENARBEIT

Susanne Ludwig OIMLshyGeschaumlftsstelle der PTB EshyMail susanneludwigptbde

Dir u Prof Dr Roman Schwartz Vizepraumlsident der PTB deutsches Mitglied im Internashytionalen Komitee fuumlr das Gesetzliche Messwesen (CIML) und CIMLshyVizepraumlsishydent EshyMail romanschwartzptbde

3 Mutual Acceptance Arrangement (Abshykommen zur gegenshyseitigen Anerkennung von Bauartpruumlfungen)

46

PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4Internationale Zusammenarbeit

inzwischen sinnvoller und wurde so auch vom CIML beschlossen zum 112017 ein einziges OIML-Zertifizierungssystem einzufuumlhren Eine Projektgruppe (Certification System Project Group = CSPG) unter dem Vorsitz des CIML-Vizepraumlsi-denten Dr Roman Schwartz wurde damit beauf-tragt die notwendigen Dokumente und Prozedu-ren auszuarbeiten

5 OIML-Seminar fuumlr Countries and Economies with Emerging Metrology Systems (CEEMS)

Im Vorfeld der CIML-Sitzung wurde ein eintaumlgiges Seminar zum Thema Developing an OIML Package for Assistance to Countries with Emerging Metro-logy Systems (CEEMS) abgehalten In vier Sitzun-gen diskutierten 125 Teilnehmer aus 49 Laumlndern uumlber Moumlglichkeiten Laumlnder beim Aufbau von nationalen Metrologiesystemen zu unterstuumltzen In der ersten von Frau Dr Cypionka geleiteten Sitzung Capacity Building ging es um die allge-meinen Herausforderungen bei der Gestaltung von Programmen zur Foumlrderung von Handlungs-kompetenzen und Vermittlung von Wissen fuumlr die Metrologie In zwei weiteren Sitzungen wurden unter den Themen Helping CEEMS Improve Regulation in their Markets (Leitung Prof Dr Manfred Kochsiek) und New Ideas ndash Doing Legal Metrology Differently (Leitung Stuart Carstens

Suumldafrika) konkrete inhaltliche Loumlsungsvorschlaumlge vorgestellt und diskutiert Die Ergebnisse wurden in der 50 CIML-Sitzung vorgestellt und fanden ihren Niederschlag in der Resolution Nr 201510 [2] sie sollen auch noch auf den OIML-Webseiten veroumlffentlicht werden [1]

6 OIML-Publikationen

Folgende OIML-Publikationen wurden verabschiedet

R 139-3 Compressed gaseous fuels measuring systems for vehicles Part 3 Test report format

New Recommendation (R 145) Ophthalmic instru-ments mdash Impression and applanation tonometers

Alle OIML-Publikationen stehen im Internet frei zur Verfuumlgung [3]

Gleichzeitig wurde die Revision der folgenden OIML-Publikation beschlossen

Revision of R 79 Labeling requirements for prepackages

Folgende neue Projekte wurden verabschiedet

Revision des OIML-Dokuments B 6-1 Directives for OIML technical work

Bild 1 Teilnehmer der 50 Sitzung des Internationalen Komitees fuumlr Gesetz-liches Messwesen (CIML) in Arcachon Frankreich

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PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4 Aktuelles aus der OIML

TC 8SC 1 Revision R 71 Fixed storage tanks mdash General requirements

TC 8SC 1 Revision R 85 Automatic level gauges for measuring the level of liquid in stationary storage tanks

7 Personalien und Ehrungen

Die von Dr Seiler dem ehemaligen Leiter des Fachbereichs bdquoTechnische Zusammenarbeitldquo der PTB initiierte OIML-Auszeichnung fuumlr bdquoexzel-lente Beitraumlge von Entwicklungslaumlndern zum gesetzlichen Messwesenldquo ging in diesem Jahr an

bull Nam Hyuk Lim Director of Korea Testing Certi-fication und

bull The Metrology Department Saint Lucia Bureau of Standards

Die OIML-Medaille fuumlr besondere Verdienste um die OIML-Arbeit ging an Ngo Quy Viet Vietnam und Cartaxo Reis aus Portugal

8 Termine

Ein Gastgeberland fuumlr die 51 CIML-Sitzung und 15 OIML-Konferenz im Jahr 2016 konnte noch nicht bekannt gegeben werden es wird aber wahr-scheinlich wieder Frankreich sein Weitere OIML-Veranstaltungen und -Termine finden sich auf der OIML-Webseite unter [4]

9 Literatur

[1] httpswwwoimlorgen (letzter Aufruf 19112015)

[2] httpswwwoimlorgenstructurecimlpdf50-ciml-resolutions-englishpdf (letzter Aufruf 19112015)

[3] httpswwwoimlorgenpublicationsrecommen-dationspublication_viewp_type=1ampp_status=1

[4] (letzter Aufruf 19112015)[5] httpswwwoimlorgeneventscalendar

(letzter Aufruf 19112015)

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TECHNOLOGIETRANSFER

E27-Scanner fuumlr UlbrichtkugelnMit dem besonders einfach ohne Umbau einsetzbaren E27-Scanner koumlnnen Anwender und Hersteller die Homogenitaumlt ihrer Ulbricht-kugeln bestimmen und die Ergebnisse zur Berechnung genauerer Lichtstroumlme und zur Dokumentation der Qualitaumlt ihrer Messungen nutzen

Hintergrund

Wie viel Licht eine Lampe insgesamt in alle Richtungen abstrahlt wird durch ihren Lichtstrom ausgedruumlckt Um den fuumlr die Bestimmung der Energieeffizienz von Lampen notwendigen Lichtstrom schnell zu er mitteln setzt die Lampenindustrie Ulbrichtkugeln ein An einer Stange in der Mitte der Ulbrichtkugel befindet sich eine E27-Lampen-fassung in die nacheinander die Lichtstrom-Normallampe und die zu kalibrierende Lampe eingeschraubt werden Das indirekt auf den Mess-kopf fallende Licht erzeugt einen Photostrom der im Idealfall propor-tional zu dem von der Lampe abgestrahlten Lichtstrom ist unabhaumlngig von der Richtung in die das Licht abgestrahlt wird

Dies ist jedoch bei einer ungleichmaumlszligigen Beschichtung der Kugel sowie bei einer im Laufe der Zeit nicht zu verhindernden Verstaubung nicht der Fall Deshalb wird mit einem Kugelscanner die Homogenitaumlt der Kugel regelmaumlszligig vermessen und ein Korrekturfaktor bestimmt der von der jeweiligen Abstrahlcharakteristik der zu untersuchenden Lampe abhaumlngt

Technische Beschreibung

Der Kugelscanner wird einfach in eine E27-Fassung geschraubt und das sonst fuumlr die Lampenversorgung eingesetzte Netzgeraumlt wird durch die Steuereinheit ersetzt Diese uumlbernimmt sowohl die elektrische Versor-gung als auch die Befehlsuumlbermittlung zum Kugelscanner Die Steuer-einheit wird via USB oder RS232 an einen Computer angeschlossen Das mitgelieferte Messprogramm stellt automatisiert alle gewuumlnschten Richtungen ein und speichert die zugehoumlrigen von der Steuereinheit gemessenen Photostroumlme des Photometers

Wirtschaftliche Bedeutungw

Fuumlr Lampenindustrie und Hersteller von Ulbrichtkugeln

bull Genauere Messung des Lichtstroms

bull Bestimmung des Zeitpunkts einer Neubeschichtung

bull Uumlberwachung beim Beschichten

bull Dokumentation des Zustands der Ulbrichtkugel

EntwicklungsstandDer E27-Kugelscanner wurde in der PTB entwickelt Er wird laufend fuumlr Kalibrierungen eingesetzt Die Technologie wurde an die Firma Czibula amp Grundmann transferiert und wird dort mit einer PTB-Lizenz gebaut und vertrieben wwwphoto-metercom

Ansprechpartner

Dr Bernhard SmandekBeauftragter fuumlr TechnologietransferTelefon +49 531 592shy8303Telefax +49 531 592shy69shy8303EshyMail technologietransferptbde

Dr Stefan WinterFachbereich Photometrie und Radiometrie

Abbildung des E27shyKugelscanners Eine stark fokussierende Lampe die computergesteuert in alle Richtungen leuchten kann

Vorteile

bull Schneller Einbau in E27shyFassung

bull Computergesteuertes Abscannen der gesamten Ulbrichtkugel

bull Flexible Messmoumlglichkeiten

bull Fuumlr genauere Lichtstromshymessungen

bull Wichtig fuumlr die Qualitaumltsshysicherung

PTBshyNummer 0172

wwwtechnologietransferptbde

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PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4 Technologieangebote

Ansprechpartner

Dr Bernhard SmandekBeauftragter fuumlr TechnologietransferTelefon +49 531 592shy8303Telefax +49 531 592shy69shy8303EshyMail technologietransferptbde

Dr Stefan WinterArbeitsgruppe Solarzellen

PulsshyzushyCWshyKonverter

Umwandlung gepulster Laser-Strahlung in konstante StrahlungIn weiten Bereichen der optischen Metrologie ist eine Strahlungs-quelle von groszligem Nutzen die sich spektral vom UV-C bis ins mitt-lere IR durchstimmen laumlsst Lediglich Laser mit gepulster Strahlung erfuumlllen diese Anforderung bei ausreichend groszligem Ausgangssignal bisher luumlckenlos Femtosekunden-Lasersysteme waumlren aufgrund ihrer gut automatisierbaren und spektral weiten Durchstimmbarkeit die ideale Strahlungsquelle fuumlr z B radiometrische Anwendungen ndash wenn ihre Strahlung nicht gepulst waumlre

Durch das extreme Puls-Pausen-Verhaumlltnis von 10ndash5 entstehen hohe Spitzenleistungen die wiederum zu Saumlttigungseffekten bei Detek-toren und in der Folge zu nichtlinearem Verhalten fuumlhren koumlnnen Mit dem in der PTB entwickelten Puls-zu-CW-Konverter wird dieses Problem geloumlst

Technische Beschreibung

Bei dieser Methode werden Pulse gepulster Strahlungsquellen ausrei-chend hoher Repetitionsrate in CW-Strahlung umgewandelt Dabei wird jeder Puls in viele kleine Teilpulse aufgeteilt die auf unterschiedlich langen Wegstrecken unterschiedliche Laufzeiten erfahren Am Ausgang des Systems erscheinen sie dann zeitlich gleichmaumlszligig verteilt Realisiert wird dieser Puls-zu-CW-Konverter uumlber ein Glasfaserbuumlndel bei dem jede Einzelglasfaser eine individuell festgelegte Laumlnge besitzt

Mit der Entwicklung des Puls-zu-CW-Konverters wurde das ent-scheidende Manko beim Einsatz leistungsstarker Femtosekunden(fs)-Lasersysteme im Bereich der Metrologie beseitigt und erstmalig gepulste Laserstrahlung in CW-Strahlung umgewandelt Diese Neuentwicklung ermoumlglicht es nun herkoumlmmliche Monochromatorsysteme durch fs-Lasersysteme zu ersetzen die eine bis zu 1000-mal houmlhere spektrale Ausgangsleistung besitzen

Wirtschaftliche Bedeutung

Durch den neuen Puls-zu-CW-Converter koumlnnen in wirtschaftlich bedeutenden Bereichen wie z B der Photovoltaik der Photometrie der UV-Strahlungsmesstechnik und der Reflektometrie die Referenz- und Transfernormale mit einer deutlich reduzierten Messunsicherheit kali-briert werden Hier werden bislang wesentliche Messunsicherheitsan-teile durch zu geringe Strahlungsleistungen aus herkoumlmmlichen Mono-chromatorsystemen verursacht

Entwicklungsstand

Unter DE 10 2010 011 615 B4 wurde fuumlr den CW-Konverter ein Patent erteilt

Vorteile

bull Zeitliche Glaumlttung gepulster Laserstrahlung

bull Keine stoumlrenden Interferenzen

bull Nur minimale Absorption des Messsignals

bull Auch bei kuumlrzeren Wellenshylaumlngen ohne Ulbrichtkugel verwendbar

bull Kontinuierliche Verteilung des Ausgangspulses

bull Pulsvervielfachung

bull Houmlhere Strahlungsleistung

PTBshyNummer 0254

wwwtechnologietransferptbde

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PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4Technologieangebote

50

Homogenisierung von Strahlungsquellen und Focal Plane Arrays (FPA)Ein neuartiges Verfahren ermoumlglicht softwaregestuumltzt eine deutlich verbesserte Kalibrierung von Mehrelement-Sensoren (FPA) und bildgebenden Systemen (Kameras) Bei flaumlchigen Strahlungsquellen kann zusaumltzlich eine gezielte Ansteuerung von Flaumlchenelementen zu einer bisher im Allgemeinen nicht erreichbaren Flaumlchenhomogenitaumlt fuumlhren

Technische Beschreibung

Flaumlchenstrahler dienen der Kalibrierung von ortsaufloumlsenden Strah-lungssensoren wobei davon ausgegangen wird dass die Emissionsflaumlche des Strahlers im Wesentlichen homogen bezuumlglich ihrer Strahldichte bzw Strahlungstemperatur ist Um kleine Inhomogenitaumlten eines Flaumlchenstrahlers zu charakterisieren ist es ein gaumlngiges Verfahren die Emissionsflaumlche punktweise mit einem Einzeldetektor abzutasten

Das neue PTB-Verfahren ist wesentlich schneller da es den Mehr-element-Sensor (FPA) das device-under-test selbst nutzt und damit immer ein Gesamtbild der Quelle aufnimmt Werden jetzt weitere Bilder zeilen- oder spaltenversetzt aufgenommen so erlaubt ein mathema-tischer Algorithmus bei nur drei Bildern eine komplette Charakterisie-rung des Sensors aber auch der Quelle

Sind Flaumlchenelemente der Strahlungsquelle einzeln ansteuerbar so ist es sogar moumlglich mittels der ermittelten Korrekturwerte zu Strahlquellen extrem hoher Homogenitaumlt im on-line-Betrieb zu gelangen

Wirtschaftliche Bedeutung

Bildgebende Strahlungssensoren und homogene Strahlungsquellen sind relevant fuumlr die Forschung und Entwicklung fuumlr die Prozesstechnik fuumlr die Charakterisierung der Energieeffizienz von Bauten bei der Ent-wicklung neuer Bauteile mit hoher thermischer Belastung und in vielen weiteren Bereichen Der mathematische Algorithmus ist aber auf unter-schiedliche Arten von Kamerasystemen anwendbar und damit auch fuumlr die Qualitaumltssicherung von CCD-Kameras bis hin zum Konsumguuml-termarkt anwendbar EntwicklungsstandEine deutsche Patenterteilung erfolgte im September 2015 Eine PCT-Anmeldung ist anhaumlngig Kooperations- und Lizenzpartner aus den Bereichen Thermografie Radiometrie und Photometrie zur Umsetzung des Konzeptes werden gesucht

Ansprechpartner

Dr Bernhard SmandekBeauftragter fuumlr TechnologietransferTelefon +49 531 592shy8303Telefax +49 531 592shy69shy8303EshyMail technologietransferptbde

DiplshyIng Berndt GutschwagerArbeitsgruppeInfrarotshyStrahlungsthermometrie

Stahlungsmessplatz der PTB zur Kalibrierung von Temperaturstrahlern und Waumlrmebildkashymeras

Vorteile

bull Schnelle Kalibrierung von Flaumlchensensoren (FPA)

bull Schnelle Kalibrierung von Flaumlchenstrahlern

bull Strahlquellen houmlchster Hoshymogenitaumlt

bull Fuumlr Thermografie und Phoshytometrie

PTBshyNummer 00374

wwwtechnologietransferptbde

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Erscheinungsweise und Bezugspreise Die PTB-Mitteilungen erscheinen viermal jaumlhrlich Das Jahresabonnement kostet 3900 Euro das Einzelheft 1200 Euro jeweils zzgl Versandkosten Bezug uumlber den Buchhandel oder den Verlag Abbestellungen muumlssen spaumltestens drei Monate vor Ende eines Kalenderjahres schriftlich beim Verlag erfolgen

Alle Rechte vorbehalten Kein Teil dieser Zeitschrift darf ohne schriftliche Genehmigung des Verlages vervielfaumlltigt oder verbreitet werden Unter dieses Verbot faumlllt insbesondere die gewerbliche Ver-vielfaumlltigung per Kopie die Aufnahme in elektro-nische Datenbanken und die Vervielfaumlltigung auf CD-ROM und in allen anderen elektronischen Datentraumlgern

Printed in Germany ISSN 0030-834X

Die fachlichen Aufsaumltze aus dieser Ausgabe der PTB-Mitteilungen sind auch online verfuumlgbar unterdoi 10779531020150499

Die Physikalisch-Technische Bundesanstalt das nationale Metrologieinstitut ist eine wissenschaftlich-technische Bundesoberbehoumlrde im Geschaumlftsbereich des Bundesministeriums fuumlr Wirtschaft und Energie

mitteilungen

Impressum

Die PTB-Mitteilungen sind metrologisches Fachjournal der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt Braunschweig und Berlin Als Fachjournal veroumlffentlichen die PTB- Mitteilungen wissenschaftliche Fachaufsaumltze zu metrologischen Themen aus den Arbeitsgebieten der PTB Die PTB-Mitteilungen stehen in einer langen Tradition die bis zu den Anfaumlngen der Physikalisch-Technischen Reichsanstalt (gegruumlndet 1887) zuruumlckreicht

Bundesallee 100 38116 Braunschweig

Presse- und Oumlffentlichkeitsarbeit

Telefon 0531 592-3006 Fax 0531 592-3008 E-Mail presseptbde wwwptbde

Physikalisch-Technische BundesanstaltBraunschweig und BerlinNationales Metrologieinstitut

Die Physikalisch-Technische Bundesanstalt das nationale Metrologieinstitut ist eine wissenschaftlich-technische Bundesoberbehoumlrde im Geschaumlftsbereich des Bundesministeriums fuumlr Wirtschaft und Energie

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015

Das Jahr des Lichtes

TitelbildKameragestuumltzte mechanische Ausrichtung einer Lichtstaumlrke-Normallampe an derPhotometerbank Quelle PTB

2

InhaltDas Jahr des Lichtes

bull Einfuumlhrung in die Metrologie des Lichtes 3 Stefan Kuumlck Armin Sperling

bull Die Candela als Maszligeinheit des Lichtes 4 Armin Sperling

bull Ruumlckfuumlhrung in der Photometrie ndash die Realisierung und Ruumlckfuumlhrung der Candela 8 Detlef Lindner Stefan Winter

bull Kurze Geschichte der Goniophotometrie in der PTB 18 Matthias Lindemann

bull Metrologie fuumlr moderne Lichtquellen LEDs und OLEDs 32 Thorsten Gerloff

bull Effektpigmente Eine Herausforderung fuumlr die optische Messtechnik 39 Egbert Buhr Alfred Schirmacher Andreas Houmlpe

Internationale Zusammenarbeit

bull Aktuelles aus der OIML 45 Susanne Ludwig Roman Schwartz

Technologietransfer

bull E27-Scanner fuumlr Ulbrichtkugeln 48bull Umwandlung gepulster Laser-Strahlung in konstante Strahlung 49bull Homogenisierung von Strahlungsquellen und Focal Plane Arrays (FPA) 50

Fachorgan fuumlr Wirtschaft und Wissenschaft Amts- und Mitteilungsblatt der Physikalisch-Technischen BundesanstaltBraunschweig und Berlin

125 Jahrgang Heft 4 Dezember 2015

3

Licht ist der fuumlr das menschliche Auge sichtbare Teil elektromagnetischer Strahlung und wird von den angrenzenden infraroten und ultravioletten Spektralbereichen der Strahlung eingebettet Die spektrale Empfindlichkeit des menschlichen Auges hat hierbei ihr Maximum im Gelb-Gruumlnen und nimmt zum Infraroten und Ultravioletten hin stark ab Im Detail ist die Augenempfindlichkeit individuell sehr unterschiedlich und die Wahr-nehmung selbst ist durch die beteiligten physio-logischen Prozesse in vieler Hinsicht (z B Hel-ligkeit Farbwahrnehmung etc) nichtlinear Im Zuge der Industrialisierung hat man aber schnell erkannt dass eine von diesen physiologischen Prozessen losgeloumlste metrologische Bewertung von Lichtquellen und damit von Licht notwendig ist [1] Wir unterscheiden daher zwischen der Wahrnehmung dem Sehen und der Photome-trie der physikalischen Bewertung von Licht Um dies zu gewaumlhrleisten hat die internationale Beleuchtungsorganisation CIE (Commission Internationale de lrsquoEacuteclairage) im Jahr 1924 die mittlere Hellempfindlichkeit des menschlichen Auges fuumlr die unterschiedlichen Wellenlaumlngen des Lichtes als Empfindlichkeitsfunktion eines bdquoNormalbeobachtersldquo fuumlr photopisches Sehen (sog Tagsehen) festgelegt und als sogenannte V(λ)-Funktion veroumlffentlicht Mithilfe eines derartigen Normalbeobachters technisch realisiert z B durch gefilterte Silizium-Halbleiterempfaumlnger laumlsst sich die Quantitaumlt von Licht messen ndash eine wesentliche Voraussetzung fuumlr die Entwicklung eines Marktes fuumlr Beleuchtungsprodukte der derzeit allein in Deutschland einen Umsatz von uumlber 6 Mrd Euro produziert Es stellt sich aber neben der Quantitaumlt des Lichtes auch die Frage nach der Qualitaumlt des Lichtes

Einhergehend mit genaueren Untersuchungen des Aufbaus des menschlichen Auges einerseits

und der Verarbeitung des optischen Reizes im Auge und den nachgeschalteten Nervenzellen bzw des Gehirns andererseits ist das Verstaumlndnis um die Wirkung von Licht auf den Menschen per-manent gewachsen Parallel hierzu sind auch die technologisch realisierbaren Moumlglichkeiten zur Gestaltung kuumlnstlichen Lichtes deutlich gestie-gen sodass hiermit einhergehend auch stetig die Anforderungen an die Metrologie des Lichtes steigen Sind z B fuumlr die Beleuchtungstechnik heute noch Leuchtmittel mit konstanter Farbtem-peratur (warm warm-weiszlig kalt-weiszlig Tageslicht) oft im Einsatz ndash und damit auch im Fokus der Photometrie werden in Zukunft Lichtquellen mit einstellbarer Farbtemperatur und deren Lichtstaumlr-keverteilung messtechnisch eindeutig zu beschrei-ben sein Die derzeit noch getrennt behandelten Gebiete Photometrie Reflektometrie und Spekt-roradiometrie wachsen hierbei zunehmend weiter zusammen

Diese Ausgabe der PTB-Mitteilungen die im internationalen Jahr des Lichtes erscheint gibt einen Uumlberblick uumlber die Arbeiten in der PTB zum Thema Licht und spannt einen Bogen von der Bedeutung der Candela fuumlr die Photometrie uumlber die Realisierung der SI-Basiseinheit Candela hin zu den derzeitigen Herausforderungen in der Photometrie und Reflektometrie

Literatur

[1] A Sperling G Sauter Lichtstaumlrke ndash Die SI-Basisein-heit PTB-Mitteilungen Jahrgang 122Heft 12012 Das System der Einheiten pp 83ndash91

Einfuumlhrung in die Metrologie des Lichtes

Stefan Kuumlck Armin Sperling

Prof Dr Stefan Kuumlck Fachbereich bdquoPhotometrie und angewandte Radioshymetrieldquo EshyMail stefankueckptbde

Dr Armin Sperling Arbeitsgruppe bdquoPhotoshymetrieldquo EshyMail arminsperlingptbde

DAS JAHR DES LICHTES

4

PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4Das Jahr des Lichtes

Die Candela ist die Basiseinheit des Lichtes und ist ein Maszlig fuumlr die Lichtstaumlrke d h der Eigen-schaft einer realen oder virtuellen Lichtquelle die angibt wie viel Licht in eine Richtung abgegeben wird (siehe Bild 1) Die Candela und die daraus abgeleiteten lichttechnischen Einheiten haben fuumlr den Normalverbraucher spaumltestens seit der Einfuumlhrung der ECO-Design-Richtline der EU und dem damit verbundenen Verkaufsverbot von Gluumlhlampen ab dem Jahr 2009 an Bedeutung gewonnen Die photometrischen Einheiten und Kennzahlen sind wie kaum andere Einheiten ins Zentrum des allgemeinen Interesses geruumlckt wenn es darum geht Licht Lampen und Leuchten zu bewerten Statt der alleinigen Angabe einer elektrischen Leistung in Watt sind Begriffe wie Lichtstaumlrke (in cd) Lichtstrom (in lm) Effizienz (in lmWndash1) aumlhnlichste Farbtemperatur TN (ange-geben in Kelvin) und Farbwiedergabeindex Ra kaufentscheidend Ungluumlcklicherweise hat die fuumlr die monetaumlre Abrechnung wichtige Maszligeinheit Watt beim Kunden das Verstaumlndnis um die photo-metrischen Groumlszligen geschwaumlcht was bei modernen LED-Lichtquellen durch Fehlinterpretation von Leistungsdaten oft zur Veraumlrgerung fuumlhrt Mit der Ruumlckfuumlhrung all dieser Einheiten und Kenngroumlszligen befasst sich das Fachgebiet der Photometrie

Die Aufgabe der Photometrie ist hierbei allge-mein die quantitative Bewertung von Strahlung in dem Spektralbereich den wir als Licht bezeichnen und zwar unter den spektralen und geometri-schen Randbedingungen die durch das mensch-liche Auge ndash oder genauer durch das Auge eines definierten Normalbeobachters ndash vorgegeben sind Die physikalische Groumlszlige die hierbei von beson-derer technischer Bedeutung ist ist die Groumlszlige der photometrischen Lichtstaumlrke1 Die Geometrie von Messbedingungen ist hierbei fuumlr photometri-sche Groumlszligen essenziell Weil die Lichtstaumlrke eine charakteristische Eigenschaft einer Quelle ist und mit einfachsten Mitteln gemessen (verglichen) werden konnte ist die Lichtstaumlrke als Basisgroumlszlige der Photometrie ausgewaumlhlt worden und nicht der Lichtstrom der als photometrisches Pendant zur radiometrischen Strahlungsleistung ebenfalls nahegelegen haumltte An dieser Stelle gibt es jedoch oft ein Missverstaumlndnis zwischen Photometri-kern (Lichtmesstechnikern) und Radiometrikern (Strahlungsmesstechnikern) Wenn Photometriker uumlber den Lichtstrom sprechen meinen sie ndash den von einer Quelle aus in den Raum abgegebenen Strahlungsfluss der in erster Linie als Integral uumlber die Verteilung der in die verschieden Richtungen abgegebenen Lichtstaumlrken verstanden wird Der Radiometriker assoziiert mit Strahlungsleistung hingegen meistens den Strahlungsfluss der auf eine Empfaumlngeroberflaumlche auftrifft und der sich in erster Linie als Integral uumlber die Verteilung der auf dem Empfaumlnger auftreffenden Bestrahlungs-staumlrke ergibt Fuumlr den Photometriker ist daher die Geometrie der Strahlung entscheidend waumlhrend fuumlr den Radiometriker oft die Betrachtung der Geometrie des Empfaumlngers ausreicht

Aufgrund ihrer physikalischen Eigenschaft kann die Groumlszlige Lichtstaumlrke auch als die Dichte des von einem Ursprung aus in einen Raumwinkel ausge-sendeten Lichtstroms bezeichnet werden wobei der Lichtstrom die mit der Augenempfindlichkeit bewertete Strahlungsleistung einer Quelle ist Die Lichtstaumlrke ist somit eine klassische Strahlereigen-schaft Daher wurde sie auch fruumlher mit Normal-strahlungsquellen wie z B der Hefner-Lampe (ab 1890) mit der Einheit Hefner-Kerze (HK) und

Dr Armin Sperling Arbeitsgruppe bdquoPhoshytometrieldquo EshyMail arminsperlingptbde

Die Candela als Maszligeinheit des Lichtes Armin Sperling

1 Tatsaumlchlich wurde in der visuellen (subshyjektiven) Photometrie bis weit in die Mitte des 20 Jahrhunderts hinein unser Auge aufgrund seiner hoshyhen Empfindlichkeit als Messinstrument verwendet Erst mit der Entwicklung empfindlicher Phoshytozellen und stabiler Halbleiterempfaumlnger begann auch in der physikalischen (obshyjektiven) Photometrie der Siegeszug der elektronischen Messshywerterfassung

Bild 1 Der Lichtstrom einer Lichtquelle ist die im sichtbaren Spektralbereich in alle Rich-tungen abgestrahlte Lichtleistung

5

PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4 Die Candela als Maszligeinheit des Lichtes

von 1942 bis 1981 mit dem Platin-Punkt-Strahler und der Einheit Candela (cd) als unabhaumlngige Groumlszlige zu den anderen Basisgroumlszligen des SI-Systems realisiert Bei dem Platin-Punkt-Strahler handelte es sich im Uumlbrigen um einen Temperaturstrahler der den heutigen Hochtemperatur-Fixpunkt-strahlern in der Thermometrie zur Realisierung der Temperaturskala nicht unaumlhnlich war Mit staumlrker werdendem Einfluss der Radiometrie auf die Photometrie und des damit einhergehenden Wunsches die photometrische Basiseinheit direkt an die radiometrische Einheit Watt zu koppeln wurde 1979 der Beschluss gefasst die Definition der Einheit Candela von ihrer Realisierung zu trennen Seitdem gilt die DefinitionDie Candela ist die Lichtstaumlrke in einer bestimmten Richtung einer Strahlungsquelle die monochroma-tische Strahlung der Frequenz 540 THz aussendet und deren Strahlstaumlrke in dieser Richtung (1683) Watt durch Steradiant betraumlgt

Der Umrechnungsfaktor (1683) Wsrndash1 wurde hierbei vor der Umstellung der Einheit durch mehrere Messungen in den nationalen Metrolo-gieinstituten bestimmt vom Consultative Comittee for Photometry and Radiometry (CCPR) festgelegt und 1977 offiziell vom International Comittee for Weights and Measures (CIPM) uumlbernommen [1]

Diese Definition ist nicht als Realisierungsvor-schrift fuumlr die Candela gedacht Im Gegensatz zur Definition der Candela uumlber eine thermische Strahlungsquelle die als Licht aufgefasst die Wichtung der spektralen Strahlungsleistung mit der Augenempfindlichkeit automatisch einschlieszligt ist nun die Kenntnis der Augenempfindlichkeit erforderlich um aus Strahlung Licht zu machen Die Definition ist daher vielmehr als absolute Anbindung der Hellempfindlichkeitsfunktion V(λ) des menschlichen Auges an das radiometrische Watt zu verstehen War der spektrale Verlauf der Empfindlichkeit des menschlichen Auges fuumlr die Realisierung und Weitergabe der Messgroumlszlige Licht-staumlrke vor 1981 kaum von Bedeutung so wurde sie mit der neuen Definition fuumlr die Metrologie essenziell

In Luft bei n = 100028 [2] liegt die Wellen-laumlnge der in der Definition angegebene Frequenz von v = 540 middot 1012 Hz bei λ = 555016 nm Sie liegt damit sehr nahe dem Maximum der 1972 vom CIPM empfohlenen V(λ)-Funktion des photopi-schen CIE-Normalbeobachters fuumlr das Tagsehen das bei exakt λm = 555 nm liegt und definiert dort laut Definition das maximale photopische Strahlungsaumlquivalent (Index m fuumlr bdquomaximumldquo ) dort zu Km = 683002 lmWndash1 Somit wird uumlber die Candela-Definition und der tabellarisch festge-legten V(λ)-Funktion fuumlr jede Wellenlaumlnge im Definitionsbereich das wellenlaumlngenabhaumlngige photometrische Strahlungsaumlquivalent K(λ) = Km middot V(λ) eindeutig festgelegt

Neben dieser V(λ)-Funktion wurde 1951 von der CIE auch eine skotopische Empfindlichkeitsfunk-tion V ʹ (λ) fuumlr das Nachtsehen tabellarisch festge-legt und 1976 vom CIPM bestaumltigt Das Maximum dieser Funktion liegt bei λʹm = 507 nm mit einem maximalen skotopischen Strahlungsaumlquivalent von K ʹ m = 1700 lmWndash1

Der Hintergrund dieser beiden Bewertungsfunk-tionen liegt darin begruumlndet dass unser Auge in der Retina fuumlr das Sehen uumlber zwei unterschied-liche Empfaumlngersysteme die Staumlbchen und die Zapfen verfuumlgt Die Zapfen die sich noch einmal in unterschiedliche Rezeptoren aufteilen und die auch fuumlr das Farbsehen verantwortlich sind haumlufen sich insbesondere in und um die Netzhautgrube die in der optischen Achse des Auges liegt Hier werden insbesondere die achsennah auf das Auge auftreffenden Strahlen detektiert weshalb man auch vom 2deg-Beobachter spricht Zum Nachtsehen mit weit geoumlffneter Pupille tragen vor allem die deutlich empfindlicheren Staumlbchen bei die zudem in den achsenfernen Bereichen der Retina domi-nieren Die unterschiedlichen spektralen Empfind-lichkeiten von Zaumlpfchen und Staumlbchen spiegeln sich in den K(λ)- und K ʹ (λ)-Kurven (siehe Bild 2) wieder

Die hier beschriebene Verknuumlpfung der Bewer-tungsfunktionen mit der Candela-Definition ist aus der Einheitendefinition selbst nicht ersichtlich Weitergehende Informationen findet man wie fuumlr die Basiseinheiten uumlblich in der sogenannten Ausfuumlhrungsbestimmung (mise en pratique) zur Candela [3]

Betrachtet man die Leuchtdichte die vom Auge aufgenommen wird so umfasst der sko-topische Bereich Leuchtdichten bis ungefaumlhr L lt 0005 cdmndash2 und der photopische Bereich Leuchtdichten ab ungefaumlhr L gt 5 cdmndash2 Uumlber den mesopischen Zwischenbereich wurde lange Zeit keine Aussage gemacht Erst im Jahr 2010 ist auch

Bild 2 Die mesopische Hellempfindlichkeitsfunktionen Vmes(λ) fuumlr unterschiedliche Adap tionsniveaus mit deren zugehoumlrigen maximalen Strahlungsaumlquivalenzen

6

PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4Das Jahr des Lichtes

im Uumlbergangsbereich des Daumlmmerungssehens das Verhalten der Empfindlichkeit des Normalbe-obachters von der CIE festgelegt worden Je nach Leuchtdichte und damit Adaptionsniveau m des Auges wobei m = 0 dem dunkeladaptieren Auge und m = 1 dem helladaptierten Auge entspricht ergibt sich in diesem mesopischen Bereich fuumlr Leuchtdichten zwischen 0005 cdmndash2 lt L lt 5 cdmndash2 eine Hellempfindlichkeitsfunktion Vmes(λ) die sich gemaumlszlig

VM m

mV m Vmes( )( )

( ( ) ( ) ( ))λ λ λ= + minus prime1 1 (1)

aus einer Linearkombination der photopischen und skotopischen Empfindlichkeit berechnen laumlsst (siehe Bild 2) In der Abbildung sind die spektralen photometrischen Strahlungsaumlquivalenzen fuumlr eine Reihe ausgewaumlhlter Adaptionsniveaus zwischen 0 und 1 dargestellt Der Faktor M(m) ist lediglich ein Normierungsfaktor der das jeweilige Maximum von Vmes(λ) auf eins normiert

Durch die Candela-Definition werden alle Kurven der spektralen Strahlungsaumlquivalenzen im Punkt (555016 nm 683 lmWndash1) normiert Inso-fern wird klar warum in der Candela-Definition nur eine Frequenz stehen darf

In der Realitaumlt ist das Adaptionsniveau aber typischerweise nicht bekannt Das Adaptions-niveau m laumlsst sich aber aus einer gemessenen mittleren Leuchtdichte rekursiv bestimmen [4] Fuumlr reale Anwendungen z B die Auswertung von Messkamerabildern einer beleuchteten Straszlige bei Nacht reicht dies jedoch in der Regel nicht aus da bisher nicht geklaumlrt ist welche im Gesichtsfeld der Kamera (bzw des Auges) erfasste mittlere Leuchtdichte zur Berechnung eines Adaptionsniveaus hinzuzuziehen ist In einer Arbeitsgruppe des CCPR des CIPM wird derzeit an einer neuen Ausfuumlhrungsbestimmung gearbeitet die die mesopische Empfindlichkeits-funktion auch offiziell fuumlr die Anwendung in Zusammenhang mit der Einheit Candela nutzbar machtAus der Lichtstaumlrke I lassen sich alle weiteren bekannten photometrischen Einheiten herleiten So kann der Lichtstrom Φ als raumlumliches Integral uumlber eine Lichtstaumlrkeverteilung

Φ = intint I( )ϑ ϕ ϑ ϕ ϑϑ ϕ

sin d d

(2)

die Beleuchtungsstaumlrke E als Dichte des Licht-stroms der auf eine Flaumlche A auftrifft

E A= d dΦ (3)

und die Leuchtdichte L als Dichte des Lichtstroms in einem ausgestrahlten Buumlndel G

L G= d dΦ (4)

mit G AA

= intint cos d d

α ΩΩ

(5)

dargestellt werden wobei α hier den Winkel zwi-schen der Richtung des Buumlndels und der Flaumlchen-normalen der Quelle beschreibt

Die Beleuchtungsstaumlrke nimmt hierbei eine besondere Stellung ein da sich jede photomet-rische Messung im Prinzip auf die Messung des Photostroms i eines Empfaumlngers zuruumlckfuumlhren laumlsst der der mittleren Beleuchtungsstaumlrke Endash

auf seiner Oberflaumlche A0 proportional ist Die Beleuchtungsstaumlrke kann hierbei immer als integrale Wichtung der spektralen Empfindlichkeit s(λ) = s0srel(λ) des Empfaumlngers mit der relativen spektralen Strahlungsverteilung S(λ) = dΦ(λ)dλ der Quelle verstanden werden

E iKA s

S V

S s

m= sdot

( ) ( )

( ) ( )

infin

infin

int

intm

rel

d

d0 0

0

0

λ λ λ

λ λ λ

(6)

Die Geometrie des Strahlengangs von der Quelle bis zur Empfaumlngeroberflaumlche die beim Mess-prozess in das Modell der Auswertung eingeht bestimmt hierbei welche photometrische Groumlszlige gemessen wird Der Faktor hinter dem Photostrom in (6) beschreibt die photometrische Empfind-lichkeit sv eines Photometers die im Allgemeinen keine Konstante ist sondern vom Spektrum der Lichtquelle S(λ) abhaumlngt Um einem Photome-ter trotzdem einen eindeutigen Kalibrierwert zuzuordnen hat man sich darauf verstaumlndigt die Empfindlichkeit bezogen auf die Strahlungsfunk-tion eines Planckschen Strahlers P(TA λ) bei einer Temperatur TA = 2856 K die auch als Normlicht-art A bezeichnet wird anzugeben

Da bei einer realen Messung weder die spektrale Empfindlichkeit des verwendeten Photometers ideal an eine der Bewertungsfunktionen V(λ ) Vʹ(λ ) oder Vmes(λ) angepasst ist noch die betrach-tete Lichtquelle einem Planckschen Strahler entspricht sind gewonnene Messwerte immer uumlber eine spektrale Fehlanpassungskorrektur CCF gemaumlszlig

CCF

S V

S s

P T V

P T s

=

( ) ( )

( ) ( )

( ) ( )

( )

infin

infin

infin

int

int

intλ λ λ

λ λ λ

λ λ λ

λ

d

d

d0

0

0

rel

A

A r

eel λ λ( )infin

int d0

(7)

zu korrigieren wobei hier V(λ) in (7) stellvertre-

7

PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4 Die Candela als Maszligeinheit des Lichtes

tend fuumlr die benoumltigte Bewertungsfunktion steht Waren die erforderlichen Korrekturen bei Gluumlh-lampenbeleuchtung klein so koumlnnen Sie je nach Guumlte der spektralen Anpassung des verwendeten Photometers bei modernen LED-Lichtquellen durchaus im zweistelligen Prozentbereich sein Aus diesem Grunde diskutiert man im internati-onalen Rahmen die Einfuumlhrung weiterer Norm-lichtarten fuumlr LED-Lichtquellen [5]

Alternativ besteht immer auch die Moumlglichkeit das Spektrum direkt absolut und spektral aufgeloumlst zu messen und die photometrischen Bewertungs-funktionen rein rechnerisch zu beruumlcksichtigen Die hierzu infrage kommenden Systeme sind aber in der Regel teuer und bezuumlglich ihrer Robustheit und Stabilitaumlt fuumlr viele Anwendungen noch nicht ausreichend Regelmaumlszligig werden leider die Mess-unsicherheiten derartiger System unterschaumltzt was auch daran liegt dass aufgrund der komplexeren Messtechnik zusaumltzliche Unsicherheitsbeitraumlge (z B durch Bandpasseigenschaften und Streu-licht) die dem Anwender oft nicht zugaumlnglich sind bei der absoluten Bestimmung photomet-rischer Groumlszligen mithilfe von Spektroradiometern beruumlcksichtigt werden muumlssen

Unverzichtbar und mittlerweile marktbestim-mend sind jedoch spektral aufloumlsende Geraumlte wie Array-Spektroradiometer dort wo nur relative Messwerte wie z B bei der Bestimmung der Farbe von Licht bzw der Farbe von reflektiertem Licht benoumltigt werden

Bei der Bestimmung von Farbe geht es um die Bestimmung des Verhaumlltnisses von spektralen Strahlungsfunktionen die mit den Normspektral-wertfunktionen x y z( ) ( ) ( )λ λ λ bewertet werden wobei y( )λ mit V(λ) identisch ist Insofern ist auch die Farbmesstechnik an die Photometrie gekoppelt

Da es sich bei den farbmetrischen Groumlszligen um Eigenschaften handelt die durch Verhaumlltnismes-sungen gewonnen werden spricht man hier auch von farbmetrischen Kennzahlen und nicht von Einheiten Nichtsdestotrotz haben eben solche farbmetrischen Kennzahlen wie die Normfarb-wertanteile (x y) oder der Farbwiedergabeindex Ra (engl CRI colour rendering index) seit Einfuumlh-rung von modernen Lichtquellen eine besondere Bedeutung erhalten da z B mit LED-Lichtquellen im Prinzip sehr unterschiedliche Lichtfarben und Farbwiedergaben hergestellt werden koumlnnen Die Tatsache dass es sich bdquonurldquo um Kennzahlen handelt heiszligt jedoch nicht dass die Messungen messtechnisch einfach sind Genau das Gegenteil ist der Fall da fuumlr die Bestimmung der Farborte die steilen Flanken der Normalspektralwertfunk-tionen mit den Strahlungsfunktionen der Quellen gewichtet werden muumlssen die wie bei LEDs typisch auch spektral sehr steile Flanken aufwei-sen koumlnnen Unsicherheiten in der Bestimmung

der Strahlungsfunktion fuumlhren hier schnell zu groszligen Unsicherheitsbeitraumlgen in der Bestimmung des Farbortes Hier kann die PTB als Nationales Metrologieinstitut die Wuumlnsche nach den kleinen Messunsicherheiten wie sie von Herstellern sowie von Mess- und Kalibrierlaborartorien gefordert werden zurzeit noch nicht im vollen Umfang erfuumlllen

In der Vergangenheit wurden bei Testergebnis-sen haumlufig sowohl fuumlr photometrische Messwerte als auch fuumlr Kennzahlen in der Farbmesstechnik keine Messunsicherheiten angegeben Auch wurde deren Wirkung bei der Angabe von Toleranzen nicht immer adaumlquat beruumlcksichtig Fuumlr die Messung von LED-Lichtquellen wurde mit der in diesem Jahr veroumlffentlichten europaumlischen Norm DIN EN 13032-42015 [6] die uumlber die Commis-sion Internationale de lrsquoEacuteclairage Internationale Beleuchtungskommission (CIE) auch als internati-onaler Standard CIE S025 [7] veroumlffentlicht wurde ein erster Schritt in die Richtung gegangen auch fuumlr die Ergebnisse von Testverfahren die Angabe ruumlckfuumlhrbarer Messunsicherheiten zu fordern und diese bei Toleranzangaben zu beruumlcksichtigen

Dieser Vorstoszlig in der LED-Messtechnik wird sicherlich in Zukunft auch auf andere Anwen-dungsnormen zur Bewertung von Licht und Farbe von leuchtenden und nicht selbstleuchtenden Quellen einwirken Fuumlr die Weitergabe von Mes-sunsicherheiten auf dieser Ebene des Messwesens werden die nationalen Metrologieinstitute und die akkreditierten Kalibrierlabore gefordert sein die Industrie mit geeigneten applikationsnahen Trans-ferstandards zu unterstuumltzen

Literatur[1] Comptes Rendus de la 16e CGPM (1979) 1980

p100[2] WR Blevin Corrections in Optical Pyrometry

and Photometry for the Refractive Index of AirMetrologia 8 146ndash147 1972

[3] SI Brochure Appendix 2 Practical realization ofthe definition of the candela httpwwwbipmorgutilsenpdfSIApp2_cd_enpdf(letzter Aufruf 03122015)

[4] CIE 1912010 Recommended System for MesopicPhotometry Based on Visual Performance

[5] T Pulli et al Advantages of white LED lampsand new detector technology in photometryLight Science amp Applications (2015) 4 e332

[6] EN 13032-42015 Light and lighting ndash Mea-surement and presentation of photometricdata of lamps and luminaires ndash Part 4 LEDlight sources and luminaires

[7] CIE S0252015 Test Methods for LED Lampsndash LED Luminaires and LED Modules

8

Das Jahr des Lichtes PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4

Aufgrund der herausragenden Bedeutung des Lichts und des Sehens fuumlr die Interaktion des Menschen mit seiner Umwelt wurde die Candela als Einheit der Lichtstaumlrke in den Rang einer SI-Basis einheit gehoben Die Mehrzahl der Basiseinheiten sind uumlber physikalische Zusammenhaumlnge miteinander verknuumlpft und muumlssen entsprechend Ihrer Defini-tion realisiert und in den meisten Faumlllen auf andere Einheiten ruumlckgefuumlhrt werden In diesem Artikel wird die bdquometrologische Herkunftldquo der Candela im Stammbaum der Einheiten beschrieben

Definition der Candela

Im internationalen Einheitensystem (Systegraveme International drsquoUniteacutes abgekuumlrzt SI) ist die Candela wie folgt definiert

Die Candela ist die Lichtstaumlrke in einer bestimmten Richtung einer Strahlungsquelle die monochro-matische Strahlung der Frequenz 540 times 1012 Hz aussendet und deren Strahlstaumlrke in dieser Richtung (1683) Watt durch Steradiant betraumlgt

Hierbei handelt es sich um die exakte physika-lische Definition fuumlr die Lichtstaumlrke Nun besteht Licht jedoch praktisch nie nur aus Strahlung dieser Wellenlaumlnge weshalb die Definition um eine prak-tische Realisierung ergaumlnzt ist Denn es ist das Ziel der Photometrie Licht so zu messen dass die Mess-ergebnisse weitestgehend mit der visuellen Wahr-nehmung eines menschlichen Beobachters korre-liert sind Hierfuumlr wurden zwei spezielle Funktionen V(λ) und V ʹ(λ) [1] eingefuumlhrt die die relative spektrale Empfindlichkeit eines durchschnittlichen menschlichen Auges fuumlr photopisches (hell-adaptiertes) und skotopisches (dunkel-adaptiertes) Sehen beschreiben Die wichtigere der beiden Funktionen die V(λ) Funktion fuumlr hell-adaptiertes Sehen ist bei der Wellenlaumlnge auf eins normiert bei der das Auge die houmlchste Empfindlichkeit besitzt (555 nm) Mit dieser Definition lassen sich pho-tometrische Groumlszligen durch Bewertung der ent-sprechenden spektroradiometrischen Groumlszligen mit V(λ) und Multiplikation mit dem Maximalwert des Strahlungsaumlquivalents Km = 683 lmW berechnen

Die Lichtstaumlrke Iv ist durch das photometri-sche Grundgesetz mit der Beleuchtungsstaumlrke Ev verknuumlpft

IE d

vv=sdot 2

0ΩΩ0 = 1sr (1)

wobei d den Abstand zur Lichtquelle und Ω0 einen Raumwinkel von 1 sr bezeichnet Zur praktischen Bestimmung der Beleuchtungs-staumlrke verwendet man ein Photometer welches eine spektrale Bestrahlungsstaumlrke-Empfindlichkeit s(λ) besitzt deren relativer Verlauf idealerweise der V(λ)-Funktion entspricht und dessen Signal y proportional zu der Beleuchtungsstaumlrke ist Bei dem Proportionalitaumltsfaktor handelt es sich um die photometrische Empfindlichkeit sv des Photome-ters fuumlr die gemessene Lichtquelle

y s E= sdotv v (2)

Druumlckt man nun die Beleuchtungsstaumlrke Ev durch spektroradiometrische Groumlszligen aus so ergibt sich Ev aus der spektralen Bestrahlungsstaumlrke Eλ(λ)

E K E Vv m d= sdot sdot sdotinfin

int0 λ λ λ λ( ) ( ) (3)

Aus der spektralen Bestrahlungsstaumlrke Eλ(λ) und der spektralen Bestrahlungsstaumlrke-Empfindlichkeit des Photometers s(λ) ergibt sich das Signal y des Photometers

y E s= sdot sdotinfin

int λ λ λ λ( ) ( ) d0

(4)

Fuumlgt man die Formeln (2) bis (4) in (1) ein so ergibt sich fuumlr die Lichtstaumlrke

I y dK E V

E sv = sdot sdot

sdot sdot sdot

sdot sdot

infin

infinintint

2

0

0

0

Ω

m d

d

λ

λ

λ λ λ

λ λ λ

( ) ( )

( ) ( ) (5)

Aus dieser Formel laumlsst sich ablesen welche Groumlszligen fuumlr die Ruumlckfuumlhrung der Lichtstaumlrke bestimmt werden muumlssen Fuumlr die Ruumlckfuumlhrung

Detlef Lindner Arshybeits gruppe bdquoPhotoshymetrieldquo EshyMail detleflindnerptbde

Dr Stefan Winter Arbeitsgruppe bdquoSolarzellenldquo EshyMail stefanwinterptbde

Ruumlckfuumlhrung in der Photometrie ndash die Realisierung und Ruumlckfuumlhrung der Candela

Detlef Lindner Stefan Winter

9

Ruumlckfuumlhrung in der Photometrie hellipPTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4

der Candela wird das Signal y eines Photometers bestimmt welches sich in einem Abstand d von einer Lichtquelle entfernt befindet Von dem Pho-tometer muss die absolute spektrale Empfindlich-keit s(λ) bekannt sein und von der Lichtquelle die spektrale Bestrahlungsstaumlrke Eλ (λ)

In den naumlchsten drei Abschnitten wird das eigentliche Experiment zur Realisierung der Candela beschrieben dann das Verfahren zur Kalibrierung von Photometern und als letztes die Ruumlckfuumlhrung der spektralen Bestrahlungsstaumlrke Damit sind alle Groumlszligen zur Bestimmung der Candela bekannt Im letzten Abschnitt wird dann uumlber die abgeleiteten Groumlszligen Beleuchtungsstaumlrke und Leuchtdichte berichtet

Realisierung der Candela

Die Lichtstaumlrke Iv laumlsst sich durch Verwendung der Gleichungen (1) und (3) in die folgende Form bringen

I K d E Vv m d= sdot sdot sdot sdotinfin

int2

0 0Ω λ λ λ λ( ) ( ) (6)

Die spektrale Empfindlichkeit s(λ) eines Photo-meters laumlsst sich als Produkt aus einer absoluten Empfindlichkeit s(λ0) und einer relativen Emp-findlichkeit sr(λ) darstellen

s s s( ) ( ) ( )λ λ λ= sdot0 r mit sr ( ) λ0 1= (7)

Damit ergibt sich fuumlr das Ausgangssignal y dieses Photometers gemaumlszlig Gleichung (4)

y s E s= sdot sdot sdotinfin

int( ) ( ) ( ) λ λ λ λλ00

r d (8)

Ebenso laumlsst sich die spektrale Bestrahlungsstaumlrke einer Lichtquelle als Produkt aus einer absoluten und relativen Bestrahlungsstaumlrke schreiben

E E Eλ λλ λ λ( ) ( ) ( )= sdot0 r mit Er ( ) λ0 1= (9)

In der PTB werden zur Realisierung der Candela Gluumlhlampen verwendet deren relative spektrale Bestrahlungsstaumlrke Er (λ0) durch eine Strahlungs-funktion S (λT) ersetzt wird der eine Verteilungs-temperatur T zugeordnet werden kann [2] Befin-det sich die Lampe auszligerhalb der photometrischen Grenzentfernung im Abstand d zum Photome-terkopf und beleuchtet dessen Lichteintrittsflaumlche senkrecht so ergibt sich aus Gleichung (5) ihre Lichtstaumlrke Iv (T)

Die Anpassungskorrektur F (T) ist eine Funktion der Verteilungstemperatur T die den Photo-strom so korrigiert als waumlre mit einem ideal an V (λ)-angepassten Photometerkopf gemessen worden [3] In der Praxis ist die Anpassungskor-rektur meist eine monotone Funktion der Vertei-lungstemperatur und kann z B durch ein logarith-misches Polynom ersten Grades hinreichend gut angenaumlhert werden

F TS T V

S T sa T

m

( )( ) ( )

( ) ( )=

sdot sdot

sdot sdotcong sdot

infin

infinintint

λ λ λ

λ λ λ

d

d Kr

0

0

2856

(11)

Der Koeffizient a gibt den Wert der Anpassungs-korrektur fuumlr Normlichtart A (bei T = 2856 K) an da hier die Klammer den Wert eins hat Den Verlauf der Funktion mit der Verteilungstempera-tur beschreibt die Klammer mit dem Anpassungs-index m als Exponenten der somit eine charakte-ristische Groumlszlige eines Photometerkopfes ist Eine weitere Charakterisierung ist seine photometrische Empfindlichkeit sv

1

0sK asv

m=sdot

( )

λ(12)

Aus den Gleichungen (10) bis (12) folgt die in der Arbeitsgruppe bdquoPhotometrieldquo der PTB fuumlr die Realisierung der Lichtstaumlrke-Einheit grundlegende Beziehung

I T d y Ts

Tm

v ( ) ( ) = sdot sdot

2

0 2856Ω v K (13)

Demnach muumlssen neben dem Photostrom y(T) folgende Groumlszligen bekannt sein

bull die photometrische Empfindlichkeit sv desPhotometerkopfes

bull der Anpassungsindex m zur Korrektur derspektralen Fehlanpassung

bull der Wert der Verteilungstemperatur T der ver-wendeten Lichtquelle

bull der Abstand d zwischen Lichtquelle undPhotometerkopf

Die Einheit der Lichtstaumlrke wird an der PTB

I T y d Ks

S T V

S T syv

m

r

d

d( ) = sdot sdot

( )sdot sdot

sdot sdot= sdot

infin

infinintint

2

0 0

0

0

Ω λ

λ λ λ

λ λ λ

( ) ( )

( ) ( )

dd Ks

F T2

0 0Ωsdot( ) ( )m

λ (10)

10

Das Jahr des Lichtes PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4

repraumlsentiert und bewahrt durch eine Gruppe von 17 hochstabilen Gluumlhlampen (Typ Toshiba 5 A 10 V 15 cd) deren Strahlungsfunktionen der eines Hohlraumstrahlers von 2042 K sehr aumlhnlich sindDie Gesamtmessunsicherheit einer Realisierung der Lichtstaumlrke-Einheit in der PTB beim Vertrau-ensniveau k = 2 berechnet sich so zu 04

Gluumlhlampen altern praktisch nur waumlhrend ihrer Brennzeit demgegenuumlber koumlnnen Photometer ihre Eigenschaften unabhaumlngig vom Gebrauch veraumlndern Bild 2 verdeutlicht diesen Sachverhalt Deshalb sollten photometrische Einheiten mit Normallampen verkoumlrpert und bewahrt werden

sie dienen zum Kalibrieren von Photometern Kalibrierte Photometer sollten dagegen vorzugs-weise als Transfernormale verwendet werden

Weitergabe der Lichtstaumlrke-Einheit

Als Lichtstaumlrkenormale werden speziell gefertigte Gluumlhlampen mit besonderen optischen geometri-schen und elektrischen Eigenschaften verwendet z B die Lampe Typ OSRAM WI41G Bild 3 zeigtschematisch eine solche Lampe die zur Reduzie-rung der mechanischen Justierunsicherheit miteinem Spezialsockel der PTB ausgestattet wurdeZur Weitergabe der Lichtstaumlrke-Einheit werdenGruppen solcher Lampen als Lichtstaumlrkenormaleverwendet wobei auf Verteilungstemperaturenzwischen 2000 K und 2856 K eingestellt werdenkann siehe Bild 3 unten

In der PTB erfolgt die Bestimmung der Lichtstaumlrke Iv(T) einer Lampe durch den Vergleich mit der Lichtstaumlrke Iv(TR) eines nationalen Normals mit einer Verteilungstemperatur TR und mithilfe eines an V(λ)-angepassten Photometers mit den zugehouml-renden Photostroumlmen y(T) und y(TR)

Bild 1 Kameragestuumltzte mechanische Ausrichtung einer Lichtstaumlrke-Normallampe an derPhotometerbank Quelle PTB

0990

0992

0994

0996

0998

1000

1002

0 5 10 15 20 25

Rel Werte

Brennzeith

Bild 2 Alterungsverhalten von Lampen und Photometern Links schematisch rechts reales Alterungsver-halten einer Lampe im Betrieb rot Strom blau Spannung gruumln Lichtstaumlrke

Bild 3 Lichtstaumlrke-Normallampe WI41G mit PTB-Spezialsockel (oben) sowie verschiedene Lichtstaumlrke-Normallampen-gruppen zur Bewahrung und Weitergabe der Lichtstaumlrke-Einheit (unten)

11

Ruumlckfuumlhrung in der Photometrie hellipPTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4

I T I T y Ty T

TT

m

v v RR R

( ) ( ) ( )( )

= sdot sdot

(14)

Lichtstaumlrke-Normallampen

Die von der PTB in Kalibrierscheinen angegebe-nen Werte fuumlr die photometrischen Groumlszligen bezie-hen sich immer auf einen definierten Betriebszu-stand der Lampe Ihr momentaner Betriebszustand wird dagegen wesentlich bestimmt durch

bull die Zeitspanne seit dem Einschalten

bull die Betriebszustaumlnde bei fruumlheren Brennvor-gaumlngen und deren Dauer

bull die Eigenschaften der verwendetenMessapparatur

Zur Weitergabe der Lichtstaumlrke-Einheit werden zumeist Lampen des Typs WI41G verwendet Einige charakteristische Eigenschaften dieses Lam-pentyps werden nachfolgend angegeben - Kurzzeitstabilitaumlt ∆I Iv v le sdot minus2 10 4

- mechanische Justierunsicherheitfuumlr Lampe mit E27-Sockel ∆I Iv v le sdot minus2 10 3 fuumlr Lampe mit Spezialsockel ∆I Iv v le sdot minus4 10 4

- photometrisches Signal Alterung je Brennstundebzw Rauschen (siehe folgendes Bild 4)

- Richtungsabhaumlngigkeit der Lichtstaumlrke beiDrehung um die vertikale und horizontale Achse in der Leuchtkoumlrperebene Abhaumlngigkeit uumlberwiegend bei Drehung um die horizontale Achse fuumlr beide Winkel sollte der Justierfehler 1deg nicht uumlbersteigen

Bei der Weitergabe der Einheiten der gerich-teten Photometrie macht man sich das Moni-torverfahren zunutze D h der aktuelle photo-metrische Betriebszustand von Lichtstaumlrke- und Leuchtdichte normalen wird durch geeignete Monitortechniken kontrolliert Dafuumlr werden spe-ziell konstruierte Monitorphotometer eingesetzt (siehe folgendes Bild 5)

Die Signale der Monitorphotometer werden synchron mit den Referenz- bzw Testphotometern ausgelesen und dokumentieren so die bdquoEinbrenn-phaseldquo bzw die Stabilitaumlt des photometrischen Signals waumlhrend der Messablaumlufe und dienen gegebenenfalls zur Korrektur

Kalibrierung von Photometern

Bei der Kalibrierung von Photometern wird deren absolute spektrale Bestrahlungsstaumlrke-Empfindlich-keit vom UV bis ins nahe Infrarot bestimmt Dabei wird das Photometer im quasi monochromatischen homogenen Strahlungsfeld bekannter Bestrahlungs-staumlrke vollstaumlndig uumlberstrahlt und die sich dabei ergebende Stromstaumlrke gemessen Der Quotient aus Stromstaumlrke und Bestrahlungsstaumlrke bei der einge-stellten Wellenlaumlnge ergibt die spektrale Bestrah-lungsstaumlrke-Empfindlichkeit s(λ) Diese Messung wird alle 5 nm von 360 nm bis mindestens 830 nm durchgefuumlhrt und ergibt dann einen Kurvenverlauf der bei guten Photometern der oben beschriebenen V(λ)-Funktion sehr nahe kommt

Aus der experimentell bestimmten spektralen Bestrahlungsstaumlrke-Empfindlichkeit s(λ) laumlsst sich nun mithilfe tabellarisch definierter Groumlszligen (Normlichtart A S(λ 2856 K) V(λ)-Funktion und dem Maximalwert des Strahlungsaumlquivalents Km) die in Formel (2) eingefuumlhrte photometrische Empfindlichkeit sv des Photometers zusammen mit Formeln (3) und (4) berechnen

sS s

K S Vv

m

d

d=

sdot sdot

sdot sdot

infin

infinintint

( ) ( )

( ) ( )

λ λ λ

λ λ λ

2856

2856

0

0

K

K (15)

Ebenso laumlsst sich nun nach Formel (11) die Anpas-sungskorrektur F(T) direkt berechnen

2300 2500 2700 T K 2900 1

2

3

4

Alterung je Brennstunde

Rauschen ∆YY104

Photometrisches Signal

2856 K

Bild 4 Alterung je Brennstunde bzw Rauschen des photometri-schen Signals

Bild 5 Monitor-Photometer zur Uumlberwachung bzw Korrektur der Stabilitaumlt bei Messungen in der gerichteten Photometrie

Monitor-Photometer

12

Das Jahr des Lichtes PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4

Experimentell wird die spektrale Bestrahlungs-staumlrke traditionell mit einem Monochromator-messplatz wie dem DSR-Messplatz ermittelt Dieser sondert aus einem Xenonlampenspektrum oder einem Gluumlhlampenspektrum einen schma-len Wellenlaumlngenbereich aus der dann fuumlr die Bestimmung der spektralen Empfindlichkeit bei seiner Schwerpunktwellenlaumlnge benutzt wird Besonders wichtig ist dabei dass der genaue Wert der Schwerpunktwellenlaumlnge bekannt ist und dass die ausgesonderte Strahlung ein sehr homogenes Strahlungsfeld erzeugt Entscheidend dafuumlr ist der geschickte und wellenlaumlngenabhaumlngige Aufbau der Eingangs- und Ausgangsoptik mit mehreren Linsen

Lampenbasierte Monochromatormessplaumltze haben jedoch einen entscheidenden Nachteil Ihre maximale Leistung betraumlgt typisch nur 100 microW Deshalb muumlssen mehrere Kompromisse bei der Messung eingegangen werden Die Messung muss verhaumlltnismaumlszligig dicht hinter dem Messplatz durch-gefuumlhrt werden wo sich die Bestrahlungsstaumlrke noch stark mit dem Abstand aumlndert und inhomoge-ner als im Fernfeld ist Je spektral reiner die Strah-lung eingestellt wird umso weniger Strahlungs-leistung passiert den Monochromator sodass auch hier wieder ein Kompromiss eingegangen werden muss Trotz der Kompromisse ist der Wellenlaumln-genbereich in dem die spektrale Empfindlichkeit bestimmt werden kann oft auf 400 nm bis 750 nm beschraumlnkt also auf den Bereich bei dem die spekt-rale Empfindlichkeit noch ausreichend hoch ist

Deshalb wurde ein neuer laserbasierter Messplatz aufgebaut (s Bild 6) Dieser erzeugt ein 100- bis 10000-mal kraumlftigeres Strahlungsfeld (s Bild 7) Zudem erlaubt der Messplatz die Bestimmung der Winkelabhaumlngigkeit von Photometern sowie die Messung des spektralen Temperaturkoeffizienten von ndash70 degC bis 180 degC Es koumlnnen mit dem laser-basierten Messplatz selbst unempfindliche Photo-meter in einem deutlich groumlszligeren Wellenlaumlngenbe-reich als bislang gemessen werden (s Bild 8ndash9) Da so viel Strahlungsleistung selbst fuumlr einen erweiter-ten Wellenlaumlngenbereich nicht benoumltigt wird kann mit einem laserbasierten Messplatz im homogenen Fernfeld und mit houmlherer spektraler Reinheit gemessen werden und somit die Messunsicherheit signifikant reduziert werden

Bild 6 Aufbau eines laser-basierten Messplat-zes zur Kalibrierung der spektralen Bestrahlungsstaumlrke-Empfindlichkeit von Photometern Das eigentliche Laser-system ist in der unteren Haumllfte von a) skizziert und in b)als Foto dargestellt

a

b

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Ruumlckfuumlhrung in der Photometrie hellipPTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4

Realisierung der spektralen Bestrahlungsstaumlrke

Wie bereits vorher erwaumlhnt ist zur Realisierung der Candela die Kenntnis der relativen spektralen Bestrahlungsstaumlrke Er(λ) = S(λ T) von Tempera-turstrahlern (Gluumlhlampen) der Verteilungstempe-ratur T erforderlich

Bereits zum Ende des neunzehnten Jahrhunderts beschaumlftigten sich an der Physikalisch-Techni-schen-Reichsanstalt (PTR) in Berlin die Wissen-schaftler Otto Lummer Ernst Pringsheim und Fer-dinand Kurlbaum unter der Leitung von Wilhelm Wien mit der Pruumlfung elektrischer Gluumlhlampen fuumlr die Industrie und in diesem Zusammenhang mit der Verbesserung von Lampen und Vergleichs-normalen fuumlr Waumlrmestrahlung [4]

Sie entwickelten basierend auf Ideen von Kirch-hoff ab 1895 die ersten Hohlraumstrahler die als sogenannter Schwarzer Strahler zur Erzeugung von Temperaturstrahlung bis zu etwa 2000 K ein-gesetzt werden konnten Aufbauend auf Vorarbei-ten von Kirchhoff (1859) Stefan und Boltzmann (187984) sowie auf eigene Berechnungen (1893) konnte Wilhelm Wien anhand erster Messergeb-nisse 1896 die heute nach ihm benannte Wiensche Strahlungsgleichung aufstellen die die Ergebnisse der Experimente gut traf allerdings systema-tische Abweichungen fuumlr groszlige Produkte von λ middot T ergab Die Wiensche Gleichung war jedoch wesentlich genauer als das von Rayleigh und Jeans aufgestellte Pendant mit seiner inhaumlrenten Ultraviolettkatastrophe

Am 19 Oktober 1900 konnte Max Planck der vom Gastwissenschaftler Heinrich Rubens uumlber die Messergebnisse in der PTR unterrichtet wurde in einer Sitzung der Physikalischen Gesellschaft eine Gleichung vorlegen die die Messungen seiner Kollegen in der PTR besser als alle bis dato bekannten Gleichungen wiedergab Bereits am 14 Dezember 1900 trug er die komplette Her-leitung der Planckschen Strahlungsgleichungwiederum der Berliner Physikalischen Gesellschaftvor und leitete damit (verbunden mit der Energie-quantelung) die Quantenphysik ein [5]

Mithilfe des Planckschen Strahlungsgesetzes laumlsst sich die spektrale Dichte der Bestrahlungs-staumlrke EλBB(λTBB) eines Hochtemperatur-Hohl-raumstrahlers (auch Planckscher Strahler oder Schwarzer Strahler) berechnen

E T T Ad

cn

ec

n Tλ

λ

λ ε λλ BB BB BB

BB

BBBB

( ) = ( ) sdot sdot sdot

minus2

12 5

1

12

(16)

Bild 7 Wellenlaumlngenabhaumlngige optische Leistung des herkoumlmmlichen DSR-Messplatzes (untere Kurven) und des Laser-DSR-Messplatzes einmal direkt hinter dem Laser gemessen (gruumlne Kurven) und einmal die Leistung der tatsaumlchlich in der Messebe-ne nutzbaren Strahlung (rote Kurven)

Bild 8 Photometer Referenzphotodiode (links) sowie Solarzelle (unten) am Laser-DSR-Messplatz

Bild 9 Mit dem Laser-DSR-Messplatz und dem DSR-Messplatz gemessene spektrale Empfindlichkeiten von zwei verschiedenen Photometern (gruumlne und blaue Kurve) sowie die spektrale Empfindlichkeit von der als Referenz benutzten Photodiode (rote Kurve) Die Signalhoumlhen unterscheiden sich um einen Faktor von bis zu 100 Millionen Obwohl das am Laser-DSR-Messplatz gemessene Photometer ca 7 mal unempfindlicher als das am DSR-Messplatz gemessene Photometer ist kann die spektrale Empfindlichkeit in einem deutlich groumlszligeren Wellenlaumlngenbereich gemessen werden

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Das Jahr des Lichtes PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4

Hierbei ist

TBB die Temperatur des Planckschen Strahlers ε(λTBB) der effektive Emissionsgrad des Strahlers ABB die Groumlszlige der Strahleroumlffnung dBB der Abstand zur Referenzebene fuumlr die Bestrahlungsstaumlrke c1 c2 die Planckschen Strahlungskonstanten und n der Brechungsindex von Luft

In der PTB wird im Fachbereich 41 bdquoPho-tometrie und angewandte Radiometrieldquo ein Hochtemperatur-Hohlraumstrahler vom Typ BB3200pg als nationales Normal fuumlr spektrale Bestrahlungsstaumlrke im Spektralbereich 200 nm bis 2500 nm eingesetzt Der Strahler der vom russi-schen Institut fuumlr optophysikalische Messungen (VNIIOFI) entwickelt [6] und von der PTB fuumlr seine Messaufgabe aufwendig charakterisiert und optimiert wurde [7] besitzt einen Hohlraum aus pyrolytischem Graphit der mittels Gleichstrom auf Temperaturen bis 3200 K aufgeheizt werden kann Der Strahler besitzt einen effektiven Emissions-grad von ε(λTBB) gt 09998 und eine ausgepraumlgte Homogenitaumlt der Temperatur im Hohlraum Er kann somit als Planckscher Strahler behandelt werden

Zur Berechnung des Planckschen Strahlungs-gesetzes werden weitere Groumlszligen des SI-Systems benoumltigt die in der PTB ruumlckfuumlhrbar kalibriert werden So wird zum Beispiel die Strahlerflaumlche ABB in Fachbereich 53 bdquoKoordinatenmesstechnikldquo kalibriert und die Bestimmung der Strahlertem-peratur TBB erfolgt mithilfe von Filterradiometern die in Fachbereich 73 bdquoDetektorradiometrie und Strahlungsthermometrieldquo gegen ein Kryo-

radiometer ruumlckgefuumlhrt werden Mithilfe dieser Berechnungsparameter fuumlr Gleichung (16) kann der Schwarze Strahler als Primaumlrnormal fuumlr strah-lungsphysikalische Groumlszligen eingesetzt werden

Die Kalibrierung von Gluumlhlampen bezuumlglich spektraler Bestrahlungsstaumlrke erfolgt in Sub-stitution durch direkten Vergleich gegen das Primaumlrnormal bzw entsprechend ruumlckgefuumlhrte Sekundaumlrnormale Hierbei handelt es sich um 1000-W-Gluumlhlampen vom Typ FEL die mit einer Verteilungstemperatur von etwa 3080 K einem dem Schwarzen Strahler sehr aumlhnlichen Verlauf der relativen spektralen Strahlungsfunktion besitzen Die Substitution erfolgt mithilfe eines Spektroradiometers das mit drei Monochroma-toren und Empfaumlngern einen Spektralbereich von 250 nm bis 2500 nm abdeckt [8] Eine Ulbrichtku-gel dient als Eingangsoptik und ihre Eintrittsoumlff-nung als Referenzebene fuumlr die Bestrahlungsstaumlrke Die durch die Kugel transmittierte Strahlung gelangt in einen Vormonochromator und wird nach spektraler Vorzerlegung wahlweise in einen Monochromator fuumlr den Spektralbereich 250 nm bis 1100 nm oder in einen Monochromator fuumlr den infraroten Spektralbereich eingekoppelt Ein Photomultiplier eine Si-Photodiode und eine InGaAs-Photodiode erfassen die aus den derart kombinierten beiden Doppelmonochromatoren austretende Strahlung Im fuumlr die Photometrie relevanten sichtbaren Spektralbereich werden spektrale Messungen mit einer spektralen Band-breite von 1 nm und einem Streulichtanteil im Bereich von 10ndash7 durchgefuumlhrt

Das Verhaumlltnis der mit den unterschiedlichen Strahlern gemessenen Photostroumlme entspricht im Wesentlichen dem Verhaumlltnis ihrer spektralen Bestrahlungsstaumlrken Beim Vergleich eines Strah-

Bild 10 Der Hochtemperatur-Hohlraumstrahler BB3200pg der in der PTB als Primaumlrnormal fuumlr die spektrale Bestrahlungsstaumlrke eingesetzt wird Der Hohlraum aus Pyrographit kann bis zu 3200 K aufgeheizt werden

15

Ruumlckfuumlhrung in der Photometrie hellipPTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4

lers bdquoSldquo mit der Verteilungstemperatur T mit dem Schwarzen Strahler der Temperatur TBB laumlsst sich prinzipiell also die unbekannte spektrale Bestrah-lungsstaumlrke EλS (λT) ermitteln aus

E T E Ty

yS eS

λ λλ λλλ ( ) = ( ) sdot ( )( )BB BB

BB

wobei ys(λ) und yBB(λ) die fuumlr die beiden Strahler gemessenen Photostroumlme bei der Wellenlaumlngen-einstellung λ sind und EλBB (λTBB) die spektrale Bestrahlungsstaumlrke des Hochtemperatur-Hohl-raumstrahlers nach dem Planckschen Strahlungs-gesetz (16) ist

Ableitung und Weitergabe weiterer photometrischer Einheiten gerichteter photometrischer Groumlszligen

Neben der Einheit fuumlr die Lichtstaumlrke sind in der gerichteten Photometrie die Einheit der Beleuch-tungsstaumlrke zur Kalibrierung von Photometern und die Einheit der Leuchtdichte zur Angabe von Lampeneigenschaften besonders wichtig

Beleuchtungsstaumlrke

In der PTB werden Beleuchtungsstaumlrke-Messgeraumlte mit einem Referenzphotometer mittels der Substi-tutionsmethode kalibriert wobei die Lichteintritts-flaumlchen der Photometerkoumlpfe an derselben Stelle senkrecht und gleichmaumlszligig beleuchtet werden

Dazu wird zunaumlchst das Referenzphotometer (Linearitaumlt und Anpassungsindex m bekannt) mit Lichtstaumlrke-Normallampen beliebiger Vertei-lungstemperatur T kalibriert Durch Umstellung von Gleichung (13) folgt fuumlr seine photometrische Empfindlichkeit

s d y TI T

Tm

v K= sdot sdot

2

0 2856Ω( )( )

v

(18)

Auf einer 40 m langen Photometerbank siehe Bild 10 koumlnnen dann mit beliebigen Gluumlhlampen unterschiedlicher elektrischer Leistung aber bekannter Verteilungstemperatur Beleuchtungsstaumlrken zwischen 0001 lx und 10000 lx erzeugt werden

Die Kalibrierung von Beleuchtungsstaumlrke-Mess-geraumlten erfolgt meistens mit Licht der Normlicht-art A eine entsprechende Lampe ist in Bild 15 dargestellt Die Anzeige des zu kalibrierenden Beleuchtungsstaumlrke-Messgeraumltes wird mit dem Messwert der Beleuchtungsstaumlrke Ev des Referenz-photometers verglichen

E T ysv

vK( )= =2856

001

01

1

10

100

350 400 450 500 550 600 650 700 750

spek

tral

e Be

stra

hlun

gsst

aumlrke

E[microW

cm

sup2nm

]

Wellenlaumlnge λ [nm]

Schwarzer Strahler (3076 K)Schwarzer Strahker (2995 K)FEL 81 A (3080 K)FEL 67 A (2780 K)WI 41G 54 A (2700 K)

Bild 11 Spektrale Bestrahlungsstaumlrke unterschiedlicher Strahler im sichtbaren Spektralbe-reich Die als Sekundaumlrnormale eingesetzten 1000-W-Gluumlhlampen vom Typ FEL und die in der Photometrie verwendeten Gluumlhlampen vom Typ WI 41G besitzen einen sehr aumlhnlichen spektralen Verlauf wie der als Primaumlrnormal eingesetzte Schwarze Strahler bei unterschiedlichen Strahlertemperaturen

Bild 12 Der Messplatz fuumlr die Kalibrierung von Gluumlhlampen bezuumlglich spektraler Bestrah-lungsstaumlrke in der PTB Auf der rechten Seite befinden sich zwei als Sekun-daumlr- und Arbeitsnormale eingesetzte Gluumlhlampen Auf der linken Seite ist das Spektroradiometer zu sehen dass an seiner Oberseite eine Ulbrichtkugel als Eingangsoptik montiert hat deren Oumlffnung in Richtung Strahler als Referenzebene fuumlr die Bestrahlungsstaumlrke verwendet wird

Bild 13 Messplatz zur Weitergabe der Einheit der Beleuchtungsstaumlrke zur Kalibrierung von Photometern

(17)

(19)

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Das Jahr des Lichtes PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4

Leuchtdichte

Leuchtdichten homogen leuchtender begrenzter Flaumlchen koumlnnen aus groszligem Abstand wie Licht-staumlrken gemessen werden Wird z B eine kreisfoumlr-mige Blendenoumlffnung (zentrisch und senkrecht zur Messrichtung) zwischen der leuchtender Flaumlche und dem Photometerkopf angeordnet und damit ein Teillichtstrom ausgesondert so kann dieser in groszligem Abstand als Lichtstaumlrke bestimmt werden und es gilt fuumlr die Leuchtdichte Lv der prinzipielle Zusammenhang

LIAvv= (20)

In der PTB wird fuumlr die mit Gluumlhlampen ausgestat-teten Leuchtdichtenormale (d h Verteilungstem-peratur T bekannt) zunaumlchst die photometrische Empfindlichkeit sv des Referenzphotometers wie in Abschnitt 41 bestimmt dann die Lichtstaumlrke nach Gleichung (13) gemessen und schlieszliglich die mittlere Leuchtdichte innerhalb der leuchtenden Flaumlche A nach Gleichung (20) berechnet

Fuumlr Leuchtdichtenormale gelten prinzipiell einige der im Kapitel bdquoLichtstaumlrke-Normallampenldquo aufgefuumlhrten Merkmale Sie unterscheiden sich jedoch im Detail in der Art der Ausfuumlhrung z B sind sie mit Gluumlhlampen oder mit LEDs bestuumlckt sie koumlnnen hinsichtlich der Leuchtdichte bzw Farbe durchstimmbar sein oder mit gesonderter Monitortechnik ausgestattet sein

Die traditionellen Messverfahren zur Bestim-mung der Leuchtdichte bzw die Verwendung von Photometern mit direkter Anzeige der Leuchtdich-tewerte werden zunehmend durch den Einsatz von Leuchtdichtekameras (pixelaufgeloumlste Darstellung von Leuchtdichteverteilungen) ergaumlnzt Eine abso-lute Kalibrierung dieser modernen Systeme stellt aber messtechnisch eine groszlige Herausforderung

Bild 14 Die 40 m lange photometrische Bank zur Realisierung und Weitergabe der Einhei-ten der gerichteten Photometrie

Bild 15 20-kW-Hochleistungshalogengluumlhlampe fuumlr hohe Beleuchtungsstaumlrken zur Kalibrierung von Beleuchtungsstaumlrke-Messgeraumlten u a mit Normlichtart A

Bild 16 Gluumlhlampenbasierte Normale zum Transfer der Leuchtdichte-Einheit

17

Ruumlckfuumlhrung in der Photometrie hellipPTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4

dar aktuell werden zur Charakterisierung solcher Kameras national im FNL3 (Normenausschuss bdquoPhotometrieldquo im DIN) und international in der CIE (TC2-59 TC2-62) u a Messverfahren dis-kutiert die dann mittels definierter Kenngroumlszligen beschrieben werden

Literatur

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temperature 1994[3] G Sauter Die Candela Erlaumluterungen zum Ver-

staumlndnis der Definition und der RealisierungPTB-Mitteilungen 107 1997

[4] W Schreier (Hrsg) Biographien bedeutender Phy-siker 2 Aufl Volk und Wissen Berlin 1988S 203ndash205

[5] M Planck Zur Theorie des Gesetzes der Energie-verteilung im Normalspektrum Verhandlungender Deutschen Physikalischen Gesellschaft 21900 S 237ndash245

[6] V I Sapritsky B BKhlevnoy V B KhromchenkoB E Lisiansky S N MekhontsevU A Melenevsky S P Morozova A V ProkhorovL N Samoilov V I Shapoval K A SudarevM F Zelener Precision Blackbody sources forradiometric standards Appl Opt 1997 36S 5403ndash5408

[7] P Sperfeld Entwicklung und Realisierungeiner empfaumlngergestuumltzten spektralen Bestrah-lungsstaumlrkeskala Dissertation Braunschweig2861999 httpwwwbibliotu-bsdeedissdata19990628a19990628ahtml(Letzter Aufruf 28102015)

[8] P Sperfeld S Pape B Barton From Primary Stan-dard to Mobile Measurements ndash Overview of theSpectral Irradiance Calibration Equipment at PTBMAPAN-Journal of Metrology Society of India 252010 S 11ndash19

Bild 17 Pixelaufgeloumlste Darstellung einer Leuchtdichteverteilung mit einer Leuchtdichtemesskamera

pim_140107_anz_forschung_178x29indd 1 280214 1033

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PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4Das Jahr des Lichtes

Kurze Geschichte der Goniophotometrie in der PTB Matthias Lindemann

Zusammenfassung

Die Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB) ist das nationale Metrologieinstitut (NMI) der Bundesrepublik Deutschland das seinen Fokus auf die Realisierung Bewahrung und Weitergabe der SI-Einheiten richtet Deshalb hat auch die goniophotometrische Bestimmung des Licht-stroms nahezu beliebiger Lichtquellen eine lange Tradition Seit mehr als 50 Jahren werden in der PTB hierzu noumltige Messsysteme entwickelt genutzt verbessert und an neue Messaufgaben angepasst Schon in den 50er- und 60er-Jahren des vergangenen Jahrhunderts erlaubte ein soge-nanntes Einarm-Goniophotometer die Realisie-rung der Lichtstromeinheit lumen (lm) als direkte Ableitung von der SI-Basiseinheit Candela (cd) mithilfe von Lichtstaumlrke-Normallampen Spaumlter gestattete ein groszliges Kardan-Goniophotometer mit einem Messradius von 25 m die notwendige automatisierte spiralfoumlrmige Bewegung eines Photometers bzw eines Dreibereichsfarbmess-kopfes Fuumlr die Lichtstrom-Kalibrierungen von Kleingluumlhlampen aber auch von zunehmend nachgefragten Messungen an LEDs wurde schon in den fruumlhen 1980er Jahren ein sogenanntes Mini-Goniophotometer ebenfalls als Kardan-

Goniophotometer mit nur 03 m Messradius entwickelt und eingesetzt Dieser Entwicklungs-prozess haumllt an und ermoumlglicht heute die Kalibrie-rung auch modernster LED-Lichtquellen Im Jahr 2006 wurde das erste Roboter-Goniophotometer im neuen Albert-Einstein-Gebaumlude der PTB in Betrieb genommen und ermoumlglicht seitdem die Kalibrierung nahezu beliebiger Lichtquellen mit der noumltigen kleinen Messunsicherheit

1 Einfuumlhrung

Mehr als 11 der elektrischen Energie werden heute in Deutschland fuumlr Beleuchtung einge-setzt Tendenz steigend Daher ist der Lichtstrom oumlkonomisch gesehen die wichtigste photometri-sche Groumlszlige Es ist notwendig seine Einheit das Lumen (lm) direkt von der SI-Basiseinheit fuumlr die Lichtstaumlrke der Candela (cd) abzuleiten Dies geschieht regelmaumlszligig mittels Goniophotometrie um den Lichtstrom der zu untersuchenden Licht-quelle zu bestimmen Obwohl auch absolut arbei-tende Ulbricht-Kugel-Methoden existieren [1] benoumltigen diese streng genommen zumindest die relative raumlumliche Lichtstaumlrkeverteilung welche nur durch goniophotometrische Methoden messbar ist

Das Prinzip der Goniophotometrie ist unabhaumln-gig von der technischen Realisierung der unter-schiedlichen Goniophotometertypen Ein Gonio-photometer misst die raumlumliche Verteilung der Beleuchtungsstaumlrke E(r ϑ φ) auf einer geschlosse-nen Huumlllflaumlche mittels V(λ)-angepasstem Pho-tometer fuumlr alle Richtungen (ϑ φ) der Lichtaus-strahlung im vollen Raumwinkel (4π sr) um die Lichtquelle herum wie Bild 1 zeigt

Der Radiusvektor r(ϑ φ) beschreibt die Position des Photometers in Kugelkoordinaten und r(ϑ φ) durchstoumlszligt das zur Lampe gerichtete Eintrittsfens-ter immer orthogonal Der Radiusvektor r(ϑ φ) beschreibt auch die Entfernung zwischen Lampe und Photometer

Der Winkel ϑ beschreibt die Position des Photometers zwischen den Polen traditionell im Bereich (0 lt ϑ lt π) Der Winkel φ beschreibt die Photometer-Position in der Aumlquator-Richtung

Matthias Lindemann Arbeitsgruppe bdquoGoniophotometrieldquo EshyMail matthiaslindemannptbde

Bild 1 Beleuchtungsstaumlrke E als Funktion des Radiusvektors r(ϑ φ)

19

PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4 Kurze Geschichte der Goniophotometrie in der PTB

(0 lt φ lt 2π) Der Wert des Lichtstroms Φ der Lampe kann aus der Beleuchtungsstaumlrkeverteilung E(ϑ φ) berechnet werden entweder aus der Licht-staumlrkedefinition I = dΦdω oder aus der Defini-tion der Beleuchtungsstaumlrke E = dΦdΑ

Φ = ( )int I ϑ ϕ ω4πsr

d (1)

Φ = ( )int E Ar

ϑ ϕ4 2π

d (2)

Das Raumwinkelelement dω der Gleichung (1) ist gegeben durch

d sin d dω ϑ ϑ ϕ= ( ) (3)

und das Flaumlchenelement dA der Gleichung (2) erhaumllt man aus

d sin d dA r= ( ) ( )2 ϑ ϕ ϑ ϑ ϕ

(4)

Der Radius r des Radiusvektors r(ϑ φ) kann als Konstante behandelt werden da er sich gewoumlhn-lich waumlhrend einer goniophotometrischen Messung nicht aumlndert Dann kann die Lichtstaumlrke-verteilung I(ϑ φ) durch Anwendung des photome-trischen Grundgesetzes aus der Beleuchtungsstaumlr-keverteilung E(ϑ φ) bestimmt werden

I r Eϑ ϕ ϑ ϕ ( ) = ( )2 (5)

Falls die photometrisch wirksame Ausdehnung rL der zu messenden Lampe deutlich kleiner ist als der Messradius r des Goniophotometers ist kann Gleichung (1) mit Gleichung (3) und r = const wie folgt geschrieben werden

Φ = ( ) ( )intintr E2

00

2

d sin dϕ ϑ φ ϑ ϑππ

(6)

Andererseits fuumlhrt Gleichung (2) mit Glei-chung (4) und r = const ebenfalls auf Gleichung (6) Aber fuumlr groszlige Lampen koumlnnte die Anwen-dung von Gleichung (5) zu fehlerhaften Ergeb-nissen fuumlhren (rL gt r) aber der ermittelte Wert des Lichtstroms entsprechend Gleichung (6) waumlre korrekt falls das Photometer das einfallende Licht mit dem Kosinus des Einfallswinkels bewertet

2 Geschichte der Goniophotometer- Systeme in der PTB

Wie bereits teilweise in Abschnitt 1 diskutiert sollte ein ideales Goniophotometer eine Reihe von Anforderungen erfuumlllen wie die folgende Auflis-tung zeigt

1 Kalibrierung der Photometer mittels Licht-staumlrke-Normallampen zur Sicherung der Ruumlckfuumlhrung auf die nationale Realisierung der Einheit Candela

2 Ausfuumlhrung einer Relativbewegung zwischen Lampe und Photometer wobei sich ϑ-Achse und φ-Achse rechtwinklig schneiden

3 Verwendung eines V(λ)-angepassten Photo-meters zur Lichtstrommessung

4 Automatische Messdatenanalyse5 Unabhaumlngige Bestimmung des Lichtstromwer-

tes von der raumlumlichenspektralen Verteilung der gemessenen Bestrahlungsstaumlrke Ee(λ ϑ φ) des Lichts

6 Unabhaumlngigkeit der Empfindlichkeit des Pho-tometers von der Umgebungstemperatur bzw Durchfuumlhrung einer entsprechenden Korrektur

7 Beliebige Betriebslage der zu untersuchenden Lampe

8 Einstellbare Umgebungsbedingungen fuumlr Luft-temperatur und Luftfeuchte

9 Geringer Streulichtanteil im Messraum bzw Streulicht-Korrektur

10 Elektrische Antriebe fuumlr die Bewegung der ϑ- und φ-Achsen

11 Verwendung von Farbmesskoumlpfen zur Bestim-mung der raumlumlich wirksamen aumlhnlichsten Farbtemperatur undoder Bestimmung der relativen raumlumlichen spektralen Verteilung der gemessenen Bestrahlungsstaumlrke

12 Messung ohne Bewegung der zu untersuchen-den Lampe

13 Vollstaumlndige Abtastung der Beleuchtungs-staumlrke- bzw Lichtstaumlrkeverteilung der zu untersuchenden Lampe

14 Staumlndige Uumlberwachung des photometrischen Betriebsverhaltens der Lampe um Alterung waumlhrend der Messzeit erkennen bzw korrigie-ren zu koumlnnen (sogenanntes Monitorsystem)

15 Messraumwaumlnde sollen etwa auf Lufttem-peratur sein um den Strahlungsaustausch zwischen Entladungslampen und Waumlnden des Messraums zu stabilisieren

16 Online-Streulichtkorrektur ndash insbesondere fuumlr ausgedehnte Lampen wie Leuchtstofflampen da diese den Einsatz eines Streulichttubus mit groumlszligerem Gesichtsfeld erfordern

17 Die Beleuchtungseinrichtung des Gonio-photometerraums soll zur Messzeit abgedeckt und ausgeschaltet sein um den Streulichtan-teil nicht zu erhoumlhen

18 Variation des Messradius r (Validierung von Nahfeld-Fernfeld-Messungen mit abbilden-den Systemen)

In der Goniophotometrie sind verschiedene Koor-dinatensysteme wie Bild 1a zeigt zu unterscheiden Dies sind regelmaumlszligig das Lampenkoordinatensys-tem Lamp das Raumkoordinatensystem Room und

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PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4Das Jahr des Lichtes

das Goniophotometerkoordinatensystem bezogen auf dessen Zentrum Center Bild 1a zeigt moumlgliche Offsets zwischen diesen Systemen in Translation und Rotation

Um folgende Betrachtungen und Erklaumlrungen zu vereinfachen werden die genannten Koordina-tensysteme als deckungsgleich angenommen das heiszligt es werden keine Offsets in Translation und Rotationen zwischen den Koordinatensysteme vorausgesetzt

Im Weiteren werden die Eigenschaften Vor- und Nachteile der uumlber Dekaden in der PTB entwi-ckelten und genutzten Goniophotometer unter Beruumlcksichtigung der gewuumlnschten vorstehend gelisteten Eigenschaften diskutiert Es beginnt mit einem einfachen Einarm-Goniophotometer aus den 50er-Jahren des vergangenen Jahrhunderts und endet zumindest vorlaumlufig mit dem State-of-the-art-Roboter-Goniophotometer das 2007 in Betrieb ging

21 Einarm-Goniophotometer (1950ndash1975)

In der Zeit von 1950 bis 1975 wurde ein manuell betriebenes Einarm-Goniophotometer nach Bild 2 benutzt In den 50er-Jahren war diese Messappara-tur noch mit einem visuellen Photometer ausge-stattet Dieses Photometer erlaubte die relative Messung von Beleuchtungsstaumlrken mittels einer im Photometer installierten Hilfslampe in Verbindung mit einem optischen Abschwaumlcher [2 Seite 321] Die Ruumlckfuumlhrung auf die nationale Lichtstaumlrke-Einheit die Candela war durch Kalibrierung des visuellen Photometers mit Lichtstaumlrke-Normal-lampen sichergestellt (dies erfuumlllt Anforderung 1 der Anforderungsliste) entsprechend basieren auch Abstandsmessungen auf der nationalen Laumln-geneinheit dem Meter

Wegen der Lageabhaumlngigkeit der internen Hilfs-lampe im Innern des visuellen Photometer war es an einer festen Stelle der Messapparatur ange-bracht wie Bild 2 zeigt Ein Spiegel-Prismen-Sys-tem leitete das Licht der zu untersuchenden Lampe auf das Photometer Eine detaillierte Beschreibung aumlhnlicher Systeme kann [2 Seite 319] entnommen werden Damit ist Anforderung 2 ebenfalls erfuumlllt

Die vollstaumlndige Bestimmung des Lichtstroms Φ erfordert eine groumlszligere Anzahl Messungen von Beleuchtungsstaumlrken fuumlr ebenso viele manuell eingestellte unterschiedliche Kugelkoordina-ten (ϑ φ) Wird die fiktive Kugel gemaumlszlig Bild 1 in ϑ-Richtung in parallele Zonen eingeteilt und jede dieser Zonen i ist wiederum in n Sektoren j gleicher Laumlnge (Δφ = const) mit den zugehoumlrigen Beleuchtungsstaumlrken Eij unterteilt ist es moumlglich die mittlere Beleuchtungsstaumlrke Endashi jeder Zone i nach Gleichung 7 zu bestimmen

E Ei n i jj

n

==sum1

1 (7)

und der Wert des Lichtstroms Φ ergibt sich weiter aus der numerischen Integration nach Gleichung (8)

Φ = ( )minus ( )( )+

=sum2 2

10

1

πr cos cosϑ ϑi ii

m

iE-

(8)

Die Anzahl der notwendigen Beleuchtungsstaumlr-kemessungen haumlngt von der raumlumlichen Lichtver-teilung der zu untersuchenden Lampe ab Wegen der manuellen Einstellung des groszligen Arms (ϑ) der Drehung der Lampe (φ) und des gleichfalls noumltigen manuellen Abgleichs des visuellen Pho-tometers ist diese Methode sehr zeitaufwendig Sollen beispielsweise 600 Punkte gemessen werden (aus heutiger Sicht also nicht besonders viele) und man benoumltigt ca 25 Sekunden pro Messung werden also mehr als 4 Stunden benoumltigt um eine

Bild 1a Koordinatensysteme

Bild 2 Einarm-Go-niophotometer 1950ndash1975

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PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4 Kurze Geschichte der Goniophotometrie in der PTB

Lampe mit relativ homogener raumlumlichen Licht-verteilung zu messen

In 1963 wurde ein internationaler Lichtstrom-vergleich auf der Basis von Entladungslampen ohne Fluoreszenzstoff durchgefuumlhrt Diese Lampen wiesen eine massive Inhomogenitaumlt ihrer raumlumlichen Lichtverteilung auf sodass die beschriebene manuelle Methode wegen der noumltigen hohen Anzahl von Messpunkten nicht praktikabel war Zur Loumlsung dieses Problems in [3] beschrieben wurde das visuelle Photometer durch einen grob an V(λ)-angepassten Photover-vielfacher ersetzt zusaumltzlich wurde die φ-Achse mit einem elektrischen Antrieb versehen und ein Praumlzisionskondensator ermoumlglichte die analoge Integration des Photostroms des Photovervielfa-chers Damit konnte fuumlr jede der erforderlichen ϑ-Einstellungen des groszligen Arms der elektri-sche Antrieb der φ-Achse diese mit konstanter Winkelgeschwindigkeit rotieren lassen waumlhrend der Praumlzisionskondensator den Photostrom des Photovervielfachers integrierte Nach etwa t = 5 min fuumlr eine Umdrehung repraumlsentierte die Ladung Q = C middot U des Praumlzisionskondensators die mittlere Beleuchtungsstaumlrke

E k C Uti = sdot (9)

dieser gemessenen Zone i Daraus berechnet sich der Lichtstrom wiederum gemaumlszlig Gleichung (8) Es ist nicht noumltig das Produkt k ∙ C exakt zu kennen da dies uumlber das Kalibrierverfahren durch die bekannte Beleuchtungsstaumlrke einer Lichtstaumlrke-Normallampe eliminiert werden kann es muss lediglich uumlber die gesamte Messzeit hinweg kons-tant sein

Spaumlter in den 1960er-Jahren wurde auch das visuelle Photometer durch ein modernes V(λ)-angepasstes Photometer basierend auf gefilterten Silizium-Photodioden in Kombination mit einen PhotostromSpannungswandler und einem xy-Plotter ersetzt Man erhielt so die Beleuchtungs-staumlrkeverteilung jeder Zone die sich dann leicht mit grafischen oder numerischen Verfahren inte-grieren lieszlig Es wird spaumlter gezeigt werden dass diese verwendete bdquoanaloge Zonenintegrationldquo sehr aumlhnlich der heutigen digitalen zonalen Bewertung ist

Diese letzten 2 Verbesserungen erfuumlllen die Anforderung 3 und teilweise auch die Anforde-rung 4

22 Kardan-Goniophotometer (1976ndash2007)

Das existierende Einarm-Goniophotometer war immer auf eine bdquohelfende Handldquo angewiesen um es von Punkt zu Punkt zu bewegen Die anschlie-szligende Berechnung des Lichtstroms wurde grund-saumltzlich ebenfalls haumlndisch ausgefuumlhrt Dieses Ver-

fahren war dementsprechend sehr zeitaufwendig und der zunehmende Wunsch der Industrie auch groszlige Objekte wie z B lange Leuchtstofflampen aber spaumlter auch sehr kleine Mikrolampen und erste LEDs zu kalibrieren fuumlhrte zur Entwicklung sogenannter Kardan-Goniophotometer ver schie-dener Ausfuumlhrungen

221 Groszliges Kardan-Goniophotometer

Nach der intensiven Umgestaltung einiger Raumlume im Koumlsters-Bau der PTB war es moumlglich im neuen Goniophotometerraum (7 x 10 x 8 m3) das Kar-dan-Goniophotometer [4] zu installieren Bild 3 zeigt das groszlige Kardan-Goniophotometer Am Bildoberrand ist eine zu kalibrierende stabfoumlrmige Leuchtstofflampe zu sehen

Dieser Raum war zusaumltzlich auch mit einer geregelten elektrischen Heizung ausgestattet um die geforderten Messbedingungen bezuumlglich Umgebungstemperatur einstellen zu koumlnnen Im Prinzip besteht ein Kardan-Goniophotometer wie in Bild 4 gezeigt aus 3 Rahmen wobei der aumluszligere α-Rahmen der raumlumlichen Ausrichtung (durch Drehung um die y-Achse) der zu untersu-chenden Lampe dient Innerhalb dieses aumluszligeren α-Rahmens ist der mittlere φ-Rahmen endlos drehbar um die z-Achse gelagert Der innere ϑ-Rahmen ist wiederrum drehbar im φ-Rahmen gelagert jedoch ist seine Bewegung auf knapp 180deg durch den noumltigen Lampenhalter begrenzt Alle 3 Rahmen sind mechanisch ausgeglichen und mit elektrischen Antrieben versehen Ihre Rotationsgeschwindigkeiten waren per 10-Gang-Praumlzisionspotentiometer einstellbar eine Folge der angewandten analogen Regelung der Achsan-triebe Die Winkelbestimmung der Achsen erfolgte mittels 13-bit-Winkelencodern Das Photometer war am ϑ-Rahmen (Bild 4) platziert und ermoumlg-lichte so einen festen Messradius von 2500 mm Es bestand die Moumlglichkeit ein zweites Photometer

Bild 3 Kardan-Goniophotometer 1976ndash2007

22

PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4Das Jahr des Lichtes

oder einen Farbmesskopf auf der gegenuumlberliegen-den Seite des ϑ-Rahmens einzusetzen

In diesem Fall war der Arbeitsbereich limitiert im Bereich 4deg lt ϑ lt 176deg da jeweils Lampenhalter von rechts und links zur Aufnahme einer beispiels-weise stabfoumlrmigen Leuchtstofflampe eingesetzt werden konnten (siehe auch Bild 3) Im Falle von einseitig gesockelten Lampen wurde meist nur ein PhotometerFarbmesskopf verwendet was eine Drehung der gegenuumlberliegenden Messkopf-aufnahme um 90deg ermoumlglichte Diese sogenannte bdquoKroumlpfungldquo lieszlig dann Raum fuumlr den nun einseiti-gen Lampenhalter und der Arbeitsbereich vergrouml-szligerte sich zu 0deg lt ϑ lt 176deg

Entsprechend der Gleichung (6) muss die gemessene Beleuchtungsstaumlrkeverteilung uumlber den vollen Raumwinkel 4π sr zum Wert des Licht-stroms integriert werden So ist es naheliegend digitale uumlber die Zeit integrierende Methoden zur Erfassung und Speicherung der gemessenen Beleuchtungsstaumlrkewerte zu verwenden Bild 5 zeigt den Signalfluss Sowohl Photometer- undoder Farbmesskopf als auch Photostrom-Fre-

quenz-Wandler waren temperaturstabilisiertDer Photostrom des Photometers mit seiner

photometrischen Empfindlichkeit s normalisiert auf die CIE-Lichtart A wird mittels Ruumlckkopp-lung Rg eines Photostromverstaumlrkers in eine Spannung U gewandelt und weiter durch einen Spannungs-Frequenzwandler in eine Frequenz f mit dem zugehoumlrigen Wandlungsfaktor wf kon-vertiert Diese Frequenz wird letztlich von einem digitalen Zaumlhler kontinuierlich gezaumlhlt Simultan wird die Quarz-Frequenz fq durch einen zweiten digitalen Zaumlhler erfasst um waumlhrend der spaumlteren Datenanalyse die urspruumlnglichen Photostroumlme berechnen zu koumlnnen Diese Methode stellt damit die schon erwaumlhnte Signal-Zeit-Integration sicher

Die die zu untersuchende Lampe umgebene fiktive Kugel ist wie Bild 5 zeigt in Zonen und Sektoren unterteilt Infolge der analogen Geschwindigkeitsregelung der zwei bewegten Rahmen sind positive und negative Beschleu-nigungsphasen am Anfang und am Ende einer vollstaumlndigen Abtastung und Lastreaktionen des rotierenden Systems und die damit verbundenen geringen Gleichlaufschwankungen unvermeid-bar Die Unterteilung jeder Zone in Sektoren mit der Laumlnge Δφj als Gewichtung reduziert jedoch diesen Einfluss Damit berechnet sich die mittlere Beleuchtungsstaumlrke Endashi nach Gleichung (10)

Es w R

fyt

fjj

ni j

i j=

sdot sdot sdot( )sdot sdot minus

=sum1

2 10

πϕ

f gq∆∆

∆

(10)

mit der Dunkelfrequenz f0 (Photometer abgeschat-tet) und den Differenzsignal-Zaumlhlungen Δyi j und den Differenzzeit-Zaumlhlungen Δti j jeweils vom Sek-toranfang bis zum Sektorende Wiederum koumlnnte der Lichtstrom nach Gleichung (8) bestimmt werden jedoch werden jetzt noch Korrekturfakto-ren fuumlr das Streulicht cstr der spektralen Fehlanpas-sung des Photometers cspec und Abweichungen von den nominalen elektrischen Betriebsbedingungen celec eingefuumlhrt wie nun Gleichung (11) zeigt

Φ = sdot sdot sdot sdot minus( ) sdot+=

minus

sumc c c r Ei ii

m

istr spec elec cos cos2 21

0

1

π ϑ ϑ

(11)

Im Verlauf einer Lichtstrommessung werden neben dem Photometer auch die Waumlnde des Messraums von der zu untersuchenden Lampe beleuchtet Diese Beleuchtung wird ebenfalls vom im Goniophotometer verwendeten Photometer bdquogesehenldquo und fuumlhrt zu einer Streubeleuchtung auf dem Lichteintrittsfenster dieses Photome-ters Diese Streubeleuchtung haumlngt einerseits vom Reflexionsgrad der verwendeten Wandfarbe (ρ asymp 3 ) und vom Gesichtsfeld des sich vor dem

Bild 4 Groszliges Kardan-Goniophotometer 1976ndash2007

Bild 5 Signalfluss

23

PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4 Kurze Geschichte der Goniophotometrie in der PTB

Photometer befindlichen Streulichtreduzierungs-tubus ab Daher muss fuumlr jeden eingesetzten Tubus mit seinem individuellen Gesichtsfeld der wirksame spezifische Streulichtkorrekturfaktor cstr bestimmt werden Diese koumlnnen ermittelt werden indem Blenden mit unterschiedlichen Durchmes-sern zwischen der zu untersuchenden Lampe und dem Photometer waumlhrend normalen Lichtstrom-messungen positioniert werden Eine detaillierte Beschreibung kann [5] entnommen werden

Die technische Realisierung eines Photometers ist immer nur eine Naumlherung fuumlr V(λ) Dies bedeu-tet dass im Prinzip in allen Faumlllen diese spektrale Fehlanpassung korrigiert werden muss Allgemein kann der spektrale Korrekturfaktor cstr fuumlr alle Lampen mit beliebiger Strahlungsfunktion S(λ) nach Gleichung (12) bestimmt werden

cV S

s S

V P T

s Pspek

rel

A

rel

d

d

d=

( )sdot ( )( ) sdot ( )

( ) sdot ( )( ) sdot

intint

intint

λ λ λ

λ λ λ

λ λ λ

λ

λλ λTA d( )

(12)

Hierzu ist jedoch die Kenntnis der relativen spektralen Empfindlichkeit srel(λ) des Photome-ters notwendig P(λ TA) bezeichnet dabei einen Planckstrahler mit einer Verteilungstemperatur von TA = 2856 K

Im Fall von Gluumlhlampen ist ein etwas einfache-rer Weg fuumlr diese Korrektur ohne die Kenntnis von srel(λ) moumlglich Gleichung (13) beschreibt die Abhaumlngigkeit der Beleuchtungsstaumlrke E(T) von der Verteilungstemperatur T

E Ty T

sTT

m

( ) = ( )

A

y

(13)

eines gemessenen Photostroms y(T) und der pho-tometrischen Empfindlichkeit s des Photometers fuumlr Lichtart A Eine charakteristische Eigenschaft des Photometers ist der Exponent my bdquoyldquo indiziert den Exponent fuumlr ein V(λ)- angepasstes Photome-ter oder den y-Kanal eines Dreibereichsfarbmess-kopfes wobei die anderen Kanaumlle unterschiedliche Werte fuumlr diese Exponenten haben Ein ideales Photometer wuumlrde einen Wert von 0 fuumlr diese Exponenten aufweisen Beispielsweise beschreibt my = 0018 ein qualitativ durchaus gutes Photo-meter Der Exponent my (und auch mx und mz) koumlnnen aus einem Fit bekannter Paare (E(T) T) einer Lichtstaumlrke-Normallampe bei verschiedenen Arbeitspunkten wie in [6 7] beschrieben gefun-den werden Damit kann der Korrekturfaktor cspec fuumlr Gluumlhlampen wie folgt geschrieben werden

c TT

my

specA

=

(14)

Werden Gluumlhlampen in der Naumlhe von CIE-Licht-art A betrieben ist die Korrektur auf elektrische Nominalbedingungen celec ebenfalls nach Glei-chung (15) sehr einfach da der Lichtstrom eine Funktion des Betriebsstroms J ist

c JJ

m

elec

J

=

minus

0 (15)

Hier ist J0 der Nominalstrom und mJ cong 684 Mehr Information kann in [7] gefunden werden

Die Datenanalyse fuumlr einen Dreibereichsfarb-messkopf erfolgt in gleicher Weise und man erhaumllt die Normfarbwertanteile (x y) aus den Gleichun-gen (16 17)

x =+ +Φ

Φ Φ ΦX

X Y Z (16)

y =+ +Φ

Φ Φ ΦY

X Y Z (17)

Leider konnten nur der Lichtstrom und die zuge-houmlrigen Normfarbwertanteile bestimmt werden da aufgrund der geringen Speichermoumlglichkeit der verwendeten Computertechnik die raumlumliche Information verlorenging

Daher wurden im Jahre 1991 alle Computer Analogsysteme die Verdrahtung und viele weitere Elemente durch moderne Ausruumlstung ersetzt Von nun an konnten alle Rohdaten mittels geeigneter Speichermedien dauerhaft bewahrt werden Das galt auch fuumlr groszlige Datenmengen des ab 1997 eingesetzten Array-Spektrometers zur Messung der relativen spektralen Leistungsverteilung der Strahlung synchron zur Lichtstrombestimmung Leider wiesen Photometer und Einkoppeloptik des Array-Spektrometers unterschiedliche Gesichtsfel-der auf und hatten etwas unterschiedliche Positi-onen auf dem Goniophotometer was die Daten-analyse komplizierte Dennoch konnten erstmalig raumlumliche spektrale Informationen uumlber zu untersuchende Lampen ermittelt werden Damit erfuumlllte das groszlige Kardan-Goniophotometer in seiner Ausbaustufe von 1997 die Anforderungen 1ndash14 aus Abschnitt 2 Die relative erweiterte Mes-sunsicherheit fuumlr den Lichtstrom fuumlr k = 2 betrug jetzt 060

222 Kleines Kardan-Goniophotometer

Fuumlr die Messung kleiner Lampen und LEDs wurde in den fruumlhen 1980er-Jahren ein dem groszligen Kardan-Goniophotometer sehr aumlhnliches kleines Kardan-Goniophotometer mit einem Messra-dius von nur 300 mm entwickelt hergestellt und

24

PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4Das Jahr des Lichtes

betrieben Das Foto in Bild 6 zeigt dieses seinerzeit sogenannte bdquoMini-Goniophotometerldquo

Die Messtechnik entsprach nahezu vollstaumln-dig dem groszligen Kardan-Goniophotometer bis hin zum Signalfluss einschlieszliglich Spannungs-Frequenzwandler und nachgeschalteten Zaumlhlern Damit sind alle Aspekte dieser Apparatur bereits in Abschnitt 221 diskutiertIm Jahre 2007 wurde dieses Instrument durch ein spezielles Goniophotometer fuumlr die Messung von LEDs ersetzt siehe auch Kapitel Metrologie fuumlr moderne Lichtquellen LEDs und OLEDs [10]

23 Roboter-Goniophotometer (2006 bis heute)

Am Ende der 1990er-Jahre wurde die Planung eines neuen Goniophotometertyps mehr und mehr konkret Nahezu gleichzeitig entschied sich die PTB fuumlr den Neubau eines modernen Gebaumludes fuumlr die Abteilung Optik dem heutigen Albert-Einstein-Bau Infolge dieses Zusammentreffens

beider Ereignisse konnte bei der Planung das neue Gebaumlude quasi um das neue Roboter-Goniopho-tometer herum geplant und spaumlter auch so gebaut werden

In 19951996 zeigte G Sauter dass Gonio-photometrie mittels Robotern moumlglich ist und erhebliche Vorteile gegenuumlber den bisher verwendeten Kardan-Goniophotometern auf-weist [8] Wie weiterhin in [8] beschrieben sind sogenannte Service-Roboter gut geeignet um ein Roboter-Goniophotometer zu realisieren Diese zeichnen sich durch eine schlanke Konstruktion mit langen Armen bei gleichzeitig relativ gerin-gem Gewicht aus Sie verfuumlgen uumlber eine hohe Flexibilitaumlt um beispielsweise ein Photometer auf gewuumlnschten Bahnen mit unterschiedlichen Radien (1000 mm lt r lt 3000 mm) auf der fiktiven Kugeloberflaumlche um die Lampe herumzufuumlhren Jeder Roboter verfuumlgt uumlber 7 Freiheitsgrade (engl seven degrees of freedom 7 DOF) Dies garantiert die notwendige Flexibilitaumlt und das erforderli-che Arbeitsvolumen Zur Abdeckung des vollen Raumwinkels 4π sr sind daher 2 der beschriebenen Roboter notwendig Ein dritter aumlhnlicher Roboter positioniert dabei die zu untersuchende Lampe in der gewuumlnschten Brennstellung im Raum Alle Roboter-Basen sind direkt mit dem Stahlbeton des Gebaumludes verbunden um eine langzeitstabile raumlumliche Positionierung der Roboter zu gewaumlhr-leisten Bild 8 zeigt das Roboter-Goniophotometer waumlhrend der Messung einer LED-Signalleuchte

Im Gegensatz zu Kardan-Goniophotometern ist der Messradius variabel in dem alle 7 Achsen in entsprechende Positionen gebracht werden Wegen der groszligen Redundanz eines 7-DOF-Roboters kann die Zielposition einschlieszliglich Orientierung durch eine sehr groszlige Anzahl unter-schiedlicher Einstellungen der 7 Achsen erreicht werden Daher wird eine Strategie benoumltigt um die jeweilige Achs einstellung zu finden Diese

Bild 6 Kleines Kardan-Goniophotometer 1982ndash2007

Bild 7 Arm des Roboter-Goniophotometers

Bild 8 Roboter-Goniophotometer 2006 bis heute

25

PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4 Kurze Geschichte der Goniophotometrie in der PTB

Strategie ist relativ simpel Sie besagt dass alle Achseinstellungen derart gefunden werden dass saumlmtliche Bestandteile des Roboters einen maxi-malen Abstand zum Zentrum des Roboters haben sollen um das von der Roboterstruktur reflektierte Streulicht moumlglichst gering zu halten Eine beson-dere Software ist notwendig um alle Achswinkel ausgedruumlckt in counts jedes Winkelencoders fuumlr jede Achse zu bestimmen um die gewuumlnschten Kugelkoordinaten (r ϑ φ) anzufahren Waumlhrend der Messung der zu untersuchenden Lampe liest das Roboter-Kontrollsystem alle 10 ms diese counts jeder Achse und versucht jede Achse entsprechend diese Vorgabe einzustel-len Nach dieser Einstellung welche fuumlr alle 7 Achsen gleichzeitig erfolgt werden die Ist-Winkel jeder Achse wiederum in counts synchron gelesen und mit den zugehoumlrigen photo-metrischen Daten und elek trischen Daten des Lampenbetriebs in eine Datenbank gespeichert Prinzipiell ist der Signal-fluss dem des in Abschnitt 221 beschriebenen groszligen Kardan-Goniophotometers sehr aumlhnlich Aber es gibt ein zusaumltzliches wichtiges Element den sogenannten Zeitstempel Da ein weit verteiltes Datenerfassungssystem vorliegt wird ein Mecha-nismus zur Datensynchronisierung in Form eines 1-Mhz-Taktes verwendet Dieser ist im gesamten System verfuumlgbar Beim Messungsstart synchron gestartete Zaumlhler erlauben daher die spaumltere Synchronisierung aller angefallenen Daten Wie beschrieben ist die Position jeder Achse und damit die Position und Orientierung des Photometers das Ergebnis eines Regelprozesses Somit ist es not-wendig die tatsaumlchliche Position und Orientierung des Photometers aus den gespeicherten Daten der Winkelencoder zu berechnen

In der Robotik ist es uumlblich einen Roboter des

verwendeten Typs wie eine biegesteife mechani-sche Kette mit sogenannten Denavit-Hartenberg-Parametern (DH-Parameter) zu beschreiben [9] Die Tabelle 1 zeigt diese DH-Parameter am Beispiel des Roboters 1

Mit diesen Parametern und den aktuellen Winkeln θi fuumlr jede Achse ist die Berechnung der Position bzw Orientierung der siebten Achse in Basis-Koordinatensystem des Roboters moumlglich Hierzu werden 7 Matrizen nach Gleichung (18) ver-wendet Jede Matrize beschreibt die Position (blau) und Orientierung (gruumln) jeder einzelnen Achse

Die PositionierungOrientierung der Achse 7 ergibt sich aus dem Vektorprodukt T1 T2 T3 T4 T5 T6 T7

Um jedoch die Koordinaten in Bezug auf das Koordinatensystem der fiktiven Kugel zu erhalten muumlssen 2 weitere aumlhnliche Matrizen verwendet werden Die sogenannte Base Frame Matrix F beschreibt die Positionierung und Orientierung des Roboter-Koordinatensystems zum Koor-dinatensystem der fiktiven Kugel waumlhrend die Matrix W die Positionierung und Orientierung des Photometers zur Achse 7 beschreibt Nun laumlsst sich die Position und Orientierung des Photome-ters P im Koordinatensystem der fiktiven Kugel mit Gleichung (19) beschreiben

P = F T1 T2 T3 T4 T5 T6 T7 W (19)

axisi Δθi offset to rotation around Z-axis

αi rotation around X-axis

di

translation in Z-axis

αi

translation in X-axis

1 ndash1438deg 45024deg 0000 mm ndash0400 mm

2 191088deg ndash90026deg 2686322 mm 0696 mm

3 178585deg 89996deg 274088 mm 0781 mm

4 6229deg ndash90022deg 1410499 mm 0474 mm

5 ndash0141deg ndash89955deg 173036 mm ndash0779 mm

6 ndash0924deg 90032deg 1191007 mm 0223 mm

7 180443deg 90007deg 91130 mm 0000 mm

Tabelle 1 DH-Parameter von Roboter 1

T

a

i

i i i i i i i i i i i

=

+( ) minus +( ) +( ) +cos sin cos sin sin cos∆ ∆ ∆ ∆θ θ θ θ α θ θ α θ θ(( )+( ) +( ) minus +( ) +sin cos cos cos sin sin∆ ∆ ∆ ∆θ θ θ θ α θ θ α θ θi i i i i i i i i i ia (( )

00 0 0 1

sin cosα αi i id

(18)

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PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4Das Jahr des Lichtes

Bild 9 zeigt die Achsenkoordinatensysteme (17) das Base-Frame-Koordinatensystem und das Koordinatensystem des Photometers zur Achse 7 in schematischer Weise Das Koordinatensys-tem der fiktiven Kugel faumlllt mit dem Zentrum des Goniophotometers zusammen und wird mit Center bezeichnet P ist jetzt auf dieses Center-Koordinatensystem bezogen Zusaumltzlich ist eine typische Bahn eingezeichnet Wegen des aller-dings nicht dargestellten Lampenhalters ist diese Bahn im oberen Bereich verdichtet um eine Kollision mit dem Lampenhalter zu vermeiden Wie bereits erwaumlhnt setzt die Verwendung von Gleichung (19) einen biegesteifen Roboter voraus der in der Praxis nicht existiert P ist also von statischen Gewichtskraumlften des Roboters dyna-mischen Kraumlften infolge der Bewegung als auch von thermischen Laumlngenaumlnderungen uumlberlagert Daher muss Gleichung (19) um eine entspre-chende Korrektur C erweitert werden Glei-chung (20) zeigt nun das endguumlltige Modell zur Bestimmung von P

wobei C

t tT Rθ θ

θ θ1 7

1 7 dd

dd amb

diese finale Korrektur basierend auf den Winkeln θ1θ7 aller Achsen ihren zeitlichen Ableitungen

dd

dd

θ θ1 7

t t

und der Umgebungstemperatur Tamb beschreibt

Der letzte Parameter R steht fuumlr einen groszligen Datensatz und beschreibt Eigenschaften des Roboters wie Abmessungen Teilmassen usw Die Berechnung von C() ist aufwendig und wurde vom Hersteller des Roboters ausgefuumlhrt Aus Gruumlnden des Wettbewerbs muss diese Berechnung vertrau-lich behandelt werden und kann daher hier nicht veroumlffentlicht werden Jedoch kann die Wirkung von C() beispielhaft auf den Messradius mitgeteilt werden (siehe Bild 10)

Die noumltige Radiuskorrektur rcorr bewegt sich im Bereich ndash2 mm lt rcorr lt 3 mm je nach Position (θ φ) des Photometers Der Aumlquatorbereich benouml-tigt eine groumlszligere Korrektur infolge hier wirksamer groumlszligerer Zentrifugalkraumlfte als die Polregion Der Radius selbst laumlsst sich dann aus der Positionssub-matrix von P bestimmen

Der Signalfluss stimmt im Wesentlichen mit dem wie in Bild 5 gezeigt uumlberein Prinzipiell kann der Lichtstrom mit den Gleichungen (11) und (10) berechnet werden da aber nun 2 Photometer benutzt werden muss dies fuumlr jede Hemisphaumlre also fuumlr jeden Roboter separat geschehen Die Gleichungen (21) und (22) demonstrieren das

Bild 9 Koordinatensystem des Roboter-Gonio-photometers und Beispielbahn

P Ct t

T R F T T T T T T=

sdot sdot sdot sdot sdot sdot sdot sdotθ θ

θ θ1 7

1 71 2 3 4 5 6

dd

dd amb TT W7 sdot

(20)

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fuumlr Roboter 1 Der Radius r1i befindet sich dabei innerhalb der Summation von Gleichung (22) Das Roboter-Goniophotometer ist zusaumltzlich mit einem Monitorphotometer ausgeruumlstet Dieses Photometer wird waumlhrend der Messung nicht bewegt ist aber staumlndig von einem fixen Punkt aus auf die zu untersuchende Lampe gerichtet und erlaubt somit die Korrektur einer moumlglichen Alterung der Lampe waumlhrend des Messprozesses als Funktion der Zeit (cmon(t1i))

Es w R

fyt

fi jj

ni j

i j1

1 1 11

1

1

11 0

12

1

=

( )sdot minus

=sumπ

ϕf g

q∆∆

∆

(21)

Φ1 1 1 12

1 1 1 12= sdot sdot sdot sdot ( ) sdot minus( )+c c r c ti i i ii

str spec mon cos cosπ ϑ ϑ==

minus

sum sdot0

1

1

1m

iE

(22)

Roboter 2 wird in gleicher Weise behandelt und der Lichtstrom ergibt sich somit aus der Summe von Φ1 und Φ2 korrigiert mit dem elektrischen Korrekturfaktor celec aus Gleichung (15)

Φ Φ Φ= sdot +( )celec 1 2 (23)

Die Bestimmung der Streulichtkorrektur cstr unter-scheidet sich methodisch von jener des Kardan-Goniophotometers Es ist schwierig Blenden zwischen Photometer und Lampe zu positionieren wie in [5] beschrieben Hier wird die Streulicht-korrektur cstr direkt aus der Leuchtdichteverteilung auf den Waumlnden des Messraums bestimmt Mit der Kenntnis der geometrischen und photometrischen Eigenschaften des Raumes der raumlumlichen Licht-staumlrkeverteilung der Lampe und dem verwendeten Streulichttubus vor dem Photometer lieszlige sich die Streulichtkorrektur cstr berechnen Hier jedoch wird diese Korrektur mit sogenannten Back-Loo-king-Photometern bestimmt [11]

Bild 11 zeigt ein Foto der bdquoRoboterhandldquo mit mon-tiertem Photometer und Back-Looking-Photometer Letzteres ist ein wenig schraumlg ausgerichtet um nicht im Bereich des Schattenwurfs des Photome-ters auf den Waumlnden zu messen

Bild 12 zeigt beispielhaft eine typische in finite Flaumlchenelemente gerasterte Streulichtsituation im Goniophotometermessraum wie sie durch die zu untersuchende Lichtquelle generiert wird Dieses Beispiel arbeitet mit finiten Flaumlchen der Groumlszlige 05 m middot 05 m um die Flaumlchen sichtbar zu machen Zur realen Berechnung werden Flaumlchen der Groumlszlige 01 m middot 01 m verwendet Natuumlrlich ist der Streulichtanteil auf der aktiven Flaumlche des

Bild 10Wirkung der Radiuskorrektur

Bild 11 Photometer (links) und Back-Looking-Photometer (rechts)

Bild 12 Wirkung des Streulichts und seine Bestimmung

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PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4Das Jahr des Lichtes

Photometers eine Funktion des Gesichtsfeldes des jeweils verwendeten Streulichttubus vor dem Photometer Derzeit werden 2 Tuben je nach Groumlszlige der Lichtquelle mit Oumlffnungswinkeln von ca 15deg und ca 225deg verwendet Ihre typischen Korrekturwerte betragen etwa 09995 und 09990 Da jeder Messroboter mit diesem Back-Looking-Photometer ausgeruumlstet ist kann so der Streulicht-anteil fuumlr jedes Photometer bestimmt werden Da die Back-Looking-Photometer bdquoruumlckwaumlrtsldquo gerichtet sind wird also jeweils die Streulichtkorrektur fuumlr den gegenuumlberliegenden Messroboter bestimmt Damit ist es moumlglich den Wert des Lichtstroms mit zugehoumlriger Messunsicherheit zu bestimmen Tabelle 2 illustriert Ergebnisse einer vereinfachten Monte-Carlo-Simulation (MC) am Beispiel einer OSRAM-Wi4-Lichtstrom-Normallampe Ihre Lichtstaumlrkeverteilung ist in Bild 13 wiedergegeben

Die MC basiert auf den folgenden Gleichun-gen (24) Werte der wichtigsten Beitraumlge zur Mes-sunsicherheit koumlnnen der Tabelle 2 entnommen werden Eine detailliertere Beschreibung der Roboter und Analyse der Messunsicherheit kann [12] entnom-men werden

Bild 13 Raumlumliche Lichtstaumlrkeverteilung einer OSRAM-Wi4-Lichtstrom-Normallampe

Quantity Symbol Value Uncertainty Unit Sensitivity Contribution lm Relative contribution

Luminous responsivity 1 s1 3065E-10 9195E-13 A lxndash1 188E+12 173 000150

Luminous responsivity 2 s2 4111E-10 12333E-12 A lxndash1 143E+12 177 000153

Spectral matching exponent 1 m2 y 0021 0015 1 20 030 000026

Spectral matching exponent 2 m2 y 0036 0015 1 18 027 000023

CCT or distribution temperature T 2762 10 K 0012 012 000011

Uncertainty in r Δr 0000 00020 m 901 180 000156

Calibration factor for frequency F cFH 1000 00005 1 1141 057 000049

Calibration factor for frequency ƒ cFD 1000 00050 1 104 005 000005

Voltage to frequency converter 1 w1 f 500849 25 Hz Vndash1 0012 031 000027

Voltage to frequency converter 2 w2 f 500561 25 Hz Vndash1 00118 029 000026

Amplification gain 1 R1 g 1000E+09 99996 Ω 6223E-07 006 000005

Amplification gain 2 R2 g 9997E+08 99966 Ω 5430E-07 005 000005

Calibration factor for cmon ccm 1000 00005 1 1162 058 000050

Correction factor for stray light cstr 09995 00005 1 1134 057 000049

Luminous flux Φ 11541 327 00028

Tabelle 2 Unsicherheitsbudget

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PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4 Kurze Geschichte der Goniophotometrie in der PTB

Somit ergibt sich zurzeit eine erweiterte Mess-unsichert von 056 fuumlr k = 2 Dies entspricht etwa der Messunsicherheit welche mit dem groszligen Kardan-Goniophotometer erreichbar war Im Unterschied zum Kardan-Goniophotometer (fester Messradius) verfuumlgt das Roboter-Goniophotometer jedoch uumlber die noumltige hohe Flexibilitaumlt (z B durch Variation des Messradius) die noumltig ist um kuumlnftige Anforderungen erfuumlllen zu koumlnnen Eben diese hohe Flexibilitaumlt fuumlhrt bei der Bestimmung des Messradius zu relativ groszligen Messunsicherheiten Hier koumlnnte die Verwendung einer Lookup-Table oder eine On-Line-Verfolgung mittels Tracer-Syste-men der Bahnen diese Unsicherheit verkleinernMittlerweile ist das Roboter-Goniophotometer voll-staumlndig charakterisiert und wird fuumlr beleuchtungs-staumlrkebasierte Lichtstromkalibrierungen und auch fuumlr internationale Vergleiche eingesetzt Damit werden auch die Anforderungen (15ndash17) erfuumllltIm naumlchsten Schritt wird das Roboter-Goniopho-tometer mit Leuchtdichtemesskameras ausgeruumlstet

werden um es als bdquoNahfeld-Goniophotometerrdquo einzusetzen Es wird dann die direkte Messung der Leuchtdichteverteilung erlauben aus welcher nahezu alle noumltigen photometrischen Groumlszligen abgeleitet werden koumlnnen Dieser kuumlnftige Schritt wird dann auch den letzten Punkt (18) der Anfor-derungen erfuumlllen

3 Zusammenfassung

Die Geschichte der Goniophotometrie in der PTB uumlber einen Zeitraum von mehr als 50 Jahren wird praumlsentiert Verschiedene Goniophotometer ange-fangen vom manuell bewegten Einarm-Goniopho-tometer mit visuellem Photometer uumlber das groszlige und kleine Kardan-Goniophotometer bis hin zum bdquoState-of-the-art-Roboter-Goniophotometerldquo fuumlr das 21 Jahrhundert werden beschrieben Das Letztere hat das Potenzial in der traditionellen Betriebsart aber auch im Nahfeldmodus uumlber viele Jahre eingesetzt zu werden Neu aufkommende

Quantity Symbol Value Uncertainty Unit Sensitivity Contribution lm Relative contribution

Luminous responsivity 1 s1 3065E-10 9195E-13 A lxndash1 188E+12 173 000150

Luminous responsivity 2 s2 4111E-10 12333E-12 A lxndash1 143E+12 177 000153

Spectral matching exponent 1 m2 y 0021 0015 1 20 030 000026

Spectral matching exponent 2 m2 y 0036 0015 1 18 027 000023

CCT or distribution temperature T 2762 10 K 0012 012 000011

Uncertainty in r Δr 0000 00020 m 901 180 000156

Calibration factor for frequency F cFH 1000 00005 1 1141 057 000049

Calibration factor for frequency ƒ cFD 1000 00050 1 104 005 000005

Voltage to frequency converter 1 w1 f 500849 25 Hz Vndash1 0012 031 000027

Voltage to frequency converter 2 w2 f 500561 25 Hz Vndash1 00118 029 000026

Amplification gain 1 R1 g 1000E+09 99996 Ω 6223E-07 006 000005

Amplification gain 2 R2 g 9997E+08 99966 Ω 5430E-07 005 000005

Calibration factor for cmon ccm 1000 00005 1 1162 058 000050

Correction factor for stray light cstr 09995 00005 1 1134 057 000049

Luminous flux Φ 11541 327 00028

Φ = sdot

sdot

+ sdot sdotminus

c JJ

TT

r r c c tm

m

i i

y

strA

cm monj

0

12

1

1

( ) ∆ (( )sdot minus( ) sdotsdot sdot minus

+=

minus=sumsum

cos cosFH FD

ϑ ϑ

ϕ

1 1 10

1 11

11

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i ii

m jj

n

i jc F c∆ sdotsdot( )sdot sdot

+

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TT

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1 1 1

22

2

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Acm mon∆ ))sdot minus( ) sdot

sdot sdot minus sdot

+=

minus=sumsum

cos cosFH FD

ϑ ϑ

ϕ

2 2 10

1 11

22

2

i ii

m jj

n

i jc F c∆ ff

s w R

2 0

2 2 2

( )sdot sdot

f g

(24)

30

PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4Das Jahr des Lichtes

Anforderungen fuumlr die Ruumlckfuumlhrung photome-trischer Einheiten wie beispielsweise im Solid-State-Lighting-Bereich koumlnnen so erfuumlllt werden

Literatur

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PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4Das Jahr des Lichtes

1 Eine einleitende Beschreibung von Gluumlhlampen LEDs und OLEDs

Der Einsatz Licht Emittierender Dioden (LED) in der Allgemeinbeleuchtung hat in den vergangenen Jahren erheblich zugenommen Ein entscheiden-der Vorteil der LED gegenuumlber der traditionellen Gluumlhlampe liegt in ihrer uumlberlegenen Lichtaus-beute ηv ndash dem Verhaumlltnis des emittierten Licht-stroms Φv und der aufgenommenen elektrischen Leistung Pel angegeben in LumenWatt

Dieser Vorteil beruht auf den Unterschieden der zugrunde liegenden Technologien der Lichterzeu-gung beider Lampentypen Bei einer (Halogen-)Gluumlhlampe wird der Gluumlhfaden durch elektrischen Strom auf Temperaturen um 3000 K aufgeheizt Obwohl hierbei fast die gesamte elektrische Leis-tung in Strahlung umgewandelt wird ndash Verluste durch thermische Konvektion oder Waumlrmeleitung sind gering ndash kann das menschliche Auge lediglich einen geringen spektralen Anteil der ungefaumlhr 5 der Gesamtstrahlungsleistung ausmacht wahr-nehmen Der Groszligteil der Strahlungsleistung liegt im infraroten Spektralbereich und kann nicht fuumlr Beleuchtungszwecke genutzt werden In Bild 1 ist die spektrale Verteilung einer Gluumlhlampe bei einer Temperatur von 2856 K im Spektralbereich

von 300 nm bis 1200 nm dargestellt Das sichtbare Licht im Spektralbereich zwischen 360 nm und 830 nm ist mit den entsprechenden Spektralfarben hinterlegt Oberhalb 830 nm beginnt der fuumlr das menschliche Auge unsichtbare infrarote Anteil der Strahlung

Der fuumlr photometrische Messungen normativ festgelegte spektrale Hellempfindlichkeitsgrad V(λ) also die Hellempfindlichkeit des Auges eines bdquoNormalbeobachtersldquo ist mit seinem Maximum bei 555 nm schwarz eingezeichnet

Da die Gluumlhlampe eine thermische Strahlungs-quelle ist verschiebt sich mit zunehmender Tem-peratur die Lage des Strahlungsmaximums ent-sprechend des Wienschen Verschiebungsgesetzes zu kuumlrzeren Wellenlaumlngen Um die Lichtausbeute von Gluumlhlampen zu erhoumlhen muumlsste man das Strah-lungsmaximum durch Temperaturerhoumlhung in den kurzwelligeren Bereich des sichtbaren Lichts verschieben Die Maximaltemperatur ist jedoch bei Gluumlhfaumlden aus Wolfram auf etwa 3000 K begrenzt ndash bei houmlheren Temperaturen nimmt die Lebensdauer drastisch ab

Das Funktionsprinzip einer LED-Lichtquelle basiert auf dem Phaumlnomen der Elektrolumines-zenz Der prinzipielle Aufbau einer LED aumlhnelt einer pn-Halbleiterdiode Durch Anlegen einer Gleichspannung rekombinieren Ladungstraumlger in der p-n-Grenzschicht der Leuchtdiode unter Emission von Strahlung Durch gezielte Auswahl der verwendeten Halbleitermaterialien und ihrer Dotierung wird deren Bandluumlcke und somit die Farbe des emittierten Lichtes bestimmt Im Jahr 1992 gelang der Durchbruch in der Entwicklung hocheffizienter blauer LEDs die den Einsatz von LEDs zur Allgemeinbeleuchtung erst ermoumlgli-chen Die zugrunde liegenden Forschungsarbei-ten wurden 2014 mit dem Nobelpreis fuumlr Physik gewuumlrdigt [1]

Eine schmalbandige Lichtemission ist charak-teristisch fuumlr LEDs Dementsprechend verfuumlgt ihr Licht uumlber eine hohe Farbsaumlttigung Durch die Bedeckung des LED-Chips mit breitbandig pho-tolumineszierenden Farbstoffen wird ein Teil der Strahlung in energieaumlrmeres langwelligeres Licht konvertiert und es entstehen Mischfarben wie

Metrologie fuumlr moderne Lichtquellen LEDs und OLEDs Thorsten Gerloff

Thorsten Gerloff Arbeitsgruppe bdquoPhotometrieldquo EshyMail thorstengerloffptbde

Bild 1 Spektrale Verteilung einer Gluumlhlampe und spektraler Hellempfindlichkeitsgrad (V(λ)-Funktion)

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PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4 Metrologie fuumlr moderne Lichtquellen

i Infokasten LED

Lichtausbeute einer Strahlungsquelle ηv

Die Lichtausbeute einer Strahlungsquelle gibt das Verhaumlltnis aus ausgestrahltem Lichtstrom und aufgenommener elektrischer Leistung an Die Einheit ist LumenWatt (lmW) Je houmlher die Lichtausbeute ist umso energieeffizienter ist die Beleuchtung Gluumlhlampen besitzen Lichtausbeuten zwischen 10 und 20 lmW

Lichtstrom Φv

Der Lichtstrom beruumlcksichtigt den Hellempfind-lichkeitsgrad V(λ) des Auges und gibt die in alle Raumrichtungen abgegebene bdquoLichtleistungldquo einer Lampe an Der Lichtstrom enthaumllt keine Information daruumlber wie die Lampe das Licht im Raum verteilt Der Lichtstrom gibt an wie hell ein beleuchteter Raum dem Menschen erscheint

Spektraler Hellempfindlichkeitsgrad V(λ)

Der exakt definierte spektrale Hellempfindlich-keitsgrad V(λ) ist eine Bewertungsfunktion fuumlr elektromagnetische Strahlung Hiermit wird der bdquoHelligkeitseindruck eines menschlichen Durch-schnittsaugesldquo berechnet Dies ermoumlglicht den objektiven Vergleich von Lichtquellen mit physika-lischen Messmethoden Subjektive Wahrnehmun-gen einzelner Menschen koumlnnen damit nicht exakt wiedergegeben werden

Aumlhnlichste Farbtemperatur TN

Es gibt unterschiedliche Farbtemperaturen in der Photometrie Verhaumlltnis- und Verteilungstem-peratur sind nur bei thermischen Strahlern wie der Gluumlhlampe anwendbar Nur die aumlhnlichste Farbtemperatur (englisch Correlated Colour Temperature CCT) laumlsst sich fuumlr Lichtquellen mit beliebiger spektraler Zusammensetzung berech-nen sofern die Normfarbwertanteile aumlhnlich einem thermischen Strahler sind Die aumlhnlichste Farbtemperatur wird in der Einheit Kelvin (K) angegeben Sie gibt an ob das Licht warmweiszlig (ca 3000 K) neutralweiszlig (ca 4500 K) oder tages-lichtweiszlig (gt5500 K) erscheint

Normfarbwertanteile (x y)

Fuumlr die Angabe von Farbe gibt es neben dem spek-tralen Hellempfindlichkeitsgrad V(λ)noch weitere definierte Bewertungsfunktionen Hiermit laumlsst sich die Farbwahrnehmung eines fiktive Normalbeob-achters aus der gemessenen spektralen Verteilung des Lichts durch Angabe von nur zwei Werten (x und y) angeben Diese Werte geben die Koordi-naten auf der Normfarbtafel (s Abbildung) an

Normfarbtafel

Farbwiedergabeindex Ra

Der Farbwiedergabeindex ist eine Kennzahl fuumlr Lichtquellen der bewertet die Qualitaumlt der Farb-wiedergabe Je houmlher der Wert desto besser ist die Farbwiedergabe Der Maximalwert liegt bei 100 Werte zwischen 90 und 100 geben eine ausgezeich-nete Farbwiedergabe an Werte unter 80 sind fuumlr viele Anwendungen nicht ausreichend

Im Folgenden soll ein kleiner Leitfaden gegeben werden der in allgemeinverstaumlndlicher Form die grundlegenden Ideen wichtiger lichttechnischer Groumlszligen erlaumlutern soll Komplexe Details der zugrunde liegenden Normen und Definitionen werden hierbei nicht beruumlcksichtigt

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PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4Das Jahr des Lichtes

Pastellfarbtoumlne oder auch weiszliges LichtIn Bild 2 sind die spektralen Verteilungen einer

LED mit und ohne Leuchtstoff abgebildet In der linken Abbildung erkennt man die schmalbandige blaue Emission des LED-Chips In der rechten Abbildung wird ein Teil dieser Strahlung durch einen Leuchtstoff in laumlngerwelliges Licht konver-tiert und die Mischfarbe erscheint weiszlig

Der Vorteil einer LED gegenuumlber einer Gluumlh-lampe bezuumlglich der Lichtausbeute ist offensicht-lich Es wird ndash von unvermeidbarer thermischer Verlustleistung abgesehen ndash nur Strahlung im sichtbaren Wellenlaumlngenbereich emittiert Daruumlber hinaus ist die Farbe des Lichts von LEDs durch Kombination verschiedener Leuchtstoffe und LEDs nahezu beliebig einstellbar und man ist nicht auf aumlhnlichste Farbtemperaturen von ca 3000 K wie bei der Gluumlhlampe begrenzt

Allerdings gibt es auch Nachteile gegenuumlber dem Licht einer Gluumlhlampe Dem typischen Spektrum einer LED-Lichtquelle fehlen im Gegensatz zu Sonnenlicht oder Gluumlhlampenlicht einzelne Spekt-ralfarben Dies macht sich negativ bei der Qualitaumlt der Farbwiedergabe bemerkbar

Die Farbe des emittierten Lichts einer LED laumlsst sich durch additive Farbmischung sehr aumlhnlich zu Sonnenlicht oder auch Gluumlhlampenlicht einstellen Wenn jedoch Objekte mit Licht beleuchtet werden kommt es auch auf die spektrale Zusammensetzung des Lichts an Nehmen wir einen Blumenstrauszlig aus roten Rosen der im Tageslicht steht Im Son-nenlicht sind alle Spektralfarben vorhanden und diese beleuchten die Rosen Die roten Bluumltenblaumltter absorbieren einige spektrale Anteile des Lichts und reflektieren im Wesentlichen rotes Licht welches in das Auge des Betrachters faumlllt Wenn die Rosen von einer anderen Lichtquelle beleuchtet werden in der die roten Spektralanteile zumindest teilweise fehlen koumlnnen diese nicht reflektiert werden und die Farben der Rosen erscheinen unnatuumlrlich

Dies ist von weitreichender Bedeutung fuumlr die Wahl einer geeigneten Lichtquelle da wir einen Kompromiss aus Licht mit guter Farbwieder-gabe und hoher Lichtausbeute schlieszligen muumlssen Licht mit hoher Farbwiedergabe setzt sich aus moumlglichst vielen Spektralfarben zusammen und Lichtquellen mit hoher Lichtausbeute sollten nur Spektralfarben beinhalten fuumlr die das menschliche Auge besonders empfindlich ist In den Auszligenbe-zirken vieler Staumldte werden zur Nachtbeleuchtung der Gehwege haumlufig Natriumdampflampen mit orangefarbenem Licht eingesetzt Die Lichtaus-beute dieser Lampen ist mit etwa 150 lmW auszligerordentlich hoch da das menschliche Auge in diesem Spektralbereich sehr empfindlich ist Diese Beleuchtung ist jedoch ungeeignet um Farben natuumlrlich wiederzugeben Aufgrund des Aufbaus des menschlichen Auges ist es also nicht moumlglich eine Beleuchtung mit sehr hoher Qualitaumlt der Farbwiedergabe bei gleichzeitig sehr hoher Lichtausbeute zu realisieren

Weiszlige LEDs zur Allgemeinbeleuchtung nutzen in der Regel Leuchtstoffe die teilweise qualita-tiv hochwertige Farbwiedergabeeigenschaften besitzen Eine weitere Methode zur Erzeugung von weiszligem Licht ist das Mischen von rotem gruumlnem und blauem Licht (RGB-Verfahren) welches die Grundlage jedes Displays ist Hierbei sind neben weiszligem Licht auch andere Lichtfarben moumlglich ndash die Farbwiedergabeeigenschaften sind allerdings schlecht Fuumlr die Endverbraucher sind in der Regel die Farbwiedergabeeigenschaften von Lichtquellen als Ra-Werte auf der Verpackung angegeben

Organische Licht Emittierende Dioden (OLED) sind eine junge Beleuchtungstechnologie die noch keinen Zugang zum Massenmarkt erhalten hat Die weltweit erste kommerzielle OLED-Leuchte wurde 2008 vertrieben Der fuumlr den Nutzer wesentliche Unterschied zwischen OLEDs und LEDs besteht im Aufbau Der leuchtende Kristall

Bild 2 Spektrale Verteilung einer blauen LED (links) und einer weiszligen LED (rechts) bei der ein Teil des blauen Lichts zu gelbem Licht konvertiert wurde

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PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4 Metrologie fuumlr moderne Lichtquellen

anorganischer LEDs besitzt eine maximale Kan-tenlaumlnge von etwa einem Millimeter Bei OLEDs wird das Licht in groszligflaumlchigen amorphen organi-schen Schichten erzeugt Momentan sind OLEDs mit leuchtenden Flaumlchen von bis zu 20 x 20 cmsup2 erhaumlltlich Das Licht wird aumlhnlich wie bei LEDs durch Ladungstraumlgerrekombination unter Auftre-ten von Elektrolumineszenz erzeugt Dabei ist das Emissionsspektrum der verwendeten organischen Emittermaterialien wesentlich breitbandiger als das einer LED (vgl Bild 3) Daher wird das weiszlige Licht von OLEDs in der Regel durch Verwendung von roten gruumlnen und blauen Emittermaterialien erzeugt ohne dass die Farbwiedergabeeigenschaf-ten sehr stark darunter leiden

2 Entwicklung von (O)LED-Transfer-normalen in der PTB

Eine der Kernaufgaben der PTB ist die Weiter-gabe der gesetzlichen Einheiten Bis zum heuti-gen Tage bieten Transfernormale in Form von speziellen Gluumlhlampen die besten Eigenschaften um als Maszligverkoumlrperung der Einheiten Candela oder Lumen zu dienen Da der Anwender in der Regel jedoch die Substitutionsmethode bei seinen Messungen anwendet um notwendige Korrektu-ren auf ein Minimum zu reduzieren (Gleiches mit Gleichem vergleichen) sind auch Transfernormale auf Basis der LED-Technologie von Interesse

Bereits in den 80er-Jahren des vergangenen Jahr-hunderts wurden LEDs in der PTB kalibriert Diese waren fuumlr Beleuchtungszwecke noch ungeeignet und dienten lediglich als Signallampen Zeitgleich wurden die ersten PTB-LED-Transfernormale entwickelt deren optische Eigenschaften durch thermische Regelung des LED-Chips stabilisiert wurden Die mechanische Ausrichtung der LEDs leistet aufgrund des typischerweise stark gerichteten Abstrahlprofils der LEDs einen groszligen Beitrag auf die Messunsicherheit Daher werden die LEDs seit

2002 in ein rotationssymmetrisches robustes VA-Stahl-Gehaumluse eingebaut welches sich sehr repro-duzierbar ausrichten laumlsst (vgl Bild 4)

Diese Transfernormale werden unter Konstant-Strom-Bedingungen und ndash durch gezieltes Aufhei-zen des LED-Chips durch den Heizwiderstand ndash unter Konstant-Spannung-Bedingungen betrieben Aufgrund der halbleitenden Eigenschaften sinkt mit steigender Temperatur die Betriebsspannung und sowohl der Lichtstrom als auch die Peakwellenlaumlnge des emittierten Lichts veraumlndert sich Die Sollspan-nung wird auf einen Wert festgelegt der unterhalb der Gleichgewichtsspannung durch Eigenerwaumlr-mung im Betrieb ohne Heizwiderstand bei einer Umgebungstemperatur von etwa 35 degC liegt Somit ist auch ein Einsatz der Transfernormale in Laboren ohne Klimatisierung moumlglich

Fuumlr LEDs mit houmlheren Leistungen wurde im Jahr 2011 ein weiterer Prototyp eines Transfernormals vorgestellt (vgl Bild 5) Da die hier verwendeten LEDs eine houmlhere Leistungsaufnahme besitzen werden sie waumlrmer Das reduziert die Lebensdauer und Reproduzierbarkeit der photometrischen

Bild 3 Exemplarische spektrale Verteilung einer weiszligen OLED

Bild 4 Temperaturgeregeltes LED-Transfernormal auf Basis von Kleinleistungs-LEDs mit Lichtstroumlmen von bis zu 10 Lumen

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PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4Das Jahr des Lichtes

Groumlszligen deutlich Daher muumlssen sie gekuumlhlt werden Hierfuumlr kommt bei diesen Normalen ein Peltier-Element zum Einsatz welches geregelt Waumlrme in einen dahinterliegenden Kuumlhlkoumlrper leitet und hierdurch das emittierte Licht stabilisiert Diese Transfernormale zeichnen sich durch ein geringes

Gewicht bei einer Laumlnge von ca 100 mm und einem Durchmesser von etwa 20 mm aus Allerdings ist die Verwendung von LEDs mit sehr hohen Leistun-gen nicht moumlglich da die Abwaumlrme lediglich passiv an den Raum abgegeben wird Eine detaillierte Beschreibung der Eigenschaften dieses Transfer-normals wurde 2012 veroumlffentlicht [2]

Fuumlr die thermische Stabilisierung von LEDs mit sehr hohen Leistungen wurde ein weiteres Trans-fernormal unter Einsatz von Peltier-Elementen Heatpipes und aktivem Kuumlhlsystem in der PTB entwickelt (vgl Bild 6)

Im Rahmen des europaumlischen Forschungspro-jekts OLED100eu wurde in der PTB weiterhin das weltweit erste Transfernormal unter Einsatz einer organischen Leuchtdiode entwickelt (vgl Bild 7) Dieses Normal wurde fuumlr den Einsatz in einer Ulbricht-Kugel konzipiert und in ein mattes Aluminiumgehaumluse eingebaut Eine Besonderheit dieses Normals ist die Stand-Alone-Versorgungs-einheit die ohne Rechner o auml saumlmtliche relevan-ten elektrischen und thermischen Groumlszligen regelt und auf einem USB-Stick speichert

3 LED-Messtechnik in der PTB

Neben LED-Transfernormalen mit guter Reprodu-zierbarkeit ist eine hochentwickelte Messtechnik fuumlr deren Kalibrierung mit minimaler Messunsi-cherheit erforderlich

Die photometrische Beschreibung von LEDs erfolgt durch Angabe ihrer Lichtstaumlrke ILED mit der Einheit Candela und ihrem Lichtstrom ΦLED mit der Einheit Lumen Diese Groumlszligen werden in der PTB unter Verwendung ruumlckgefuumlhrter Photometer bestimmt Hierfuumlr wird die Beleuchtungsstaumlrke ELED unter definierten geometrischen Bedingungen fuumlr alle Abstrahlrichtungen der LED mit einem Goniophotometer gemessen

Fuumlr die Bestimmung der colorimetrischen Werte kommen Spektralradiometer zum Einsatz Hiermit werden spektrale Bestrahlungsstaumlrken gemessen und daraus die abgeleiteten colorime-

Bild 5 Temperaturgeregeltes LED-Transfernormal auf Basis von Hochleistungs-LEDs mit Lichtstroumlmen von bis zu 100 Lumen Im rechten Bild ist die Temperaturverteilung in Grad Celsius waumlhrend des Betriebs abgebildet

Bild 6 Temperaturgeregeltes LED-Transfernormal auf Basis von Houmlchstleistungs-LEDs mit Lichtstroumlmen von bis zu 2500 Lumen

Bild 7 Temperaturgeregeltes OLED-Transfernormal auf Basis kommerziell erhaumlltlicher OLEDs

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PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4 Metrologie fuumlr moderne Lichtquellen

trischen Kenngroumlszligen wie z B die Normfarb-wertanteile (x y) bei weiszligen LEDs die aumlhnlichste Farbtemperatur TN mit der Einheit Kelvin und bei farbigen LEDs die dominante Wellenlaumlnge λdom berechnet Grundlegende Informationen und Definitionen uumlber die photometrischen und colorimetrischen Groumlszligen und deren Messung sind in [3] [4] und [5] zu finden

In Bild 8 ist der Aufbau des LED-Messplatzes an der PTB zu sehen Fuumlr die Bestimmung der Mess-groumlszligen in alle raumlumlichen Abstrahlwinkel wird die LED durch ein Goniophotometer bewegt

Die LED wird in horizontaler Betriebslage zentrisch normal zur Referenzebene des Photo-meterkopfes ausgerichtet Ein Translationstisch ermoumlglicht dabei eine Variation des Abstandes d zwischen Photometer und LED Eine horizontale Rotationsachse (φ-Achse) und eine senkrechte Rotationsachse (ϑ-Achse) die sich an der LED-Spitze im rechten Winkel schneiden erlauben durch Drehung der LED eine Bestimmung der Beleuchtungsstaumlrke ELED in alle Raumrichtungen Beide Rotationsachsen werden waumlhrend der Messung zeitgleich bewegt Hierdurch bewegt sich die relative Position der lichtempfindlichen Emp-faumlngeroumlffnung bezuumlglich des Schnittpunkts beider Drehachsen auf der Oberflaumlche einer virtuellen Kugel entlang einer Spiralbahn von bdquoPol zu Polldquo dieser Kugel

Die Bestimmung des Lichtstroms ΦLED erfolgt analog der Beschreibung in dem Kapitel Kurze Geschichte der Goniophotometrie in der PTB Der wesentliche Unterschied zu goniophotome-trischen Messungen an Gluumlhlampen besteht darin dass bei LED-Messungen die Lichtquelle typischerweise bewegt werden kann ohne dass sich ihre optischen Eigenschaften aumlndernAufgrund des stetig wachsenden Bedarfs an ruumlck-gefuumlhrten Kalibrierungen von High-Power-LEDs sind Masse und Abmessungen der Transfernor-male erheblich gestiegen Daher wurde der Mess-platz 2015 um ein weiteres Goniophotometer fuumlr schwere und groszlige Objekte erweitert (vgl Bild 9)

Neben den photometrischen Empfaumlngern befinden sich auch Einkoppeloptiken fuumlr Spekt-ralradiometer auf dem drehbaren Empfaumlngerka-russell Alle Empfaumlnger lassen sich hiermit auto-matisiert waumlhrend einer Messung zu den LEDs ausrichten Vor jeder LED-Kalibrierung werden die Spektralradiometer bezuumlglich Ihrer spektralen Empfindlichkeit und Wellenlaumlnge kalibriert Die entsprechenden Normallampen befinden sich neben dem Empfaumlngerkarussell (vgl Bild 10) und ermoumlglichen so ebenfalls eine automatisierte Messung

Den spektralen Messungen an LEDs kommt neben der Notwendigkeit fuumlr die Bestimmung colorimetrischer Kennzahlen noch eine beson-dere Bedeutung fuumlr die photometrischen Messun-

Bild 9 Goniophotometer fuumlr photometrische Messungen an Hochleistungs-LEDs

Bild 10 Entladungslampen mit verschiedenen Gasfuumlllungen dienen der Wellenlaumlngenka-librierung der Spektrometer Im Hintergrund ist eine Bestrahlungsstaumlrke-Normal-lampe fuumlr die spektrale Empfindlichkeitskalibrierung zu sehen

Bild 8 Goniophotometer fuumlr photometrische Messungen an Kleinleistungs-LEDs

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PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4Das Jahr des Lichtes

gen zu Wie in der Einleitung erklaumlrt unterscheiden sich die spektralen Verteilungen von LEDs und Gluumlhlampen deutlich voneinander Photometerkoumlpfe bestehen in der Regel aus einer Silizium-Photodiode deren spektrale Empfindlichkeit durch den Einsatz von Glasfiltern moumlglichst gut an den Hellemp-findlichkeitsgrad V(λ) angepasst wird Aufgrund internationaler Standardisierung wird die photo-metrische Empfindlichkeit von Photometerkoumlpfen fast ausschlieszliglich fuumlr Normlichtart A kalibriert In der Praxis werden hierfuumlr Gluumlhlampen mit einer Verteilungstemperatur von 2856 K verwendet Wenn man ein solches Photometer fuumlr Messungen an anderen Gluumlhlampen verwendet sind die spektralen Verteilungen meist so aumlhnlich dass nur geringe oder gar vernachlaumlssigbare Korrekturen aufgrund der spektralen Fehlanpassung also der Abweichung der realen spektralen Empfindlichkeit des Photometers von dem Hellempfindlichkeitsgrad notwendig sind Wenn man ein solches Photometer jedoch bei LEDs insbesondere farbigen LEDs einsetzt koumlnnen die Abweichungen aufgrund der spektralen Fehlan-passung sehr groszlig werden (gt10 fuumlr hochwertige Photometerkoumlpfe sind moumlglich)

Mit Kenntnis der relativen spektralen Verteilung der Leuchtdiode SLED(λ) und der relativen spekt-ralen Empfindlichkeit srel(λ) laumlsst sich die spektrale Fehlanpassung durch folgenden Korrekturfaktor cSpek korrigieren

cV S

s S

V P T

sSpek

LED

rel LED

A

rel

d

d

d=

( ) ( )( ) ( )

( ) ( )( )

intint

intλ λ λ

λ λ λ

λ λ λ

λ

intint ( )P Tλ λ A d

P(λ TA) beschreibt Lichtart A durch das Planck-sche Strahlungsgesetz fuumlr TA = 2856 K

Eine detaillierte Auflistung und Diskussion aller zu beruumlcksichtigenden Details bei Kalibrierungen von LEDs und das dazugehoumlrige Messunsicher-heitsbudget soll an dieser Stelle nicht gegeben werden Interessierte Leser koumlnnen hierfuumlr Infor-mationen in einer fruumlheren Veroumlffentlichung [6] oder in den Ergebnissen eines internationalen Vergleichs von LED-Messungen [7] finden

Fazit und Ausblick

Der Verzicht auf LEDs ist fuumlr Beleuchtungsan-wendungen nicht mehr vorstellbar Durch ihre kontinuierliche Weiterentwicklung erobern LEDs immer weitere Anwendungsfelder (z B Haus-halts- Straszligen- und Automobilbeleuchtung) mit denen der Endkunde in Kontakt kommt Bei diesen Anwendungen sind die Anforderungen an die Lichtquellen vielfaumlltig und fuumlr eine quantitative Beschreibung ihrer Eigenschaften muss auch die Messtechnik entsprechend umfassend und ausge-reift sein

Neben dem allgemeinen Forschungs- und Ent-wicklungsbedarf fuumlr bessere LED-Messverfahren und -geraumlte die die Grundlage ihrer technologi-schen Weiterentwicklung bilden gibt es eine weitere Herausforderung Aufgrund der nahezu unbe-grenzten Moumlglichkeiten eine bestimmte Lichtfarbe durch additive Farbmischung zu erhalten sind LEDs verschiedener Hersteller mit unterschiedlichen Emissionsspektren aber einer nominell gleichen aumlhnlichsten Farbtemperatur erhaumlltlich Dennoch ist teilweise ein Unterschied der Lichtfarbe mit bloszligem Auge erkennbar wenn sich unterschiedliche LEDs nebeneinander befinden

Es ist ungewoumlhnlich dass man ohne technische Hilfsmittel nominell gleiche Lichtfarben faktisch unterscheiden kann Um die Charakterisierung von LEDs soweit zu verbessern dass dies nicht mehr moumlglich ist ist einerseits eine Reduzierung der Messunsicherheit bei der Bestimmung der Normfarbwertanteile (Lichtfarbe) notwendig Andererseits muss man sich bewusst machen dass photometrische und colorimetrische Messverfahren auf rein physikalischen Zusammenhaumlngen basieren Individuelle menschliche Wahrnehmung und Sehen werden bei photometrischen Messungen nicht beruumlcksichtigt ndash diese werden durch Festlegung von exakt definierten Wichtungsfunktionen wie dem Hellempfindlichkeitsgrad fuumlr einen fiktiven Normalbeobachter ausgegrenzt Diese Wichtungs-funktionen koumlnnen gegebenenfalls auch noch optimiert werden um die objektive Beurteilung von Lichtquellen mit physikalischen Messmethoden zu verbessern Somit gibt es auch in Zukunft noch interdisziplinaumlre Herausforderungen fuumlr die Metro-logie moderner Lichtquellen

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Effektpigmente hellipPTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4

Einleitung

Farbe ist fuumlr Menschen die wohl auffaumllligste sub-jektive Stoffeigenschaft Bereits den Fruumlhmenschen war diese visuelle Qualitaumlt bekannt deren Wahr-nehmung allen Primaten eigen ist So wurde 2008 in Suumldafrika eine ca 100000 Jahre alte steinzeitli-che bdquoMalerwerkstattldquo entdeckt [1] Auch heutzu-tage spielt Farbe in der Gestaltung unserer Umwelt eine wichtige Rolle Jedes Jahr praumlsentiert uns die Mode die neuen Farben der Saison Farben dienen zur Regelung des Verkehrs Ohne bunte Farben waumlre unsere Welt trist und oumlde

Es ist wichtig festzustellen dass Farbe ein physiologischer Sinneseindruck ist wie z B auch Tasten oder Riechen D h Farbe ist keine immanente physikalische Eigenschaft eines Gegenstandes wie z B seine Masse oder Waumlrme-leitfaumlhigkeit Die physiologische Wahrnehmungs-kette ist hierbei folgende Das vom betrachteten Gegenstand reflektierte Licht trifft auf das Auge und loumlst hierbei einen Farbreiz aus Dieser Farbreiz beruht auf der spektralen Zusammensetzung des empfangenen Lichts d h er ist abhaumlngig von der verwendeten Lichtquelle und dem spektralen Reflexionsvermoumlgen des betrachteten Objektes Die Anregung der licht- und farbempfindlichen Zellen in der Netzhaut fuumlhrt zu einer Farbvalenz die uumlber den Sehnerv an das Gehirn weitergeleitet wird Die eigentliche Farbempfindung die wir dann mit einem Gegenstand verknuumlpfen entsteht erst im Gehirn [2] Liegt z B eine Farbfehlsich-tigkeit vor so kann der Farbeindruck des betrof-fenen Menschen auch ein ganz anderer sein Auch viele Tiere mit ihren teilweise erheblich abweichenden visuellen Systemen nehmen Farbe ganz unterschiedlich als wir Menschen wahr Im Folgenden soll mit Farbe immer die Koumlrperfarbe auch Gegenstandsfarbe Objektfarbe bzw Oberflauml-chenfarbe genannt einer nicht selbstleuchtenden Flaumlche bezeichnet werden die durch Reflexion von Licht an einem Koumlrper entsteht

Die genannten Zusammenhaumlnge machen die mathematisch-physikalische Beschreibung von Farbe schwierig und aufwendig da auch die spe-zifischen Eigenarten der menschlichen Wahrneh-

mungskette nachgestellt werden muumlssen Diesem Umstand wird versucht uumlber die verschiedenen Farbmaszligsysteme Rechnung zu tragen welche die Farbe eines Objektes mithilfe von quantifizierba-ren Zahlenwerten kennzeichnen [3]

Generell koumlnnen farbige Flaumlchen je nach Tageszeit und Lichteinfall sehr unterschiedlich wirken Die Aumlnderungen basieren hierbei auf der unterschiedlichen spektralen Zusammenset-zung des Tageslichts und den winkelabhaumlngigen Glanz- und Struktureigenschaften von Oberflauml-chen Ganz besonders deutlich ist dies bei auf dem Interferenzeffekt basierenden Effektpigmenten der Fall Deren visuelles Erscheinungsbild im englischen mit Visual Appearance bezeichnet kann sich bei variierendem Beobachtungswinkel und unterschiedlichen Lichtverhaumlltnissen komplett veraumlndern Man spricht hierbei von sogenannten Flop-Lacken wobei man zwischen Hell-Dunkel-Flop und Farb-Flop unterscheiden kann [4]

Generell kann man sagen dass Farbe und visuelle Effekte einen entscheidenden Anteil am Verkaufserfolg eines Produktes haben denn Farben wecken Emotionen und verschiedene Neuro marketingstudien belegen dass ca 95 aller Kaufentscheidungen emotional gepraumlgt sind [5] Deshalb spielt eine moderne Farbgestaltung unter Nutzung aktueller Effektpigmente im Pro-duktdesign eine entscheidende Rolle denn durch den Einsatz solcher Pigmente kann Gegenstaumlnden eine houmlhere Attraktivitaumlt verliehen werden Daher findet man moderne Effektpigmente heutzutage in vielen teilweise sehr unterschiedlichen Indus-trieprodukten wie z B in Autolackierungen Haumluserfassaden Kosmetikartikeln oder sogar bei Pralineacutes wie dies in Bild 1 zu sehen ist

Pigmente

Als Pigmente aus dem Lateinischen kommend von pigmentum fuumlr bdquoFaumlrbestoff Schminkeldquo bezeichnet man aus Teilchen bestehende im Anwendungs-medium praktisch unloumlsliche Sub stanzen die als Farbmittel oder wegen anderer spezieller physika-lischer und chemischer Eigenschaften als funktio-nale Farbzentren verwendet werden [6]

Effektpigmente Eine Herausforderung fuumlr die optische Messtechnik

Egbert Buhr Alfred Schirmacher Andreas Houmlpe

Dr Egbert Buhr Fachbereich bdquoBildshy und Wellenoptikldquo EshyMail egbertbuhrptbde

Dr Alfred Schirmacher Arbeitsshygruppe bdquoReflexion und Transmissionldquo EshyMail alfredschirmacherptbde

Dr Andreas Houmlpe dagger ehemals Arbeitsgrupshype bdquoReflexion und Transmissionldquo

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PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4Das Jahr des Lichtes

In der Natur vorkommende anorganische Pig-mente sind schon seit praumlhistorischen Zeiten bekannt Schon die Menschen der Steinzeit benutzen mineralische Pigmente fuumlr die ersten Houmlhlenzeichnungen Sie erkannten dass sie mit unterschiedlichen Erdsorten farbig malen konnten Eisenoxidhaltige Erden liefern gelbrote bis braunrote Kalk und Gips weiszlige Mangan-oxide sowie Holz- und Knochenkohle schwarze Farbtoumlne

Aus heutiger industrieller Sicht ist ein Pigment ein fein aufgeteilter und unloumlslicher Feststoff mit der Hauptfunktion das Erscheinungsbild des verwendeten Mediums zu verbessern oder es zu faumlrben Pigmente werden dem Medium immer durch physikalisches Mischen beigegeben dies unterscheidet sie von Farbstoffen die in ihrem Medium loumlslich sind

Pigmente koumlnnen nach den optischen Prin-zipien ihrer Wechselwirkung mit Licht unter-schieden und in verschiedene Klassen eingeteilt werden Wichtige Pigmentklassen sind Weiszlig- Bunt- Schwarz- und Effektpigmente die alle wegen ihrer speziellen farbgebenden Eigenschaf-ten eingesetzt werden Bei den Effektpigmenten

kann in einer ersten vereinfachten Einteilung noch zwischen Metalleffekt- und den sogenannten speziellen Effektpigmenten unterschieden werden

Der Begriff bdquospezielle Effektpigmenteldquo umfasst die Gruppen der Perlglanzpigmente und der all-gemeinen Interferenzpigmente welche insbeson-dere bei aktuellen Pigmententwicklungen nicht scharf abgegrenzt werden koumlnnen Perlglanzpig-mente sind Effektpigmente die aus transparenten Plaumlttchen mit hohem Brechungsindex bestehen Sie erzeugen durch die spezielle Form der Mehr-fachreflexion des transmittierten Lichts an mehre-ren Pigmenten einen perlenaumlhnlichen Effekt bei dem die auftreffende Strahlung verteilt reflektiert wird wodurch der Eindruck einer mit der Tiefe abnehmenden diffusen Helligkeit entsteht Fuumlr das Auge ergibt sich so eine scheinbar dreidimen-sionale Glanzcharakteristik die aus der Tiefe des Objektes zu kommen scheint Interferenzpigmente dagegen sind Effektpigmente deren farbgebende Wirkung ganz oder vorwiegend auf dem Effekt der Vielstrahlinterferenz von Licht an duumlnnen hoch-brechenden Schichten beruht Interferenzpigmente koumlnnen dabei sowohl auf transparenten oder auch nichttransparenten Plaumlttchen basieren

Bild 1 a) Roadster mit ChromaFlairreg-Effektpigmentlackierung b) Verwaltungsgebaumlude in Braunschweig verkleidet mit Alucobondreg-spectra-colours-Verbundplatten c) Effektpigmente im Nagellack d) Pralineacute mit Effektpigmentuumlberzug

a

dc

bb

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Effektpigmente hellipPTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4

Die heute verwendeten Pigmente lassen sich somit grob in fuumlnf verschiedene Klassen einteilen

1) Weiszligpigmente Die Pigmente streuen das ge-samte auftreffende Licht nahezu verlustfrei in alle Richtungen durch diffuse ungerichtete Reflexion

2) Buntpigmente Die Pigmente streuen einen Teil des Lichtes diffus und absorbieren wellenlaumln-genselektiv einen anderen Teil des Lichtes

3) Schwarzpigmente Die Pigmente absorbieren alle Wellenlaumlngen des fuumlr das menschliche Auge sichtbaren Spektralbereiches

4) Metalleffektpigmente Die aus duumlnnen Metall-plaumlttchen vorwiegend Aluminium bestehen-den Metalleffektpigmente sind lichtundurch-laumlssig und reflektieren das gesamte auftreffende Licht durch spekulare gerichtete Reflexion Die Pigmentpartikel wirken dabei wie Mikrospie-gel und fuumlhren bei paralleler Ausrichtung im Anwendungsmedium zu einem spiegelnden Metallglanz dem Metallic-Effekt

5) Spezielle Effektpigmente Perlglanz- bzw Inter-ferenzpigmente deren optische Wirkung auf der Mehrfachreflexion an uumlberwiegend flaumlchig aus-gebildeten und ausgerichteten transparenten semitransparenten oder lichtundurchlaumlssigen Partikeln beruht

Weiszlig- Bunt- und auch Schwarzpigmente weisen typische Durchmesser im Bereich von 100 nm bis zu 1 microm auf Ihre Groumlszlige liegt damit zum Teil im Bereich der Wellenlaumlnge des sichtbaren Lichtes welches den Bereich von 380 nm bis 780 nm uumlberdeckt Einige Schwarzpigmente wie z B Ruszlig-pigmente liegen mit ihren Durchmessern jedoch auch zum Teil auch deutlich darunter Effektpig-mente besitzen dagegen Teilchendurchmesser die zumeist im Bereich von 5 microm bis 100 microm in einigen Faumlllen auch daruumlber liegen Sie sind damit bezuumlglich der mittleren Plaumlttchendurch-messer wesentlich groumlszliger als die Wellenlaumlnge des sichtbaren Lichtes Die Dicke der Plaumlttchen liegt von einigen Ausnahmen abgesehen unter 1 microm ebenso wie die Dicke der Interferenzschichten Demzufolge weisen Effektpigmente in der Regel ein hohes Aspektverhaumlltnis auf (Verhaumlltnis der lateralen Ausdehnung einer Struktur zu ihrer Houmlhe) welches bis zu 200 betragen kann

Interferenzpigmente ndash Wie die Farben entstehen

Die Farbe von Interferenzpigmenten haumlngt von der Schichtdicke der Metalloxidbeschichtung und dem Einstrahlungs- und Betrachtungswinkel ab Beide Parameter bestimmen die effektive optische Weg-

laumlngendifferenz fuumlr das einfallende weiszlige Licht zwischen oberer und unterer Grenzflaumlche und die somit auftretenden Interferenzfarben siehe Bild 3

Interferenzpigmente zeigen somit einen aus-gepraumlgten bdquoFarbflopldquo Die Winkelabhaumlngigkeit der Farbe wird hierbei auch als Goniochromasie bezeichnet Richtig bunt geht es zu wenn ein Interferenzpigment auf einen bereits bunten Untergrund aufgebracht wird Die Transparenz der Pigmente laumlsst die Untergrundfarbe durch-

Bild 2 Schematische Diagramme zum spektralen Verhalten verschiedener Pigmenttypen

Bild 3 Die Schichtdicke der Metalloxidbeschichtung und der kombinierte Einstrahlungs- und Betrachtungswinkel bestimmen die optische Weglaumlnge und somit die sich ergebenden Interferenzfarben in Reflexion und Transmission

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PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4Das Jahr des Lichtes

Bild 5 Die Effekte Spar-kling (1) und Coarseness (2) des Effektpigmentes Xirallicreg Crystal Silver in einer vergroumlszliger-ten Aufnahme auf weiszligem (links) und schwarzem Hinter-grund (rechts)

scheinen im Glanzwinkel wird sie aber von der Interferenzfarbe uumlberstrahlt wie dies in Bild 4 zu sehen ist

Der Effekt eines Helligkeitsunterschiedes unter verschiedenen Betrachtungswinkeln wird als Helligkeitsflop bezeichnet und ist an sich nichts Neues Sind jedoch die einzelnen Pigmentteilchen

aufgrund ihrer planaren Reflexionsoberflaumlchen in gerichteter Beleuchtung direkt beobachtbar was fuumlr mittlere Teilchengroumlszligen von 30 microm und groumlszliger der Fall ist so ergibt dies einen Effekt welcher mit dem Begriff Sparkle (Glitzern Funkeln) bezeichnet wird (Bild 5) Aumlndert sich die Beleuchtung von einer gerichteten Einstrahlung wie es an einem wolkenlosen sonnigen Sommertag der Fall ist hin zu einer diffusen ungerichteten Einstrahlung wie an einem stark bewoumllkten Herbsttag so verschwin-det das Sparkling der Pigmente und verwandelt sich in eine Koumlrnigkeit der Oberflaumlche Dieses optische Phaumlnomen wird als Coarseness (Bild-koumlrnigkeit) bezeichnet und ist unabhaumlngig vom Betrachtungswinkel (Bild 5)

Als neuer Archetypus des Sparkle-Begriffes haben sich in den letzten Jahren die Xirallicreg Pig-mente (High Chroma Chrystal Effect Pigments) der Firma Merck KGaA entwickelt Durch die Beschich-tung von Aluminiumoxidplaumlttchen mit hochbre-chenden Metalloxiden und einer optimierten Dicke und Ebenheit aller am Pigment beteiligten Schich-ten entstehen auszligergewoumlhnlich stark reflektierende Effektpigmente die einen besonders intensiven Sparkle-Effekt aufweisen Man spricht hierbei auch von sogenanntem Living Sparkle welcher sich in einem scheinbaren bdquoTanzenldquo der leuchtenden Punkte in der Probenoberflaumlche bei Veraumlnderung der Beobachtungsgeometrie aumluszligert [7 8]

Generell gilt dass die Farbe von Objekten mit Effektlackierung nicht mehr wie jahrzehntelang uumlblich und ausreichend mit konventionellen Farb-messgeraumlten mit nur einer festen Messgeometrie wie z B in der 45deg 0deg Geometrie (Einstrahlung unter 45deg Reflexionsmessung unter 0deg) bestimmt werden kann Dieser Umstand wird sehr gut durch die Grafik in Bild 6 illustriert Dargestellt sind die winkelabhaumlngig gemessenen Farbkoordinaten von drei verschiedenen keramischen Farbstandards der Farben rot gruumln und blau sowie eines mit dem Effektpigment Viola Fantasy der Firma Merck lackierten Blechs Der Einfallswinkel des Lichts auf die Proben betrug hierbei immer 45deg zur Oberflauml-chennormalen Das von den Proben reflektierte Licht wurde an 26 Positionen in einem 5deg Raster in planaren die Oberflaumlchennormale enthalten-den Messgeometrien im Winkelbereich von ndash70deg bis +70deg aufgenommen Bei den aus absorptiven Pigmenten bestehenden Keramiken zeigt sich eine nur sehr geringe Winkelabhaumlngigkeit der Farbe welche groumlszligtenteils auf unterschiedlicher winkelabhaumlngiger Helligkeit d h den Glanzeigen-schaften der Oberflaumlche beruht Das Effektpigment dagegen zeigt einen extremen winkelabhaumlngigen Farb-Flop (Goniochromasie) welcher einen Farbverlauf von Gruumln uumlber Rot-Gelb hin ins Blau-Violett bietet

Aber auch die neuen Lackfarben aus der Gruppe der Effektlackierungen muumlssen messtechnisch

Bild 4 Merck-Xirallicreg-Solaris-Red-Effektpigmente appliziert auf einem mit Standard-Ab-sorptionspigmenten hellblau lackierten Metallblech In Rich-tung des Glanzwin-kels auf der rechten Seite zeigt sich der langsame Aufbau der winkelabhaumlngigen Interferenzfarbe

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Bild 6 CIELab Farbkoordinaten einer winkelabhaumlngigen Reflexionsmessung an vier verschiedenen Proben drei Keramiken der Farben rot gruumln blau und eine Effektpigmentlackierung mit Merck Colorstreamreg Viola Fantasy Das untergelegte Farbschema zeigt naumlherungsweise die den Koordinaten entsprechende Farbe

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Effektpigmente hellipPTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4

Abbildungsoptik Messungen der ortsaufgeloumlsten Leuchtdichte auf einer Laumlngenskala bis hinab zu 28 microm auf der zu untersuchenden Probe siehe Bild 8

Mit der Zeilenkamera sind Messungen von kompletten Reflexionsspektren im sichtbaren Spektralbereich zwischen 380 nm und 780 nm dem sogenannten V(λ)-Bereich auf einer Zeit-skala von 2 Minuten moumlglich Hieraus lassen sich dann Farbkoordinaten der untersuchten Proben in den unterschiedlichsten Farbraumsystemen berechnen Eine absolute Messung in 114 Win-kelkombinationen (siehe Bild 9) im Polarwinkel-

erfasst und ruumlckgefuumlhrt werden um eine gleich-bleibende Qualitaumlt in der Produktion gewaumlhrleis-ten zu koumlnnen Gerade diese vielfaumlltigen zusaumltz-lichen Eigenschaften stellen die Farbmesstechnik vor neue Herausforderungen

Farbmessung

Bisherige kommerzielle Farbmessgeraumlte charakte-risieren Probenoberflaumlchen fast ausschlieszliglich in den eben schon erwaumlhnten sogenannten in-plane Reflexionsgeometrien Dabei liegen die Richtun-gen des eingestrahlten und des reflektierten Lichts sowie die Oberflaumlchennormale der Probe in einer Ebene Diese Einschraumlnkung entspricht jedoch in keiner Weise der taumlglichen Realitaumlt bei der Oberflaumlchen aus beliebigen Richtungen beleuchtet und betrachtet werden Seitens der Messgeraumlteher-steller und Anwender gibt es daher einen Trend zur erweiterten Charakterisierung bezuumlglich zusaumltzlicher Winkelkombinationen im dreidimen-sionalen Raum Spitzenreiter dieser Entwicklung am Markt ist derzeit ein tragbares Mehrwinkel-Spektralphotometer mit insgesamt 19 verschie-denen Reflexionsgeometrien [9] Hiermit scheint aber auch das Ende dieser Entwicklung im Bereich der portablen handgefuumlhrten Geraumlte erreicht Der Wunsch der Anwender geht aktuell wieder zuruumlck zu einer geringeren Anzahl von Winkelkombi-nationen denn es ist unklar wie man aus dem Mehr an winkelaufgeloumlsten Reflexionsdaten die fuumlr die Charakterisierung der Farbeigenschaften relevanten Informationen gewinnen kann Daher stellt sich die Frage welches sind bdquoguteldquo d h an die Messaufgabe adaptierte optimal geeignete Messgeometrien

Um diese Frage zu beantworten betreibt die AG 424 bdquoReflexion und Transmissionldquo der PTB zwei roboterbasierte Gonioreflektometer die eine winkelaufgeloumlste Reflexionsmessung in beliebi-gen bidirektionalen Geometrien ermoumlglichen [10ndash12] Diese beiden Apparaturen sind in Bild 7 dargestellt

Das Standard-Gonioreflektometer ist hierbei das nationale Normal fuumlr die Messgroumlszlige spektraler Strahldichtefaktor in gerichteten Geometrien Es dient der Realisierung Bewahrung und Weiter-gabe der gerichteten Reflexionsskale in Form von Kalibrierungen Die zweite Apparatur bezeich-net mit dem Acronym ARGon3 (3D Appearance Robot-based Gonioreflectometer) ist ein flexibles Forschungsgeraumlt mit dem experimentelle Unter-suchungen u a im Rahmen des EMRP-Projektes Multidimensional Reflectometry for Industry der EU [13] durchgefuumlhrt werden Im Ver gleich zum Standard-Gonioreflektometer ist dieses Geraumlt mit einer photometrischen Leuchtdichteka-mera und einer Zeilenkamera ausgeruumlstet Die Leuchtdichtekamera erlaubt mit einer speziellen

Bild 7 Die beiden roboter-basierten Gonio-reflektometer der PTB oben Standard-Gonioreflektometer fuumlr Kundenkalibrie-rungen unten ARGon3-Messplatz fuumlr Forschungsanwen-dungen

Bild 8 Visualisierung desSparkling-Effektesvon Xironareg-Volcanic-Sparks-Pigmenten als Falschfarben-darstellung der ortsaufgeloumlsten LeuchtdichteDie bdquoNadelnldquo zeigendie Position derPigmente an

Bild 9 Beispielgeometrien zur Messung der winkelabhaumlngigen Reflexionseigen-schaften Realisiert wurden 4 Einstrah-lungsrichtungen (rote Pfeile) mit jeweils 114 Reflexionswinkeln (schwarze Punkte) im Bereich der Viertel-kugel oberhalb der Probenoberflaumlche

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PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4Das Jahr des Lichtes

bereich 0deg bis 70deg gleichmaumlszligig verteilt uumlber den Viertelraum oberhalb der Probe dauert hierbei ca 4 Stunden [14] Die so erhaltenen Daten bilden die Basis fuumlr kuumlnftige Verbesserungen in der Mess-technik fuumlr Anwender und Hersteller

Im Rahmen des EMRP-Projektes Multidimen-sional Reflectometry for Industry [13] sind damit die winkelabhaumlngigen Reflexionsspektren von insgesamt 66 verschiedenen Effektpigmentproben gemessen worden [15 16] Bei den vier verschie-denen Einstrahlungsrichtungen verbunden mit jeweils 114 Reflexionswinkeln im Bereich der Vier-telkugel oberhalb der Probenoberflaumlche ergeben sich somit uumlber 30000 Reflexionsspektren

Zielsetzung der Untersuchungen ist die Ver-besserung der Metrologie zur Materialcharak-terisierung mit reduzierter Messunsicherheit Dazu werden neue Messvorschriften und neue Standardmessartefakte entwickelt mit denen die Industrie die visuelle Wahrnehmung der von ihr produzierten Oberflaumlchen gezielt charakterisie-ren und kontrollieren kann Solche Messungen sollten einfach auszufuumlhren sein und die Ergeb-nisse muumlssen soweit wie moumlglich mit der visuellen menschlichen Wahrnehmung korrelieren Im europaumlischen und internationalen Rahmen sollen die Ergebnisse in die Normung einflieszligen um die allgemeine Vergleichbarkeit solcher Messungen zu gewaumlhrleisten

Literatur

[1] CS Henshilwood et al A 100000-Year-OldOchre-Processing Workshop at Blombos CaveSouth Africa Science Vol 334 No 6053 219ndash2222011

[2] Mark D Fairchild Color Appearance Models2nd Ed John Wiley amp Sons Ltd 2005

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[4] WR Cramer Der richtige Blickwinkel Farbe amp Lack 092006 26ndash30 2006

[5] G Zaltman How Customers Think EssentialInsights into the Mind of the Market HarvardBusiness Review Press 2003

[6] DIN ISO 18451-12015-11 Pigmente Farbstof-fe und Fuumlllstoffe ndash Begriffe ndash Teil 1 AllgemeineBegriffe

[7] WR Cramer Ohne Glimmer aber mit GlanzFarbe amp Lack 042003 132ndash136 2003

[8] WR Cramer Es glitzert wie am SternenhimmelFahrzeug + Karosserie 0412 20ndash22 2012

[9] E Kirchner W Cramer Making sense of measure-ment geometries for multi-angle spectrophotome-ters Color Res Appl Vol 37 No3 186ndash198 2012

[10] D Huumlnerhoff U Grusemann A Houmlpe Newrobot-based gonioreflectometer for measuringspectral diffuse reflection Metrologia 43 S11ndashS162006

[11] A Houmlpe D Huumlnerhoff K-O Hauer Robot-basedgonioreflectometer Industrial Robotics Program-ming Simulation and Applications Low Kin-Huat Ed Pro Literatur-Verlag Mammendorf623ndash632 2007

[12] A Houmlpe T Atamas D Huumlnerhoff S TeichertK-O Hauer ARGon3 ndash bdquo3D Appearance Robot-based Gonioreflectometerrdquo at PTB Rev SciInstrum 83(4) 045102-1ndash045102-8 2012

[13] European Metrology Research Program ProjectIND52 bdquoxD-Reflectldquo Multidimensional Reflecto-metry for Industry wwwxdreflecteu(letzter Aufruf 03122015)

[14] T Atamas K-O Hauer A Houmlpe Appearancemeasurements of goniochromatic colours Predic-ting Perceptions Proceedings of the 3rd Internati-onal Conference on Appearance 149ndash154 2012

[15] A Houmlpe A Koo FM Verdu FB LeloupG Obein et al bdquoMultidimensional reflectometryfor industryrdquo (xD-Reflect) an European researchproject Proc SPIE 9018 Measuring Modelingand Reproducing Material AppearanceSPIE-ISampT Vol 9018 901804-1ndash901804-11 2014

[16] A Houmlpe K-O Hauer S Teichert D HuumlnerhoffC Strothkaumlmper Goniochromatic and Sparkleproperties of effect pigmented samples in mul-tidimensional configuration Proc SPIE 9398Measuring Modeling and Reproducing MaterialAppearance 2015 SPIE Proc Vol 9398 Appea-rance 93980O-1ndash7 2015

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Die 50 Sitzung des Internationalen Komitees fuumlr das gesetzliche Messwesen (CIML) fand vom 20 bis 22 Oktober 2015 in Arcachon Frankreich statt Im Vorfeld der CIML-Sitzung fand ein ein-taumlgiges OIML-Seminar uumlber Countries and Econo-mies with Emerging Metrology Systems (CEEMS) statt uumlber das weiter unten berichtet wird

Das CIML ist der Lenkungsausschuss der OIML Es trifft sich jaumlhrlich und besteht aus je einem Repraumlsentanten der Mitgliedstaaten der korrespondierenden Mitglieder und den Vertre-tern internationaler und regionaler Organisa-tionen die als Beobachter teilnehmen koumlnnen Das CIML ist zustaumlndig fuumlr die Vorbereitung und Durchfuumlhrung der Entscheidungen der Konfe-renz die alle vier Jahre stattfindet Es uumlberwacht die Arbeiten der Technischen Komitees und Unterkomitees und des Internationalen Buumlros fuumlr das gesetzliche Messwesen (BIML) in Paris

An der 50 CIML-Sitzung nahmen 144 Teilneh-mer aus 43 Mitgliedstaaten und 13 korrespondie-renden Mitgliedstaaten teil Zur deutschen Dele-gation gehoumlrten neben den o g Autoren auch die Herren Johann Fischer Direktor des Landesamts fuumlr Mess- und Eichwesen Berlin-Brandenburg sowie Prof Olaf Kuumlhn Direktor des Thuumlringer Landesamts fuumlr Verbraucherschutz als Vertreter der Bundeslaumlnder Dr Peter Ulbig Leiter der Abteilung Wissenschaftlich-technische Quer-schnittsaufgaben der PTB und Prof Manfred Kochsiek Vizepraumlsident a D der PTB ehema-liger CIML-Praumlsident und Ehrenmitglied der OIML Frau Dr Anna Cypionka persoumlnliche Referentin des Praumlsidenten der PTB nahm am OIML-Seminar fuumlr CEEMS teil Vertreten waren auch wieder internationale und regionale Orga-nisationen zu denen die OIML Verbindungen unterhaumllt wie das Internationale Buumlro fuumlr Maszlig und Gewicht (BIPM) die GSO-GCC Standardiza-tion Organization (Saudi-Arabien) die Internatio-nal Laboratory Accreditation Cooperation (ILAC) und der Europaumlische Verband der Waagenherstel-ler (CECIP)

Alle Beschluumlsse der 50 CIML-Sitzung koumlnnen auf den Internetseiten der OIML aufgerufen werden [1 2]

Die wichtigsten Entscheidungen und Entwick-lungen werden nachfolgend vorgestellt

1 Personalangelegenheiten

Der Vertrag von Willem Kool als Assistant Director wurde um vier Jahre der Vertrag des BIML-Direk-tors Stephen Patoray um drei Jahre verlaumlngert

2 Einfuumlhrung des PG Workspace im Internet

In seinem Bericht im Zusammenhang mit der Etablierung des neuen Webauftritts der OIML hob der CIML-Praumlsident Peter Mason (UK) die erfolgreiche Einfuumlhrung des Workspace fuumlr Pro-jektgruppen hervor Durch die Online-Arbeit wird erwartet dass die technische Arbeit an neuen bzw zu revidierenden OIML-Dokumenten vereinfacht und insgesamt effizienter wird

3 Revision der technische Richtlinien fuumlr die OIML (B 6 Directives for OIML tech-nical work)

In einem neuen Projekt sollen die in den vergan-genen Jahren revidierten OIML-Richtlinien fuumlr die technische Arbeit erneut uumlberarbeitet werden um u a den Prozess der Entwicklung und Uumlber-arbeitung von OIML-Publikationen noch weiter zu beschleunigen und den neuen internetbasierten Technologien und Arbeitsweisen Rechnung zu tragen

4 Umfassende strukturelle Uumlberarbeitung des OIML Certificate System

Das CIML verabschiedete die Gruumlndung einer Projektgruppe mit der Aufgabe einer substan-ziellen Uumlberarbeitung des OIML-Zertifizierungs-systems das z Zt aus dem Basiszertifizierungs-system und dem MAA3 besteht Urspruumlnglich ausgehend von der Annahme die Akzeptanz des MAA-Zertifizierungssystem muumlsse verstaumlrkt werden eine groumlszligere Verbreitung finden und mehr Messgeraumltearten abdecken erscheint es

Aktuelles aus der OIML (Internationale Organisation fuumlr das Gesetzliche Messwesen)Bericht uumlber die 50 Sitzung des CIML in Arcachon FrankreichSusanne Ludwig Roman Schwartz

INTERNATIONALE ZUSAMMENARBEIT

Susanne Ludwig OIMLshyGeschaumlftsstelle der PTB EshyMail susanneludwigptbde

Dir u Prof Dr Roman Schwartz Vizepraumlsident der PTB deutsches Mitglied im Internashytionalen Komitee fuumlr das Gesetzliche Messwesen (CIML) und CIMLshyVizepraumlsishydent EshyMail romanschwartzptbde

3 Mutual Acceptance Arrangement (Abshykommen zur gegenshyseitigen Anerkennung von Bauartpruumlfungen)

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PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4Internationale Zusammenarbeit

inzwischen sinnvoller und wurde so auch vom CIML beschlossen zum 112017 ein einziges OIML-Zertifizierungssystem einzufuumlhren Eine Projektgruppe (Certification System Project Group = CSPG) unter dem Vorsitz des CIML-Vizepraumlsi-denten Dr Roman Schwartz wurde damit beauf-tragt die notwendigen Dokumente und Prozedu-ren auszuarbeiten

5 OIML-Seminar fuumlr Countries and Economies with Emerging Metrology Systems (CEEMS)

Im Vorfeld der CIML-Sitzung wurde ein eintaumlgiges Seminar zum Thema Developing an OIML Package for Assistance to Countries with Emerging Metro-logy Systems (CEEMS) abgehalten In vier Sitzun-gen diskutierten 125 Teilnehmer aus 49 Laumlndern uumlber Moumlglichkeiten Laumlnder beim Aufbau von nationalen Metrologiesystemen zu unterstuumltzen In der ersten von Frau Dr Cypionka geleiteten Sitzung Capacity Building ging es um die allge-meinen Herausforderungen bei der Gestaltung von Programmen zur Foumlrderung von Handlungs-kompetenzen und Vermittlung von Wissen fuumlr die Metrologie In zwei weiteren Sitzungen wurden unter den Themen Helping CEEMS Improve Regulation in their Markets (Leitung Prof Dr Manfred Kochsiek) und New Ideas ndash Doing Legal Metrology Differently (Leitung Stuart Carstens

Suumldafrika) konkrete inhaltliche Loumlsungsvorschlaumlge vorgestellt und diskutiert Die Ergebnisse wurden in der 50 CIML-Sitzung vorgestellt und fanden ihren Niederschlag in der Resolution Nr 201510 [2] sie sollen auch noch auf den OIML-Webseiten veroumlffentlicht werden [1]

6 OIML-Publikationen

Folgende OIML-Publikationen wurden verabschiedet

R 139-3 Compressed gaseous fuels measuring systems for vehicles Part 3 Test report format

New Recommendation (R 145) Ophthalmic instru-ments mdash Impression and applanation tonometers

Alle OIML-Publikationen stehen im Internet frei zur Verfuumlgung [3]

Gleichzeitig wurde die Revision der folgenden OIML-Publikation beschlossen

Revision of R 79 Labeling requirements for prepackages

Folgende neue Projekte wurden verabschiedet

Revision des OIML-Dokuments B 6-1 Directives for OIML technical work

Bild 1 Teilnehmer der 50 Sitzung des Internationalen Komitees fuumlr Gesetz-liches Messwesen (CIML) in Arcachon Frankreich

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PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4 Aktuelles aus der OIML

TC 8SC 1 Revision R 71 Fixed storage tanks mdash General requirements

TC 8SC 1 Revision R 85 Automatic level gauges for measuring the level of liquid in stationary storage tanks

7 Personalien und Ehrungen

Die von Dr Seiler dem ehemaligen Leiter des Fachbereichs bdquoTechnische Zusammenarbeitldquo der PTB initiierte OIML-Auszeichnung fuumlr bdquoexzel-lente Beitraumlge von Entwicklungslaumlndern zum gesetzlichen Messwesenldquo ging in diesem Jahr an

bull Nam Hyuk Lim Director of Korea Testing Certi-fication und

bull The Metrology Department Saint Lucia Bureau of Standards

Die OIML-Medaille fuumlr besondere Verdienste um die OIML-Arbeit ging an Ngo Quy Viet Vietnam und Cartaxo Reis aus Portugal

8 Termine

Ein Gastgeberland fuumlr die 51 CIML-Sitzung und 15 OIML-Konferenz im Jahr 2016 konnte noch nicht bekannt gegeben werden es wird aber wahr-scheinlich wieder Frankreich sein Weitere OIML-Veranstaltungen und -Termine finden sich auf der OIML-Webseite unter [4]

9 Literatur

[1] httpswwwoimlorgen (letzter Aufruf 19112015)

[2] httpswwwoimlorgenstructurecimlpdf50-ciml-resolutions-englishpdf (letzter Aufruf 19112015)

[3] httpswwwoimlorgenpublicationsrecommen-dationspublication_viewp_type=1ampp_status=1

[4] (letzter Aufruf 19112015)[5] httpswwwoimlorgeneventscalendar

(letzter Aufruf 19112015)

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TECHNOLOGIETRANSFER

E27-Scanner fuumlr UlbrichtkugelnMit dem besonders einfach ohne Umbau einsetzbaren E27-Scanner koumlnnen Anwender und Hersteller die Homogenitaumlt ihrer Ulbricht-kugeln bestimmen und die Ergebnisse zur Berechnung genauerer Lichtstroumlme und zur Dokumentation der Qualitaumlt ihrer Messungen nutzen

Hintergrund

Wie viel Licht eine Lampe insgesamt in alle Richtungen abstrahlt wird durch ihren Lichtstrom ausgedruumlckt Um den fuumlr die Bestimmung der Energieeffizienz von Lampen notwendigen Lichtstrom schnell zu er mitteln setzt die Lampenindustrie Ulbrichtkugeln ein An einer Stange in der Mitte der Ulbrichtkugel befindet sich eine E27-Lampen-fassung in die nacheinander die Lichtstrom-Normallampe und die zu kalibrierende Lampe eingeschraubt werden Das indirekt auf den Mess-kopf fallende Licht erzeugt einen Photostrom der im Idealfall propor-tional zu dem von der Lampe abgestrahlten Lichtstrom ist unabhaumlngig von der Richtung in die das Licht abgestrahlt wird

Dies ist jedoch bei einer ungleichmaumlszligigen Beschichtung der Kugel sowie bei einer im Laufe der Zeit nicht zu verhindernden Verstaubung nicht der Fall Deshalb wird mit einem Kugelscanner die Homogenitaumlt der Kugel regelmaumlszligig vermessen und ein Korrekturfaktor bestimmt der von der jeweiligen Abstrahlcharakteristik der zu untersuchenden Lampe abhaumlngt

Technische Beschreibung

Der Kugelscanner wird einfach in eine E27-Fassung geschraubt und das sonst fuumlr die Lampenversorgung eingesetzte Netzgeraumlt wird durch die Steuereinheit ersetzt Diese uumlbernimmt sowohl die elektrische Versor-gung als auch die Befehlsuumlbermittlung zum Kugelscanner Die Steuer-einheit wird via USB oder RS232 an einen Computer angeschlossen Das mitgelieferte Messprogramm stellt automatisiert alle gewuumlnschten Richtungen ein und speichert die zugehoumlrigen von der Steuereinheit gemessenen Photostroumlme des Photometers

Wirtschaftliche Bedeutungw

Fuumlr Lampenindustrie und Hersteller von Ulbrichtkugeln

bull Genauere Messung des Lichtstroms

bull Bestimmung des Zeitpunkts einer Neubeschichtung

bull Uumlberwachung beim Beschichten

bull Dokumentation des Zustands der Ulbrichtkugel

EntwicklungsstandDer E27-Kugelscanner wurde in der PTB entwickelt Er wird laufend fuumlr Kalibrierungen eingesetzt Die Technologie wurde an die Firma Czibula amp Grundmann transferiert und wird dort mit einer PTB-Lizenz gebaut und vertrieben wwwphoto-metercom

Ansprechpartner

Dr Bernhard SmandekBeauftragter fuumlr TechnologietransferTelefon +49 531 592shy8303Telefax +49 531 592shy69shy8303EshyMail technologietransferptbde

Dr Stefan WinterFachbereich Photometrie und Radiometrie

Abbildung des E27shyKugelscanners Eine stark fokussierende Lampe die computergesteuert in alle Richtungen leuchten kann

Vorteile

bull Schneller Einbau in E27shyFassung

bull Computergesteuertes Abscannen der gesamten Ulbrichtkugel

bull Flexible Messmoumlglichkeiten

bull Fuumlr genauere Lichtstromshymessungen

bull Wichtig fuumlr die Qualitaumltsshysicherung

PTBshyNummer 0172

wwwtechnologietransferptbde

49

PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4 Technologieangebote

Ansprechpartner

Dr Bernhard SmandekBeauftragter fuumlr TechnologietransferTelefon +49 531 592shy8303Telefax +49 531 592shy69shy8303EshyMail technologietransferptbde

Dr Stefan WinterArbeitsgruppe Solarzellen

PulsshyzushyCWshyKonverter

Umwandlung gepulster Laser-Strahlung in konstante StrahlungIn weiten Bereichen der optischen Metrologie ist eine Strahlungs-quelle von groszligem Nutzen die sich spektral vom UV-C bis ins mitt-lere IR durchstimmen laumlsst Lediglich Laser mit gepulster Strahlung erfuumlllen diese Anforderung bei ausreichend groszligem Ausgangssignal bisher luumlckenlos Femtosekunden-Lasersysteme waumlren aufgrund ihrer gut automatisierbaren und spektral weiten Durchstimmbarkeit die ideale Strahlungsquelle fuumlr z B radiometrische Anwendungen ndash wenn ihre Strahlung nicht gepulst waumlre

Durch das extreme Puls-Pausen-Verhaumlltnis von 10ndash5 entstehen hohe Spitzenleistungen die wiederum zu Saumlttigungseffekten bei Detek-toren und in der Folge zu nichtlinearem Verhalten fuumlhren koumlnnen Mit dem in der PTB entwickelten Puls-zu-CW-Konverter wird dieses Problem geloumlst

Technische Beschreibung

Bei dieser Methode werden Pulse gepulster Strahlungsquellen ausrei-chend hoher Repetitionsrate in CW-Strahlung umgewandelt Dabei wird jeder Puls in viele kleine Teilpulse aufgeteilt die auf unterschiedlich langen Wegstrecken unterschiedliche Laufzeiten erfahren Am Ausgang des Systems erscheinen sie dann zeitlich gleichmaumlszligig verteilt Realisiert wird dieser Puls-zu-CW-Konverter uumlber ein Glasfaserbuumlndel bei dem jede Einzelglasfaser eine individuell festgelegte Laumlnge besitzt

Mit der Entwicklung des Puls-zu-CW-Konverters wurde das ent-scheidende Manko beim Einsatz leistungsstarker Femtosekunden(fs)-Lasersysteme im Bereich der Metrologie beseitigt und erstmalig gepulste Laserstrahlung in CW-Strahlung umgewandelt Diese Neuentwicklung ermoumlglicht es nun herkoumlmmliche Monochromatorsysteme durch fs-Lasersysteme zu ersetzen die eine bis zu 1000-mal houmlhere spektrale Ausgangsleistung besitzen

Wirtschaftliche Bedeutung

Durch den neuen Puls-zu-CW-Converter koumlnnen in wirtschaftlich bedeutenden Bereichen wie z B der Photovoltaik der Photometrie der UV-Strahlungsmesstechnik und der Reflektometrie die Referenz- und Transfernormale mit einer deutlich reduzierten Messunsicherheit kali-briert werden Hier werden bislang wesentliche Messunsicherheitsan-teile durch zu geringe Strahlungsleistungen aus herkoumlmmlichen Mono-chromatorsystemen verursacht

Entwicklungsstand

Unter DE 10 2010 011 615 B4 wurde fuumlr den CW-Konverter ein Patent erteilt

Vorteile

bull Zeitliche Glaumlttung gepulster Laserstrahlung

bull Keine stoumlrenden Interferenzen

bull Nur minimale Absorption des Messsignals

bull Auch bei kuumlrzeren Wellenshylaumlngen ohne Ulbrichtkugel verwendbar

bull Kontinuierliche Verteilung des Ausgangspulses

bull Pulsvervielfachung

bull Houmlhere Strahlungsleistung

PTBshyNummer 0254

wwwtechnologietransferptbde

50

PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4Technologieangebote

50

Homogenisierung von Strahlungsquellen und Focal Plane Arrays (FPA)Ein neuartiges Verfahren ermoumlglicht softwaregestuumltzt eine deutlich verbesserte Kalibrierung von Mehrelement-Sensoren (FPA) und bildgebenden Systemen (Kameras) Bei flaumlchigen Strahlungsquellen kann zusaumltzlich eine gezielte Ansteuerung von Flaumlchenelementen zu einer bisher im Allgemeinen nicht erreichbaren Flaumlchenhomogenitaumlt fuumlhren

Technische Beschreibung

Flaumlchenstrahler dienen der Kalibrierung von ortsaufloumlsenden Strah-lungssensoren wobei davon ausgegangen wird dass die Emissionsflaumlche des Strahlers im Wesentlichen homogen bezuumlglich ihrer Strahldichte bzw Strahlungstemperatur ist Um kleine Inhomogenitaumlten eines Flaumlchenstrahlers zu charakterisieren ist es ein gaumlngiges Verfahren die Emissionsflaumlche punktweise mit einem Einzeldetektor abzutasten

Das neue PTB-Verfahren ist wesentlich schneller da es den Mehr-element-Sensor (FPA) das device-under-test selbst nutzt und damit immer ein Gesamtbild der Quelle aufnimmt Werden jetzt weitere Bilder zeilen- oder spaltenversetzt aufgenommen so erlaubt ein mathema-tischer Algorithmus bei nur drei Bildern eine komplette Charakterisie-rung des Sensors aber auch der Quelle

Sind Flaumlchenelemente der Strahlungsquelle einzeln ansteuerbar so ist es sogar moumlglich mittels der ermittelten Korrekturwerte zu Strahlquellen extrem hoher Homogenitaumlt im on-line-Betrieb zu gelangen

Wirtschaftliche Bedeutung

Bildgebende Strahlungssensoren und homogene Strahlungsquellen sind relevant fuumlr die Forschung und Entwicklung fuumlr die Prozesstechnik fuumlr die Charakterisierung der Energieeffizienz von Bauten bei der Ent-wicklung neuer Bauteile mit hoher thermischer Belastung und in vielen weiteren Bereichen Der mathematische Algorithmus ist aber auf unter-schiedliche Arten von Kamerasystemen anwendbar und damit auch fuumlr die Qualitaumltssicherung von CCD-Kameras bis hin zum Konsumguuml-termarkt anwendbar EntwicklungsstandEine deutsche Patenterteilung erfolgte im September 2015 Eine PCT-Anmeldung ist anhaumlngig Kooperations- und Lizenzpartner aus den Bereichen Thermografie Radiometrie und Photometrie zur Umsetzung des Konzeptes werden gesucht

Ansprechpartner

Dr Bernhard SmandekBeauftragter fuumlr TechnologietransferTelefon +49 531 592shy8303Telefax +49 531 592shy69shy8303EshyMail technologietransferptbde

DiplshyIng Berndt GutschwagerArbeitsgruppeInfrarotshyStrahlungsthermometrie

Stahlungsmessplatz der PTB zur Kalibrierung von Temperaturstrahlern und Waumlrmebildkashymeras

Vorteile

bull Schnelle Kalibrierung von Flaumlchensensoren (FPA)

bull Schnelle Kalibrierung von Flaumlchenstrahlern

bull Strahlquellen houmlchster Hoshymogenitaumlt

bull Fuumlr Thermografie und Phoshytometrie

PTBshyNummer 00374

wwwtechnologietransferptbde

Verlag Fachverlag NW in der Carl Schuumlnemann Verlag GmbHZweite Schlachtpforte 728195 Bremen Internet wwwschuenemannde E-Mail infoschuenemann-verlagde

Herausgeber Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB) Braunschweig und Berlin Postanschrift Postfach 33 45 38023 Braunschweig Lieferanschrift Bundesallee 100 38116 Braunschweig

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Erscheinungsweise und Bezugspreise Die PTB-Mitteilungen erscheinen viermal jaumlhrlich Das Jahresabonnement kostet 3900 Euro das Einzelheft 1200 Euro jeweils zzgl Versandkosten Bezug uumlber den Buchhandel oder den Verlag Abbestellungen muumlssen spaumltestens drei Monate vor Ende eines Kalenderjahres schriftlich beim Verlag erfolgen

Alle Rechte vorbehalten Kein Teil dieser Zeitschrift darf ohne schriftliche Genehmigung des Verlages vervielfaumlltigt oder verbreitet werden Unter dieses Verbot faumlllt insbesondere die gewerbliche Ver-vielfaumlltigung per Kopie die Aufnahme in elektro-nische Datenbanken und die Vervielfaumlltigung auf CD-ROM und in allen anderen elektronischen Datentraumlgern

Printed in Germany ISSN 0030-834X

Die fachlichen Aufsaumltze aus dieser Ausgabe der PTB-Mitteilungen sind auch online verfuumlgbar unterdoi 10779531020150499

Die Physikalisch-Technische Bundesanstalt das nationale Metrologieinstitut ist eine wissenschaftlich-technische Bundesoberbehoumlrde im Geschaumlftsbereich des Bundesministeriums fuumlr Wirtschaft und Energie

mitteilungen

Impressum

Die PTB-Mitteilungen sind metrologisches Fachjournal der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt Braunschweig und Berlin Als Fachjournal veroumlffentlichen die PTB- Mitteilungen wissenschaftliche Fachaufsaumltze zu metrologischen Themen aus den Arbeitsgebieten der PTB Die PTB-Mitteilungen stehen in einer langen Tradition die bis zu den Anfaumlngen der Physikalisch-Technischen Reichsanstalt (gegruumlndet 1887) zuruumlckreicht

Bundesallee 100 38116 Braunschweig

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Physikalisch-Technische BundesanstaltBraunschweig und BerlinNationales Metrologieinstitut

Die Physikalisch-Technische Bundesanstalt das nationale Metrologieinstitut ist eine wissenschaftlich-technische Bundesoberbehoumlrde im Geschaumlftsbereich des Bundesministeriums fuumlr Wirtschaft und Energie

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Hef

t 42

015

2

InhaltDas Jahr des Lichtes

bull Einfuumlhrung in die Metrologie des Lichtes 3 Stefan Kuumlck Armin Sperling

bull Die Candela als Maszligeinheit des Lichtes 4 Armin Sperling

bull Ruumlckfuumlhrung in der Photometrie ndash die Realisierung und Ruumlckfuumlhrung der Candela 8 Detlef Lindner Stefan Winter

bull Kurze Geschichte der Goniophotometrie in der PTB 18 Matthias Lindemann

bull Metrologie fuumlr moderne Lichtquellen LEDs und OLEDs 32 Thorsten Gerloff

bull Effektpigmente Eine Herausforderung fuumlr die optische Messtechnik 39 Egbert Buhr Alfred Schirmacher Andreas Houmlpe

Internationale Zusammenarbeit

bull Aktuelles aus der OIML 45 Susanne Ludwig Roman Schwartz

Technologietransfer

bull E27-Scanner fuumlr Ulbrichtkugeln 48bull Umwandlung gepulster Laser-Strahlung in konstante Strahlung 49bull Homogenisierung von Strahlungsquellen und Focal Plane Arrays (FPA) 50

Fachorgan fuumlr Wirtschaft und Wissenschaft Amts- und Mitteilungsblatt der Physikalisch-Technischen BundesanstaltBraunschweig und Berlin

125 Jahrgang Heft 4 Dezember 2015

3

Licht ist der fuumlr das menschliche Auge sichtbare Teil elektromagnetischer Strahlung und wird von den angrenzenden infraroten und ultravioletten Spektralbereichen der Strahlung eingebettet Die spektrale Empfindlichkeit des menschlichen Auges hat hierbei ihr Maximum im Gelb-Gruumlnen und nimmt zum Infraroten und Ultravioletten hin stark ab Im Detail ist die Augenempfindlichkeit individuell sehr unterschiedlich und die Wahr-nehmung selbst ist durch die beteiligten physio-logischen Prozesse in vieler Hinsicht (z B Hel-ligkeit Farbwahrnehmung etc) nichtlinear Im Zuge der Industrialisierung hat man aber schnell erkannt dass eine von diesen physiologischen Prozessen losgeloumlste metrologische Bewertung von Lichtquellen und damit von Licht notwendig ist [1] Wir unterscheiden daher zwischen der Wahrnehmung dem Sehen und der Photome-trie der physikalischen Bewertung von Licht Um dies zu gewaumlhrleisten hat die internationale Beleuchtungsorganisation CIE (Commission Internationale de lrsquoEacuteclairage) im Jahr 1924 die mittlere Hellempfindlichkeit des menschlichen Auges fuumlr die unterschiedlichen Wellenlaumlngen des Lichtes als Empfindlichkeitsfunktion eines bdquoNormalbeobachtersldquo fuumlr photopisches Sehen (sog Tagsehen) festgelegt und als sogenannte V(λ)-Funktion veroumlffentlicht Mithilfe eines derartigen Normalbeobachters technisch realisiert z B durch gefilterte Silizium-Halbleiterempfaumlnger laumlsst sich die Quantitaumlt von Licht messen ndash eine wesentliche Voraussetzung fuumlr die Entwicklung eines Marktes fuumlr Beleuchtungsprodukte der derzeit allein in Deutschland einen Umsatz von uumlber 6 Mrd Euro produziert Es stellt sich aber neben der Quantitaumlt des Lichtes auch die Frage nach der Qualitaumlt des Lichtes

Einhergehend mit genaueren Untersuchungen des Aufbaus des menschlichen Auges einerseits

und der Verarbeitung des optischen Reizes im Auge und den nachgeschalteten Nervenzellen bzw des Gehirns andererseits ist das Verstaumlndnis um die Wirkung von Licht auf den Menschen per-manent gewachsen Parallel hierzu sind auch die technologisch realisierbaren Moumlglichkeiten zur Gestaltung kuumlnstlichen Lichtes deutlich gestie-gen sodass hiermit einhergehend auch stetig die Anforderungen an die Metrologie des Lichtes steigen Sind z B fuumlr die Beleuchtungstechnik heute noch Leuchtmittel mit konstanter Farbtem-peratur (warm warm-weiszlig kalt-weiszlig Tageslicht) oft im Einsatz ndash und damit auch im Fokus der Photometrie werden in Zukunft Lichtquellen mit einstellbarer Farbtemperatur und deren Lichtstaumlr-keverteilung messtechnisch eindeutig zu beschrei-ben sein Die derzeit noch getrennt behandelten Gebiete Photometrie Reflektometrie und Spekt-roradiometrie wachsen hierbei zunehmend weiter zusammen

Diese Ausgabe der PTB-Mitteilungen die im internationalen Jahr des Lichtes erscheint gibt einen Uumlberblick uumlber die Arbeiten in der PTB zum Thema Licht und spannt einen Bogen von der Bedeutung der Candela fuumlr die Photometrie uumlber die Realisierung der SI-Basiseinheit Candela hin zu den derzeitigen Herausforderungen in der Photometrie und Reflektometrie

Literatur

[1] A Sperling G Sauter Lichtstaumlrke ndash Die SI-Basisein-heit PTB-Mitteilungen Jahrgang 122Heft 12012 Das System der Einheiten pp 83ndash91

Einfuumlhrung in die Metrologie des Lichtes

Stefan Kuumlck Armin Sperling

Prof Dr Stefan Kuumlck Fachbereich bdquoPhotometrie und angewandte Radioshymetrieldquo EshyMail stefankueckptbde

Dr Armin Sperling Arbeitsgruppe bdquoPhotoshymetrieldquo EshyMail arminsperlingptbde

DAS JAHR DES LICHTES

4

PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4Das Jahr des Lichtes

Die Candela ist die Basiseinheit des Lichtes und ist ein Maszlig fuumlr die Lichtstaumlrke d h der Eigen-schaft einer realen oder virtuellen Lichtquelle die angibt wie viel Licht in eine Richtung abgegeben wird (siehe Bild 1) Die Candela und die daraus abgeleiteten lichttechnischen Einheiten haben fuumlr den Normalverbraucher spaumltestens seit der Einfuumlhrung der ECO-Design-Richtline der EU und dem damit verbundenen Verkaufsverbot von Gluumlhlampen ab dem Jahr 2009 an Bedeutung gewonnen Die photometrischen Einheiten und Kennzahlen sind wie kaum andere Einheiten ins Zentrum des allgemeinen Interesses geruumlckt wenn es darum geht Licht Lampen und Leuchten zu bewerten Statt der alleinigen Angabe einer elektrischen Leistung in Watt sind Begriffe wie Lichtstaumlrke (in cd) Lichtstrom (in lm) Effizienz (in lmWndash1) aumlhnlichste Farbtemperatur TN (ange-geben in Kelvin) und Farbwiedergabeindex Ra kaufentscheidend Ungluumlcklicherweise hat die fuumlr die monetaumlre Abrechnung wichtige Maszligeinheit Watt beim Kunden das Verstaumlndnis um die photo-metrischen Groumlszligen geschwaumlcht was bei modernen LED-Lichtquellen durch Fehlinterpretation von Leistungsdaten oft zur Veraumlrgerung fuumlhrt Mit der Ruumlckfuumlhrung all dieser Einheiten und Kenngroumlszligen befasst sich das Fachgebiet der Photometrie

Die Aufgabe der Photometrie ist hierbei allge-mein die quantitative Bewertung von Strahlung in dem Spektralbereich den wir als Licht bezeichnen und zwar unter den spektralen und geometri-schen Randbedingungen die durch das mensch-liche Auge ndash oder genauer durch das Auge eines definierten Normalbeobachters ndash vorgegeben sind Die physikalische Groumlszlige die hierbei von beson-derer technischer Bedeutung ist ist die Groumlszlige der photometrischen Lichtstaumlrke1 Die Geometrie von Messbedingungen ist hierbei fuumlr photometri-sche Groumlszligen essenziell Weil die Lichtstaumlrke eine charakteristische Eigenschaft einer Quelle ist und mit einfachsten Mitteln gemessen (verglichen) werden konnte ist die Lichtstaumlrke als Basisgroumlszlige der Photometrie ausgewaumlhlt worden und nicht der Lichtstrom der als photometrisches Pendant zur radiometrischen Strahlungsleistung ebenfalls nahegelegen haumltte An dieser Stelle gibt es jedoch oft ein Missverstaumlndnis zwischen Photometri-kern (Lichtmesstechnikern) und Radiometrikern (Strahlungsmesstechnikern) Wenn Photometriker uumlber den Lichtstrom sprechen meinen sie ndash den von einer Quelle aus in den Raum abgegebenen Strahlungsfluss der in erster Linie als Integral uumlber die Verteilung der in die verschieden Richtungen abgegebenen Lichtstaumlrken verstanden wird Der Radiometriker assoziiert mit Strahlungsleistung hingegen meistens den Strahlungsfluss der auf eine Empfaumlngeroberflaumlche auftrifft und der sich in erster Linie als Integral uumlber die Verteilung der auf dem Empfaumlnger auftreffenden Bestrahlungs-staumlrke ergibt Fuumlr den Photometriker ist daher die Geometrie der Strahlung entscheidend waumlhrend fuumlr den Radiometriker oft die Betrachtung der Geometrie des Empfaumlngers ausreicht

Aufgrund ihrer physikalischen Eigenschaft kann die Groumlszlige Lichtstaumlrke auch als die Dichte des von einem Ursprung aus in einen Raumwinkel ausge-sendeten Lichtstroms bezeichnet werden wobei der Lichtstrom die mit der Augenempfindlichkeit bewertete Strahlungsleistung einer Quelle ist Die Lichtstaumlrke ist somit eine klassische Strahlereigen-schaft Daher wurde sie auch fruumlher mit Normal-strahlungsquellen wie z B der Hefner-Lampe (ab 1890) mit der Einheit Hefner-Kerze (HK) und

Dr Armin Sperling Arbeitsgruppe bdquoPhoshytometrieldquo EshyMail arminsperlingptbde

Die Candela als Maszligeinheit des Lichtes Armin Sperling

1 Tatsaumlchlich wurde in der visuellen (subshyjektiven) Photometrie bis weit in die Mitte des 20 Jahrhunderts hinein unser Auge aufgrund seiner hoshyhen Empfindlichkeit als Messinstrument verwendet Erst mit der Entwicklung empfindlicher Phoshytozellen und stabiler Halbleiterempfaumlnger begann auch in der physikalischen (obshyjektiven) Photometrie der Siegeszug der elektronischen Messshywerterfassung

Bild 1 Der Lichtstrom einer Lichtquelle ist die im sichtbaren Spektralbereich in alle Rich-tungen abgestrahlte Lichtleistung

5

PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4 Die Candela als Maszligeinheit des Lichtes

von 1942 bis 1981 mit dem Platin-Punkt-Strahler und der Einheit Candela (cd) als unabhaumlngige Groumlszlige zu den anderen Basisgroumlszligen des SI-Systems realisiert Bei dem Platin-Punkt-Strahler handelte es sich im Uumlbrigen um einen Temperaturstrahler der den heutigen Hochtemperatur-Fixpunkt-strahlern in der Thermometrie zur Realisierung der Temperaturskala nicht unaumlhnlich war Mit staumlrker werdendem Einfluss der Radiometrie auf die Photometrie und des damit einhergehenden Wunsches die photometrische Basiseinheit direkt an die radiometrische Einheit Watt zu koppeln wurde 1979 der Beschluss gefasst die Definition der Einheit Candela von ihrer Realisierung zu trennen Seitdem gilt die DefinitionDie Candela ist die Lichtstaumlrke in einer bestimmten Richtung einer Strahlungsquelle die monochroma-tische Strahlung der Frequenz 540 THz aussendet und deren Strahlstaumlrke in dieser Richtung (1683) Watt durch Steradiant betraumlgt

Der Umrechnungsfaktor (1683) Wsrndash1 wurde hierbei vor der Umstellung der Einheit durch mehrere Messungen in den nationalen Metrolo-gieinstituten bestimmt vom Consultative Comittee for Photometry and Radiometry (CCPR) festgelegt und 1977 offiziell vom International Comittee for Weights and Measures (CIPM) uumlbernommen [1]

Diese Definition ist nicht als Realisierungsvor-schrift fuumlr die Candela gedacht Im Gegensatz zur Definition der Candela uumlber eine thermische Strahlungsquelle die als Licht aufgefasst die Wichtung der spektralen Strahlungsleistung mit der Augenempfindlichkeit automatisch einschlieszligt ist nun die Kenntnis der Augenempfindlichkeit erforderlich um aus Strahlung Licht zu machen Die Definition ist daher vielmehr als absolute Anbindung der Hellempfindlichkeitsfunktion V(λ) des menschlichen Auges an das radiometrische Watt zu verstehen War der spektrale Verlauf der Empfindlichkeit des menschlichen Auges fuumlr die Realisierung und Weitergabe der Messgroumlszlige Licht-staumlrke vor 1981 kaum von Bedeutung so wurde sie mit der neuen Definition fuumlr die Metrologie essenziell

In Luft bei n = 100028 [2] liegt die Wellen-laumlnge der in der Definition angegebene Frequenz von v = 540 middot 1012 Hz bei λ = 555016 nm Sie liegt damit sehr nahe dem Maximum der 1972 vom CIPM empfohlenen V(λ)-Funktion des photopi-schen CIE-Normalbeobachters fuumlr das Tagsehen das bei exakt λm = 555 nm liegt und definiert dort laut Definition das maximale photopische Strahlungsaumlquivalent (Index m fuumlr bdquomaximumldquo ) dort zu Km = 683002 lmWndash1 Somit wird uumlber die Candela-Definition und der tabellarisch festge-legten V(λ)-Funktion fuumlr jede Wellenlaumlnge im Definitionsbereich das wellenlaumlngenabhaumlngige photometrische Strahlungsaumlquivalent K(λ) = Km middot V(λ) eindeutig festgelegt

Neben dieser V(λ)-Funktion wurde 1951 von der CIE auch eine skotopische Empfindlichkeitsfunk-tion V ʹ (λ) fuumlr das Nachtsehen tabellarisch festge-legt und 1976 vom CIPM bestaumltigt Das Maximum dieser Funktion liegt bei λʹm = 507 nm mit einem maximalen skotopischen Strahlungsaumlquivalent von K ʹ m = 1700 lmWndash1

Der Hintergrund dieser beiden Bewertungsfunk-tionen liegt darin begruumlndet dass unser Auge in der Retina fuumlr das Sehen uumlber zwei unterschied-liche Empfaumlngersysteme die Staumlbchen und die Zapfen verfuumlgt Die Zapfen die sich noch einmal in unterschiedliche Rezeptoren aufteilen und die auch fuumlr das Farbsehen verantwortlich sind haumlufen sich insbesondere in und um die Netzhautgrube die in der optischen Achse des Auges liegt Hier werden insbesondere die achsennah auf das Auge auftreffenden Strahlen detektiert weshalb man auch vom 2deg-Beobachter spricht Zum Nachtsehen mit weit geoumlffneter Pupille tragen vor allem die deutlich empfindlicheren Staumlbchen bei die zudem in den achsenfernen Bereichen der Retina domi-nieren Die unterschiedlichen spektralen Empfind-lichkeiten von Zaumlpfchen und Staumlbchen spiegeln sich in den K(λ)- und K ʹ (λ)-Kurven (siehe Bild 2) wieder

Die hier beschriebene Verknuumlpfung der Bewer-tungsfunktionen mit der Candela-Definition ist aus der Einheitendefinition selbst nicht ersichtlich Weitergehende Informationen findet man wie fuumlr die Basiseinheiten uumlblich in der sogenannten Ausfuumlhrungsbestimmung (mise en pratique) zur Candela [3]

Betrachtet man die Leuchtdichte die vom Auge aufgenommen wird so umfasst der sko-topische Bereich Leuchtdichten bis ungefaumlhr L lt 0005 cdmndash2 und der photopische Bereich Leuchtdichten ab ungefaumlhr L gt 5 cdmndash2 Uumlber den mesopischen Zwischenbereich wurde lange Zeit keine Aussage gemacht Erst im Jahr 2010 ist auch

Bild 2 Die mesopische Hellempfindlichkeitsfunktionen Vmes(λ) fuumlr unterschiedliche Adap tionsniveaus mit deren zugehoumlrigen maximalen Strahlungsaumlquivalenzen

6

PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4Das Jahr des Lichtes

im Uumlbergangsbereich des Daumlmmerungssehens das Verhalten der Empfindlichkeit des Normalbe-obachters von der CIE festgelegt worden Je nach Leuchtdichte und damit Adaptionsniveau m des Auges wobei m = 0 dem dunkeladaptieren Auge und m = 1 dem helladaptierten Auge entspricht ergibt sich in diesem mesopischen Bereich fuumlr Leuchtdichten zwischen 0005 cdmndash2 lt L lt 5 cdmndash2 eine Hellempfindlichkeitsfunktion Vmes(λ) die sich gemaumlszlig

VM m

mV m Vmes( )( )

( ( ) ( ) ( ))λ λ λ= + minus prime1 1 (1)

aus einer Linearkombination der photopischen und skotopischen Empfindlichkeit berechnen laumlsst (siehe Bild 2) In der Abbildung sind die spektralen photometrischen Strahlungsaumlquivalenzen fuumlr eine Reihe ausgewaumlhlter Adaptionsniveaus zwischen 0 und 1 dargestellt Der Faktor M(m) ist lediglich ein Normierungsfaktor der das jeweilige Maximum von Vmes(λ) auf eins normiert

Durch die Candela-Definition werden alle Kurven der spektralen Strahlungsaumlquivalenzen im Punkt (555016 nm 683 lmWndash1) normiert Inso-fern wird klar warum in der Candela-Definition nur eine Frequenz stehen darf

In der Realitaumlt ist das Adaptionsniveau aber typischerweise nicht bekannt Das Adaptions-niveau m laumlsst sich aber aus einer gemessenen mittleren Leuchtdichte rekursiv bestimmen [4] Fuumlr reale Anwendungen z B die Auswertung von Messkamerabildern einer beleuchteten Straszlige bei Nacht reicht dies jedoch in der Regel nicht aus da bisher nicht geklaumlrt ist welche im Gesichtsfeld der Kamera (bzw des Auges) erfasste mittlere Leuchtdichte zur Berechnung eines Adaptionsniveaus hinzuzuziehen ist In einer Arbeitsgruppe des CCPR des CIPM wird derzeit an einer neuen Ausfuumlhrungsbestimmung gearbeitet die die mesopische Empfindlichkeits-funktion auch offiziell fuumlr die Anwendung in Zusammenhang mit der Einheit Candela nutzbar machtAus der Lichtstaumlrke I lassen sich alle weiteren bekannten photometrischen Einheiten herleiten So kann der Lichtstrom Φ als raumlumliches Integral uumlber eine Lichtstaumlrkeverteilung

Φ = intint I( )ϑ ϕ ϑ ϕ ϑϑ ϕ

sin d d

(2)

die Beleuchtungsstaumlrke E als Dichte des Licht-stroms der auf eine Flaumlche A auftrifft

E A= d dΦ (3)

und die Leuchtdichte L als Dichte des Lichtstroms in einem ausgestrahlten Buumlndel G

L G= d dΦ (4)

mit G AA

= intint cos d d

α ΩΩ

(5)

dargestellt werden wobei α hier den Winkel zwi-schen der Richtung des Buumlndels und der Flaumlchen-normalen der Quelle beschreibt

Die Beleuchtungsstaumlrke nimmt hierbei eine besondere Stellung ein da sich jede photomet-rische Messung im Prinzip auf die Messung des Photostroms i eines Empfaumlngers zuruumlckfuumlhren laumlsst der der mittleren Beleuchtungsstaumlrke Endash

auf seiner Oberflaumlche A0 proportional ist Die Beleuchtungsstaumlrke kann hierbei immer als integrale Wichtung der spektralen Empfindlichkeit s(λ) = s0srel(λ) des Empfaumlngers mit der relativen spektralen Strahlungsverteilung S(λ) = dΦ(λ)dλ der Quelle verstanden werden

E iKA s

S V

S s

m= sdot

( ) ( )

( ) ( )

infin

infin

int

intm

rel

d

d0 0

0

0

λ λ λ

λ λ λ

(6)

Die Geometrie des Strahlengangs von der Quelle bis zur Empfaumlngeroberflaumlche die beim Mess-prozess in das Modell der Auswertung eingeht bestimmt hierbei welche photometrische Groumlszlige gemessen wird Der Faktor hinter dem Photostrom in (6) beschreibt die photometrische Empfind-lichkeit sv eines Photometers die im Allgemeinen keine Konstante ist sondern vom Spektrum der Lichtquelle S(λ) abhaumlngt Um einem Photome-ter trotzdem einen eindeutigen Kalibrierwert zuzuordnen hat man sich darauf verstaumlndigt die Empfindlichkeit bezogen auf die Strahlungsfunk-tion eines Planckschen Strahlers P(TA λ) bei einer Temperatur TA = 2856 K die auch als Normlicht-art A bezeichnet wird anzugeben

Da bei einer realen Messung weder die spektrale Empfindlichkeit des verwendeten Photometers ideal an eine der Bewertungsfunktionen V(λ ) Vʹ(λ ) oder Vmes(λ) angepasst ist noch die betrach-tete Lichtquelle einem Planckschen Strahler entspricht sind gewonnene Messwerte immer uumlber eine spektrale Fehlanpassungskorrektur CCF gemaumlszlig

CCF

S V

S s

P T V

P T s

=

( ) ( )

( ) ( )

( ) ( )

( )

infin

infin

infin

int

int

intλ λ λ

λ λ λ

λ λ λ

λ

d

d

d0

0

0

rel

A

A r

eel λ λ( )infin

int d0

(7)

zu korrigieren wobei hier V(λ) in (7) stellvertre-

7

PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4 Die Candela als Maszligeinheit des Lichtes

tend fuumlr die benoumltigte Bewertungsfunktion steht Waren die erforderlichen Korrekturen bei Gluumlh-lampenbeleuchtung klein so koumlnnen Sie je nach Guumlte der spektralen Anpassung des verwendeten Photometers bei modernen LED-Lichtquellen durchaus im zweistelligen Prozentbereich sein Aus diesem Grunde diskutiert man im internati-onalen Rahmen die Einfuumlhrung weiterer Norm-lichtarten fuumlr LED-Lichtquellen [5]

Alternativ besteht immer auch die Moumlglichkeit das Spektrum direkt absolut und spektral aufgeloumlst zu messen und die photometrischen Bewertungs-funktionen rein rechnerisch zu beruumlcksichtigen Die hierzu infrage kommenden Systeme sind aber in der Regel teuer und bezuumlglich ihrer Robustheit und Stabilitaumlt fuumlr viele Anwendungen noch nicht ausreichend Regelmaumlszligig werden leider die Mess-unsicherheiten derartiger System unterschaumltzt was auch daran liegt dass aufgrund der komplexeren Messtechnik zusaumltzliche Unsicherheitsbeitraumlge (z B durch Bandpasseigenschaften und Streu-licht) die dem Anwender oft nicht zugaumlnglich sind bei der absoluten Bestimmung photomet-rischer Groumlszligen mithilfe von Spektroradiometern beruumlcksichtigt werden muumlssen

Unverzichtbar und mittlerweile marktbestim-mend sind jedoch spektral aufloumlsende Geraumlte wie Array-Spektroradiometer dort wo nur relative Messwerte wie z B bei der Bestimmung der Farbe von Licht bzw der Farbe von reflektiertem Licht benoumltigt werden

Bei der Bestimmung von Farbe geht es um die Bestimmung des Verhaumlltnisses von spektralen Strahlungsfunktionen die mit den Normspektral-wertfunktionen x y z( ) ( ) ( )λ λ λ bewertet werden wobei y( )λ mit V(λ) identisch ist Insofern ist auch die Farbmesstechnik an die Photometrie gekoppelt

Da es sich bei den farbmetrischen Groumlszligen um Eigenschaften handelt die durch Verhaumlltnismes-sungen gewonnen werden spricht man hier auch von farbmetrischen Kennzahlen und nicht von Einheiten Nichtsdestotrotz haben eben solche farbmetrischen Kennzahlen wie die Normfarb-wertanteile (x y) oder der Farbwiedergabeindex Ra (engl CRI colour rendering index) seit Einfuumlh-rung von modernen Lichtquellen eine besondere Bedeutung erhalten da z B mit LED-Lichtquellen im Prinzip sehr unterschiedliche Lichtfarben und Farbwiedergaben hergestellt werden koumlnnen Die Tatsache dass es sich bdquonurldquo um Kennzahlen handelt heiszligt jedoch nicht dass die Messungen messtechnisch einfach sind Genau das Gegenteil ist der Fall da fuumlr die Bestimmung der Farborte die steilen Flanken der Normalspektralwertfunk-tionen mit den Strahlungsfunktionen der Quellen gewichtet werden muumlssen die wie bei LEDs typisch auch spektral sehr steile Flanken aufwei-sen koumlnnen Unsicherheiten in der Bestimmung

der Strahlungsfunktion fuumlhren hier schnell zu groszligen Unsicherheitsbeitraumlgen in der Bestimmung des Farbortes Hier kann die PTB als Nationales Metrologieinstitut die Wuumlnsche nach den kleinen Messunsicherheiten wie sie von Herstellern sowie von Mess- und Kalibrierlaborartorien gefordert werden zurzeit noch nicht im vollen Umfang erfuumlllen

In der Vergangenheit wurden bei Testergebnis-sen haumlufig sowohl fuumlr photometrische Messwerte als auch fuumlr Kennzahlen in der Farbmesstechnik keine Messunsicherheiten angegeben Auch wurde deren Wirkung bei der Angabe von Toleranzen nicht immer adaumlquat beruumlcksichtig Fuumlr die Messung von LED-Lichtquellen wurde mit der in diesem Jahr veroumlffentlichten europaumlischen Norm DIN EN 13032-42015 [6] die uumlber die Commis-sion Internationale de lrsquoEacuteclairage Internationale Beleuchtungskommission (CIE) auch als internati-onaler Standard CIE S025 [7] veroumlffentlicht wurde ein erster Schritt in die Richtung gegangen auch fuumlr die Ergebnisse von Testverfahren die Angabe ruumlckfuumlhrbarer Messunsicherheiten zu fordern und diese bei Toleranzangaben zu beruumlcksichtigen

Dieser Vorstoszlig in der LED-Messtechnik wird sicherlich in Zukunft auch auf andere Anwen-dungsnormen zur Bewertung von Licht und Farbe von leuchtenden und nicht selbstleuchtenden Quellen einwirken Fuumlr die Weitergabe von Mes-sunsicherheiten auf dieser Ebene des Messwesens werden die nationalen Metrologieinstitute und die akkreditierten Kalibrierlabore gefordert sein die Industrie mit geeigneten applikationsnahen Trans-ferstandards zu unterstuumltzen

Literatur[1] Comptes Rendus de la 16e CGPM (1979) 1980

p100[2] WR Blevin Corrections in Optical Pyrometry

and Photometry for the Refractive Index of AirMetrologia 8 146ndash147 1972

[3] SI Brochure Appendix 2 Practical realization ofthe definition of the candela httpwwwbipmorgutilsenpdfSIApp2_cd_enpdf(letzter Aufruf 03122015)

[4] CIE 1912010 Recommended System for MesopicPhotometry Based on Visual Performance

[5] T Pulli et al Advantages of white LED lampsand new detector technology in photometryLight Science amp Applications (2015) 4 e332

[6] EN 13032-42015 Light and lighting ndash Mea-surement and presentation of photometricdata of lamps and luminaires ndash Part 4 LEDlight sources and luminaires

[7] CIE S0252015 Test Methods for LED Lampsndash LED Luminaires and LED Modules

8

Das Jahr des Lichtes PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4

Aufgrund der herausragenden Bedeutung des Lichts und des Sehens fuumlr die Interaktion des Menschen mit seiner Umwelt wurde die Candela als Einheit der Lichtstaumlrke in den Rang einer SI-Basis einheit gehoben Die Mehrzahl der Basiseinheiten sind uumlber physikalische Zusammenhaumlnge miteinander verknuumlpft und muumlssen entsprechend Ihrer Defini-tion realisiert und in den meisten Faumlllen auf andere Einheiten ruumlckgefuumlhrt werden In diesem Artikel wird die bdquometrologische Herkunftldquo der Candela im Stammbaum der Einheiten beschrieben

Definition der Candela

Im internationalen Einheitensystem (Systegraveme International drsquoUniteacutes abgekuumlrzt SI) ist die Candela wie folgt definiert

Die Candela ist die Lichtstaumlrke in einer bestimmten Richtung einer Strahlungsquelle die monochro-matische Strahlung der Frequenz 540 times 1012 Hz aussendet und deren Strahlstaumlrke in dieser Richtung (1683) Watt durch Steradiant betraumlgt

Hierbei handelt es sich um die exakte physika-lische Definition fuumlr die Lichtstaumlrke Nun besteht Licht jedoch praktisch nie nur aus Strahlung dieser Wellenlaumlnge weshalb die Definition um eine prak-tische Realisierung ergaumlnzt ist Denn es ist das Ziel der Photometrie Licht so zu messen dass die Mess-ergebnisse weitestgehend mit der visuellen Wahr-nehmung eines menschlichen Beobachters korre-liert sind Hierfuumlr wurden zwei spezielle Funktionen V(λ) und V ʹ(λ) [1] eingefuumlhrt die die relative spektrale Empfindlichkeit eines durchschnittlichen menschlichen Auges fuumlr photopisches (hell-adaptiertes) und skotopisches (dunkel-adaptiertes) Sehen beschreiben Die wichtigere der beiden Funktionen die V(λ) Funktion fuumlr hell-adaptiertes Sehen ist bei der Wellenlaumlnge auf eins normiert bei der das Auge die houmlchste Empfindlichkeit besitzt (555 nm) Mit dieser Definition lassen sich pho-tometrische Groumlszligen durch Bewertung der ent-sprechenden spektroradiometrischen Groumlszligen mit V(λ) und Multiplikation mit dem Maximalwert des Strahlungsaumlquivalents Km = 683 lmW berechnen

Die Lichtstaumlrke Iv ist durch das photometri-sche Grundgesetz mit der Beleuchtungsstaumlrke Ev verknuumlpft

IE d

vv=sdot 2

0ΩΩ0 = 1sr (1)

wobei d den Abstand zur Lichtquelle und Ω0 einen Raumwinkel von 1 sr bezeichnet Zur praktischen Bestimmung der Beleuchtungs-staumlrke verwendet man ein Photometer welches eine spektrale Bestrahlungsstaumlrke-Empfindlichkeit s(λ) besitzt deren relativer Verlauf idealerweise der V(λ)-Funktion entspricht und dessen Signal y proportional zu der Beleuchtungsstaumlrke ist Bei dem Proportionalitaumltsfaktor handelt es sich um die photometrische Empfindlichkeit sv des Photome-ters fuumlr die gemessene Lichtquelle

y s E= sdotv v (2)

Druumlckt man nun die Beleuchtungsstaumlrke Ev durch spektroradiometrische Groumlszligen aus so ergibt sich Ev aus der spektralen Bestrahlungsstaumlrke Eλ(λ)

E K E Vv m d= sdot sdot sdotinfin

int0 λ λ λ λ( ) ( ) (3)

Aus der spektralen Bestrahlungsstaumlrke Eλ(λ) und der spektralen Bestrahlungsstaumlrke-Empfindlichkeit des Photometers s(λ) ergibt sich das Signal y des Photometers

y E s= sdot sdotinfin

int λ λ λ λ( ) ( ) d0

(4)

Fuumlgt man die Formeln (2) bis (4) in (1) ein so ergibt sich fuumlr die Lichtstaumlrke

I y dK E V

E sv = sdot sdot

sdot sdot sdot

sdot sdot

infin

infinintint

2

0

0

0

Ω

m d

d

λ

λ

λ λ λ

λ λ λ

( ) ( )

( ) ( ) (5)

Aus dieser Formel laumlsst sich ablesen welche Groumlszligen fuumlr die Ruumlckfuumlhrung der Lichtstaumlrke bestimmt werden muumlssen Fuumlr die Ruumlckfuumlhrung

Detlef Lindner Arshybeits gruppe bdquoPhotoshymetrieldquo EshyMail detleflindnerptbde

Dr Stefan Winter Arbeitsgruppe bdquoSolarzellenldquo EshyMail stefanwinterptbde

Ruumlckfuumlhrung in der Photometrie ndash die Realisierung und Ruumlckfuumlhrung der Candela

Detlef Lindner Stefan Winter

9

Ruumlckfuumlhrung in der Photometrie hellipPTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4

der Candela wird das Signal y eines Photometers bestimmt welches sich in einem Abstand d von einer Lichtquelle entfernt befindet Von dem Pho-tometer muss die absolute spektrale Empfindlich-keit s(λ) bekannt sein und von der Lichtquelle die spektrale Bestrahlungsstaumlrke Eλ (λ)

In den naumlchsten drei Abschnitten wird das eigentliche Experiment zur Realisierung der Candela beschrieben dann das Verfahren zur Kalibrierung von Photometern und als letztes die Ruumlckfuumlhrung der spektralen Bestrahlungsstaumlrke Damit sind alle Groumlszligen zur Bestimmung der Candela bekannt Im letzten Abschnitt wird dann uumlber die abgeleiteten Groumlszligen Beleuchtungsstaumlrke und Leuchtdichte berichtet

Realisierung der Candela

Die Lichtstaumlrke Iv laumlsst sich durch Verwendung der Gleichungen (1) und (3) in die folgende Form bringen

I K d E Vv m d= sdot sdot sdot sdotinfin

int2

0 0Ω λ λ λ λ( ) ( ) (6)

Die spektrale Empfindlichkeit s(λ) eines Photo-meters laumlsst sich als Produkt aus einer absoluten Empfindlichkeit s(λ0) und einer relativen Emp-findlichkeit sr(λ) darstellen

s s s( ) ( ) ( )λ λ λ= sdot0 r mit sr ( ) λ0 1= (7)

Damit ergibt sich fuumlr das Ausgangssignal y dieses Photometers gemaumlszlig Gleichung (4)

y s E s= sdot sdot sdotinfin

int( ) ( ) ( ) λ λ λ λλ00

r d (8)

Ebenso laumlsst sich die spektrale Bestrahlungsstaumlrke einer Lichtquelle als Produkt aus einer absoluten und relativen Bestrahlungsstaumlrke schreiben

E E Eλ λλ λ λ( ) ( ) ( )= sdot0 r mit Er ( ) λ0 1= (9)

In der PTB werden zur Realisierung der Candela Gluumlhlampen verwendet deren relative spektrale Bestrahlungsstaumlrke Er (λ0) durch eine Strahlungs-funktion S (λT) ersetzt wird der eine Verteilungs-temperatur T zugeordnet werden kann [2] Befin-det sich die Lampe auszligerhalb der photometrischen Grenzentfernung im Abstand d zum Photome-terkopf und beleuchtet dessen Lichteintrittsflaumlche senkrecht so ergibt sich aus Gleichung (5) ihre Lichtstaumlrke Iv (T)

Die Anpassungskorrektur F (T) ist eine Funktion der Verteilungstemperatur T die den Photo-strom so korrigiert als waumlre mit einem ideal an V (λ)-angepassten Photometerkopf gemessen worden [3] In der Praxis ist die Anpassungskor-rektur meist eine monotone Funktion der Vertei-lungstemperatur und kann z B durch ein logarith-misches Polynom ersten Grades hinreichend gut angenaumlhert werden

F TS T V

S T sa T

m

( )( ) ( )

( ) ( )=

sdot sdot

sdot sdotcong sdot

infin

infinintint

λ λ λ

λ λ λ

d

d Kr

0

0

2856

(11)

Der Koeffizient a gibt den Wert der Anpassungs-korrektur fuumlr Normlichtart A (bei T = 2856 K) an da hier die Klammer den Wert eins hat Den Verlauf der Funktion mit der Verteilungstempera-tur beschreibt die Klammer mit dem Anpassungs-index m als Exponenten der somit eine charakte-ristische Groumlszlige eines Photometerkopfes ist Eine weitere Charakterisierung ist seine photometrische Empfindlichkeit sv

1

0sK asv

m=sdot

( )

λ(12)

Aus den Gleichungen (10) bis (12) folgt die in der Arbeitsgruppe bdquoPhotometrieldquo der PTB fuumlr die Realisierung der Lichtstaumlrke-Einheit grundlegende Beziehung

I T d y Ts

Tm

v ( ) ( ) = sdot sdot

2

0 2856Ω v K (13)

Demnach muumlssen neben dem Photostrom y(T) folgende Groumlszligen bekannt sein

bull die photometrische Empfindlichkeit sv desPhotometerkopfes

bull der Anpassungsindex m zur Korrektur derspektralen Fehlanpassung

bull der Wert der Verteilungstemperatur T der ver-wendeten Lichtquelle

bull der Abstand d zwischen Lichtquelle undPhotometerkopf

Die Einheit der Lichtstaumlrke wird an der PTB

I T y d Ks

S T V

S T syv

m

r

d

d( ) = sdot sdot

( )sdot sdot

sdot sdot= sdot

infin

infinintint

2

0 0

0

0

Ω λ

λ λ λ

λ λ λ

( ) ( )

( ) ( )

dd Ks

F T2

0 0Ωsdot( ) ( )m

λ (10)

10

Das Jahr des Lichtes PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4

repraumlsentiert und bewahrt durch eine Gruppe von 17 hochstabilen Gluumlhlampen (Typ Toshiba 5 A 10 V 15 cd) deren Strahlungsfunktionen der eines Hohlraumstrahlers von 2042 K sehr aumlhnlich sindDie Gesamtmessunsicherheit einer Realisierung der Lichtstaumlrke-Einheit in der PTB beim Vertrau-ensniveau k = 2 berechnet sich so zu 04

Gluumlhlampen altern praktisch nur waumlhrend ihrer Brennzeit demgegenuumlber koumlnnen Photometer ihre Eigenschaften unabhaumlngig vom Gebrauch veraumlndern Bild 2 verdeutlicht diesen Sachverhalt Deshalb sollten photometrische Einheiten mit Normallampen verkoumlrpert und bewahrt werden

sie dienen zum Kalibrieren von Photometern Kalibrierte Photometer sollten dagegen vorzugs-weise als Transfernormale verwendet werden

Weitergabe der Lichtstaumlrke-Einheit

Als Lichtstaumlrkenormale werden speziell gefertigte Gluumlhlampen mit besonderen optischen geometri-schen und elektrischen Eigenschaften verwendet z B die Lampe Typ OSRAM WI41G Bild 3 zeigtschematisch eine solche Lampe die zur Reduzie-rung der mechanischen Justierunsicherheit miteinem Spezialsockel der PTB ausgestattet wurdeZur Weitergabe der Lichtstaumlrke-Einheit werdenGruppen solcher Lampen als Lichtstaumlrkenormaleverwendet wobei auf Verteilungstemperaturenzwischen 2000 K und 2856 K eingestellt werdenkann siehe Bild 3 unten

In der PTB erfolgt die Bestimmung der Lichtstaumlrke Iv(T) einer Lampe durch den Vergleich mit der Lichtstaumlrke Iv(TR) eines nationalen Normals mit einer Verteilungstemperatur TR und mithilfe eines an V(λ)-angepassten Photometers mit den zugehouml-renden Photostroumlmen y(T) und y(TR)

Bild 1 Kameragestuumltzte mechanische Ausrichtung einer Lichtstaumlrke-Normallampe an derPhotometerbank Quelle PTB

0990

0992

0994

0996

0998

1000

1002

0 5 10 15 20 25

Rel Werte

Brennzeith

Bild 2 Alterungsverhalten von Lampen und Photometern Links schematisch rechts reales Alterungsver-halten einer Lampe im Betrieb rot Strom blau Spannung gruumln Lichtstaumlrke

Bild 3 Lichtstaumlrke-Normallampe WI41G mit PTB-Spezialsockel (oben) sowie verschiedene Lichtstaumlrke-Normallampen-gruppen zur Bewahrung und Weitergabe der Lichtstaumlrke-Einheit (unten)

11

Ruumlckfuumlhrung in der Photometrie hellipPTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4

I T I T y Ty T

TT

m

v v RR R

( ) ( ) ( )( )

= sdot sdot

(14)

Lichtstaumlrke-Normallampen

Die von der PTB in Kalibrierscheinen angegebe-nen Werte fuumlr die photometrischen Groumlszligen bezie-hen sich immer auf einen definierten Betriebszu-stand der Lampe Ihr momentaner Betriebszustand wird dagegen wesentlich bestimmt durch

bull die Zeitspanne seit dem Einschalten

bull die Betriebszustaumlnde bei fruumlheren Brennvor-gaumlngen und deren Dauer

bull die Eigenschaften der verwendetenMessapparatur

Zur Weitergabe der Lichtstaumlrke-Einheit werden zumeist Lampen des Typs WI41G verwendet Einige charakteristische Eigenschaften dieses Lam-pentyps werden nachfolgend angegeben - Kurzzeitstabilitaumlt ∆I Iv v le sdot minus2 10 4

- mechanische Justierunsicherheitfuumlr Lampe mit E27-Sockel ∆I Iv v le sdot minus2 10 3 fuumlr Lampe mit Spezialsockel ∆I Iv v le sdot minus4 10 4

- photometrisches Signal Alterung je Brennstundebzw Rauschen (siehe folgendes Bild 4)

- Richtungsabhaumlngigkeit der Lichtstaumlrke beiDrehung um die vertikale und horizontale Achse in der Leuchtkoumlrperebene Abhaumlngigkeit uumlberwiegend bei Drehung um die horizontale Achse fuumlr beide Winkel sollte der Justierfehler 1deg nicht uumlbersteigen

Bei der Weitergabe der Einheiten der gerich-teten Photometrie macht man sich das Moni-torverfahren zunutze D h der aktuelle photo-metrische Betriebszustand von Lichtstaumlrke- und Leuchtdichte normalen wird durch geeignete Monitortechniken kontrolliert Dafuumlr werden spe-ziell konstruierte Monitorphotometer eingesetzt (siehe folgendes Bild 5)

Die Signale der Monitorphotometer werden synchron mit den Referenz- bzw Testphotometern ausgelesen und dokumentieren so die bdquoEinbrenn-phaseldquo bzw die Stabilitaumlt des photometrischen Signals waumlhrend der Messablaumlufe und dienen gegebenenfalls zur Korrektur

Kalibrierung von Photometern

Bei der Kalibrierung von Photometern wird deren absolute spektrale Bestrahlungsstaumlrke-Empfindlich-keit vom UV bis ins nahe Infrarot bestimmt Dabei wird das Photometer im quasi monochromatischen homogenen Strahlungsfeld bekannter Bestrahlungs-staumlrke vollstaumlndig uumlberstrahlt und die sich dabei ergebende Stromstaumlrke gemessen Der Quotient aus Stromstaumlrke und Bestrahlungsstaumlrke bei der einge-stellten Wellenlaumlnge ergibt die spektrale Bestrah-lungsstaumlrke-Empfindlichkeit s(λ) Diese Messung wird alle 5 nm von 360 nm bis mindestens 830 nm durchgefuumlhrt und ergibt dann einen Kurvenverlauf der bei guten Photometern der oben beschriebenen V(λ)-Funktion sehr nahe kommt

Aus der experimentell bestimmten spektralen Bestrahlungsstaumlrke-Empfindlichkeit s(λ) laumlsst sich nun mithilfe tabellarisch definierter Groumlszligen (Normlichtart A S(λ 2856 K) V(λ)-Funktion und dem Maximalwert des Strahlungsaumlquivalents Km) die in Formel (2) eingefuumlhrte photometrische Empfindlichkeit sv des Photometers zusammen mit Formeln (3) und (4) berechnen

sS s

K S Vv

m

d

d=

sdot sdot

sdot sdot

infin

infinintint

( ) ( )

( ) ( )

λ λ λ

λ λ λ

2856

2856

0

0

K

K (15)

Ebenso laumlsst sich nun nach Formel (11) die Anpas-sungskorrektur F(T) direkt berechnen

2300 2500 2700 T K 2900 1

2

3

4

Alterung je Brennstunde

Rauschen ∆YY104

Photometrisches Signal

2856 K

Bild 4 Alterung je Brennstunde bzw Rauschen des photometri-schen Signals

Bild 5 Monitor-Photometer zur Uumlberwachung bzw Korrektur der Stabilitaumlt bei Messungen in der gerichteten Photometrie

Monitor-Photometer

12

Das Jahr des Lichtes PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4

Experimentell wird die spektrale Bestrahlungs-staumlrke traditionell mit einem Monochromator-messplatz wie dem DSR-Messplatz ermittelt Dieser sondert aus einem Xenonlampenspektrum oder einem Gluumlhlampenspektrum einen schma-len Wellenlaumlngenbereich aus der dann fuumlr die Bestimmung der spektralen Empfindlichkeit bei seiner Schwerpunktwellenlaumlnge benutzt wird Besonders wichtig ist dabei dass der genaue Wert der Schwerpunktwellenlaumlnge bekannt ist und dass die ausgesonderte Strahlung ein sehr homogenes Strahlungsfeld erzeugt Entscheidend dafuumlr ist der geschickte und wellenlaumlngenabhaumlngige Aufbau der Eingangs- und Ausgangsoptik mit mehreren Linsen

Lampenbasierte Monochromatormessplaumltze haben jedoch einen entscheidenden Nachteil Ihre maximale Leistung betraumlgt typisch nur 100 microW Deshalb muumlssen mehrere Kompromisse bei der Messung eingegangen werden Die Messung muss verhaumlltnismaumlszligig dicht hinter dem Messplatz durch-gefuumlhrt werden wo sich die Bestrahlungsstaumlrke noch stark mit dem Abstand aumlndert und inhomoge-ner als im Fernfeld ist Je spektral reiner die Strah-lung eingestellt wird umso weniger Strahlungs-leistung passiert den Monochromator sodass auch hier wieder ein Kompromiss eingegangen werden muss Trotz der Kompromisse ist der Wellenlaumln-genbereich in dem die spektrale Empfindlichkeit bestimmt werden kann oft auf 400 nm bis 750 nm beschraumlnkt also auf den Bereich bei dem die spekt-rale Empfindlichkeit noch ausreichend hoch ist

Deshalb wurde ein neuer laserbasierter Messplatz aufgebaut (s Bild 6) Dieser erzeugt ein 100- bis 10000-mal kraumlftigeres Strahlungsfeld (s Bild 7) Zudem erlaubt der Messplatz die Bestimmung der Winkelabhaumlngigkeit von Photometern sowie die Messung des spektralen Temperaturkoeffizienten von ndash70 degC bis 180 degC Es koumlnnen mit dem laser-basierten Messplatz selbst unempfindliche Photo-meter in einem deutlich groumlszligeren Wellenlaumlngenbe-reich als bislang gemessen werden (s Bild 8ndash9) Da so viel Strahlungsleistung selbst fuumlr einen erweiter-ten Wellenlaumlngenbereich nicht benoumltigt wird kann mit einem laserbasierten Messplatz im homogenen Fernfeld und mit houmlherer spektraler Reinheit gemessen werden und somit die Messunsicherheit signifikant reduziert werden

Bild 6 Aufbau eines laser-basierten Messplat-zes zur Kalibrierung der spektralen Bestrahlungsstaumlrke-Empfindlichkeit von Photometern Das eigentliche Laser-system ist in der unteren Haumllfte von a) skizziert und in b)als Foto dargestellt

a

b

13

Ruumlckfuumlhrung in der Photometrie hellipPTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4

Realisierung der spektralen Bestrahlungsstaumlrke

Wie bereits vorher erwaumlhnt ist zur Realisierung der Candela die Kenntnis der relativen spektralen Bestrahlungsstaumlrke Er(λ) = S(λ T) von Tempera-turstrahlern (Gluumlhlampen) der Verteilungstempe-ratur T erforderlich

Bereits zum Ende des neunzehnten Jahrhunderts beschaumlftigten sich an der Physikalisch-Techni-schen-Reichsanstalt (PTR) in Berlin die Wissen-schaftler Otto Lummer Ernst Pringsheim und Fer-dinand Kurlbaum unter der Leitung von Wilhelm Wien mit der Pruumlfung elektrischer Gluumlhlampen fuumlr die Industrie und in diesem Zusammenhang mit der Verbesserung von Lampen und Vergleichs-normalen fuumlr Waumlrmestrahlung [4]

Sie entwickelten basierend auf Ideen von Kirch-hoff ab 1895 die ersten Hohlraumstrahler die als sogenannter Schwarzer Strahler zur Erzeugung von Temperaturstrahlung bis zu etwa 2000 K ein-gesetzt werden konnten Aufbauend auf Vorarbei-ten von Kirchhoff (1859) Stefan und Boltzmann (187984) sowie auf eigene Berechnungen (1893) konnte Wilhelm Wien anhand erster Messergeb-nisse 1896 die heute nach ihm benannte Wiensche Strahlungsgleichung aufstellen die die Ergebnisse der Experimente gut traf allerdings systema-tische Abweichungen fuumlr groszlige Produkte von λ middot T ergab Die Wiensche Gleichung war jedoch wesentlich genauer als das von Rayleigh und Jeans aufgestellte Pendant mit seiner inhaumlrenten Ultraviolettkatastrophe

Am 19 Oktober 1900 konnte Max Planck der vom Gastwissenschaftler Heinrich Rubens uumlber die Messergebnisse in der PTR unterrichtet wurde in einer Sitzung der Physikalischen Gesellschaft eine Gleichung vorlegen die die Messungen seiner Kollegen in der PTR besser als alle bis dato bekannten Gleichungen wiedergab Bereits am 14 Dezember 1900 trug er die komplette Her-leitung der Planckschen Strahlungsgleichungwiederum der Berliner Physikalischen Gesellschaftvor und leitete damit (verbunden mit der Energie-quantelung) die Quantenphysik ein [5]

Mithilfe des Planckschen Strahlungsgesetzes laumlsst sich die spektrale Dichte der Bestrahlungs-staumlrke EλBB(λTBB) eines Hochtemperatur-Hohl-raumstrahlers (auch Planckscher Strahler oder Schwarzer Strahler) berechnen

E T T Ad

cn

ec

n Tλ

λ

λ ε λλ BB BB BB

BB

BBBB

( ) = ( ) sdot sdot sdot

minus2

12 5

1

12

(16)

Bild 7 Wellenlaumlngenabhaumlngige optische Leistung des herkoumlmmlichen DSR-Messplatzes (untere Kurven) und des Laser-DSR-Messplatzes einmal direkt hinter dem Laser gemessen (gruumlne Kurven) und einmal die Leistung der tatsaumlchlich in der Messebe-ne nutzbaren Strahlung (rote Kurven)

Bild 8 Photometer Referenzphotodiode (links) sowie Solarzelle (unten) am Laser-DSR-Messplatz

Bild 9 Mit dem Laser-DSR-Messplatz und dem DSR-Messplatz gemessene spektrale Empfindlichkeiten von zwei verschiedenen Photometern (gruumlne und blaue Kurve) sowie die spektrale Empfindlichkeit von der als Referenz benutzten Photodiode (rote Kurve) Die Signalhoumlhen unterscheiden sich um einen Faktor von bis zu 100 Millionen Obwohl das am Laser-DSR-Messplatz gemessene Photometer ca 7 mal unempfindlicher als das am DSR-Messplatz gemessene Photometer ist kann die spektrale Empfindlichkeit in einem deutlich groumlszligeren Wellenlaumlngenbereich gemessen werden

14

Das Jahr des Lichtes PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4

Hierbei ist

TBB die Temperatur des Planckschen Strahlers ε(λTBB) der effektive Emissionsgrad des Strahlers ABB die Groumlszlige der Strahleroumlffnung dBB der Abstand zur Referenzebene fuumlr die Bestrahlungsstaumlrke c1 c2 die Planckschen Strahlungskonstanten und n der Brechungsindex von Luft

In der PTB wird im Fachbereich 41 bdquoPho-tometrie und angewandte Radiometrieldquo ein Hochtemperatur-Hohlraumstrahler vom Typ BB3200pg als nationales Normal fuumlr spektrale Bestrahlungsstaumlrke im Spektralbereich 200 nm bis 2500 nm eingesetzt Der Strahler der vom russi-schen Institut fuumlr optophysikalische Messungen (VNIIOFI) entwickelt [6] und von der PTB fuumlr seine Messaufgabe aufwendig charakterisiert und optimiert wurde [7] besitzt einen Hohlraum aus pyrolytischem Graphit der mittels Gleichstrom auf Temperaturen bis 3200 K aufgeheizt werden kann Der Strahler besitzt einen effektiven Emissions-grad von ε(λTBB) gt 09998 und eine ausgepraumlgte Homogenitaumlt der Temperatur im Hohlraum Er kann somit als Planckscher Strahler behandelt werden

Zur Berechnung des Planckschen Strahlungs-gesetzes werden weitere Groumlszligen des SI-Systems benoumltigt die in der PTB ruumlckfuumlhrbar kalibriert werden So wird zum Beispiel die Strahlerflaumlche ABB in Fachbereich 53 bdquoKoordinatenmesstechnikldquo kalibriert und die Bestimmung der Strahlertem-peratur TBB erfolgt mithilfe von Filterradiometern die in Fachbereich 73 bdquoDetektorradiometrie und Strahlungsthermometrieldquo gegen ein Kryo-

radiometer ruumlckgefuumlhrt werden Mithilfe dieser Berechnungsparameter fuumlr Gleichung (16) kann der Schwarze Strahler als Primaumlrnormal fuumlr strah-lungsphysikalische Groumlszligen eingesetzt werden

Die Kalibrierung von Gluumlhlampen bezuumlglich spektraler Bestrahlungsstaumlrke erfolgt in Sub-stitution durch direkten Vergleich gegen das Primaumlrnormal bzw entsprechend ruumlckgefuumlhrte Sekundaumlrnormale Hierbei handelt es sich um 1000-W-Gluumlhlampen vom Typ FEL die mit einer Verteilungstemperatur von etwa 3080 K einem dem Schwarzen Strahler sehr aumlhnlichen Verlauf der relativen spektralen Strahlungsfunktion besitzen Die Substitution erfolgt mithilfe eines Spektroradiometers das mit drei Monochroma-toren und Empfaumlngern einen Spektralbereich von 250 nm bis 2500 nm abdeckt [8] Eine Ulbrichtku-gel dient als Eingangsoptik und ihre Eintrittsoumlff-nung als Referenzebene fuumlr die Bestrahlungsstaumlrke Die durch die Kugel transmittierte Strahlung gelangt in einen Vormonochromator und wird nach spektraler Vorzerlegung wahlweise in einen Monochromator fuumlr den Spektralbereich 250 nm bis 1100 nm oder in einen Monochromator fuumlr den infraroten Spektralbereich eingekoppelt Ein Photomultiplier eine Si-Photodiode und eine InGaAs-Photodiode erfassen die aus den derart kombinierten beiden Doppelmonochromatoren austretende Strahlung Im fuumlr die Photometrie relevanten sichtbaren Spektralbereich werden spektrale Messungen mit einer spektralen Band-breite von 1 nm und einem Streulichtanteil im Bereich von 10ndash7 durchgefuumlhrt

Das Verhaumlltnis der mit den unterschiedlichen Strahlern gemessenen Photostroumlme entspricht im Wesentlichen dem Verhaumlltnis ihrer spektralen Bestrahlungsstaumlrken Beim Vergleich eines Strah-

Bild 10 Der Hochtemperatur-Hohlraumstrahler BB3200pg der in der PTB als Primaumlrnormal fuumlr die spektrale Bestrahlungsstaumlrke eingesetzt wird Der Hohlraum aus Pyrographit kann bis zu 3200 K aufgeheizt werden

15

Ruumlckfuumlhrung in der Photometrie hellipPTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4

lers bdquoSldquo mit der Verteilungstemperatur T mit dem Schwarzen Strahler der Temperatur TBB laumlsst sich prinzipiell also die unbekannte spektrale Bestrah-lungsstaumlrke EλS (λT) ermitteln aus

E T E Ty

yS eS

λ λλ λλλ ( ) = ( ) sdot ( )( )BB BB

BB

wobei ys(λ) und yBB(λ) die fuumlr die beiden Strahler gemessenen Photostroumlme bei der Wellenlaumlngen-einstellung λ sind und EλBB (λTBB) die spektrale Bestrahlungsstaumlrke des Hochtemperatur-Hohl-raumstrahlers nach dem Planckschen Strahlungs-gesetz (16) ist

Ableitung und Weitergabe weiterer photometrischer Einheiten gerichteter photometrischer Groumlszligen

Neben der Einheit fuumlr die Lichtstaumlrke sind in der gerichteten Photometrie die Einheit der Beleuch-tungsstaumlrke zur Kalibrierung von Photometern und die Einheit der Leuchtdichte zur Angabe von Lampeneigenschaften besonders wichtig

Beleuchtungsstaumlrke

In der PTB werden Beleuchtungsstaumlrke-Messgeraumlte mit einem Referenzphotometer mittels der Substi-tutionsmethode kalibriert wobei die Lichteintritts-flaumlchen der Photometerkoumlpfe an derselben Stelle senkrecht und gleichmaumlszligig beleuchtet werden

Dazu wird zunaumlchst das Referenzphotometer (Linearitaumlt und Anpassungsindex m bekannt) mit Lichtstaumlrke-Normallampen beliebiger Vertei-lungstemperatur T kalibriert Durch Umstellung von Gleichung (13) folgt fuumlr seine photometrische Empfindlichkeit

s d y TI T

Tm

v K= sdot sdot

2

0 2856Ω( )( )

v

(18)

Auf einer 40 m langen Photometerbank siehe Bild 10 koumlnnen dann mit beliebigen Gluumlhlampen unterschiedlicher elektrischer Leistung aber bekannter Verteilungstemperatur Beleuchtungsstaumlrken zwischen 0001 lx und 10000 lx erzeugt werden

Die Kalibrierung von Beleuchtungsstaumlrke-Mess-geraumlten erfolgt meistens mit Licht der Normlicht-art A eine entsprechende Lampe ist in Bild 15 dargestellt Die Anzeige des zu kalibrierenden Beleuchtungsstaumlrke-Messgeraumltes wird mit dem Messwert der Beleuchtungsstaumlrke Ev des Referenz-photometers verglichen

E T ysv

vK( )= =2856

001

01

1

10

100

350 400 450 500 550 600 650 700 750

spek

tral

e Be

stra

hlun

gsst

aumlrke

E[microW

cm

sup2nm

]

Wellenlaumlnge λ [nm]

Schwarzer Strahler (3076 K)Schwarzer Strahker (2995 K)FEL 81 A (3080 K)FEL 67 A (2780 K)WI 41G 54 A (2700 K)

Bild 11 Spektrale Bestrahlungsstaumlrke unterschiedlicher Strahler im sichtbaren Spektralbe-reich Die als Sekundaumlrnormale eingesetzten 1000-W-Gluumlhlampen vom Typ FEL und die in der Photometrie verwendeten Gluumlhlampen vom Typ WI 41G besitzen einen sehr aumlhnlichen spektralen Verlauf wie der als Primaumlrnormal eingesetzte Schwarze Strahler bei unterschiedlichen Strahlertemperaturen

Bild 12 Der Messplatz fuumlr die Kalibrierung von Gluumlhlampen bezuumlglich spektraler Bestrah-lungsstaumlrke in der PTB Auf der rechten Seite befinden sich zwei als Sekun-daumlr- und Arbeitsnormale eingesetzte Gluumlhlampen Auf der linken Seite ist das Spektroradiometer zu sehen dass an seiner Oberseite eine Ulbrichtkugel als Eingangsoptik montiert hat deren Oumlffnung in Richtung Strahler als Referenzebene fuumlr die Bestrahlungsstaumlrke verwendet wird

Bild 13 Messplatz zur Weitergabe der Einheit der Beleuchtungsstaumlrke zur Kalibrierung von Photometern

(17)

(19)

16

Das Jahr des Lichtes PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4

Leuchtdichte

Leuchtdichten homogen leuchtender begrenzter Flaumlchen koumlnnen aus groszligem Abstand wie Licht-staumlrken gemessen werden Wird z B eine kreisfoumlr-mige Blendenoumlffnung (zentrisch und senkrecht zur Messrichtung) zwischen der leuchtender Flaumlche und dem Photometerkopf angeordnet und damit ein Teillichtstrom ausgesondert so kann dieser in groszligem Abstand als Lichtstaumlrke bestimmt werden und es gilt fuumlr die Leuchtdichte Lv der prinzipielle Zusammenhang

LIAvv= (20)

In der PTB wird fuumlr die mit Gluumlhlampen ausgestat-teten Leuchtdichtenormale (d h Verteilungstem-peratur T bekannt) zunaumlchst die photometrische Empfindlichkeit sv des Referenzphotometers wie in Abschnitt 41 bestimmt dann die Lichtstaumlrke nach Gleichung (13) gemessen und schlieszliglich die mittlere Leuchtdichte innerhalb der leuchtenden Flaumlche A nach Gleichung (20) berechnet

Fuumlr Leuchtdichtenormale gelten prinzipiell einige der im Kapitel bdquoLichtstaumlrke-Normallampenldquo aufgefuumlhrten Merkmale Sie unterscheiden sich jedoch im Detail in der Art der Ausfuumlhrung z B sind sie mit Gluumlhlampen oder mit LEDs bestuumlckt sie koumlnnen hinsichtlich der Leuchtdichte bzw Farbe durchstimmbar sein oder mit gesonderter Monitortechnik ausgestattet sein

Die traditionellen Messverfahren zur Bestim-mung der Leuchtdichte bzw die Verwendung von Photometern mit direkter Anzeige der Leuchtdich-tewerte werden zunehmend durch den Einsatz von Leuchtdichtekameras (pixelaufgeloumlste Darstellung von Leuchtdichteverteilungen) ergaumlnzt Eine abso-lute Kalibrierung dieser modernen Systeme stellt aber messtechnisch eine groszlige Herausforderung

Bild 14 Die 40 m lange photometrische Bank zur Realisierung und Weitergabe der Einhei-ten der gerichteten Photometrie

Bild 15 20-kW-Hochleistungshalogengluumlhlampe fuumlr hohe Beleuchtungsstaumlrken zur Kalibrierung von Beleuchtungsstaumlrke-Messgeraumlten u a mit Normlichtart A

Bild 16 Gluumlhlampenbasierte Normale zum Transfer der Leuchtdichte-Einheit

17

Ruumlckfuumlhrung in der Photometrie hellipPTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4

dar aktuell werden zur Charakterisierung solcher Kameras national im FNL3 (Normenausschuss bdquoPhotometrieldquo im DIN) und international in der CIE (TC2-59 TC2-62) u a Messverfahren dis-kutiert die dann mittels definierter Kenngroumlszligen beschrieben werden

Literatur

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[8] P Sperfeld S Pape B Barton From Primary Stan-dard to Mobile Measurements ndash Overview of theSpectral Irradiance Calibration Equipment at PTBMAPAN-Journal of Metrology Society of India 252010 S 11ndash19

Bild 17 Pixelaufgeloumlste Darstellung einer Leuchtdichteverteilung mit einer Leuchtdichtemesskamera

pim_140107_anz_forschung_178x29indd 1 280214 1033

18

PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4Das Jahr des Lichtes

Kurze Geschichte der Goniophotometrie in der PTB Matthias Lindemann

Zusammenfassung

Die Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB) ist das nationale Metrologieinstitut (NMI) der Bundesrepublik Deutschland das seinen Fokus auf die Realisierung Bewahrung und Weitergabe der SI-Einheiten richtet Deshalb hat auch die goniophotometrische Bestimmung des Licht-stroms nahezu beliebiger Lichtquellen eine lange Tradition Seit mehr als 50 Jahren werden in der PTB hierzu noumltige Messsysteme entwickelt genutzt verbessert und an neue Messaufgaben angepasst Schon in den 50er- und 60er-Jahren des vergangenen Jahrhunderts erlaubte ein soge-nanntes Einarm-Goniophotometer die Realisie-rung der Lichtstromeinheit lumen (lm) als direkte Ableitung von der SI-Basiseinheit Candela (cd) mithilfe von Lichtstaumlrke-Normallampen Spaumlter gestattete ein groszliges Kardan-Goniophotometer mit einem Messradius von 25 m die notwendige automatisierte spiralfoumlrmige Bewegung eines Photometers bzw eines Dreibereichsfarbmess-kopfes Fuumlr die Lichtstrom-Kalibrierungen von Kleingluumlhlampen aber auch von zunehmend nachgefragten Messungen an LEDs wurde schon in den fruumlhen 1980er Jahren ein sogenanntes Mini-Goniophotometer ebenfalls als Kardan-

Goniophotometer mit nur 03 m Messradius entwickelt und eingesetzt Dieser Entwicklungs-prozess haumllt an und ermoumlglicht heute die Kalibrie-rung auch modernster LED-Lichtquellen Im Jahr 2006 wurde das erste Roboter-Goniophotometer im neuen Albert-Einstein-Gebaumlude der PTB in Betrieb genommen und ermoumlglicht seitdem die Kalibrierung nahezu beliebiger Lichtquellen mit der noumltigen kleinen Messunsicherheit

1 Einfuumlhrung

Mehr als 11 der elektrischen Energie werden heute in Deutschland fuumlr Beleuchtung einge-setzt Tendenz steigend Daher ist der Lichtstrom oumlkonomisch gesehen die wichtigste photometri-sche Groumlszlige Es ist notwendig seine Einheit das Lumen (lm) direkt von der SI-Basiseinheit fuumlr die Lichtstaumlrke der Candela (cd) abzuleiten Dies geschieht regelmaumlszligig mittels Goniophotometrie um den Lichtstrom der zu untersuchenden Licht-quelle zu bestimmen Obwohl auch absolut arbei-tende Ulbricht-Kugel-Methoden existieren [1] benoumltigen diese streng genommen zumindest die relative raumlumliche Lichtstaumlrkeverteilung welche nur durch goniophotometrische Methoden messbar ist

Das Prinzip der Goniophotometrie ist unabhaumln-gig von der technischen Realisierung der unter-schiedlichen Goniophotometertypen Ein Gonio-photometer misst die raumlumliche Verteilung der Beleuchtungsstaumlrke E(r ϑ φ) auf einer geschlosse-nen Huumlllflaumlche mittels V(λ)-angepasstem Pho-tometer fuumlr alle Richtungen (ϑ φ) der Lichtaus-strahlung im vollen Raumwinkel (4π sr) um die Lichtquelle herum wie Bild 1 zeigt

Der Radiusvektor r(ϑ φ) beschreibt die Position des Photometers in Kugelkoordinaten und r(ϑ φ) durchstoumlszligt das zur Lampe gerichtete Eintrittsfens-ter immer orthogonal Der Radiusvektor r(ϑ φ) beschreibt auch die Entfernung zwischen Lampe und Photometer

Der Winkel ϑ beschreibt die Position des Photometers zwischen den Polen traditionell im Bereich (0 lt ϑ lt π) Der Winkel φ beschreibt die Photometer-Position in der Aumlquator-Richtung

Matthias Lindemann Arbeitsgruppe bdquoGoniophotometrieldquo EshyMail matthiaslindemannptbde

Bild 1 Beleuchtungsstaumlrke E als Funktion des Radiusvektors r(ϑ φ)

19

PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4 Kurze Geschichte der Goniophotometrie in der PTB

(0 lt φ lt 2π) Der Wert des Lichtstroms Φ der Lampe kann aus der Beleuchtungsstaumlrkeverteilung E(ϑ φ) berechnet werden entweder aus der Licht-staumlrkedefinition I = dΦdω oder aus der Defini-tion der Beleuchtungsstaumlrke E = dΦdΑ

Φ = ( )int I ϑ ϕ ω4πsr

d (1)

Φ = ( )int E Ar

ϑ ϕ4 2π

d (2)

Das Raumwinkelelement dω der Gleichung (1) ist gegeben durch

d sin d dω ϑ ϑ ϕ= ( ) (3)

und das Flaumlchenelement dA der Gleichung (2) erhaumllt man aus

d sin d dA r= ( ) ( )2 ϑ ϕ ϑ ϑ ϕ

(4)

Der Radius r des Radiusvektors r(ϑ φ) kann als Konstante behandelt werden da er sich gewoumlhn-lich waumlhrend einer goniophotometrischen Messung nicht aumlndert Dann kann die Lichtstaumlrke-verteilung I(ϑ φ) durch Anwendung des photome-trischen Grundgesetzes aus der Beleuchtungsstaumlr-keverteilung E(ϑ φ) bestimmt werden

I r Eϑ ϕ ϑ ϕ ( ) = ( )2 (5)

Falls die photometrisch wirksame Ausdehnung rL der zu messenden Lampe deutlich kleiner ist als der Messradius r des Goniophotometers ist kann Gleichung (1) mit Gleichung (3) und r = const wie folgt geschrieben werden

Φ = ( ) ( )intintr E2

00

2

d sin dϕ ϑ φ ϑ ϑππ

(6)

Andererseits fuumlhrt Gleichung (2) mit Glei-chung (4) und r = const ebenfalls auf Gleichung (6) Aber fuumlr groszlige Lampen koumlnnte die Anwen-dung von Gleichung (5) zu fehlerhaften Ergeb-nissen fuumlhren (rL gt r) aber der ermittelte Wert des Lichtstroms entsprechend Gleichung (6) waumlre korrekt falls das Photometer das einfallende Licht mit dem Kosinus des Einfallswinkels bewertet

2 Geschichte der Goniophotometer- Systeme in der PTB

Wie bereits teilweise in Abschnitt 1 diskutiert sollte ein ideales Goniophotometer eine Reihe von Anforderungen erfuumlllen wie die folgende Auflis-tung zeigt

1 Kalibrierung der Photometer mittels Licht-staumlrke-Normallampen zur Sicherung der Ruumlckfuumlhrung auf die nationale Realisierung der Einheit Candela

2 Ausfuumlhrung einer Relativbewegung zwischen Lampe und Photometer wobei sich ϑ-Achse und φ-Achse rechtwinklig schneiden

3 Verwendung eines V(λ)-angepassten Photo-meters zur Lichtstrommessung

4 Automatische Messdatenanalyse5 Unabhaumlngige Bestimmung des Lichtstromwer-

tes von der raumlumlichenspektralen Verteilung der gemessenen Bestrahlungsstaumlrke Ee(λ ϑ φ) des Lichts

6 Unabhaumlngigkeit der Empfindlichkeit des Pho-tometers von der Umgebungstemperatur bzw Durchfuumlhrung einer entsprechenden Korrektur

7 Beliebige Betriebslage der zu untersuchenden Lampe

8 Einstellbare Umgebungsbedingungen fuumlr Luft-temperatur und Luftfeuchte

9 Geringer Streulichtanteil im Messraum bzw Streulicht-Korrektur

10 Elektrische Antriebe fuumlr die Bewegung der ϑ- und φ-Achsen

11 Verwendung von Farbmesskoumlpfen zur Bestim-mung der raumlumlich wirksamen aumlhnlichsten Farbtemperatur undoder Bestimmung der relativen raumlumlichen spektralen Verteilung der gemessenen Bestrahlungsstaumlrke

12 Messung ohne Bewegung der zu untersuchen-den Lampe

13 Vollstaumlndige Abtastung der Beleuchtungs-staumlrke- bzw Lichtstaumlrkeverteilung der zu untersuchenden Lampe

14 Staumlndige Uumlberwachung des photometrischen Betriebsverhaltens der Lampe um Alterung waumlhrend der Messzeit erkennen bzw korrigie-ren zu koumlnnen (sogenanntes Monitorsystem)

15 Messraumwaumlnde sollen etwa auf Lufttem-peratur sein um den Strahlungsaustausch zwischen Entladungslampen und Waumlnden des Messraums zu stabilisieren

16 Online-Streulichtkorrektur ndash insbesondere fuumlr ausgedehnte Lampen wie Leuchtstofflampen da diese den Einsatz eines Streulichttubus mit groumlszligerem Gesichtsfeld erfordern

17 Die Beleuchtungseinrichtung des Gonio-photometerraums soll zur Messzeit abgedeckt und ausgeschaltet sein um den Streulichtan-teil nicht zu erhoumlhen

18 Variation des Messradius r (Validierung von Nahfeld-Fernfeld-Messungen mit abbilden-den Systemen)

In der Goniophotometrie sind verschiedene Koor-dinatensysteme wie Bild 1a zeigt zu unterscheiden Dies sind regelmaumlszligig das Lampenkoordinatensys-tem Lamp das Raumkoordinatensystem Room und

20

PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4Das Jahr des Lichtes

das Goniophotometerkoordinatensystem bezogen auf dessen Zentrum Center Bild 1a zeigt moumlgliche Offsets zwischen diesen Systemen in Translation und Rotation

Um folgende Betrachtungen und Erklaumlrungen zu vereinfachen werden die genannten Koordina-tensysteme als deckungsgleich angenommen das heiszligt es werden keine Offsets in Translation und Rotationen zwischen den Koordinatensysteme vorausgesetzt

Im Weiteren werden die Eigenschaften Vor- und Nachteile der uumlber Dekaden in der PTB entwi-ckelten und genutzten Goniophotometer unter Beruumlcksichtigung der gewuumlnschten vorstehend gelisteten Eigenschaften diskutiert Es beginnt mit einem einfachen Einarm-Goniophotometer aus den 50er-Jahren des vergangenen Jahrhunderts und endet zumindest vorlaumlufig mit dem State-of-the-art-Roboter-Goniophotometer das 2007 in Betrieb ging

21 Einarm-Goniophotometer (1950ndash1975)

In der Zeit von 1950 bis 1975 wurde ein manuell betriebenes Einarm-Goniophotometer nach Bild 2 benutzt In den 50er-Jahren war diese Messappara-tur noch mit einem visuellen Photometer ausge-stattet Dieses Photometer erlaubte die relative Messung von Beleuchtungsstaumlrken mittels einer im Photometer installierten Hilfslampe in Verbindung mit einem optischen Abschwaumlcher [2 Seite 321] Die Ruumlckfuumlhrung auf die nationale Lichtstaumlrke-Einheit die Candela war durch Kalibrierung des visuellen Photometers mit Lichtstaumlrke-Normal-lampen sichergestellt (dies erfuumlllt Anforderung 1 der Anforderungsliste) entsprechend basieren auch Abstandsmessungen auf der nationalen Laumln-geneinheit dem Meter

Wegen der Lageabhaumlngigkeit der internen Hilfs-lampe im Innern des visuellen Photometer war es an einer festen Stelle der Messapparatur ange-bracht wie Bild 2 zeigt Ein Spiegel-Prismen-Sys-tem leitete das Licht der zu untersuchenden Lampe auf das Photometer Eine detaillierte Beschreibung aumlhnlicher Systeme kann [2 Seite 319] entnommen werden Damit ist Anforderung 2 ebenfalls erfuumlllt

Die vollstaumlndige Bestimmung des Lichtstroms Φ erfordert eine groumlszligere Anzahl Messungen von Beleuchtungsstaumlrken fuumlr ebenso viele manuell eingestellte unterschiedliche Kugelkoordina-ten (ϑ φ) Wird die fiktive Kugel gemaumlszlig Bild 1 in ϑ-Richtung in parallele Zonen eingeteilt und jede dieser Zonen i ist wiederum in n Sektoren j gleicher Laumlnge (Δφ = const) mit den zugehoumlrigen Beleuchtungsstaumlrken Eij unterteilt ist es moumlglich die mittlere Beleuchtungsstaumlrke Endashi jeder Zone i nach Gleichung 7 zu bestimmen

E Ei n i jj

n

==sum1

1 (7)

und der Wert des Lichtstroms Φ ergibt sich weiter aus der numerischen Integration nach Gleichung (8)

Φ = ( )minus ( )( )+

=sum2 2

10

1

πr cos cosϑ ϑi ii

m

iE-

(8)

Die Anzahl der notwendigen Beleuchtungsstaumlr-kemessungen haumlngt von der raumlumlichen Lichtver-teilung der zu untersuchenden Lampe ab Wegen der manuellen Einstellung des groszligen Arms (ϑ) der Drehung der Lampe (φ) und des gleichfalls noumltigen manuellen Abgleichs des visuellen Pho-tometers ist diese Methode sehr zeitaufwendig Sollen beispielsweise 600 Punkte gemessen werden (aus heutiger Sicht also nicht besonders viele) und man benoumltigt ca 25 Sekunden pro Messung werden also mehr als 4 Stunden benoumltigt um eine

Bild 1a Koordinatensysteme

Bild 2 Einarm-Go-niophotometer 1950ndash1975

21

PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4 Kurze Geschichte der Goniophotometrie in der PTB

Lampe mit relativ homogener raumlumlichen Licht-verteilung zu messen

In 1963 wurde ein internationaler Lichtstrom-vergleich auf der Basis von Entladungslampen ohne Fluoreszenzstoff durchgefuumlhrt Diese Lampen wiesen eine massive Inhomogenitaumlt ihrer raumlumlichen Lichtverteilung auf sodass die beschriebene manuelle Methode wegen der noumltigen hohen Anzahl von Messpunkten nicht praktikabel war Zur Loumlsung dieses Problems in [3] beschrieben wurde das visuelle Photometer durch einen grob an V(λ)-angepassten Photover-vielfacher ersetzt zusaumltzlich wurde die φ-Achse mit einem elektrischen Antrieb versehen und ein Praumlzisionskondensator ermoumlglichte die analoge Integration des Photostroms des Photovervielfa-chers Damit konnte fuumlr jede der erforderlichen ϑ-Einstellungen des groszligen Arms der elektri-sche Antrieb der φ-Achse diese mit konstanter Winkelgeschwindigkeit rotieren lassen waumlhrend der Praumlzisionskondensator den Photostrom des Photovervielfachers integrierte Nach etwa t = 5 min fuumlr eine Umdrehung repraumlsentierte die Ladung Q = C middot U des Praumlzisionskondensators die mittlere Beleuchtungsstaumlrke

E k C Uti = sdot (9)

dieser gemessenen Zone i Daraus berechnet sich der Lichtstrom wiederum gemaumlszlig Gleichung (8) Es ist nicht noumltig das Produkt k ∙ C exakt zu kennen da dies uumlber das Kalibrierverfahren durch die bekannte Beleuchtungsstaumlrke einer Lichtstaumlrke-Normallampe eliminiert werden kann es muss lediglich uumlber die gesamte Messzeit hinweg kons-tant sein

Spaumlter in den 1960er-Jahren wurde auch das visuelle Photometer durch ein modernes V(λ)-angepasstes Photometer basierend auf gefilterten Silizium-Photodioden in Kombination mit einen PhotostromSpannungswandler und einem xy-Plotter ersetzt Man erhielt so die Beleuchtungs-staumlrkeverteilung jeder Zone die sich dann leicht mit grafischen oder numerischen Verfahren inte-grieren lieszlig Es wird spaumlter gezeigt werden dass diese verwendete bdquoanaloge Zonenintegrationldquo sehr aumlhnlich der heutigen digitalen zonalen Bewertung ist

Diese letzten 2 Verbesserungen erfuumlllen die Anforderung 3 und teilweise auch die Anforde-rung 4

22 Kardan-Goniophotometer (1976ndash2007)

Das existierende Einarm-Goniophotometer war immer auf eine bdquohelfende Handldquo angewiesen um es von Punkt zu Punkt zu bewegen Die anschlie-szligende Berechnung des Lichtstroms wurde grund-saumltzlich ebenfalls haumlndisch ausgefuumlhrt Dieses Ver-

fahren war dementsprechend sehr zeitaufwendig und der zunehmende Wunsch der Industrie auch groszlige Objekte wie z B lange Leuchtstofflampen aber spaumlter auch sehr kleine Mikrolampen und erste LEDs zu kalibrieren fuumlhrte zur Entwicklung sogenannter Kardan-Goniophotometer ver schie-dener Ausfuumlhrungen

221 Groszliges Kardan-Goniophotometer

Nach der intensiven Umgestaltung einiger Raumlume im Koumlsters-Bau der PTB war es moumlglich im neuen Goniophotometerraum (7 x 10 x 8 m3) das Kar-dan-Goniophotometer [4] zu installieren Bild 3 zeigt das groszlige Kardan-Goniophotometer Am Bildoberrand ist eine zu kalibrierende stabfoumlrmige Leuchtstofflampe zu sehen

Dieser Raum war zusaumltzlich auch mit einer geregelten elektrischen Heizung ausgestattet um die geforderten Messbedingungen bezuumlglich Umgebungstemperatur einstellen zu koumlnnen Im Prinzip besteht ein Kardan-Goniophotometer wie in Bild 4 gezeigt aus 3 Rahmen wobei der aumluszligere α-Rahmen der raumlumlichen Ausrichtung (durch Drehung um die y-Achse) der zu untersu-chenden Lampe dient Innerhalb dieses aumluszligeren α-Rahmens ist der mittlere φ-Rahmen endlos drehbar um die z-Achse gelagert Der innere ϑ-Rahmen ist wiederrum drehbar im φ-Rahmen gelagert jedoch ist seine Bewegung auf knapp 180deg durch den noumltigen Lampenhalter begrenzt Alle 3 Rahmen sind mechanisch ausgeglichen und mit elektrischen Antrieben versehen Ihre Rotationsgeschwindigkeiten waren per 10-Gang-Praumlzisionspotentiometer einstellbar eine Folge der angewandten analogen Regelung der Achsan-triebe Die Winkelbestimmung der Achsen erfolgte mittels 13-bit-Winkelencodern Das Photometer war am ϑ-Rahmen (Bild 4) platziert und ermoumlg-lichte so einen festen Messradius von 2500 mm Es bestand die Moumlglichkeit ein zweites Photometer

Bild 3 Kardan-Goniophotometer 1976ndash2007

22

PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4Das Jahr des Lichtes

oder einen Farbmesskopf auf der gegenuumlberliegen-den Seite des ϑ-Rahmens einzusetzen

In diesem Fall war der Arbeitsbereich limitiert im Bereich 4deg lt ϑ lt 176deg da jeweils Lampenhalter von rechts und links zur Aufnahme einer beispiels-weise stabfoumlrmigen Leuchtstofflampe eingesetzt werden konnten (siehe auch Bild 3) Im Falle von einseitig gesockelten Lampen wurde meist nur ein PhotometerFarbmesskopf verwendet was eine Drehung der gegenuumlberliegenden Messkopf-aufnahme um 90deg ermoumlglichte Diese sogenannte bdquoKroumlpfungldquo lieszlig dann Raum fuumlr den nun einseiti-gen Lampenhalter und der Arbeitsbereich vergrouml-szligerte sich zu 0deg lt ϑ lt 176deg

Entsprechend der Gleichung (6) muss die gemessene Beleuchtungsstaumlrkeverteilung uumlber den vollen Raumwinkel 4π sr zum Wert des Licht-stroms integriert werden So ist es naheliegend digitale uumlber die Zeit integrierende Methoden zur Erfassung und Speicherung der gemessenen Beleuchtungsstaumlrkewerte zu verwenden Bild 5 zeigt den Signalfluss Sowohl Photometer- undoder Farbmesskopf als auch Photostrom-Fre-

quenz-Wandler waren temperaturstabilisiertDer Photostrom des Photometers mit seiner

photometrischen Empfindlichkeit s normalisiert auf die CIE-Lichtart A wird mittels Ruumlckkopp-lung Rg eines Photostromverstaumlrkers in eine Spannung U gewandelt und weiter durch einen Spannungs-Frequenzwandler in eine Frequenz f mit dem zugehoumlrigen Wandlungsfaktor wf kon-vertiert Diese Frequenz wird letztlich von einem digitalen Zaumlhler kontinuierlich gezaumlhlt Simultan wird die Quarz-Frequenz fq durch einen zweiten digitalen Zaumlhler erfasst um waumlhrend der spaumlteren Datenanalyse die urspruumlnglichen Photostroumlme berechnen zu koumlnnen Diese Methode stellt damit die schon erwaumlhnte Signal-Zeit-Integration sicher

Die die zu untersuchende Lampe umgebene fiktive Kugel ist wie Bild 5 zeigt in Zonen und Sektoren unterteilt Infolge der analogen Geschwindigkeitsregelung der zwei bewegten Rahmen sind positive und negative Beschleu-nigungsphasen am Anfang und am Ende einer vollstaumlndigen Abtastung und Lastreaktionen des rotierenden Systems und die damit verbundenen geringen Gleichlaufschwankungen unvermeid-bar Die Unterteilung jeder Zone in Sektoren mit der Laumlnge Δφj als Gewichtung reduziert jedoch diesen Einfluss Damit berechnet sich die mittlere Beleuchtungsstaumlrke Endashi nach Gleichung (10)

Es w R

fyt

fjj

ni j

i j=

sdot sdot sdot( )sdot sdot minus

=sum1

2 10

πϕ

f gq∆∆

∆

(10)

mit der Dunkelfrequenz f0 (Photometer abgeschat-tet) und den Differenzsignal-Zaumlhlungen Δyi j und den Differenzzeit-Zaumlhlungen Δti j jeweils vom Sek-toranfang bis zum Sektorende Wiederum koumlnnte der Lichtstrom nach Gleichung (8) bestimmt werden jedoch werden jetzt noch Korrekturfakto-ren fuumlr das Streulicht cstr der spektralen Fehlanpas-sung des Photometers cspec und Abweichungen von den nominalen elektrischen Betriebsbedingungen celec eingefuumlhrt wie nun Gleichung (11) zeigt

Φ = sdot sdot sdot sdot minus( ) sdot+=

minus

sumc c c r Ei ii

m

istr spec elec cos cos2 21

0

1

π ϑ ϑ

(11)

Im Verlauf einer Lichtstrommessung werden neben dem Photometer auch die Waumlnde des Messraums von der zu untersuchenden Lampe beleuchtet Diese Beleuchtung wird ebenfalls vom im Goniophotometer verwendeten Photometer bdquogesehenldquo und fuumlhrt zu einer Streubeleuchtung auf dem Lichteintrittsfenster dieses Photome-ters Diese Streubeleuchtung haumlngt einerseits vom Reflexionsgrad der verwendeten Wandfarbe (ρ asymp 3 ) und vom Gesichtsfeld des sich vor dem

Bild 4 Groszliges Kardan-Goniophotometer 1976ndash2007

Bild 5 Signalfluss

23

PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4 Kurze Geschichte der Goniophotometrie in der PTB

Photometer befindlichen Streulichtreduzierungs-tubus ab Daher muss fuumlr jeden eingesetzten Tubus mit seinem individuellen Gesichtsfeld der wirksame spezifische Streulichtkorrekturfaktor cstr bestimmt werden Diese koumlnnen ermittelt werden indem Blenden mit unterschiedlichen Durchmes-sern zwischen der zu untersuchenden Lampe und dem Photometer waumlhrend normalen Lichtstrom-messungen positioniert werden Eine detaillierte Beschreibung kann [5] entnommen werden

Die technische Realisierung eines Photometers ist immer nur eine Naumlherung fuumlr V(λ) Dies bedeu-tet dass im Prinzip in allen Faumlllen diese spektrale Fehlanpassung korrigiert werden muss Allgemein kann der spektrale Korrekturfaktor cstr fuumlr alle Lampen mit beliebiger Strahlungsfunktion S(λ) nach Gleichung (12) bestimmt werden

cV S

s S

V P T

s Pspek

rel

A

rel

d

d

d=

( )sdot ( )( ) sdot ( )

( ) sdot ( )( ) sdot

intint

intint

λ λ λ

λ λ λ

λ λ λ

λ

λλ λTA d( )

(12)

Hierzu ist jedoch die Kenntnis der relativen spektralen Empfindlichkeit srel(λ) des Photome-ters notwendig P(λ TA) bezeichnet dabei einen Planckstrahler mit einer Verteilungstemperatur von TA = 2856 K

Im Fall von Gluumlhlampen ist ein etwas einfache-rer Weg fuumlr diese Korrektur ohne die Kenntnis von srel(λ) moumlglich Gleichung (13) beschreibt die Abhaumlngigkeit der Beleuchtungsstaumlrke E(T) von der Verteilungstemperatur T

E Ty T

sTT

m

( ) = ( )

A

y

(13)

eines gemessenen Photostroms y(T) und der pho-tometrischen Empfindlichkeit s des Photometers fuumlr Lichtart A Eine charakteristische Eigenschaft des Photometers ist der Exponent my bdquoyldquo indiziert den Exponent fuumlr ein V(λ)- angepasstes Photome-ter oder den y-Kanal eines Dreibereichsfarbmess-kopfes wobei die anderen Kanaumlle unterschiedliche Werte fuumlr diese Exponenten haben Ein ideales Photometer wuumlrde einen Wert von 0 fuumlr diese Exponenten aufweisen Beispielsweise beschreibt my = 0018 ein qualitativ durchaus gutes Photo-meter Der Exponent my (und auch mx und mz) koumlnnen aus einem Fit bekannter Paare (E(T) T) einer Lichtstaumlrke-Normallampe bei verschiedenen Arbeitspunkten wie in [6 7] beschrieben gefun-den werden Damit kann der Korrekturfaktor cspec fuumlr Gluumlhlampen wie folgt geschrieben werden

c TT

my

specA

=

(14)

Werden Gluumlhlampen in der Naumlhe von CIE-Licht-art A betrieben ist die Korrektur auf elektrische Nominalbedingungen celec ebenfalls nach Glei-chung (15) sehr einfach da der Lichtstrom eine Funktion des Betriebsstroms J ist

c JJ

m

elec

J

=

minus

0 (15)

Hier ist J0 der Nominalstrom und mJ cong 684 Mehr Information kann in [7] gefunden werden

Die Datenanalyse fuumlr einen Dreibereichsfarb-messkopf erfolgt in gleicher Weise und man erhaumllt die Normfarbwertanteile (x y) aus den Gleichun-gen (16 17)

x =+ +Φ

Φ Φ ΦX

X Y Z (16)

y =+ +Φ

Φ Φ ΦY

X Y Z (17)

Leider konnten nur der Lichtstrom und die zuge-houmlrigen Normfarbwertanteile bestimmt werden da aufgrund der geringen Speichermoumlglichkeit der verwendeten Computertechnik die raumlumliche Information verlorenging

Daher wurden im Jahre 1991 alle Computer Analogsysteme die Verdrahtung und viele weitere Elemente durch moderne Ausruumlstung ersetzt Von nun an konnten alle Rohdaten mittels geeigneter Speichermedien dauerhaft bewahrt werden Das galt auch fuumlr groszlige Datenmengen des ab 1997 eingesetzten Array-Spektrometers zur Messung der relativen spektralen Leistungsverteilung der Strahlung synchron zur Lichtstrombestimmung Leider wiesen Photometer und Einkoppeloptik des Array-Spektrometers unterschiedliche Gesichtsfel-der auf und hatten etwas unterschiedliche Positi-onen auf dem Goniophotometer was die Daten-analyse komplizierte Dennoch konnten erstmalig raumlumliche spektrale Informationen uumlber zu untersuchende Lampen ermittelt werden Damit erfuumlllte das groszlige Kardan-Goniophotometer in seiner Ausbaustufe von 1997 die Anforderungen 1ndash14 aus Abschnitt 2 Die relative erweiterte Mes-sunsicherheit fuumlr den Lichtstrom fuumlr k = 2 betrug jetzt 060

222 Kleines Kardan-Goniophotometer

Fuumlr die Messung kleiner Lampen und LEDs wurde in den fruumlhen 1980er-Jahren ein dem groszligen Kardan-Goniophotometer sehr aumlhnliches kleines Kardan-Goniophotometer mit einem Messra-dius von nur 300 mm entwickelt hergestellt und

24

PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4Das Jahr des Lichtes

betrieben Das Foto in Bild 6 zeigt dieses seinerzeit sogenannte bdquoMini-Goniophotometerldquo

Die Messtechnik entsprach nahezu vollstaumln-dig dem groszligen Kardan-Goniophotometer bis hin zum Signalfluss einschlieszliglich Spannungs-Frequenzwandler und nachgeschalteten Zaumlhlern Damit sind alle Aspekte dieser Apparatur bereits in Abschnitt 221 diskutiertIm Jahre 2007 wurde dieses Instrument durch ein spezielles Goniophotometer fuumlr die Messung von LEDs ersetzt siehe auch Kapitel Metrologie fuumlr moderne Lichtquellen LEDs und OLEDs [10]

23 Roboter-Goniophotometer (2006 bis heute)

Am Ende der 1990er-Jahre wurde die Planung eines neuen Goniophotometertyps mehr und mehr konkret Nahezu gleichzeitig entschied sich die PTB fuumlr den Neubau eines modernen Gebaumludes fuumlr die Abteilung Optik dem heutigen Albert-Einstein-Bau Infolge dieses Zusammentreffens

beider Ereignisse konnte bei der Planung das neue Gebaumlude quasi um das neue Roboter-Goniopho-tometer herum geplant und spaumlter auch so gebaut werden

In 19951996 zeigte G Sauter dass Gonio-photometrie mittels Robotern moumlglich ist und erhebliche Vorteile gegenuumlber den bisher verwendeten Kardan-Goniophotometern auf-weist [8] Wie weiterhin in [8] beschrieben sind sogenannte Service-Roboter gut geeignet um ein Roboter-Goniophotometer zu realisieren Diese zeichnen sich durch eine schlanke Konstruktion mit langen Armen bei gleichzeitig relativ gerin-gem Gewicht aus Sie verfuumlgen uumlber eine hohe Flexibilitaumlt um beispielsweise ein Photometer auf gewuumlnschten Bahnen mit unterschiedlichen Radien (1000 mm lt r lt 3000 mm) auf der fiktiven Kugeloberflaumlche um die Lampe herumzufuumlhren Jeder Roboter verfuumlgt uumlber 7 Freiheitsgrade (engl seven degrees of freedom 7 DOF) Dies garantiert die notwendige Flexibilitaumlt und das erforderli-che Arbeitsvolumen Zur Abdeckung des vollen Raumwinkels 4π sr sind daher 2 der beschriebenen Roboter notwendig Ein dritter aumlhnlicher Roboter positioniert dabei die zu untersuchende Lampe in der gewuumlnschten Brennstellung im Raum Alle Roboter-Basen sind direkt mit dem Stahlbeton des Gebaumludes verbunden um eine langzeitstabile raumlumliche Positionierung der Roboter zu gewaumlhr-leisten Bild 8 zeigt das Roboter-Goniophotometer waumlhrend der Messung einer LED-Signalleuchte

Im Gegensatz zu Kardan-Goniophotometern ist der Messradius variabel in dem alle 7 Achsen in entsprechende Positionen gebracht werden Wegen der groszligen Redundanz eines 7-DOF-Roboters kann die Zielposition einschlieszliglich Orientierung durch eine sehr groszlige Anzahl unter-schiedlicher Einstellungen der 7 Achsen erreicht werden Daher wird eine Strategie benoumltigt um die jeweilige Achs einstellung zu finden Diese

Bild 6 Kleines Kardan-Goniophotometer 1982ndash2007

Bild 7 Arm des Roboter-Goniophotometers

Bild 8 Roboter-Goniophotometer 2006 bis heute

25

PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4 Kurze Geschichte der Goniophotometrie in der PTB

Strategie ist relativ simpel Sie besagt dass alle Achseinstellungen derart gefunden werden dass saumlmtliche Bestandteile des Roboters einen maxi-malen Abstand zum Zentrum des Roboters haben sollen um das von der Roboterstruktur reflektierte Streulicht moumlglichst gering zu halten Eine beson-dere Software ist notwendig um alle Achswinkel ausgedruumlckt in counts jedes Winkelencoders fuumlr jede Achse zu bestimmen um die gewuumlnschten Kugelkoordinaten (r ϑ φ) anzufahren Waumlhrend der Messung der zu untersuchenden Lampe liest das Roboter-Kontrollsystem alle 10 ms diese counts jeder Achse und versucht jede Achse entsprechend diese Vorgabe einzustel-len Nach dieser Einstellung welche fuumlr alle 7 Achsen gleichzeitig erfolgt werden die Ist-Winkel jeder Achse wiederum in counts synchron gelesen und mit den zugehoumlrigen photo-metrischen Daten und elek trischen Daten des Lampenbetriebs in eine Datenbank gespeichert Prinzipiell ist der Signal-fluss dem des in Abschnitt 221 beschriebenen groszligen Kardan-Goniophotometers sehr aumlhnlich Aber es gibt ein zusaumltzliches wichtiges Element den sogenannten Zeitstempel Da ein weit verteiltes Datenerfassungssystem vorliegt wird ein Mecha-nismus zur Datensynchronisierung in Form eines 1-Mhz-Taktes verwendet Dieser ist im gesamten System verfuumlgbar Beim Messungsstart synchron gestartete Zaumlhler erlauben daher die spaumltere Synchronisierung aller angefallenen Daten Wie beschrieben ist die Position jeder Achse und damit die Position und Orientierung des Photometers das Ergebnis eines Regelprozesses Somit ist es not-wendig die tatsaumlchliche Position und Orientierung des Photometers aus den gespeicherten Daten der Winkelencoder zu berechnen

In der Robotik ist es uumlblich einen Roboter des

verwendeten Typs wie eine biegesteife mechani-sche Kette mit sogenannten Denavit-Hartenberg-Parametern (DH-Parameter) zu beschreiben [9] Die Tabelle 1 zeigt diese DH-Parameter am Beispiel des Roboters 1

Mit diesen Parametern und den aktuellen Winkeln θi fuumlr jede Achse ist die Berechnung der Position bzw Orientierung der siebten Achse in Basis-Koordinatensystem des Roboters moumlglich Hierzu werden 7 Matrizen nach Gleichung (18) ver-wendet Jede Matrize beschreibt die Position (blau) und Orientierung (gruumln) jeder einzelnen Achse

Die PositionierungOrientierung der Achse 7 ergibt sich aus dem Vektorprodukt T1 T2 T3 T4 T5 T6 T7

Um jedoch die Koordinaten in Bezug auf das Koordinatensystem der fiktiven Kugel zu erhalten muumlssen 2 weitere aumlhnliche Matrizen verwendet werden Die sogenannte Base Frame Matrix F beschreibt die Positionierung und Orientierung des Roboter-Koordinatensystems zum Koor-dinatensystem der fiktiven Kugel waumlhrend die Matrix W die Positionierung und Orientierung des Photometers zur Achse 7 beschreibt Nun laumlsst sich die Position und Orientierung des Photome-ters P im Koordinatensystem der fiktiven Kugel mit Gleichung (19) beschreiben

P = F T1 T2 T3 T4 T5 T6 T7 W (19)

axisi Δθi offset to rotation around Z-axis

αi rotation around X-axis

di

translation in Z-axis

αi

translation in X-axis

1 ndash1438deg 45024deg 0000 mm ndash0400 mm

2 191088deg ndash90026deg 2686322 mm 0696 mm

3 178585deg 89996deg 274088 mm 0781 mm

4 6229deg ndash90022deg 1410499 mm 0474 mm

5 ndash0141deg ndash89955deg 173036 mm ndash0779 mm

6 ndash0924deg 90032deg 1191007 mm 0223 mm

7 180443deg 90007deg 91130 mm 0000 mm

Tabelle 1 DH-Parameter von Roboter 1

T

a

i

i i i i i i i i i i i

=

+( ) minus +( ) +( ) +cos sin cos sin sin cos∆ ∆ ∆ ∆θ θ θ θ α θ θ α θ θ(( )+( ) +( ) minus +( ) +sin cos cos cos sin sin∆ ∆ ∆ ∆θ θ θ θ α θ θ α θ θi i i i i i i i i i ia (( )

00 0 0 1

sin cosα αi i id

(18)

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PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4Das Jahr des Lichtes

Bild 9 zeigt die Achsenkoordinatensysteme (17) das Base-Frame-Koordinatensystem und das Koordinatensystem des Photometers zur Achse 7 in schematischer Weise Das Koordinatensys-tem der fiktiven Kugel faumlllt mit dem Zentrum des Goniophotometers zusammen und wird mit Center bezeichnet P ist jetzt auf dieses Center-Koordinatensystem bezogen Zusaumltzlich ist eine typische Bahn eingezeichnet Wegen des aller-dings nicht dargestellten Lampenhalters ist diese Bahn im oberen Bereich verdichtet um eine Kollision mit dem Lampenhalter zu vermeiden Wie bereits erwaumlhnt setzt die Verwendung von Gleichung (19) einen biegesteifen Roboter voraus der in der Praxis nicht existiert P ist also von statischen Gewichtskraumlften des Roboters dyna-mischen Kraumlften infolge der Bewegung als auch von thermischen Laumlngenaumlnderungen uumlberlagert Daher muss Gleichung (19) um eine entspre-chende Korrektur C erweitert werden Glei-chung (20) zeigt nun das endguumlltige Modell zur Bestimmung von P

wobei C

t tT Rθ θ

θ θ1 7

1 7 dd

dd amb

diese finale Korrektur basierend auf den Winkeln θ1θ7 aller Achsen ihren zeitlichen Ableitungen

dd

dd

θ θ1 7

t t

und der Umgebungstemperatur Tamb beschreibt

Der letzte Parameter R steht fuumlr einen groszligen Datensatz und beschreibt Eigenschaften des Roboters wie Abmessungen Teilmassen usw Die Berechnung von C() ist aufwendig und wurde vom Hersteller des Roboters ausgefuumlhrt Aus Gruumlnden des Wettbewerbs muss diese Berechnung vertrau-lich behandelt werden und kann daher hier nicht veroumlffentlicht werden Jedoch kann die Wirkung von C() beispielhaft auf den Messradius mitgeteilt werden (siehe Bild 10)

Die noumltige Radiuskorrektur rcorr bewegt sich im Bereich ndash2 mm lt rcorr lt 3 mm je nach Position (θ φ) des Photometers Der Aumlquatorbereich benouml-tigt eine groumlszligere Korrektur infolge hier wirksamer groumlszligerer Zentrifugalkraumlfte als die Polregion Der Radius selbst laumlsst sich dann aus der Positionssub-matrix von P bestimmen

Der Signalfluss stimmt im Wesentlichen mit dem wie in Bild 5 gezeigt uumlberein Prinzipiell kann der Lichtstrom mit den Gleichungen (11) und (10) berechnet werden da aber nun 2 Photometer benutzt werden muss dies fuumlr jede Hemisphaumlre also fuumlr jeden Roboter separat geschehen Die Gleichungen (21) und (22) demonstrieren das

Bild 9 Koordinatensystem des Roboter-Gonio-photometers und Beispielbahn

P Ct t

T R F T T T T T T=

sdot sdot sdot sdot sdot sdot sdot sdotθ θ

θ θ1 7

1 71 2 3 4 5 6

dd

dd amb TT W7 sdot

(20)

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PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4 Kurze Geschichte der Goniophotometrie in der PTB

fuumlr Roboter 1 Der Radius r1i befindet sich dabei innerhalb der Summation von Gleichung (22) Das Roboter-Goniophotometer ist zusaumltzlich mit einem Monitorphotometer ausgeruumlstet Dieses Photometer wird waumlhrend der Messung nicht bewegt ist aber staumlndig von einem fixen Punkt aus auf die zu untersuchende Lampe gerichtet und erlaubt somit die Korrektur einer moumlglichen Alterung der Lampe waumlhrend des Messprozesses als Funktion der Zeit (cmon(t1i))

Es w R

fyt

fi jj

ni j

i j1

1 1 11

1

1

11 0

12

1

=

( )sdot minus

=sumπ

ϕf g

q∆∆

∆

(21)

Φ1 1 1 12

1 1 1 12= sdot sdot sdot sdot ( ) sdot minus( )+c c r c ti i i ii

str spec mon cos cosπ ϑ ϑ==

minus

sum sdot0

1

1

1m

iE

(22)

Roboter 2 wird in gleicher Weise behandelt und der Lichtstrom ergibt sich somit aus der Summe von Φ1 und Φ2 korrigiert mit dem elektrischen Korrekturfaktor celec aus Gleichung (15)

Φ Φ Φ= sdot +( )celec 1 2 (23)

Die Bestimmung der Streulichtkorrektur cstr unter-scheidet sich methodisch von jener des Kardan-Goniophotometers Es ist schwierig Blenden zwischen Photometer und Lampe zu positionieren wie in [5] beschrieben Hier wird die Streulicht-korrektur cstr direkt aus der Leuchtdichteverteilung auf den Waumlnden des Messraums bestimmt Mit der Kenntnis der geometrischen und photometrischen Eigenschaften des Raumes der raumlumlichen Licht-staumlrkeverteilung der Lampe und dem verwendeten Streulichttubus vor dem Photometer lieszlige sich die Streulichtkorrektur cstr berechnen Hier jedoch wird diese Korrektur mit sogenannten Back-Loo-king-Photometern bestimmt [11]

Bild 11 zeigt ein Foto der bdquoRoboterhandldquo mit mon-tiertem Photometer und Back-Looking-Photometer Letzteres ist ein wenig schraumlg ausgerichtet um nicht im Bereich des Schattenwurfs des Photome-ters auf den Waumlnden zu messen

Bild 12 zeigt beispielhaft eine typische in finite Flaumlchenelemente gerasterte Streulichtsituation im Goniophotometermessraum wie sie durch die zu untersuchende Lichtquelle generiert wird Dieses Beispiel arbeitet mit finiten Flaumlchen der Groumlszlige 05 m middot 05 m um die Flaumlchen sichtbar zu machen Zur realen Berechnung werden Flaumlchen der Groumlszlige 01 m middot 01 m verwendet Natuumlrlich ist der Streulichtanteil auf der aktiven Flaumlche des

Bild 10Wirkung der Radiuskorrektur

Bild 11 Photometer (links) und Back-Looking-Photometer (rechts)

Bild 12 Wirkung des Streulichts und seine Bestimmung

28

PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4Das Jahr des Lichtes

Photometers eine Funktion des Gesichtsfeldes des jeweils verwendeten Streulichttubus vor dem Photometer Derzeit werden 2 Tuben je nach Groumlszlige der Lichtquelle mit Oumlffnungswinkeln von ca 15deg und ca 225deg verwendet Ihre typischen Korrekturwerte betragen etwa 09995 und 09990 Da jeder Messroboter mit diesem Back-Looking-Photometer ausgeruumlstet ist kann so der Streulicht-anteil fuumlr jedes Photometer bestimmt werden Da die Back-Looking-Photometer bdquoruumlckwaumlrtsldquo gerichtet sind wird also jeweils die Streulichtkorrektur fuumlr den gegenuumlberliegenden Messroboter bestimmt Damit ist es moumlglich den Wert des Lichtstroms mit zugehoumlriger Messunsicherheit zu bestimmen Tabelle 2 illustriert Ergebnisse einer vereinfachten Monte-Carlo-Simulation (MC) am Beispiel einer OSRAM-Wi4-Lichtstrom-Normallampe Ihre Lichtstaumlrkeverteilung ist in Bild 13 wiedergegeben

Die MC basiert auf den folgenden Gleichun-gen (24) Werte der wichtigsten Beitraumlge zur Mes-sunsicherheit koumlnnen der Tabelle 2 entnommen werden Eine detailliertere Beschreibung der Roboter und Analyse der Messunsicherheit kann [12] entnom-men werden

Bild 13 Raumlumliche Lichtstaumlrkeverteilung einer OSRAM-Wi4-Lichtstrom-Normallampe

Quantity Symbol Value Uncertainty Unit Sensitivity Contribution lm Relative contribution

Luminous responsivity 1 s1 3065E-10 9195E-13 A lxndash1 188E+12 173 000150

Luminous responsivity 2 s2 4111E-10 12333E-12 A lxndash1 143E+12 177 000153

Spectral matching exponent 1 m2 y 0021 0015 1 20 030 000026

Spectral matching exponent 2 m2 y 0036 0015 1 18 027 000023

CCT or distribution temperature T 2762 10 K 0012 012 000011

Uncertainty in r Δr 0000 00020 m 901 180 000156

Calibration factor for frequency F cFH 1000 00005 1 1141 057 000049

Calibration factor for frequency ƒ cFD 1000 00050 1 104 005 000005

Voltage to frequency converter 1 w1 f 500849 25 Hz Vndash1 0012 031 000027

Voltage to frequency converter 2 w2 f 500561 25 Hz Vndash1 00118 029 000026

Amplification gain 1 R1 g 1000E+09 99996 Ω 6223E-07 006 000005

Amplification gain 2 R2 g 9997E+08 99966 Ω 5430E-07 005 000005

Calibration factor for cmon ccm 1000 00005 1 1162 058 000050

Correction factor for stray light cstr 09995 00005 1 1134 057 000049

Luminous flux Φ 11541 327 00028

Tabelle 2 Unsicherheitsbudget

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PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4 Kurze Geschichte der Goniophotometrie in der PTB

Somit ergibt sich zurzeit eine erweiterte Mess-unsichert von 056 fuumlr k = 2 Dies entspricht etwa der Messunsicherheit welche mit dem groszligen Kardan-Goniophotometer erreichbar war Im Unterschied zum Kardan-Goniophotometer (fester Messradius) verfuumlgt das Roboter-Goniophotometer jedoch uumlber die noumltige hohe Flexibilitaumlt (z B durch Variation des Messradius) die noumltig ist um kuumlnftige Anforderungen erfuumlllen zu koumlnnen Eben diese hohe Flexibilitaumlt fuumlhrt bei der Bestimmung des Messradius zu relativ groszligen Messunsicherheiten Hier koumlnnte die Verwendung einer Lookup-Table oder eine On-Line-Verfolgung mittels Tracer-Syste-men der Bahnen diese Unsicherheit verkleinernMittlerweile ist das Roboter-Goniophotometer voll-staumlndig charakterisiert und wird fuumlr beleuchtungs-staumlrkebasierte Lichtstromkalibrierungen und auch fuumlr internationale Vergleiche eingesetzt Damit werden auch die Anforderungen (15ndash17) erfuumllltIm naumlchsten Schritt wird das Roboter-Goniopho-tometer mit Leuchtdichtemesskameras ausgeruumlstet

werden um es als bdquoNahfeld-Goniophotometerrdquo einzusetzen Es wird dann die direkte Messung der Leuchtdichteverteilung erlauben aus welcher nahezu alle noumltigen photometrischen Groumlszligen abgeleitet werden koumlnnen Dieser kuumlnftige Schritt wird dann auch den letzten Punkt (18) der Anfor-derungen erfuumlllen

3 Zusammenfassung

Die Geschichte der Goniophotometrie in der PTB uumlber einen Zeitraum von mehr als 50 Jahren wird praumlsentiert Verschiedene Goniophotometer ange-fangen vom manuell bewegten Einarm-Goniopho-tometer mit visuellem Photometer uumlber das groszlige und kleine Kardan-Goniophotometer bis hin zum bdquoState-of-the-art-Roboter-Goniophotometerldquo fuumlr das 21 Jahrhundert werden beschrieben Das Letztere hat das Potenzial in der traditionellen Betriebsart aber auch im Nahfeldmodus uumlber viele Jahre eingesetzt zu werden Neu aufkommende

Quantity Symbol Value Uncertainty Unit Sensitivity Contribution lm Relative contribution

Luminous responsivity 1 s1 3065E-10 9195E-13 A lxndash1 188E+12 173 000150

Luminous responsivity 2 s2 4111E-10 12333E-12 A lxndash1 143E+12 177 000153

Spectral matching exponent 1 m2 y 0021 0015 1 20 030 000026

Spectral matching exponent 2 m2 y 0036 0015 1 18 027 000023

CCT or distribution temperature T 2762 10 K 0012 012 000011

Uncertainty in r Δr 0000 00020 m 901 180 000156

Calibration factor for frequency F cFH 1000 00005 1 1141 057 000049

Calibration factor for frequency ƒ cFD 1000 00050 1 104 005 000005

Voltage to frequency converter 1 w1 f 500849 25 Hz Vndash1 0012 031 000027

Voltage to frequency converter 2 w2 f 500561 25 Hz Vndash1 00118 029 000026

Amplification gain 1 R1 g 1000E+09 99996 Ω 6223E-07 006 000005

Amplification gain 2 R2 g 9997E+08 99966 Ω 5430E-07 005 000005

Calibration factor for cmon ccm 1000 00005 1 1162 058 000050

Correction factor for stray light cstr 09995 00005 1 1134 057 000049

Luminous flux Φ 11541 327 00028

Φ = sdot

sdot

+ sdot sdotminus

c JJ

TT

r r c c tm

m

i i

y

strA

cm monj

0

12

1

1

( ) ∆ (( )sdot minus( ) sdotsdot sdot minus

+=

minus=sumsum

cos cosFH FD

ϑ ϑ

ϕ

1 1 10

1 11

11

1

i ii

m jj

n

i jc F c∆ sdotsdot( )sdot sdot

+

+ sdot sdot (

f

s w R

TT

r r c c tm

i i

y

1 0

1 1 1

22

2

2

( )

f g

Acm mon∆ ))sdot minus( ) sdot

sdot sdot minus sdot

+=

minus=sumsum

cos cosFH FD

ϑ ϑ

ϕ

2 2 10

1 11

22

2

i ii

m jj

n

i jc F c∆ ff

s w R

2 0

2 2 2

( )sdot sdot

f g

(24)

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PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4Das Jahr des Lichtes

Anforderungen fuumlr die Ruumlckfuumlhrung photome-trischer Einheiten wie beispielsweise im Solid-State-Lighting-Bereich koumlnnen so erfuumlllt werden

Literatur

[1] Y Ohno 1995 Realization of NIST Luminous Flux Scale Using an Integrating Sphere with an External Source CIE Proceedings 23rd Session New Delhi

[2] R Sewig 1938 Handbuch der Lichttechnik Band 1 pp 319 321 Berlin Springer Verlag

[3] D Foumlrste 1966 Zur Lichtstrommessung an Lam-pen mit ungleichmaumlszligiger Lichtverteilung PTB-Mitteilungen 166 pp 18ndash20 Braunschweig PTB

[4] D Foumlrste 1979 Ein Goniophotometer zur genauen Bestimmung des Lichtstroms Licht-Forschung 1 Jahrgang 379 pp 30ndash36 Heidelberg Huumlthig Verlag

[5] D Foumlrste 1980 Elimination des Fremdlichts bei der Lichtstrombestimmung mit dem Gonio-photometer Licht-Forschung 2 Jahrgang 180 pp 27ndash29 Heidelberg Huumlthig Verlag

[6] W Erb 1997 PTB Network for realization and maintenance of the candela Metrologia 3497 pp 115ndash124 Bristol UK

[7] G Sauter 1996 Kalibrierung von Lichtstaumlrke-Normallampen und Angabe der Messunsicherheit PTB interner Bericht Braunschweig PTB

[8] G Sauter 1996 Goniophotometry new calibra-tion method and instrument design Metrologia 32 (199596) pp 685ndash688 Bristol UK

[9] httpenwikipediaorgwikiDenavit-Hartenberg_Parameters (letzter Aufruf 03122015)

[10] M Lindemann 2009 Photometry and Colori-metry of Reference LEDs by Using a Compact Goniophotometer MAPAN ndash Journal of Metro-logy Society of India Vol 24 No 3 pp 143ndash152 New Delhi India

[11] G Bizjak 2009 Determination of Stray Light at the PTB Goniophotometer Facility MAPAN ndash Jour-nal of Metrology Society of India Vol 24 No 3 pp 163ndash173 New Delhi India

[12] M Lindemann et al 2015 Robot goniopho-tometry at PTB Metrologia 52 pp 167ndash194 Bristol UK

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PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4Das Jahr des Lichtes

1 Eine einleitende Beschreibung von Gluumlhlampen LEDs und OLEDs

Der Einsatz Licht Emittierender Dioden (LED) in der Allgemeinbeleuchtung hat in den vergangenen Jahren erheblich zugenommen Ein entscheiden-der Vorteil der LED gegenuumlber der traditionellen Gluumlhlampe liegt in ihrer uumlberlegenen Lichtaus-beute ηv ndash dem Verhaumlltnis des emittierten Licht-stroms Φv und der aufgenommenen elektrischen Leistung Pel angegeben in LumenWatt

Dieser Vorteil beruht auf den Unterschieden der zugrunde liegenden Technologien der Lichterzeu-gung beider Lampentypen Bei einer (Halogen-)Gluumlhlampe wird der Gluumlhfaden durch elektrischen Strom auf Temperaturen um 3000 K aufgeheizt Obwohl hierbei fast die gesamte elektrische Leis-tung in Strahlung umgewandelt wird ndash Verluste durch thermische Konvektion oder Waumlrmeleitung sind gering ndash kann das menschliche Auge lediglich einen geringen spektralen Anteil der ungefaumlhr 5 der Gesamtstrahlungsleistung ausmacht wahr-nehmen Der Groszligteil der Strahlungsleistung liegt im infraroten Spektralbereich und kann nicht fuumlr Beleuchtungszwecke genutzt werden In Bild 1 ist die spektrale Verteilung einer Gluumlhlampe bei einer Temperatur von 2856 K im Spektralbereich

von 300 nm bis 1200 nm dargestellt Das sichtbare Licht im Spektralbereich zwischen 360 nm und 830 nm ist mit den entsprechenden Spektralfarben hinterlegt Oberhalb 830 nm beginnt der fuumlr das menschliche Auge unsichtbare infrarote Anteil der Strahlung

Der fuumlr photometrische Messungen normativ festgelegte spektrale Hellempfindlichkeitsgrad V(λ) also die Hellempfindlichkeit des Auges eines bdquoNormalbeobachtersldquo ist mit seinem Maximum bei 555 nm schwarz eingezeichnet

Da die Gluumlhlampe eine thermische Strahlungs-quelle ist verschiebt sich mit zunehmender Tem-peratur die Lage des Strahlungsmaximums ent-sprechend des Wienschen Verschiebungsgesetzes zu kuumlrzeren Wellenlaumlngen Um die Lichtausbeute von Gluumlhlampen zu erhoumlhen muumlsste man das Strah-lungsmaximum durch Temperaturerhoumlhung in den kurzwelligeren Bereich des sichtbaren Lichts verschieben Die Maximaltemperatur ist jedoch bei Gluumlhfaumlden aus Wolfram auf etwa 3000 K begrenzt ndash bei houmlheren Temperaturen nimmt die Lebensdauer drastisch ab

Das Funktionsprinzip einer LED-Lichtquelle basiert auf dem Phaumlnomen der Elektrolumines-zenz Der prinzipielle Aufbau einer LED aumlhnelt einer pn-Halbleiterdiode Durch Anlegen einer Gleichspannung rekombinieren Ladungstraumlger in der p-n-Grenzschicht der Leuchtdiode unter Emission von Strahlung Durch gezielte Auswahl der verwendeten Halbleitermaterialien und ihrer Dotierung wird deren Bandluumlcke und somit die Farbe des emittierten Lichtes bestimmt Im Jahr 1992 gelang der Durchbruch in der Entwicklung hocheffizienter blauer LEDs die den Einsatz von LEDs zur Allgemeinbeleuchtung erst ermoumlgli-chen Die zugrunde liegenden Forschungsarbei-ten wurden 2014 mit dem Nobelpreis fuumlr Physik gewuumlrdigt [1]

Eine schmalbandige Lichtemission ist charak-teristisch fuumlr LEDs Dementsprechend verfuumlgt ihr Licht uumlber eine hohe Farbsaumlttigung Durch die Bedeckung des LED-Chips mit breitbandig pho-tolumineszierenden Farbstoffen wird ein Teil der Strahlung in energieaumlrmeres langwelligeres Licht konvertiert und es entstehen Mischfarben wie

Metrologie fuumlr moderne Lichtquellen LEDs und OLEDs Thorsten Gerloff

Thorsten Gerloff Arbeitsgruppe bdquoPhotometrieldquo EshyMail thorstengerloffptbde

Bild 1 Spektrale Verteilung einer Gluumlhlampe und spektraler Hellempfindlichkeitsgrad (V(λ)-Funktion)

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PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4 Metrologie fuumlr moderne Lichtquellen

i Infokasten LED

Lichtausbeute einer Strahlungsquelle ηv

Die Lichtausbeute einer Strahlungsquelle gibt das Verhaumlltnis aus ausgestrahltem Lichtstrom und aufgenommener elektrischer Leistung an Die Einheit ist LumenWatt (lmW) Je houmlher die Lichtausbeute ist umso energieeffizienter ist die Beleuchtung Gluumlhlampen besitzen Lichtausbeuten zwischen 10 und 20 lmW

Lichtstrom Φv

Der Lichtstrom beruumlcksichtigt den Hellempfind-lichkeitsgrad V(λ) des Auges und gibt die in alle Raumrichtungen abgegebene bdquoLichtleistungldquo einer Lampe an Der Lichtstrom enthaumllt keine Information daruumlber wie die Lampe das Licht im Raum verteilt Der Lichtstrom gibt an wie hell ein beleuchteter Raum dem Menschen erscheint

Spektraler Hellempfindlichkeitsgrad V(λ)

Der exakt definierte spektrale Hellempfindlich-keitsgrad V(λ) ist eine Bewertungsfunktion fuumlr elektromagnetische Strahlung Hiermit wird der bdquoHelligkeitseindruck eines menschlichen Durch-schnittsaugesldquo berechnet Dies ermoumlglicht den objektiven Vergleich von Lichtquellen mit physika-lischen Messmethoden Subjektive Wahrnehmun-gen einzelner Menschen koumlnnen damit nicht exakt wiedergegeben werden

Aumlhnlichste Farbtemperatur TN

Es gibt unterschiedliche Farbtemperaturen in der Photometrie Verhaumlltnis- und Verteilungstem-peratur sind nur bei thermischen Strahlern wie der Gluumlhlampe anwendbar Nur die aumlhnlichste Farbtemperatur (englisch Correlated Colour Temperature CCT) laumlsst sich fuumlr Lichtquellen mit beliebiger spektraler Zusammensetzung berech-nen sofern die Normfarbwertanteile aumlhnlich einem thermischen Strahler sind Die aumlhnlichste Farbtemperatur wird in der Einheit Kelvin (K) angegeben Sie gibt an ob das Licht warmweiszlig (ca 3000 K) neutralweiszlig (ca 4500 K) oder tages-lichtweiszlig (gt5500 K) erscheint

Normfarbwertanteile (x y)

Fuumlr die Angabe von Farbe gibt es neben dem spek-tralen Hellempfindlichkeitsgrad V(λ)noch weitere definierte Bewertungsfunktionen Hiermit laumlsst sich die Farbwahrnehmung eines fiktive Normalbeob-achters aus der gemessenen spektralen Verteilung des Lichts durch Angabe von nur zwei Werten (x und y) angeben Diese Werte geben die Koordi-naten auf der Normfarbtafel (s Abbildung) an

Normfarbtafel

Farbwiedergabeindex Ra

Der Farbwiedergabeindex ist eine Kennzahl fuumlr Lichtquellen der bewertet die Qualitaumlt der Farb-wiedergabe Je houmlher der Wert desto besser ist die Farbwiedergabe Der Maximalwert liegt bei 100 Werte zwischen 90 und 100 geben eine ausgezeich-nete Farbwiedergabe an Werte unter 80 sind fuumlr viele Anwendungen nicht ausreichend

Im Folgenden soll ein kleiner Leitfaden gegeben werden der in allgemeinverstaumlndlicher Form die grundlegenden Ideen wichtiger lichttechnischer Groumlszligen erlaumlutern soll Komplexe Details der zugrunde liegenden Normen und Definitionen werden hierbei nicht beruumlcksichtigt

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PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4Das Jahr des Lichtes

Pastellfarbtoumlne oder auch weiszliges LichtIn Bild 2 sind die spektralen Verteilungen einer

LED mit und ohne Leuchtstoff abgebildet In der linken Abbildung erkennt man die schmalbandige blaue Emission des LED-Chips In der rechten Abbildung wird ein Teil dieser Strahlung durch einen Leuchtstoff in laumlngerwelliges Licht konver-tiert und die Mischfarbe erscheint weiszlig

Der Vorteil einer LED gegenuumlber einer Gluumlh-lampe bezuumlglich der Lichtausbeute ist offensicht-lich Es wird ndash von unvermeidbarer thermischer Verlustleistung abgesehen ndash nur Strahlung im sichtbaren Wellenlaumlngenbereich emittiert Daruumlber hinaus ist die Farbe des Lichts von LEDs durch Kombination verschiedener Leuchtstoffe und LEDs nahezu beliebig einstellbar und man ist nicht auf aumlhnlichste Farbtemperaturen von ca 3000 K wie bei der Gluumlhlampe begrenzt

Allerdings gibt es auch Nachteile gegenuumlber dem Licht einer Gluumlhlampe Dem typischen Spektrum einer LED-Lichtquelle fehlen im Gegensatz zu Sonnenlicht oder Gluumlhlampenlicht einzelne Spekt-ralfarben Dies macht sich negativ bei der Qualitaumlt der Farbwiedergabe bemerkbar

Die Farbe des emittierten Lichts einer LED laumlsst sich durch additive Farbmischung sehr aumlhnlich zu Sonnenlicht oder auch Gluumlhlampenlicht einstellen Wenn jedoch Objekte mit Licht beleuchtet werden kommt es auch auf die spektrale Zusammensetzung des Lichts an Nehmen wir einen Blumenstrauszlig aus roten Rosen der im Tageslicht steht Im Son-nenlicht sind alle Spektralfarben vorhanden und diese beleuchten die Rosen Die roten Bluumltenblaumltter absorbieren einige spektrale Anteile des Lichts und reflektieren im Wesentlichen rotes Licht welches in das Auge des Betrachters faumlllt Wenn die Rosen von einer anderen Lichtquelle beleuchtet werden in der die roten Spektralanteile zumindest teilweise fehlen koumlnnen diese nicht reflektiert werden und die Farben der Rosen erscheinen unnatuumlrlich

Dies ist von weitreichender Bedeutung fuumlr die Wahl einer geeigneten Lichtquelle da wir einen Kompromiss aus Licht mit guter Farbwieder-gabe und hoher Lichtausbeute schlieszligen muumlssen Licht mit hoher Farbwiedergabe setzt sich aus moumlglichst vielen Spektralfarben zusammen und Lichtquellen mit hoher Lichtausbeute sollten nur Spektralfarben beinhalten fuumlr die das menschliche Auge besonders empfindlich ist In den Auszligenbe-zirken vieler Staumldte werden zur Nachtbeleuchtung der Gehwege haumlufig Natriumdampflampen mit orangefarbenem Licht eingesetzt Die Lichtaus-beute dieser Lampen ist mit etwa 150 lmW auszligerordentlich hoch da das menschliche Auge in diesem Spektralbereich sehr empfindlich ist Diese Beleuchtung ist jedoch ungeeignet um Farben natuumlrlich wiederzugeben Aufgrund des Aufbaus des menschlichen Auges ist es also nicht moumlglich eine Beleuchtung mit sehr hoher Qualitaumlt der Farbwiedergabe bei gleichzeitig sehr hoher Lichtausbeute zu realisieren

Weiszlige LEDs zur Allgemeinbeleuchtung nutzen in der Regel Leuchtstoffe die teilweise qualita-tiv hochwertige Farbwiedergabeeigenschaften besitzen Eine weitere Methode zur Erzeugung von weiszligem Licht ist das Mischen von rotem gruumlnem und blauem Licht (RGB-Verfahren) welches die Grundlage jedes Displays ist Hierbei sind neben weiszligem Licht auch andere Lichtfarben moumlglich ndash die Farbwiedergabeeigenschaften sind allerdings schlecht Fuumlr die Endverbraucher sind in der Regel die Farbwiedergabeeigenschaften von Lichtquellen als Ra-Werte auf der Verpackung angegeben

Organische Licht Emittierende Dioden (OLED) sind eine junge Beleuchtungstechnologie die noch keinen Zugang zum Massenmarkt erhalten hat Die weltweit erste kommerzielle OLED-Leuchte wurde 2008 vertrieben Der fuumlr den Nutzer wesentliche Unterschied zwischen OLEDs und LEDs besteht im Aufbau Der leuchtende Kristall

Bild 2 Spektrale Verteilung einer blauen LED (links) und einer weiszligen LED (rechts) bei der ein Teil des blauen Lichts zu gelbem Licht konvertiert wurde

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PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4 Metrologie fuumlr moderne Lichtquellen

anorganischer LEDs besitzt eine maximale Kan-tenlaumlnge von etwa einem Millimeter Bei OLEDs wird das Licht in groszligflaumlchigen amorphen organi-schen Schichten erzeugt Momentan sind OLEDs mit leuchtenden Flaumlchen von bis zu 20 x 20 cmsup2 erhaumlltlich Das Licht wird aumlhnlich wie bei LEDs durch Ladungstraumlgerrekombination unter Auftre-ten von Elektrolumineszenz erzeugt Dabei ist das Emissionsspektrum der verwendeten organischen Emittermaterialien wesentlich breitbandiger als das einer LED (vgl Bild 3) Daher wird das weiszlige Licht von OLEDs in der Regel durch Verwendung von roten gruumlnen und blauen Emittermaterialien erzeugt ohne dass die Farbwiedergabeeigenschaf-ten sehr stark darunter leiden

2 Entwicklung von (O)LED-Transfer-normalen in der PTB

Eine der Kernaufgaben der PTB ist die Weiter-gabe der gesetzlichen Einheiten Bis zum heuti-gen Tage bieten Transfernormale in Form von speziellen Gluumlhlampen die besten Eigenschaften um als Maszligverkoumlrperung der Einheiten Candela oder Lumen zu dienen Da der Anwender in der Regel jedoch die Substitutionsmethode bei seinen Messungen anwendet um notwendige Korrektu-ren auf ein Minimum zu reduzieren (Gleiches mit Gleichem vergleichen) sind auch Transfernormale auf Basis der LED-Technologie von Interesse

Bereits in den 80er-Jahren des vergangenen Jahr-hunderts wurden LEDs in der PTB kalibriert Diese waren fuumlr Beleuchtungszwecke noch ungeeignet und dienten lediglich als Signallampen Zeitgleich wurden die ersten PTB-LED-Transfernormale entwickelt deren optische Eigenschaften durch thermische Regelung des LED-Chips stabilisiert wurden Die mechanische Ausrichtung der LEDs leistet aufgrund des typischerweise stark gerichteten Abstrahlprofils der LEDs einen groszligen Beitrag auf die Messunsicherheit Daher werden die LEDs seit

2002 in ein rotationssymmetrisches robustes VA-Stahl-Gehaumluse eingebaut welches sich sehr repro-duzierbar ausrichten laumlsst (vgl Bild 4)

Diese Transfernormale werden unter Konstant-Strom-Bedingungen und ndash durch gezieltes Aufhei-zen des LED-Chips durch den Heizwiderstand ndash unter Konstant-Spannung-Bedingungen betrieben Aufgrund der halbleitenden Eigenschaften sinkt mit steigender Temperatur die Betriebsspannung und sowohl der Lichtstrom als auch die Peakwellenlaumlnge des emittierten Lichts veraumlndert sich Die Sollspan-nung wird auf einen Wert festgelegt der unterhalb der Gleichgewichtsspannung durch Eigenerwaumlr-mung im Betrieb ohne Heizwiderstand bei einer Umgebungstemperatur von etwa 35 degC liegt Somit ist auch ein Einsatz der Transfernormale in Laboren ohne Klimatisierung moumlglich

Fuumlr LEDs mit houmlheren Leistungen wurde im Jahr 2011 ein weiterer Prototyp eines Transfernormals vorgestellt (vgl Bild 5) Da die hier verwendeten LEDs eine houmlhere Leistungsaufnahme besitzen werden sie waumlrmer Das reduziert die Lebensdauer und Reproduzierbarkeit der photometrischen

Bild 3 Exemplarische spektrale Verteilung einer weiszligen OLED

Bild 4 Temperaturgeregeltes LED-Transfernormal auf Basis von Kleinleistungs-LEDs mit Lichtstroumlmen von bis zu 10 Lumen

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PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4Das Jahr des Lichtes

Groumlszligen deutlich Daher muumlssen sie gekuumlhlt werden Hierfuumlr kommt bei diesen Normalen ein Peltier-Element zum Einsatz welches geregelt Waumlrme in einen dahinterliegenden Kuumlhlkoumlrper leitet und hierdurch das emittierte Licht stabilisiert Diese Transfernormale zeichnen sich durch ein geringes

Gewicht bei einer Laumlnge von ca 100 mm und einem Durchmesser von etwa 20 mm aus Allerdings ist die Verwendung von LEDs mit sehr hohen Leistun-gen nicht moumlglich da die Abwaumlrme lediglich passiv an den Raum abgegeben wird Eine detaillierte Beschreibung der Eigenschaften dieses Transfer-normals wurde 2012 veroumlffentlicht [2]

Fuumlr die thermische Stabilisierung von LEDs mit sehr hohen Leistungen wurde ein weiteres Trans-fernormal unter Einsatz von Peltier-Elementen Heatpipes und aktivem Kuumlhlsystem in der PTB entwickelt (vgl Bild 6)

Im Rahmen des europaumlischen Forschungspro-jekts OLED100eu wurde in der PTB weiterhin das weltweit erste Transfernormal unter Einsatz einer organischen Leuchtdiode entwickelt (vgl Bild 7) Dieses Normal wurde fuumlr den Einsatz in einer Ulbricht-Kugel konzipiert und in ein mattes Aluminiumgehaumluse eingebaut Eine Besonderheit dieses Normals ist die Stand-Alone-Versorgungs-einheit die ohne Rechner o auml saumlmtliche relevan-ten elektrischen und thermischen Groumlszligen regelt und auf einem USB-Stick speichert

3 LED-Messtechnik in der PTB

Neben LED-Transfernormalen mit guter Reprodu-zierbarkeit ist eine hochentwickelte Messtechnik fuumlr deren Kalibrierung mit minimaler Messunsi-cherheit erforderlich

Die photometrische Beschreibung von LEDs erfolgt durch Angabe ihrer Lichtstaumlrke ILED mit der Einheit Candela und ihrem Lichtstrom ΦLED mit der Einheit Lumen Diese Groumlszligen werden in der PTB unter Verwendung ruumlckgefuumlhrter Photometer bestimmt Hierfuumlr wird die Beleuchtungsstaumlrke ELED unter definierten geometrischen Bedingungen fuumlr alle Abstrahlrichtungen der LED mit einem Goniophotometer gemessen

Fuumlr die Bestimmung der colorimetrischen Werte kommen Spektralradiometer zum Einsatz Hiermit werden spektrale Bestrahlungsstaumlrken gemessen und daraus die abgeleiteten colorime-

Bild 5 Temperaturgeregeltes LED-Transfernormal auf Basis von Hochleistungs-LEDs mit Lichtstroumlmen von bis zu 100 Lumen Im rechten Bild ist die Temperaturverteilung in Grad Celsius waumlhrend des Betriebs abgebildet

Bild 6 Temperaturgeregeltes LED-Transfernormal auf Basis von Houmlchstleistungs-LEDs mit Lichtstroumlmen von bis zu 2500 Lumen

Bild 7 Temperaturgeregeltes OLED-Transfernormal auf Basis kommerziell erhaumlltlicher OLEDs

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PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4 Metrologie fuumlr moderne Lichtquellen

trischen Kenngroumlszligen wie z B die Normfarb-wertanteile (x y) bei weiszligen LEDs die aumlhnlichste Farbtemperatur TN mit der Einheit Kelvin und bei farbigen LEDs die dominante Wellenlaumlnge λdom berechnet Grundlegende Informationen und Definitionen uumlber die photometrischen und colorimetrischen Groumlszligen und deren Messung sind in [3] [4] und [5] zu finden

In Bild 8 ist der Aufbau des LED-Messplatzes an der PTB zu sehen Fuumlr die Bestimmung der Mess-groumlszligen in alle raumlumlichen Abstrahlwinkel wird die LED durch ein Goniophotometer bewegt

Die LED wird in horizontaler Betriebslage zentrisch normal zur Referenzebene des Photo-meterkopfes ausgerichtet Ein Translationstisch ermoumlglicht dabei eine Variation des Abstandes d zwischen Photometer und LED Eine horizontale Rotationsachse (φ-Achse) und eine senkrechte Rotationsachse (ϑ-Achse) die sich an der LED-Spitze im rechten Winkel schneiden erlauben durch Drehung der LED eine Bestimmung der Beleuchtungsstaumlrke ELED in alle Raumrichtungen Beide Rotationsachsen werden waumlhrend der Messung zeitgleich bewegt Hierdurch bewegt sich die relative Position der lichtempfindlichen Emp-faumlngeroumlffnung bezuumlglich des Schnittpunkts beider Drehachsen auf der Oberflaumlche einer virtuellen Kugel entlang einer Spiralbahn von bdquoPol zu Polldquo dieser Kugel

Die Bestimmung des Lichtstroms ΦLED erfolgt analog der Beschreibung in dem Kapitel Kurze Geschichte der Goniophotometrie in der PTB Der wesentliche Unterschied zu goniophotome-trischen Messungen an Gluumlhlampen besteht darin dass bei LED-Messungen die Lichtquelle typischerweise bewegt werden kann ohne dass sich ihre optischen Eigenschaften aumlndernAufgrund des stetig wachsenden Bedarfs an ruumlck-gefuumlhrten Kalibrierungen von High-Power-LEDs sind Masse und Abmessungen der Transfernor-male erheblich gestiegen Daher wurde der Mess-platz 2015 um ein weiteres Goniophotometer fuumlr schwere und groszlige Objekte erweitert (vgl Bild 9)

Neben den photometrischen Empfaumlngern befinden sich auch Einkoppeloptiken fuumlr Spekt-ralradiometer auf dem drehbaren Empfaumlngerka-russell Alle Empfaumlnger lassen sich hiermit auto-matisiert waumlhrend einer Messung zu den LEDs ausrichten Vor jeder LED-Kalibrierung werden die Spektralradiometer bezuumlglich Ihrer spektralen Empfindlichkeit und Wellenlaumlnge kalibriert Die entsprechenden Normallampen befinden sich neben dem Empfaumlngerkarussell (vgl Bild 10) und ermoumlglichen so ebenfalls eine automatisierte Messung

Den spektralen Messungen an LEDs kommt neben der Notwendigkeit fuumlr die Bestimmung colorimetrischer Kennzahlen noch eine beson-dere Bedeutung fuumlr die photometrischen Messun-

Bild 9 Goniophotometer fuumlr photometrische Messungen an Hochleistungs-LEDs

Bild 10 Entladungslampen mit verschiedenen Gasfuumlllungen dienen der Wellenlaumlngenka-librierung der Spektrometer Im Hintergrund ist eine Bestrahlungsstaumlrke-Normal-lampe fuumlr die spektrale Empfindlichkeitskalibrierung zu sehen

Bild 8 Goniophotometer fuumlr photometrische Messungen an Kleinleistungs-LEDs

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PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4Das Jahr des Lichtes

gen zu Wie in der Einleitung erklaumlrt unterscheiden sich die spektralen Verteilungen von LEDs und Gluumlhlampen deutlich voneinander Photometerkoumlpfe bestehen in der Regel aus einer Silizium-Photodiode deren spektrale Empfindlichkeit durch den Einsatz von Glasfiltern moumlglichst gut an den Hellemp-findlichkeitsgrad V(λ) angepasst wird Aufgrund internationaler Standardisierung wird die photo-metrische Empfindlichkeit von Photometerkoumlpfen fast ausschlieszliglich fuumlr Normlichtart A kalibriert In der Praxis werden hierfuumlr Gluumlhlampen mit einer Verteilungstemperatur von 2856 K verwendet Wenn man ein solches Photometer fuumlr Messungen an anderen Gluumlhlampen verwendet sind die spektralen Verteilungen meist so aumlhnlich dass nur geringe oder gar vernachlaumlssigbare Korrekturen aufgrund der spektralen Fehlanpassung also der Abweichung der realen spektralen Empfindlichkeit des Photometers von dem Hellempfindlichkeitsgrad notwendig sind Wenn man ein solches Photometer jedoch bei LEDs insbesondere farbigen LEDs einsetzt koumlnnen die Abweichungen aufgrund der spektralen Fehlan-passung sehr groszlig werden (gt10 fuumlr hochwertige Photometerkoumlpfe sind moumlglich)

Mit Kenntnis der relativen spektralen Verteilung der Leuchtdiode SLED(λ) und der relativen spekt-ralen Empfindlichkeit srel(λ) laumlsst sich die spektrale Fehlanpassung durch folgenden Korrekturfaktor cSpek korrigieren

cV S

s S

V P T

sSpek

LED

rel LED

A

rel

d

d

d=

( ) ( )( ) ( )

( ) ( )( )

intint

intλ λ λ

λ λ λ

λ λ λ

λ

intint ( )P Tλ λ A d

P(λ TA) beschreibt Lichtart A durch das Planck-sche Strahlungsgesetz fuumlr TA = 2856 K

Eine detaillierte Auflistung und Diskussion aller zu beruumlcksichtigenden Details bei Kalibrierungen von LEDs und das dazugehoumlrige Messunsicher-heitsbudget soll an dieser Stelle nicht gegeben werden Interessierte Leser koumlnnen hierfuumlr Infor-mationen in einer fruumlheren Veroumlffentlichung [6] oder in den Ergebnissen eines internationalen Vergleichs von LED-Messungen [7] finden

Fazit und Ausblick

Der Verzicht auf LEDs ist fuumlr Beleuchtungsan-wendungen nicht mehr vorstellbar Durch ihre kontinuierliche Weiterentwicklung erobern LEDs immer weitere Anwendungsfelder (z B Haus-halts- Straszligen- und Automobilbeleuchtung) mit denen der Endkunde in Kontakt kommt Bei diesen Anwendungen sind die Anforderungen an die Lichtquellen vielfaumlltig und fuumlr eine quantitative Beschreibung ihrer Eigenschaften muss auch die Messtechnik entsprechend umfassend und ausge-reift sein

Neben dem allgemeinen Forschungs- und Ent-wicklungsbedarf fuumlr bessere LED-Messverfahren und -geraumlte die die Grundlage ihrer technologi-schen Weiterentwicklung bilden gibt es eine weitere Herausforderung Aufgrund der nahezu unbe-grenzten Moumlglichkeiten eine bestimmte Lichtfarbe durch additive Farbmischung zu erhalten sind LEDs verschiedener Hersteller mit unterschiedlichen Emissionsspektren aber einer nominell gleichen aumlhnlichsten Farbtemperatur erhaumlltlich Dennoch ist teilweise ein Unterschied der Lichtfarbe mit bloszligem Auge erkennbar wenn sich unterschiedliche LEDs nebeneinander befinden

Es ist ungewoumlhnlich dass man ohne technische Hilfsmittel nominell gleiche Lichtfarben faktisch unterscheiden kann Um die Charakterisierung von LEDs soweit zu verbessern dass dies nicht mehr moumlglich ist ist einerseits eine Reduzierung der Messunsicherheit bei der Bestimmung der Normfarbwertanteile (Lichtfarbe) notwendig Andererseits muss man sich bewusst machen dass photometrische und colorimetrische Messverfahren auf rein physikalischen Zusammenhaumlngen basieren Individuelle menschliche Wahrnehmung und Sehen werden bei photometrischen Messungen nicht beruumlcksichtigt ndash diese werden durch Festlegung von exakt definierten Wichtungsfunktionen wie dem Hellempfindlichkeitsgrad fuumlr einen fiktiven Normalbeobachter ausgegrenzt Diese Wichtungs-funktionen koumlnnen gegebenenfalls auch noch optimiert werden um die objektive Beurteilung von Lichtquellen mit physikalischen Messmethoden zu verbessern Somit gibt es auch in Zukunft noch interdisziplinaumlre Herausforderungen fuumlr die Metro-logie moderner Lichtquellen

Literatur

[1] httpwwwnobelprizeorgnobel_prizesphysicslaureates2014 (letzter Aufruf 14102015)

[2] T Gerloff M Lindemann S Shirokov M Taddeo S Pendsa A Sperling Development of a new high-power LED transfer standard CIE Proceed-ings 2012

[3] CIE S 017E 2011 ILV International Lighting Vocabulary httpeilvciecoat (letzter Aufruf 03122015)

[4] CIE 127 2007 (2nd edition) Measurement of LEDs

[5] CIE S 025E 2015 Test Method for LED Lamps LED Luminaires and LED Modules

[6] M Lindemann R Maass Photometry and Colo-rimetry of Reference LEDs by Using a Compact Goniophotometer MAPAN ndash Journal of Metrolo-gy Society of India Vol 24 No 3 2009

[7] wwwbipmorg APMPPR-S3a (Averaged LED Intensity) APMPPR-S3b (Total Luminous Flux of LEDs) APMPPR-S3c (Emitted Colour of LEDs)

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Effektpigmente hellipPTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4

Einleitung

Farbe ist fuumlr Menschen die wohl auffaumllligste sub-jektive Stoffeigenschaft Bereits den Fruumlhmenschen war diese visuelle Qualitaumlt bekannt deren Wahr-nehmung allen Primaten eigen ist So wurde 2008 in Suumldafrika eine ca 100000 Jahre alte steinzeitli-che bdquoMalerwerkstattldquo entdeckt [1] Auch heutzu-tage spielt Farbe in der Gestaltung unserer Umwelt eine wichtige Rolle Jedes Jahr praumlsentiert uns die Mode die neuen Farben der Saison Farben dienen zur Regelung des Verkehrs Ohne bunte Farben waumlre unsere Welt trist und oumlde

Es ist wichtig festzustellen dass Farbe ein physiologischer Sinneseindruck ist wie z B auch Tasten oder Riechen D h Farbe ist keine immanente physikalische Eigenschaft eines Gegenstandes wie z B seine Masse oder Waumlrme-leitfaumlhigkeit Die physiologische Wahrnehmungs-kette ist hierbei folgende Das vom betrachteten Gegenstand reflektierte Licht trifft auf das Auge und loumlst hierbei einen Farbreiz aus Dieser Farbreiz beruht auf der spektralen Zusammensetzung des empfangenen Lichts d h er ist abhaumlngig von der verwendeten Lichtquelle und dem spektralen Reflexionsvermoumlgen des betrachteten Objektes Die Anregung der licht- und farbempfindlichen Zellen in der Netzhaut fuumlhrt zu einer Farbvalenz die uumlber den Sehnerv an das Gehirn weitergeleitet wird Die eigentliche Farbempfindung die wir dann mit einem Gegenstand verknuumlpfen entsteht erst im Gehirn [2] Liegt z B eine Farbfehlsich-tigkeit vor so kann der Farbeindruck des betrof-fenen Menschen auch ein ganz anderer sein Auch viele Tiere mit ihren teilweise erheblich abweichenden visuellen Systemen nehmen Farbe ganz unterschiedlich als wir Menschen wahr Im Folgenden soll mit Farbe immer die Koumlrperfarbe auch Gegenstandsfarbe Objektfarbe bzw Oberflauml-chenfarbe genannt einer nicht selbstleuchtenden Flaumlche bezeichnet werden die durch Reflexion von Licht an einem Koumlrper entsteht

Die genannten Zusammenhaumlnge machen die mathematisch-physikalische Beschreibung von Farbe schwierig und aufwendig da auch die spe-zifischen Eigenarten der menschlichen Wahrneh-

mungskette nachgestellt werden muumlssen Diesem Umstand wird versucht uumlber die verschiedenen Farbmaszligsysteme Rechnung zu tragen welche die Farbe eines Objektes mithilfe von quantifizierba-ren Zahlenwerten kennzeichnen [3]

Generell koumlnnen farbige Flaumlchen je nach Tageszeit und Lichteinfall sehr unterschiedlich wirken Die Aumlnderungen basieren hierbei auf der unterschiedlichen spektralen Zusammenset-zung des Tageslichts und den winkelabhaumlngigen Glanz- und Struktureigenschaften von Oberflauml-chen Ganz besonders deutlich ist dies bei auf dem Interferenzeffekt basierenden Effektpigmenten der Fall Deren visuelles Erscheinungsbild im englischen mit Visual Appearance bezeichnet kann sich bei variierendem Beobachtungswinkel und unterschiedlichen Lichtverhaumlltnissen komplett veraumlndern Man spricht hierbei von sogenannten Flop-Lacken wobei man zwischen Hell-Dunkel-Flop und Farb-Flop unterscheiden kann [4]

Generell kann man sagen dass Farbe und visuelle Effekte einen entscheidenden Anteil am Verkaufserfolg eines Produktes haben denn Farben wecken Emotionen und verschiedene Neuro marketingstudien belegen dass ca 95 aller Kaufentscheidungen emotional gepraumlgt sind [5] Deshalb spielt eine moderne Farbgestaltung unter Nutzung aktueller Effektpigmente im Pro-duktdesign eine entscheidende Rolle denn durch den Einsatz solcher Pigmente kann Gegenstaumlnden eine houmlhere Attraktivitaumlt verliehen werden Daher findet man moderne Effektpigmente heutzutage in vielen teilweise sehr unterschiedlichen Indus-trieprodukten wie z B in Autolackierungen Haumluserfassaden Kosmetikartikeln oder sogar bei Pralineacutes wie dies in Bild 1 zu sehen ist

Pigmente

Als Pigmente aus dem Lateinischen kommend von pigmentum fuumlr bdquoFaumlrbestoff Schminkeldquo bezeichnet man aus Teilchen bestehende im Anwendungs-medium praktisch unloumlsliche Sub stanzen die als Farbmittel oder wegen anderer spezieller physika-lischer und chemischer Eigenschaften als funktio-nale Farbzentren verwendet werden [6]

Effektpigmente Eine Herausforderung fuumlr die optische Messtechnik

Egbert Buhr Alfred Schirmacher Andreas Houmlpe

Dr Egbert Buhr Fachbereich bdquoBildshy und Wellenoptikldquo EshyMail egbertbuhrptbde

Dr Alfred Schirmacher Arbeitsshygruppe bdquoReflexion und Transmissionldquo EshyMail alfredschirmacherptbde

Dr Andreas Houmlpe dagger ehemals Arbeitsgrupshype bdquoReflexion und Transmissionldquo

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PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4Das Jahr des Lichtes

In der Natur vorkommende anorganische Pig-mente sind schon seit praumlhistorischen Zeiten bekannt Schon die Menschen der Steinzeit benutzen mineralische Pigmente fuumlr die ersten Houmlhlenzeichnungen Sie erkannten dass sie mit unterschiedlichen Erdsorten farbig malen konnten Eisenoxidhaltige Erden liefern gelbrote bis braunrote Kalk und Gips weiszlige Mangan-oxide sowie Holz- und Knochenkohle schwarze Farbtoumlne

Aus heutiger industrieller Sicht ist ein Pigment ein fein aufgeteilter und unloumlslicher Feststoff mit der Hauptfunktion das Erscheinungsbild des verwendeten Mediums zu verbessern oder es zu faumlrben Pigmente werden dem Medium immer durch physikalisches Mischen beigegeben dies unterscheidet sie von Farbstoffen die in ihrem Medium loumlslich sind

Pigmente koumlnnen nach den optischen Prin-zipien ihrer Wechselwirkung mit Licht unter-schieden und in verschiedene Klassen eingeteilt werden Wichtige Pigmentklassen sind Weiszlig- Bunt- Schwarz- und Effektpigmente die alle wegen ihrer speziellen farbgebenden Eigenschaf-ten eingesetzt werden Bei den Effektpigmenten

kann in einer ersten vereinfachten Einteilung noch zwischen Metalleffekt- und den sogenannten speziellen Effektpigmenten unterschieden werden

Der Begriff bdquospezielle Effektpigmenteldquo umfasst die Gruppen der Perlglanzpigmente und der all-gemeinen Interferenzpigmente welche insbeson-dere bei aktuellen Pigmententwicklungen nicht scharf abgegrenzt werden koumlnnen Perlglanzpig-mente sind Effektpigmente die aus transparenten Plaumlttchen mit hohem Brechungsindex bestehen Sie erzeugen durch die spezielle Form der Mehr-fachreflexion des transmittierten Lichts an mehre-ren Pigmenten einen perlenaumlhnlichen Effekt bei dem die auftreffende Strahlung verteilt reflektiert wird wodurch der Eindruck einer mit der Tiefe abnehmenden diffusen Helligkeit entsteht Fuumlr das Auge ergibt sich so eine scheinbar dreidimen-sionale Glanzcharakteristik die aus der Tiefe des Objektes zu kommen scheint Interferenzpigmente dagegen sind Effektpigmente deren farbgebende Wirkung ganz oder vorwiegend auf dem Effekt der Vielstrahlinterferenz von Licht an duumlnnen hoch-brechenden Schichten beruht Interferenzpigmente koumlnnen dabei sowohl auf transparenten oder auch nichttransparenten Plaumlttchen basieren

Bild 1 a) Roadster mit ChromaFlairreg-Effektpigmentlackierung b) Verwaltungsgebaumlude in Braunschweig verkleidet mit Alucobondreg-spectra-colours-Verbundplatten c) Effektpigmente im Nagellack d) Pralineacute mit Effektpigmentuumlberzug

a

dc

bb

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Effektpigmente hellipPTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4

Die heute verwendeten Pigmente lassen sich somit grob in fuumlnf verschiedene Klassen einteilen

1) Weiszligpigmente Die Pigmente streuen das ge-samte auftreffende Licht nahezu verlustfrei in alle Richtungen durch diffuse ungerichtete Reflexion

2) Buntpigmente Die Pigmente streuen einen Teil des Lichtes diffus und absorbieren wellenlaumln-genselektiv einen anderen Teil des Lichtes

3) Schwarzpigmente Die Pigmente absorbieren alle Wellenlaumlngen des fuumlr das menschliche Auge sichtbaren Spektralbereiches

4) Metalleffektpigmente Die aus duumlnnen Metall-plaumlttchen vorwiegend Aluminium bestehen-den Metalleffektpigmente sind lichtundurch-laumlssig und reflektieren das gesamte auftreffende Licht durch spekulare gerichtete Reflexion Die Pigmentpartikel wirken dabei wie Mikrospie-gel und fuumlhren bei paralleler Ausrichtung im Anwendungsmedium zu einem spiegelnden Metallglanz dem Metallic-Effekt

5) Spezielle Effektpigmente Perlglanz- bzw Inter-ferenzpigmente deren optische Wirkung auf der Mehrfachreflexion an uumlberwiegend flaumlchig aus-gebildeten und ausgerichteten transparenten semitransparenten oder lichtundurchlaumlssigen Partikeln beruht

Weiszlig- Bunt- und auch Schwarzpigmente weisen typische Durchmesser im Bereich von 100 nm bis zu 1 microm auf Ihre Groumlszlige liegt damit zum Teil im Bereich der Wellenlaumlnge des sichtbaren Lichtes welches den Bereich von 380 nm bis 780 nm uumlberdeckt Einige Schwarzpigmente wie z B Ruszlig-pigmente liegen mit ihren Durchmessern jedoch auch zum Teil auch deutlich darunter Effektpig-mente besitzen dagegen Teilchendurchmesser die zumeist im Bereich von 5 microm bis 100 microm in einigen Faumlllen auch daruumlber liegen Sie sind damit bezuumlglich der mittleren Plaumlttchendurch-messer wesentlich groumlszliger als die Wellenlaumlnge des sichtbaren Lichtes Die Dicke der Plaumlttchen liegt von einigen Ausnahmen abgesehen unter 1 microm ebenso wie die Dicke der Interferenzschichten Demzufolge weisen Effektpigmente in der Regel ein hohes Aspektverhaumlltnis auf (Verhaumlltnis der lateralen Ausdehnung einer Struktur zu ihrer Houmlhe) welches bis zu 200 betragen kann

Interferenzpigmente ndash Wie die Farben entstehen

Die Farbe von Interferenzpigmenten haumlngt von der Schichtdicke der Metalloxidbeschichtung und dem Einstrahlungs- und Betrachtungswinkel ab Beide Parameter bestimmen die effektive optische Weg-

laumlngendifferenz fuumlr das einfallende weiszlige Licht zwischen oberer und unterer Grenzflaumlche und die somit auftretenden Interferenzfarben siehe Bild 3

Interferenzpigmente zeigen somit einen aus-gepraumlgten bdquoFarbflopldquo Die Winkelabhaumlngigkeit der Farbe wird hierbei auch als Goniochromasie bezeichnet Richtig bunt geht es zu wenn ein Interferenzpigment auf einen bereits bunten Untergrund aufgebracht wird Die Transparenz der Pigmente laumlsst die Untergrundfarbe durch-

Bild 2 Schematische Diagramme zum spektralen Verhalten verschiedener Pigmenttypen

Bild 3 Die Schichtdicke der Metalloxidbeschichtung und der kombinierte Einstrahlungs- und Betrachtungswinkel bestimmen die optische Weglaumlnge und somit die sich ergebenden Interferenzfarben in Reflexion und Transmission

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PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4Das Jahr des Lichtes

Bild 5 Die Effekte Spar-kling (1) und Coarseness (2) des Effektpigmentes Xirallicreg Crystal Silver in einer vergroumlszliger-ten Aufnahme auf weiszligem (links) und schwarzem Hinter-grund (rechts)

scheinen im Glanzwinkel wird sie aber von der Interferenzfarbe uumlberstrahlt wie dies in Bild 4 zu sehen ist

Der Effekt eines Helligkeitsunterschiedes unter verschiedenen Betrachtungswinkeln wird als Helligkeitsflop bezeichnet und ist an sich nichts Neues Sind jedoch die einzelnen Pigmentteilchen

aufgrund ihrer planaren Reflexionsoberflaumlchen in gerichteter Beleuchtung direkt beobachtbar was fuumlr mittlere Teilchengroumlszligen von 30 microm und groumlszliger der Fall ist so ergibt dies einen Effekt welcher mit dem Begriff Sparkle (Glitzern Funkeln) bezeichnet wird (Bild 5) Aumlndert sich die Beleuchtung von einer gerichteten Einstrahlung wie es an einem wolkenlosen sonnigen Sommertag der Fall ist hin zu einer diffusen ungerichteten Einstrahlung wie an einem stark bewoumllkten Herbsttag so verschwin-det das Sparkling der Pigmente und verwandelt sich in eine Koumlrnigkeit der Oberflaumlche Dieses optische Phaumlnomen wird als Coarseness (Bild-koumlrnigkeit) bezeichnet und ist unabhaumlngig vom Betrachtungswinkel (Bild 5)

Als neuer Archetypus des Sparkle-Begriffes haben sich in den letzten Jahren die Xirallicreg Pig-mente (High Chroma Chrystal Effect Pigments) der Firma Merck KGaA entwickelt Durch die Beschich-tung von Aluminiumoxidplaumlttchen mit hochbre-chenden Metalloxiden und einer optimierten Dicke und Ebenheit aller am Pigment beteiligten Schich-ten entstehen auszligergewoumlhnlich stark reflektierende Effektpigmente die einen besonders intensiven Sparkle-Effekt aufweisen Man spricht hierbei auch von sogenanntem Living Sparkle welcher sich in einem scheinbaren bdquoTanzenldquo der leuchtenden Punkte in der Probenoberflaumlche bei Veraumlnderung der Beobachtungsgeometrie aumluszligert [7 8]

Generell gilt dass die Farbe von Objekten mit Effektlackierung nicht mehr wie jahrzehntelang uumlblich und ausreichend mit konventionellen Farb-messgeraumlten mit nur einer festen Messgeometrie wie z B in der 45deg 0deg Geometrie (Einstrahlung unter 45deg Reflexionsmessung unter 0deg) bestimmt werden kann Dieser Umstand wird sehr gut durch die Grafik in Bild 6 illustriert Dargestellt sind die winkelabhaumlngig gemessenen Farbkoordinaten von drei verschiedenen keramischen Farbstandards der Farben rot gruumln und blau sowie eines mit dem Effektpigment Viola Fantasy der Firma Merck lackierten Blechs Der Einfallswinkel des Lichts auf die Proben betrug hierbei immer 45deg zur Oberflauml-chennormalen Das von den Proben reflektierte Licht wurde an 26 Positionen in einem 5deg Raster in planaren die Oberflaumlchennormale enthalten-den Messgeometrien im Winkelbereich von ndash70deg bis +70deg aufgenommen Bei den aus absorptiven Pigmenten bestehenden Keramiken zeigt sich eine nur sehr geringe Winkelabhaumlngigkeit der Farbe welche groumlszligtenteils auf unterschiedlicher winkelabhaumlngiger Helligkeit d h den Glanzeigen-schaften der Oberflaumlche beruht Das Effektpigment dagegen zeigt einen extremen winkelabhaumlngigen Farb-Flop (Goniochromasie) welcher einen Farbverlauf von Gruumln uumlber Rot-Gelb hin ins Blau-Violett bietet

Aber auch die neuen Lackfarben aus der Gruppe der Effektlackierungen muumlssen messtechnisch

Bild 4 Merck-Xirallicreg-Solaris-Red-Effektpigmente appliziert auf einem mit Standard-Ab-sorptionspigmenten hellblau lackierten Metallblech In Rich-tung des Glanzwin-kels auf der rechten Seite zeigt sich der langsame Aufbau der winkelabhaumlngigen Interferenzfarbe

1

Bild 6 CIELab Farbkoordinaten einer winkelabhaumlngigen Reflexionsmessung an vier verschiedenen Proben drei Keramiken der Farben rot gruumln blau und eine Effektpigmentlackierung mit Merck Colorstreamreg Viola Fantasy Das untergelegte Farbschema zeigt naumlherungsweise die den Koordinaten entsprechende Farbe

2

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Effektpigmente hellipPTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4

Abbildungsoptik Messungen der ortsaufgeloumlsten Leuchtdichte auf einer Laumlngenskala bis hinab zu 28 microm auf der zu untersuchenden Probe siehe Bild 8

Mit der Zeilenkamera sind Messungen von kompletten Reflexionsspektren im sichtbaren Spektralbereich zwischen 380 nm und 780 nm dem sogenannten V(λ)-Bereich auf einer Zeit-skala von 2 Minuten moumlglich Hieraus lassen sich dann Farbkoordinaten der untersuchten Proben in den unterschiedlichsten Farbraumsystemen berechnen Eine absolute Messung in 114 Win-kelkombinationen (siehe Bild 9) im Polarwinkel-

erfasst und ruumlckgefuumlhrt werden um eine gleich-bleibende Qualitaumlt in der Produktion gewaumlhrleis-ten zu koumlnnen Gerade diese vielfaumlltigen zusaumltz-lichen Eigenschaften stellen die Farbmesstechnik vor neue Herausforderungen

Farbmessung

Bisherige kommerzielle Farbmessgeraumlte charakte-risieren Probenoberflaumlchen fast ausschlieszliglich in den eben schon erwaumlhnten sogenannten in-plane Reflexionsgeometrien Dabei liegen die Richtun-gen des eingestrahlten und des reflektierten Lichts sowie die Oberflaumlchennormale der Probe in einer Ebene Diese Einschraumlnkung entspricht jedoch in keiner Weise der taumlglichen Realitaumlt bei der Oberflaumlchen aus beliebigen Richtungen beleuchtet und betrachtet werden Seitens der Messgeraumlteher-steller und Anwender gibt es daher einen Trend zur erweiterten Charakterisierung bezuumlglich zusaumltzlicher Winkelkombinationen im dreidimen-sionalen Raum Spitzenreiter dieser Entwicklung am Markt ist derzeit ein tragbares Mehrwinkel-Spektralphotometer mit insgesamt 19 verschie-denen Reflexionsgeometrien [9] Hiermit scheint aber auch das Ende dieser Entwicklung im Bereich der portablen handgefuumlhrten Geraumlte erreicht Der Wunsch der Anwender geht aktuell wieder zuruumlck zu einer geringeren Anzahl von Winkelkombi-nationen denn es ist unklar wie man aus dem Mehr an winkelaufgeloumlsten Reflexionsdaten die fuumlr die Charakterisierung der Farbeigenschaften relevanten Informationen gewinnen kann Daher stellt sich die Frage welches sind bdquoguteldquo d h an die Messaufgabe adaptierte optimal geeignete Messgeometrien

Um diese Frage zu beantworten betreibt die AG 424 bdquoReflexion und Transmissionldquo der PTB zwei roboterbasierte Gonioreflektometer die eine winkelaufgeloumlste Reflexionsmessung in beliebi-gen bidirektionalen Geometrien ermoumlglichen [10ndash12] Diese beiden Apparaturen sind in Bild 7 dargestellt

Das Standard-Gonioreflektometer ist hierbei das nationale Normal fuumlr die Messgroumlszlige spektraler Strahldichtefaktor in gerichteten Geometrien Es dient der Realisierung Bewahrung und Weiter-gabe der gerichteten Reflexionsskale in Form von Kalibrierungen Die zweite Apparatur bezeich-net mit dem Acronym ARGon3 (3D Appearance Robot-based Gonioreflectometer) ist ein flexibles Forschungsgeraumlt mit dem experimentelle Unter-suchungen u a im Rahmen des EMRP-Projektes Multidimensional Reflectometry for Industry der EU [13] durchgefuumlhrt werden Im Ver gleich zum Standard-Gonioreflektometer ist dieses Geraumlt mit einer photometrischen Leuchtdichteka-mera und einer Zeilenkamera ausgeruumlstet Die Leuchtdichtekamera erlaubt mit einer speziellen

Bild 7 Die beiden roboter-basierten Gonio-reflektometer der PTB oben Standard-Gonioreflektometer fuumlr Kundenkalibrie-rungen unten ARGon3-Messplatz fuumlr Forschungsanwen-dungen

Bild 8 Visualisierung desSparkling-Effektesvon Xironareg-Volcanic-Sparks-Pigmenten als Falschfarben-darstellung der ortsaufgeloumlsten LeuchtdichteDie bdquoNadelnldquo zeigendie Position derPigmente an

Bild 9 Beispielgeometrien zur Messung der winkelabhaumlngigen Reflexionseigen-schaften Realisiert wurden 4 Einstrah-lungsrichtungen (rote Pfeile) mit jeweils 114 Reflexionswinkeln (schwarze Punkte) im Bereich der Viertel-kugel oberhalb der Probenoberflaumlche

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PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4Das Jahr des Lichtes

bereich 0deg bis 70deg gleichmaumlszligig verteilt uumlber den Viertelraum oberhalb der Probe dauert hierbei ca 4 Stunden [14] Die so erhaltenen Daten bilden die Basis fuumlr kuumlnftige Verbesserungen in der Mess-technik fuumlr Anwender und Hersteller

Im Rahmen des EMRP-Projektes Multidimen-sional Reflectometry for Industry [13] sind damit die winkelabhaumlngigen Reflexionsspektren von insgesamt 66 verschiedenen Effektpigmentproben gemessen worden [15 16] Bei den vier verschie-denen Einstrahlungsrichtungen verbunden mit jeweils 114 Reflexionswinkeln im Bereich der Vier-telkugel oberhalb der Probenoberflaumlche ergeben sich somit uumlber 30000 Reflexionsspektren

Zielsetzung der Untersuchungen ist die Ver-besserung der Metrologie zur Materialcharak-terisierung mit reduzierter Messunsicherheit Dazu werden neue Messvorschriften und neue Standardmessartefakte entwickelt mit denen die Industrie die visuelle Wahrnehmung der von ihr produzierten Oberflaumlchen gezielt charakterisie-ren und kontrollieren kann Solche Messungen sollten einfach auszufuumlhren sein und die Ergeb-nisse muumlssen soweit wie moumlglich mit der visuellen menschlichen Wahrnehmung korrelieren Im europaumlischen und internationalen Rahmen sollen die Ergebnisse in die Normung einflieszligen um die allgemeine Vergleichbarkeit solcher Messungen zu gewaumlhrleisten

Literatur

[1] CS Henshilwood et al A 100000-Year-OldOchre-Processing Workshop at Blombos CaveSouth Africa Science Vol 334 No 6053 219ndash2222011

[2] Mark D Fairchild Color Appearance Models2nd Ed John Wiley amp Sons Ltd 2005

[3] Colorimetry Understanding the CIE Systemed by J Schanda Wiley-Interscience NJ 2007

[4] WR Cramer Der richtige Blickwinkel Farbe amp Lack 092006 26ndash30 2006

[5] G Zaltman How Customers Think EssentialInsights into the Mind of the Market HarvardBusiness Review Press 2003

[6] DIN ISO 18451-12015-11 Pigmente Farbstof-fe und Fuumlllstoffe ndash Begriffe ndash Teil 1 AllgemeineBegriffe

[7] WR Cramer Ohne Glimmer aber mit GlanzFarbe amp Lack 042003 132ndash136 2003

[8] WR Cramer Es glitzert wie am SternenhimmelFahrzeug + Karosserie 0412 20ndash22 2012

[9] E Kirchner W Cramer Making sense of measure-ment geometries for multi-angle spectrophotome-ters Color Res Appl Vol 37 No3 186ndash198 2012

[10] D Huumlnerhoff U Grusemann A Houmlpe Newrobot-based gonioreflectometer for measuringspectral diffuse reflection Metrologia 43 S11ndashS162006

[11] A Houmlpe D Huumlnerhoff K-O Hauer Robot-basedgonioreflectometer Industrial Robotics Program-ming Simulation and Applications Low Kin-Huat Ed Pro Literatur-Verlag Mammendorf623ndash632 2007

[12] A Houmlpe T Atamas D Huumlnerhoff S TeichertK-O Hauer ARGon3 ndash bdquo3D Appearance Robot-based Gonioreflectometerrdquo at PTB Rev SciInstrum 83(4) 045102-1ndash045102-8 2012

[13] European Metrology Research Program ProjectIND52 bdquoxD-Reflectldquo Multidimensional Reflecto-metry for Industry wwwxdreflecteu(letzter Aufruf 03122015)

[14] T Atamas K-O Hauer A Houmlpe Appearancemeasurements of goniochromatic colours Predic-ting Perceptions Proceedings of the 3rd Internati-onal Conference on Appearance 149ndash154 2012

[15] A Houmlpe A Koo FM Verdu FB LeloupG Obein et al bdquoMultidimensional reflectometryfor industryrdquo (xD-Reflect) an European researchproject Proc SPIE 9018 Measuring Modelingand Reproducing Material AppearanceSPIE-ISampT Vol 9018 901804-1ndash901804-11 2014

[16] A Houmlpe K-O Hauer S Teichert D HuumlnerhoffC Strothkaumlmper Goniochromatic and Sparkleproperties of effect pigmented samples in mul-tidimensional configuration Proc SPIE 9398Measuring Modeling and Reproducing MaterialAppearance 2015 SPIE Proc Vol 9398 Appea-rance 93980O-1ndash7 2015

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Die 50 Sitzung des Internationalen Komitees fuumlr das gesetzliche Messwesen (CIML) fand vom 20 bis 22 Oktober 2015 in Arcachon Frankreich statt Im Vorfeld der CIML-Sitzung fand ein ein-taumlgiges OIML-Seminar uumlber Countries and Econo-mies with Emerging Metrology Systems (CEEMS) statt uumlber das weiter unten berichtet wird

Das CIML ist der Lenkungsausschuss der OIML Es trifft sich jaumlhrlich und besteht aus je einem Repraumlsentanten der Mitgliedstaaten der korrespondierenden Mitglieder und den Vertre-tern internationaler und regionaler Organisa-tionen die als Beobachter teilnehmen koumlnnen Das CIML ist zustaumlndig fuumlr die Vorbereitung und Durchfuumlhrung der Entscheidungen der Konfe-renz die alle vier Jahre stattfindet Es uumlberwacht die Arbeiten der Technischen Komitees und Unterkomitees und des Internationalen Buumlros fuumlr das gesetzliche Messwesen (BIML) in Paris

An der 50 CIML-Sitzung nahmen 144 Teilneh-mer aus 43 Mitgliedstaaten und 13 korrespondie-renden Mitgliedstaaten teil Zur deutschen Dele-gation gehoumlrten neben den o g Autoren auch die Herren Johann Fischer Direktor des Landesamts fuumlr Mess- und Eichwesen Berlin-Brandenburg sowie Prof Olaf Kuumlhn Direktor des Thuumlringer Landesamts fuumlr Verbraucherschutz als Vertreter der Bundeslaumlnder Dr Peter Ulbig Leiter der Abteilung Wissenschaftlich-technische Quer-schnittsaufgaben der PTB und Prof Manfred Kochsiek Vizepraumlsident a D der PTB ehema-liger CIML-Praumlsident und Ehrenmitglied der OIML Frau Dr Anna Cypionka persoumlnliche Referentin des Praumlsidenten der PTB nahm am OIML-Seminar fuumlr CEEMS teil Vertreten waren auch wieder internationale und regionale Orga-nisationen zu denen die OIML Verbindungen unterhaumllt wie das Internationale Buumlro fuumlr Maszlig und Gewicht (BIPM) die GSO-GCC Standardiza-tion Organization (Saudi-Arabien) die Internatio-nal Laboratory Accreditation Cooperation (ILAC) und der Europaumlische Verband der Waagenherstel-ler (CECIP)

Alle Beschluumlsse der 50 CIML-Sitzung koumlnnen auf den Internetseiten der OIML aufgerufen werden [1 2]

Die wichtigsten Entscheidungen und Entwick-lungen werden nachfolgend vorgestellt

1 Personalangelegenheiten

Der Vertrag von Willem Kool als Assistant Director wurde um vier Jahre der Vertrag des BIML-Direk-tors Stephen Patoray um drei Jahre verlaumlngert

2 Einfuumlhrung des PG Workspace im Internet

In seinem Bericht im Zusammenhang mit der Etablierung des neuen Webauftritts der OIML hob der CIML-Praumlsident Peter Mason (UK) die erfolgreiche Einfuumlhrung des Workspace fuumlr Pro-jektgruppen hervor Durch die Online-Arbeit wird erwartet dass die technische Arbeit an neuen bzw zu revidierenden OIML-Dokumenten vereinfacht und insgesamt effizienter wird

3 Revision der technische Richtlinien fuumlr die OIML (B 6 Directives for OIML tech-nical work)

In einem neuen Projekt sollen die in den vergan-genen Jahren revidierten OIML-Richtlinien fuumlr die technische Arbeit erneut uumlberarbeitet werden um u a den Prozess der Entwicklung und Uumlber-arbeitung von OIML-Publikationen noch weiter zu beschleunigen und den neuen internetbasierten Technologien und Arbeitsweisen Rechnung zu tragen

4 Umfassende strukturelle Uumlberarbeitung des OIML Certificate System

Das CIML verabschiedete die Gruumlndung einer Projektgruppe mit der Aufgabe einer substan-ziellen Uumlberarbeitung des OIML-Zertifizierungs-systems das z Zt aus dem Basiszertifizierungs-system und dem MAA3 besteht Urspruumlnglich ausgehend von der Annahme die Akzeptanz des MAA-Zertifizierungssystem muumlsse verstaumlrkt werden eine groumlszligere Verbreitung finden und mehr Messgeraumltearten abdecken erscheint es

Aktuelles aus der OIML (Internationale Organisation fuumlr das Gesetzliche Messwesen)Bericht uumlber die 50 Sitzung des CIML in Arcachon FrankreichSusanne Ludwig Roman Schwartz

INTERNATIONALE ZUSAMMENARBEIT

Susanne Ludwig OIMLshyGeschaumlftsstelle der PTB EshyMail susanneludwigptbde

Dir u Prof Dr Roman Schwartz Vizepraumlsident der PTB deutsches Mitglied im Internashytionalen Komitee fuumlr das Gesetzliche Messwesen (CIML) und CIMLshyVizepraumlsishydent EshyMail romanschwartzptbde

3 Mutual Acceptance Arrangement (Abshykommen zur gegenshyseitigen Anerkennung von Bauartpruumlfungen)

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PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4Internationale Zusammenarbeit

inzwischen sinnvoller und wurde so auch vom CIML beschlossen zum 112017 ein einziges OIML-Zertifizierungssystem einzufuumlhren Eine Projektgruppe (Certification System Project Group = CSPG) unter dem Vorsitz des CIML-Vizepraumlsi-denten Dr Roman Schwartz wurde damit beauf-tragt die notwendigen Dokumente und Prozedu-ren auszuarbeiten

5 OIML-Seminar fuumlr Countries and Economies with Emerging Metrology Systems (CEEMS)

Im Vorfeld der CIML-Sitzung wurde ein eintaumlgiges Seminar zum Thema Developing an OIML Package for Assistance to Countries with Emerging Metro-logy Systems (CEEMS) abgehalten In vier Sitzun-gen diskutierten 125 Teilnehmer aus 49 Laumlndern uumlber Moumlglichkeiten Laumlnder beim Aufbau von nationalen Metrologiesystemen zu unterstuumltzen In der ersten von Frau Dr Cypionka geleiteten Sitzung Capacity Building ging es um die allge-meinen Herausforderungen bei der Gestaltung von Programmen zur Foumlrderung von Handlungs-kompetenzen und Vermittlung von Wissen fuumlr die Metrologie In zwei weiteren Sitzungen wurden unter den Themen Helping CEEMS Improve Regulation in their Markets (Leitung Prof Dr Manfred Kochsiek) und New Ideas ndash Doing Legal Metrology Differently (Leitung Stuart Carstens

Suumldafrika) konkrete inhaltliche Loumlsungsvorschlaumlge vorgestellt und diskutiert Die Ergebnisse wurden in der 50 CIML-Sitzung vorgestellt und fanden ihren Niederschlag in der Resolution Nr 201510 [2] sie sollen auch noch auf den OIML-Webseiten veroumlffentlicht werden [1]

6 OIML-Publikationen

Folgende OIML-Publikationen wurden verabschiedet

R 139-3 Compressed gaseous fuels measuring systems for vehicles Part 3 Test report format

New Recommendation (R 145) Ophthalmic instru-ments mdash Impression and applanation tonometers

Alle OIML-Publikationen stehen im Internet frei zur Verfuumlgung [3]

Gleichzeitig wurde die Revision der folgenden OIML-Publikation beschlossen

Revision of R 79 Labeling requirements for prepackages

Folgende neue Projekte wurden verabschiedet

Revision des OIML-Dokuments B 6-1 Directives for OIML technical work

Bild 1 Teilnehmer der 50 Sitzung des Internationalen Komitees fuumlr Gesetz-liches Messwesen (CIML) in Arcachon Frankreich

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PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4 Aktuelles aus der OIML

TC 8SC 1 Revision R 71 Fixed storage tanks mdash General requirements

TC 8SC 1 Revision R 85 Automatic level gauges for measuring the level of liquid in stationary storage tanks

7 Personalien und Ehrungen

Die von Dr Seiler dem ehemaligen Leiter des Fachbereichs bdquoTechnische Zusammenarbeitldquo der PTB initiierte OIML-Auszeichnung fuumlr bdquoexzel-lente Beitraumlge von Entwicklungslaumlndern zum gesetzlichen Messwesenldquo ging in diesem Jahr an

bull Nam Hyuk Lim Director of Korea Testing Certi-fication und

bull The Metrology Department Saint Lucia Bureau of Standards

Die OIML-Medaille fuumlr besondere Verdienste um die OIML-Arbeit ging an Ngo Quy Viet Vietnam und Cartaxo Reis aus Portugal

8 Termine

Ein Gastgeberland fuumlr die 51 CIML-Sitzung und 15 OIML-Konferenz im Jahr 2016 konnte noch nicht bekannt gegeben werden es wird aber wahr-scheinlich wieder Frankreich sein Weitere OIML-Veranstaltungen und -Termine finden sich auf der OIML-Webseite unter [4]

9 Literatur

[1] httpswwwoimlorgen (letzter Aufruf 19112015)

[2] httpswwwoimlorgenstructurecimlpdf50-ciml-resolutions-englishpdf (letzter Aufruf 19112015)

[3] httpswwwoimlorgenpublicationsrecommen-dationspublication_viewp_type=1ampp_status=1

[4] (letzter Aufruf 19112015)[5] httpswwwoimlorgeneventscalendar

(letzter Aufruf 19112015)

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TECHNOLOGIETRANSFER

E27-Scanner fuumlr UlbrichtkugelnMit dem besonders einfach ohne Umbau einsetzbaren E27-Scanner koumlnnen Anwender und Hersteller die Homogenitaumlt ihrer Ulbricht-kugeln bestimmen und die Ergebnisse zur Berechnung genauerer Lichtstroumlme und zur Dokumentation der Qualitaumlt ihrer Messungen nutzen

Hintergrund

Wie viel Licht eine Lampe insgesamt in alle Richtungen abstrahlt wird durch ihren Lichtstrom ausgedruumlckt Um den fuumlr die Bestimmung der Energieeffizienz von Lampen notwendigen Lichtstrom schnell zu er mitteln setzt die Lampenindustrie Ulbrichtkugeln ein An einer Stange in der Mitte der Ulbrichtkugel befindet sich eine E27-Lampen-fassung in die nacheinander die Lichtstrom-Normallampe und die zu kalibrierende Lampe eingeschraubt werden Das indirekt auf den Mess-kopf fallende Licht erzeugt einen Photostrom der im Idealfall propor-tional zu dem von der Lampe abgestrahlten Lichtstrom ist unabhaumlngig von der Richtung in die das Licht abgestrahlt wird

Dies ist jedoch bei einer ungleichmaumlszligigen Beschichtung der Kugel sowie bei einer im Laufe der Zeit nicht zu verhindernden Verstaubung nicht der Fall Deshalb wird mit einem Kugelscanner die Homogenitaumlt der Kugel regelmaumlszligig vermessen und ein Korrekturfaktor bestimmt der von der jeweiligen Abstrahlcharakteristik der zu untersuchenden Lampe abhaumlngt

Technische Beschreibung

Der Kugelscanner wird einfach in eine E27-Fassung geschraubt und das sonst fuumlr die Lampenversorgung eingesetzte Netzgeraumlt wird durch die Steuereinheit ersetzt Diese uumlbernimmt sowohl die elektrische Versor-gung als auch die Befehlsuumlbermittlung zum Kugelscanner Die Steuer-einheit wird via USB oder RS232 an einen Computer angeschlossen Das mitgelieferte Messprogramm stellt automatisiert alle gewuumlnschten Richtungen ein und speichert die zugehoumlrigen von der Steuereinheit gemessenen Photostroumlme des Photometers

Wirtschaftliche Bedeutungw

Fuumlr Lampenindustrie und Hersteller von Ulbrichtkugeln

bull Genauere Messung des Lichtstroms

bull Bestimmung des Zeitpunkts einer Neubeschichtung

bull Uumlberwachung beim Beschichten

bull Dokumentation des Zustands der Ulbrichtkugel

EntwicklungsstandDer E27-Kugelscanner wurde in der PTB entwickelt Er wird laufend fuumlr Kalibrierungen eingesetzt Die Technologie wurde an die Firma Czibula amp Grundmann transferiert und wird dort mit einer PTB-Lizenz gebaut und vertrieben wwwphoto-metercom

Ansprechpartner

Dr Bernhard SmandekBeauftragter fuumlr TechnologietransferTelefon +49 531 592shy8303Telefax +49 531 592shy69shy8303EshyMail technologietransferptbde

Dr Stefan WinterFachbereich Photometrie und Radiometrie

Abbildung des E27shyKugelscanners Eine stark fokussierende Lampe die computergesteuert in alle Richtungen leuchten kann

Vorteile

bull Schneller Einbau in E27shyFassung

bull Computergesteuertes Abscannen der gesamten Ulbrichtkugel

bull Flexible Messmoumlglichkeiten

bull Fuumlr genauere Lichtstromshymessungen

bull Wichtig fuumlr die Qualitaumltsshysicherung

PTBshyNummer 0172

wwwtechnologietransferptbde

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PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4 Technologieangebote

Ansprechpartner

Dr Bernhard SmandekBeauftragter fuumlr TechnologietransferTelefon +49 531 592shy8303Telefax +49 531 592shy69shy8303EshyMail technologietransferptbde

Dr Stefan WinterArbeitsgruppe Solarzellen

PulsshyzushyCWshyKonverter

Umwandlung gepulster Laser-Strahlung in konstante StrahlungIn weiten Bereichen der optischen Metrologie ist eine Strahlungs-quelle von groszligem Nutzen die sich spektral vom UV-C bis ins mitt-lere IR durchstimmen laumlsst Lediglich Laser mit gepulster Strahlung erfuumlllen diese Anforderung bei ausreichend groszligem Ausgangssignal bisher luumlckenlos Femtosekunden-Lasersysteme waumlren aufgrund ihrer gut automatisierbaren und spektral weiten Durchstimmbarkeit die ideale Strahlungsquelle fuumlr z B radiometrische Anwendungen ndash wenn ihre Strahlung nicht gepulst waumlre

Durch das extreme Puls-Pausen-Verhaumlltnis von 10ndash5 entstehen hohe Spitzenleistungen die wiederum zu Saumlttigungseffekten bei Detek-toren und in der Folge zu nichtlinearem Verhalten fuumlhren koumlnnen Mit dem in der PTB entwickelten Puls-zu-CW-Konverter wird dieses Problem geloumlst

Technische Beschreibung

Bei dieser Methode werden Pulse gepulster Strahlungsquellen ausrei-chend hoher Repetitionsrate in CW-Strahlung umgewandelt Dabei wird jeder Puls in viele kleine Teilpulse aufgeteilt die auf unterschiedlich langen Wegstrecken unterschiedliche Laufzeiten erfahren Am Ausgang des Systems erscheinen sie dann zeitlich gleichmaumlszligig verteilt Realisiert wird dieser Puls-zu-CW-Konverter uumlber ein Glasfaserbuumlndel bei dem jede Einzelglasfaser eine individuell festgelegte Laumlnge besitzt

Mit der Entwicklung des Puls-zu-CW-Konverters wurde das ent-scheidende Manko beim Einsatz leistungsstarker Femtosekunden(fs)-Lasersysteme im Bereich der Metrologie beseitigt und erstmalig gepulste Laserstrahlung in CW-Strahlung umgewandelt Diese Neuentwicklung ermoumlglicht es nun herkoumlmmliche Monochromatorsysteme durch fs-Lasersysteme zu ersetzen die eine bis zu 1000-mal houmlhere spektrale Ausgangsleistung besitzen

Wirtschaftliche Bedeutung

Durch den neuen Puls-zu-CW-Converter koumlnnen in wirtschaftlich bedeutenden Bereichen wie z B der Photovoltaik der Photometrie der UV-Strahlungsmesstechnik und der Reflektometrie die Referenz- und Transfernormale mit einer deutlich reduzierten Messunsicherheit kali-briert werden Hier werden bislang wesentliche Messunsicherheitsan-teile durch zu geringe Strahlungsleistungen aus herkoumlmmlichen Mono-chromatorsystemen verursacht

Entwicklungsstand

Unter DE 10 2010 011 615 B4 wurde fuumlr den CW-Konverter ein Patent erteilt

Vorteile

bull Zeitliche Glaumlttung gepulster Laserstrahlung

bull Keine stoumlrenden Interferenzen

bull Nur minimale Absorption des Messsignals

bull Auch bei kuumlrzeren Wellenshylaumlngen ohne Ulbrichtkugel verwendbar

bull Kontinuierliche Verteilung des Ausgangspulses

bull Pulsvervielfachung

bull Houmlhere Strahlungsleistung

PTBshyNummer 0254

wwwtechnologietransferptbde

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PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4Technologieangebote

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Homogenisierung von Strahlungsquellen und Focal Plane Arrays (FPA)Ein neuartiges Verfahren ermoumlglicht softwaregestuumltzt eine deutlich verbesserte Kalibrierung von Mehrelement-Sensoren (FPA) und bildgebenden Systemen (Kameras) Bei flaumlchigen Strahlungsquellen kann zusaumltzlich eine gezielte Ansteuerung von Flaumlchenelementen zu einer bisher im Allgemeinen nicht erreichbaren Flaumlchenhomogenitaumlt fuumlhren

Technische Beschreibung

Flaumlchenstrahler dienen der Kalibrierung von ortsaufloumlsenden Strah-lungssensoren wobei davon ausgegangen wird dass die Emissionsflaumlche des Strahlers im Wesentlichen homogen bezuumlglich ihrer Strahldichte bzw Strahlungstemperatur ist Um kleine Inhomogenitaumlten eines Flaumlchenstrahlers zu charakterisieren ist es ein gaumlngiges Verfahren die Emissionsflaumlche punktweise mit einem Einzeldetektor abzutasten

Das neue PTB-Verfahren ist wesentlich schneller da es den Mehr-element-Sensor (FPA) das device-under-test selbst nutzt und damit immer ein Gesamtbild der Quelle aufnimmt Werden jetzt weitere Bilder zeilen- oder spaltenversetzt aufgenommen so erlaubt ein mathema-tischer Algorithmus bei nur drei Bildern eine komplette Charakterisie-rung des Sensors aber auch der Quelle

Sind Flaumlchenelemente der Strahlungsquelle einzeln ansteuerbar so ist es sogar moumlglich mittels der ermittelten Korrekturwerte zu Strahlquellen extrem hoher Homogenitaumlt im on-line-Betrieb zu gelangen

Wirtschaftliche Bedeutung

Bildgebende Strahlungssensoren und homogene Strahlungsquellen sind relevant fuumlr die Forschung und Entwicklung fuumlr die Prozesstechnik fuumlr die Charakterisierung der Energieeffizienz von Bauten bei der Ent-wicklung neuer Bauteile mit hoher thermischer Belastung und in vielen weiteren Bereichen Der mathematische Algorithmus ist aber auf unter-schiedliche Arten von Kamerasystemen anwendbar und damit auch fuumlr die Qualitaumltssicherung von CCD-Kameras bis hin zum Konsumguuml-termarkt anwendbar EntwicklungsstandEine deutsche Patenterteilung erfolgte im September 2015 Eine PCT-Anmeldung ist anhaumlngig Kooperations- und Lizenzpartner aus den Bereichen Thermografie Radiometrie und Photometrie zur Umsetzung des Konzeptes werden gesucht

Ansprechpartner

Dr Bernhard SmandekBeauftragter fuumlr TechnologietransferTelefon +49 531 592shy8303Telefax +49 531 592shy69shy8303EshyMail technologietransferptbde

DiplshyIng Berndt GutschwagerArbeitsgruppeInfrarotshyStrahlungsthermometrie

Stahlungsmessplatz der PTB zur Kalibrierung von Temperaturstrahlern und Waumlrmebildkashymeras

Vorteile

bull Schnelle Kalibrierung von Flaumlchensensoren (FPA)

bull Schnelle Kalibrierung von Flaumlchenstrahlern

bull Strahlquellen houmlchster Hoshymogenitaumlt

bull Fuumlr Thermografie und Phoshytometrie

PTBshyNummer 00374

wwwtechnologietransferptbde

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Printed in Germany ISSN 0030-834X

Die fachlichen Aufsaumltze aus dieser Ausgabe der PTB-Mitteilungen sind auch online verfuumlgbar unterdoi 10779531020150499

Die Physikalisch-Technische Bundesanstalt das nationale Metrologieinstitut ist eine wissenschaftlich-technische Bundesoberbehoumlrde im Geschaumlftsbereich des Bundesministeriums fuumlr Wirtschaft und Energie

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Die PTB-Mitteilungen sind metrologisches Fachjournal der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt Braunschweig und Berlin Als Fachjournal veroumlffentlichen die PTB- Mitteilungen wissenschaftliche Fachaufsaumltze zu metrologischen Themen aus den Arbeitsgebieten der PTB Die PTB-Mitteilungen stehen in einer langen Tradition die bis zu den Anfaumlngen der Physikalisch-Technischen Reichsanstalt (gegruumlndet 1887) zuruumlckreicht

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Physikalisch-Technische BundesanstaltBraunschweig und BerlinNationales Metrologieinstitut

Die Physikalisch-Technische Bundesanstalt das nationale Metrologieinstitut ist eine wissenschaftlich-technische Bundesoberbehoumlrde im Geschaumlftsbereich des Bundesministeriums fuumlr Wirtschaft und Energie

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3

Licht ist der fuumlr das menschliche Auge sichtbare Teil elektromagnetischer Strahlung und wird von den angrenzenden infraroten und ultravioletten Spektralbereichen der Strahlung eingebettet Die spektrale Empfindlichkeit des menschlichen Auges hat hierbei ihr Maximum im Gelb-Gruumlnen und nimmt zum Infraroten und Ultravioletten hin stark ab Im Detail ist die Augenempfindlichkeit individuell sehr unterschiedlich und die Wahr-nehmung selbst ist durch die beteiligten physio-logischen Prozesse in vieler Hinsicht (z B Hel-ligkeit Farbwahrnehmung etc) nichtlinear Im Zuge der Industrialisierung hat man aber schnell erkannt dass eine von diesen physiologischen Prozessen losgeloumlste metrologische Bewertung von Lichtquellen und damit von Licht notwendig ist [1] Wir unterscheiden daher zwischen der Wahrnehmung dem Sehen und der Photome-trie der physikalischen Bewertung von Licht Um dies zu gewaumlhrleisten hat die internationale Beleuchtungsorganisation CIE (Commission Internationale de lrsquoEacuteclairage) im Jahr 1924 die mittlere Hellempfindlichkeit des menschlichen Auges fuumlr die unterschiedlichen Wellenlaumlngen des Lichtes als Empfindlichkeitsfunktion eines bdquoNormalbeobachtersldquo fuumlr photopisches Sehen (sog Tagsehen) festgelegt und als sogenannte V(λ)-Funktion veroumlffentlicht Mithilfe eines derartigen Normalbeobachters technisch realisiert z B durch gefilterte Silizium-Halbleiterempfaumlnger laumlsst sich die Quantitaumlt von Licht messen ndash eine wesentliche Voraussetzung fuumlr die Entwicklung eines Marktes fuumlr Beleuchtungsprodukte der derzeit allein in Deutschland einen Umsatz von uumlber 6 Mrd Euro produziert Es stellt sich aber neben der Quantitaumlt des Lichtes auch die Frage nach der Qualitaumlt des Lichtes

Einhergehend mit genaueren Untersuchungen des Aufbaus des menschlichen Auges einerseits

und der Verarbeitung des optischen Reizes im Auge und den nachgeschalteten Nervenzellen bzw des Gehirns andererseits ist das Verstaumlndnis um die Wirkung von Licht auf den Menschen per-manent gewachsen Parallel hierzu sind auch die technologisch realisierbaren Moumlglichkeiten zur Gestaltung kuumlnstlichen Lichtes deutlich gestie-gen sodass hiermit einhergehend auch stetig die Anforderungen an die Metrologie des Lichtes steigen Sind z B fuumlr die Beleuchtungstechnik heute noch Leuchtmittel mit konstanter Farbtem-peratur (warm warm-weiszlig kalt-weiszlig Tageslicht) oft im Einsatz ndash und damit auch im Fokus der Photometrie werden in Zukunft Lichtquellen mit einstellbarer Farbtemperatur und deren Lichtstaumlr-keverteilung messtechnisch eindeutig zu beschrei-ben sein Die derzeit noch getrennt behandelten Gebiete Photometrie Reflektometrie und Spekt-roradiometrie wachsen hierbei zunehmend weiter zusammen

Diese Ausgabe der PTB-Mitteilungen die im internationalen Jahr des Lichtes erscheint gibt einen Uumlberblick uumlber die Arbeiten in der PTB zum Thema Licht und spannt einen Bogen von der Bedeutung der Candela fuumlr die Photometrie uumlber die Realisierung der SI-Basiseinheit Candela hin zu den derzeitigen Herausforderungen in der Photometrie und Reflektometrie

Literatur

[1] A Sperling G Sauter Lichtstaumlrke ndash Die SI-Basisein-heit PTB-Mitteilungen Jahrgang 122Heft 12012 Das System der Einheiten pp 83ndash91

Einfuumlhrung in die Metrologie des Lichtes

Stefan Kuumlck Armin Sperling

Prof Dr Stefan Kuumlck Fachbereich bdquoPhotometrie und angewandte Radioshymetrieldquo EshyMail stefankueckptbde

Dr Armin Sperling Arbeitsgruppe bdquoPhotoshymetrieldquo EshyMail arminsperlingptbde

DAS JAHR DES LICHTES

4

PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4Das Jahr des Lichtes

Die Candela ist die Basiseinheit des Lichtes und ist ein Maszlig fuumlr die Lichtstaumlrke d h der Eigen-schaft einer realen oder virtuellen Lichtquelle die angibt wie viel Licht in eine Richtung abgegeben wird (siehe Bild 1) Die Candela und die daraus abgeleiteten lichttechnischen Einheiten haben fuumlr den Normalverbraucher spaumltestens seit der Einfuumlhrung der ECO-Design-Richtline der EU und dem damit verbundenen Verkaufsverbot von Gluumlhlampen ab dem Jahr 2009 an Bedeutung gewonnen Die photometrischen Einheiten und Kennzahlen sind wie kaum andere Einheiten ins Zentrum des allgemeinen Interesses geruumlckt wenn es darum geht Licht Lampen und Leuchten zu bewerten Statt der alleinigen Angabe einer elektrischen Leistung in Watt sind Begriffe wie Lichtstaumlrke (in cd) Lichtstrom (in lm) Effizienz (in lmWndash1) aumlhnlichste Farbtemperatur TN (ange-geben in Kelvin) und Farbwiedergabeindex Ra kaufentscheidend Ungluumlcklicherweise hat die fuumlr die monetaumlre Abrechnung wichtige Maszligeinheit Watt beim Kunden das Verstaumlndnis um die photo-metrischen Groumlszligen geschwaumlcht was bei modernen LED-Lichtquellen durch Fehlinterpretation von Leistungsdaten oft zur Veraumlrgerung fuumlhrt Mit der Ruumlckfuumlhrung all dieser Einheiten und Kenngroumlszligen befasst sich das Fachgebiet der Photometrie

Die Aufgabe der Photometrie ist hierbei allge-mein die quantitative Bewertung von Strahlung in dem Spektralbereich den wir als Licht bezeichnen und zwar unter den spektralen und geometri-schen Randbedingungen die durch das mensch-liche Auge ndash oder genauer durch das Auge eines definierten Normalbeobachters ndash vorgegeben sind Die physikalische Groumlszlige die hierbei von beson-derer technischer Bedeutung ist ist die Groumlszlige der photometrischen Lichtstaumlrke1 Die Geometrie von Messbedingungen ist hierbei fuumlr photometri-sche Groumlszligen essenziell Weil die Lichtstaumlrke eine charakteristische Eigenschaft einer Quelle ist und mit einfachsten Mitteln gemessen (verglichen) werden konnte ist die Lichtstaumlrke als Basisgroumlszlige der Photometrie ausgewaumlhlt worden und nicht der Lichtstrom der als photometrisches Pendant zur radiometrischen Strahlungsleistung ebenfalls nahegelegen haumltte An dieser Stelle gibt es jedoch oft ein Missverstaumlndnis zwischen Photometri-kern (Lichtmesstechnikern) und Radiometrikern (Strahlungsmesstechnikern) Wenn Photometriker uumlber den Lichtstrom sprechen meinen sie ndash den von einer Quelle aus in den Raum abgegebenen Strahlungsfluss der in erster Linie als Integral uumlber die Verteilung der in die verschieden Richtungen abgegebenen Lichtstaumlrken verstanden wird Der Radiometriker assoziiert mit Strahlungsleistung hingegen meistens den Strahlungsfluss der auf eine Empfaumlngeroberflaumlche auftrifft und der sich in erster Linie als Integral uumlber die Verteilung der auf dem Empfaumlnger auftreffenden Bestrahlungs-staumlrke ergibt Fuumlr den Photometriker ist daher die Geometrie der Strahlung entscheidend waumlhrend fuumlr den Radiometriker oft die Betrachtung der Geometrie des Empfaumlngers ausreicht

Aufgrund ihrer physikalischen Eigenschaft kann die Groumlszlige Lichtstaumlrke auch als die Dichte des von einem Ursprung aus in einen Raumwinkel ausge-sendeten Lichtstroms bezeichnet werden wobei der Lichtstrom die mit der Augenempfindlichkeit bewertete Strahlungsleistung einer Quelle ist Die Lichtstaumlrke ist somit eine klassische Strahlereigen-schaft Daher wurde sie auch fruumlher mit Normal-strahlungsquellen wie z B der Hefner-Lampe (ab 1890) mit der Einheit Hefner-Kerze (HK) und

Dr Armin Sperling Arbeitsgruppe bdquoPhoshytometrieldquo EshyMail arminsperlingptbde

Die Candela als Maszligeinheit des Lichtes Armin Sperling

1 Tatsaumlchlich wurde in der visuellen (subshyjektiven) Photometrie bis weit in die Mitte des 20 Jahrhunderts hinein unser Auge aufgrund seiner hoshyhen Empfindlichkeit als Messinstrument verwendet Erst mit der Entwicklung empfindlicher Phoshytozellen und stabiler Halbleiterempfaumlnger begann auch in der physikalischen (obshyjektiven) Photometrie der Siegeszug der elektronischen Messshywerterfassung

Bild 1 Der Lichtstrom einer Lichtquelle ist die im sichtbaren Spektralbereich in alle Rich-tungen abgestrahlte Lichtleistung

5

PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4 Die Candela als Maszligeinheit des Lichtes

von 1942 bis 1981 mit dem Platin-Punkt-Strahler und der Einheit Candela (cd) als unabhaumlngige Groumlszlige zu den anderen Basisgroumlszligen des SI-Systems realisiert Bei dem Platin-Punkt-Strahler handelte es sich im Uumlbrigen um einen Temperaturstrahler der den heutigen Hochtemperatur-Fixpunkt-strahlern in der Thermometrie zur Realisierung der Temperaturskala nicht unaumlhnlich war Mit staumlrker werdendem Einfluss der Radiometrie auf die Photometrie und des damit einhergehenden Wunsches die photometrische Basiseinheit direkt an die radiometrische Einheit Watt zu koppeln wurde 1979 der Beschluss gefasst die Definition der Einheit Candela von ihrer Realisierung zu trennen Seitdem gilt die DefinitionDie Candela ist die Lichtstaumlrke in einer bestimmten Richtung einer Strahlungsquelle die monochroma-tische Strahlung der Frequenz 540 THz aussendet und deren Strahlstaumlrke in dieser Richtung (1683) Watt durch Steradiant betraumlgt

Der Umrechnungsfaktor (1683) Wsrndash1 wurde hierbei vor der Umstellung der Einheit durch mehrere Messungen in den nationalen Metrolo-gieinstituten bestimmt vom Consultative Comittee for Photometry and Radiometry (CCPR) festgelegt und 1977 offiziell vom International Comittee for Weights and Measures (CIPM) uumlbernommen [1]

Diese Definition ist nicht als Realisierungsvor-schrift fuumlr die Candela gedacht Im Gegensatz zur Definition der Candela uumlber eine thermische Strahlungsquelle die als Licht aufgefasst die Wichtung der spektralen Strahlungsleistung mit der Augenempfindlichkeit automatisch einschlieszligt ist nun die Kenntnis der Augenempfindlichkeit erforderlich um aus Strahlung Licht zu machen Die Definition ist daher vielmehr als absolute Anbindung der Hellempfindlichkeitsfunktion V(λ) des menschlichen Auges an das radiometrische Watt zu verstehen War der spektrale Verlauf der Empfindlichkeit des menschlichen Auges fuumlr die Realisierung und Weitergabe der Messgroumlszlige Licht-staumlrke vor 1981 kaum von Bedeutung so wurde sie mit der neuen Definition fuumlr die Metrologie essenziell

In Luft bei n = 100028 [2] liegt die Wellen-laumlnge der in der Definition angegebene Frequenz von v = 540 middot 1012 Hz bei λ = 555016 nm Sie liegt damit sehr nahe dem Maximum der 1972 vom CIPM empfohlenen V(λ)-Funktion des photopi-schen CIE-Normalbeobachters fuumlr das Tagsehen das bei exakt λm = 555 nm liegt und definiert dort laut Definition das maximale photopische Strahlungsaumlquivalent (Index m fuumlr bdquomaximumldquo ) dort zu Km = 683002 lmWndash1 Somit wird uumlber die Candela-Definition und der tabellarisch festge-legten V(λ)-Funktion fuumlr jede Wellenlaumlnge im Definitionsbereich das wellenlaumlngenabhaumlngige photometrische Strahlungsaumlquivalent K(λ) = Km middot V(λ) eindeutig festgelegt

Neben dieser V(λ)-Funktion wurde 1951 von der CIE auch eine skotopische Empfindlichkeitsfunk-tion V ʹ (λ) fuumlr das Nachtsehen tabellarisch festge-legt und 1976 vom CIPM bestaumltigt Das Maximum dieser Funktion liegt bei λʹm = 507 nm mit einem maximalen skotopischen Strahlungsaumlquivalent von K ʹ m = 1700 lmWndash1

Der Hintergrund dieser beiden Bewertungsfunk-tionen liegt darin begruumlndet dass unser Auge in der Retina fuumlr das Sehen uumlber zwei unterschied-liche Empfaumlngersysteme die Staumlbchen und die Zapfen verfuumlgt Die Zapfen die sich noch einmal in unterschiedliche Rezeptoren aufteilen und die auch fuumlr das Farbsehen verantwortlich sind haumlufen sich insbesondere in und um die Netzhautgrube die in der optischen Achse des Auges liegt Hier werden insbesondere die achsennah auf das Auge auftreffenden Strahlen detektiert weshalb man auch vom 2deg-Beobachter spricht Zum Nachtsehen mit weit geoumlffneter Pupille tragen vor allem die deutlich empfindlicheren Staumlbchen bei die zudem in den achsenfernen Bereichen der Retina domi-nieren Die unterschiedlichen spektralen Empfind-lichkeiten von Zaumlpfchen und Staumlbchen spiegeln sich in den K(λ)- und K ʹ (λ)-Kurven (siehe Bild 2) wieder

Die hier beschriebene Verknuumlpfung der Bewer-tungsfunktionen mit der Candela-Definition ist aus der Einheitendefinition selbst nicht ersichtlich Weitergehende Informationen findet man wie fuumlr die Basiseinheiten uumlblich in der sogenannten Ausfuumlhrungsbestimmung (mise en pratique) zur Candela [3]

Betrachtet man die Leuchtdichte die vom Auge aufgenommen wird so umfasst der sko-topische Bereich Leuchtdichten bis ungefaumlhr L lt 0005 cdmndash2 und der photopische Bereich Leuchtdichten ab ungefaumlhr L gt 5 cdmndash2 Uumlber den mesopischen Zwischenbereich wurde lange Zeit keine Aussage gemacht Erst im Jahr 2010 ist auch

Bild 2 Die mesopische Hellempfindlichkeitsfunktionen Vmes(λ) fuumlr unterschiedliche Adap tionsniveaus mit deren zugehoumlrigen maximalen Strahlungsaumlquivalenzen

6

PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4Das Jahr des Lichtes

im Uumlbergangsbereich des Daumlmmerungssehens das Verhalten der Empfindlichkeit des Normalbe-obachters von der CIE festgelegt worden Je nach Leuchtdichte und damit Adaptionsniveau m des Auges wobei m = 0 dem dunkeladaptieren Auge und m = 1 dem helladaptierten Auge entspricht ergibt sich in diesem mesopischen Bereich fuumlr Leuchtdichten zwischen 0005 cdmndash2 lt L lt 5 cdmndash2 eine Hellempfindlichkeitsfunktion Vmes(λ) die sich gemaumlszlig

VM m

mV m Vmes( )( )

( ( ) ( ) ( ))λ λ λ= + minus prime1 1 (1)

aus einer Linearkombination der photopischen und skotopischen Empfindlichkeit berechnen laumlsst (siehe Bild 2) In der Abbildung sind die spektralen photometrischen Strahlungsaumlquivalenzen fuumlr eine Reihe ausgewaumlhlter Adaptionsniveaus zwischen 0 und 1 dargestellt Der Faktor M(m) ist lediglich ein Normierungsfaktor der das jeweilige Maximum von Vmes(λ) auf eins normiert

Durch die Candela-Definition werden alle Kurven der spektralen Strahlungsaumlquivalenzen im Punkt (555016 nm 683 lmWndash1) normiert Inso-fern wird klar warum in der Candela-Definition nur eine Frequenz stehen darf

In der Realitaumlt ist das Adaptionsniveau aber typischerweise nicht bekannt Das Adaptions-niveau m laumlsst sich aber aus einer gemessenen mittleren Leuchtdichte rekursiv bestimmen [4] Fuumlr reale Anwendungen z B die Auswertung von Messkamerabildern einer beleuchteten Straszlige bei Nacht reicht dies jedoch in der Regel nicht aus da bisher nicht geklaumlrt ist welche im Gesichtsfeld der Kamera (bzw des Auges) erfasste mittlere Leuchtdichte zur Berechnung eines Adaptionsniveaus hinzuzuziehen ist In einer Arbeitsgruppe des CCPR des CIPM wird derzeit an einer neuen Ausfuumlhrungsbestimmung gearbeitet die die mesopische Empfindlichkeits-funktion auch offiziell fuumlr die Anwendung in Zusammenhang mit der Einheit Candela nutzbar machtAus der Lichtstaumlrke I lassen sich alle weiteren bekannten photometrischen Einheiten herleiten So kann der Lichtstrom Φ als raumlumliches Integral uumlber eine Lichtstaumlrkeverteilung

Φ = intint I( )ϑ ϕ ϑ ϕ ϑϑ ϕ

sin d d

(2)

die Beleuchtungsstaumlrke E als Dichte des Licht-stroms der auf eine Flaumlche A auftrifft

E A= d dΦ (3)

und die Leuchtdichte L als Dichte des Lichtstroms in einem ausgestrahlten Buumlndel G

L G= d dΦ (4)

mit G AA

= intint cos d d

α ΩΩ

(5)

dargestellt werden wobei α hier den Winkel zwi-schen der Richtung des Buumlndels und der Flaumlchen-normalen der Quelle beschreibt

Die Beleuchtungsstaumlrke nimmt hierbei eine besondere Stellung ein da sich jede photomet-rische Messung im Prinzip auf die Messung des Photostroms i eines Empfaumlngers zuruumlckfuumlhren laumlsst der der mittleren Beleuchtungsstaumlrke Endash

auf seiner Oberflaumlche A0 proportional ist Die Beleuchtungsstaumlrke kann hierbei immer als integrale Wichtung der spektralen Empfindlichkeit s(λ) = s0srel(λ) des Empfaumlngers mit der relativen spektralen Strahlungsverteilung S(λ) = dΦ(λ)dλ der Quelle verstanden werden

E iKA s

S V

S s

m= sdot

( ) ( )

( ) ( )

infin

infin

int

intm

rel

d

d0 0

0

0

λ λ λ

λ λ λ

(6)

Die Geometrie des Strahlengangs von der Quelle bis zur Empfaumlngeroberflaumlche die beim Mess-prozess in das Modell der Auswertung eingeht bestimmt hierbei welche photometrische Groumlszlige gemessen wird Der Faktor hinter dem Photostrom in (6) beschreibt die photometrische Empfind-lichkeit sv eines Photometers die im Allgemeinen keine Konstante ist sondern vom Spektrum der Lichtquelle S(λ) abhaumlngt Um einem Photome-ter trotzdem einen eindeutigen Kalibrierwert zuzuordnen hat man sich darauf verstaumlndigt die Empfindlichkeit bezogen auf die Strahlungsfunk-tion eines Planckschen Strahlers P(TA λ) bei einer Temperatur TA = 2856 K die auch als Normlicht-art A bezeichnet wird anzugeben

Da bei einer realen Messung weder die spektrale Empfindlichkeit des verwendeten Photometers ideal an eine der Bewertungsfunktionen V(λ ) Vʹ(λ ) oder Vmes(λ) angepasst ist noch die betrach-tete Lichtquelle einem Planckschen Strahler entspricht sind gewonnene Messwerte immer uumlber eine spektrale Fehlanpassungskorrektur CCF gemaumlszlig

CCF

S V

S s

P T V

P T s

=

( ) ( )

( ) ( )

( ) ( )

( )

infin

infin

infin

int

int

intλ λ λ

λ λ λ

λ λ λ

λ

d

d

d0

0

0

rel

A

A r

eel λ λ( )infin

int d0

(7)

zu korrigieren wobei hier V(λ) in (7) stellvertre-

7

PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4 Die Candela als Maszligeinheit des Lichtes

tend fuumlr die benoumltigte Bewertungsfunktion steht Waren die erforderlichen Korrekturen bei Gluumlh-lampenbeleuchtung klein so koumlnnen Sie je nach Guumlte der spektralen Anpassung des verwendeten Photometers bei modernen LED-Lichtquellen durchaus im zweistelligen Prozentbereich sein Aus diesem Grunde diskutiert man im internati-onalen Rahmen die Einfuumlhrung weiterer Norm-lichtarten fuumlr LED-Lichtquellen [5]

Alternativ besteht immer auch die Moumlglichkeit das Spektrum direkt absolut und spektral aufgeloumlst zu messen und die photometrischen Bewertungs-funktionen rein rechnerisch zu beruumlcksichtigen Die hierzu infrage kommenden Systeme sind aber in der Regel teuer und bezuumlglich ihrer Robustheit und Stabilitaumlt fuumlr viele Anwendungen noch nicht ausreichend Regelmaumlszligig werden leider die Mess-unsicherheiten derartiger System unterschaumltzt was auch daran liegt dass aufgrund der komplexeren Messtechnik zusaumltzliche Unsicherheitsbeitraumlge (z B durch Bandpasseigenschaften und Streu-licht) die dem Anwender oft nicht zugaumlnglich sind bei der absoluten Bestimmung photomet-rischer Groumlszligen mithilfe von Spektroradiometern beruumlcksichtigt werden muumlssen

Unverzichtbar und mittlerweile marktbestim-mend sind jedoch spektral aufloumlsende Geraumlte wie Array-Spektroradiometer dort wo nur relative Messwerte wie z B bei der Bestimmung der Farbe von Licht bzw der Farbe von reflektiertem Licht benoumltigt werden

Bei der Bestimmung von Farbe geht es um die Bestimmung des Verhaumlltnisses von spektralen Strahlungsfunktionen die mit den Normspektral-wertfunktionen x y z( ) ( ) ( )λ λ λ bewertet werden wobei y( )λ mit V(λ) identisch ist Insofern ist auch die Farbmesstechnik an die Photometrie gekoppelt

Da es sich bei den farbmetrischen Groumlszligen um Eigenschaften handelt die durch Verhaumlltnismes-sungen gewonnen werden spricht man hier auch von farbmetrischen Kennzahlen und nicht von Einheiten Nichtsdestotrotz haben eben solche farbmetrischen Kennzahlen wie die Normfarb-wertanteile (x y) oder der Farbwiedergabeindex Ra (engl CRI colour rendering index) seit Einfuumlh-rung von modernen Lichtquellen eine besondere Bedeutung erhalten da z B mit LED-Lichtquellen im Prinzip sehr unterschiedliche Lichtfarben und Farbwiedergaben hergestellt werden koumlnnen Die Tatsache dass es sich bdquonurldquo um Kennzahlen handelt heiszligt jedoch nicht dass die Messungen messtechnisch einfach sind Genau das Gegenteil ist der Fall da fuumlr die Bestimmung der Farborte die steilen Flanken der Normalspektralwertfunk-tionen mit den Strahlungsfunktionen der Quellen gewichtet werden muumlssen die wie bei LEDs typisch auch spektral sehr steile Flanken aufwei-sen koumlnnen Unsicherheiten in der Bestimmung

der Strahlungsfunktion fuumlhren hier schnell zu groszligen Unsicherheitsbeitraumlgen in der Bestimmung des Farbortes Hier kann die PTB als Nationales Metrologieinstitut die Wuumlnsche nach den kleinen Messunsicherheiten wie sie von Herstellern sowie von Mess- und Kalibrierlaborartorien gefordert werden zurzeit noch nicht im vollen Umfang erfuumlllen

In der Vergangenheit wurden bei Testergebnis-sen haumlufig sowohl fuumlr photometrische Messwerte als auch fuumlr Kennzahlen in der Farbmesstechnik keine Messunsicherheiten angegeben Auch wurde deren Wirkung bei der Angabe von Toleranzen nicht immer adaumlquat beruumlcksichtig Fuumlr die Messung von LED-Lichtquellen wurde mit der in diesem Jahr veroumlffentlichten europaumlischen Norm DIN EN 13032-42015 [6] die uumlber die Commis-sion Internationale de lrsquoEacuteclairage Internationale Beleuchtungskommission (CIE) auch als internati-onaler Standard CIE S025 [7] veroumlffentlicht wurde ein erster Schritt in die Richtung gegangen auch fuumlr die Ergebnisse von Testverfahren die Angabe ruumlckfuumlhrbarer Messunsicherheiten zu fordern und diese bei Toleranzangaben zu beruumlcksichtigen

Dieser Vorstoszlig in der LED-Messtechnik wird sicherlich in Zukunft auch auf andere Anwen-dungsnormen zur Bewertung von Licht und Farbe von leuchtenden und nicht selbstleuchtenden Quellen einwirken Fuumlr die Weitergabe von Mes-sunsicherheiten auf dieser Ebene des Messwesens werden die nationalen Metrologieinstitute und die akkreditierten Kalibrierlabore gefordert sein die Industrie mit geeigneten applikationsnahen Trans-ferstandards zu unterstuumltzen

Literatur[1] Comptes Rendus de la 16e CGPM (1979) 1980

p100[2] WR Blevin Corrections in Optical Pyrometry

and Photometry for the Refractive Index of AirMetrologia 8 146ndash147 1972

[3] SI Brochure Appendix 2 Practical realization ofthe definition of the candela httpwwwbipmorgutilsenpdfSIApp2_cd_enpdf(letzter Aufruf 03122015)

[4] CIE 1912010 Recommended System for MesopicPhotometry Based on Visual Performance

[5] T Pulli et al Advantages of white LED lampsand new detector technology in photometryLight Science amp Applications (2015) 4 e332

[6] EN 13032-42015 Light and lighting ndash Mea-surement and presentation of photometricdata of lamps and luminaires ndash Part 4 LEDlight sources and luminaires

[7] CIE S0252015 Test Methods for LED Lampsndash LED Luminaires and LED Modules

8

Das Jahr des Lichtes PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4

Aufgrund der herausragenden Bedeutung des Lichts und des Sehens fuumlr die Interaktion des Menschen mit seiner Umwelt wurde die Candela als Einheit der Lichtstaumlrke in den Rang einer SI-Basis einheit gehoben Die Mehrzahl der Basiseinheiten sind uumlber physikalische Zusammenhaumlnge miteinander verknuumlpft und muumlssen entsprechend Ihrer Defini-tion realisiert und in den meisten Faumlllen auf andere Einheiten ruumlckgefuumlhrt werden In diesem Artikel wird die bdquometrologische Herkunftldquo der Candela im Stammbaum der Einheiten beschrieben

Definition der Candela

Im internationalen Einheitensystem (Systegraveme International drsquoUniteacutes abgekuumlrzt SI) ist die Candela wie folgt definiert

Die Candela ist die Lichtstaumlrke in einer bestimmten Richtung einer Strahlungsquelle die monochro-matische Strahlung der Frequenz 540 times 1012 Hz aussendet und deren Strahlstaumlrke in dieser Richtung (1683) Watt durch Steradiant betraumlgt

Hierbei handelt es sich um die exakte physika-lische Definition fuumlr die Lichtstaumlrke Nun besteht Licht jedoch praktisch nie nur aus Strahlung dieser Wellenlaumlnge weshalb die Definition um eine prak-tische Realisierung ergaumlnzt ist Denn es ist das Ziel der Photometrie Licht so zu messen dass die Mess-ergebnisse weitestgehend mit der visuellen Wahr-nehmung eines menschlichen Beobachters korre-liert sind Hierfuumlr wurden zwei spezielle Funktionen V(λ) und V ʹ(λ) [1] eingefuumlhrt die die relative spektrale Empfindlichkeit eines durchschnittlichen menschlichen Auges fuumlr photopisches (hell-adaptiertes) und skotopisches (dunkel-adaptiertes) Sehen beschreiben Die wichtigere der beiden Funktionen die V(λ) Funktion fuumlr hell-adaptiertes Sehen ist bei der Wellenlaumlnge auf eins normiert bei der das Auge die houmlchste Empfindlichkeit besitzt (555 nm) Mit dieser Definition lassen sich pho-tometrische Groumlszligen durch Bewertung der ent-sprechenden spektroradiometrischen Groumlszligen mit V(λ) und Multiplikation mit dem Maximalwert des Strahlungsaumlquivalents Km = 683 lmW berechnen

Die Lichtstaumlrke Iv ist durch das photometri-sche Grundgesetz mit der Beleuchtungsstaumlrke Ev verknuumlpft

IE d

vv=sdot 2

0ΩΩ0 = 1sr (1)

wobei d den Abstand zur Lichtquelle und Ω0 einen Raumwinkel von 1 sr bezeichnet Zur praktischen Bestimmung der Beleuchtungs-staumlrke verwendet man ein Photometer welches eine spektrale Bestrahlungsstaumlrke-Empfindlichkeit s(λ) besitzt deren relativer Verlauf idealerweise der V(λ)-Funktion entspricht und dessen Signal y proportional zu der Beleuchtungsstaumlrke ist Bei dem Proportionalitaumltsfaktor handelt es sich um die photometrische Empfindlichkeit sv des Photome-ters fuumlr die gemessene Lichtquelle

y s E= sdotv v (2)

Druumlckt man nun die Beleuchtungsstaumlrke Ev durch spektroradiometrische Groumlszligen aus so ergibt sich Ev aus der spektralen Bestrahlungsstaumlrke Eλ(λ)

E K E Vv m d= sdot sdot sdotinfin

int0 λ λ λ λ( ) ( ) (3)

Aus der spektralen Bestrahlungsstaumlrke Eλ(λ) und der spektralen Bestrahlungsstaumlrke-Empfindlichkeit des Photometers s(λ) ergibt sich das Signal y des Photometers

y E s= sdot sdotinfin

int λ λ λ λ( ) ( ) d0

(4)

Fuumlgt man die Formeln (2) bis (4) in (1) ein so ergibt sich fuumlr die Lichtstaumlrke

I y dK E V

E sv = sdot sdot

sdot sdot sdot

sdot sdot

infin

infinintint

2

0

0

0

Ω

m d

d

λ

λ

λ λ λ

λ λ λ

( ) ( )

( ) ( ) (5)

Aus dieser Formel laumlsst sich ablesen welche Groumlszligen fuumlr die Ruumlckfuumlhrung der Lichtstaumlrke bestimmt werden muumlssen Fuumlr die Ruumlckfuumlhrung

Detlef Lindner Arshybeits gruppe bdquoPhotoshymetrieldquo EshyMail detleflindnerptbde

Dr Stefan Winter Arbeitsgruppe bdquoSolarzellenldquo EshyMail stefanwinterptbde

Ruumlckfuumlhrung in der Photometrie ndash die Realisierung und Ruumlckfuumlhrung der Candela

Detlef Lindner Stefan Winter

9

Ruumlckfuumlhrung in der Photometrie hellipPTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4

der Candela wird das Signal y eines Photometers bestimmt welches sich in einem Abstand d von einer Lichtquelle entfernt befindet Von dem Pho-tometer muss die absolute spektrale Empfindlich-keit s(λ) bekannt sein und von der Lichtquelle die spektrale Bestrahlungsstaumlrke Eλ (λ)

In den naumlchsten drei Abschnitten wird das eigentliche Experiment zur Realisierung der Candela beschrieben dann das Verfahren zur Kalibrierung von Photometern und als letztes die Ruumlckfuumlhrung der spektralen Bestrahlungsstaumlrke Damit sind alle Groumlszligen zur Bestimmung der Candela bekannt Im letzten Abschnitt wird dann uumlber die abgeleiteten Groumlszligen Beleuchtungsstaumlrke und Leuchtdichte berichtet

Realisierung der Candela

Die Lichtstaumlrke Iv laumlsst sich durch Verwendung der Gleichungen (1) und (3) in die folgende Form bringen

I K d E Vv m d= sdot sdot sdot sdotinfin

int2

0 0Ω λ λ λ λ( ) ( ) (6)

Die spektrale Empfindlichkeit s(λ) eines Photo-meters laumlsst sich als Produkt aus einer absoluten Empfindlichkeit s(λ0) und einer relativen Emp-findlichkeit sr(λ) darstellen

s s s( ) ( ) ( )λ λ λ= sdot0 r mit sr ( ) λ0 1= (7)

Damit ergibt sich fuumlr das Ausgangssignal y dieses Photometers gemaumlszlig Gleichung (4)

y s E s= sdot sdot sdotinfin

int( ) ( ) ( ) λ λ λ λλ00

r d (8)

Ebenso laumlsst sich die spektrale Bestrahlungsstaumlrke einer Lichtquelle als Produkt aus einer absoluten und relativen Bestrahlungsstaumlrke schreiben

E E Eλ λλ λ λ( ) ( ) ( )= sdot0 r mit Er ( ) λ0 1= (9)

In der PTB werden zur Realisierung der Candela Gluumlhlampen verwendet deren relative spektrale Bestrahlungsstaumlrke Er (λ0) durch eine Strahlungs-funktion S (λT) ersetzt wird der eine Verteilungs-temperatur T zugeordnet werden kann [2] Befin-det sich die Lampe auszligerhalb der photometrischen Grenzentfernung im Abstand d zum Photome-terkopf und beleuchtet dessen Lichteintrittsflaumlche senkrecht so ergibt sich aus Gleichung (5) ihre Lichtstaumlrke Iv (T)

Die Anpassungskorrektur F (T) ist eine Funktion der Verteilungstemperatur T die den Photo-strom so korrigiert als waumlre mit einem ideal an V (λ)-angepassten Photometerkopf gemessen worden [3] In der Praxis ist die Anpassungskor-rektur meist eine monotone Funktion der Vertei-lungstemperatur und kann z B durch ein logarith-misches Polynom ersten Grades hinreichend gut angenaumlhert werden

F TS T V

S T sa T

m

( )( ) ( )

( ) ( )=

sdot sdot

sdot sdotcong sdot

infin

infinintint

λ λ λ

λ λ λ

d

d Kr

0

0

2856

(11)

Der Koeffizient a gibt den Wert der Anpassungs-korrektur fuumlr Normlichtart A (bei T = 2856 K) an da hier die Klammer den Wert eins hat Den Verlauf der Funktion mit der Verteilungstempera-tur beschreibt die Klammer mit dem Anpassungs-index m als Exponenten der somit eine charakte-ristische Groumlszlige eines Photometerkopfes ist Eine weitere Charakterisierung ist seine photometrische Empfindlichkeit sv

1

0sK asv

m=sdot

( )

λ(12)

Aus den Gleichungen (10) bis (12) folgt die in der Arbeitsgruppe bdquoPhotometrieldquo der PTB fuumlr die Realisierung der Lichtstaumlrke-Einheit grundlegende Beziehung

I T d y Ts

Tm

v ( ) ( ) = sdot sdot

2

0 2856Ω v K (13)

Demnach muumlssen neben dem Photostrom y(T) folgende Groumlszligen bekannt sein

bull die photometrische Empfindlichkeit sv desPhotometerkopfes

bull der Anpassungsindex m zur Korrektur derspektralen Fehlanpassung

bull der Wert der Verteilungstemperatur T der ver-wendeten Lichtquelle

bull der Abstand d zwischen Lichtquelle undPhotometerkopf

Die Einheit der Lichtstaumlrke wird an der PTB

I T y d Ks

S T V

S T syv

m

r

d

d( ) = sdot sdot

( )sdot sdot

sdot sdot= sdot

infin

infinintint

2

0 0

0

0

Ω λ

λ λ λ

λ λ λ

( ) ( )

( ) ( )

dd Ks

F T2

0 0Ωsdot( ) ( )m

λ (10)

10

Das Jahr des Lichtes PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4

repraumlsentiert und bewahrt durch eine Gruppe von 17 hochstabilen Gluumlhlampen (Typ Toshiba 5 A 10 V 15 cd) deren Strahlungsfunktionen der eines Hohlraumstrahlers von 2042 K sehr aumlhnlich sindDie Gesamtmessunsicherheit einer Realisierung der Lichtstaumlrke-Einheit in der PTB beim Vertrau-ensniveau k = 2 berechnet sich so zu 04

Gluumlhlampen altern praktisch nur waumlhrend ihrer Brennzeit demgegenuumlber koumlnnen Photometer ihre Eigenschaften unabhaumlngig vom Gebrauch veraumlndern Bild 2 verdeutlicht diesen Sachverhalt Deshalb sollten photometrische Einheiten mit Normallampen verkoumlrpert und bewahrt werden

sie dienen zum Kalibrieren von Photometern Kalibrierte Photometer sollten dagegen vorzugs-weise als Transfernormale verwendet werden

Weitergabe der Lichtstaumlrke-Einheit

Als Lichtstaumlrkenormale werden speziell gefertigte Gluumlhlampen mit besonderen optischen geometri-schen und elektrischen Eigenschaften verwendet z B die Lampe Typ OSRAM WI41G Bild 3 zeigtschematisch eine solche Lampe die zur Reduzie-rung der mechanischen Justierunsicherheit miteinem Spezialsockel der PTB ausgestattet wurdeZur Weitergabe der Lichtstaumlrke-Einheit werdenGruppen solcher Lampen als Lichtstaumlrkenormaleverwendet wobei auf Verteilungstemperaturenzwischen 2000 K und 2856 K eingestellt werdenkann siehe Bild 3 unten

In der PTB erfolgt die Bestimmung der Lichtstaumlrke Iv(T) einer Lampe durch den Vergleich mit der Lichtstaumlrke Iv(TR) eines nationalen Normals mit einer Verteilungstemperatur TR und mithilfe eines an V(λ)-angepassten Photometers mit den zugehouml-renden Photostroumlmen y(T) und y(TR)

Bild 1 Kameragestuumltzte mechanische Ausrichtung einer Lichtstaumlrke-Normallampe an derPhotometerbank Quelle PTB

0990

0992

0994

0996

0998

1000

1002

0 5 10 15 20 25

Rel Werte

Brennzeith

Bild 2 Alterungsverhalten von Lampen und Photometern Links schematisch rechts reales Alterungsver-halten einer Lampe im Betrieb rot Strom blau Spannung gruumln Lichtstaumlrke

Bild 3 Lichtstaumlrke-Normallampe WI41G mit PTB-Spezialsockel (oben) sowie verschiedene Lichtstaumlrke-Normallampen-gruppen zur Bewahrung und Weitergabe der Lichtstaumlrke-Einheit (unten)

11

Ruumlckfuumlhrung in der Photometrie hellipPTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4

I T I T y Ty T

TT

m

v v RR R

( ) ( ) ( )( )

= sdot sdot

(14)

Lichtstaumlrke-Normallampen

Die von der PTB in Kalibrierscheinen angegebe-nen Werte fuumlr die photometrischen Groumlszligen bezie-hen sich immer auf einen definierten Betriebszu-stand der Lampe Ihr momentaner Betriebszustand wird dagegen wesentlich bestimmt durch

bull die Zeitspanne seit dem Einschalten

bull die Betriebszustaumlnde bei fruumlheren Brennvor-gaumlngen und deren Dauer

bull die Eigenschaften der verwendetenMessapparatur

Zur Weitergabe der Lichtstaumlrke-Einheit werden zumeist Lampen des Typs WI41G verwendet Einige charakteristische Eigenschaften dieses Lam-pentyps werden nachfolgend angegeben - Kurzzeitstabilitaumlt ∆I Iv v le sdot minus2 10 4

- mechanische Justierunsicherheitfuumlr Lampe mit E27-Sockel ∆I Iv v le sdot minus2 10 3 fuumlr Lampe mit Spezialsockel ∆I Iv v le sdot minus4 10 4

- photometrisches Signal Alterung je Brennstundebzw Rauschen (siehe folgendes Bild 4)

- Richtungsabhaumlngigkeit der Lichtstaumlrke beiDrehung um die vertikale und horizontale Achse in der Leuchtkoumlrperebene Abhaumlngigkeit uumlberwiegend bei Drehung um die horizontale Achse fuumlr beide Winkel sollte der Justierfehler 1deg nicht uumlbersteigen

Bei der Weitergabe der Einheiten der gerich-teten Photometrie macht man sich das Moni-torverfahren zunutze D h der aktuelle photo-metrische Betriebszustand von Lichtstaumlrke- und Leuchtdichte normalen wird durch geeignete Monitortechniken kontrolliert Dafuumlr werden spe-ziell konstruierte Monitorphotometer eingesetzt (siehe folgendes Bild 5)

Die Signale der Monitorphotometer werden synchron mit den Referenz- bzw Testphotometern ausgelesen und dokumentieren so die bdquoEinbrenn-phaseldquo bzw die Stabilitaumlt des photometrischen Signals waumlhrend der Messablaumlufe und dienen gegebenenfalls zur Korrektur

Kalibrierung von Photometern

Bei der Kalibrierung von Photometern wird deren absolute spektrale Bestrahlungsstaumlrke-Empfindlich-keit vom UV bis ins nahe Infrarot bestimmt Dabei wird das Photometer im quasi monochromatischen homogenen Strahlungsfeld bekannter Bestrahlungs-staumlrke vollstaumlndig uumlberstrahlt und die sich dabei ergebende Stromstaumlrke gemessen Der Quotient aus Stromstaumlrke und Bestrahlungsstaumlrke bei der einge-stellten Wellenlaumlnge ergibt die spektrale Bestrah-lungsstaumlrke-Empfindlichkeit s(λ) Diese Messung wird alle 5 nm von 360 nm bis mindestens 830 nm durchgefuumlhrt und ergibt dann einen Kurvenverlauf der bei guten Photometern der oben beschriebenen V(λ)-Funktion sehr nahe kommt

Aus der experimentell bestimmten spektralen Bestrahlungsstaumlrke-Empfindlichkeit s(λ) laumlsst sich nun mithilfe tabellarisch definierter Groumlszligen (Normlichtart A S(λ 2856 K) V(λ)-Funktion und dem Maximalwert des Strahlungsaumlquivalents Km) die in Formel (2) eingefuumlhrte photometrische Empfindlichkeit sv des Photometers zusammen mit Formeln (3) und (4) berechnen

sS s

K S Vv

m

d

d=

sdot sdot

sdot sdot

infin

infinintint

( ) ( )

( ) ( )

λ λ λ

λ λ λ

2856

2856

0

0

K

K (15)

Ebenso laumlsst sich nun nach Formel (11) die Anpas-sungskorrektur F(T) direkt berechnen

2300 2500 2700 T K 2900 1

2

3

4

Alterung je Brennstunde

Rauschen ∆YY104

Photometrisches Signal

2856 K

Bild 4 Alterung je Brennstunde bzw Rauschen des photometri-schen Signals

Bild 5 Monitor-Photometer zur Uumlberwachung bzw Korrektur der Stabilitaumlt bei Messungen in der gerichteten Photometrie

Monitor-Photometer

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Das Jahr des Lichtes PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4

Experimentell wird die spektrale Bestrahlungs-staumlrke traditionell mit einem Monochromator-messplatz wie dem DSR-Messplatz ermittelt Dieser sondert aus einem Xenonlampenspektrum oder einem Gluumlhlampenspektrum einen schma-len Wellenlaumlngenbereich aus der dann fuumlr die Bestimmung der spektralen Empfindlichkeit bei seiner Schwerpunktwellenlaumlnge benutzt wird Besonders wichtig ist dabei dass der genaue Wert der Schwerpunktwellenlaumlnge bekannt ist und dass die ausgesonderte Strahlung ein sehr homogenes Strahlungsfeld erzeugt Entscheidend dafuumlr ist der geschickte und wellenlaumlngenabhaumlngige Aufbau der Eingangs- und Ausgangsoptik mit mehreren Linsen

Lampenbasierte Monochromatormessplaumltze haben jedoch einen entscheidenden Nachteil Ihre maximale Leistung betraumlgt typisch nur 100 microW Deshalb muumlssen mehrere Kompromisse bei der Messung eingegangen werden Die Messung muss verhaumlltnismaumlszligig dicht hinter dem Messplatz durch-gefuumlhrt werden wo sich die Bestrahlungsstaumlrke noch stark mit dem Abstand aumlndert und inhomoge-ner als im Fernfeld ist Je spektral reiner die Strah-lung eingestellt wird umso weniger Strahlungs-leistung passiert den Monochromator sodass auch hier wieder ein Kompromiss eingegangen werden muss Trotz der Kompromisse ist der Wellenlaumln-genbereich in dem die spektrale Empfindlichkeit bestimmt werden kann oft auf 400 nm bis 750 nm beschraumlnkt also auf den Bereich bei dem die spekt-rale Empfindlichkeit noch ausreichend hoch ist

Deshalb wurde ein neuer laserbasierter Messplatz aufgebaut (s Bild 6) Dieser erzeugt ein 100- bis 10000-mal kraumlftigeres Strahlungsfeld (s Bild 7) Zudem erlaubt der Messplatz die Bestimmung der Winkelabhaumlngigkeit von Photometern sowie die Messung des spektralen Temperaturkoeffizienten von ndash70 degC bis 180 degC Es koumlnnen mit dem laser-basierten Messplatz selbst unempfindliche Photo-meter in einem deutlich groumlszligeren Wellenlaumlngenbe-reich als bislang gemessen werden (s Bild 8ndash9) Da so viel Strahlungsleistung selbst fuumlr einen erweiter-ten Wellenlaumlngenbereich nicht benoumltigt wird kann mit einem laserbasierten Messplatz im homogenen Fernfeld und mit houmlherer spektraler Reinheit gemessen werden und somit die Messunsicherheit signifikant reduziert werden

Bild 6 Aufbau eines laser-basierten Messplat-zes zur Kalibrierung der spektralen Bestrahlungsstaumlrke-Empfindlichkeit von Photometern Das eigentliche Laser-system ist in der unteren Haumllfte von a) skizziert und in b)als Foto dargestellt

a

b

13

Ruumlckfuumlhrung in der Photometrie hellipPTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4

Realisierung der spektralen Bestrahlungsstaumlrke

Wie bereits vorher erwaumlhnt ist zur Realisierung der Candela die Kenntnis der relativen spektralen Bestrahlungsstaumlrke Er(λ) = S(λ T) von Tempera-turstrahlern (Gluumlhlampen) der Verteilungstempe-ratur T erforderlich

Bereits zum Ende des neunzehnten Jahrhunderts beschaumlftigten sich an der Physikalisch-Techni-schen-Reichsanstalt (PTR) in Berlin die Wissen-schaftler Otto Lummer Ernst Pringsheim und Fer-dinand Kurlbaum unter der Leitung von Wilhelm Wien mit der Pruumlfung elektrischer Gluumlhlampen fuumlr die Industrie und in diesem Zusammenhang mit der Verbesserung von Lampen und Vergleichs-normalen fuumlr Waumlrmestrahlung [4]

Sie entwickelten basierend auf Ideen von Kirch-hoff ab 1895 die ersten Hohlraumstrahler die als sogenannter Schwarzer Strahler zur Erzeugung von Temperaturstrahlung bis zu etwa 2000 K ein-gesetzt werden konnten Aufbauend auf Vorarbei-ten von Kirchhoff (1859) Stefan und Boltzmann (187984) sowie auf eigene Berechnungen (1893) konnte Wilhelm Wien anhand erster Messergeb-nisse 1896 die heute nach ihm benannte Wiensche Strahlungsgleichung aufstellen die die Ergebnisse der Experimente gut traf allerdings systema-tische Abweichungen fuumlr groszlige Produkte von λ middot T ergab Die Wiensche Gleichung war jedoch wesentlich genauer als das von Rayleigh und Jeans aufgestellte Pendant mit seiner inhaumlrenten Ultraviolettkatastrophe

Am 19 Oktober 1900 konnte Max Planck der vom Gastwissenschaftler Heinrich Rubens uumlber die Messergebnisse in der PTR unterrichtet wurde in einer Sitzung der Physikalischen Gesellschaft eine Gleichung vorlegen die die Messungen seiner Kollegen in der PTR besser als alle bis dato bekannten Gleichungen wiedergab Bereits am 14 Dezember 1900 trug er die komplette Her-leitung der Planckschen Strahlungsgleichungwiederum der Berliner Physikalischen Gesellschaftvor und leitete damit (verbunden mit der Energie-quantelung) die Quantenphysik ein [5]

Mithilfe des Planckschen Strahlungsgesetzes laumlsst sich die spektrale Dichte der Bestrahlungs-staumlrke EλBB(λTBB) eines Hochtemperatur-Hohl-raumstrahlers (auch Planckscher Strahler oder Schwarzer Strahler) berechnen

E T T Ad

cn

ec

n Tλ

λ

λ ε λλ BB BB BB

BB

BBBB

( ) = ( ) sdot sdot sdot

minus2

12 5

1

12

(16)

Bild 7 Wellenlaumlngenabhaumlngige optische Leistung des herkoumlmmlichen DSR-Messplatzes (untere Kurven) und des Laser-DSR-Messplatzes einmal direkt hinter dem Laser gemessen (gruumlne Kurven) und einmal die Leistung der tatsaumlchlich in der Messebe-ne nutzbaren Strahlung (rote Kurven)

Bild 8 Photometer Referenzphotodiode (links) sowie Solarzelle (unten) am Laser-DSR-Messplatz

Bild 9 Mit dem Laser-DSR-Messplatz und dem DSR-Messplatz gemessene spektrale Empfindlichkeiten von zwei verschiedenen Photometern (gruumlne und blaue Kurve) sowie die spektrale Empfindlichkeit von der als Referenz benutzten Photodiode (rote Kurve) Die Signalhoumlhen unterscheiden sich um einen Faktor von bis zu 100 Millionen Obwohl das am Laser-DSR-Messplatz gemessene Photometer ca 7 mal unempfindlicher als das am DSR-Messplatz gemessene Photometer ist kann die spektrale Empfindlichkeit in einem deutlich groumlszligeren Wellenlaumlngenbereich gemessen werden

14

Das Jahr des Lichtes PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4

Hierbei ist

TBB die Temperatur des Planckschen Strahlers ε(λTBB) der effektive Emissionsgrad des Strahlers ABB die Groumlszlige der Strahleroumlffnung dBB der Abstand zur Referenzebene fuumlr die Bestrahlungsstaumlrke c1 c2 die Planckschen Strahlungskonstanten und n der Brechungsindex von Luft

In der PTB wird im Fachbereich 41 bdquoPho-tometrie und angewandte Radiometrieldquo ein Hochtemperatur-Hohlraumstrahler vom Typ BB3200pg als nationales Normal fuumlr spektrale Bestrahlungsstaumlrke im Spektralbereich 200 nm bis 2500 nm eingesetzt Der Strahler der vom russi-schen Institut fuumlr optophysikalische Messungen (VNIIOFI) entwickelt [6] und von der PTB fuumlr seine Messaufgabe aufwendig charakterisiert und optimiert wurde [7] besitzt einen Hohlraum aus pyrolytischem Graphit der mittels Gleichstrom auf Temperaturen bis 3200 K aufgeheizt werden kann Der Strahler besitzt einen effektiven Emissions-grad von ε(λTBB) gt 09998 und eine ausgepraumlgte Homogenitaumlt der Temperatur im Hohlraum Er kann somit als Planckscher Strahler behandelt werden

Zur Berechnung des Planckschen Strahlungs-gesetzes werden weitere Groumlszligen des SI-Systems benoumltigt die in der PTB ruumlckfuumlhrbar kalibriert werden So wird zum Beispiel die Strahlerflaumlche ABB in Fachbereich 53 bdquoKoordinatenmesstechnikldquo kalibriert und die Bestimmung der Strahlertem-peratur TBB erfolgt mithilfe von Filterradiometern die in Fachbereich 73 bdquoDetektorradiometrie und Strahlungsthermometrieldquo gegen ein Kryo-

radiometer ruumlckgefuumlhrt werden Mithilfe dieser Berechnungsparameter fuumlr Gleichung (16) kann der Schwarze Strahler als Primaumlrnormal fuumlr strah-lungsphysikalische Groumlszligen eingesetzt werden

Die Kalibrierung von Gluumlhlampen bezuumlglich spektraler Bestrahlungsstaumlrke erfolgt in Sub-stitution durch direkten Vergleich gegen das Primaumlrnormal bzw entsprechend ruumlckgefuumlhrte Sekundaumlrnormale Hierbei handelt es sich um 1000-W-Gluumlhlampen vom Typ FEL die mit einer Verteilungstemperatur von etwa 3080 K einem dem Schwarzen Strahler sehr aumlhnlichen Verlauf der relativen spektralen Strahlungsfunktion besitzen Die Substitution erfolgt mithilfe eines Spektroradiometers das mit drei Monochroma-toren und Empfaumlngern einen Spektralbereich von 250 nm bis 2500 nm abdeckt [8] Eine Ulbrichtku-gel dient als Eingangsoptik und ihre Eintrittsoumlff-nung als Referenzebene fuumlr die Bestrahlungsstaumlrke Die durch die Kugel transmittierte Strahlung gelangt in einen Vormonochromator und wird nach spektraler Vorzerlegung wahlweise in einen Monochromator fuumlr den Spektralbereich 250 nm bis 1100 nm oder in einen Monochromator fuumlr den infraroten Spektralbereich eingekoppelt Ein Photomultiplier eine Si-Photodiode und eine InGaAs-Photodiode erfassen die aus den derart kombinierten beiden Doppelmonochromatoren austretende Strahlung Im fuumlr die Photometrie relevanten sichtbaren Spektralbereich werden spektrale Messungen mit einer spektralen Band-breite von 1 nm und einem Streulichtanteil im Bereich von 10ndash7 durchgefuumlhrt

Das Verhaumlltnis der mit den unterschiedlichen Strahlern gemessenen Photostroumlme entspricht im Wesentlichen dem Verhaumlltnis ihrer spektralen Bestrahlungsstaumlrken Beim Vergleich eines Strah-

Bild 10 Der Hochtemperatur-Hohlraumstrahler BB3200pg der in der PTB als Primaumlrnormal fuumlr die spektrale Bestrahlungsstaumlrke eingesetzt wird Der Hohlraum aus Pyrographit kann bis zu 3200 K aufgeheizt werden

15

Ruumlckfuumlhrung in der Photometrie hellipPTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4

lers bdquoSldquo mit der Verteilungstemperatur T mit dem Schwarzen Strahler der Temperatur TBB laumlsst sich prinzipiell also die unbekannte spektrale Bestrah-lungsstaumlrke EλS (λT) ermitteln aus

E T E Ty

yS eS

λ λλ λλλ ( ) = ( ) sdot ( )( )BB BB

BB

wobei ys(λ) und yBB(λ) die fuumlr die beiden Strahler gemessenen Photostroumlme bei der Wellenlaumlngen-einstellung λ sind und EλBB (λTBB) die spektrale Bestrahlungsstaumlrke des Hochtemperatur-Hohl-raumstrahlers nach dem Planckschen Strahlungs-gesetz (16) ist

Ableitung und Weitergabe weiterer photometrischer Einheiten gerichteter photometrischer Groumlszligen

Neben der Einheit fuumlr die Lichtstaumlrke sind in der gerichteten Photometrie die Einheit der Beleuch-tungsstaumlrke zur Kalibrierung von Photometern und die Einheit der Leuchtdichte zur Angabe von Lampeneigenschaften besonders wichtig

Beleuchtungsstaumlrke

In der PTB werden Beleuchtungsstaumlrke-Messgeraumlte mit einem Referenzphotometer mittels der Substi-tutionsmethode kalibriert wobei die Lichteintritts-flaumlchen der Photometerkoumlpfe an derselben Stelle senkrecht und gleichmaumlszligig beleuchtet werden

Dazu wird zunaumlchst das Referenzphotometer (Linearitaumlt und Anpassungsindex m bekannt) mit Lichtstaumlrke-Normallampen beliebiger Vertei-lungstemperatur T kalibriert Durch Umstellung von Gleichung (13) folgt fuumlr seine photometrische Empfindlichkeit

s d y TI T

Tm

v K= sdot sdot

2

0 2856Ω( )( )

v

(18)

Auf einer 40 m langen Photometerbank siehe Bild 10 koumlnnen dann mit beliebigen Gluumlhlampen unterschiedlicher elektrischer Leistung aber bekannter Verteilungstemperatur Beleuchtungsstaumlrken zwischen 0001 lx und 10000 lx erzeugt werden

Die Kalibrierung von Beleuchtungsstaumlrke-Mess-geraumlten erfolgt meistens mit Licht der Normlicht-art A eine entsprechende Lampe ist in Bild 15 dargestellt Die Anzeige des zu kalibrierenden Beleuchtungsstaumlrke-Messgeraumltes wird mit dem Messwert der Beleuchtungsstaumlrke Ev des Referenz-photometers verglichen

E T ysv

vK( )= =2856

001

01

1

10

100

350 400 450 500 550 600 650 700 750

spek

tral

e Be

stra

hlun

gsst

aumlrke

E[microW

cm

sup2nm

]

Wellenlaumlnge λ [nm]

Schwarzer Strahler (3076 K)Schwarzer Strahker (2995 K)FEL 81 A (3080 K)FEL 67 A (2780 K)WI 41G 54 A (2700 K)

Bild 11 Spektrale Bestrahlungsstaumlrke unterschiedlicher Strahler im sichtbaren Spektralbe-reich Die als Sekundaumlrnormale eingesetzten 1000-W-Gluumlhlampen vom Typ FEL und die in der Photometrie verwendeten Gluumlhlampen vom Typ WI 41G besitzen einen sehr aumlhnlichen spektralen Verlauf wie der als Primaumlrnormal eingesetzte Schwarze Strahler bei unterschiedlichen Strahlertemperaturen

Bild 12 Der Messplatz fuumlr die Kalibrierung von Gluumlhlampen bezuumlglich spektraler Bestrah-lungsstaumlrke in der PTB Auf der rechten Seite befinden sich zwei als Sekun-daumlr- und Arbeitsnormale eingesetzte Gluumlhlampen Auf der linken Seite ist das Spektroradiometer zu sehen dass an seiner Oberseite eine Ulbrichtkugel als Eingangsoptik montiert hat deren Oumlffnung in Richtung Strahler als Referenzebene fuumlr die Bestrahlungsstaumlrke verwendet wird

Bild 13 Messplatz zur Weitergabe der Einheit der Beleuchtungsstaumlrke zur Kalibrierung von Photometern

(17)

(19)

16

Das Jahr des Lichtes PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4

Leuchtdichte

Leuchtdichten homogen leuchtender begrenzter Flaumlchen koumlnnen aus groszligem Abstand wie Licht-staumlrken gemessen werden Wird z B eine kreisfoumlr-mige Blendenoumlffnung (zentrisch und senkrecht zur Messrichtung) zwischen der leuchtender Flaumlche und dem Photometerkopf angeordnet und damit ein Teillichtstrom ausgesondert so kann dieser in groszligem Abstand als Lichtstaumlrke bestimmt werden und es gilt fuumlr die Leuchtdichte Lv der prinzipielle Zusammenhang

LIAvv= (20)

In der PTB wird fuumlr die mit Gluumlhlampen ausgestat-teten Leuchtdichtenormale (d h Verteilungstem-peratur T bekannt) zunaumlchst die photometrische Empfindlichkeit sv des Referenzphotometers wie in Abschnitt 41 bestimmt dann die Lichtstaumlrke nach Gleichung (13) gemessen und schlieszliglich die mittlere Leuchtdichte innerhalb der leuchtenden Flaumlche A nach Gleichung (20) berechnet

Fuumlr Leuchtdichtenormale gelten prinzipiell einige der im Kapitel bdquoLichtstaumlrke-Normallampenldquo aufgefuumlhrten Merkmale Sie unterscheiden sich jedoch im Detail in der Art der Ausfuumlhrung z B sind sie mit Gluumlhlampen oder mit LEDs bestuumlckt sie koumlnnen hinsichtlich der Leuchtdichte bzw Farbe durchstimmbar sein oder mit gesonderter Monitortechnik ausgestattet sein

Die traditionellen Messverfahren zur Bestim-mung der Leuchtdichte bzw die Verwendung von Photometern mit direkter Anzeige der Leuchtdich-tewerte werden zunehmend durch den Einsatz von Leuchtdichtekameras (pixelaufgeloumlste Darstellung von Leuchtdichteverteilungen) ergaumlnzt Eine abso-lute Kalibrierung dieser modernen Systeme stellt aber messtechnisch eine groszlige Herausforderung

Bild 14 Die 40 m lange photometrische Bank zur Realisierung und Weitergabe der Einhei-ten der gerichteten Photometrie

Bild 15 20-kW-Hochleistungshalogengluumlhlampe fuumlr hohe Beleuchtungsstaumlrken zur Kalibrierung von Beleuchtungsstaumlrke-Messgeraumlten u a mit Normlichtart A

Bild 16 Gluumlhlampenbasierte Normale zum Transfer der Leuchtdichte-Einheit

17

Ruumlckfuumlhrung in der Photometrie hellipPTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4

dar aktuell werden zur Charakterisierung solcher Kameras national im FNL3 (Normenausschuss bdquoPhotometrieldquo im DIN) und international in der CIE (TC2-59 TC2-62) u a Messverfahren dis-kutiert die dann mittels definierter Kenngroumlszligen beschrieben werden

Literatur

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temperature 1994[3] G Sauter Die Candela Erlaumluterungen zum Ver-

staumlndnis der Definition und der RealisierungPTB-Mitteilungen 107 1997

[4] W Schreier (Hrsg) Biographien bedeutender Phy-siker 2 Aufl Volk und Wissen Berlin 1988S 203ndash205

[5] M Planck Zur Theorie des Gesetzes der Energie-verteilung im Normalspektrum Verhandlungender Deutschen Physikalischen Gesellschaft 21900 S 237ndash245

[6] V I Sapritsky B BKhlevnoy V B KhromchenkoB E Lisiansky S N MekhontsevU A Melenevsky S P Morozova A V ProkhorovL N Samoilov V I Shapoval K A SudarevM F Zelener Precision Blackbody sources forradiometric standards Appl Opt 1997 36S 5403ndash5408

[7] P Sperfeld Entwicklung und Realisierungeiner empfaumlngergestuumltzten spektralen Bestrah-lungsstaumlrkeskala Dissertation Braunschweig2861999 httpwwwbibliotu-bsdeedissdata19990628a19990628ahtml(Letzter Aufruf 28102015)

[8] P Sperfeld S Pape B Barton From Primary Stan-dard to Mobile Measurements ndash Overview of theSpectral Irradiance Calibration Equipment at PTBMAPAN-Journal of Metrology Society of India 252010 S 11ndash19

Bild 17 Pixelaufgeloumlste Darstellung einer Leuchtdichteverteilung mit einer Leuchtdichtemesskamera

pim_140107_anz_forschung_178x29indd 1 280214 1033

18

PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4Das Jahr des Lichtes

Kurze Geschichte der Goniophotometrie in der PTB Matthias Lindemann

Zusammenfassung

Die Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB) ist das nationale Metrologieinstitut (NMI) der Bundesrepublik Deutschland das seinen Fokus auf die Realisierung Bewahrung und Weitergabe der SI-Einheiten richtet Deshalb hat auch die goniophotometrische Bestimmung des Licht-stroms nahezu beliebiger Lichtquellen eine lange Tradition Seit mehr als 50 Jahren werden in der PTB hierzu noumltige Messsysteme entwickelt genutzt verbessert und an neue Messaufgaben angepasst Schon in den 50er- und 60er-Jahren des vergangenen Jahrhunderts erlaubte ein soge-nanntes Einarm-Goniophotometer die Realisie-rung der Lichtstromeinheit lumen (lm) als direkte Ableitung von der SI-Basiseinheit Candela (cd) mithilfe von Lichtstaumlrke-Normallampen Spaumlter gestattete ein groszliges Kardan-Goniophotometer mit einem Messradius von 25 m die notwendige automatisierte spiralfoumlrmige Bewegung eines Photometers bzw eines Dreibereichsfarbmess-kopfes Fuumlr die Lichtstrom-Kalibrierungen von Kleingluumlhlampen aber auch von zunehmend nachgefragten Messungen an LEDs wurde schon in den fruumlhen 1980er Jahren ein sogenanntes Mini-Goniophotometer ebenfalls als Kardan-

Goniophotometer mit nur 03 m Messradius entwickelt und eingesetzt Dieser Entwicklungs-prozess haumllt an und ermoumlglicht heute die Kalibrie-rung auch modernster LED-Lichtquellen Im Jahr 2006 wurde das erste Roboter-Goniophotometer im neuen Albert-Einstein-Gebaumlude der PTB in Betrieb genommen und ermoumlglicht seitdem die Kalibrierung nahezu beliebiger Lichtquellen mit der noumltigen kleinen Messunsicherheit

1 Einfuumlhrung

Mehr als 11 der elektrischen Energie werden heute in Deutschland fuumlr Beleuchtung einge-setzt Tendenz steigend Daher ist der Lichtstrom oumlkonomisch gesehen die wichtigste photometri-sche Groumlszlige Es ist notwendig seine Einheit das Lumen (lm) direkt von der SI-Basiseinheit fuumlr die Lichtstaumlrke der Candela (cd) abzuleiten Dies geschieht regelmaumlszligig mittels Goniophotometrie um den Lichtstrom der zu untersuchenden Licht-quelle zu bestimmen Obwohl auch absolut arbei-tende Ulbricht-Kugel-Methoden existieren [1] benoumltigen diese streng genommen zumindest die relative raumlumliche Lichtstaumlrkeverteilung welche nur durch goniophotometrische Methoden messbar ist

Das Prinzip der Goniophotometrie ist unabhaumln-gig von der technischen Realisierung der unter-schiedlichen Goniophotometertypen Ein Gonio-photometer misst die raumlumliche Verteilung der Beleuchtungsstaumlrke E(r ϑ φ) auf einer geschlosse-nen Huumlllflaumlche mittels V(λ)-angepasstem Pho-tometer fuumlr alle Richtungen (ϑ φ) der Lichtaus-strahlung im vollen Raumwinkel (4π sr) um die Lichtquelle herum wie Bild 1 zeigt

Der Radiusvektor r(ϑ φ) beschreibt die Position des Photometers in Kugelkoordinaten und r(ϑ φ) durchstoumlszligt das zur Lampe gerichtete Eintrittsfens-ter immer orthogonal Der Radiusvektor r(ϑ φ) beschreibt auch die Entfernung zwischen Lampe und Photometer

Der Winkel ϑ beschreibt die Position des Photometers zwischen den Polen traditionell im Bereich (0 lt ϑ lt π) Der Winkel φ beschreibt die Photometer-Position in der Aumlquator-Richtung

Matthias Lindemann Arbeitsgruppe bdquoGoniophotometrieldquo EshyMail matthiaslindemannptbde

Bild 1 Beleuchtungsstaumlrke E als Funktion des Radiusvektors r(ϑ φ)

19

PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4 Kurze Geschichte der Goniophotometrie in der PTB

(0 lt φ lt 2π) Der Wert des Lichtstroms Φ der Lampe kann aus der Beleuchtungsstaumlrkeverteilung E(ϑ φ) berechnet werden entweder aus der Licht-staumlrkedefinition I = dΦdω oder aus der Defini-tion der Beleuchtungsstaumlrke E = dΦdΑ

Φ = ( )int I ϑ ϕ ω4πsr

d (1)

Φ = ( )int E Ar

ϑ ϕ4 2π

d (2)

Das Raumwinkelelement dω der Gleichung (1) ist gegeben durch

d sin d dω ϑ ϑ ϕ= ( ) (3)

und das Flaumlchenelement dA der Gleichung (2) erhaumllt man aus

d sin d dA r= ( ) ( )2 ϑ ϕ ϑ ϑ ϕ

(4)

Der Radius r des Radiusvektors r(ϑ φ) kann als Konstante behandelt werden da er sich gewoumlhn-lich waumlhrend einer goniophotometrischen Messung nicht aumlndert Dann kann die Lichtstaumlrke-verteilung I(ϑ φ) durch Anwendung des photome-trischen Grundgesetzes aus der Beleuchtungsstaumlr-keverteilung E(ϑ φ) bestimmt werden

I r Eϑ ϕ ϑ ϕ ( ) = ( )2 (5)

Falls die photometrisch wirksame Ausdehnung rL der zu messenden Lampe deutlich kleiner ist als der Messradius r des Goniophotometers ist kann Gleichung (1) mit Gleichung (3) und r = const wie folgt geschrieben werden

Φ = ( ) ( )intintr E2

00

2

d sin dϕ ϑ φ ϑ ϑππ

(6)

Andererseits fuumlhrt Gleichung (2) mit Glei-chung (4) und r = const ebenfalls auf Gleichung (6) Aber fuumlr groszlige Lampen koumlnnte die Anwen-dung von Gleichung (5) zu fehlerhaften Ergeb-nissen fuumlhren (rL gt r) aber der ermittelte Wert des Lichtstroms entsprechend Gleichung (6) waumlre korrekt falls das Photometer das einfallende Licht mit dem Kosinus des Einfallswinkels bewertet

2 Geschichte der Goniophotometer- Systeme in der PTB

Wie bereits teilweise in Abschnitt 1 diskutiert sollte ein ideales Goniophotometer eine Reihe von Anforderungen erfuumlllen wie die folgende Auflis-tung zeigt

1 Kalibrierung der Photometer mittels Licht-staumlrke-Normallampen zur Sicherung der Ruumlckfuumlhrung auf die nationale Realisierung der Einheit Candela

2 Ausfuumlhrung einer Relativbewegung zwischen Lampe und Photometer wobei sich ϑ-Achse und φ-Achse rechtwinklig schneiden

3 Verwendung eines V(λ)-angepassten Photo-meters zur Lichtstrommessung

4 Automatische Messdatenanalyse5 Unabhaumlngige Bestimmung des Lichtstromwer-

tes von der raumlumlichenspektralen Verteilung der gemessenen Bestrahlungsstaumlrke Ee(λ ϑ φ) des Lichts

6 Unabhaumlngigkeit der Empfindlichkeit des Pho-tometers von der Umgebungstemperatur bzw Durchfuumlhrung einer entsprechenden Korrektur

7 Beliebige Betriebslage der zu untersuchenden Lampe

8 Einstellbare Umgebungsbedingungen fuumlr Luft-temperatur und Luftfeuchte

9 Geringer Streulichtanteil im Messraum bzw Streulicht-Korrektur

10 Elektrische Antriebe fuumlr die Bewegung der ϑ- und φ-Achsen

11 Verwendung von Farbmesskoumlpfen zur Bestim-mung der raumlumlich wirksamen aumlhnlichsten Farbtemperatur undoder Bestimmung der relativen raumlumlichen spektralen Verteilung der gemessenen Bestrahlungsstaumlrke

12 Messung ohne Bewegung der zu untersuchen-den Lampe

13 Vollstaumlndige Abtastung der Beleuchtungs-staumlrke- bzw Lichtstaumlrkeverteilung der zu untersuchenden Lampe

14 Staumlndige Uumlberwachung des photometrischen Betriebsverhaltens der Lampe um Alterung waumlhrend der Messzeit erkennen bzw korrigie-ren zu koumlnnen (sogenanntes Monitorsystem)

15 Messraumwaumlnde sollen etwa auf Lufttem-peratur sein um den Strahlungsaustausch zwischen Entladungslampen und Waumlnden des Messraums zu stabilisieren

16 Online-Streulichtkorrektur ndash insbesondere fuumlr ausgedehnte Lampen wie Leuchtstofflampen da diese den Einsatz eines Streulichttubus mit groumlszligerem Gesichtsfeld erfordern

17 Die Beleuchtungseinrichtung des Gonio-photometerraums soll zur Messzeit abgedeckt und ausgeschaltet sein um den Streulichtan-teil nicht zu erhoumlhen

18 Variation des Messradius r (Validierung von Nahfeld-Fernfeld-Messungen mit abbilden-den Systemen)

In der Goniophotometrie sind verschiedene Koor-dinatensysteme wie Bild 1a zeigt zu unterscheiden Dies sind regelmaumlszligig das Lampenkoordinatensys-tem Lamp das Raumkoordinatensystem Room und

20

PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4Das Jahr des Lichtes

das Goniophotometerkoordinatensystem bezogen auf dessen Zentrum Center Bild 1a zeigt moumlgliche Offsets zwischen diesen Systemen in Translation und Rotation

Um folgende Betrachtungen und Erklaumlrungen zu vereinfachen werden die genannten Koordina-tensysteme als deckungsgleich angenommen das heiszligt es werden keine Offsets in Translation und Rotationen zwischen den Koordinatensysteme vorausgesetzt

Im Weiteren werden die Eigenschaften Vor- und Nachteile der uumlber Dekaden in der PTB entwi-ckelten und genutzten Goniophotometer unter Beruumlcksichtigung der gewuumlnschten vorstehend gelisteten Eigenschaften diskutiert Es beginnt mit einem einfachen Einarm-Goniophotometer aus den 50er-Jahren des vergangenen Jahrhunderts und endet zumindest vorlaumlufig mit dem State-of-the-art-Roboter-Goniophotometer das 2007 in Betrieb ging

21 Einarm-Goniophotometer (1950ndash1975)

In der Zeit von 1950 bis 1975 wurde ein manuell betriebenes Einarm-Goniophotometer nach Bild 2 benutzt In den 50er-Jahren war diese Messappara-tur noch mit einem visuellen Photometer ausge-stattet Dieses Photometer erlaubte die relative Messung von Beleuchtungsstaumlrken mittels einer im Photometer installierten Hilfslampe in Verbindung mit einem optischen Abschwaumlcher [2 Seite 321] Die Ruumlckfuumlhrung auf die nationale Lichtstaumlrke-Einheit die Candela war durch Kalibrierung des visuellen Photometers mit Lichtstaumlrke-Normal-lampen sichergestellt (dies erfuumlllt Anforderung 1 der Anforderungsliste) entsprechend basieren auch Abstandsmessungen auf der nationalen Laumln-geneinheit dem Meter

Wegen der Lageabhaumlngigkeit der internen Hilfs-lampe im Innern des visuellen Photometer war es an einer festen Stelle der Messapparatur ange-bracht wie Bild 2 zeigt Ein Spiegel-Prismen-Sys-tem leitete das Licht der zu untersuchenden Lampe auf das Photometer Eine detaillierte Beschreibung aumlhnlicher Systeme kann [2 Seite 319] entnommen werden Damit ist Anforderung 2 ebenfalls erfuumlllt

Die vollstaumlndige Bestimmung des Lichtstroms Φ erfordert eine groumlszligere Anzahl Messungen von Beleuchtungsstaumlrken fuumlr ebenso viele manuell eingestellte unterschiedliche Kugelkoordina-ten (ϑ φ) Wird die fiktive Kugel gemaumlszlig Bild 1 in ϑ-Richtung in parallele Zonen eingeteilt und jede dieser Zonen i ist wiederum in n Sektoren j gleicher Laumlnge (Δφ = const) mit den zugehoumlrigen Beleuchtungsstaumlrken Eij unterteilt ist es moumlglich die mittlere Beleuchtungsstaumlrke Endashi jeder Zone i nach Gleichung 7 zu bestimmen

E Ei n i jj

n

==sum1

1 (7)

und der Wert des Lichtstroms Φ ergibt sich weiter aus der numerischen Integration nach Gleichung (8)

Φ = ( )minus ( )( )+

=sum2 2

10

1

πr cos cosϑ ϑi ii

m

iE-

(8)

Die Anzahl der notwendigen Beleuchtungsstaumlr-kemessungen haumlngt von der raumlumlichen Lichtver-teilung der zu untersuchenden Lampe ab Wegen der manuellen Einstellung des groszligen Arms (ϑ) der Drehung der Lampe (φ) und des gleichfalls noumltigen manuellen Abgleichs des visuellen Pho-tometers ist diese Methode sehr zeitaufwendig Sollen beispielsweise 600 Punkte gemessen werden (aus heutiger Sicht also nicht besonders viele) und man benoumltigt ca 25 Sekunden pro Messung werden also mehr als 4 Stunden benoumltigt um eine

Bild 1a Koordinatensysteme

Bild 2 Einarm-Go-niophotometer 1950ndash1975

21

PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4 Kurze Geschichte der Goniophotometrie in der PTB

Lampe mit relativ homogener raumlumlichen Licht-verteilung zu messen

In 1963 wurde ein internationaler Lichtstrom-vergleich auf der Basis von Entladungslampen ohne Fluoreszenzstoff durchgefuumlhrt Diese Lampen wiesen eine massive Inhomogenitaumlt ihrer raumlumlichen Lichtverteilung auf sodass die beschriebene manuelle Methode wegen der noumltigen hohen Anzahl von Messpunkten nicht praktikabel war Zur Loumlsung dieses Problems in [3] beschrieben wurde das visuelle Photometer durch einen grob an V(λ)-angepassten Photover-vielfacher ersetzt zusaumltzlich wurde die φ-Achse mit einem elektrischen Antrieb versehen und ein Praumlzisionskondensator ermoumlglichte die analoge Integration des Photostroms des Photovervielfa-chers Damit konnte fuumlr jede der erforderlichen ϑ-Einstellungen des groszligen Arms der elektri-sche Antrieb der φ-Achse diese mit konstanter Winkelgeschwindigkeit rotieren lassen waumlhrend der Praumlzisionskondensator den Photostrom des Photovervielfachers integrierte Nach etwa t = 5 min fuumlr eine Umdrehung repraumlsentierte die Ladung Q = C middot U des Praumlzisionskondensators die mittlere Beleuchtungsstaumlrke

E k C Uti = sdot (9)

dieser gemessenen Zone i Daraus berechnet sich der Lichtstrom wiederum gemaumlszlig Gleichung (8) Es ist nicht noumltig das Produkt k ∙ C exakt zu kennen da dies uumlber das Kalibrierverfahren durch die bekannte Beleuchtungsstaumlrke einer Lichtstaumlrke-Normallampe eliminiert werden kann es muss lediglich uumlber die gesamte Messzeit hinweg kons-tant sein

Spaumlter in den 1960er-Jahren wurde auch das visuelle Photometer durch ein modernes V(λ)-angepasstes Photometer basierend auf gefilterten Silizium-Photodioden in Kombination mit einen PhotostromSpannungswandler und einem xy-Plotter ersetzt Man erhielt so die Beleuchtungs-staumlrkeverteilung jeder Zone die sich dann leicht mit grafischen oder numerischen Verfahren inte-grieren lieszlig Es wird spaumlter gezeigt werden dass diese verwendete bdquoanaloge Zonenintegrationldquo sehr aumlhnlich der heutigen digitalen zonalen Bewertung ist

Diese letzten 2 Verbesserungen erfuumlllen die Anforderung 3 und teilweise auch die Anforde-rung 4

22 Kardan-Goniophotometer (1976ndash2007)

Das existierende Einarm-Goniophotometer war immer auf eine bdquohelfende Handldquo angewiesen um es von Punkt zu Punkt zu bewegen Die anschlie-szligende Berechnung des Lichtstroms wurde grund-saumltzlich ebenfalls haumlndisch ausgefuumlhrt Dieses Ver-

fahren war dementsprechend sehr zeitaufwendig und der zunehmende Wunsch der Industrie auch groszlige Objekte wie z B lange Leuchtstofflampen aber spaumlter auch sehr kleine Mikrolampen und erste LEDs zu kalibrieren fuumlhrte zur Entwicklung sogenannter Kardan-Goniophotometer ver schie-dener Ausfuumlhrungen

221 Groszliges Kardan-Goniophotometer

Nach der intensiven Umgestaltung einiger Raumlume im Koumlsters-Bau der PTB war es moumlglich im neuen Goniophotometerraum (7 x 10 x 8 m3) das Kar-dan-Goniophotometer [4] zu installieren Bild 3 zeigt das groszlige Kardan-Goniophotometer Am Bildoberrand ist eine zu kalibrierende stabfoumlrmige Leuchtstofflampe zu sehen

Dieser Raum war zusaumltzlich auch mit einer geregelten elektrischen Heizung ausgestattet um die geforderten Messbedingungen bezuumlglich Umgebungstemperatur einstellen zu koumlnnen Im Prinzip besteht ein Kardan-Goniophotometer wie in Bild 4 gezeigt aus 3 Rahmen wobei der aumluszligere α-Rahmen der raumlumlichen Ausrichtung (durch Drehung um die y-Achse) der zu untersu-chenden Lampe dient Innerhalb dieses aumluszligeren α-Rahmens ist der mittlere φ-Rahmen endlos drehbar um die z-Achse gelagert Der innere ϑ-Rahmen ist wiederrum drehbar im φ-Rahmen gelagert jedoch ist seine Bewegung auf knapp 180deg durch den noumltigen Lampenhalter begrenzt Alle 3 Rahmen sind mechanisch ausgeglichen und mit elektrischen Antrieben versehen Ihre Rotationsgeschwindigkeiten waren per 10-Gang-Praumlzisionspotentiometer einstellbar eine Folge der angewandten analogen Regelung der Achsan-triebe Die Winkelbestimmung der Achsen erfolgte mittels 13-bit-Winkelencodern Das Photometer war am ϑ-Rahmen (Bild 4) platziert und ermoumlg-lichte so einen festen Messradius von 2500 mm Es bestand die Moumlglichkeit ein zweites Photometer

Bild 3 Kardan-Goniophotometer 1976ndash2007

22

PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4Das Jahr des Lichtes

oder einen Farbmesskopf auf der gegenuumlberliegen-den Seite des ϑ-Rahmens einzusetzen

In diesem Fall war der Arbeitsbereich limitiert im Bereich 4deg lt ϑ lt 176deg da jeweils Lampenhalter von rechts und links zur Aufnahme einer beispiels-weise stabfoumlrmigen Leuchtstofflampe eingesetzt werden konnten (siehe auch Bild 3) Im Falle von einseitig gesockelten Lampen wurde meist nur ein PhotometerFarbmesskopf verwendet was eine Drehung der gegenuumlberliegenden Messkopf-aufnahme um 90deg ermoumlglichte Diese sogenannte bdquoKroumlpfungldquo lieszlig dann Raum fuumlr den nun einseiti-gen Lampenhalter und der Arbeitsbereich vergrouml-szligerte sich zu 0deg lt ϑ lt 176deg

Entsprechend der Gleichung (6) muss die gemessene Beleuchtungsstaumlrkeverteilung uumlber den vollen Raumwinkel 4π sr zum Wert des Licht-stroms integriert werden So ist es naheliegend digitale uumlber die Zeit integrierende Methoden zur Erfassung und Speicherung der gemessenen Beleuchtungsstaumlrkewerte zu verwenden Bild 5 zeigt den Signalfluss Sowohl Photometer- undoder Farbmesskopf als auch Photostrom-Fre-

quenz-Wandler waren temperaturstabilisiertDer Photostrom des Photometers mit seiner

photometrischen Empfindlichkeit s normalisiert auf die CIE-Lichtart A wird mittels Ruumlckkopp-lung Rg eines Photostromverstaumlrkers in eine Spannung U gewandelt und weiter durch einen Spannungs-Frequenzwandler in eine Frequenz f mit dem zugehoumlrigen Wandlungsfaktor wf kon-vertiert Diese Frequenz wird letztlich von einem digitalen Zaumlhler kontinuierlich gezaumlhlt Simultan wird die Quarz-Frequenz fq durch einen zweiten digitalen Zaumlhler erfasst um waumlhrend der spaumlteren Datenanalyse die urspruumlnglichen Photostroumlme berechnen zu koumlnnen Diese Methode stellt damit die schon erwaumlhnte Signal-Zeit-Integration sicher

Die die zu untersuchende Lampe umgebene fiktive Kugel ist wie Bild 5 zeigt in Zonen und Sektoren unterteilt Infolge der analogen Geschwindigkeitsregelung der zwei bewegten Rahmen sind positive und negative Beschleu-nigungsphasen am Anfang und am Ende einer vollstaumlndigen Abtastung und Lastreaktionen des rotierenden Systems und die damit verbundenen geringen Gleichlaufschwankungen unvermeid-bar Die Unterteilung jeder Zone in Sektoren mit der Laumlnge Δφj als Gewichtung reduziert jedoch diesen Einfluss Damit berechnet sich die mittlere Beleuchtungsstaumlrke Endashi nach Gleichung (10)

Es w R

fyt

fjj

ni j

i j=

sdot sdot sdot( )sdot sdot minus

=sum1

2 10

πϕ

f gq∆∆

∆

(10)

mit der Dunkelfrequenz f0 (Photometer abgeschat-tet) und den Differenzsignal-Zaumlhlungen Δyi j und den Differenzzeit-Zaumlhlungen Δti j jeweils vom Sek-toranfang bis zum Sektorende Wiederum koumlnnte der Lichtstrom nach Gleichung (8) bestimmt werden jedoch werden jetzt noch Korrekturfakto-ren fuumlr das Streulicht cstr der spektralen Fehlanpas-sung des Photometers cspec und Abweichungen von den nominalen elektrischen Betriebsbedingungen celec eingefuumlhrt wie nun Gleichung (11) zeigt

Φ = sdot sdot sdot sdot minus( ) sdot+=

minus

sumc c c r Ei ii

m

istr spec elec cos cos2 21

0

1

π ϑ ϑ

(11)

Im Verlauf einer Lichtstrommessung werden neben dem Photometer auch die Waumlnde des Messraums von der zu untersuchenden Lampe beleuchtet Diese Beleuchtung wird ebenfalls vom im Goniophotometer verwendeten Photometer bdquogesehenldquo und fuumlhrt zu einer Streubeleuchtung auf dem Lichteintrittsfenster dieses Photome-ters Diese Streubeleuchtung haumlngt einerseits vom Reflexionsgrad der verwendeten Wandfarbe (ρ asymp 3 ) und vom Gesichtsfeld des sich vor dem

Bild 4 Groszliges Kardan-Goniophotometer 1976ndash2007

Bild 5 Signalfluss

23

PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4 Kurze Geschichte der Goniophotometrie in der PTB

Photometer befindlichen Streulichtreduzierungs-tubus ab Daher muss fuumlr jeden eingesetzten Tubus mit seinem individuellen Gesichtsfeld der wirksame spezifische Streulichtkorrekturfaktor cstr bestimmt werden Diese koumlnnen ermittelt werden indem Blenden mit unterschiedlichen Durchmes-sern zwischen der zu untersuchenden Lampe und dem Photometer waumlhrend normalen Lichtstrom-messungen positioniert werden Eine detaillierte Beschreibung kann [5] entnommen werden

Die technische Realisierung eines Photometers ist immer nur eine Naumlherung fuumlr V(λ) Dies bedeu-tet dass im Prinzip in allen Faumlllen diese spektrale Fehlanpassung korrigiert werden muss Allgemein kann der spektrale Korrekturfaktor cstr fuumlr alle Lampen mit beliebiger Strahlungsfunktion S(λ) nach Gleichung (12) bestimmt werden

cV S

s S

V P T

s Pspek

rel

A

rel

d

d

d=

( )sdot ( )( ) sdot ( )

( ) sdot ( )( ) sdot

intint

intint

λ λ λ

λ λ λ

λ λ λ

λ

λλ λTA d( )

(12)

Hierzu ist jedoch die Kenntnis der relativen spektralen Empfindlichkeit srel(λ) des Photome-ters notwendig P(λ TA) bezeichnet dabei einen Planckstrahler mit einer Verteilungstemperatur von TA = 2856 K

Im Fall von Gluumlhlampen ist ein etwas einfache-rer Weg fuumlr diese Korrektur ohne die Kenntnis von srel(λ) moumlglich Gleichung (13) beschreibt die Abhaumlngigkeit der Beleuchtungsstaumlrke E(T) von der Verteilungstemperatur T

E Ty T

sTT

m

( ) = ( )

A

y

(13)

eines gemessenen Photostroms y(T) und der pho-tometrischen Empfindlichkeit s des Photometers fuumlr Lichtart A Eine charakteristische Eigenschaft des Photometers ist der Exponent my bdquoyldquo indiziert den Exponent fuumlr ein V(λ)- angepasstes Photome-ter oder den y-Kanal eines Dreibereichsfarbmess-kopfes wobei die anderen Kanaumlle unterschiedliche Werte fuumlr diese Exponenten haben Ein ideales Photometer wuumlrde einen Wert von 0 fuumlr diese Exponenten aufweisen Beispielsweise beschreibt my = 0018 ein qualitativ durchaus gutes Photo-meter Der Exponent my (und auch mx und mz) koumlnnen aus einem Fit bekannter Paare (E(T) T) einer Lichtstaumlrke-Normallampe bei verschiedenen Arbeitspunkten wie in [6 7] beschrieben gefun-den werden Damit kann der Korrekturfaktor cspec fuumlr Gluumlhlampen wie folgt geschrieben werden

c TT

my

specA

=

(14)

Werden Gluumlhlampen in der Naumlhe von CIE-Licht-art A betrieben ist die Korrektur auf elektrische Nominalbedingungen celec ebenfalls nach Glei-chung (15) sehr einfach da der Lichtstrom eine Funktion des Betriebsstroms J ist

c JJ

m

elec

J

=

minus

0 (15)

Hier ist J0 der Nominalstrom und mJ cong 684 Mehr Information kann in [7] gefunden werden

Die Datenanalyse fuumlr einen Dreibereichsfarb-messkopf erfolgt in gleicher Weise und man erhaumllt die Normfarbwertanteile (x y) aus den Gleichun-gen (16 17)

x =+ +Φ

Φ Φ ΦX

X Y Z (16)

y =+ +Φ

Φ Φ ΦY

X Y Z (17)

Leider konnten nur der Lichtstrom und die zuge-houmlrigen Normfarbwertanteile bestimmt werden da aufgrund der geringen Speichermoumlglichkeit der verwendeten Computertechnik die raumlumliche Information verlorenging

Daher wurden im Jahre 1991 alle Computer Analogsysteme die Verdrahtung und viele weitere Elemente durch moderne Ausruumlstung ersetzt Von nun an konnten alle Rohdaten mittels geeigneter Speichermedien dauerhaft bewahrt werden Das galt auch fuumlr groszlige Datenmengen des ab 1997 eingesetzten Array-Spektrometers zur Messung der relativen spektralen Leistungsverteilung der Strahlung synchron zur Lichtstrombestimmung Leider wiesen Photometer und Einkoppeloptik des Array-Spektrometers unterschiedliche Gesichtsfel-der auf und hatten etwas unterschiedliche Positi-onen auf dem Goniophotometer was die Daten-analyse komplizierte Dennoch konnten erstmalig raumlumliche spektrale Informationen uumlber zu untersuchende Lampen ermittelt werden Damit erfuumlllte das groszlige Kardan-Goniophotometer in seiner Ausbaustufe von 1997 die Anforderungen 1ndash14 aus Abschnitt 2 Die relative erweiterte Mes-sunsicherheit fuumlr den Lichtstrom fuumlr k = 2 betrug jetzt 060

222 Kleines Kardan-Goniophotometer

Fuumlr die Messung kleiner Lampen und LEDs wurde in den fruumlhen 1980er-Jahren ein dem groszligen Kardan-Goniophotometer sehr aumlhnliches kleines Kardan-Goniophotometer mit einem Messra-dius von nur 300 mm entwickelt hergestellt und

24

PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4Das Jahr des Lichtes

betrieben Das Foto in Bild 6 zeigt dieses seinerzeit sogenannte bdquoMini-Goniophotometerldquo

Die Messtechnik entsprach nahezu vollstaumln-dig dem groszligen Kardan-Goniophotometer bis hin zum Signalfluss einschlieszliglich Spannungs-Frequenzwandler und nachgeschalteten Zaumlhlern Damit sind alle Aspekte dieser Apparatur bereits in Abschnitt 221 diskutiertIm Jahre 2007 wurde dieses Instrument durch ein spezielles Goniophotometer fuumlr die Messung von LEDs ersetzt siehe auch Kapitel Metrologie fuumlr moderne Lichtquellen LEDs und OLEDs [10]

23 Roboter-Goniophotometer (2006 bis heute)

Am Ende der 1990er-Jahre wurde die Planung eines neuen Goniophotometertyps mehr und mehr konkret Nahezu gleichzeitig entschied sich die PTB fuumlr den Neubau eines modernen Gebaumludes fuumlr die Abteilung Optik dem heutigen Albert-Einstein-Bau Infolge dieses Zusammentreffens

beider Ereignisse konnte bei der Planung das neue Gebaumlude quasi um das neue Roboter-Goniopho-tometer herum geplant und spaumlter auch so gebaut werden

In 19951996 zeigte G Sauter dass Gonio-photometrie mittels Robotern moumlglich ist und erhebliche Vorteile gegenuumlber den bisher verwendeten Kardan-Goniophotometern auf-weist [8] Wie weiterhin in [8] beschrieben sind sogenannte Service-Roboter gut geeignet um ein Roboter-Goniophotometer zu realisieren Diese zeichnen sich durch eine schlanke Konstruktion mit langen Armen bei gleichzeitig relativ gerin-gem Gewicht aus Sie verfuumlgen uumlber eine hohe Flexibilitaumlt um beispielsweise ein Photometer auf gewuumlnschten Bahnen mit unterschiedlichen Radien (1000 mm lt r lt 3000 mm) auf der fiktiven Kugeloberflaumlche um die Lampe herumzufuumlhren Jeder Roboter verfuumlgt uumlber 7 Freiheitsgrade (engl seven degrees of freedom 7 DOF) Dies garantiert die notwendige Flexibilitaumlt und das erforderli-che Arbeitsvolumen Zur Abdeckung des vollen Raumwinkels 4π sr sind daher 2 der beschriebenen Roboter notwendig Ein dritter aumlhnlicher Roboter positioniert dabei die zu untersuchende Lampe in der gewuumlnschten Brennstellung im Raum Alle Roboter-Basen sind direkt mit dem Stahlbeton des Gebaumludes verbunden um eine langzeitstabile raumlumliche Positionierung der Roboter zu gewaumlhr-leisten Bild 8 zeigt das Roboter-Goniophotometer waumlhrend der Messung einer LED-Signalleuchte

Im Gegensatz zu Kardan-Goniophotometern ist der Messradius variabel in dem alle 7 Achsen in entsprechende Positionen gebracht werden Wegen der groszligen Redundanz eines 7-DOF-Roboters kann die Zielposition einschlieszliglich Orientierung durch eine sehr groszlige Anzahl unter-schiedlicher Einstellungen der 7 Achsen erreicht werden Daher wird eine Strategie benoumltigt um die jeweilige Achs einstellung zu finden Diese

Bild 6 Kleines Kardan-Goniophotometer 1982ndash2007

Bild 7 Arm des Roboter-Goniophotometers

Bild 8 Roboter-Goniophotometer 2006 bis heute

25

PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4 Kurze Geschichte der Goniophotometrie in der PTB

Strategie ist relativ simpel Sie besagt dass alle Achseinstellungen derart gefunden werden dass saumlmtliche Bestandteile des Roboters einen maxi-malen Abstand zum Zentrum des Roboters haben sollen um das von der Roboterstruktur reflektierte Streulicht moumlglichst gering zu halten Eine beson-dere Software ist notwendig um alle Achswinkel ausgedruumlckt in counts jedes Winkelencoders fuumlr jede Achse zu bestimmen um die gewuumlnschten Kugelkoordinaten (r ϑ φ) anzufahren Waumlhrend der Messung der zu untersuchenden Lampe liest das Roboter-Kontrollsystem alle 10 ms diese counts jeder Achse und versucht jede Achse entsprechend diese Vorgabe einzustel-len Nach dieser Einstellung welche fuumlr alle 7 Achsen gleichzeitig erfolgt werden die Ist-Winkel jeder Achse wiederum in counts synchron gelesen und mit den zugehoumlrigen photo-metrischen Daten und elek trischen Daten des Lampenbetriebs in eine Datenbank gespeichert Prinzipiell ist der Signal-fluss dem des in Abschnitt 221 beschriebenen groszligen Kardan-Goniophotometers sehr aumlhnlich Aber es gibt ein zusaumltzliches wichtiges Element den sogenannten Zeitstempel Da ein weit verteiltes Datenerfassungssystem vorliegt wird ein Mecha-nismus zur Datensynchronisierung in Form eines 1-Mhz-Taktes verwendet Dieser ist im gesamten System verfuumlgbar Beim Messungsstart synchron gestartete Zaumlhler erlauben daher die spaumltere Synchronisierung aller angefallenen Daten Wie beschrieben ist die Position jeder Achse und damit die Position und Orientierung des Photometers das Ergebnis eines Regelprozesses Somit ist es not-wendig die tatsaumlchliche Position und Orientierung des Photometers aus den gespeicherten Daten der Winkelencoder zu berechnen

In der Robotik ist es uumlblich einen Roboter des

verwendeten Typs wie eine biegesteife mechani-sche Kette mit sogenannten Denavit-Hartenberg-Parametern (DH-Parameter) zu beschreiben [9] Die Tabelle 1 zeigt diese DH-Parameter am Beispiel des Roboters 1

Mit diesen Parametern und den aktuellen Winkeln θi fuumlr jede Achse ist die Berechnung der Position bzw Orientierung der siebten Achse in Basis-Koordinatensystem des Roboters moumlglich Hierzu werden 7 Matrizen nach Gleichung (18) ver-wendet Jede Matrize beschreibt die Position (blau) und Orientierung (gruumln) jeder einzelnen Achse

Die PositionierungOrientierung der Achse 7 ergibt sich aus dem Vektorprodukt T1 T2 T3 T4 T5 T6 T7

Um jedoch die Koordinaten in Bezug auf das Koordinatensystem der fiktiven Kugel zu erhalten muumlssen 2 weitere aumlhnliche Matrizen verwendet werden Die sogenannte Base Frame Matrix F beschreibt die Positionierung und Orientierung des Roboter-Koordinatensystems zum Koor-dinatensystem der fiktiven Kugel waumlhrend die Matrix W die Positionierung und Orientierung des Photometers zur Achse 7 beschreibt Nun laumlsst sich die Position und Orientierung des Photome-ters P im Koordinatensystem der fiktiven Kugel mit Gleichung (19) beschreiben

P = F T1 T2 T3 T4 T5 T6 T7 W (19)

axisi Δθi offset to rotation around Z-axis

αi rotation around X-axis

di

translation in Z-axis

αi

translation in X-axis

1 ndash1438deg 45024deg 0000 mm ndash0400 mm

2 191088deg ndash90026deg 2686322 mm 0696 mm

3 178585deg 89996deg 274088 mm 0781 mm

4 6229deg ndash90022deg 1410499 mm 0474 mm

5 ndash0141deg ndash89955deg 173036 mm ndash0779 mm

6 ndash0924deg 90032deg 1191007 mm 0223 mm

7 180443deg 90007deg 91130 mm 0000 mm

Tabelle 1 DH-Parameter von Roboter 1

T

a

i

i i i i i i i i i i i

=

+( ) minus +( ) +( ) +cos sin cos sin sin cos∆ ∆ ∆ ∆θ θ θ θ α θ θ α θ θ(( )+( ) +( ) minus +( ) +sin cos cos cos sin sin∆ ∆ ∆ ∆θ θ θ θ α θ θ α θ θi i i i i i i i i i ia (( )

00 0 0 1

sin cosα αi i id

(18)

26

PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4Das Jahr des Lichtes

Bild 9 zeigt die Achsenkoordinatensysteme (17) das Base-Frame-Koordinatensystem und das Koordinatensystem des Photometers zur Achse 7 in schematischer Weise Das Koordinatensys-tem der fiktiven Kugel faumlllt mit dem Zentrum des Goniophotometers zusammen und wird mit Center bezeichnet P ist jetzt auf dieses Center-Koordinatensystem bezogen Zusaumltzlich ist eine typische Bahn eingezeichnet Wegen des aller-dings nicht dargestellten Lampenhalters ist diese Bahn im oberen Bereich verdichtet um eine Kollision mit dem Lampenhalter zu vermeiden Wie bereits erwaumlhnt setzt die Verwendung von Gleichung (19) einen biegesteifen Roboter voraus der in der Praxis nicht existiert P ist also von statischen Gewichtskraumlften des Roboters dyna-mischen Kraumlften infolge der Bewegung als auch von thermischen Laumlngenaumlnderungen uumlberlagert Daher muss Gleichung (19) um eine entspre-chende Korrektur C erweitert werden Glei-chung (20) zeigt nun das endguumlltige Modell zur Bestimmung von P

wobei C

t tT Rθ θ

θ θ1 7

1 7 dd

dd amb

diese finale Korrektur basierend auf den Winkeln θ1θ7 aller Achsen ihren zeitlichen Ableitungen

dd

dd

θ θ1 7

t t

und der Umgebungstemperatur Tamb beschreibt

Der letzte Parameter R steht fuumlr einen groszligen Datensatz und beschreibt Eigenschaften des Roboters wie Abmessungen Teilmassen usw Die Berechnung von C() ist aufwendig und wurde vom Hersteller des Roboters ausgefuumlhrt Aus Gruumlnden des Wettbewerbs muss diese Berechnung vertrau-lich behandelt werden und kann daher hier nicht veroumlffentlicht werden Jedoch kann die Wirkung von C() beispielhaft auf den Messradius mitgeteilt werden (siehe Bild 10)

Die noumltige Radiuskorrektur rcorr bewegt sich im Bereich ndash2 mm lt rcorr lt 3 mm je nach Position (θ φ) des Photometers Der Aumlquatorbereich benouml-tigt eine groumlszligere Korrektur infolge hier wirksamer groumlszligerer Zentrifugalkraumlfte als die Polregion Der Radius selbst laumlsst sich dann aus der Positionssub-matrix von P bestimmen

Der Signalfluss stimmt im Wesentlichen mit dem wie in Bild 5 gezeigt uumlberein Prinzipiell kann der Lichtstrom mit den Gleichungen (11) und (10) berechnet werden da aber nun 2 Photometer benutzt werden muss dies fuumlr jede Hemisphaumlre also fuumlr jeden Roboter separat geschehen Die Gleichungen (21) und (22) demonstrieren das

Bild 9 Koordinatensystem des Roboter-Gonio-photometers und Beispielbahn

P Ct t

T R F T T T T T T=

sdot sdot sdot sdot sdot sdot sdot sdotθ θ

θ θ1 7

1 71 2 3 4 5 6

dd

dd amb TT W7 sdot

(20)

27

PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4 Kurze Geschichte der Goniophotometrie in der PTB

fuumlr Roboter 1 Der Radius r1i befindet sich dabei innerhalb der Summation von Gleichung (22) Das Roboter-Goniophotometer ist zusaumltzlich mit einem Monitorphotometer ausgeruumlstet Dieses Photometer wird waumlhrend der Messung nicht bewegt ist aber staumlndig von einem fixen Punkt aus auf die zu untersuchende Lampe gerichtet und erlaubt somit die Korrektur einer moumlglichen Alterung der Lampe waumlhrend des Messprozesses als Funktion der Zeit (cmon(t1i))

Es w R

fyt

fi jj

ni j

i j1

1 1 11

1

1

11 0

12

1

=

( )sdot minus

=sumπ

ϕf g

q∆∆

∆

(21)

Φ1 1 1 12

1 1 1 12= sdot sdot sdot sdot ( ) sdot minus( )+c c r c ti i i ii

str spec mon cos cosπ ϑ ϑ==

minus

sum sdot0

1

1

1m

iE

(22)

Roboter 2 wird in gleicher Weise behandelt und der Lichtstrom ergibt sich somit aus der Summe von Φ1 und Φ2 korrigiert mit dem elektrischen Korrekturfaktor celec aus Gleichung (15)

Φ Φ Φ= sdot +( )celec 1 2 (23)

Die Bestimmung der Streulichtkorrektur cstr unter-scheidet sich methodisch von jener des Kardan-Goniophotometers Es ist schwierig Blenden zwischen Photometer und Lampe zu positionieren wie in [5] beschrieben Hier wird die Streulicht-korrektur cstr direkt aus der Leuchtdichteverteilung auf den Waumlnden des Messraums bestimmt Mit der Kenntnis der geometrischen und photometrischen Eigenschaften des Raumes der raumlumlichen Licht-staumlrkeverteilung der Lampe und dem verwendeten Streulichttubus vor dem Photometer lieszlige sich die Streulichtkorrektur cstr berechnen Hier jedoch wird diese Korrektur mit sogenannten Back-Loo-king-Photometern bestimmt [11]

Bild 11 zeigt ein Foto der bdquoRoboterhandldquo mit mon-tiertem Photometer und Back-Looking-Photometer Letzteres ist ein wenig schraumlg ausgerichtet um nicht im Bereich des Schattenwurfs des Photome-ters auf den Waumlnden zu messen

Bild 12 zeigt beispielhaft eine typische in finite Flaumlchenelemente gerasterte Streulichtsituation im Goniophotometermessraum wie sie durch die zu untersuchende Lichtquelle generiert wird Dieses Beispiel arbeitet mit finiten Flaumlchen der Groumlszlige 05 m middot 05 m um die Flaumlchen sichtbar zu machen Zur realen Berechnung werden Flaumlchen der Groumlszlige 01 m middot 01 m verwendet Natuumlrlich ist der Streulichtanteil auf der aktiven Flaumlche des

Bild 10Wirkung der Radiuskorrektur

Bild 11 Photometer (links) und Back-Looking-Photometer (rechts)

Bild 12 Wirkung des Streulichts und seine Bestimmung

28

PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4Das Jahr des Lichtes

Photometers eine Funktion des Gesichtsfeldes des jeweils verwendeten Streulichttubus vor dem Photometer Derzeit werden 2 Tuben je nach Groumlszlige der Lichtquelle mit Oumlffnungswinkeln von ca 15deg und ca 225deg verwendet Ihre typischen Korrekturwerte betragen etwa 09995 und 09990 Da jeder Messroboter mit diesem Back-Looking-Photometer ausgeruumlstet ist kann so der Streulicht-anteil fuumlr jedes Photometer bestimmt werden Da die Back-Looking-Photometer bdquoruumlckwaumlrtsldquo gerichtet sind wird also jeweils die Streulichtkorrektur fuumlr den gegenuumlberliegenden Messroboter bestimmt Damit ist es moumlglich den Wert des Lichtstroms mit zugehoumlriger Messunsicherheit zu bestimmen Tabelle 2 illustriert Ergebnisse einer vereinfachten Monte-Carlo-Simulation (MC) am Beispiel einer OSRAM-Wi4-Lichtstrom-Normallampe Ihre Lichtstaumlrkeverteilung ist in Bild 13 wiedergegeben

Die MC basiert auf den folgenden Gleichun-gen (24) Werte der wichtigsten Beitraumlge zur Mes-sunsicherheit koumlnnen der Tabelle 2 entnommen werden Eine detailliertere Beschreibung der Roboter und Analyse der Messunsicherheit kann [12] entnom-men werden

Bild 13 Raumlumliche Lichtstaumlrkeverteilung einer OSRAM-Wi4-Lichtstrom-Normallampe

Quantity Symbol Value Uncertainty Unit Sensitivity Contribution lm Relative contribution

Luminous responsivity 1 s1 3065E-10 9195E-13 A lxndash1 188E+12 173 000150

Luminous responsivity 2 s2 4111E-10 12333E-12 A lxndash1 143E+12 177 000153

Spectral matching exponent 1 m2 y 0021 0015 1 20 030 000026

Spectral matching exponent 2 m2 y 0036 0015 1 18 027 000023

CCT or distribution temperature T 2762 10 K 0012 012 000011

Uncertainty in r Δr 0000 00020 m 901 180 000156

Calibration factor for frequency F cFH 1000 00005 1 1141 057 000049

Calibration factor for frequency ƒ cFD 1000 00050 1 104 005 000005

Voltage to frequency converter 1 w1 f 500849 25 Hz Vndash1 0012 031 000027

Voltage to frequency converter 2 w2 f 500561 25 Hz Vndash1 00118 029 000026

Amplification gain 1 R1 g 1000E+09 99996 Ω 6223E-07 006 000005

Amplification gain 2 R2 g 9997E+08 99966 Ω 5430E-07 005 000005

Calibration factor for cmon ccm 1000 00005 1 1162 058 000050

Correction factor for stray light cstr 09995 00005 1 1134 057 000049

Luminous flux Φ 11541 327 00028

Tabelle 2 Unsicherheitsbudget

29

PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4 Kurze Geschichte der Goniophotometrie in der PTB

Somit ergibt sich zurzeit eine erweiterte Mess-unsichert von 056 fuumlr k = 2 Dies entspricht etwa der Messunsicherheit welche mit dem groszligen Kardan-Goniophotometer erreichbar war Im Unterschied zum Kardan-Goniophotometer (fester Messradius) verfuumlgt das Roboter-Goniophotometer jedoch uumlber die noumltige hohe Flexibilitaumlt (z B durch Variation des Messradius) die noumltig ist um kuumlnftige Anforderungen erfuumlllen zu koumlnnen Eben diese hohe Flexibilitaumlt fuumlhrt bei der Bestimmung des Messradius zu relativ groszligen Messunsicherheiten Hier koumlnnte die Verwendung einer Lookup-Table oder eine On-Line-Verfolgung mittels Tracer-Syste-men der Bahnen diese Unsicherheit verkleinernMittlerweile ist das Roboter-Goniophotometer voll-staumlndig charakterisiert und wird fuumlr beleuchtungs-staumlrkebasierte Lichtstromkalibrierungen und auch fuumlr internationale Vergleiche eingesetzt Damit werden auch die Anforderungen (15ndash17) erfuumllltIm naumlchsten Schritt wird das Roboter-Goniopho-tometer mit Leuchtdichtemesskameras ausgeruumlstet

werden um es als bdquoNahfeld-Goniophotometerrdquo einzusetzen Es wird dann die direkte Messung der Leuchtdichteverteilung erlauben aus welcher nahezu alle noumltigen photometrischen Groumlszligen abgeleitet werden koumlnnen Dieser kuumlnftige Schritt wird dann auch den letzten Punkt (18) der Anfor-derungen erfuumlllen

3 Zusammenfassung

Die Geschichte der Goniophotometrie in der PTB uumlber einen Zeitraum von mehr als 50 Jahren wird praumlsentiert Verschiedene Goniophotometer ange-fangen vom manuell bewegten Einarm-Goniopho-tometer mit visuellem Photometer uumlber das groszlige und kleine Kardan-Goniophotometer bis hin zum bdquoState-of-the-art-Roboter-Goniophotometerldquo fuumlr das 21 Jahrhundert werden beschrieben Das Letztere hat das Potenzial in der traditionellen Betriebsart aber auch im Nahfeldmodus uumlber viele Jahre eingesetzt zu werden Neu aufkommende

Quantity Symbol Value Uncertainty Unit Sensitivity Contribution lm Relative contribution

Luminous responsivity 1 s1 3065E-10 9195E-13 A lxndash1 188E+12 173 000150

Luminous responsivity 2 s2 4111E-10 12333E-12 A lxndash1 143E+12 177 000153

Spectral matching exponent 1 m2 y 0021 0015 1 20 030 000026

Spectral matching exponent 2 m2 y 0036 0015 1 18 027 000023

CCT or distribution temperature T 2762 10 K 0012 012 000011

Uncertainty in r Δr 0000 00020 m 901 180 000156

Calibration factor for frequency F cFH 1000 00005 1 1141 057 000049

Calibration factor for frequency ƒ cFD 1000 00050 1 104 005 000005

Voltage to frequency converter 1 w1 f 500849 25 Hz Vndash1 0012 031 000027

Voltage to frequency converter 2 w2 f 500561 25 Hz Vndash1 00118 029 000026

Amplification gain 1 R1 g 1000E+09 99996 Ω 6223E-07 006 000005

Amplification gain 2 R2 g 9997E+08 99966 Ω 5430E-07 005 000005

Calibration factor for cmon ccm 1000 00005 1 1162 058 000050

Correction factor for stray light cstr 09995 00005 1 1134 057 000049

Luminous flux Φ 11541 327 00028

Φ = sdot

sdot

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c JJ

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( ) ∆ (( )sdot minus( ) sdotsdot sdot minus

+=

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cos cosFH FD

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1 1 10

1 11

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(24)

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PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4Das Jahr des Lichtes

Anforderungen fuumlr die Ruumlckfuumlhrung photome-trischer Einheiten wie beispielsweise im Solid-State-Lighting-Bereich koumlnnen so erfuumlllt werden

Literatur

[1] Y Ohno 1995 Realization of NIST Luminous Flux Scale Using an Integrating Sphere with an External Source CIE Proceedings 23rd Session New Delhi

[2] R Sewig 1938 Handbuch der Lichttechnik Band 1 pp 319 321 Berlin Springer Verlag

[3] D Foumlrste 1966 Zur Lichtstrommessung an Lam-pen mit ungleichmaumlszligiger Lichtverteilung PTB-Mitteilungen 166 pp 18ndash20 Braunschweig PTB

[4] D Foumlrste 1979 Ein Goniophotometer zur genauen Bestimmung des Lichtstroms Licht-Forschung 1 Jahrgang 379 pp 30ndash36 Heidelberg Huumlthig Verlag

[5] D Foumlrste 1980 Elimination des Fremdlichts bei der Lichtstrombestimmung mit dem Gonio-photometer Licht-Forschung 2 Jahrgang 180 pp 27ndash29 Heidelberg Huumlthig Verlag

[6] W Erb 1997 PTB Network for realization and maintenance of the candela Metrologia 3497 pp 115ndash124 Bristol UK

[7] G Sauter 1996 Kalibrierung von Lichtstaumlrke-Normallampen und Angabe der Messunsicherheit PTB interner Bericht Braunschweig PTB

[8] G Sauter 1996 Goniophotometry new calibra-tion method and instrument design Metrologia 32 (199596) pp 685ndash688 Bristol UK

[9] httpenwikipediaorgwikiDenavit-Hartenberg_Parameters (letzter Aufruf 03122015)

[10] M Lindemann 2009 Photometry and Colori-metry of Reference LEDs by Using a Compact Goniophotometer MAPAN ndash Journal of Metro-logy Society of India Vol 24 No 3 pp 143ndash152 New Delhi India

[11] G Bizjak 2009 Determination of Stray Light at the PTB Goniophotometer Facility MAPAN ndash Jour-nal of Metrology Society of India Vol 24 No 3 pp 163ndash173 New Delhi India

[12] M Lindemann et al 2015 Robot goniopho-tometry at PTB Metrologia 52 pp 167ndash194 Bristol UK

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PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4Das Jahr des Lichtes

1 Eine einleitende Beschreibung von Gluumlhlampen LEDs und OLEDs

Der Einsatz Licht Emittierender Dioden (LED) in der Allgemeinbeleuchtung hat in den vergangenen Jahren erheblich zugenommen Ein entscheiden-der Vorteil der LED gegenuumlber der traditionellen Gluumlhlampe liegt in ihrer uumlberlegenen Lichtaus-beute ηv ndash dem Verhaumlltnis des emittierten Licht-stroms Φv und der aufgenommenen elektrischen Leistung Pel angegeben in LumenWatt

Dieser Vorteil beruht auf den Unterschieden der zugrunde liegenden Technologien der Lichterzeu-gung beider Lampentypen Bei einer (Halogen-)Gluumlhlampe wird der Gluumlhfaden durch elektrischen Strom auf Temperaturen um 3000 K aufgeheizt Obwohl hierbei fast die gesamte elektrische Leis-tung in Strahlung umgewandelt wird ndash Verluste durch thermische Konvektion oder Waumlrmeleitung sind gering ndash kann das menschliche Auge lediglich einen geringen spektralen Anteil der ungefaumlhr 5 der Gesamtstrahlungsleistung ausmacht wahr-nehmen Der Groszligteil der Strahlungsleistung liegt im infraroten Spektralbereich und kann nicht fuumlr Beleuchtungszwecke genutzt werden In Bild 1 ist die spektrale Verteilung einer Gluumlhlampe bei einer Temperatur von 2856 K im Spektralbereich

von 300 nm bis 1200 nm dargestellt Das sichtbare Licht im Spektralbereich zwischen 360 nm und 830 nm ist mit den entsprechenden Spektralfarben hinterlegt Oberhalb 830 nm beginnt der fuumlr das menschliche Auge unsichtbare infrarote Anteil der Strahlung

Der fuumlr photometrische Messungen normativ festgelegte spektrale Hellempfindlichkeitsgrad V(λ) also die Hellempfindlichkeit des Auges eines bdquoNormalbeobachtersldquo ist mit seinem Maximum bei 555 nm schwarz eingezeichnet

Da die Gluumlhlampe eine thermische Strahlungs-quelle ist verschiebt sich mit zunehmender Tem-peratur die Lage des Strahlungsmaximums ent-sprechend des Wienschen Verschiebungsgesetzes zu kuumlrzeren Wellenlaumlngen Um die Lichtausbeute von Gluumlhlampen zu erhoumlhen muumlsste man das Strah-lungsmaximum durch Temperaturerhoumlhung in den kurzwelligeren Bereich des sichtbaren Lichts verschieben Die Maximaltemperatur ist jedoch bei Gluumlhfaumlden aus Wolfram auf etwa 3000 K begrenzt ndash bei houmlheren Temperaturen nimmt die Lebensdauer drastisch ab

Das Funktionsprinzip einer LED-Lichtquelle basiert auf dem Phaumlnomen der Elektrolumines-zenz Der prinzipielle Aufbau einer LED aumlhnelt einer pn-Halbleiterdiode Durch Anlegen einer Gleichspannung rekombinieren Ladungstraumlger in der p-n-Grenzschicht der Leuchtdiode unter Emission von Strahlung Durch gezielte Auswahl der verwendeten Halbleitermaterialien und ihrer Dotierung wird deren Bandluumlcke und somit die Farbe des emittierten Lichtes bestimmt Im Jahr 1992 gelang der Durchbruch in der Entwicklung hocheffizienter blauer LEDs die den Einsatz von LEDs zur Allgemeinbeleuchtung erst ermoumlgli-chen Die zugrunde liegenden Forschungsarbei-ten wurden 2014 mit dem Nobelpreis fuumlr Physik gewuumlrdigt [1]

Eine schmalbandige Lichtemission ist charak-teristisch fuumlr LEDs Dementsprechend verfuumlgt ihr Licht uumlber eine hohe Farbsaumlttigung Durch die Bedeckung des LED-Chips mit breitbandig pho-tolumineszierenden Farbstoffen wird ein Teil der Strahlung in energieaumlrmeres langwelligeres Licht konvertiert und es entstehen Mischfarben wie

Metrologie fuumlr moderne Lichtquellen LEDs und OLEDs Thorsten Gerloff

Thorsten Gerloff Arbeitsgruppe bdquoPhotometrieldquo EshyMail thorstengerloffptbde

Bild 1 Spektrale Verteilung einer Gluumlhlampe und spektraler Hellempfindlichkeitsgrad (V(λ)-Funktion)

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PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4 Metrologie fuumlr moderne Lichtquellen

i Infokasten LED

Lichtausbeute einer Strahlungsquelle ηv

Die Lichtausbeute einer Strahlungsquelle gibt das Verhaumlltnis aus ausgestrahltem Lichtstrom und aufgenommener elektrischer Leistung an Die Einheit ist LumenWatt (lmW) Je houmlher die Lichtausbeute ist umso energieeffizienter ist die Beleuchtung Gluumlhlampen besitzen Lichtausbeuten zwischen 10 und 20 lmW

Lichtstrom Φv

Der Lichtstrom beruumlcksichtigt den Hellempfind-lichkeitsgrad V(λ) des Auges und gibt die in alle Raumrichtungen abgegebene bdquoLichtleistungldquo einer Lampe an Der Lichtstrom enthaumllt keine Information daruumlber wie die Lampe das Licht im Raum verteilt Der Lichtstrom gibt an wie hell ein beleuchteter Raum dem Menschen erscheint

Spektraler Hellempfindlichkeitsgrad V(λ)

Der exakt definierte spektrale Hellempfindlich-keitsgrad V(λ) ist eine Bewertungsfunktion fuumlr elektromagnetische Strahlung Hiermit wird der bdquoHelligkeitseindruck eines menschlichen Durch-schnittsaugesldquo berechnet Dies ermoumlglicht den objektiven Vergleich von Lichtquellen mit physika-lischen Messmethoden Subjektive Wahrnehmun-gen einzelner Menschen koumlnnen damit nicht exakt wiedergegeben werden

Aumlhnlichste Farbtemperatur TN

Es gibt unterschiedliche Farbtemperaturen in der Photometrie Verhaumlltnis- und Verteilungstem-peratur sind nur bei thermischen Strahlern wie der Gluumlhlampe anwendbar Nur die aumlhnlichste Farbtemperatur (englisch Correlated Colour Temperature CCT) laumlsst sich fuumlr Lichtquellen mit beliebiger spektraler Zusammensetzung berech-nen sofern die Normfarbwertanteile aumlhnlich einem thermischen Strahler sind Die aumlhnlichste Farbtemperatur wird in der Einheit Kelvin (K) angegeben Sie gibt an ob das Licht warmweiszlig (ca 3000 K) neutralweiszlig (ca 4500 K) oder tages-lichtweiszlig (gt5500 K) erscheint

Normfarbwertanteile (x y)

Fuumlr die Angabe von Farbe gibt es neben dem spek-tralen Hellempfindlichkeitsgrad V(λ)noch weitere definierte Bewertungsfunktionen Hiermit laumlsst sich die Farbwahrnehmung eines fiktive Normalbeob-achters aus der gemessenen spektralen Verteilung des Lichts durch Angabe von nur zwei Werten (x und y) angeben Diese Werte geben die Koordi-naten auf der Normfarbtafel (s Abbildung) an

Normfarbtafel

Farbwiedergabeindex Ra

Der Farbwiedergabeindex ist eine Kennzahl fuumlr Lichtquellen der bewertet die Qualitaumlt der Farb-wiedergabe Je houmlher der Wert desto besser ist die Farbwiedergabe Der Maximalwert liegt bei 100 Werte zwischen 90 und 100 geben eine ausgezeich-nete Farbwiedergabe an Werte unter 80 sind fuumlr viele Anwendungen nicht ausreichend

Im Folgenden soll ein kleiner Leitfaden gegeben werden der in allgemeinverstaumlndlicher Form die grundlegenden Ideen wichtiger lichttechnischer Groumlszligen erlaumlutern soll Komplexe Details der zugrunde liegenden Normen und Definitionen werden hierbei nicht beruumlcksichtigt

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PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4Das Jahr des Lichtes

Pastellfarbtoumlne oder auch weiszliges LichtIn Bild 2 sind die spektralen Verteilungen einer

LED mit und ohne Leuchtstoff abgebildet In der linken Abbildung erkennt man die schmalbandige blaue Emission des LED-Chips In der rechten Abbildung wird ein Teil dieser Strahlung durch einen Leuchtstoff in laumlngerwelliges Licht konver-tiert und die Mischfarbe erscheint weiszlig

Der Vorteil einer LED gegenuumlber einer Gluumlh-lampe bezuumlglich der Lichtausbeute ist offensicht-lich Es wird ndash von unvermeidbarer thermischer Verlustleistung abgesehen ndash nur Strahlung im sichtbaren Wellenlaumlngenbereich emittiert Daruumlber hinaus ist die Farbe des Lichts von LEDs durch Kombination verschiedener Leuchtstoffe und LEDs nahezu beliebig einstellbar und man ist nicht auf aumlhnlichste Farbtemperaturen von ca 3000 K wie bei der Gluumlhlampe begrenzt

Allerdings gibt es auch Nachteile gegenuumlber dem Licht einer Gluumlhlampe Dem typischen Spektrum einer LED-Lichtquelle fehlen im Gegensatz zu Sonnenlicht oder Gluumlhlampenlicht einzelne Spekt-ralfarben Dies macht sich negativ bei der Qualitaumlt der Farbwiedergabe bemerkbar

Die Farbe des emittierten Lichts einer LED laumlsst sich durch additive Farbmischung sehr aumlhnlich zu Sonnenlicht oder auch Gluumlhlampenlicht einstellen Wenn jedoch Objekte mit Licht beleuchtet werden kommt es auch auf die spektrale Zusammensetzung des Lichts an Nehmen wir einen Blumenstrauszlig aus roten Rosen der im Tageslicht steht Im Son-nenlicht sind alle Spektralfarben vorhanden und diese beleuchten die Rosen Die roten Bluumltenblaumltter absorbieren einige spektrale Anteile des Lichts und reflektieren im Wesentlichen rotes Licht welches in das Auge des Betrachters faumlllt Wenn die Rosen von einer anderen Lichtquelle beleuchtet werden in der die roten Spektralanteile zumindest teilweise fehlen koumlnnen diese nicht reflektiert werden und die Farben der Rosen erscheinen unnatuumlrlich

Dies ist von weitreichender Bedeutung fuumlr die Wahl einer geeigneten Lichtquelle da wir einen Kompromiss aus Licht mit guter Farbwieder-gabe und hoher Lichtausbeute schlieszligen muumlssen Licht mit hoher Farbwiedergabe setzt sich aus moumlglichst vielen Spektralfarben zusammen und Lichtquellen mit hoher Lichtausbeute sollten nur Spektralfarben beinhalten fuumlr die das menschliche Auge besonders empfindlich ist In den Auszligenbe-zirken vieler Staumldte werden zur Nachtbeleuchtung der Gehwege haumlufig Natriumdampflampen mit orangefarbenem Licht eingesetzt Die Lichtaus-beute dieser Lampen ist mit etwa 150 lmW auszligerordentlich hoch da das menschliche Auge in diesem Spektralbereich sehr empfindlich ist Diese Beleuchtung ist jedoch ungeeignet um Farben natuumlrlich wiederzugeben Aufgrund des Aufbaus des menschlichen Auges ist es also nicht moumlglich eine Beleuchtung mit sehr hoher Qualitaumlt der Farbwiedergabe bei gleichzeitig sehr hoher Lichtausbeute zu realisieren

Weiszlige LEDs zur Allgemeinbeleuchtung nutzen in der Regel Leuchtstoffe die teilweise qualita-tiv hochwertige Farbwiedergabeeigenschaften besitzen Eine weitere Methode zur Erzeugung von weiszligem Licht ist das Mischen von rotem gruumlnem und blauem Licht (RGB-Verfahren) welches die Grundlage jedes Displays ist Hierbei sind neben weiszligem Licht auch andere Lichtfarben moumlglich ndash die Farbwiedergabeeigenschaften sind allerdings schlecht Fuumlr die Endverbraucher sind in der Regel die Farbwiedergabeeigenschaften von Lichtquellen als Ra-Werte auf der Verpackung angegeben

Organische Licht Emittierende Dioden (OLED) sind eine junge Beleuchtungstechnologie die noch keinen Zugang zum Massenmarkt erhalten hat Die weltweit erste kommerzielle OLED-Leuchte wurde 2008 vertrieben Der fuumlr den Nutzer wesentliche Unterschied zwischen OLEDs und LEDs besteht im Aufbau Der leuchtende Kristall

Bild 2 Spektrale Verteilung einer blauen LED (links) und einer weiszligen LED (rechts) bei der ein Teil des blauen Lichts zu gelbem Licht konvertiert wurde

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PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4 Metrologie fuumlr moderne Lichtquellen

anorganischer LEDs besitzt eine maximale Kan-tenlaumlnge von etwa einem Millimeter Bei OLEDs wird das Licht in groszligflaumlchigen amorphen organi-schen Schichten erzeugt Momentan sind OLEDs mit leuchtenden Flaumlchen von bis zu 20 x 20 cmsup2 erhaumlltlich Das Licht wird aumlhnlich wie bei LEDs durch Ladungstraumlgerrekombination unter Auftre-ten von Elektrolumineszenz erzeugt Dabei ist das Emissionsspektrum der verwendeten organischen Emittermaterialien wesentlich breitbandiger als das einer LED (vgl Bild 3) Daher wird das weiszlige Licht von OLEDs in der Regel durch Verwendung von roten gruumlnen und blauen Emittermaterialien erzeugt ohne dass die Farbwiedergabeeigenschaf-ten sehr stark darunter leiden

2 Entwicklung von (O)LED-Transfer-normalen in der PTB

Eine der Kernaufgaben der PTB ist die Weiter-gabe der gesetzlichen Einheiten Bis zum heuti-gen Tage bieten Transfernormale in Form von speziellen Gluumlhlampen die besten Eigenschaften um als Maszligverkoumlrperung der Einheiten Candela oder Lumen zu dienen Da der Anwender in der Regel jedoch die Substitutionsmethode bei seinen Messungen anwendet um notwendige Korrektu-ren auf ein Minimum zu reduzieren (Gleiches mit Gleichem vergleichen) sind auch Transfernormale auf Basis der LED-Technologie von Interesse

Bereits in den 80er-Jahren des vergangenen Jahr-hunderts wurden LEDs in der PTB kalibriert Diese waren fuumlr Beleuchtungszwecke noch ungeeignet und dienten lediglich als Signallampen Zeitgleich wurden die ersten PTB-LED-Transfernormale entwickelt deren optische Eigenschaften durch thermische Regelung des LED-Chips stabilisiert wurden Die mechanische Ausrichtung der LEDs leistet aufgrund des typischerweise stark gerichteten Abstrahlprofils der LEDs einen groszligen Beitrag auf die Messunsicherheit Daher werden die LEDs seit

2002 in ein rotationssymmetrisches robustes VA-Stahl-Gehaumluse eingebaut welches sich sehr repro-duzierbar ausrichten laumlsst (vgl Bild 4)

Diese Transfernormale werden unter Konstant-Strom-Bedingungen und ndash durch gezieltes Aufhei-zen des LED-Chips durch den Heizwiderstand ndash unter Konstant-Spannung-Bedingungen betrieben Aufgrund der halbleitenden Eigenschaften sinkt mit steigender Temperatur die Betriebsspannung und sowohl der Lichtstrom als auch die Peakwellenlaumlnge des emittierten Lichts veraumlndert sich Die Sollspan-nung wird auf einen Wert festgelegt der unterhalb der Gleichgewichtsspannung durch Eigenerwaumlr-mung im Betrieb ohne Heizwiderstand bei einer Umgebungstemperatur von etwa 35 degC liegt Somit ist auch ein Einsatz der Transfernormale in Laboren ohne Klimatisierung moumlglich

Fuumlr LEDs mit houmlheren Leistungen wurde im Jahr 2011 ein weiterer Prototyp eines Transfernormals vorgestellt (vgl Bild 5) Da die hier verwendeten LEDs eine houmlhere Leistungsaufnahme besitzen werden sie waumlrmer Das reduziert die Lebensdauer und Reproduzierbarkeit der photometrischen

Bild 3 Exemplarische spektrale Verteilung einer weiszligen OLED

Bild 4 Temperaturgeregeltes LED-Transfernormal auf Basis von Kleinleistungs-LEDs mit Lichtstroumlmen von bis zu 10 Lumen

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PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4Das Jahr des Lichtes

Groumlszligen deutlich Daher muumlssen sie gekuumlhlt werden Hierfuumlr kommt bei diesen Normalen ein Peltier-Element zum Einsatz welches geregelt Waumlrme in einen dahinterliegenden Kuumlhlkoumlrper leitet und hierdurch das emittierte Licht stabilisiert Diese Transfernormale zeichnen sich durch ein geringes

Gewicht bei einer Laumlnge von ca 100 mm und einem Durchmesser von etwa 20 mm aus Allerdings ist die Verwendung von LEDs mit sehr hohen Leistun-gen nicht moumlglich da die Abwaumlrme lediglich passiv an den Raum abgegeben wird Eine detaillierte Beschreibung der Eigenschaften dieses Transfer-normals wurde 2012 veroumlffentlicht [2]

Fuumlr die thermische Stabilisierung von LEDs mit sehr hohen Leistungen wurde ein weiteres Trans-fernormal unter Einsatz von Peltier-Elementen Heatpipes und aktivem Kuumlhlsystem in der PTB entwickelt (vgl Bild 6)

Im Rahmen des europaumlischen Forschungspro-jekts OLED100eu wurde in der PTB weiterhin das weltweit erste Transfernormal unter Einsatz einer organischen Leuchtdiode entwickelt (vgl Bild 7) Dieses Normal wurde fuumlr den Einsatz in einer Ulbricht-Kugel konzipiert und in ein mattes Aluminiumgehaumluse eingebaut Eine Besonderheit dieses Normals ist die Stand-Alone-Versorgungs-einheit die ohne Rechner o auml saumlmtliche relevan-ten elektrischen und thermischen Groumlszligen regelt und auf einem USB-Stick speichert

3 LED-Messtechnik in der PTB

Neben LED-Transfernormalen mit guter Reprodu-zierbarkeit ist eine hochentwickelte Messtechnik fuumlr deren Kalibrierung mit minimaler Messunsi-cherheit erforderlich

Die photometrische Beschreibung von LEDs erfolgt durch Angabe ihrer Lichtstaumlrke ILED mit der Einheit Candela und ihrem Lichtstrom ΦLED mit der Einheit Lumen Diese Groumlszligen werden in der PTB unter Verwendung ruumlckgefuumlhrter Photometer bestimmt Hierfuumlr wird die Beleuchtungsstaumlrke ELED unter definierten geometrischen Bedingungen fuumlr alle Abstrahlrichtungen der LED mit einem Goniophotometer gemessen

Fuumlr die Bestimmung der colorimetrischen Werte kommen Spektralradiometer zum Einsatz Hiermit werden spektrale Bestrahlungsstaumlrken gemessen und daraus die abgeleiteten colorime-

Bild 5 Temperaturgeregeltes LED-Transfernormal auf Basis von Hochleistungs-LEDs mit Lichtstroumlmen von bis zu 100 Lumen Im rechten Bild ist die Temperaturverteilung in Grad Celsius waumlhrend des Betriebs abgebildet

Bild 6 Temperaturgeregeltes LED-Transfernormal auf Basis von Houmlchstleistungs-LEDs mit Lichtstroumlmen von bis zu 2500 Lumen

Bild 7 Temperaturgeregeltes OLED-Transfernormal auf Basis kommerziell erhaumlltlicher OLEDs

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PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4 Metrologie fuumlr moderne Lichtquellen

trischen Kenngroumlszligen wie z B die Normfarb-wertanteile (x y) bei weiszligen LEDs die aumlhnlichste Farbtemperatur TN mit der Einheit Kelvin und bei farbigen LEDs die dominante Wellenlaumlnge λdom berechnet Grundlegende Informationen und Definitionen uumlber die photometrischen und colorimetrischen Groumlszligen und deren Messung sind in [3] [4] und [5] zu finden

In Bild 8 ist der Aufbau des LED-Messplatzes an der PTB zu sehen Fuumlr die Bestimmung der Mess-groumlszligen in alle raumlumlichen Abstrahlwinkel wird die LED durch ein Goniophotometer bewegt

Die LED wird in horizontaler Betriebslage zentrisch normal zur Referenzebene des Photo-meterkopfes ausgerichtet Ein Translationstisch ermoumlglicht dabei eine Variation des Abstandes d zwischen Photometer und LED Eine horizontale Rotationsachse (φ-Achse) und eine senkrechte Rotationsachse (ϑ-Achse) die sich an der LED-Spitze im rechten Winkel schneiden erlauben durch Drehung der LED eine Bestimmung der Beleuchtungsstaumlrke ELED in alle Raumrichtungen Beide Rotationsachsen werden waumlhrend der Messung zeitgleich bewegt Hierdurch bewegt sich die relative Position der lichtempfindlichen Emp-faumlngeroumlffnung bezuumlglich des Schnittpunkts beider Drehachsen auf der Oberflaumlche einer virtuellen Kugel entlang einer Spiralbahn von bdquoPol zu Polldquo dieser Kugel

Die Bestimmung des Lichtstroms ΦLED erfolgt analog der Beschreibung in dem Kapitel Kurze Geschichte der Goniophotometrie in der PTB Der wesentliche Unterschied zu goniophotome-trischen Messungen an Gluumlhlampen besteht darin dass bei LED-Messungen die Lichtquelle typischerweise bewegt werden kann ohne dass sich ihre optischen Eigenschaften aumlndernAufgrund des stetig wachsenden Bedarfs an ruumlck-gefuumlhrten Kalibrierungen von High-Power-LEDs sind Masse und Abmessungen der Transfernor-male erheblich gestiegen Daher wurde der Mess-platz 2015 um ein weiteres Goniophotometer fuumlr schwere und groszlige Objekte erweitert (vgl Bild 9)

Neben den photometrischen Empfaumlngern befinden sich auch Einkoppeloptiken fuumlr Spekt-ralradiometer auf dem drehbaren Empfaumlngerka-russell Alle Empfaumlnger lassen sich hiermit auto-matisiert waumlhrend einer Messung zu den LEDs ausrichten Vor jeder LED-Kalibrierung werden die Spektralradiometer bezuumlglich Ihrer spektralen Empfindlichkeit und Wellenlaumlnge kalibriert Die entsprechenden Normallampen befinden sich neben dem Empfaumlngerkarussell (vgl Bild 10) und ermoumlglichen so ebenfalls eine automatisierte Messung

Den spektralen Messungen an LEDs kommt neben der Notwendigkeit fuumlr die Bestimmung colorimetrischer Kennzahlen noch eine beson-dere Bedeutung fuumlr die photometrischen Messun-

Bild 9 Goniophotometer fuumlr photometrische Messungen an Hochleistungs-LEDs

Bild 10 Entladungslampen mit verschiedenen Gasfuumlllungen dienen der Wellenlaumlngenka-librierung der Spektrometer Im Hintergrund ist eine Bestrahlungsstaumlrke-Normal-lampe fuumlr die spektrale Empfindlichkeitskalibrierung zu sehen

Bild 8 Goniophotometer fuumlr photometrische Messungen an Kleinleistungs-LEDs

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PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4Das Jahr des Lichtes

gen zu Wie in der Einleitung erklaumlrt unterscheiden sich die spektralen Verteilungen von LEDs und Gluumlhlampen deutlich voneinander Photometerkoumlpfe bestehen in der Regel aus einer Silizium-Photodiode deren spektrale Empfindlichkeit durch den Einsatz von Glasfiltern moumlglichst gut an den Hellemp-findlichkeitsgrad V(λ) angepasst wird Aufgrund internationaler Standardisierung wird die photo-metrische Empfindlichkeit von Photometerkoumlpfen fast ausschlieszliglich fuumlr Normlichtart A kalibriert In der Praxis werden hierfuumlr Gluumlhlampen mit einer Verteilungstemperatur von 2856 K verwendet Wenn man ein solches Photometer fuumlr Messungen an anderen Gluumlhlampen verwendet sind die spektralen Verteilungen meist so aumlhnlich dass nur geringe oder gar vernachlaumlssigbare Korrekturen aufgrund der spektralen Fehlanpassung also der Abweichung der realen spektralen Empfindlichkeit des Photometers von dem Hellempfindlichkeitsgrad notwendig sind Wenn man ein solches Photometer jedoch bei LEDs insbesondere farbigen LEDs einsetzt koumlnnen die Abweichungen aufgrund der spektralen Fehlan-passung sehr groszlig werden (gt10 fuumlr hochwertige Photometerkoumlpfe sind moumlglich)

Mit Kenntnis der relativen spektralen Verteilung der Leuchtdiode SLED(λ) und der relativen spekt-ralen Empfindlichkeit srel(λ) laumlsst sich die spektrale Fehlanpassung durch folgenden Korrekturfaktor cSpek korrigieren

cV S

s S

V P T

sSpek

LED

rel LED

A

rel

d

d

d=

( ) ( )( ) ( )

( ) ( )( )

intint

intλ λ λ

λ λ λ

λ λ λ

λ

intint ( )P Tλ λ A d

P(λ TA) beschreibt Lichtart A durch das Planck-sche Strahlungsgesetz fuumlr TA = 2856 K

Eine detaillierte Auflistung und Diskussion aller zu beruumlcksichtigenden Details bei Kalibrierungen von LEDs und das dazugehoumlrige Messunsicher-heitsbudget soll an dieser Stelle nicht gegeben werden Interessierte Leser koumlnnen hierfuumlr Infor-mationen in einer fruumlheren Veroumlffentlichung [6] oder in den Ergebnissen eines internationalen Vergleichs von LED-Messungen [7] finden

Fazit und Ausblick

Der Verzicht auf LEDs ist fuumlr Beleuchtungsan-wendungen nicht mehr vorstellbar Durch ihre kontinuierliche Weiterentwicklung erobern LEDs immer weitere Anwendungsfelder (z B Haus-halts- Straszligen- und Automobilbeleuchtung) mit denen der Endkunde in Kontakt kommt Bei diesen Anwendungen sind die Anforderungen an die Lichtquellen vielfaumlltig und fuumlr eine quantitative Beschreibung ihrer Eigenschaften muss auch die Messtechnik entsprechend umfassend und ausge-reift sein

Neben dem allgemeinen Forschungs- und Ent-wicklungsbedarf fuumlr bessere LED-Messverfahren und -geraumlte die die Grundlage ihrer technologi-schen Weiterentwicklung bilden gibt es eine weitere Herausforderung Aufgrund der nahezu unbe-grenzten Moumlglichkeiten eine bestimmte Lichtfarbe durch additive Farbmischung zu erhalten sind LEDs verschiedener Hersteller mit unterschiedlichen Emissionsspektren aber einer nominell gleichen aumlhnlichsten Farbtemperatur erhaumlltlich Dennoch ist teilweise ein Unterschied der Lichtfarbe mit bloszligem Auge erkennbar wenn sich unterschiedliche LEDs nebeneinander befinden

Es ist ungewoumlhnlich dass man ohne technische Hilfsmittel nominell gleiche Lichtfarben faktisch unterscheiden kann Um die Charakterisierung von LEDs soweit zu verbessern dass dies nicht mehr moumlglich ist ist einerseits eine Reduzierung der Messunsicherheit bei der Bestimmung der Normfarbwertanteile (Lichtfarbe) notwendig Andererseits muss man sich bewusst machen dass photometrische und colorimetrische Messverfahren auf rein physikalischen Zusammenhaumlngen basieren Individuelle menschliche Wahrnehmung und Sehen werden bei photometrischen Messungen nicht beruumlcksichtigt ndash diese werden durch Festlegung von exakt definierten Wichtungsfunktionen wie dem Hellempfindlichkeitsgrad fuumlr einen fiktiven Normalbeobachter ausgegrenzt Diese Wichtungs-funktionen koumlnnen gegebenenfalls auch noch optimiert werden um die objektive Beurteilung von Lichtquellen mit physikalischen Messmethoden zu verbessern Somit gibt es auch in Zukunft noch interdisziplinaumlre Herausforderungen fuumlr die Metro-logie moderner Lichtquellen

Literatur

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Effektpigmente hellipPTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4

Einleitung

Farbe ist fuumlr Menschen die wohl auffaumllligste sub-jektive Stoffeigenschaft Bereits den Fruumlhmenschen war diese visuelle Qualitaumlt bekannt deren Wahr-nehmung allen Primaten eigen ist So wurde 2008 in Suumldafrika eine ca 100000 Jahre alte steinzeitli-che bdquoMalerwerkstattldquo entdeckt [1] Auch heutzu-tage spielt Farbe in der Gestaltung unserer Umwelt eine wichtige Rolle Jedes Jahr praumlsentiert uns die Mode die neuen Farben der Saison Farben dienen zur Regelung des Verkehrs Ohne bunte Farben waumlre unsere Welt trist und oumlde

Es ist wichtig festzustellen dass Farbe ein physiologischer Sinneseindruck ist wie z B auch Tasten oder Riechen D h Farbe ist keine immanente physikalische Eigenschaft eines Gegenstandes wie z B seine Masse oder Waumlrme-leitfaumlhigkeit Die physiologische Wahrnehmungs-kette ist hierbei folgende Das vom betrachteten Gegenstand reflektierte Licht trifft auf das Auge und loumlst hierbei einen Farbreiz aus Dieser Farbreiz beruht auf der spektralen Zusammensetzung des empfangenen Lichts d h er ist abhaumlngig von der verwendeten Lichtquelle und dem spektralen Reflexionsvermoumlgen des betrachteten Objektes Die Anregung der licht- und farbempfindlichen Zellen in der Netzhaut fuumlhrt zu einer Farbvalenz die uumlber den Sehnerv an das Gehirn weitergeleitet wird Die eigentliche Farbempfindung die wir dann mit einem Gegenstand verknuumlpfen entsteht erst im Gehirn [2] Liegt z B eine Farbfehlsich-tigkeit vor so kann der Farbeindruck des betrof-fenen Menschen auch ein ganz anderer sein Auch viele Tiere mit ihren teilweise erheblich abweichenden visuellen Systemen nehmen Farbe ganz unterschiedlich als wir Menschen wahr Im Folgenden soll mit Farbe immer die Koumlrperfarbe auch Gegenstandsfarbe Objektfarbe bzw Oberflauml-chenfarbe genannt einer nicht selbstleuchtenden Flaumlche bezeichnet werden die durch Reflexion von Licht an einem Koumlrper entsteht

Die genannten Zusammenhaumlnge machen die mathematisch-physikalische Beschreibung von Farbe schwierig und aufwendig da auch die spe-zifischen Eigenarten der menschlichen Wahrneh-

mungskette nachgestellt werden muumlssen Diesem Umstand wird versucht uumlber die verschiedenen Farbmaszligsysteme Rechnung zu tragen welche die Farbe eines Objektes mithilfe von quantifizierba-ren Zahlenwerten kennzeichnen [3]

Generell koumlnnen farbige Flaumlchen je nach Tageszeit und Lichteinfall sehr unterschiedlich wirken Die Aumlnderungen basieren hierbei auf der unterschiedlichen spektralen Zusammenset-zung des Tageslichts und den winkelabhaumlngigen Glanz- und Struktureigenschaften von Oberflauml-chen Ganz besonders deutlich ist dies bei auf dem Interferenzeffekt basierenden Effektpigmenten der Fall Deren visuelles Erscheinungsbild im englischen mit Visual Appearance bezeichnet kann sich bei variierendem Beobachtungswinkel und unterschiedlichen Lichtverhaumlltnissen komplett veraumlndern Man spricht hierbei von sogenannten Flop-Lacken wobei man zwischen Hell-Dunkel-Flop und Farb-Flop unterscheiden kann [4]

Generell kann man sagen dass Farbe und visuelle Effekte einen entscheidenden Anteil am Verkaufserfolg eines Produktes haben denn Farben wecken Emotionen und verschiedene Neuro marketingstudien belegen dass ca 95 aller Kaufentscheidungen emotional gepraumlgt sind [5] Deshalb spielt eine moderne Farbgestaltung unter Nutzung aktueller Effektpigmente im Pro-duktdesign eine entscheidende Rolle denn durch den Einsatz solcher Pigmente kann Gegenstaumlnden eine houmlhere Attraktivitaumlt verliehen werden Daher findet man moderne Effektpigmente heutzutage in vielen teilweise sehr unterschiedlichen Indus-trieprodukten wie z B in Autolackierungen Haumluserfassaden Kosmetikartikeln oder sogar bei Pralineacutes wie dies in Bild 1 zu sehen ist

Pigmente

Als Pigmente aus dem Lateinischen kommend von pigmentum fuumlr bdquoFaumlrbestoff Schminkeldquo bezeichnet man aus Teilchen bestehende im Anwendungs-medium praktisch unloumlsliche Sub stanzen die als Farbmittel oder wegen anderer spezieller physika-lischer und chemischer Eigenschaften als funktio-nale Farbzentren verwendet werden [6]

Effektpigmente Eine Herausforderung fuumlr die optische Messtechnik

Egbert Buhr Alfred Schirmacher Andreas Houmlpe

Dr Egbert Buhr Fachbereich bdquoBildshy und Wellenoptikldquo EshyMail egbertbuhrptbde

Dr Alfred Schirmacher Arbeitsshygruppe bdquoReflexion und Transmissionldquo EshyMail alfredschirmacherptbde

Dr Andreas Houmlpe dagger ehemals Arbeitsgrupshype bdquoReflexion und Transmissionldquo

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PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4Das Jahr des Lichtes

In der Natur vorkommende anorganische Pig-mente sind schon seit praumlhistorischen Zeiten bekannt Schon die Menschen der Steinzeit benutzen mineralische Pigmente fuumlr die ersten Houmlhlenzeichnungen Sie erkannten dass sie mit unterschiedlichen Erdsorten farbig malen konnten Eisenoxidhaltige Erden liefern gelbrote bis braunrote Kalk und Gips weiszlige Mangan-oxide sowie Holz- und Knochenkohle schwarze Farbtoumlne

Aus heutiger industrieller Sicht ist ein Pigment ein fein aufgeteilter und unloumlslicher Feststoff mit der Hauptfunktion das Erscheinungsbild des verwendeten Mediums zu verbessern oder es zu faumlrben Pigmente werden dem Medium immer durch physikalisches Mischen beigegeben dies unterscheidet sie von Farbstoffen die in ihrem Medium loumlslich sind

Pigmente koumlnnen nach den optischen Prin-zipien ihrer Wechselwirkung mit Licht unter-schieden und in verschiedene Klassen eingeteilt werden Wichtige Pigmentklassen sind Weiszlig- Bunt- Schwarz- und Effektpigmente die alle wegen ihrer speziellen farbgebenden Eigenschaf-ten eingesetzt werden Bei den Effektpigmenten

kann in einer ersten vereinfachten Einteilung noch zwischen Metalleffekt- und den sogenannten speziellen Effektpigmenten unterschieden werden

Der Begriff bdquospezielle Effektpigmenteldquo umfasst die Gruppen der Perlglanzpigmente und der all-gemeinen Interferenzpigmente welche insbeson-dere bei aktuellen Pigmententwicklungen nicht scharf abgegrenzt werden koumlnnen Perlglanzpig-mente sind Effektpigmente die aus transparenten Plaumlttchen mit hohem Brechungsindex bestehen Sie erzeugen durch die spezielle Form der Mehr-fachreflexion des transmittierten Lichts an mehre-ren Pigmenten einen perlenaumlhnlichen Effekt bei dem die auftreffende Strahlung verteilt reflektiert wird wodurch der Eindruck einer mit der Tiefe abnehmenden diffusen Helligkeit entsteht Fuumlr das Auge ergibt sich so eine scheinbar dreidimen-sionale Glanzcharakteristik die aus der Tiefe des Objektes zu kommen scheint Interferenzpigmente dagegen sind Effektpigmente deren farbgebende Wirkung ganz oder vorwiegend auf dem Effekt der Vielstrahlinterferenz von Licht an duumlnnen hoch-brechenden Schichten beruht Interferenzpigmente koumlnnen dabei sowohl auf transparenten oder auch nichttransparenten Plaumlttchen basieren

Bild 1 a) Roadster mit ChromaFlairreg-Effektpigmentlackierung b) Verwaltungsgebaumlude in Braunschweig verkleidet mit Alucobondreg-spectra-colours-Verbundplatten c) Effektpigmente im Nagellack d) Pralineacute mit Effektpigmentuumlberzug

a

dc

bb

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Effektpigmente hellipPTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4

Die heute verwendeten Pigmente lassen sich somit grob in fuumlnf verschiedene Klassen einteilen

1) Weiszligpigmente Die Pigmente streuen das ge-samte auftreffende Licht nahezu verlustfrei in alle Richtungen durch diffuse ungerichtete Reflexion

2) Buntpigmente Die Pigmente streuen einen Teil des Lichtes diffus und absorbieren wellenlaumln-genselektiv einen anderen Teil des Lichtes

3) Schwarzpigmente Die Pigmente absorbieren alle Wellenlaumlngen des fuumlr das menschliche Auge sichtbaren Spektralbereiches

4) Metalleffektpigmente Die aus duumlnnen Metall-plaumlttchen vorwiegend Aluminium bestehen-den Metalleffektpigmente sind lichtundurch-laumlssig und reflektieren das gesamte auftreffende Licht durch spekulare gerichtete Reflexion Die Pigmentpartikel wirken dabei wie Mikrospie-gel und fuumlhren bei paralleler Ausrichtung im Anwendungsmedium zu einem spiegelnden Metallglanz dem Metallic-Effekt

5) Spezielle Effektpigmente Perlglanz- bzw Inter-ferenzpigmente deren optische Wirkung auf der Mehrfachreflexion an uumlberwiegend flaumlchig aus-gebildeten und ausgerichteten transparenten semitransparenten oder lichtundurchlaumlssigen Partikeln beruht

Weiszlig- Bunt- und auch Schwarzpigmente weisen typische Durchmesser im Bereich von 100 nm bis zu 1 microm auf Ihre Groumlszlige liegt damit zum Teil im Bereich der Wellenlaumlnge des sichtbaren Lichtes welches den Bereich von 380 nm bis 780 nm uumlberdeckt Einige Schwarzpigmente wie z B Ruszlig-pigmente liegen mit ihren Durchmessern jedoch auch zum Teil auch deutlich darunter Effektpig-mente besitzen dagegen Teilchendurchmesser die zumeist im Bereich von 5 microm bis 100 microm in einigen Faumlllen auch daruumlber liegen Sie sind damit bezuumlglich der mittleren Plaumlttchendurch-messer wesentlich groumlszliger als die Wellenlaumlnge des sichtbaren Lichtes Die Dicke der Plaumlttchen liegt von einigen Ausnahmen abgesehen unter 1 microm ebenso wie die Dicke der Interferenzschichten Demzufolge weisen Effektpigmente in der Regel ein hohes Aspektverhaumlltnis auf (Verhaumlltnis der lateralen Ausdehnung einer Struktur zu ihrer Houmlhe) welches bis zu 200 betragen kann

Interferenzpigmente ndash Wie die Farben entstehen

Die Farbe von Interferenzpigmenten haumlngt von der Schichtdicke der Metalloxidbeschichtung und dem Einstrahlungs- und Betrachtungswinkel ab Beide Parameter bestimmen die effektive optische Weg-

laumlngendifferenz fuumlr das einfallende weiszlige Licht zwischen oberer und unterer Grenzflaumlche und die somit auftretenden Interferenzfarben siehe Bild 3

Interferenzpigmente zeigen somit einen aus-gepraumlgten bdquoFarbflopldquo Die Winkelabhaumlngigkeit der Farbe wird hierbei auch als Goniochromasie bezeichnet Richtig bunt geht es zu wenn ein Interferenzpigment auf einen bereits bunten Untergrund aufgebracht wird Die Transparenz der Pigmente laumlsst die Untergrundfarbe durch-

Bild 2 Schematische Diagramme zum spektralen Verhalten verschiedener Pigmenttypen

Bild 3 Die Schichtdicke der Metalloxidbeschichtung und der kombinierte Einstrahlungs- und Betrachtungswinkel bestimmen die optische Weglaumlnge und somit die sich ergebenden Interferenzfarben in Reflexion und Transmission

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PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4Das Jahr des Lichtes

Bild 5 Die Effekte Spar-kling (1) und Coarseness (2) des Effektpigmentes Xirallicreg Crystal Silver in einer vergroumlszliger-ten Aufnahme auf weiszligem (links) und schwarzem Hinter-grund (rechts)

scheinen im Glanzwinkel wird sie aber von der Interferenzfarbe uumlberstrahlt wie dies in Bild 4 zu sehen ist

Der Effekt eines Helligkeitsunterschiedes unter verschiedenen Betrachtungswinkeln wird als Helligkeitsflop bezeichnet und ist an sich nichts Neues Sind jedoch die einzelnen Pigmentteilchen

aufgrund ihrer planaren Reflexionsoberflaumlchen in gerichteter Beleuchtung direkt beobachtbar was fuumlr mittlere Teilchengroumlszligen von 30 microm und groumlszliger der Fall ist so ergibt dies einen Effekt welcher mit dem Begriff Sparkle (Glitzern Funkeln) bezeichnet wird (Bild 5) Aumlndert sich die Beleuchtung von einer gerichteten Einstrahlung wie es an einem wolkenlosen sonnigen Sommertag der Fall ist hin zu einer diffusen ungerichteten Einstrahlung wie an einem stark bewoumllkten Herbsttag so verschwin-det das Sparkling der Pigmente und verwandelt sich in eine Koumlrnigkeit der Oberflaumlche Dieses optische Phaumlnomen wird als Coarseness (Bild-koumlrnigkeit) bezeichnet und ist unabhaumlngig vom Betrachtungswinkel (Bild 5)

Als neuer Archetypus des Sparkle-Begriffes haben sich in den letzten Jahren die Xirallicreg Pig-mente (High Chroma Chrystal Effect Pigments) der Firma Merck KGaA entwickelt Durch die Beschich-tung von Aluminiumoxidplaumlttchen mit hochbre-chenden Metalloxiden und einer optimierten Dicke und Ebenheit aller am Pigment beteiligten Schich-ten entstehen auszligergewoumlhnlich stark reflektierende Effektpigmente die einen besonders intensiven Sparkle-Effekt aufweisen Man spricht hierbei auch von sogenanntem Living Sparkle welcher sich in einem scheinbaren bdquoTanzenldquo der leuchtenden Punkte in der Probenoberflaumlche bei Veraumlnderung der Beobachtungsgeometrie aumluszligert [7 8]

Generell gilt dass die Farbe von Objekten mit Effektlackierung nicht mehr wie jahrzehntelang uumlblich und ausreichend mit konventionellen Farb-messgeraumlten mit nur einer festen Messgeometrie wie z B in der 45deg 0deg Geometrie (Einstrahlung unter 45deg Reflexionsmessung unter 0deg) bestimmt werden kann Dieser Umstand wird sehr gut durch die Grafik in Bild 6 illustriert Dargestellt sind die winkelabhaumlngig gemessenen Farbkoordinaten von drei verschiedenen keramischen Farbstandards der Farben rot gruumln und blau sowie eines mit dem Effektpigment Viola Fantasy der Firma Merck lackierten Blechs Der Einfallswinkel des Lichts auf die Proben betrug hierbei immer 45deg zur Oberflauml-chennormalen Das von den Proben reflektierte Licht wurde an 26 Positionen in einem 5deg Raster in planaren die Oberflaumlchennormale enthalten-den Messgeometrien im Winkelbereich von ndash70deg bis +70deg aufgenommen Bei den aus absorptiven Pigmenten bestehenden Keramiken zeigt sich eine nur sehr geringe Winkelabhaumlngigkeit der Farbe welche groumlszligtenteils auf unterschiedlicher winkelabhaumlngiger Helligkeit d h den Glanzeigen-schaften der Oberflaumlche beruht Das Effektpigment dagegen zeigt einen extremen winkelabhaumlngigen Farb-Flop (Goniochromasie) welcher einen Farbverlauf von Gruumln uumlber Rot-Gelb hin ins Blau-Violett bietet

Aber auch die neuen Lackfarben aus der Gruppe der Effektlackierungen muumlssen messtechnisch

Bild 4 Merck-Xirallicreg-Solaris-Red-Effektpigmente appliziert auf einem mit Standard-Ab-sorptionspigmenten hellblau lackierten Metallblech In Rich-tung des Glanzwin-kels auf der rechten Seite zeigt sich der langsame Aufbau der winkelabhaumlngigen Interferenzfarbe

1

Bild 6 CIELab Farbkoordinaten einer winkelabhaumlngigen Reflexionsmessung an vier verschiedenen Proben drei Keramiken der Farben rot gruumln blau und eine Effektpigmentlackierung mit Merck Colorstreamreg Viola Fantasy Das untergelegte Farbschema zeigt naumlherungsweise die den Koordinaten entsprechende Farbe

2

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Effektpigmente hellipPTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4

Abbildungsoptik Messungen der ortsaufgeloumlsten Leuchtdichte auf einer Laumlngenskala bis hinab zu 28 microm auf der zu untersuchenden Probe siehe Bild 8

Mit der Zeilenkamera sind Messungen von kompletten Reflexionsspektren im sichtbaren Spektralbereich zwischen 380 nm und 780 nm dem sogenannten V(λ)-Bereich auf einer Zeit-skala von 2 Minuten moumlglich Hieraus lassen sich dann Farbkoordinaten der untersuchten Proben in den unterschiedlichsten Farbraumsystemen berechnen Eine absolute Messung in 114 Win-kelkombinationen (siehe Bild 9) im Polarwinkel-

erfasst und ruumlckgefuumlhrt werden um eine gleich-bleibende Qualitaumlt in der Produktion gewaumlhrleis-ten zu koumlnnen Gerade diese vielfaumlltigen zusaumltz-lichen Eigenschaften stellen die Farbmesstechnik vor neue Herausforderungen

Farbmessung

Bisherige kommerzielle Farbmessgeraumlte charakte-risieren Probenoberflaumlchen fast ausschlieszliglich in den eben schon erwaumlhnten sogenannten in-plane Reflexionsgeometrien Dabei liegen die Richtun-gen des eingestrahlten und des reflektierten Lichts sowie die Oberflaumlchennormale der Probe in einer Ebene Diese Einschraumlnkung entspricht jedoch in keiner Weise der taumlglichen Realitaumlt bei der Oberflaumlchen aus beliebigen Richtungen beleuchtet und betrachtet werden Seitens der Messgeraumlteher-steller und Anwender gibt es daher einen Trend zur erweiterten Charakterisierung bezuumlglich zusaumltzlicher Winkelkombinationen im dreidimen-sionalen Raum Spitzenreiter dieser Entwicklung am Markt ist derzeit ein tragbares Mehrwinkel-Spektralphotometer mit insgesamt 19 verschie-denen Reflexionsgeometrien [9] Hiermit scheint aber auch das Ende dieser Entwicklung im Bereich der portablen handgefuumlhrten Geraumlte erreicht Der Wunsch der Anwender geht aktuell wieder zuruumlck zu einer geringeren Anzahl von Winkelkombi-nationen denn es ist unklar wie man aus dem Mehr an winkelaufgeloumlsten Reflexionsdaten die fuumlr die Charakterisierung der Farbeigenschaften relevanten Informationen gewinnen kann Daher stellt sich die Frage welches sind bdquoguteldquo d h an die Messaufgabe adaptierte optimal geeignete Messgeometrien

Um diese Frage zu beantworten betreibt die AG 424 bdquoReflexion und Transmissionldquo der PTB zwei roboterbasierte Gonioreflektometer die eine winkelaufgeloumlste Reflexionsmessung in beliebi-gen bidirektionalen Geometrien ermoumlglichen [10ndash12] Diese beiden Apparaturen sind in Bild 7 dargestellt

Das Standard-Gonioreflektometer ist hierbei das nationale Normal fuumlr die Messgroumlszlige spektraler Strahldichtefaktor in gerichteten Geometrien Es dient der Realisierung Bewahrung und Weiter-gabe der gerichteten Reflexionsskale in Form von Kalibrierungen Die zweite Apparatur bezeich-net mit dem Acronym ARGon3 (3D Appearance Robot-based Gonioreflectometer) ist ein flexibles Forschungsgeraumlt mit dem experimentelle Unter-suchungen u a im Rahmen des EMRP-Projektes Multidimensional Reflectometry for Industry der EU [13] durchgefuumlhrt werden Im Ver gleich zum Standard-Gonioreflektometer ist dieses Geraumlt mit einer photometrischen Leuchtdichteka-mera und einer Zeilenkamera ausgeruumlstet Die Leuchtdichtekamera erlaubt mit einer speziellen

Bild 7 Die beiden roboter-basierten Gonio-reflektometer der PTB oben Standard-Gonioreflektometer fuumlr Kundenkalibrie-rungen unten ARGon3-Messplatz fuumlr Forschungsanwen-dungen

Bild 8 Visualisierung desSparkling-Effektesvon Xironareg-Volcanic-Sparks-Pigmenten als Falschfarben-darstellung der ortsaufgeloumlsten LeuchtdichteDie bdquoNadelnldquo zeigendie Position derPigmente an

Bild 9 Beispielgeometrien zur Messung der winkelabhaumlngigen Reflexionseigen-schaften Realisiert wurden 4 Einstrah-lungsrichtungen (rote Pfeile) mit jeweils 114 Reflexionswinkeln (schwarze Punkte) im Bereich der Viertel-kugel oberhalb der Probenoberflaumlche

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PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4Das Jahr des Lichtes

bereich 0deg bis 70deg gleichmaumlszligig verteilt uumlber den Viertelraum oberhalb der Probe dauert hierbei ca 4 Stunden [14] Die so erhaltenen Daten bilden die Basis fuumlr kuumlnftige Verbesserungen in der Mess-technik fuumlr Anwender und Hersteller

Im Rahmen des EMRP-Projektes Multidimen-sional Reflectometry for Industry [13] sind damit die winkelabhaumlngigen Reflexionsspektren von insgesamt 66 verschiedenen Effektpigmentproben gemessen worden [15 16] Bei den vier verschie-denen Einstrahlungsrichtungen verbunden mit jeweils 114 Reflexionswinkeln im Bereich der Vier-telkugel oberhalb der Probenoberflaumlche ergeben sich somit uumlber 30000 Reflexionsspektren

Zielsetzung der Untersuchungen ist die Ver-besserung der Metrologie zur Materialcharak-terisierung mit reduzierter Messunsicherheit Dazu werden neue Messvorschriften und neue Standardmessartefakte entwickelt mit denen die Industrie die visuelle Wahrnehmung der von ihr produzierten Oberflaumlchen gezielt charakterisie-ren und kontrollieren kann Solche Messungen sollten einfach auszufuumlhren sein und die Ergeb-nisse muumlssen soweit wie moumlglich mit der visuellen menschlichen Wahrnehmung korrelieren Im europaumlischen und internationalen Rahmen sollen die Ergebnisse in die Normung einflieszligen um die allgemeine Vergleichbarkeit solcher Messungen zu gewaumlhrleisten

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Die 50 Sitzung des Internationalen Komitees fuumlr das gesetzliche Messwesen (CIML) fand vom 20 bis 22 Oktober 2015 in Arcachon Frankreich statt Im Vorfeld der CIML-Sitzung fand ein ein-taumlgiges OIML-Seminar uumlber Countries and Econo-mies with Emerging Metrology Systems (CEEMS) statt uumlber das weiter unten berichtet wird

Das CIML ist der Lenkungsausschuss der OIML Es trifft sich jaumlhrlich und besteht aus je einem Repraumlsentanten der Mitgliedstaaten der korrespondierenden Mitglieder und den Vertre-tern internationaler und regionaler Organisa-tionen die als Beobachter teilnehmen koumlnnen Das CIML ist zustaumlndig fuumlr die Vorbereitung und Durchfuumlhrung der Entscheidungen der Konfe-renz die alle vier Jahre stattfindet Es uumlberwacht die Arbeiten der Technischen Komitees und Unterkomitees und des Internationalen Buumlros fuumlr das gesetzliche Messwesen (BIML) in Paris

An der 50 CIML-Sitzung nahmen 144 Teilneh-mer aus 43 Mitgliedstaaten und 13 korrespondie-renden Mitgliedstaaten teil Zur deutschen Dele-gation gehoumlrten neben den o g Autoren auch die Herren Johann Fischer Direktor des Landesamts fuumlr Mess- und Eichwesen Berlin-Brandenburg sowie Prof Olaf Kuumlhn Direktor des Thuumlringer Landesamts fuumlr Verbraucherschutz als Vertreter der Bundeslaumlnder Dr Peter Ulbig Leiter der Abteilung Wissenschaftlich-technische Quer-schnittsaufgaben der PTB und Prof Manfred Kochsiek Vizepraumlsident a D der PTB ehema-liger CIML-Praumlsident und Ehrenmitglied der OIML Frau Dr Anna Cypionka persoumlnliche Referentin des Praumlsidenten der PTB nahm am OIML-Seminar fuumlr CEEMS teil Vertreten waren auch wieder internationale und regionale Orga-nisationen zu denen die OIML Verbindungen unterhaumllt wie das Internationale Buumlro fuumlr Maszlig und Gewicht (BIPM) die GSO-GCC Standardiza-tion Organization (Saudi-Arabien) die Internatio-nal Laboratory Accreditation Cooperation (ILAC) und der Europaumlische Verband der Waagenherstel-ler (CECIP)

Alle Beschluumlsse der 50 CIML-Sitzung koumlnnen auf den Internetseiten der OIML aufgerufen werden [1 2]

Die wichtigsten Entscheidungen und Entwick-lungen werden nachfolgend vorgestellt

1 Personalangelegenheiten

Der Vertrag von Willem Kool als Assistant Director wurde um vier Jahre der Vertrag des BIML-Direk-tors Stephen Patoray um drei Jahre verlaumlngert

2 Einfuumlhrung des PG Workspace im Internet

In seinem Bericht im Zusammenhang mit der Etablierung des neuen Webauftritts der OIML hob der CIML-Praumlsident Peter Mason (UK) die erfolgreiche Einfuumlhrung des Workspace fuumlr Pro-jektgruppen hervor Durch die Online-Arbeit wird erwartet dass die technische Arbeit an neuen bzw zu revidierenden OIML-Dokumenten vereinfacht und insgesamt effizienter wird

3 Revision der technische Richtlinien fuumlr die OIML (B 6 Directives for OIML tech-nical work)

In einem neuen Projekt sollen die in den vergan-genen Jahren revidierten OIML-Richtlinien fuumlr die technische Arbeit erneut uumlberarbeitet werden um u a den Prozess der Entwicklung und Uumlber-arbeitung von OIML-Publikationen noch weiter zu beschleunigen und den neuen internetbasierten Technologien und Arbeitsweisen Rechnung zu tragen

4 Umfassende strukturelle Uumlberarbeitung des OIML Certificate System

Das CIML verabschiedete die Gruumlndung einer Projektgruppe mit der Aufgabe einer substan-ziellen Uumlberarbeitung des OIML-Zertifizierungs-systems das z Zt aus dem Basiszertifizierungs-system und dem MAA3 besteht Urspruumlnglich ausgehend von der Annahme die Akzeptanz des MAA-Zertifizierungssystem muumlsse verstaumlrkt werden eine groumlszligere Verbreitung finden und mehr Messgeraumltearten abdecken erscheint es

Aktuelles aus der OIML (Internationale Organisation fuumlr das Gesetzliche Messwesen)Bericht uumlber die 50 Sitzung des CIML in Arcachon FrankreichSusanne Ludwig Roman Schwartz

INTERNATIONALE ZUSAMMENARBEIT

Susanne Ludwig OIMLshyGeschaumlftsstelle der PTB EshyMail susanneludwigptbde

Dir u Prof Dr Roman Schwartz Vizepraumlsident der PTB deutsches Mitglied im Internashytionalen Komitee fuumlr das Gesetzliche Messwesen (CIML) und CIMLshyVizepraumlsishydent EshyMail romanschwartzptbde

3 Mutual Acceptance Arrangement (Abshykommen zur gegenshyseitigen Anerkennung von Bauartpruumlfungen)

46

PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4Internationale Zusammenarbeit

inzwischen sinnvoller und wurde so auch vom CIML beschlossen zum 112017 ein einziges OIML-Zertifizierungssystem einzufuumlhren Eine Projektgruppe (Certification System Project Group = CSPG) unter dem Vorsitz des CIML-Vizepraumlsi-denten Dr Roman Schwartz wurde damit beauf-tragt die notwendigen Dokumente und Prozedu-ren auszuarbeiten

5 OIML-Seminar fuumlr Countries and Economies with Emerging Metrology Systems (CEEMS)

Im Vorfeld der CIML-Sitzung wurde ein eintaumlgiges Seminar zum Thema Developing an OIML Package for Assistance to Countries with Emerging Metro-logy Systems (CEEMS) abgehalten In vier Sitzun-gen diskutierten 125 Teilnehmer aus 49 Laumlndern uumlber Moumlglichkeiten Laumlnder beim Aufbau von nationalen Metrologiesystemen zu unterstuumltzen In der ersten von Frau Dr Cypionka geleiteten Sitzung Capacity Building ging es um die allge-meinen Herausforderungen bei der Gestaltung von Programmen zur Foumlrderung von Handlungs-kompetenzen und Vermittlung von Wissen fuumlr die Metrologie In zwei weiteren Sitzungen wurden unter den Themen Helping CEEMS Improve Regulation in their Markets (Leitung Prof Dr Manfred Kochsiek) und New Ideas ndash Doing Legal Metrology Differently (Leitung Stuart Carstens

Suumldafrika) konkrete inhaltliche Loumlsungsvorschlaumlge vorgestellt und diskutiert Die Ergebnisse wurden in der 50 CIML-Sitzung vorgestellt und fanden ihren Niederschlag in der Resolution Nr 201510 [2] sie sollen auch noch auf den OIML-Webseiten veroumlffentlicht werden [1]

6 OIML-Publikationen

Folgende OIML-Publikationen wurden verabschiedet

R 139-3 Compressed gaseous fuels measuring systems for vehicles Part 3 Test report format

New Recommendation (R 145) Ophthalmic instru-ments mdash Impression and applanation tonometers

Alle OIML-Publikationen stehen im Internet frei zur Verfuumlgung [3]

Gleichzeitig wurde die Revision der folgenden OIML-Publikation beschlossen

Revision of R 79 Labeling requirements for prepackages

Folgende neue Projekte wurden verabschiedet

Revision des OIML-Dokuments B 6-1 Directives for OIML technical work

Bild 1 Teilnehmer der 50 Sitzung des Internationalen Komitees fuumlr Gesetz-liches Messwesen (CIML) in Arcachon Frankreich

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PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4 Aktuelles aus der OIML

TC 8SC 1 Revision R 71 Fixed storage tanks mdash General requirements

TC 8SC 1 Revision R 85 Automatic level gauges for measuring the level of liquid in stationary storage tanks

7 Personalien und Ehrungen

Die von Dr Seiler dem ehemaligen Leiter des Fachbereichs bdquoTechnische Zusammenarbeitldquo der PTB initiierte OIML-Auszeichnung fuumlr bdquoexzel-lente Beitraumlge von Entwicklungslaumlndern zum gesetzlichen Messwesenldquo ging in diesem Jahr an

bull Nam Hyuk Lim Director of Korea Testing Certi-fication und

bull The Metrology Department Saint Lucia Bureau of Standards

Die OIML-Medaille fuumlr besondere Verdienste um die OIML-Arbeit ging an Ngo Quy Viet Vietnam und Cartaxo Reis aus Portugal

8 Termine

Ein Gastgeberland fuumlr die 51 CIML-Sitzung und 15 OIML-Konferenz im Jahr 2016 konnte noch nicht bekannt gegeben werden es wird aber wahr-scheinlich wieder Frankreich sein Weitere OIML-Veranstaltungen und -Termine finden sich auf der OIML-Webseite unter [4]

9 Literatur

[1] httpswwwoimlorgen (letzter Aufruf 19112015)

[2] httpswwwoimlorgenstructurecimlpdf50-ciml-resolutions-englishpdf (letzter Aufruf 19112015)

[3] httpswwwoimlorgenpublicationsrecommen-dationspublication_viewp_type=1ampp_status=1

[4] (letzter Aufruf 19112015)[5] httpswwwoimlorgeneventscalendar

(letzter Aufruf 19112015)

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TECHNOLOGIETRANSFER

E27-Scanner fuumlr UlbrichtkugelnMit dem besonders einfach ohne Umbau einsetzbaren E27-Scanner koumlnnen Anwender und Hersteller die Homogenitaumlt ihrer Ulbricht-kugeln bestimmen und die Ergebnisse zur Berechnung genauerer Lichtstroumlme und zur Dokumentation der Qualitaumlt ihrer Messungen nutzen

Hintergrund

Wie viel Licht eine Lampe insgesamt in alle Richtungen abstrahlt wird durch ihren Lichtstrom ausgedruumlckt Um den fuumlr die Bestimmung der Energieeffizienz von Lampen notwendigen Lichtstrom schnell zu er mitteln setzt die Lampenindustrie Ulbrichtkugeln ein An einer Stange in der Mitte der Ulbrichtkugel befindet sich eine E27-Lampen-fassung in die nacheinander die Lichtstrom-Normallampe und die zu kalibrierende Lampe eingeschraubt werden Das indirekt auf den Mess-kopf fallende Licht erzeugt einen Photostrom der im Idealfall propor-tional zu dem von der Lampe abgestrahlten Lichtstrom ist unabhaumlngig von der Richtung in die das Licht abgestrahlt wird

Dies ist jedoch bei einer ungleichmaumlszligigen Beschichtung der Kugel sowie bei einer im Laufe der Zeit nicht zu verhindernden Verstaubung nicht der Fall Deshalb wird mit einem Kugelscanner die Homogenitaumlt der Kugel regelmaumlszligig vermessen und ein Korrekturfaktor bestimmt der von der jeweiligen Abstrahlcharakteristik der zu untersuchenden Lampe abhaumlngt

Technische Beschreibung

Der Kugelscanner wird einfach in eine E27-Fassung geschraubt und das sonst fuumlr die Lampenversorgung eingesetzte Netzgeraumlt wird durch die Steuereinheit ersetzt Diese uumlbernimmt sowohl die elektrische Versor-gung als auch die Befehlsuumlbermittlung zum Kugelscanner Die Steuer-einheit wird via USB oder RS232 an einen Computer angeschlossen Das mitgelieferte Messprogramm stellt automatisiert alle gewuumlnschten Richtungen ein und speichert die zugehoumlrigen von der Steuereinheit gemessenen Photostroumlme des Photometers

Wirtschaftliche Bedeutungw

Fuumlr Lampenindustrie und Hersteller von Ulbrichtkugeln

bull Genauere Messung des Lichtstroms

bull Bestimmung des Zeitpunkts einer Neubeschichtung

bull Uumlberwachung beim Beschichten

bull Dokumentation des Zustands der Ulbrichtkugel

EntwicklungsstandDer E27-Kugelscanner wurde in der PTB entwickelt Er wird laufend fuumlr Kalibrierungen eingesetzt Die Technologie wurde an die Firma Czibula amp Grundmann transferiert und wird dort mit einer PTB-Lizenz gebaut und vertrieben wwwphoto-metercom

Ansprechpartner

Dr Bernhard SmandekBeauftragter fuumlr TechnologietransferTelefon +49 531 592shy8303Telefax +49 531 592shy69shy8303EshyMail technologietransferptbde

Dr Stefan WinterFachbereich Photometrie und Radiometrie

Abbildung des E27shyKugelscanners Eine stark fokussierende Lampe die computergesteuert in alle Richtungen leuchten kann

Vorteile

bull Schneller Einbau in E27shyFassung

bull Computergesteuertes Abscannen der gesamten Ulbrichtkugel

bull Flexible Messmoumlglichkeiten

bull Fuumlr genauere Lichtstromshymessungen

bull Wichtig fuumlr die Qualitaumltsshysicherung

PTBshyNummer 0172

wwwtechnologietransferptbde

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PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4 Technologieangebote

Ansprechpartner

Dr Bernhard SmandekBeauftragter fuumlr TechnologietransferTelefon +49 531 592shy8303Telefax +49 531 592shy69shy8303EshyMail technologietransferptbde

Dr Stefan WinterArbeitsgruppe Solarzellen

PulsshyzushyCWshyKonverter

Umwandlung gepulster Laser-Strahlung in konstante StrahlungIn weiten Bereichen der optischen Metrologie ist eine Strahlungs-quelle von groszligem Nutzen die sich spektral vom UV-C bis ins mitt-lere IR durchstimmen laumlsst Lediglich Laser mit gepulster Strahlung erfuumlllen diese Anforderung bei ausreichend groszligem Ausgangssignal bisher luumlckenlos Femtosekunden-Lasersysteme waumlren aufgrund ihrer gut automatisierbaren und spektral weiten Durchstimmbarkeit die ideale Strahlungsquelle fuumlr z B radiometrische Anwendungen ndash wenn ihre Strahlung nicht gepulst waumlre

Durch das extreme Puls-Pausen-Verhaumlltnis von 10ndash5 entstehen hohe Spitzenleistungen die wiederum zu Saumlttigungseffekten bei Detek-toren und in der Folge zu nichtlinearem Verhalten fuumlhren koumlnnen Mit dem in der PTB entwickelten Puls-zu-CW-Konverter wird dieses Problem geloumlst

Technische Beschreibung

Bei dieser Methode werden Pulse gepulster Strahlungsquellen ausrei-chend hoher Repetitionsrate in CW-Strahlung umgewandelt Dabei wird jeder Puls in viele kleine Teilpulse aufgeteilt die auf unterschiedlich langen Wegstrecken unterschiedliche Laufzeiten erfahren Am Ausgang des Systems erscheinen sie dann zeitlich gleichmaumlszligig verteilt Realisiert wird dieser Puls-zu-CW-Konverter uumlber ein Glasfaserbuumlndel bei dem jede Einzelglasfaser eine individuell festgelegte Laumlnge besitzt

Mit der Entwicklung des Puls-zu-CW-Konverters wurde das ent-scheidende Manko beim Einsatz leistungsstarker Femtosekunden(fs)-Lasersysteme im Bereich der Metrologie beseitigt und erstmalig gepulste Laserstrahlung in CW-Strahlung umgewandelt Diese Neuentwicklung ermoumlglicht es nun herkoumlmmliche Monochromatorsysteme durch fs-Lasersysteme zu ersetzen die eine bis zu 1000-mal houmlhere spektrale Ausgangsleistung besitzen

Wirtschaftliche Bedeutung

Durch den neuen Puls-zu-CW-Converter koumlnnen in wirtschaftlich bedeutenden Bereichen wie z B der Photovoltaik der Photometrie der UV-Strahlungsmesstechnik und der Reflektometrie die Referenz- und Transfernormale mit einer deutlich reduzierten Messunsicherheit kali-briert werden Hier werden bislang wesentliche Messunsicherheitsan-teile durch zu geringe Strahlungsleistungen aus herkoumlmmlichen Mono-chromatorsystemen verursacht

Entwicklungsstand

Unter DE 10 2010 011 615 B4 wurde fuumlr den CW-Konverter ein Patent erteilt

Vorteile

bull Zeitliche Glaumlttung gepulster Laserstrahlung

bull Keine stoumlrenden Interferenzen

bull Nur minimale Absorption des Messsignals

bull Auch bei kuumlrzeren Wellenshylaumlngen ohne Ulbrichtkugel verwendbar

bull Kontinuierliche Verteilung des Ausgangspulses

bull Pulsvervielfachung

bull Houmlhere Strahlungsleistung

PTBshyNummer 0254

wwwtechnologietransferptbde

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PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4Technologieangebote

50

Homogenisierung von Strahlungsquellen und Focal Plane Arrays (FPA)Ein neuartiges Verfahren ermoumlglicht softwaregestuumltzt eine deutlich verbesserte Kalibrierung von Mehrelement-Sensoren (FPA) und bildgebenden Systemen (Kameras) Bei flaumlchigen Strahlungsquellen kann zusaumltzlich eine gezielte Ansteuerung von Flaumlchenelementen zu einer bisher im Allgemeinen nicht erreichbaren Flaumlchenhomogenitaumlt fuumlhren

Technische Beschreibung

Flaumlchenstrahler dienen der Kalibrierung von ortsaufloumlsenden Strah-lungssensoren wobei davon ausgegangen wird dass die Emissionsflaumlche des Strahlers im Wesentlichen homogen bezuumlglich ihrer Strahldichte bzw Strahlungstemperatur ist Um kleine Inhomogenitaumlten eines Flaumlchenstrahlers zu charakterisieren ist es ein gaumlngiges Verfahren die Emissionsflaumlche punktweise mit einem Einzeldetektor abzutasten

Das neue PTB-Verfahren ist wesentlich schneller da es den Mehr-element-Sensor (FPA) das device-under-test selbst nutzt und damit immer ein Gesamtbild der Quelle aufnimmt Werden jetzt weitere Bilder zeilen- oder spaltenversetzt aufgenommen so erlaubt ein mathema-tischer Algorithmus bei nur drei Bildern eine komplette Charakterisie-rung des Sensors aber auch der Quelle

Sind Flaumlchenelemente der Strahlungsquelle einzeln ansteuerbar so ist es sogar moumlglich mittels der ermittelten Korrekturwerte zu Strahlquellen extrem hoher Homogenitaumlt im on-line-Betrieb zu gelangen

Wirtschaftliche Bedeutung

Bildgebende Strahlungssensoren und homogene Strahlungsquellen sind relevant fuumlr die Forschung und Entwicklung fuumlr die Prozesstechnik fuumlr die Charakterisierung der Energieeffizienz von Bauten bei der Ent-wicklung neuer Bauteile mit hoher thermischer Belastung und in vielen weiteren Bereichen Der mathematische Algorithmus ist aber auf unter-schiedliche Arten von Kamerasystemen anwendbar und damit auch fuumlr die Qualitaumltssicherung von CCD-Kameras bis hin zum Konsumguuml-termarkt anwendbar EntwicklungsstandEine deutsche Patenterteilung erfolgte im September 2015 Eine PCT-Anmeldung ist anhaumlngig Kooperations- und Lizenzpartner aus den Bereichen Thermografie Radiometrie und Photometrie zur Umsetzung des Konzeptes werden gesucht

Ansprechpartner

Dr Bernhard SmandekBeauftragter fuumlr TechnologietransferTelefon +49 531 592shy8303Telefax +49 531 592shy69shy8303EshyMail technologietransferptbde

DiplshyIng Berndt GutschwagerArbeitsgruppeInfrarotshyStrahlungsthermometrie

Stahlungsmessplatz der PTB zur Kalibrierung von Temperaturstrahlern und Waumlrmebildkashymeras

Vorteile

bull Schnelle Kalibrierung von Flaumlchensensoren (FPA)

bull Schnelle Kalibrierung von Flaumlchenstrahlern

bull Strahlquellen houmlchster Hoshymogenitaumlt

bull Fuumlr Thermografie und Phoshytometrie

PTBshyNummer 00374

wwwtechnologietransferptbde

Verlag Fachverlag NW in der Carl Schuumlnemann Verlag GmbHZweite Schlachtpforte 728195 Bremen Internet wwwschuenemannde E-Mail infoschuenemann-verlagde

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Erscheinungsweise und Bezugspreise Die PTB-Mitteilungen erscheinen viermal jaumlhrlich Das Jahresabonnement kostet 3900 Euro das Einzelheft 1200 Euro jeweils zzgl Versandkosten Bezug uumlber den Buchhandel oder den Verlag Abbestellungen muumlssen spaumltestens drei Monate vor Ende eines Kalenderjahres schriftlich beim Verlag erfolgen

Alle Rechte vorbehalten Kein Teil dieser Zeitschrift darf ohne schriftliche Genehmigung des Verlages vervielfaumlltigt oder verbreitet werden Unter dieses Verbot faumlllt insbesondere die gewerbliche Ver-vielfaumlltigung per Kopie die Aufnahme in elektro-nische Datenbanken und die Vervielfaumlltigung auf CD-ROM und in allen anderen elektronischen Datentraumlgern

Printed in Germany ISSN 0030-834X

Die fachlichen Aufsaumltze aus dieser Ausgabe der PTB-Mitteilungen sind auch online verfuumlgbar unterdoi 10779531020150499

Die Physikalisch-Technische Bundesanstalt das nationale Metrologieinstitut ist eine wissenschaftlich-technische Bundesoberbehoumlrde im Geschaumlftsbereich des Bundesministeriums fuumlr Wirtschaft und Energie

mitteilungen

Impressum

Die PTB-Mitteilungen sind metrologisches Fachjournal der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt Braunschweig und Berlin Als Fachjournal veroumlffentlichen die PTB- Mitteilungen wissenschaftliche Fachaufsaumltze zu metrologischen Themen aus den Arbeitsgebieten der PTB Die PTB-Mitteilungen stehen in einer langen Tradition die bis zu den Anfaumlngen der Physikalisch-Technischen Reichsanstalt (gegruumlndet 1887) zuruumlckreicht

Bundesallee 100 38116 Braunschweig

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Physikalisch-Technische BundesanstaltBraunschweig und BerlinNationales Metrologieinstitut

Die Physikalisch-Technische Bundesanstalt das nationale Metrologieinstitut ist eine wissenschaftlich-technische Bundesoberbehoumlrde im Geschaumlftsbereich des Bundesministeriums fuumlr Wirtschaft und Energie

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4

PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4Das Jahr des Lichtes

Die Candela ist die Basiseinheit des Lichtes und ist ein Maszlig fuumlr die Lichtstaumlrke d h der Eigen-schaft einer realen oder virtuellen Lichtquelle die angibt wie viel Licht in eine Richtung abgegeben wird (siehe Bild 1) Die Candela und die daraus abgeleiteten lichttechnischen Einheiten haben fuumlr den Normalverbraucher spaumltestens seit der Einfuumlhrung der ECO-Design-Richtline der EU und dem damit verbundenen Verkaufsverbot von Gluumlhlampen ab dem Jahr 2009 an Bedeutung gewonnen Die photometrischen Einheiten und Kennzahlen sind wie kaum andere Einheiten ins Zentrum des allgemeinen Interesses geruumlckt wenn es darum geht Licht Lampen und Leuchten zu bewerten Statt der alleinigen Angabe einer elektrischen Leistung in Watt sind Begriffe wie Lichtstaumlrke (in cd) Lichtstrom (in lm) Effizienz (in lmWndash1) aumlhnlichste Farbtemperatur TN (ange-geben in Kelvin) und Farbwiedergabeindex Ra kaufentscheidend Ungluumlcklicherweise hat die fuumlr die monetaumlre Abrechnung wichtige Maszligeinheit Watt beim Kunden das Verstaumlndnis um die photo-metrischen Groumlszligen geschwaumlcht was bei modernen LED-Lichtquellen durch Fehlinterpretation von Leistungsdaten oft zur Veraumlrgerung fuumlhrt Mit der Ruumlckfuumlhrung all dieser Einheiten und Kenngroumlszligen befasst sich das Fachgebiet der Photometrie

Die Aufgabe der Photometrie ist hierbei allge-mein die quantitative Bewertung von Strahlung in dem Spektralbereich den wir als Licht bezeichnen und zwar unter den spektralen und geometri-schen Randbedingungen die durch das mensch-liche Auge ndash oder genauer durch das Auge eines definierten Normalbeobachters ndash vorgegeben sind Die physikalische Groumlszlige die hierbei von beson-derer technischer Bedeutung ist ist die Groumlszlige der photometrischen Lichtstaumlrke1 Die Geometrie von Messbedingungen ist hierbei fuumlr photometri-sche Groumlszligen essenziell Weil die Lichtstaumlrke eine charakteristische Eigenschaft einer Quelle ist und mit einfachsten Mitteln gemessen (verglichen) werden konnte ist die Lichtstaumlrke als Basisgroumlszlige der Photometrie ausgewaumlhlt worden und nicht der Lichtstrom der als photometrisches Pendant zur radiometrischen Strahlungsleistung ebenfalls nahegelegen haumltte An dieser Stelle gibt es jedoch oft ein Missverstaumlndnis zwischen Photometri-kern (Lichtmesstechnikern) und Radiometrikern (Strahlungsmesstechnikern) Wenn Photometriker uumlber den Lichtstrom sprechen meinen sie ndash den von einer Quelle aus in den Raum abgegebenen Strahlungsfluss der in erster Linie als Integral uumlber die Verteilung der in die verschieden Richtungen abgegebenen Lichtstaumlrken verstanden wird Der Radiometriker assoziiert mit Strahlungsleistung hingegen meistens den Strahlungsfluss der auf eine Empfaumlngeroberflaumlche auftrifft und der sich in erster Linie als Integral uumlber die Verteilung der auf dem Empfaumlnger auftreffenden Bestrahlungs-staumlrke ergibt Fuumlr den Photometriker ist daher die Geometrie der Strahlung entscheidend waumlhrend fuumlr den Radiometriker oft die Betrachtung der Geometrie des Empfaumlngers ausreicht

Aufgrund ihrer physikalischen Eigenschaft kann die Groumlszlige Lichtstaumlrke auch als die Dichte des von einem Ursprung aus in einen Raumwinkel ausge-sendeten Lichtstroms bezeichnet werden wobei der Lichtstrom die mit der Augenempfindlichkeit bewertete Strahlungsleistung einer Quelle ist Die Lichtstaumlrke ist somit eine klassische Strahlereigen-schaft Daher wurde sie auch fruumlher mit Normal-strahlungsquellen wie z B der Hefner-Lampe (ab 1890) mit der Einheit Hefner-Kerze (HK) und

Dr Armin Sperling Arbeitsgruppe bdquoPhoshytometrieldquo EshyMail arminsperlingptbde

Die Candela als Maszligeinheit des Lichtes Armin Sperling

1 Tatsaumlchlich wurde in der visuellen (subshyjektiven) Photometrie bis weit in die Mitte des 20 Jahrhunderts hinein unser Auge aufgrund seiner hoshyhen Empfindlichkeit als Messinstrument verwendet Erst mit der Entwicklung empfindlicher Phoshytozellen und stabiler Halbleiterempfaumlnger begann auch in der physikalischen (obshyjektiven) Photometrie der Siegeszug der elektronischen Messshywerterfassung

Bild 1 Der Lichtstrom einer Lichtquelle ist die im sichtbaren Spektralbereich in alle Rich-tungen abgestrahlte Lichtleistung

5

PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4 Die Candela als Maszligeinheit des Lichtes

von 1942 bis 1981 mit dem Platin-Punkt-Strahler und der Einheit Candela (cd) als unabhaumlngige Groumlszlige zu den anderen Basisgroumlszligen des SI-Systems realisiert Bei dem Platin-Punkt-Strahler handelte es sich im Uumlbrigen um einen Temperaturstrahler der den heutigen Hochtemperatur-Fixpunkt-strahlern in der Thermometrie zur Realisierung der Temperaturskala nicht unaumlhnlich war Mit staumlrker werdendem Einfluss der Radiometrie auf die Photometrie und des damit einhergehenden Wunsches die photometrische Basiseinheit direkt an die radiometrische Einheit Watt zu koppeln wurde 1979 der Beschluss gefasst die Definition der Einheit Candela von ihrer Realisierung zu trennen Seitdem gilt die DefinitionDie Candela ist die Lichtstaumlrke in einer bestimmten Richtung einer Strahlungsquelle die monochroma-tische Strahlung der Frequenz 540 THz aussendet und deren Strahlstaumlrke in dieser Richtung (1683) Watt durch Steradiant betraumlgt

Der Umrechnungsfaktor (1683) Wsrndash1 wurde hierbei vor der Umstellung der Einheit durch mehrere Messungen in den nationalen Metrolo-gieinstituten bestimmt vom Consultative Comittee for Photometry and Radiometry (CCPR) festgelegt und 1977 offiziell vom International Comittee for Weights and Measures (CIPM) uumlbernommen [1]

Diese Definition ist nicht als Realisierungsvor-schrift fuumlr die Candela gedacht Im Gegensatz zur Definition der Candela uumlber eine thermische Strahlungsquelle die als Licht aufgefasst die Wichtung der spektralen Strahlungsleistung mit der Augenempfindlichkeit automatisch einschlieszligt ist nun die Kenntnis der Augenempfindlichkeit erforderlich um aus Strahlung Licht zu machen Die Definition ist daher vielmehr als absolute Anbindung der Hellempfindlichkeitsfunktion V(λ) des menschlichen Auges an das radiometrische Watt zu verstehen War der spektrale Verlauf der Empfindlichkeit des menschlichen Auges fuumlr die Realisierung und Weitergabe der Messgroumlszlige Licht-staumlrke vor 1981 kaum von Bedeutung so wurde sie mit der neuen Definition fuumlr die Metrologie essenziell

In Luft bei n = 100028 [2] liegt die Wellen-laumlnge der in der Definition angegebene Frequenz von v = 540 middot 1012 Hz bei λ = 555016 nm Sie liegt damit sehr nahe dem Maximum der 1972 vom CIPM empfohlenen V(λ)-Funktion des photopi-schen CIE-Normalbeobachters fuumlr das Tagsehen das bei exakt λm = 555 nm liegt und definiert dort laut Definition das maximale photopische Strahlungsaumlquivalent (Index m fuumlr bdquomaximumldquo ) dort zu Km = 683002 lmWndash1 Somit wird uumlber die Candela-Definition und der tabellarisch festge-legten V(λ)-Funktion fuumlr jede Wellenlaumlnge im Definitionsbereich das wellenlaumlngenabhaumlngige photometrische Strahlungsaumlquivalent K(λ) = Km middot V(λ) eindeutig festgelegt

Neben dieser V(λ)-Funktion wurde 1951 von der CIE auch eine skotopische Empfindlichkeitsfunk-tion V ʹ (λ) fuumlr das Nachtsehen tabellarisch festge-legt und 1976 vom CIPM bestaumltigt Das Maximum dieser Funktion liegt bei λʹm = 507 nm mit einem maximalen skotopischen Strahlungsaumlquivalent von K ʹ m = 1700 lmWndash1

Der Hintergrund dieser beiden Bewertungsfunk-tionen liegt darin begruumlndet dass unser Auge in der Retina fuumlr das Sehen uumlber zwei unterschied-liche Empfaumlngersysteme die Staumlbchen und die Zapfen verfuumlgt Die Zapfen die sich noch einmal in unterschiedliche Rezeptoren aufteilen und die auch fuumlr das Farbsehen verantwortlich sind haumlufen sich insbesondere in und um die Netzhautgrube die in der optischen Achse des Auges liegt Hier werden insbesondere die achsennah auf das Auge auftreffenden Strahlen detektiert weshalb man auch vom 2deg-Beobachter spricht Zum Nachtsehen mit weit geoumlffneter Pupille tragen vor allem die deutlich empfindlicheren Staumlbchen bei die zudem in den achsenfernen Bereichen der Retina domi-nieren Die unterschiedlichen spektralen Empfind-lichkeiten von Zaumlpfchen und Staumlbchen spiegeln sich in den K(λ)- und K ʹ (λ)-Kurven (siehe Bild 2) wieder

Die hier beschriebene Verknuumlpfung der Bewer-tungsfunktionen mit der Candela-Definition ist aus der Einheitendefinition selbst nicht ersichtlich Weitergehende Informationen findet man wie fuumlr die Basiseinheiten uumlblich in der sogenannten Ausfuumlhrungsbestimmung (mise en pratique) zur Candela [3]

Betrachtet man die Leuchtdichte die vom Auge aufgenommen wird so umfasst der sko-topische Bereich Leuchtdichten bis ungefaumlhr L lt 0005 cdmndash2 und der photopische Bereich Leuchtdichten ab ungefaumlhr L gt 5 cdmndash2 Uumlber den mesopischen Zwischenbereich wurde lange Zeit keine Aussage gemacht Erst im Jahr 2010 ist auch

Bild 2 Die mesopische Hellempfindlichkeitsfunktionen Vmes(λ) fuumlr unterschiedliche Adap tionsniveaus mit deren zugehoumlrigen maximalen Strahlungsaumlquivalenzen

6

PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4Das Jahr des Lichtes

im Uumlbergangsbereich des Daumlmmerungssehens das Verhalten der Empfindlichkeit des Normalbe-obachters von der CIE festgelegt worden Je nach Leuchtdichte und damit Adaptionsniveau m des Auges wobei m = 0 dem dunkeladaptieren Auge und m = 1 dem helladaptierten Auge entspricht ergibt sich in diesem mesopischen Bereich fuumlr Leuchtdichten zwischen 0005 cdmndash2 lt L lt 5 cdmndash2 eine Hellempfindlichkeitsfunktion Vmes(λ) die sich gemaumlszlig

VM m

mV m Vmes( )( )

( ( ) ( ) ( ))λ λ λ= + minus prime1 1 (1)

aus einer Linearkombination der photopischen und skotopischen Empfindlichkeit berechnen laumlsst (siehe Bild 2) In der Abbildung sind die spektralen photometrischen Strahlungsaumlquivalenzen fuumlr eine Reihe ausgewaumlhlter Adaptionsniveaus zwischen 0 und 1 dargestellt Der Faktor M(m) ist lediglich ein Normierungsfaktor der das jeweilige Maximum von Vmes(λ) auf eins normiert

Durch die Candela-Definition werden alle Kurven der spektralen Strahlungsaumlquivalenzen im Punkt (555016 nm 683 lmWndash1) normiert Inso-fern wird klar warum in der Candela-Definition nur eine Frequenz stehen darf

In der Realitaumlt ist das Adaptionsniveau aber typischerweise nicht bekannt Das Adaptions-niveau m laumlsst sich aber aus einer gemessenen mittleren Leuchtdichte rekursiv bestimmen [4] Fuumlr reale Anwendungen z B die Auswertung von Messkamerabildern einer beleuchteten Straszlige bei Nacht reicht dies jedoch in der Regel nicht aus da bisher nicht geklaumlrt ist welche im Gesichtsfeld der Kamera (bzw des Auges) erfasste mittlere Leuchtdichte zur Berechnung eines Adaptionsniveaus hinzuzuziehen ist In einer Arbeitsgruppe des CCPR des CIPM wird derzeit an einer neuen Ausfuumlhrungsbestimmung gearbeitet die die mesopische Empfindlichkeits-funktion auch offiziell fuumlr die Anwendung in Zusammenhang mit der Einheit Candela nutzbar machtAus der Lichtstaumlrke I lassen sich alle weiteren bekannten photometrischen Einheiten herleiten So kann der Lichtstrom Φ als raumlumliches Integral uumlber eine Lichtstaumlrkeverteilung

Φ = intint I( )ϑ ϕ ϑ ϕ ϑϑ ϕ

sin d d

(2)

die Beleuchtungsstaumlrke E als Dichte des Licht-stroms der auf eine Flaumlche A auftrifft

E A= d dΦ (3)

und die Leuchtdichte L als Dichte des Lichtstroms in einem ausgestrahlten Buumlndel G

L G= d dΦ (4)

mit G AA

= intint cos d d

α ΩΩ

(5)

dargestellt werden wobei α hier den Winkel zwi-schen der Richtung des Buumlndels und der Flaumlchen-normalen der Quelle beschreibt

Die Beleuchtungsstaumlrke nimmt hierbei eine besondere Stellung ein da sich jede photomet-rische Messung im Prinzip auf die Messung des Photostroms i eines Empfaumlngers zuruumlckfuumlhren laumlsst der der mittleren Beleuchtungsstaumlrke Endash

auf seiner Oberflaumlche A0 proportional ist Die Beleuchtungsstaumlrke kann hierbei immer als integrale Wichtung der spektralen Empfindlichkeit s(λ) = s0srel(λ) des Empfaumlngers mit der relativen spektralen Strahlungsverteilung S(λ) = dΦ(λ)dλ der Quelle verstanden werden

E iKA s

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λ λ λ

(6)

Die Geometrie des Strahlengangs von der Quelle bis zur Empfaumlngeroberflaumlche die beim Mess-prozess in das Modell der Auswertung eingeht bestimmt hierbei welche photometrische Groumlszlige gemessen wird Der Faktor hinter dem Photostrom in (6) beschreibt die photometrische Empfind-lichkeit sv eines Photometers die im Allgemeinen keine Konstante ist sondern vom Spektrum der Lichtquelle S(λ) abhaumlngt Um einem Photome-ter trotzdem einen eindeutigen Kalibrierwert zuzuordnen hat man sich darauf verstaumlndigt die Empfindlichkeit bezogen auf die Strahlungsfunk-tion eines Planckschen Strahlers P(TA λ) bei einer Temperatur TA = 2856 K die auch als Normlicht-art A bezeichnet wird anzugeben

Da bei einer realen Messung weder die spektrale Empfindlichkeit des verwendeten Photometers ideal an eine der Bewertungsfunktionen V(λ ) Vʹ(λ ) oder Vmes(λ) angepasst ist noch die betrach-tete Lichtquelle einem Planckschen Strahler entspricht sind gewonnene Messwerte immer uumlber eine spektrale Fehlanpassungskorrektur CCF gemaumlszlig

CCF

S V

S s

P T V

P T s

=

( ) ( )

( ) ( )

( ) ( )

( )

infin

infin

infin

int

int

intλ λ λ

λ λ λ

λ λ λ

λ

d

d

d0

0

0

rel

A

A r

eel λ λ( )infin

int d0

(7)

zu korrigieren wobei hier V(λ) in (7) stellvertre-

7

PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4 Die Candela als Maszligeinheit des Lichtes

tend fuumlr die benoumltigte Bewertungsfunktion steht Waren die erforderlichen Korrekturen bei Gluumlh-lampenbeleuchtung klein so koumlnnen Sie je nach Guumlte der spektralen Anpassung des verwendeten Photometers bei modernen LED-Lichtquellen durchaus im zweistelligen Prozentbereich sein Aus diesem Grunde diskutiert man im internati-onalen Rahmen die Einfuumlhrung weiterer Norm-lichtarten fuumlr LED-Lichtquellen [5]

Alternativ besteht immer auch die Moumlglichkeit das Spektrum direkt absolut und spektral aufgeloumlst zu messen und die photometrischen Bewertungs-funktionen rein rechnerisch zu beruumlcksichtigen Die hierzu infrage kommenden Systeme sind aber in der Regel teuer und bezuumlglich ihrer Robustheit und Stabilitaumlt fuumlr viele Anwendungen noch nicht ausreichend Regelmaumlszligig werden leider die Mess-unsicherheiten derartiger System unterschaumltzt was auch daran liegt dass aufgrund der komplexeren Messtechnik zusaumltzliche Unsicherheitsbeitraumlge (z B durch Bandpasseigenschaften und Streu-licht) die dem Anwender oft nicht zugaumlnglich sind bei der absoluten Bestimmung photomet-rischer Groumlszligen mithilfe von Spektroradiometern beruumlcksichtigt werden muumlssen

Unverzichtbar und mittlerweile marktbestim-mend sind jedoch spektral aufloumlsende Geraumlte wie Array-Spektroradiometer dort wo nur relative Messwerte wie z B bei der Bestimmung der Farbe von Licht bzw der Farbe von reflektiertem Licht benoumltigt werden

Bei der Bestimmung von Farbe geht es um die Bestimmung des Verhaumlltnisses von spektralen Strahlungsfunktionen die mit den Normspektral-wertfunktionen x y z( ) ( ) ( )λ λ λ bewertet werden wobei y( )λ mit V(λ) identisch ist Insofern ist auch die Farbmesstechnik an die Photometrie gekoppelt

Da es sich bei den farbmetrischen Groumlszligen um Eigenschaften handelt die durch Verhaumlltnismes-sungen gewonnen werden spricht man hier auch von farbmetrischen Kennzahlen und nicht von Einheiten Nichtsdestotrotz haben eben solche farbmetrischen Kennzahlen wie die Normfarb-wertanteile (x y) oder der Farbwiedergabeindex Ra (engl CRI colour rendering index) seit Einfuumlh-rung von modernen Lichtquellen eine besondere Bedeutung erhalten da z B mit LED-Lichtquellen im Prinzip sehr unterschiedliche Lichtfarben und Farbwiedergaben hergestellt werden koumlnnen Die Tatsache dass es sich bdquonurldquo um Kennzahlen handelt heiszligt jedoch nicht dass die Messungen messtechnisch einfach sind Genau das Gegenteil ist der Fall da fuumlr die Bestimmung der Farborte die steilen Flanken der Normalspektralwertfunk-tionen mit den Strahlungsfunktionen der Quellen gewichtet werden muumlssen die wie bei LEDs typisch auch spektral sehr steile Flanken aufwei-sen koumlnnen Unsicherheiten in der Bestimmung

der Strahlungsfunktion fuumlhren hier schnell zu groszligen Unsicherheitsbeitraumlgen in der Bestimmung des Farbortes Hier kann die PTB als Nationales Metrologieinstitut die Wuumlnsche nach den kleinen Messunsicherheiten wie sie von Herstellern sowie von Mess- und Kalibrierlaborartorien gefordert werden zurzeit noch nicht im vollen Umfang erfuumlllen

In der Vergangenheit wurden bei Testergebnis-sen haumlufig sowohl fuumlr photometrische Messwerte als auch fuumlr Kennzahlen in der Farbmesstechnik keine Messunsicherheiten angegeben Auch wurde deren Wirkung bei der Angabe von Toleranzen nicht immer adaumlquat beruumlcksichtig Fuumlr die Messung von LED-Lichtquellen wurde mit der in diesem Jahr veroumlffentlichten europaumlischen Norm DIN EN 13032-42015 [6] die uumlber die Commis-sion Internationale de lrsquoEacuteclairage Internationale Beleuchtungskommission (CIE) auch als internati-onaler Standard CIE S025 [7] veroumlffentlicht wurde ein erster Schritt in die Richtung gegangen auch fuumlr die Ergebnisse von Testverfahren die Angabe ruumlckfuumlhrbarer Messunsicherheiten zu fordern und diese bei Toleranzangaben zu beruumlcksichtigen

Dieser Vorstoszlig in der LED-Messtechnik wird sicherlich in Zukunft auch auf andere Anwen-dungsnormen zur Bewertung von Licht und Farbe von leuchtenden und nicht selbstleuchtenden Quellen einwirken Fuumlr die Weitergabe von Mes-sunsicherheiten auf dieser Ebene des Messwesens werden die nationalen Metrologieinstitute und die akkreditierten Kalibrierlabore gefordert sein die Industrie mit geeigneten applikationsnahen Trans-ferstandards zu unterstuumltzen

Literatur[1] Comptes Rendus de la 16e CGPM (1979) 1980

p100[2] WR Blevin Corrections in Optical Pyrometry

and Photometry for the Refractive Index of AirMetrologia 8 146ndash147 1972

[3] SI Brochure Appendix 2 Practical realization ofthe definition of the candela httpwwwbipmorgutilsenpdfSIApp2_cd_enpdf(letzter Aufruf 03122015)

[4] CIE 1912010 Recommended System for MesopicPhotometry Based on Visual Performance

[5] T Pulli et al Advantages of white LED lampsand new detector technology in photometryLight Science amp Applications (2015) 4 e332

[6] EN 13032-42015 Light and lighting ndash Mea-surement and presentation of photometricdata of lamps and luminaires ndash Part 4 LEDlight sources and luminaires

[7] CIE S0252015 Test Methods for LED Lampsndash LED Luminaires and LED Modules

8

Das Jahr des Lichtes PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4

Aufgrund der herausragenden Bedeutung des Lichts und des Sehens fuumlr die Interaktion des Menschen mit seiner Umwelt wurde die Candela als Einheit der Lichtstaumlrke in den Rang einer SI-Basis einheit gehoben Die Mehrzahl der Basiseinheiten sind uumlber physikalische Zusammenhaumlnge miteinander verknuumlpft und muumlssen entsprechend Ihrer Defini-tion realisiert und in den meisten Faumlllen auf andere Einheiten ruumlckgefuumlhrt werden In diesem Artikel wird die bdquometrologische Herkunftldquo der Candela im Stammbaum der Einheiten beschrieben

Definition der Candela

Im internationalen Einheitensystem (Systegraveme International drsquoUniteacutes abgekuumlrzt SI) ist die Candela wie folgt definiert

Die Candela ist die Lichtstaumlrke in einer bestimmten Richtung einer Strahlungsquelle die monochro-matische Strahlung der Frequenz 540 times 1012 Hz aussendet und deren Strahlstaumlrke in dieser Richtung (1683) Watt durch Steradiant betraumlgt

Hierbei handelt es sich um die exakte physika-lische Definition fuumlr die Lichtstaumlrke Nun besteht Licht jedoch praktisch nie nur aus Strahlung dieser Wellenlaumlnge weshalb die Definition um eine prak-tische Realisierung ergaumlnzt ist Denn es ist das Ziel der Photometrie Licht so zu messen dass die Mess-ergebnisse weitestgehend mit der visuellen Wahr-nehmung eines menschlichen Beobachters korre-liert sind Hierfuumlr wurden zwei spezielle Funktionen V(λ) und V ʹ(λ) [1] eingefuumlhrt die die relative spektrale Empfindlichkeit eines durchschnittlichen menschlichen Auges fuumlr photopisches (hell-adaptiertes) und skotopisches (dunkel-adaptiertes) Sehen beschreiben Die wichtigere der beiden Funktionen die V(λ) Funktion fuumlr hell-adaptiertes Sehen ist bei der Wellenlaumlnge auf eins normiert bei der das Auge die houmlchste Empfindlichkeit besitzt (555 nm) Mit dieser Definition lassen sich pho-tometrische Groumlszligen durch Bewertung der ent-sprechenden spektroradiometrischen Groumlszligen mit V(λ) und Multiplikation mit dem Maximalwert des Strahlungsaumlquivalents Km = 683 lmW berechnen

Die Lichtstaumlrke Iv ist durch das photometri-sche Grundgesetz mit der Beleuchtungsstaumlrke Ev verknuumlpft

IE d

vv=sdot 2

0ΩΩ0 = 1sr (1)

wobei d den Abstand zur Lichtquelle und Ω0 einen Raumwinkel von 1 sr bezeichnet Zur praktischen Bestimmung der Beleuchtungs-staumlrke verwendet man ein Photometer welches eine spektrale Bestrahlungsstaumlrke-Empfindlichkeit s(λ) besitzt deren relativer Verlauf idealerweise der V(λ)-Funktion entspricht und dessen Signal y proportional zu der Beleuchtungsstaumlrke ist Bei dem Proportionalitaumltsfaktor handelt es sich um die photometrische Empfindlichkeit sv des Photome-ters fuumlr die gemessene Lichtquelle

y s E= sdotv v (2)

Druumlckt man nun die Beleuchtungsstaumlrke Ev durch spektroradiometrische Groumlszligen aus so ergibt sich Ev aus der spektralen Bestrahlungsstaumlrke Eλ(λ)

E K E Vv m d= sdot sdot sdotinfin

int0 λ λ λ λ( ) ( ) (3)

Aus der spektralen Bestrahlungsstaumlrke Eλ(λ) und der spektralen Bestrahlungsstaumlrke-Empfindlichkeit des Photometers s(λ) ergibt sich das Signal y des Photometers

y E s= sdot sdotinfin

int λ λ λ λ( ) ( ) d0

(4)

Fuumlgt man die Formeln (2) bis (4) in (1) ein so ergibt sich fuumlr die Lichtstaumlrke

I y dK E V

E sv = sdot sdot

sdot sdot sdot

sdot sdot

infin

infinintint

2

0

0

0

Ω

m d

d

λ

λ

λ λ λ

λ λ λ

( ) ( )

( ) ( ) (5)

Aus dieser Formel laumlsst sich ablesen welche Groumlszligen fuumlr die Ruumlckfuumlhrung der Lichtstaumlrke bestimmt werden muumlssen Fuumlr die Ruumlckfuumlhrung

Detlef Lindner Arshybeits gruppe bdquoPhotoshymetrieldquo EshyMail detleflindnerptbde

Dr Stefan Winter Arbeitsgruppe bdquoSolarzellenldquo EshyMail stefanwinterptbde

Ruumlckfuumlhrung in der Photometrie ndash die Realisierung und Ruumlckfuumlhrung der Candela

Detlef Lindner Stefan Winter

9

Ruumlckfuumlhrung in der Photometrie hellipPTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4

der Candela wird das Signal y eines Photometers bestimmt welches sich in einem Abstand d von einer Lichtquelle entfernt befindet Von dem Pho-tometer muss die absolute spektrale Empfindlich-keit s(λ) bekannt sein und von der Lichtquelle die spektrale Bestrahlungsstaumlrke Eλ (λ)

In den naumlchsten drei Abschnitten wird das eigentliche Experiment zur Realisierung der Candela beschrieben dann das Verfahren zur Kalibrierung von Photometern und als letztes die Ruumlckfuumlhrung der spektralen Bestrahlungsstaumlrke Damit sind alle Groumlszligen zur Bestimmung der Candela bekannt Im letzten Abschnitt wird dann uumlber die abgeleiteten Groumlszligen Beleuchtungsstaumlrke und Leuchtdichte berichtet

Realisierung der Candela

Die Lichtstaumlrke Iv laumlsst sich durch Verwendung der Gleichungen (1) und (3) in die folgende Form bringen

I K d E Vv m d= sdot sdot sdot sdotinfin

int2

0 0Ω λ λ λ λ( ) ( ) (6)

Die spektrale Empfindlichkeit s(λ) eines Photo-meters laumlsst sich als Produkt aus einer absoluten Empfindlichkeit s(λ0) und einer relativen Emp-findlichkeit sr(λ) darstellen

s s s( ) ( ) ( )λ λ λ= sdot0 r mit sr ( ) λ0 1= (7)

Damit ergibt sich fuumlr das Ausgangssignal y dieses Photometers gemaumlszlig Gleichung (4)

y s E s= sdot sdot sdotinfin

int( ) ( ) ( ) λ λ λ λλ00

r d (8)

Ebenso laumlsst sich die spektrale Bestrahlungsstaumlrke einer Lichtquelle als Produkt aus einer absoluten und relativen Bestrahlungsstaumlrke schreiben

E E Eλ λλ λ λ( ) ( ) ( )= sdot0 r mit Er ( ) λ0 1= (9)

In der PTB werden zur Realisierung der Candela Gluumlhlampen verwendet deren relative spektrale Bestrahlungsstaumlrke Er (λ0) durch eine Strahlungs-funktion S (λT) ersetzt wird der eine Verteilungs-temperatur T zugeordnet werden kann [2] Befin-det sich die Lampe auszligerhalb der photometrischen Grenzentfernung im Abstand d zum Photome-terkopf und beleuchtet dessen Lichteintrittsflaumlche senkrecht so ergibt sich aus Gleichung (5) ihre Lichtstaumlrke Iv (T)

Die Anpassungskorrektur F (T) ist eine Funktion der Verteilungstemperatur T die den Photo-strom so korrigiert als waumlre mit einem ideal an V (λ)-angepassten Photometerkopf gemessen worden [3] In der Praxis ist die Anpassungskor-rektur meist eine monotone Funktion der Vertei-lungstemperatur und kann z B durch ein logarith-misches Polynom ersten Grades hinreichend gut angenaumlhert werden

F TS T V

S T sa T

m

( )( ) ( )

( ) ( )=

sdot sdot

sdot sdotcong sdot

infin

infinintint

λ λ λ

λ λ λ

d

d Kr

0

0

2856

(11)

Der Koeffizient a gibt den Wert der Anpassungs-korrektur fuumlr Normlichtart A (bei T = 2856 K) an da hier die Klammer den Wert eins hat Den Verlauf der Funktion mit der Verteilungstempera-tur beschreibt die Klammer mit dem Anpassungs-index m als Exponenten der somit eine charakte-ristische Groumlszlige eines Photometerkopfes ist Eine weitere Charakterisierung ist seine photometrische Empfindlichkeit sv

1

0sK asv

m=sdot

( )

λ(12)

Aus den Gleichungen (10) bis (12) folgt die in der Arbeitsgruppe bdquoPhotometrieldquo der PTB fuumlr die Realisierung der Lichtstaumlrke-Einheit grundlegende Beziehung

I T d y Ts

Tm

v ( ) ( ) = sdot sdot

2

0 2856Ω v K (13)

Demnach muumlssen neben dem Photostrom y(T) folgende Groumlszligen bekannt sein

bull die photometrische Empfindlichkeit sv desPhotometerkopfes

bull der Anpassungsindex m zur Korrektur derspektralen Fehlanpassung

bull der Wert der Verteilungstemperatur T der ver-wendeten Lichtquelle

bull der Abstand d zwischen Lichtquelle undPhotometerkopf

Die Einheit der Lichtstaumlrke wird an der PTB

I T y d Ks

S T V

S T syv

m

r

d

d( ) = sdot sdot

( )sdot sdot

sdot sdot= sdot

infin

infinintint

2

0 0

0

0

Ω λ

λ λ λ

λ λ λ

( ) ( )

( ) ( )

dd Ks

F T2

0 0Ωsdot( ) ( )m

λ (10)

10

Das Jahr des Lichtes PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4

repraumlsentiert und bewahrt durch eine Gruppe von 17 hochstabilen Gluumlhlampen (Typ Toshiba 5 A 10 V 15 cd) deren Strahlungsfunktionen der eines Hohlraumstrahlers von 2042 K sehr aumlhnlich sindDie Gesamtmessunsicherheit einer Realisierung der Lichtstaumlrke-Einheit in der PTB beim Vertrau-ensniveau k = 2 berechnet sich so zu 04

Gluumlhlampen altern praktisch nur waumlhrend ihrer Brennzeit demgegenuumlber koumlnnen Photometer ihre Eigenschaften unabhaumlngig vom Gebrauch veraumlndern Bild 2 verdeutlicht diesen Sachverhalt Deshalb sollten photometrische Einheiten mit Normallampen verkoumlrpert und bewahrt werden

sie dienen zum Kalibrieren von Photometern Kalibrierte Photometer sollten dagegen vorzugs-weise als Transfernormale verwendet werden

Weitergabe der Lichtstaumlrke-Einheit

Als Lichtstaumlrkenormale werden speziell gefertigte Gluumlhlampen mit besonderen optischen geometri-schen und elektrischen Eigenschaften verwendet z B die Lampe Typ OSRAM WI41G Bild 3 zeigtschematisch eine solche Lampe die zur Reduzie-rung der mechanischen Justierunsicherheit miteinem Spezialsockel der PTB ausgestattet wurdeZur Weitergabe der Lichtstaumlrke-Einheit werdenGruppen solcher Lampen als Lichtstaumlrkenormaleverwendet wobei auf Verteilungstemperaturenzwischen 2000 K und 2856 K eingestellt werdenkann siehe Bild 3 unten

In der PTB erfolgt die Bestimmung der Lichtstaumlrke Iv(T) einer Lampe durch den Vergleich mit der Lichtstaumlrke Iv(TR) eines nationalen Normals mit einer Verteilungstemperatur TR und mithilfe eines an V(λ)-angepassten Photometers mit den zugehouml-renden Photostroumlmen y(T) und y(TR)

Bild 1 Kameragestuumltzte mechanische Ausrichtung einer Lichtstaumlrke-Normallampe an derPhotometerbank Quelle PTB

0990

0992

0994

0996

0998

1000

1002

0 5 10 15 20 25

Rel Werte

Brennzeith

Bild 2 Alterungsverhalten von Lampen und Photometern Links schematisch rechts reales Alterungsver-halten einer Lampe im Betrieb rot Strom blau Spannung gruumln Lichtstaumlrke

Bild 3 Lichtstaumlrke-Normallampe WI41G mit PTB-Spezialsockel (oben) sowie verschiedene Lichtstaumlrke-Normallampen-gruppen zur Bewahrung und Weitergabe der Lichtstaumlrke-Einheit (unten)

11

Ruumlckfuumlhrung in der Photometrie hellipPTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4

I T I T y Ty T

TT

m

v v RR R

( ) ( ) ( )( )

= sdot sdot

(14)

Lichtstaumlrke-Normallampen

Die von der PTB in Kalibrierscheinen angegebe-nen Werte fuumlr die photometrischen Groumlszligen bezie-hen sich immer auf einen definierten Betriebszu-stand der Lampe Ihr momentaner Betriebszustand wird dagegen wesentlich bestimmt durch

bull die Zeitspanne seit dem Einschalten

bull die Betriebszustaumlnde bei fruumlheren Brennvor-gaumlngen und deren Dauer

bull die Eigenschaften der verwendetenMessapparatur

Zur Weitergabe der Lichtstaumlrke-Einheit werden zumeist Lampen des Typs WI41G verwendet Einige charakteristische Eigenschaften dieses Lam-pentyps werden nachfolgend angegeben - Kurzzeitstabilitaumlt ∆I Iv v le sdot minus2 10 4

- mechanische Justierunsicherheitfuumlr Lampe mit E27-Sockel ∆I Iv v le sdot minus2 10 3 fuumlr Lampe mit Spezialsockel ∆I Iv v le sdot minus4 10 4

- photometrisches Signal Alterung je Brennstundebzw Rauschen (siehe folgendes Bild 4)

- Richtungsabhaumlngigkeit der Lichtstaumlrke beiDrehung um die vertikale und horizontale Achse in der Leuchtkoumlrperebene Abhaumlngigkeit uumlberwiegend bei Drehung um die horizontale Achse fuumlr beide Winkel sollte der Justierfehler 1deg nicht uumlbersteigen

Bei der Weitergabe der Einheiten der gerich-teten Photometrie macht man sich das Moni-torverfahren zunutze D h der aktuelle photo-metrische Betriebszustand von Lichtstaumlrke- und Leuchtdichte normalen wird durch geeignete Monitortechniken kontrolliert Dafuumlr werden spe-ziell konstruierte Monitorphotometer eingesetzt (siehe folgendes Bild 5)

Die Signale der Monitorphotometer werden synchron mit den Referenz- bzw Testphotometern ausgelesen und dokumentieren so die bdquoEinbrenn-phaseldquo bzw die Stabilitaumlt des photometrischen Signals waumlhrend der Messablaumlufe und dienen gegebenenfalls zur Korrektur

Kalibrierung von Photometern

Bei der Kalibrierung von Photometern wird deren absolute spektrale Bestrahlungsstaumlrke-Empfindlich-keit vom UV bis ins nahe Infrarot bestimmt Dabei wird das Photometer im quasi monochromatischen homogenen Strahlungsfeld bekannter Bestrahlungs-staumlrke vollstaumlndig uumlberstrahlt und die sich dabei ergebende Stromstaumlrke gemessen Der Quotient aus Stromstaumlrke und Bestrahlungsstaumlrke bei der einge-stellten Wellenlaumlnge ergibt die spektrale Bestrah-lungsstaumlrke-Empfindlichkeit s(λ) Diese Messung wird alle 5 nm von 360 nm bis mindestens 830 nm durchgefuumlhrt und ergibt dann einen Kurvenverlauf der bei guten Photometern der oben beschriebenen V(λ)-Funktion sehr nahe kommt

Aus der experimentell bestimmten spektralen Bestrahlungsstaumlrke-Empfindlichkeit s(λ) laumlsst sich nun mithilfe tabellarisch definierter Groumlszligen (Normlichtart A S(λ 2856 K) V(λ)-Funktion und dem Maximalwert des Strahlungsaumlquivalents Km) die in Formel (2) eingefuumlhrte photometrische Empfindlichkeit sv des Photometers zusammen mit Formeln (3) und (4) berechnen

sS s

K S Vv

m

d

d=

sdot sdot

sdot sdot

infin

infinintint

( ) ( )

( ) ( )

λ λ λ

λ λ λ

2856

2856

0

0

K

K (15)

Ebenso laumlsst sich nun nach Formel (11) die Anpas-sungskorrektur F(T) direkt berechnen

2300 2500 2700 T K 2900 1

2

3

4

Alterung je Brennstunde

Rauschen ∆YY104

Photometrisches Signal

2856 K

Bild 4 Alterung je Brennstunde bzw Rauschen des photometri-schen Signals

Bild 5 Monitor-Photometer zur Uumlberwachung bzw Korrektur der Stabilitaumlt bei Messungen in der gerichteten Photometrie

Monitor-Photometer

12

Das Jahr des Lichtes PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4

Experimentell wird die spektrale Bestrahlungs-staumlrke traditionell mit einem Monochromator-messplatz wie dem DSR-Messplatz ermittelt Dieser sondert aus einem Xenonlampenspektrum oder einem Gluumlhlampenspektrum einen schma-len Wellenlaumlngenbereich aus der dann fuumlr die Bestimmung der spektralen Empfindlichkeit bei seiner Schwerpunktwellenlaumlnge benutzt wird Besonders wichtig ist dabei dass der genaue Wert der Schwerpunktwellenlaumlnge bekannt ist und dass die ausgesonderte Strahlung ein sehr homogenes Strahlungsfeld erzeugt Entscheidend dafuumlr ist der geschickte und wellenlaumlngenabhaumlngige Aufbau der Eingangs- und Ausgangsoptik mit mehreren Linsen

Lampenbasierte Monochromatormessplaumltze haben jedoch einen entscheidenden Nachteil Ihre maximale Leistung betraumlgt typisch nur 100 microW Deshalb muumlssen mehrere Kompromisse bei der Messung eingegangen werden Die Messung muss verhaumlltnismaumlszligig dicht hinter dem Messplatz durch-gefuumlhrt werden wo sich die Bestrahlungsstaumlrke noch stark mit dem Abstand aumlndert und inhomoge-ner als im Fernfeld ist Je spektral reiner die Strah-lung eingestellt wird umso weniger Strahlungs-leistung passiert den Monochromator sodass auch hier wieder ein Kompromiss eingegangen werden muss Trotz der Kompromisse ist der Wellenlaumln-genbereich in dem die spektrale Empfindlichkeit bestimmt werden kann oft auf 400 nm bis 750 nm beschraumlnkt also auf den Bereich bei dem die spekt-rale Empfindlichkeit noch ausreichend hoch ist

Deshalb wurde ein neuer laserbasierter Messplatz aufgebaut (s Bild 6) Dieser erzeugt ein 100- bis 10000-mal kraumlftigeres Strahlungsfeld (s Bild 7) Zudem erlaubt der Messplatz die Bestimmung der Winkelabhaumlngigkeit von Photometern sowie die Messung des spektralen Temperaturkoeffizienten von ndash70 degC bis 180 degC Es koumlnnen mit dem laser-basierten Messplatz selbst unempfindliche Photo-meter in einem deutlich groumlszligeren Wellenlaumlngenbe-reich als bislang gemessen werden (s Bild 8ndash9) Da so viel Strahlungsleistung selbst fuumlr einen erweiter-ten Wellenlaumlngenbereich nicht benoumltigt wird kann mit einem laserbasierten Messplatz im homogenen Fernfeld und mit houmlherer spektraler Reinheit gemessen werden und somit die Messunsicherheit signifikant reduziert werden

Bild 6 Aufbau eines laser-basierten Messplat-zes zur Kalibrierung der spektralen Bestrahlungsstaumlrke-Empfindlichkeit von Photometern Das eigentliche Laser-system ist in der unteren Haumllfte von a) skizziert und in b)als Foto dargestellt

a

b

13

Ruumlckfuumlhrung in der Photometrie hellipPTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4

Realisierung der spektralen Bestrahlungsstaumlrke

Wie bereits vorher erwaumlhnt ist zur Realisierung der Candela die Kenntnis der relativen spektralen Bestrahlungsstaumlrke Er(λ) = S(λ T) von Tempera-turstrahlern (Gluumlhlampen) der Verteilungstempe-ratur T erforderlich

Bereits zum Ende des neunzehnten Jahrhunderts beschaumlftigten sich an der Physikalisch-Techni-schen-Reichsanstalt (PTR) in Berlin die Wissen-schaftler Otto Lummer Ernst Pringsheim und Fer-dinand Kurlbaum unter der Leitung von Wilhelm Wien mit der Pruumlfung elektrischer Gluumlhlampen fuumlr die Industrie und in diesem Zusammenhang mit der Verbesserung von Lampen und Vergleichs-normalen fuumlr Waumlrmestrahlung [4]

Sie entwickelten basierend auf Ideen von Kirch-hoff ab 1895 die ersten Hohlraumstrahler die als sogenannter Schwarzer Strahler zur Erzeugung von Temperaturstrahlung bis zu etwa 2000 K ein-gesetzt werden konnten Aufbauend auf Vorarbei-ten von Kirchhoff (1859) Stefan und Boltzmann (187984) sowie auf eigene Berechnungen (1893) konnte Wilhelm Wien anhand erster Messergeb-nisse 1896 die heute nach ihm benannte Wiensche Strahlungsgleichung aufstellen die die Ergebnisse der Experimente gut traf allerdings systema-tische Abweichungen fuumlr groszlige Produkte von λ middot T ergab Die Wiensche Gleichung war jedoch wesentlich genauer als das von Rayleigh und Jeans aufgestellte Pendant mit seiner inhaumlrenten Ultraviolettkatastrophe

Am 19 Oktober 1900 konnte Max Planck der vom Gastwissenschaftler Heinrich Rubens uumlber die Messergebnisse in der PTR unterrichtet wurde in einer Sitzung der Physikalischen Gesellschaft eine Gleichung vorlegen die die Messungen seiner Kollegen in der PTR besser als alle bis dato bekannten Gleichungen wiedergab Bereits am 14 Dezember 1900 trug er die komplette Her-leitung der Planckschen Strahlungsgleichungwiederum der Berliner Physikalischen Gesellschaftvor und leitete damit (verbunden mit der Energie-quantelung) die Quantenphysik ein [5]

Mithilfe des Planckschen Strahlungsgesetzes laumlsst sich die spektrale Dichte der Bestrahlungs-staumlrke EλBB(λTBB) eines Hochtemperatur-Hohl-raumstrahlers (auch Planckscher Strahler oder Schwarzer Strahler) berechnen

E T T Ad

cn

ec

n Tλ

λ

λ ε λλ BB BB BB

BB

BBBB

( ) = ( ) sdot sdot sdot

minus2

12 5

1

12

(16)

Bild 7 Wellenlaumlngenabhaumlngige optische Leistung des herkoumlmmlichen DSR-Messplatzes (untere Kurven) und des Laser-DSR-Messplatzes einmal direkt hinter dem Laser gemessen (gruumlne Kurven) und einmal die Leistung der tatsaumlchlich in der Messebe-ne nutzbaren Strahlung (rote Kurven)

Bild 8 Photometer Referenzphotodiode (links) sowie Solarzelle (unten) am Laser-DSR-Messplatz

Bild 9 Mit dem Laser-DSR-Messplatz und dem DSR-Messplatz gemessene spektrale Empfindlichkeiten von zwei verschiedenen Photometern (gruumlne und blaue Kurve) sowie die spektrale Empfindlichkeit von der als Referenz benutzten Photodiode (rote Kurve) Die Signalhoumlhen unterscheiden sich um einen Faktor von bis zu 100 Millionen Obwohl das am Laser-DSR-Messplatz gemessene Photometer ca 7 mal unempfindlicher als das am DSR-Messplatz gemessene Photometer ist kann die spektrale Empfindlichkeit in einem deutlich groumlszligeren Wellenlaumlngenbereich gemessen werden

14

Das Jahr des Lichtes PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4

Hierbei ist

TBB die Temperatur des Planckschen Strahlers ε(λTBB) der effektive Emissionsgrad des Strahlers ABB die Groumlszlige der Strahleroumlffnung dBB der Abstand zur Referenzebene fuumlr die Bestrahlungsstaumlrke c1 c2 die Planckschen Strahlungskonstanten und n der Brechungsindex von Luft

In der PTB wird im Fachbereich 41 bdquoPho-tometrie und angewandte Radiometrieldquo ein Hochtemperatur-Hohlraumstrahler vom Typ BB3200pg als nationales Normal fuumlr spektrale Bestrahlungsstaumlrke im Spektralbereich 200 nm bis 2500 nm eingesetzt Der Strahler der vom russi-schen Institut fuumlr optophysikalische Messungen (VNIIOFI) entwickelt [6] und von der PTB fuumlr seine Messaufgabe aufwendig charakterisiert und optimiert wurde [7] besitzt einen Hohlraum aus pyrolytischem Graphit der mittels Gleichstrom auf Temperaturen bis 3200 K aufgeheizt werden kann Der Strahler besitzt einen effektiven Emissions-grad von ε(λTBB) gt 09998 und eine ausgepraumlgte Homogenitaumlt der Temperatur im Hohlraum Er kann somit als Planckscher Strahler behandelt werden

Zur Berechnung des Planckschen Strahlungs-gesetzes werden weitere Groumlszligen des SI-Systems benoumltigt die in der PTB ruumlckfuumlhrbar kalibriert werden So wird zum Beispiel die Strahlerflaumlche ABB in Fachbereich 53 bdquoKoordinatenmesstechnikldquo kalibriert und die Bestimmung der Strahlertem-peratur TBB erfolgt mithilfe von Filterradiometern die in Fachbereich 73 bdquoDetektorradiometrie und Strahlungsthermometrieldquo gegen ein Kryo-

radiometer ruumlckgefuumlhrt werden Mithilfe dieser Berechnungsparameter fuumlr Gleichung (16) kann der Schwarze Strahler als Primaumlrnormal fuumlr strah-lungsphysikalische Groumlszligen eingesetzt werden

Die Kalibrierung von Gluumlhlampen bezuumlglich spektraler Bestrahlungsstaumlrke erfolgt in Sub-stitution durch direkten Vergleich gegen das Primaumlrnormal bzw entsprechend ruumlckgefuumlhrte Sekundaumlrnormale Hierbei handelt es sich um 1000-W-Gluumlhlampen vom Typ FEL die mit einer Verteilungstemperatur von etwa 3080 K einem dem Schwarzen Strahler sehr aumlhnlichen Verlauf der relativen spektralen Strahlungsfunktion besitzen Die Substitution erfolgt mithilfe eines Spektroradiometers das mit drei Monochroma-toren und Empfaumlngern einen Spektralbereich von 250 nm bis 2500 nm abdeckt [8] Eine Ulbrichtku-gel dient als Eingangsoptik und ihre Eintrittsoumlff-nung als Referenzebene fuumlr die Bestrahlungsstaumlrke Die durch die Kugel transmittierte Strahlung gelangt in einen Vormonochromator und wird nach spektraler Vorzerlegung wahlweise in einen Monochromator fuumlr den Spektralbereich 250 nm bis 1100 nm oder in einen Monochromator fuumlr den infraroten Spektralbereich eingekoppelt Ein Photomultiplier eine Si-Photodiode und eine InGaAs-Photodiode erfassen die aus den derart kombinierten beiden Doppelmonochromatoren austretende Strahlung Im fuumlr die Photometrie relevanten sichtbaren Spektralbereich werden spektrale Messungen mit einer spektralen Band-breite von 1 nm und einem Streulichtanteil im Bereich von 10ndash7 durchgefuumlhrt

Das Verhaumlltnis der mit den unterschiedlichen Strahlern gemessenen Photostroumlme entspricht im Wesentlichen dem Verhaumlltnis ihrer spektralen Bestrahlungsstaumlrken Beim Vergleich eines Strah-

Bild 10 Der Hochtemperatur-Hohlraumstrahler BB3200pg der in der PTB als Primaumlrnormal fuumlr die spektrale Bestrahlungsstaumlrke eingesetzt wird Der Hohlraum aus Pyrographit kann bis zu 3200 K aufgeheizt werden

15

Ruumlckfuumlhrung in der Photometrie hellipPTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4

lers bdquoSldquo mit der Verteilungstemperatur T mit dem Schwarzen Strahler der Temperatur TBB laumlsst sich prinzipiell also die unbekannte spektrale Bestrah-lungsstaumlrke EλS (λT) ermitteln aus

E T E Ty

yS eS

λ λλ λλλ ( ) = ( ) sdot ( )( )BB BB

BB

wobei ys(λ) und yBB(λ) die fuumlr die beiden Strahler gemessenen Photostroumlme bei der Wellenlaumlngen-einstellung λ sind und EλBB (λTBB) die spektrale Bestrahlungsstaumlrke des Hochtemperatur-Hohl-raumstrahlers nach dem Planckschen Strahlungs-gesetz (16) ist

Ableitung und Weitergabe weiterer photometrischer Einheiten gerichteter photometrischer Groumlszligen

Neben der Einheit fuumlr die Lichtstaumlrke sind in der gerichteten Photometrie die Einheit der Beleuch-tungsstaumlrke zur Kalibrierung von Photometern und die Einheit der Leuchtdichte zur Angabe von Lampeneigenschaften besonders wichtig

Beleuchtungsstaumlrke

In der PTB werden Beleuchtungsstaumlrke-Messgeraumlte mit einem Referenzphotometer mittels der Substi-tutionsmethode kalibriert wobei die Lichteintritts-flaumlchen der Photometerkoumlpfe an derselben Stelle senkrecht und gleichmaumlszligig beleuchtet werden

Dazu wird zunaumlchst das Referenzphotometer (Linearitaumlt und Anpassungsindex m bekannt) mit Lichtstaumlrke-Normallampen beliebiger Vertei-lungstemperatur T kalibriert Durch Umstellung von Gleichung (13) folgt fuumlr seine photometrische Empfindlichkeit

s d y TI T

Tm

v K= sdot sdot

2

0 2856Ω( )( )

v

(18)

Auf einer 40 m langen Photometerbank siehe Bild 10 koumlnnen dann mit beliebigen Gluumlhlampen unterschiedlicher elektrischer Leistung aber bekannter Verteilungstemperatur Beleuchtungsstaumlrken zwischen 0001 lx und 10000 lx erzeugt werden

Die Kalibrierung von Beleuchtungsstaumlrke-Mess-geraumlten erfolgt meistens mit Licht der Normlicht-art A eine entsprechende Lampe ist in Bild 15 dargestellt Die Anzeige des zu kalibrierenden Beleuchtungsstaumlrke-Messgeraumltes wird mit dem Messwert der Beleuchtungsstaumlrke Ev des Referenz-photometers verglichen

E T ysv

vK( )= =2856

001

01

1

10

100

350 400 450 500 550 600 650 700 750

spek

tral

e Be

stra

hlun

gsst

aumlrke

E[microW

cm

sup2nm

]

Wellenlaumlnge λ [nm]

Schwarzer Strahler (3076 K)Schwarzer Strahker (2995 K)FEL 81 A (3080 K)FEL 67 A (2780 K)WI 41G 54 A (2700 K)

Bild 11 Spektrale Bestrahlungsstaumlrke unterschiedlicher Strahler im sichtbaren Spektralbe-reich Die als Sekundaumlrnormale eingesetzten 1000-W-Gluumlhlampen vom Typ FEL und die in der Photometrie verwendeten Gluumlhlampen vom Typ WI 41G besitzen einen sehr aumlhnlichen spektralen Verlauf wie der als Primaumlrnormal eingesetzte Schwarze Strahler bei unterschiedlichen Strahlertemperaturen

Bild 12 Der Messplatz fuumlr die Kalibrierung von Gluumlhlampen bezuumlglich spektraler Bestrah-lungsstaumlrke in der PTB Auf der rechten Seite befinden sich zwei als Sekun-daumlr- und Arbeitsnormale eingesetzte Gluumlhlampen Auf der linken Seite ist das Spektroradiometer zu sehen dass an seiner Oberseite eine Ulbrichtkugel als Eingangsoptik montiert hat deren Oumlffnung in Richtung Strahler als Referenzebene fuumlr die Bestrahlungsstaumlrke verwendet wird

Bild 13 Messplatz zur Weitergabe der Einheit der Beleuchtungsstaumlrke zur Kalibrierung von Photometern

(17)

(19)

16

Das Jahr des Lichtes PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4

Leuchtdichte

Leuchtdichten homogen leuchtender begrenzter Flaumlchen koumlnnen aus groszligem Abstand wie Licht-staumlrken gemessen werden Wird z B eine kreisfoumlr-mige Blendenoumlffnung (zentrisch und senkrecht zur Messrichtung) zwischen der leuchtender Flaumlche und dem Photometerkopf angeordnet und damit ein Teillichtstrom ausgesondert so kann dieser in groszligem Abstand als Lichtstaumlrke bestimmt werden und es gilt fuumlr die Leuchtdichte Lv der prinzipielle Zusammenhang

LIAvv= (20)

In der PTB wird fuumlr die mit Gluumlhlampen ausgestat-teten Leuchtdichtenormale (d h Verteilungstem-peratur T bekannt) zunaumlchst die photometrische Empfindlichkeit sv des Referenzphotometers wie in Abschnitt 41 bestimmt dann die Lichtstaumlrke nach Gleichung (13) gemessen und schlieszliglich die mittlere Leuchtdichte innerhalb der leuchtenden Flaumlche A nach Gleichung (20) berechnet

Fuumlr Leuchtdichtenormale gelten prinzipiell einige der im Kapitel bdquoLichtstaumlrke-Normallampenldquo aufgefuumlhrten Merkmale Sie unterscheiden sich jedoch im Detail in der Art der Ausfuumlhrung z B sind sie mit Gluumlhlampen oder mit LEDs bestuumlckt sie koumlnnen hinsichtlich der Leuchtdichte bzw Farbe durchstimmbar sein oder mit gesonderter Monitortechnik ausgestattet sein

Die traditionellen Messverfahren zur Bestim-mung der Leuchtdichte bzw die Verwendung von Photometern mit direkter Anzeige der Leuchtdich-tewerte werden zunehmend durch den Einsatz von Leuchtdichtekameras (pixelaufgeloumlste Darstellung von Leuchtdichteverteilungen) ergaumlnzt Eine abso-lute Kalibrierung dieser modernen Systeme stellt aber messtechnisch eine groszlige Herausforderung

Bild 14 Die 40 m lange photometrische Bank zur Realisierung und Weitergabe der Einhei-ten der gerichteten Photometrie

Bild 15 20-kW-Hochleistungshalogengluumlhlampe fuumlr hohe Beleuchtungsstaumlrken zur Kalibrierung von Beleuchtungsstaumlrke-Messgeraumlten u a mit Normlichtart A

Bild 16 Gluumlhlampenbasierte Normale zum Transfer der Leuchtdichte-Einheit

17

Ruumlckfuumlhrung in der Photometrie hellipPTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4

dar aktuell werden zur Charakterisierung solcher Kameras national im FNL3 (Normenausschuss bdquoPhotometrieldquo im DIN) und international in der CIE (TC2-59 TC2-62) u a Messverfahren dis-kutiert die dann mittels definierter Kenngroumlszligen beschrieben werden

Literatur

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temperature 1994[3] G Sauter Die Candela Erlaumluterungen zum Ver-

staumlndnis der Definition und der RealisierungPTB-Mitteilungen 107 1997

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[5] M Planck Zur Theorie des Gesetzes der Energie-verteilung im Normalspektrum Verhandlungender Deutschen Physikalischen Gesellschaft 21900 S 237ndash245

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[8] P Sperfeld S Pape B Barton From Primary Stan-dard to Mobile Measurements ndash Overview of theSpectral Irradiance Calibration Equipment at PTBMAPAN-Journal of Metrology Society of India 252010 S 11ndash19

Bild 17 Pixelaufgeloumlste Darstellung einer Leuchtdichteverteilung mit einer Leuchtdichtemesskamera

pim_140107_anz_forschung_178x29indd 1 280214 1033

18

PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4Das Jahr des Lichtes

Kurze Geschichte der Goniophotometrie in der PTB Matthias Lindemann

Zusammenfassung

Die Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB) ist das nationale Metrologieinstitut (NMI) der Bundesrepublik Deutschland das seinen Fokus auf die Realisierung Bewahrung und Weitergabe der SI-Einheiten richtet Deshalb hat auch die goniophotometrische Bestimmung des Licht-stroms nahezu beliebiger Lichtquellen eine lange Tradition Seit mehr als 50 Jahren werden in der PTB hierzu noumltige Messsysteme entwickelt genutzt verbessert und an neue Messaufgaben angepasst Schon in den 50er- und 60er-Jahren des vergangenen Jahrhunderts erlaubte ein soge-nanntes Einarm-Goniophotometer die Realisie-rung der Lichtstromeinheit lumen (lm) als direkte Ableitung von der SI-Basiseinheit Candela (cd) mithilfe von Lichtstaumlrke-Normallampen Spaumlter gestattete ein groszliges Kardan-Goniophotometer mit einem Messradius von 25 m die notwendige automatisierte spiralfoumlrmige Bewegung eines Photometers bzw eines Dreibereichsfarbmess-kopfes Fuumlr die Lichtstrom-Kalibrierungen von Kleingluumlhlampen aber auch von zunehmend nachgefragten Messungen an LEDs wurde schon in den fruumlhen 1980er Jahren ein sogenanntes Mini-Goniophotometer ebenfalls als Kardan-

Goniophotometer mit nur 03 m Messradius entwickelt und eingesetzt Dieser Entwicklungs-prozess haumllt an und ermoumlglicht heute die Kalibrie-rung auch modernster LED-Lichtquellen Im Jahr 2006 wurde das erste Roboter-Goniophotometer im neuen Albert-Einstein-Gebaumlude der PTB in Betrieb genommen und ermoumlglicht seitdem die Kalibrierung nahezu beliebiger Lichtquellen mit der noumltigen kleinen Messunsicherheit

1 Einfuumlhrung

Mehr als 11 der elektrischen Energie werden heute in Deutschland fuumlr Beleuchtung einge-setzt Tendenz steigend Daher ist der Lichtstrom oumlkonomisch gesehen die wichtigste photometri-sche Groumlszlige Es ist notwendig seine Einheit das Lumen (lm) direkt von der SI-Basiseinheit fuumlr die Lichtstaumlrke der Candela (cd) abzuleiten Dies geschieht regelmaumlszligig mittels Goniophotometrie um den Lichtstrom der zu untersuchenden Licht-quelle zu bestimmen Obwohl auch absolut arbei-tende Ulbricht-Kugel-Methoden existieren [1] benoumltigen diese streng genommen zumindest die relative raumlumliche Lichtstaumlrkeverteilung welche nur durch goniophotometrische Methoden messbar ist

Das Prinzip der Goniophotometrie ist unabhaumln-gig von der technischen Realisierung der unter-schiedlichen Goniophotometertypen Ein Gonio-photometer misst die raumlumliche Verteilung der Beleuchtungsstaumlrke E(r ϑ φ) auf einer geschlosse-nen Huumlllflaumlche mittels V(λ)-angepasstem Pho-tometer fuumlr alle Richtungen (ϑ φ) der Lichtaus-strahlung im vollen Raumwinkel (4π sr) um die Lichtquelle herum wie Bild 1 zeigt

Der Radiusvektor r(ϑ φ) beschreibt die Position des Photometers in Kugelkoordinaten und r(ϑ φ) durchstoumlszligt das zur Lampe gerichtete Eintrittsfens-ter immer orthogonal Der Radiusvektor r(ϑ φ) beschreibt auch die Entfernung zwischen Lampe und Photometer

Der Winkel ϑ beschreibt die Position des Photometers zwischen den Polen traditionell im Bereich (0 lt ϑ lt π) Der Winkel φ beschreibt die Photometer-Position in der Aumlquator-Richtung

Matthias Lindemann Arbeitsgruppe bdquoGoniophotometrieldquo EshyMail matthiaslindemannptbde

Bild 1 Beleuchtungsstaumlrke E als Funktion des Radiusvektors r(ϑ φ)

19

PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4 Kurze Geschichte der Goniophotometrie in der PTB

(0 lt φ lt 2π) Der Wert des Lichtstroms Φ der Lampe kann aus der Beleuchtungsstaumlrkeverteilung E(ϑ φ) berechnet werden entweder aus der Licht-staumlrkedefinition I = dΦdω oder aus der Defini-tion der Beleuchtungsstaumlrke E = dΦdΑ

Φ = ( )int I ϑ ϕ ω4πsr

d (1)

Φ = ( )int E Ar

ϑ ϕ4 2π

d (2)

Das Raumwinkelelement dω der Gleichung (1) ist gegeben durch

d sin d dω ϑ ϑ ϕ= ( ) (3)

und das Flaumlchenelement dA der Gleichung (2) erhaumllt man aus

d sin d dA r= ( ) ( )2 ϑ ϕ ϑ ϑ ϕ

(4)

Der Radius r des Radiusvektors r(ϑ φ) kann als Konstante behandelt werden da er sich gewoumlhn-lich waumlhrend einer goniophotometrischen Messung nicht aumlndert Dann kann die Lichtstaumlrke-verteilung I(ϑ φ) durch Anwendung des photome-trischen Grundgesetzes aus der Beleuchtungsstaumlr-keverteilung E(ϑ φ) bestimmt werden

I r Eϑ ϕ ϑ ϕ ( ) = ( )2 (5)

Falls die photometrisch wirksame Ausdehnung rL der zu messenden Lampe deutlich kleiner ist als der Messradius r des Goniophotometers ist kann Gleichung (1) mit Gleichung (3) und r = const wie folgt geschrieben werden

Φ = ( ) ( )intintr E2

00

2

d sin dϕ ϑ φ ϑ ϑππ

(6)

Andererseits fuumlhrt Gleichung (2) mit Glei-chung (4) und r = const ebenfalls auf Gleichung (6) Aber fuumlr groszlige Lampen koumlnnte die Anwen-dung von Gleichung (5) zu fehlerhaften Ergeb-nissen fuumlhren (rL gt r) aber der ermittelte Wert des Lichtstroms entsprechend Gleichung (6) waumlre korrekt falls das Photometer das einfallende Licht mit dem Kosinus des Einfallswinkels bewertet

2 Geschichte der Goniophotometer- Systeme in der PTB

Wie bereits teilweise in Abschnitt 1 diskutiert sollte ein ideales Goniophotometer eine Reihe von Anforderungen erfuumlllen wie die folgende Auflis-tung zeigt

1 Kalibrierung der Photometer mittels Licht-staumlrke-Normallampen zur Sicherung der Ruumlckfuumlhrung auf die nationale Realisierung der Einheit Candela

2 Ausfuumlhrung einer Relativbewegung zwischen Lampe und Photometer wobei sich ϑ-Achse und φ-Achse rechtwinklig schneiden

3 Verwendung eines V(λ)-angepassten Photo-meters zur Lichtstrommessung

4 Automatische Messdatenanalyse5 Unabhaumlngige Bestimmung des Lichtstromwer-

tes von der raumlumlichenspektralen Verteilung der gemessenen Bestrahlungsstaumlrke Ee(λ ϑ φ) des Lichts

6 Unabhaumlngigkeit der Empfindlichkeit des Pho-tometers von der Umgebungstemperatur bzw Durchfuumlhrung einer entsprechenden Korrektur

7 Beliebige Betriebslage der zu untersuchenden Lampe

8 Einstellbare Umgebungsbedingungen fuumlr Luft-temperatur und Luftfeuchte

9 Geringer Streulichtanteil im Messraum bzw Streulicht-Korrektur

10 Elektrische Antriebe fuumlr die Bewegung der ϑ- und φ-Achsen

11 Verwendung von Farbmesskoumlpfen zur Bestim-mung der raumlumlich wirksamen aumlhnlichsten Farbtemperatur undoder Bestimmung der relativen raumlumlichen spektralen Verteilung der gemessenen Bestrahlungsstaumlrke

12 Messung ohne Bewegung der zu untersuchen-den Lampe

13 Vollstaumlndige Abtastung der Beleuchtungs-staumlrke- bzw Lichtstaumlrkeverteilung der zu untersuchenden Lampe

14 Staumlndige Uumlberwachung des photometrischen Betriebsverhaltens der Lampe um Alterung waumlhrend der Messzeit erkennen bzw korrigie-ren zu koumlnnen (sogenanntes Monitorsystem)

15 Messraumwaumlnde sollen etwa auf Lufttem-peratur sein um den Strahlungsaustausch zwischen Entladungslampen und Waumlnden des Messraums zu stabilisieren

16 Online-Streulichtkorrektur ndash insbesondere fuumlr ausgedehnte Lampen wie Leuchtstofflampen da diese den Einsatz eines Streulichttubus mit groumlszligerem Gesichtsfeld erfordern

17 Die Beleuchtungseinrichtung des Gonio-photometerraums soll zur Messzeit abgedeckt und ausgeschaltet sein um den Streulichtan-teil nicht zu erhoumlhen

18 Variation des Messradius r (Validierung von Nahfeld-Fernfeld-Messungen mit abbilden-den Systemen)

In der Goniophotometrie sind verschiedene Koor-dinatensysteme wie Bild 1a zeigt zu unterscheiden Dies sind regelmaumlszligig das Lampenkoordinatensys-tem Lamp das Raumkoordinatensystem Room und

20

PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4Das Jahr des Lichtes

das Goniophotometerkoordinatensystem bezogen auf dessen Zentrum Center Bild 1a zeigt moumlgliche Offsets zwischen diesen Systemen in Translation und Rotation

Um folgende Betrachtungen und Erklaumlrungen zu vereinfachen werden die genannten Koordina-tensysteme als deckungsgleich angenommen das heiszligt es werden keine Offsets in Translation und Rotationen zwischen den Koordinatensysteme vorausgesetzt

Im Weiteren werden die Eigenschaften Vor- und Nachteile der uumlber Dekaden in der PTB entwi-ckelten und genutzten Goniophotometer unter Beruumlcksichtigung der gewuumlnschten vorstehend gelisteten Eigenschaften diskutiert Es beginnt mit einem einfachen Einarm-Goniophotometer aus den 50er-Jahren des vergangenen Jahrhunderts und endet zumindest vorlaumlufig mit dem State-of-the-art-Roboter-Goniophotometer das 2007 in Betrieb ging

21 Einarm-Goniophotometer (1950ndash1975)

In der Zeit von 1950 bis 1975 wurde ein manuell betriebenes Einarm-Goniophotometer nach Bild 2 benutzt In den 50er-Jahren war diese Messappara-tur noch mit einem visuellen Photometer ausge-stattet Dieses Photometer erlaubte die relative Messung von Beleuchtungsstaumlrken mittels einer im Photometer installierten Hilfslampe in Verbindung mit einem optischen Abschwaumlcher [2 Seite 321] Die Ruumlckfuumlhrung auf die nationale Lichtstaumlrke-Einheit die Candela war durch Kalibrierung des visuellen Photometers mit Lichtstaumlrke-Normal-lampen sichergestellt (dies erfuumlllt Anforderung 1 der Anforderungsliste) entsprechend basieren auch Abstandsmessungen auf der nationalen Laumln-geneinheit dem Meter

Wegen der Lageabhaumlngigkeit der internen Hilfs-lampe im Innern des visuellen Photometer war es an einer festen Stelle der Messapparatur ange-bracht wie Bild 2 zeigt Ein Spiegel-Prismen-Sys-tem leitete das Licht der zu untersuchenden Lampe auf das Photometer Eine detaillierte Beschreibung aumlhnlicher Systeme kann [2 Seite 319] entnommen werden Damit ist Anforderung 2 ebenfalls erfuumlllt

Die vollstaumlndige Bestimmung des Lichtstroms Φ erfordert eine groumlszligere Anzahl Messungen von Beleuchtungsstaumlrken fuumlr ebenso viele manuell eingestellte unterschiedliche Kugelkoordina-ten (ϑ φ) Wird die fiktive Kugel gemaumlszlig Bild 1 in ϑ-Richtung in parallele Zonen eingeteilt und jede dieser Zonen i ist wiederum in n Sektoren j gleicher Laumlnge (Δφ = const) mit den zugehoumlrigen Beleuchtungsstaumlrken Eij unterteilt ist es moumlglich die mittlere Beleuchtungsstaumlrke Endashi jeder Zone i nach Gleichung 7 zu bestimmen

E Ei n i jj

n

==sum1

1 (7)

und der Wert des Lichtstroms Φ ergibt sich weiter aus der numerischen Integration nach Gleichung (8)

Φ = ( )minus ( )( )+

=sum2 2

10

1

πr cos cosϑ ϑi ii

m

iE-

(8)

Die Anzahl der notwendigen Beleuchtungsstaumlr-kemessungen haumlngt von der raumlumlichen Lichtver-teilung der zu untersuchenden Lampe ab Wegen der manuellen Einstellung des groszligen Arms (ϑ) der Drehung der Lampe (φ) und des gleichfalls noumltigen manuellen Abgleichs des visuellen Pho-tometers ist diese Methode sehr zeitaufwendig Sollen beispielsweise 600 Punkte gemessen werden (aus heutiger Sicht also nicht besonders viele) und man benoumltigt ca 25 Sekunden pro Messung werden also mehr als 4 Stunden benoumltigt um eine

Bild 1a Koordinatensysteme

Bild 2 Einarm-Go-niophotometer 1950ndash1975

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PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4 Kurze Geschichte der Goniophotometrie in der PTB

Lampe mit relativ homogener raumlumlichen Licht-verteilung zu messen

In 1963 wurde ein internationaler Lichtstrom-vergleich auf der Basis von Entladungslampen ohne Fluoreszenzstoff durchgefuumlhrt Diese Lampen wiesen eine massive Inhomogenitaumlt ihrer raumlumlichen Lichtverteilung auf sodass die beschriebene manuelle Methode wegen der noumltigen hohen Anzahl von Messpunkten nicht praktikabel war Zur Loumlsung dieses Problems in [3] beschrieben wurde das visuelle Photometer durch einen grob an V(λ)-angepassten Photover-vielfacher ersetzt zusaumltzlich wurde die φ-Achse mit einem elektrischen Antrieb versehen und ein Praumlzisionskondensator ermoumlglichte die analoge Integration des Photostroms des Photovervielfa-chers Damit konnte fuumlr jede der erforderlichen ϑ-Einstellungen des groszligen Arms der elektri-sche Antrieb der φ-Achse diese mit konstanter Winkelgeschwindigkeit rotieren lassen waumlhrend der Praumlzisionskondensator den Photostrom des Photovervielfachers integrierte Nach etwa t = 5 min fuumlr eine Umdrehung repraumlsentierte die Ladung Q = C middot U des Praumlzisionskondensators die mittlere Beleuchtungsstaumlrke

E k C Uti = sdot (9)

dieser gemessenen Zone i Daraus berechnet sich der Lichtstrom wiederum gemaumlszlig Gleichung (8) Es ist nicht noumltig das Produkt k ∙ C exakt zu kennen da dies uumlber das Kalibrierverfahren durch die bekannte Beleuchtungsstaumlrke einer Lichtstaumlrke-Normallampe eliminiert werden kann es muss lediglich uumlber die gesamte Messzeit hinweg kons-tant sein

Spaumlter in den 1960er-Jahren wurde auch das visuelle Photometer durch ein modernes V(λ)-angepasstes Photometer basierend auf gefilterten Silizium-Photodioden in Kombination mit einen PhotostromSpannungswandler und einem xy-Plotter ersetzt Man erhielt so die Beleuchtungs-staumlrkeverteilung jeder Zone die sich dann leicht mit grafischen oder numerischen Verfahren inte-grieren lieszlig Es wird spaumlter gezeigt werden dass diese verwendete bdquoanaloge Zonenintegrationldquo sehr aumlhnlich der heutigen digitalen zonalen Bewertung ist

Diese letzten 2 Verbesserungen erfuumlllen die Anforderung 3 und teilweise auch die Anforde-rung 4

22 Kardan-Goniophotometer (1976ndash2007)

Das existierende Einarm-Goniophotometer war immer auf eine bdquohelfende Handldquo angewiesen um es von Punkt zu Punkt zu bewegen Die anschlie-szligende Berechnung des Lichtstroms wurde grund-saumltzlich ebenfalls haumlndisch ausgefuumlhrt Dieses Ver-

fahren war dementsprechend sehr zeitaufwendig und der zunehmende Wunsch der Industrie auch groszlige Objekte wie z B lange Leuchtstofflampen aber spaumlter auch sehr kleine Mikrolampen und erste LEDs zu kalibrieren fuumlhrte zur Entwicklung sogenannter Kardan-Goniophotometer ver schie-dener Ausfuumlhrungen

221 Groszliges Kardan-Goniophotometer

Nach der intensiven Umgestaltung einiger Raumlume im Koumlsters-Bau der PTB war es moumlglich im neuen Goniophotometerraum (7 x 10 x 8 m3) das Kar-dan-Goniophotometer [4] zu installieren Bild 3 zeigt das groszlige Kardan-Goniophotometer Am Bildoberrand ist eine zu kalibrierende stabfoumlrmige Leuchtstofflampe zu sehen

Dieser Raum war zusaumltzlich auch mit einer geregelten elektrischen Heizung ausgestattet um die geforderten Messbedingungen bezuumlglich Umgebungstemperatur einstellen zu koumlnnen Im Prinzip besteht ein Kardan-Goniophotometer wie in Bild 4 gezeigt aus 3 Rahmen wobei der aumluszligere α-Rahmen der raumlumlichen Ausrichtung (durch Drehung um die y-Achse) der zu untersu-chenden Lampe dient Innerhalb dieses aumluszligeren α-Rahmens ist der mittlere φ-Rahmen endlos drehbar um die z-Achse gelagert Der innere ϑ-Rahmen ist wiederrum drehbar im φ-Rahmen gelagert jedoch ist seine Bewegung auf knapp 180deg durch den noumltigen Lampenhalter begrenzt Alle 3 Rahmen sind mechanisch ausgeglichen und mit elektrischen Antrieben versehen Ihre Rotationsgeschwindigkeiten waren per 10-Gang-Praumlzisionspotentiometer einstellbar eine Folge der angewandten analogen Regelung der Achsan-triebe Die Winkelbestimmung der Achsen erfolgte mittels 13-bit-Winkelencodern Das Photometer war am ϑ-Rahmen (Bild 4) platziert und ermoumlg-lichte so einen festen Messradius von 2500 mm Es bestand die Moumlglichkeit ein zweites Photometer

Bild 3 Kardan-Goniophotometer 1976ndash2007

22

PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4Das Jahr des Lichtes

oder einen Farbmesskopf auf der gegenuumlberliegen-den Seite des ϑ-Rahmens einzusetzen

In diesem Fall war der Arbeitsbereich limitiert im Bereich 4deg lt ϑ lt 176deg da jeweils Lampenhalter von rechts und links zur Aufnahme einer beispiels-weise stabfoumlrmigen Leuchtstofflampe eingesetzt werden konnten (siehe auch Bild 3) Im Falle von einseitig gesockelten Lampen wurde meist nur ein PhotometerFarbmesskopf verwendet was eine Drehung der gegenuumlberliegenden Messkopf-aufnahme um 90deg ermoumlglichte Diese sogenannte bdquoKroumlpfungldquo lieszlig dann Raum fuumlr den nun einseiti-gen Lampenhalter und der Arbeitsbereich vergrouml-szligerte sich zu 0deg lt ϑ lt 176deg

Entsprechend der Gleichung (6) muss die gemessene Beleuchtungsstaumlrkeverteilung uumlber den vollen Raumwinkel 4π sr zum Wert des Licht-stroms integriert werden So ist es naheliegend digitale uumlber die Zeit integrierende Methoden zur Erfassung und Speicherung der gemessenen Beleuchtungsstaumlrkewerte zu verwenden Bild 5 zeigt den Signalfluss Sowohl Photometer- undoder Farbmesskopf als auch Photostrom-Fre-

quenz-Wandler waren temperaturstabilisiertDer Photostrom des Photometers mit seiner

photometrischen Empfindlichkeit s normalisiert auf die CIE-Lichtart A wird mittels Ruumlckkopp-lung Rg eines Photostromverstaumlrkers in eine Spannung U gewandelt und weiter durch einen Spannungs-Frequenzwandler in eine Frequenz f mit dem zugehoumlrigen Wandlungsfaktor wf kon-vertiert Diese Frequenz wird letztlich von einem digitalen Zaumlhler kontinuierlich gezaumlhlt Simultan wird die Quarz-Frequenz fq durch einen zweiten digitalen Zaumlhler erfasst um waumlhrend der spaumlteren Datenanalyse die urspruumlnglichen Photostroumlme berechnen zu koumlnnen Diese Methode stellt damit die schon erwaumlhnte Signal-Zeit-Integration sicher

Die die zu untersuchende Lampe umgebene fiktive Kugel ist wie Bild 5 zeigt in Zonen und Sektoren unterteilt Infolge der analogen Geschwindigkeitsregelung der zwei bewegten Rahmen sind positive und negative Beschleu-nigungsphasen am Anfang und am Ende einer vollstaumlndigen Abtastung und Lastreaktionen des rotierenden Systems und die damit verbundenen geringen Gleichlaufschwankungen unvermeid-bar Die Unterteilung jeder Zone in Sektoren mit der Laumlnge Δφj als Gewichtung reduziert jedoch diesen Einfluss Damit berechnet sich die mittlere Beleuchtungsstaumlrke Endashi nach Gleichung (10)

Es w R

fyt

fjj

ni j

i j=

sdot sdot sdot( )sdot sdot minus

=sum1

2 10

πϕ

f gq∆∆

∆

(10)

mit der Dunkelfrequenz f0 (Photometer abgeschat-tet) und den Differenzsignal-Zaumlhlungen Δyi j und den Differenzzeit-Zaumlhlungen Δti j jeweils vom Sek-toranfang bis zum Sektorende Wiederum koumlnnte der Lichtstrom nach Gleichung (8) bestimmt werden jedoch werden jetzt noch Korrekturfakto-ren fuumlr das Streulicht cstr der spektralen Fehlanpas-sung des Photometers cspec und Abweichungen von den nominalen elektrischen Betriebsbedingungen celec eingefuumlhrt wie nun Gleichung (11) zeigt

Φ = sdot sdot sdot sdot minus( ) sdot+=

minus

sumc c c r Ei ii

m

istr spec elec cos cos2 21

0

1

π ϑ ϑ

(11)

Im Verlauf einer Lichtstrommessung werden neben dem Photometer auch die Waumlnde des Messraums von der zu untersuchenden Lampe beleuchtet Diese Beleuchtung wird ebenfalls vom im Goniophotometer verwendeten Photometer bdquogesehenldquo und fuumlhrt zu einer Streubeleuchtung auf dem Lichteintrittsfenster dieses Photome-ters Diese Streubeleuchtung haumlngt einerseits vom Reflexionsgrad der verwendeten Wandfarbe (ρ asymp 3 ) und vom Gesichtsfeld des sich vor dem

Bild 4 Groszliges Kardan-Goniophotometer 1976ndash2007

Bild 5 Signalfluss

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PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4 Kurze Geschichte der Goniophotometrie in der PTB

Photometer befindlichen Streulichtreduzierungs-tubus ab Daher muss fuumlr jeden eingesetzten Tubus mit seinem individuellen Gesichtsfeld der wirksame spezifische Streulichtkorrekturfaktor cstr bestimmt werden Diese koumlnnen ermittelt werden indem Blenden mit unterschiedlichen Durchmes-sern zwischen der zu untersuchenden Lampe und dem Photometer waumlhrend normalen Lichtstrom-messungen positioniert werden Eine detaillierte Beschreibung kann [5] entnommen werden

Die technische Realisierung eines Photometers ist immer nur eine Naumlherung fuumlr V(λ) Dies bedeu-tet dass im Prinzip in allen Faumlllen diese spektrale Fehlanpassung korrigiert werden muss Allgemein kann der spektrale Korrekturfaktor cstr fuumlr alle Lampen mit beliebiger Strahlungsfunktion S(λ) nach Gleichung (12) bestimmt werden

cV S

s S

V P T

s Pspek

rel

A

rel

d

d

d=

( )sdot ( )( ) sdot ( )

( ) sdot ( )( ) sdot

intint

intint

λ λ λ

λ λ λ

λ λ λ

λ

λλ λTA d( )

(12)

Hierzu ist jedoch die Kenntnis der relativen spektralen Empfindlichkeit srel(λ) des Photome-ters notwendig P(λ TA) bezeichnet dabei einen Planckstrahler mit einer Verteilungstemperatur von TA = 2856 K

Im Fall von Gluumlhlampen ist ein etwas einfache-rer Weg fuumlr diese Korrektur ohne die Kenntnis von srel(λ) moumlglich Gleichung (13) beschreibt die Abhaumlngigkeit der Beleuchtungsstaumlrke E(T) von der Verteilungstemperatur T

E Ty T

sTT

m

( ) = ( )

A

y

(13)

eines gemessenen Photostroms y(T) und der pho-tometrischen Empfindlichkeit s des Photometers fuumlr Lichtart A Eine charakteristische Eigenschaft des Photometers ist der Exponent my bdquoyldquo indiziert den Exponent fuumlr ein V(λ)- angepasstes Photome-ter oder den y-Kanal eines Dreibereichsfarbmess-kopfes wobei die anderen Kanaumlle unterschiedliche Werte fuumlr diese Exponenten haben Ein ideales Photometer wuumlrde einen Wert von 0 fuumlr diese Exponenten aufweisen Beispielsweise beschreibt my = 0018 ein qualitativ durchaus gutes Photo-meter Der Exponent my (und auch mx und mz) koumlnnen aus einem Fit bekannter Paare (E(T) T) einer Lichtstaumlrke-Normallampe bei verschiedenen Arbeitspunkten wie in [6 7] beschrieben gefun-den werden Damit kann der Korrekturfaktor cspec fuumlr Gluumlhlampen wie folgt geschrieben werden

c TT

my

specA

=

(14)

Werden Gluumlhlampen in der Naumlhe von CIE-Licht-art A betrieben ist die Korrektur auf elektrische Nominalbedingungen celec ebenfalls nach Glei-chung (15) sehr einfach da der Lichtstrom eine Funktion des Betriebsstroms J ist

c JJ

m

elec

J

=

minus

0 (15)

Hier ist J0 der Nominalstrom und mJ cong 684 Mehr Information kann in [7] gefunden werden

Die Datenanalyse fuumlr einen Dreibereichsfarb-messkopf erfolgt in gleicher Weise und man erhaumllt die Normfarbwertanteile (x y) aus den Gleichun-gen (16 17)

x =+ +Φ

Φ Φ ΦX

X Y Z (16)

y =+ +Φ

Φ Φ ΦY

X Y Z (17)

Leider konnten nur der Lichtstrom und die zuge-houmlrigen Normfarbwertanteile bestimmt werden da aufgrund der geringen Speichermoumlglichkeit der verwendeten Computertechnik die raumlumliche Information verlorenging

Daher wurden im Jahre 1991 alle Computer Analogsysteme die Verdrahtung und viele weitere Elemente durch moderne Ausruumlstung ersetzt Von nun an konnten alle Rohdaten mittels geeigneter Speichermedien dauerhaft bewahrt werden Das galt auch fuumlr groszlige Datenmengen des ab 1997 eingesetzten Array-Spektrometers zur Messung der relativen spektralen Leistungsverteilung der Strahlung synchron zur Lichtstrombestimmung Leider wiesen Photometer und Einkoppeloptik des Array-Spektrometers unterschiedliche Gesichtsfel-der auf und hatten etwas unterschiedliche Positi-onen auf dem Goniophotometer was die Daten-analyse komplizierte Dennoch konnten erstmalig raumlumliche spektrale Informationen uumlber zu untersuchende Lampen ermittelt werden Damit erfuumlllte das groszlige Kardan-Goniophotometer in seiner Ausbaustufe von 1997 die Anforderungen 1ndash14 aus Abschnitt 2 Die relative erweiterte Mes-sunsicherheit fuumlr den Lichtstrom fuumlr k = 2 betrug jetzt 060

222 Kleines Kardan-Goniophotometer

Fuumlr die Messung kleiner Lampen und LEDs wurde in den fruumlhen 1980er-Jahren ein dem groszligen Kardan-Goniophotometer sehr aumlhnliches kleines Kardan-Goniophotometer mit einem Messra-dius von nur 300 mm entwickelt hergestellt und

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PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4Das Jahr des Lichtes

betrieben Das Foto in Bild 6 zeigt dieses seinerzeit sogenannte bdquoMini-Goniophotometerldquo

Die Messtechnik entsprach nahezu vollstaumln-dig dem groszligen Kardan-Goniophotometer bis hin zum Signalfluss einschlieszliglich Spannungs-Frequenzwandler und nachgeschalteten Zaumlhlern Damit sind alle Aspekte dieser Apparatur bereits in Abschnitt 221 diskutiertIm Jahre 2007 wurde dieses Instrument durch ein spezielles Goniophotometer fuumlr die Messung von LEDs ersetzt siehe auch Kapitel Metrologie fuumlr moderne Lichtquellen LEDs und OLEDs [10]

23 Roboter-Goniophotometer (2006 bis heute)

Am Ende der 1990er-Jahre wurde die Planung eines neuen Goniophotometertyps mehr und mehr konkret Nahezu gleichzeitig entschied sich die PTB fuumlr den Neubau eines modernen Gebaumludes fuumlr die Abteilung Optik dem heutigen Albert-Einstein-Bau Infolge dieses Zusammentreffens

beider Ereignisse konnte bei der Planung das neue Gebaumlude quasi um das neue Roboter-Goniopho-tometer herum geplant und spaumlter auch so gebaut werden

In 19951996 zeigte G Sauter dass Gonio-photometrie mittels Robotern moumlglich ist und erhebliche Vorteile gegenuumlber den bisher verwendeten Kardan-Goniophotometern auf-weist [8] Wie weiterhin in [8] beschrieben sind sogenannte Service-Roboter gut geeignet um ein Roboter-Goniophotometer zu realisieren Diese zeichnen sich durch eine schlanke Konstruktion mit langen Armen bei gleichzeitig relativ gerin-gem Gewicht aus Sie verfuumlgen uumlber eine hohe Flexibilitaumlt um beispielsweise ein Photometer auf gewuumlnschten Bahnen mit unterschiedlichen Radien (1000 mm lt r lt 3000 mm) auf der fiktiven Kugeloberflaumlche um die Lampe herumzufuumlhren Jeder Roboter verfuumlgt uumlber 7 Freiheitsgrade (engl seven degrees of freedom 7 DOF) Dies garantiert die notwendige Flexibilitaumlt und das erforderli-che Arbeitsvolumen Zur Abdeckung des vollen Raumwinkels 4π sr sind daher 2 der beschriebenen Roboter notwendig Ein dritter aumlhnlicher Roboter positioniert dabei die zu untersuchende Lampe in der gewuumlnschten Brennstellung im Raum Alle Roboter-Basen sind direkt mit dem Stahlbeton des Gebaumludes verbunden um eine langzeitstabile raumlumliche Positionierung der Roboter zu gewaumlhr-leisten Bild 8 zeigt das Roboter-Goniophotometer waumlhrend der Messung einer LED-Signalleuchte

Im Gegensatz zu Kardan-Goniophotometern ist der Messradius variabel in dem alle 7 Achsen in entsprechende Positionen gebracht werden Wegen der groszligen Redundanz eines 7-DOF-Roboters kann die Zielposition einschlieszliglich Orientierung durch eine sehr groszlige Anzahl unter-schiedlicher Einstellungen der 7 Achsen erreicht werden Daher wird eine Strategie benoumltigt um die jeweilige Achs einstellung zu finden Diese

Bild 6 Kleines Kardan-Goniophotometer 1982ndash2007

Bild 7 Arm des Roboter-Goniophotometers

Bild 8 Roboter-Goniophotometer 2006 bis heute

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PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4 Kurze Geschichte der Goniophotometrie in der PTB

Strategie ist relativ simpel Sie besagt dass alle Achseinstellungen derart gefunden werden dass saumlmtliche Bestandteile des Roboters einen maxi-malen Abstand zum Zentrum des Roboters haben sollen um das von der Roboterstruktur reflektierte Streulicht moumlglichst gering zu halten Eine beson-dere Software ist notwendig um alle Achswinkel ausgedruumlckt in counts jedes Winkelencoders fuumlr jede Achse zu bestimmen um die gewuumlnschten Kugelkoordinaten (r ϑ φ) anzufahren Waumlhrend der Messung der zu untersuchenden Lampe liest das Roboter-Kontrollsystem alle 10 ms diese counts jeder Achse und versucht jede Achse entsprechend diese Vorgabe einzustel-len Nach dieser Einstellung welche fuumlr alle 7 Achsen gleichzeitig erfolgt werden die Ist-Winkel jeder Achse wiederum in counts synchron gelesen und mit den zugehoumlrigen photo-metrischen Daten und elek trischen Daten des Lampenbetriebs in eine Datenbank gespeichert Prinzipiell ist der Signal-fluss dem des in Abschnitt 221 beschriebenen groszligen Kardan-Goniophotometers sehr aumlhnlich Aber es gibt ein zusaumltzliches wichtiges Element den sogenannten Zeitstempel Da ein weit verteiltes Datenerfassungssystem vorliegt wird ein Mecha-nismus zur Datensynchronisierung in Form eines 1-Mhz-Taktes verwendet Dieser ist im gesamten System verfuumlgbar Beim Messungsstart synchron gestartete Zaumlhler erlauben daher die spaumltere Synchronisierung aller angefallenen Daten Wie beschrieben ist die Position jeder Achse und damit die Position und Orientierung des Photometers das Ergebnis eines Regelprozesses Somit ist es not-wendig die tatsaumlchliche Position und Orientierung des Photometers aus den gespeicherten Daten der Winkelencoder zu berechnen

In der Robotik ist es uumlblich einen Roboter des

verwendeten Typs wie eine biegesteife mechani-sche Kette mit sogenannten Denavit-Hartenberg-Parametern (DH-Parameter) zu beschreiben [9] Die Tabelle 1 zeigt diese DH-Parameter am Beispiel des Roboters 1

Mit diesen Parametern und den aktuellen Winkeln θi fuumlr jede Achse ist die Berechnung der Position bzw Orientierung der siebten Achse in Basis-Koordinatensystem des Roboters moumlglich Hierzu werden 7 Matrizen nach Gleichung (18) ver-wendet Jede Matrize beschreibt die Position (blau) und Orientierung (gruumln) jeder einzelnen Achse

Die PositionierungOrientierung der Achse 7 ergibt sich aus dem Vektorprodukt T1 T2 T3 T4 T5 T6 T7

Um jedoch die Koordinaten in Bezug auf das Koordinatensystem der fiktiven Kugel zu erhalten muumlssen 2 weitere aumlhnliche Matrizen verwendet werden Die sogenannte Base Frame Matrix F beschreibt die Positionierung und Orientierung des Roboter-Koordinatensystems zum Koor-dinatensystem der fiktiven Kugel waumlhrend die Matrix W die Positionierung und Orientierung des Photometers zur Achse 7 beschreibt Nun laumlsst sich die Position und Orientierung des Photome-ters P im Koordinatensystem der fiktiven Kugel mit Gleichung (19) beschreiben

P = F T1 T2 T3 T4 T5 T6 T7 W (19)

axisi Δθi offset to rotation around Z-axis

αi rotation around X-axis

di

translation in Z-axis

αi

translation in X-axis

1 ndash1438deg 45024deg 0000 mm ndash0400 mm

2 191088deg ndash90026deg 2686322 mm 0696 mm

3 178585deg 89996deg 274088 mm 0781 mm

4 6229deg ndash90022deg 1410499 mm 0474 mm

5 ndash0141deg ndash89955deg 173036 mm ndash0779 mm

6 ndash0924deg 90032deg 1191007 mm 0223 mm

7 180443deg 90007deg 91130 mm 0000 mm

Tabelle 1 DH-Parameter von Roboter 1

T

a

i

i i i i i i i i i i i

=

+( ) minus +( ) +( ) +cos sin cos sin sin cos∆ ∆ ∆ ∆θ θ θ θ α θ θ α θ θ(( )+( ) +( ) minus +( ) +sin cos cos cos sin sin∆ ∆ ∆ ∆θ θ θ θ α θ θ α θ θi i i i i i i i i i ia (( )

00 0 0 1

sin cosα αi i id

(18)

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PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4Das Jahr des Lichtes

Bild 9 zeigt die Achsenkoordinatensysteme (17) das Base-Frame-Koordinatensystem und das Koordinatensystem des Photometers zur Achse 7 in schematischer Weise Das Koordinatensys-tem der fiktiven Kugel faumlllt mit dem Zentrum des Goniophotometers zusammen und wird mit Center bezeichnet P ist jetzt auf dieses Center-Koordinatensystem bezogen Zusaumltzlich ist eine typische Bahn eingezeichnet Wegen des aller-dings nicht dargestellten Lampenhalters ist diese Bahn im oberen Bereich verdichtet um eine Kollision mit dem Lampenhalter zu vermeiden Wie bereits erwaumlhnt setzt die Verwendung von Gleichung (19) einen biegesteifen Roboter voraus der in der Praxis nicht existiert P ist also von statischen Gewichtskraumlften des Roboters dyna-mischen Kraumlften infolge der Bewegung als auch von thermischen Laumlngenaumlnderungen uumlberlagert Daher muss Gleichung (19) um eine entspre-chende Korrektur C erweitert werden Glei-chung (20) zeigt nun das endguumlltige Modell zur Bestimmung von P

wobei C

t tT Rθ θ

θ θ1 7

1 7 dd

dd amb

diese finale Korrektur basierend auf den Winkeln θ1θ7 aller Achsen ihren zeitlichen Ableitungen

dd

dd

θ θ1 7

t t

und der Umgebungstemperatur Tamb beschreibt

Der letzte Parameter R steht fuumlr einen groszligen Datensatz und beschreibt Eigenschaften des Roboters wie Abmessungen Teilmassen usw Die Berechnung von C() ist aufwendig und wurde vom Hersteller des Roboters ausgefuumlhrt Aus Gruumlnden des Wettbewerbs muss diese Berechnung vertrau-lich behandelt werden und kann daher hier nicht veroumlffentlicht werden Jedoch kann die Wirkung von C() beispielhaft auf den Messradius mitgeteilt werden (siehe Bild 10)

Die noumltige Radiuskorrektur rcorr bewegt sich im Bereich ndash2 mm lt rcorr lt 3 mm je nach Position (θ φ) des Photometers Der Aumlquatorbereich benouml-tigt eine groumlszligere Korrektur infolge hier wirksamer groumlszligerer Zentrifugalkraumlfte als die Polregion Der Radius selbst laumlsst sich dann aus der Positionssub-matrix von P bestimmen

Der Signalfluss stimmt im Wesentlichen mit dem wie in Bild 5 gezeigt uumlberein Prinzipiell kann der Lichtstrom mit den Gleichungen (11) und (10) berechnet werden da aber nun 2 Photometer benutzt werden muss dies fuumlr jede Hemisphaumlre also fuumlr jeden Roboter separat geschehen Die Gleichungen (21) und (22) demonstrieren das

Bild 9 Koordinatensystem des Roboter-Gonio-photometers und Beispielbahn

P Ct t

T R F T T T T T T=

sdot sdot sdot sdot sdot sdot sdot sdotθ θ

θ θ1 7

1 71 2 3 4 5 6

dd

dd amb TT W7 sdot

(20)

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PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4 Kurze Geschichte der Goniophotometrie in der PTB

fuumlr Roboter 1 Der Radius r1i befindet sich dabei innerhalb der Summation von Gleichung (22) Das Roboter-Goniophotometer ist zusaumltzlich mit einem Monitorphotometer ausgeruumlstet Dieses Photometer wird waumlhrend der Messung nicht bewegt ist aber staumlndig von einem fixen Punkt aus auf die zu untersuchende Lampe gerichtet und erlaubt somit die Korrektur einer moumlglichen Alterung der Lampe waumlhrend des Messprozesses als Funktion der Zeit (cmon(t1i))

Es w R

fyt

fi jj

ni j

i j1

1 1 11

1

1

11 0

12

1

=

( )sdot minus

=sumπ

ϕf g

q∆∆

∆

(21)

Φ1 1 1 12

1 1 1 12= sdot sdot sdot sdot ( ) sdot minus( )+c c r c ti i i ii

str spec mon cos cosπ ϑ ϑ==

minus

sum sdot0

1

1

1m

iE

(22)

Roboter 2 wird in gleicher Weise behandelt und der Lichtstrom ergibt sich somit aus der Summe von Φ1 und Φ2 korrigiert mit dem elektrischen Korrekturfaktor celec aus Gleichung (15)

Φ Φ Φ= sdot +( )celec 1 2 (23)

Die Bestimmung der Streulichtkorrektur cstr unter-scheidet sich methodisch von jener des Kardan-Goniophotometers Es ist schwierig Blenden zwischen Photometer und Lampe zu positionieren wie in [5] beschrieben Hier wird die Streulicht-korrektur cstr direkt aus der Leuchtdichteverteilung auf den Waumlnden des Messraums bestimmt Mit der Kenntnis der geometrischen und photometrischen Eigenschaften des Raumes der raumlumlichen Licht-staumlrkeverteilung der Lampe und dem verwendeten Streulichttubus vor dem Photometer lieszlige sich die Streulichtkorrektur cstr berechnen Hier jedoch wird diese Korrektur mit sogenannten Back-Loo-king-Photometern bestimmt [11]

Bild 11 zeigt ein Foto der bdquoRoboterhandldquo mit mon-tiertem Photometer und Back-Looking-Photometer Letzteres ist ein wenig schraumlg ausgerichtet um nicht im Bereich des Schattenwurfs des Photome-ters auf den Waumlnden zu messen

Bild 12 zeigt beispielhaft eine typische in finite Flaumlchenelemente gerasterte Streulichtsituation im Goniophotometermessraum wie sie durch die zu untersuchende Lichtquelle generiert wird Dieses Beispiel arbeitet mit finiten Flaumlchen der Groumlszlige 05 m middot 05 m um die Flaumlchen sichtbar zu machen Zur realen Berechnung werden Flaumlchen der Groumlszlige 01 m middot 01 m verwendet Natuumlrlich ist der Streulichtanteil auf der aktiven Flaumlche des

Bild 10Wirkung der Radiuskorrektur

Bild 11 Photometer (links) und Back-Looking-Photometer (rechts)

Bild 12 Wirkung des Streulichts und seine Bestimmung

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PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4Das Jahr des Lichtes

Photometers eine Funktion des Gesichtsfeldes des jeweils verwendeten Streulichttubus vor dem Photometer Derzeit werden 2 Tuben je nach Groumlszlige der Lichtquelle mit Oumlffnungswinkeln von ca 15deg und ca 225deg verwendet Ihre typischen Korrekturwerte betragen etwa 09995 und 09990 Da jeder Messroboter mit diesem Back-Looking-Photometer ausgeruumlstet ist kann so der Streulicht-anteil fuumlr jedes Photometer bestimmt werden Da die Back-Looking-Photometer bdquoruumlckwaumlrtsldquo gerichtet sind wird also jeweils die Streulichtkorrektur fuumlr den gegenuumlberliegenden Messroboter bestimmt Damit ist es moumlglich den Wert des Lichtstroms mit zugehoumlriger Messunsicherheit zu bestimmen Tabelle 2 illustriert Ergebnisse einer vereinfachten Monte-Carlo-Simulation (MC) am Beispiel einer OSRAM-Wi4-Lichtstrom-Normallampe Ihre Lichtstaumlrkeverteilung ist in Bild 13 wiedergegeben

Die MC basiert auf den folgenden Gleichun-gen (24) Werte der wichtigsten Beitraumlge zur Mes-sunsicherheit koumlnnen der Tabelle 2 entnommen werden Eine detailliertere Beschreibung der Roboter und Analyse der Messunsicherheit kann [12] entnom-men werden

Bild 13 Raumlumliche Lichtstaumlrkeverteilung einer OSRAM-Wi4-Lichtstrom-Normallampe

Quantity Symbol Value Uncertainty Unit Sensitivity Contribution lm Relative contribution

Luminous responsivity 1 s1 3065E-10 9195E-13 A lxndash1 188E+12 173 000150

Luminous responsivity 2 s2 4111E-10 12333E-12 A lxndash1 143E+12 177 000153

Spectral matching exponent 1 m2 y 0021 0015 1 20 030 000026

Spectral matching exponent 2 m2 y 0036 0015 1 18 027 000023

CCT or distribution temperature T 2762 10 K 0012 012 000011

Uncertainty in r Δr 0000 00020 m 901 180 000156

Calibration factor for frequency F cFH 1000 00005 1 1141 057 000049

Calibration factor for frequency ƒ cFD 1000 00050 1 104 005 000005

Voltage to frequency converter 1 w1 f 500849 25 Hz Vndash1 0012 031 000027

Voltage to frequency converter 2 w2 f 500561 25 Hz Vndash1 00118 029 000026

Amplification gain 1 R1 g 1000E+09 99996 Ω 6223E-07 006 000005

Amplification gain 2 R2 g 9997E+08 99966 Ω 5430E-07 005 000005

Calibration factor for cmon ccm 1000 00005 1 1162 058 000050

Correction factor for stray light cstr 09995 00005 1 1134 057 000049

Luminous flux Φ 11541 327 00028

Tabelle 2 Unsicherheitsbudget

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PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4 Kurze Geschichte der Goniophotometrie in der PTB

Somit ergibt sich zurzeit eine erweiterte Mess-unsichert von 056 fuumlr k = 2 Dies entspricht etwa der Messunsicherheit welche mit dem groszligen Kardan-Goniophotometer erreichbar war Im Unterschied zum Kardan-Goniophotometer (fester Messradius) verfuumlgt das Roboter-Goniophotometer jedoch uumlber die noumltige hohe Flexibilitaumlt (z B durch Variation des Messradius) die noumltig ist um kuumlnftige Anforderungen erfuumlllen zu koumlnnen Eben diese hohe Flexibilitaumlt fuumlhrt bei der Bestimmung des Messradius zu relativ groszligen Messunsicherheiten Hier koumlnnte die Verwendung einer Lookup-Table oder eine On-Line-Verfolgung mittels Tracer-Syste-men der Bahnen diese Unsicherheit verkleinernMittlerweile ist das Roboter-Goniophotometer voll-staumlndig charakterisiert und wird fuumlr beleuchtungs-staumlrkebasierte Lichtstromkalibrierungen und auch fuumlr internationale Vergleiche eingesetzt Damit werden auch die Anforderungen (15ndash17) erfuumllltIm naumlchsten Schritt wird das Roboter-Goniopho-tometer mit Leuchtdichtemesskameras ausgeruumlstet

werden um es als bdquoNahfeld-Goniophotometerrdquo einzusetzen Es wird dann die direkte Messung der Leuchtdichteverteilung erlauben aus welcher nahezu alle noumltigen photometrischen Groumlszligen abgeleitet werden koumlnnen Dieser kuumlnftige Schritt wird dann auch den letzten Punkt (18) der Anfor-derungen erfuumlllen

3 Zusammenfassung

Die Geschichte der Goniophotometrie in der PTB uumlber einen Zeitraum von mehr als 50 Jahren wird praumlsentiert Verschiedene Goniophotometer ange-fangen vom manuell bewegten Einarm-Goniopho-tometer mit visuellem Photometer uumlber das groszlige und kleine Kardan-Goniophotometer bis hin zum bdquoState-of-the-art-Roboter-Goniophotometerldquo fuumlr das 21 Jahrhundert werden beschrieben Das Letztere hat das Potenzial in der traditionellen Betriebsart aber auch im Nahfeldmodus uumlber viele Jahre eingesetzt zu werden Neu aufkommende

Quantity Symbol Value Uncertainty Unit Sensitivity Contribution lm Relative contribution

Luminous responsivity 1 s1 3065E-10 9195E-13 A lxndash1 188E+12 173 000150

Luminous responsivity 2 s2 4111E-10 12333E-12 A lxndash1 143E+12 177 000153

Spectral matching exponent 1 m2 y 0021 0015 1 20 030 000026

Spectral matching exponent 2 m2 y 0036 0015 1 18 027 000023

CCT or distribution temperature T 2762 10 K 0012 012 000011

Uncertainty in r Δr 0000 00020 m 901 180 000156

Calibration factor for frequency F cFH 1000 00005 1 1141 057 000049

Calibration factor for frequency ƒ cFD 1000 00050 1 104 005 000005

Voltage to frequency converter 1 w1 f 500849 25 Hz Vndash1 0012 031 000027

Voltage to frequency converter 2 w2 f 500561 25 Hz Vndash1 00118 029 000026

Amplification gain 1 R1 g 1000E+09 99996 Ω 6223E-07 006 000005

Amplification gain 2 R2 g 9997E+08 99966 Ω 5430E-07 005 000005

Calibration factor for cmon ccm 1000 00005 1 1162 058 000050

Correction factor for stray light cstr 09995 00005 1 1134 057 000049

Luminous flux Φ 11541 327 00028

Φ = sdot

sdot

+ sdot sdotminus

c JJ

TT

r r c c tm

m

i i

y

strA

cm monj

0

12

1

1

( ) ∆ (( )sdot minus( ) sdotsdot sdot minus

+=

minus=sumsum

cos cosFH FD

ϑ ϑ

ϕ

1 1 10

1 11

11

1

i ii

m jj

n

i jc F c∆ sdotsdot( )sdot sdot

+

+ sdot sdot (

f

s w R

TT

r r c c tm

i i

y

1 0

1 1 1

22

2

2

( )

f g

Acm mon∆ ))sdot minus( ) sdot

sdot sdot minus sdot

+=

minus=sumsum

cos cosFH FD

ϑ ϑ

ϕ

2 2 10

1 11

22

2

i ii

m jj

n

i jc F c∆ ff

s w R

2 0

2 2 2

( )sdot sdot

f g

(24)

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PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4Das Jahr des Lichtes

Anforderungen fuumlr die Ruumlckfuumlhrung photome-trischer Einheiten wie beispielsweise im Solid-State-Lighting-Bereich koumlnnen so erfuumlllt werden

Literatur

[1] Y Ohno 1995 Realization of NIST Luminous Flux Scale Using an Integrating Sphere with an External Source CIE Proceedings 23rd Session New Delhi

[2] R Sewig 1938 Handbuch der Lichttechnik Band 1 pp 319 321 Berlin Springer Verlag

[3] D Foumlrste 1966 Zur Lichtstrommessung an Lam-pen mit ungleichmaumlszligiger Lichtverteilung PTB-Mitteilungen 166 pp 18ndash20 Braunschweig PTB

[4] D Foumlrste 1979 Ein Goniophotometer zur genauen Bestimmung des Lichtstroms Licht-Forschung 1 Jahrgang 379 pp 30ndash36 Heidelberg Huumlthig Verlag

[5] D Foumlrste 1980 Elimination des Fremdlichts bei der Lichtstrombestimmung mit dem Gonio-photometer Licht-Forschung 2 Jahrgang 180 pp 27ndash29 Heidelberg Huumlthig Verlag

[6] W Erb 1997 PTB Network for realization and maintenance of the candela Metrologia 3497 pp 115ndash124 Bristol UK

[7] G Sauter 1996 Kalibrierung von Lichtstaumlrke-Normallampen und Angabe der Messunsicherheit PTB interner Bericht Braunschweig PTB

[8] G Sauter 1996 Goniophotometry new calibra-tion method and instrument design Metrologia 32 (199596) pp 685ndash688 Bristol UK

[9] httpenwikipediaorgwikiDenavit-Hartenberg_Parameters (letzter Aufruf 03122015)

[10] M Lindemann 2009 Photometry and Colori-metry of Reference LEDs by Using a Compact Goniophotometer MAPAN ndash Journal of Metro-logy Society of India Vol 24 No 3 pp 143ndash152 New Delhi India

[11] G Bizjak 2009 Determination of Stray Light at the PTB Goniophotometer Facility MAPAN ndash Jour-nal of Metrology Society of India Vol 24 No 3 pp 163ndash173 New Delhi India

[12] M Lindemann et al 2015 Robot goniopho-tometry at PTB Metrologia 52 pp 167ndash194 Bristol UK

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PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4Das Jahr des Lichtes

1 Eine einleitende Beschreibung von Gluumlhlampen LEDs und OLEDs

Der Einsatz Licht Emittierender Dioden (LED) in der Allgemeinbeleuchtung hat in den vergangenen Jahren erheblich zugenommen Ein entscheiden-der Vorteil der LED gegenuumlber der traditionellen Gluumlhlampe liegt in ihrer uumlberlegenen Lichtaus-beute ηv ndash dem Verhaumlltnis des emittierten Licht-stroms Φv und der aufgenommenen elektrischen Leistung Pel angegeben in LumenWatt

Dieser Vorteil beruht auf den Unterschieden der zugrunde liegenden Technologien der Lichterzeu-gung beider Lampentypen Bei einer (Halogen-)Gluumlhlampe wird der Gluumlhfaden durch elektrischen Strom auf Temperaturen um 3000 K aufgeheizt Obwohl hierbei fast die gesamte elektrische Leis-tung in Strahlung umgewandelt wird ndash Verluste durch thermische Konvektion oder Waumlrmeleitung sind gering ndash kann das menschliche Auge lediglich einen geringen spektralen Anteil der ungefaumlhr 5 der Gesamtstrahlungsleistung ausmacht wahr-nehmen Der Groszligteil der Strahlungsleistung liegt im infraroten Spektralbereich und kann nicht fuumlr Beleuchtungszwecke genutzt werden In Bild 1 ist die spektrale Verteilung einer Gluumlhlampe bei einer Temperatur von 2856 K im Spektralbereich

von 300 nm bis 1200 nm dargestellt Das sichtbare Licht im Spektralbereich zwischen 360 nm und 830 nm ist mit den entsprechenden Spektralfarben hinterlegt Oberhalb 830 nm beginnt der fuumlr das menschliche Auge unsichtbare infrarote Anteil der Strahlung

Der fuumlr photometrische Messungen normativ festgelegte spektrale Hellempfindlichkeitsgrad V(λ) also die Hellempfindlichkeit des Auges eines bdquoNormalbeobachtersldquo ist mit seinem Maximum bei 555 nm schwarz eingezeichnet

Da die Gluumlhlampe eine thermische Strahlungs-quelle ist verschiebt sich mit zunehmender Tem-peratur die Lage des Strahlungsmaximums ent-sprechend des Wienschen Verschiebungsgesetzes zu kuumlrzeren Wellenlaumlngen Um die Lichtausbeute von Gluumlhlampen zu erhoumlhen muumlsste man das Strah-lungsmaximum durch Temperaturerhoumlhung in den kurzwelligeren Bereich des sichtbaren Lichts verschieben Die Maximaltemperatur ist jedoch bei Gluumlhfaumlden aus Wolfram auf etwa 3000 K begrenzt ndash bei houmlheren Temperaturen nimmt die Lebensdauer drastisch ab

Das Funktionsprinzip einer LED-Lichtquelle basiert auf dem Phaumlnomen der Elektrolumines-zenz Der prinzipielle Aufbau einer LED aumlhnelt einer pn-Halbleiterdiode Durch Anlegen einer Gleichspannung rekombinieren Ladungstraumlger in der p-n-Grenzschicht der Leuchtdiode unter Emission von Strahlung Durch gezielte Auswahl der verwendeten Halbleitermaterialien und ihrer Dotierung wird deren Bandluumlcke und somit die Farbe des emittierten Lichtes bestimmt Im Jahr 1992 gelang der Durchbruch in der Entwicklung hocheffizienter blauer LEDs die den Einsatz von LEDs zur Allgemeinbeleuchtung erst ermoumlgli-chen Die zugrunde liegenden Forschungsarbei-ten wurden 2014 mit dem Nobelpreis fuumlr Physik gewuumlrdigt [1]

Eine schmalbandige Lichtemission ist charak-teristisch fuumlr LEDs Dementsprechend verfuumlgt ihr Licht uumlber eine hohe Farbsaumlttigung Durch die Bedeckung des LED-Chips mit breitbandig pho-tolumineszierenden Farbstoffen wird ein Teil der Strahlung in energieaumlrmeres langwelligeres Licht konvertiert und es entstehen Mischfarben wie

Metrologie fuumlr moderne Lichtquellen LEDs und OLEDs Thorsten Gerloff

Thorsten Gerloff Arbeitsgruppe bdquoPhotometrieldquo EshyMail thorstengerloffptbde

Bild 1 Spektrale Verteilung einer Gluumlhlampe und spektraler Hellempfindlichkeitsgrad (V(λ)-Funktion)

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PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4 Metrologie fuumlr moderne Lichtquellen

i Infokasten LED

Lichtausbeute einer Strahlungsquelle ηv

Die Lichtausbeute einer Strahlungsquelle gibt das Verhaumlltnis aus ausgestrahltem Lichtstrom und aufgenommener elektrischer Leistung an Die Einheit ist LumenWatt (lmW) Je houmlher die Lichtausbeute ist umso energieeffizienter ist die Beleuchtung Gluumlhlampen besitzen Lichtausbeuten zwischen 10 und 20 lmW

Lichtstrom Φv

Der Lichtstrom beruumlcksichtigt den Hellempfind-lichkeitsgrad V(λ) des Auges und gibt die in alle Raumrichtungen abgegebene bdquoLichtleistungldquo einer Lampe an Der Lichtstrom enthaumllt keine Information daruumlber wie die Lampe das Licht im Raum verteilt Der Lichtstrom gibt an wie hell ein beleuchteter Raum dem Menschen erscheint

Spektraler Hellempfindlichkeitsgrad V(λ)

Der exakt definierte spektrale Hellempfindlich-keitsgrad V(λ) ist eine Bewertungsfunktion fuumlr elektromagnetische Strahlung Hiermit wird der bdquoHelligkeitseindruck eines menschlichen Durch-schnittsaugesldquo berechnet Dies ermoumlglicht den objektiven Vergleich von Lichtquellen mit physika-lischen Messmethoden Subjektive Wahrnehmun-gen einzelner Menschen koumlnnen damit nicht exakt wiedergegeben werden

Aumlhnlichste Farbtemperatur TN

Es gibt unterschiedliche Farbtemperaturen in der Photometrie Verhaumlltnis- und Verteilungstem-peratur sind nur bei thermischen Strahlern wie der Gluumlhlampe anwendbar Nur die aumlhnlichste Farbtemperatur (englisch Correlated Colour Temperature CCT) laumlsst sich fuumlr Lichtquellen mit beliebiger spektraler Zusammensetzung berech-nen sofern die Normfarbwertanteile aumlhnlich einem thermischen Strahler sind Die aumlhnlichste Farbtemperatur wird in der Einheit Kelvin (K) angegeben Sie gibt an ob das Licht warmweiszlig (ca 3000 K) neutralweiszlig (ca 4500 K) oder tages-lichtweiszlig (gt5500 K) erscheint

Normfarbwertanteile (x y)

Fuumlr die Angabe von Farbe gibt es neben dem spek-tralen Hellempfindlichkeitsgrad V(λ)noch weitere definierte Bewertungsfunktionen Hiermit laumlsst sich die Farbwahrnehmung eines fiktive Normalbeob-achters aus der gemessenen spektralen Verteilung des Lichts durch Angabe von nur zwei Werten (x und y) angeben Diese Werte geben die Koordi-naten auf der Normfarbtafel (s Abbildung) an

Normfarbtafel

Farbwiedergabeindex Ra

Der Farbwiedergabeindex ist eine Kennzahl fuumlr Lichtquellen der bewertet die Qualitaumlt der Farb-wiedergabe Je houmlher der Wert desto besser ist die Farbwiedergabe Der Maximalwert liegt bei 100 Werte zwischen 90 und 100 geben eine ausgezeich-nete Farbwiedergabe an Werte unter 80 sind fuumlr viele Anwendungen nicht ausreichend

Im Folgenden soll ein kleiner Leitfaden gegeben werden der in allgemeinverstaumlndlicher Form die grundlegenden Ideen wichtiger lichttechnischer Groumlszligen erlaumlutern soll Komplexe Details der zugrunde liegenden Normen und Definitionen werden hierbei nicht beruumlcksichtigt

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PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4Das Jahr des Lichtes

Pastellfarbtoumlne oder auch weiszliges LichtIn Bild 2 sind die spektralen Verteilungen einer

LED mit und ohne Leuchtstoff abgebildet In der linken Abbildung erkennt man die schmalbandige blaue Emission des LED-Chips In der rechten Abbildung wird ein Teil dieser Strahlung durch einen Leuchtstoff in laumlngerwelliges Licht konver-tiert und die Mischfarbe erscheint weiszlig

Der Vorteil einer LED gegenuumlber einer Gluumlh-lampe bezuumlglich der Lichtausbeute ist offensicht-lich Es wird ndash von unvermeidbarer thermischer Verlustleistung abgesehen ndash nur Strahlung im sichtbaren Wellenlaumlngenbereich emittiert Daruumlber hinaus ist die Farbe des Lichts von LEDs durch Kombination verschiedener Leuchtstoffe und LEDs nahezu beliebig einstellbar und man ist nicht auf aumlhnlichste Farbtemperaturen von ca 3000 K wie bei der Gluumlhlampe begrenzt

Allerdings gibt es auch Nachteile gegenuumlber dem Licht einer Gluumlhlampe Dem typischen Spektrum einer LED-Lichtquelle fehlen im Gegensatz zu Sonnenlicht oder Gluumlhlampenlicht einzelne Spekt-ralfarben Dies macht sich negativ bei der Qualitaumlt der Farbwiedergabe bemerkbar

Die Farbe des emittierten Lichts einer LED laumlsst sich durch additive Farbmischung sehr aumlhnlich zu Sonnenlicht oder auch Gluumlhlampenlicht einstellen Wenn jedoch Objekte mit Licht beleuchtet werden kommt es auch auf die spektrale Zusammensetzung des Lichts an Nehmen wir einen Blumenstrauszlig aus roten Rosen der im Tageslicht steht Im Son-nenlicht sind alle Spektralfarben vorhanden und diese beleuchten die Rosen Die roten Bluumltenblaumltter absorbieren einige spektrale Anteile des Lichts und reflektieren im Wesentlichen rotes Licht welches in das Auge des Betrachters faumlllt Wenn die Rosen von einer anderen Lichtquelle beleuchtet werden in der die roten Spektralanteile zumindest teilweise fehlen koumlnnen diese nicht reflektiert werden und die Farben der Rosen erscheinen unnatuumlrlich

Dies ist von weitreichender Bedeutung fuumlr die Wahl einer geeigneten Lichtquelle da wir einen Kompromiss aus Licht mit guter Farbwieder-gabe und hoher Lichtausbeute schlieszligen muumlssen Licht mit hoher Farbwiedergabe setzt sich aus moumlglichst vielen Spektralfarben zusammen und Lichtquellen mit hoher Lichtausbeute sollten nur Spektralfarben beinhalten fuumlr die das menschliche Auge besonders empfindlich ist In den Auszligenbe-zirken vieler Staumldte werden zur Nachtbeleuchtung der Gehwege haumlufig Natriumdampflampen mit orangefarbenem Licht eingesetzt Die Lichtaus-beute dieser Lampen ist mit etwa 150 lmW auszligerordentlich hoch da das menschliche Auge in diesem Spektralbereich sehr empfindlich ist Diese Beleuchtung ist jedoch ungeeignet um Farben natuumlrlich wiederzugeben Aufgrund des Aufbaus des menschlichen Auges ist es also nicht moumlglich eine Beleuchtung mit sehr hoher Qualitaumlt der Farbwiedergabe bei gleichzeitig sehr hoher Lichtausbeute zu realisieren

Weiszlige LEDs zur Allgemeinbeleuchtung nutzen in der Regel Leuchtstoffe die teilweise qualita-tiv hochwertige Farbwiedergabeeigenschaften besitzen Eine weitere Methode zur Erzeugung von weiszligem Licht ist das Mischen von rotem gruumlnem und blauem Licht (RGB-Verfahren) welches die Grundlage jedes Displays ist Hierbei sind neben weiszligem Licht auch andere Lichtfarben moumlglich ndash die Farbwiedergabeeigenschaften sind allerdings schlecht Fuumlr die Endverbraucher sind in der Regel die Farbwiedergabeeigenschaften von Lichtquellen als Ra-Werte auf der Verpackung angegeben

Organische Licht Emittierende Dioden (OLED) sind eine junge Beleuchtungstechnologie die noch keinen Zugang zum Massenmarkt erhalten hat Die weltweit erste kommerzielle OLED-Leuchte wurde 2008 vertrieben Der fuumlr den Nutzer wesentliche Unterschied zwischen OLEDs und LEDs besteht im Aufbau Der leuchtende Kristall

Bild 2 Spektrale Verteilung einer blauen LED (links) und einer weiszligen LED (rechts) bei der ein Teil des blauen Lichts zu gelbem Licht konvertiert wurde

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PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4 Metrologie fuumlr moderne Lichtquellen

anorganischer LEDs besitzt eine maximale Kan-tenlaumlnge von etwa einem Millimeter Bei OLEDs wird das Licht in groszligflaumlchigen amorphen organi-schen Schichten erzeugt Momentan sind OLEDs mit leuchtenden Flaumlchen von bis zu 20 x 20 cmsup2 erhaumlltlich Das Licht wird aumlhnlich wie bei LEDs durch Ladungstraumlgerrekombination unter Auftre-ten von Elektrolumineszenz erzeugt Dabei ist das Emissionsspektrum der verwendeten organischen Emittermaterialien wesentlich breitbandiger als das einer LED (vgl Bild 3) Daher wird das weiszlige Licht von OLEDs in der Regel durch Verwendung von roten gruumlnen und blauen Emittermaterialien erzeugt ohne dass die Farbwiedergabeeigenschaf-ten sehr stark darunter leiden

2 Entwicklung von (O)LED-Transfer-normalen in der PTB

Eine der Kernaufgaben der PTB ist die Weiter-gabe der gesetzlichen Einheiten Bis zum heuti-gen Tage bieten Transfernormale in Form von speziellen Gluumlhlampen die besten Eigenschaften um als Maszligverkoumlrperung der Einheiten Candela oder Lumen zu dienen Da der Anwender in der Regel jedoch die Substitutionsmethode bei seinen Messungen anwendet um notwendige Korrektu-ren auf ein Minimum zu reduzieren (Gleiches mit Gleichem vergleichen) sind auch Transfernormale auf Basis der LED-Technologie von Interesse

Bereits in den 80er-Jahren des vergangenen Jahr-hunderts wurden LEDs in der PTB kalibriert Diese waren fuumlr Beleuchtungszwecke noch ungeeignet und dienten lediglich als Signallampen Zeitgleich wurden die ersten PTB-LED-Transfernormale entwickelt deren optische Eigenschaften durch thermische Regelung des LED-Chips stabilisiert wurden Die mechanische Ausrichtung der LEDs leistet aufgrund des typischerweise stark gerichteten Abstrahlprofils der LEDs einen groszligen Beitrag auf die Messunsicherheit Daher werden die LEDs seit

2002 in ein rotationssymmetrisches robustes VA-Stahl-Gehaumluse eingebaut welches sich sehr repro-duzierbar ausrichten laumlsst (vgl Bild 4)

Diese Transfernormale werden unter Konstant-Strom-Bedingungen und ndash durch gezieltes Aufhei-zen des LED-Chips durch den Heizwiderstand ndash unter Konstant-Spannung-Bedingungen betrieben Aufgrund der halbleitenden Eigenschaften sinkt mit steigender Temperatur die Betriebsspannung und sowohl der Lichtstrom als auch die Peakwellenlaumlnge des emittierten Lichts veraumlndert sich Die Sollspan-nung wird auf einen Wert festgelegt der unterhalb der Gleichgewichtsspannung durch Eigenerwaumlr-mung im Betrieb ohne Heizwiderstand bei einer Umgebungstemperatur von etwa 35 degC liegt Somit ist auch ein Einsatz der Transfernormale in Laboren ohne Klimatisierung moumlglich

Fuumlr LEDs mit houmlheren Leistungen wurde im Jahr 2011 ein weiterer Prototyp eines Transfernormals vorgestellt (vgl Bild 5) Da die hier verwendeten LEDs eine houmlhere Leistungsaufnahme besitzen werden sie waumlrmer Das reduziert die Lebensdauer und Reproduzierbarkeit der photometrischen

Bild 3 Exemplarische spektrale Verteilung einer weiszligen OLED

Bild 4 Temperaturgeregeltes LED-Transfernormal auf Basis von Kleinleistungs-LEDs mit Lichtstroumlmen von bis zu 10 Lumen

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PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4Das Jahr des Lichtes

Groumlszligen deutlich Daher muumlssen sie gekuumlhlt werden Hierfuumlr kommt bei diesen Normalen ein Peltier-Element zum Einsatz welches geregelt Waumlrme in einen dahinterliegenden Kuumlhlkoumlrper leitet und hierdurch das emittierte Licht stabilisiert Diese Transfernormale zeichnen sich durch ein geringes

Gewicht bei einer Laumlnge von ca 100 mm und einem Durchmesser von etwa 20 mm aus Allerdings ist die Verwendung von LEDs mit sehr hohen Leistun-gen nicht moumlglich da die Abwaumlrme lediglich passiv an den Raum abgegeben wird Eine detaillierte Beschreibung der Eigenschaften dieses Transfer-normals wurde 2012 veroumlffentlicht [2]

Fuumlr die thermische Stabilisierung von LEDs mit sehr hohen Leistungen wurde ein weiteres Trans-fernormal unter Einsatz von Peltier-Elementen Heatpipes und aktivem Kuumlhlsystem in der PTB entwickelt (vgl Bild 6)

Im Rahmen des europaumlischen Forschungspro-jekts OLED100eu wurde in der PTB weiterhin das weltweit erste Transfernormal unter Einsatz einer organischen Leuchtdiode entwickelt (vgl Bild 7) Dieses Normal wurde fuumlr den Einsatz in einer Ulbricht-Kugel konzipiert und in ein mattes Aluminiumgehaumluse eingebaut Eine Besonderheit dieses Normals ist die Stand-Alone-Versorgungs-einheit die ohne Rechner o auml saumlmtliche relevan-ten elektrischen und thermischen Groumlszligen regelt und auf einem USB-Stick speichert

3 LED-Messtechnik in der PTB

Neben LED-Transfernormalen mit guter Reprodu-zierbarkeit ist eine hochentwickelte Messtechnik fuumlr deren Kalibrierung mit minimaler Messunsi-cherheit erforderlich

Die photometrische Beschreibung von LEDs erfolgt durch Angabe ihrer Lichtstaumlrke ILED mit der Einheit Candela und ihrem Lichtstrom ΦLED mit der Einheit Lumen Diese Groumlszligen werden in der PTB unter Verwendung ruumlckgefuumlhrter Photometer bestimmt Hierfuumlr wird die Beleuchtungsstaumlrke ELED unter definierten geometrischen Bedingungen fuumlr alle Abstrahlrichtungen der LED mit einem Goniophotometer gemessen

Fuumlr die Bestimmung der colorimetrischen Werte kommen Spektralradiometer zum Einsatz Hiermit werden spektrale Bestrahlungsstaumlrken gemessen und daraus die abgeleiteten colorime-

Bild 5 Temperaturgeregeltes LED-Transfernormal auf Basis von Hochleistungs-LEDs mit Lichtstroumlmen von bis zu 100 Lumen Im rechten Bild ist die Temperaturverteilung in Grad Celsius waumlhrend des Betriebs abgebildet

Bild 6 Temperaturgeregeltes LED-Transfernormal auf Basis von Houmlchstleistungs-LEDs mit Lichtstroumlmen von bis zu 2500 Lumen

Bild 7 Temperaturgeregeltes OLED-Transfernormal auf Basis kommerziell erhaumlltlicher OLEDs

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PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4 Metrologie fuumlr moderne Lichtquellen

trischen Kenngroumlszligen wie z B die Normfarb-wertanteile (x y) bei weiszligen LEDs die aumlhnlichste Farbtemperatur TN mit der Einheit Kelvin und bei farbigen LEDs die dominante Wellenlaumlnge λdom berechnet Grundlegende Informationen und Definitionen uumlber die photometrischen und colorimetrischen Groumlszligen und deren Messung sind in [3] [4] und [5] zu finden

In Bild 8 ist der Aufbau des LED-Messplatzes an der PTB zu sehen Fuumlr die Bestimmung der Mess-groumlszligen in alle raumlumlichen Abstrahlwinkel wird die LED durch ein Goniophotometer bewegt

Die LED wird in horizontaler Betriebslage zentrisch normal zur Referenzebene des Photo-meterkopfes ausgerichtet Ein Translationstisch ermoumlglicht dabei eine Variation des Abstandes d zwischen Photometer und LED Eine horizontale Rotationsachse (φ-Achse) und eine senkrechte Rotationsachse (ϑ-Achse) die sich an der LED-Spitze im rechten Winkel schneiden erlauben durch Drehung der LED eine Bestimmung der Beleuchtungsstaumlrke ELED in alle Raumrichtungen Beide Rotationsachsen werden waumlhrend der Messung zeitgleich bewegt Hierdurch bewegt sich die relative Position der lichtempfindlichen Emp-faumlngeroumlffnung bezuumlglich des Schnittpunkts beider Drehachsen auf der Oberflaumlche einer virtuellen Kugel entlang einer Spiralbahn von bdquoPol zu Polldquo dieser Kugel

Die Bestimmung des Lichtstroms ΦLED erfolgt analog der Beschreibung in dem Kapitel Kurze Geschichte der Goniophotometrie in der PTB Der wesentliche Unterschied zu goniophotome-trischen Messungen an Gluumlhlampen besteht darin dass bei LED-Messungen die Lichtquelle typischerweise bewegt werden kann ohne dass sich ihre optischen Eigenschaften aumlndernAufgrund des stetig wachsenden Bedarfs an ruumlck-gefuumlhrten Kalibrierungen von High-Power-LEDs sind Masse und Abmessungen der Transfernor-male erheblich gestiegen Daher wurde der Mess-platz 2015 um ein weiteres Goniophotometer fuumlr schwere und groszlige Objekte erweitert (vgl Bild 9)

Neben den photometrischen Empfaumlngern befinden sich auch Einkoppeloptiken fuumlr Spekt-ralradiometer auf dem drehbaren Empfaumlngerka-russell Alle Empfaumlnger lassen sich hiermit auto-matisiert waumlhrend einer Messung zu den LEDs ausrichten Vor jeder LED-Kalibrierung werden die Spektralradiometer bezuumlglich Ihrer spektralen Empfindlichkeit und Wellenlaumlnge kalibriert Die entsprechenden Normallampen befinden sich neben dem Empfaumlngerkarussell (vgl Bild 10) und ermoumlglichen so ebenfalls eine automatisierte Messung

Den spektralen Messungen an LEDs kommt neben der Notwendigkeit fuumlr die Bestimmung colorimetrischer Kennzahlen noch eine beson-dere Bedeutung fuumlr die photometrischen Messun-

Bild 9 Goniophotometer fuumlr photometrische Messungen an Hochleistungs-LEDs

Bild 10 Entladungslampen mit verschiedenen Gasfuumlllungen dienen der Wellenlaumlngenka-librierung der Spektrometer Im Hintergrund ist eine Bestrahlungsstaumlrke-Normal-lampe fuumlr die spektrale Empfindlichkeitskalibrierung zu sehen

Bild 8 Goniophotometer fuumlr photometrische Messungen an Kleinleistungs-LEDs

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PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4Das Jahr des Lichtes

gen zu Wie in der Einleitung erklaumlrt unterscheiden sich die spektralen Verteilungen von LEDs und Gluumlhlampen deutlich voneinander Photometerkoumlpfe bestehen in der Regel aus einer Silizium-Photodiode deren spektrale Empfindlichkeit durch den Einsatz von Glasfiltern moumlglichst gut an den Hellemp-findlichkeitsgrad V(λ) angepasst wird Aufgrund internationaler Standardisierung wird die photo-metrische Empfindlichkeit von Photometerkoumlpfen fast ausschlieszliglich fuumlr Normlichtart A kalibriert In der Praxis werden hierfuumlr Gluumlhlampen mit einer Verteilungstemperatur von 2856 K verwendet Wenn man ein solches Photometer fuumlr Messungen an anderen Gluumlhlampen verwendet sind die spektralen Verteilungen meist so aumlhnlich dass nur geringe oder gar vernachlaumlssigbare Korrekturen aufgrund der spektralen Fehlanpassung also der Abweichung der realen spektralen Empfindlichkeit des Photometers von dem Hellempfindlichkeitsgrad notwendig sind Wenn man ein solches Photometer jedoch bei LEDs insbesondere farbigen LEDs einsetzt koumlnnen die Abweichungen aufgrund der spektralen Fehlan-passung sehr groszlig werden (gt10 fuumlr hochwertige Photometerkoumlpfe sind moumlglich)

Mit Kenntnis der relativen spektralen Verteilung der Leuchtdiode SLED(λ) und der relativen spekt-ralen Empfindlichkeit srel(λ) laumlsst sich die spektrale Fehlanpassung durch folgenden Korrekturfaktor cSpek korrigieren

cV S

s S

V P T

sSpek

LED

rel LED

A

rel

d

d

d=

( ) ( )( ) ( )

( ) ( )( )

intint

intλ λ λ

λ λ λ

λ λ λ

λ

intint ( )P Tλ λ A d

P(λ TA) beschreibt Lichtart A durch das Planck-sche Strahlungsgesetz fuumlr TA = 2856 K

Eine detaillierte Auflistung und Diskussion aller zu beruumlcksichtigenden Details bei Kalibrierungen von LEDs und das dazugehoumlrige Messunsicher-heitsbudget soll an dieser Stelle nicht gegeben werden Interessierte Leser koumlnnen hierfuumlr Infor-mationen in einer fruumlheren Veroumlffentlichung [6] oder in den Ergebnissen eines internationalen Vergleichs von LED-Messungen [7] finden

Fazit und Ausblick

Der Verzicht auf LEDs ist fuumlr Beleuchtungsan-wendungen nicht mehr vorstellbar Durch ihre kontinuierliche Weiterentwicklung erobern LEDs immer weitere Anwendungsfelder (z B Haus-halts- Straszligen- und Automobilbeleuchtung) mit denen der Endkunde in Kontakt kommt Bei diesen Anwendungen sind die Anforderungen an die Lichtquellen vielfaumlltig und fuumlr eine quantitative Beschreibung ihrer Eigenschaften muss auch die Messtechnik entsprechend umfassend und ausge-reift sein

Neben dem allgemeinen Forschungs- und Ent-wicklungsbedarf fuumlr bessere LED-Messverfahren und -geraumlte die die Grundlage ihrer technologi-schen Weiterentwicklung bilden gibt es eine weitere Herausforderung Aufgrund der nahezu unbe-grenzten Moumlglichkeiten eine bestimmte Lichtfarbe durch additive Farbmischung zu erhalten sind LEDs verschiedener Hersteller mit unterschiedlichen Emissionsspektren aber einer nominell gleichen aumlhnlichsten Farbtemperatur erhaumlltlich Dennoch ist teilweise ein Unterschied der Lichtfarbe mit bloszligem Auge erkennbar wenn sich unterschiedliche LEDs nebeneinander befinden

Es ist ungewoumlhnlich dass man ohne technische Hilfsmittel nominell gleiche Lichtfarben faktisch unterscheiden kann Um die Charakterisierung von LEDs soweit zu verbessern dass dies nicht mehr moumlglich ist ist einerseits eine Reduzierung der Messunsicherheit bei der Bestimmung der Normfarbwertanteile (Lichtfarbe) notwendig Andererseits muss man sich bewusst machen dass photometrische und colorimetrische Messverfahren auf rein physikalischen Zusammenhaumlngen basieren Individuelle menschliche Wahrnehmung und Sehen werden bei photometrischen Messungen nicht beruumlcksichtigt ndash diese werden durch Festlegung von exakt definierten Wichtungsfunktionen wie dem Hellempfindlichkeitsgrad fuumlr einen fiktiven Normalbeobachter ausgegrenzt Diese Wichtungs-funktionen koumlnnen gegebenenfalls auch noch optimiert werden um die objektive Beurteilung von Lichtquellen mit physikalischen Messmethoden zu verbessern Somit gibt es auch in Zukunft noch interdisziplinaumlre Herausforderungen fuumlr die Metro-logie moderner Lichtquellen

Literatur

[1] httpwwwnobelprizeorgnobel_prizesphysicslaureates2014 (letzter Aufruf 14102015)

[2] T Gerloff M Lindemann S Shirokov M Taddeo S Pendsa A Sperling Development of a new high-power LED transfer standard CIE Proceed-ings 2012

[3] CIE S 017E 2011 ILV International Lighting Vocabulary httpeilvciecoat (letzter Aufruf 03122015)

[4] CIE 127 2007 (2nd edition) Measurement of LEDs

[5] CIE S 025E 2015 Test Method for LED Lamps LED Luminaires and LED Modules

[6] M Lindemann R Maass Photometry and Colo-rimetry of Reference LEDs by Using a Compact Goniophotometer MAPAN ndash Journal of Metrolo-gy Society of India Vol 24 No 3 2009

[7] wwwbipmorg APMPPR-S3a (Averaged LED Intensity) APMPPR-S3b (Total Luminous Flux of LEDs) APMPPR-S3c (Emitted Colour of LEDs)

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Effektpigmente hellipPTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4

Einleitung

Farbe ist fuumlr Menschen die wohl auffaumllligste sub-jektive Stoffeigenschaft Bereits den Fruumlhmenschen war diese visuelle Qualitaumlt bekannt deren Wahr-nehmung allen Primaten eigen ist So wurde 2008 in Suumldafrika eine ca 100000 Jahre alte steinzeitli-che bdquoMalerwerkstattldquo entdeckt [1] Auch heutzu-tage spielt Farbe in der Gestaltung unserer Umwelt eine wichtige Rolle Jedes Jahr praumlsentiert uns die Mode die neuen Farben der Saison Farben dienen zur Regelung des Verkehrs Ohne bunte Farben waumlre unsere Welt trist und oumlde

Es ist wichtig festzustellen dass Farbe ein physiologischer Sinneseindruck ist wie z B auch Tasten oder Riechen D h Farbe ist keine immanente physikalische Eigenschaft eines Gegenstandes wie z B seine Masse oder Waumlrme-leitfaumlhigkeit Die physiologische Wahrnehmungs-kette ist hierbei folgende Das vom betrachteten Gegenstand reflektierte Licht trifft auf das Auge und loumlst hierbei einen Farbreiz aus Dieser Farbreiz beruht auf der spektralen Zusammensetzung des empfangenen Lichts d h er ist abhaumlngig von der verwendeten Lichtquelle und dem spektralen Reflexionsvermoumlgen des betrachteten Objektes Die Anregung der licht- und farbempfindlichen Zellen in der Netzhaut fuumlhrt zu einer Farbvalenz die uumlber den Sehnerv an das Gehirn weitergeleitet wird Die eigentliche Farbempfindung die wir dann mit einem Gegenstand verknuumlpfen entsteht erst im Gehirn [2] Liegt z B eine Farbfehlsich-tigkeit vor so kann der Farbeindruck des betrof-fenen Menschen auch ein ganz anderer sein Auch viele Tiere mit ihren teilweise erheblich abweichenden visuellen Systemen nehmen Farbe ganz unterschiedlich als wir Menschen wahr Im Folgenden soll mit Farbe immer die Koumlrperfarbe auch Gegenstandsfarbe Objektfarbe bzw Oberflauml-chenfarbe genannt einer nicht selbstleuchtenden Flaumlche bezeichnet werden die durch Reflexion von Licht an einem Koumlrper entsteht

Die genannten Zusammenhaumlnge machen die mathematisch-physikalische Beschreibung von Farbe schwierig und aufwendig da auch die spe-zifischen Eigenarten der menschlichen Wahrneh-

mungskette nachgestellt werden muumlssen Diesem Umstand wird versucht uumlber die verschiedenen Farbmaszligsysteme Rechnung zu tragen welche die Farbe eines Objektes mithilfe von quantifizierba-ren Zahlenwerten kennzeichnen [3]

Generell koumlnnen farbige Flaumlchen je nach Tageszeit und Lichteinfall sehr unterschiedlich wirken Die Aumlnderungen basieren hierbei auf der unterschiedlichen spektralen Zusammenset-zung des Tageslichts und den winkelabhaumlngigen Glanz- und Struktureigenschaften von Oberflauml-chen Ganz besonders deutlich ist dies bei auf dem Interferenzeffekt basierenden Effektpigmenten der Fall Deren visuelles Erscheinungsbild im englischen mit Visual Appearance bezeichnet kann sich bei variierendem Beobachtungswinkel und unterschiedlichen Lichtverhaumlltnissen komplett veraumlndern Man spricht hierbei von sogenannten Flop-Lacken wobei man zwischen Hell-Dunkel-Flop und Farb-Flop unterscheiden kann [4]

Generell kann man sagen dass Farbe und visuelle Effekte einen entscheidenden Anteil am Verkaufserfolg eines Produktes haben denn Farben wecken Emotionen und verschiedene Neuro marketingstudien belegen dass ca 95 aller Kaufentscheidungen emotional gepraumlgt sind [5] Deshalb spielt eine moderne Farbgestaltung unter Nutzung aktueller Effektpigmente im Pro-duktdesign eine entscheidende Rolle denn durch den Einsatz solcher Pigmente kann Gegenstaumlnden eine houmlhere Attraktivitaumlt verliehen werden Daher findet man moderne Effektpigmente heutzutage in vielen teilweise sehr unterschiedlichen Indus-trieprodukten wie z B in Autolackierungen Haumluserfassaden Kosmetikartikeln oder sogar bei Pralineacutes wie dies in Bild 1 zu sehen ist

Pigmente

Als Pigmente aus dem Lateinischen kommend von pigmentum fuumlr bdquoFaumlrbestoff Schminkeldquo bezeichnet man aus Teilchen bestehende im Anwendungs-medium praktisch unloumlsliche Sub stanzen die als Farbmittel oder wegen anderer spezieller physika-lischer und chemischer Eigenschaften als funktio-nale Farbzentren verwendet werden [6]

Effektpigmente Eine Herausforderung fuumlr die optische Messtechnik

Egbert Buhr Alfred Schirmacher Andreas Houmlpe

Dr Egbert Buhr Fachbereich bdquoBildshy und Wellenoptikldquo EshyMail egbertbuhrptbde

Dr Alfred Schirmacher Arbeitsshygruppe bdquoReflexion und Transmissionldquo EshyMail alfredschirmacherptbde

Dr Andreas Houmlpe dagger ehemals Arbeitsgrupshype bdquoReflexion und Transmissionldquo

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PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4Das Jahr des Lichtes

In der Natur vorkommende anorganische Pig-mente sind schon seit praumlhistorischen Zeiten bekannt Schon die Menschen der Steinzeit benutzen mineralische Pigmente fuumlr die ersten Houmlhlenzeichnungen Sie erkannten dass sie mit unterschiedlichen Erdsorten farbig malen konnten Eisenoxidhaltige Erden liefern gelbrote bis braunrote Kalk und Gips weiszlige Mangan-oxide sowie Holz- und Knochenkohle schwarze Farbtoumlne

Aus heutiger industrieller Sicht ist ein Pigment ein fein aufgeteilter und unloumlslicher Feststoff mit der Hauptfunktion das Erscheinungsbild des verwendeten Mediums zu verbessern oder es zu faumlrben Pigmente werden dem Medium immer durch physikalisches Mischen beigegeben dies unterscheidet sie von Farbstoffen die in ihrem Medium loumlslich sind

Pigmente koumlnnen nach den optischen Prin-zipien ihrer Wechselwirkung mit Licht unter-schieden und in verschiedene Klassen eingeteilt werden Wichtige Pigmentklassen sind Weiszlig- Bunt- Schwarz- und Effektpigmente die alle wegen ihrer speziellen farbgebenden Eigenschaf-ten eingesetzt werden Bei den Effektpigmenten

kann in einer ersten vereinfachten Einteilung noch zwischen Metalleffekt- und den sogenannten speziellen Effektpigmenten unterschieden werden

Der Begriff bdquospezielle Effektpigmenteldquo umfasst die Gruppen der Perlglanzpigmente und der all-gemeinen Interferenzpigmente welche insbeson-dere bei aktuellen Pigmententwicklungen nicht scharf abgegrenzt werden koumlnnen Perlglanzpig-mente sind Effektpigmente die aus transparenten Plaumlttchen mit hohem Brechungsindex bestehen Sie erzeugen durch die spezielle Form der Mehr-fachreflexion des transmittierten Lichts an mehre-ren Pigmenten einen perlenaumlhnlichen Effekt bei dem die auftreffende Strahlung verteilt reflektiert wird wodurch der Eindruck einer mit der Tiefe abnehmenden diffusen Helligkeit entsteht Fuumlr das Auge ergibt sich so eine scheinbar dreidimen-sionale Glanzcharakteristik die aus der Tiefe des Objektes zu kommen scheint Interferenzpigmente dagegen sind Effektpigmente deren farbgebende Wirkung ganz oder vorwiegend auf dem Effekt der Vielstrahlinterferenz von Licht an duumlnnen hoch-brechenden Schichten beruht Interferenzpigmente koumlnnen dabei sowohl auf transparenten oder auch nichttransparenten Plaumlttchen basieren

Bild 1 a) Roadster mit ChromaFlairreg-Effektpigmentlackierung b) Verwaltungsgebaumlude in Braunschweig verkleidet mit Alucobondreg-spectra-colours-Verbundplatten c) Effektpigmente im Nagellack d) Pralineacute mit Effektpigmentuumlberzug

a

dc

bb

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Effektpigmente hellipPTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4

Die heute verwendeten Pigmente lassen sich somit grob in fuumlnf verschiedene Klassen einteilen

1) Weiszligpigmente Die Pigmente streuen das ge-samte auftreffende Licht nahezu verlustfrei in alle Richtungen durch diffuse ungerichtete Reflexion

2) Buntpigmente Die Pigmente streuen einen Teil des Lichtes diffus und absorbieren wellenlaumln-genselektiv einen anderen Teil des Lichtes

3) Schwarzpigmente Die Pigmente absorbieren alle Wellenlaumlngen des fuumlr das menschliche Auge sichtbaren Spektralbereiches

4) Metalleffektpigmente Die aus duumlnnen Metall-plaumlttchen vorwiegend Aluminium bestehen-den Metalleffektpigmente sind lichtundurch-laumlssig und reflektieren das gesamte auftreffende Licht durch spekulare gerichtete Reflexion Die Pigmentpartikel wirken dabei wie Mikrospie-gel und fuumlhren bei paralleler Ausrichtung im Anwendungsmedium zu einem spiegelnden Metallglanz dem Metallic-Effekt

5) Spezielle Effektpigmente Perlglanz- bzw Inter-ferenzpigmente deren optische Wirkung auf der Mehrfachreflexion an uumlberwiegend flaumlchig aus-gebildeten und ausgerichteten transparenten semitransparenten oder lichtundurchlaumlssigen Partikeln beruht

Weiszlig- Bunt- und auch Schwarzpigmente weisen typische Durchmesser im Bereich von 100 nm bis zu 1 microm auf Ihre Groumlszlige liegt damit zum Teil im Bereich der Wellenlaumlnge des sichtbaren Lichtes welches den Bereich von 380 nm bis 780 nm uumlberdeckt Einige Schwarzpigmente wie z B Ruszlig-pigmente liegen mit ihren Durchmessern jedoch auch zum Teil auch deutlich darunter Effektpig-mente besitzen dagegen Teilchendurchmesser die zumeist im Bereich von 5 microm bis 100 microm in einigen Faumlllen auch daruumlber liegen Sie sind damit bezuumlglich der mittleren Plaumlttchendurch-messer wesentlich groumlszliger als die Wellenlaumlnge des sichtbaren Lichtes Die Dicke der Plaumlttchen liegt von einigen Ausnahmen abgesehen unter 1 microm ebenso wie die Dicke der Interferenzschichten Demzufolge weisen Effektpigmente in der Regel ein hohes Aspektverhaumlltnis auf (Verhaumlltnis der lateralen Ausdehnung einer Struktur zu ihrer Houmlhe) welches bis zu 200 betragen kann

Interferenzpigmente ndash Wie die Farben entstehen

Die Farbe von Interferenzpigmenten haumlngt von der Schichtdicke der Metalloxidbeschichtung und dem Einstrahlungs- und Betrachtungswinkel ab Beide Parameter bestimmen die effektive optische Weg-

laumlngendifferenz fuumlr das einfallende weiszlige Licht zwischen oberer und unterer Grenzflaumlche und die somit auftretenden Interferenzfarben siehe Bild 3

Interferenzpigmente zeigen somit einen aus-gepraumlgten bdquoFarbflopldquo Die Winkelabhaumlngigkeit der Farbe wird hierbei auch als Goniochromasie bezeichnet Richtig bunt geht es zu wenn ein Interferenzpigment auf einen bereits bunten Untergrund aufgebracht wird Die Transparenz der Pigmente laumlsst die Untergrundfarbe durch-

Bild 2 Schematische Diagramme zum spektralen Verhalten verschiedener Pigmenttypen

Bild 3 Die Schichtdicke der Metalloxidbeschichtung und der kombinierte Einstrahlungs- und Betrachtungswinkel bestimmen die optische Weglaumlnge und somit die sich ergebenden Interferenzfarben in Reflexion und Transmission

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PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4Das Jahr des Lichtes

Bild 5 Die Effekte Spar-kling (1) und Coarseness (2) des Effektpigmentes Xirallicreg Crystal Silver in einer vergroumlszliger-ten Aufnahme auf weiszligem (links) und schwarzem Hinter-grund (rechts)

scheinen im Glanzwinkel wird sie aber von der Interferenzfarbe uumlberstrahlt wie dies in Bild 4 zu sehen ist

Der Effekt eines Helligkeitsunterschiedes unter verschiedenen Betrachtungswinkeln wird als Helligkeitsflop bezeichnet und ist an sich nichts Neues Sind jedoch die einzelnen Pigmentteilchen

aufgrund ihrer planaren Reflexionsoberflaumlchen in gerichteter Beleuchtung direkt beobachtbar was fuumlr mittlere Teilchengroumlszligen von 30 microm und groumlszliger der Fall ist so ergibt dies einen Effekt welcher mit dem Begriff Sparkle (Glitzern Funkeln) bezeichnet wird (Bild 5) Aumlndert sich die Beleuchtung von einer gerichteten Einstrahlung wie es an einem wolkenlosen sonnigen Sommertag der Fall ist hin zu einer diffusen ungerichteten Einstrahlung wie an einem stark bewoumllkten Herbsttag so verschwin-det das Sparkling der Pigmente und verwandelt sich in eine Koumlrnigkeit der Oberflaumlche Dieses optische Phaumlnomen wird als Coarseness (Bild-koumlrnigkeit) bezeichnet und ist unabhaumlngig vom Betrachtungswinkel (Bild 5)

Als neuer Archetypus des Sparkle-Begriffes haben sich in den letzten Jahren die Xirallicreg Pig-mente (High Chroma Chrystal Effect Pigments) der Firma Merck KGaA entwickelt Durch die Beschich-tung von Aluminiumoxidplaumlttchen mit hochbre-chenden Metalloxiden und einer optimierten Dicke und Ebenheit aller am Pigment beteiligten Schich-ten entstehen auszligergewoumlhnlich stark reflektierende Effektpigmente die einen besonders intensiven Sparkle-Effekt aufweisen Man spricht hierbei auch von sogenanntem Living Sparkle welcher sich in einem scheinbaren bdquoTanzenldquo der leuchtenden Punkte in der Probenoberflaumlche bei Veraumlnderung der Beobachtungsgeometrie aumluszligert [7 8]

Generell gilt dass die Farbe von Objekten mit Effektlackierung nicht mehr wie jahrzehntelang uumlblich und ausreichend mit konventionellen Farb-messgeraumlten mit nur einer festen Messgeometrie wie z B in der 45deg 0deg Geometrie (Einstrahlung unter 45deg Reflexionsmessung unter 0deg) bestimmt werden kann Dieser Umstand wird sehr gut durch die Grafik in Bild 6 illustriert Dargestellt sind die winkelabhaumlngig gemessenen Farbkoordinaten von drei verschiedenen keramischen Farbstandards der Farben rot gruumln und blau sowie eines mit dem Effektpigment Viola Fantasy der Firma Merck lackierten Blechs Der Einfallswinkel des Lichts auf die Proben betrug hierbei immer 45deg zur Oberflauml-chennormalen Das von den Proben reflektierte Licht wurde an 26 Positionen in einem 5deg Raster in planaren die Oberflaumlchennormale enthalten-den Messgeometrien im Winkelbereich von ndash70deg bis +70deg aufgenommen Bei den aus absorptiven Pigmenten bestehenden Keramiken zeigt sich eine nur sehr geringe Winkelabhaumlngigkeit der Farbe welche groumlszligtenteils auf unterschiedlicher winkelabhaumlngiger Helligkeit d h den Glanzeigen-schaften der Oberflaumlche beruht Das Effektpigment dagegen zeigt einen extremen winkelabhaumlngigen Farb-Flop (Goniochromasie) welcher einen Farbverlauf von Gruumln uumlber Rot-Gelb hin ins Blau-Violett bietet

Aber auch die neuen Lackfarben aus der Gruppe der Effektlackierungen muumlssen messtechnisch

Bild 4 Merck-Xirallicreg-Solaris-Red-Effektpigmente appliziert auf einem mit Standard-Ab-sorptionspigmenten hellblau lackierten Metallblech In Rich-tung des Glanzwin-kels auf der rechten Seite zeigt sich der langsame Aufbau der winkelabhaumlngigen Interferenzfarbe

1

Bild 6 CIELab Farbkoordinaten einer winkelabhaumlngigen Reflexionsmessung an vier verschiedenen Proben drei Keramiken der Farben rot gruumln blau und eine Effektpigmentlackierung mit Merck Colorstreamreg Viola Fantasy Das untergelegte Farbschema zeigt naumlherungsweise die den Koordinaten entsprechende Farbe

2

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Effektpigmente hellipPTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4

Abbildungsoptik Messungen der ortsaufgeloumlsten Leuchtdichte auf einer Laumlngenskala bis hinab zu 28 microm auf der zu untersuchenden Probe siehe Bild 8

Mit der Zeilenkamera sind Messungen von kompletten Reflexionsspektren im sichtbaren Spektralbereich zwischen 380 nm und 780 nm dem sogenannten V(λ)-Bereich auf einer Zeit-skala von 2 Minuten moumlglich Hieraus lassen sich dann Farbkoordinaten der untersuchten Proben in den unterschiedlichsten Farbraumsystemen berechnen Eine absolute Messung in 114 Win-kelkombinationen (siehe Bild 9) im Polarwinkel-

erfasst und ruumlckgefuumlhrt werden um eine gleich-bleibende Qualitaumlt in der Produktion gewaumlhrleis-ten zu koumlnnen Gerade diese vielfaumlltigen zusaumltz-lichen Eigenschaften stellen die Farbmesstechnik vor neue Herausforderungen

Farbmessung

Bisherige kommerzielle Farbmessgeraumlte charakte-risieren Probenoberflaumlchen fast ausschlieszliglich in den eben schon erwaumlhnten sogenannten in-plane Reflexionsgeometrien Dabei liegen die Richtun-gen des eingestrahlten und des reflektierten Lichts sowie die Oberflaumlchennormale der Probe in einer Ebene Diese Einschraumlnkung entspricht jedoch in keiner Weise der taumlglichen Realitaumlt bei der Oberflaumlchen aus beliebigen Richtungen beleuchtet und betrachtet werden Seitens der Messgeraumlteher-steller und Anwender gibt es daher einen Trend zur erweiterten Charakterisierung bezuumlglich zusaumltzlicher Winkelkombinationen im dreidimen-sionalen Raum Spitzenreiter dieser Entwicklung am Markt ist derzeit ein tragbares Mehrwinkel-Spektralphotometer mit insgesamt 19 verschie-denen Reflexionsgeometrien [9] Hiermit scheint aber auch das Ende dieser Entwicklung im Bereich der portablen handgefuumlhrten Geraumlte erreicht Der Wunsch der Anwender geht aktuell wieder zuruumlck zu einer geringeren Anzahl von Winkelkombi-nationen denn es ist unklar wie man aus dem Mehr an winkelaufgeloumlsten Reflexionsdaten die fuumlr die Charakterisierung der Farbeigenschaften relevanten Informationen gewinnen kann Daher stellt sich die Frage welches sind bdquoguteldquo d h an die Messaufgabe adaptierte optimal geeignete Messgeometrien

Um diese Frage zu beantworten betreibt die AG 424 bdquoReflexion und Transmissionldquo der PTB zwei roboterbasierte Gonioreflektometer die eine winkelaufgeloumlste Reflexionsmessung in beliebi-gen bidirektionalen Geometrien ermoumlglichen [10ndash12] Diese beiden Apparaturen sind in Bild 7 dargestellt

Das Standard-Gonioreflektometer ist hierbei das nationale Normal fuumlr die Messgroumlszlige spektraler Strahldichtefaktor in gerichteten Geometrien Es dient der Realisierung Bewahrung und Weiter-gabe der gerichteten Reflexionsskale in Form von Kalibrierungen Die zweite Apparatur bezeich-net mit dem Acronym ARGon3 (3D Appearance Robot-based Gonioreflectometer) ist ein flexibles Forschungsgeraumlt mit dem experimentelle Unter-suchungen u a im Rahmen des EMRP-Projektes Multidimensional Reflectometry for Industry der EU [13] durchgefuumlhrt werden Im Ver gleich zum Standard-Gonioreflektometer ist dieses Geraumlt mit einer photometrischen Leuchtdichteka-mera und einer Zeilenkamera ausgeruumlstet Die Leuchtdichtekamera erlaubt mit einer speziellen

Bild 7 Die beiden roboter-basierten Gonio-reflektometer der PTB oben Standard-Gonioreflektometer fuumlr Kundenkalibrie-rungen unten ARGon3-Messplatz fuumlr Forschungsanwen-dungen

Bild 8 Visualisierung desSparkling-Effektesvon Xironareg-Volcanic-Sparks-Pigmenten als Falschfarben-darstellung der ortsaufgeloumlsten LeuchtdichteDie bdquoNadelnldquo zeigendie Position derPigmente an

Bild 9 Beispielgeometrien zur Messung der winkelabhaumlngigen Reflexionseigen-schaften Realisiert wurden 4 Einstrah-lungsrichtungen (rote Pfeile) mit jeweils 114 Reflexionswinkeln (schwarze Punkte) im Bereich der Viertel-kugel oberhalb der Probenoberflaumlche

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PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4Das Jahr des Lichtes

bereich 0deg bis 70deg gleichmaumlszligig verteilt uumlber den Viertelraum oberhalb der Probe dauert hierbei ca 4 Stunden [14] Die so erhaltenen Daten bilden die Basis fuumlr kuumlnftige Verbesserungen in der Mess-technik fuumlr Anwender und Hersteller

Im Rahmen des EMRP-Projektes Multidimen-sional Reflectometry for Industry [13] sind damit die winkelabhaumlngigen Reflexionsspektren von insgesamt 66 verschiedenen Effektpigmentproben gemessen worden [15 16] Bei den vier verschie-denen Einstrahlungsrichtungen verbunden mit jeweils 114 Reflexionswinkeln im Bereich der Vier-telkugel oberhalb der Probenoberflaumlche ergeben sich somit uumlber 30000 Reflexionsspektren

Zielsetzung der Untersuchungen ist die Ver-besserung der Metrologie zur Materialcharak-terisierung mit reduzierter Messunsicherheit Dazu werden neue Messvorschriften und neue Standardmessartefakte entwickelt mit denen die Industrie die visuelle Wahrnehmung der von ihr produzierten Oberflaumlchen gezielt charakterisie-ren und kontrollieren kann Solche Messungen sollten einfach auszufuumlhren sein und die Ergeb-nisse muumlssen soweit wie moumlglich mit der visuellen menschlichen Wahrnehmung korrelieren Im europaumlischen und internationalen Rahmen sollen die Ergebnisse in die Normung einflieszligen um die allgemeine Vergleichbarkeit solcher Messungen zu gewaumlhrleisten

Literatur

[1] CS Henshilwood et al A 100000-Year-OldOchre-Processing Workshop at Blombos CaveSouth Africa Science Vol 334 No 6053 219ndash2222011

[2] Mark D Fairchild Color Appearance Models2nd Ed John Wiley amp Sons Ltd 2005

[3] Colorimetry Understanding the CIE Systemed by J Schanda Wiley-Interscience NJ 2007

[4] WR Cramer Der richtige Blickwinkel Farbe amp Lack 092006 26ndash30 2006

[5] G Zaltman How Customers Think EssentialInsights into the Mind of the Market HarvardBusiness Review Press 2003

[6] DIN ISO 18451-12015-11 Pigmente Farbstof-fe und Fuumlllstoffe ndash Begriffe ndash Teil 1 AllgemeineBegriffe

[7] WR Cramer Ohne Glimmer aber mit GlanzFarbe amp Lack 042003 132ndash136 2003

[8] WR Cramer Es glitzert wie am SternenhimmelFahrzeug + Karosserie 0412 20ndash22 2012

[9] E Kirchner W Cramer Making sense of measure-ment geometries for multi-angle spectrophotome-ters Color Res Appl Vol 37 No3 186ndash198 2012

[10] D Huumlnerhoff U Grusemann A Houmlpe Newrobot-based gonioreflectometer for measuringspectral diffuse reflection Metrologia 43 S11ndashS162006

[11] A Houmlpe D Huumlnerhoff K-O Hauer Robot-basedgonioreflectometer Industrial Robotics Program-ming Simulation and Applications Low Kin-Huat Ed Pro Literatur-Verlag Mammendorf623ndash632 2007

[12] A Houmlpe T Atamas D Huumlnerhoff S TeichertK-O Hauer ARGon3 ndash bdquo3D Appearance Robot-based Gonioreflectometerrdquo at PTB Rev SciInstrum 83(4) 045102-1ndash045102-8 2012

[13] European Metrology Research Program ProjectIND52 bdquoxD-Reflectldquo Multidimensional Reflecto-metry for Industry wwwxdreflecteu(letzter Aufruf 03122015)

[14] T Atamas K-O Hauer A Houmlpe Appearancemeasurements of goniochromatic colours Predic-ting Perceptions Proceedings of the 3rd Internati-onal Conference on Appearance 149ndash154 2012

[15] A Houmlpe A Koo FM Verdu FB LeloupG Obein et al bdquoMultidimensional reflectometryfor industryrdquo (xD-Reflect) an European researchproject Proc SPIE 9018 Measuring Modelingand Reproducing Material AppearanceSPIE-ISampT Vol 9018 901804-1ndash901804-11 2014

[16] A Houmlpe K-O Hauer S Teichert D HuumlnerhoffC Strothkaumlmper Goniochromatic and Sparkleproperties of effect pigmented samples in mul-tidimensional configuration Proc SPIE 9398Measuring Modeling and Reproducing MaterialAppearance 2015 SPIE Proc Vol 9398 Appea-rance 93980O-1ndash7 2015

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Die 50 Sitzung des Internationalen Komitees fuumlr das gesetzliche Messwesen (CIML) fand vom 20 bis 22 Oktober 2015 in Arcachon Frankreich statt Im Vorfeld der CIML-Sitzung fand ein ein-taumlgiges OIML-Seminar uumlber Countries and Econo-mies with Emerging Metrology Systems (CEEMS) statt uumlber das weiter unten berichtet wird

Das CIML ist der Lenkungsausschuss der OIML Es trifft sich jaumlhrlich und besteht aus je einem Repraumlsentanten der Mitgliedstaaten der korrespondierenden Mitglieder und den Vertre-tern internationaler und regionaler Organisa-tionen die als Beobachter teilnehmen koumlnnen Das CIML ist zustaumlndig fuumlr die Vorbereitung und Durchfuumlhrung der Entscheidungen der Konfe-renz die alle vier Jahre stattfindet Es uumlberwacht die Arbeiten der Technischen Komitees und Unterkomitees und des Internationalen Buumlros fuumlr das gesetzliche Messwesen (BIML) in Paris

An der 50 CIML-Sitzung nahmen 144 Teilneh-mer aus 43 Mitgliedstaaten und 13 korrespondie-renden Mitgliedstaaten teil Zur deutschen Dele-gation gehoumlrten neben den o g Autoren auch die Herren Johann Fischer Direktor des Landesamts fuumlr Mess- und Eichwesen Berlin-Brandenburg sowie Prof Olaf Kuumlhn Direktor des Thuumlringer Landesamts fuumlr Verbraucherschutz als Vertreter der Bundeslaumlnder Dr Peter Ulbig Leiter der Abteilung Wissenschaftlich-technische Quer-schnittsaufgaben der PTB und Prof Manfred Kochsiek Vizepraumlsident a D der PTB ehema-liger CIML-Praumlsident und Ehrenmitglied der OIML Frau Dr Anna Cypionka persoumlnliche Referentin des Praumlsidenten der PTB nahm am OIML-Seminar fuumlr CEEMS teil Vertreten waren auch wieder internationale und regionale Orga-nisationen zu denen die OIML Verbindungen unterhaumllt wie das Internationale Buumlro fuumlr Maszlig und Gewicht (BIPM) die GSO-GCC Standardiza-tion Organization (Saudi-Arabien) die Internatio-nal Laboratory Accreditation Cooperation (ILAC) und der Europaumlische Verband der Waagenherstel-ler (CECIP)

Alle Beschluumlsse der 50 CIML-Sitzung koumlnnen auf den Internetseiten der OIML aufgerufen werden [1 2]

Die wichtigsten Entscheidungen und Entwick-lungen werden nachfolgend vorgestellt

1 Personalangelegenheiten

Der Vertrag von Willem Kool als Assistant Director wurde um vier Jahre der Vertrag des BIML-Direk-tors Stephen Patoray um drei Jahre verlaumlngert

2 Einfuumlhrung des PG Workspace im Internet

In seinem Bericht im Zusammenhang mit der Etablierung des neuen Webauftritts der OIML hob der CIML-Praumlsident Peter Mason (UK) die erfolgreiche Einfuumlhrung des Workspace fuumlr Pro-jektgruppen hervor Durch die Online-Arbeit wird erwartet dass die technische Arbeit an neuen bzw zu revidierenden OIML-Dokumenten vereinfacht und insgesamt effizienter wird

3 Revision der technische Richtlinien fuumlr die OIML (B 6 Directives for OIML tech-nical work)

In einem neuen Projekt sollen die in den vergan-genen Jahren revidierten OIML-Richtlinien fuumlr die technische Arbeit erneut uumlberarbeitet werden um u a den Prozess der Entwicklung und Uumlber-arbeitung von OIML-Publikationen noch weiter zu beschleunigen und den neuen internetbasierten Technologien und Arbeitsweisen Rechnung zu tragen

4 Umfassende strukturelle Uumlberarbeitung des OIML Certificate System

Das CIML verabschiedete die Gruumlndung einer Projektgruppe mit der Aufgabe einer substan-ziellen Uumlberarbeitung des OIML-Zertifizierungs-systems das z Zt aus dem Basiszertifizierungs-system und dem MAA3 besteht Urspruumlnglich ausgehend von der Annahme die Akzeptanz des MAA-Zertifizierungssystem muumlsse verstaumlrkt werden eine groumlszligere Verbreitung finden und mehr Messgeraumltearten abdecken erscheint es

Aktuelles aus der OIML (Internationale Organisation fuumlr das Gesetzliche Messwesen)Bericht uumlber die 50 Sitzung des CIML in Arcachon FrankreichSusanne Ludwig Roman Schwartz

INTERNATIONALE ZUSAMMENARBEIT

Susanne Ludwig OIMLshyGeschaumlftsstelle der PTB EshyMail susanneludwigptbde

Dir u Prof Dr Roman Schwartz Vizepraumlsident der PTB deutsches Mitglied im Internashytionalen Komitee fuumlr das Gesetzliche Messwesen (CIML) und CIMLshyVizepraumlsishydent EshyMail romanschwartzptbde

3 Mutual Acceptance Arrangement (Abshykommen zur gegenshyseitigen Anerkennung von Bauartpruumlfungen)

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PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4Internationale Zusammenarbeit

inzwischen sinnvoller und wurde so auch vom CIML beschlossen zum 112017 ein einziges OIML-Zertifizierungssystem einzufuumlhren Eine Projektgruppe (Certification System Project Group = CSPG) unter dem Vorsitz des CIML-Vizepraumlsi-denten Dr Roman Schwartz wurde damit beauf-tragt die notwendigen Dokumente und Prozedu-ren auszuarbeiten

5 OIML-Seminar fuumlr Countries and Economies with Emerging Metrology Systems (CEEMS)

Im Vorfeld der CIML-Sitzung wurde ein eintaumlgiges Seminar zum Thema Developing an OIML Package for Assistance to Countries with Emerging Metro-logy Systems (CEEMS) abgehalten In vier Sitzun-gen diskutierten 125 Teilnehmer aus 49 Laumlndern uumlber Moumlglichkeiten Laumlnder beim Aufbau von nationalen Metrologiesystemen zu unterstuumltzen In der ersten von Frau Dr Cypionka geleiteten Sitzung Capacity Building ging es um die allge-meinen Herausforderungen bei der Gestaltung von Programmen zur Foumlrderung von Handlungs-kompetenzen und Vermittlung von Wissen fuumlr die Metrologie In zwei weiteren Sitzungen wurden unter den Themen Helping CEEMS Improve Regulation in their Markets (Leitung Prof Dr Manfred Kochsiek) und New Ideas ndash Doing Legal Metrology Differently (Leitung Stuart Carstens

Suumldafrika) konkrete inhaltliche Loumlsungsvorschlaumlge vorgestellt und diskutiert Die Ergebnisse wurden in der 50 CIML-Sitzung vorgestellt und fanden ihren Niederschlag in der Resolution Nr 201510 [2] sie sollen auch noch auf den OIML-Webseiten veroumlffentlicht werden [1]

6 OIML-Publikationen

Folgende OIML-Publikationen wurden verabschiedet

R 139-3 Compressed gaseous fuels measuring systems for vehicles Part 3 Test report format

New Recommendation (R 145) Ophthalmic instru-ments mdash Impression and applanation tonometers

Alle OIML-Publikationen stehen im Internet frei zur Verfuumlgung [3]

Gleichzeitig wurde die Revision der folgenden OIML-Publikation beschlossen

Revision of R 79 Labeling requirements for prepackages

Folgende neue Projekte wurden verabschiedet

Revision des OIML-Dokuments B 6-1 Directives for OIML technical work

Bild 1 Teilnehmer der 50 Sitzung des Internationalen Komitees fuumlr Gesetz-liches Messwesen (CIML) in Arcachon Frankreich

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PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4 Aktuelles aus der OIML

TC 8SC 1 Revision R 71 Fixed storage tanks mdash General requirements

TC 8SC 1 Revision R 85 Automatic level gauges for measuring the level of liquid in stationary storage tanks

7 Personalien und Ehrungen

Die von Dr Seiler dem ehemaligen Leiter des Fachbereichs bdquoTechnische Zusammenarbeitldquo der PTB initiierte OIML-Auszeichnung fuumlr bdquoexzel-lente Beitraumlge von Entwicklungslaumlndern zum gesetzlichen Messwesenldquo ging in diesem Jahr an

bull Nam Hyuk Lim Director of Korea Testing Certi-fication und

bull The Metrology Department Saint Lucia Bureau of Standards

Die OIML-Medaille fuumlr besondere Verdienste um die OIML-Arbeit ging an Ngo Quy Viet Vietnam und Cartaxo Reis aus Portugal

8 Termine

Ein Gastgeberland fuumlr die 51 CIML-Sitzung und 15 OIML-Konferenz im Jahr 2016 konnte noch nicht bekannt gegeben werden es wird aber wahr-scheinlich wieder Frankreich sein Weitere OIML-Veranstaltungen und -Termine finden sich auf der OIML-Webseite unter [4]

9 Literatur

[1] httpswwwoimlorgen (letzter Aufruf 19112015)

[2] httpswwwoimlorgenstructurecimlpdf50-ciml-resolutions-englishpdf (letzter Aufruf 19112015)

[3] httpswwwoimlorgenpublicationsrecommen-dationspublication_viewp_type=1ampp_status=1

[4] (letzter Aufruf 19112015)[5] httpswwwoimlorgeneventscalendar

(letzter Aufruf 19112015)

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TECHNOLOGIETRANSFER

E27-Scanner fuumlr UlbrichtkugelnMit dem besonders einfach ohne Umbau einsetzbaren E27-Scanner koumlnnen Anwender und Hersteller die Homogenitaumlt ihrer Ulbricht-kugeln bestimmen und die Ergebnisse zur Berechnung genauerer Lichtstroumlme und zur Dokumentation der Qualitaumlt ihrer Messungen nutzen

Hintergrund

Wie viel Licht eine Lampe insgesamt in alle Richtungen abstrahlt wird durch ihren Lichtstrom ausgedruumlckt Um den fuumlr die Bestimmung der Energieeffizienz von Lampen notwendigen Lichtstrom schnell zu er mitteln setzt die Lampenindustrie Ulbrichtkugeln ein An einer Stange in der Mitte der Ulbrichtkugel befindet sich eine E27-Lampen-fassung in die nacheinander die Lichtstrom-Normallampe und die zu kalibrierende Lampe eingeschraubt werden Das indirekt auf den Mess-kopf fallende Licht erzeugt einen Photostrom der im Idealfall propor-tional zu dem von der Lampe abgestrahlten Lichtstrom ist unabhaumlngig von der Richtung in die das Licht abgestrahlt wird

Dies ist jedoch bei einer ungleichmaumlszligigen Beschichtung der Kugel sowie bei einer im Laufe der Zeit nicht zu verhindernden Verstaubung nicht der Fall Deshalb wird mit einem Kugelscanner die Homogenitaumlt der Kugel regelmaumlszligig vermessen und ein Korrekturfaktor bestimmt der von der jeweiligen Abstrahlcharakteristik der zu untersuchenden Lampe abhaumlngt

Technische Beschreibung

Der Kugelscanner wird einfach in eine E27-Fassung geschraubt und das sonst fuumlr die Lampenversorgung eingesetzte Netzgeraumlt wird durch die Steuereinheit ersetzt Diese uumlbernimmt sowohl die elektrische Versor-gung als auch die Befehlsuumlbermittlung zum Kugelscanner Die Steuer-einheit wird via USB oder RS232 an einen Computer angeschlossen Das mitgelieferte Messprogramm stellt automatisiert alle gewuumlnschten Richtungen ein und speichert die zugehoumlrigen von der Steuereinheit gemessenen Photostroumlme des Photometers

Wirtschaftliche Bedeutungw

Fuumlr Lampenindustrie und Hersteller von Ulbrichtkugeln

bull Genauere Messung des Lichtstroms

bull Bestimmung des Zeitpunkts einer Neubeschichtung

bull Uumlberwachung beim Beschichten

bull Dokumentation des Zustands der Ulbrichtkugel

EntwicklungsstandDer E27-Kugelscanner wurde in der PTB entwickelt Er wird laufend fuumlr Kalibrierungen eingesetzt Die Technologie wurde an die Firma Czibula amp Grundmann transferiert und wird dort mit einer PTB-Lizenz gebaut und vertrieben wwwphoto-metercom

Ansprechpartner

Dr Bernhard SmandekBeauftragter fuumlr TechnologietransferTelefon +49 531 592shy8303Telefax +49 531 592shy69shy8303EshyMail technologietransferptbde

Dr Stefan WinterFachbereich Photometrie und Radiometrie

Abbildung des E27shyKugelscanners Eine stark fokussierende Lampe die computergesteuert in alle Richtungen leuchten kann

Vorteile

bull Schneller Einbau in E27shyFassung

bull Computergesteuertes Abscannen der gesamten Ulbrichtkugel

bull Flexible Messmoumlglichkeiten

bull Fuumlr genauere Lichtstromshymessungen

bull Wichtig fuumlr die Qualitaumltsshysicherung

PTBshyNummer 0172

wwwtechnologietransferptbde

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PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4 Technologieangebote

Ansprechpartner

Dr Bernhard SmandekBeauftragter fuumlr TechnologietransferTelefon +49 531 592shy8303Telefax +49 531 592shy69shy8303EshyMail technologietransferptbde

Dr Stefan WinterArbeitsgruppe Solarzellen

PulsshyzushyCWshyKonverter

Umwandlung gepulster Laser-Strahlung in konstante StrahlungIn weiten Bereichen der optischen Metrologie ist eine Strahlungs-quelle von groszligem Nutzen die sich spektral vom UV-C bis ins mitt-lere IR durchstimmen laumlsst Lediglich Laser mit gepulster Strahlung erfuumlllen diese Anforderung bei ausreichend groszligem Ausgangssignal bisher luumlckenlos Femtosekunden-Lasersysteme waumlren aufgrund ihrer gut automatisierbaren und spektral weiten Durchstimmbarkeit die ideale Strahlungsquelle fuumlr z B radiometrische Anwendungen ndash wenn ihre Strahlung nicht gepulst waumlre

Durch das extreme Puls-Pausen-Verhaumlltnis von 10ndash5 entstehen hohe Spitzenleistungen die wiederum zu Saumlttigungseffekten bei Detek-toren und in der Folge zu nichtlinearem Verhalten fuumlhren koumlnnen Mit dem in der PTB entwickelten Puls-zu-CW-Konverter wird dieses Problem geloumlst

Technische Beschreibung

Bei dieser Methode werden Pulse gepulster Strahlungsquellen ausrei-chend hoher Repetitionsrate in CW-Strahlung umgewandelt Dabei wird jeder Puls in viele kleine Teilpulse aufgeteilt die auf unterschiedlich langen Wegstrecken unterschiedliche Laufzeiten erfahren Am Ausgang des Systems erscheinen sie dann zeitlich gleichmaumlszligig verteilt Realisiert wird dieser Puls-zu-CW-Konverter uumlber ein Glasfaserbuumlndel bei dem jede Einzelglasfaser eine individuell festgelegte Laumlnge besitzt

Mit der Entwicklung des Puls-zu-CW-Konverters wurde das ent-scheidende Manko beim Einsatz leistungsstarker Femtosekunden(fs)-Lasersysteme im Bereich der Metrologie beseitigt und erstmalig gepulste Laserstrahlung in CW-Strahlung umgewandelt Diese Neuentwicklung ermoumlglicht es nun herkoumlmmliche Monochromatorsysteme durch fs-Lasersysteme zu ersetzen die eine bis zu 1000-mal houmlhere spektrale Ausgangsleistung besitzen

Wirtschaftliche Bedeutung

Durch den neuen Puls-zu-CW-Converter koumlnnen in wirtschaftlich bedeutenden Bereichen wie z B der Photovoltaik der Photometrie der UV-Strahlungsmesstechnik und der Reflektometrie die Referenz- und Transfernormale mit einer deutlich reduzierten Messunsicherheit kali-briert werden Hier werden bislang wesentliche Messunsicherheitsan-teile durch zu geringe Strahlungsleistungen aus herkoumlmmlichen Mono-chromatorsystemen verursacht

Entwicklungsstand

Unter DE 10 2010 011 615 B4 wurde fuumlr den CW-Konverter ein Patent erteilt

Vorteile

bull Zeitliche Glaumlttung gepulster Laserstrahlung

bull Keine stoumlrenden Interferenzen

bull Nur minimale Absorption des Messsignals

bull Auch bei kuumlrzeren Wellenshylaumlngen ohne Ulbrichtkugel verwendbar

bull Kontinuierliche Verteilung des Ausgangspulses

bull Pulsvervielfachung

bull Houmlhere Strahlungsleistung

PTBshyNummer 0254

wwwtechnologietransferptbde

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PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4Technologieangebote

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Homogenisierung von Strahlungsquellen und Focal Plane Arrays (FPA)Ein neuartiges Verfahren ermoumlglicht softwaregestuumltzt eine deutlich verbesserte Kalibrierung von Mehrelement-Sensoren (FPA) und bildgebenden Systemen (Kameras) Bei flaumlchigen Strahlungsquellen kann zusaumltzlich eine gezielte Ansteuerung von Flaumlchenelementen zu einer bisher im Allgemeinen nicht erreichbaren Flaumlchenhomogenitaumlt fuumlhren

Technische Beschreibung

Flaumlchenstrahler dienen der Kalibrierung von ortsaufloumlsenden Strah-lungssensoren wobei davon ausgegangen wird dass die Emissionsflaumlche des Strahlers im Wesentlichen homogen bezuumlglich ihrer Strahldichte bzw Strahlungstemperatur ist Um kleine Inhomogenitaumlten eines Flaumlchenstrahlers zu charakterisieren ist es ein gaumlngiges Verfahren die Emissionsflaumlche punktweise mit einem Einzeldetektor abzutasten

Das neue PTB-Verfahren ist wesentlich schneller da es den Mehr-element-Sensor (FPA) das device-under-test selbst nutzt und damit immer ein Gesamtbild der Quelle aufnimmt Werden jetzt weitere Bilder zeilen- oder spaltenversetzt aufgenommen so erlaubt ein mathema-tischer Algorithmus bei nur drei Bildern eine komplette Charakterisie-rung des Sensors aber auch der Quelle

Sind Flaumlchenelemente der Strahlungsquelle einzeln ansteuerbar so ist es sogar moumlglich mittels der ermittelten Korrekturwerte zu Strahlquellen extrem hoher Homogenitaumlt im on-line-Betrieb zu gelangen

Wirtschaftliche Bedeutung

Bildgebende Strahlungssensoren und homogene Strahlungsquellen sind relevant fuumlr die Forschung und Entwicklung fuumlr die Prozesstechnik fuumlr die Charakterisierung der Energieeffizienz von Bauten bei der Ent-wicklung neuer Bauteile mit hoher thermischer Belastung und in vielen weiteren Bereichen Der mathematische Algorithmus ist aber auf unter-schiedliche Arten von Kamerasystemen anwendbar und damit auch fuumlr die Qualitaumltssicherung von CCD-Kameras bis hin zum Konsumguuml-termarkt anwendbar EntwicklungsstandEine deutsche Patenterteilung erfolgte im September 2015 Eine PCT-Anmeldung ist anhaumlngig Kooperations- und Lizenzpartner aus den Bereichen Thermografie Radiometrie und Photometrie zur Umsetzung des Konzeptes werden gesucht

Ansprechpartner

Dr Bernhard SmandekBeauftragter fuumlr TechnologietransferTelefon +49 531 592shy8303Telefax +49 531 592shy69shy8303EshyMail technologietransferptbde

DiplshyIng Berndt GutschwagerArbeitsgruppeInfrarotshyStrahlungsthermometrie

Stahlungsmessplatz der PTB zur Kalibrierung von Temperaturstrahlern und Waumlrmebildkashymeras

Vorteile

bull Schnelle Kalibrierung von Flaumlchensensoren (FPA)

bull Schnelle Kalibrierung von Flaumlchenstrahlern

bull Strahlquellen houmlchster Hoshymogenitaumlt

bull Fuumlr Thermografie und Phoshytometrie

PTBshyNummer 00374

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Printed in Germany ISSN 0030-834X

Die fachlichen Aufsaumltze aus dieser Ausgabe der PTB-Mitteilungen sind auch online verfuumlgbar unterdoi 10779531020150499

Die Physikalisch-Technische Bundesanstalt das nationale Metrologieinstitut ist eine wissenschaftlich-technische Bundesoberbehoumlrde im Geschaumlftsbereich des Bundesministeriums fuumlr Wirtschaft und Energie

mitteilungen

Impressum

Die PTB-Mitteilungen sind metrologisches Fachjournal der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt Braunschweig und Berlin Als Fachjournal veroumlffentlichen die PTB- Mitteilungen wissenschaftliche Fachaufsaumltze zu metrologischen Themen aus den Arbeitsgebieten der PTB Die PTB-Mitteilungen stehen in einer langen Tradition die bis zu den Anfaumlngen der Physikalisch-Technischen Reichsanstalt (gegruumlndet 1887) zuruumlckreicht

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Physikalisch-Technische BundesanstaltBraunschweig und BerlinNationales Metrologieinstitut

Die Physikalisch-Technische Bundesanstalt das nationale Metrologieinstitut ist eine wissenschaftlich-technische Bundesoberbehoumlrde im Geschaumlftsbereich des Bundesministeriums fuumlr Wirtschaft und Energie

Phy

sika

lisch

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Hef

t 42

015

5

PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4 Die Candela als Maszligeinheit des Lichtes

von 1942 bis 1981 mit dem Platin-Punkt-Strahler und der Einheit Candela (cd) als unabhaumlngige Groumlszlige zu den anderen Basisgroumlszligen des SI-Systems realisiert Bei dem Platin-Punkt-Strahler handelte es sich im Uumlbrigen um einen Temperaturstrahler der den heutigen Hochtemperatur-Fixpunkt-strahlern in der Thermometrie zur Realisierung der Temperaturskala nicht unaumlhnlich war Mit staumlrker werdendem Einfluss der Radiometrie auf die Photometrie und des damit einhergehenden Wunsches die photometrische Basiseinheit direkt an die radiometrische Einheit Watt zu koppeln wurde 1979 der Beschluss gefasst die Definition der Einheit Candela von ihrer Realisierung zu trennen Seitdem gilt die DefinitionDie Candela ist die Lichtstaumlrke in einer bestimmten Richtung einer Strahlungsquelle die monochroma-tische Strahlung der Frequenz 540 THz aussendet und deren Strahlstaumlrke in dieser Richtung (1683) Watt durch Steradiant betraumlgt

Der Umrechnungsfaktor (1683) Wsrndash1 wurde hierbei vor der Umstellung der Einheit durch mehrere Messungen in den nationalen Metrolo-gieinstituten bestimmt vom Consultative Comittee for Photometry and Radiometry (CCPR) festgelegt und 1977 offiziell vom International Comittee for Weights and Measures (CIPM) uumlbernommen [1]

Diese Definition ist nicht als Realisierungsvor-schrift fuumlr die Candela gedacht Im Gegensatz zur Definition der Candela uumlber eine thermische Strahlungsquelle die als Licht aufgefasst die Wichtung der spektralen Strahlungsleistung mit der Augenempfindlichkeit automatisch einschlieszligt ist nun die Kenntnis der Augenempfindlichkeit erforderlich um aus Strahlung Licht zu machen Die Definition ist daher vielmehr als absolute Anbindung der Hellempfindlichkeitsfunktion V(λ) des menschlichen Auges an das radiometrische Watt zu verstehen War der spektrale Verlauf der Empfindlichkeit des menschlichen Auges fuumlr die Realisierung und Weitergabe der Messgroumlszlige Licht-staumlrke vor 1981 kaum von Bedeutung so wurde sie mit der neuen Definition fuumlr die Metrologie essenziell

In Luft bei n = 100028 [2] liegt die Wellen-laumlnge der in der Definition angegebene Frequenz von v = 540 middot 1012 Hz bei λ = 555016 nm Sie liegt damit sehr nahe dem Maximum der 1972 vom CIPM empfohlenen V(λ)-Funktion des photopi-schen CIE-Normalbeobachters fuumlr das Tagsehen das bei exakt λm = 555 nm liegt und definiert dort laut Definition das maximale photopische Strahlungsaumlquivalent (Index m fuumlr bdquomaximumldquo ) dort zu Km = 683002 lmWndash1 Somit wird uumlber die Candela-Definition und der tabellarisch festge-legten V(λ)-Funktion fuumlr jede Wellenlaumlnge im Definitionsbereich das wellenlaumlngenabhaumlngige photometrische Strahlungsaumlquivalent K(λ) = Km middot V(λ) eindeutig festgelegt

Neben dieser V(λ)-Funktion wurde 1951 von der CIE auch eine skotopische Empfindlichkeitsfunk-tion V ʹ (λ) fuumlr das Nachtsehen tabellarisch festge-legt und 1976 vom CIPM bestaumltigt Das Maximum dieser Funktion liegt bei λʹm = 507 nm mit einem maximalen skotopischen Strahlungsaumlquivalent von K ʹ m = 1700 lmWndash1

Der Hintergrund dieser beiden Bewertungsfunk-tionen liegt darin begruumlndet dass unser Auge in der Retina fuumlr das Sehen uumlber zwei unterschied-liche Empfaumlngersysteme die Staumlbchen und die Zapfen verfuumlgt Die Zapfen die sich noch einmal in unterschiedliche Rezeptoren aufteilen und die auch fuumlr das Farbsehen verantwortlich sind haumlufen sich insbesondere in und um die Netzhautgrube die in der optischen Achse des Auges liegt Hier werden insbesondere die achsennah auf das Auge auftreffenden Strahlen detektiert weshalb man auch vom 2deg-Beobachter spricht Zum Nachtsehen mit weit geoumlffneter Pupille tragen vor allem die deutlich empfindlicheren Staumlbchen bei die zudem in den achsenfernen Bereichen der Retina domi-nieren Die unterschiedlichen spektralen Empfind-lichkeiten von Zaumlpfchen und Staumlbchen spiegeln sich in den K(λ)- und K ʹ (λ)-Kurven (siehe Bild 2) wieder

Die hier beschriebene Verknuumlpfung der Bewer-tungsfunktionen mit der Candela-Definition ist aus der Einheitendefinition selbst nicht ersichtlich Weitergehende Informationen findet man wie fuumlr die Basiseinheiten uumlblich in der sogenannten Ausfuumlhrungsbestimmung (mise en pratique) zur Candela [3]

Betrachtet man die Leuchtdichte die vom Auge aufgenommen wird so umfasst der sko-topische Bereich Leuchtdichten bis ungefaumlhr L lt 0005 cdmndash2 und der photopische Bereich Leuchtdichten ab ungefaumlhr L gt 5 cdmndash2 Uumlber den mesopischen Zwischenbereich wurde lange Zeit keine Aussage gemacht Erst im Jahr 2010 ist auch

Bild 2 Die mesopische Hellempfindlichkeitsfunktionen Vmes(λ) fuumlr unterschiedliche Adap tionsniveaus mit deren zugehoumlrigen maximalen Strahlungsaumlquivalenzen

6

PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4Das Jahr des Lichtes

im Uumlbergangsbereich des Daumlmmerungssehens das Verhalten der Empfindlichkeit des Normalbe-obachters von der CIE festgelegt worden Je nach Leuchtdichte und damit Adaptionsniveau m des Auges wobei m = 0 dem dunkeladaptieren Auge und m = 1 dem helladaptierten Auge entspricht ergibt sich in diesem mesopischen Bereich fuumlr Leuchtdichten zwischen 0005 cdmndash2 lt L lt 5 cdmndash2 eine Hellempfindlichkeitsfunktion Vmes(λ) die sich gemaumlszlig

VM m

mV m Vmes( )( )

( ( ) ( ) ( ))λ λ λ= + minus prime1 1 (1)

aus einer Linearkombination der photopischen und skotopischen Empfindlichkeit berechnen laumlsst (siehe Bild 2) In der Abbildung sind die spektralen photometrischen Strahlungsaumlquivalenzen fuumlr eine Reihe ausgewaumlhlter Adaptionsniveaus zwischen 0 und 1 dargestellt Der Faktor M(m) ist lediglich ein Normierungsfaktor der das jeweilige Maximum von Vmes(λ) auf eins normiert

Durch die Candela-Definition werden alle Kurven der spektralen Strahlungsaumlquivalenzen im Punkt (555016 nm 683 lmWndash1) normiert Inso-fern wird klar warum in der Candela-Definition nur eine Frequenz stehen darf

In der Realitaumlt ist das Adaptionsniveau aber typischerweise nicht bekannt Das Adaptions-niveau m laumlsst sich aber aus einer gemessenen mittleren Leuchtdichte rekursiv bestimmen [4] Fuumlr reale Anwendungen z B die Auswertung von Messkamerabildern einer beleuchteten Straszlige bei Nacht reicht dies jedoch in der Regel nicht aus da bisher nicht geklaumlrt ist welche im Gesichtsfeld der Kamera (bzw des Auges) erfasste mittlere Leuchtdichte zur Berechnung eines Adaptionsniveaus hinzuzuziehen ist In einer Arbeitsgruppe des CCPR des CIPM wird derzeit an einer neuen Ausfuumlhrungsbestimmung gearbeitet die die mesopische Empfindlichkeits-funktion auch offiziell fuumlr die Anwendung in Zusammenhang mit der Einheit Candela nutzbar machtAus der Lichtstaumlrke I lassen sich alle weiteren bekannten photometrischen Einheiten herleiten So kann der Lichtstrom Φ als raumlumliches Integral uumlber eine Lichtstaumlrkeverteilung

Φ = intint I( )ϑ ϕ ϑ ϕ ϑϑ ϕ

sin d d

(2)

die Beleuchtungsstaumlrke E als Dichte des Licht-stroms der auf eine Flaumlche A auftrifft

E A= d dΦ (3)

und die Leuchtdichte L als Dichte des Lichtstroms in einem ausgestrahlten Buumlndel G

L G= d dΦ (4)

mit G AA

= intint cos d d

α ΩΩ

(5)

dargestellt werden wobei α hier den Winkel zwi-schen der Richtung des Buumlndels und der Flaumlchen-normalen der Quelle beschreibt

Die Beleuchtungsstaumlrke nimmt hierbei eine besondere Stellung ein da sich jede photomet-rische Messung im Prinzip auf die Messung des Photostroms i eines Empfaumlngers zuruumlckfuumlhren laumlsst der der mittleren Beleuchtungsstaumlrke Endash

auf seiner Oberflaumlche A0 proportional ist Die Beleuchtungsstaumlrke kann hierbei immer als integrale Wichtung der spektralen Empfindlichkeit s(λ) = s0srel(λ) des Empfaumlngers mit der relativen spektralen Strahlungsverteilung S(λ) = dΦ(λ)dλ der Quelle verstanden werden

E iKA s

S V

S s

m= sdot

( ) ( )

( ) ( )

infin

infin

int

intm

rel

d

d0 0

0

0

λ λ λ

λ λ λ

(6)

Die Geometrie des Strahlengangs von der Quelle bis zur Empfaumlngeroberflaumlche die beim Mess-prozess in das Modell der Auswertung eingeht bestimmt hierbei welche photometrische Groumlszlige gemessen wird Der Faktor hinter dem Photostrom in (6) beschreibt die photometrische Empfind-lichkeit sv eines Photometers die im Allgemeinen keine Konstante ist sondern vom Spektrum der Lichtquelle S(λ) abhaumlngt Um einem Photome-ter trotzdem einen eindeutigen Kalibrierwert zuzuordnen hat man sich darauf verstaumlndigt die Empfindlichkeit bezogen auf die Strahlungsfunk-tion eines Planckschen Strahlers P(TA λ) bei einer Temperatur TA = 2856 K die auch als Normlicht-art A bezeichnet wird anzugeben

Da bei einer realen Messung weder die spektrale Empfindlichkeit des verwendeten Photometers ideal an eine der Bewertungsfunktionen V(λ ) Vʹ(λ ) oder Vmes(λ) angepasst ist noch die betrach-tete Lichtquelle einem Planckschen Strahler entspricht sind gewonnene Messwerte immer uumlber eine spektrale Fehlanpassungskorrektur CCF gemaumlszlig

CCF

S V

S s

P T V

P T s

=

( ) ( )

( ) ( )

( ) ( )

( )

infin

infin

infin

int

int

intλ λ λ

λ λ λ

λ λ λ

λ

d

d

d0

0

0

rel

A

A r

eel λ λ( )infin

int d0

(7)

zu korrigieren wobei hier V(λ) in (7) stellvertre-

7

PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4 Die Candela als Maszligeinheit des Lichtes

tend fuumlr die benoumltigte Bewertungsfunktion steht Waren die erforderlichen Korrekturen bei Gluumlh-lampenbeleuchtung klein so koumlnnen Sie je nach Guumlte der spektralen Anpassung des verwendeten Photometers bei modernen LED-Lichtquellen durchaus im zweistelligen Prozentbereich sein Aus diesem Grunde diskutiert man im internati-onalen Rahmen die Einfuumlhrung weiterer Norm-lichtarten fuumlr LED-Lichtquellen [5]

Alternativ besteht immer auch die Moumlglichkeit das Spektrum direkt absolut und spektral aufgeloumlst zu messen und die photometrischen Bewertungs-funktionen rein rechnerisch zu beruumlcksichtigen Die hierzu infrage kommenden Systeme sind aber in der Regel teuer und bezuumlglich ihrer Robustheit und Stabilitaumlt fuumlr viele Anwendungen noch nicht ausreichend Regelmaumlszligig werden leider die Mess-unsicherheiten derartiger System unterschaumltzt was auch daran liegt dass aufgrund der komplexeren Messtechnik zusaumltzliche Unsicherheitsbeitraumlge (z B durch Bandpasseigenschaften und Streu-licht) die dem Anwender oft nicht zugaumlnglich sind bei der absoluten Bestimmung photomet-rischer Groumlszligen mithilfe von Spektroradiometern beruumlcksichtigt werden muumlssen

Unverzichtbar und mittlerweile marktbestim-mend sind jedoch spektral aufloumlsende Geraumlte wie Array-Spektroradiometer dort wo nur relative Messwerte wie z B bei der Bestimmung der Farbe von Licht bzw der Farbe von reflektiertem Licht benoumltigt werden

Bei der Bestimmung von Farbe geht es um die Bestimmung des Verhaumlltnisses von spektralen Strahlungsfunktionen die mit den Normspektral-wertfunktionen x y z( ) ( ) ( )λ λ λ bewertet werden wobei y( )λ mit V(λ) identisch ist Insofern ist auch die Farbmesstechnik an die Photometrie gekoppelt

Da es sich bei den farbmetrischen Groumlszligen um Eigenschaften handelt die durch Verhaumlltnismes-sungen gewonnen werden spricht man hier auch von farbmetrischen Kennzahlen und nicht von Einheiten Nichtsdestotrotz haben eben solche farbmetrischen Kennzahlen wie die Normfarb-wertanteile (x y) oder der Farbwiedergabeindex Ra (engl CRI colour rendering index) seit Einfuumlh-rung von modernen Lichtquellen eine besondere Bedeutung erhalten da z B mit LED-Lichtquellen im Prinzip sehr unterschiedliche Lichtfarben und Farbwiedergaben hergestellt werden koumlnnen Die Tatsache dass es sich bdquonurldquo um Kennzahlen handelt heiszligt jedoch nicht dass die Messungen messtechnisch einfach sind Genau das Gegenteil ist der Fall da fuumlr die Bestimmung der Farborte die steilen Flanken der Normalspektralwertfunk-tionen mit den Strahlungsfunktionen der Quellen gewichtet werden muumlssen die wie bei LEDs typisch auch spektral sehr steile Flanken aufwei-sen koumlnnen Unsicherheiten in der Bestimmung

der Strahlungsfunktion fuumlhren hier schnell zu groszligen Unsicherheitsbeitraumlgen in der Bestimmung des Farbortes Hier kann die PTB als Nationales Metrologieinstitut die Wuumlnsche nach den kleinen Messunsicherheiten wie sie von Herstellern sowie von Mess- und Kalibrierlaborartorien gefordert werden zurzeit noch nicht im vollen Umfang erfuumlllen

In der Vergangenheit wurden bei Testergebnis-sen haumlufig sowohl fuumlr photometrische Messwerte als auch fuumlr Kennzahlen in der Farbmesstechnik keine Messunsicherheiten angegeben Auch wurde deren Wirkung bei der Angabe von Toleranzen nicht immer adaumlquat beruumlcksichtig Fuumlr die Messung von LED-Lichtquellen wurde mit der in diesem Jahr veroumlffentlichten europaumlischen Norm DIN EN 13032-42015 [6] die uumlber die Commis-sion Internationale de lrsquoEacuteclairage Internationale Beleuchtungskommission (CIE) auch als internati-onaler Standard CIE S025 [7] veroumlffentlicht wurde ein erster Schritt in die Richtung gegangen auch fuumlr die Ergebnisse von Testverfahren die Angabe ruumlckfuumlhrbarer Messunsicherheiten zu fordern und diese bei Toleranzangaben zu beruumlcksichtigen

Dieser Vorstoszlig in der LED-Messtechnik wird sicherlich in Zukunft auch auf andere Anwen-dungsnormen zur Bewertung von Licht und Farbe von leuchtenden und nicht selbstleuchtenden Quellen einwirken Fuumlr die Weitergabe von Mes-sunsicherheiten auf dieser Ebene des Messwesens werden die nationalen Metrologieinstitute und die akkreditierten Kalibrierlabore gefordert sein die Industrie mit geeigneten applikationsnahen Trans-ferstandards zu unterstuumltzen

Literatur[1] Comptes Rendus de la 16e CGPM (1979) 1980

p100[2] WR Blevin Corrections in Optical Pyrometry

and Photometry for the Refractive Index of AirMetrologia 8 146ndash147 1972

[3] SI Brochure Appendix 2 Practical realization ofthe definition of the candela httpwwwbipmorgutilsenpdfSIApp2_cd_enpdf(letzter Aufruf 03122015)

[4] CIE 1912010 Recommended System for MesopicPhotometry Based on Visual Performance

[5] T Pulli et al Advantages of white LED lampsand new detector technology in photometryLight Science amp Applications (2015) 4 e332

[6] EN 13032-42015 Light and lighting ndash Mea-surement and presentation of photometricdata of lamps and luminaires ndash Part 4 LEDlight sources and luminaires

[7] CIE S0252015 Test Methods for LED Lampsndash LED Luminaires and LED Modules

8

Das Jahr des Lichtes PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4

Aufgrund der herausragenden Bedeutung des Lichts und des Sehens fuumlr die Interaktion des Menschen mit seiner Umwelt wurde die Candela als Einheit der Lichtstaumlrke in den Rang einer SI-Basis einheit gehoben Die Mehrzahl der Basiseinheiten sind uumlber physikalische Zusammenhaumlnge miteinander verknuumlpft und muumlssen entsprechend Ihrer Defini-tion realisiert und in den meisten Faumlllen auf andere Einheiten ruumlckgefuumlhrt werden In diesem Artikel wird die bdquometrologische Herkunftldquo der Candela im Stammbaum der Einheiten beschrieben

Definition der Candela

Im internationalen Einheitensystem (Systegraveme International drsquoUniteacutes abgekuumlrzt SI) ist die Candela wie folgt definiert

Die Candela ist die Lichtstaumlrke in einer bestimmten Richtung einer Strahlungsquelle die monochro-matische Strahlung der Frequenz 540 times 1012 Hz aussendet und deren Strahlstaumlrke in dieser Richtung (1683) Watt durch Steradiant betraumlgt

Hierbei handelt es sich um die exakte physika-lische Definition fuumlr die Lichtstaumlrke Nun besteht Licht jedoch praktisch nie nur aus Strahlung dieser Wellenlaumlnge weshalb die Definition um eine prak-tische Realisierung ergaumlnzt ist Denn es ist das Ziel der Photometrie Licht so zu messen dass die Mess-ergebnisse weitestgehend mit der visuellen Wahr-nehmung eines menschlichen Beobachters korre-liert sind Hierfuumlr wurden zwei spezielle Funktionen V(λ) und V ʹ(λ) [1] eingefuumlhrt die die relative spektrale Empfindlichkeit eines durchschnittlichen menschlichen Auges fuumlr photopisches (hell-adaptiertes) und skotopisches (dunkel-adaptiertes) Sehen beschreiben Die wichtigere der beiden Funktionen die V(λ) Funktion fuumlr hell-adaptiertes Sehen ist bei der Wellenlaumlnge auf eins normiert bei der das Auge die houmlchste Empfindlichkeit besitzt (555 nm) Mit dieser Definition lassen sich pho-tometrische Groumlszligen durch Bewertung der ent-sprechenden spektroradiometrischen Groumlszligen mit V(λ) und Multiplikation mit dem Maximalwert des Strahlungsaumlquivalents Km = 683 lmW berechnen

Die Lichtstaumlrke Iv ist durch das photometri-sche Grundgesetz mit der Beleuchtungsstaumlrke Ev verknuumlpft

IE d

vv=sdot 2

0ΩΩ0 = 1sr (1)

wobei d den Abstand zur Lichtquelle und Ω0 einen Raumwinkel von 1 sr bezeichnet Zur praktischen Bestimmung der Beleuchtungs-staumlrke verwendet man ein Photometer welches eine spektrale Bestrahlungsstaumlrke-Empfindlichkeit s(λ) besitzt deren relativer Verlauf idealerweise der V(λ)-Funktion entspricht und dessen Signal y proportional zu der Beleuchtungsstaumlrke ist Bei dem Proportionalitaumltsfaktor handelt es sich um die photometrische Empfindlichkeit sv des Photome-ters fuumlr die gemessene Lichtquelle

y s E= sdotv v (2)

Druumlckt man nun die Beleuchtungsstaumlrke Ev durch spektroradiometrische Groumlszligen aus so ergibt sich Ev aus der spektralen Bestrahlungsstaumlrke Eλ(λ)

E K E Vv m d= sdot sdot sdotinfin

int0 λ λ λ λ( ) ( ) (3)

Aus der spektralen Bestrahlungsstaumlrke Eλ(λ) und der spektralen Bestrahlungsstaumlrke-Empfindlichkeit des Photometers s(λ) ergibt sich das Signal y des Photometers

y E s= sdot sdotinfin

int λ λ λ λ( ) ( ) d0

(4)

Fuumlgt man die Formeln (2) bis (4) in (1) ein so ergibt sich fuumlr die Lichtstaumlrke

I y dK E V

E sv = sdot sdot

sdot sdot sdot

sdot sdot

infin

infinintint

2

0

0

0

Ω

m d

d

λ

λ

λ λ λ

λ λ λ

( ) ( )

( ) ( ) (5)

Aus dieser Formel laumlsst sich ablesen welche Groumlszligen fuumlr die Ruumlckfuumlhrung der Lichtstaumlrke bestimmt werden muumlssen Fuumlr die Ruumlckfuumlhrung

Detlef Lindner Arshybeits gruppe bdquoPhotoshymetrieldquo EshyMail detleflindnerptbde

Dr Stefan Winter Arbeitsgruppe bdquoSolarzellenldquo EshyMail stefanwinterptbde

Ruumlckfuumlhrung in der Photometrie ndash die Realisierung und Ruumlckfuumlhrung der Candela

Detlef Lindner Stefan Winter

9

Ruumlckfuumlhrung in der Photometrie hellipPTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4

der Candela wird das Signal y eines Photometers bestimmt welches sich in einem Abstand d von einer Lichtquelle entfernt befindet Von dem Pho-tometer muss die absolute spektrale Empfindlich-keit s(λ) bekannt sein und von der Lichtquelle die spektrale Bestrahlungsstaumlrke Eλ (λ)

In den naumlchsten drei Abschnitten wird das eigentliche Experiment zur Realisierung der Candela beschrieben dann das Verfahren zur Kalibrierung von Photometern und als letztes die Ruumlckfuumlhrung der spektralen Bestrahlungsstaumlrke Damit sind alle Groumlszligen zur Bestimmung der Candela bekannt Im letzten Abschnitt wird dann uumlber die abgeleiteten Groumlszligen Beleuchtungsstaumlrke und Leuchtdichte berichtet

Realisierung der Candela

Die Lichtstaumlrke Iv laumlsst sich durch Verwendung der Gleichungen (1) und (3) in die folgende Form bringen

I K d E Vv m d= sdot sdot sdot sdotinfin

int2

0 0Ω λ λ λ λ( ) ( ) (6)

Die spektrale Empfindlichkeit s(λ) eines Photo-meters laumlsst sich als Produkt aus einer absoluten Empfindlichkeit s(λ0) und einer relativen Emp-findlichkeit sr(λ) darstellen

s s s( ) ( ) ( )λ λ λ= sdot0 r mit sr ( ) λ0 1= (7)

Damit ergibt sich fuumlr das Ausgangssignal y dieses Photometers gemaumlszlig Gleichung (4)

y s E s= sdot sdot sdotinfin

int( ) ( ) ( ) λ λ λ λλ00

r d (8)

Ebenso laumlsst sich die spektrale Bestrahlungsstaumlrke einer Lichtquelle als Produkt aus einer absoluten und relativen Bestrahlungsstaumlrke schreiben

E E Eλ λλ λ λ( ) ( ) ( )= sdot0 r mit Er ( ) λ0 1= (9)

In der PTB werden zur Realisierung der Candela Gluumlhlampen verwendet deren relative spektrale Bestrahlungsstaumlrke Er (λ0) durch eine Strahlungs-funktion S (λT) ersetzt wird der eine Verteilungs-temperatur T zugeordnet werden kann [2] Befin-det sich die Lampe auszligerhalb der photometrischen Grenzentfernung im Abstand d zum Photome-terkopf und beleuchtet dessen Lichteintrittsflaumlche senkrecht so ergibt sich aus Gleichung (5) ihre Lichtstaumlrke Iv (T)

Die Anpassungskorrektur F (T) ist eine Funktion der Verteilungstemperatur T die den Photo-strom so korrigiert als waumlre mit einem ideal an V (λ)-angepassten Photometerkopf gemessen worden [3] In der Praxis ist die Anpassungskor-rektur meist eine monotone Funktion der Vertei-lungstemperatur und kann z B durch ein logarith-misches Polynom ersten Grades hinreichend gut angenaumlhert werden

F TS T V

S T sa T

m

( )( ) ( )

( ) ( )=

sdot sdot

sdot sdotcong sdot

infin

infinintint

λ λ λ

λ λ λ

d

d Kr

0

0

2856

(11)

Der Koeffizient a gibt den Wert der Anpassungs-korrektur fuumlr Normlichtart A (bei T = 2856 K) an da hier die Klammer den Wert eins hat Den Verlauf der Funktion mit der Verteilungstempera-tur beschreibt die Klammer mit dem Anpassungs-index m als Exponenten der somit eine charakte-ristische Groumlszlige eines Photometerkopfes ist Eine weitere Charakterisierung ist seine photometrische Empfindlichkeit sv

1

0sK asv

m=sdot

( )

λ(12)

Aus den Gleichungen (10) bis (12) folgt die in der Arbeitsgruppe bdquoPhotometrieldquo der PTB fuumlr die Realisierung der Lichtstaumlrke-Einheit grundlegende Beziehung

I T d y Ts

Tm

v ( ) ( ) = sdot sdot

2

0 2856Ω v K (13)

Demnach muumlssen neben dem Photostrom y(T) folgende Groumlszligen bekannt sein

bull die photometrische Empfindlichkeit sv desPhotometerkopfes

bull der Anpassungsindex m zur Korrektur derspektralen Fehlanpassung

bull der Wert der Verteilungstemperatur T der ver-wendeten Lichtquelle

bull der Abstand d zwischen Lichtquelle undPhotometerkopf

Die Einheit der Lichtstaumlrke wird an der PTB

I T y d Ks

S T V

S T syv

m

r

d

d( ) = sdot sdot

( )sdot sdot

sdot sdot= sdot

infin

infinintint

2

0 0

0

0

Ω λ

λ λ λ

λ λ λ

( ) ( )

( ) ( )

dd Ks

F T2

0 0Ωsdot( ) ( )m

λ (10)

10

Das Jahr des Lichtes PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4

repraumlsentiert und bewahrt durch eine Gruppe von 17 hochstabilen Gluumlhlampen (Typ Toshiba 5 A 10 V 15 cd) deren Strahlungsfunktionen der eines Hohlraumstrahlers von 2042 K sehr aumlhnlich sindDie Gesamtmessunsicherheit einer Realisierung der Lichtstaumlrke-Einheit in der PTB beim Vertrau-ensniveau k = 2 berechnet sich so zu 04

Gluumlhlampen altern praktisch nur waumlhrend ihrer Brennzeit demgegenuumlber koumlnnen Photometer ihre Eigenschaften unabhaumlngig vom Gebrauch veraumlndern Bild 2 verdeutlicht diesen Sachverhalt Deshalb sollten photometrische Einheiten mit Normallampen verkoumlrpert und bewahrt werden

sie dienen zum Kalibrieren von Photometern Kalibrierte Photometer sollten dagegen vorzugs-weise als Transfernormale verwendet werden

Weitergabe der Lichtstaumlrke-Einheit

Als Lichtstaumlrkenormale werden speziell gefertigte Gluumlhlampen mit besonderen optischen geometri-schen und elektrischen Eigenschaften verwendet z B die Lampe Typ OSRAM WI41G Bild 3 zeigtschematisch eine solche Lampe die zur Reduzie-rung der mechanischen Justierunsicherheit miteinem Spezialsockel der PTB ausgestattet wurdeZur Weitergabe der Lichtstaumlrke-Einheit werdenGruppen solcher Lampen als Lichtstaumlrkenormaleverwendet wobei auf Verteilungstemperaturenzwischen 2000 K und 2856 K eingestellt werdenkann siehe Bild 3 unten

In der PTB erfolgt die Bestimmung der Lichtstaumlrke Iv(T) einer Lampe durch den Vergleich mit der Lichtstaumlrke Iv(TR) eines nationalen Normals mit einer Verteilungstemperatur TR und mithilfe eines an V(λ)-angepassten Photometers mit den zugehouml-renden Photostroumlmen y(T) und y(TR)

Bild 1 Kameragestuumltzte mechanische Ausrichtung einer Lichtstaumlrke-Normallampe an derPhotometerbank Quelle PTB

0990

0992

0994

0996

0998

1000

1002

0 5 10 15 20 25

Rel Werte

Brennzeith

Bild 2 Alterungsverhalten von Lampen und Photometern Links schematisch rechts reales Alterungsver-halten einer Lampe im Betrieb rot Strom blau Spannung gruumln Lichtstaumlrke

Bild 3 Lichtstaumlrke-Normallampe WI41G mit PTB-Spezialsockel (oben) sowie verschiedene Lichtstaumlrke-Normallampen-gruppen zur Bewahrung und Weitergabe der Lichtstaumlrke-Einheit (unten)

11

Ruumlckfuumlhrung in der Photometrie hellipPTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4

I T I T y Ty T

TT

m

v v RR R

( ) ( ) ( )( )

= sdot sdot

(14)

Lichtstaumlrke-Normallampen

Die von der PTB in Kalibrierscheinen angegebe-nen Werte fuumlr die photometrischen Groumlszligen bezie-hen sich immer auf einen definierten Betriebszu-stand der Lampe Ihr momentaner Betriebszustand wird dagegen wesentlich bestimmt durch

bull die Zeitspanne seit dem Einschalten

bull die Betriebszustaumlnde bei fruumlheren Brennvor-gaumlngen und deren Dauer

bull die Eigenschaften der verwendetenMessapparatur

Zur Weitergabe der Lichtstaumlrke-Einheit werden zumeist Lampen des Typs WI41G verwendet Einige charakteristische Eigenschaften dieses Lam-pentyps werden nachfolgend angegeben - Kurzzeitstabilitaumlt ∆I Iv v le sdot minus2 10 4

- mechanische Justierunsicherheitfuumlr Lampe mit E27-Sockel ∆I Iv v le sdot minus2 10 3 fuumlr Lampe mit Spezialsockel ∆I Iv v le sdot minus4 10 4

- photometrisches Signal Alterung je Brennstundebzw Rauschen (siehe folgendes Bild 4)

- Richtungsabhaumlngigkeit der Lichtstaumlrke beiDrehung um die vertikale und horizontale Achse in der Leuchtkoumlrperebene Abhaumlngigkeit uumlberwiegend bei Drehung um die horizontale Achse fuumlr beide Winkel sollte der Justierfehler 1deg nicht uumlbersteigen

Bei der Weitergabe der Einheiten der gerich-teten Photometrie macht man sich das Moni-torverfahren zunutze D h der aktuelle photo-metrische Betriebszustand von Lichtstaumlrke- und Leuchtdichte normalen wird durch geeignete Monitortechniken kontrolliert Dafuumlr werden spe-ziell konstruierte Monitorphotometer eingesetzt (siehe folgendes Bild 5)

Die Signale der Monitorphotometer werden synchron mit den Referenz- bzw Testphotometern ausgelesen und dokumentieren so die bdquoEinbrenn-phaseldquo bzw die Stabilitaumlt des photometrischen Signals waumlhrend der Messablaumlufe und dienen gegebenenfalls zur Korrektur

Kalibrierung von Photometern

Bei der Kalibrierung von Photometern wird deren absolute spektrale Bestrahlungsstaumlrke-Empfindlich-keit vom UV bis ins nahe Infrarot bestimmt Dabei wird das Photometer im quasi monochromatischen homogenen Strahlungsfeld bekannter Bestrahlungs-staumlrke vollstaumlndig uumlberstrahlt und die sich dabei ergebende Stromstaumlrke gemessen Der Quotient aus Stromstaumlrke und Bestrahlungsstaumlrke bei der einge-stellten Wellenlaumlnge ergibt die spektrale Bestrah-lungsstaumlrke-Empfindlichkeit s(λ) Diese Messung wird alle 5 nm von 360 nm bis mindestens 830 nm durchgefuumlhrt und ergibt dann einen Kurvenverlauf der bei guten Photometern der oben beschriebenen V(λ)-Funktion sehr nahe kommt

Aus der experimentell bestimmten spektralen Bestrahlungsstaumlrke-Empfindlichkeit s(λ) laumlsst sich nun mithilfe tabellarisch definierter Groumlszligen (Normlichtart A S(λ 2856 K) V(λ)-Funktion und dem Maximalwert des Strahlungsaumlquivalents Km) die in Formel (2) eingefuumlhrte photometrische Empfindlichkeit sv des Photometers zusammen mit Formeln (3) und (4) berechnen

sS s

K S Vv

m

d

d=

sdot sdot

sdot sdot

infin

infinintint

( ) ( )

( ) ( )

λ λ λ

λ λ λ

2856

2856

0

0

K

K (15)

Ebenso laumlsst sich nun nach Formel (11) die Anpas-sungskorrektur F(T) direkt berechnen

2300 2500 2700 T K 2900 1

2

3

4

Alterung je Brennstunde

Rauschen ∆YY104

Photometrisches Signal

2856 K

Bild 4 Alterung je Brennstunde bzw Rauschen des photometri-schen Signals

Bild 5 Monitor-Photometer zur Uumlberwachung bzw Korrektur der Stabilitaumlt bei Messungen in der gerichteten Photometrie

Monitor-Photometer

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Das Jahr des Lichtes PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4

Experimentell wird die spektrale Bestrahlungs-staumlrke traditionell mit einem Monochromator-messplatz wie dem DSR-Messplatz ermittelt Dieser sondert aus einem Xenonlampenspektrum oder einem Gluumlhlampenspektrum einen schma-len Wellenlaumlngenbereich aus der dann fuumlr die Bestimmung der spektralen Empfindlichkeit bei seiner Schwerpunktwellenlaumlnge benutzt wird Besonders wichtig ist dabei dass der genaue Wert der Schwerpunktwellenlaumlnge bekannt ist und dass die ausgesonderte Strahlung ein sehr homogenes Strahlungsfeld erzeugt Entscheidend dafuumlr ist der geschickte und wellenlaumlngenabhaumlngige Aufbau der Eingangs- und Ausgangsoptik mit mehreren Linsen

Lampenbasierte Monochromatormessplaumltze haben jedoch einen entscheidenden Nachteil Ihre maximale Leistung betraumlgt typisch nur 100 microW Deshalb muumlssen mehrere Kompromisse bei der Messung eingegangen werden Die Messung muss verhaumlltnismaumlszligig dicht hinter dem Messplatz durch-gefuumlhrt werden wo sich die Bestrahlungsstaumlrke noch stark mit dem Abstand aumlndert und inhomoge-ner als im Fernfeld ist Je spektral reiner die Strah-lung eingestellt wird umso weniger Strahlungs-leistung passiert den Monochromator sodass auch hier wieder ein Kompromiss eingegangen werden muss Trotz der Kompromisse ist der Wellenlaumln-genbereich in dem die spektrale Empfindlichkeit bestimmt werden kann oft auf 400 nm bis 750 nm beschraumlnkt also auf den Bereich bei dem die spekt-rale Empfindlichkeit noch ausreichend hoch ist

Deshalb wurde ein neuer laserbasierter Messplatz aufgebaut (s Bild 6) Dieser erzeugt ein 100- bis 10000-mal kraumlftigeres Strahlungsfeld (s Bild 7) Zudem erlaubt der Messplatz die Bestimmung der Winkelabhaumlngigkeit von Photometern sowie die Messung des spektralen Temperaturkoeffizienten von ndash70 degC bis 180 degC Es koumlnnen mit dem laser-basierten Messplatz selbst unempfindliche Photo-meter in einem deutlich groumlszligeren Wellenlaumlngenbe-reich als bislang gemessen werden (s Bild 8ndash9) Da so viel Strahlungsleistung selbst fuumlr einen erweiter-ten Wellenlaumlngenbereich nicht benoumltigt wird kann mit einem laserbasierten Messplatz im homogenen Fernfeld und mit houmlherer spektraler Reinheit gemessen werden und somit die Messunsicherheit signifikant reduziert werden

Bild 6 Aufbau eines laser-basierten Messplat-zes zur Kalibrierung der spektralen Bestrahlungsstaumlrke-Empfindlichkeit von Photometern Das eigentliche Laser-system ist in der unteren Haumllfte von a) skizziert und in b)als Foto dargestellt

a

b

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Ruumlckfuumlhrung in der Photometrie hellipPTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4

Realisierung der spektralen Bestrahlungsstaumlrke

Wie bereits vorher erwaumlhnt ist zur Realisierung der Candela die Kenntnis der relativen spektralen Bestrahlungsstaumlrke Er(λ) = S(λ T) von Tempera-turstrahlern (Gluumlhlampen) der Verteilungstempe-ratur T erforderlich

Bereits zum Ende des neunzehnten Jahrhunderts beschaumlftigten sich an der Physikalisch-Techni-schen-Reichsanstalt (PTR) in Berlin die Wissen-schaftler Otto Lummer Ernst Pringsheim und Fer-dinand Kurlbaum unter der Leitung von Wilhelm Wien mit der Pruumlfung elektrischer Gluumlhlampen fuumlr die Industrie und in diesem Zusammenhang mit der Verbesserung von Lampen und Vergleichs-normalen fuumlr Waumlrmestrahlung [4]

Sie entwickelten basierend auf Ideen von Kirch-hoff ab 1895 die ersten Hohlraumstrahler die als sogenannter Schwarzer Strahler zur Erzeugung von Temperaturstrahlung bis zu etwa 2000 K ein-gesetzt werden konnten Aufbauend auf Vorarbei-ten von Kirchhoff (1859) Stefan und Boltzmann (187984) sowie auf eigene Berechnungen (1893) konnte Wilhelm Wien anhand erster Messergeb-nisse 1896 die heute nach ihm benannte Wiensche Strahlungsgleichung aufstellen die die Ergebnisse der Experimente gut traf allerdings systema-tische Abweichungen fuumlr groszlige Produkte von λ middot T ergab Die Wiensche Gleichung war jedoch wesentlich genauer als das von Rayleigh und Jeans aufgestellte Pendant mit seiner inhaumlrenten Ultraviolettkatastrophe

Am 19 Oktober 1900 konnte Max Planck der vom Gastwissenschaftler Heinrich Rubens uumlber die Messergebnisse in der PTR unterrichtet wurde in einer Sitzung der Physikalischen Gesellschaft eine Gleichung vorlegen die die Messungen seiner Kollegen in der PTR besser als alle bis dato bekannten Gleichungen wiedergab Bereits am 14 Dezember 1900 trug er die komplette Her-leitung der Planckschen Strahlungsgleichungwiederum der Berliner Physikalischen Gesellschaftvor und leitete damit (verbunden mit der Energie-quantelung) die Quantenphysik ein [5]

Mithilfe des Planckschen Strahlungsgesetzes laumlsst sich die spektrale Dichte der Bestrahlungs-staumlrke EλBB(λTBB) eines Hochtemperatur-Hohl-raumstrahlers (auch Planckscher Strahler oder Schwarzer Strahler) berechnen

E T T Ad

cn

ec

n Tλ

λ

λ ε λλ BB BB BB

BB

BBBB

( ) = ( ) sdot sdot sdot

minus2

12 5

1

12

(16)

Bild 7 Wellenlaumlngenabhaumlngige optische Leistung des herkoumlmmlichen DSR-Messplatzes (untere Kurven) und des Laser-DSR-Messplatzes einmal direkt hinter dem Laser gemessen (gruumlne Kurven) und einmal die Leistung der tatsaumlchlich in der Messebe-ne nutzbaren Strahlung (rote Kurven)

Bild 8 Photometer Referenzphotodiode (links) sowie Solarzelle (unten) am Laser-DSR-Messplatz

Bild 9 Mit dem Laser-DSR-Messplatz und dem DSR-Messplatz gemessene spektrale Empfindlichkeiten von zwei verschiedenen Photometern (gruumlne und blaue Kurve) sowie die spektrale Empfindlichkeit von der als Referenz benutzten Photodiode (rote Kurve) Die Signalhoumlhen unterscheiden sich um einen Faktor von bis zu 100 Millionen Obwohl das am Laser-DSR-Messplatz gemessene Photometer ca 7 mal unempfindlicher als das am DSR-Messplatz gemessene Photometer ist kann die spektrale Empfindlichkeit in einem deutlich groumlszligeren Wellenlaumlngenbereich gemessen werden

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Das Jahr des Lichtes PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4

Hierbei ist

TBB die Temperatur des Planckschen Strahlers ε(λTBB) der effektive Emissionsgrad des Strahlers ABB die Groumlszlige der Strahleroumlffnung dBB der Abstand zur Referenzebene fuumlr die Bestrahlungsstaumlrke c1 c2 die Planckschen Strahlungskonstanten und n der Brechungsindex von Luft

In der PTB wird im Fachbereich 41 bdquoPho-tometrie und angewandte Radiometrieldquo ein Hochtemperatur-Hohlraumstrahler vom Typ BB3200pg als nationales Normal fuumlr spektrale Bestrahlungsstaumlrke im Spektralbereich 200 nm bis 2500 nm eingesetzt Der Strahler der vom russi-schen Institut fuumlr optophysikalische Messungen (VNIIOFI) entwickelt [6] und von der PTB fuumlr seine Messaufgabe aufwendig charakterisiert und optimiert wurde [7] besitzt einen Hohlraum aus pyrolytischem Graphit der mittels Gleichstrom auf Temperaturen bis 3200 K aufgeheizt werden kann Der Strahler besitzt einen effektiven Emissions-grad von ε(λTBB) gt 09998 und eine ausgepraumlgte Homogenitaumlt der Temperatur im Hohlraum Er kann somit als Planckscher Strahler behandelt werden

Zur Berechnung des Planckschen Strahlungs-gesetzes werden weitere Groumlszligen des SI-Systems benoumltigt die in der PTB ruumlckfuumlhrbar kalibriert werden So wird zum Beispiel die Strahlerflaumlche ABB in Fachbereich 53 bdquoKoordinatenmesstechnikldquo kalibriert und die Bestimmung der Strahlertem-peratur TBB erfolgt mithilfe von Filterradiometern die in Fachbereich 73 bdquoDetektorradiometrie und Strahlungsthermometrieldquo gegen ein Kryo-

radiometer ruumlckgefuumlhrt werden Mithilfe dieser Berechnungsparameter fuumlr Gleichung (16) kann der Schwarze Strahler als Primaumlrnormal fuumlr strah-lungsphysikalische Groumlszligen eingesetzt werden

Die Kalibrierung von Gluumlhlampen bezuumlglich spektraler Bestrahlungsstaumlrke erfolgt in Sub-stitution durch direkten Vergleich gegen das Primaumlrnormal bzw entsprechend ruumlckgefuumlhrte Sekundaumlrnormale Hierbei handelt es sich um 1000-W-Gluumlhlampen vom Typ FEL die mit einer Verteilungstemperatur von etwa 3080 K einem dem Schwarzen Strahler sehr aumlhnlichen Verlauf der relativen spektralen Strahlungsfunktion besitzen Die Substitution erfolgt mithilfe eines Spektroradiometers das mit drei Monochroma-toren und Empfaumlngern einen Spektralbereich von 250 nm bis 2500 nm abdeckt [8] Eine Ulbrichtku-gel dient als Eingangsoptik und ihre Eintrittsoumlff-nung als Referenzebene fuumlr die Bestrahlungsstaumlrke Die durch die Kugel transmittierte Strahlung gelangt in einen Vormonochromator und wird nach spektraler Vorzerlegung wahlweise in einen Monochromator fuumlr den Spektralbereich 250 nm bis 1100 nm oder in einen Monochromator fuumlr den infraroten Spektralbereich eingekoppelt Ein Photomultiplier eine Si-Photodiode und eine InGaAs-Photodiode erfassen die aus den derart kombinierten beiden Doppelmonochromatoren austretende Strahlung Im fuumlr die Photometrie relevanten sichtbaren Spektralbereich werden spektrale Messungen mit einer spektralen Band-breite von 1 nm und einem Streulichtanteil im Bereich von 10ndash7 durchgefuumlhrt

Das Verhaumlltnis der mit den unterschiedlichen Strahlern gemessenen Photostroumlme entspricht im Wesentlichen dem Verhaumlltnis ihrer spektralen Bestrahlungsstaumlrken Beim Vergleich eines Strah-

Bild 10 Der Hochtemperatur-Hohlraumstrahler BB3200pg der in der PTB als Primaumlrnormal fuumlr die spektrale Bestrahlungsstaumlrke eingesetzt wird Der Hohlraum aus Pyrographit kann bis zu 3200 K aufgeheizt werden

15

Ruumlckfuumlhrung in der Photometrie hellipPTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4

lers bdquoSldquo mit der Verteilungstemperatur T mit dem Schwarzen Strahler der Temperatur TBB laumlsst sich prinzipiell also die unbekannte spektrale Bestrah-lungsstaumlrke EλS (λT) ermitteln aus

E T E Ty

yS eS

λ λλ λλλ ( ) = ( ) sdot ( )( )BB BB

BB

wobei ys(λ) und yBB(λ) die fuumlr die beiden Strahler gemessenen Photostroumlme bei der Wellenlaumlngen-einstellung λ sind und EλBB (λTBB) die spektrale Bestrahlungsstaumlrke des Hochtemperatur-Hohl-raumstrahlers nach dem Planckschen Strahlungs-gesetz (16) ist

Ableitung und Weitergabe weiterer photometrischer Einheiten gerichteter photometrischer Groumlszligen

Neben der Einheit fuumlr die Lichtstaumlrke sind in der gerichteten Photometrie die Einheit der Beleuch-tungsstaumlrke zur Kalibrierung von Photometern und die Einheit der Leuchtdichte zur Angabe von Lampeneigenschaften besonders wichtig

Beleuchtungsstaumlrke

In der PTB werden Beleuchtungsstaumlrke-Messgeraumlte mit einem Referenzphotometer mittels der Substi-tutionsmethode kalibriert wobei die Lichteintritts-flaumlchen der Photometerkoumlpfe an derselben Stelle senkrecht und gleichmaumlszligig beleuchtet werden

Dazu wird zunaumlchst das Referenzphotometer (Linearitaumlt und Anpassungsindex m bekannt) mit Lichtstaumlrke-Normallampen beliebiger Vertei-lungstemperatur T kalibriert Durch Umstellung von Gleichung (13) folgt fuumlr seine photometrische Empfindlichkeit

s d y TI T

Tm

v K= sdot sdot

2

0 2856Ω( )( )

v

(18)

Auf einer 40 m langen Photometerbank siehe Bild 10 koumlnnen dann mit beliebigen Gluumlhlampen unterschiedlicher elektrischer Leistung aber bekannter Verteilungstemperatur Beleuchtungsstaumlrken zwischen 0001 lx und 10000 lx erzeugt werden

Die Kalibrierung von Beleuchtungsstaumlrke-Mess-geraumlten erfolgt meistens mit Licht der Normlicht-art A eine entsprechende Lampe ist in Bild 15 dargestellt Die Anzeige des zu kalibrierenden Beleuchtungsstaumlrke-Messgeraumltes wird mit dem Messwert der Beleuchtungsstaumlrke Ev des Referenz-photometers verglichen

E T ysv

vK( )= =2856

001

01

1

10

100

350 400 450 500 550 600 650 700 750

spek

tral

e Be

stra

hlun

gsst

aumlrke

E[microW

cm

sup2nm

]

Wellenlaumlnge λ [nm]

Schwarzer Strahler (3076 K)Schwarzer Strahker (2995 K)FEL 81 A (3080 K)FEL 67 A (2780 K)WI 41G 54 A (2700 K)

Bild 11 Spektrale Bestrahlungsstaumlrke unterschiedlicher Strahler im sichtbaren Spektralbe-reich Die als Sekundaumlrnormale eingesetzten 1000-W-Gluumlhlampen vom Typ FEL und die in der Photometrie verwendeten Gluumlhlampen vom Typ WI 41G besitzen einen sehr aumlhnlichen spektralen Verlauf wie der als Primaumlrnormal eingesetzte Schwarze Strahler bei unterschiedlichen Strahlertemperaturen

Bild 12 Der Messplatz fuumlr die Kalibrierung von Gluumlhlampen bezuumlglich spektraler Bestrah-lungsstaumlrke in der PTB Auf der rechten Seite befinden sich zwei als Sekun-daumlr- und Arbeitsnormale eingesetzte Gluumlhlampen Auf der linken Seite ist das Spektroradiometer zu sehen dass an seiner Oberseite eine Ulbrichtkugel als Eingangsoptik montiert hat deren Oumlffnung in Richtung Strahler als Referenzebene fuumlr die Bestrahlungsstaumlrke verwendet wird

Bild 13 Messplatz zur Weitergabe der Einheit der Beleuchtungsstaumlrke zur Kalibrierung von Photometern

(17)

(19)

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Das Jahr des Lichtes PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4

Leuchtdichte

Leuchtdichten homogen leuchtender begrenzter Flaumlchen koumlnnen aus groszligem Abstand wie Licht-staumlrken gemessen werden Wird z B eine kreisfoumlr-mige Blendenoumlffnung (zentrisch und senkrecht zur Messrichtung) zwischen der leuchtender Flaumlche und dem Photometerkopf angeordnet und damit ein Teillichtstrom ausgesondert so kann dieser in groszligem Abstand als Lichtstaumlrke bestimmt werden und es gilt fuumlr die Leuchtdichte Lv der prinzipielle Zusammenhang

LIAvv= (20)

In der PTB wird fuumlr die mit Gluumlhlampen ausgestat-teten Leuchtdichtenormale (d h Verteilungstem-peratur T bekannt) zunaumlchst die photometrische Empfindlichkeit sv des Referenzphotometers wie in Abschnitt 41 bestimmt dann die Lichtstaumlrke nach Gleichung (13) gemessen und schlieszliglich die mittlere Leuchtdichte innerhalb der leuchtenden Flaumlche A nach Gleichung (20) berechnet

Fuumlr Leuchtdichtenormale gelten prinzipiell einige der im Kapitel bdquoLichtstaumlrke-Normallampenldquo aufgefuumlhrten Merkmale Sie unterscheiden sich jedoch im Detail in der Art der Ausfuumlhrung z B sind sie mit Gluumlhlampen oder mit LEDs bestuumlckt sie koumlnnen hinsichtlich der Leuchtdichte bzw Farbe durchstimmbar sein oder mit gesonderter Monitortechnik ausgestattet sein

Die traditionellen Messverfahren zur Bestim-mung der Leuchtdichte bzw die Verwendung von Photometern mit direkter Anzeige der Leuchtdich-tewerte werden zunehmend durch den Einsatz von Leuchtdichtekameras (pixelaufgeloumlste Darstellung von Leuchtdichteverteilungen) ergaumlnzt Eine abso-lute Kalibrierung dieser modernen Systeme stellt aber messtechnisch eine groszlige Herausforderung

Bild 14 Die 40 m lange photometrische Bank zur Realisierung und Weitergabe der Einhei-ten der gerichteten Photometrie

Bild 15 20-kW-Hochleistungshalogengluumlhlampe fuumlr hohe Beleuchtungsstaumlrken zur Kalibrierung von Beleuchtungsstaumlrke-Messgeraumlten u a mit Normlichtart A

Bild 16 Gluumlhlampenbasierte Normale zum Transfer der Leuchtdichte-Einheit

17

Ruumlckfuumlhrung in der Photometrie hellipPTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4

dar aktuell werden zur Charakterisierung solcher Kameras national im FNL3 (Normenausschuss bdquoPhotometrieldquo im DIN) und international in der CIE (TC2-59 TC2-62) u a Messverfahren dis-kutiert die dann mittels definierter Kenngroumlszligen beschrieben werden

Literatur

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temperature 1994[3] G Sauter Die Candela Erlaumluterungen zum Ver-

staumlndnis der Definition und der RealisierungPTB-Mitteilungen 107 1997

[4] W Schreier (Hrsg) Biographien bedeutender Phy-siker 2 Aufl Volk und Wissen Berlin 1988S 203ndash205

[5] M Planck Zur Theorie des Gesetzes der Energie-verteilung im Normalspektrum Verhandlungender Deutschen Physikalischen Gesellschaft 21900 S 237ndash245

[6] V I Sapritsky B BKhlevnoy V B KhromchenkoB E Lisiansky S N MekhontsevU A Melenevsky S P Morozova A V ProkhorovL N Samoilov V I Shapoval K A SudarevM F Zelener Precision Blackbody sources forradiometric standards Appl Opt 1997 36S 5403ndash5408

[7] P Sperfeld Entwicklung und Realisierungeiner empfaumlngergestuumltzten spektralen Bestrah-lungsstaumlrkeskala Dissertation Braunschweig2861999 httpwwwbibliotu-bsdeedissdata19990628a19990628ahtml(Letzter Aufruf 28102015)

[8] P Sperfeld S Pape B Barton From Primary Stan-dard to Mobile Measurements ndash Overview of theSpectral Irradiance Calibration Equipment at PTBMAPAN-Journal of Metrology Society of India 252010 S 11ndash19

Bild 17 Pixelaufgeloumlste Darstellung einer Leuchtdichteverteilung mit einer Leuchtdichtemesskamera

pim_140107_anz_forschung_178x29indd 1 280214 1033

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PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4Das Jahr des Lichtes

Kurze Geschichte der Goniophotometrie in der PTB Matthias Lindemann

Zusammenfassung

Die Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB) ist das nationale Metrologieinstitut (NMI) der Bundesrepublik Deutschland das seinen Fokus auf die Realisierung Bewahrung und Weitergabe der SI-Einheiten richtet Deshalb hat auch die goniophotometrische Bestimmung des Licht-stroms nahezu beliebiger Lichtquellen eine lange Tradition Seit mehr als 50 Jahren werden in der PTB hierzu noumltige Messsysteme entwickelt genutzt verbessert und an neue Messaufgaben angepasst Schon in den 50er- und 60er-Jahren des vergangenen Jahrhunderts erlaubte ein soge-nanntes Einarm-Goniophotometer die Realisie-rung der Lichtstromeinheit lumen (lm) als direkte Ableitung von der SI-Basiseinheit Candela (cd) mithilfe von Lichtstaumlrke-Normallampen Spaumlter gestattete ein groszliges Kardan-Goniophotometer mit einem Messradius von 25 m die notwendige automatisierte spiralfoumlrmige Bewegung eines Photometers bzw eines Dreibereichsfarbmess-kopfes Fuumlr die Lichtstrom-Kalibrierungen von Kleingluumlhlampen aber auch von zunehmend nachgefragten Messungen an LEDs wurde schon in den fruumlhen 1980er Jahren ein sogenanntes Mini-Goniophotometer ebenfalls als Kardan-

Goniophotometer mit nur 03 m Messradius entwickelt und eingesetzt Dieser Entwicklungs-prozess haumllt an und ermoumlglicht heute die Kalibrie-rung auch modernster LED-Lichtquellen Im Jahr 2006 wurde das erste Roboter-Goniophotometer im neuen Albert-Einstein-Gebaumlude der PTB in Betrieb genommen und ermoumlglicht seitdem die Kalibrierung nahezu beliebiger Lichtquellen mit der noumltigen kleinen Messunsicherheit

1 Einfuumlhrung

Mehr als 11 der elektrischen Energie werden heute in Deutschland fuumlr Beleuchtung einge-setzt Tendenz steigend Daher ist der Lichtstrom oumlkonomisch gesehen die wichtigste photometri-sche Groumlszlige Es ist notwendig seine Einheit das Lumen (lm) direkt von der SI-Basiseinheit fuumlr die Lichtstaumlrke der Candela (cd) abzuleiten Dies geschieht regelmaumlszligig mittels Goniophotometrie um den Lichtstrom der zu untersuchenden Licht-quelle zu bestimmen Obwohl auch absolut arbei-tende Ulbricht-Kugel-Methoden existieren [1] benoumltigen diese streng genommen zumindest die relative raumlumliche Lichtstaumlrkeverteilung welche nur durch goniophotometrische Methoden messbar ist

Das Prinzip der Goniophotometrie ist unabhaumln-gig von der technischen Realisierung der unter-schiedlichen Goniophotometertypen Ein Gonio-photometer misst die raumlumliche Verteilung der Beleuchtungsstaumlrke E(r ϑ φ) auf einer geschlosse-nen Huumlllflaumlche mittels V(λ)-angepasstem Pho-tometer fuumlr alle Richtungen (ϑ φ) der Lichtaus-strahlung im vollen Raumwinkel (4π sr) um die Lichtquelle herum wie Bild 1 zeigt

Der Radiusvektor r(ϑ φ) beschreibt die Position des Photometers in Kugelkoordinaten und r(ϑ φ) durchstoumlszligt das zur Lampe gerichtete Eintrittsfens-ter immer orthogonal Der Radiusvektor r(ϑ φ) beschreibt auch die Entfernung zwischen Lampe und Photometer

Der Winkel ϑ beschreibt die Position des Photometers zwischen den Polen traditionell im Bereich (0 lt ϑ lt π) Der Winkel φ beschreibt die Photometer-Position in der Aumlquator-Richtung

Matthias Lindemann Arbeitsgruppe bdquoGoniophotometrieldquo EshyMail matthiaslindemannptbde

Bild 1 Beleuchtungsstaumlrke E als Funktion des Radiusvektors r(ϑ φ)

19

PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4 Kurze Geschichte der Goniophotometrie in der PTB

(0 lt φ lt 2π) Der Wert des Lichtstroms Φ der Lampe kann aus der Beleuchtungsstaumlrkeverteilung E(ϑ φ) berechnet werden entweder aus der Licht-staumlrkedefinition I = dΦdω oder aus der Defini-tion der Beleuchtungsstaumlrke E = dΦdΑ

Φ = ( )int I ϑ ϕ ω4πsr

d (1)

Φ = ( )int E Ar

ϑ ϕ4 2π

d (2)

Das Raumwinkelelement dω der Gleichung (1) ist gegeben durch

d sin d dω ϑ ϑ ϕ= ( ) (3)

und das Flaumlchenelement dA der Gleichung (2) erhaumllt man aus

d sin d dA r= ( ) ( )2 ϑ ϕ ϑ ϑ ϕ

(4)

Der Radius r des Radiusvektors r(ϑ φ) kann als Konstante behandelt werden da er sich gewoumlhn-lich waumlhrend einer goniophotometrischen Messung nicht aumlndert Dann kann die Lichtstaumlrke-verteilung I(ϑ φ) durch Anwendung des photome-trischen Grundgesetzes aus der Beleuchtungsstaumlr-keverteilung E(ϑ φ) bestimmt werden

I r Eϑ ϕ ϑ ϕ ( ) = ( )2 (5)

Falls die photometrisch wirksame Ausdehnung rL der zu messenden Lampe deutlich kleiner ist als der Messradius r des Goniophotometers ist kann Gleichung (1) mit Gleichung (3) und r = const wie folgt geschrieben werden

Φ = ( ) ( )intintr E2

00

2

d sin dϕ ϑ φ ϑ ϑππ

(6)

Andererseits fuumlhrt Gleichung (2) mit Glei-chung (4) und r = const ebenfalls auf Gleichung (6) Aber fuumlr groszlige Lampen koumlnnte die Anwen-dung von Gleichung (5) zu fehlerhaften Ergeb-nissen fuumlhren (rL gt r) aber der ermittelte Wert des Lichtstroms entsprechend Gleichung (6) waumlre korrekt falls das Photometer das einfallende Licht mit dem Kosinus des Einfallswinkels bewertet

2 Geschichte der Goniophotometer- Systeme in der PTB

Wie bereits teilweise in Abschnitt 1 diskutiert sollte ein ideales Goniophotometer eine Reihe von Anforderungen erfuumlllen wie die folgende Auflis-tung zeigt

1 Kalibrierung der Photometer mittels Licht-staumlrke-Normallampen zur Sicherung der Ruumlckfuumlhrung auf die nationale Realisierung der Einheit Candela

2 Ausfuumlhrung einer Relativbewegung zwischen Lampe und Photometer wobei sich ϑ-Achse und φ-Achse rechtwinklig schneiden

3 Verwendung eines V(λ)-angepassten Photo-meters zur Lichtstrommessung

4 Automatische Messdatenanalyse5 Unabhaumlngige Bestimmung des Lichtstromwer-

tes von der raumlumlichenspektralen Verteilung der gemessenen Bestrahlungsstaumlrke Ee(λ ϑ φ) des Lichts

6 Unabhaumlngigkeit der Empfindlichkeit des Pho-tometers von der Umgebungstemperatur bzw Durchfuumlhrung einer entsprechenden Korrektur

7 Beliebige Betriebslage der zu untersuchenden Lampe

8 Einstellbare Umgebungsbedingungen fuumlr Luft-temperatur und Luftfeuchte

9 Geringer Streulichtanteil im Messraum bzw Streulicht-Korrektur

10 Elektrische Antriebe fuumlr die Bewegung der ϑ- und φ-Achsen

11 Verwendung von Farbmesskoumlpfen zur Bestim-mung der raumlumlich wirksamen aumlhnlichsten Farbtemperatur undoder Bestimmung der relativen raumlumlichen spektralen Verteilung der gemessenen Bestrahlungsstaumlrke

12 Messung ohne Bewegung der zu untersuchen-den Lampe

13 Vollstaumlndige Abtastung der Beleuchtungs-staumlrke- bzw Lichtstaumlrkeverteilung der zu untersuchenden Lampe

14 Staumlndige Uumlberwachung des photometrischen Betriebsverhaltens der Lampe um Alterung waumlhrend der Messzeit erkennen bzw korrigie-ren zu koumlnnen (sogenanntes Monitorsystem)

15 Messraumwaumlnde sollen etwa auf Lufttem-peratur sein um den Strahlungsaustausch zwischen Entladungslampen und Waumlnden des Messraums zu stabilisieren

16 Online-Streulichtkorrektur ndash insbesondere fuumlr ausgedehnte Lampen wie Leuchtstofflampen da diese den Einsatz eines Streulichttubus mit groumlszligerem Gesichtsfeld erfordern

17 Die Beleuchtungseinrichtung des Gonio-photometerraums soll zur Messzeit abgedeckt und ausgeschaltet sein um den Streulichtan-teil nicht zu erhoumlhen

18 Variation des Messradius r (Validierung von Nahfeld-Fernfeld-Messungen mit abbilden-den Systemen)

In der Goniophotometrie sind verschiedene Koor-dinatensysteme wie Bild 1a zeigt zu unterscheiden Dies sind regelmaumlszligig das Lampenkoordinatensys-tem Lamp das Raumkoordinatensystem Room und

20

PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4Das Jahr des Lichtes

das Goniophotometerkoordinatensystem bezogen auf dessen Zentrum Center Bild 1a zeigt moumlgliche Offsets zwischen diesen Systemen in Translation und Rotation

Um folgende Betrachtungen und Erklaumlrungen zu vereinfachen werden die genannten Koordina-tensysteme als deckungsgleich angenommen das heiszligt es werden keine Offsets in Translation und Rotationen zwischen den Koordinatensysteme vorausgesetzt

Im Weiteren werden die Eigenschaften Vor- und Nachteile der uumlber Dekaden in der PTB entwi-ckelten und genutzten Goniophotometer unter Beruumlcksichtigung der gewuumlnschten vorstehend gelisteten Eigenschaften diskutiert Es beginnt mit einem einfachen Einarm-Goniophotometer aus den 50er-Jahren des vergangenen Jahrhunderts und endet zumindest vorlaumlufig mit dem State-of-the-art-Roboter-Goniophotometer das 2007 in Betrieb ging

21 Einarm-Goniophotometer (1950ndash1975)

In der Zeit von 1950 bis 1975 wurde ein manuell betriebenes Einarm-Goniophotometer nach Bild 2 benutzt In den 50er-Jahren war diese Messappara-tur noch mit einem visuellen Photometer ausge-stattet Dieses Photometer erlaubte die relative Messung von Beleuchtungsstaumlrken mittels einer im Photometer installierten Hilfslampe in Verbindung mit einem optischen Abschwaumlcher [2 Seite 321] Die Ruumlckfuumlhrung auf die nationale Lichtstaumlrke-Einheit die Candela war durch Kalibrierung des visuellen Photometers mit Lichtstaumlrke-Normal-lampen sichergestellt (dies erfuumlllt Anforderung 1 der Anforderungsliste) entsprechend basieren auch Abstandsmessungen auf der nationalen Laumln-geneinheit dem Meter

Wegen der Lageabhaumlngigkeit der internen Hilfs-lampe im Innern des visuellen Photometer war es an einer festen Stelle der Messapparatur ange-bracht wie Bild 2 zeigt Ein Spiegel-Prismen-Sys-tem leitete das Licht der zu untersuchenden Lampe auf das Photometer Eine detaillierte Beschreibung aumlhnlicher Systeme kann [2 Seite 319] entnommen werden Damit ist Anforderung 2 ebenfalls erfuumlllt

Die vollstaumlndige Bestimmung des Lichtstroms Φ erfordert eine groumlszligere Anzahl Messungen von Beleuchtungsstaumlrken fuumlr ebenso viele manuell eingestellte unterschiedliche Kugelkoordina-ten (ϑ φ) Wird die fiktive Kugel gemaumlszlig Bild 1 in ϑ-Richtung in parallele Zonen eingeteilt und jede dieser Zonen i ist wiederum in n Sektoren j gleicher Laumlnge (Δφ = const) mit den zugehoumlrigen Beleuchtungsstaumlrken Eij unterteilt ist es moumlglich die mittlere Beleuchtungsstaumlrke Endashi jeder Zone i nach Gleichung 7 zu bestimmen

E Ei n i jj

n

==sum1

1 (7)

und der Wert des Lichtstroms Φ ergibt sich weiter aus der numerischen Integration nach Gleichung (8)

Φ = ( )minus ( )( )+

=sum2 2

10

1

πr cos cosϑ ϑi ii

m

iE-

(8)

Die Anzahl der notwendigen Beleuchtungsstaumlr-kemessungen haumlngt von der raumlumlichen Lichtver-teilung der zu untersuchenden Lampe ab Wegen der manuellen Einstellung des groszligen Arms (ϑ) der Drehung der Lampe (φ) und des gleichfalls noumltigen manuellen Abgleichs des visuellen Pho-tometers ist diese Methode sehr zeitaufwendig Sollen beispielsweise 600 Punkte gemessen werden (aus heutiger Sicht also nicht besonders viele) und man benoumltigt ca 25 Sekunden pro Messung werden also mehr als 4 Stunden benoumltigt um eine

Bild 1a Koordinatensysteme

Bild 2 Einarm-Go-niophotometer 1950ndash1975

21

PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4 Kurze Geschichte der Goniophotometrie in der PTB

Lampe mit relativ homogener raumlumlichen Licht-verteilung zu messen

In 1963 wurde ein internationaler Lichtstrom-vergleich auf der Basis von Entladungslampen ohne Fluoreszenzstoff durchgefuumlhrt Diese Lampen wiesen eine massive Inhomogenitaumlt ihrer raumlumlichen Lichtverteilung auf sodass die beschriebene manuelle Methode wegen der noumltigen hohen Anzahl von Messpunkten nicht praktikabel war Zur Loumlsung dieses Problems in [3] beschrieben wurde das visuelle Photometer durch einen grob an V(λ)-angepassten Photover-vielfacher ersetzt zusaumltzlich wurde die φ-Achse mit einem elektrischen Antrieb versehen und ein Praumlzisionskondensator ermoumlglichte die analoge Integration des Photostroms des Photovervielfa-chers Damit konnte fuumlr jede der erforderlichen ϑ-Einstellungen des groszligen Arms der elektri-sche Antrieb der φ-Achse diese mit konstanter Winkelgeschwindigkeit rotieren lassen waumlhrend der Praumlzisionskondensator den Photostrom des Photovervielfachers integrierte Nach etwa t = 5 min fuumlr eine Umdrehung repraumlsentierte die Ladung Q = C middot U des Praumlzisionskondensators die mittlere Beleuchtungsstaumlrke

E k C Uti = sdot (9)

dieser gemessenen Zone i Daraus berechnet sich der Lichtstrom wiederum gemaumlszlig Gleichung (8) Es ist nicht noumltig das Produkt k ∙ C exakt zu kennen da dies uumlber das Kalibrierverfahren durch die bekannte Beleuchtungsstaumlrke einer Lichtstaumlrke-Normallampe eliminiert werden kann es muss lediglich uumlber die gesamte Messzeit hinweg kons-tant sein

Spaumlter in den 1960er-Jahren wurde auch das visuelle Photometer durch ein modernes V(λ)-angepasstes Photometer basierend auf gefilterten Silizium-Photodioden in Kombination mit einen PhotostromSpannungswandler und einem xy-Plotter ersetzt Man erhielt so die Beleuchtungs-staumlrkeverteilung jeder Zone die sich dann leicht mit grafischen oder numerischen Verfahren inte-grieren lieszlig Es wird spaumlter gezeigt werden dass diese verwendete bdquoanaloge Zonenintegrationldquo sehr aumlhnlich der heutigen digitalen zonalen Bewertung ist

Diese letzten 2 Verbesserungen erfuumlllen die Anforderung 3 und teilweise auch die Anforde-rung 4

22 Kardan-Goniophotometer (1976ndash2007)

Das existierende Einarm-Goniophotometer war immer auf eine bdquohelfende Handldquo angewiesen um es von Punkt zu Punkt zu bewegen Die anschlie-szligende Berechnung des Lichtstroms wurde grund-saumltzlich ebenfalls haumlndisch ausgefuumlhrt Dieses Ver-

fahren war dementsprechend sehr zeitaufwendig und der zunehmende Wunsch der Industrie auch groszlige Objekte wie z B lange Leuchtstofflampen aber spaumlter auch sehr kleine Mikrolampen und erste LEDs zu kalibrieren fuumlhrte zur Entwicklung sogenannter Kardan-Goniophotometer ver schie-dener Ausfuumlhrungen

221 Groszliges Kardan-Goniophotometer

Nach der intensiven Umgestaltung einiger Raumlume im Koumlsters-Bau der PTB war es moumlglich im neuen Goniophotometerraum (7 x 10 x 8 m3) das Kar-dan-Goniophotometer [4] zu installieren Bild 3 zeigt das groszlige Kardan-Goniophotometer Am Bildoberrand ist eine zu kalibrierende stabfoumlrmige Leuchtstofflampe zu sehen

Dieser Raum war zusaumltzlich auch mit einer geregelten elektrischen Heizung ausgestattet um die geforderten Messbedingungen bezuumlglich Umgebungstemperatur einstellen zu koumlnnen Im Prinzip besteht ein Kardan-Goniophotometer wie in Bild 4 gezeigt aus 3 Rahmen wobei der aumluszligere α-Rahmen der raumlumlichen Ausrichtung (durch Drehung um die y-Achse) der zu untersu-chenden Lampe dient Innerhalb dieses aumluszligeren α-Rahmens ist der mittlere φ-Rahmen endlos drehbar um die z-Achse gelagert Der innere ϑ-Rahmen ist wiederrum drehbar im φ-Rahmen gelagert jedoch ist seine Bewegung auf knapp 180deg durch den noumltigen Lampenhalter begrenzt Alle 3 Rahmen sind mechanisch ausgeglichen und mit elektrischen Antrieben versehen Ihre Rotationsgeschwindigkeiten waren per 10-Gang-Praumlzisionspotentiometer einstellbar eine Folge der angewandten analogen Regelung der Achsan-triebe Die Winkelbestimmung der Achsen erfolgte mittels 13-bit-Winkelencodern Das Photometer war am ϑ-Rahmen (Bild 4) platziert und ermoumlg-lichte so einen festen Messradius von 2500 mm Es bestand die Moumlglichkeit ein zweites Photometer

Bild 3 Kardan-Goniophotometer 1976ndash2007

22

PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4Das Jahr des Lichtes

oder einen Farbmesskopf auf der gegenuumlberliegen-den Seite des ϑ-Rahmens einzusetzen

In diesem Fall war der Arbeitsbereich limitiert im Bereich 4deg lt ϑ lt 176deg da jeweils Lampenhalter von rechts und links zur Aufnahme einer beispiels-weise stabfoumlrmigen Leuchtstofflampe eingesetzt werden konnten (siehe auch Bild 3) Im Falle von einseitig gesockelten Lampen wurde meist nur ein PhotometerFarbmesskopf verwendet was eine Drehung der gegenuumlberliegenden Messkopf-aufnahme um 90deg ermoumlglichte Diese sogenannte bdquoKroumlpfungldquo lieszlig dann Raum fuumlr den nun einseiti-gen Lampenhalter und der Arbeitsbereich vergrouml-szligerte sich zu 0deg lt ϑ lt 176deg

Entsprechend der Gleichung (6) muss die gemessene Beleuchtungsstaumlrkeverteilung uumlber den vollen Raumwinkel 4π sr zum Wert des Licht-stroms integriert werden So ist es naheliegend digitale uumlber die Zeit integrierende Methoden zur Erfassung und Speicherung der gemessenen Beleuchtungsstaumlrkewerte zu verwenden Bild 5 zeigt den Signalfluss Sowohl Photometer- undoder Farbmesskopf als auch Photostrom-Fre-

quenz-Wandler waren temperaturstabilisiertDer Photostrom des Photometers mit seiner

photometrischen Empfindlichkeit s normalisiert auf die CIE-Lichtart A wird mittels Ruumlckkopp-lung Rg eines Photostromverstaumlrkers in eine Spannung U gewandelt und weiter durch einen Spannungs-Frequenzwandler in eine Frequenz f mit dem zugehoumlrigen Wandlungsfaktor wf kon-vertiert Diese Frequenz wird letztlich von einem digitalen Zaumlhler kontinuierlich gezaumlhlt Simultan wird die Quarz-Frequenz fq durch einen zweiten digitalen Zaumlhler erfasst um waumlhrend der spaumlteren Datenanalyse die urspruumlnglichen Photostroumlme berechnen zu koumlnnen Diese Methode stellt damit die schon erwaumlhnte Signal-Zeit-Integration sicher

Die die zu untersuchende Lampe umgebene fiktive Kugel ist wie Bild 5 zeigt in Zonen und Sektoren unterteilt Infolge der analogen Geschwindigkeitsregelung der zwei bewegten Rahmen sind positive und negative Beschleu-nigungsphasen am Anfang und am Ende einer vollstaumlndigen Abtastung und Lastreaktionen des rotierenden Systems und die damit verbundenen geringen Gleichlaufschwankungen unvermeid-bar Die Unterteilung jeder Zone in Sektoren mit der Laumlnge Δφj als Gewichtung reduziert jedoch diesen Einfluss Damit berechnet sich die mittlere Beleuchtungsstaumlrke Endashi nach Gleichung (10)

Es w R

fyt

fjj

ni j

i j=

sdot sdot sdot( )sdot sdot minus

=sum1

2 10

πϕ

f gq∆∆

∆

(10)

mit der Dunkelfrequenz f0 (Photometer abgeschat-tet) und den Differenzsignal-Zaumlhlungen Δyi j und den Differenzzeit-Zaumlhlungen Δti j jeweils vom Sek-toranfang bis zum Sektorende Wiederum koumlnnte der Lichtstrom nach Gleichung (8) bestimmt werden jedoch werden jetzt noch Korrekturfakto-ren fuumlr das Streulicht cstr der spektralen Fehlanpas-sung des Photometers cspec und Abweichungen von den nominalen elektrischen Betriebsbedingungen celec eingefuumlhrt wie nun Gleichung (11) zeigt

Φ = sdot sdot sdot sdot minus( ) sdot+=

minus

sumc c c r Ei ii

m

istr spec elec cos cos2 21

0

1

π ϑ ϑ

(11)

Im Verlauf einer Lichtstrommessung werden neben dem Photometer auch die Waumlnde des Messraums von der zu untersuchenden Lampe beleuchtet Diese Beleuchtung wird ebenfalls vom im Goniophotometer verwendeten Photometer bdquogesehenldquo und fuumlhrt zu einer Streubeleuchtung auf dem Lichteintrittsfenster dieses Photome-ters Diese Streubeleuchtung haumlngt einerseits vom Reflexionsgrad der verwendeten Wandfarbe (ρ asymp 3 ) und vom Gesichtsfeld des sich vor dem

Bild 4 Groszliges Kardan-Goniophotometer 1976ndash2007

Bild 5 Signalfluss

23

PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4 Kurze Geschichte der Goniophotometrie in der PTB

Photometer befindlichen Streulichtreduzierungs-tubus ab Daher muss fuumlr jeden eingesetzten Tubus mit seinem individuellen Gesichtsfeld der wirksame spezifische Streulichtkorrekturfaktor cstr bestimmt werden Diese koumlnnen ermittelt werden indem Blenden mit unterschiedlichen Durchmes-sern zwischen der zu untersuchenden Lampe und dem Photometer waumlhrend normalen Lichtstrom-messungen positioniert werden Eine detaillierte Beschreibung kann [5] entnommen werden

Die technische Realisierung eines Photometers ist immer nur eine Naumlherung fuumlr V(λ) Dies bedeu-tet dass im Prinzip in allen Faumlllen diese spektrale Fehlanpassung korrigiert werden muss Allgemein kann der spektrale Korrekturfaktor cstr fuumlr alle Lampen mit beliebiger Strahlungsfunktion S(λ) nach Gleichung (12) bestimmt werden

cV S

s S

V P T

s Pspek

rel

A

rel

d

d

d=

( )sdot ( )( ) sdot ( )

( ) sdot ( )( ) sdot

intint

intint

λ λ λ

λ λ λ

λ λ λ

λ

λλ λTA d( )

(12)

Hierzu ist jedoch die Kenntnis der relativen spektralen Empfindlichkeit srel(λ) des Photome-ters notwendig P(λ TA) bezeichnet dabei einen Planckstrahler mit einer Verteilungstemperatur von TA = 2856 K

Im Fall von Gluumlhlampen ist ein etwas einfache-rer Weg fuumlr diese Korrektur ohne die Kenntnis von srel(λ) moumlglich Gleichung (13) beschreibt die Abhaumlngigkeit der Beleuchtungsstaumlrke E(T) von der Verteilungstemperatur T

E Ty T

sTT

m

( ) = ( )

A

y

(13)

eines gemessenen Photostroms y(T) und der pho-tometrischen Empfindlichkeit s des Photometers fuumlr Lichtart A Eine charakteristische Eigenschaft des Photometers ist der Exponent my bdquoyldquo indiziert den Exponent fuumlr ein V(λ)- angepasstes Photome-ter oder den y-Kanal eines Dreibereichsfarbmess-kopfes wobei die anderen Kanaumlle unterschiedliche Werte fuumlr diese Exponenten haben Ein ideales Photometer wuumlrde einen Wert von 0 fuumlr diese Exponenten aufweisen Beispielsweise beschreibt my = 0018 ein qualitativ durchaus gutes Photo-meter Der Exponent my (und auch mx und mz) koumlnnen aus einem Fit bekannter Paare (E(T) T) einer Lichtstaumlrke-Normallampe bei verschiedenen Arbeitspunkten wie in [6 7] beschrieben gefun-den werden Damit kann der Korrekturfaktor cspec fuumlr Gluumlhlampen wie folgt geschrieben werden

c TT

my

specA

=

(14)

Werden Gluumlhlampen in der Naumlhe von CIE-Licht-art A betrieben ist die Korrektur auf elektrische Nominalbedingungen celec ebenfalls nach Glei-chung (15) sehr einfach da der Lichtstrom eine Funktion des Betriebsstroms J ist

c JJ

m

elec

J

=

minus

0 (15)

Hier ist J0 der Nominalstrom und mJ cong 684 Mehr Information kann in [7] gefunden werden

Die Datenanalyse fuumlr einen Dreibereichsfarb-messkopf erfolgt in gleicher Weise und man erhaumllt die Normfarbwertanteile (x y) aus den Gleichun-gen (16 17)

x =+ +Φ

Φ Φ ΦX

X Y Z (16)

y =+ +Φ

Φ Φ ΦY

X Y Z (17)

Leider konnten nur der Lichtstrom und die zuge-houmlrigen Normfarbwertanteile bestimmt werden da aufgrund der geringen Speichermoumlglichkeit der verwendeten Computertechnik die raumlumliche Information verlorenging

Daher wurden im Jahre 1991 alle Computer Analogsysteme die Verdrahtung und viele weitere Elemente durch moderne Ausruumlstung ersetzt Von nun an konnten alle Rohdaten mittels geeigneter Speichermedien dauerhaft bewahrt werden Das galt auch fuumlr groszlige Datenmengen des ab 1997 eingesetzten Array-Spektrometers zur Messung der relativen spektralen Leistungsverteilung der Strahlung synchron zur Lichtstrombestimmung Leider wiesen Photometer und Einkoppeloptik des Array-Spektrometers unterschiedliche Gesichtsfel-der auf und hatten etwas unterschiedliche Positi-onen auf dem Goniophotometer was die Daten-analyse komplizierte Dennoch konnten erstmalig raumlumliche spektrale Informationen uumlber zu untersuchende Lampen ermittelt werden Damit erfuumlllte das groszlige Kardan-Goniophotometer in seiner Ausbaustufe von 1997 die Anforderungen 1ndash14 aus Abschnitt 2 Die relative erweiterte Mes-sunsicherheit fuumlr den Lichtstrom fuumlr k = 2 betrug jetzt 060

222 Kleines Kardan-Goniophotometer

Fuumlr die Messung kleiner Lampen und LEDs wurde in den fruumlhen 1980er-Jahren ein dem groszligen Kardan-Goniophotometer sehr aumlhnliches kleines Kardan-Goniophotometer mit einem Messra-dius von nur 300 mm entwickelt hergestellt und

24

PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4Das Jahr des Lichtes

betrieben Das Foto in Bild 6 zeigt dieses seinerzeit sogenannte bdquoMini-Goniophotometerldquo

Die Messtechnik entsprach nahezu vollstaumln-dig dem groszligen Kardan-Goniophotometer bis hin zum Signalfluss einschlieszliglich Spannungs-Frequenzwandler und nachgeschalteten Zaumlhlern Damit sind alle Aspekte dieser Apparatur bereits in Abschnitt 221 diskutiertIm Jahre 2007 wurde dieses Instrument durch ein spezielles Goniophotometer fuumlr die Messung von LEDs ersetzt siehe auch Kapitel Metrologie fuumlr moderne Lichtquellen LEDs und OLEDs [10]

23 Roboter-Goniophotometer (2006 bis heute)

Am Ende der 1990er-Jahre wurde die Planung eines neuen Goniophotometertyps mehr und mehr konkret Nahezu gleichzeitig entschied sich die PTB fuumlr den Neubau eines modernen Gebaumludes fuumlr die Abteilung Optik dem heutigen Albert-Einstein-Bau Infolge dieses Zusammentreffens

beider Ereignisse konnte bei der Planung das neue Gebaumlude quasi um das neue Roboter-Goniopho-tometer herum geplant und spaumlter auch so gebaut werden

In 19951996 zeigte G Sauter dass Gonio-photometrie mittels Robotern moumlglich ist und erhebliche Vorteile gegenuumlber den bisher verwendeten Kardan-Goniophotometern auf-weist [8] Wie weiterhin in [8] beschrieben sind sogenannte Service-Roboter gut geeignet um ein Roboter-Goniophotometer zu realisieren Diese zeichnen sich durch eine schlanke Konstruktion mit langen Armen bei gleichzeitig relativ gerin-gem Gewicht aus Sie verfuumlgen uumlber eine hohe Flexibilitaumlt um beispielsweise ein Photometer auf gewuumlnschten Bahnen mit unterschiedlichen Radien (1000 mm lt r lt 3000 mm) auf der fiktiven Kugeloberflaumlche um die Lampe herumzufuumlhren Jeder Roboter verfuumlgt uumlber 7 Freiheitsgrade (engl seven degrees of freedom 7 DOF) Dies garantiert die notwendige Flexibilitaumlt und das erforderli-che Arbeitsvolumen Zur Abdeckung des vollen Raumwinkels 4π sr sind daher 2 der beschriebenen Roboter notwendig Ein dritter aumlhnlicher Roboter positioniert dabei die zu untersuchende Lampe in der gewuumlnschten Brennstellung im Raum Alle Roboter-Basen sind direkt mit dem Stahlbeton des Gebaumludes verbunden um eine langzeitstabile raumlumliche Positionierung der Roboter zu gewaumlhr-leisten Bild 8 zeigt das Roboter-Goniophotometer waumlhrend der Messung einer LED-Signalleuchte

Im Gegensatz zu Kardan-Goniophotometern ist der Messradius variabel in dem alle 7 Achsen in entsprechende Positionen gebracht werden Wegen der groszligen Redundanz eines 7-DOF-Roboters kann die Zielposition einschlieszliglich Orientierung durch eine sehr groszlige Anzahl unter-schiedlicher Einstellungen der 7 Achsen erreicht werden Daher wird eine Strategie benoumltigt um die jeweilige Achs einstellung zu finden Diese

Bild 6 Kleines Kardan-Goniophotometer 1982ndash2007

Bild 7 Arm des Roboter-Goniophotometers

Bild 8 Roboter-Goniophotometer 2006 bis heute

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PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4 Kurze Geschichte der Goniophotometrie in der PTB

Strategie ist relativ simpel Sie besagt dass alle Achseinstellungen derart gefunden werden dass saumlmtliche Bestandteile des Roboters einen maxi-malen Abstand zum Zentrum des Roboters haben sollen um das von der Roboterstruktur reflektierte Streulicht moumlglichst gering zu halten Eine beson-dere Software ist notwendig um alle Achswinkel ausgedruumlckt in counts jedes Winkelencoders fuumlr jede Achse zu bestimmen um die gewuumlnschten Kugelkoordinaten (r ϑ φ) anzufahren Waumlhrend der Messung der zu untersuchenden Lampe liest das Roboter-Kontrollsystem alle 10 ms diese counts jeder Achse und versucht jede Achse entsprechend diese Vorgabe einzustel-len Nach dieser Einstellung welche fuumlr alle 7 Achsen gleichzeitig erfolgt werden die Ist-Winkel jeder Achse wiederum in counts synchron gelesen und mit den zugehoumlrigen photo-metrischen Daten und elek trischen Daten des Lampenbetriebs in eine Datenbank gespeichert Prinzipiell ist der Signal-fluss dem des in Abschnitt 221 beschriebenen groszligen Kardan-Goniophotometers sehr aumlhnlich Aber es gibt ein zusaumltzliches wichtiges Element den sogenannten Zeitstempel Da ein weit verteiltes Datenerfassungssystem vorliegt wird ein Mecha-nismus zur Datensynchronisierung in Form eines 1-Mhz-Taktes verwendet Dieser ist im gesamten System verfuumlgbar Beim Messungsstart synchron gestartete Zaumlhler erlauben daher die spaumltere Synchronisierung aller angefallenen Daten Wie beschrieben ist die Position jeder Achse und damit die Position und Orientierung des Photometers das Ergebnis eines Regelprozesses Somit ist es not-wendig die tatsaumlchliche Position und Orientierung des Photometers aus den gespeicherten Daten der Winkelencoder zu berechnen

In der Robotik ist es uumlblich einen Roboter des

verwendeten Typs wie eine biegesteife mechani-sche Kette mit sogenannten Denavit-Hartenberg-Parametern (DH-Parameter) zu beschreiben [9] Die Tabelle 1 zeigt diese DH-Parameter am Beispiel des Roboters 1

Mit diesen Parametern und den aktuellen Winkeln θi fuumlr jede Achse ist die Berechnung der Position bzw Orientierung der siebten Achse in Basis-Koordinatensystem des Roboters moumlglich Hierzu werden 7 Matrizen nach Gleichung (18) ver-wendet Jede Matrize beschreibt die Position (blau) und Orientierung (gruumln) jeder einzelnen Achse

Die PositionierungOrientierung der Achse 7 ergibt sich aus dem Vektorprodukt T1 T2 T3 T4 T5 T6 T7

Um jedoch die Koordinaten in Bezug auf das Koordinatensystem der fiktiven Kugel zu erhalten muumlssen 2 weitere aumlhnliche Matrizen verwendet werden Die sogenannte Base Frame Matrix F beschreibt die Positionierung und Orientierung des Roboter-Koordinatensystems zum Koor-dinatensystem der fiktiven Kugel waumlhrend die Matrix W die Positionierung und Orientierung des Photometers zur Achse 7 beschreibt Nun laumlsst sich die Position und Orientierung des Photome-ters P im Koordinatensystem der fiktiven Kugel mit Gleichung (19) beschreiben

P = F T1 T2 T3 T4 T5 T6 T7 W (19)

axisi Δθi offset to rotation around Z-axis

αi rotation around X-axis

di

translation in Z-axis

αi

translation in X-axis

1 ndash1438deg 45024deg 0000 mm ndash0400 mm

2 191088deg ndash90026deg 2686322 mm 0696 mm

3 178585deg 89996deg 274088 mm 0781 mm

4 6229deg ndash90022deg 1410499 mm 0474 mm

5 ndash0141deg ndash89955deg 173036 mm ndash0779 mm

6 ndash0924deg 90032deg 1191007 mm 0223 mm

7 180443deg 90007deg 91130 mm 0000 mm

Tabelle 1 DH-Parameter von Roboter 1

T

a

i

i i i i i i i i i i i

=

+( ) minus +( ) +( ) +cos sin cos sin sin cos∆ ∆ ∆ ∆θ θ θ θ α θ θ α θ θ(( )+( ) +( ) minus +( ) +sin cos cos cos sin sin∆ ∆ ∆ ∆θ θ θ θ α θ θ α θ θi i i i i i i i i i ia (( )

00 0 0 1

sin cosα αi i id

(18)

26

PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4Das Jahr des Lichtes

Bild 9 zeigt die Achsenkoordinatensysteme (17) das Base-Frame-Koordinatensystem und das Koordinatensystem des Photometers zur Achse 7 in schematischer Weise Das Koordinatensys-tem der fiktiven Kugel faumlllt mit dem Zentrum des Goniophotometers zusammen und wird mit Center bezeichnet P ist jetzt auf dieses Center-Koordinatensystem bezogen Zusaumltzlich ist eine typische Bahn eingezeichnet Wegen des aller-dings nicht dargestellten Lampenhalters ist diese Bahn im oberen Bereich verdichtet um eine Kollision mit dem Lampenhalter zu vermeiden Wie bereits erwaumlhnt setzt die Verwendung von Gleichung (19) einen biegesteifen Roboter voraus der in der Praxis nicht existiert P ist also von statischen Gewichtskraumlften des Roboters dyna-mischen Kraumlften infolge der Bewegung als auch von thermischen Laumlngenaumlnderungen uumlberlagert Daher muss Gleichung (19) um eine entspre-chende Korrektur C erweitert werden Glei-chung (20) zeigt nun das endguumlltige Modell zur Bestimmung von P

wobei C

t tT Rθ θ

θ θ1 7

1 7 dd

dd amb

diese finale Korrektur basierend auf den Winkeln θ1θ7 aller Achsen ihren zeitlichen Ableitungen

dd

dd

θ θ1 7

t t

und der Umgebungstemperatur Tamb beschreibt

Der letzte Parameter R steht fuumlr einen groszligen Datensatz und beschreibt Eigenschaften des Roboters wie Abmessungen Teilmassen usw Die Berechnung von C() ist aufwendig und wurde vom Hersteller des Roboters ausgefuumlhrt Aus Gruumlnden des Wettbewerbs muss diese Berechnung vertrau-lich behandelt werden und kann daher hier nicht veroumlffentlicht werden Jedoch kann die Wirkung von C() beispielhaft auf den Messradius mitgeteilt werden (siehe Bild 10)

Die noumltige Radiuskorrektur rcorr bewegt sich im Bereich ndash2 mm lt rcorr lt 3 mm je nach Position (θ φ) des Photometers Der Aumlquatorbereich benouml-tigt eine groumlszligere Korrektur infolge hier wirksamer groumlszligerer Zentrifugalkraumlfte als die Polregion Der Radius selbst laumlsst sich dann aus der Positionssub-matrix von P bestimmen

Der Signalfluss stimmt im Wesentlichen mit dem wie in Bild 5 gezeigt uumlberein Prinzipiell kann der Lichtstrom mit den Gleichungen (11) und (10) berechnet werden da aber nun 2 Photometer benutzt werden muss dies fuumlr jede Hemisphaumlre also fuumlr jeden Roboter separat geschehen Die Gleichungen (21) und (22) demonstrieren das

Bild 9 Koordinatensystem des Roboter-Gonio-photometers und Beispielbahn

P Ct t

T R F T T T T T T=

sdot sdot sdot sdot sdot sdot sdot sdotθ θ

θ θ1 7

1 71 2 3 4 5 6

dd

dd amb TT W7 sdot

(20)

27

PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4 Kurze Geschichte der Goniophotometrie in der PTB

fuumlr Roboter 1 Der Radius r1i befindet sich dabei innerhalb der Summation von Gleichung (22) Das Roboter-Goniophotometer ist zusaumltzlich mit einem Monitorphotometer ausgeruumlstet Dieses Photometer wird waumlhrend der Messung nicht bewegt ist aber staumlndig von einem fixen Punkt aus auf die zu untersuchende Lampe gerichtet und erlaubt somit die Korrektur einer moumlglichen Alterung der Lampe waumlhrend des Messprozesses als Funktion der Zeit (cmon(t1i))

Es w R

fyt

fi jj

ni j

i j1

1 1 11

1

1

11 0

12

1

=

( )sdot minus

=sumπ

ϕf g

q∆∆

∆

(21)

Φ1 1 1 12

1 1 1 12= sdot sdot sdot sdot ( ) sdot minus( )+c c r c ti i i ii

str spec mon cos cosπ ϑ ϑ==

minus

sum sdot0

1

1

1m

iE

(22)

Roboter 2 wird in gleicher Weise behandelt und der Lichtstrom ergibt sich somit aus der Summe von Φ1 und Φ2 korrigiert mit dem elektrischen Korrekturfaktor celec aus Gleichung (15)

Φ Φ Φ= sdot +( )celec 1 2 (23)

Die Bestimmung der Streulichtkorrektur cstr unter-scheidet sich methodisch von jener des Kardan-Goniophotometers Es ist schwierig Blenden zwischen Photometer und Lampe zu positionieren wie in [5] beschrieben Hier wird die Streulicht-korrektur cstr direkt aus der Leuchtdichteverteilung auf den Waumlnden des Messraums bestimmt Mit der Kenntnis der geometrischen und photometrischen Eigenschaften des Raumes der raumlumlichen Licht-staumlrkeverteilung der Lampe und dem verwendeten Streulichttubus vor dem Photometer lieszlige sich die Streulichtkorrektur cstr berechnen Hier jedoch wird diese Korrektur mit sogenannten Back-Loo-king-Photometern bestimmt [11]

Bild 11 zeigt ein Foto der bdquoRoboterhandldquo mit mon-tiertem Photometer und Back-Looking-Photometer Letzteres ist ein wenig schraumlg ausgerichtet um nicht im Bereich des Schattenwurfs des Photome-ters auf den Waumlnden zu messen

Bild 12 zeigt beispielhaft eine typische in finite Flaumlchenelemente gerasterte Streulichtsituation im Goniophotometermessraum wie sie durch die zu untersuchende Lichtquelle generiert wird Dieses Beispiel arbeitet mit finiten Flaumlchen der Groumlszlige 05 m middot 05 m um die Flaumlchen sichtbar zu machen Zur realen Berechnung werden Flaumlchen der Groumlszlige 01 m middot 01 m verwendet Natuumlrlich ist der Streulichtanteil auf der aktiven Flaumlche des

Bild 10Wirkung der Radiuskorrektur

Bild 11 Photometer (links) und Back-Looking-Photometer (rechts)

Bild 12 Wirkung des Streulichts und seine Bestimmung

28

PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4Das Jahr des Lichtes

Photometers eine Funktion des Gesichtsfeldes des jeweils verwendeten Streulichttubus vor dem Photometer Derzeit werden 2 Tuben je nach Groumlszlige der Lichtquelle mit Oumlffnungswinkeln von ca 15deg und ca 225deg verwendet Ihre typischen Korrekturwerte betragen etwa 09995 und 09990 Da jeder Messroboter mit diesem Back-Looking-Photometer ausgeruumlstet ist kann so der Streulicht-anteil fuumlr jedes Photometer bestimmt werden Da die Back-Looking-Photometer bdquoruumlckwaumlrtsldquo gerichtet sind wird also jeweils die Streulichtkorrektur fuumlr den gegenuumlberliegenden Messroboter bestimmt Damit ist es moumlglich den Wert des Lichtstroms mit zugehoumlriger Messunsicherheit zu bestimmen Tabelle 2 illustriert Ergebnisse einer vereinfachten Monte-Carlo-Simulation (MC) am Beispiel einer OSRAM-Wi4-Lichtstrom-Normallampe Ihre Lichtstaumlrkeverteilung ist in Bild 13 wiedergegeben

Die MC basiert auf den folgenden Gleichun-gen (24) Werte der wichtigsten Beitraumlge zur Mes-sunsicherheit koumlnnen der Tabelle 2 entnommen werden Eine detailliertere Beschreibung der Roboter und Analyse der Messunsicherheit kann [12] entnom-men werden

Bild 13 Raumlumliche Lichtstaumlrkeverteilung einer OSRAM-Wi4-Lichtstrom-Normallampe

Quantity Symbol Value Uncertainty Unit Sensitivity Contribution lm Relative contribution

Luminous responsivity 1 s1 3065E-10 9195E-13 A lxndash1 188E+12 173 000150

Luminous responsivity 2 s2 4111E-10 12333E-12 A lxndash1 143E+12 177 000153

Spectral matching exponent 1 m2 y 0021 0015 1 20 030 000026

Spectral matching exponent 2 m2 y 0036 0015 1 18 027 000023

CCT or distribution temperature T 2762 10 K 0012 012 000011

Uncertainty in r Δr 0000 00020 m 901 180 000156

Calibration factor for frequency F cFH 1000 00005 1 1141 057 000049

Calibration factor for frequency ƒ cFD 1000 00050 1 104 005 000005

Voltage to frequency converter 1 w1 f 500849 25 Hz Vndash1 0012 031 000027

Voltage to frequency converter 2 w2 f 500561 25 Hz Vndash1 00118 029 000026

Amplification gain 1 R1 g 1000E+09 99996 Ω 6223E-07 006 000005

Amplification gain 2 R2 g 9997E+08 99966 Ω 5430E-07 005 000005

Calibration factor for cmon ccm 1000 00005 1 1162 058 000050

Correction factor for stray light cstr 09995 00005 1 1134 057 000049

Luminous flux Φ 11541 327 00028

Tabelle 2 Unsicherheitsbudget

29

PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4 Kurze Geschichte der Goniophotometrie in der PTB

Somit ergibt sich zurzeit eine erweiterte Mess-unsichert von 056 fuumlr k = 2 Dies entspricht etwa der Messunsicherheit welche mit dem groszligen Kardan-Goniophotometer erreichbar war Im Unterschied zum Kardan-Goniophotometer (fester Messradius) verfuumlgt das Roboter-Goniophotometer jedoch uumlber die noumltige hohe Flexibilitaumlt (z B durch Variation des Messradius) die noumltig ist um kuumlnftige Anforderungen erfuumlllen zu koumlnnen Eben diese hohe Flexibilitaumlt fuumlhrt bei der Bestimmung des Messradius zu relativ groszligen Messunsicherheiten Hier koumlnnte die Verwendung einer Lookup-Table oder eine On-Line-Verfolgung mittels Tracer-Syste-men der Bahnen diese Unsicherheit verkleinernMittlerweile ist das Roboter-Goniophotometer voll-staumlndig charakterisiert und wird fuumlr beleuchtungs-staumlrkebasierte Lichtstromkalibrierungen und auch fuumlr internationale Vergleiche eingesetzt Damit werden auch die Anforderungen (15ndash17) erfuumllltIm naumlchsten Schritt wird das Roboter-Goniopho-tometer mit Leuchtdichtemesskameras ausgeruumlstet

werden um es als bdquoNahfeld-Goniophotometerrdquo einzusetzen Es wird dann die direkte Messung der Leuchtdichteverteilung erlauben aus welcher nahezu alle noumltigen photometrischen Groumlszligen abgeleitet werden koumlnnen Dieser kuumlnftige Schritt wird dann auch den letzten Punkt (18) der Anfor-derungen erfuumlllen

3 Zusammenfassung

Die Geschichte der Goniophotometrie in der PTB uumlber einen Zeitraum von mehr als 50 Jahren wird praumlsentiert Verschiedene Goniophotometer ange-fangen vom manuell bewegten Einarm-Goniopho-tometer mit visuellem Photometer uumlber das groszlige und kleine Kardan-Goniophotometer bis hin zum bdquoState-of-the-art-Roboter-Goniophotometerldquo fuumlr das 21 Jahrhundert werden beschrieben Das Letztere hat das Potenzial in der traditionellen Betriebsart aber auch im Nahfeldmodus uumlber viele Jahre eingesetzt zu werden Neu aufkommende

Quantity Symbol Value Uncertainty Unit Sensitivity Contribution lm Relative contribution

Luminous responsivity 1 s1 3065E-10 9195E-13 A lxndash1 188E+12 173 000150

Luminous responsivity 2 s2 4111E-10 12333E-12 A lxndash1 143E+12 177 000153

Spectral matching exponent 1 m2 y 0021 0015 1 20 030 000026

Spectral matching exponent 2 m2 y 0036 0015 1 18 027 000023

CCT or distribution temperature T 2762 10 K 0012 012 000011

Uncertainty in r Δr 0000 00020 m 901 180 000156

Calibration factor for frequency F cFH 1000 00005 1 1141 057 000049

Calibration factor for frequency ƒ cFD 1000 00050 1 104 005 000005

Voltage to frequency converter 1 w1 f 500849 25 Hz Vndash1 0012 031 000027

Voltage to frequency converter 2 w2 f 500561 25 Hz Vndash1 00118 029 000026

Amplification gain 1 R1 g 1000E+09 99996 Ω 6223E-07 006 000005

Amplification gain 2 R2 g 9997E+08 99966 Ω 5430E-07 005 000005

Calibration factor for cmon ccm 1000 00005 1 1162 058 000050

Correction factor for stray light cstr 09995 00005 1 1134 057 000049

Luminous flux Φ 11541 327 00028

Φ = sdot

sdot

+ sdot sdotminus

c JJ

TT

r r c c tm

m

i i

y

strA

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0

12

1

1

( ) ∆ (( )sdot minus( ) sdotsdot sdot minus

+=

minus=sumsum

cos cosFH FD

ϑ ϑ

ϕ

1 1 10

1 11

11

1

i ii

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n

i jc F c∆ sdotsdot( )sdot sdot

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2 2 2

( )sdot sdot

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(24)

30

PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4Das Jahr des Lichtes

Anforderungen fuumlr die Ruumlckfuumlhrung photome-trischer Einheiten wie beispielsweise im Solid-State-Lighting-Bereich koumlnnen so erfuumlllt werden

Literatur

[1] Y Ohno 1995 Realization of NIST Luminous Flux Scale Using an Integrating Sphere with an External Source CIE Proceedings 23rd Session New Delhi

[2] R Sewig 1938 Handbuch der Lichttechnik Band 1 pp 319 321 Berlin Springer Verlag

[3] D Foumlrste 1966 Zur Lichtstrommessung an Lam-pen mit ungleichmaumlszligiger Lichtverteilung PTB-Mitteilungen 166 pp 18ndash20 Braunschweig PTB

[4] D Foumlrste 1979 Ein Goniophotometer zur genauen Bestimmung des Lichtstroms Licht-Forschung 1 Jahrgang 379 pp 30ndash36 Heidelberg Huumlthig Verlag

[5] D Foumlrste 1980 Elimination des Fremdlichts bei der Lichtstrombestimmung mit dem Gonio-photometer Licht-Forschung 2 Jahrgang 180 pp 27ndash29 Heidelberg Huumlthig Verlag

[6] W Erb 1997 PTB Network for realization and maintenance of the candela Metrologia 3497 pp 115ndash124 Bristol UK

[7] G Sauter 1996 Kalibrierung von Lichtstaumlrke-Normallampen und Angabe der Messunsicherheit PTB interner Bericht Braunschweig PTB

[8] G Sauter 1996 Goniophotometry new calibra-tion method and instrument design Metrologia 32 (199596) pp 685ndash688 Bristol UK

[9] httpenwikipediaorgwikiDenavit-Hartenberg_Parameters (letzter Aufruf 03122015)

[10] M Lindemann 2009 Photometry and Colori-metry of Reference LEDs by Using a Compact Goniophotometer MAPAN ndash Journal of Metro-logy Society of India Vol 24 No 3 pp 143ndash152 New Delhi India

[11] G Bizjak 2009 Determination of Stray Light at the PTB Goniophotometer Facility MAPAN ndash Jour-nal of Metrology Society of India Vol 24 No 3 pp 163ndash173 New Delhi India

[12] M Lindemann et al 2015 Robot goniopho-tometry at PTB Metrologia 52 pp 167ndash194 Bristol UK

32

PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4Das Jahr des Lichtes

1 Eine einleitende Beschreibung von Gluumlhlampen LEDs und OLEDs

Der Einsatz Licht Emittierender Dioden (LED) in der Allgemeinbeleuchtung hat in den vergangenen Jahren erheblich zugenommen Ein entscheiden-der Vorteil der LED gegenuumlber der traditionellen Gluumlhlampe liegt in ihrer uumlberlegenen Lichtaus-beute ηv ndash dem Verhaumlltnis des emittierten Licht-stroms Φv und der aufgenommenen elektrischen Leistung Pel angegeben in LumenWatt

Dieser Vorteil beruht auf den Unterschieden der zugrunde liegenden Technologien der Lichterzeu-gung beider Lampentypen Bei einer (Halogen-)Gluumlhlampe wird der Gluumlhfaden durch elektrischen Strom auf Temperaturen um 3000 K aufgeheizt Obwohl hierbei fast die gesamte elektrische Leis-tung in Strahlung umgewandelt wird ndash Verluste durch thermische Konvektion oder Waumlrmeleitung sind gering ndash kann das menschliche Auge lediglich einen geringen spektralen Anteil der ungefaumlhr 5 der Gesamtstrahlungsleistung ausmacht wahr-nehmen Der Groszligteil der Strahlungsleistung liegt im infraroten Spektralbereich und kann nicht fuumlr Beleuchtungszwecke genutzt werden In Bild 1 ist die spektrale Verteilung einer Gluumlhlampe bei einer Temperatur von 2856 K im Spektralbereich

von 300 nm bis 1200 nm dargestellt Das sichtbare Licht im Spektralbereich zwischen 360 nm und 830 nm ist mit den entsprechenden Spektralfarben hinterlegt Oberhalb 830 nm beginnt der fuumlr das menschliche Auge unsichtbare infrarote Anteil der Strahlung

Der fuumlr photometrische Messungen normativ festgelegte spektrale Hellempfindlichkeitsgrad V(λ) also die Hellempfindlichkeit des Auges eines bdquoNormalbeobachtersldquo ist mit seinem Maximum bei 555 nm schwarz eingezeichnet

Da die Gluumlhlampe eine thermische Strahlungs-quelle ist verschiebt sich mit zunehmender Tem-peratur die Lage des Strahlungsmaximums ent-sprechend des Wienschen Verschiebungsgesetzes zu kuumlrzeren Wellenlaumlngen Um die Lichtausbeute von Gluumlhlampen zu erhoumlhen muumlsste man das Strah-lungsmaximum durch Temperaturerhoumlhung in den kurzwelligeren Bereich des sichtbaren Lichts verschieben Die Maximaltemperatur ist jedoch bei Gluumlhfaumlden aus Wolfram auf etwa 3000 K begrenzt ndash bei houmlheren Temperaturen nimmt die Lebensdauer drastisch ab

Das Funktionsprinzip einer LED-Lichtquelle basiert auf dem Phaumlnomen der Elektrolumines-zenz Der prinzipielle Aufbau einer LED aumlhnelt einer pn-Halbleiterdiode Durch Anlegen einer Gleichspannung rekombinieren Ladungstraumlger in der p-n-Grenzschicht der Leuchtdiode unter Emission von Strahlung Durch gezielte Auswahl der verwendeten Halbleitermaterialien und ihrer Dotierung wird deren Bandluumlcke und somit die Farbe des emittierten Lichtes bestimmt Im Jahr 1992 gelang der Durchbruch in der Entwicklung hocheffizienter blauer LEDs die den Einsatz von LEDs zur Allgemeinbeleuchtung erst ermoumlgli-chen Die zugrunde liegenden Forschungsarbei-ten wurden 2014 mit dem Nobelpreis fuumlr Physik gewuumlrdigt [1]

Eine schmalbandige Lichtemission ist charak-teristisch fuumlr LEDs Dementsprechend verfuumlgt ihr Licht uumlber eine hohe Farbsaumlttigung Durch die Bedeckung des LED-Chips mit breitbandig pho-tolumineszierenden Farbstoffen wird ein Teil der Strahlung in energieaumlrmeres langwelligeres Licht konvertiert und es entstehen Mischfarben wie

Metrologie fuumlr moderne Lichtquellen LEDs und OLEDs Thorsten Gerloff

Thorsten Gerloff Arbeitsgruppe bdquoPhotometrieldquo EshyMail thorstengerloffptbde

Bild 1 Spektrale Verteilung einer Gluumlhlampe und spektraler Hellempfindlichkeitsgrad (V(λ)-Funktion)

33

PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4 Metrologie fuumlr moderne Lichtquellen

i Infokasten LED

Lichtausbeute einer Strahlungsquelle ηv

Die Lichtausbeute einer Strahlungsquelle gibt das Verhaumlltnis aus ausgestrahltem Lichtstrom und aufgenommener elektrischer Leistung an Die Einheit ist LumenWatt (lmW) Je houmlher die Lichtausbeute ist umso energieeffizienter ist die Beleuchtung Gluumlhlampen besitzen Lichtausbeuten zwischen 10 und 20 lmW

Lichtstrom Φv

Der Lichtstrom beruumlcksichtigt den Hellempfind-lichkeitsgrad V(λ) des Auges und gibt die in alle Raumrichtungen abgegebene bdquoLichtleistungldquo einer Lampe an Der Lichtstrom enthaumllt keine Information daruumlber wie die Lampe das Licht im Raum verteilt Der Lichtstrom gibt an wie hell ein beleuchteter Raum dem Menschen erscheint

Spektraler Hellempfindlichkeitsgrad V(λ)

Der exakt definierte spektrale Hellempfindlich-keitsgrad V(λ) ist eine Bewertungsfunktion fuumlr elektromagnetische Strahlung Hiermit wird der bdquoHelligkeitseindruck eines menschlichen Durch-schnittsaugesldquo berechnet Dies ermoumlglicht den objektiven Vergleich von Lichtquellen mit physika-lischen Messmethoden Subjektive Wahrnehmun-gen einzelner Menschen koumlnnen damit nicht exakt wiedergegeben werden

Aumlhnlichste Farbtemperatur TN

Es gibt unterschiedliche Farbtemperaturen in der Photometrie Verhaumlltnis- und Verteilungstem-peratur sind nur bei thermischen Strahlern wie der Gluumlhlampe anwendbar Nur die aumlhnlichste Farbtemperatur (englisch Correlated Colour Temperature CCT) laumlsst sich fuumlr Lichtquellen mit beliebiger spektraler Zusammensetzung berech-nen sofern die Normfarbwertanteile aumlhnlich einem thermischen Strahler sind Die aumlhnlichste Farbtemperatur wird in der Einheit Kelvin (K) angegeben Sie gibt an ob das Licht warmweiszlig (ca 3000 K) neutralweiszlig (ca 4500 K) oder tages-lichtweiszlig (gt5500 K) erscheint

Normfarbwertanteile (x y)

Fuumlr die Angabe von Farbe gibt es neben dem spek-tralen Hellempfindlichkeitsgrad V(λ)noch weitere definierte Bewertungsfunktionen Hiermit laumlsst sich die Farbwahrnehmung eines fiktive Normalbeob-achters aus der gemessenen spektralen Verteilung des Lichts durch Angabe von nur zwei Werten (x und y) angeben Diese Werte geben die Koordi-naten auf der Normfarbtafel (s Abbildung) an

Normfarbtafel

Farbwiedergabeindex Ra

Der Farbwiedergabeindex ist eine Kennzahl fuumlr Lichtquellen der bewertet die Qualitaumlt der Farb-wiedergabe Je houmlher der Wert desto besser ist die Farbwiedergabe Der Maximalwert liegt bei 100 Werte zwischen 90 und 100 geben eine ausgezeich-nete Farbwiedergabe an Werte unter 80 sind fuumlr viele Anwendungen nicht ausreichend

Im Folgenden soll ein kleiner Leitfaden gegeben werden der in allgemeinverstaumlndlicher Form die grundlegenden Ideen wichtiger lichttechnischer Groumlszligen erlaumlutern soll Komplexe Details der zugrunde liegenden Normen und Definitionen werden hierbei nicht beruumlcksichtigt

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PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4Das Jahr des Lichtes

Pastellfarbtoumlne oder auch weiszliges LichtIn Bild 2 sind die spektralen Verteilungen einer

LED mit und ohne Leuchtstoff abgebildet In der linken Abbildung erkennt man die schmalbandige blaue Emission des LED-Chips In der rechten Abbildung wird ein Teil dieser Strahlung durch einen Leuchtstoff in laumlngerwelliges Licht konver-tiert und die Mischfarbe erscheint weiszlig

Der Vorteil einer LED gegenuumlber einer Gluumlh-lampe bezuumlglich der Lichtausbeute ist offensicht-lich Es wird ndash von unvermeidbarer thermischer Verlustleistung abgesehen ndash nur Strahlung im sichtbaren Wellenlaumlngenbereich emittiert Daruumlber hinaus ist die Farbe des Lichts von LEDs durch Kombination verschiedener Leuchtstoffe und LEDs nahezu beliebig einstellbar und man ist nicht auf aumlhnlichste Farbtemperaturen von ca 3000 K wie bei der Gluumlhlampe begrenzt

Allerdings gibt es auch Nachteile gegenuumlber dem Licht einer Gluumlhlampe Dem typischen Spektrum einer LED-Lichtquelle fehlen im Gegensatz zu Sonnenlicht oder Gluumlhlampenlicht einzelne Spekt-ralfarben Dies macht sich negativ bei der Qualitaumlt der Farbwiedergabe bemerkbar

Die Farbe des emittierten Lichts einer LED laumlsst sich durch additive Farbmischung sehr aumlhnlich zu Sonnenlicht oder auch Gluumlhlampenlicht einstellen Wenn jedoch Objekte mit Licht beleuchtet werden kommt es auch auf die spektrale Zusammensetzung des Lichts an Nehmen wir einen Blumenstrauszlig aus roten Rosen der im Tageslicht steht Im Son-nenlicht sind alle Spektralfarben vorhanden und diese beleuchten die Rosen Die roten Bluumltenblaumltter absorbieren einige spektrale Anteile des Lichts und reflektieren im Wesentlichen rotes Licht welches in das Auge des Betrachters faumlllt Wenn die Rosen von einer anderen Lichtquelle beleuchtet werden in der die roten Spektralanteile zumindest teilweise fehlen koumlnnen diese nicht reflektiert werden und die Farben der Rosen erscheinen unnatuumlrlich

Dies ist von weitreichender Bedeutung fuumlr die Wahl einer geeigneten Lichtquelle da wir einen Kompromiss aus Licht mit guter Farbwieder-gabe und hoher Lichtausbeute schlieszligen muumlssen Licht mit hoher Farbwiedergabe setzt sich aus moumlglichst vielen Spektralfarben zusammen und Lichtquellen mit hoher Lichtausbeute sollten nur Spektralfarben beinhalten fuumlr die das menschliche Auge besonders empfindlich ist In den Auszligenbe-zirken vieler Staumldte werden zur Nachtbeleuchtung der Gehwege haumlufig Natriumdampflampen mit orangefarbenem Licht eingesetzt Die Lichtaus-beute dieser Lampen ist mit etwa 150 lmW auszligerordentlich hoch da das menschliche Auge in diesem Spektralbereich sehr empfindlich ist Diese Beleuchtung ist jedoch ungeeignet um Farben natuumlrlich wiederzugeben Aufgrund des Aufbaus des menschlichen Auges ist es also nicht moumlglich eine Beleuchtung mit sehr hoher Qualitaumlt der Farbwiedergabe bei gleichzeitig sehr hoher Lichtausbeute zu realisieren

Weiszlige LEDs zur Allgemeinbeleuchtung nutzen in der Regel Leuchtstoffe die teilweise qualita-tiv hochwertige Farbwiedergabeeigenschaften besitzen Eine weitere Methode zur Erzeugung von weiszligem Licht ist das Mischen von rotem gruumlnem und blauem Licht (RGB-Verfahren) welches die Grundlage jedes Displays ist Hierbei sind neben weiszligem Licht auch andere Lichtfarben moumlglich ndash die Farbwiedergabeeigenschaften sind allerdings schlecht Fuumlr die Endverbraucher sind in der Regel die Farbwiedergabeeigenschaften von Lichtquellen als Ra-Werte auf der Verpackung angegeben

Organische Licht Emittierende Dioden (OLED) sind eine junge Beleuchtungstechnologie die noch keinen Zugang zum Massenmarkt erhalten hat Die weltweit erste kommerzielle OLED-Leuchte wurde 2008 vertrieben Der fuumlr den Nutzer wesentliche Unterschied zwischen OLEDs und LEDs besteht im Aufbau Der leuchtende Kristall

Bild 2 Spektrale Verteilung einer blauen LED (links) und einer weiszligen LED (rechts) bei der ein Teil des blauen Lichts zu gelbem Licht konvertiert wurde

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PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4 Metrologie fuumlr moderne Lichtquellen

anorganischer LEDs besitzt eine maximale Kan-tenlaumlnge von etwa einem Millimeter Bei OLEDs wird das Licht in groszligflaumlchigen amorphen organi-schen Schichten erzeugt Momentan sind OLEDs mit leuchtenden Flaumlchen von bis zu 20 x 20 cmsup2 erhaumlltlich Das Licht wird aumlhnlich wie bei LEDs durch Ladungstraumlgerrekombination unter Auftre-ten von Elektrolumineszenz erzeugt Dabei ist das Emissionsspektrum der verwendeten organischen Emittermaterialien wesentlich breitbandiger als das einer LED (vgl Bild 3) Daher wird das weiszlige Licht von OLEDs in der Regel durch Verwendung von roten gruumlnen und blauen Emittermaterialien erzeugt ohne dass die Farbwiedergabeeigenschaf-ten sehr stark darunter leiden

2 Entwicklung von (O)LED-Transfer-normalen in der PTB

Eine der Kernaufgaben der PTB ist die Weiter-gabe der gesetzlichen Einheiten Bis zum heuti-gen Tage bieten Transfernormale in Form von speziellen Gluumlhlampen die besten Eigenschaften um als Maszligverkoumlrperung der Einheiten Candela oder Lumen zu dienen Da der Anwender in der Regel jedoch die Substitutionsmethode bei seinen Messungen anwendet um notwendige Korrektu-ren auf ein Minimum zu reduzieren (Gleiches mit Gleichem vergleichen) sind auch Transfernormale auf Basis der LED-Technologie von Interesse

Bereits in den 80er-Jahren des vergangenen Jahr-hunderts wurden LEDs in der PTB kalibriert Diese waren fuumlr Beleuchtungszwecke noch ungeeignet und dienten lediglich als Signallampen Zeitgleich wurden die ersten PTB-LED-Transfernormale entwickelt deren optische Eigenschaften durch thermische Regelung des LED-Chips stabilisiert wurden Die mechanische Ausrichtung der LEDs leistet aufgrund des typischerweise stark gerichteten Abstrahlprofils der LEDs einen groszligen Beitrag auf die Messunsicherheit Daher werden die LEDs seit

2002 in ein rotationssymmetrisches robustes VA-Stahl-Gehaumluse eingebaut welches sich sehr repro-duzierbar ausrichten laumlsst (vgl Bild 4)

Diese Transfernormale werden unter Konstant-Strom-Bedingungen und ndash durch gezieltes Aufhei-zen des LED-Chips durch den Heizwiderstand ndash unter Konstant-Spannung-Bedingungen betrieben Aufgrund der halbleitenden Eigenschaften sinkt mit steigender Temperatur die Betriebsspannung und sowohl der Lichtstrom als auch die Peakwellenlaumlnge des emittierten Lichts veraumlndert sich Die Sollspan-nung wird auf einen Wert festgelegt der unterhalb der Gleichgewichtsspannung durch Eigenerwaumlr-mung im Betrieb ohne Heizwiderstand bei einer Umgebungstemperatur von etwa 35 degC liegt Somit ist auch ein Einsatz der Transfernormale in Laboren ohne Klimatisierung moumlglich

Fuumlr LEDs mit houmlheren Leistungen wurde im Jahr 2011 ein weiterer Prototyp eines Transfernormals vorgestellt (vgl Bild 5) Da die hier verwendeten LEDs eine houmlhere Leistungsaufnahme besitzen werden sie waumlrmer Das reduziert die Lebensdauer und Reproduzierbarkeit der photometrischen

Bild 3 Exemplarische spektrale Verteilung einer weiszligen OLED

Bild 4 Temperaturgeregeltes LED-Transfernormal auf Basis von Kleinleistungs-LEDs mit Lichtstroumlmen von bis zu 10 Lumen

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PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4Das Jahr des Lichtes

Groumlszligen deutlich Daher muumlssen sie gekuumlhlt werden Hierfuumlr kommt bei diesen Normalen ein Peltier-Element zum Einsatz welches geregelt Waumlrme in einen dahinterliegenden Kuumlhlkoumlrper leitet und hierdurch das emittierte Licht stabilisiert Diese Transfernormale zeichnen sich durch ein geringes

Gewicht bei einer Laumlnge von ca 100 mm und einem Durchmesser von etwa 20 mm aus Allerdings ist die Verwendung von LEDs mit sehr hohen Leistun-gen nicht moumlglich da die Abwaumlrme lediglich passiv an den Raum abgegeben wird Eine detaillierte Beschreibung der Eigenschaften dieses Transfer-normals wurde 2012 veroumlffentlicht [2]

Fuumlr die thermische Stabilisierung von LEDs mit sehr hohen Leistungen wurde ein weiteres Trans-fernormal unter Einsatz von Peltier-Elementen Heatpipes und aktivem Kuumlhlsystem in der PTB entwickelt (vgl Bild 6)

Im Rahmen des europaumlischen Forschungspro-jekts OLED100eu wurde in der PTB weiterhin das weltweit erste Transfernormal unter Einsatz einer organischen Leuchtdiode entwickelt (vgl Bild 7) Dieses Normal wurde fuumlr den Einsatz in einer Ulbricht-Kugel konzipiert und in ein mattes Aluminiumgehaumluse eingebaut Eine Besonderheit dieses Normals ist die Stand-Alone-Versorgungs-einheit die ohne Rechner o auml saumlmtliche relevan-ten elektrischen und thermischen Groumlszligen regelt und auf einem USB-Stick speichert

3 LED-Messtechnik in der PTB

Neben LED-Transfernormalen mit guter Reprodu-zierbarkeit ist eine hochentwickelte Messtechnik fuumlr deren Kalibrierung mit minimaler Messunsi-cherheit erforderlich

Die photometrische Beschreibung von LEDs erfolgt durch Angabe ihrer Lichtstaumlrke ILED mit der Einheit Candela und ihrem Lichtstrom ΦLED mit der Einheit Lumen Diese Groumlszligen werden in der PTB unter Verwendung ruumlckgefuumlhrter Photometer bestimmt Hierfuumlr wird die Beleuchtungsstaumlrke ELED unter definierten geometrischen Bedingungen fuumlr alle Abstrahlrichtungen der LED mit einem Goniophotometer gemessen

Fuumlr die Bestimmung der colorimetrischen Werte kommen Spektralradiometer zum Einsatz Hiermit werden spektrale Bestrahlungsstaumlrken gemessen und daraus die abgeleiteten colorime-

Bild 5 Temperaturgeregeltes LED-Transfernormal auf Basis von Hochleistungs-LEDs mit Lichtstroumlmen von bis zu 100 Lumen Im rechten Bild ist die Temperaturverteilung in Grad Celsius waumlhrend des Betriebs abgebildet

Bild 6 Temperaturgeregeltes LED-Transfernormal auf Basis von Houmlchstleistungs-LEDs mit Lichtstroumlmen von bis zu 2500 Lumen

Bild 7 Temperaturgeregeltes OLED-Transfernormal auf Basis kommerziell erhaumlltlicher OLEDs

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PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4 Metrologie fuumlr moderne Lichtquellen

trischen Kenngroumlszligen wie z B die Normfarb-wertanteile (x y) bei weiszligen LEDs die aumlhnlichste Farbtemperatur TN mit der Einheit Kelvin und bei farbigen LEDs die dominante Wellenlaumlnge λdom berechnet Grundlegende Informationen und Definitionen uumlber die photometrischen und colorimetrischen Groumlszligen und deren Messung sind in [3] [4] und [5] zu finden

In Bild 8 ist der Aufbau des LED-Messplatzes an der PTB zu sehen Fuumlr die Bestimmung der Mess-groumlszligen in alle raumlumlichen Abstrahlwinkel wird die LED durch ein Goniophotometer bewegt

Die LED wird in horizontaler Betriebslage zentrisch normal zur Referenzebene des Photo-meterkopfes ausgerichtet Ein Translationstisch ermoumlglicht dabei eine Variation des Abstandes d zwischen Photometer und LED Eine horizontale Rotationsachse (φ-Achse) und eine senkrechte Rotationsachse (ϑ-Achse) die sich an der LED-Spitze im rechten Winkel schneiden erlauben durch Drehung der LED eine Bestimmung der Beleuchtungsstaumlrke ELED in alle Raumrichtungen Beide Rotationsachsen werden waumlhrend der Messung zeitgleich bewegt Hierdurch bewegt sich die relative Position der lichtempfindlichen Emp-faumlngeroumlffnung bezuumlglich des Schnittpunkts beider Drehachsen auf der Oberflaumlche einer virtuellen Kugel entlang einer Spiralbahn von bdquoPol zu Polldquo dieser Kugel

Die Bestimmung des Lichtstroms ΦLED erfolgt analog der Beschreibung in dem Kapitel Kurze Geschichte der Goniophotometrie in der PTB Der wesentliche Unterschied zu goniophotome-trischen Messungen an Gluumlhlampen besteht darin dass bei LED-Messungen die Lichtquelle typischerweise bewegt werden kann ohne dass sich ihre optischen Eigenschaften aumlndernAufgrund des stetig wachsenden Bedarfs an ruumlck-gefuumlhrten Kalibrierungen von High-Power-LEDs sind Masse und Abmessungen der Transfernor-male erheblich gestiegen Daher wurde der Mess-platz 2015 um ein weiteres Goniophotometer fuumlr schwere und groszlige Objekte erweitert (vgl Bild 9)

Neben den photometrischen Empfaumlngern befinden sich auch Einkoppeloptiken fuumlr Spekt-ralradiometer auf dem drehbaren Empfaumlngerka-russell Alle Empfaumlnger lassen sich hiermit auto-matisiert waumlhrend einer Messung zu den LEDs ausrichten Vor jeder LED-Kalibrierung werden die Spektralradiometer bezuumlglich Ihrer spektralen Empfindlichkeit und Wellenlaumlnge kalibriert Die entsprechenden Normallampen befinden sich neben dem Empfaumlngerkarussell (vgl Bild 10) und ermoumlglichen so ebenfalls eine automatisierte Messung

Den spektralen Messungen an LEDs kommt neben der Notwendigkeit fuumlr die Bestimmung colorimetrischer Kennzahlen noch eine beson-dere Bedeutung fuumlr die photometrischen Messun-

Bild 9 Goniophotometer fuumlr photometrische Messungen an Hochleistungs-LEDs

Bild 10 Entladungslampen mit verschiedenen Gasfuumlllungen dienen der Wellenlaumlngenka-librierung der Spektrometer Im Hintergrund ist eine Bestrahlungsstaumlrke-Normal-lampe fuumlr die spektrale Empfindlichkeitskalibrierung zu sehen

Bild 8 Goniophotometer fuumlr photometrische Messungen an Kleinleistungs-LEDs

38

PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4Das Jahr des Lichtes

gen zu Wie in der Einleitung erklaumlrt unterscheiden sich die spektralen Verteilungen von LEDs und Gluumlhlampen deutlich voneinander Photometerkoumlpfe bestehen in der Regel aus einer Silizium-Photodiode deren spektrale Empfindlichkeit durch den Einsatz von Glasfiltern moumlglichst gut an den Hellemp-findlichkeitsgrad V(λ) angepasst wird Aufgrund internationaler Standardisierung wird die photo-metrische Empfindlichkeit von Photometerkoumlpfen fast ausschlieszliglich fuumlr Normlichtart A kalibriert In der Praxis werden hierfuumlr Gluumlhlampen mit einer Verteilungstemperatur von 2856 K verwendet Wenn man ein solches Photometer fuumlr Messungen an anderen Gluumlhlampen verwendet sind die spektralen Verteilungen meist so aumlhnlich dass nur geringe oder gar vernachlaumlssigbare Korrekturen aufgrund der spektralen Fehlanpassung also der Abweichung der realen spektralen Empfindlichkeit des Photometers von dem Hellempfindlichkeitsgrad notwendig sind Wenn man ein solches Photometer jedoch bei LEDs insbesondere farbigen LEDs einsetzt koumlnnen die Abweichungen aufgrund der spektralen Fehlan-passung sehr groszlig werden (gt10 fuumlr hochwertige Photometerkoumlpfe sind moumlglich)

Mit Kenntnis der relativen spektralen Verteilung der Leuchtdiode SLED(λ) und der relativen spekt-ralen Empfindlichkeit srel(λ) laumlsst sich die spektrale Fehlanpassung durch folgenden Korrekturfaktor cSpek korrigieren

cV S

s S

V P T

sSpek

LED

rel LED

A

rel

d

d

d=

( ) ( )( ) ( )

( ) ( )( )

intint

intλ λ λ

λ λ λ

λ λ λ

λ

intint ( )P Tλ λ A d

P(λ TA) beschreibt Lichtart A durch das Planck-sche Strahlungsgesetz fuumlr TA = 2856 K

Eine detaillierte Auflistung und Diskussion aller zu beruumlcksichtigenden Details bei Kalibrierungen von LEDs und das dazugehoumlrige Messunsicher-heitsbudget soll an dieser Stelle nicht gegeben werden Interessierte Leser koumlnnen hierfuumlr Infor-mationen in einer fruumlheren Veroumlffentlichung [6] oder in den Ergebnissen eines internationalen Vergleichs von LED-Messungen [7] finden

Fazit und Ausblick

Der Verzicht auf LEDs ist fuumlr Beleuchtungsan-wendungen nicht mehr vorstellbar Durch ihre kontinuierliche Weiterentwicklung erobern LEDs immer weitere Anwendungsfelder (z B Haus-halts- Straszligen- und Automobilbeleuchtung) mit denen der Endkunde in Kontakt kommt Bei diesen Anwendungen sind die Anforderungen an die Lichtquellen vielfaumlltig und fuumlr eine quantitative Beschreibung ihrer Eigenschaften muss auch die Messtechnik entsprechend umfassend und ausge-reift sein

Neben dem allgemeinen Forschungs- und Ent-wicklungsbedarf fuumlr bessere LED-Messverfahren und -geraumlte die die Grundlage ihrer technologi-schen Weiterentwicklung bilden gibt es eine weitere Herausforderung Aufgrund der nahezu unbe-grenzten Moumlglichkeiten eine bestimmte Lichtfarbe durch additive Farbmischung zu erhalten sind LEDs verschiedener Hersteller mit unterschiedlichen Emissionsspektren aber einer nominell gleichen aumlhnlichsten Farbtemperatur erhaumlltlich Dennoch ist teilweise ein Unterschied der Lichtfarbe mit bloszligem Auge erkennbar wenn sich unterschiedliche LEDs nebeneinander befinden

Es ist ungewoumlhnlich dass man ohne technische Hilfsmittel nominell gleiche Lichtfarben faktisch unterscheiden kann Um die Charakterisierung von LEDs soweit zu verbessern dass dies nicht mehr moumlglich ist ist einerseits eine Reduzierung der Messunsicherheit bei der Bestimmung der Normfarbwertanteile (Lichtfarbe) notwendig Andererseits muss man sich bewusst machen dass photometrische und colorimetrische Messverfahren auf rein physikalischen Zusammenhaumlngen basieren Individuelle menschliche Wahrnehmung und Sehen werden bei photometrischen Messungen nicht beruumlcksichtigt ndash diese werden durch Festlegung von exakt definierten Wichtungsfunktionen wie dem Hellempfindlichkeitsgrad fuumlr einen fiktiven Normalbeobachter ausgegrenzt Diese Wichtungs-funktionen koumlnnen gegebenenfalls auch noch optimiert werden um die objektive Beurteilung von Lichtquellen mit physikalischen Messmethoden zu verbessern Somit gibt es auch in Zukunft noch interdisziplinaumlre Herausforderungen fuumlr die Metro-logie moderner Lichtquellen

Literatur

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[7] wwwbipmorg APMPPR-S3a (Averaged LED Intensity) APMPPR-S3b (Total Luminous Flux of LEDs) APMPPR-S3c (Emitted Colour of LEDs)

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Effektpigmente hellipPTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4

Einleitung

Farbe ist fuumlr Menschen die wohl auffaumllligste sub-jektive Stoffeigenschaft Bereits den Fruumlhmenschen war diese visuelle Qualitaumlt bekannt deren Wahr-nehmung allen Primaten eigen ist So wurde 2008 in Suumldafrika eine ca 100000 Jahre alte steinzeitli-che bdquoMalerwerkstattldquo entdeckt [1] Auch heutzu-tage spielt Farbe in der Gestaltung unserer Umwelt eine wichtige Rolle Jedes Jahr praumlsentiert uns die Mode die neuen Farben der Saison Farben dienen zur Regelung des Verkehrs Ohne bunte Farben waumlre unsere Welt trist und oumlde

Es ist wichtig festzustellen dass Farbe ein physiologischer Sinneseindruck ist wie z B auch Tasten oder Riechen D h Farbe ist keine immanente physikalische Eigenschaft eines Gegenstandes wie z B seine Masse oder Waumlrme-leitfaumlhigkeit Die physiologische Wahrnehmungs-kette ist hierbei folgende Das vom betrachteten Gegenstand reflektierte Licht trifft auf das Auge und loumlst hierbei einen Farbreiz aus Dieser Farbreiz beruht auf der spektralen Zusammensetzung des empfangenen Lichts d h er ist abhaumlngig von der verwendeten Lichtquelle und dem spektralen Reflexionsvermoumlgen des betrachteten Objektes Die Anregung der licht- und farbempfindlichen Zellen in der Netzhaut fuumlhrt zu einer Farbvalenz die uumlber den Sehnerv an das Gehirn weitergeleitet wird Die eigentliche Farbempfindung die wir dann mit einem Gegenstand verknuumlpfen entsteht erst im Gehirn [2] Liegt z B eine Farbfehlsich-tigkeit vor so kann der Farbeindruck des betrof-fenen Menschen auch ein ganz anderer sein Auch viele Tiere mit ihren teilweise erheblich abweichenden visuellen Systemen nehmen Farbe ganz unterschiedlich als wir Menschen wahr Im Folgenden soll mit Farbe immer die Koumlrperfarbe auch Gegenstandsfarbe Objektfarbe bzw Oberflauml-chenfarbe genannt einer nicht selbstleuchtenden Flaumlche bezeichnet werden die durch Reflexion von Licht an einem Koumlrper entsteht

Die genannten Zusammenhaumlnge machen die mathematisch-physikalische Beschreibung von Farbe schwierig und aufwendig da auch die spe-zifischen Eigenarten der menschlichen Wahrneh-

mungskette nachgestellt werden muumlssen Diesem Umstand wird versucht uumlber die verschiedenen Farbmaszligsysteme Rechnung zu tragen welche die Farbe eines Objektes mithilfe von quantifizierba-ren Zahlenwerten kennzeichnen [3]

Generell koumlnnen farbige Flaumlchen je nach Tageszeit und Lichteinfall sehr unterschiedlich wirken Die Aumlnderungen basieren hierbei auf der unterschiedlichen spektralen Zusammenset-zung des Tageslichts und den winkelabhaumlngigen Glanz- und Struktureigenschaften von Oberflauml-chen Ganz besonders deutlich ist dies bei auf dem Interferenzeffekt basierenden Effektpigmenten der Fall Deren visuelles Erscheinungsbild im englischen mit Visual Appearance bezeichnet kann sich bei variierendem Beobachtungswinkel und unterschiedlichen Lichtverhaumlltnissen komplett veraumlndern Man spricht hierbei von sogenannten Flop-Lacken wobei man zwischen Hell-Dunkel-Flop und Farb-Flop unterscheiden kann [4]

Generell kann man sagen dass Farbe und visuelle Effekte einen entscheidenden Anteil am Verkaufserfolg eines Produktes haben denn Farben wecken Emotionen und verschiedene Neuro marketingstudien belegen dass ca 95 aller Kaufentscheidungen emotional gepraumlgt sind [5] Deshalb spielt eine moderne Farbgestaltung unter Nutzung aktueller Effektpigmente im Pro-duktdesign eine entscheidende Rolle denn durch den Einsatz solcher Pigmente kann Gegenstaumlnden eine houmlhere Attraktivitaumlt verliehen werden Daher findet man moderne Effektpigmente heutzutage in vielen teilweise sehr unterschiedlichen Indus-trieprodukten wie z B in Autolackierungen Haumluserfassaden Kosmetikartikeln oder sogar bei Pralineacutes wie dies in Bild 1 zu sehen ist

Pigmente

Als Pigmente aus dem Lateinischen kommend von pigmentum fuumlr bdquoFaumlrbestoff Schminkeldquo bezeichnet man aus Teilchen bestehende im Anwendungs-medium praktisch unloumlsliche Sub stanzen die als Farbmittel oder wegen anderer spezieller physika-lischer und chemischer Eigenschaften als funktio-nale Farbzentren verwendet werden [6]

Effektpigmente Eine Herausforderung fuumlr die optische Messtechnik

Egbert Buhr Alfred Schirmacher Andreas Houmlpe

Dr Egbert Buhr Fachbereich bdquoBildshy und Wellenoptikldquo EshyMail egbertbuhrptbde

Dr Alfred Schirmacher Arbeitsshygruppe bdquoReflexion und Transmissionldquo EshyMail alfredschirmacherptbde

Dr Andreas Houmlpe dagger ehemals Arbeitsgrupshype bdquoReflexion und Transmissionldquo

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PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4Das Jahr des Lichtes

In der Natur vorkommende anorganische Pig-mente sind schon seit praumlhistorischen Zeiten bekannt Schon die Menschen der Steinzeit benutzen mineralische Pigmente fuumlr die ersten Houmlhlenzeichnungen Sie erkannten dass sie mit unterschiedlichen Erdsorten farbig malen konnten Eisenoxidhaltige Erden liefern gelbrote bis braunrote Kalk und Gips weiszlige Mangan-oxide sowie Holz- und Knochenkohle schwarze Farbtoumlne

Aus heutiger industrieller Sicht ist ein Pigment ein fein aufgeteilter und unloumlslicher Feststoff mit der Hauptfunktion das Erscheinungsbild des verwendeten Mediums zu verbessern oder es zu faumlrben Pigmente werden dem Medium immer durch physikalisches Mischen beigegeben dies unterscheidet sie von Farbstoffen die in ihrem Medium loumlslich sind

Pigmente koumlnnen nach den optischen Prin-zipien ihrer Wechselwirkung mit Licht unter-schieden und in verschiedene Klassen eingeteilt werden Wichtige Pigmentklassen sind Weiszlig- Bunt- Schwarz- und Effektpigmente die alle wegen ihrer speziellen farbgebenden Eigenschaf-ten eingesetzt werden Bei den Effektpigmenten

kann in einer ersten vereinfachten Einteilung noch zwischen Metalleffekt- und den sogenannten speziellen Effektpigmenten unterschieden werden

Der Begriff bdquospezielle Effektpigmenteldquo umfasst die Gruppen der Perlglanzpigmente und der all-gemeinen Interferenzpigmente welche insbeson-dere bei aktuellen Pigmententwicklungen nicht scharf abgegrenzt werden koumlnnen Perlglanzpig-mente sind Effektpigmente die aus transparenten Plaumlttchen mit hohem Brechungsindex bestehen Sie erzeugen durch die spezielle Form der Mehr-fachreflexion des transmittierten Lichts an mehre-ren Pigmenten einen perlenaumlhnlichen Effekt bei dem die auftreffende Strahlung verteilt reflektiert wird wodurch der Eindruck einer mit der Tiefe abnehmenden diffusen Helligkeit entsteht Fuumlr das Auge ergibt sich so eine scheinbar dreidimen-sionale Glanzcharakteristik die aus der Tiefe des Objektes zu kommen scheint Interferenzpigmente dagegen sind Effektpigmente deren farbgebende Wirkung ganz oder vorwiegend auf dem Effekt der Vielstrahlinterferenz von Licht an duumlnnen hoch-brechenden Schichten beruht Interferenzpigmente koumlnnen dabei sowohl auf transparenten oder auch nichttransparenten Plaumlttchen basieren

Bild 1 a) Roadster mit ChromaFlairreg-Effektpigmentlackierung b) Verwaltungsgebaumlude in Braunschweig verkleidet mit Alucobondreg-spectra-colours-Verbundplatten c) Effektpigmente im Nagellack d) Pralineacute mit Effektpigmentuumlberzug

a

dc

bb

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Effektpigmente hellipPTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4

Die heute verwendeten Pigmente lassen sich somit grob in fuumlnf verschiedene Klassen einteilen

1) Weiszligpigmente Die Pigmente streuen das ge-samte auftreffende Licht nahezu verlustfrei in alle Richtungen durch diffuse ungerichtete Reflexion

2) Buntpigmente Die Pigmente streuen einen Teil des Lichtes diffus und absorbieren wellenlaumln-genselektiv einen anderen Teil des Lichtes

3) Schwarzpigmente Die Pigmente absorbieren alle Wellenlaumlngen des fuumlr das menschliche Auge sichtbaren Spektralbereiches

4) Metalleffektpigmente Die aus duumlnnen Metall-plaumlttchen vorwiegend Aluminium bestehen-den Metalleffektpigmente sind lichtundurch-laumlssig und reflektieren das gesamte auftreffende Licht durch spekulare gerichtete Reflexion Die Pigmentpartikel wirken dabei wie Mikrospie-gel und fuumlhren bei paralleler Ausrichtung im Anwendungsmedium zu einem spiegelnden Metallglanz dem Metallic-Effekt

5) Spezielle Effektpigmente Perlglanz- bzw Inter-ferenzpigmente deren optische Wirkung auf der Mehrfachreflexion an uumlberwiegend flaumlchig aus-gebildeten und ausgerichteten transparenten semitransparenten oder lichtundurchlaumlssigen Partikeln beruht

Weiszlig- Bunt- und auch Schwarzpigmente weisen typische Durchmesser im Bereich von 100 nm bis zu 1 microm auf Ihre Groumlszlige liegt damit zum Teil im Bereich der Wellenlaumlnge des sichtbaren Lichtes welches den Bereich von 380 nm bis 780 nm uumlberdeckt Einige Schwarzpigmente wie z B Ruszlig-pigmente liegen mit ihren Durchmessern jedoch auch zum Teil auch deutlich darunter Effektpig-mente besitzen dagegen Teilchendurchmesser die zumeist im Bereich von 5 microm bis 100 microm in einigen Faumlllen auch daruumlber liegen Sie sind damit bezuumlglich der mittleren Plaumlttchendurch-messer wesentlich groumlszliger als die Wellenlaumlnge des sichtbaren Lichtes Die Dicke der Plaumlttchen liegt von einigen Ausnahmen abgesehen unter 1 microm ebenso wie die Dicke der Interferenzschichten Demzufolge weisen Effektpigmente in der Regel ein hohes Aspektverhaumlltnis auf (Verhaumlltnis der lateralen Ausdehnung einer Struktur zu ihrer Houmlhe) welches bis zu 200 betragen kann

Interferenzpigmente ndash Wie die Farben entstehen

Die Farbe von Interferenzpigmenten haumlngt von der Schichtdicke der Metalloxidbeschichtung und dem Einstrahlungs- und Betrachtungswinkel ab Beide Parameter bestimmen die effektive optische Weg-

laumlngendifferenz fuumlr das einfallende weiszlige Licht zwischen oberer und unterer Grenzflaumlche und die somit auftretenden Interferenzfarben siehe Bild 3

Interferenzpigmente zeigen somit einen aus-gepraumlgten bdquoFarbflopldquo Die Winkelabhaumlngigkeit der Farbe wird hierbei auch als Goniochromasie bezeichnet Richtig bunt geht es zu wenn ein Interferenzpigment auf einen bereits bunten Untergrund aufgebracht wird Die Transparenz der Pigmente laumlsst die Untergrundfarbe durch-

Bild 2 Schematische Diagramme zum spektralen Verhalten verschiedener Pigmenttypen

Bild 3 Die Schichtdicke der Metalloxidbeschichtung und der kombinierte Einstrahlungs- und Betrachtungswinkel bestimmen die optische Weglaumlnge und somit die sich ergebenden Interferenzfarben in Reflexion und Transmission

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PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4Das Jahr des Lichtes

Bild 5 Die Effekte Spar-kling (1) und Coarseness (2) des Effektpigmentes Xirallicreg Crystal Silver in einer vergroumlszliger-ten Aufnahme auf weiszligem (links) und schwarzem Hinter-grund (rechts)

scheinen im Glanzwinkel wird sie aber von der Interferenzfarbe uumlberstrahlt wie dies in Bild 4 zu sehen ist

Der Effekt eines Helligkeitsunterschiedes unter verschiedenen Betrachtungswinkeln wird als Helligkeitsflop bezeichnet und ist an sich nichts Neues Sind jedoch die einzelnen Pigmentteilchen

aufgrund ihrer planaren Reflexionsoberflaumlchen in gerichteter Beleuchtung direkt beobachtbar was fuumlr mittlere Teilchengroumlszligen von 30 microm und groumlszliger der Fall ist so ergibt dies einen Effekt welcher mit dem Begriff Sparkle (Glitzern Funkeln) bezeichnet wird (Bild 5) Aumlndert sich die Beleuchtung von einer gerichteten Einstrahlung wie es an einem wolkenlosen sonnigen Sommertag der Fall ist hin zu einer diffusen ungerichteten Einstrahlung wie an einem stark bewoumllkten Herbsttag so verschwin-det das Sparkling der Pigmente und verwandelt sich in eine Koumlrnigkeit der Oberflaumlche Dieses optische Phaumlnomen wird als Coarseness (Bild-koumlrnigkeit) bezeichnet und ist unabhaumlngig vom Betrachtungswinkel (Bild 5)

Als neuer Archetypus des Sparkle-Begriffes haben sich in den letzten Jahren die Xirallicreg Pig-mente (High Chroma Chrystal Effect Pigments) der Firma Merck KGaA entwickelt Durch die Beschich-tung von Aluminiumoxidplaumlttchen mit hochbre-chenden Metalloxiden und einer optimierten Dicke und Ebenheit aller am Pigment beteiligten Schich-ten entstehen auszligergewoumlhnlich stark reflektierende Effektpigmente die einen besonders intensiven Sparkle-Effekt aufweisen Man spricht hierbei auch von sogenanntem Living Sparkle welcher sich in einem scheinbaren bdquoTanzenldquo der leuchtenden Punkte in der Probenoberflaumlche bei Veraumlnderung der Beobachtungsgeometrie aumluszligert [7 8]

Generell gilt dass die Farbe von Objekten mit Effektlackierung nicht mehr wie jahrzehntelang uumlblich und ausreichend mit konventionellen Farb-messgeraumlten mit nur einer festen Messgeometrie wie z B in der 45deg 0deg Geometrie (Einstrahlung unter 45deg Reflexionsmessung unter 0deg) bestimmt werden kann Dieser Umstand wird sehr gut durch die Grafik in Bild 6 illustriert Dargestellt sind die winkelabhaumlngig gemessenen Farbkoordinaten von drei verschiedenen keramischen Farbstandards der Farben rot gruumln und blau sowie eines mit dem Effektpigment Viola Fantasy der Firma Merck lackierten Blechs Der Einfallswinkel des Lichts auf die Proben betrug hierbei immer 45deg zur Oberflauml-chennormalen Das von den Proben reflektierte Licht wurde an 26 Positionen in einem 5deg Raster in planaren die Oberflaumlchennormale enthalten-den Messgeometrien im Winkelbereich von ndash70deg bis +70deg aufgenommen Bei den aus absorptiven Pigmenten bestehenden Keramiken zeigt sich eine nur sehr geringe Winkelabhaumlngigkeit der Farbe welche groumlszligtenteils auf unterschiedlicher winkelabhaumlngiger Helligkeit d h den Glanzeigen-schaften der Oberflaumlche beruht Das Effektpigment dagegen zeigt einen extremen winkelabhaumlngigen Farb-Flop (Goniochromasie) welcher einen Farbverlauf von Gruumln uumlber Rot-Gelb hin ins Blau-Violett bietet

Aber auch die neuen Lackfarben aus der Gruppe der Effektlackierungen muumlssen messtechnisch

Bild 4 Merck-Xirallicreg-Solaris-Red-Effektpigmente appliziert auf einem mit Standard-Ab-sorptionspigmenten hellblau lackierten Metallblech In Rich-tung des Glanzwin-kels auf der rechten Seite zeigt sich der langsame Aufbau der winkelabhaumlngigen Interferenzfarbe

1

Bild 6 CIELab Farbkoordinaten einer winkelabhaumlngigen Reflexionsmessung an vier verschiedenen Proben drei Keramiken der Farben rot gruumln blau und eine Effektpigmentlackierung mit Merck Colorstreamreg Viola Fantasy Das untergelegte Farbschema zeigt naumlherungsweise die den Koordinaten entsprechende Farbe

2

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Effektpigmente hellipPTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4

Abbildungsoptik Messungen der ortsaufgeloumlsten Leuchtdichte auf einer Laumlngenskala bis hinab zu 28 microm auf der zu untersuchenden Probe siehe Bild 8

Mit der Zeilenkamera sind Messungen von kompletten Reflexionsspektren im sichtbaren Spektralbereich zwischen 380 nm und 780 nm dem sogenannten V(λ)-Bereich auf einer Zeit-skala von 2 Minuten moumlglich Hieraus lassen sich dann Farbkoordinaten der untersuchten Proben in den unterschiedlichsten Farbraumsystemen berechnen Eine absolute Messung in 114 Win-kelkombinationen (siehe Bild 9) im Polarwinkel-

erfasst und ruumlckgefuumlhrt werden um eine gleich-bleibende Qualitaumlt in der Produktion gewaumlhrleis-ten zu koumlnnen Gerade diese vielfaumlltigen zusaumltz-lichen Eigenschaften stellen die Farbmesstechnik vor neue Herausforderungen

Farbmessung

Bisherige kommerzielle Farbmessgeraumlte charakte-risieren Probenoberflaumlchen fast ausschlieszliglich in den eben schon erwaumlhnten sogenannten in-plane Reflexionsgeometrien Dabei liegen die Richtun-gen des eingestrahlten und des reflektierten Lichts sowie die Oberflaumlchennormale der Probe in einer Ebene Diese Einschraumlnkung entspricht jedoch in keiner Weise der taumlglichen Realitaumlt bei der Oberflaumlchen aus beliebigen Richtungen beleuchtet und betrachtet werden Seitens der Messgeraumlteher-steller und Anwender gibt es daher einen Trend zur erweiterten Charakterisierung bezuumlglich zusaumltzlicher Winkelkombinationen im dreidimen-sionalen Raum Spitzenreiter dieser Entwicklung am Markt ist derzeit ein tragbares Mehrwinkel-Spektralphotometer mit insgesamt 19 verschie-denen Reflexionsgeometrien [9] Hiermit scheint aber auch das Ende dieser Entwicklung im Bereich der portablen handgefuumlhrten Geraumlte erreicht Der Wunsch der Anwender geht aktuell wieder zuruumlck zu einer geringeren Anzahl von Winkelkombi-nationen denn es ist unklar wie man aus dem Mehr an winkelaufgeloumlsten Reflexionsdaten die fuumlr die Charakterisierung der Farbeigenschaften relevanten Informationen gewinnen kann Daher stellt sich die Frage welches sind bdquoguteldquo d h an die Messaufgabe adaptierte optimal geeignete Messgeometrien

Um diese Frage zu beantworten betreibt die AG 424 bdquoReflexion und Transmissionldquo der PTB zwei roboterbasierte Gonioreflektometer die eine winkelaufgeloumlste Reflexionsmessung in beliebi-gen bidirektionalen Geometrien ermoumlglichen [10ndash12] Diese beiden Apparaturen sind in Bild 7 dargestellt

Das Standard-Gonioreflektometer ist hierbei das nationale Normal fuumlr die Messgroumlszlige spektraler Strahldichtefaktor in gerichteten Geometrien Es dient der Realisierung Bewahrung und Weiter-gabe der gerichteten Reflexionsskale in Form von Kalibrierungen Die zweite Apparatur bezeich-net mit dem Acronym ARGon3 (3D Appearance Robot-based Gonioreflectometer) ist ein flexibles Forschungsgeraumlt mit dem experimentelle Unter-suchungen u a im Rahmen des EMRP-Projektes Multidimensional Reflectometry for Industry der EU [13] durchgefuumlhrt werden Im Ver gleich zum Standard-Gonioreflektometer ist dieses Geraumlt mit einer photometrischen Leuchtdichteka-mera und einer Zeilenkamera ausgeruumlstet Die Leuchtdichtekamera erlaubt mit einer speziellen

Bild 7 Die beiden roboter-basierten Gonio-reflektometer der PTB oben Standard-Gonioreflektometer fuumlr Kundenkalibrie-rungen unten ARGon3-Messplatz fuumlr Forschungsanwen-dungen

Bild 8 Visualisierung desSparkling-Effektesvon Xironareg-Volcanic-Sparks-Pigmenten als Falschfarben-darstellung der ortsaufgeloumlsten LeuchtdichteDie bdquoNadelnldquo zeigendie Position derPigmente an

Bild 9 Beispielgeometrien zur Messung der winkelabhaumlngigen Reflexionseigen-schaften Realisiert wurden 4 Einstrah-lungsrichtungen (rote Pfeile) mit jeweils 114 Reflexionswinkeln (schwarze Punkte) im Bereich der Viertel-kugel oberhalb der Probenoberflaumlche

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PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4Das Jahr des Lichtes

bereich 0deg bis 70deg gleichmaumlszligig verteilt uumlber den Viertelraum oberhalb der Probe dauert hierbei ca 4 Stunden [14] Die so erhaltenen Daten bilden die Basis fuumlr kuumlnftige Verbesserungen in der Mess-technik fuumlr Anwender und Hersteller

Im Rahmen des EMRP-Projektes Multidimen-sional Reflectometry for Industry [13] sind damit die winkelabhaumlngigen Reflexionsspektren von insgesamt 66 verschiedenen Effektpigmentproben gemessen worden [15 16] Bei den vier verschie-denen Einstrahlungsrichtungen verbunden mit jeweils 114 Reflexionswinkeln im Bereich der Vier-telkugel oberhalb der Probenoberflaumlche ergeben sich somit uumlber 30000 Reflexionsspektren

Zielsetzung der Untersuchungen ist die Ver-besserung der Metrologie zur Materialcharak-terisierung mit reduzierter Messunsicherheit Dazu werden neue Messvorschriften und neue Standardmessartefakte entwickelt mit denen die Industrie die visuelle Wahrnehmung der von ihr produzierten Oberflaumlchen gezielt charakterisie-ren und kontrollieren kann Solche Messungen sollten einfach auszufuumlhren sein und die Ergeb-nisse muumlssen soweit wie moumlglich mit der visuellen menschlichen Wahrnehmung korrelieren Im europaumlischen und internationalen Rahmen sollen die Ergebnisse in die Normung einflieszligen um die allgemeine Vergleichbarkeit solcher Messungen zu gewaumlhrleisten

Literatur

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[7] WR Cramer Ohne Glimmer aber mit GlanzFarbe amp Lack 042003 132ndash136 2003

[8] WR Cramer Es glitzert wie am SternenhimmelFahrzeug + Karosserie 0412 20ndash22 2012

[9] E Kirchner W Cramer Making sense of measure-ment geometries for multi-angle spectrophotome-ters Color Res Appl Vol 37 No3 186ndash198 2012

[10] D Huumlnerhoff U Grusemann A Houmlpe Newrobot-based gonioreflectometer for measuringspectral diffuse reflection Metrologia 43 S11ndashS162006

[11] A Houmlpe D Huumlnerhoff K-O Hauer Robot-basedgonioreflectometer Industrial Robotics Program-ming Simulation and Applications Low Kin-Huat Ed Pro Literatur-Verlag Mammendorf623ndash632 2007

[12] A Houmlpe T Atamas D Huumlnerhoff S TeichertK-O Hauer ARGon3 ndash bdquo3D Appearance Robot-based Gonioreflectometerrdquo at PTB Rev SciInstrum 83(4) 045102-1ndash045102-8 2012

[13] European Metrology Research Program ProjectIND52 bdquoxD-Reflectldquo Multidimensional Reflecto-metry for Industry wwwxdreflecteu(letzter Aufruf 03122015)

[14] T Atamas K-O Hauer A Houmlpe Appearancemeasurements of goniochromatic colours Predic-ting Perceptions Proceedings of the 3rd Internati-onal Conference on Appearance 149ndash154 2012

[15] A Houmlpe A Koo FM Verdu FB LeloupG Obein et al bdquoMultidimensional reflectometryfor industryrdquo (xD-Reflect) an European researchproject Proc SPIE 9018 Measuring Modelingand Reproducing Material AppearanceSPIE-ISampT Vol 9018 901804-1ndash901804-11 2014

[16] A Houmlpe K-O Hauer S Teichert D HuumlnerhoffC Strothkaumlmper Goniochromatic and Sparkleproperties of effect pigmented samples in mul-tidimensional configuration Proc SPIE 9398Measuring Modeling and Reproducing MaterialAppearance 2015 SPIE Proc Vol 9398 Appea-rance 93980O-1ndash7 2015

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Die 50 Sitzung des Internationalen Komitees fuumlr das gesetzliche Messwesen (CIML) fand vom 20 bis 22 Oktober 2015 in Arcachon Frankreich statt Im Vorfeld der CIML-Sitzung fand ein ein-taumlgiges OIML-Seminar uumlber Countries and Econo-mies with Emerging Metrology Systems (CEEMS) statt uumlber das weiter unten berichtet wird

Das CIML ist der Lenkungsausschuss der OIML Es trifft sich jaumlhrlich und besteht aus je einem Repraumlsentanten der Mitgliedstaaten der korrespondierenden Mitglieder und den Vertre-tern internationaler und regionaler Organisa-tionen die als Beobachter teilnehmen koumlnnen Das CIML ist zustaumlndig fuumlr die Vorbereitung und Durchfuumlhrung der Entscheidungen der Konfe-renz die alle vier Jahre stattfindet Es uumlberwacht die Arbeiten der Technischen Komitees und Unterkomitees und des Internationalen Buumlros fuumlr das gesetzliche Messwesen (BIML) in Paris

An der 50 CIML-Sitzung nahmen 144 Teilneh-mer aus 43 Mitgliedstaaten und 13 korrespondie-renden Mitgliedstaaten teil Zur deutschen Dele-gation gehoumlrten neben den o g Autoren auch die Herren Johann Fischer Direktor des Landesamts fuumlr Mess- und Eichwesen Berlin-Brandenburg sowie Prof Olaf Kuumlhn Direktor des Thuumlringer Landesamts fuumlr Verbraucherschutz als Vertreter der Bundeslaumlnder Dr Peter Ulbig Leiter der Abteilung Wissenschaftlich-technische Quer-schnittsaufgaben der PTB und Prof Manfred Kochsiek Vizepraumlsident a D der PTB ehema-liger CIML-Praumlsident und Ehrenmitglied der OIML Frau Dr Anna Cypionka persoumlnliche Referentin des Praumlsidenten der PTB nahm am OIML-Seminar fuumlr CEEMS teil Vertreten waren auch wieder internationale und regionale Orga-nisationen zu denen die OIML Verbindungen unterhaumllt wie das Internationale Buumlro fuumlr Maszlig und Gewicht (BIPM) die GSO-GCC Standardiza-tion Organization (Saudi-Arabien) die Internatio-nal Laboratory Accreditation Cooperation (ILAC) und der Europaumlische Verband der Waagenherstel-ler (CECIP)

Alle Beschluumlsse der 50 CIML-Sitzung koumlnnen auf den Internetseiten der OIML aufgerufen werden [1 2]

Die wichtigsten Entscheidungen und Entwick-lungen werden nachfolgend vorgestellt

1 Personalangelegenheiten

Der Vertrag von Willem Kool als Assistant Director wurde um vier Jahre der Vertrag des BIML-Direk-tors Stephen Patoray um drei Jahre verlaumlngert

2 Einfuumlhrung des PG Workspace im Internet

In seinem Bericht im Zusammenhang mit der Etablierung des neuen Webauftritts der OIML hob der CIML-Praumlsident Peter Mason (UK) die erfolgreiche Einfuumlhrung des Workspace fuumlr Pro-jektgruppen hervor Durch die Online-Arbeit wird erwartet dass die technische Arbeit an neuen bzw zu revidierenden OIML-Dokumenten vereinfacht und insgesamt effizienter wird

3 Revision der technische Richtlinien fuumlr die OIML (B 6 Directives for OIML tech-nical work)

In einem neuen Projekt sollen die in den vergan-genen Jahren revidierten OIML-Richtlinien fuumlr die technische Arbeit erneut uumlberarbeitet werden um u a den Prozess der Entwicklung und Uumlber-arbeitung von OIML-Publikationen noch weiter zu beschleunigen und den neuen internetbasierten Technologien und Arbeitsweisen Rechnung zu tragen

4 Umfassende strukturelle Uumlberarbeitung des OIML Certificate System

Das CIML verabschiedete die Gruumlndung einer Projektgruppe mit der Aufgabe einer substan-ziellen Uumlberarbeitung des OIML-Zertifizierungs-systems das z Zt aus dem Basiszertifizierungs-system und dem MAA3 besteht Urspruumlnglich ausgehend von der Annahme die Akzeptanz des MAA-Zertifizierungssystem muumlsse verstaumlrkt werden eine groumlszligere Verbreitung finden und mehr Messgeraumltearten abdecken erscheint es

Aktuelles aus der OIML (Internationale Organisation fuumlr das Gesetzliche Messwesen)Bericht uumlber die 50 Sitzung des CIML in Arcachon FrankreichSusanne Ludwig Roman Schwartz

INTERNATIONALE ZUSAMMENARBEIT

Susanne Ludwig OIMLshyGeschaumlftsstelle der PTB EshyMail susanneludwigptbde

Dir u Prof Dr Roman Schwartz Vizepraumlsident der PTB deutsches Mitglied im Internashytionalen Komitee fuumlr das Gesetzliche Messwesen (CIML) und CIMLshyVizepraumlsishydent EshyMail romanschwartzptbde

3 Mutual Acceptance Arrangement (Abshykommen zur gegenshyseitigen Anerkennung von Bauartpruumlfungen)

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PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4Internationale Zusammenarbeit

inzwischen sinnvoller und wurde so auch vom CIML beschlossen zum 112017 ein einziges OIML-Zertifizierungssystem einzufuumlhren Eine Projektgruppe (Certification System Project Group = CSPG) unter dem Vorsitz des CIML-Vizepraumlsi-denten Dr Roman Schwartz wurde damit beauf-tragt die notwendigen Dokumente und Prozedu-ren auszuarbeiten

5 OIML-Seminar fuumlr Countries and Economies with Emerging Metrology Systems (CEEMS)

Im Vorfeld der CIML-Sitzung wurde ein eintaumlgiges Seminar zum Thema Developing an OIML Package for Assistance to Countries with Emerging Metro-logy Systems (CEEMS) abgehalten In vier Sitzun-gen diskutierten 125 Teilnehmer aus 49 Laumlndern uumlber Moumlglichkeiten Laumlnder beim Aufbau von nationalen Metrologiesystemen zu unterstuumltzen In der ersten von Frau Dr Cypionka geleiteten Sitzung Capacity Building ging es um die allge-meinen Herausforderungen bei der Gestaltung von Programmen zur Foumlrderung von Handlungs-kompetenzen und Vermittlung von Wissen fuumlr die Metrologie In zwei weiteren Sitzungen wurden unter den Themen Helping CEEMS Improve Regulation in their Markets (Leitung Prof Dr Manfred Kochsiek) und New Ideas ndash Doing Legal Metrology Differently (Leitung Stuart Carstens

Suumldafrika) konkrete inhaltliche Loumlsungsvorschlaumlge vorgestellt und diskutiert Die Ergebnisse wurden in der 50 CIML-Sitzung vorgestellt und fanden ihren Niederschlag in der Resolution Nr 201510 [2] sie sollen auch noch auf den OIML-Webseiten veroumlffentlicht werden [1]

6 OIML-Publikationen

Folgende OIML-Publikationen wurden verabschiedet

R 139-3 Compressed gaseous fuels measuring systems for vehicles Part 3 Test report format

New Recommendation (R 145) Ophthalmic instru-ments mdash Impression and applanation tonometers

Alle OIML-Publikationen stehen im Internet frei zur Verfuumlgung [3]

Gleichzeitig wurde die Revision der folgenden OIML-Publikation beschlossen

Revision of R 79 Labeling requirements for prepackages

Folgende neue Projekte wurden verabschiedet

Revision des OIML-Dokuments B 6-1 Directives for OIML technical work

Bild 1 Teilnehmer der 50 Sitzung des Internationalen Komitees fuumlr Gesetz-liches Messwesen (CIML) in Arcachon Frankreich

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PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4 Aktuelles aus der OIML

TC 8SC 1 Revision R 71 Fixed storage tanks mdash General requirements

TC 8SC 1 Revision R 85 Automatic level gauges for measuring the level of liquid in stationary storage tanks

7 Personalien und Ehrungen

Die von Dr Seiler dem ehemaligen Leiter des Fachbereichs bdquoTechnische Zusammenarbeitldquo der PTB initiierte OIML-Auszeichnung fuumlr bdquoexzel-lente Beitraumlge von Entwicklungslaumlndern zum gesetzlichen Messwesenldquo ging in diesem Jahr an

bull Nam Hyuk Lim Director of Korea Testing Certi-fication und

bull The Metrology Department Saint Lucia Bureau of Standards

Die OIML-Medaille fuumlr besondere Verdienste um die OIML-Arbeit ging an Ngo Quy Viet Vietnam und Cartaxo Reis aus Portugal

8 Termine

Ein Gastgeberland fuumlr die 51 CIML-Sitzung und 15 OIML-Konferenz im Jahr 2016 konnte noch nicht bekannt gegeben werden es wird aber wahr-scheinlich wieder Frankreich sein Weitere OIML-Veranstaltungen und -Termine finden sich auf der OIML-Webseite unter [4]

9 Literatur

[1] httpswwwoimlorgen (letzter Aufruf 19112015)

[2] httpswwwoimlorgenstructurecimlpdf50-ciml-resolutions-englishpdf (letzter Aufruf 19112015)

[3] httpswwwoimlorgenpublicationsrecommen-dationspublication_viewp_type=1ampp_status=1

[4] (letzter Aufruf 19112015)[5] httpswwwoimlorgeneventscalendar

(letzter Aufruf 19112015)

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TECHNOLOGIETRANSFER

E27-Scanner fuumlr UlbrichtkugelnMit dem besonders einfach ohne Umbau einsetzbaren E27-Scanner koumlnnen Anwender und Hersteller die Homogenitaumlt ihrer Ulbricht-kugeln bestimmen und die Ergebnisse zur Berechnung genauerer Lichtstroumlme und zur Dokumentation der Qualitaumlt ihrer Messungen nutzen

Hintergrund

Wie viel Licht eine Lampe insgesamt in alle Richtungen abstrahlt wird durch ihren Lichtstrom ausgedruumlckt Um den fuumlr die Bestimmung der Energieeffizienz von Lampen notwendigen Lichtstrom schnell zu er mitteln setzt die Lampenindustrie Ulbrichtkugeln ein An einer Stange in der Mitte der Ulbrichtkugel befindet sich eine E27-Lampen-fassung in die nacheinander die Lichtstrom-Normallampe und die zu kalibrierende Lampe eingeschraubt werden Das indirekt auf den Mess-kopf fallende Licht erzeugt einen Photostrom der im Idealfall propor-tional zu dem von der Lampe abgestrahlten Lichtstrom ist unabhaumlngig von der Richtung in die das Licht abgestrahlt wird

Dies ist jedoch bei einer ungleichmaumlszligigen Beschichtung der Kugel sowie bei einer im Laufe der Zeit nicht zu verhindernden Verstaubung nicht der Fall Deshalb wird mit einem Kugelscanner die Homogenitaumlt der Kugel regelmaumlszligig vermessen und ein Korrekturfaktor bestimmt der von der jeweiligen Abstrahlcharakteristik der zu untersuchenden Lampe abhaumlngt

Technische Beschreibung

Der Kugelscanner wird einfach in eine E27-Fassung geschraubt und das sonst fuumlr die Lampenversorgung eingesetzte Netzgeraumlt wird durch die Steuereinheit ersetzt Diese uumlbernimmt sowohl die elektrische Versor-gung als auch die Befehlsuumlbermittlung zum Kugelscanner Die Steuer-einheit wird via USB oder RS232 an einen Computer angeschlossen Das mitgelieferte Messprogramm stellt automatisiert alle gewuumlnschten Richtungen ein und speichert die zugehoumlrigen von der Steuereinheit gemessenen Photostroumlme des Photometers

Wirtschaftliche Bedeutungw

Fuumlr Lampenindustrie und Hersteller von Ulbrichtkugeln

bull Genauere Messung des Lichtstroms

bull Bestimmung des Zeitpunkts einer Neubeschichtung

bull Uumlberwachung beim Beschichten

bull Dokumentation des Zustands der Ulbrichtkugel

EntwicklungsstandDer E27-Kugelscanner wurde in der PTB entwickelt Er wird laufend fuumlr Kalibrierungen eingesetzt Die Technologie wurde an die Firma Czibula amp Grundmann transferiert und wird dort mit einer PTB-Lizenz gebaut und vertrieben wwwphoto-metercom

Ansprechpartner

Dr Bernhard SmandekBeauftragter fuumlr TechnologietransferTelefon +49 531 592shy8303Telefax +49 531 592shy69shy8303EshyMail technologietransferptbde

Dr Stefan WinterFachbereich Photometrie und Radiometrie

Abbildung des E27shyKugelscanners Eine stark fokussierende Lampe die computergesteuert in alle Richtungen leuchten kann

Vorteile

bull Schneller Einbau in E27shyFassung

bull Computergesteuertes Abscannen der gesamten Ulbrichtkugel

bull Flexible Messmoumlglichkeiten

bull Fuumlr genauere Lichtstromshymessungen

bull Wichtig fuumlr die Qualitaumltsshysicherung

PTBshyNummer 0172

wwwtechnologietransferptbde

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PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4 Technologieangebote

Ansprechpartner

Dr Bernhard SmandekBeauftragter fuumlr TechnologietransferTelefon +49 531 592shy8303Telefax +49 531 592shy69shy8303EshyMail technologietransferptbde

Dr Stefan WinterArbeitsgruppe Solarzellen

PulsshyzushyCWshyKonverter

Umwandlung gepulster Laser-Strahlung in konstante StrahlungIn weiten Bereichen der optischen Metrologie ist eine Strahlungs-quelle von groszligem Nutzen die sich spektral vom UV-C bis ins mitt-lere IR durchstimmen laumlsst Lediglich Laser mit gepulster Strahlung erfuumlllen diese Anforderung bei ausreichend groszligem Ausgangssignal bisher luumlckenlos Femtosekunden-Lasersysteme waumlren aufgrund ihrer gut automatisierbaren und spektral weiten Durchstimmbarkeit die ideale Strahlungsquelle fuumlr z B radiometrische Anwendungen ndash wenn ihre Strahlung nicht gepulst waumlre

Durch das extreme Puls-Pausen-Verhaumlltnis von 10ndash5 entstehen hohe Spitzenleistungen die wiederum zu Saumlttigungseffekten bei Detek-toren und in der Folge zu nichtlinearem Verhalten fuumlhren koumlnnen Mit dem in der PTB entwickelten Puls-zu-CW-Konverter wird dieses Problem geloumlst

Technische Beschreibung

Bei dieser Methode werden Pulse gepulster Strahlungsquellen ausrei-chend hoher Repetitionsrate in CW-Strahlung umgewandelt Dabei wird jeder Puls in viele kleine Teilpulse aufgeteilt die auf unterschiedlich langen Wegstrecken unterschiedliche Laufzeiten erfahren Am Ausgang des Systems erscheinen sie dann zeitlich gleichmaumlszligig verteilt Realisiert wird dieser Puls-zu-CW-Konverter uumlber ein Glasfaserbuumlndel bei dem jede Einzelglasfaser eine individuell festgelegte Laumlnge besitzt

Mit der Entwicklung des Puls-zu-CW-Konverters wurde das ent-scheidende Manko beim Einsatz leistungsstarker Femtosekunden(fs)-Lasersysteme im Bereich der Metrologie beseitigt und erstmalig gepulste Laserstrahlung in CW-Strahlung umgewandelt Diese Neuentwicklung ermoumlglicht es nun herkoumlmmliche Monochromatorsysteme durch fs-Lasersysteme zu ersetzen die eine bis zu 1000-mal houmlhere spektrale Ausgangsleistung besitzen

Wirtschaftliche Bedeutung

Durch den neuen Puls-zu-CW-Converter koumlnnen in wirtschaftlich bedeutenden Bereichen wie z B der Photovoltaik der Photometrie der UV-Strahlungsmesstechnik und der Reflektometrie die Referenz- und Transfernormale mit einer deutlich reduzierten Messunsicherheit kali-briert werden Hier werden bislang wesentliche Messunsicherheitsan-teile durch zu geringe Strahlungsleistungen aus herkoumlmmlichen Mono-chromatorsystemen verursacht

Entwicklungsstand

Unter DE 10 2010 011 615 B4 wurde fuumlr den CW-Konverter ein Patent erteilt

Vorteile

bull Zeitliche Glaumlttung gepulster Laserstrahlung

bull Keine stoumlrenden Interferenzen

bull Nur minimale Absorption des Messsignals

bull Auch bei kuumlrzeren Wellenshylaumlngen ohne Ulbrichtkugel verwendbar

bull Kontinuierliche Verteilung des Ausgangspulses

bull Pulsvervielfachung

bull Houmlhere Strahlungsleistung

PTBshyNummer 0254

wwwtechnologietransferptbde

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PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4Technologieangebote

50

Homogenisierung von Strahlungsquellen und Focal Plane Arrays (FPA)Ein neuartiges Verfahren ermoumlglicht softwaregestuumltzt eine deutlich verbesserte Kalibrierung von Mehrelement-Sensoren (FPA) und bildgebenden Systemen (Kameras) Bei flaumlchigen Strahlungsquellen kann zusaumltzlich eine gezielte Ansteuerung von Flaumlchenelementen zu einer bisher im Allgemeinen nicht erreichbaren Flaumlchenhomogenitaumlt fuumlhren

Technische Beschreibung

Flaumlchenstrahler dienen der Kalibrierung von ortsaufloumlsenden Strah-lungssensoren wobei davon ausgegangen wird dass die Emissionsflaumlche des Strahlers im Wesentlichen homogen bezuumlglich ihrer Strahldichte bzw Strahlungstemperatur ist Um kleine Inhomogenitaumlten eines Flaumlchenstrahlers zu charakterisieren ist es ein gaumlngiges Verfahren die Emissionsflaumlche punktweise mit einem Einzeldetektor abzutasten

Das neue PTB-Verfahren ist wesentlich schneller da es den Mehr-element-Sensor (FPA) das device-under-test selbst nutzt und damit immer ein Gesamtbild der Quelle aufnimmt Werden jetzt weitere Bilder zeilen- oder spaltenversetzt aufgenommen so erlaubt ein mathema-tischer Algorithmus bei nur drei Bildern eine komplette Charakterisie-rung des Sensors aber auch der Quelle

Sind Flaumlchenelemente der Strahlungsquelle einzeln ansteuerbar so ist es sogar moumlglich mittels der ermittelten Korrekturwerte zu Strahlquellen extrem hoher Homogenitaumlt im on-line-Betrieb zu gelangen

Wirtschaftliche Bedeutung

Bildgebende Strahlungssensoren und homogene Strahlungsquellen sind relevant fuumlr die Forschung und Entwicklung fuumlr die Prozesstechnik fuumlr die Charakterisierung der Energieeffizienz von Bauten bei der Ent-wicklung neuer Bauteile mit hoher thermischer Belastung und in vielen weiteren Bereichen Der mathematische Algorithmus ist aber auf unter-schiedliche Arten von Kamerasystemen anwendbar und damit auch fuumlr die Qualitaumltssicherung von CCD-Kameras bis hin zum Konsumguuml-termarkt anwendbar EntwicklungsstandEine deutsche Patenterteilung erfolgte im September 2015 Eine PCT-Anmeldung ist anhaumlngig Kooperations- und Lizenzpartner aus den Bereichen Thermografie Radiometrie und Photometrie zur Umsetzung des Konzeptes werden gesucht

Ansprechpartner

Dr Bernhard SmandekBeauftragter fuumlr TechnologietransferTelefon +49 531 592shy8303Telefax +49 531 592shy69shy8303EshyMail technologietransferptbde

DiplshyIng Berndt GutschwagerArbeitsgruppeInfrarotshyStrahlungsthermometrie

Stahlungsmessplatz der PTB zur Kalibrierung von Temperaturstrahlern und Waumlrmebildkashymeras

Vorteile

bull Schnelle Kalibrierung von Flaumlchensensoren (FPA)

bull Schnelle Kalibrierung von Flaumlchenstrahlern

bull Strahlquellen houmlchster Hoshymogenitaumlt

bull Fuumlr Thermografie und Phoshytometrie

PTBshyNummer 00374

wwwtechnologietransferptbde

Verlag Fachverlag NW in der Carl Schuumlnemann Verlag GmbHZweite Schlachtpforte 728195 Bremen Internet wwwschuenemannde E-Mail infoschuenemann-verlagde

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Printed in Germany ISSN 0030-834X

Die fachlichen Aufsaumltze aus dieser Ausgabe der PTB-Mitteilungen sind auch online verfuumlgbar unterdoi 10779531020150499

Die Physikalisch-Technische Bundesanstalt das nationale Metrologieinstitut ist eine wissenschaftlich-technische Bundesoberbehoumlrde im Geschaumlftsbereich des Bundesministeriums fuumlr Wirtschaft und Energie

mitteilungen

Impressum

Die PTB-Mitteilungen sind metrologisches Fachjournal der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt Braunschweig und Berlin Als Fachjournal veroumlffentlichen die PTB- Mitteilungen wissenschaftliche Fachaufsaumltze zu metrologischen Themen aus den Arbeitsgebieten der PTB Die PTB-Mitteilungen stehen in einer langen Tradition die bis zu den Anfaumlngen der Physikalisch-Technischen Reichsanstalt (gegruumlndet 1887) zuruumlckreicht

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Physikalisch-Technische BundesanstaltBraunschweig und BerlinNationales Metrologieinstitut

Die Physikalisch-Technische Bundesanstalt das nationale Metrologieinstitut ist eine wissenschaftlich-technische Bundesoberbehoumlrde im Geschaumlftsbereich des Bundesministeriums fuumlr Wirtschaft und Energie

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6

PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4Das Jahr des Lichtes

im Uumlbergangsbereich des Daumlmmerungssehens das Verhalten der Empfindlichkeit des Normalbe-obachters von der CIE festgelegt worden Je nach Leuchtdichte und damit Adaptionsniveau m des Auges wobei m = 0 dem dunkeladaptieren Auge und m = 1 dem helladaptierten Auge entspricht ergibt sich in diesem mesopischen Bereich fuumlr Leuchtdichten zwischen 0005 cdmndash2 lt L lt 5 cdmndash2 eine Hellempfindlichkeitsfunktion Vmes(λ) die sich gemaumlszlig

VM m

mV m Vmes( )( )

( ( ) ( ) ( ))λ λ λ= + minus prime1 1 (1)

aus einer Linearkombination der photopischen und skotopischen Empfindlichkeit berechnen laumlsst (siehe Bild 2) In der Abbildung sind die spektralen photometrischen Strahlungsaumlquivalenzen fuumlr eine Reihe ausgewaumlhlter Adaptionsniveaus zwischen 0 und 1 dargestellt Der Faktor M(m) ist lediglich ein Normierungsfaktor der das jeweilige Maximum von Vmes(λ) auf eins normiert

Durch die Candela-Definition werden alle Kurven der spektralen Strahlungsaumlquivalenzen im Punkt (555016 nm 683 lmWndash1) normiert Inso-fern wird klar warum in der Candela-Definition nur eine Frequenz stehen darf

In der Realitaumlt ist das Adaptionsniveau aber typischerweise nicht bekannt Das Adaptions-niveau m laumlsst sich aber aus einer gemessenen mittleren Leuchtdichte rekursiv bestimmen [4] Fuumlr reale Anwendungen z B die Auswertung von Messkamerabildern einer beleuchteten Straszlige bei Nacht reicht dies jedoch in der Regel nicht aus da bisher nicht geklaumlrt ist welche im Gesichtsfeld der Kamera (bzw des Auges) erfasste mittlere Leuchtdichte zur Berechnung eines Adaptionsniveaus hinzuzuziehen ist In einer Arbeitsgruppe des CCPR des CIPM wird derzeit an einer neuen Ausfuumlhrungsbestimmung gearbeitet die die mesopische Empfindlichkeits-funktion auch offiziell fuumlr die Anwendung in Zusammenhang mit der Einheit Candela nutzbar machtAus der Lichtstaumlrke I lassen sich alle weiteren bekannten photometrischen Einheiten herleiten So kann der Lichtstrom Φ als raumlumliches Integral uumlber eine Lichtstaumlrkeverteilung

Φ = intint I( )ϑ ϕ ϑ ϕ ϑϑ ϕ

sin d d

(2)

die Beleuchtungsstaumlrke E als Dichte des Licht-stroms der auf eine Flaumlche A auftrifft

E A= d dΦ (3)

und die Leuchtdichte L als Dichte des Lichtstroms in einem ausgestrahlten Buumlndel G

L G= d dΦ (4)

mit G AA

= intint cos d d

α ΩΩ

(5)

dargestellt werden wobei α hier den Winkel zwi-schen der Richtung des Buumlndels und der Flaumlchen-normalen der Quelle beschreibt

Die Beleuchtungsstaumlrke nimmt hierbei eine besondere Stellung ein da sich jede photomet-rische Messung im Prinzip auf die Messung des Photostroms i eines Empfaumlngers zuruumlckfuumlhren laumlsst der der mittleren Beleuchtungsstaumlrke Endash

auf seiner Oberflaumlche A0 proportional ist Die Beleuchtungsstaumlrke kann hierbei immer als integrale Wichtung der spektralen Empfindlichkeit s(λ) = s0srel(λ) des Empfaumlngers mit der relativen spektralen Strahlungsverteilung S(λ) = dΦ(λ)dλ der Quelle verstanden werden

E iKA s

S V

S s

m= sdot

( ) ( )

( ) ( )

infin

infin

int

intm

rel

d

d0 0

0

0

λ λ λ

λ λ λ

(6)

Die Geometrie des Strahlengangs von der Quelle bis zur Empfaumlngeroberflaumlche die beim Mess-prozess in das Modell der Auswertung eingeht bestimmt hierbei welche photometrische Groumlszlige gemessen wird Der Faktor hinter dem Photostrom in (6) beschreibt die photometrische Empfind-lichkeit sv eines Photometers die im Allgemeinen keine Konstante ist sondern vom Spektrum der Lichtquelle S(λ) abhaumlngt Um einem Photome-ter trotzdem einen eindeutigen Kalibrierwert zuzuordnen hat man sich darauf verstaumlndigt die Empfindlichkeit bezogen auf die Strahlungsfunk-tion eines Planckschen Strahlers P(TA λ) bei einer Temperatur TA = 2856 K die auch als Normlicht-art A bezeichnet wird anzugeben

Da bei einer realen Messung weder die spektrale Empfindlichkeit des verwendeten Photometers ideal an eine der Bewertungsfunktionen V(λ ) Vʹ(λ ) oder Vmes(λ) angepasst ist noch die betrach-tete Lichtquelle einem Planckschen Strahler entspricht sind gewonnene Messwerte immer uumlber eine spektrale Fehlanpassungskorrektur CCF gemaumlszlig

CCF

S V

S s

P T V

P T s

=

( ) ( )

( ) ( )

( ) ( )

( )

infin

infin

infin

int

int

intλ λ λ

λ λ λ

λ λ λ

λ

d

d

d0

0

0

rel

A

A r

eel λ λ( )infin

int d0

(7)

zu korrigieren wobei hier V(λ) in (7) stellvertre-

7

PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4 Die Candela als Maszligeinheit des Lichtes

tend fuumlr die benoumltigte Bewertungsfunktion steht Waren die erforderlichen Korrekturen bei Gluumlh-lampenbeleuchtung klein so koumlnnen Sie je nach Guumlte der spektralen Anpassung des verwendeten Photometers bei modernen LED-Lichtquellen durchaus im zweistelligen Prozentbereich sein Aus diesem Grunde diskutiert man im internati-onalen Rahmen die Einfuumlhrung weiterer Norm-lichtarten fuumlr LED-Lichtquellen [5]

Alternativ besteht immer auch die Moumlglichkeit das Spektrum direkt absolut und spektral aufgeloumlst zu messen und die photometrischen Bewertungs-funktionen rein rechnerisch zu beruumlcksichtigen Die hierzu infrage kommenden Systeme sind aber in der Regel teuer und bezuumlglich ihrer Robustheit und Stabilitaumlt fuumlr viele Anwendungen noch nicht ausreichend Regelmaumlszligig werden leider die Mess-unsicherheiten derartiger System unterschaumltzt was auch daran liegt dass aufgrund der komplexeren Messtechnik zusaumltzliche Unsicherheitsbeitraumlge (z B durch Bandpasseigenschaften und Streu-licht) die dem Anwender oft nicht zugaumlnglich sind bei der absoluten Bestimmung photomet-rischer Groumlszligen mithilfe von Spektroradiometern beruumlcksichtigt werden muumlssen

Unverzichtbar und mittlerweile marktbestim-mend sind jedoch spektral aufloumlsende Geraumlte wie Array-Spektroradiometer dort wo nur relative Messwerte wie z B bei der Bestimmung der Farbe von Licht bzw der Farbe von reflektiertem Licht benoumltigt werden

Bei der Bestimmung von Farbe geht es um die Bestimmung des Verhaumlltnisses von spektralen Strahlungsfunktionen die mit den Normspektral-wertfunktionen x y z( ) ( ) ( )λ λ λ bewertet werden wobei y( )λ mit V(λ) identisch ist Insofern ist auch die Farbmesstechnik an die Photometrie gekoppelt

Da es sich bei den farbmetrischen Groumlszligen um Eigenschaften handelt die durch Verhaumlltnismes-sungen gewonnen werden spricht man hier auch von farbmetrischen Kennzahlen und nicht von Einheiten Nichtsdestotrotz haben eben solche farbmetrischen Kennzahlen wie die Normfarb-wertanteile (x y) oder der Farbwiedergabeindex Ra (engl CRI colour rendering index) seit Einfuumlh-rung von modernen Lichtquellen eine besondere Bedeutung erhalten da z B mit LED-Lichtquellen im Prinzip sehr unterschiedliche Lichtfarben und Farbwiedergaben hergestellt werden koumlnnen Die Tatsache dass es sich bdquonurldquo um Kennzahlen handelt heiszligt jedoch nicht dass die Messungen messtechnisch einfach sind Genau das Gegenteil ist der Fall da fuumlr die Bestimmung der Farborte die steilen Flanken der Normalspektralwertfunk-tionen mit den Strahlungsfunktionen der Quellen gewichtet werden muumlssen die wie bei LEDs typisch auch spektral sehr steile Flanken aufwei-sen koumlnnen Unsicherheiten in der Bestimmung

der Strahlungsfunktion fuumlhren hier schnell zu groszligen Unsicherheitsbeitraumlgen in der Bestimmung des Farbortes Hier kann die PTB als Nationales Metrologieinstitut die Wuumlnsche nach den kleinen Messunsicherheiten wie sie von Herstellern sowie von Mess- und Kalibrierlaborartorien gefordert werden zurzeit noch nicht im vollen Umfang erfuumlllen

In der Vergangenheit wurden bei Testergebnis-sen haumlufig sowohl fuumlr photometrische Messwerte als auch fuumlr Kennzahlen in der Farbmesstechnik keine Messunsicherheiten angegeben Auch wurde deren Wirkung bei der Angabe von Toleranzen nicht immer adaumlquat beruumlcksichtig Fuumlr die Messung von LED-Lichtquellen wurde mit der in diesem Jahr veroumlffentlichten europaumlischen Norm DIN EN 13032-42015 [6] die uumlber die Commis-sion Internationale de lrsquoEacuteclairage Internationale Beleuchtungskommission (CIE) auch als internati-onaler Standard CIE S025 [7] veroumlffentlicht wurde ein erster Schritt in die Richtung gegangen auch fuumlr die Ergebnisse von Testverfahren die Angabe ruumlckfuumlhrbarer Messunsicherheiten zu fordern und diese bei Toleranzangaben zu beruumlcksichtigen

Dieser Vorstoszlig in der LED-Messtechnik wird sicherlich in Zukunft auch auf andere Anwen-dungsnormen zur Bewertung von Licht und Farbe von leuchtenden und nicht selbstleuchtenden Quellen einwirken Fuumlr die Weitergabe von Mes-sunsicherheiten auf dieser Ebene des Messwesens werden die nationalen Metrologieinstitute und die akkreditierten Kalibrierlabore gefordert sein die Industrie mit geeigneten applikationsnahen Trans-ferstandards zu unterstuumltzen

Literatur[1] Comptes Rendus de la 16e CGPM (1979) 1980

p100[2] WR Blevin Corrections in Optical Pyrometry

and Photometry for the Refractive Index of AirMetrologia 8 146ndash147 1972

[3] SI Brochure Appendix 2 Practical realization ofthe definition of the candela httpwwwbipmorgutilsenpdfSIApp2_cd_enpdf(letzter Aufruf 03122015)

[4] CIE 1912010 Recommended System for MesopicPhotometry Based on Visual Performance

[5] T Pulli et al Advantages of white LED lampsand new detector technology in photometryLight Science amp Applications (2015) 4 e332

[6] EN 13032-42015 Light and lighting ndash Mea-surement and presentation of photometricdata of lamps and luminaires ndash Part 4 LEDlight sources and luminaires

[7] CIE S0252015 Test Methods for LED Lampsndash LED Luminaires and LED Modules

8

Das Jahr des Lichtes PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4

Aufgrund der herausragenden Bedeutung des Lichts und des Sehens fuumlr die Interaktion des Menschen mit seiner Umwelt wurde die Candela als Einheit der Lichtstaumlrke in den Rang einer SI-Basis einheit gehoben Die Mehrzahl der Basiseinheiten sind uumlber physikalische Zusammenhaumlnge miteinander verknuumlpft und muumlssen entsprechend Ihrer Defini-tion realisiert und in den meisten Faumlllen auf andere Einheiten ruumlckgefuumlhrt werden In diesem Artikel wird die bdquometrologische Herkunftldquo der Candela im Stammbaum der Einheiten beschrieben

Definition der Candela

Im internationalen Einheitensystem (Systegraveme International drsquoUniteacutes abgekuumlrzt SI) ist die Candela wie folgt definiert

Die Candela ist die Lichtstaumlrke in einer bestimmten Richtung einer Strahlungsquelle die monochro-matische Strahlung der Frequenz 540 times 1012 Hz aussendet und deren Strahlstaumlrke in dieser Richtung (1683) Watt durch Steradiant betraumlgt

Hierbei handelt es sich um die exakte physika-lische Definition fuumlr die Lichtstaumlrke Nun besteht Licht jedoch praktisch nie nur aus Strahlung dieser Wellenlaumlnge weshalb die Definition um eine prak-tische Realisierung ergaumlnzt ist Denn es ist das Ziel der Photometrie Licht so zu messen dass die Mess-ergebnisse weitestgehend mit der visuellen Wahr-nehmung eines menschlichen Beobachters korre-liert sind Hierfuumlr wurden zwei spezielle Funktionen V(λ) und V ʹ(λ) [1] eingefuumlhrt die die relative spektrale Empfindlichkeit eines durchschnittlichen menschlichen Auges fuumlr photopisches (hell-adaptiertes) und skotopisches (dunkel-adaptiertes) Sehen beschreiben Die wichtigere der beiden Funktionen die V(λ) Funktion fuumlr hell-adaptiertes Sehen ist bei der Wellenlaumlnge auf eins normiert bei der das Auge die houmlchste Empfindlichkeit besitzt (555 nm) Mit dieser Definition lassen sich pho-tometrische Groumlszligen durch Bewertung der ent-sprechenden spektroradiometrischen Groumlszligen mit V(λ) und Multiplikation mit dem Maximalwert des Strahlungsaumlquivalents Km = 683 lmW berechnen

Die Lichtstaumlrke Iv ist durch das photometri-sche Grundgesetz mit der Beleuchtungsstaumlrke Ev verknuumlpft

IE d

vv=sdot 2

0ΩΩ0 = 1sr (1)

wobei d den Abstand zur Lichtquelle und Ω0 einen Raumwinkel von 1 sr bezeichnet Zur praktischen Bestimmung der Beleuchtungs-staumlrke verwendet man ein Photometer welches eine spektrale Bestrahlungsstaumlrke-Empfindlichkeit s(λ) besitzt deren relativer Verlauf idealerweise der V(λ)-Funktion entspricht und dessen Signal y proportional zu der Beleuchtungsstaumlrke ist Bei dem Proportionalitaumltsfaktor handelt es sich um die photometrische Empfindlichkeit sv des Photome-ters fuumlr die gemessene Lichtquelle

y s E= sdotv v (2)

Druumlckt man nun die Beleuchtungsstaumlrke Ev durch spektroradiometrische Groumlszligen aus so ergibt sich Ev aus der spektralen Bestrahlungsstaumlrke Eλ(λ)

E K E Vv m d= sdot sdot sdotinfin

int0 λ λ λ λ( ) ( ) (3)

Aus der spektralen Bestrahlungsstaumlrke Eλ(λ) und der spektralen Bestrahlungsstaumlrke-Empfindlichkeit des Photometers s(λ) ergibt sich das Signal y des Photometers

y E s= sdot sdotinfin

int λ λ λ λ( ) ( ) d0

(4)

Fuumlgt man die Formeln (2) bis (4) in (1) ein so ergibt sich fuumlr die Lichtstaumlrke

I y dK E V

E sv = sdot sdot

sdot sdot sdot

sdot sdot

infin

infinintint

2

0

0

0

Ω

m d

d

λ

λ

λ λ λ

λ λ λ

( ) ( )

( ) ( ) (5)

Aus dieser Formel laumlsst sich ablesen welche Groumlszligen fuumlr die Ruumlckfuumlhrung der Lichtstaumlrke bestimmt werden muumlssen Fuumlr die Ruumlckfuumlhrung

Detlef Lindner Arshybeits gruppe bdquoPhotoshymetrieldquo EshyMail detleflindnerptbde

Dr Stefan Winter Arbeitsgruppe bdquoSolarzellenldquo EshyMail stefanwinterptbde

Ruumlckfuumlhrung in der Photometrie ndash die Realisierung und Ruumlckfuumlhrung der Candela

Detlef Lindner Stefan Winter

9

Ruumlckfuumlhrung in der Photometrie hellipPTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4

der Candela wird das Signal y eines Photometers bestimmt welches sich in einem Abstand d von einer Lichtquelle entfernt befindet Von dem Pho-tometer muss die absolute spektrale Empfindlich-keit s(λ) bekannt sein und von der Lichtquelle die spektrale Bestrahlungsstaumlrke Eλ (λ)

In den naumlchsten drei Abschnitten wird das eigentliche Experiment zur Realisierung der Candela beschrieben dann das Verfahren zur Kalibrierung von Photometern und als letztes die Ruumlckfuumlhrung der spektralen Bestrahlungsstaumlrke Damit sind alle Groumlszligen zur Bestimmung der Candela bekannt Im letzten Abschnitt wird dann uumlber die abgeleiteten Groumlszligen Beleuchtungsstaumlrke und Leuchtdichte berichtet

Realisierung der Candela

Die Lichtstaumlrke Iv laumlsst sich durch Verwendung der Gleichungen (1) und (3) in die folgende Form bringen

I K d E Vv m d= sdot sdot sdot sdotinfin

int2

0 0Ω λ λ λ λ( ) ( ) (6)

Die spektrale Empfindlichkeit s(λ) eines Photo-meters laumlsst sich als Produkt aus einer absoluten Empfindlichkeit s(λ0) und einer relativen Emp-findlichkeit sr(λ) darstellen

s s s( ) ( ) ( )λ λ λ= sdot0 r mit sr ( ) λ0 1= (7)

Damit ergibt sich fuumlr das Ausgangssignal y dieses Photometers gemaumlszlig Gleichung (4)

y s E s= sdot sdot sdotinfin

int( ) ( ) ( ) λ λ λ λλ00

r d (8)

Ebenso laumlsst sich die spektrale Bestrahlungsstaumlrke einer Lichtquelle als Produkt aus einer absoluten und relativen Bestrahlungsstaumlrke schreiben

E E Eλ λλ λ λ( ) ( ) ( )= sdot0 r mit Er ( ) λ0 1= (9)

In der PTB werden zur Realisierung der Candela Gluumlhlampen verwendet deren relative spektrale Bestrahlungsstaumlrke Er (λ0) durch eine Strahlungs-funktion S (λT) ersetzt wird der eine Verteilungs-temperatur T zugeordnet werden kann [2] Befin-det sich die Lampe auszligerhalb der photometrischen Grenzentfernung im Abstand d zum Photome-terkopf und beleuchtet dessen Lichteintrittsflaumlche senkrecht so ergibt sich aus Gleichung (5) ihre Lichtstaumlrke Iv (T)

Die Anpassungskorrektur F (T) ist eine Funktion der Verteilungstemperatur T die den Photo-strom so korrigiert als waumlre mit einem ideal an V (λ)-angepassten Photometerkopf gemessen worden [3] In der Praxis ist die Anpassungskor-rektur meist eine monotone Funktion der Vertei-lungstemperatur und kann z B durch ein logarith-misches Polynom ersten Grades hinreichend gut angenaumlhert werden

F TS T V

S T sa T

m

( )( ) ( )

( ) ( )=

sdot sdot

sdot sdotcong sdot

infin

infinintint

λ λ λ

λ λ λ

d

d Kr

0

0

2856

(11)

Der Koeffizient a gibt den Wert der Anpassungs-korrektur fuumlr Normlichtart A (bei T = 2856 K) an da hier die Klammer den Wert eins hat Den Verlauf der Funktion mit der Verteilungstempera-tur beschreibt die Klammer mit dem Anpassungs-index m als Exponenten der somit eine charakte-ristische Groumlszlige eines Photometerkopfes ist Eine weitere Charakterisierung ist seine photometrische Empfindlichkeit sv

1

0sK asv

m=sdot

( )

λ(12)

Aus den Gleichungen (10) bis (12) folgt die in der Arbeitsgruppe bdquoPhotometrieldquo der PTB fuumlr die Realisierung der Lichtstaumlrke-Einheit grundlegende Beziehung

I T d y Ts

Tm

v ( ) ( ) = sdot sdot

2

0 2856Ω v K (13)

Demnach muumlssen neben dem Photostrom y(T) folgende Groumlszligen bekannt sein

bull die photometrische Empfindlichkeit sv desPhotometerkopfes

bull der Anpassungsindex m zur Korrektur derspektralen Fehlanpassung

bull der Wert der Verteilungstemperatur T der ver-wendeten Lichtquelle

bull der Abstand d zwischen Lichtquelle undPhotometerkopf

Die Einheit der Lichtstaumlrke wird an der PTB

I T y d Ks

S T V

S T syv

m

r

d

d( ) = sdot sdot

( )sdot sdot

sdot sdot= sdot

infin

infinintint

2

0 0

0

0

Ω λ

λ λ λ

λ λ λ

( ) ( )

( ) ( )

dd Ks

F T2

0 0Ωsdot( ) ( )m

λ (10)

10

Das Jahr des Lichtes PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4

repraumlsentiert und bewahrt durch eine Gruppe von 17 hochstabilen Gluumlhlampen (Typ Toshiba 5 A 10 V 15 cd) deren Strahlungsfunktionen der eines Hohlraumstrahlers von 2042 K sehr aumlhnlich sindDie Gesamtmessunsicherheit einer Realisierung der Lichtstaumlrke-Einheit in der PTB beim Vertrau-ensniveau k = 2 berechnet sich so zu 04

Gluumlhlampen altern praktisch nur waumlhrend ihrer Brennzeit demgegenuumlber koumlnnen Photometer ihre Eigenschaften unabhaumlngig vom Gebrauch veraumlndern Bild 2 verdeutlicht diesen Sachverhalt Deshalb sollten photometrische Einheiten mit Normallampen verkoumlrpert und bewahrt werden

sie dienen zum Kalibrieren von Photometern Kalibrierte Photometer sollten dagegen vorzugs-weise als Transfernormale verwendet werden

Weitergabe der Lichtstaumlrke-Einheit

Als Lichtstaumlrkenormale werden speziell gefertigte Gluumlhlampen mit besonderen optischen geometri-schen und elektrischen Eigenschaften verwendet z B die Lampe Typ OSRAM WI41G Bild 3 zeigtschematisch eine solche Lampe die zur Reduzie-rung der mechanischen Justierunsicherheit miteinem Spezialsockel der PTB ausgestattet wurdeZur Weitergabe der Lichtstaumlrke-Einheit werdenGruppen solcher Lampen als Lichtstaumlrkenormaleverwendet wobei auf Verteilungstemperaturenzwischen 2000 K und 2856 K eingestellt werdenkann siehe Bild 3 unten

In der PTB erfolgt die Bestimmung der Lichtstaumlrke Iv(T) einer Lampe durch den Vergleich mit der Lichtstaumlrke Iv(TR) eines nationalen Normals mit einer Verteilungstemperatur TR und mithilfe eines an V(λ)-angepassten Photometers mit den zugehouml-renden Photostroumlmen y(T) und y(TR)

Bild 1 Kameragestuumltzte mechanische Ausrichtung einer Lichtstaumlrke-Normallampe an derPhotometerbank Quelle PTB

0990

0992

0994

0996

0998

1000

1002

0 5 10 15 20 25

Rel Werte

Brennzeith

Bild 2 Alterungsverhalten von Lampen und Photometern Links schematisch rechts reales Alterungsver-halten einer Lampe im Betrieb rot Strom blau Spannung gruumln Lichtstaumlrke

Bild 3 Lichtstaumlrke-Normallampe WI41G mit PTB-Spezialsockel (oben) sowie verschiedene Lichtstaumlrke-Normallampen-gruppen zur Bewahrung und Weitergabe der Lichtstaumlrke-Einheit (unten)

11

Ruumlckfuumlhrung in der Photometrie hellipPTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4

I T I T y Ty T

TT

m

v v RR R

( ) ( ) ( )( )

= sdot sdot

(14)

Lichtstaumlrke-Normallampen

Die von der PTB in Kalibrierscheinen angegebe-nen Werte fuumlr die photometrischen Groumlszligen bezie-hen sich immer auf einen definierten Betriebszu-stand der Lampe Ihr momentaner Betriebszustand wird dagegen wesentlich bestimmt durch

bull die Zeitspanne seit dem Einschalten

bull die Betriebszustaumlnde bei fruumlheren Brennvor-gaumlngen und deren Dauer

bull die Eigenschaften der verwendetenMessapparatur

Zur Weitergabe der Lichtstaumlrke-Einheit werden zumeist Lampen des Typs WI41G verwendet Einige charakteristische Eigenschaften dieses Lam-pentyps werden nachfolgend angegeben - Kurzzeitstabilitaumlt ∆I Iv v le sdot minus2 10 4

- mechanische Justierunsicherheitfuumlr Lampe mit E27-Sockel ∆I Iv v le sdot minus2 10 3 fuumlr Lampe mit Spezialsockel ∆I Iv v le sdot minus4 10 4

- photometrisches Signal Alterung je Brennstundebzw Rauschen (siehe folgendes Bild 4)

- Richtungsabhaumlngigkeit der Lichtstaumlrke beiDrehung um die vertikale und horizontale Achse in der Leuchtkoumlrperebene Abhaumlngigkeit uumlberwiegend bei Drehung um die horizontale Achse fuumlr beide Winkel sollte der Justierfehler 1deg nicht uumlbersteigen

Bei der Weitergabe der Einheiten der gerich-teten Photometrie macht man sich das Moni-torverfahren zunutze D h der aktuelle photo-metrische Betriebszustand von Lichtstaumlrke- und Leuchtdichte normalen wird durch geeignete Monitortechniken kontrolliert Dafuumlr werden spe-ziell konstruierte Monitorphotometer eingesetzt (siehe folgendes Bild 5)

Die Signale der Monitorphotometer werden synchron mit den Referenz- bzw Testphotometern ausgelesen und dokumentieren so die bdquoEinbrenn-phaseldquo bzw die Stabilitaumlt des photometrischen Signals waumlhrend der Messablaumlufe und dienen gegebenenfalls zur Korrektur

Kalibrierung von Photometern

Bei der Kalibrierung von Photometern wird deren absolute spektrale Bestrahlungsstaumlrke-Empfindlich-keit vom UV bis ins nahe Infrarot bestimmt Dabei wird das Photometer im quasi monochromatischen homogenen Strahlungsfeld bekannter Bestrahlungs-staumlrke vollstaumlndig uumlberstrahlt und die sich dabei ergebende Stromstaumlrke gemessen Der Quotient aus Stromstaumlrke und Bestrahlungsstaumlrke bei der einge-stellten Wellenlaumlnge ergibt die spektrale Bestrah-lungsstaumlrke-Empfindlichkeit s(λ) Diese Messung wird alle 5 nm von 360 nm bis mindestens 830 nm durchgefuumlhrt und ergibt dann einen Kurvenverlauf der bei guten Photometern der oben beschriebenen V(λ)-Funktion sehr nahe kommt

Aus der experimentell bestimmten spektralen Bestrahlungsstaumlrke-Empfindlichkeit s(λ) laumlsst sich nun mithilfe tabellarisch definierter Groumlszligen (Normlichtart A S(λ 2856 K) V(λ)-Funktion und dem Maximalwert des Strahlungsaumlquivalents Km) die in Formel (2) eingefuumlhrte photometrische Empfindlichkeit sv des Photometers zusammen mit Formeln (3) und (4) berechnen

sS s

K S Vv

m

d

d=

sdot sdot

sdot sdot

infin

infinintint

( ) ( )

( ) ( )

λ λ λ

λ λ λ

2856

2856

0

0

K

K (15)

Ebenso laumlsst sich nun nach Formel (11) die Anpas-sungskorrektur F(T) direkt berechnen

2300 2500 2700 T K 2900 1

2

3

4

Alterung je Brennstunde

Rauschen ∆YY104

Photometrisches Signal

2856 K

Bild 4 Alterung je Brennstunde bzw Rauschen des photometri-schen Signals

Bild 5 Monitor-Photometer zur Uumlberwachung bzw Korrektur der Stabilitaumlt bei Messungen in der gerichteten Photometrie

Monitor-Photometer

12

Das Jahr des Lichtes PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4

Experimentell wird die spektrale Bestrahlungs-staumlrke traditionell mit einem Monochromator-messplatz wie dem DSR-Messplatz ermittelt Dieser sondert aus einem Xenonlampenspektrum oder einem Gluumlhlampenspektrum einen schma-len Wellenlaumlngenbereich aus der dann fuumlr die Bestimmung der spektralen Empfindlichkeit bei seiner Schwerpunktwellenlaumlnge benutzt wird Besonders wichtig ist dabei dass der genaue Wert der Schwerpunktwellenlaumlnge bekannt ist und dass die ausgesonderte Strahlung ein sehr homogenes Strahlungsfeld erzeugt Entscheidend dafuumlr ist der geschickte und wellenlaumlngenabhaumlngige Aufbau der Eingangs- und Ausgangsoptik mit mehreren Linsen

Lampenbasierte Monochromatormessplaumltze haben jedoch einen entscheidenden Nachteil Ihre maximale Leistung betraumlgt typisch nur 100 microW Deshalb muumlssen mehrere Kompromisse bei der Messung eingegangen werden Die Messung muss verhaumlltnismaumlszligig dicht hinter dem Messplatz durch-gefuumlhrt werden wo sich die Bestrahlungsstaumlrke noch stark mit dem Abstand aumlndert und inhomoge-ner als im Fernfeld ist Je spektral reiner die Strah-lung eingestellt wird umso weniger Strahlungs-leistung passiert den Monochromator sodass auch hier wieder ein Kompromiss eingegangen werden muss Trotz der Kompromisse ist der Wellenlaumln-genbereich in dem die spektrale Empfindlichkeit bestimmt werden kann oft auf 400 nm bis 750 nm beschraumlnkt also auf den Bereich bei dem die spekt-rale Empfindlichkeit noch ausreichend hoch ist

Deshalb wurde ein neuer laserbasierter Messplatz aufgebaut (s Bild 6) Dieser erzeugt ein 100- bis 10000-mal kraumlftigeres Strahlungsfeld (s Bild 7) Zudem erlaubt der Messplatz die Bestimmung der Winkelabhaumlngigkeit von Photometern sowie die Messung des spektralen Temperaturkoeffizienten von ndash70 degC bis 180 degC Es koumlnnen mit dem laser-basierten Messplatz selbst unempfindliche Photo-meter in einem deutlich groumlszligeren Wellenlaumlngenbe-reich als bislang gemessen werden (s Bild 8ndash9) Da so viel Strahlungsleistung selbst fuumlr einen erweiter-ten Wellenlaumlngenbereich nicht benoumltigt wird kann mit einem laserbasierten Messplatz im homogenen Fernfeld und mit houmlherer spektraler Reinheit gemessen werden und somit die Messunsicherheit signifikant reduziert werden

Bild 6 Aufbau eines laser-basierten Messplat-zes zur Kalibrierung der spektralen Bestrahlungsstaumlrke-Empfindlichkeit von Photometern Das eigentliche Laser-system ist in der unteren Haumllfte von a) skizziert und in b)als Foto dargestellt

a

b

13

Ruumlckfuumlhrung in der Photometrie hellipPTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4

Realisierung der spektralen Bestrahlungsstaumlrke

Wie bereits vorher erwaumlhnt ist zur Realisierung der Candela die Kenntnis der relativen spektralen Bestrahlungsstaumlrke Er(λ) = S(λ T) von Tempera-turstrahlern (Gluumlhlampen) der Verteilungstempe-ratur T erforderlich

Bereits zum Ende des neunzehnten Jahrhunderts beschaumlftigten sich an der Physikalisch-Techni-schen-Reichsanstalt (PTR) in Berlin die Wissen-schaftler Otto Lummer Ernst Pringsheim und Fer-dinand Kurlbaum unter der Leitung von Wilhelm Wien mit der Pruumlfung elektrischer Gluumlhlampen fuumlr die Industrie und in diesem Zusammenhang mit der Verbesserung von Lampen und Vergleichs-normalen fuumlr Waumlrmestrahlung [4]

Sie entwickelten basierend auf Ideen von Kirch-hoff ab 1895 die ersten Hohlraumstrahler die als sogenannter Schwarzer Strahler zur Erzeugung von Temperaturstrahlung bis zu etwa 2000 K ein-gesetzt werden konnten Aufbauend auf Vorarbei-ten von Kirchhoff (1859) Stefan und Boltzmann (187984) sowie auf eigene Berechnungen (1893) konnte Wilhelm Wien anhand erster Messergeb-nisse 1896 die heute nach ihm benannte Wiensche Strahlungsgleichung aufstellen die die Ergebnisse der Experimente gut traf allerdings systema-tische Abweichungen fuumlr groszlige Produkte von λ middot T ergab Die Wiensche Gleichung war jedoch wesentlich genauer als das von Rayleigh und Jeans aufgestellte Pendant mit seiner inhaumlrenten Ultraviolettkatastrophe

Am 19 Oktober 1900 konnte Max Planck der vom Gastwissenschaftler Heinrich Rubens uumlber die Messergebnisse in der PTR unterrichtet wurde in einer Sitzung der Physikalischen Gesellschaft eine Gleichung vorlegen die die Messungen seiner Kollegen in der PTR besser als alle bis dato bekannten Gleichungen wiedergab Bereits am 14 Dezember 1900 trug er die komplette Her-leitung der Planckschen Strahlungsgleichungwiederum der Berliner Physikalischen Gesellschaftvor und leitete damit (verbunden mit der Energie-quantelung) die Quantenphysik ein [5]

Mithilfe des Planckschen Strahlungsgesetzes laumlsst sich die spektrale Dichte der Bestrahlungs-staumlrke EλBB(λTBB) eines Hochtemperatur-Hohl-raumstrahlers (auch Planckscher Strahler oder Schwarzer Strahler) berechnen

E T T Ad

cn

ec

n Tλ

λ

λ ε λλ BB BB BB

BB

BBBB

( ) = ( ) sdot sdot sdot

minus2

12 5

1

12

(16)

Bild 7 Wellenlaumlngenabhaumlngige optische Leistung des herkoumlmmlichen DSR-Messplatzes (untere Kurven) und des Laser-DSR-Messplatzes einmal direkt hinter dem Laser gemessen (gruumlne Kurven) und einmal die Leistung der tatsaumlchlich in der Messebe-ne nutzbaren Strahlung (rote Kurven)

Bild 8 Photometer Referenzphotodiode (links) sowie Solarzelle (unten) am Laser-DSR-Messplatz

Bild 9 Mit dem Laser-DSR-Messplatz und dem DSR-Messplatz gemessene spektrale Empfindlichkeiten von zwei verschiedenen Photometern (gruumlne und blaue Kurve) sowie die spektrale Empfindlichkeit von der als Referenz benutzten Photodiode (rote Kurve) Die Signalhoumlhen unterscheiden sich um einen Faktor von bis zu 100 Millionen Obwohl das am Laser-DSR-Messplatz gemessene Photometer ca 7 mal unempfindlicher als das am DSR-Messplatz gemessene Photometer ist kann die spektrale Empfindlichkeit in einem deutlich groumlszligeren Wellenlaumlngenbereich gemessen werden

14

Das Jahr des Lichtes PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4

Hierbei ist

TBB die Temperatur des Planckschen Strahlers ε(λTBB) der effektive Emissionsgrad des Strahlers ABB die Groumlszlige der Strahleroumlffnung dBB der Abstand zur Referenzebene fuumlr die Bestrahlungsstaumlrke c1 c2 die Planckschen Strahlungskonstanten und n der Brechungsindex von Luft

In der PTB wird im Fachbereich 41 bdquoPho-tometrie und angewandte Radiometrieldquo ein Hochtemperatur-Hohlraumstrahler vom Typ BB3200pg als nationales Normal fuumlr spektrale Bestrahlungsstaumlrke im Spektralbereich 200 nm bis 2500 nm eingesetzt Der Strahler der vom russi-schen Institut fuumlr optophysikalische Messungen (VNIIOFI) entwickelt [6] und von der PTB fuumlr seine Messaufgabe aufwendig charakterisiert und optimiert wurde [7] besitzt einen Hohlraum aus pyrolytischem Graphit der mittels Gleichstrom auf Temperaturen bis 3200 K aufgeheizt werden kann Der Strahler besitzt einen effektiven Emissions-grad von ε(λTBB) gt 09998 und eine ausgepraumlgte Homogenitaumlt der Temperatur im Hohlraum Er kann somit als Planckscher Strahler behandelt werden

Zur Berechnung des Planckschen Strahlungs-gesetzes werden weitere Groumlszligen des SI-Systems benoumltigt die in der PTB ruumlckfuumlhrbar kalibriert werden So wird zum Beispiel die Strahlerflaumlche ABB in Fachbereich 53 bdquoKoordinatenmesstechnikldquo kalibriert und die Bestimmung der Strahlertem-peratur TBB erfolgt mithilfe von Filterradiometern die in Fachbereich 73 bdquoDetektorradiometrie und Strahlungsthermometrieldquo gegen ein Kryo-

radiometer ruumlckgefuumlhrt werden Mithilfe dieser Berechnungsparameter fuumlr Gleichung (16) kann der Schwarze Strahler als Primaumlrnormal fuumlr strah-lungsphysikalische Groumlszligen eingesetzt werden

Die Kalibrierung von Gluumlhlampen bezuumlglich spektraler Bestrahlungsstaumlrke erfolgt in Sub-stitution durch direkten Vergleich gegen das Primaumlrnormal bzw entsprechend ruumlckgefuumlhrte Sekundaumlrnormale Hierbei handelt es sich um 1000-W-Gluumlhlampen vom Typ FEL die mit einer Verteilungstemperatur von etwa 3080 K einem dem Schwarzen Strahler sehr aumlhnlichen Verlauf der relativen spektralen Strahlungsfunktion besitzen Die Substitution erfolgt mithilfe eines Spektroradiometers das mit drei Monochroma-toren und Empfaumlngern einen Spektralbereich von 250 nm bis 2500 nm abdeckt [8] Eine Ulbrichtku-gel dient als Eingangsoptik und ihre Eintrittsoumlff-nung als Referenzebene fuumlr die Bestrahlungsstaumlrke Die durch die Kugel transmittierte Strahlung gelangt in einen Vormonochromator und wird nach spektraler Vorzerlegung wahlweise in einen Monochromator fuumlr den Spektralbereich 250 nm bis 1100 nm oder in einen Monochromator fuumlr den infraroten Spektralbereich eingekoppelt Ein Photomultiplier eine Si-Photodiode und eine InGaAs-Photodiode erfassen die aus den derart kombinierten beiden Doppelmonochromatoren austretende Strahlung Im fuumlr die Photometrie relevanten sichtbaren Spektralbereich werden spektrale Messungen mit einer spektralen Band-breite von 1 nm und einem Streulichtanteil im Bereich von 10ndash7 durchgefuumlhrt

Das Verhaumlltnis der mit den unterschiedlichen Strahlern gemessenen Photostroumlme entspricht im Wesentlichen dem Verhaumlltnis ihrer spektralen Bestrahlungsstaumlrken Beim Vergleich eines Strah-

Bild 10 Der Hochtemperatur-Hohlraumstrahler BB3200pg der in der PTB als Primaumlrnormal fuumlr die spektrale Bestrahlungsstaumlrke eingesetzt wird Der Hohlraum aus Pyrographit kann bis zu 3200 K aufgeheizt werden

15

Ruumlckfuumlhrung in der Photometrie hellipPTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4

lers bdquoSldquo mit der Verteilungstemperatur T mit dem Schwarzen Strahler der Temperatur TBB laumlsst sich prinzipiell also die unbekannte spektrale Bestrah-lungsstaumlrke EλS (λT) ermitteln aus

E T E Ty

yS eS

λ λλ λλλ ( ) = ( ) sdot ( )( )BB BB

BB

wobei ys(λ) und yBB(λ) die fuumlr die beiden Strahler gemessenen Photostroumlme bei der Wellenlaumlngen-einstellung λ sind und EλBB (λTBB) die spektrale Bestrahlungsstaumlrke des Hochtemperatur-Hohl-raumstrahlers nach dem Planckschen Strahlungs-gesetz (16) ist

Ableitung und Weitergabe weiterer photometrischer Einheiten gerichteter photometrischer Groumlszligen

Neben der Einheit fuumlr die Lichtstaumlrke sind in der gerichteten Photometrie die Einheit der Beleuch-tungsstaumlrke zur Kalibrierung von Photometern und die Einheit der Leuchtdichte zur Angabe von Lampeneigenschaften besonders wichtig

Beleuchtungsstaumlrke

In der PTB werden Beleuchtungsstaumlrke-Messgeraumlte mit einem Referenzphotometer mittels der Substi-tutionsmethode kalibriert wobei die Lichteintritts-flaumlchen der Photometerkoumlpfe an derselben Stelle senkrecht und gleichmaumlszligig beleuchtet werden

Dazu wird zunaumlchst das Referenzphotometer (Linearitaumlt und Anpassungsindex m bekannt) mit Lichtstaumlrke-Normallampen beliebiger Vertei-lungstemperatur T kalibriert Durch Umstellung von Gleichung (13) folgt fuumlr seine photometrische Empfindlichkeit

s d y TI T

Tm

v K= sdot sdot

2

0 2856Ω( )( )

v

(18)

Auf einer 40 m langen Photometerbank siehe Bild 10 koumlnnen dann mit beliebigen Gluumlhlampen unterschiedlicher elektrischer Leistung aber bekannter Verteilungstemperatur Beleuchtungsstaumlrken zwischen 0001 lx und 10000 lx erzeugt werden

Die Kalibrierung von Beleuchtungsstaumlrke-Mess-geraumlten erfolgt meistens mit Licht der Normlicht-art A eine entsprechende Lampe ist in Bild 15 dargestellt Die Anzeige des zu kalibrierenden Beleuchtungsstaumlrke-Messgeraumltes wird mit dem Messwert der Beleuchtungsstaumlrke Ev des Referenz-photometers verglichen

E T ysv

vK( )= =2856

001

01

1

10

100

350 400 450 500 550 600 650 700 750

spek

tral

e Be

stra

hlun

gsst

aumlrke

E[microW

cm

sup2nm

]

Wellenlaumlnge λ [nm]

Schwarzer Strahler (3076 K)Schwarzer Strahker (2995 K)FEL 81 A (3080 K)FEL 67 A (2780 K)WI 41G 54 A (2700 K)

Bild 11 Spektrale Bestrahlungsstaumlrke unterschiedlicher Strahler im sichtbaren Spektralbe-reich Die als Sekundaumlrnormale eingesetzten 1000-W-Gluumlhlampen vom Typ FEL und die in der Photometrie verwendeten Gluumlhlampen vom Typ WI 41G besitzen einen sehr aumlhnlichen spektralen Verlauf wie der als Primaumlrnormal eingesetzte Schwarze Strahler bei unterschiedlichen Strahlertemperaturen

Bild 12 Der Messplatz fuumlr die Kalibrierung von Gluumlhlampen bezuumlglich spektraler Bestrah-lungsstaumlrke in der PTB Auf der rechten Seite befinden sich zwei als Sekun-daumlr- und Arbeitsnormale eingesetzte Gluumlhlampen Auf der linken Seite ist das Spektroradiometer zu sehen dass an seiner Oberseite eine Ulbrichtkugel als Eingangsoptik montiert hat deren Oumlffnung in Richtung Strahler als Referenzebene fuumlr die Bestrahlungsstaumlrke verwendet wird

Bild 13 Messplatz zur Weitergabe der Einheit der Beleuchtungsstaumlrke zur Kalibrierung von Photometern

(17)

(19)

16

Das Jahr des Lichtes PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4

Leuchtdichte

Leuchtdichten homogen leuchtender begrenzter Flaumlchen koumlnnen aus groszligem Abstand wie Licht-staumlrken gemessen werden Wird z B eine kreisfoumlr-mige Blendenoumlffnung (zentrisch und senkrecht zur Messrichtung) zwischen der leuchtender Flaumlche und dem Photometerkopf angeordnet und damit ein Teillichtstrom ausgesondert so kann dieser in groszligem Abstand als Lichtstaumlrke bestimmt werden und es gilt fuumlr die Leuchtdichte Lv der prinzipielle Zusammenhang

LIAvv= (20)

In der PTB wird fuumlr die mit Gluumlhlampen ausgestat-teten Leuchtdichtenormale (d h Verteilungstem-peratur T bekannt) zunaumlchst die photometrische Empfindlichkeit sv des Referenzphotometers wie in Abschnitt 41 bestimmt dann die Lichtstaumlrke nach Gleichung (13) gemessen und schlieszliglich die mittlere Leuchtdichte innerhalb der leuchtenden Flaumlche A nach Gleichung (20) berechnet

Fuumlr Leuchtdichtenormale gelten prinzipiell einige der im Kapitel bdquoLichtstaumlrke-Normallampenldquo aufgefuumlhrten Merkmale Sie unterscheiden sich jedoch im Detail in der Art der Ausfuumlhrung z B sind sie mit Gluumlhlampen oder mit LEDs bestuumlckt sie koumlnnen hinsichtlich der Leuchtdichte bzw Farbe durchstimmbar sein oder mit gesonderter Monitortechnik ausgestattet sein

Die traditionellen Messverfahren zur Bestim-mung der Leuchtdichte bzw die Verwendung von Photometern mit direkter Anzeige der Leuchtdich-tewerte werden zunehmend durch den Einsatz von Leuchtdichtekameras (pixelaufgeloumlste Darstellung von Leuchtdichteverteilungen) ergaumlnzt Eine abso-lute Kalibrierung dieser modernen Systeme stellt aber messtechnisch eine groszlige Herausforderung

Bild 14 Die 40 m lange photometrische Bank zur Realisierung und Weitergabe der Einhei-ten der gerichteten Photometrie

Bild 15 20-kW-Hochleistungshalogengluumlhlampe fuumlr hohe Beleuchtungsstaumlrken zur Kalibrierung von Beleuchtungsstaumlrke-Messgeraumlten u a mit Normlichtart A

Bild 16 Gluumlhlampenbasierte Normale zum Transfer der Leuchtdichte-Einheit

17

Ruumlckfuumlhrung in der Photometrie hellipPTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4

dar aktuell werden zur Charakterisierung solcher Kameras national im FNL3 (Normenausschuss bdquoPhotometrieldquo im DIN) und international in der CIE (TC2-59 TC2-62) u a Messverfahren dis-kutiert die dann mittels definierter Kenngroumlszligen beschrieben werden

Literatur

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temperature 1994[3] G Sauter Die Candela Erlaumluterungen zum Ver-

staumlndnis der Definition und der RealisierungPTB-Mitteilungen 107 1997

[4] W Schreier (Hrsg) Biographien bedeutender Phy-siker 2 Aufl Volk und Wissen Berlin 1988S 203ndash205

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[7] P Sperfeld Entwicklung und Realisierungeiner empfaumlngergestuumltzten spektralen Bestrah-lungsstaumlrkeskala Dissertation Braunschweig2861999 httpwwwbibliotu-bsdeedissdata19990628a19990628ahtml(Letzter Aufruf 28102015)

[8] P Sperfeld S Pape B Barton From Primary Stan-dard to Mobile Measurements ndash Overview of theSpectral Irradiance Calibration Equipment at PTBMAPAN-Journal of Metrology Society of India 252010 S 11ndash19

Bild 17 Pixelaufgeloumlste Darstellung einer Leuchtdichteverteilung mit einer Leuchtdichtemesskamera

pim_140107_anz_forschung_178x29indd 1 280214 1033

18

PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4Das Jahr des Lichtes

Kurze Geschichte der Goniophotometrie in der PTB Matthias Lindemann

Zusammenfassung

Die Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB) ist das nationale Metrologieinstitut (NMI) der Bundesrepublik Deutschland das seinen Fokus auf die Realisierung Bewahrung und Weitergabe der SI-Einheiten richtet Deshalb hat auch die goniophotometrische Bestimmung des Licht-stroms nahezu beliebiger Lichtquellen eine lange Tradition Seit mehr als 50 Jahren werden in der PTB hierzu noumltige Messsysteme entwickelt genutzt verbessert und an neue Messaufgaben angepasst Schon in den 50er- und 60er-Jahren des vergangenen Jahrhunderts erlaubte ein soge-nanntes Einarm-Goniophotometer die Realisie-rung der Lichtstromeinheit lumen (lm) als direkte Ableitung von der SI-Basiseinheit Candela (cd) mithilfe von Lichtstaumlrke-Normallampen Spaumlter gestattete ein groszliges Kardan-Goniophotometer mit einem Messradius von 25 m die notwendige automatisierte spiralfoumlrmige Bewegung eines Photometers bzw eines Dreibereichsfarbmess-kopfes Fuumlr die Lichtstrom-Kalibrierungen von Kleingluumlhlampen aber auch von zunehmend nachgefragten Messungen an LEDs wurde schon in den fruumlhen 1980er Jahren ein sogenanntes Mini-Goniophotometer ebenfalls als Kardan-

Goniophotometer mit nur 03 m Messradius entwickelt und eingesetzt Dieser Entwicklungs-prozess haumllt an und ermoumlglicht heute die Kalibrie-rung auch modernster LED-Lichtquellen Im Jahr 2006 wurde das erste Roboter-Goniophotometer im neuen Albert-Einstein-Gebaumlude der PTB in Betrieb genommen und ermoumlglicht seitdem die Kalibrierung nahezu beliebiger Lichtquellen mit der noumltigen kleinen Messunsicherheit

1 Einfuumlhrung

Mehr als 11 der elektrischen Energie werden heute in Deutschland fuumlr Beleuchtung einge-setzt Tendenz steigend Daher ist der Lichtstrom oumlkonomisch gesehen die wichtigste photometri-sche Groumlszlige Es ist notwendig seine Einheit das Lumen (lm) direkt von der SI-Basiseinheit fuumlr die Lichtstaumlrke der Candela (cd) abzuleiten Dies geschieht regelmaumlszligig mittels Goniophotometrie um den Lichtstrom der zu untersuchenden Licht-quelle zu bestimmen Obwohl auch absolut arbei-tende Ulbricht-Kugel-Methoden existieren [1] benoumltigen diese streng genommen zumindest die relative raumlumliche Lichtstaumlrkeverteilung welche nur durch goniophotometrische Methoden messbar ist

Das Prinzip der Goniophotometrie ist unabhaumln-gig von der technischen Realisierung der unter-schiedlichen Goniophotometertypen Ein Gonio-photometer misst die raumlumliche Verteilung der Beleuchtungsstaumlrke E(r ϑ φ) auf einer geschlosse-nen Huumlllflaumlche mittels V(λ)-angepasstem Pho-tometer fuumlr alle Richtungen (ϑ φ) der Lichtaus-strahlung im vollen Raumwinkel (4π sr) um die Lichtquelle herum wie Bild 1 zeigt

Der Radiusvektor r(ϑ φ) beschreibt die Position des Photometers in Kugelkoordinaten und r(ϑ φ) durchstoumlszligt das zur Lampe gerichtete Eintrittsfens-ter immer orthogonal Der Radiusvektor r(ϑ φ) beschreibt auch die Entfernung zwischen Lampe und Photometer

Der Winkel ϑ beschreibt die Position des Photometers zwischen den Polen traditionell im Bereich (0 lt ϑ lt π) Der Winkel φ beschreibt die Photometer-Position in der Aumlquator-Richtung

Matthias Lindemann Arbeitsgruppe bdquoGoniophotometrieldquo EshyMail matthiaslindemannptbde

Bild 1 Beleuchtungsstaumlrke E als Funktion des Radiusvektors r(ϑ φ)

19

PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4 Kurze Geschichte der Goniophotometrie in der PTB

(0 lt φ lt 2π) Der Wert des Lichtstroms Φ der Lampe kann aus der Beleuchtungsstaumlrkeverteilung E(ϑ φ) berechnet werden entweder aus der Licht-staumlrkedefinition I = dΦdω oder aus der Defini-tion der Beleuchtungsstaumlrke E = dΦdΑ

Φ = ( )int I ϑ ϕ ω4πsr

d (1)

Φ = ( )int E Ar

ϑ ϕ4 2π

d (2)

Das Raumwinkelelement dω der Gleichung (1) ist gegeben durch

d sin d dω ϑ ϑ ϕ= ( ) (3)

und das Flaumlchenelement dA der Gleichung (2) erhaumllt man aus

d sin d dA r= ( ) ( )2 ϑ ϕ ϑ ϑ ϕ

(4)

Der Radius r des Radiusvektors r(ϑ φ) kann als Konstante behandelt werden da er sich gewoumlhn-lich waumlhrend einer goniophotometrischen Messung nicht aumlndert Dann kann die Lichtstaumlrke-verteilung I(ϑ φ) durch Anwendung des photome-trischen Grundgesetzes aus der Beleuchtungsstaumlr-keverteilung E(ϑ φ) bestimmt werden

I r Eϑ ϕ ϑ ϕ ( ) = ( )2 (5)

Falls die photometrisch wirksame Ausdehnung rL der zu messenden Lampe deutlich kleiner ist als der Messradius r des Goniophotometers ist kann Gleichung (1) mit Gleichung (3) und r = const wie folgt geschrieben werden

Φ = ( ) ( )intintr E2

00

2

d sin dϕ ϑ φ ϑ ϑππ

(6)

Andererseits fuumlhrt Gleichung (2) mit Glei-chung (4) und r = const ebenfalls auf Gleichung (6) Aber fuumlr groszlige Lampen koumlnnte die Anwen-dung von Gleichung (5) zu fehlerhaften Ergeb-nissen fuumlhren (rL gt r) aber der ermittelte Wert des Lichtstroms entsprechend Gleichung (6) waumlre korrekt falls das Photometer das einfallende Licht mit dem Kosinus des Einfallswinkels bewertet

2 Geschichte der Goniophotometer- Systeme in der PTB

Wie bereits teilweise in Abschnitt 1 diskutiert sollte ein ideales Goniophotometer eine Reihe von Anforderungen erfuumlllen wie die folgende Auflis-tung zeigt

1 Kalibrierung der Photometer mittels Licht-staumlrke-Normallampen zur Sicherung der Ruumlckfuumlhrung auf die nationale Realisierung der Einheit Candela

2 Ausfuumlhrung einer Relativbewegung zwischen Lampe und Photometer wobei sich ϑ-Achse und φ-Achse rechtwinklig schneiden

3 Verwendung eines V(λ)-angepassten Photo-meters zur Lichtstrommessung

4 Automatische Messdatenanalyse5 Unabhaumlngige Bestimmung des Lichtstromwer-

tes von der raumlumlichenspektralen Verteilung der gemessenen Bestrahlungsstaumlrke Ee(λ ϑ φ) des Lichts

6 Unabhaumlngigkeit der Empfindlichkeit des Pho-tometers von der Umgebungstemperatur bzw Durchfuumlhrung einer entsprechenden Korrektur

7 Beliebige Betriebslage der zu untersuchenden Lampe

8 Einstellbare Umgebungsbedingungen fuumlr Luft-temperatur und Luftfeuchte

9 Geringer Streulichtanteil im Messraum bzw Streulicht-Korrektur

10 Elektrische Antriebe fuumlr die Bewegung der ϑ- und φ-Achsen

11 Verwendung von Farbmesskoumlpfen zur Bestim-mung der raumlumlich wirksamen aumlhnlichsten Farbtemperatur undoder Bestimmung der relativen raumlumlichen spektralen Verteilung der gemessenen Bestrahlungsstaumlrke

12 Messung ohne Bewegung der zu untersuchen-den Lampe

13 Vollstaumlndige Abtastung der Beleuchtungs-staumlrke- bzw Lichtstaumlrkeverteilung der zu untersuchenden Lampe

14 Staumlndige Uumlberwachung des photometrischen Betriebsverhaltens der Lampe um Alterung waumlhrend der Messzeit erkennen bzw korrigie-ren zu koumlnnen (sogenanntes Monitorsystem)

15 Messraumwaumlnde sollen etwa auf Lufttem-peratur sein um den Strahlungsaustausch zwischen Entladungslampen und Waumlnden des Messraums zu stabilisieren

16 Online-Streulichtkorrektur ndash insbesondere fuumlr ausgedehnte Lampen wie Leuchtstofflampen da diese den Einsatz eines Streulichttubus mit groumlszligerem Gesichtsfeld erfordern

17 Die Beleuchtungseinrichtung des Gonio-photometerraums soll zur Messzeit abgedeckt und ausgeschaltet sein um den Streulichtan-teil nicht zu erhoumlhen

18 Variation des Messradius r (Validierung von Nahfeld-Fernfeld-Messungen mit abbilden-den Systemen)

In der Goniophotometrie sind verschiedene Koor-dinatensysteme wie Bild 1a zeigt zu unterscheiden Dies sind regelmaumlszligig das Lampenkoordinatensys-tem Lamp das Raumkoordinatensystem Room und

20

PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4Das Jahr des Lichtes

das Goniophotometerkoordinatensystem bezogen auf dessen Zentrum Center Bild 1a zeigt moumlgliche Offsets zwischen diesen Systemen in Translation und Rotation

Um folgende Betrachtungen und Erklaumlrungen zu vereinfachen werden die genannten Koordina-tensysteme als deckungsgleich angenommen das heiszligt es werden keine Offsets in Translation und Rotationen zwischen den Koordinatensysteme vorausgesetzt

Im Weiteren werden die Eigenschaften Vor- und Nachteile der uumlber Dekaden in der PTB entwi-ckelten und genutzten Goniophotometer unter Beruumlcksichtigung der gewuumlnschten vorstehend gelisteten Eigenschaften diskutiert Es beginnt mit einem einfachen Einarm-Goniophotometer aus den 50er-Jahren des vergangenen Jahrhunderts und endet zumindest vorlaumlufig mit dem State-of-the-art-Roboter-Goniophotometer das 2007 in Betrieb ging

21 Einarm-Goniophotometer (1950ndash1975)

In der Zeit von 1950 bis 1975 wurde ein manuell betriebenes Einarm-Goniophotometer nach Bild 2 benutzt In den 50er-Jahren war diese Messappara-tur noch mit einem visuellen Photometer ausge-stattet Dieses Photometer erlaubte die relative Messung von Beleuchtungsstaumlrken mittels einer im Photometer installierten Hilfslampe in Verbindung mit einem optischen Abschwaumlcher [2 Seite 321] Die Ruumlckfuumlhrung auf die nationale Lichtstaumlrke-Einheit die Candela war durch Kalibrierung des visuellen Photometers mit Lichtstaumlrke-Normal-lampen sichergestellt (dies erfuumlllt Anforderung 1 der Anforderungsliste) entsprechend basieren auch Abstandsmessungen auf der nationalen Laumln-geneinheit dem Meter

Wegen der Lageabhaumlngigkeit der internen Hilfs-lampe im Innern des visuellen Photometer war es an einer festen Stelle der Messapparatur ange-bracht wie Bild 2 zeigt Ein Spiegel-Prismen-Sys-tem leitete das Licht der zu untersuchenden Lampe auf das Photometer Eine detaillierte Beschreibung aumlhnlicher Systeme kann [2 Seite 319] entnommen werden Damit ist Anforderung 2 ebenfalls erfuumlllt

Die vollstaumlndige Bestimmung des Lichtstroms Φ erfordert eine groumlszligere Anzahl Messungen von Beleuchtungsstaumlrken fuumlr ebenso viele manuell eingestellte unterschiedliche Kugelkoordina-ten (ϑ φ) Wird die fiktive Kugel gemaumlszlig Bild 1 in ϑ-Richtung in parallele Zonen eingeteilt und jede dieser Zonen i ist wiederum in n Sektoren j gleicher Laumlnge (Δφ = const) mit den zugehoumlrigen Beleuchtungsstaumlrken Eij unterteilt ist es moumlglich die mittlere Beleuchtungsstaumlrke Endashi jeder Zone i nach Gleichung 7 zu bestimmen

E Ei n i jj

n

==sum1

1 (7)

und der Wert des Lichtstroms Φ ergibt sich weiter aus der numerischen Integration nach Gleichung (8)

Φ = ( )minus ( )( )+

=sum2 2

10

1

πr cos cosϑ ϑi ii

m

iE-

(8)

Die Anzahl der notwendigen Beleuchtungsstaumlr-kemessungen haumlngt von der raumlumlichen Lichtver-teilung der zu untersuchenden Lampe ab Wegen der manuellen Einstellung des groszligen Arms (ϑ) der Drehung der Lampe (φ) und des gleichfalls noumltigen manuellen Abgleichs des visuellen Pho-tometers ist diese Methode sehr zeitaufwendig Sollen beispielsweise 600 Punkte gemessen werden (aus heutiger Sicht also nicht besonders viele) und man benoumltigt ca 25 Sekunden pro Messung werden also mehr als 4 Stunden benoumltigt um eine

Bild 1a Koordinatensysteme

Bild 2 Einarm-Go-niophotometer 1950ndash1975

21

PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4 Kurze Geschichte der Goniophotometrie in der PTB

Lampe mit relativ homogener raumlumlichen Licht-verteilung zu messen

In 1963 wurde ein internationaler Lichtstrom-vergleich auf der Basis von Entladungslampen ohne Fluoreszenzstoff durchgefuumlhrt Diese Lampen wiesen eine massive Inhomogenitaumlt ihrer raumlumlichen Lichtverteilung auf sodass die beschriebene manuelle Methode wegen der noumltigen hohen Anzahl von Messpunkten nicht praktikabel war Zur Loumlsung dieses Problems in [3] beschrieben wurde das visuelle Photometer durch einen grob an V(λ)-angepassten Photover-vielfacher ersetzt zusaumltzlich wurde die φ-Achse mit einem elektrischen Antrieb versehen und ein Praumlzisionskondensator ermoumlglichte die analoge Integration des Photostroms des Photovervielfa-chers Damit konnte fuumlr jede der erforderlichen ϑ-Einstellungen des groszligen Arms der elektri-sche Antrieb der φ-Achse diese mit konstanter Winkelgeschwindigkeit rotieren lassen waumlhrend der Praumlzisionskondensator den Photostrom des Photovervielfachers integrierte Nach etwa t = 5 min fuumlr eine Umdrehung repraumlsentierte die Ladung Q = C middot U des Praumlzisionskondensators die mittlere Beleuchtungsstaumlrke

E k C Uti = sdot (9)

dieser gemessenen Zone i Daraus berechnet sich der Lichtstrom wiederum gemaumlszlig Gleichung (8) Es ist nicht noumltig das Produkt k ∙ C exakt zu kennen da dies uumlber das Kalibrierverfahren durch die bekannte Beleuchtungsstaumlrke einer Lichtstaumlrke-Normallampe eliminiert werden kann es muss lediglich uumlber die gesamte Messzeit hinweg kons-tant sein

Spaumlter in den 1960er-Jahren wurde auch das visuelle Photometer durch ein modernes V(λ)-angepasstes Photometer basierend auf gefilterten Silizium-Photodioden in Kombination mit einen PhotostromSpannungswandler und einem xy-Plotter ersetzt Man erhielt so die Beleuchtungs-staumlrkeverteilung jeder Zone die sich dann leicht mit grafischen oder numerischen Verfahren inte-grieren lieszlig Es wird spaumlter gezeigt werden dass diese verwendete bdquoanaloge Zonenintegrationldquo sehr aumlhnlich der heutigen digitalen zonalen Bewertung ist

Diese letzten 2 Verbesserungen erfuumlllen die Anforderung 3 und teilweise auch die Anforde-rung 4

22 Kardan-Goniophotometer (1976ndash2007)

Das existierende Einarm-Goniophotometer war immer auf eine bdquohelfende Handldquo angewiesen um es von Punkt zu Punkt zu bewegen Die anschlie-szligende Berechnung des Lichtstroms wurde grund-saumltzlich ebenfalls haumlndisch ausgefuumlhrt Dieses Ver-

fahren war dementsprechend sehr zeitaufwendig und der zunehmende Wunsch der Industrie auch groszlige Objekte wie z B lange Leuchtstofflampen aber spaumlter auch sehr kleine Mikrolampen und erste LEDs zu kalibrieren fuumlhrte zur Entwicklung sogenannter Kardan-Goniophotometer ver schie-dener Ausfuumlhrungen

221 Groszliges Kardan-Goniophotometer

Nach der intensiven Umgestaltung einiger Raumlume im Koumlsters-Bau der PTB war es moumlglich im neuen Goniophotometerraum (7 x 10 x 8 m3) das Kar-dan-Goniophotometer [4] zu installieren Bild 3 zeigt das groszlige Kardan-Goniophotometer Am Bildoberrand ist eine zu kalibrierende stabfoumlrmige Leuchtstofflampe zu sehen

Dieser Raum war zusaumltzlich auch mit einer geregelten elektrischen Heizung ausgestattet um die geforderten Messbedingungen bezuumlglich Umgebungstemperatur einstellen zu koumlnnen Im Prinzip besteht ein Kardan-Goniophotometer wie in Bild 4 gezeigt aus 3 Rahmen wobei der aumluszligere α-Rahmen der raumlumlichen Ausrichtung (durch Drehung um die y-Achse) der zu untersu-chenden Lampe dient Innerhalb dieses aumluszligeren α-Rahmens ist der mittlere φ-Rahmen endlos drehbar um die z-Achse gelagert Der innere ϑ-Rahmen ist wiederrum drehbar im φ-Rahmen gelagert jedoch ist seine Bewegung auf knapp 180deg durch den noumltigen Lampenhalter begrenzt Alle 3 Rahmen sind mechanisch ausgeglichen und mit elektrischen Antrieben versehen Ihre Rotationsgeschwindigkeiten waren per 10-Gang-Praumlzisionspotentiometer einstellbar eine Folge der angewandten analogen Regelung der Achsan-triebe Die Winkelbestimmung der Achsen erfolgte mittels 13-bit-Winkelencodern Das Photometer war am ϑ-Rahmen (Bild 4) platziert und ermoumlg-lichte so einen festen Messradius von 2500 mm Es bestand die Moumlglichkeit ein zweites Photometer

Bild 3 Kardan-Goniophotometer 1976ndash2007

22

PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4Das Jahr des Lichtes

oder einen Farbmesskopf auf der gegenuumlberliegen-den Seite des ϑ-Rahmens einzusetzen

In diesem Fall war der Arbeitsbereich limitiert im Bereich 4deg lt ϑ lt 176deg da jeweils Lampenhalter von rechts und links zur Aufnahme einer beispiels-weise stabfoumlrmigen Leuchtstofflampe eingesetzt werden konnten (siehe auch Bild 3) Im Falle von einseitig gesockelten Lampen wurde meist nur ein PhotometerFarbmesskopf verwendet was eine Drehung der gegenuumlberliegenden Messkopf-aufnahme um 90deg ermoumlglichte Diese sogenannte bdquoKroumlpfungldquo lieszlig dann Raum fuumlr den nun einseiti-gen Lampenhalter und der Arbeitsbereich vergrouml-szligerte sich zu 0deg lt ϑ lt 176deg

Entsprechend der Gleichung (6) muss die gemessene Beleuchtungsstaumlrkeverteilung uumlber den vollen Raumwinkel 4π sr zum Wert des Licht-stroms integriert werden So ist es naheliegend digitale uumlber die Zeit integrierende Methoden zur Erfassung und Speicherung der gemessenen Beleuchtungsstaumlrkewerte zu verwenden Bild 5 zeigt den Signalfluss Sowohl Photometer- undoder Farbmesskopf als auch Photostrom-Fre-

quenz-Wandler waren temperaturstabilisiertDer Photostrom des Photometers mit seiner

photometrischen Empfindlichkeit s normalisiert auf die CIE-Lichtart A wird mittels Ruumlckkopp-lung Rg eines Photostromverstaumlrkers in eine Spannung U gewandelt und weiter durch einen Spannungs-Frequenzwandler in eine Frequenz f mit dem zugehoumlrigen Wandlungsfaktor wf kon-vertiert Diese Frequenz wird letztlich von einem digitalen Zaumlhler kontinuierlich gezaumlhlt Simultan wird die Quarz-Frequenz fq durch einen zweiten digitalen Zaumlhler erfasst um waumlhrend der spaumlteren Datenanalyse die urspruumlnglichen Photostroumlme berechnen zu koumlnnen Diese Methode stellt damit die schon erwaumlhnte Signal-Zeit-Integration sicher

Die die zu untersuchende Lampe umgebene fiktive Kugel ist wie Bild 5 zeigt in Zonen und Sektoren unterteilt Infolge der analogen Geschwindigkeitsregelung der zwei bewegten Rahmen sind positive und negative Beschleu-nigungsphasen am Anfang und am Ende einer vollstaumlndigen Abtastung und Lastreaktionen des rotierenden Systems und die damit verbundenen geringen Gleichlaufschwankungen unvermeid-bar Die Unterteilung jeder Zone in Sektoren mit der Laumlnge Δφj als Gewichtung reduziert jedoch diesen Einfluss Damit berechnet sich die mittlere Beleuchtungsstaumlrke Endashi nach Gleichung (10)

Es w R

fyt

fjj

ni j

i j=

sdot sdot sdot( )sdot sdot minus

=sum1

2 10

πϕ

f gq∆∆

∆

(10)

mit der Dunkelfrequenz f0 (Photometer abgeschat-tet) und den Differenzsignal-Zaumlhlungen Δyi j und den Differenzzeit-Zaumlhlungen Δti j jeweils vom Sek-toranfang bis zum Sektorende Wiederum koumlnnte der Lichtstrom nach Gleichung (8) bestimmt werden jedoch werden jetzt noch Korrekturfakto-ren fuumlr das Streulicht cstr der spektralen Fehlanpas-sung des Photometers cspec und Abweichungen von den nominalen elektrischen Betriebsbedingungen celec eingefuumlhrt wie nun Gleichung (11) zeigt

Φ = sdot sdot sdot sdot minus( ) sdot+=

minus

sumc c c r Ei ii

m

istr spec elec cos cos2 21

0

1

π ϑ ϑ

(11)

Im Verlauf einer Lichtstrommessung werden neben dem Photometer auch die Waumlnde des Messraums von der zu untersuchenden Lampe beleuchtet Diese Beleuchtung wird ebenfalls vom im Goniophotometer verwendeten Photometer bdquogesehenldquo und fuumlhrt zu einer Streubeleuchtung auf dem Lichteintrittsfenster dieses Photome-ters Diese Streubeleuchtung haumlngt einerseits vom Reflexionsgrad der verwendeten Wandfarbe (ρ asymp 3 ) und vom Gesichtsfeld des sich vor dem

Bild 4 Groszliges Kardan-Goniophotometer 1976ndash2007

Bild 5 Signalfluss

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PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4 Kurze Geschichte der Goniophotometrie in der PTB

Photometer befindlichen Streulichtreduzierungs-tubus ab Daher muss fuumlr jeden eingesetzten Tubus mit seinem individuellen Gesichtsfeld der wirksame spezifische Streulichtkorrekturfaktor cstr bestimmt werden Diese koumlnnen ermittelt werden indem Blenden mit unterschiedlichen Durchmes-sern zwischen der zu untersuchenden Lampe und dem Photometer waumlhrend normalen Lichtstrom-messungen positioniert werden Eine detaillierte Beschreibung kann [5] entnommen werden

Die technische Realisierung eines Photometers ist immer nur eine Naumlherung fuumlr V(λ) Dies bedeu-tet dass im Prinzip in allen Faumlllen diese spektrale Fehlanpassung korrigiert werden muss Allgemein kann der spektrale Korrekturfaktor cstr fuumlr alle Lampen mit beliebiger Strahlungsfunktion S(λ) nach Gleichung (12) bestimmt werden

cV S

s S

V P T

s Pspek

rel

A

rel

d

d

d=

( )sdot ( )( ) sdot ( )

( ) sdot ( )( ) sdot

intint

intint

λ λ λ

λ λ λ

λ λ λ

λ

λλ λTA d( )

(12)

Hierzu ist jedoch die Kenntnis der relativen spektralen Empfindlichkeit srel(λ) des Photome-ters notwendig P(λ TA) bezeichnet dabei einen Planckstrahler mit einer Verteilungstemperatur von TA = 2856 K

Im Fall von Gluumlhlampen ist ein etwas einfache-rer Weg fuumlr diese Korrektur ohne die Kenntnis von srel(λ) moumlglich Gleichung (13) beschreibt die Abhaumlngigkeit der Beleuchtungsstaumlrke E(T) von der Verteilungstemperatur T

E Ty T

sTT

m

( ) = ( )

A

y

(13)

eines gemessenen Photostroms y(T) und der pho-tometrischen Empfindlichkeit s des Photometers fuumlr Lichtart A Eine charakteristische Eigenschaft des Photometers ist der Exponent my bdquoyldquo indiziert den Exponent fuumlr ein V(λ)- angepasstes Photome-ter oder den y-Kanal eines Dreibereichsfarbmess-kopfes wobei die anderen Kanaumlle unterschiedliche Werte fuumlr diese Exponenten haben Ein ideales Photometer wuumlrde einen Wert von 0 fuumlr diese Exponenten aufweisen Beispielsweise beschreibt my = 0018 ein qualitativ durchaus gutes Photo-meter Der Exponent my (und auch mx und mz) koumlnnen aus einem Fit bekannter Paare (E(T) T) einer Lichtstaumlrke-Normallampe bei verschiedenen Arbeitspunkten wie in [6 7] beschrieben gefun-den werden Damit kann der Korrekturfaktor cspec fuumlr Gluumlhlampen wie folgt geschrieben werden

c TT

my

specA

=

(14)

Werden Gluumlhlampen in der Naumlhe von CIE-Licht-art A betrieben ist die Korrektur auf elektrische Nominalbedingungen celec ebenfalls nach Glei-chung (15) sehr einfach da der Lichtstrom eine Funktion des Betriebsstroms J ist

c JJ

m

elec

J

=

minus

0 (15)

Hier ist J0 der Nominalstrom und mJ cong 684 Mehr Information kann in [7] gefunden werden

Die Datenanalyse fuumlr einen Dreibereichsfarb-messkopf erfolgt in gleicher Weise und man erhaumllt die Normfarbwertanteile (x y) aus den Gleichun-gen (16 17)

x =+ +Φ

Φ Φ ΦX

X Y Z (16)

y =+ +Φ

Φ Φ ΦY

X Y Z (17)

Leider konnten nur der Lichtstrom und die zuge-houmlrigen Normfarbwertanteile bestimmt werden da aufgrund der geringen Speichermoumlglichkeit der verwendeten Computertechnik die raumlumliche Information verlorenging

Daher wurden im Jahre 1991 alle Computer Analogsysteme die Verdrahtung und viele weitere Elemente durch moderne Ausruumlstung ersetzt Von nun an konnten alle Rohdaten mittels geeigneter Speichermedien dauerhaft bewahrt werden Das galt auch fuumlr groszlige Datenmengen des ab 1997 eingesetzten Array-Spektrometers zur Messung der relativen spektralen Leistungsverteilung der Strahlung synchron zur Lichtstrombestimmung Leider wiesen Photometer und Einkoppeloptik des Array-Spektrometers unterschiedliche Gesichtsfel-der auf und hatten etwas unterschiedliche Positi-onen auf dem Goniophotometer was die Daten-analyse komplizierte Dennoch konnten erstmalig raumlumliche spektrale Informationen uumlber zu untersuchende Lampen ermittelt werden Damit erfuumlllte das groszlige Kardan-Goniophotometer in seiner Ausbaustufe von 1997 die Anforderungen 1ndash14 aus Abschnitt 2 Die relative erweiterte Mes-sunsicherheit fuumlr den Lichtstrom fuumlr k = 2 betrug jetzt 060

222 Kleines Kardan-Goniophotometer

Fuumlr die Messung kleiner Lampen und LEDs wurde in den fruumlhen 1980er-Jahren ein dem groszligen Kardan-Goniophotometer sehr aumlhnliches kleines Kardan-Goniophotometer mit einem Messra-dius von nur 300 mm entwickelt hergestellt und

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PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4Das Jahr des Lichtes

betrieben Das Foto in Bild 6 zeigt dieses seinerzeit sogenannte bdquoMini-Goniophotometerldquo

Die Messtechnik entsprach nahezu vollstaumln-dig dem groszligen Kardan-Goniophotometer bis hin zum Signalfluss einschlieszliglich Spannungs-Frequenzwandler und nachgeschalteten Zaumlhlern Damit sind alle Aspekte dieser Apparatur bereits in Abschnitt 221 diskutiertIm Jahre 2007 wurde dieses Instrument durch ein spezielles Goniophotometer fuumlr die Messung von LEDs ersetzt siehe auch Kapitel Metrologie fuumlr moderne Lichtquellen LEDs und OLEDs [10]

23 Roboter-Goniophotometer (2006 bis heute)

Am Ende der 1990er-Jahre wurde die Planung eines neuen Goniophotometertyps mehr und mehr konkret Nahezu gleichzeitig entschied sich die PTB fuumlr den Neubau eines modernen Gebaumludes fuumlr die Abteilung Optik dem heutigen Albert-Einstein-Bau Infolge dieses Zusammentreffens

beider Ereignisse konnte bei der Planung das neue Gebaumlude quasi um das neue Roboter-Goniopho-tometer herum geplant und spaumlter auch so gebaut werden

In 19951996 zeigte G Sauter dass Gonio-photometrie mittels Robotern moumlglich ist und erhebliche Vorteile gegenuumlber den bisher verwendeten Kardan-Goniophotometern auf-weist [8] Wie weiterhin in [8] beschrieben sind sogenannte Service-Roboter gut geeignet um ein Roboter-Goniophotometer zu realisieren Diese zeichnen sich durch eine schlanke Konstruktion mit langen Armen bei gleichzeitig relativ gerin-gem Gewicht aus Sie verfuumlgen uumlber eine hohe Flexibilitaumlt um beispielsweise ein Photometer auf gewuumlnschten Bahnen mit unterschiedlichen Radien (1000 mm lt r lt 3000 mm) auf der fiktiven Kugeloberflaumlche um die Lampe herumzufuumlhren Jeder Roboter verfuumlgt uumlber 7 Freiheitsgrade (engl seven degrees of freedom 7 DOF) Dies garantiert die notwendige Flexibilitaumlt und das erforderli-che Arbeitsvolumen Zur Abdeckung des vollen Raumwinkels 4π sr sind daher 2 der beschriebenen Roboter notwendig Ein dritter aumlhnlicher Roboter positioniert dabei die zu untersuchende Lampe in der gewuumlnschten Brennstellung im Raum Alle Roboter-Basen sind direkt mit dem Stahlbeton des Gebaumludes verbunden um eine langzeitstabile raumlumliche Positionierung der Roboter zu gewaumlhr-leisten Bild 8 zeigt das Roboter-Goniophotometer waumlhrend der Messung einer LED-Signalleuchte

Im Gegensatz zu Kardan-Goniophotometern ist der Messradius variabel in dem alle 7 Achsen in entsprechende Positionen gebracht werden Wegen der groszligen Redundanz eines 7-DOF-Roboters kann die Zielposition einschlieszliglich Orientierung durch eine sehr groszlige Anzahl unter-schiedlicher Einstellungen der 7 Achsen erreicht werden Daher wird eine Strategie benoumltigt um die jeweilige Achs einstellung zu finden Diese

Bild 6 Kleines Kardan-Goniophotometer 1982ndash2007

Bild 7 Arm des Roboter-Goniophotometers

Bild 8 Roboter-Goniophotometer 2006 bis heute

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PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4 Kurze Geschichte der Goniophotometrie in der PTB

Strategie ist relativ simpel Sie besagt dass alle Achseinstellungen derart gefunden werden dass saumlmtliche Bestandteile des Roboters einen maxi-malen Abstand zum Zentrum des Roboters haben sollen um das von der Roboterstruktur reflektierte Streulicht moumlglichst gering zu halten Eine beson-dere Software ist notwendig um alle Achswinkel ausgedruumlckt in counts jedes Winkelencoders fuumlr jede Achse zu bestimmen um die gewuumlnschten Kugelkoordinaten (r ϑ φ) anzufahren Waumlhrend der Messung der zu untersuchenden Lampe liest das Roboter-Kontrollsystem alle 10 ms diese counts jeder Achse und versucht jede Achse entsprechend diese Vorgabe einzustel-len Nach dieser Einstellung welche fuumlr alle 7 Achsen gleichzeitig erfolgt werden die Ist-Winkel jeder Achse wiederum in counts synchron gelesen und mit den zugehoumlrigen photo-metrischen Daten und elek trischen Daten des Lampenbetriebs in eine Datenbank gespeichert Prinzipiell ist der Signal-fluss dem des in Abschnitt 221 beschriebenen groszligen Kardan-Goniophotometers sehr aumlhnlich Aber es gibt ein zusaumltzliches wichtiges Element den sogenannten Zeitstempel Da ein weit verteiltes Datenerfassungssystem vorliegt wird ein Mecha-nismus zur Datensynchronisierung in Form eines 1-Mhz-Taktes verwendet Dieser ist im gesamten System verfuumlgbar Beim Messungsstart synchron gestartete Zaumlhler erlauben daher die spaumltere Synchronisierung aller angefallenen Daten Wie beschrieben ist die Position jeder Achse und damit die Position und Orientierung des Photometers das Ergebnis eines Regelprozesses Somit ist es not-wendig die tatsaumlchliche Position und Orientierung des Photometers aus den gespeicherten Daten der Winkelencoder zu berechnen

In der Robotik ist es uumlblich einen Roboter des

verwendeten Typs wie eine biegesteife mechani-sche Kette mit sogenannten Denavit-Hartenberg-Parametern (DH-Parameter) zu beschreiben [9] Die Tabelle 1 zeigt diese DH-Parameter am Beispiel des Roboters 1

Mit diesen Parametern und den aktuellen Winkeln θi fuumlr jede Achse ist die Berechnung der Position bzw Orientierung der siebten Achse in Basis-Koordinatensystem des Roboters moumlglich Hierzu werden 7 Matrizen nach Gleichung (18) ver-wendet Jede Matrize beschreibt die Position (blau) und Orientierung (gruumln) jeder einzelnen Achse

Die PositionierungOrientierung der Achse 7 ergibt sich aus dem Vektorprodukt T1 T2 T3 T4 T5 T6 T7

Um jedoch die Koordinaten in Bezug auf das Koordinatensystem der fiktiven Kugel zu erhalten muumlssen 2 weitere aumlhnliche Matrizen verwendet werden Die sogenannte Base Frame Matrix F beschreibt die Positionierung und Orientierung des Roboter-Koordinatensystems zum Koor-dinatensystem der fiktiven Kugel waumlhrend die Matrix W die Positionierung und Orientierung des Photometers zur Achse 7 beschreibt Nun laumlsst sich die Position und Orientierung des Photome-ters P im Koordinatensystem der fiktiven Kugel mit Gleichung (19) beschreiben

P = F T1 T2 T3 T4 T5 T6 T7 W (19)

axisi Δθi offset to rotation around Z-axis

αi rotation around X-axis

di

translation in Z-axis

αi

translation in X-axis

1 ndash1438deg 45024deg 0000 mm ndash0400 mm

2 191088deg ndash90026deg 2686322 mm 0696 mm

3 178585deg 89996deg 274088 mm 0781 mm

4 6229deg ndash90022deg 1410499 mm 0474 mm

5 ndash0141deg ndash89955deg 173036 mm ndash0779 mm

6 ndash0924deg 90032deg 1191007 mm 0223 mm

7 180443deg 90007deg 91130 mm 0000 mm

Tabelle 1 DH-Parameter von Roboter 1

T

a

i

i i i i i i i i i i i

=

+( ) minus +( ) +( ) +cos sin cos sin sin cos∆ ∆ ∆ ∆θ θ θ θ α θ θ α θ θ(( )+( ) +( ) minus +( ) +sin cos cos cos sin sin∆ ∆ ∆ ∆θ θ θ θ α θ θ α θ θi i i i i i i i i i ia (( )

00 0 0 1

sin cosα αi i id

(18)

26

PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4Das Jahr des Lichtes

Bild 9 zeigt die Achsenkoordinatensysteme (17) das Base-Frame-Koordinatensystem und das Koordinatensystem des Photometers zur Achse 7 in schematischer Weise Das Koordinatensys-tem der fiktiven Kugel faumlllt mit dem Zentrum des Goniophotometers zusammen und wird mit Center bezeichnet P ist jetzt auf dieses Center-Koordinatensystem bezogen Zusaumltzlich ist eine typische Bahn eingezeichnet Wegen des aller-dings nicht dargestellten Lampenhalters ist diese Bahn im oberen Bereich verdichtet um eine Kollision mit dem Lampenhalter zu vermeiden Wie bereits erwaumlhnt setzt die Verwendung von Gleichung (19) einen biegesteifen Roboter voraus der in der Praxis nicht existiert P ist also von statischen Gewichtskraumlften des Roboters dyna-mischen Kraumlften infolge der Bewegung als auch von thermischen Laumlngenaumlnderungen uumlberlagert Daher muss Gleichung (19) um eine entspre-chende Korrektur C erweitert werden Glei-chung (20) zeigt nun das endguumlltige Modell zur Bestimmung von P

wobei C

t tT Rθ θ

θ θ1 7

1 7 dd

dd amb

diese finale Korrektur basierend auf den Winkeln θ1θ7 aller Achsen ihren zeitlichen Ableitungen

dd

dd

θ θ1 7

t t

und der Umgebungstemperatur Tamb beschreibt

Der letzte Parameter R steht fuumlr einen groszligen Datensatz und beschreibt Eigenschaften des Roboters wie Abmessungen Teilmassen usw Die Berechnung von C() ist aufwendig und wurde vom Hersteller des Roboters ausgefuumlhrt Aus Gruumlnden des Wettbewerbs muss diese Berechnung vertrau-lich behandelt werden und kann daher hier nicht veroumlffentlicht werden Jedoch kann die Wirkung von C() beispielhaft auf den Messradius mitgeteilt werden (siehe Bild 10)

Die noumltige Radiuskorrektur rcorr bewegt sich im Bereich ndash2 mm lt rcorr lt 3 mm je nach Position (θ φ) des Photometers Der Aumlquatorbereich benouml-tigt eine groumlszligere Korrektur infolge hier wirksamer groumlszligerer Zentrifugalkraumlfte als die Polregion Der Radius selbst laumlsst sich dann aus der Positionssub-matrix von P bestimmen

Der Signalfluss stimmt im Wesentlichen mit dem wie in Bild 5 gezeigt uumlberein Prinzipiell kann der Lichtstrom mit den Gleichungen (11) und (10) berechnet werden da aber nun 2 Photometer benutzt werden muss dies fuumlr jede Hemisphaumlre also fuumlr jeden Roboter separat geschehen Die Gleichungen (21) und (22) demonstrieren das

Bild 9 Koordinatensystem des Roboter-Gonio-photometers und Beispielbahn

P Ct t

T R F T T T T T T=

sdot sdot sdot sdot sdot sdot sdot sdotθ θ

θ θ1 7

1 71 2 3 4 5 6

dd

dd amb TT W7 sdot

(20)

27

PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4 Kurze Geschichte der Goniophotometrie in der PTB

fuumlr Roboter 1 Der Radius r1i befindet sich dabei innerhalb der Summation von Gleichung (22) Das Roboter-Goniophotometer ist zusaumltzlich mit einem Monitorphotometer ausgeruumlstet Dieses Photometer wird waumlhrend der Messung nicht bewegt ist aber staumlndig von einem fixen Punkt aus auf die zu untersuchende Lampe gerichtet und erlaubt somit die Korrektur einer moumlglichen Alterung der Lampe waumlhrend des Messprozesses als Funktion der Zeit (cmon(t1i))

Es w R

fyt

fi jj

ni j

i j1

1 1 11

1

1

11 0

12

1

=

( )sdot minus

=sumπ

ϕf g

q∆∆

∆

(21)

Φ1 1 1 12

1 1 1 12= sdot sdot sdot sdot ( ) sdot minus( )+c c r c ti i i ii

str spec mon cos cosπ ϑ ϑ==

minus

sum sdot0

1

1

1m

iE

(22)

Roboter 2 wird in gleicher Weise behandelt und der Lichtstrom ergibt sich somit aus der Summe von Φ1 und Φ2 korrigiert mit dem elektrischen Korrekturfaktor celec aus Gleichung (15)

Φ Φ Φ= sdot +( )celec 1 2 (23)

Die Bestimmung der Streulichtkorrektur cstr unter-scheidet sich methodisch von jener des Kardan-Goniophotometers Es ist schwierig Blenden zwischen Photometer und Lampe zu positionieren wie in [5] beschrieben Hier wird die Streulicht-korrektur cstr direkt aus der Leuchtdichteverteilung auf den Waumlnden des Messraums bestimmt Mit der Kenntnis der geometrischen und photometrischen Eigenschaften des Raumes der raumlumlichen Licht-staumlrkeverteilung der Lampe und dem verwendeten Streulichttubus vor dem Photometer lieszlige sich die Streulichtkorrektur cstr berechnen Hier jedoch wird diese Korrektur mit sogenannten Back-Loo-king-Photometern bestimmt [11]

Bild 11 zeigt ein Foto der bdquoRoboterhandldquo mit mon-tiertem Photometer und Back-Looking-Photometer Letzteres ist ein wenig schraumlg ausgerichtet um nicht im Bereich des Schattenwurfs des Photome-ters auf den Waumlnden zu messen

Bild 12 zeigt beispielhaft eine typische in finite Flaumlchenelemente gerasterte Streulichtsituation im Goniophotometermessraum wie sie durch die zu untersuchende Lichtquelle generiert wird Dieses Beispiel arbeitet mit finiten Flaumlchen der Groumlszlige 05 m middot 05 m um die Flaumlchen sichtbar zu machen Zur realen Berechnung werden Flaumlchen der Groumlszlige 01 m middot 01 m verwendet Natuumlrlich ist der Streulichtanteil auf der aktiven Flaumlche des

Bild 10Wirkung der Radiuskorrektur

Bild 11 Photometer (links) und Back-Looking-Photometer (rechts)

Bild 12 Wirkung des Streulichts und seine Bestimmung

28

PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4Das Jahr des Lichtes

Photometers eine Funktion des Gesichtsfeldes des jeweils verwendeten Streulichttubus vor dem Photometer Derzeit werden 2 Tuben je nach Groumlszlige der Lichtquelle mit Oumlffnungswinkeln von ca 15deg und ca 225deg verwendet Ihre typischen Korrekturwerte betragen etwa 09995 und 09990 Da jeder Messroboter mit diesem Back-Looking-Photometer ausgeruumlstet ist kann so der Streulicht-anteil fuumlr jedes Photometer bestimmt werden Da die Back-Looking-Photometer bdquoruumlckwaumlrtsldquo gerichtet sind wird also jeweils die Streulichtkorrektur fuumlr den gegenuumlberliegenden Messroboter bestimmt Damit ist es moumlglich den Wert des Lichtstroms mit zugehoumlriger Messunsicherheit zu bestimmen Tabelle 2 illustriert Ergebnisse einer vereinfachten Monte-Carlo-Simulation (MC) am Beispiel einer OSRAM-Wi4-Lichtstrom-Normallampe Ihre Lichtstaumlrkeverteilung ist in Bild 13 wiedergegeben

Die MC basiert auf den folgenden Gleichun-gen (24) Werte der wichtigsten Beitraumlge zur Mes-sunsicherheit koumlnnen der Tabelle 2 entnommen werden Eine detailliertere Beschreibung der Roboter und Analyse der Messunsicherheit kann [12] entnom-men werden

Bild 13 Raumlumliche Lichtstaumlrkeverteilung einer OSRAM-Wi4-Lichtstrom-Normallampe

Quantity Symbol Value Uncertainty Unit Sensitivity Contribution lm Relative contribution

Luminous responsivity 1 s1 3065E-10 9195E-13 A lxndash1 188E+12 173 000150

Luminous responsivity 2 s2 4111E-10 12333E-12 A lxndash1 143E+12 177 000153

Spectral matching exponent 1 m2 y 0021 0015 1 20 030 000026

Spectral matching exponent 2 m2 y 0036 0015 1 18 027 000023

CCT or distribution temperature T 2762 10 K 0012 012 000011

Uncertainty in r Δr 0000 00020 m 901 180 000156

Calibration factor for frequency F cFH 1000 00005 1 1141 057 000049

Calibration factor for frequency ƒ cFD 1000 00050 1 104 005 000005

Voltage to frequency converter 1 w1 f 500849 25 Hz Vndash1 0012 031 000027

Voltage to frequency converter 2 w2 f 500561 25 Hz Vndash1 00118 029 000026

Amplification gain 1 R1 g 1000E+09 99996 Ω 6223E-07 006 000005

Amplification gain 2 R2 g 9997E+08 99966 Ω 5430E-07 005 000005

Calibration factor for cmon ccm 1000 00005 1 1162 058 000050

Correction factor for stray light cstr 09995 00005 1 1134 057 000049

Luminous flux Φ 11541 327 00028

Tabelle 2 Unsicherheitsbudget

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PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4 Kurze Geschichte der Goniophotometrie in der PTB

Somit ergibt sich zurzeit eine erweiterte Mess-unsichert von 056 fuumlr k = 2 Dies entspricht etwa der Messunsicherheit welche mit dem groszligen Kardan-Goniophotometer erreichbar war Im Unterschied zum Kardan-Goniophotometer (fester Messradius) verfuumlgt das Roboter-Goniophotometer jedoch uumlber die noumltige hohe Flexibilitaumlt (z B durch Variation des Messradius) die noumltig ist um kuumlnftige Anforderungen erfuumlllen zu koumlnnen Eben diese hohe Flexibilitaumlt fuumlhrt bei der Bestimmung des Messradius zu relativ groszligen Messunsicherheiten Hier koumlnnte die Verwendung einer Lookup-Table oder eine On-Line-Verfolgung mittels Tracer-Syste-men der Bahnen diese Unsicherheit verkleinernMittlerweile ist das Roboter-Goniophotometer voll-staumlndig charakterisiert und wird fuumlr beleuchtungs-staumlrkebasierte Lichtstromkalibrierungen und auch fuumlr internationale Vergleiche eingesetzt Damit werden auch die Anforderungen (15ndash17) erfuumllltIm naumlchsten Schritt wird das Roboter-Goniopho-tometer mit Leuchtdichtemesskameras ausgeruumlstet

werden um es als bdquoNahfeld-Goniophotometerrdquo einzusetzen Es wird dann die direkte Messung der Leuchtdichteverteilung erlauben aus welcher nahezu alle noumltigen photometrischen Groumlszligen abgeleitet werden koumlnnen Dieser kuumlnftige Schritt wird dann auch den letzten Punkt (18) der Anfor-derungen erfuumlllen

3 Zusammenfassung

Die Geschichte der Goniophotometrie in der PTB uumlber einen Zeitraum von mehr als 50 Jahren wird praumlsentiert Verschiedene Goniophotometer ange-fangen vom manuell bewegten Einarm-Goniopho-tometer mit visuellem Photometer uumlber das groszlige und kleine Kardan-Goniophotometer bis hin zum bdquoState-of-the-art-Roboter-Goniophotometerldquo fuumlr das 21 Jahrhundert werden beschrieben Das Letztere hat das Potenzial in der traditionellen Betriebsart aber auch im Nahfeldmodus uumlber viele Jahre eingesetzt zu werden Neu aufkommende

Quantity Symbol Value Uncertainty Unit Sensitivity Contribution lm Relative contribution

Luminous responsivity 1 s1 3065E-10 9195E-13 A lxndash1 188E+12 173 000150

Luminous responsivity 2 s2 4111E-10 12333E-12 A lxndash1 143E+12 177 000153

Spectral matching exponent 1 m2 y 0021 0015 1 20 030 000026

Spectral matching exponent 2 m2 y 0036 0015 1 18 027 000023

CCT or distribution temperature T 2762 10 K 0012 012 000011

Uncertainty in r Δr 0000 00020 m 901 180 000156

Calibration factor for frequency F cFH 1000 00005 1 1141 057 000049

Calibration factor for frequency ƒ cFD 1000 00050 1 104 005 000005

Voltage to frequency converter 1 w1 f 500849 25 Hz Vndash1 0012 031 000027

Voltage to frequency converter 2 w2 f 500561 25 Hz Vndash1 00118 029 000026

Amplification gain 1 R1 g 1000E+09 99996 Ω 6223E-07 006 000005

Amplification gain 2 R2 g 9997E+08 99966 Ω 5430E-07 005 000005

Calibration factor for cmon ccm 1000 00005 1 1162 058 000050

Correction factor for stray light cstr 09995 00005 1 1134 057 000049

Luminous flux Φ 11541 327 00028

Φ = sdot

sdot

+ sdot sdotminus

c JJ

TT

r r c c tm

m

i i

y

strA

cm monj

0

12

1

1

( ) ∆ (( )sdot minus( ) sdotsdot sdot minus

+=

minus=sumsum

cos cosFH FD

ϑ ϑ

ϕ

1 1 10

1 11

11

1

i ii

m jj

n

i jc F c∆ sdotsdot( )sdot sdot

+

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f

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2 0

2 2 2

( )sdot sdot

f g

(24)

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PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4Das Jahr des Lichtes

Anforderungen fuumlr die Ruumlckfuumlhrung photome-trischer Einheiten wie beispielsweise im Solid-State-Lighting-Bereich koumlnnen so erfuumlllt werden

Literatur

[1] Y Ohno 1995 Realization of NIST Luminous Flux Scale Using an Integrating Sphere with an External Source CIE Proceedings 23rd Session New Delhi

[2] R Sewig 1938 Handbuch der Lichttechnik Band 1 pp 319 321 Berlin Springer Verlag

[3] D Foumlrste 1966 Zur Lichtstrommessung an Lam-pen mit ungleichmaumlszligiger Lichtverteilung PTB-Mitteilungen 166 pp 18ndash20 Braunschweig PTB

[4] D Foumlrste 1979 Ein Goniophotometer zur genauen Bestimmung des Lichtstroms Licht-Forschung 1 Jahrgang 379 pp 30ndash36 Heidelberg Huumlthig Verlag

[5] D Foumlrste 1980 Elimination des Fremdlichts bei der Lichtstrombestimmung mit dem Gonio-photometer Licht-Forschung 2 Jahrgang 180 pp 27ndash29 Heidelberg Huumlthig Verlag

[6] W Erb 1997 PTB Network for realization and maintenance of the candela Metrologia 3497 pp 115ndash124 Bristol UK

[7] G Sauter 1996 Kalibrierung von Lichtstaumlrke-Normallampen und Angabe der Messunsicherheit PTB interner Bericht Braunschweig PTB

[8] G Sauter 1996 Goniophotometry new calibra-tion method and instrument design Metrologia 32 (199596) pp 685ndash688 Bristol UK

[9] httpenwikipediaorgwikiDenavit-Hartenberg_Parameters (letzter Aufruf 03122015)

[10] M Lindemann 2009 Photometry and Colori-metry of Reference LEDs by Using a Compact Goniophotometer MAPAN ndash Journal of Metro-logy Society of India Vol 24 No 3 pp 143ndash152 New Delhi India

[11] G Bizjak 2009 Determination of Stray Light at the PTB Goniophotometer Facility MAPAN ndash Jour-nal of Metrology Society of India Vol 24 No 3 pp 163ndash173 New Delhi India

[12] M Lindemann et al 2015 Robot goniopho-tometry at PTB Metrologia 52 pp 167ndash194 Bristol UK

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PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4Das Jahr des Lichtes

1 Eine einleitende Beschreibung von Gluumlhlampen LEDs und OLEDs

Der Einsatz Licht Emittierender Dioden (LED) in der Allgemeinbeleuchtung hat in den vergangenen Jahren erheblich zugenommen Ein entscheiden-der Vorteil der LED gegenuumlber der traditionellen Gluumlhlampe liegt in ihrer uumlberlegenen Lichtaus-beute ηv ndash dem Verhaumlltnis des emittierten Licht-stroms Φv und der aufgenommenen elektrischen Leistung Pel angegeben in LumenWatt

Dieser Vorteil beruht auf den Unterschieden der zugrunde liegenden Technologien der Lichterzeu-gung beider Lampentypen Bei einer (Halogen-)Gluumlhlampe wird der Gluumlhfaden durch elektrischen Strom auf Temperaturen um 3000 K aufgeheizt Obwohl hierbei fast die gesamte elektrische Leis-tung in Strahlung umgewandelt wird ndash Verluste durch thermische Konvektion oder Waumlrmeleitung sind gering ndash kann das menschliche Auge lediglich einen geringen spektralen Anteil der ungefaumlhr 5 der Gesamtstrahlungsleistung ausmacht wahr-nehmen Der Groszligteil der Strahlungsleistung liegt im infraroten Spektralbereich und kann nicht fuumlr Beleuchtungszwecke genutzt werden In Bild 1 ist die spektrale Verteilung einer Gluumlhlampe bei einer Temperatur von 2856 K im Spektralbereich

von 300 nm bis 1200 nm dargestellt Das sichtbare Licht im Spektralbereich zwischen 360 nm und 830 nm ist mit den entsprechenden Spektralfarben hinterlegt Oberhalb 830 nm beginnt der fuumlr das menschliche Auge unsichtbare infrarote Anteil der Strahlung

Der fuumlr photometrische Messungen normativ festgelegte spektrale Hellempfindlichkeitsgrad V(λ) also die Hellempfindlichkeit des Auges eines bdquoNormalbeobachtersldquo ist mit seinem Maximum bei 555 nm schwarz eingezeichnet

Da die Gluumlhlampe eine thermische Strahlungs-quelle ist verschiebt sich mit zunehmender Tem-peratur die Lage des Strahlungsmaximums ent-sprechend des Wienschen Verschiebungsgesetzes zu kuumlrzeren Wellenlaumlngen Um die Lichtausbeute von Gluumlhlampen zu erhoumlhen muumlsste man das Strah-lungsmaximum durch Temperaturerhoumlhung in den kurzwelligeren Bereich des sichtbaren Lichts verschieben Die Maximaltemperatur ist jedoch bei Gluumlhfaumlden aus Wolfram auf etwa 3000 K begrenzt ndash bei houmlheren Temperaturen nimmt die Lebensdauer drastisch ab

Das Funktionsprinzip einer LED-Lichtquelle basiert auf dem Phaumlnomen der Elektrolumines-zenz Der prinzipielle Aufbau einer LED aumlhnelt einer pn-Halbleiterdiode Durch Anlegen einer Gleichspannung rekombinieren Ladungstraumlger in der p-n-Grenzschicht der Leuchtdiode unter Emission von Strahlung Durch gezielte Auswahl der verwendeten Halbleitermaterialien und ihrer Dotierung wird deren Bandluumlcke und somit die Farbe des emittierten Lichtes bestimmt Im Jahr 1992 gelang der Durchbruch in der Entwicklung hocheffizienter blauer LEDs die den Einsatz von LEDs zur Allgemeinbeleuchtung erst ermoumlgli-chen Die zugrunde liegenden Forschungsarbei-ten wurden 2014 mit dem Nobelpreis fuumlr Physik gewuumlrdigt [1]

Eine schmalbandige Lichtemission ist charak-teristisch fuumlr LEDs Dementsprechend verfuumlgt ihr Licht uumlber eine hohe Farbsaumlttigung Durch die Bedeckung des LED-Chips mit breitbandig pho-tolumineszierenden Farbstoffen wird ein Teil der Strahlung in energieaumlrmeres langwelligeres Licht konvertiert und es entstehen Mischfarben wie

Metrologie fuumlr moderne Lichtquellen LEDs und OLEDs Thorsten Gerloff

Thorsten Gerloff Arbeitsgruppe bdquoPhotometrieldquo EshyMail thorstengerloffptbde

Bild 1 Spektrale Verteilung einer Gluumlhlampe und spektraler Hellempfindlichkeitsgrad (V(λ)-Funktion)

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PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4 Metrologie fuumlr moderne Lichtquellen

i Infokasten LED

Lichtausbeute einer Strahlungsquelle ηv

Die Lichtausbeute einer Strahlungsquelle gibt das Verhaumlltnis aus ausgestrahltem Lichtstrom und aufgenommener elektrischer Leistung an Die Einheit ist LumenWatt (lmW) Je houmlher die Lichtausbeute ist umso energieeffizienter ist die Beleuchtung Gluumlhlampen besitzen Lichtausbeuten zwischen 10 und 20 lmW

Lichtstrom Φv

Der Lichtstrom beruumlcksichtigt den Hellempfind-lichkeitsgrad V(λ) des Auges und gibt die in alle Raumrichtungen abgegebene bdquoLichtleistungldquo einer Lampe an Der Lichtstrom enthaumllt keine Information daruumlber wie die Lampe das Licht im Raum verteilt Der Lichtstrom gibt an wie hell ein beleuchteter Raum dem Menschen erscheint

Spektraler Hellempfindlichkeitsgrad V(λ)

Der exakt definierte spektrale Hellempfindlich-keitsgrad V(λ) ist eine Bewertungsfunktion fuumlr elektromagnetische Strahlung Hiermit wird der bdquoHelligkeitseindruck eines menschlichen Durch-schnittsaugesldquo berechnet Dies ermoumlglicht den objektiven Vergleich von Lichtquellen mit physika-lischen Messmethoden Subjektive Wahrnehmun-gen einzelner Menschen koumlnnen damit nicht exakt wiedergegeben werden

Aumlhnlichste Farbtemperatur TN

Es gibt unterschiedliche Farbtemperaturen in der Photometrie Verhaumlltnis- und Verteilungstem-peratur sind nur bei thermischen Strahlern wie der Gluumlhlampe anwendbar Nur die aumlhnlichste Farbtemperatur (englisch Correlated Colour Temperature CCT) laumlsst sich fuumlr Lichtquellen mit beliebiger spektraler Zusammensetzung berech-nen sofern die Normfarbwertanteile aumlhnlich einem thermischen Strahler sind Die aumlhnlichste Farbtemperatur wird in der Einheit Kelvin (K) angegeben Sie gibt an ob das Licht warmweiszlig (ca 3000 K) neutralweiszlig (ca 4500 K) oder tages-lichtweiszlig (gt5500 K) erscheint

Normfarbwertanteile (x y)

Fuumlr die Angabe von Farbe gibt es neben dem spek-tralen Hellempfindlichkeitsgrad V(λ)noch weitere definierte Bewertungsfunktionen Hiermit laumlsst sich die Farbwahrnehmung eines fiktive Normalbeob-achters aus der gemessenen spektralen Verteilung des Lichts durch Angabe von nur zwei Werten (x und y) angeben Diese Werte geben die Koordi-naten auf der Normfarbtafel (s Abbildung) an

Normfarbtafel

Farbwiedergabeindex Ra

Der Farbwiedergabeindex ist eine Kennzahl fuumlr Lichtquellen der bewertet die Qualitaumlt der Farb-wiedergabe Je houmlher der Wert desto besser ist die Farbwiedergabe Der Maximalwert liegt bei 100 Werte zwischen 90 und 100 geben eine ausgezeich-nete Farbwiedergabe an Werte unter 80 sind fuumlr viele Anwendungen nicht ausreichend

Im Folgenden soll ein kleiner Leitfaden gegeben werden der in allgemeinverstaumlndlicher Form die grundlegenden Ideen wichtiger lichttechnischer Groumlszligen erlaumlutern soll Komplexe Details der zugrunde liegenden Normen und Definitionen werden hierbei nicht beruumlcksichtigt

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PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4Das Jahr des Lichtes

Pastellfarbtoumlne oder auch weiszliges LichtIn Bild 2 sind die spektralen Verteilungen einer

LED mit und ohne Leuchtstoff abgebildet In der linken Abbildung erkennt man die schmalbandige blaue Emission des LED-Chips In der rechten Abbildung wird ein Teil dieser Strahlung durch einen Leuchtstoff in laumlngerwelliges Licht konver-tiert und die Mischfarbe erscheint weiszlig

Der Vorteil einer LED gegenuumlber einer Gluumlh-lampe bezuumlglich der Lichtausbeute ist offensicht-lich Es wird ndash von unvermeidbarer thermischer Verlustleistung abgesehen ndash nur Strahlung im sichtbaren Wellenlaumlngenbereich emittiert Daruumlber hinaus ist die Farbe des Lichts von LEDs durch Kombination verschiedener Leuchtstoffe und LEDs nahezu beliebig einstellbar und man ist nicht auf aumlhnlichste Farbtemperaturen von ca 3000 K wie bei der Gluumlhlampe begrenzt

Allerdings gibt es auch Nachteile gegenuumlber dem Licht einer Gluumlhlampe Dem typischen Spektrum einer LED-Lichtquelle fehlen im Gegensatz zu Sonnenlicht oder Gluumlhlampenlicht einzelne Spekt-ralfarben Dies macht sich negativ bei der Qualitaumlt der Farbwiedergabe bemerkbar

Die Farbe des emittierten Lichts einer LED laumlsst sich durch additive Farbmischung sehr aumlhnlich zu Sonnenlicht oder auch Gluumlhlampenlicht einstellen Wenn jedoch Objekte mit Licht beleuchtet werden kommt es auch auf die spektrale Zusammensetzung des Lichts an Nehmen wir einen Blumenstrauszlig aus roten Rosen der im Tageslicht steht Im Son-nenlicht sind alle Spektralfarben vorhanden und diese beleuchten die Rosen Die roten Bluumltenblaumltter absorbieren einige spektrale Anteile des Lichts und reflektieren im Wesentlichen rotes Licht welches in das Auge des Betrachters faumlllt Wenn die Rosen von einer anderen Lichtquelle beleuchtet werden in der die roten Spektralanteile zumindest teilweise fehlen koumlnnen diese nicht reflektiert werden und die Farben der Rosen erscheinen unnatuumlrlich

Dies ist von weitreichender Bedeutung fuumlr die Wahl einer geeigneten Lichtquelle da wir einen Kompromiss aus Licht mit guter Farbwieder-gabe und hoher Lichtausbeute schlieszligen muumlssen Licht mit hoher Farbwiedergabe setzt sich aus moumlglichst vielen Spektralfarben zusammen und Lichtquellen mit hoher Lichtausbeute sollten nur Spektralfarben beinhalten fuumlr die das menschliche Auge besonders empfindlich ist In den Auszligenbe-zirken vieler Staumldte werden zur Nachtbeleuchtung der Gehwege haumlufig Natriumdampflampen mit orangefarbenem Licht eingesetzt Die Lichtaus-beute dieser Lampen ist mit etwa 150 lmW auszligerordentlich hoch da das menschliche Auge in diesem Spektralbereich sehr empfindlich ist Diese Beleuchtung ist jedoch ungeeignet um Farben natuumlrlich wiederzugeben Aufgrund des Aufbaus des menschlichen Auges ist es also nicht moumlglich eine Beleuchtung mit sehr hoher Qualitaumlt der Farbwiedergabe bei gleichzeitig sehr hoher Lichtausbeute zu realisieren

Weiszlige LEDs zur Allgemeinbeleuchtung nutzen in der Regel Leuchtstoffe die teilweise qualita-tiv hochwertige Farbwiedergabeeigenschaften besitzen Eine weitere Methode zur Erzeugung von weiszligem Licht ist das Mischen von rotem gruumlnem und blauem Licht (RGB-Verfahren) welches die Grundlage jedes Displays ist Hierbei sind neben weiszligem Licht auch andere Lichtfarben moumlglich ndash die Farbwiedergabeeigenschaften sind allerdings schlecht Fuumlr die Endverbraucher sind in der Regel die Farbwiedergabeeigenschaften von Lichtquellen als Ra-Werte auf der Verpackung angegeben

Organische Licht Emittierende Dioden (OLED) sind eine junge Beleuchtungstechnologie die noch keinen Zugang zum Massenmarkt erhalten hat Die weltweit erste kommerzielle OLED-Leuchte wurde 2008 vertrieben Der fuumlr den Nutzer wesentliche Unterschied zwischen OLEDs und LEDs besteht im Aufbau Der leuchtende Kristall

Bild 2 Spektrale Verteilung einer blauen LED (links) und einer weiszligen LED (rechts) bei der ein Teil des blauen Lichts zu gelbem Licht konvertiert wurde

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PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4 Metrologie fuumlr moderne Lichtquellen

anorganischer LEDs besitzt eine maximale Kan-tenlaumlnge von etwa einem Millimeter Bei OLEDs wird das Licht in groszligflaumlchigen amorphen organi-schen Schichten erzeugt Momentan sind OLEDs mit leuchtenden Flaumlchen von bis zu 20 x 20 cmsup2 erhaumlltlich Das Licht wird aumlhnlich wie bei LEDs durch Ladungstraumlgerrekombination unter Auftre-ten von Elektrolumineszenz erzeugt Dabei ist das Emissionsspektrum der verwendeten organischen Emittermaterialien wesentlich breitbandiger als das einer LED (vgl Bild 3) Daher wird das weiszlige Licht von OLEDs in der Regel durch Verwendung von roten gruumlnen und blauen Emittermaterialien erzeugt ohne dass die Farbwiedergabeeigenschaf-ten sehr stark darunter leiden

2 Entwicklung von (O)LED-Transfer-normalen in der PTB

Eine der Kernaufgaben der PTB ist die Weiter-gabe der gesetzlichen Einheiten Bis zum heuti-gen Tage bieten Transfernormale in Form von speziellen Gluumlhlampen die besten Eigenschaften um als Maszligverkoumlrperung der Einheiten Candela oder Lumen zu dienen Da der Anwender in der Regel jedoch die Substitutionsmethode bei seinen Messungen anwendet um notwendige Korrektu-ren auf ein Minimum zu reduzieren (Gleiches mit Gleichem vergleichen) sind auch Transfernormale auf Basis der LED-Technologie von Interesse

Bereits in den 80er-Jahren des vergangenen Jahr-hunderts wurden LEDs in der PTB kalibriert Diese waren fuumlr Beleuchtungszwecke noch ungeeignet und dienten lediglich als Signallampen Zeitgleich wurden die ersten PTB-LED-Transfernormale entwickelt deren optische Eigenschaften durch thermische Regelung des LED-Chips stabilisiert wurden Die mechanische Ausrichtung der LEDs leistet aufgrund des typischerweise stark gerichteten Abstrahlprofils der LEDs einen groszligen Beitrag auf die Messunsicherheit Daher werden die LEDs seit

2002 in ein rotationssymmetrisches robustes VA-Stahl-Gehaumluse eingebaut welches sich sehr repro-duzierbar ausrichten laumlsst (vgl Bild 4)

Diese Transfernormale werden unter Konstant-Strom-Bedingungen und ndash durch gezieltes Aufhei-zen des LED-Chips durch den Heizwiderstand ndash unter Konstant-Spannung-Bedingungen betrieben Aufgrund der halbleitenden Eigenschaften sinkt mit steigender Temperatur die Betriebsspannung und sowohl der Lichtstrom als auch die Peakwellenlaumlnge des emittierten Lichts veraumlndert sich Die Sollspan-nung wird auf einen Wert festgelegt der unterhalb der Gleichgewichtsspannung durch Eigenerwaumlr-mung im Betrieb ohne Heizwiderstand bei einer Umgebungstemperatur von etwa 35 degC liegt Somit ist auch ein Einsatz der Transfernormale in Laboren ohne Klimatisierung moumlglich

Fuumlr LEDs mit houmlheren Leistungen wurde im Jahr 2011 ein weiterer Prototyp eines Transfernormals vorgestellt (vgl Bild 5) Da die hier verwendeten LEDs eine houmlhere Leistungsaufnahme besitzen werden sie waumlrmer Das reduziert die Lebensdauer und Reproduzierbarkeit der photometrischen

Bild 3 Exemplarische spektrale Verteilung einer weiszligen OLED

Bild 4 Temperaturgeregeltes LED-Transfernormal auf Basis von Kleinleistungs-LEDs mit Lichtstroumlmen von bis zu 10 Lumen

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PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4Das Jahr des Lichtes

Groumlszligen deutlich Daher muumlssen sie gekuumlhlt werden Hierfuumlr kommt bei diesen Normalen ein Peltier-Element zum Einsatz welches geregelt Waumlrme in einen dahinterliegenden Kuumlhlkoumlrper leitet und hierdurch das emittierte Licht stabilisiert Diese Transfernormale zeichnen sich durch ein geringes

Gewicht bei einer Laumlnge von ca 100 mm und einem Durchmesser von etwa 20 mm aus Allerdings ist die Verwendung von LEDs mit sehr hohen Leistun-gen nicht moumlglich da die Abwaumlrme lediglich passiv an den Raum abgegeben wird Eine detaillierte Beschreibung der Eigenschaften dieses Transfer-normals wurde 2012 veroumlffentlicht [2]

Fuumlr die thermische Stabilisierung von LEDs mit sehr hohen Leistungen wurde ein weiteres Trans-fernormal unter Einsatz von Peltier-Elementen Heatpipes und aktivem Kuumlhlsystem in der PTB entwickelt (vgl Bild 6)

Im Rahmen des europaumlischen Forschungspro-jekts OLED100eu wurde in der PTB weiterhin das weltweit erste Transfernormal unter Einsatz einer organischen Leuchtdiode entwickelt (vgl Bild 7) Dieses Normal wurde fuumlr den Einsatz in einer Ulbricht-Kugel konzipiert und in ein mattes Aluminiumgehaumluse eingebaut Eine Besonderheit dieses Normals ist die Stand-Alone-Versorgungs-einheit die ohne Rechner o auml saumlmtliche relevan-ten elektrischen und thermischen Groumlszligen regelt und auf einem USB-Stick speichert

3 LED-Messtechnik in der PTB

Neben LED-Transfernormalen mit guter Reprodu-zierbarkeit ist eine hochentwickelte Messtechnik fuumlr deren Kalibrierung mit minimaler Messunsi-cherheit erforderlich

Die photometrische Beschreibung von LEDs erfolgt durch Angabe ihrer Lichtstaumlrke ILED mit der Einheit Candela und ihrem Lichtstrom ΦLED mit der Einheit Lumen Diese Groumlszligen werden in der PTB unter Verwendung ruumlckgefuumlhrter Photometer bestimmt Hierfuumlr wird die Beleuchtungsstaumlrke ELED unter definierten geometrischen Bedingungen fuumlr alle Abstrahlrichtungen der LED mit einem Goniophotometer gemessen

Fuumlr die Bestimmung der colorimetrischen Werte kommen Spektralradiometer zum Einsatz Hiermit werden spektrale Bestrahlungsstaumlrken gemessen und daraus die abgeleiteten colorime-

Bild 5 Temperaturgeregeltes LED-Transfernormal auf Basis von Hochleistungs-LEDs mit Lichtstroumlmen von bis zu 100 Lumen Im rechten Bild ist die Temperaturverteilung in Grad Celsius waumlhrend des Betriebs abgebildet

Bild 6 Temperaturgeregeltes LED-Transfernormal auf Basis von Houmlchstleistungs-LEDs mit Lichtstroumlmen von bis zu 2500 Lumen

Bild 7 Temperaturgeregeltes OLED-Transfernormal auf Basis kommerziell erhaumlltlicher OLEDs

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PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4 Metrologie fuumlr moderne Lichtquellen

trischen Kenngroumlszligen wie z B die Normfarb-wertanteile (x y) bei weiszligen LEDs die aumlhnlichste Farbtemperatur TN mit der Einheit Kelvin und bei farbigen LEDs die dominante Wellenlaumlnge λdom berechnet Grundlegende Informationen und Definitionen uumlber die photometrischen und colorimetrischen Groumlszligen und deren Messung sind in [3] [4] und [5] zu finden

In Bild 8 ist der Aufbau des LED-Messplatzes an der PTB zu sehen Fuumlr die Bestimmung der Mess-groumlszligen in alle raumlumlichen Abstrahlwinkel wird die LED durch ein Goniophotometer bewegt

Die LED wird in horizontaler Betriebslage zentrisch normal zur Referenzebene des Photo-meterkopfes ausgerichtet Ein Translationstisch ermoumlglicht dabei eine Variation des Abstandes d zwischen Photometer und LED Eine horizontale Rotationsachse (φ-Achse) und eine senkrechte Rotationsachse (ϑ-Achse) die sich an der LED-Spitze im rechten Winkel schneiden erlauben durch Drehung der LED eine Bestimmung der Beleuchtungsstaumlrke ELED in alle Raumrichtungen Beide Rotationsachsen werden waumlhrend der Messung zeitgleich bewegt Hierdurch bewegt sich die relative Position der lichtempfindlichen Emp-faumlngeroumlffnung bezuumlglich des Schnittpunkts beider Drehachsen auf der Oberflaumlche einer virtuellen Kugel entlang einer Spiralbahn von bdquoPol zu Polldquo dieser Kugel

Die Bestimmung des Lichtstroms ΦLED erfolgt analog der Beschreibung in dem Kapitel Kurze Geschichte der Goniophotometrie in der PTB Der wesentliche Unterschied zu goniophotome-trischen Messungen an Gluumlhlampen besteht darin dass bei LED-Messungen die Lichtquelle typischerweise bewegt werden kann ohne dass sich ihre optischen Eigenschaften aumlndernAufgrund des stetig wachsenden Bedarfs an ruumlck-gefuumlhrten Kalibrierungen von High-Power-LEDs sind Masse und Abmessungen der Transfernor-male erheblich gestiegen Daher wurde der Mess-platz 2015 um ein weiteres Goniophotometer fuumlr schwere und groszlige Objekte erweitert (vgl Bild 9)

Neben den photometrischen Empfaumlngern befinden sich auch Einkoppeloptiken fuumlr Spekt-ralradiometer auf dem drehbaren Empfaumlngerka-russell Alle Empfaumlnger lassen sich hiermit auto-matisiert waumlhrend einer Messung zu den LEDs ausrichten Vor jeder LED-Kalibrierung werden die Spektralradiometer bezuumlglich Ihrer spektralen Empfindlichkeit und Wellenlaumlnge kalibriert Die entsprechenden Normallampen befinden sich neben dem Empfaumlngerkarussell (vgl Bild 10) und ermoumlglichen so ebenfalls eine automatisierte Messung

Den spektralen Messungen an LEDs kommt neben der Notwendigkeit fuumlr die Bestimmung colorimetrischer Kennzahlen noch eine beson-dere Bedeutung fuumlr die photometrischen Messun-

Bild 9 Goniophotometer fuumlr photometrische Messungen an Hochleistungs-LEDs

Bild 10 Entladungslampen mit verschiedenen Gasfuumlllungen dienen der Wellenlaumlngenka-librierung der Spektrometer Im Hintergrund ist eine Bestrahlungsstaumlrke-Normal-lampe fuumlr die spektrale Empfindlichkeitskalibrierung zu sehen

Bild 8 Goniophotometer fuumlr photometrische Messungen an Kleinleistungs-LEDs

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PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4Das Jahr des Lichtes

gen zu Wie in der Einleitung erklaumlrt unterscheiden sich die spektralen Verteilungen von LEDs und Gluumlhlampen deutlich voneinander Photometerkoumlpfe bestehen in der Regel aus einer Silizium-Photodiode deren spektrale Empfindlichkeit durch den Einsatz von Glasfiltern moumlglichst gut an den Hellemp-findlichkeitsgrad V(λ) angepasst wird Aufgrund internationaler Standardisierung wird die photo-metrische Empfindlichkeit von Photometerkoumlpfen fast ausschlieszliglich fuumlr Normlichtart A kalibriert In der Praxis werden hierfuumlr Gluumlhlampen mit einer Verteilungstemperatur von 2856 K verwendet Wenn man ein solches Photometer fuumlr Messungen an anderen Gluumlhlampen verwendet sind die spektralen Verteilungen meist so aumlhnlich dass nur geringe oder gar vernachlaumlssigbare Korrekturen aufgrund der spektralen Fehlanpassung also der Abweichung der realen spektralen Empfindlichkeit des Photometers von dem Hellempfindlichkeitsgrad notwendig sind Wenn man ein solches Photometer jedoch bei LEDs insbesondere farbigen LEDs einsetzt koumlnnen die Abweichungen aufgrund der spektralen Fehlan-passung sehr groszlig werden (gt10 fuumlr hochwertige Photometerkoumlpfe sind moumlglich)

Mit Kenntnis der relativen spektralen Verteilung der Leuchtdiode SLED(λ) und der relativen spekt-ralen Empfindlichkeit srel(λ) laumlsst sich die spektrale Fehlanpassung durch folgenden Korrekturfaktor cSpek korrigieren

cV S

s S

V P T

sSpek

LED

rel LED

A

rel

d

d

d=

( ) ( )( ) ( )

( ) ( )( )

intint

intλ λ λ

λ λ λ

λ λ λ

λ

intint ( )P Tλ λ A d

P(λ TA) beschreibt Lichtart A durch das Planck-sche Strahlungsgesetz fuumlr TA = 2856 K

Eine detaillierte Auflistung und Diskussion aller zu beruumlcksichtigenden Details bei Kalibrierungen von LEDs und das dazugehoumlrige Messunsicher-heitsbudget soll an dieser Stelle nicht gegeben werden Interessierte Leser koumlnnen hierfuumlr Infor-mationen in einer fruumlheren Veroumlffentlichung [6] oder in den Ergebnissen eines internationalen Vergleichs von LED-Messungen [7] finden

Fazit und Ausblick

Der Verzicht auf LEDs ist fuumlr Beleuchtungsan-wendungen nicht mehr vorstellbar Durch ihre kontinuierliche Weiterentwicklung erobern LEDs immer weitere Anwendungsfelder (z B Haus-halts- Straszligen- und Automobilbeleuchtung) mit denen der Endkunde in Kontakt kommt Bei diesen Anwendungen sind die Anforderungen an die Lichtquellen vielfaumlltig und fuumlr eine quantitative Beschreibung ihrer Eigenschaften muss auch die Messtechnik entsprechend umfassend und ausge-reift sein

Neben dem allgemeinen Forschungs- und Ent-wicklungsbedarf fuumlr bessere LED-Messverfahren und -geraumlte die die Grundlage ihrer technologi-schen Weiterentwicklung bilden gibt es eine weitere Herausforderung Aufgrund der nahezu unbe-grenzten Moumlglichkeiten eine bestimmte Lichtfarbe durch additive Farbmischung zu erhalten sind LEDs verschiedener Hersteller mit unterschiedlichen Emissionsspektren aber einer nominell gleichen aumlhnlichsten Farbtemperatur erhaumlltlich Dennoch ist teilweise ein Unterschied der Lichtfarbe mit bloszligem Auge erkennbar wenn sich unterschiedliche LEDs nebeneinander befinden

Es ist ungewoumlhnlich dass man ohne technische Hilfsmittel nominell gleiche Lichtfarben faktisch unterscheiden kann Um die Charakterisierung von LEDs soweit zu verbessern dass dies nicht mehr moumlglich ist ist einerseits eine Reduzierung der Messunsicherheit bei der Bestimmung der Normfarbwertanteile (Lichtfarbe) notwendig Andererseits muss man sich bewusst machen dass photometrische und colorimetrische Messverfahren auf rein physikalischen Zusammenhaumlngen basieren Individuelle menschliche Wahrnehmung und Sehen werden bei photometrischen Messungen nicht beruumlcksichtigt ndash diese werden durch Festlegung von exakt definierten Wichtungsfunktionen wie dem Hellempfindlichkeitsgrad fuumlr einen fiktiven Normalbeobachter ausgegrenzt Diese Wichtungs-funktionen koumlnnen gegebenenfalls auch noch optimiert werden um die objektive Beurteilung von Lichtquellen mit physikalischen Messmethoden zu verbessern Somit gibt es auch in Zukunft noch interdisziplinaumlre Herausforderungen fuumlr die Metro-logie moderner Lichtquellen

Literatur

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Effektpigmente hellipPTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4

Einleitung

Farbe ist fuumlr Menschen die wohl auffaumllligste sub-jektive Stoffeigenschaft Bereits den Fruumlhmenschen war diese visuelle Qualitaumlt bekannt deren Wahr-nehmung allen Primaten eigen ist So wurde 2008 in Suumldafrika eine ca 100000 Jahre alte steinzeitli-che bdquoMalerwerkstattldquo entdeckt [1] Auch heutzu-tage spielt Farbe in der Gestaltung unserer Umwelt eine wichtige Rolle Jedes Jahr praumlsentiert uns die Mode die neuen Farben der Saison Farben dienen zur Regelung des Verkehrs Ohne bunte Farben waumlre unsere Welt trist und oumlde

Es ist wichtig festzustellen dass Farbe ein physiologischer Sinneseindruck ist wie z B auch Tasten oder Riechen D h Farbe ist keine immanente physikalische Eigenschaft eines Gegenstandes wie z B seine Masse oder Waumlrme-leitfaumlhigkeit Die physiologische Wahrnehmungs-kette ist hierbei folgende Das vom betrachteten Gegenstand reflektierte Licht trifft auf das Auge und loumlst hierbei einen Farbreiz aus Dieser Farbreiz beruht auf der spektralen Zusammensetzung des empfangenen Lichts d h er ist abhaumlngig von der verwendeten Lichtquelle und dem spektralen Reflexionsvermoumlgen des betrachteten Objektes Die Anregung der licht- und farbempfindlichen Zellen in der Netzhaut fuumlhrt zu einer Farbvalenz die uumlber den Sehnerv an das Gehirn weitergeleitet wird Die eigentliche Farbempfindung die wir dann mit einem Gegenstand verknuumlpfen entsteht erst im Gehirn [2] Liegt z B eine Farbfehlsich-tigkeit vor so kann der Farbeindruck des betrof-fenen Menschen auch ein ganz anderer sein Auch viele Tiere mit ihren teilweise erheblich abweichenden visuellen Systemen nehmen Farbe ganz unterschiedlich als wir Menschen wahr Im Folgenden soll mit Farbe immer die Koumlrperfarbe auch Gegenstandsfarbe Objektfarbe bzw Oberflauml-chenfarbe genannt einer nicht selbstleuchtenden Flaumlche bezeichnet werden die durch Reflexion von Licht an einem Koumlrper entsteht

Die genannten Zusammenhaumlnge machen die mathematisch-physikalische Beschreibung von Farbe schwierig und aufwendig da auch die spe-zifischen Eigenarten der menschlichen Wahrneh-

mungskette nachgestellt werden muumlssen Diesem Umstand wird versucht uumlber die verschiedenen Farbmaszligsysteme Rechnung zu tragen welche die Farbe eines Objektes mithilfe von quantifizierba-ren Zahlenwerten kennzeichnen [3]

Generell koumlnnen farbige Flaumlchen je nach Tageszeit und Lichteinfall sehr unterschiedlich wirken Die Aumlnderungen basieren hierbei auf der unterschiedlichen spektralen Zusammenset-zung des Tageslichts und den winkelabhaumlngigen Glanz- und Struktureigenschaften von Oberflauml-chen Ganz besonders deutlich ist dies bei auf dem Interferenzeffekt basierenden Effektpigmenten der Fall Deren visuelles Erscheinungsbild im englischen mit Visual Appearance bezeichnet kann sich bei variierendem Beobachtungswinkel und unterschiedlichen Lichtverhaumlltnissen komplett veraumlndern Man spricht hierbei von sogenannten Flop-Lacken wobei man zwischen Hell-Dunkel-Flop und Farb-Flop unterscheiden kann [4]

Generell kann man sagen dass Farbe und visuelle Effekte einen entscheidenden Anteil am Verkaufserfolg eines Produktes haben denn Farben wecken Emotionen und verschiedene Neuro marketingstudien belegen dass ca 95 aller Kaufentscheidungen emotional gepraumlgt sind [5] Deshalb spielt eine moderne Farbgestaltung unter Nutzung aktueller Effektpigmente im Pro-duktdesign eine entscheidende Rolle denn durch den Einsatz solcher Pigmente kann Gegenstaumlnden eine houmlhere Attraktivitaumlt verliehen werden Daher findet man moderne Effektpigmente heutzutage in vielen teilweise sehr unterschiedlichen Indus-trieprodukten wie z B in Autolackierungen Haumluserfassaden Kosmetikartikeln oder sogar bei Pralineacutes wie dies in Bild 1 zu sehen ist

Pigmente

Als Pigmente aus dem Lateinischen kommend von pigmentum fuumlr bdquoFaumlrbestoff Schminkeldquo bezeichnet man aus Teilchen bestehende im Anwendungs-medium praktisch unloumlsliche Sub stanzen die als Farbmittel oder wegen anderer spezieller physika-lischer und chemischer Eigenschaften als funktio-nale Farbzentren verwendet werden [6]

Effektpigmente Eine Herausforderung fuumlr die optische Messtechnik

Egbert Buhr Alfred Schirmacher Andreas Houmlpe

Dr Egbert Buhr Fachbereich bdquoBildshy und Wellenoptikldquo EshyMail egbertbuhrptbde

Dr Alfred Schirmacher Arbeitsshygruppe bdquoReflexion und Transmissionldquo EshyMail alfredschirmacherptbde

Dr Andreas Houmlpe dagger ehemals Arbeitsgrupshype bdquoReflexion und Transmissionldquo

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PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4Das Jahr des Lichtes

In der Natur vorkommende anorganische Pig-mente sind schon seit praumlhistorischen Zeiten bekannt Schon die Menschen der Steinzeit benutzen mineralische Pigmente fuumlr die ersten Houmlhlenzeichnungen Sie erkannten dass sie mit unterschiedlichen Erdsorten farbig malen konnten Eisenoxidhaltige Erden liefern gelbrote bis braunrote Kalk und Gips weiszlige Mangan-oxide sowie Holz- und Knochenkohle schwarze Farbtoumlne

Aus heutiger industrieller Sicht ist ein Pigment ein fein aufgeteilter und unloumlslicher Feststoff mit der Hauptfunktion das Erscheinungsbild des verwendeten Mediums zu verbessern oder es zu faumlrben Pigmente werden dem Medium immer durch physikalisches Mischen beigegeben dies unterscheidet sie von Farbstoffen die in ihrem Medium loumlslich sind

Pigmente koumlnnen nach den optischen Prin-zipien ihrer Wechselwirkung mit Licht unter-schieden und in verschiedene Klassen eingeteilt werden Wichtige Pigmentklassen sind Weiszlig- Bunt- Schwarz- und Effektpigmente die alle wegen ihrer speziellen farbgebenden Eigenschaf-ten eingesetzt werden Bei den Effektpigmenten

kann in einer ersten vereinfachten Einteilung noch zwischen Metalleffekt- und den sogenannten speziellen Effektpigmenten unterschieden werden

Der Begriff bdquospezielle Effektpigmenteldquo umfasst die Gruppen der Perlglanzpigmente und der all-gemeinen Interferenzpigmente welche insbeson-dere bei aktuellen Pigmententwicklungen nicht scharf abgegrenzt werden koumlnnen Perlglanzpig-mente sind Effektpigmente die aus transparenten Plaumlttchen mit hohem Brechungsindex bestehen Sie erzeugen durch die spezielle Form der Mehr-fachreflexion des transmittierten Lichts an mehre-ren Pigmenten einen perlenaumlhnlichen Effekt bei dem die auftreffende Strahlung verteilt reflektiert wird wodurch der Eindruck einer mit der Tiefe abnehmenden diffusen Helligkeit entsteht Fuumlr das Auge ergibt sich so eine scheinbar dreidimen-sionale Glanzcharakteristik die aus der Tiefe des Objektes zu kommen scheint Interferenzpigmente dagegen sind Effektpigmente deren farbgebende Wirkung ganz oder vorwiegend auf dem Effekt der Vielstrahlinterferenz von Licht an duumlnnen hoch-brechenden Schichten beruht Interferenzpigmente koumlnnen dabei sowohl auf transparenten oder auch nichttransparenten Plaumlttchen basieren

Bild 1 a) Roadster mit ChromaFlairreg-Effektpigmentlackierung b) Verwaltungsgebaumlude in Braunschweig verkleidet mit Alucobondreg-spectra-colours-Verbundplatten c) Effektpigmente im Nagellack d) Pralineacute mit Effektpigmentuumlberzug

a

dc

bb

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Effektpigmente hellipPTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4

Die heute verwendeten Pigmente lassen sich somit grob in fuumlnf verschiedene Klassen einteilen

1) Weiszligpigmente Die Pigmente streuen das ge-samte auftreffende Licht nahezu verlustfrei in alle Richtungen durch diffuse ungerichtete Reflexion

2) Buntpigmente Die Pigmente streuen einen Teil des Lichtes diffus und absorbieren wellenlaumln-genselektiv einen anderen Teil des Lichtes

3) Schwarzpigmente Die Pigmente absorbieren alle Wellenlaumlngen des fuumlr das menschliche Auge sichtbaren Spektralbereiches

4) Metalleffektpigmente Die aus duumlnnen Metall-plaumlttchen vorwiegend Aluminium bestehen-den Metalleffektpigmente sind lichtundurch-laumlssig und reflektieren das gesamte auftreffende Licht durch spekulare gerichtete Reflexion Die Pigmentpartikel wirken dabei wie Mikrospie-gel und fuumlhren bei paralleler Ausrichtung im Anwendungsmedium zu einem spiegelnden Metallglanz dem Metallic-Effekt

5) Spezielle Effektpigmente Perlglanz- bzw Inter-ferenzpigmente deren optische Wirkung auf der Mehrfachreflexion an uumlberwiegend flaumlchig aus-gebildeten und ausgerichteten transparenten semitransparenten oder lichtundurchlaumlssigen Partikeln beruht

Weiszlig- Bunt- und auch Schwarzpigmente weisen typische Durchmesser im Bereich von 100 nm bis zu 1 microm auf Ihre Groumlszlige liegt damit zum Teil im Bereich der Wellenlaumlnge des sichtbaren Lichtes welches den Bereich von 380 nm bis 780 nm uumlberdeckt Einige Schwarzpigmente wie z B Ruszlig-pigmente liegen mit ihren Durchmessern jedoch auch zum Teil auch deutlich darunter Effektpig-mente besitzen dagegen Teilchendurchmesser die zumeist im Bereich von 5 microm bis 100 microm in einigen Faumlllen auch daruumlber liegen Sie sind damit bezuumlglich der mittleren Plaumlttchendurch-messer wesentlich groumlszliger als die Wellenlaumlnge des sichtbaren Lichtes Die Dicke der Plaumlttchen liegt von einigen Ausnahmen abgesehen unter 1 microm ebenso wie die Dicke der Interferenzschichten Demzufolge weisen Effektpigmente in der Regel ein hohes Aspektverhaumlltnis auf (Verhaumlltnis der lateralen Ausdehnung einer Struktur zu ihrer Houmlhe) welches bis zu 200 betragen kann

Interferenzpigmente ndash Wie die Farben entstehen

Die Farbe von Interferenzpigmenten haumlngt von der Schichtdicke der Metalloxidbeschichtung und dem Einstrahlungs- und Betrachtungswinkel ab Beide Parameter bestimmen die effektive optische Weg-

laumlngendifferenz fuumlr das einfallende weiszlige Licht zwischen oberer und unterer Grenzflaumlche und die somit auftretenden Interferenzfarben siehe Bild 3

Interferenzpigmente zeigen somit einen aus-gepraumlgten bdquoFarbflopldquo Die Winkelabhaumlngigkeit der Farbe wird hierbei auch als Goniochromasie bezeichnet Richtig bunt geht es zu wenn ein Interferenzpigment auf einen bereits bunten Untergrund aufgebracht wird Die Transparenz der Pigmente laumlsst die Untergrundfarbe durch-

Bild 2 Schematische Diagramme zum spektralen Verhalten verschiedener Pigmenttypen

Bild 3 Die Schichtdicke der Metalloxidbeschichtung und der kombinierte Einstrahlungs- und Betrachtungswinkel bestimmen die optische Weglaumlnge und somit die sich ergebenden Interferenzfarben in Reflexion und Transmission

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PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4Das Jahr des Lichtes

Bild 5 Die Effekte Spar-kling (1) und Coarseness (2) des Effektpigmentes Xirallicreg Crystal Silver in einer vergroumlszliger-ten Aufnahme auf weiszligem (links) und schwarzem Hinter-grund (rechts)

scheinen im Glanzwinkel wird sie aber von der Interferenzfarbe uumlberstrahlt wie dies in Bild 4 zu sehen ist

Der Effekt eines Helligkeitsunterschiedes unter verschiedenen Betrachtungswinkeln wird als Helligkeitsflop bezeichnet und ist an sich nichts Neues Sind jedoch die einzelnen Pigmentteilchen

aufgrund ihrer planaren Reflexionsoberflaumlchen in gerichteter Beleuchtung direkt beobachtbar was fuumlr mittlere Teilchengroumlszligen von 30 microm und groumlszliger der Fall ist so ergibt dies einen Effekt welcher mit dem Begriff Sparkle (Glitzern Funkeln) bezeichnet wird (Bild 5) Aumlndert sich die Beleuchtung von einer gerichteten Einstrahlung wie es an einem wolkenlosen sonnigen Sommertag der Fall ist hin zu einer diffusen ungerichteten Einstrahlung wie an einem stark bewoumllkten Herbsttag so verschwin-det das Sparkling der Pigmente und verwandelt sich in eine Koumlrnigkeit der Oberflaumlche Dieses optische Phaumlnomen wird als Coarseness (Bild-koumlrnigkeit) bezeichnet und ist unabhaumlngig vom Betrachtungswinkel (Bild 5)

Als neuer Archetypus des Sparkle-Begriffes haben sich in den letzten Jahren die Xirallicreg Pig-mente (High Chroma Chrystal Effect Pigments) der Firma Merck KGaA entwickelt Durch die Beschich-tung von Aluminiumoxidplaumlttchen mit hochbre-chenden Metalloxiden und einer optimierten Dicke und Ebenheit aller am Pigment beteiligten Schich-ten entstehen auszligergewoumlhnlich stark reflektierende Effektpigmente die einen besonders intensiven Sparkle-Effekt aufweisen Man spricht hierbei auch von sogenanntem Living Sparkle welcher sich in einem scheinbaren bdquoTanzenldquo der leuchtenden Punkte in der Probenoberflaumlche bei Veraumlnderung der Beobachtungsgeometrie aumluszligert [7 8]

Generell gilt dass die Farbe von Objekten mit Effektlackierung nicht mehr wie jahrzehntelang uumlblich und ausreichend mit konventionellen Farb-messgeraumlten mit nur einer festen Messgeometrie wie z B in der 45deg 0deg Geometrie (Einstrahlung unter 45deg Reflexionsmessung unter 0deg) bestimmt werden kann Dieser Umstand wird sehr gut durch die Grafik in Bild 6 illustriert Dargestellt sind die winkelabhaumlngig gemessenen Farbkoordinaten von drei verschiedenen keramischen Farbstandards der Farben rot gruumln und blau sowie eines mit dem Effektpigment Viola Fantasy der Firma Merck lackierten Blechs Der Einfallswinkel des Lichts auf die Proben betrug hierbei immer 45deg zur Oberflauml-chennormalen Das von den Proben reflektierte Licht wurde an 26 Positionen in einem 5deg Raster in planaren die Oberflaumlchennormale enthalten-den Messgeometrien im Winkelbereich von ndash70deg bis +70deg aufgenommen Bei den aus absorptiven Pigmenten bestehenden Keramiken zeigt sich eine nur sehr geringe Winkelabhaumlngigkeit der Farbe welche groumlszligtenteils auf unterschiedlicher winkelabhaumlngiger Helligkeit d h den Glanzeigen-schaften der Oberflaumlche beruht Das Effektpigment dagegen zeigt einen extremen winkelabhaumlngigen Farb-Flop (Goniochromasie) welcher einen Farbverlauf von Gruumln uumlber Rot-Gelb hin ins Blau-Violett bietet

Aber auch die neuen Lackfarben aus der Gruppe der Effektlackierungen muumlssen messtechnisch

Bild 4 Merck-Xirallicreg-Solaris-Red-Effektpigmente appliziert auf einem mit Standard-Ab-sorptionspigmenten hellblau lackierten Metallblech In Rich-tung des Glanzwin-kels auf der rechten Seite zeigt sich der langsame Aufbau der winkelabhaumlngigen Interferenzfarbe

1

Bild 6 CIELab Farbkoordinaten einer winkelabhaumlngigen Reflexionsmessung an vier verschiedenen Proben drei Keramiken der Farben rot gruumln blau und eine Effektpigmentlackierung mit Merck Colorstreamreg Viola Fantasy Das untergelegte Farbschema zeigt naumlherungsweise die den Koordinaten entsprechende Farbe

2

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Effektpigmente hellipPTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4

Abbildungsoptik Messungen der ortsaufgeloumlsten Leuchtdichte auf einer Laumlngenskala bis hinab zu 28 microm auf der zu untersuchenden Probe siehe Bild 8

Mit der Zeilenkamera sind Messungen von kompletten Reflexionsspektren im sichtbaren Spektralbereich zwischen 380 nm und 780 nm dem sogenannten V(λ)-Bereich auf einer Zeit-skala von 2 Minuten moumlglich Hieraus lassen sich dann Farbkoordinaten der untersuchten Proben in den unterschiedlichsten Farbraumsystemen berechnen Eine absolute Messung in 114 Win-kelkombinationen (siehe Bild 9) im Polarwinkel-

erfasst und ruumlckgefuumlhrt werden um eine gleich-bleibende Qualitaumlt in der Produktion gewaumlhrleis-ten zu koumlnnen Gerade diese vielfaumlltigen zusaumltz-lichen Eigenschaften stellen die Farbmesstechnik vor neue Herausforderungen

Farbmessung

Bisherige kommerzielle Farbmessgeraumlte charakte-risieren Probenoberflaumlchen fast ausschlieszliglich in den eben schon erwaumlhnten sogenannten in-plane Reflexionsgeometrien Dabei liegen die Richtun-gen des eingestrahlten und des reflektierten Lichts sowie die Oberflaumlchennormale der Probe in einer Ebene Diese Einschraumlnkung entspricht jedoch in keiner Weise der taumlglichen Realitaumlt bei der Oberflaumlchen aus beliebigen Richtungen beleuchtet und betrachtet werden Seitens der Messgeraumlteher-steller und Anwender gibt es daher einen Trend zur erweiterten Charakterisierung bezuumlglich zusaumltzlicher Winkelkombinationen im dreidimen-sionalen Raum Spitzenreiter dieser Entwicklung am Markt ist derzeit ein tragbares Mehrwinkel-Spektralphotometer mit insgesamt 19 verschie-denen Reflexionsgeometrien [9] Hiermit scheint aber auch das Ende dieser Entwicklung im Bereich der portablen handgefuumlhrten Geraumlte erreicht Der Wunsch der Anwender geht aktuell wieder zuruumlck zu einer geringeren Anzahl von Winkelkombi-nationen denn es ist unklar wie man aus dem Mehr an winkelaufgeloumlsten Reflexionsdaten die fuumlr die Charakterisierung der Farbeigenschaften relevanten Informationen gewinnen kann Daher stellt sich die Frage welches sind bdquoguteldquo d h an die Messaufgabe adaptierte optimal geeignete Messgeometrien

Um diese Frage zu beantworten betreibt die AG 424 bdquoReflexion und Transmissionldquo der PTB zwei roboterbasierte Gonioreflektometer die eine winkelaufgeloumlste Reflexionsmessung in beliebi-gen bidirektionalen Geometrien ermoumlglichen [10ndash12] Diese beiden Apparaturen sind in Bild 7 dargestellt

Das Standard-Gonioreflektometer ist hierbei das nationale Normal fuumlr die Messgroumlszlige spektraler Strahldichtefaktor in gerichteten Geometrien Es dient der Realisierung Bewahrung und Weiter-gabe der gerichteten Reflexionsskale in Form von Kalibrierungen Die zweite Apparatur bezeich-net mit dem Acronym ARGon3 (3D Appearance Robot-based Gonioreflectometer) ist ein flexibles Forschungsgeraumlt mit dem experimentelle Unter-suchungen u a im Rahmen des EMRP-Projektes Multidimensional Reflectometry for Industry der EU [13] durchgefuumlhrt werden Im Ver gleich zum Standard-Gonioreflektometer ist dieses Geraumlt mit einer photometrischen Leuchtdichteka-mera und einer Zeilenkamera ausgeruumlstet Die Leuchtdichtekamera erlaubt mit einer speziellen

Bild 7 Die beiden roboter-basierten Gonio-reflektometer der PTB oben Standard-Gonioreflektometer fuumlr Kundenkalibrie-rungen unten ARGon3-Messplatz fuumlr Forschungsanwen-dungen

Bild 8 Visualisierung desSparkling-Effektesvon Xironareg-Volcanic-Sparks-Pigmenten als Falschfarben-darstellung der ortsaufgeloumlsten LeuchtdichteDie bdquoNadelnldquo zeigendie Position derPigmente an

Bild 9 Beispielgeometrien zur Messung der winkelabhaumlngigen Reflexionseigen-schaften Realisiert wurden 4 Einstrah-lungsrichtungen (rote Pfeile) mit jeweils 114 Reflexionswinkeln (schwarze Punkte) im Bereich der Viertel-kugel oberhalb der Probenoberflaumlche

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PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4Das Jahr des Lichtes

bereich 0deg bis 70deg gleichmaumlszligig verteilt uumlber den Viertelraum oberhalb der Probe dauert hierbei ca 4 Stunden [14] Die so erhaltenen Daten bilden die Basis fuumlr kuumlnftige Verbesserungen in der Mess-technik fuumlr Anwender und Hersteller

Im Rahmen des EMRP-Projektes Multidimen-sional Reflectometry for Industry [13] sind damit die winkelabhaumlngigen Reflexionsspektren von insgesamt 66 verschiedenen Effektpigmentproben gemessen worden [15 16] Bei den vier verschie-denen Einstrahlungsrichtungen verbunden mit jeweils 114 Reflexionswinkeln im Bereich der Vier-telkugel oberhalb der Probenoberflaumlche ergeben sich somit uumlber 30000 Reflexionsspektren

Zielsetzung der Untersuchungen ist die Ver-besserung der Metrologie zur Materialcharak-terisierung mit reduzierter Messunsicherheit Dazu werden neue Messvorschriften und neue Standardmessartefakte entwickelt mit denen die Industrie die visuelle Wahrnehmung der von ihr produzierten Oberflaumlchen gezielt charakterisie-ren und kontrollieren kann Solche Messungen sollten einfach auszufuumlhren sein und die Ergeb-nisse muumlssen soweit wie moumlglich mit der visuellen menschlichen Wahrnehmung korrelieren Im europaumlischen und internationalen Rahmen sollen die Ergebnisse in die Normung einflieszligen um die allgemeine Vergleichbarkeit solcher Messungen zu gewaumlhrleisten

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Die 50 Sitzung des Internationalen Komitees fuumlr das gesetzliche Messwesen (CIML) fand vom 20 bis 22 Oktober 2015 in Arcachon Frankreich statt Im Vorfeld der CIML-Sitzung fand ein ein-taumlgiges OIML-Seminar uumlber Countries and Econo-mies with Emerging Metrology Systems (CEEMS) statt uumlber das weiter unten berichtet wird

Das CIML ist der Lenkungsausschuss der OIML Es trifft sich jaumlhrlich und besteht aus je einem Repraumlsentanten der Mitgliedstaaten der korrespondierenden Mitglieder und den Vertre-tern internationaler und regionaler Organisa-tionen die als Beobachter teilnehmen koumlnnen Das CIML ist zustaumlndig fuumlr die Vorbereitung und Durchfuumlhrung der Entscheidungen der Konfe-renz die alle vier Jahre stattfindet Es uumlberwacht die Arbeiten der Technischen Komitees und Unterkomitees und des Internationalen Buumlros fuumlr das gesetzliche Messwesen (BIML) in Paris

An der 50 CIML-Sitzung nahmen 144 Teilneh-mer aus 43 Mitgliedstaaten und 13 korrespondie-renden Mitgliedstaaten teil Zur deutschen Dele-gation gehoumlrten neben den o g Autoren auch die Herren Johann Fischer Direktor des Landesamts fuumlr Mess- und Eichwesen Berlin-Brandenburg sowie Prof Olaf Kuumlhn Direktor des Thuumlringer Landesamts fuumlr Verbraucherschutz als Vertreter der Bundeslaumlnder Dr Peter Ulbig Leiter der Abteilung Wissenschaftlich-technische Quer-schnittsaufgaben der PTB und Prof Manfred Kochsiek Vizepraumlsident a D der PTB ehema-liger CIML-Praumlsident und Ehrenmitglied der OIML Frau Dr Anna Cypionka persoumlnliche Referentin des Praumlsidenten der PTB nahm am OIML-Seminar fuumlr CEEMS teil Vertreten waren auch wieder internationale und regionale Orga-nisationen zu denen die OIML Verbindungen unterhaumllt wie das Internationale Buumlro fuumlr Maszlig und Gewicht (BIPM) die GSO-GCC Standardiza-tion Organization (Saudi-Arabien) die Internatio-nal Laboratory Accreditation Cooperation (ILAC) und der Europaumlische Verband der Waagenherstel-ler (CECIP)

Alle Beschluumlsse der 50 CIML-Sitzung koumlnnen auf den Internetseiten der OIML aufgerufen werden [1 2]

Die wichtigsten Entscheidungen und Entwick-lungen werden nachfolgend vorgestellt

1 Personalangelegenheiten

Der Vertrag von Willem Kool als Assistant Director wurde um vier Jahre der Vertrag des BIML-Direk-tors Stephen Patoray um drei Jahre verlaumlngert

2 Einfuumlhrung des PG Workspace im Internet

In seinem Bericht im Zusammenhang mit der Etablierung des neuen Webauftritts der OIML hob der CIML-Praumlsident Peter Mason (UK) die erfolgreiche Einfuumlhrung des Workspace fuumlr Pro-jektgruppen hervor Durch die Online-Arbeit wird erwartet dass die technische Arbeit an neuen bzw zu revidierenden OIML-Dokumenten vereinfacht und insgesamt effizienter wird

3 Revision der technische Richtlinien fuumlr die OIML (B 6 Directives for OIML tech-nical work)

In einem neuen Projekt sollen die in den vergan-genen Jahren revidierten OIML-Richtlinien fuumlr die technische Arbeit erneut uumlberarbeitet werden um u a den Prozess der Entwicklung und Uumlber-arbeitung von OIML-Publikationen noch weiter zu beschleunigen und den neuen internetbasierten Technologien und Arbeitsweisen Rechnung zu tragen

4 Umfassende strukturelle Uumlberarbeitung des OIML Certificate System

Das CIML verabschiedete die Gruumlndung einer Projektgruppe mit der Aufgabe einer substan-ziellen Uumlberarbeitung des OIML-Zertifizierungs-systems das z Zt aus dem Basiszertifizierungs-system und dem MAA3 besteht Urspruumlnglich ausgehend von der Annahme die Akzeptanz des MAA-Zertifizierungssystem muumlsse verstaumlrkt werden eine groumlszligere Verbreitung finden und mehr Messgeraumltearten abdecken erscheint es

Aktuelles aus der OIML (Internationale Organisation fuumlr das Gesetzliche Messwesen)Bericht uumlber die 50 Sitzung des CIML in Arcachon FrankreichSusanne Ludwig Roman Schwartz

INTERNATIONALE ZUSAMMENARBEIT

Susanne Ludwig OIMLshyGeschaumlftsstelle der PTB EshyMail susanneludwigptbde

Dir u Prof Dr Roman Schwartz Vizepraumlsident der PTB deutsches Mitglied im Internashytionalen Komitee fuumlr das Gesetzliche Messwesen (CIML) und CIMLshyVizepraumlsishydent EshyMail romanschwartzptbde

3 Mutual Acceptance Arrangement (Abshykommen zur gegenshyseitigen Anerkennung von Bauartpruumlfungen)

46

PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4Internationale Zusammenarbeit

inzwischen sinnvoller und wurde so auch vom CIML beschlossen zum 112017 ein einziges OIML-Zertifizierungssystem einzufuumlhren Eine Projektgruppe (Certification System Project Group = CSPG) unter dem Vorsitz des CIML-Vizepraumlsi-denten Dr Roman Schwartz wurde damit beauf-tragt die notwendigen Dokumente und Prozedu-ren auszuarbeiten

5 OIML-Seminar fuumlr Countries and Economies with Emerging Metrology Systems (CEEMS)

Im Vorfeld der CIML-Sitzung wurde ein eintaumlgiges Seminar zum Thema Developing an OIML Package for Assistance to Countries with Emerging Metro-logy Systems (CEEMS) abgehalten In vier Sitzun-gen diskutierten 125 Teilnehmer aus 49 Laumlndern uumlber Moumlglichkeiten Laumlnder beim Aufbau von nationalen Metrologiesystemen zu unterstuumltzen In der ersten von Frau Dr Cypionka geleiteten Sitzung Capacity Building ging es um die allge-meinen Herausforderungen bei der Gestaltung von Programmen zur Foumlrderung von Handlungs-kompetenzen und Vermittlung von Wissen fuumlr die Metrologie In zwei weiteren Sitzungen wurden unter den Themen Helping CEEMS Improve Regulation in their Markets (Leitung Prof Dr Manfred Kochsiek) und New Ideas ndash Doing Legal Metrology Differently (Leitung Stuart Carstens

Suumldafrika) konkrete inhaltliche Loumlsungsvorschlaumlge vorgestellt und diskutiert Die Ergebnisse wurden in der 50 CIML-Sitzung vorgestellt und fanden ihren Niederschlag in der Resolution Nr 201510 [2] sie sollen auch noch auf den OIML-Webseiten veroumlffentlicht werden [1]

6 OIML-Publikationen

Folgende OIML-Publikationen wurden verabschiedet

R 139-3 Compressed gaseous fuels measuring systems for vehicles Part 3 Test report format

New Recommendation (R 145) Ophthalmic instru-ments mdash Impression and applanation tonometers

Alle OIML-Publikationen stehen im Internet frei zur Verfuumlgung [3]

Gleichzeitig wurde die Revision der folgenden OIML-Publikation beschlossen

Revision of R 79 Labeling requirements for prepackages

Folgende neue Projekte wurden verabschiedet

Revision des OIML-Dokuments B 6-1 Directives for OIML technical work

Bild 1 Teilnehmer der 50 Sitzung des Internationalen Komitees fuumlr Gesetz-liches Messwesen (CIML) in Arcachon Frankreich

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PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4 Aktuelles aus der OIML

TC 8SC 1 Revision R 71 Fixed storage tanks mdash General requirements

TC 8SC 1 Revision R 85 Automatic level gauges for measuring the level of liquid in stationary storage tanks

7 Personalien und Ehrungen

Die von Dr Seiler dem ehemaligen Leiter des Fachbereichs bdquoTechnische Zusammenarbeitldquo der PTB initiierte OIML-Auszeichnung fuumlr bdquoexzel-lente Beitraumlge von Entwicklungslaumlndern zum gesetzlichen Messwesenldquo ging in diesem Jahr an

bull Nam Hyuk Lim Director of Korea Testing Certi-fication und

bull The Metrology Department Saint Lucia Bureau of Standards

Die OIML-Medaille fuumlr besondere Verdienste um die OIML-Arbeit ging an Ngo Quy Viet Vietnam und Cartaxo Reis aus Portugal

8 Termine

Ein Gastgeberland fuumlr die 51 CIML-Sitzung und 15 OIML-Konferenz im Jahr 2016 konnte noch nicht bekannt gegeben werden es wird aber wahr-scheinlich wieder Frankreich sein Weitere OIML-Veranstaltungen und -Termine finden sich auf der OIML-Webseite unter [4]

9 Literatur

[1] httpswwwoimlorgen (letzter Aufruf 19112015)

[2] httpswwwoimlorgenstructurecimlpdf50-ciml-resolutions-englishpdf (letzter Aufruf 19112015)

[3] httpswwwoimlorgenpublicationsrecommen-dationspublication_viewp_type=1ampp_status=1

[4] (letzter Aufruf 19112015)[5] httpswwwoimlorgeneventscalendar

(letzter Aufruf 19112015)

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TECHNOLOGIETRANSFER

E27-Scanner fuumlr UlbrichtkugelnMit dem besonders einfach ohne Umbau einsetzbaren E27-Scanner koumlnnen Anwender und Hersteller die Homogenitaumlt ihrer Ulbricht-kugeln bestimmen und die Ergebnisse zur Berechnung genauerer Lichtstroumlme und zur Dokumentation der Qualitaumlt ihrer Messungen nutzen

Hintergrund

Wie viel Licht eine Lampe insgesamt in alle Richtungen abstrahlt wird durch ihren Lichtstrom ausgedruumlckt Um den fuumlr die Bestimmung der Energieeffizienz von Lampen notwendigen Lichtstrom schnell zu er mitteln setzt die Lampenindustrie Ulbrichtkugeln ein An einer Stange in der Mitte der Ulbrichtkugel befindet sich eine E27-Lampen-fassung in die nacheinander die Lichtstrom-Normallampe und die zu kalibrierende Lampe eingeschraubt werden Das indirekt auf den Mess-kopf fallende Licht erzeugt einen Photostrom der im Idealfall propor-tional zu dem von der Lampe abgestrahlten Lichtstrom ist unabhaumlngig von der Richtung in die das Licht abgestrahlt wird

Dies ist jedoch bei einer ungleichmaumlszligigen Beschichtung der Kugel sowie bei einer im Laufe der Zeit nicht zu verhindernden Verstaubung nicht der Fall Deshalb wird mit einem Kugelscanner die Homogenitaumlt der Kugel regelmaumlszligig vermessen und ein Korrekturfaktor bestimmt der von der jeweiligen Abstrahlcharakteristik der zu untersuchenden Lampe abhaumlngt

Technische Beschreibung

Der Kugelscanner wird einfach in eine E27-Fassung geschraubt und das sonst fuumlr die Lampenversorgung eingesetzte Netzgeraumlt wird durch die Steuereinheit ersetzt Diese uumlbernimmt sowohl die elektrische Versor-gung als auch die Befehlsuumlbermittlung zum Kugelscanner Die Steuer-einheit wird via USB oder RS232 an einen Computer angeschlossen Das mitgelieferte Messprogramm stellt automatisiert alle gewuumlnschten Richtungen ein und speichert die zugehoumlrigen von der Steuereinheit gemessenen Photostroumlme des Photometers

Wirtschaftliche Bedeutungw

Fuumlr Lampenindustrie und Hersteller von Ulbrichtkugeln

bull Genauere Messung des Lichtstroms

bull Bestimmung des Zeitpunkts einer Neubeschichtung

bull Uumlberwachung beim Beschichten

bull Dokumentation des Zustands der Ulbrichtkugel

EntwicklungsstandDer E27-Kugelscanner wurde in der PTB entwickelt Er wird laufend fuumlr Kalibrierungen eingesetzt Die Technologie wurde an die Firma Czibula amp Grundmann transferiert und wird dort mit einer PTB-Lizenz gebaut und vertrieben wwwphoto-metercom

Ansprechpartner

Dr Bernhard SmandekBeauftragter fuumlr TechnologietransferTelefon +49 531 592shy8303Telefax +49 531 592shy69shy8303EshyMail technologietransferptbde

Dr Stefan WinterFachbereich Photometrie und Radiometrie

Abbildung des E27shyKugelscanners Eine stark fokussierende Lampe die computergesteuert in alle Richtungen leuchten kann

Vorteile

bull Schneller Einbau in E27shyFassung

bull Computergesteuertes Abscannen der gesamten Ulbrichtkugel

bull Flexible Messmoumlglichkeiten

bull Fuumlr genauere Lichtstromshymessungen

bull Wichtig fuumlr die Qualitaumltsshysicherung

PTBshyNummer 0172

wwwtechnologietransferptbde

49

PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4 Technologieangebote

Ansprechpartner

Dr Bernhard SmandekBeauftragter fuumlr TechnologietransferTelefon +49 531 592shy8303Telefax +49 531 592shy69shy8303EshyMail technologietransferptbde

Dr Stefan WinterArbeitsgruppe Solarzellen

PulsshyzushyCWshyKonverter

Umwandlung gepulster Laser-Strahlung in konstante StrahlungIn weiten Bereichen der optischen Metrologie ist eine Strahlungs-quelle von groszligem Nutzen die sich spektral vom UV-C bis ins mitt-lere IR durchstimmen laumlsst Lediglich Laser mit gepulster Strahlung erfuumlllen diese Anforderung bei ausreichend groszligem Ausgangssignal bisher luumlckenlos Femtosekunden-Lasersysteme waumlren aufgrund ihrer gut automatisierbaren und spektral weiten Durchstimmbarkeit die ideale Strahlungsquelle fuumlr z B radiometrische Anwendungen ndash wenn ihre Strahlung nicht gepulst waumlre

Durch das extreme Puls-Pausen-Verhaumlltnis von 10ndash5 entstehen hohe Spitzenleistungen die wiederum zu Saumlttigungseffekten bei Detek-toren und in der Folge zu nichtlinearem Verhalten fuumlhren koumlnnen Mit dem in der PTB entwickelten Puls-zu-CW-Konverter wird dieses Problem geloumlst

Technische Beschreibung

Bei dieser Methode werden Pulse gepulster Strahlungsquellen ausrei-chend hoher Repetitionsrate in CW-Strahlung umgewandelt Dabei wird jeder Puls in viele kleine Teilpulse aufgeteilt die auf unterschiedlich langen Wegstrecken unterschiedliche Laufzeiten erfahren Am Ausgang des Systems erscheinen sie dann zeitlich gleichmaumlszligig verteilt Realisiert wird dieser Puls-zu-CW-Konverter uumlber ein Glasfaserbuumlndel bei dem jede Einzelglasfaser eine individuell festgelegte Laumlnge besitzt

Mit der Entwicklung des Puls-zu-CW-Konverters wurde das ent-scheidende Manko beim Einsatz leistungsstarker Femtosekunden(fs)-Lasersysteme im Bereich der Metrologie beseitigt und erstmalig gepulste Laserstrahlung in CW-Strahlung umgewandelt Diese Neuentwicklung ermoumlglicht es nun herkoumlmmliche Monochromatorsysteme durch fs-Lasersysteme zu ersetzen die eine bis zu 1000-mal houmlhere spektrale Ausgangsleistung besitzen

Wirtschaftliche Bedeutung

Durch den neuen Puls-zu-CW-Converter koumlnnen in wirtschaftlich bedeutenden Bereichen wie z B der Photovoltaik der Photometrie der UV-Strahlungsmesstechnik und der Reflektometrie die Referenz- und Transfernormale mit einer deutlich reduzierten Messunsicherheit kali-briert werden Hier werden bislang wesentliche Messunsicherheitsan-teile durch zu geringe Strahlungsleistungen aus herkoumlmmlichen Mono-chromatorsystemen verursacht

Entwicklungsstand

Unter DE 10 2010 011 615 B4 wurde fuumlr den CW-Konverter ein Patent erteilt

Vorteile

bull Zeitliche Glaumlttung gepulster Laserstrahlung

bull Keine stoumlrenden Interferenzen

bull Nur minimale Absorption des Messsignals

bull Auch bei kuumlrzeren Wellenshylaumlngen ohne Ulbrichtkugel verwendbar

bull Kontinuierliche Verteilung des Ausgangspulses

bull Pulsvervielfachung

bull Houmlhere Strahlungsleistung

PTBshyNummer 0254

wwwtechnologietransferptbde

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PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4Technologieangebote

50

Homogenisierung von Strahlungsquellen und Focal Plane Arrays (FPA)Ein neuartiges Verfahren ermoumlglicht softwaregestuumltzt eine deutlich verbesserte Kalibrierung von Mehrelement-Sensoren (FPA) und bildgebenden Systemen (Kameras) Bei flaumlchigen Strahlungsquellen kann zusaumltzlich eine gezielte Ansteuerung von Flaumlchenelementen zu einer bisher im Allgemeinen nicht erreichbaren Flaumlchenhomogenitaumlt fuumlhren

Technische Beschreibung

Flaumlchenstrahler dienen der Kalibrierung von ortsaufloumlsenden Strah-lungssensoren wobei davon ausgegangen wird dass die Emissionsflaumlche des Strahlers im Wesentlichen homogen bezuumlglich ihrer Strahldichte bzw Strahlungstemperatur ist Um kleine Inhomogenitaumlten eines Flaumlchenstrahlers zu charakterisieren ist es ein gaumlngiges Verfahren die Emissionsflaumlche punktweise mit einem Einzeldetektor abzutasten

Das neue PTB-Verfahren ist wesentlich schneller da es den Mehr-element-Sensor (FPA) das device-under-test selbst nutzt und damit immer ein Gesamtbild der Quelle aufnimmt Werden jetzt weitere Bilder zeilen- oder spaltenversetzt aufgenommen so erlaubt ein mathema-tischer Algorithmus bei nur drei Bildern eine komplette Charakterisie-rung des Sensors aber auch der Quelle

Sind Flaumlchenelemente der Strahlungsquelle einzeln ansteuerbar so ist es sogar moumlglich mittels der ermittelten Korrekturwerte zu Strahlquellen extrem hoher Homogenitaumlt im on-line-Betrieb zu gelangen

Wirtschaftliche Bedeutung

Bildgebende Strahlungssensoren und homogene Strahlungsquellen sind relevant fuumlr die Forschung und Entwicklung fuumlr die Prozesstechnik fuumlr die Charakterisierung der Energieeffizienz von Bauten bei der Ent-wicklung neuer Bauteile mit hoher thermischer Belastung und in vielen weiteren Bereichen Der mathematische Algorithmus ist aber auf unter-schiedliche Arten von Kamerasystemen anwendbar und damit auch fuumlr die Qualitaumltssicherung von CCD-Kameras bis hin zum Konsumguuml-termarkt anwendbar EntwicklungsstandEine deutsche Patenterteilung erfolgte im September 2015 Eine PCT-Anmeldung ist anhaumlngig Kooperations- und Lizenzpartner aus den Bereichen Thermografie Radiometrie und Photometrie zur Umsetzung des Konzeptes werden gesucht

Ansprechpartner

Dr Bernhard SmandekBeauftragter fuumlr TechnologietransferTelefon +49 531 592shy8303Telefax +49 531 592shy69shy8303EshyMail technologietransferptbde

DiplshyIng Berndt GutschwagerArbeitsgruppeInfrarotshyStrahlungsthermometrie

Stahlungsmessplatz der PTB zur Kalibrierung von Temperaturstrahlern und Waumlrmebildkashymeras

Vorteile

bull Schnelle Kalibrierung von Flaumlchensensoren (FPA)

bull Schnelle Kalibrierung von Flaumlchenstrahlern

bull Strahlquellen houmlchster Hoshymogenitaumlt

bull Fuumlr Thermografie und Phoshytometrie

PTBshyNummer 00374

wwwtechnologietransferptbde

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Printed in Germany ISSN 0030-834X

Die fachlichen Aufsaumltze aus dieser Ausgabe der PTB-Mitteilungen sind auch online verfuumlgbar unterdoi 10779531020150499

Die Physikalisch-Technische Bundesanstalt das nationale Metrologieinstitut ist eine wissenschaftlich-technische Bundesoberbehoumlrde im Geschaumlftsbereich des Bundesministeriums fuumlr Wirtschaft und Energie

mitteilungen

Impressum

Die PTB-Mitteilungen sind metrologisches Fachjournal der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt Braunschweig und Berlin Als Fachjournal veroumlffentlichen die PTB- Mitteilungen wissenschaftliche Fachaufsaumltze zu metrologischen Themen aus den Arbeitsgebieten der PTB Die PTB-Mitteilungen stehen in einer langen Tradition die bis zu den Anfaumlngen der Physikalisch-Technischen Reichsanstalt (gegruumlndet 1887) zuruumlckreicht

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Physikalisch-Technische BundesanstaltBraunschweig und BerlinNationales Metrologieinstitut

Die Physikalisch-Technische Bundesanstalt das nationale Metrologieinstitut ist eine wissenschaftlich-technische Bundesoberbehoumlrde im Geschaumlftsbereich des Bundesministeriums fuumlr Wirtschaft und Energie

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7

PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4 Die Candela als Maszligeinheit des Lichtes

tend fuumlr die benoumltigte Bewertungsfunktion steht Waren die erforderlichen Korrekturen bei Gluumlh-lampenbeleuchtung klein so koumlnnen Sie je nach Guumlte der spektralen Anpassung des verwendeten Photometers bei modernen LED-Lichtquellen durchaus im zweistelligen Prozentbereich sein Aus diesem Grunde diskutiert man im internati-onalen Rahmen die Einfuumlhrung weiterer Norm-lichtarten fuumlr LED-Lichtquellen [5]

Alternativ besteht immer auch die Moumlglichkeit das Spektrum direkt absolut und spektral aufgeloumlst zu messen und die photometrischen Bewertungs-funktionen rein rechnerisch zu beruumlcksichtigen Die hierzu infrage kommenden Systeme sind aber in der Regel teuer und bezuumlglich ihrer Robustheit und Stabilitaumlt fuumlr viele Anwendungen noch nicht ausreichend Regelmaumlszligig werden leider die Mess-unsicherheiten derartiger System unterschaumltzt was auch daran liegt dass aufgrund der komplexeren Messtechnik zusaumltzliche Unsicherheitsbeitraumlge (z B durch Bandpasseigenschaften und Streu-licht) die dem Anwender oft nicht zugaumlnglich sind bei der absoluten Bestimmung photomet-rischer Groumlszligen mithilfe von Spektroradiometern beruumlcksichtigt werden muumlssen

Unverzichtbar und mittlerweile marktbestim-mend sind jedoch spektral aufloumlsende Geraumlte wie Array-Spektroradiometer dort wo nur relative Messwerte wie z B bei der Bestimmung der Farbe von Licht bzw der Farbe von reflektiertem Licht benoumltigt werden

Bei der Bestimmung von Farbe geht es um die Bestimmung des Verhaumlltnisses von spektralen Strahlungsfunktionen die mit den Normspektral-wertfunktionen x y z( ) ( ) ( )λ λ λ bewertet werden wobei y( )λ mit V(λ) identisch ist Insofern ist auch die Farbmesstechnik an die Photometrie gekoppelt

Da es sich bei den farbmetrischen Groumlszligen um Eigenschaften handelt die durch Verhaumlltnismes-sungen gewonnen werden spricht man hier auch von farbmetrischen Kennzahlen und nicht von Einheiten Nichtsdestotrotz haben eben solche farbmetrischen Kennzahlen wie die Normfarb-wertanteile (x y) oder der Farbwiedergabeindex Ra (engl CRI colour rendering index) seit Einfuumlh-rung von modernen Lichtquellen eine besondere Bedeutung erhalten da z B mit LED-Lichtquellen im Prinzip sehr unterschiedliche Lichtfarben und Farbwiedergaben hergestellt werden koumlnnen Die Tatsache dass es sich bdquonurldquo um Kennzahlen handelt heiszligt jedoch nicht dass die Messungen messtechnisch einfach sind Genau das Gegenteil ist der Fall da fuumlr die Bestimmung der Farborte die steilen Flanken der Normalspektralwertfunk-tionen mit den Strahlungsfunktionen der Quellen gewichtet werden muumlssen die wie bei LEDs typisch auch spektral sehr steile Flanken aufwei-sen koumlnnen Unsicherheiten in der Bestimmung

der Strahlungsfunktion fuumlhren hier schnell zu groszligen Unsicherheitsbeitraumlgen in der Bestimmung des Farbortes Hier kann die PTB als Nationales Metrologieinstitut die Wuumlnsche nach den kleinen Messunsicherheiten wie sie von Herstellern sowie von Mess- und Kalibrierlaborartorien gefordert werden zurzeit noch nicht im vollen Umfang erfuumlllen

In der Vergangenheit wurden bei Testergebnis-sen haumlufig sowohl fuumlr photometrische Messwerte als auch fuumlr Kennzahlen in der Farbmesstechnik keine Messunsicherheiten angegeben Auch wurde deren Wirkung bei der Angabe von Toleranzen nicht immer adaumlquat beruumlcksichtig Fuumlr die Messung von LED-Lichtquellen wurde mit der in diesem Jahr veroumlffentlichten europaumlischen Norm DIN EN 13032-42015 [6] die uumlber die Commis-sion Internationale de lrsquoEacuteclairage Internationale Beleuchtungskommission (CIE) auch als internati-onaler Standard CIE S025 [7] veroumlffentlicht wurde ein erster Schritt in die Richtung gegangen auch fuumlr die Ergebnisse von Testverfahren die Angabe ruumlckfuumlhrbarer Messunsicherheiten zu fordern und diese bei Toleranzangaben zu beruumlcksichtigen

Dieser Vorstoszlig in der LED-Messtechnik wird sicherlich in Zukunft auch auf andere Anwen-dungsnormen zur Bewertung von Licht und Farbe von leuchtenden und nicht selbstleuchtenden Quellen einwirken Fuumlr die Weitergabe von Mes-sunsicherheiten auf dieser Ebene des Messwesens werden die nationalen Metrologieinstitute und die akkreditierten Kalibrierlabore gefordert sein die Industrie mit geeigneten applikationsnahen Trans-ferstandards zu unterstuumltzen

Literatur[1] Comptes Rendus de la 16e CGPM (1979) 1980

p100[2] WR Blevin Corrections in Optical Pyrometry

and Photometry for the Refractive Index of AirMetrologia 8 146ndash147 1972

[3] SI Brochure Appendix 2 Practical realization ofthe definition of the candela httpwwwbipmorgutilsenpdfSIApp2_cd_enpdf(letzter Aufruf 03122015)

[4] CIE 1912010 Recommended System for MesopicPhotometry Based on Visual Performance

[5] T Pulli et al Advantages of white LED lampsand new detector technology in photometryLight Science amp Applications (2015) 4 e332

[6] EN 13032-42015 Light and lighting ndash Mea-surement and presentation of photometricdata of lamps and luminaires ndash Part 4 LEDlight sources and luminaires

[7] CIE S0252015 Test Methods for LED Lampsndash LED Luminaires and LED Modules

8

Das Jahr des Lichtes PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4

Aufgrund der herausragenden Bedeutung des Lichts und des Sehens fuumlr die Interaktion des Menschen mit seiner Umwelt wurde die Candela als Einheit der Lichtstaumlrke in den Rang einer SI-Basis einheit gehoben Die Mehrzahl der Basiseinheiten sind uumlber physikalische Zusammenhaumlnge miteinander verknuumlpft und muumlssen entsprechend Ihrer Defini-tion realisiert und in den meisten Faumlllen auf andere Einheiten ruumlckgefuumlhrt werden In diesem Artikel wird die bdquometrologische Herkunftldquo der Candela im Stammbaum der Einheiten beschrieben

Definition der Candela

Im internationalen Einheitensystem (Systegraveme International drsquoUniteacutes abgekuumlrzt SI) ist die Candela wie folgt definiert

Die Candela ist die Lichtstaumlrke in einer bestimmten Richtung einer Strahlungsquelle die monochro-matische Strahlung der Frequenz 540 times 1012 Hz aussendet und deren Strahlstaumlrke in dieser Richtung (1683) Watt durch Steradiant betraumlgt

Hierbei handelt es sich um die exakte physika-lische Definition fuumlr die Lichtstaumlrke Nun besteht Licht jedoch praktisch nie nur aus Strahlung dieser Wellenlaumlnge weshalb die Definition um eine prak-tische Realisierung ergaumlnzt ist Denn es ist das Ziel der Photometrie Licht so zu messen dass die Mess-ergebnisse weitestgehend mit der visuellen Wahr-nehmung eines menschlichen Beobachters korre-liert sind Hierfuumlr wurden zwei spezielle Funktionen V(λ) und V ʹ(λ) [1] eingefuumlhrt die die relative spektrale Empfindlichkeit eines durchschnittlichen menschlichen Auges fuumlr photopisches (hell-adaptiertes) und skotopisches (dunkel-adaptiertes) Sehen beschreiben Die wichtigere der beiden Funktionen die V(λ) Funktion fuumlr hell-adaptiertes Sehen ist bei der Wellenlaumlnge auf eins normiert bei der das Auge die houmlchste Empfindlichkeit besitzt (555 nm) Mit dieser Definition lassen sich pho-tometrische Groumlszligen durch Bewertung der ent-sprechenden spektroradiometrischen Groumlszligen mit V(λ) und Multiplikation mit dem Maximalwert des Strahlungsaumlquivalents Km = 683 lmW berechnen

Die Lichtstaumlrke Iv ist durch das photometri-sche Grundgesetz mit der Beleuchtungsstaumlrke Ev verknuumlpft

IE d

vv=sdot 2

0ΩΩ0 = 1sr (1)

wobei d den Abstand zur Lichtquelle und Ω0 einen Raumwinkel von 1 sr bezeichnet Zur praktischen Bestimmung der Beleuchtungs-staumlrke verwendet man ein Photometer welches eine spektrale Bestrahlungsstaumlrke-Empfindlichkeit s(λ) besitzt deren relativer Verlauf idealerweise der V(λ)-Funktion entspricht und dessen Signal y proportional zu der Beleuchtungsstaumlrke ist Bei dem Proportionalitaumltsfaktor handelt es sich um die photometrische Empfindlichkeit sv des Photome-ters fuumlr die gemessene Lichtquelle

y s E= sdotv v (2)

Druumlckt man nun die Beleuchtungsstaumlrke Ev durch spektroradiometrische Groumlszligen aus so ergibt sich Ev aus der spektralen Bestrahlungsstaumlrke Eλ(λ)

E K E Vv m d= sdot sdot sdotinfin

int0 λ λ λ λ( ) ( ) (3)

Aus der spektralen Bestrahlungsstaumlrke Eλ(λ) und der spektralen Bestrahlungsstaumlrke-Empfindlichkeit des Photometers s(λ) ergibt sich das Signal y des Photometers

y E s= sdot sdotinfin

int λ λ λ λ( ) ( ) d0

(4)

Fuumlgt man die Formeln (2) bis (4) in (1) ein so ergibt sich fuumlr die Lichtstaumlrke

I y dK E V

E sv = sdot sdot

sdot sdot sdot

sdot sdot

infin

infinintint

2

0

0

0

Ω

m d

d

λ

λ

λ λ λ

λ λ λ

( ) ( )

( ) ( ) (5)

Aus dieser Formel laumlsst sich ablesen welche Groumlszligen fuumlr die Ruumlckfuumlhrung der Lichtstaumlrke bestimmt werden muumlssen Fuumlr die Ruumlckfuumlhrung

Detlef Lindner Arshybeits gruppe bdquoPhotoshymetrieldquo EshyMail detleflindnerptbde

Dr Stefan Winter Arbeitsgruppe bdquoSolarzellenldquo EshyMail stefanwinterptbde

Ruumlckfuumlhrung in der Photometrie ndash die Realisierung und Ruumlckfuumlhrung der Candela

Detlef Lindner Stefan Winter

9

Ruumlckfuumlhrung in der Photometrie hellipPTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4

der Candela wird das Signal y eines Photometers bestimmt welches sich in einem Abstand d von einer Lichtquelle entfernt befindet Von dem Pho-tometer muss die absolute spektrale Empfindlich-keit s(λ) bekannt sein und von der Lichtquelle die spektrale Bestrahlungsstaumlrke Eλ (λ)

In den naumlchsten drei Abschnitten wird das eigentliche Experiment zur Realisierung der Candela beschrieben dann das Verfahren zur Kalibrierung von Photometern und als letztes die Ruumlckfuumlhrung der spektralen Bestrahlungsstaumlrke Damit sind alle Groumlszligen zur Bestimmung der Candela bekannt Im letzten Abschnitt wird dann uumlber die abgeleiteten Groumlszligen Beleuchtungsstaumlrke und Leuchtdichte berichtet

Realisierung der Candela

Die Lichtstaumlrke Iv laumlsst sich durch Verwendung der Gleichungen (1) und (3) in die folgende Form bringen

I K d E Vv m d= sdot sdot sdot sdotinfin

int2

0 0Ω λ λ λ λ( ) ( ) (6)

Die spektrale Empfindlichkeit s(λ) eines Photo-meters laumlsst sich als Produkt aus einer absoluten Empfindlichkeit s(λ0) und einer relativen Emp-findlichkeit sr(λ) darstellen

s s s( ) ( ) ( )λ λ λ= sdot0 r mit sr ( ) λ0 1= (7)

Damit ergibt sich fuumlr das Ausgangssignal y dieses Photometers gemaumlszlig Gleichung (4)

y s E s= sdot sdot sdotinfin

int( ) ( ) ( ) λ λ λ λλ00

r d (8)

Ebenso laumlsst sich die spektrale Bestrahlungsstaumlrke einer Lichtquelle als Produkt aus einer absoluten und relativen Bestrahlungsstaumlrke schreiben

E E Eλ λλ λ λ( ) ( ) ( )= sdot0 r mit Er ( ) λ0 1= (9)

In der PTB werden zur Realisierung der Candela Gluumlhlampen verwendet deren relative spektrale Bestrahlungsstaumlrke Er (λ0) durch eine Strahlungs-funktion S (λT) ersetzt wird der eine Verteilungs-temperatur T zugeordnet werden kann [2] Befin-det sich die Lampe auszligerhalb der photometrischen Grenzentfernung im Abstand d zum Photome-terkopf und beleuchtet dessen Lichteintrittsflaumlche senkrecht so ergibt sich aus Gleichung (5) ihre Lichtstaumlrke Iv (T)

Die Anpassungskorrektur F (T) ist eine Funktion der Verteilungstemperatur T die den Photo-strom so korrigiert als waumlre mit einem ideal an V (λ)-angepassten Photometerkopf gemessen worden [3] In der Praxis ist die Anpassungskor-rektur meist eine monotone Funktion der Vertei-lungstemperatur und kann z B durch ein logarith-misches Polynom ersten Grades hinreichend gut angenaumlhert werden

F TS T V

S T sa T

m

( )( ) ( )

( ) ( )=

sdot sdot

sdot sdotcong sdot

infin

infinintint

λ λ λ

λ λ λ

d

d Kr

0

0

2856

(11)

Der Koeffizient a gibt den Wert der Anpassungs-korrektur fuumlr Normlichtart A (bei T = 2856 K) an da hier die Klammer den Wert eins hat Den Verlauf der Funktion mit der Verteilungstempera-tur beschreibt die Klammer mit dem Anpassungs-index m als Exponenten der somit eine charakte-ristische Groumlszlige eines Photometerkopfes ist Eine weitere Charakterisierung ist seine photometrische Empfindlichkeit sv

1

0sK asv

m=sdot

( )

λ(12)

Aus den Gleichungen (10) bis (12) folgt die in der Arbeitsgruppe bdquoPhotometrieldquo der PTB fuumlr die Realisierung der Lichtstaumlrke-Einheit grundlegende Beziehung

I T d y Ts

Tm

v ( ) ( ) = sdot sdot

2

0 2856Ω v K (13)

Demnach muumlssen neben dem Photostrom y(T) folgende Groumlszligen bekannt sein

bull die photometrische Empfindlichkeit sv desPhotometerkopfes

bull der Anpassungsindex m zur Korrektur derspektralen Fehlanpassung

bull der Wert der Verteilungstemperatur T der ver-wendeten Lichtquelle

bull der Abstand d zwischen Lichtquelle undPhotometerkopf

Die Einheit der Lichtstaumlrke wird an der PTB

I T y d Ks

S T V

S T syv

m

r

d

d( ) = sdot sdot

( )sdot sdot

sdot sdot= sdot

infin

infinintint

2

0 0

0

0

Ω λ

λ λ λ

λ λ λ

( ) ( )

( ) ( )

dd Ks

F T2

0 0Ωsdot( ) ( )m

λ (10)

10

Das Jahr des Lichtes PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4

repraumlsentiert und bewahrt durch eine Gruppe von 17 hochstabilen Gluumlhlampen (Typ Toshiba 5 A 10 V 15 cd) deren Strahlungsfunktionen der eines Hohlraumstrahlers von 2042 K sehr aumlhnlich sindDie Gesamtmessunsicherheit einer Realisierung der Lichtstaumlrke-Einheit in der PTB beim Vertrau-ensniveau k = 2 berechnet sich so zu 04

Gluumlhlampen altern praktisch nur waumlhrend ihrer Brennzeit demgegenuumlber koumlnnen Photometer ihre Eigenschaften unabhaumlngig vom Gebrauch veraumlndern Bild 2 verdeutlicht diesen Sachverhalt Deshalb sollten photometrische Einheiten mit Normallampen verkoumlrpert und bewahrt werden

sie dienen zum Kalibrieren von Photometern Kalibrierte Photometer sollten dagegen vorzugs-weise als Transfernormale verwendet werden

Weitergabe der Lichtstaumlrke-Einheit

Als Lichtstaumlrkenormale werden speziell gefertigte Gluumlhlampen mit besonderen optischen geometri-schen und elektrischen Eigenschaften verwendet z B die Lampe Typ OSRAM WI41G Bild 3 zeigtschematisch eine solche Lampe die zur Reduzie-rung der mechanischen Justierunsicherheit miteinem Spezialsockel der PTB ausgestattet wurdeZur Weitergabe der Lichtstaumlrke-Einheit werdenGruppen solcher Lampen als Lichtstaumlrkenormaleverwendet wobei auf Verteilungstemperaturenzwischen 2000 K und 2856 K eingestellt werdenkann siehe Bild 3 unten

In der PTB erfolgt die Bestimmung der Lichtstaumlrke Iv(T) einer Lampe durch den Vergleich mit der Lichtstaumlrke Iv(TR) eines nationalen Normals mit einer Verteilungstemperatur TR und mithilfe eines an V(λ)-angepassten Photometers mit den zugehouml-renden Photostroumlmen y(T) und y(TR)

Bild 1 Kameragestuumltzte mechanische Ausrichtung einer Lichtstaumlrke-Normallampe an derPhotometerbank Quelle PTB

0990

0992

0994

0996

0998

1000

1002

0 5 10 15 20 25

Rel Werte

Brennzeith

Bild 2 Alterungsverhalten von Lampen und Photometern Links schematisch rechts reales Alterungsver-halten einer Lampe im Betrieb rot Strom blau Spannung gruumln Lichtstaumlrke

Bild 3 Lichtstaumlrke-Normallampe WI41G mit PTB-Spezialsockel (oben) sowie verschiedene Lichtstaumlrke-Normallampen-gruppen zur Bewahrung und Weitergabe der Lichtstaumlrke-Einheit (unten)

11

Ruumlckfuumlhrung in der Photometrie hellipPTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4

I T I T y Ty T

TT

m

v v RR R

( ) ( ) ( )( )

= sdot sdot

(14)

Lichtstaumlrke-Normallampen

Die von der PTB in Kalibrierscheinen angegebe-nen Werte fuumlr die photometrischen Groumlszligen bezie-hen sich immer auf einen definierten Betriebszu-stand der Lampe Ihr momentaner Betriebszustand wird dagegen wesentlich bestimmt durch

bull die Zeitspanne seit dem Einschalten

bull die Betriebszustaumlnde bei fruumlheren Brennvor-gaumlngen und deren Dauer

bull die Eigenschaften der verwendetenMessapparatur

Zur Weitergabe der Lichtstaumlrke-Einheit werden zumeist Lampen des Typs WI41G verwendet Einige charakteristische Eigenschaften dieses Lam-pentyps werden nachfolgend angegeben - Kurzzeitstabilitaumlt ∆I Iv v le sdot minus2 10 4

- mechanische Justierunsicherheitfuumlr Lampe mit E27-Sockel ∆I Iv v le sdot minus2 10 3 fuumlr Lampe mit Spezialsockel ∆I Iv v le sdot minus4 10 4

- photometrisches Signal Alterung je Brennstundebzw Rauschen (siehe folgendes Bild 4)

- Richtungsabhaumlngigkeit der Lichtstaumlrke beiDrehung um die vertikale und horizontale Achse in der Leuchtkoumlrperebene Abhaumlngigkeit uumlberwiegend bei Drehung um die horizontale Achse fuumlr beide Winkel sollte der Justierfehler 1deg nicht uumlbersteigen

Bei der Weitergabe der Einheiten der gerich-teten Photometrie macht man sich das Moni-torverfahren zunutze D h der aktuelle photo-metrische Betriebszustand von Lichtstaumlrke- und Leuchtdichte normalen wird durch geeignete Monitortechniken kontrolliert Dafuumlr werden spe-ziell konstruierte Monitorphotometer eingesetzt (siehe folgendes Bild 5)

Die Signale der Monitorphotometer werden synchron mit den Referenz- bzw Testphotometern ausgelesen und dokumentieren so die bdquoEinbrenn-phaseldquo bzw die Stabilitaumlt des photometrischen Signals waumlhrend der Messablaumlufe und dienen gegebenenfalls zur Korrektur

Kalibrierung von Photometern

Bei der Kalibrierung von Photometern wird deren absolute spektrale Bestrahlungsstaumlrke-Empfindlich-keit vom UV bis ins nahe Infrarot bestimmt Dabei wird das Photometer im quasi monochromatischen homogenen Strahlungsfeld bekannter Bestrahlungs-staumlrke vollstaumlndig uumlberstrahlt und die sich dabei ergebende Stromstaumlrke gemessen Der Quotient aus Stromstaumlrke und Bestrahlungsstaumlrke bei der einge-stellten Wellenlaumlnge ergibt die spektrale Bestrah-lungsstaumlrke-Empfindlichkeit s(λ) Diese Messung wird alle 5 nm von 360 nm bis mindestens 830 nm durchgefuumlhrt und ergibt dann einen Kurvenverlauf der bei guten Photometern der oben beschriebenen V(λ)-Funktion sehr nahe kommt

Aus der experimentell bestimmten spektralen Bestrahlungsstaumlrke-Empfindlichkeit s(λ) laumlsst sich nun mithilfe tabellarisch definierter Groumlszligen (Normlichtart A S(λ 2856 K) V(λ)-Funktion und dem Maximalwert des Strahlungsaumlquivalents Km) die in Formel (2) eingefuumlhrte photometrische Empfindlichkeit sv des Photometers zusammen mit Formeln (3) und (4) berechnen

sS s

K S Vv

m

d

d=

sdot sdot

sdot sdot

infin

infinintint

( ) ( )

( ) ( )

λ λ λ

λ λ λ

2856

2856

0

0

K

K (15)

Ebenso laumlsst sich nun nach Formel (11) die Anpas-sungskorrektur F(T) direkt berechnen

2300 2500 2700 T K 2900 1

2

3

4

Alterung je Brennstunde

Rauschen ∆YY104

Photometrisches Signal

2856 K

Bild 4 Alterung je Brennstunde bzw Rauschen des photometri-schen Signals

Bild 5 Monitor-Photometer zur Uumlberwachung bzw Korrektur der Stabilitaumlt bei Messungen in der gerichteten Photometrie

Monitor-Photometer

12

Das Jahr des Lichtes PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4

Experimentell wird die spektrale Bestrahlungs-staumlrke traditionell mit einem Monochromator-messplatz wie dem DSR-Messplatz ermittelt Dieser sondert aus einem Xenonlampenspektrum oder einem Gluumlhlampenspektrum einen schma-len Wellenlaumlngenbereich aus der dann fuumlr die Bestimmung der spektralen Empfindlichkeit bei seiner Schwerpunktwellenlaumlnge benutzt wird Besonders wichtig ist dabei dass der genaue Wert der Schwerpunktwellenlaumlnge bekannt ist und dass die ausgesonderte Strahlung ein sehr homogenes Strahlungsfeld erzeugt Entscheidend dafuumlr ist der geschickte und wellenlaumlngenabhaumlngige Aufbau der Eingangs- und Ausgangsoptik mit mehreren Linsen

Lampenbasierte Monochromatormessplaumltze haben jedoch einen entscheidenden Nachteil Ihre maximale Leistung betraumlgt typisch nur 100 microW Deshalb muumlssen mehrere Kompromisse bei der Messung eingegangen werden Die Messung muss verhaumlltnismaumlszligig dicht hinter dem Messplatz durch-gefuumlhrt werden wo sich die Bestrahlungsstaumlrke noch stark mit dem Abstand aumlndert und inhomoge-ner als im Fernfeld ist Je spektral reiner die Strah-lung eingestellt wird umso weniger Strahlungs-leistung passiert den Monochromator sodass auch hier wieder ein Kompromiss eingegangen werden muss Trotz der Kompromisse ist der Wellenlaumln-genbereich in dem die spektrale Empfindlichkeit bestimmt werden kann oft auf 400 nm bis 750 nm beschraumlnkt also auf den Bereich bei dem die spekt-rale Empfindlichkeit noch ausreichend hoch ist

Deshalb wurde ein neuer laserbasierter Messplatz aufgebaut (s Bild 6) Dieser erzeugt ein 100- bis 10000-mal kraumlftigeres Strahlungsfeld (s Bild 7) Zudem erlaubt der Messplatz die Bestimmung der Winkelabhaumlngigkeit von Photometern sowie die Messung des spektralen Temperaturkoeffizienten von ndash70 degC bis 180 degC Es koumlnnen mit dem laser-basierten Messplatz selbst unempfindliche Photo-meter in einem deutlich groumlszligeren Wellenlaumlngenbe-reich als bislang gemessen werden (s Bild 8ndash9) Da so viel Strahlungsleistung selbst fuumlr einen erweiter-ten Wellenlaumlngenbereich nicht benoumltigt wird kann mit einem laserbasierten Messplatz im homogenen Fernfeld und mit houmlherer spektraler Reinheit gemessen werden und somit die Messunsicherheit signifikant reduziert werden

Bild 6 Aufbau eines laser-basierten Messplat-zes zur Kalibrierung der spektralen Bestrahlungsstaumlrke-Empfindlichkeit von Photometern Das eigentliche Laser-system ist in der unteren Haumllfte von a) skizziert und in b)als Foto dargestellt

a

b

13

Ruumlckfuumlhrung in der Photometrie hellipPTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4

Realisierung der spektralen Bestrahlungsstaumlrke

Wie bereits vorher erwaumlhnt ist zur Realisierung der Candela die Kenntnis der relativen spektralen Bestrahlungsstaumlrke Er(λ) = S(λ T) von Tempera-turstrahlern (Gluumlhlampen) der Verteilungstempe-ratur T erforderlich

Bereits zum Ende des neunzehnten Jahrhunderts beschaumlftigten sich an der Physikalisch-Techni-schen-Reichsanstalt (PTR) in Berlin die Wissen-schaftler Otto Lummer Ernst Pringsheim und Fer-dinand Kurlbaum unter der Leitung von Wilhelm Wien mit der Pruumlfung elektrischer Gluumlhlampen fuumlr die Industrie und in diesem Zusammenhang mit der Verbesserung von Lampen und Vergleichs-normalen fuumlr Waumlrmestrahlung [4]

Sie entwickelten basierend auf Ideen von Kirch-hoff ab 1895 die ersten Hohlraumstrahler die als sogenannter Schwarzer Strahler zur Erzeugung von Temperaturstrahlung bis zu etwa 2000 K ein-gesetzt werden konnten Aufbauend auf Vorarbei-ten von Kirchhoff (1859) Stefan und Boltzmann (187984) sowie auf eigene Berechnungen (1893) konnte Wilhelm Wien anhand erster Messergeb-nisse 1896 die heute nach ihm benannte Wiensche Strahlungsgleichung aufstellen die die Ergebnisse der Experimente gut traf allerdings systema-tische Abweichungen fuumlr groszlige Produkte von λ middot T ergab Die Wiensche Gleichung war jedoch wesentlich genauer als das von Rayleigh und Jeans aufgestellte Pendant mit seiner inhaumlrenten Ultraviolettkatastrophe

Am 19 Oktober 1900 konnte Max Planck der vom Gastwissenschaftler Heinrich Rubens uumlber die Messergebnisse in der PTR unterrichtet wurde in einer Sitzung der Physikalischen Gesellschaft eine Gleichung vorlegen die die Messungen seiner Kollegen in der PTR besser als alle bis dato bekannten Gleichungen wiedergab Bereits am 14 Dezember 1900 trug er die komplette Her-leitung der Planckschen Strahlungsgleichungwiederum der Berliner Physikalischen Gesellschaftvor und leitete damit (verbunden mit der Energie-quantelung) die Quantenphysik ein [5]

Mithilfe des Planckschen Strahlungsgesetzes laumlsst sich die spektrale Dichte der Bestrahlungs-staumlrke EλBB(λTBB) eines Hochtemperatur-Hohl-raumstrahlers (auch Planckscher Strahler oder Schwarzer Strahler) berechnen

E T T Ad

cn

ec

n Tλ

λ

λ ε λλ BB BB BB

BB

BBBB

( ) = ( ) sdot sdot sdot

minus2

12 5

1

12

(16)

Bild 7 Wellenlaumlngenabhaumlngige optische Leistung des herkoumlmmlichen DSR-Messplatzes (untere Kurven) und des Laser-DSR-Messplatzes einmal direkt hinter dem Laser gemessen (gruumlne Kurven) und einmal die Leistung der tatsaumlchlich in der Messebe-ne nutzbaren Strahlung (rote Kurven)

Bild 8 Photometer Referenzphotodiode (links) sowie Solarzelle (unten) am Laser-DSR-Messplatz

Bild 9 Mit dem Laser-DSR-Messplatz und dem DSR-Messplatz gemessene spektrale Empfindlichkeiten von zwei verschiedenen Photometern (gruumlne und blaue Kurve) sowie die spektrale Empfindlichkeit von der als Referenz benutzten Photodiode (rote Kurve) Die Signalhoumlhen unterscheiden sich um einen Faktor von bis zu 100 Millionen Obwohl das am Laser-DSR-Messplatz gemessene Photometer ca 7 mal unempfindlicher als das am DSR-Messplatz gemessene Photometer ist kann die spektrale Empfindlichkeit in einem deutlich groumlszligeren Wellenlaumlngenbereich gemessen werden

14

Das Jahr des Lichtes PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4

Hierbei ist

TBB die Temperatur des Planckschen Strahlers ε(λTBB) der effektive Emissionsgrad des Strahlers ABB die Groumlszlige der Strahleroumlffnung dBB der Abstand zur Referenzebene fuumlr die Bestrahlungsstaumlrke c1 c2 die Planckschen Strahlungskonstanten und n der Brechungsindex von Luft

In der PTB wird im Fachbereich 41 bdquoPho-tometrie und angewandte Radiometrieldquo ein Hochtemperatur-Hohlraumstrahler vom Typ BB3200pg als nationales Normal fuumlr spektrale Bestrahlungsstaumlrke im Spektralbereich 200 nm bis 2500 nm eingesetzt Der Strahler der vom russi-schen Institut fuumlr optophysikalische Messungen (VNIIOFI) entwickelt [6] und von der PTB fuumlr seine Messaufgabe aufwendig charakterisiert und optimiert wurde [7] besitzt einen Hohlraum aus pyrolytischem Graphit der mittels Gleichstrom auf Temperaturen bis 3200 K aufgeheizt werden kann Der Strahler besitzt einen effektiven Emissions-grad von ε(λTBB) gt 09998 und eine ausgepraumlgte Homogenitaumlt der Temperatur im Hohlraum Er kann somit als Planckscher Strahler behandelt werden

Zur Berechnung des Planckschen Strahlungs-gesetzes werden weitere Groumlszligen des SI-Systems benoumltigt die in der PTB ruumlckfuumlhrbar kalibriert werden So wird zum Beispiel die Strahlerflaumlche ABB in Fachbereich 53 bdquoKoordinatenmesstechnikldquo kalibriert und die Bestimmung der Strahlertem-peratur TBB erfolgt mithilfe von Filterradiometern die in Fachbereich 73 bdquoDetektorradiometrie und Strahlungsthermometrieldquo gegen ein Kryo-

radiometer ruumlckgefuumlhrt werden Mithilfe dieser Berechnungsparameter fuumlr Gleichung (16) kann der Schwarze Strahler als Primaumlrnormal fuumlr strah-lungsphysikalische Groumlszligen eingesetzt werden

Die Kalibrierung von Gluumlhlampen bezuumlglich spektraler Bestrahlungsstaumlrke erfolgt in Sub-stitution durch direkten Vergleich gegen das Primaumlrnormal bzw entsprechend ruumlckgefuumlhrte Sekundaumlrnormale Hierbei handelt es sich um 1000-W-Gluumlhlampen vom Typ FEL die mit einer Verteilungstemperatur von etwa 3080 K einem dem Schwarzen Strahler sehr aumlhnlichen Verlauf der relativen spektralen Strahlungsfunktion besitzen Die Substitution erfolgt mithilfe eines Spektroradiometers das mit drei Monochroma-toren und Empfaumlngern einen Spektralbereich von 250 nm bis 2500 nm abdeckt [8] Eine Ulbrichtku-gel dient als Eingangsoptik und ihre Eintrittsoumlff-nung als Referenzebene fuumlr die Bestrahlungsstaumlrke Die durch die Kugel transmittierte Strahlung gelangt in einen Vormonochromator und wird nach spektraler Vorzerlegung wahlweise in einen Monochromator fuumlr den Spektralbereich 250 nm bis 1100 nm oder in einen Monochromator fuumlr den infraroten Spektralbereich eingekoppelt Ein Photomultiplier eine Si-Photodiode und eine InGaAs-Photodiode erfassen die aus den derart kombinierten beiden Doppelmonochromatoren austretende Strahlung Im fuumlr die Photometrie relevanten sichtbaren Spektralbereich werden spektrale Messungen mit einer spektralen Band-breite von 1 nm und einem Streulichtanteil im Bereich von 10ndash7 durchgefuumlhrt

Das Verhaumlltnis der mit den unterschiedlichen Strahlern gemessenen Photostroumlme entspricht im Wesentlichen dem Verhaumlltnis ihrer spektralen Bestrahlungsstaumlrken Beim Vergleich eines Strah-

Bild 10 Der Hochtemperatur-Hohlraumstrahler BB3200pg der in der PTB als Primaumlrnormal fuumlr die spektrale Bestrahlungsstaumlrke eingesetzt wird Der Hohlraum aus Pyrographit kann bis zu 3200 K aufgeheizt werden

15

Ruumlckfuumlhrung in der Photometrie hellipPTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4

lers bdquoSldquo mit der Verteilungstemperatur T mit dem Schwarzen Strahler der Temperatur TBB laumlsst sich prinzipiell also die unbekannte spektrale Bestrah-lungsstaumlrke EλS (λT) ermitteln aus

E T E Ty

yS eS

λ λλ λλλ ( ) = ( ) sdot ( )( )BB BB

BB

wobei ys(λ) und yBB(λ) die fuumlr die beiden Strahler gemessenen Photostroumlme bei der Wellenlaumlngen-einstellung λ sind und EλBB (λTBB) die spektrale Bestrahlungsstaumlrke des Hochtemperatur-Hohl-raumstrahlers nach dem Planckschen Strahlungs-gesetz (16) ist

Ableitung und Weitergabe weiterer photometrischer Einheiten gerichteter photometrischer Groumlszligen

Neben der Einheit fuumlr die Lichtstaumlrke sind in der gerichteten Photometrie die Einheit der Beleuch-tungsstaumlrke zur Kalibrierung von Photometern und die Einheit der Leuchtdichte zur Angabe von Lampeneigenschaften besonders wichtig

Beleuchtungsstaumlrke

In der PTB werden Beleuchtungsstaumlrke-Messgeraumlte mit einem Referenzphotometer mittels der Substi-tutionsmethode kalibriert wobei die Lichteintritts-flaumlchen der Photometerkoumlpfe an derselben Stelle senkrecht und gleichmaumlszligig beleuchtet werden

Dazu wird zunaumlchst das Referenzphotometer (Linearitaumlt und Anpassungsindex m bekannt) mit Lichtstaumlrke-Normallampen beliebiger Vertei-lungstemperatur T kalibriert Durch Umstellung von Gleichung (13) folgt fuumlr seine photometrische Empfindlichkeit

s d y TI T

Tm

v K= sdot sdot

2

0 2856Ω( )( )

v

(18)

Auf einer 40 m langen Photometerbank siehe Bild 10 koumlnnen dann mit beliebigen Gluumlhlampen unterschiedlicher elektrischer Leistung aber bekannter Verteilungstemperatur Beleuchtungsstaumlrken zwischen 0001 lx und 10000 lx erzeugt werden

Die Kalibrierung von Beleuchtungsstaumlrke-Mess-geraumlten erfolgt meistens mit Licht der Normlicht-art A eine entsprechende Lampe ist in Bild 15 dargestellt Die Anzeige des zu kalibrierenden Beleuchtungsstaumlrke-Messgeraumltes wird mit dem Messwert der Beleuchtungsstaumlrke Ev des Referenz-photometers verglichen

E T ysv

vK( )= =2856

001

01

1

10

100

350 400 450 500 550 600 650 700 750

spek

tral

e Be

stra

hlun

gsst

aumlrke

E[microW

cm

sup2nm

]

Wellenlaumlnge λ [nm]

Schwarzer Strahler (3076 K)Schwarzer Strahker (2995 K)FEL 81 A (3080 K)FEL 67 A (2780 K)WI 41G 54 A (2700 K)

Bild 11 Spektrale Bestrahlungsstaumlrke unterschiedlicher Strahler im sichtbaren Spektralbe-reich Die als Sekundaumlrnormale eingesetzten 1000-W-Gluumlhlampen vom Typ FEL und die in der Photometrie verwendeten Gluumlhlampen vom Typ WI 41G besitzen einen sehr aumlhnlichen spektralen Verlauf wie der als Primaumlrnormal eingesetzte Schwarze Strahler bei unterschiedlichen Strahlertemperaturen

Bild 12 Der Messplatz fuumlr die Kalibrierung von Gluumlhlampen bezuumlglich spektraler Bestrah-lungsstaumlrke in der PTB Auf der rechten Seite befinden sich zwei als Sekun-daumlr- und Arbeitsnormale eingesetzte Gluumlhlampen Auf der linken Seite ist das Spektroradiometer zu sehen dass an seiner Oberseite eine Ulbrichtkugel als Eingangsoptik montiert hat deren Oumlffnung in Richtung Strahler als Referenzebene fuumlr die Bestrahlungsstaumlrke verwendet wird

Bild 13 Messplatz zur Weitergabe der Einheit der Beleuchtungsstaumlrke zur Kalibrierung von Photometern

(17)

(19)

16

Das Jahr des Lichtes PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4

Leuchtdichte

Leuchtdichten homogen leuchtender begrenzter Flaumlchen koumlnnen aus groszligem Abstand wie Licht-staumlrken gemessen werden Wird z B eine kreisfoumlr-mige Blendenoumlffnung (zentrisch und senkrecht zur Messrichtung) zwischen der leuchtender Flaumlche und dem Photometerkopf angeordnet und damit ein Teillichtstrom ausgesondert so kann dieser in groszligem Abstand als Lichtstaumlrke bestimmt werden und es gilt fuumlr die Leuchtdichte Lv der prinzipielle Zusammenhang

LIAvv= (20)

In der PTB wird fuumlr die mit Gluumlhlampen ausgestat-teten Leuchtdichtenormale (d h Verteilungstem-peratur T bekannt) zunaumlchst die photometrische Empfindlichkeit sv des Referenzphotometers wie in Abschnitt 41 bestimmt dann die Lichtstaumlrke nach Gleichung (13) gemessen und schlieszliglich die mittlere Leuchtdichte innerhalb der leuchtenden Flaumlche A nach Gleichung (20) berechnet

Fuumlr Leuchtdichtenormale gelten prinzipiell einige der im Kapitel bdquoLichtstaumlrke-Normallampenldquo aufgefuumlhrten Merkmale Sie unterscheiden sich jedoch im Detail in der Art der Ausfuumlhrung z B sind sie mit Gluumlhlampen oder mit LEDs bestuumlckt sie koumlnnen hinsichtlich der Leuchtdichte bzw Farbe durchstimmbar sein oder mit gesonderter Monitortechnik ausgestattet sein

Die traditionellen Messverfahren zur Bestim-mung der Leuchtdichte bzw die Verwendung von Photometern mit direkter Anzeige der Leuchtdich-tewerte werden zunehmend durch den Einsatz von Leuchtdichtekameras (pixelaufgeloumlste Darstellung von Leuchtdichteverteilungen) ergaumlnzt Eine abso-lute Kalibrierung dieser modernen Systeme stellt aber messtechnisch eine groszlige Herausforderung

Bild 14 Die 40 m lange photometrische Bank zur Realisierung und Weitergabe der Einhei-ten der gerichteten Photometrie

Bild 15 20-kW-Hochleistungshalogengluumlhlampe fuumlr hohe Beleuchtungsstaumlrken zur Kalibrierung von Beleuchtungsstaumlrke-Messgeraumlten u a mit Normlichtart A

Bild 16 Gluumlhlampenbasierte Normale zum Transfer der Leuchtdichte-Einheit

17

Ruumlckfuumlhrung in der Photometrie hellipPTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4

dar aktuell werden zur Charakterisierung solcher Kameras national im FNL3 (Normenausschuss bdquoPhotometrieldquo im DIN) und international in der CIE (TC2-59 TC2-62) u a Messverfahren dis-kutiert die dann mittels definierter Kenngroumlszligen beschrieben werden

Literatur

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temperature 1994[3] G Sauter Die Candela Erlaumluterungen zum Ver-

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[4] W Schreier (Hrsg) Biographien bedeutender Phy-siker 2 Aufl Volk und Wissen Berlin 1988S 203ndash205

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[7] P Sperfeld Entwicklung und Realisierungeiner empfaumlngergestuumltzten spektralen Bestrah-lungsstaumlrkeskala Dissertation Braunschweig2861999 httpwwwbibliotu-bsdeedissdata19990628a19990628ahtml(Letzter Aufruf 28102015)

[8] P Sperfeld S Pape B Barton From Primary Stan-dard to Mobile Measurements ndash Overview of theSpectral Irradiance Calibration Equipment at PTBMAPAN-Journal of Metrology Society of India 252010 S 11ndash19

Bild 17 Pixelaufgeloumlste Darstellung einer Leuchtdichteverteilung mit einer Leuchtdichtemesskamera

pim_140107_anz_forschung_178x29indd 1 280214 1033

18

PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4Das Jahr des Lichtes

Kurze Geschichte der Goniophotometrie in der PTB Matthias Lindemann

Zusammenfassung

Die Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB) ist das nationale Metrologieinstitut (NMI) der Bundesrepublik Deutschland das seinen Fokus auf die Realisierung Bewahrung und Weitergabe der SI-Einheiten richtet Deshalb hat auch die goniophotometrische Bestimmung des Licht-stroms nahezu beliebiger Lichtquellen eine lange Tradition Seit mehr als 50 Jahren werden in der PTB hierzu noumltige Messsysteme entwickelt genutzt verbessert und an neue Messaufgaben angepasst Schon in den 50er- und 60er-Jahren des vergangenen Jahrhunderts erlaubte ein soge-nanntes Einarm-Goniophotometer die Realisie-rung der Lichtstromeinheit lumen (lm) als direkte Ableitung von der SI-Basiseinheit Candela (cd) mithilfe von Lichtstaumlrke-Normallampen Spaumlter gestattete ein groszliges Kardan-Goniophotometer mit einem Messradius von 25 m die notwendige automatisierte spiralfoumlrmige Bewegung eines Photometers bzw eines Dreibereichsfarbmess-kopfes Fuumlr die Lichtstrom-Kalibrierungen von Kleingluumlhlampen aber auch von zunehmend nachgefragten Messungen an LEDs wurde schon in den fruumlhen 1980er Jahren ein sogenanntes Mini-Goniophotometer ebenfalls als Kardan-

Goniophotometer mit nur 03 m Messradius entwickelt und eingesetzt Dieser Entwicklungs-prozess haumllt an und ermoumlglicht heute die Kalibrie-rung auch modernster LED-Lichtquellen Im Jahr 2006 wurde das erste Roboter-Goniophotometer im neuen Albert-Einstein-Gebaumlude der PTB in Betrieb genommen und ermoumlglicht seitdem die Kalibrierung nahezu beliebiger Lichtquellen mit der noumltigen kleinen Messunsicherheit

1 Einfuumlhrung

Mehr als 11 der elektrischen Energie werden heute in Deutschland fuumlr Beleuchtung einge-setzt Tendenz steigend Daher ist der Lichtstrom oumlkonomisch gesehen die wichtigste photometri-sche Groumlszlige Es ist notwendig seine Einheit das Lumen (lm) direkt von der SI-Basiseinheit fuumlr die Lichtstaumlrke der Candela (cd) abzuleiten Dies geschieht regelmaumlszligig mittels Goniophotometrie um den Lichtstrom der zu untersuchenden Licht-quelle zu bestimmen Obwohl auch absolut arbei-tende Ulbricht-Kugel-Methoden existieren [1] benoumltigen diese streng genommen zumindest die relative raumlumliche Lichtstaumlrkeverteilung welche nur durch goniophotometrische Methoden messbar ist

Das Prinzip der Goniophotometrie ist unabhaumln-gig von der technischen Realisierung der unter-schiedlichen Goniophotometertypen Ein Gonio-photometer misst die raumlumliche Verteilung der Beleuchtungsstaumlrke E(r ϑ φ) auf einer geschlosse-nen Huumlllflaumlche mittels V(λ)-angepasstem Pho-tometer fuumlr alle Richtungen (ϑ φ) der Lichtaus-strahlung im vollen Raumwinkel (4π sr) um die Lichtquelle herum wie Bild 1 zeigt

Der Radiusvektor r(ϑ φ) beschreibt die Position des Photometers in Kugelkoordinaten und r(ϑ φ) durchstoumlszligt das zur Lampe gerichtete Eintrittsfens-ter immer orthogonal Der Radiusvektor r(ϑ φ) beschreibt auch die Entfernung zwischen Lampe und Photometer

Der Winkel ϑ beschreibt die Position des Photometers zwischen den Polen traditionell im Bereich (0 lt ϑ lt π) Der Winkel φ beschreibt die Photometer-Position in der Aumlquator-Richtung

Matthias Lindemann Arbeitsgruppe bdquoGoniophotometrieldquo EshyMail matthiaslindemannptbde

Bild 1 Beleuchtungsstaumlrke E als Funktion des Radiusvektors r(ϑ φ)

19

PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4 Kurze Geschichte der Goniophotometrie in der PTB

(0 lt φ lt 2π) Der Wert des Lichtstroms Φ der Lampe kann aus der Beleuchtungsstaumlrkeverteilung E(ϑ φ) berechnet werden entweder aus der Licht-staumlrkedefinition I = dΦdω oder aus der Defini-tion der Beleuchtungsstaumlrke E = dΦdΑ

Φ = ( )int I ϑ ϕ ω4πsr

d (1)

Φ = ( )int E Ar

ϑ ϕ4 2π

d (2)

Das Raumwinkelelement dω der Gleichung (1) ist gegeben durch

d sin d dω ϑ ϑ ϕ= ( ) (3)

und das Flaumlchenelement dA der Gleichung (2) erhaumllt man aus

d sin d dA r= ( ) ( )2 ϑ ϕ ϑ ϑ ϕ

(4)

Der Radius r des Radiusvektors r(ϑ φ) kann als Konstante behandelt werden da er sich gewoumlhn-lich waumlhrend einer goniophotometrischen Messung nicht aumlndert Dann kann die Lichtstaumlrke-verteilung I(ϑ φ) durch Anwendung des photome-trischen Grundgesetzes aus der Beleuchtungsstaumlr-keverteilung E(ϑ φ) bestimmt werden

I r Eϑ ϕ ϑ ϕ ( ) = ( )2 (5)

Falls die photometrisch wirksame Ausdehnung rL der zu messenden Lampe deutlich kleiner ist als der Messradius r des Goniophotometers ist kann Gleichung (1) mit Gleichung (3) und r = const wie folgt geschrieben werden

Φ = ( ) ( )intintr E2

00

2

d sin dϕ ϑ φ ϑ ϑππ

(6)

Andererseits fuumlhrt Gleichung (2) mit Glei-chung (4) und r = const ebenfalls auf Gleichung (6) Aber fuumlr groszlige Lampen koumlnnte die Anwen-dung von Gleichung (5) zu fehlerhaften Ergeb-nissen fuumlhren (rL gt r) aber der ermittelte Wert des Lichtstroms entsprechend Gleichung (6) waumlre korrekt falls das Photometer das einfallende Licht mit dem Kosinus des Einfallswinkels bewertet

2 Geschichte der Goniophotometer- Systeme in der PTB

Wie bereits teilweise in Abschnitt 1 diskutiert sollte ein ideales Goniophotometer eine Reihe von Anforderungen erfuumlllen wie die folgende Auflis-tung zeigt

1 Kalibrierung der Photometer mittels Licht-staumlrke-Normallampen zur Sicherung der Ruumlckfuumlhrung auf die nationale Realisierung der Einheit Candela

2 Ausfuumlhrung einer Relativbewegung zwischen Lampe und Photometer wobei sich ϑ-Achse und φ-Achse rechtwinklig schneiden

3 Verwendung eines V(λ)-angepassten Photo-meters zur Lichtstrommessung

4 Automatische Messdatenanalyse5 Unabhaumlngige Bestimmung des Lichtstromwer-

tes von der raumlumlichenspektralen Verteilung der gemessenen Bestrahlungsstaumlrke Ee(λ ϑ φ) des Lichts

6 Unabhaumlngigkeit der Empfindlichkeit des Pho-tometers von der Umgebungstemperatur bzw Durchfuumlhrung einer entsprechenden Korrektur

7 Beliebige Betriebslage der zu untersuchenden Lampe

8 Einstellbare Umgebungsbedingungen fuumlr Luft-temperatur und Luftfeuchte

9 Geringer Streulichtanteil im Messraum bzw Streulicht-Korrektur

10 Elektrische Antriebe fuumlr die Bewegung der ϑ- und φ-Achsen

11 Verwendung von Farbmesskoumlpfen zur Bestim-mung der raumlumlich wirksamen aumlhnlichsten Farbtemperatur undoder Bestimmung der relativen raumlumlichen spektralen Verteilung der gemessenen Bestrahlungsstaumlrke

12 Messung ohne Bewegung der zu untersuchen-den Lampe

13 Vollstaumlndige Abtastung der Beleuchtungs-staumlrke- bzw Lichtstaumlrkeverteilung der zu untersuchenden Lampe

14 Staumlndige Uumlberwachung des photometrischen Betriebsverhaltens der Lampe um Alterung waumlhrend der Messzeit erkennen bzw korrigie-ren zu koumlnnen (sogenanntes Monitorsystem)

15 Messraumwaumlnde sollen etwa auf Lufttem-peratur sein um den Strahlungsaustausch zwischen Entladungslampen und Waumlnden des Messraums zu stabilisieren

16 Online-Streulichtkorrektur ndash insbesondere fuumlr ausgedehnte Lampen wie Leuchtstofflampen da diese den Einsatz eines Streulichttubus mit groumlszligerem Gesichtsfeld erfordern

17 Die Beleuchtungseinrichtung des Gonio-photometerraums soll zur Messzeit abgedeckt und ausgeschaltet sein um den Streulichtan-teil nicht zu erhoumlhen

18 Variation des Messradius r (Validierung von Nahfeld-Fernfeld-Messungen mit abbilden-den Systemen)

In der Goniophotometrie sind verschiedene Koor-dinatensysteme wie Bild 1a zeigt zu unterscheiden Dies sind regelmaumlszligig das Lampenkoordinatensys-tem Lamp das Raumkoordinatensystem Room und

20

PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4Das Jahr des Lichtes

das Goniophotometerkoordinatensystem bezogen auf dessen Zentrum Center Bild 1a zeigt moumlgliche Offsets zwischen diesen Systemen in Translation und Rotation

Um folgende Betrachtungen und Erklaumlrungen zu vereinfachen werden die genannten Koordina-tensysteme als deckungsgleich angenommen das heiszligt es werden keine Offsets in Translation und Rotationen zwischen den Koordinatensysteme vorausgesetzt

Im Weiteren werden die Eigenschaften Vor- und Nachteile der uumlber Dekaden in der PTB entwi-ckelten und genutzten Goniophotometer unter Beruumlcksichtigung der gewuumlnschten vorstehend gelisteten Eigenschaften diskutiert Es beginnt mit einem einfachen Einarm-Goniophotometer aus den 50er-Jahren des vergangenen Jahrhunderts und endet zumindest vorlaumlufig mit dem State-of-the-art-Roboter-Goniophotometer das 2007 in Betrieb ging

21 Einarm-Goniophotometer (1950ndash1975)

In der Zeit von 1950 bis 1975 wurde ein manuell betriebenes Einarm-Goniophotometer nach Bild 2 benutzt In den 50er-Jahren war diese Messappara-tur noch mit einem visuellen Photometer ausge-stattet Dieses Photometer erlaubte die relative Messung von Beleuchtungsstaumlrken mittels einer im Photometer installierten Hilfslampe in Verbindung mit einem optischen Abschwaumlcher [2 Seite 321] Die Ruumlckfuumlhrung auf die nationale Lichtstaumlrke-Einheit die Candela war durch Kalibrierung des visuellen Photometers mit Lichtstaumlrke-Normal-lampen sichergestellt (dies erfuumlllt Anforderung 1 der Anforderungsliste) entsprechend basieren auch Abstandsmessungen auf der nationalen Laumln-geneinheit dem Meter

Wegen der Lageabhaumlngigkeit der internen Hilfs-lampe im Innern des visuellen Photometer war es an einer festen Stelle der Messapparatur ange-bracht wie Bild 2 zeigt Ein Spiegel-Prismen-Sys-tem leitete das Licht der zu untersuchenden Lampe auf das Photometer Eine detaillierte Beschreibung aumlhnlicher Systeme kann [2 Seite 319] entnommen werden Damit ist Anforderung 2 ebenfalls erfuumlllt

Die vollstaumlndige Bestimmung des Lichtstroms Φ erfordert eine groumlszligere Anzahl Messungen von Beleuchtungsstaumlrken fuumlr ebenso viele manuell eingestellte unterschiedliche Kugelkoordina-ten (ϑ φ) Wird die fiktive Kugel gemaumlszlig Bild 1 in ϑ-Richtung in parallele Zonen eingeteilt und jede dieser Zonen i ist wiederum in n Sektoren j gleicher Laumlnge (Δφ = const) mit den zugehoumlrigen Beleuchtungsstaumlrken Eij unterteilt ist es moumlglich die mittlere Beleuchtungsstaumlrke Endashi jeder Zone i nach Gleichung 7 zu bestimmen

E Ei n i jj

n

==sum1

1 (7)

und der Wert des Lichtstroms Φ ergibt sich weiter aus der numerischen Integration nach Gleichung (8)

Φ = ( )minus ( )( )+

=sum2 2

10

1

πr cos cosϑ ϑi ii

m

iE-

(8)

Die Anzahl der notwendigen Beleuchtungsstaumlr-kemessungen haumlngt von der raumlumlichen Lichtver-teilung der zu untersuchenden Lampe ab Wegen der manuellen Einstellung des groszligen Arms (ϑ) der Drehung der Lampe (φ) und des gleichfalls noumltigen manuellen Abgleichs des visuellen Pho-tometers ist diese Methode sehr zeitaufwendig Sollen beispielsweise 600 Punkte gemessen werden (aus heutiger Sicht also nicht besonders viele) und man benoumltigt ca 25 Sekunden pro Messung werden also mehr als 4 Stunden benoumltigt um eine

Bild 1a Koordinatensysteme

Bild 2 Einarm-Go-niophotometer 1950ndash1975

21

PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4 Kurze Geschichte der Goniophotometrie in der PTB

Lampe mit relativ homogener raumlumlichen Licht-verteilung zu messen

In 1963 wurde ein internationaler Lichtstrom-vergleich auf der Basis von Entladungslampen ohne Fluoreszenzstoff durchgefuumlhrt Diese Lampen wiesen eine massive Inhomogenitaumlt ihrer raumlumlichen Lichtverteilung auf sodass die beschriebene manuelle Methode wegen der noumltigen hohen Anzahl von Messpunkten nicht praktikabel war Zur Loumlsung dieses Problems in [3] beschrieben wurde das visuelle Photometer durch einen grob an V(λ)-angepassten Photover-vielfacher ersetzt zusaumltzlich wurde die φ-Achse mit einem elektrischen Antrieb versehen und ein Praumlzisionskondensator ermoumlglichte die analoge Integration des Photostroms des Photovervielfa-chers Damit konnte fuumlr jede der erforderlichen ϑ-Einstellungen des groszligen Arms der elektri-sche Antrieb der φ-Achse diese mit konstanter Winkelgeschwindigkeit rotieren lassen waumlhrend der Praumlzisionskondensator den Photostrom des Photovervielfachers integrierte Nach etwa t = 5 min fuumlr eine Umdrehung repraumlsentierte die Ladung Q = C middot U des Praumlzisionskondensators die mittlere Beleuchtungsstaumlrke

E k C Uti = sdot (9)

dieser gemessenen Zone i Daraus berechnet sich der Lichtstrom wiederum gemaumlszlig Gleichung (8) Es ist nicht noumltig das Produkt k ∙ C exakt zu kennen da dies uumlber das Kalibrierverfahren durch die bekannte Beleuchtungsstaumlrke einer Lichtstaumlrke-Normallampe eliminiert werden kann es muss lediglich uumlber die gesamte Messzeit hinweg kons-tant sein

Spaumlter in den 1960er-Jahren wurde auch das visuelle Photometer durch ein modernes V(λ)-angepasstes Photometer basierend auf gefilterten Silizium-Photodioden in Kombination mit einen PhotostromSpannungswandler und einem xy-Plotter ersetzt Man erhielt so die Beleuchtungs-staumlrkeverteilung jeder Zone die sich dann leicht mit grafischen oder numerischen Verfahren inte-grieren lieszlig Es wird spaumlter gezeigt werden dass diese verwendete bdquoanaloge Zonenintegrationldquo sehr aumlhnlich der heutigen digitalen zonalen Bewertung ist

Diese letzten 2 Verbesserungen erfuumlllen die Anforderung 3 und teilweise auch die Anforde-rung 4

22 Kardan-Goniophotometer (1976ndash2007)

Das existierende Einarm-Goniophotometer war immer auf eine bdquohelfende Handldquo angewiesen um es von Punkt zu Punkt zu bewegen Die anschlie-szligende Berechnung des Lichtstroms wurde grund-saumltzlich ebenfalls haumlndisch ausgefuumlhrt Dieses Ver-

fahren war dementsprechend sehr zeitaufwendig und der zunehmende Wunsch der Industrie auch groszlige Objekte wie z B lange Leuchtstofflampen aber spaumlter auch sehr kleine Mikrolampen und erste LEDs zu kalibrieren fuumlhrte zur Entwicklung sogenannter Kardan-Goniophotometer ver schie-dener Ausfuumlhrungen

221 Groszliges Kardan-Goniophotometer

Nach der intensiven Umgestaltung einiger Raumlume im Koumlsters-Bau der PTB war es moumlglich im neuen Goniophotometerraum (7 x 10 x 8 m3) das Kar-dan-Goniophotometer [4] zu installieren Bild 3 zeigt das groszlige Kardan-Goniophotometer Am Bildoberrand ist eine zu kalibrierende stabfoumlrmige Leuchtstofflampe zu sehen

Dieser Raum war zusaumltzlich auch mit einer geregelten elektrischen Heizung ausgestattet um die geforderten Messbedingungen bezuumlglich Umgebungstemperatur einstellen zu koumlnnen Im Prinzip besteht ein Kardan-Goniophotometer wie in Bild 4 gezeigt aus 3 Rahmen wobei der aumluszligere α-Rahmen der raumlumlichen Ausrichtung (durch Drehung um die y-Achse) der zu untersu-chenden Lampe dient Innerhalb dieses aumluszligeren α-Rahmens ist der mittlere φ-Rahmen endlos drehbar um die z-Achse gelagert Der innere ϑ-Rahmen ist wiederrum drehbar im φ-Rahmen gelagert jedoch ist seine Bewegung auf knapp 180deg durch den noumltigen Lampenhalter begrenzt Alle 3 Rahmen sind mechanisch ausgeglichen und mit elektrischen Antrieben versehen Ihre Rotationsgeschwindigkeiten waren per 10-Gang-Praumlzisionspotentiometer einstellbar eine Folge der angewandten analogen Regelung der Achsan-triebe Die Winkelbestimmung der Achsen erfolgte mittels 13-bit-Winkelencodern Das Photometer war am ϑ-Rahmen (Bild 4) platziert und ermoumlg-lichte so einen festen Messradius von 2500 mm Es bestand die Moumlglichkeit ein zweites Photometer

Bild 3 Kardan-Goniophotometer 1976ndash2007

22

PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4Das Jahr des Lichtes

oder einen Farbmesskopf auf der gegenuumlberliegen-den Seite des ϑ-Rahmens einzusetzen

In diesem Fall war der Arbeitsbereich limitiert im Bereich 4deg lt ϑ lt 176deg da jeweils Lampenhalter von rechts und links zur Aufnahme einer beispiels-weise stabfoumlrmigen Leuchtstofflampe eingesetzt werden konnten (siehe auch Bild 3) Im Falle von einseitig gesockelten Lampen wurde meist nur ein PhotometerFarbmesskopf verwendet was eine Drehung der gegenuumlberliegenden Messkopf-aufnahme um 90deg ermoumlglichte Diese sogenannte bdquoKroumlpfungldquo lieszlig dann Raum fuumlr den nun einseiti-gen Lampenhalter und der Arbeitsbereich vergrouml-szligerte sich zu 0deg lt ϑ lt 176deg

Entsprechend der Gleichung (6) muss die gemessene Beleuchtungsstaumlrkeverteilung uumlber den vollen Raumwinkel 4π sr zum Wert des Licht-stroms integriert werden So ist es naheliegend digitale uumlber die Zeit integrierende Methoden zur Erfassung und Speicherung der gemessenen Beleuchtungsstaumlrkewerte zu verwenden Bild 5 zeigt den Signalfluss Sowohl Photometer- undoder Farbmesskopf als auch Photostrom-Fre-

quenz-Wandler waren temperaturstabilisiertDer Photostrom des Photometers mit seiner

photometrischen Empfindlichkeit s normalisiert auf die CIE-Lichtart A wird mittels Ruumlckkopp-lung Rg eines Photostromverstaumlrkers in eine Spannung U gewandelt und weiter durch einen Spannungs-Frequenzwandler in eine Frequenz f mit dem zugehoumlrigen Wandlungsfaktor wf kon-vertiert Diese Frequenz wird letztlich von einem digitalen Zaumlhler kontinuierlich gezaumlhlt Simultan wird die Quarz-Frequenz fq durch einen zweiten digitalen Zaumlhler erfasst um waumlhrend der spaumlteren Datenanalyse die urspruumlnglichen Photostroumlme berechnen zu koumlnnen Diese Methode stellt damit die schon erwaumlhnte Signal-Zeit-Integration sicher

Die die zu untersuchende Lampe umgebene fiktive Kugel ist wie Bild 5 zeigt in Zonen und Sektoren unterteilt Infolge der analogen Geschwindigkeitsregelung der zwei bewegten Rahmen sind positive und negative Beschleu-nigungsphasen am Anfang und am Ende einer vollstaumlndigen Abtastung und Lastreaktionen des rotierenden Systems und die damit verbundenen geringen Gleichlaufschwankungen unvermeid-bar Die Unterteilung jeder Zone in Sektoren mit der Laumlnge Δφj als Gewichtung reduziert jedoch diesen Einfluss Damit berechnet sich die mittlere Beleuchtungsstaumlrke Endashi nach Gleichung (10)

Es w R

fyt

fjj

ni j

i j=

sdot sdot sdot( )sdot sdot minus

=sum1

2 10

πϕ

f gq∆∆

∆

(10)

mit der Dunkelfrequenz f0 (Photometer abgeschat-tet) und den Differenzsignal-Zaumlhlungen Δyi j und den Differenzzeit-Zaumlhlungen Δti j jeweils vom Sek-toranfang bis zum Sektorende Wiederum koumlnnte der Lichtstrom nach Gleichung (8) bestimmt werden jedoch werden jetzt noch Korrekturfakto-ren fuumlr das Streulicht cstr der spektralen Fehlanpas-sung des Photometers cspec und Abweichungen von den nominalen elektrischen Betriebsbedingungen celec eingefuumlhrt wie nun Gleichung (11) zeigt

Φ = sdot sdot sdot sdot minus( ) sdot+=

minus

sumc c c r Ei ii

m

istr spec elec cos cos2 21

0

1

π ϑ ϑ

(11)

Im Verlauf einer Lichtstrommessung werden neben dem Photometer auch die Waumlnde des Messraums von der zu untersuchenden Lampe beleuchtet Diese Beleuchtung wird ebenfalls vom im Goniophotometer verwendeten Photometer bdquogesehenldquo und fuumlhrt zu einer Streubeleuchtung auf dem Lichteintrittsfenster dieses Photome-ters Diese Streubeleuchtung haumlngt einerseits vom Reflexionsgrad der verwendeten Wandfarbe (ρ asymp 3 ) und vom Gesichtsfeld des sich vor dem

Bild 4 Groszliges Kardan-Goniophotometer 1976ndash2007

Bild 5 Signalfluss

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PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4 Kurze Geschichte der Goniophotometrie in der PTB

Photometer befindlichen Streulichtreduzierungs-tubus ab Daher muss fuumlr jeden eingesetzten Tubus mit seinem individuellen Gesichtsfeld der wirksame spezifische Streulichtkorrekturfaktor cstr bestimmt werden Diese koumlnnen ermittelt werden indem Blenden mit unterschiedlichen Durchmes-sern zwischen der zu untersuchenden Lampe und dem Photometer waumlhrend normalen Lichtstrom-messungen positioniert werden Eine detaillierte Beschreibung kann [5] entnommen werden

Die technische Realisierung eines Photometers ist immer nur eine Naumlherung fuumlr V(λ) Dies bedeu-tet dass im Prinzip in allen Faumlllen diese spektrale Fehlanpassung korrigiert werden muss Allgemein kann der spektrale Korrekturfaktor cstr fuumlr alle Lampen mit beliebiger Strahlungsfunktion S(λ) nach Gleichung (12) bestimmt werden

cV S

s S

V P T

s Pspek

rel

A

rel

d

d

d=

( )sdot ( )( ) sdot ( )

( ) sdot ( )( ) sdot

intint

intint

λ λ λ

λ λ λ

λ λ λ

λ

λλ λTA d( )

(12)

Hierzu ist jedoch die Kenntnis der relativen spektralen Empfindlichkeit srel(λ) des Photome-ters notwendig P(λ TA) bezeichnet dabei einen Planckstrahler mit einer Verteilungstemperatur von TA = 2856 K

Im Fall von Gluumlhlampen ist ein etwas einfache-rer Weg fuumlr diese Korrektur ohne die Kenntnis von srel(λ) moumlglich Gleichung (13) beschreibt die Abhaumlngigkeit der Beleuchtungsstaumlrke E(T) von der Verteilungstemperatur T

E Ty T

sTT

m

( ) = ( )

A

y

(13)

eines gemessenen Photostroms y(T) und der pho-tometrischen Empfindlichkeit s des Photometers fuumlr Lichtart A Eine charakteristische Eigenschaft des Photometers ist der Exponent my bdquoyldquo indiziert den Exponent fuumlr ein V(λ)- angepasstes Photome-ter oder den y-Kanal eines Dreibereichsfarbmess-kopfes wobei die anderen Kanaumlle unterschiedliche Werte fuumlr diese Exponenten haben Ein ideales Photometer wuumlrde einen Wert von 0 fuumlr diese Exponenten aufweisen Beispielsweise beschreibt my = 0018 ein qualitativ durchaus gutes Photo-meter Der Exponent my (und auch mx und mz) koumlnnen aus einem Fit bekannter Paare (E(T) T) einer Lichtstaumlrke-Normallampe bei verschiedenen Arbeitspunkten wie in [6 7] beschrieben gefun-den werden Damit kann der Korrekturfaktor cspec fuumlr Gluumlhlampen wie folgt geschrieben werden

c TT

my

specA

=

(14)

Werden Gluumlhlampen in der Naumlhe von CIE-Licht-art A betrieben ist die Korrektur auf elektrische Nominalbedingungen celec ebenfalls nach Glei-chung (15) sehr einfach da der Lichtstrom eine Funktion des Betriebsstroms J ist

c JJ

m

elec

J

=

minus

0 (15)

Hier ist J0 der Nominalstrom und mJ cong 684 Mehr Information kann in [7] gefunden werden

Die Datenanalyse fuumlr einen Dreibereichsfarb-messkopf erfolgt in gleicher Weise und man erhaumllt die Normfarbwertanteile (x y) aus den Gleichun-gen (16 17)

x =+ +Φ

Φ Φ ΦX

X Y Z (16)

y =+ +Φ

Φ Φ ΦY

X Y Z (17)

Leider konnten nur der Lichtstrom und die zuge-houmlrigen Normfarbwertanteile bestimmt werden da aufgrund der geringen Speichermoumlglichkeit der verwendeten Computertechnik die raumlumliche Information verlorenging

Daher wurden im Jahre 1991 alle Computer Analogsysteme die Verdrahtung und viele weitere Elemente durch moderne Ausruumlstung ersetzt Von nun an konnten alle Rohdaten mittels geeigneter Speichermedien dauerhaft bewahrt werden Das galt auch fuumlr groszlige Datenmengen des ab 1997 eingesetzten Array-Spektrometers zur Messung der relativen spektralen Leistungsverteilung der Strahlung synchron zur Lichtstrombestimmung Leider wiesen Photometer und Einkoppeloptik des Array-Spektrometers unterschiedliche Gesichtsfel-der auf und hatten etwas unterschiedliche Positi-onen auf dem Goniophotometer was die Daten-analyse komplizierte Dennoch konnten erstmalig raumlumliche spektrale Informationen uumlber zu untersuchende Lampen ermittelt werden Damit erfuumlllte das groszlige Kardan-Goniophotometer in seiner Ausbaustufe von 1997 die Anforderungen 1ndash14 aus Abschnitt 2 Die relative erweiterte Mes-sunsicherheit fuumlr den Lichtstrom fuumlr k = 2 betrug jetzt 060

222 Kleines Kardan-Goniophotometer

Fuumlr die Messung kleiner Lampen und LEDs wurde in den fruumlhen 1980er-Jahren ein dem groszligen Kardan-Goniophotometer sehr aumlhnliches kleines Kardan-Goniophotometer mit einem Messra-dius von nur 300 mm entwickelt hergestellt und

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PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4Das Jahr des Lichtes

betrieben Das Foto in Bild 6 zeigt dieses seinerzeit sogenannte bdquoMini-Goniophotometerldquo

Die Messtechnik entsprach nahezu vollstaumln-dig dem groszligen Kardan-Goniophotometer bis hin zum Signalfluss einschlieszliglich Spannungs-Frequenzwandler und nachgeschalteten Zaumlhlern Damit sind alle Aspekte dieser Apparatur bereits in Abschnitt 221 diskutiertIm Jahre 2007 wurde dieses Instrument durch ein spezielles Goniophotometer fuumlr die Messung von LEDs ersetzt siehe auch Kapitel Metrologie fuumlr moderne Lichtquellen LEDs und OLEDs [10]

23 Roboter-Goniophotometer (2006 bis heute)

Am Ende der 1990er-Jahre wurde die Planung eines neuen Goniophotometertyps mehr und mehr konkret Nahezu gleichzeitig entschied sich die PTB fuumlr den Neubau eines modernen Gebaumludes fuumlr die Abteilung Optik dem heutigen Albert-Einstein-Bau Infolge dieses Zusammentreffens

beider Ereignisse konnte bei der Planung das neue Gebaumlude quasi um das neue Roboter-Goniopho-tometer herum geplant und spaumlter auch so gebaut werden

In 19951996 zeigte G Sauter dass Gonio-photometrie mittels Robotern moumlglich ist und erhebliche Vorteile gegenuumlber den bisher verwendeten Kardan-Goniophotometern auf-weist [8] Wie weiterhin in [8] beschrieben sind sogenannte Service-Roboter gut geeignet um ein Roboter-Goniophotometer zu realisieren Diese zeichnen sich durch eine schlanke Konstruktion mit langen Armen bei gleichzeitig relativ gerin-gem Gewicht aus Sie verfuumlgen uumlber eine hohe Flexibilitaumlt um beispielsweise ein Photometer auf gewuumlnschten Bahnen mit unterschiedlichen Radien (1000 mm lt r lt 3000 mm) auf der fiktiven Kugeloberflaumlche um die Lampe herumzufuumlhren Jeder Roboter verfuumlgt uumlber 7 Freiheitsgrade (engl seven degrees of freedom 7 DOF) Dies garantiert die notwendige Flexibilitaumlt und das erforderli-che Arbeitsvolumen Zur Abdeckung des vollen Raumwinkels 4π sr sind daher 2 der beschriebenen Roboter notwendig Ein dritter aumlhnlicher Roboter positioniert dabei die zu untersuchende Lampe in der gewuumlnschten Brennstellung im Raum Alle Roboter-Basen sind direkt mit dem Stahlbeton des Gebaumludes verbunden um eine langzeitstabile raumlumliche Positionierung der Roboter zu gewaumlhr-leisten Bild 8 zeigt das Roboter-Goniophotometer waumlhrend der Messung einer LED-Signalleuchte

Im Gegensatz zu Kardan-Goniophotometern ist der Messradius variabel in dem alle 7 Achsen in entsprechende Positionen gebracht werden Wegen der groszligen Redundanz eines 7-DOF-Roboters kann die Zielposition einschlieszliglich Orientierung durch eine sehr groszlige Anzahl unter-schiedlicher Einstellungen der 7 Achsen erreicht werden Daher wird eine Strategie benoumltigt um die jeweilige Achs einstellung zu finden Diese

Bild 6 Kleines Kardan-Goniophotometer 1982ndash2007

Bild 7 Arm des Roboter-Goniophotometers

Bild 8 Roboter-Goniophotometer 2006 bis heute

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PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4 Kurze Geschichte der Goniophotometrie in der PTB

Strategie ist relativ simpel Sie besagt dass alle Achseinstellungen derart gefunden werden dass saumlmtliche Bestandteile des Roboters einen maxi-malen Abstand zum Zentrum des Roboters haben sollen um das von der Roboterstruktur reflektierte Streulicht moumlglichst gering zu halten Eine beson-dere Software ist notwendig um alle Achswinkel ausgedruumlckt in counts jedes Winkelencoders fuumlr jede Achse zu bestimmen um die gewuumlnschten Kugelkoordinaten (r ϑ φ) anzufahren Waumlhrend der Messung der zu untersuchenden Lampe liest das Roboter-Kontrollsystem alle 10 ms diese counts jeder Achse und versucht jede Achse entsprechend diese Vorgabe einzustel-len Nach dieser Einstellung welche fuumlr alle 7 Achsen gleichzeitig erfolgt werden die Ist-Winkel jeder Achse wiederum in counts synchron gelesen und mit den zugehoumlrigen photo-metrischen Daten und elek trischen Daten des Lampenbetriebs in eine Datenbank gespeichert Prinzipiell ist der Signal-fluss dem des in Abschnitt 221 beschriebenen groszligen Kardan-Goniophotometers sehr aumlhnlich Aber es gibt ein zusaumltzliches wichtiges Element den sogenannten Zeitstempel Da ein weit verteiltes Datenerfassungssystem vorliegt wird ein Mecha-nismus zur Datensynchronisierung in Form eines 1-Mhz-Taktes verwendet Dieser ist im gesamten System verfuumlgbar Beim Messungsstart synchron gestartete Zaumlhler erlauben daher die spaumltere Synchronisierung aller angefallenen Daten Wie beschrieben ist die Position jeder Achse und damit die Position und Orientierung des Photometers das Ergebnis eines Regelprozesses Somit ist es not-wendig die tatsaumlchliche Position und Orientierung des Photometers aus den gespeicherten Daten der Winkelencoder zu berechnen

In der Robotik ist es uumlblich einen Roboter des

verwendeten Typs wie eine biegesteife mechani-sche Kette mit sogenannten Denavit-Hartenberg-Parametern (DH-Parameter) zu beschreiben [9] Die Tabelle 1 zeigt diese DH-Parameter am Beispiel des Roboters 1

Mit diesen Parametern und den aktuellen Winkeln θi fuumlr jede Achse ist die Berechnung der Position bzw Orientierung der siebten Achse in Basis-Koordinatensystem des Roboters moumlglich Hierzu werden 7 Matrizen nach Gleichung (18) ver-wendet Jede Matrize beschreibt die Position (blau) und Orientierung (gruumln) jeder einzelnen Achse

Die PositionierungOrientierung der Achse 7 ergibt sich aus dem Vektorprodukt T1 T2 T3 T4 T5 T6 T7

Um jedoch die Koordinaten in Bezug auf das Koordinatensystem der fiktiven Kugel zu erhalten muumlssen 2 weitere aumlhnliche Matrizen verwendet werden Die sogenannte Base Frame Matrix F beschreibt die Positionierung und Orientierung des Roboter-Koordinatensystems zum Koor-dinatensystem der fiktiven Kugel waumlhrend die Matrix W die Positionierung und Orientierung des Photometers zur Achse 7 beschreibt Nun laumlsst sich die Position und Orientierung des Photome-ters P im Koordinatensystem der fiktiven Kugel mit Gleichung (19) beschreiben

P = F T1 T2 T3 T4 T5 T6 T7 W (19)

axisi Δθi offset to rotation around Z-axis

αi rotation around X-axis

di

translation in Z-axis

αi

translation in X-axis

1 ndash1438deg 45024deg 0000 mm ndash0400 mm

2 191088deg ndash90026deg 2686322 mm 0696 mm

3 178585deg 89996deg 274088 mm 0781 mm

4 6229deg ndash90022deg 1410499 mm 0474 mm

5 ndash0141deg ndash89955deg 173036 mm ndash0779 mm

6 ndash0924deg 90032deg 1191007 mm 0223 mm

7 180443deg 90007deg 91130 mm 0000 mm

Tabelle 1 DH-Parameter von Roboter 1

T

a

i

i i i i i i i i i i i

=

+( ) minus +( ) +( ) +cos sin cos sin sin cos∆ ∆ ∆ ∆θ θ θ θ α θ θ α θ θ(( )+( ) +( ) minus +( ) +sin cos cos cos sin sin∆ ∆ ∆ ∆θ θ θ θ α θ θ α θ θi i i i i i i i i i ia (( )

00 0 0 1

sin cosα αi i id

(18)

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Bild 9 zeigt die Achsenkoordinatensysteme (17) das Base-Frame-Koordinatensystem und das Koordinatensystem des Photometers zur Achse 7 in schematischer Weise Das Koordinatensys-tem der fiktiven Kugel faumlllt mit dem Zentrum des Goniophotometers zusammen und wird mit Center bezeichnet P ist jetzt auf dieses Center-Koordinatensystem bezogen Zusaumltzlich ist eine typische Bahn eingezeichnet Wegen des aller-dings nicht dargestellten Lampenhalters ist diese Bahn im oberen Bereich verdichtet um eine Kollision mit dem Lampenhalter zu vermeiden Wie bereits erwaumlhnt setzt die Verwendung von Gleichung (19) einen biegesteifen Roboter voraus der in der Praxis nicht existiert P ist also von statischen Gewichtskraumlften des Roboters dyna-mischen Kraumlften infolge der Bewegung als auch von thermischen Laumlngenaumlnderungen uumlberlagert Daher muss Gleichung (19) um eine entspre-chende Korrektur C erweitert werden Glei-chung (20) zeigt nun das endguumlltige Modell zur Bestimmung von P

wobei C

t tT Rθ θ

θ θ1 7

1 7 dd

dd amb

diese finale Korrektur basierend auf den Winkeln θ1θ7 aller Achsen ihren zeitlichen Ableitungen

dd

dd

θ θ1 7

t t

und der Umgebungstemperatur Tamb beschreibt

Der letzte Parameter R steht fuumlr einen groszligen Datensatz und beschreibt Eigenschaften des Roboters wie Abmessungen Teilmassen usw Die Berechnung von C() ist aufwendig und wurde vom Hersteller des Roboters ausgefuumlhrt Aus Gruumlnden des Wettbewerbs muss diese Berechnung vertrau-lich behandelt werden und kann daher hier nicht veroumlffentlicht werden Jedoch kann die Wirkung von C() beispielhaft auf den Messradius mitgeteilt werden (siehe Bild 10)

Die noumltige Radiuskorrektur rcorr bewegt sich im Bereich ndash2 mm lt rcorr lt 3 mm je nach Position (θ φ) des Photometers Der Aumlquatorbereich benouml-tigt eine groumlszligere Korrektur infolge hier wirksamer groumlszligerer Zentrifugalkraumlfte als die Polregion Der Radius selbst laumlsst sich dann aus der Positionssub-matrix von P bestimmen

Der Signalfluss stimmt im Wesentlichen mit dem wie in Bild 5 gezeigt uumlberein Prinzipiell kann der Lichtstrom mit den Gleichungen (11) und (10) berechnet werden da aber nun 2 Photometer benutzt werden muss dies fuumlr jede Hemisphaumlre also fuumlr jeden Roboter separat geschehen Die Gleichungen (21) und (22) demonstrieren das

Bild 9 Koordinatensystem des Roboter-Gonio-photometers und Beispielbahn

P Ct t

T R F T T T T T T=

sdot sdot sdot sdot sdot sdot sdot sdotθ θ

θ θ1 7

1 71 2 3 4 5 6

dd

dd amb TT W7 sdot

(20)

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PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4 Kurze Geschichte der Goniophotometrie in der PTB

fuumlr Roboter 1 Der Radius r1i befindet sich dabei innerhalb der Summation von Gleichung (22) Das Roboter-Goniophotometer ist zusaumltzlich mit einem Monitorphotometer ausgeruumlstet Dieses Photometer wird waumlhrend der Messung nicht bewegt ist aber staumlndig von einem fixen Punkt aus auf die zu untersuchende Lampe gerichtet und erlaubt somit die Korrektur einer moumlglichen Alterung der Lampe waumlhrend des Messprozesses als Funktion der Zeit (cmon(t1i))

Es w R

fyt

fi jj

ni j

i j1

1 1 11

1

1

11 0

12

1

=

( )sdot minus

=sumπ

ϕf g

q∆∆

∆

(21)

Φ1 1 1 12

1 1 1 12= sdot sdot sdot sdot ( ) sdot minus( )+c c r c ti i i ii

str spec mon cos cosπ ϑ ϑ==

minus

sum sdot0

1

1

1m

iE

(22)

Roboter 2 wird in gleicher Weise behandelt und der Lichtstrom ergibt sich somit aus der Summe von Φ1 und Φ2 korrigiert mit dem elektrischen Korrekturfaktor celec aus Gleichung (15)

Φ Φ Φ= sdot +( )celec 1 2 (23)

Die Bestimmung der Streulichtkorrektur cstr unter-scheidet sich methodisch von jener des Kardan-Goniophotometers Es ist schwierig Blenden zwischen Photometer und Lampe zu positionieren wie in [5] beschrieben Hier wird die Streulicht-korrektur cstr direkt aus der Leuchtdichteverteilung auf den Waumlnden des Messraums bestimmt Mit der Kenntnis der geometrischen und photometrischen Eigenschaften des Raumes der raumlumlichen Licht-staumlrkeverteilung der Lampe und dem verwendeten Streulichttubus vor dem Photometer lieszlige sich die Streulichtkorrektur cstr berechnen Hier jedoch wird diese Korrektur mit sogenannten Back-Loo-king-Photometern bestimmt [11]

Bild 11 zeigt ein Foto der bdquoRoboterhandldquo mit mon-tiertem Photometer und Back-Looking-Photometer Letzteres ist ein wenig schraumlg ausgerichtet um nicht im Bereich des Schattenwurfs des Photome-ters auf den Waumlnden zu messen

Bild 12 zeigt beispielhaft eine typische in finite Flaumlchenelemente gerasterte Streulichtsituation im Goniophotometermessraum wie sie durch die zu untersuchende Lichtquelle generiert wird Dieses Beispiel arbeitet mit finiten Flaumlchen der Groumlszlige 05 m middot 05 m um die Flaumlchen sichtbar zu machen Zur realen Berechnung werden Flaumlchen der Groumlszlige 01 m middot 01 m verwendet Natuumlrlich ist der Streulichtanteil auf der aktiven Flaumlche des

Bild 10Wirkung der Radiuskorrektur

Bild 11 Photometer (links) und Back-Looking-Photometer (rechts)

Bild 12 Wirkung des Streulichts und seine Bestimmung

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PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4Das Jahr des Lichtes

Photometers eine Funktion des Gesichtsfeldes des jeweils verwendeten Streulichttubus vor dem Photometer Derzeit werden 2 Tuben je nach Groumlszlige der Lichtquelle mit Oumlffnungswinkeln von ca 15deg und ca 225deg verwendet Ihre typischen Korrekturwerte betragen etwa 09995 und 09990 Da jeder Messroboter mit diesem Back-Looking-Photometer ausgeruumlstet ist kann so der Streulicht-anteil fuumlr jedes Photometer bestimmt werden Da die Back-Looking-Photometer bdquoruumlckwaumlrtsldquo gerichtet sind wird also jeweils die Streulichtkorrektur fuumlr den gegenuumlberliegenden Messroboter bestimmt Damit ist es moumlglich den Wert des Lichtstroms mit zugehoumlriger Messunsicherheit zu bestimmen Tabelle 2 illustriert Ergebnisse einer vereinfachten Monte-Carlo-Simulation (MC) am Beispiel einer OSRAM-Wi4-Lichtstrom-Normallampe Ihre Lichtstaumlrkeverteilung ist in Bild 13 wiedergegeben

Die MC basiert auf den folgenden Gleichun-gen (24) Werte der wichtigsten Beitraumlge zur Mes-sunsicherheit koumlnnen der Tabelle 2 entnommen werden Eine detailliertere Beschreibung der Roboter und Analyse der Messunsicherheit kann [12] entnom-men werden

Bild 13 Raumlumliche Lichtstaumlrkeverteilung einer OSRAM-Wi4-Lichtstrom-Normallampe

Quantity Symbol Value Uncertainty Unit Sensitivity Contribution lm Relative contribution

Luminous responsivity 1 s1 3065E-10 9195E-13 A lxndash1 188E+12 173 000150

Luminous responsivity 2 s2 4111E-10 12333E-12 A lxndash1 143E+12 177 000153

Spectral matching exponent 1 m2 y 0021 0015 1 20 030 000026

Spectral matching exponent 2 m2 y 0036 0015 1 18 027 000023

CCT or distribution temperature T 2762 10 K 0012 012 000011

Uncertainty in r Δr 0000 00020 m 901 180 000156

Calibration factor for frequency F cFH 1000 00005 1 1141 057 000049

Calibration factor for frequency ƒ cFD 1000 00050 1 104 005 000005

Voltage to frequency converter 1 w1 f 500849 25 Hz Vndash1 0012 031 000027

Voltage to frequency converter 2 w2 f 500561 25 Hz Vndash1 00118 029 000026

Amplification gain 1 R1 g 1000E+09 99996 Ω 6223E-07 006 000005

Amplification gain 2 R2 g 9997E+08 99966 Ω 5430E-07 005 000005

Calibration factor for cmon ccm 1000 00005 1 1162 058 000050

Correction factor for stray light cstr 09995 00005 1 1134 057 000049

Luminous flux Φ 11541 327 00028

Tabelle 2 Unsicherheitsbudget

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PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4 Kurze Geschichte der Goniophotometrie in der PTB

Somit ergibt sich zurzeit eine erweiterte Mess-unsichert von 056 fuumlr k = 2 Dies entspricht etwa der Messunsicherheit welche mit dem groszligen Kardan-Goniophotometer erreichbar war Im Unterschied zum Kardan-Goniophotometer (fester Messradius) verfuumlgt das Roboter-Goniophotometer jedoch uumlber die noumltige hohe Flexibilitaumlt (z B durch Variation des Messradius) die noumltig ist um kuumlnftige Anforderungen erfuumlllen zu koumlnnen Eben diese hohe Flexibilitaumlt fuumlhrt bei der Bestimmung des Messradius zu relativ groszligen Messunsicherheiten Hier koumlnnte die Verwendung einer Lookup-Table oder eine On-Line-Verfolgung mittels Tracer-Syste-men der Bahnen diese Unsicherheit verkleinernMittlerweile ist das Roboter-Goniophotometer voll-staumlndig charakterisiert und wird fuumlr beleuchtungs-staumlrkebasierte Lichtstromkalibrierungen und auch fuumlr internationale Vergleiche eingesetzt Damit werden auch die Anforderungen (15ndash17) erfuumllltIm naumlchsten Schritt wird das Roboter-Goniopho-tometer mit Leuchtdichtemesskameras ausgeruumlstet

werden um es als bdquoNahfeld-Goniophotometerrdquo einzusetzen Es wird dann die direkte Messung der Leuchtdichteverteilung erlauben aus welcher nahezu alle noumltigen photometrischen Groumlszligen abgeleitet werden koumlnnen Dieser kuumlnftige Schritt wird dann auch den letzten Punkt (18) der Anfor-derungen erfuumlllen

3 Zusammenfassung

Die Geschichte der Goniophotometrie in der PTB uumlber einen Zeitraum von mehr als 50 Jahren wird praumlsentiert Verschiedene Goniophotometer ange-fangen vom manuell bewegten Einarm-Goniopho-tometer mit visuellem Photometer uumlber das groszlige und kleine Kardan-Goniophotometer bis hin zum bdquoState-of-the-art-Roboter-Goniophotometerldquo fuumlr das 21 Jahrhundert werden beschrieben Das Letztere hat das Potenzial in der traditionellen Betriebsart aber auch im Nahfeldmodus uumlber viele Jahre eingesetzt zu werden Neu aufkommende

Quantity Symbol Value Uncertainty Unit Sensitivity Contribution lm Relative contribution

Luminous responsivity 1 s1 3065E-10 9195E-13 A lxndash1 188E+12 173 000150

Luminous responsivity 2 s2 4111E-10 12333E-12 A lxndash1 143E+12 177 000153

Spectral matching exponent 1 m2 y 0021 0015 1 20 030 000026

Spectral matching exponent 2 m2 y 0036 0015 1 18 027 000023

CCT or distribution temperature T 2762 10 K 0012 012 000011

Uncertainty in r Δr 0000 00020 m 901 180 000156

Calibration factor for frequency F cFH 1000 00005 1 1141 057 000049

Calibration factor for frequency ƒ cFD 1000 00050 1 104 005 000005

Voltage to frequency converter 1 w1 f 500849 25 Hz Vndash1 0012 031 000027

Voltage to frequency converter 2 w2 f 500561 25 Hz Vndash1 00118 029 000026

Amplification gain 1 R1 g 1000E+09 99996 Ω 6223E-07 006 000005

Amplification gain 2 R2 g 9997E+08 99966 Ω 5430E-07 005 000005

Calibration factor for cmon ccm 1000 00005 1 1162 058 000050

Correction factor for stray light cstr 09995 00005 1 1134 057 000049

Luminous flux Φ 11541 327 00028

Φ = sdot

sdot

+ sdot sdotminus

c JJ

TT

r r c c tm

m

i i

y

strA

cm monj

0

12

1

1

( ) ∆ (( )sdot minus( ) sdotsdot sdot minus

+=

minus=sumsum

cos cosFH FD

ϑ ϑ

ϕ

1 1 10

1 11

11

1

i ii

m jj

n

i jc F c∆ sdotsdot( )sdot sdot

+

+ sdot sdot (

f

s w R

TT

r r c c tm

i i

y

1 0

1 1 1

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2

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Acm mon∆ ))sdot minus( ) sdot

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2 2 10

1 11

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2

i ii

m jj

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i jc F c∆ ff

s w R

2 0

2 2 2

( )sdot sdot

f g

(24)

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PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4Das Jahr des Lichtes

Anforderungen fuumlr die Ruumlckfuumlhrung photome-trischer Einheiten wie beispielsweise im Solid-State-Lighting-Bereich koumlnnen so erfuumlllt werden

Literatur

[1] Y Ohno 1995 Realization of NIST Luminous Flux Scale Using an Integrating Sphere with an External Source CIE Proceedings 23rd Session New Delhi

[2] R Sewig 1938 Handbuch der Lichttechnik Band 1 pp 319 321 Berlin Springer Verlag

[3] D Foumlrste 1966 Zur Lichtstrommessung an Lam-pen mit ungleichmaumlszligiger Lichtverteilung PTB-Mitteilungen 166 pp 18ndash20 Braunschweig PTB

[4] D Foumlrste 1979 Ein Goniophotometer zur genauen Bestimmung des Lichtstroms Licht-Forschung 1 Jahrgang 379 pp 30ndash36 Heidelberg Huumlthig Verlag

[5] D Foumlrste 1980 Elimination des Fremdlichts bei der Lichtstrombestimmung mit dem Gonio-photometer Licht-Forschung 2 Jahrgang 180 pp 27ndash29 Heidelberg Huumlthig Verlag

[6] W Erb 1997 PTB Network for realization and maintenance of the candela Metrologia 3497 pp 115ndash124 Bristol UK

[7] G Sauter 1996 Kalibrierung von Lichtstaumlrke-Normallampen und Angabe der Messunsicherheit PTB interner Bericht Braunschweig PTB

[8] G Sauter 1996 Goniophotometry new calibra-tion method and instrument design Metrologia 32 (199596) pp 685ndash688 Bristol UK

[9] httpenwikipediaorgwikiDenavit-Hartenberg_Parameters (letzter Aufruf 03122015)

[10] M Lindemann 2009 Photometry and Colori-metry of Reference LEDs by Using a Compact Goniophotometer MAPAN ndash Journal of Metro-logy Society of India Vol 24 No 3 pp 143ndash152 New Delhi India

[11] G Bizjak 2009 Determination of Stray Light at the PTB Goniophotometer Facility MAPAN ndash Jour-nal of Metrology Society of India Vol 24 No 3 pp 163ndash173 New Delhi India

[12] M Lindemann et al 2015 Robot goniopho-tometry at PTB Metrologia 52 pp 167ndash194 Bristol UK

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PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4Das Jahr des Lichtes

1 Eine einleitende Beschreibung von Gluumlhlampen LEDs und OLEDs

Der Einsatz Licht Emittierender Dioden (LED) in der Allgemeinbeleuchtung hat in den vergangenen Jahren erheblich zugenommen Ein entscheiden-der Vorteil der LED gegenuumlber der traditionellen Gluumlhlampe liegt in ihrer uumlberlegenen Lichtaus-beute ηv ndash dem Verhaumlltnis des emittierten Licht-stroms Φv und der aufgenommenen elektrischen Leistung Pel angegeben in LumenWatt

Dieser Vorteil beruht auf den Unterschieden der zugrunde liegenden Technologien der Lichterzeu-gung beider Lampentypen Bei einer (Halogen-)Gluumlhlampe wird der Gluumlhfaden durch elektrischen Strom auf Temperaturen um 3000 K aufgeheizt Obwohl hierbei fast die gesamte elektrische Leis-tung in Strahlung umgewandelt wird ndash Verluste durch thermische Konvektion oder Waumlrmeleitung sind gering ndash kann das menschliche Auge lediglich einen geringen spektralen Anteil der ungefaumlhr 5 der Gesamtstrahlungsleistung ausmacht wahr-nehmen Der Groszligteil der Strahlungsleistung liegt im infraroten Spektralbereich und kann nicht fuumlr Beleuchtungszwecke genutzt werden In Bild 1 ist die spektrale Verteilung einer Gluumlhlampe bei einer Temperatur von 2856 K im Spektralbereich

von 300 nm bis 1200 nm dargestellt Das sichtbare Licht im Spektralbereich zwischen 360 nm und 830 nm ist mit den entsprechenden Spektralfarben hinterlegt Oberhalb 830 nm beginnt der fuumlr das menschliche Auge unsichtbare infrarote Anteil der Strahlung

Der fuumlr photometrische Messungen normativ festgelegte spektrale Hellempfindlichkeitsgrad V(λ) also die Hellempfindlichkeit des Auges eines bdquoNormalbeobachtersldquo ist mit seinem Maximum bei 555 nm schwarz eingezeichnet

Da die Gluumlhlampe eine thermische Strahlungs-quelle ist verschiebt sich mit zunehmender Tem-peratur die Lage des Strahlungsmaximums ent-sprechend des Wienschen Verschiebungsgesetzes zu kuumlrzeren Wellenlaumlngen Um die Lichtausbeute von Gluumlhlampen zu erhoumlhen muumlsste man das Strah-lungsmaximum durch Temperaturerhoumlhung in den kurzwelligeren Bereich des sichtbaren Lichts verschieben Die Maximaltemperatur ist jedoch bei Gluumlhfaumlden aus Wolfram auf etwa 3000 K begrenzt ndash bei houmlheren Temperaturen nimmt die Lebensdauer drastisch ab

Das Funktionsprinzip einer LED-Lichtquelle basiert auf dem Phaumlnomen der Elektrolumines-zenz Der prinzipielle Aufbau einer LED aumlhnelt einer pn-Halbleiterdiode Durch Anlegen einer Gleichspannung rekombinieren Ladungstraumlger in der p-n-Grenzschicht der Leuchtdiode unter Emission von Strahlung Durch gezielte Auswahl der verwendeten Halbleitermaterialien und ihrer Dotierung wird deren Bandluumlcke und somit die Farbe des emittierten Lichtes bestimmt Im Jahr 1992 gelang der Durchbruch in der Entwicklung hocheffizienter blauer LEDs die den Einsatz von LEDs zur Allgemeinbeleuchtung erst ermoumlgli-chen Die zugrunde liegenden Forschungsarbei-ten wurden 2014 mit dem Nobelpreis fuumlr Physik gewuumlrdigt [1]

Eine schmalbandige Lichtemission ist charak-teristisch fuumlr LEDs Dementsprechend verfuumlgt ihr Licht uumlber eine hohe Farbsaumlttigung Durch die Bedeckung des LED-Chips mit breitbandig pho-tolumineszierenden Farbstoffen wird ein Teil der Strahlung in energieaumlrmeres langwelligeres Licht konvertiert und es entstehen Mischfarben wie

Metrologie fuumlr moderne Lichtquellen LEDs und OLEDs Thorsten Gerloff

Thorsten Gerloff Arbeitsgruppe bdquoPhotometrieldquo EshyMail thorstengerloffptbde

Bild 1 Spektrale Verteilung einer Gluumlhlampe und spektraler Hellempfindlichkeitsgrad (V(λ)-Funktion)

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i Infokasten LED

Lichtausbeute einer Strahlungsquelle ηv

Die Lichtausbeute einer Strahlungsquelle gibt das Verhaumlltnis aus ausgestrahltem Lichtstrom und aufgenommener elektrischer Leistung an Die Einheit ist LumenWatt (lmW) Je houmlher die Lichtausbeute ist umso energieeffizienter ist die Beleuchtung Gluumlhlampen besitzen Lichtausbeuten zwischen 10 und 20 lmW

Lichtstrom Φv

Der Lichtstrom beruumlcksichtigt den Hellempfind-lichkeitsgrad V(λ) des Auges und gibt die in alle Raumrichtungen abgegebene bdquoLichtleistungldquo einer Lampe an Der Lichtstrom enthaumllt keine Information daruumlber wie die Lampe das Licht im Raum verteilt Der Lichtstrom gibt an wie hell ein beleuchteter Raum dem Menschen erscheint

Spektraler Hellempfindlichkeitsgrad V(λ)

Der exakt definierte spektrale Hellempfindlich-keitsgrad V(λ) ist eine Bewertungsfunktion fuumlr elektromagnetische Strahlung Hiermit wird der bdquoHelligkeitseindruck eines menschlichen Durch-schnittsaugesldquo berechnet Dies ermoumlglicht den objektiven Vergleich von Lichtquellen mit physika-lischen Messmethoden Subjektive Wahrnehmun-gen einzelner Menschen koumlnnen damit nicht exakt wiedergegeben werden

Aumlhnlichste Farbtemperatur TN

Es gibt unterschiedliche Farbtemperaturen in der Photometrie Verhaumlltnis- und Verteilungstem-peratur sind nur bei thermischen Strahlern wie der Gluumlhlampe anwendbar Nur die aumlhnlichste Farbtemperatur (englisch Correlated Colour Temperature CCT) laumlsst sich fuumlr Lichtquellen mit beliebiger spektraler Zusammensetzung berech-nen sofern die Normfarbwertanteile aumlhnlich einem thermischen Strahler sind Die aumlhnlichste Farbtemperatur wird in der Einheit Kelvin (K) angegeben Sie gibt an ob das Licht warmweiszlig (ca 3000 K) neutralweiszlig (ca 4500 K) oder tages-lichtweiszlig (gt5500 K) erscheint

Normfarbwertanteile (x y)

Fuumlr die Angabe von Farbe gibt es neben dem spek-tralen Hellempfindlichkeitsgrad V(λ)noch weitere definierte Bewertungsfunktionen Hiermit laumlsst sich die Farbwahrnehmung eines fiktive Normalbeob-achters aus der gemessenen spektralen Verteilung des Lichts durch Angabe von nur zwei Werten (x und y) angeben Diese Werte geben die Koordi-naten auf der Normfarbtafel (s Abbildung) an

Normfarbtafel

Farbwiedergabeindex Ra

Der Farbwiedergabeindex ist eine Kennzahl fuumlr Lichtquellen der bewertet die Qualitaumlt der Farb-wiedergabe Je houmlher der Wert desto besser ist die Farbwiedergabe Der Maximalwert liegt bei 100 Werte zwischen 90 und 100 geben eine ausgezeich-nete Farbwiedergabe an Werte unter 80 sind fuumlr viele Anwendungen nicht ausreichend

Im Folgenden soll ein kleiner Leitfaden gegeben werden der in allgemeinverstaumlndlicher Form die grundlegenden Ideen wichtiger lichttechnischer Groumlszligen erlaumlutern soll Komplexe Details der zugrunde liegenden Normen und Definitionen werden hierbei nicht beruumlcksichtigt

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PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4Das Jahr des Lichtes

Pastellfarbtoumlne oder auch weiszliges LichtIn Bild 2 sind die spektralen Verteilungen einer

LED mit und ohne Leuchtstoff abgebildet In der linken Abbildung erkennt man die schmalbandige blaue Emission des LED-Chips In der rechten Abbildung wird ein Teil dieser Strahlung durch einen Leuchtstoff in laumlngerwelliges Licht konver-tiert und die Mischfarbe erscheint weiszlig

Der Vorteil einer LED gegenuumlber einer Gluumlh-lampe bezuumlglich der Lichtausbeute ist offensicht-lich Es wird ndash von unvermeidbarer thermischer Verlustleistung abgesehen ndash nur Strahlung im sichtbaren Wellenlaumlngenbereich emittiert Daruumlber hinaus ist die Farbe des Lichts von LEDs durch Kombination verschiedener Leuchtstoffe und LEDs nahezu beliebig einstellbar und man ist nicht auf aumlhnlichste Farbtemperaturen von ca 3000 K wie bei der Gluumlhlampe begrenzt

Allerdings gibt es auch Nachteile gegenuumlber dem Licht einer Gluumlhlampe Dem typischen Spektrum einer LED-Lichtquelle fehlen im Gegensatz zu Sonnenlicht oder Gluumlhlampenlicht einzelne Spekt-ralfarben Dies macht sich negativ bei der Qualitaumlt der Farbwiedergabe bemerkbar

Die Farbe des emittierten Lichts einer LED laumlsst sich durch additive Farbmischung sehr aumlhnlich zu Sonnenlicht oder auch Gluumlhlampenlicht einstellen Wenn jedoch Objekte mit Licht beleuchtet werden kommt es auch auf die spektrale Zusammensetzung des Lichts an Nehmen wir einen Blumenstrauszlig aus roten Rosen der im Tageslicht steht Im Son-nenlicht sind alle Spektralfarben vorhanden und diese beleuchten die Rosen Die roten Bluumltenblaumltter absorbieren einige spektrale Anteile des Lichts und reflektieren im Wesentlichen rotes Licht welches in das Auge des Betrachters faumlllt Wenn die Rosen von einer anderen Lichtquelle beleuchtet werden in der die roten Spektralanteile zumindest teilweise fehlen koumlnnen diese nicht reflektiert werden und die Farben der Rosen erscheinen unnatuumlrlich

Dies ist von weitreichender Bedeutung fuumlr die Wahl einer geeigneten Lichtquelle da wir einen Kompromiss aus Licht mit guter Farbwieder-gabe und hoher Lichtausbeute schlieszligen muumlssen Licht mit hoher Farbwiedergabe setzt sich aus moumlglichst vielen Spektralfarben zusammen und Lichtquellen mit hoher Lichtausbeute sollten nur Spektralfarben beinhalten fuumlr die das menschliche Auge besonders empfindlich ist In den Auszligenbe-zirken vieler Staumldte werden zur Nachtbeleuchtung der Gehwege haumlufig Natriumdampflampen mit orangefarbenem Licht eingesetzt Die Lichtaus-beute dieser Lampen ist mit etwa 150 lmW auszligerordentlich hoch da das menschliche Auge in diesem Spektralbereich sehr empfindlich ist Diese Beleuchtung ist jedoch ungeeignet um Farben natuumlrlich wiederzugeben Aufgrund des Aufbaus des menschlichen Auges ist es also nicht moumlglich eine Beleuchtung mit sehr hoher Qualitaumlt der Farbwiedergabe bei gleichzeitig sehr hoher Lichtausbeute zu realisieren

Weiszlige LEDs zur Allgemeinbeleuchtung nutzen in der Regel Leuchtstoffe die teilweise qualita-tiv hochwertige Farbwiedergabeeigenschaften besitzen Eine weitere Methode zur Erzeugung von weiszligem Licht ist das Mischen von rotem gruumlnem und blauem Licht (RGB-Verfahren) welches die Grundlage jedes Displays ist Hierbei sind neben weiszligem Licht auch andere Lichtfarben moumlglich ndash die Farbwiedergabeeigenschaften sind allerdings schlecht Fuumlr die Endverbraucher sind in der Regel die Farbwiedergabeeigenschaften von Lichtquellen als Ra-Werte auf der Verpackung angegeben

Organische Licht Emittierende Dioden (OLED) sind eine junge Beleuchtungstechnologie die noch keinen Zugang zum Massenmarkt erhalten hat Die weltweit erste kommerzielle OLED-Leuchte wurde 2008 vertrieben Der fuumlr den Nutzer wesentliche Unterschied zwischen OLEDs und LEDs besteht im Aufbau Der leuchtende Kristall

Bild 2 Spektrale Verteilung einer blauen LED (links) und einer weiszligen LED (rechts) bei der ein Teil des blauen Lichts zu gelbem Licht konvertiert wurde

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PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4 Metrologie fuumlr moderne Lichtquellen

anorganischer LEDs besitzt eine maximale Kan-tenlaumlnge von etwa einem Millimeter Bei OLEDs wird das Licht in groszligflaumlchigen amorphen organi-schen Schichten erzeugt Momentan sind OLEDs mit leuchtenden Flaumlchen von bis zu 20 x 20 cmsup2 erhaumlltlich Das Licht wird aumlhnlich wie bei LEDs durch Ladungstraumlgerrekombination unter Auftre-ten von Elektrolumineszenz erzeugt Dabei ist das Emissionsspektrum der verwendeten organischen Emittermaterialien wesentlich breitbandiger als das einer LED (vgl Bild 3) Daher wird das weiszlige Licht von OLEDs in der Regel durch Verwendung von roten gruumlnen und blauen Emittermaterialien erzeugt ohne dass die Farbwiedergabeeigenschaf-ten sehr stark darunter leiden

2 Entwicklung von (O)LED-Transfer-normalen in der PTB

Eine der Kernaufgaben der PTB ist die Weiter-gabe der gesetzlichen Einheiten Bis zum heuti-gen Tage bieten Transfernormale in Form von speziellen Gluumlhlampen die besten Eigenschaften um als Maszligverkoumlrperung der Einheiten Candela oder Lumen zu dienen Da der Anwender in der Regel jedoch die Substitutionsmethode bei seinen Messungen anwendet um notwendige Korrektu-ren auf ein Minimum zu reduzieren (Gleiches mit Gleichem vergleichen) sind auch Transfernormale auf Basis der LED-Technologie von Interesse

Bereits in den 80er-Jahren des vergangenen Jahr-hunderts wurden LEDs in der PTB kalibriert Diese waren fuumlr Beleuchtungszwecke noch ungeeignet und dienten lediglich als Signallampen Zeitgleich wurden die ersten PTB-LED-Transfernormale entwickelt deren optische Eigenschaften durch thermische Regelung des LED-Chips stabilisiert wurden Die mechanische Ausrichtung der LEDs leistet aufgrund des typischerweise stark gerichteten Abstrahlprofils der LEDs einen groszligen Beitrag auf die Messunsicherheit Daher werden die LEDs seit

2002 in ein rotationssymmetrisches robustes VA-Stahl-Gehaumluse eingebaut welches sich sehr repro-duzierbar ausrichten laumlsst (vgl Bild 4)

Diese Transfernormale werden unter Konstant-Strom-Bedingungen und ndash durch gezieltes Aufhei-zen des LED-Chips durch den Heizwiderstand ndash unter Konstant-Spannung-Bedingungen betrieben Aufgrund der halbleitenden Eigenschaften sinkt mit steigender Temperatur die Betriebsspannung und sowohl der Lichtstrom als auch die Peakwellenlaumlnge des emittierten Lichts veraumlndert sich Die Sollspan-nung wird auf einen Wert festgelegt der unterhalb der Gleichgewichtsspannung durch Eigenerwaumlr-mung im Betrieb ohne Heizwiderstand bei einer Umgebungstemperatur von etwa 35 degC liegt Somit ist auch ein Einsatz der Transfernormale in Laboren ohne Klimatisierung moumlglich

Fuumlr LEDs mit houmlheren Leistungen wurde im Jahr 2011 ein weiterer Prototyp eines Transfernormals vorgestellt (vgl Bild 5) Da die hier verwendeten LEDs eine houmlhere Leistungsaufnahme besitzen werden sie waumlrmer Das reduziert die Lebensdauer und Reproduzierbarkeit der photometrischen

Bild 3 Exemplarische spektrale Verteilung einer weiszligen OLED

Bild 4 Temperaturgeregeltes LED-Transfernormal auf Basis von Kleinleistungs-LEDs mit Lichtstroumlmen von bis zu 10 Lumen

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PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4Das Jahr des Lichtes

Groumlszligen deutlich Daher muumlssen sie gekuumlhlt werden Hierfuumlr kommt bei diesen Normalen ein Peltier-Element zum Einsatz welches geregelt Waumlrme in einen dahinterliegenden Kuumlhlkoumlrper leitet und hierdurch das emittierte Licht stabilisiert Diese Transfernormale zeichnen sich durch ein geringes

Gewicht bei einer Laumlnge von ca 100 mm und einem Durchmesser von etwa 20 mm aus Allerdings ist die Verwendung von LEDs mit sehr hohen Leistun-gen nicht moumlglich da die Abwaumlrme lediglich passiv an den Raum abgegeben wird Eine detaillierte Beschreibung der Eigenschaften dieses Transfer-normals wurde 2012 veroumlffentlicht [2]

Fuumlr die thermische Stabilisierung von LEDs mit sehr hohen Leistungen wurde ein weiteres Trans-fernormal unter Einsatz von Peltier-Elementen Heatpipes und aktivem Kuumlhlsystem in der PTB entwickelt (vgl Bild 6)

Im Rahmen des europaumlischen Forschungspro-jekts OLED100eu wurde in der PTB weiterhin das weltweit erste Transfernormal unter Einsatz einer organischen Leuchtdiode entwickelt (vgl Bild 7) Dieses Normal wurde fuumlr den Einsatz in einer Ulbricht-Kugel konzipiert und in ein mattes Aluminiumgehaumluse eingebaut Eine Besonderheit dieses Normals ist die Stand-Alone-Versorgungs-einheit die ohne Rechner o auml saumlmtliche relevan-ten elektrischen und thermischen Groumlszligen regelt und auf einem USB-Stick speichert

3 LED-Messtechnik in der PTB

Neben LED-Transfernormalen mit guter Reprodu-zierbarkeit ist eine hochentwickelte Messtechnik fuumlr deren Kalibrierung mit minimaler Messunsi-cherheit erforderlich

Die photometrische Beschreibung von LEDs erfolgt durch Angabe ihrer Lichtstaumlrke ILED mit der Einheit Candela und ihrem Lichtstrom ΦLED mit der Einheit Lumen Diese Groumlszligen werden in der PTB unter Verwendung ruumlckgefuumlhrter Photometer bestimmt Hierfuumlr wird die Beleuchtungsstaumlrke ELED unter definierten geometrischen Bedingungen fuumlr alle Abstrahlrichtungen der LED mit einem Goniophotometer gemessen

Fuumlr die Bestimmung der colorimetrischen Werte kommen Spektralradiometer zum Einsatz Hiermit werden spektrale Bestrahlungsstaumlrken gemessen und daraus die abgeleiteten colorime-

Bild 5 Temperaturgeregeltes LED-Transfernormal auf Basis von Hochleistungs-LEDs mit Lichtstroumlmen von bis zu 100 Lumen Im rechten Bild ist die Temperaturverteilung in Grad Celsius waumlhrend des Betriebs abgebildet

Bild 6 Temperaturgeregeltes LED-Transfernormal auf Basis von Houmlchstleistungs-LEDs mit Lichtstroumlmen von bis zu 2500 Lumen

Bild 7 Temperaturgeregeltes OLED-Transfernormal auf Basis kommerziell erhaumlltlicher OLEDs

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PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4 Metrologie fuumlr moderne Lichtquellen

trischen Kenngroumlszligen wie z B die Normfarb-wertanteile (x y) bei weiszligen LEDs die aumlhnlichste Farbtemperatur TN mit der Einheit Kelvin und bei farbigen LEDs die dominante Wellenlaumlnge λdom berechnet Grundlegende Informationen und Definitionen uumlber die photometrischen und colorimetrischen Groumlszligen und deren Messung sind in [3] [4] und [5] zu finden

In Bild 8 ist der Aufbau des LED-Messplatzes an der PTB zu sehen Fuumlr die Bestimmung der Mess-groumlszligen in alle raumlumlichen Abstrahlwinkel wird die LED durch ein Goniophotometer bewegt

Die LED wird in horizontaler Betriebslage zentrisch normal zur Referenzebene des Photo-meterkopfes ausgerichtet Ein Translationstisch ermoumlglicht dabei eine Variation des Abstandes d zwischen Photometer und LED Eine horizontale Rotationsachse (φ-Achse) und eine senkrechte Rotationsachse (ϑ-Achse) die sich an der LED-Spitze im rechten Winkel schneiden erlauben durch Drehung der LED eine Bestimmung der Beleuchtungsstaumlrke ELED in alle Raumrichtungen Beide Rotationsachsen werden waumlhrend der Messung zeitgleich bewegt Hierdurch bewegt sich die relative Position der lichtempfindlichen Emp-faumlngeroumlffnung bezuumlglich des Schnittpunkts beider Drehachsen auf der Oberflaumlche einer virtuellen Kugel entlang einer Spiralbahn von bdquoPol zu Polldquo dieser Kugel

Die Bestimmung des Lichtstroms ΦLED erfolgt analog der Beschreibung in dem Kapitel Kurze Geschichte der Goniophotometrie in der PTB Der wesentliche Unterschied zu goniophotome-trischen Messungen an Gluumlhlampen besteht darin dass bei LED-Messungen die Lichtquelle typischerweise bewegt werden kann ohne dass sich ihre optischen Eigenschaften aumlndernAufgrund des stetig wachsenden Bedarfs an ruumlck-gefuumlhrten Kalibrierungen von High-Power-LEDs sind Masse und Abmessungen der Transfernor-male erheblich gestiegen Daher wurde der Mess-platz 2015 um ein weiteres Goniophotometer fuumlr schwere und groszlige Objekte erweitert (vgl Bild 9)

Neben den photometrischen Empfaumlngern befinden sich auch Einkoppeloptiken fuumlr Spekt-ralradiometer auf dem drehbaren Empfaumlngerka-russell Alle Empfaumlnger lassen sich hiermit auto-matisiert waumlhrend einer Messung zu den LEDs ausrichten Vor jeder LED-Kalibrierung werden die Spektralradiometer bezuumlglich Ihrer spektralen Empfindlichkeit und Wellenlaumlnge kalibriert Die entsprechenden Normallampen befinden sich neben dem Empfaumlngerkarussell (vgl Bild 10) und ermoumlglichen so ebenfalls eine automatisierte Messung

Den spektralen Messungen an LEDs kommt neben der Notwendigkeit fuumlr die Bestimmung colorimetrischer Kennzahlen noch eine beson-dere Bedeutung fuumlr die photometrischen Messun-

Bild 9 Goniophotometer fuumlr photometrische Messungen an Hochleistungs-LEDs

Bild 10 Entladungslampen mit verschiedenen Gasfuumlllungen dienen der Wellenlaumlngenka-librierung der Spektrometer Im Hintergrund ist eine Bestrahlungsstaumlrke-Normal-lampe fuumlr die spektrale Empfindlichkeitskalibrierung zu sehen

Bild 8 Goniophotometer fuumlr photometrische Messungen an Kleinleistungs-LEDs

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PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4Das Jahr des Lichtes

gen zu Wie in der Einleitung erklaumlrt unterscheiden sich die spektralen Verteilungen von LEDs und Gluumlhlampen deutlich voneinander Photometerkoumlpfe bestehen in der Regel aus einer Silizium-Photodiode deren spektrale Empfindlichkeit durch den Einsatz von Glasfiltern moumlglichst gut an den Hellemp-findlichkeitsgrad V(λ) angepasst wird Aufgrund internationaler Standardisierung wird die photo-metrische Empfindlichkeit von Photometerkoumlpfen fast ausschlieszliglich fuumlr Normlichtart A kalibriert In der Praxis werden hierfuumlr Gluumlhlampen mit einer Verteilungstemperatur von 2856 K verwendet Wenn man ein solches Photometer fuumlr Messungen an anderen Gluumlhlampen verwendet sind die spektralen Verteilungen meist so aumlhnlich dass nur geringe oder gar vernachlaumlssigbare Korrekturen aufgrund der spektralen Fehlanpassung also der Abweichung der realen spektralen Empfindlichkeit des Photometers von dem Hellempfindlichkeitsgrad notwendig sind Wenn man ein solches Photometer jedoch bei LEDs insbesondere farbigen LEDs einsetzt koumlnnen die Abweichungen aufgrund der spektralen Fehlan-passung sehr groszlig werden (gt10 fuumlr hochwertige Photometerkoumlpfe sind moumlglich)

Mit Kenntnis der relativen spektralen Verteilung der Leuchtdiode SLED(λ) und der relativen spekt-ralen Empfindlichkeit srel(λ) laumlsst sich die spektrale Fehlanpassung durch folgenden Korrekturfaktor cSpek korrigieren

cV S

s S

V P T

sSpek

LED

rel LED

A

rel

d

d

d=

( ) ( )( ) ( )

( ) ( )( )

intint

intλ λ λ

λ λ λ

λ λ λ

λ

intint ( )P Tλ λ A d

P(λ TA) beschreibt Lichtart A durch das Planck-sche Strahlungsgesetz fuumlr TA = 2856 K

Eine detaillierte Auflistung und Diskussion aller zu beruumlcksichtigenden Details bei Kalibrierungen von LEDs und das dazugehoumlrige Messunsicher-heitsbudget soll an dieser Stelle nicht gegeben werden Interessierte Leser koumlnnen hierfuumlr Infor-mationen in einer fruumlheren Veroumlffentlichung [6] oder in den Ergebnissen eines internationalen Vergleichs von LED-Messungen [7] finden

Fazit und Ausblick

Der Verzicht auf LEDs ist fuumlr Beleuchtungsan-wendungen nicht mehr vorstellbar Durch ihre kontinuierliche Weiterentwicklung erobern LEDs immer weitere Anwendungsfelder (z B Haus-halts- Straszligen- und Automobilbeleuchtung) mit denen der Endkunde in Kontakt kommt Bei diesen Anwendungen sind die Anforderungen an die Lichtquellen vielfaumlltig und fuumlr eine quantitative Beschreibung ihrer Eigenschaften muss auch die Messtechnik entsprechend umfassend und ausge-reift sein

Neben dem allgemeinen Forschungs- und Ent-wicklungsbedarf fuumlr bessere LED-Messverfahren und -geraumlte die die Grundlage ihrer technologi-schen Weiterentwicklung bilden gibt es eine weitere Herausforderung Aufgrund der nahezu unbe-grenzten Moumlglichkeiten eine bestimmte Lichtfarbe durch additive Farbmischung zu erhalten sind LEDs verschiedener Hersteller mit unterschiedlichen Emissionsspektren aber einer nominell gleichen aumlhnlichsten Farbtemperatur erhaumlltlich Dennoch ist teilweise ein Unterschied der Lichtfarbe mit bloszligem Auge erkennbar wenn sich unterschiedliche LEDs nebeneinander befinden

Es ist ungewoumlhnlich dass man ohne technische Hilfsmittel nominell gleiche Lichtfarben faktisch unterscheiden kann Um die Charakterisierung von LEDs soweit zu verbessern dass dies nicht mehr moumlglich ist ist einerseits eine Reduzierung der Messunsicherheit bei der Bestimmung der Normfarbwertanteile (Lichtfarbe) notwendig Andererseits muss man sich bewusst machen dass photometrische und colorimetrische Messverfahren auf rein physikalischen Zusammenhaumlngen basieren Individuelle menschliche Wahrnehmung und Sehen werden bei photometrischen Messungen nicht beruumlcksichtigt ndash diese werden durch Festlegung von exakt definierten Wichtungsfunktionen wie dem Hellempfindlichkeitsgrad fuumlr einen fiktiven Normalbeobachter ausgegrenzt Diese Wichtungs-funktionen koumlnnen gegebenenfalls auch noch optimiert werden um die objektive Beurteilung von Lichtquellen mit physikalischen Messmethoden zu verbessern Somit gibt es auch in Zukunft noch interdisziplinaumlre Herausforderungen fuumlr die Metro-logie moderner Lichtquellen

Literatur

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Effektpigmente hellipPTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4

Einleitung

Farbe ist fuumlr Menschen die wohl auffaumllligste sub-jektive Stoffeigenschaft Bereits den Fruumlhmenschen war diese visuelle Qualitaumlt bekannt deren Wahr-nehmung allen Primaten eigen ist So wurde 2008 in Suumldafrika eine ca 100000 Jahre alte steinzeitli-che bdquoMalerwerkstattldquo entdeckt [1] Auch heutzu-tage spielt Farbe in der Gestaltung unserer Umwelt eine wichtige Rolle Jedes Jahr praumlsentiert uns die Mode die neuen Farben der Saison Farben dienen zur Regelung des Verkehrs Ohne bunte Farben waumlre unsere Welt trist und oumlde

Es ist wichtig festzustellen dass Farbe ein physiologischer Sinneseindruck ist wie z B auch Tasten oder Riechen D h Farbe ist keine immanente physikalische Eigenschaft eines Gegenstandes wie z B seine Masse oder Waumlrme-leitfaumlhigkeit Die physiologische Wahrnehmungs-kette ist hierbei folgende Das vom betrachteten Gegenstand reflektierte Licht trifft auf das Auge und loumlst hierbei einen Farbreiz aus Dieser Farbreiz beruht auf der spektralen Zusammensetzung des empfangenen Lichts d h er ist abhaumlngig von der verwendeten Lichtquelle und dem spektralen Reflexionsvermoumlgen des betrachteten Objektes Die Anregung der licht- und farbempfindlichen Zellen in der Netzhaut fuumlhrt zu einer Farbvalenz die uumlber den Sehnerv an das Gehirn weitergeleitet wird Die eigentliche Farbempfindung die wir dann mit einem Gegenstand verknuumlpfen entsteht erst im Gehirn [2] Liegt z B eine Farbfehlsich-tigkeit vor so kann der Farbeindruck des betrof-fenen Menschen auch ein ganz anderer sein Auch viele Tiere mit ihren teilweise erheblich abweichenden visuellen Systemen nehmen Farbe ganz unterschiedlich als wir Menschen wahr Im Folgenden soll mit Farbe immer die Koumlrperfarbe auch Gegenstandsfarbe Objektfarbe bzw Oberflauml-chenfarbe genannt einer nicht selbstleuchtenden Flaumlche bezeichnet werden die durch Reflexion von Licht an einem Koumlrper entsteht

Die genannten Zusammenhaumlnge machen die mathematisch-physikalische Beschreibung von Farbe schwierig und aufwendig da auch die spe-zifischen Eigenarten der menschlichen Wahrneh-

mungskette nachgestellt werden muumlssen Diesem Umstand wird versucht uumlber die verschiedenen Farbmaszligsysteme Rechnung zu tragen welche die Farbe eines Objektes mithilfe von quantifizierba-ren Zahlenwerten kennzeichnen [3]

Generell koumlnnen farbige Flaumlchen je nach Tageszeit und Lichteinfall sehr unterschiedlich wirken Die Aumlnderungen basieren hierbei auf der unterschiedlichen spektralen Zusammenset-zung des Tageslichts und den winkelabhaumlngigen Glanz- und Struktureigenschaften von Oberflauml-chen Ganz besonders deutlich ist dies bei auf dem Interferenzeffekt basierenden Effektpigmenten der Fall Deren visuelles Erscheinungsbild im englischen mit Visual Appearance bezeichnet kann sich bei variierendem Beobachtungswinkel und unterschiedlichen Lichtverhaumlltnissen komplett veraumlndern Man spricht hierbei von sogenannten Flop-Lacken wobei man zwischen Hell-Dunkel-Flop und Farb-Flop unterscheiden kann [4]

Generell kann man sagen dass Farbe und visuelle Effekte einen entscheidenden Anteil am Verkaufserfolg eines Produktes haben denn Farben wecken Emotionen und verschiedene Neuro marketingstudien belegen dass ca 95 aller Kaufentscheidungen emotional gepraumlgt sind [5] Deshalb spielt eine moderne Farbgestaltung unter Nutzung aktueller Effektpigmente im Pro-duktdesign eine entscheidende Rolle denn durch den Einsatz solcher Pigmente kann Gegenstaumlnden eine houmlhere Attraktivitaumlt verliehen werden Daher findet man moderne Effektpigmente heutzutage in vielen teilweise sehr unterschiedlichen Indus-trieprodukten wie z B in Autolackierungen Haumluserfassaden Kosmetikartikeln oder sogar bei Pralineacutes wie dies in Bild 1 zu sehen ist

Pigmente

Als Pigmente aus dem Lateinischen kommend von pigmentum fuumlr bdquoFaumlrbestoff Schminkeldquo bezeichnet man aus Teilchen bestehende im Anwendungs-medium praktisch unloumlsliche Sub stanzen die als Farbmittel oder wegen anderer spezieller physika-lischer und chemischer Eigenschaften als funktio-nale Farbzentren verwendet werden [6]

Effektpigmente Eine Herausforderung fuumlr die optische Messtechnik

Egbert Buhr Alfred Schirmacher Andreas Houmlpe

Dr Egbert Buhr Fachbereich bdquoBildshy und Wellenoptikldquo EshyMail egbertbuhrptbde

Dr Alfred Schirmacher Arbeitsshygruppe bdquoReflexion und Transmissionldquo EshyMail alfredschirmacherptbde

Dr Andreas Houmlpe dagger ehemals Arbeitsgrupshype bdquoReflexion und Transmissionldquo

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PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4Das Jahr des Lichtes

In der Natur vorkommende anorganische Pig-mente sind schon seit praumlhistorischen Zeiten bekannt Schon die Menschen der Steinzeit benutzen mineralische Pigmente fuumlr die ersten Houmlhlenzeichnungen Sie erkannten dass sie mit unterschiedlichen Erdsorten farbig malen konnten Eisenoxidhaltige Erden liefern gelbrote bis braunrote Kalk und Gips weiszlige Mangan-oxide sowie Holz- und Knochenkohle schwarze Farbtoumlne

Aus heutiger industrieller Sicht ist ein Pigment ein fein aufgeteilter und unloumlslicher Feststoff mit der Hauptfunktion das Erscheinungsbild des verwendeten Mediums zu verbessern oder es zu faumlrben Pigmente werden dem Medium immer durch physikalisches Mischen beigegeben dies unterscheidet sie von Farbstoffen die in ihrem Medium loumlslich sind

Pigmente koumlnnen nach den optischen Prin-zipien ihrer Wechselwirkung mit Licht unter-schieden und in verschiedene Klassen eingeteilt werden Wichtige Pigmentklassen sind Weiszlig- Bunt- Schwarz- und Effektpigmente die alle wegen ihrer speziellen farbgebenden Eigenschaf-ten eingesetzt werden Bei den Effektpigmenten

kann in einer ersten vereinfachten Einteilung noch zwischen Metalleffekt- und den sogenannten speziellen Effektpigmenten unterschieden werden

Der Begriff bdquospezielle Effektpigmenteldquo umfasst die Gruppen der Perlglanzpigmente und der all-gemeinen Interferenzpigmente welche insbeson-dere bei aktuellen Pigmententwicklungen nicht scharf abgegrenzt werden koumlnnen Perlglanzpig-mente sind Effektpigmente die aus transparenten Plaumlttchen mit hohem Brechungsindex bestehen Sie erzeugen durch die spezielle Form der Mehr-fachreflexion des transmittierten Lichts an mehre-ren Pigmenten einen perlenaumlhnlichen Effekt bei dem die auftreffende Strahlung verteilt reflektiert wird wodurch der Eindruck einer mit der Tiefe abnehmenden diffusen Helligkeit entsteht Fuumlr das Auge ergibt sich so eine scheinbar dreidimen-sionale Glanzcharakteristik die aus der Tiefe des Objektes zu kommen scheint Interferenzpigmente dagegen sind Effektpigmente deren farbgebende Wirkung ganz oder vorwiegend auf dem Effekt der Vielstrahlinterferenz von Licht an duumlnnen hoch-brechenden Schichten beruht Interferenzpigmente koumlnnen dabei sowohl auf transparenten oder auch nichttransparenten Plaumlttchen basieren

Bild 1 a) Roadster mit ChromaFlairreg-Effektpigmentlackierung b) Verwaltungsgebaumlude in Braunschweig verkleidet mit Alucobondreg-spectra-colours-Verbundplatten c) Effektpigmente im Nagellack d) Pralineacute mit Effektpigmentuumlberzug

a

dc

bb

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Effektpigmente hellipPTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4

Die heute verwendeten Pigmente lassen sich somit grob in fuumlnf verschiedene Klassen einteilen

1) Weiszligpigmente Die Pigmente streuen das ge-samte auftreffende Licht nahezu verlustfrei in alle Richtungen durch diffuse ungerichtete Reflexion

2) Buntpigmente Die Pigmente streuen einen Teil des Lichtes diffus und absorbieren wellenlaumln-genselektiv einen anderen Teil des Lichtes

3) Schwarzpigmente Die Pigmente absorbieren alle Wellenlaumlngen des fuumlr das menschliche Auge sichtbaren Spektralbereiches

4) Metalleffektpigmente Die aus duumlnnen Metall-plaumlttchen vorwiegend Aluminium bestehen-den Metalleffektpigmente sind lichtundurch-laumlssig und reflektieren das gesamte auftreffende Licht durch spekulare gerichtete Reflexion Die Pigmentpartikel wirken dabei wie Mikrospie-gel und fuumlhren bei paralleler Ausrichtung im Anwendungsmedium zu einem spiegelnden Metallglanz dem Metallic-Effekt

5) Spezielle Effektpigmente Perlglanz- bzw Inter-ferenzpigmente deren optische Wirkung auf der Mehrfachreflexion an uumlberwiegend flaumlchig aus-gebildeten und ausgerichteten transparenten semitransparenten oder lichtundurchlaumlssigen Partikeln beruht

Weiszlig- Bunt- und auch Schwarzpigmente weisen typische Durchmesser im Bereich von 100 nm bis zu 1 microm auf Ihre Groumlszlige liegt damit zum Teil im Bereich der Wellenlaumlnge des sichtbaren Lichtes welches den Bereich von 380 nm bis 780 nm uumlberdeckt Einige Schwarzpigmente wie z B Ruszlig-pigmente liegen mit ihren Durchmessern jedoch auch zum Teil auch deutlich darunter Effektpig-mente besitzen dagegen Teilchendurchmesser die zumeist im Bereich von 5 microm bis 100 microm in einigen Faumlllen auch daruumlber liegen Sie sind damit bezuumlglich der mittleren Plaumlttchendurch-messer wesentlich groumlszliger als die Wellenlaumlnge des sichtbaren Lichtes Die Dicke der Plaumlttchen liegt von einigen Ausnahmen abgesehen unter 1 microm ebenso wie die Dicke der Interferenzschichten Demzufolge weisen Effektpigmente in der Regel ein hohes Aspektverhaumlltnis auf (Verhaumlltnis der lateralen Ausdehnung einer Struktur zu ihrer Houmlhe) welches bis zu 200 betragen kann

Interferenzpigmente ndash Wie die Farben entstehen

Die Farbe von Interferenzpigmenten haumlngt von der Schichtdicke der Metalloxidbeschichtung und dem Einstrahlungs- und Betrachtungswinkel ab Beide Parameter bestimmen die effektive optische Weg-

laumlngendifferenz fuumlr das einfallende weiszlige Licht zwischen oberer und unterer Grenzflaumlche und die somit auftretenden Interferenzfarben siehe Bild 3

Interferenzpigmente zeigen somit einen aus-gepraumlgten bdquoFarbflopldquo Die Winkelabhaumlngigkeit der Farbe wird hierbei auch als Goniochromasie bezeichnet Richtig bunt geht es zu wenn ein Interferenzpigment auf einen bereits bunten Untergrund aufgebracht wird Die Transparenz der Pigmente laumlsst die Untergrundfarbe durch-

Bild 2 Schematische Diagramme zum spektralen Verhalten verschiedener Pigmenttypen

Bild 3 Die Schichtdicke der Metalloxidbeschichtung und der kombinierte Einstrahlungs- und Betrachtungswinkel bestimmen die optische Weglaumlnge und somit die sich ergebenden Interferenzfarben in Reflexion und Transmission

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PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4Das Jahr des Lichtes

Bild 5 Die Effekte Spar-kling (1) und Coarseness (2) des Effektpigmentes Xirallicreg Crystal Silver in einer vergroumlszliger-ten Aufnahme auf weiszligem (links) und schwarzem Hinter-grund (rechts)

scheinen im Glanzwinkel wird sie aber von der Interferenzfarbe uumlberstrahlt wie dies in Bild 4 zu sehen ist

Der Effekt eines Helligkeitsunterschiedes unter verschiedenen Betrachtungswinkeln wird als Helligkeitsflop bezeichnet und ist an sich nichts Neues Sind jedoch die einzelnen Pigmentteilchen

aufgrund ihrer planaren Reflexionsoberflaumlchen in gerichteter Beleuchtung direkt beobachtbar was fuumlr mittlere Teilchengroumlszligen von 30 microm und groumlszliger der Fall ist so ergibt dies einen Effekt welcher mit dem Begriff Sparkle (Glitzern Funkeln) bezeichnet wird (Bild 5) Aumlndert sich die Beleuchtung von einer gerichteten Einstrahlung wie es an einem wolkenlosen sonnigen Sommertag der Fall ist hin zu einer diffusen ungerichteten Einstrahlung wie an einem stark bewoumllkten Herbsttag so verschwin-det das Sparkling der Pigmente und verwandelt sich in eine Koumlrnigkeit der Oberflaumlche Dieses optische Phaumlnomen wird als Coarseness (Bild-koumlrnigkeit) bezeichnet und ist unabhaumlngig vom Betrachtungswinkel (Bild 5)

Als neuer Archetypus des Sparkle-Begriffes haben sich in den letzten Jahren die Xirallicreg Pig-mente (High Chroma Chrystal Effect Pigments) der Firma Merck KGaA entwickelt Durch die Beschich-tung von Aluminiumoxidplaumlttchen mit hochbre-chenden Metalloxiden und einer optimierten Dicke und Ebenheit aller am Pigment beteiligten Schich-ten entstehen auszligergewoumlhnlich stark reflektierende Effektpigmente die einen besonders intensiven Sparkle-Effekt aufweisen Man spricht hierbei auch von sogenanntem Living Sparkle welcher sich in einem scheinbaren bdquoTanzenldquo der leuchtenden Punkte in der Probenoberflaumlche bei Veraumlnderung der Beobachtungsgeometrie aumluszligert [7 8]

Generell gilt dass die Farbe von Objekten mit Effektlackierung nicht mehr wie jahrzehntelang uumlblich und ausreichend mit konventionellen Farb-messgeraumlten mit nur einer festen Messgeometrie wie z B in der 45deg 0deg Geometrie (Einstrahlung unter 45deg Reflexionsmessung unter 0deg) bestimmt werden kann Dieser Umstand wird sehr gut durch die Grafik in Bild 6 illustriert Dargestellt sind die winkelabhaumlngig gemessenen Farbkoordinaten von drei verschiedenen keramischen Farbstandards der Farben rot gruumln und blau sowie eines mit dem Effektpigment Viola Fantasy der Firma Merck lackierten Blechs Der Einfallswinkel des Lichts auf die Proben betrug hierbei immer 45deg zur Oberflauml-chennormalen Das von den Proben reflektierte Licht wurde an 26 Positionen in einem 5deg Raster in planaren die Oberflaumlchennormale enthalten-den Messgeometrien im Winkelbereich von ndash70deg bis +70deg aufgenommen Bei den aus absorptiven Pigmenten bestehenden Keramiken zeigt sich eine nur sehr geringe Winkelabhaumlngigkeit der Farbe welche groumlszligtenteils auf unterschiedlicher winkelabhaumlngiger Helligkeit d h den Glanzeigen-schaften der Oberflaumlche beruht Das Effektpigment dagegen zeigt einen extremen winkelabhaumlngigen Farb-Flop (Goniochromasie) welcher einen Farbverlauf von Gruumln uumlber Rot-Gelb hin ins Blau-Violett bietet

Aber auch die neuen Lackfarben aus der Gruppe der Effektlackierungen muumlssen messtechnisch

Bild 4 Merck-Xirallicreg-Solaris-Red-Effektpigmente appliziert auf einem mit Standard-Ab-sorptionspigmenten hellblau lackierten Metallblech In Rich-tung des Glanzwin-kels auf der rechten Seite zeigt sich der langsame Aufbau der winkelabhaumlngigen Interferenzfarbe

1

Bild 6 CIELab Farbkoordinaten einer winkelabhaumlngigen Reflexionsmessung an vier verschiedenen Proben drei Keramiken der Farben rot gruumln blau und eine Effektpigmentlackierung mit Merck Colorstreamreg Viola Fantasy Das untergelegte Farbschema zeigt naumlherungsweise die den Koordinaten entsprechende Farbe

2

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Effektpigmente hellipPTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4

Abbildungsoptik Messungen der ortsaufgeloumlsten Leuchtdichte auf einer Laumlngenskala bis hinab zu 28 microm auf der zu untersuchenden Probe siehe Bild 8

Mit der Zeilenkamera sind Messungen von kompletten Reflexionsspektren im sichtbaren Spektralbereich zwischen 380 nm und 780 nm dem sogenannten V(λ)-Bereich auf einer Zeit-skala von 2 Minuten moumlglich Hieraus lassen sich dann Farbkoordinaten der untersuchten Proben in den unterschiedlichsten Farbraumsystemen berechnen Eine absolute Messung in 114 Win-kelkombinationen (siehe Bild 9) im Polarwinkel-

erfasst und ruumlckgefuumlhrt werden um eine gleich-bleibende Qualitaumlt in der Produktion gewaumlhrleis-ten zu koumlnnen Gerade diese vielfaumlltigen zusaumltz-lichen Eigenschaften stellen die Farbmesstechnik vor neue Herausforderungen

Farbmessung

Bisherige kommerzielle Farbmessgeraumlte charakte-risieren Probenoberflaumlchen fast ausschlieszliglich in den eben schon erwaumlhnten sogenannten in-plane Reflexionsgeometrien Dabei liegen die Richtun-gen des eingestrahlten und des reflektierten Lichts sowie die Oberflaumlchennormale der Probe in einer Ebene Diese Einschraumlnkung entspricht jedoch in keiner Weise der taumlglichen Realitaumlt bei der Oberflaumlchen aus beliebigen Richtungen beleuchtet und betrachtet werden Seitens der Messgeraumlteher-steller und Anwender gibt es daher einen Trend zur erweiterten Charakterisierung bezuumlglich zusaumltzlicher Winkelkombinationen im dreidimen-sionalen Raum Spitzenreiter dieser Entwicklung am Markt ist derzeit ein tragbares Mehrwinkel-Spektralphotometer mit insgesamt 19 verschie-denen Reflexionsgeometrien [9] Hiermit scheint aber auch das Ende dieser Entwicklung im Bereich der portablen handgefuumlhrten Geraumlte erreicht Der Wunsch der Anwender geht aktuell wieder zuruumlck zu einer geringeren Anzahl von Winkelkombi-nationen denn es ist unklar wie man aus dem Mehr an winkelaufgeloumlsten Reflexionsdaten die fuumlr die Charakterisierung der Farbeigenschaften relevanten Informationen gewinnen kann Daher stellt sich die Frage welches sind bdquoguteldquo d h an die Messaufgabe adaptierte optimal geeignete Messgeometrien

Um diese Frage zu beantworten betreibt die AG 424 bdquoReflexion und Transmissionldquo der PTB zwei roboterbasierte Gonioreflektometer die eine winkelaufgeloumlste Reflexionsmessung in beliebi-gen bidirektionalen Geometrien ermoumlglichen [10ndash12] Diese beiden Apparaturen sind in Bild 7 dargestellt

Das Standard-Gonioreflektometer ist hierbei das nationale Normal fuumlr die Messgroumlszlige spektraler Strahldichtefaktor in gerichteten Geometrien Es dient der Realisierung Bewahrung und Weiter-gabe der gerichteten Reflexionsskale in Form von Kalibrierungen Die zweite Apparatur bezeich-net mit dem Acronym ARGon3 (3D Appearance Robot-based Gonioreflectometer) ist ein flexibles Forschungsgeraumlt mit dem experimentelle Unter-suchungen u a im Rahmen des EMRP-Projektes Multidimensional Reflectometry for Industry der EU [13] durchgefuumlhrt werden Im Ver gleich zum Standard-Gonioreflektometer ist dieses Geraumlt mit einer photometrischen Leuchtdichteka-mera und einer Zeilenkamera ausgeruumlstet Die Leuchtdichtekamera erlaubt mit einer speziellen

Bild 7 Die beiden roboter-basierten Gonio-reflektometer der PTB oben Standard-Gonioreflektometer fuumlr Kundenkalibrie-rungen unten ARGon3-Messplatz fuumlr Forschungsanwen-dungen

Bild 8 Visualisierung desSparkling-Effektesvon Xironareg-Volcanic-Sparks-Pigmenten als Falschfarben-darstellung der ortsaufgeloumlsten LeuchtdichteDie bdquoNadelnldquo zeigendie Position derPigmente an

Bild 9 Beispielgeometrien zur Messung der winkelabhaumlngigen Reflexionseigen-schaften Realisiert wurden 4 Einstrah-lungsrichtungen (rote Pfeile) mit jeweils 114 Reflexionswinkeln (schwarze Punkte) im Bereich der Viertel-kugel oberhalb der Probenoberflaumlche

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PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4Das Jahr des Lichtes

bereich 0deg bis 70deg gleichmaumlszligig verteilt uumlber den Viertelraum oberhalb der Probe dauert hierbei ca 4 Stunden [14] Die so erhaltenen Daten bilden die Basis fuumlr kuumlnftige Verbesserungen in der Mess-technik fuumlr Anwender und Hersteller

Im Rahmen des EMRP-Projektes Multidimen-sional Reflectometry for Industry [13] sind damit die winkelabhaumlngigen Reflexionsspektren von insgesamt 66 verschiedenen Effektpigmentproben gemessen worden [15 16] Bei den vier verschie-denen Einstrahlungsrichtungen verbunden mit jeweils 114 Reflexionswinkeln im Bereich der Vier-telkugel oberhalb der Probenoberflaumlche ergeben sich somit uumlber 30000 Reflexionsspektren

Zielsetzung der Untersuchungen ist die Ver-besserung der Metrologie zur Materialcharak-terisierung mit reduzierter Messunsicherheit Dazu werden neue Messvorschriften und neue Standardmessartefakte entwickelt mit denen die Industrie die visuelle Wahrnehmung der von ihr produzierten Oberflaumlchen gezielt charakterisie-ren und kontrollieren kann Solche Messungen sollten einfach auszufuumlhren sein und die Ergeb-nisse muumlssen soweit wie moumlglich mit der visuellen menschlichen Wahrnehmung korrelieren Im europaumlischen und internationalen Rahmen sollen die Ergebnisse in die Normung einflieszligen um die allgemeine Vergleichbarkeit solcher Messungen zu gewaumlhrleisten

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[12] A Houmlpe T Atamas D Huumlnerhoff S TeichertK-O Hauer ARGon3 ndash bdquo3D Appearance Robot-based Gonioreflectometerrdquo at PTB Rev SciInstrum 83(4) 045102-1ndash045102-8 2012

[13] European Metrology Research Program ProjectIND52 bdquoxD-Reflectldquo Multidimensional Reflecto-metry for Industry wwwxdreflecteu(letzter Aufruf 03122015)

[14] T Atamas K-O Hauer A Houmlpe Appearancemeasurements of goniochromatic colours Predic-ting Perceptions Proceedings of the 3rd Internati-onal Conference on Appearance 149ndash154 2012

[15] A Houmlpe A Koo FM Verdu FB LeloupG Obein et al bdquoMultidimensional reflectometryfor industryrdquo (xD-Reflect) an European researchproject Proc SPIE 9018 Measuring Modelingand Reproducing Material AppearanceSPIE-ISampT Vol 9018 901804-1ndash901804-11 2014

[16] A Houmlpe K-O Hauer S Teichert D HuumlnerhoffC Strothkaumlmper Goniochromatic and Sparkleproperties of effect pigmented samples in mul-tidimensional configuration Proc SPIE 9398Measuring Modeling and Reproducing MaterialAppearance 2015 SPIE Proc Vol 9398 Appea-rance 93980O-1ndash7 2015

45

Die 50 Sitzung des Internationalen Komitees fuumlr das gesetzliche Messwesen (CIML) fand vom 20 bis 22 Oktober 2015 in Arcachon Frankreich statt Im Vorfeld der CIML-Sitzung fand ein ein-taumlgiges OIML-Seminar uumlber Countries and Econo-mies with Emerging Metrology Systems (CEEMS) statt uumlber das weiter unten berichtet wird

Das CIML ist der Lenkungsausschuss der OIML Es trifft sich jaumlhrlich und besteht aus je einem Repraumlsentanten der Mitgliedstaaten der korrespondierenden Mitglieder und den Vertre-tern internationaler und regionaler Organisa-tionen die als Beobachter teilnehmen koumlnnen Das CIML ist zustaumlndig fuumlr die Vorbereitung und Durchfuumlhrung der Entscheidungen der Konfe-renz die alle vier Jahre stattfindet Es uumlberwacht die Arbeiten der Technischen Komitees und Unterkomitees und des Internationalen Buumlros fuumlr das gesetzliche Messwesen (BIML) in Paris

An der 50 CIML-Sitzung nahmen 144 Teilneh-mer aus 43 Mitgliedstaaten und 13 korrespondie-renden Mitgliedstaaten teil Zur deutschen Dele-gation gehoumlrten neben den o g Autoren auch die Herren Johann Fischer Direktor des Landesamts fuumlr Mess- und Eichwesen Berlin-Brandenburg sowie Prof Olaf Kuumlhn Direktor des Thuumlringer Landesamts fuumlr Verbraucherschutz als Vertreter der Bundeslaumlnder Dr Peter Ulbig Leiter der Abteilung Wissenschaftlich-technische Quer-schnittsaufgaben der PTB und Prof Manfred Kochsiek Vizepraumlsident a D der PTB ehema-liger CIML-Praumlsident und Ehrenmitglied der OIML Frau Dr Anna Cypionka persoumlnliche Referentin des Praumlsidenten der PTB nahm am OIML-Seminar fuumlr CEEMS teil Vertreten waren auch wieder internationale und regionale Orga-nisationen zu denen die OIML Verbindungen unterhaumllt wie das Internationale Buumlro fuumlr Maszlig und Gewicht (BIPM) die GSO-GCC Standardiza-tion Organization (Saudi-Arabien) die Internatio-nal Laboratory Accreditation Cooperation (ILAC) und der Europaumlische Verband der Waagenherstel-ler (CECIP)

Alle Beschluumlsse der 50 CIML-Sitzung koumlnnen auf den Internetseiten der OIML aufgerufen werden [1 2]

Die wichtigsten Entscheidungen und Entwick-lungen werden nachfolgend vorgestellt

1 Personalangelegenheiten

Der Vertrag von Willem Kool als Assistant Director wurde um vier Jahre der Vertrag des BIML-Direk-tors Stephen Patoray um drei Jahre verlaumlngert

2 Einfuumlhrung des PG Workspace im Internet

In seinem Bericht im Zusammenhang mit der Etablierung des neuen Webauftritts der OIML hob der CIML-Praumlsident Peter Mason (UK) die erfolgreiche Einfuumlhrung des Workspace fuumlr Pro-jektgruppen hervor Durch die Online-Arbeit wird erwartet dass die technische Arbeit an neuen bzw zu revidierenden OIML-Dokumenten vereinfacht und insgesamt effizienter wird

3 Revision der technische Richtlinien fuumlr die OIML (B 6 Directives for OIML tech-nical work)

In einem neuen Projekt sollen die in den vergan-genen Jahren revidierten OIML-Richtlinien fuumlr die technische Arbeit erneut uumlberarbeitet werden um u a den Prozess der Entwicklung und Uumlber-arbeitung von OIML-Publikationen noch weiter zu beschleunigen und den neuen internetbasierten Technologien und Arbeitsweisen Rechnung zu tragen

4 Umfassende strukturelle Uumlberarbeitung des OIML Certificate System

Das CIML verabschiedete die Gruumlndung einer Projektgruppe mit der Aufgabe einer substan-ziellen Uumlberarbeitung des OIML-Zertifizierungs-systems das z Zt aus dem Basiszertifizierungs-system und dem MAA3 besteht Urspruumlnglich ausgehend von der Annahme die Akzeptanz des MAA-Zertifizierungssystem muumlsse verstaumlrkt werden eine groumlszligere Verbreitung finden und mehr Messgeraumltearten abdecken erscheint es

Aktuelles aus der OIML (Internationale Organisation fuumlr das Gesetzliche Messwesen)Bericht uumlber die 50 Sitzung des CIML in Arcachon FrankreichSusanne Ludwig Roman Schwartz

INTERNATIONALE ZUSAMMENARBEIT

Susanne Ludwig OIMLshyGeschaumlftsstelle der PTB EshyMail susanneludwigptbde

Dir u Prof Dr Roman Schwartz Vizepraumlsident der PTB deutsches Mitglied im Internashytionalen Komitee fuumlr das Gesetzliche Messwesen (CIML) und CIMLshyVizepraumlsishydent EshyMail romanschwartzptbde

3 Mutual Acceptance Arrangement (Abshykommen zur gegenshyseitigen Anerkennung von Bauartpruumlfungen)

46

PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4Internationale Zusammenarbeit

inzwischen sinnvoller und wurde so auch vom CIML beschlossen zum 112017 ein einziges OIML-Zertifizierungssystem einzufuumlhren Eine Projektgruppe (Certification System Project Group = CSPG) unter dem Vorsitz des CIML-Vizepraumlsi-denten Dr Roman Schwartz wurde damit beauf-tragt die notwendigen Dokumente und Prozedu-ren auszuarbeiten

5 OIML-Seminar fuumlr Countries and Economies with Emerging Metrology Systems (CEEMS)

Im Vorfeld der CIML-Sitzung wurde ein eintaumlgiges Seminar zum Thema Developing an OIML Package for Assistance to Countries with Emerging Metro-logy Systems (CEEMS) abgehalten In vier Sitzun-gen diskutierten 125 Teilnehmer aus 49 Laumlndern uumlber Moumlglichkeiten Laumlnder beim Aufbau von nationalen Metrologiesystemen zu unterstuumltzen In der ersten von Frau Dr Cypionka geleiteten Sitzung Capacity Building ging es um die allge-meinen Herausforderungen bei der Gestaltung von Programmen zur Foumlrderung von Handlungs-kompetenzen und Vermittlung von Wissen fuumlr die Metrologie In zwei weiteren Sitzungen wurden unter den Themen Helping CEEMS Improve Regulation in their Markets (Leitung Prof Dr Manfred Kochsiek) und New Ideas ndash Doing Legal Metrology Differently (Leitung Stuart Carstens

Suumldafrika) konkrete inhaltliche Loumlsungsvorschlaumlge vorgestellt und diskutiert Die Ergebnisse wurden in der 50 CIML-Sitzung vorgestellt und fanden ihren Niederschlag in der Resolution Nr 201510 [2] sie sollen auch noch auf den OIML-Webseiten veroumlffentlicht werden [1]

6 OIML-Publikationen

Folgende OIML-Publikationen wurden verabschiedet

R 139-3 Compressed gaseous fuels measuring systems for vehicles Part 3 Test report format

New Recommendation (R 145) Ophthalmic instru-ments mdash Impression and applanation tonometers

Alle OIML-Publikationen stehen im Internet frei zur Verfuumlgung [3]

Gleichzeitig wurde die Revision der folgenden OIML-Publikation beschlossen

Revision of R 79 Labeling requirements for prepackages

Folgende neue Projekte wurden verabschiedet

Revision des OIML-Dokuments B 6-1 Directives for OIML technical work

Bild 1 Teilnehmer der 50 Sitzung des Internationalen Komitees fuumlr Gesetz-liches Messwesen (CIML) in Arcachon Frankreich

47

PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4 Aktuelles aus der OIML

TC 8SC 1 Revision R 71 Fixed storage tanks mdash General requirements

TC 8SC 1 Revision R 85 Automatic level gauges for measuring the level of liquid in stationary storage tanks

7 Personalien und Ehrungen

Die von Dr Seiler dem ehemaligen Leiter des Fachbereichs bdquoTechnische Zusammenarbeitldquo der PTB initiierte OIML-Auszeichnung fuumlr bdquoexzel-lente Beitraumlge von Entwicklungslaumlndern zum gesetzlichen Messwesenldquo ging in diesem Jahr an

bull Nam Hyuk Lim Director of Korea Testing Certi-fication und

bull The Metrology Department Saint Lucia Bureau of Standards

Die OIML-Medaille fuumlr besondere Verdienste um die OIML-Arbeit ging an Ngo Quy Viet Vietnam und Cartaxo Reis aus Portugal

8 Termine

Ein Gastgeberland fuumlr die 51 CIML-Sitzung und 15 OIML-Konferenz im Jahr 2016 konnte noch nicht bekannt gegeben werden es wird aber wahr-scheinlich wieder Frankreich sein Weitere OIML-Veranstaltungen und -Termine finden sich auf der OIML-Webseite unter [4]

9 Literatur

[1] httpswwwoimlorgen (letzter Aufruf 19112015)

[2] httpswwwoimlorgenstructurecimlpdf50-ciml-resolutions-englishpdf (letzter Aufruf 19112015)

[3] httpswwwoimlorgenpublicationsrecommen-dationspublication_viewp_type=1ampp_status=1

[4] (letzter Aufruf 19112015)[5] httpswwwoimlorgeneventscalendar

(letzter Aufruf 19112015)

48

TECHNOLOGIETRANSFER

E27-Scanner fuumlr UlbrichtkugelnMit dem besonders einfach ohne Umbau einsetzbaren E27-Scanner koumlnnen Anwender und Hersteller die Homogenitaumlt ihrer Ulbricht-kugeln bestimmen und die Ergebnisse zur Berechnung genauerer Lichtstroumlme und zur Dokumentation der Qualitaumlt ihrer Messungen nutzen

Hintergrund

Wie viel Licht eine Lampe insgesamt in alle Richtungen abstrahlt wird durch ihren Lichtstrom ausgedruumlckt Um den fuumlr die Bestimmung der Energieeffizienz von Lampen notwendigen Lichtstrom schnell zu er mitteln setzt die Lampenindustrie Ulbrichtkugeln ein An einer Stange in der Mitte der Ulbrichtkugel befindet sich eine E27-Lampen-fassung in die nacheinander die Lichtstrom-Normallampe und die zu kalibrierende Lampe eingeschraubt werden Das indirekt auf den Mess-kopf fallende Licht erzeugt einen Photostrom der im Idealfall propor-tional zu dem von der Lampe abgestrahlten Lichtstrom ist unabhaumlngig von der Richtung in die das Licht abgestrahlt wird

Dies ist jedoch bei einer ungleichmaumlszligigen Beschichtung der Kugel sowie bei einer im Laufe der Zeit nicht zu verhindernden Verstaubung nicht der Fall Deshalb wird mit einem Kugelscanner die Homogenitaumlt der Kugel regelmaumlszligig vermessen und ein Korrekturfaktor bestimmt der von der jeweiligen Abstrahlcharakteristik der zu untersuchenden Lampe abhaumlngt

Technische Beschreibung

Der Kugelscanner wird einfach in eine E27-Fassung geschraubt und das sonst fuumlr die Lampenversorgung eingesetzte Netzgeraumlt wird durch die Steuereinheit ersetzt Diese uumlbernimmt sowohl die elektrische Versor-gung als auch die Befehlsuumlbermittlung zum Kugelscanner Die Steuer-einheit wird via USB oder RS232 an einen Computer angeschlossen Das mitgelieferte Messprogramm stellt automatisiert alle gewuumlnschten Richtungen ein und speichert die zugehoumlrigen von der Steuereinheit gemessenen Photostroumlme des Photometers

Wirtschaftliche Bedeutungw

Fuumlr Lampenindustrie und Hersteller von Ulbrichtkugeln

bull Genauere Messung des Lichtstroms

bull Bestimmung des Zeitpunkts einer Neubeschichtung

bull Uumlberwachung beim Beschichten

bull Dokumentation des Zustands der Ulbrichtkugel

EntwicklungsstandDer E27-Kugelscanner wurde in der PTB entwickelt Er wird laufend fuumlr Kalibrierungen eingesetzt Die Technologie wurde an die Firma Czibula amp Grundmann transferiert und wird dort mit einer PTB-Lizenz gebaut und vertrieben wwwphoto-metercom

Ansprechpartner

Dr Bernhard SmandekBeauftragter fuumlr TechnologietransferTelefon +49 531 592shy8303Telefax +49 531 592shy69shy8303EshyMail technologietransferptbde

Dr Stefan WinterFachbereich Photometrie und Radiometrie

Abbildung des E27shyKugelscanners Eine stark fokussierende Lampe die computergesteuert in alle Richtungen leuchten kann

Vorteile

bull Schneller Einbau in E27shyFassung

bull Computergesteuertes Abscannen der gesamten Ulbrichtkugel

bull Flexible Messmoumlglichkeiten

bull Fuumlr genauere Lichtstromshymessungen

bull Wichtig fuumlr die Qualitaumltsshysicherung

PTBshyNummer 0172

wwwtechnologietransferptbde

49

PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4 Technologieangebote

Ansprechpartner

Dr Bernhard SmandekBeauftragter fuumlr TechnologietransferTelefon +49 531 592shy8303Telefax +49 531 592shy69shy8303EshyMail technologietransferptbde

Dr Stefan WinterArbeitsgruppe Solarzellen

PulsshyzushyCWshyKonverter

Umwandlung gepulster Laser-Strahlung in konstante StrahlungIn weiten Bereichen der optischen Metrologie ist eine Strahlungs-quelle von groszligem Nutzen die sich spektral vom UV-C bis ins mitt-lere IR durchstimmen laumlsst Lediglich Laser mit gepulster Strahlung erfuumlllen diese Anforderung bei ausreichend groszligem Ausgangssignal bisher luumlckenlos Femtosekunden-Lasersysteme waumlren aufgrund ihrer gut automatisierbaren und spektral weiten Durchstimmbarkeit die ideale Strahlungsquelle fuumlr z B radiometrische Anwendungen ndash wenn ihre Strahlung nicht gepulst waumlre

Durch das extreme Puls-Pausen-Verhaumlltnis von 10ndash5 entstehen hohe Spitzenleistungen die wiederum zu Saumlttigungseffekten bei Detek-toren und in der Folge zu nichtlinearem Verhalten fuumlhren koumlnnen Mit dem in der PTB entwickelten Puls-zu-CW-Konverter wird dieses Problem geloumlst

Technische Beschreibung

Bei dieser Methode werden Pulse gepulster Strahlungsquellen ausrei-chend hoher Repetitionsrate in CW-Strahlung umgewandelt Dabei wird jeder Puls in viele kleine Teilpulse aufgeteilt die auf unterschiedlich langen Wegstrecken unterschiedliche Laufzeiten erfahren Am Ausgang des Systems erscheinen sie dann zeitlich gleichmaumlszligig verteilt Realisiert wird dieser Puls-zu-CW-Konverter uumlber ein Glasfaserbuumlndel bei dem jede Einzelglasfaser eine individuell festgelegte Laumlnge besitzt

Mit der Entwicklung des Puls-zu-CW-Konverters wurde das ent-scheidende Manko beim Einsatz leistungsstarker Femtosekunden(fs)-Lasersysteme im Bereich der Metrologie beseitigt und erstmalig gepulste Laserstrahlung in CW-Strahlung umgewandelt Diese Neuentwicklung ermoumlglicht es nun herkoumlmmliche Monochromatorsysteme durch fs-Lasersysteme zu ersetzen die eine bis zu 1000-mal houmlhere spektrale Ausgangsleistung besitzen

Wirtschaftliche Bedeutung

Durch den neuen Puls-zu-CW-Converter koumlnnen in wirtschaftlich bedeutenden Bereichen wie z B der Photovoltaik der Photometrie der UV-Strahlungsmesstechnik und der Reflektometrie die Referenz- und Transfernormale mit einer deutlich reduzierten Messunsicherheit kali-briert werden Hier werden bislang wesentliche Messunsicherheitsan-teile durch zu geringe Strahlungsleistungen aus herkoumlmmlichen Mono-chromatorsystemen verursacht

Entwicklungsstand

Unter DE 10 2010 011 615 B4 wurde fuumlr den CW-Konverter ein Patent erteilt

Vorteile

bull Zeitliche Glaumlttung gepulster Laserstrahlung

bull Keine stoumlrenden Interferenzen

bull Nur minimale Absorption des Messsignals

bull Auch bei kuumlrzeren Wellenshylaumlngen ohne Ulbrichtkugel verwendbar

bull Kontinuierliche Verteilung des Ausgangspulses

bull Pulsvervielfachung

bull Houmlhere Strahlungsleistung

PTBshyNummer 0254

wwwtechnologietransferptbde

50

PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4Technologieangebote

50

Homogenisierung von Strahlungsquellen und Focal Plane Arrays (FPA)Ein neuartiges Verfahren ermoumlglicht softwaregestuumltzt eine deutlich verbesserte Kalibrierung von Mehrelement-Sensoren (FPA) und bildgebenden Systemen (Kameras) Bei flaumlchigen Strahlungsquellen kann zusaumltzlich eine gezielte Ansteuerung von Flaumlchenelementen zu einer bisher im Allgemeinen nicht erreichbaren Flaumlchenhomogenitaumlt fuumlhren

Technische Beschreibung

Flaumlchenstrahler dienen der Kalibrierung von ortsaufloumlsenden Strah-lungssensoren wobei davon ausgegangen wird dass die Emissionsflaumlche des Strahlers im Wesentlichen homogen bezuumlglich ihrer Strahldichte bzw Strahlungstemperatur ist Um kleine Inhomogenitaumlten eines Flaumlchenstrahlers zu charakterisieren ist es ein gaumlngiges Verfahren die Emissionsflaumlche punktweise mit einem Einzeldetektor abzutasten

Das neue PTB-Verfahren ist wesentlich schneller da es den Mehr-element-Sensor (FPA) das device-under-test selbst nutzt und damit immer ein Gesamtbild der Quelle aufnimmt Werden jetzt weitere Bilder zeilen- oder spaltenversetzt aufgenommen so erlaubt ein mathema-tischer Algorithmus bei nur drei Bildern eine komplette Charakterisie-rung des Sensors aber auch der Quelle

Sind Flaumlchenelemente der Strahlungsquelle einzeln ansteuerbar so ist es sogar moumlglich mittels der ermittelten Korrekturwerte zu Strahlquellen extrem hoher Homogenitaumlt im on-line-Betrieb zu gelangen

Wirtschaftliche Bedeutung

Bildgebende Strahlungssensoren und homogene Strahlungsquellen sind relevant fuumlr die Forschung und Entwicklung fuumlr die Prozesstechnik fuumlr die Charakterisierung der Energieeffizienz von Bauten bei der Ent-wicklung neuer Bauteile mit hoher thermischer Belastung und in vielen weiteren Bereichen Der mathematische Algorithmus ist aber auf unter-schiedliche Arten von Kamerasystemen anwendbar und damit auch fuumlr die Qualitaumltssicherung von CCD-Kameras bis hin zum Konsumguuml-termarkt anwendbar EntwicklungsstandEine deutsche Patenterteilung erfolgte im September 2015 Eine PCT-Anmeldung ist anhaumlngig Kooperations- und Lizenzpartner aus den Bereichen Thermografie Radiometrie und Photometrie zur Umsetzung des Konzeptes werden gesucht

Ansprechpartner

Dr Bernhard SmandekBeauftragter fuumlr TechnologietransferTelefon +49 531 592shy8303Telefax +49 531 592shy69shy8303EshyMail technologietransferptbde

DiplshyIng Berndt GutschwagerArbeitsgruppeInfrarotshyStrahlungsthermometrie

Stahlungsmessplatz der PTB zur Kalibrierung von Temperaturstrahlern und Waumlrmebildkashymeras

Vorteile

bull Schnelle Kalibrierung von Flaumlchensensoren (FPA)

bull Schnelle Kalibrierung von Flaumlchenstrahlern

bull Strahlquellen houmlchster Hoshymogenitaumlt

bull Fuumlr Thermografie und Phoshytometrie

PTBshyNummer 00374

wwwtechnologietransferptbde

Verlag Fachverlag NW in der Carl Schuumlnemann Verlag GmbHZweite Schlachtpforte 728195 Bremen Internet wwwschuenemannde E-Mail infoschuenemann-verlagde

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Erscheinungsweise und Bezugspreise Die PTB-Mitteilungen erscheinen viermal jaumlhrlich Das Jahresabonnement kostet 3900 Euro das Einzelheft 1200 Euro jeweils zzgl Versandkosten Bezug uumlber den Buchhandel oder den Verlag Abbestellungen muumlssen spaumltestens drei Monate vor Ende eines Kalenderjahres schriftlich beim Verlag erfolgen

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Printed in Germany ISSN 0030-834X

Die fachlichen Aufsaumltze aus dieser Ausgabe der PTB-Mitteilungen sind auch online verfuumlgbar unterdoi 10779531020150499

Die Physikalisch-Technische Bundesanstalt das nationale Metrologieinstitut ist eine wissenschaftlich-technische Bundesoberbehoumlrde im Geschaumlftsbereich des Bundesministeriums fuumlr Wirtschaft und Energie

mitteilungen

Impressum

Die PTB-Mitteilungen sind metrologisches Fachjournal der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt Braunschweig und Berlin Als Fachjournal veroumlffentlichen die PTB- Mitteilungen wissenschaftliche Fachaufsaumltze zu metrologischen Themen aus den Arbeitsgebieten der PTB Die PTB-Mitteilungen stehen in einer langen Tradition die bis zu den Anfaumlngen der Physikalisch-Technischen Reichsanstalt (gegruumlndet 1887) zuruumlckreicht

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Physikalisch-Technische BundesanstaltBraunschweig und BerlinNationales Metrologieinstitut

Die Physikalisch-Technische Bundesanstalt das nationale Metrologieinstitut ist eine wissenschaftlich-technische Bundesoberbehoumlrde im Geschaumlftsbereich des Bundesministeriums fuumlr Wirtschaft und Energie

Phy

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Hef

t 42

015

8

Das Jahr des Lichtes PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4

Aufgrund der herausragenden Bedeutung des Lichts und des Sehens fuumlr die Interaktion des Menschen mit seiner Umwelt wurde die Candela als Einheit der Lichtstaumlrke in den Rang einer SI-Basis einheit gehoben Die Mehrzahl der Basiseinheiten sind uumlber physikalische Zusammenhaumlnge miteinander verknuumlpft und muumlssen entsprechend Ihrer Defini-tion realisiert und in den meisten Faumlllen auf andere Einheiten ruumlckgefuumlhrt werden In diesem Artikel wird die bdquometrologische Herkunftldquo der Candela im Stammbaum der Einheiten beschrieben

Definition der Candela

Im internationalen Einheitensystem (Systegraveme International drsquoUniteacutes abgekuumlrzt SI) ist die Candela wie folgt definiert

Die Candela ist die Lichtstaumlrke in einer bestimmten Richtung einer Strahlungsquelle die monochro-matische Strahlung der Frequenz 540 times 1012 Hz aussendet und deren Strahlstaumlrke in dieser Richtung (1683) Watt durch Steradiant betraumlgt

Hierbei handelt es sich um die exakte physika-lische Definition fuumlr die Lichtstaumlrke Nun besteht Licht jedoch praktisch nie nur aus Strahlung dieser Wellenlaumlnge weshalb die Definition um eine prak-tische Realisierung ergaumlnzt ist Denn es ist das Ziel der Photometrie Licht so zu messen dass die Mess-ergebnisse weitestgehend mit der visuellen Wahr-nehmung eines menschlichen Beobachters korre-liert sind Hierfuumlr wurden zwei spezielle Funktionen V(λ) und V ʹ(λ) [1] eingefuumlhrt die die relative spektrale Empfindlichkeit eines durchschnittlichen menschlichen Auges fuumlr photopisches (hell-adaptiertes) und skotopisches (dunkel-adaptiertes) Sehen beschreiben Die wichtigere der beiden Funktionen die V(λ) Funktion fuumlr hell-adaptiertes Sehen ist bei der Wellenlaumlnge auf eins normiert bei der das Auge die houmlchste Empfindlichkeit besitzt (555 nm) Mit dieser Definition lassen sich pho-tometrische Groumlszligen durch Bewertung der ent-sprechenden spektroradiometrischen Groumlszligen mit V(λ) und Multiplikation mit dem Maximalwert des Strahlungsaumlquivalents Km = 683 lmW berechnen

Die Lichtstaumlrke Iv ist durch das photometri-sche Grundgesetz mit der Beleuchtungsstaumlrke Ev verknuumlpft

IE d

vv=sdot 2

0ΩΩ0 = 1sr (1)

wobei d den Abstand zur Lichtquelle und Ω0 einen Raumwinkel von 1 sr bezeichnet Zur praktischen Bestimmung der Beleuchtungs-staumlrke verwendet man ein Photometer welches eine spektrale Bestrahlungsstaumlrke-Empfindlichkeit s(λ) besitzt deren relativer Verlauf idealerweise der V(λ)-Funktion entspricht und dessen Signal y proportional zu der Beleuchtungsstaumlrke ist Bei dem Proportionalitaumltsfaktor handelt es sich um die photometrische Empfindlichkeit sv des Photome-ters fuumlr die gemessene Lichtquelle

y s E= sdotv v (2)

Druumlckt man nun die Beleuchtungsstaumlrke Ev durch spektroradiometrische Groumlszligen aus so ergibt sich Ev aus der spektralen Bestrahlungsstaumlrke Eλ(λ)

E K E Vv m d= sdot sdot sdotinfin

int0 λ λ λ λ( ) ( ) (3)

Aus der spektralen Bestrahlungsstaumlrke Eλ(λ) und der spektralen Bestrahlungsstaumlrke-Empfindlichkeit des Photometers s(λ) ergibt sich das Signal y des Photometers

y E s= sdot sdotinfin

int λ λ λ λ( ) ( ) d0

(4)

Fuumlgt man die Formeln (2) bis (4) in (1) ein so ergibt sich fuumlr die Lichtstaumlrke

I y dK E V

E sv = sdot sdot

sdot sdot sdot

sdot sdot

infin

infinintint

2

0

0

0

Ω

m d

d

λ

λ

λ λ λ

λ λ λ

( ) ( )

( ) ( ) (5)

Aus dieser Formel laumlsst sich ablesen welche Groumlszligen fuumlr die Ruumlckfuumlhrung der Lichtstaumlrke bestimmt werden muumlssen Fuumlr die Ruumlckfuumlhrung

Detlef Lindner Arshybeits gruppe bdquoPhotoshymetrieldquo EshyMail detleflindnerptbde

Dr Stefan Winter Arbeitsgruppe bdquoSolarzellenldquo EshyMail stefanwinterptbde

Ruumlckfuumlhrung in der Photometrie ndash die Realisierung und Ruumlckfuumlhrung der Candela

Detlef Lindner Stefan Winter

9

Ruumlckfuumlhrung in der Photometrie hellipPTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4

der Candela wird das Signal y eines Photometers bestimmt welches sich in einem Abstand d von einer Lichtquelle entfernt befindet Von dem Pho-tometer muss die absolute spektrale Empfindlich-keit s(λ) bekannt sein und von der Lichtquelle die spektrale Bestrahlungsstaumlrke Eλ (λ)

In den naumlchsten drei Abschnitten wird das eigentliche Experiment zur Realisierung der Candela beschrieben dann das Verfahren zur Kalibrierung von Photometern und als letztes die Ruumlckfuumlhrung der spektralen Bestrahlungsstaumlrke Damit sind alle Groumlszligen zur Bestimmung der Candela bekannt Im letzten Abschnitt wird dann uumlber die abgeleiteten Groumlszligen Beleuchtungsstaumlrke und Leuchtdichte berichtet

Realisierung der Candela

Die Lichtstaumlrke Iv laumlsst sich durch Verwendung der Gleichungen (1) und (3) in die folgende Form bringen

I K d E Vv m d= sdot sdot sdot sdotinfin

int2

0 0Ω λ λ λ λ( ) ( ) (6)

Die spektrale Empfindlichkeit s(λ) eines Photo-meters laumlsst sich als Produkt aus einer absoluten Empfindlichkeit s(λ0) und einer relativen Emp-findlichkeit sr(λ) darstellen

s s s( ) ( ) ( )λ λ λ= sdot0 r mit sr ( ) λ0 1= (7)

Damit ergibt sich fuumlr das Ausgangssignal y dieses Photometers gemaumlszlig Gleichung (4)

y s E s= sdot sdot sdotinfin

int( ) ( ) ( ) λ λ λ λλ00

r d (8)

Ebenso laumlsst sich die spektrale Bestrahlungsstaumlrke einer Lichtquelle als Produkt aus einer absoluten und relativen Bestrahlungsstaumlrke schreiben

E E Eλ λλ λ λ( ) ( ) ( )= sdot0 r mit Er ( ) λ0 1= (9)

In der PTB werden zur Realisierung der Candela Gluumlhlampen verwendet deren relative spektrale Bestrahlungsstaumlrke Er (λ0) durch eine Strahlungs-funktion S (λT) ersetzt wird der eine Verteilungs-temperatur T zugeordnet werden kann [2] Befin-det sich die Lampe auszligerhalb der photometrischen Grenzentfernung im Abstand d zum Photome-terkopf und beleuchtet dessen Lichteintrittsflaumlche senkrecht so ergibt sich aus Gleichung (5) ihre Lichtstaumlrke Iv (T)

Die Anpassungskorrektur F (T) ist eine Funktion der Verteilungstemperatur T die den Photo-strom so korrigiert als waumlre mit einem ideal an V (λ)-angepassten Photometerkopf gemessen worden [3] In der Praxis ist die Anpassungskor-rektur meist eine monotone Funktion der Vertei-lungstemperatur und kann z B durch ein logarith-misches Polynom ersten Grades hinreichend gut angenaumlhert werden

F TS T V

S T sa T

m

( )( ) ( )

( ) ( )=

sdot sdot

sdot sdotcong sdot

infin

infinintint

λ λ λ

λ λ λ

d

d Kr

0

0

2856

(11)

Der Koeffizient a gibt den Wert der Anpassungs-korrektur fuumlr Normlichtart A (bei T = 2856 K) an da hier die Klammer den Wert eins hat Den Verlauf der Funktion mit der Verteilungstempera-tur beschreibt die Klammer mit dem Anpassungs-index m als Exponenten der somit eine charakte-ristische Groumlszlige eines Photometerkopfes ist Eine weitere Charakterisierung ist seine photometrische Empfindlichkeit sv

1

0sK asv

m=sdot

( )

λ(12)

Aus den Gleichungen (10) bis (12) folgt die in der Arbeitsgruppe bdquoPhotometrieldquo der PTB fuumlr die Realisierung der Lichtstaumlrke-Einheit grundlegende Beziehung

I T d y Ts

Tm

v ( ) ( ) = sdot sdot

2

0 2856Ω v K (13)

Demnach muumlssen neben dem Photostrom y(T) folgende Groumlszligen bekannt sein

bull die photometrische Empfindlichkeit sv desPhotometerkopfes

bull der Anpassungsindex m zur Korrektur derspektralen Fehlanpassung

bull der Wert der Verteilungstemperatur T der ver-wendeten Lichtquelle

bull der Abstand d zwischen Lichtquelle undPhotometerkopf

Die Einheit der Lichtstaumlrke wird an der PTB

I T y d Ks

S T V

S T syv

m

r

d

d( ) = sdot sdot

( )sdot sdot

sdot sdot= sdot

infin

infinintint

2

0 0

0

0

Ω λ

λ λ λ

λ λ λ

( ) ( )

( ) ( )

dd Ks

F T2

0 0Ωsdot( ) ( )m

λ (10)

10

Das Jahr des Lichtes PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4

repraumlsentiert und bewahrt durch eine Gruppe von 17 hochstabilen Gluumlhlampen (Typ Toshiba 5 A 10 V 15 cd) deren Strahlungsfunktionen der eines Hohlraumstrahlers von 2042 K sehr aumlhnlich sindDie Gesamtmessunsicherheit einer Realisierung der Lichtstaumlrke-Einheit in der PTB beim Vertrau-ensniveau k = 2 berechnet sich so zu 04

Gluumlhlampen altern praktisch nur waumlhrend ihrer Brennzeit demgegenuumlber koumlnnen Photometer ihre Eigenschaften unabhaumlngig vom Gebrauch veraumlndern Bild 2 verdeutlicht diesen Sachverhalt Deshalb sollten photometrische Einheiten mit Normallampen verkoumlrpert und bewahrt werden

sie dienen zum Kalibrieren von Photometern Kalibrierte Photometer sollten dagegen vorzugs-weise als Transfernormale verwendet werden

Weitergabe der Lichtstaumlrke-Einheit

Als Lichtstaumlrkenormale werden speziell gefertigte Gluumlhlampen mit besonderen optischen geometri-schen und elektrischen Eigenschaften verwendet z B die Lampe Typ OSRAM WI41G Bild 3 zeigtschematisch eine solche Lampe die zur Reduzie-rung der mechanischen Justierunsicherheit miteinem Spezialsockel der PTB ausgestattet wurdeZur Weitergabe der Lichtstaumlrke-Einheit werdenGruppen solcher Lampen als Lichtstaumlrkenormaleverwendet wobei auf Verteilungstemperaturenzwischen 2000 K und 2856 K eingestellt werdenkann siehe Bild 3 unten

In der PTB erfolgt die Bestimmung der Lichtstaumlrke Iv(T) einer Lampe durch den Vergleich mit der Lichtstaumlrke Iv(TR) eines nationalen Normals mit einer Verteilungstemperatur TR und mithilfe eines an V(λ)-angepassten Photometers mit den zugehouml-renden Photostroumlmen y(T) und y(TR)

Bild 1 Kameragestuumltzte mechanische Ausrichtung einer Lichtstaumlrke-Normallampe an derPhotometerbank Quelle PTB

0990

0992

0994

0996

0998

1000

1002

0 5 10 15 20 25

Rel Werte

Brennzeith

Bild 2 Alterungsverhalten von Lampen und Photometern Links schematisch rechts reales Alterungsver-halten einer Lampe im Betrieb rot Strom blau Spannung gruumln Lichtstaumlrke

Bild 3 Lichtstaumlrke-Normallampe WI41G mit PTB-Spezialsockel (oben) sowie verschiedene Lichtstaumlrke-Normallampen-gruppen zur Bewahrung und Weitergabe der Lichtstaumlrke-Einheit (unten)

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Ruumlckfuumlhrung in der Photometrie hellipPTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4

I T I T y Ty T

TT

m

v v RR R

( ) ( ) ( )( )

= sdot sdot

(14)

Lichtstaumlrke-Normallampen

Die von der PTB in Kalibrierscheinen angegebe-nen Werte fuumlr die photometrischen Groumlszligen bezie-hen sich immer auf einen definierten Betriebszu-stand der Lampe Ihr momentaner Betriebszustand wird dagegen wesentlich bestimmt durch

bull die Zeitspanne seit dem Einschalten

bull die Betriebszustaumlnde bei fruumlheren Brennvor-gaumlngen und deren Dauer

bull die Eigenschaften der verwendetenMessapparatur

Zur Weitergabe der Lichtstaumlrke-Einheit werden zumeist Lampen des Typs WI41G verwendet Einige charakteristische Eigenschaften dieses Lam-pentyps werden nachfolgend angegeben - Kurzzeitstabilitaumlt ∆I Iv v le sdot minus2 10 4

- mechanische Justierunsicherheitfuumlr Lampe mit E27-Sockel ∆I Iv v le sdot minus2 10 3 fuumlr Lampe mit Spezialsockel ∆I Iv v le sdot minus4 10 4

- photometrisches Signal Alterung je Brennstundebzw Rauschen (siehe folgendes Bild 4)

- Richtungsabhaumlngigkeit der Lichtstaumlrke beiDrehung um die vertikale und horizontale Achse in der Leuchtkoumlrperebene Abhaumlngigkeit uumlberwiegend bei Drehung um die horizontale Achse fuumlr beide Winkel sollte der Justierfehler 1deg nicht uumlbersteigen

Bei der Weitergabe der Einheiten der gerich-teten Photometrie macht man sich das Moni-torverfahren zunutze D h der aktuelle photo-metrische Betriebszustand von Lichtstaumlrke- und Leuchtdichte normalen wird durch geeignete Monitortechniken kontrolliert Dafuumlr werden spe-ziell konstruierte Monitorphotometer eingesetzt (siehe folgendes Bild 5)

Die Signale der Monitorphotometer werden synchron mit den Referenz- bzw Testphotometern ausgelesen und dokumentieren so die bdquoEinbrenn-phaseldquo bzw die Stabilitaumlt des photometrischen Signals waumlhrend der Messablaumlufe und dienen gegebenenfalls zur Korrektur

Kalibrierung von Photometern

Bei der Kalibrierung von Photometern wird deren absolute spektrale Bestrahlungsstaumlrke-Empfindlich-keit vom UV bis ins nahe Infrarot bestimmt Dabei wird das Photometer im quasi monochromatischen homogenen Strahlungsfeld bekannter Bestrahlungs-staumlrke vollstaumlndig uumlberstrahlt und die sich dabei ergebende Stromstaumlrke gemessen Der Quotient aus Stromstaumlrke und Bestrahlungsstaumlrke bei der einge-stellten Wellenlaumlnge ergibt die spektrale Bestrah-lungsstaumlrke-Empfindlichkeit s(λ) Diese Messung wird alle 5 nm von 360 nm bis mindestens 830 nm durchgefuumlhrt und ergibt dann einen Kurvenverlauf der bei guten Photometern der oben beschriebenen V(λ)-Funktion sehr nahe kommt

Aus der experimentell bestimmten spektralen Bestrahlungsstaumlrke-Empfindlichkeit s(λ) laumlsst sich nun mithilfe tabellarisch definierter Groumlszligen (Normlichtart A S(λ 2856 K) V(λ)-Funktion und dem Maximalwert des Strahlungsaumlquivalents Km) die in Formel (2) eingefuumlhrte photometrische Empfindlichkeit sv des Photometers zusammen mit Formeln (3) und (4) berechnen

sS s

K S Vv

m

d

d=

sdot sdot

sdot sdot

infin

infinintint

( ) ( )

( ) ( )

λ λ λ

λ λ λ

2856

2856

0

0

K

K (15)

Ebenso laumlsst sich nun nach Formel (11) die Anpas-sungskorrektur F(T) direkt berechnen

2300 2500 2700 T K 2900 1

2

3

4

Alterung je Brennstunde

Rauschen ∆YY104

Photometrisches Signal

2856 K

Bild 4 Alterung je Brennstunde bzw Rauschen des photometri-schen Signals

Bild 5 Monitor-Photometer zur Uumlberwachung bzw Korrektur der Stabilitaumlt bei Messungen in der gerichteten Photometrie

Monitor-Photometer

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Das Jahr des Lichtes PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4

Experimentell wird die spektrale Bestrahlungs-staumlrke traditionell mit einem Monochromator-messplatz wie dem DSR-Messplatz ermittelt Dieser sondert aus einem Xenonlampenspektrum oder einem Gluumlhlampenspektrum einen schma-len Wellenlaumlngenbereich aus der dann fuumlr die Bestimmung der spektralen Empfindlichkeit bei seiner Schwerpunktwellenlaumlnge benutzt wird Besonders wichtig ist dabei dass der genaue Wert der Schwerpunktwellenlaumlnge bekannt ist und dass die ausgesonderte Strahlung ein sehr homogenes Strahlungsfeld erzeugt Entscheidend dafuumlr ist der geschickte und wellenlaumlngenabhaumlngige Aufbau der Eingangs- und Ausgangsoptik mit mehreren Linsen

Lampenbasierte Monochromatormessplaumltze haben jedoch einen entscheidenden Nachteil Ihre maximale Leistung betraumlgt typisch nur 100 microW Deshalb muumlssen mehrere Kompromisse bei der Messung eingegangen werden Die Messung muss verhaumlltnismaumlszligig dicht hinter dem Messplatz durch-gefuumlhrt werden wo sich die Bestrahlungsstaumlrke noch stark mit dem Abstand aumlndert und inhomoge-ner als im Fernfeld ist Je spektral reiner die Strah-lung eingestellt wird umso weniger Strahlungs-leistung passiert den Monochromator sodass auch hier wieder ein Kompromiss eingegangen werden muss Trotz der Kompromisse ist der Wellenlaumln-genbereich in dem die spektrale Empfindlichkeit bestimmt werden kann oft auf 400 nm bis 750 nm beschraumlnkt also auf den Bereich bei dem die spekt-rale Empfindlichkeit noch ausreichend hoch ist

Deshalb wurde ein neuer laserbasierter Messplatz aufgebaut (s Bild 6) Dieser erzeugt ein 100- bis 10000-mal kraumlftigeres Strahlungsfeld (s Bild 7) Zudem erlaubt der Messplatz die Bestimmung der Winkelabhaumlngigkeit von Photometern sowie die Messung des spektralen Temperaturkoeffizienten von ndash70 degC bis 180 degC Es koumlnnen mit dem laser-basierten Messplatz selbst unempfindliche Photo-meter in einem deutlich groumlszligeren Wellenlaumlngenbe-reich als bislang gemessen werden (s Bild 8ndash9) Da so viel Strahlungsleistung selbst fuumlr einen erweiter-ten Wellenlaumlngenbereich nicht benoumltigt wird kann mit einem laserbasierten Messplatz im homogenen Fernfeld und mit houmlherer spektraler Reinheit gemessen werden und somit die Messunsicherheit signifikant reduziert werden

Bild 6 Aufbau eines laser-basierten Messplat-zes zur Kalibrierung der spektralen Bestrahlungsstaumlrke-Empfindlichkeit von Photometern Das eigentliche Laser-system ist in der unteren Haumllfte von a) skizziert und in b)als Foto dargestellt

a

b

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Ruumlckfuumlhrung in der Photometrie hellipPTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4

Realisierung der spektralen Bestrahlungsstaumlrke

Wie bereits vorher erwaumlhnt ist zur Realisierung der Candela die Kenntnis der relativen spektralen Bestrahlungsstaumlrke Er(λ) = S(λ T) von Tempera-turstrahlern (Gluumlhlampen) der Verteilungstempe-ratur T erforderlich

Bereits zum Ende des neunzehnten Jahrhunderts beschaumlftigten sich an der Physikalisch-Techni-schen-Reichsanstalt (PTR) in Berlin die Wissen-schaftler Otto Lummer Ernst Pringsheim und Fer-dinand Kurlbaum unter der Leitung von Wilhelm Wien mit der Pruumlfung elektrischer Gluumlhlampen fuumlr die Industrie und in diesem Zusammenhang mit der Verbesserung von Lampen und Vergleichs-normalen fuumlr Waumlrmestrahlung [4]

Sie entwickelten basierend auf Ideen von Kirch-hoff ab 1895 die ersten Hohlraumstrahler die als sogenannter Schwarzer Strahler zur Erzeugung von Temperaturstrahlung bis zu etwa 2000 K ein-gesetzt werden konnten Aufbauend auf Vorarbei-ten von Kirchhoff (1859) Stefan und Boltzmann (187984) sowie auf eigene Berechnungen (1893) konnte Wilhelm Wien anhand erster Messergeb-nisse 1896 die heute nach ihm benannte Wiensche Strahlungsgleichung aufstellen die die Ergebnisse der Experimente gut traf allerdings systema-tische Abweichungen fuumlr groszlige Produkte von λ middot T ergab Die Wiensche Gleichung war jedoch wesentlich genauer als das von Rayleigh und Jeans aufgestellte Pendant mit seiner inhaumlrenten Ultraviolettkatastrophe

Am 19 Oktober 1900 konnte Max Planck der vom Gastwissenschaftler Heinrich Rubens uumlber die Messergebnisse in der PTR unterrichtet wurde in einer Sitzung der Physikalischen Gesellschaft eine Gleichung vorlegen die die Messungen seiner Kollegen in der PTR besser als alle bis dato bekannten Gleichungen wiedergab Bereits am 14 Dezember 1900 trug er die komplette Her-leitung der Planckschen Strahlungsgleichungwiederum der Berliner Physikalischen Gesellschaftvor und leitete damit (verbunden mit der Energie-quantelung) die Quantenphysik ein [5]

Mithilfe des Planckschen Strahlungsgesetzes laumlsst sich die spektrale Dichte der Bestrahlungs-staumlrke EλBB(λTBB) eines Hochtemperatur-Hohl-raumstrahlers (auch Planckscher Strahler oder Schwarzer Strahler) berechnen

E T T Ad

cn

ec

n Tλ

λ

λ ε λλ BB BB BB

BB

BBBB

( ) = ( ) sdot sdot sdot

minus2

12 5

1

12

(16)

Bild 7 Wellenlaumlngenabhaumlngige optische Leistung des herkoumlmmlichen DSR-Messplatzes (untere Kurven) und des Laser-DSR-Messplatzes einmal direkt hinter dem Laser gemessen (gruumlne Kurven) und einmal die Leistung der tatsaumlchlich in der Messebe-ne nutzbaren Strahlung (rote Kurven)

Bild 8 Photometer Referenzphotodiode (links) sowie Solarzelle (unten) am Laser-DSR-Messplatz

Bild 9 Mit dem Laser-DSR-Messplatz und dem DSR-Messplatz gemessene spektrale Empfindlichkeiten von zwei verschiedenen Photometern (gruumlne und blaue Kurve) sowie die spektrale Empfindlichkeit von der als Referenz benutzten Photodiode (rote Kurve) Die Signalhoumlhen unterscheiden sich um einen Faktor von bis zu 100 Millionen Obwohl das am Laser-DSR-Messplatz gemessene Photometer ca 7 mal unempfindlicher als das am DSR-Messplatz gemessene Photometer ist kann die spektrale Empfindlichkeit in einem deutlich groumlszligeren Wellenlaumlngenbereich gemessen werden

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Das Jahr des Lichtes PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4

Hierbei ist

TBB die Temperatur des Planckschen Strahlers ε(λTBB) der effektive Emissionsgrad des Strahlers ABB die Groumlszlige der Strahleroumlffnung dBB der Abstand zur Referenzebene fuumlr die Bestrahlungsstaumlrke c1 c2 die Planckschen Strahlungskonstanten und n der Brechungsindex von Luft

In der PTB wird im Fachbereich 41 bdquoPho-tometrie und angewandte Radiometrieldquo ein Hochtemperatur-Hohlraumstrahler vom Typ BB3200pg als nationales Normal fuumlr spektrale Bestrahlungsstaumlrke im Spektralbereich 200 nm bis 2500 nm eingesetzt Der Strahler der vom russi-schen Institut fuumlr optophysikalische Messungen (VNIIOFI) entwickelt [6] und von der PTB fuumlr seine Messaufgabe aufwendig charakterisiert und optimiert wurde [7] besitzt einen Hohlraum aus pyrolytischem Graphit der mittels Gleichstrom auf Temperaturen bis 3200 K aufgeheizt werden kann Der Strahler besitzt einen effektiven Emissions-grad von ε(λTBB) gt 09998 und eine ausgepraumlgte Homogenitaumlt der Temperatur im Hohlraum Er kann somit als Planckscher Strahler behandelt werden

Zur Berechnung des Planckschen Strahlungs-gesetzes werden weitere Groumlszligen des SI-Systems benoumltigt die in der PTB ruumlckfuumlhrbar kalibriert werden So wird zum Beispiel die Strahlerflaumlche ABB in Fachbereich 53 bdquoKoordinatenmesstechnikldquo kalibriert und die Bestimmung der Strahlertem-peratur TBB erfolgt mithilfe von Filterradiometern die in Fachbereich 73 bdquoDetektorradiometrie und Strahlungsthermometrieldquo gegen ein Kryo-

radiometer ruumlckgefuumlhrt werden Mithilfe dieser Berechnungsparameter fuumlr Gleichung (16) kann der Schwarze Strahler als Primaumlrnormal fuumlr strah-lungsphysikalische Groumlszligen eingesetzt werden

Die Kalibrierung von Gluumlhlampen bezuumlglich spektraler Bestrahlungsstaumlrke erfolgt in Sub-stitution durch direkten Vergleich gegen das Primaumlrnormal bzw entsprechend ruumlckgefuumlhrte Sekundaumlrnormale Hierbei handelt es sich um 1000-W-Gluumlhlampen vom Typ FEL die mit einer Verteilungstemperatur von etwa 3080 K einem dem Schwarzen Strahler sehr aumlhnlichen Verlauf der relativen spektralen Strahlungsfunktion besitzen Die Substitution erfolgt mithilfe eines Spektroradiometers das mit drei Monochroma-toren und Empfaumlngern einen Spektralbereich von 250 nm bis 2500 nm abdeckt [8] Eine Ulbrichtku-gel dient als Eingangsoptik und ihre Eintrittsoumlff-nung als Referenzebene fuumlr die Bestrahlungsstaumlrke Die durch die Kugel transmittierte Strahlung gelangt in einen Vormonochromator und wird nach spektraler Vorzerlegung wahlweise in einen Monochromator fuumlr den Spektralbereich 250 nm bis 1100 nm oder in einen Monochromator fuumlr den infraroten Spektralbereich eingekoppelt Ein Photomultiplier eine Si-Photodiode und eine InGaAs-Photodiode erfassen die aus den derart kombinierten beiden Doppelmonochromatoren austretende Strahlung Im fuumlr die Photometrie relevanten sichtbaren Spektralbereich werden spektrale Messungen mit einer spektralen Band-breite von 1 nm und einem Streulichtanteil im Bereich von 10ndash7 durchgefuumlhrt

Das Verhaumlltnis der mit den unterschiedlichen Strahlern gemessenen Photostroumlme entspricht im Wesentlichen dem Verhaumlltnis ihrer spektralen Bestrahlungsstaumlrken Beim Vergleich eines Strah-

Bild 10 Der Hochtemperatur-Hohlraumstrahler BB3200pg der in der PTB als Primaumlrnormal fuumlr die spektrale Bestrahlungsstaumlrke eingesetzt wird Der Hohlraum aus Pyrographit kann bis zu 3200 K aufgeheizt werden

15

Ruumlckfuumlhrung in der Photometrie hellipPTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4

lers bdquoSldquo mit der Verteilungstemperatur T mit dem Schwarzen Strahler der Temperatur TBB laumlsst sich prinzipiell also die unbekannte spektrale Bestrah-lungsstaumlrke EλS (λT) ermitteln aus

E T E Ty

yS eS

λ λλ λλλ ( ) = ( ) sdot ( )( )BB BB

BB

wobei ys(λ) und yBB(λ) die fuumlr die beiden Strahler gemessenen Photostroumlme bei der Wellenlaumlngen-einstellung λ sind und EλBB (λTBB) die spektrale Bestrahlungsstaumlrke des Hochtemperatur-Hohl-raumstrahlers nach dem Planckschen Strahlungs-gesetz (16) ist

Ableitung und Weitergabe weiterer photometrischer Einheiten gerichteter photometrischer Groumlszligen

Neben der Einheit fuumlr die Lichtstaumlrke sind in der gerichteten Photometrie die Einheit der Beleuch-tungsstaumlrke zur Kalibrierung von Photometern und die Einheit der Leuchtdichte zur Angabe von Lampeneigenschaften besonders wichtig

Beleuchtungsstaumlrke

In der PTB werden Beleuchtungsstaumlrke-Messgeraumlte mit einem Referenzphotometer mittels der Substi-tutionsmethode kalibriert wobei die Lichteintritts-flaumlchen der Photometerkoumlpfe an derselben Stelle senkrecht und gleichmaumlszligig beleuchtet werden

Dazu wird zunaumlchst das Referenzphotometer (Linearitaumlt und Anpassungsindex m bekannt) mit Lichtstaumlrke-Normallampen beliebiger Vertei-lungstemperatur T kalibriert Durch Umstellung von Gleichung (13) folgt fuumlr seine photometrische Empfindlichkeit

s d y TI T

Tm

v K= sdot sdot

2

0 2856Ω( )( )

v

(18)

Auf einer 40 m langen Photometerbank siehe Bild 10 koumlnnen dann mit beliebigen Gluumlhlampen unterschiedlicher elektrischer Leistung aber bekannter Verteilungstemperatur Beleuchtungsstaumlrken zwischen 0001 lx und 10000 lx erzeugt werden

Die Kalibrierung von Beleuchtungsstaumlrke-Mess-geraumlten erfolgt meistens mit Licht der Normlicht-art A eine entsprechende Lampe ist in Bild 15 dargestellt Die Anzeige des zu kalibrierenden Beleuchtungsstaumlrke-Messgeraumltes wird mit dem Messwert der Beleuchtungsstaumlrke Ev des Referenz-photometers verglichen

E T ysv

vK( )= =2856

001

01

1

10

100

350 400 450 500 550 600 650 700 750

spek

tral

e Be

stra

hlun

gsst

aumlrke

E[microW

cm

sup2nm

]

Wellenlaumlnge λ [nm]

Schwarzer Strahler (3076 K)Schwarzer Strahker (2995 K)FEL 81 A (3080 K)FEL 67 A (2780 K)WI 41G 54 A (2700 K)

Bild 11 Spektrale Bestrahlungsstaumlrke unterschiedlicher Strahler im sichtbaren Spektralbe-reich Die als Sekundaumlrnormale eingesetzten 1000-W-Gluumlhlampen vom Typ FEL und die in der Photometrie verwendeten Gluumlhlampen vom Typ WI 41G besitzen einen sehr aumlhnlichen spektralen Verlauf wie der als Primaumlrnormal eingesetzte Schwarze Strahler bei unterschiedlichen Strahlertemperaturen

Bild 12 Der Messplatz fuumlr die Kalibrierung von Gluumlhlampen bezuumlglich spektraler Bestrah-lungsstaumlrke in der PTB Auf der rechten Seite befinden sich zwei als Sekun-daumlr- und Arbeitsnormale eingesetzte Gluumlhlampen Auf der linken Seite ist das Spektroradiometer zu sehen dass an seiner Oberseite eine Ulbrichtkugel als Eingangsoptik montiert hat deren Oumlffnung in Richtung Strahler als Referenzebene fuumlr die Bestrahlungsstaumlrke verwendet wird

Bild 13 Messplatz zur Weitergabe der Einheit der Beleuchtungsstaumlrke zur Kalibrierung von Photometern

(17)

(19)

16

Das Jahr des Lichtes PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4

Leuchtdichte

Leuchtdichten homogen leuchtender begrenzter Flaumlchen koumlnnen aus groszligem Abstand wie Licht-staumlrken gemessen werden Wird z B eine kreisfoumlr-mige Blendenoumlffnung (zentrisch und senkrecht zur Messrichtung) zwischen der leuchtender Flaumlche und dem Photometerkopf angeordnet und damit ein Teillichtstrom ausgesondert so kann dieser in groszligem Abstand als Lichtstaumlrke bestimmt werden und es gilt fuumlr die Leuchtdichte Lv der prinzipielle Zusammenhang

LIAvv= (20)

In der PTB wird fuumlr die mit Gluumlhlampen ausgestat-teten Leuchtdichtenormale (d h Verteilungstem-peratur T bekannt) zunaumlchst die photometrische Empfindlichkeit sv des Referenzphotometers wie in Abschnitt 41 bestimmt dann die Lichtstaumlrke nach Gleichung (13) gemessen und schlieszliglich die mittlere Leuchtdichte innerhalb der leuchtenden Flaumlche A nach Gleichung (20) berechnet

Fuumlr Leuchtdichtenormale gelten prinzipiell einige der im Kapitel bdquoLichtstaumlrke-Normallampenldquo aufgefuumlhrten Merkmale Sie unterscheiden sich jedoch im Detail in der Art der Ausfuumlhrung z B sind sie mit Gluumlhlampen oder mit LEDs bestuumlckt sie koumlnnen hinsichtlich der Leuchtdichte bzw Farbe durchstimmbar sein oder mit gesonderter Monitortechnik ausgestattet sein

Die traditionellen Messverfahren zur Bestim-mung der Leuchtdichte bzw die Verwendung von Photometern mit direkter Anzeige der Leuchtdich-tewerte werden zunehmend durch den Einsatz von Leuchtdichtekameras (pixelaufgeloumlste Darstellung von Leuchtdichteverteilungen) ergaumlnzt Eine abso-lute Kalibrierung dieser modernen Systeme stellt aber messtechnisch eine groszlige Herausforderung

Bild 14 Die 40 m lange photometrische Bank zur Realisierung und Weitergabe der Einhei-ten der gerichteten Photometrie

Bild 15 20-kW-Hochleistungshalogengluumlhlampe fuumlr hohe Beleuchtungsstaumlrken zur Kalibrierung von Beleuchtungsstaumlrke-Messgeraumlten u a mit Normlichtart A

Bild 16 Gluumlhlampenbasierte Normale zum Transfer der Leuchtdichte-Einheit

17

Ruumlckfuumlhrung in der Photometrie hellipPTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4

dar aktuell werden zur Charakterisierung solcher Kameras national im FNL3 (Normenausschuss bdquoPhotometrieldquo im DIN) und international in der CIE (TC2-59 TC2-62) u a Messverfahren dis-kutiert die dann mittels definierter Kenngroumlszligen beschrieben werden

Literatur

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temperature 1994[3] G Sauter Die Candela Erlaumluterungen zum Ver-

staumlndnis der Definition und der RealisierungPTB-Mitteilungen 107 1997

[4] W Schreier (Hrsg) Biographien bedeutender Phy-siker 2 Aufl Volk und Wissen Berlin 1988S 203ndash205

[5] M Planck Zur Theorie des Gesetzes der Energie-verteilung im Normalspektrum Verhandlungender Deutschen Physikalischen Gesellschaft 21900 S 237ndash245

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[7] P Sperfeld Entwicklung und Realisierungeiner empfaumlngergestuumltzten spektralen Bestrah-lungsstaumlrkeskala Dissertation Braunschweig2861999 httpwwwbibliotu-bsdeedissdata19990628a19990628ahtml(Letzter Aufruf 28102015)

[8] P Sperfeld S Pape B Barton From Primary Stan-dard to Mobile Measurements ndash Overview of theSpectral Irradiance Calibration Equipment at PTBMAPAN-Journal of Metrology Society of India 252010 S 11ndash19

Bild 17 Pixelaufgeloumlste Darstellung einer Leuchtdichteverteilung mit einer Leuchtdichtemesskamera

pim_140107_anz_forschung_178x29indd 1 280214 1033

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PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4Das Jahr des Lichtes

Kurze Geschichte der Goniophotometrie in der PTB Matthias Lindemann

Zusammenfassung

Die Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB) ist das nationale Metrologieinstitut (NMI) der Bundesrepublik Deutschland das seinen Fokus auf die Realisierung Bewahrung und Weitergabe der SI-Einheiten richtet Deshalb hat auch die goniophotometrische Bestimmung des Licht-stroms nahezu beliebiger Lichtquellen eine lange Tradition Seit mehr als 50 Jahren werden in der PTB hierzu noumltige Messsysteme entwickelt genutzt verbessert und an neue Messaufgaben angepasst Schon in den 50er- und 60er-Jahren des vergangenen Jahrhunderts erlaubte ein soge-nanntes Einarm-Goniophotometer die Realisie-rung der Lichtstromeinheit lumen (lm) als direkte Ableitung von der SI-Basiseinheit Candela (cd) mithilfe von Lichtstaumlrke-Normallampen Spaumlter gestattete ein groszliges Kardan-Goniophotometer mit einem Messradius von 25 m die notwendige automatisierte spiralfoumlrmige Bewegung eines Photometers bzw eines Dreibereichsfarbmess-kopfes Fuumlr die Lichtstrom-Kalibrierungen von Kleingluumlhlampen aber auch von zunehmend nachgefragten Messungen an LEDs wurde schon in den fruumlhen 1980er Jahren ein sogenanntes Mini-Goniophotometer ebenfalls als Kardan-

Goniophotometer mit nur 03 m Messradius entwickelt und eingesetzt Dieser Entwicklungs-prozess haumllt an und ermoumlglicht heute die Kalibrie-rung auch modernster LED-Lichtquellen Im Jahr 2006 wurde das erste Roboter-Goniophotometer im neuen Albert-Einstein-Gebaumlude der PTB in Betrieb genommen und ermoumlglicht seitdem die Kalibrierung nahezu beliebiger Lichtquellen mit der noumltigen kleinen Messunsicherheit

1 Einfuumlhrung

Mehr als 11 der elektrischen Energie werden heute in Deutschland fuumlr Beleuchtung einge-setzt Tendenz steigend Daher ist der Lichtstrom oumlkonomisch gesehen die wichtigste photometri-sche Groumlszlige Es ist notwendig seine Einheit das Lumen (lm) direkt von der SI-Basiseinheit fuumlr die Lichtstaumlrke der Candela (cd) abzuleiten Dies geschieht regelmaumlszligig mittels Goniophotometrie um den Lichtstrom der zu untersuchenden Licht-quelle zu bestimmen Obwohl auch absolut arbei-tende Ulbricht-Kugel-Methoden existieren [1] benoumltigen diese streng genommen zumindest die relative raumlumliche Lichtstaumlrkeverteilung welche nur durch goniophotometrische Methoden messbar ist

Das Prinzip der Goniophotometrie ist unabhaumln-gig von der technischen Realisierung der unter-schiedlichen Goniophotometertypen Ein Gonio-photometer misst die raumlumliche Verteilung der Beleuchtungsstaumlrke E(r ϑ φ) auf einer geschlosse-nen Huumlllflaumlche mittels V(λ)-angepasstem Pho-tometer fuumlr alle Richtungen (ϑ φ) der Lichtaus-strahlung im vollen Raumwinkel (4π sr) um die Lichtquelle herum wie Bild 1 zeigt

Der Radiusvektor r(ϑ φ) beschreibt die Position des Photometers in Kugelkoordinaten und r(ϑ φ) durchstoumlszligt das zur Lampe gerichtete Eintrittsfens-ter immer orthogonal Der Radiusvektor r(ϑ φ) beschreibt auch die Entfernung zwischen Lampe und Photometer

Der Winkel ϑ beschreibt die Position des Photometers zwischen den Polen traditionell im Bereich (0 lt ϑ lt π) Der Winkel φ beschreibt die Photometer-Position in der Aumlquator-Richtung

Matthias Lindemann Arbeitsgruppe bdquoGoniophotometrieldquo EshyMail matthiaslindemannptbde

Bild 1 Beleuchtungsstaumlrke E als Funktion des Radiusvektors r(ϑ φ)

19

PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4 Kurze Geschichte der Goniophotometrie in der PTB

(0 lt φ lt 2π) Der Wert des Lichtstroms Φ der Lampe kann aus der Beleuchtungsstaumlrkeverteilung E(ϑ φ) berechnet werden entweder aus der Licht-staumlrkedefinition I = dΦdω oder aus der Defini-tion der Beleuchtungsstaumlrke E = dΦdΑ

Φ = ( )int I ϑ ϕ ω4πsr

d (1)

Φ = ( )int E Ar

ϑ ϕ4 2π

d (2)

Das Raumwinkelelement dω der Gleichung (1) ist gegeben durch

d sin d dω ϑ ϑ ϕ= ( ) (3)

und das Flaumlchenelement dA der Gleichung (2) erhaumllt man aus

d sin d dA r= ( ) ( )2 ϑ ϕ ϑ ϑ ϕ

(4)

Der Radius r des Radiusvektors r(ϑ φ) kann als Konstante behandelt werden da er sich gewoumlhn-lich waumlhrend einer goniophotometrischen Messung nicht aumlndert Dann kann die Lichtstaumlrke-verteilung I(ϑ φ) durch Anwendung des photome-trischen Grundgesetzes aus der Beleuchtungsstaumlr-keverteilung E(ϑ φ) bestimmt werden

I r Eϑ ϕ ϑ ϕ ( ) = ( )2 (5)

Falls die photometrisch wirksame Ausdehnung rL der zu messenden Lampe deutlich kleiner ist als der Messradius r des Goniophotometers ist kann Gleichung (1) mit Gleichung (3) und r = const wie folgt geschrieben werden

Φ = ( ) ( )intintr E2

00

2

d sin dϕ ϑ φ ϑ ϑππ

(6)

Andererseits fuumlhrt Gleichung (2) mit Glei-chung (4) und r = const ebenfalls auf Gleichung (6) Aber fuumlr groszlige Lampen koumlnnte die Anwen-dung von Gleichung (5) zu fehlerhaften Ergeb-nissen fuumlhren (rL gt r) aber der ermittelte Wert des Lichtstroms entsprechend Gleichung (6) waumlre korrekt falls das Photometer das einfallende Licht mit dem Kosinus des Einfallswinkels bewertet

2 Geschichte der Goniophotometer- Systeme in der PTB

Wie bereits teilweise in Abschnitt 1 diskutiert sollte ein ideales Goniophotometer eine Reihe von Anforderungen erfuumlllen wie die folgende Auflis-tung zeigt

1 Kalibrierung der Photometer mittels Licht-staumlrke-Normallampen zur Sicherung der Ruumlckfuumlhrung auf die nationale Realisierung der Einheit Candela

2 Ausfuumlhrung einer Relativbewegung zwischen Lampe und Photometer wobei sich ϑ-Achse und φ-Achse rechtwinklig schneiden

3 Verwendung eines V(λ)-angepassten Photo-meters zur Lichtstrommessung

4 Automatische Messdatenanalyse5 Unabhaumlngige Bestimmung des Lichtstromwer-

tes von der raumlumlichenspektralen Verteilung der gemessenen Bestrahlungsstaumlrke Ee(λ ϑ φ) des Lichts

6 Unabhaumlngigkeit der Empfindlichkeit des Pho-tometers von der Umgebungstemperatur bzw Durchfuumlhrung einer entsprechenden Korrektur

7 Beliebige Betriebslage der zu untersuchenden Lampe

8 Einstellbare Umgebungsbedingungen fuumlr Luft-temperatur und Luftfeuchte

9 Geringer Streulichtanteil im Messraum bzw Streulicht-Korrektur

10 Elektrische Antriebe fuumlr die Bewegung der ϑ- und φ-Achsen

11 Verwendung von Farbmesskoumlpfen zur Bestim-mung der raumlumlich wirksamen aumlhnlichsten Farbtemperatur undoder Bestimmung der relativen raumlumlichen spektralen Verteilung der gemessenen Bestrahlungsstaumlrke

12 Messung ohne Bewegung der zu untersuchen-den Lampe

13 Vollstaumlndige Abtastung der Beleuchtungs-staumlrke- bzw Lichtstaumlrkeverteilung der zu untersuchenden Lampe

14 Staumlndige Uumlberwachung des photometrischen Betriebsverhaltens der Lampe um Alterung waumlhrend der Messzeit erkennen bzw korrigie-ren zu koumlnnen (sogenanntes Monitorsystem)

15 Messraumwaumlnde sollen etwa auf Lufttem-peratur sein um den Strahlungsaustausch zwischen Entladungslampen und Waumlnden des Messraums zu stabilisieren

16 Online-Streulichtkorrektur ndash insbesondere fuumlr ausgedehnte Lampen wie Leuchtstofflampen da diese den Einsatz eines Streulichttubus mit groumlszligerem Gesichtsfeld erfordern

17 Die Beleuchtungseinrichtung des Gonio-photometerraums soll zur Messzeit abgedeckt und ausgeschaltet sein um den Streulichtan-teil nicht zu erhoumlhen

18 Variation des Messradius r (Validierung von Nahfeld-Fernfeld-Messungen mit abbilden-den Systemen)

In der Goniophotometrie sind verschiedene Koor-dinatensysteme wie Bild 1a zeigt zu unterscheiden Dies sind regelmaumlszligig das Lampenkoordinatensys-tem Lamp das Raumkoordinatensystem Room und

20

PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4Das Jahr des Lichtes

das Goniophotometerkoordinatensystem bezogen auf dessen Zentrum Center Bild 1a zeigt moumlgliche Offsets zwischen diesen Systemen in Translation und Rotation

Um folgende Betrachtungen und Erklaumlrungen zu vereinfachen werden die genannten Koordina-tensysteme als deckungsgleich angenommen das heiszligt es werden keine Offsets in Translation und Rotationen zwischen den Koordinatensysteme vorausgesetzt

Im Weiteren werden die Eigenschaften Vor- und Nachteile der uumlber Dekaden in der PTB entwi-ckelten und genutzten Goniophotometer unter Beruumlcksichtigung der gewuumlnschten vorstehend gelisteten Eigenschaften diskutiert Es beginnt mit einem einfachen Einarm-Goniophotometer aus den 50er-Jahren des vergangenen Jahrhunderts und endet zumindest vorlaumlufig mit dem State-of-the-art-Roboter-Goniophotometer das 2007 in Betrieb ging

21 Einarm-Goniophotometer (1950ndash1975)

In der Zeit von 1950 bis 1975 wurde ein manuell betriebenes Einarm-Goniophotometer nach Bild 2 benutzt In den 50er-Jahren war diese Messappara-tur noch mit einem visuellen Photometer ausge-stattet Dieses Photometer erlaubte die relative Messung von Beleuchtungsstaumlrken mittels einer im Photometer installierten Hilfslampe in Verbindung mit einem optischen Abschwaumlcher [2 Seite 321] Die Ruumlckfuumlhrung auf die nationale Lichtstaumlrke-Einheit die Candela war durch Kalibrierung des visuellen Photometers mit Lichtstaumlrke-Normal-lampen sichergestellt (dies erfuumlllt Anforderung 1 der Anforderungsliste) entsprechend basieren auch Abstandsmessungen auf der nationalen Laumln-geneinheit dem Meter

Wegen der Lageabhaumlngigkeit der internen Hilfs-lampe im Innern des visuellen Photometer war es an einer festen Stelle der Messapparatur ange-bracht wie Bild 2 zeigt Ein Spiegel-Prismen-Sys-tem leitete das Licht der zu untersuchenden Lampe auf das Photometer Eine detaillierte Beschreibung aumlhnlicher Systeme kann [2 Seite 319] entnommen werden Damit ist Anforderung 2 ebenfalls erfuumlllt

Die vollstaumlndige Bestimmung des Lichtstroms Φ erfordert eine groumlszligere Anzahl Messungen von Beleuchtungsstaumlrken fuumlr ebenso viele manuell eingestellte unterschiedliche Kugelkoordina-ten (ϑ φ) Wird die fiktive Kugel gemaumlszlig Bild 1 in ϑ-Richtung in parallele Zonen eingeteilt und jede dieser Zonen i ist wiederum in n Sektoren j gleicher Laumlnge (Δφ = const) mit den zugehoumlrigen Beleuchtungsstaumlrken Eij unterteilt ist es moumlglich die mittlere Beleuchtungsstaumlrke Endashi jeder Zone i nach Gleichung 7 zu bestimmen

E Ei n i jj

n

==sum1

1 (7)

und der Wert des Lichtstroms Φ ergibt sich weiter aus der numerischen Integration nach Gleichung (8)

Φ = ( )minus ( )( )+

=sum2 2

10

1

πr cos cosϑ ϑi ii

m

iE-

(8)

Die Anzahl der notwendigen Beleuchtungsstaumlr-kemessungen haumlngt von der raumlumlichen Lichtver-teilung der zu untersuchenden Lampe ab Wegen der manuellen Einstellung des groszligen Arms (ϑ) der Drehung der Lampe (φ) und des gleichfalls noumltigen manuellen Abgleichs des visuellen Pho-tometers ist diese Methode sehr zeitaufwendig Sollen beispielsweise 600 Punkte gemessen werden (aus heutiger Sicht also nicht besonders viele) und man benoumltigt ca 25 Sekunden pro Messung werden also mehr als 4 Stunden benoumltigt um eine

Bild 1a Koordinatensysteme

Bild 2 Einarm-Go-niophotometer 1950ndash1975

21

PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4 Kurze Geschichte der Goniophotometrie in der PTB

Lampe mit relativ homogener raumlumlichen Licht-verteilung zu messen

In 1963 wurde ein internationaler Lichtstrom-vergleich auf der Basis von Entladungslampen ohne Fluoreszenzstoff durchgefuumlhrt Diese Lampen wiesen eine massive Inhomogenitaumlt ihrer raumlumlichen Lichtverteilung auf sodass die beschriebene manuelle Methode wegen der noumltigen hohen Anzahl von Messpunkten nicht praktikabel war Zur Loumlsung dieses Problems in [3] beschrieben wurde das visuelle Photometer durch einen grob an V(λ)-angepassten Photover-vielfacher ersetzt zusaumltzlich wurde die φ-Achse mit einem elektrischen Antrieb versehen und ein Praumlzisionskondensator ermoumlglichte die analoge Integration des Photostroms des Photovervielfa-chers Damit konnte fuumlr jede der erforderlichen ϑ-Einstellungen des groszligen Arms der elektri-sche Antrieb der φ-Achse diese mit konstanter Winkelgeschwindigkeit rotieren lassen waumlhrend der Praumlzisionskondensator den Photostrom des Photovervielfachers integrierte Nach etwa t = 5 min fuumlr eine Umdrehung repraumlsentierte die Ladung Q = C middot U des Praumlzisionskondensators die mittlere Beleuchtungsstaumlrke

E k C Uti = sdot (9)

dieser gemessenen Zone i Daraus berechnet sich der Lichtstrom wiederum gemaumlszlig Gleichung (8) Es ist nicht noumltig das Produkt k ∙ C exakt zu kennen da dies uumlber das Kalibrierverfahren durch die bekannte Beleuchtungsstaumlrke einer Lichtstaumlrke-Normallampe eliminiert werden kann es muss lediglich uumlber die gesamte Messzeit hinweg kons-tant sein

Spaumlter in den 1960er-Jahren wurde auch das visuelle Photometer durch ein modernes V(λ)-angepasstes Photometer basierend auf gefilterten Silizium-Photodioden in Kombination mit einen PhotostromSpannungswandler und einem xy-Plotter ersetzt Man erhielt so die Beleuchtungs-staumlrkeverteilung jeder Zone die sich dann leicht mit grafischen oder numerischen Verfahren inte-grieren lieszlig Es wird spaumlter gezeigt werden dass diese verwendete bdquoanaloge Zonenintegrationldquo sehr aumlhnlich der heutigen digitalen zonalen Bewertung ist

Diese letzten 2 Verbesserungen erfuumlllen die Anforderung 3 und teilweise auch die Anforde-rung 4

22 Kardan-Goniophotometer (1976ndash2007)

Das existierende Einarm-Goniophotometer war immer auf eine bdquohelfende Handldquo angewiesen um es von Punkt zu Punkt zu bewegen Die anschlie-szligende Berechnung des Lichtstroms wurde grund-saumltzlich ebenfalls haumlndisch ausgefuumlhrt Dieses Ver-

fahren war dementsprechend sehr zeitaufwendig und der zunehmende Wunsch der Industrie auch groszlige Objekte wie z B lange Leuchtstofflampen aber spaumlter auch sehr kleine Mikrolampen und erste LEDs zu kalibrieren fuumlhrte zur Entwicklung sogenannter Kardan-Goniophotometer ver schie-dener Ausfuumlhrungen

221 Groszliges Kardan-Goniophotometer

Nach der intensiven Umgestaltung einiger Raumlume im Koumlsters-Bau der PTB war es moumlglich im neuen Goniophotometerraum (7 x 10 x 8 m3) das Kar-dan-Goniophotometer [4] zu installieren Bild 3 zeigt das groszlige Kardan-Goniophotometer Am Bildoberrand ist eine zu kalibrierende stabfoumlrmige Leuchtstofflampe zu sehen

Dieser Raum war zusaumltzlich auch mit einer geregelten elektrischen Heizung ausgestattet um die geforderten Messbedingungen bezuumlglich Umgebungstemperatur einstellen zu koumlnnen Im Prinzip besteht ein Kardan-Goniophotometer wie in Bild 4 gezeigt aus 3 Rahmen wobei der aumluszligere α-Rahmen der raumlumlichen Ausrichtung (durch Drehung um die y-Achse) der zu untersu-chenden Lampe dient Innerhalb dieses aumluszligeren α-Rahmens ist der mittlere φ-Rahmen endlos drehbar um die z-Achse gelagert Der innere ϑ-Rahmen ist wiederrum drehbar im φ-Rahmen gelagert jedoch ist seine Bewegung auf knapp 180deg durch den noumltigen Lampenhalter begrenzt Alle 3 Rahmen sind mechanisch ausgeglichen und mit elektrischen Antrieben versehen Ihre Rotationsgeschwindigkeiten waren per 10-Gang-Praumlzisionspotentiometer einstellbar eine Folge der angewandten analogen Regelung der Achsan-triebe Die Winkelbestimmung der Achsen erfolgte mittels 13-bit-Winkelencodern Das Photometer war am ϑ-Rahmen (Bild 4) platziert und ermoumlg-lichte so einen festen Messradius von 2500 mm Es bestand die Moumlglichkeit ein zweites Photometer

Bild 3 Kardan-Goniophotometer 1976ndash2007

22

PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4Das Jahr des Lichtes

oder einen Farbmesskopf auf der gegenuumlberliegen-den Seite des ϑ-Rahmens einzusetzen

In diesem Fall war der Arbeitsbereich limitiert im Bereich 4deg lt ϑ lt 176deg da jeweils Lampenhalter von rechts und links zur Aufnahme einer beispiels-weise stabfoumlrmigen Leuchtstofflampe eingesetzt werden konnten (siehe auch Bild 3) Im Falle von einseitig gesockelten Lampen wurde meist nur ein PhotometerFarbmesskopf verwendet was eine Drehung der gegenuumlberliegenden Messkopf-aufnahme um 90deg ermoumlglichte Diese sogenannte bdquoKroumlpfungldquo lieszlig dann Raum fuumlr den nun einseiti-gen Lampenhalter und der Arbeitsbereich vergrouml-szligerte sich zu 0deg lt ϑ lt 176deg

Entsprechend der Gleichung (6) muss die gemessene Beleuchtungsstaumlrkeverteilung uumlber den vollen Raumwinkel 4π sr zum Wert des Licht-stroms integriert werden So ist es naheliegend digitale uumlber die Zeit integrierende Methoden zur Erfassung und Speicherung der gemessenen Beleuchtungsstaumlrkewerte zu verwenden Bild 5 zeigt den Signalfluss Sowohl Photometer- undoder Farbmesskopf als auch Photostrom-Fre-

quenz-Wandler waren temperaturstabilisiertDer Photostrom des Photometers mit seiner

photometrischen Empfindlichkeit s normalisiert auf die CIE-Lichtart A wird mittels Ruumlckkopp-lung Rg eines Photostromverstaumlrkers in eine Spannung U gewandelt und weiter durch einen Spannungs-Frequenzwandler in eine Frequenz f mit dem zugehoumlrigen Wandlungsfaktor wf kon-vertiert Diese Frequenz wird letztlich von einem digitalen Zaumlhler kontinuierlich gezaumlhlt Simultan wird die Quarz-Frequenz fq durch einen zweiten digitalen Zaumlhler erfasst um waumlhrend der spaumlteren Datenanalyse die urspruumlnglichen Photostroumlme berechnen zu koumlnnen Diese Methode stellt damit die schon erwaumlhnte Signal-Zeit-Integration sicher

Die die zu untersuchende Lampe umgebene fiktive Kugel ist wie Bild 5 zeigt in Zonen und Sektoren unterteilt Infolge der analogen Geschwindigkeitsregelung der zwei bewegten Rahmen sind positive und negative Beschleu-nigungsphasen am Anfang und am Ende einer vollstaumlndigen Abtastung und Lastreaktionen des rotierenden Systems und die damit verbundenen geringen Gleichlaufschwankungen unvermeid-bar Die Unterteilung jeder Zone in Sektoren mit der Laumlnge Δφj als Gewichtung reduziert jedoch diesen Einfluss Damit berechnet sich die mittlere Beleuchtungsstaumlrke Endashi nach Gleichung (10)

Es w R

fyt

fjj

ni j

i j=

sdot sdot sdot( )sdot sdot minus

=sum1

2 10

πϕ

f gq∆∆

∆

(10)

mit der Dunkelfrequenz f0 (Photometer abgeschat-tet) und den Differenzsignal-Zaumlhlungen Δyi j und den Differenzzeit-Zaumlhlungen Δti j jeweils vom Sek-toranfang bis zum Sektorende Wiederum koumlnnte der Lichtstrom nach Gleichung (8) bestimmt werden jedoch werden jetzt noch Korrekturfakto-ren fuumlr das Streulicht cstr der spektralen Fehlanpas-sung des Photometers cspec und Abweichungen von den nominalen elektrischen Betriebsbedingungen celec eingefuumlhrt wie nun Gleichung (11) zeigt

Φ = sdot sdot sdot sdot minus( ) sdot+=

minus

sumc c c r Ei ii

m

istr spec elec cos cos2 21

0

1

π ϑ ϑ

(11)

Im Verlauf einer Lichtstrommessung werden neben dem Photometer auch die Waumlnde des Messraums von der zu untersuchenden Lampe beleuchtet Diese Beleuchtung wird ebenfalls vom im Goniophotometer verwendeten Photometer bdquogesehenldquo und fuumlhrt zu einer Streubeleuchtung auf dem Lichteintrittsfenster dieses Photome-ters Diese Streubeleuchtung haumlngt einerseits vom Reflexionsgrad der verwendeten Wandfarbe (ρ asymp 3 ) und vom Gesichtsfeld des sich vor dem

Bild 4 Groszliges Kardan-Goniophotometer 1976ndash2007

Bild 5 Signalfluss

23

PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4 Kurze Geschichte der Goniophotometrie in der PTB

Photometer befindlichen Streulichtreduzierungs-tubus ab Daher muss fuumlr jeden eingesetzten Tubus mit seinem individuellen Gesichtsfeld der wirksame spezifische Streulichtkorrekturfaktor cstr bestimmt werden Diese koumlnnen ermittelt werden indem Blenden mit unterschiedlichen Durchmes-sern zwischen der zu untersuchenden Lampe und dem Photometer waumlhrend normalen Lichtstrom-messungen positioniert werden Eine detaillierte Beschreibung kann [5] entnommen werden

Die technische Realisierung eines Photometers ist immer nur eine Naumlherung fuumlr V(λ) Dies bedeu-tet dass im Prinzip in allen Faumlllen diese spektrale Fehlanpassung korrigiert werden muss Allgemein kann der spektrale Korrekturfaktor cstr fuumlr alle Lampen mit beliebiger Strahlungsfunktion S(λ) nach Gleichung (12) bestimmt werden

cV S

s S

V P T

s Pspek

rel

A

rel

d

d

d=

( )sdot ( )( ) sdot ( )

( ) sdot ( )( ) sdot

intint

intint

λ λ λ

λ λ λ

λ λ λ

λ

λλ λTA d( )

(12)

Hierzu ist jedoch die Kenntnis der relativen spektralen Empfindlichkeit srel(λ) des Photome-ters notwendig P(λ TA) bezeichnet dabei einen Planckstrahler mit einer Verteilungstemperatur von TA = 2856 K

Im Fall von Gluumlhlampen ist ein etwas einfache-rer Weg fuumlr diese Korrektur ohne die Kenntnis von srel(λ) moumlglich Gleichung (13) beschreibt die Abhaumlngigkeit der Beleuchtungsstaumlrke E(T) von der Verteilungstemperatur T

E Ty T

sTT

m

( ) = ( )

A

y

(13)

eines gemessenen Photostroms y(T) und der pho-tometrischen Empfindlichkeit s des Photometers fuumlr Lichtart A Eine charakteristische Eigenschaft des Photometers ist der Exponent my bdquoyldquo indiziert den Exponent fuumlr ein V(λ)- angepasstes Photome-ter oder den y-Kanal eines Dreibereichsfarbmess-kopfes wobei die anderen Kanaumlle unterschiedliche Werte fuumlr diese Exponenten haben Ein ideales Photometer wuumlrde einen Wert von 0 fuumlr diese Exponenten aufweisen Beispielsweise beschreibt my = 0018 ein qualitativ durchaus gutes Photo-meter Der Exponent my (und auch mx und mz) koumlnnen aus einem Fit bekannter Paare (E(T) T) einer Lichtstaumlrke-Normallampe bei verschiedenen Arbeitspunkten wie in [6 7] beschrieben gefun-den werden Damit kann der Korrekturfaktor cspec fuumlr Gluumlhlampen wie folgt geschrieben werden

c TT

my

specA

=

(14)

Werden Gluumlhlampen in der Naumlhe von CIE-Licht-art A betrieben ist die Korrektur auf elektrische Nominalbedingungen celec ebenfalls nach Glei-chung (15) sehr einfach da der Lichtstrom eine Funktion des Betriebsstroms J ist

c JJ

m

elec

J

=

minus

0 (15)

Hier ist J0 der Nominalstrom und mJ cong 684 Mehr Information kann in [7] gefunden werden

Die Datenanalyse fuumlr einen Dreibereichsfarb-messkopf erfolgt in gleicher Weise und man erhaumllt die Normfarbwertanteile (x y) aus den Gleichun-gen (16 17)

x =+ +Φ

Φ Φ ΦX

X Y Z (16)

y =+ +Φ

Φ Φ ΦY

X Y Z (17)

Leider konnten nur der Lichtstrom und die zuge-houmlrigen Normfarbwertanteile bestimmt werden da aufgrund der geringen Speichermoumlglichkeit der verwendeten Computertechnik die raumlumliche Information verlorenging

Daher wurden im Jahre 1991 alle Computer Analogsysteme die Verdrahtung und viele weitere Elemente durch moderne Ausruumlstung ersetzt Von nun an konnten alle Rohdaten mittels geeigneter Speichermedien dauerhaft bewahrt werden Das galt auch fuumlr groszlige Datenmengen des ab 1997 eingesetzten Array-Spektrometers zur Messung der relativen spektralen Leistungsverteilung der Strahlung synchron zur Lichtstrombestimmung Leider wiesen Photometer und Einkoppeloptik des Array-Spektrometers unterschiedliche Gesichtsfel-der auf und hatten etwas unterschiedliche Positi-onen auf dem Goniophotometer was die Daten-analyse komplizierte Dennoch konnten erstmalig raumlumliche spektrale Informationen uumlber zu untersuchende Lampen ermittelt werden Damit erfuumlllte das groszlige Kardan-Goniophotometer in seiner Ausbaustufe von 1997 die Anforderungen 1ndash14 aus Abschnitt 2 Die relative erweiterte Mes-sunsicherheit fuumlr den Lichtstrom fuumlr k = 2 betrug jetzt 060

222 Kleines Kardan-Goniophotometer

Fuumlr die Messung kleiner Lampen und LEDs wurde in den fruumlhen 1980er-Jahren ein dem groszligen Kardan-Goniophotometer sehr aumlhnliches kleines Kardan-Goniophotometer mit einem Messra-dius von nur 300 mm entwickelt hergestellt und

24

PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4Das Jahr des Lichtes

betrieben Das Foto in Bild 6 zeigt dieses seinerzeit sogenannte bdquoMini-Goniophotometerldquo

Die Messtechnik entsprach nahezu vollstaumln-dig dem groszligen Kardan-Goniophotometer bis hin zum Signalfluss einschlieszliglich Spannungs-Frequenzwandler und nachgeschalteten Zaumlhlern Damit sind alle Aspekte dieser Apparatur bereits in Abschnitt 221 diskutiertIm Jahre 2007 wurde dieses Instrument durch ein spezielles Goniophotometer fuumlr die Messung von LEDs ersetzt siehe auch Kapitel Metrologie fuumlr moderne Lichtquellen LEDs und OLEDs [10]

23 Roboter-Goniophotometer (2006 bis heute)

Am Ende der 1990er-Jahre wurde die Planung eines neuen Goniophotometertyps mehr und mehr konkret Nahezu gleichzeitig entschied sich die PTB fuumlr den Neubau eines modernen Gebaumludes fuumlr die Abteilung Optik dem heutigen Albert-Einstein-Bau Infolge dieses Zusammentreffens

beider Ereignisse konnte bei der Planung das neue Gebaumlude quasi um das neue Roboter-Goniopho-tometer herum geplant und spaumlter auch so gebaut werden

In 19951996 zeigte G Sauter dass Gonio-photometrie mittels Robotern moumlglich ist und erhebliche Vorteile gegenuumlber den bisher verwendeten Kardan-Goniophotometern auf-weist [8] Wie weiterhin in [8] beschrieben sind sogenannte Service-Roboter gut geeignet um ein Roboter-Goniophotometer zu realisieren Diese zeichnen sich durch eine schlanke Konstruktion mit langen Armen bei gleichzeitig relativ gerin-gem Gewicht aus Sie verfuumlgen uumlber eine hohe Flexibilitaumlt um beispielsweise ein Photometer auf gewuumlnschten Bahnen mit unterschiedlichen Radien (1000 mm lt r lt 3000 mm) auf der fiktiven Kugeloberflaumlche um die Lampe herumzufuumlhren Jeder Roboter verfuumlgt uumlber 7 Freiheitsgrade (engl seven degrees of freedom 7 DOF) Dies garantiert die notwendige Flexibilitaumlt und das erforderli-che Arbeitsvolumen Zur Abdeckung des vollen Raumwinkels 4π sr sind daher 2 der beschriebenen Roboter notwendig Ein dritter aumlhnlicher Roboter positioniert dabei die zu untersuchende Lampe in der gewuumlnschten Brennstellung im Raum Alle Roboter-Basen sind direkt mit dem Stahlbeton des Gebaumludes verbunden um eine langzeitstabile raumlumliche Positionierung der Roboter zu gewaumlhr-leisten Bild 8 zeigt das Roboter-Goniophotometer waumlhrend der Messung einer LED-Signalleuchte

Im Gegensatz zu Kardan-Goniophotometern ist der Messradius variabel in dem alle 7 Achsen in entsprechende Positionen gebracht werden Wegen der groszligen Redundanz eines 7-DOF-Roboters kann die Zielposition einschlieszliglich Orientierung durch eine sehr groszlige Anzahl unter-schiedlicher Einstellungen der 7 Achsen erreicht werden Daher wird eine Strategie benoumltigt um die jeweilige Achs einstellung zu finden Diese

Bild 6 Kleines Kardan-Goniophotometer 1982ndash2007

Bild 7 Arm des Roboter-Goniophotometers

Bild 8 Roboter-Goniophotometer 2006 bis heute

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PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4 Kurze Geschichte der Goniophotometrie in der PTB

Strategie ist relativ simpel Sie besagt dass alle Achseinstellungen derart gefunden werden dass saumlmtliche Bestandteile des Roboters einen maxi-malen Abstand zum Zentrum des Roboters haben sollen um das von der Roboterstruktur reflektierte Streulicht moumlglichst gering zu halten Eine beson-dere Software ist notwendig um alle Achswinkel ausgedruumlckt in counts jedes Winkelencoders fuumlr jede Achse zu bestimmen um die gewuumlnschten Kugelkoordinaten (r ϑ φ) anzufahren Waumlhrend der Messung der zu untersuchenden Lampe liest das Roboter-Kontrollsystem alle 10 ms diese counts jeder Achse und versucht jede Achse entsprechend diese Vorgabe einzustel-len Nach dieser Einstellung welche fuumlr alle 7 Achsen gleichzeitig erfolgt werden die Ist-Winkel jeder Achse wiederum in counts synchron gelesen und mit den zugehoumlrigen photo-metrischen Daten und elek trischen Daten des Lampenbetriebs in eine Datenbank gespeichert Prinzipiell ist der Signal-fluss dem des in Abschnitt 221 beschriebenen groszligen Kardan-Goniophotometers sehr aumlhnlich Aber es gibt ein zusaumltzliches wichtiges Element den sogenannten Zeitstempel Da ein weit verteiltes Datenerfassungssystem vorliegt wird ein Mecha-nismus zur Datensynchronisierung in Form eines 1-Mhz-Taktes verwendet Dieser ist im gesamten System verfuumlgbar Beim Messungsstart synchron gestartete Zaumlhler erlauben daher die spaumltere Synchronisierung aller angefallenen Daten Wie beschrieben ist die Position jeder Achse und damit die Position und Orientierung des Photometers das Ergebnis eines Regelprozesses Somit ist es not-wendig die tatsaumlchliche Position und Orientierung des Photometers aus den gespeicherten Daten der Winkelencoder zu berechnen

In der Robotik ist es uumlblich einen Roboter des

verwendeten Typs wie eine biegesteife mechani-sche Kette mit sogenannten Denavit-Hartenberg-Parametern (DH-Parameter) zu beschreiben [9] Die Tabelle 1 zeigt diese DH-Parameter am Beispiel des Roboters 1

Mit diesen Parametern und den aktuellen Winkeln θi fuumlr jede Achse ist die Berechnung der Position bzw Orientierung der siebten Achse in Basis-Koordinatensystem des Roboters moumlglich Hierzu werden 7 Matrizen nach Gleichung (18) ver-wendet Jede Matrize beschreibt die Position (blau) und Orientierung (gruumln) jeder einzelnen Achse

Die PositionierungOrientierung der Achse 7 ergibt sich aus dem Vektorprodukt T1 T2 T3 T4 T5 T6 T7

Um jedoch die Koordinaten in Bezug auf das Koordinatensystem der fiktiven Kugel zu erhalten muumlssen 2 weitere aumlhnliche Matrizen verwendet werden Die sogenannte Base Frame Matrix F beschreibt die Positionierung und Orientierung des Roboter-Koordinatensystems zum Koor-dinatensystem der fiktiven Kugel waumlhrend die Matrix W die Positionierung und Orientierung des Photometers zur Achse 7 beschreibt Nun laumlsst sich die Position und Orientierung des Photome-ters P im Koordinatensystem der fiktiven Kugel mit Gleichung (19) beschreiben

P = F T1 T2 T3 T4 T5 T6 T7 W (19)

axisi Δθi offset to rotation around Z-axis

αi rotation around X-axis

di

translation in Z-axis

αi

translation in X-axis

1 ndash1438deg 45024deg 0000 mm ndash0400 mm

2 191088deg ndash90026deg 2686322 mm 0696 mm

3 178585deg 89996deg 274088 mm 0781 mm

4 6229deg ndash90022deg 1410499 mm 0474 mm

5 ndash0141deg ndash89955deg 173036 mm ndash0779 mm

6 ndash0924deg 90032deg 1191007 mm 0223 mm

7 180443deg 90007deg 91130 mm 0000 mm

Tabelle 1 DH-Parameter von Roboter 1

T

a

i

i i i i i i i i i i i

=

+( ) minus +( ) +( ) +cos sin cos sin sin cos∆ ∆ ∆ ∆θ θ θ θ α θ θ α θ θ(( )+( ) +( ) minus +( ) +sin cos cos cos sin sin∆ ∆ ∆ ∆θ θ θ θ α θ θ α θ θi i i i i i i i i i ia (( )

00 0 0 1

sin cosα αi i id

(18)

26

PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4Das Jahr des Lichtes

Bild 9 zeigt die Achsenkoordinatensysteme (17) das Base-Frame-Koordinatensystem und das Koordinatensystem des Photometers zur Achse 7 in schematischer Weise Das Koordinatensys-tem der fiktiven Kugel faumlllt mit dem Zentrum des Goniophotometers zusammen und wird mit Center bezeichnet P ist jetzt auf dieses Center-Koordinatensystem bezogen Zusaumltzlich ist eine typische Bahn eingezeichnet Wegen des aller-dings nicht dargestellten Lampenhalters ist diese Bahn im oberen Bereich verdichtet um eine Kollision mit dem Lampenhalter zu vermeiden Wie bereits erwaumlhnt setzt die Verwendung von Gleichung (19) einen biegesteifen Roboter voraus der in der Praxis nicht existiert P ist also von statischen Gewichtskraumlften des Roboters dyna-mischen Kraumlften infolge der Bewegung als auch von thermischen Laumlngenaumlnderungen uumlberlagert Daher muss Gleichung (19) um eine entspre-chende Korrektur C erweitert werden Glei-chung (20) zeigt nun das endguumlltige Modell zur Bestimmung von P

wobei C

t tT Rθ θ

θ θ1 7

1 7 dd

dd amb

diese finale Korrektur basierend auf den Winkeln θ1θ7 aller Achsen ihren zeitlichen Ableitungen

dd

dd

θ θ1 7

t t

und der Umgebungstemperatur Tamb beschreibt

Der letzte Parameter R steht fuumlr einen groszligen Datensatz und beschreibt Eigenschaften des Roboters wie Abmessungen Teilmassen usw Die Berechnung von C() ist aufwendig und wurde vom Hersteller des Roboters ausgefuumlhrt Aus Gruumlnden des Wettbewerbs muss diese Berechnung vertrau-lich behandelt werden und kann daher hier nicht veroumlffentlicht werden Jedoch kann die Wirkung von C() beispielhaft auf den Messradius mitgeteilt werden (siehe Bild 10)

Die noumltige Radiuskorrektur rcorr bewegt sich im Bereich ndash2 mm lt rcorr lt 3 mm je nach Position (θ φ) des Photometers Der Aumlquatorbereich benouml-tigt eine groumlszligere Korrektur infolge hier wirksamer groumlszligerer Zentrifugalkraumlfte als die Polregion Der Radius selbst laumlsst sich dann aus der Positionssub-matrix von P bestimmen

Der Signalfluss stimmt im Wesentlichen mit dem wie in Bild 5 gezeigt uumlberein Prinzipiell kann der Lichtstrom mit den Gleichungen (11) und (10) berechnet werden da aber nun 2 Photometer benutzt werden muss dies fuumlr jede Hemisphaumlre also fuumlr jeden Roboter separat geschehen Die Gleichungen (21) und (22) demonstrieren das

Bild 9 Koordinatensystem des Roboter-Gonio-photometers und Beispielbahn

P Ct t

T R F T T T T T T=

sdot sdot sdot sdot sdot sdot sdot sdotθ θ

θ θ1 7

1 71 2 3 4 5 6

dd

dd amb TT W7 sdot

(20)

27

PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4 Kurze Geschichte der Goniophotometrie in der PTB

fuumlr Roboter 1 Der Radius r1i befindet sich dabei innerhalb der Summation von Gleichung (22) Das Roboter-Goniophotometer ist zusaumltzlich mit einem Monitorphotometer ausgeruumlstet Dieses Photometer wird waumlhrend der Messung nicht bewegt ist aber staumlndig von einem fixen Punkt aus auf die zu untersuchende Lampe gerichtet und erlaubt somit die Korrektur einer moumlglichen Alterung der Lampe waumlhrend des Messprozesses als Funktion der Zeit (cmon(t1i))

Es w R

fyt

fi jj

ni j

i j1

1 1 11

1

1

11 0

12

1

=

( )sdot minus

=sumπ

ϕf g

q∆∆

∆

(21)

Φ1 1 1 12

1 1 1 12= sdot sdot sdot sdot ( ) sdot minus( )+c c r c ti i i ii

str spec mon cos cosπ ϑ ϑ==

minus

sum sdot0

1

1

1m

iE

(22)

Roboter 2 wird in gleicher Weise behandelt und der Lichtstrom ergibt sich somit aus der Summe von Φ1 und Φ2 korrigiert mit dem elektrischen Korrekturfaktor celec aus Gleichung (15)

Φ Φ Φ= sdot +( )celec 1 2 (23)

Die Bestimmung der Streulichtkorrektur cstr unter-scheidet sich methodisch von jener des Kardan-Goniophotometers Es ist schwierig Blenden zwischen Photometer und Lampe zu positionieren wie in [5] beschrieben Hier wird die Streulicht-korrektur cstr direkt aus der Leuchtdichteverteilung auf den Waumlnden des Messraums bestimmt Mit der Kenntnis der geometrischen und photometrischen Eigenschaften des Raumes der raumlumlichen Licht-staumlrkeverteilung der Lampe und dem verwendeten Streulichttubus vor dem Photometer lieszlige sich die Streulichtkorrektur cstr berechnen Hier jedoch wird diese Korrektur mit sogenannten Back-Loo-king-Photometern bestimmt [11]

Bild 11 zeigt ein Foto der bdquoRoboterhandldquo mit mon-tiertem Photometer und Back-Looking-Photometer Letzteres ist ein wenig schraumlg ausgerichtet um nicht im Bereich des Schattenwurfs des Photome-ters auf den Waumlnden zu messen

Bild 12 zeigt beispielhaft eine typische in finite Flaumlchenelemente gerasterte Streulichtsituation im Goniophotometermessraum wie sie durch die zu untersuchende Lichtquelle generiert wird Dieses Beispiel arbeitet mit finiten Flaumlchen der Groumlszlige 05 m middot 05 m um die Flaumlchen sichtbar zu machen Zur realen Berechnung werden Flaumlchen der Groumlszlige 01 m middot 01 m verwendet Natuumlrlich ist der Streulichtanteil auf der aktiven Flaumlche des

Bild 10Wirkung der Radiuskorrektur

Bild 11 Photometer (links) und Back-Looking-Photometer (rechts)

Bild 12 Wirkung des Streulichts und seine Bestimmung

28

PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4Das Jahr des Lichtes

Photometers eine Funktion des Gesichtsfeldes des jeweils verwendeten Streulichttubus vor dem Photometer Derzeit werden 2 Tuben je nach Groumlszlige der Lichtquelle mit Oumlffnungswinkeln von ca 15deg und ca 225deg verwendet Ihre typischen Korrekturwerte betragen etwa 09995 und 09990 Da jeder Messroboter mit diesem Back-Looking-Photometer ausgeruumlstet ist kann so der Streulicht-anteil fuumlr jedes Photometer bestimmt werden Da die Back-Looking-Photometer bdquoruumlckwaumlrtsldquo gerichtet sind wird also jeweils die Streulichtkorrektur fuumlr den gegenuumlberliegenden Messroboter bestimmt Damit ist es moumlglich den Wert des Lichtstroms mit zugehoumlriger Messunsicherheit zu bestimmen Tabelle 2 illustriert Ergebnisse einer vereinfachten Monte-Carlo-Simulation (MC) am Beispiel einer OSRAM-Wi4-Lichtstrom-Normallampe Ihre Lichtstaumlrkeverteilung ist in Bild 13 wiedergegeben

Die MC basiert auf den folgenden Gleichun-gen (24) Werte der wichtigsten Beitraumlge zur Mes-sunsicherheit koumlnnen der Tabelle 2 entnommen werden Eine detailliertere Beschreibung der Roboter und Analyse der Messunsicherheit kann [12] entnom-men werden

Bild 13 Raumlumliche Lichtstaumlrkeverteilung einer OSRAM-Wi4-Lichtstrom-Normallampe

Quantity Symbol Value Uncertainty Unit Sensitivity Contribution lm Relative contribution

Luminous responsivity 1 s1 3065E-10 9195E-13 A lxndash1 188E+12 173 000150

Luminous responsivity 2 s2 4111E-10 12333E-12 A lxndash1 143E+12 177 000153

Spectral matching exponent 1 m2 y 0021 0015 1 20 030 000026

Spectral matching exponent 2 m2 y 0036 0015 1 18 027 000023

CCT or distribution temperature T 2762 10 K 0012 012 000011

Uncertainty in r Δr 0000 00020 m 901 180 000156

Calibration factor for frequency F cFH 1000 00005 1 1141 057 000049

Calibration factor for frequency ƒ cFD 1000 00050 1 104 005 000005

Voltage to frequency converter 1 w1 f 500849 25 Hz Vndash1 0012 031 000027

Voltage to frequency converter 2 w2 f 500561 25 Hz Vndash1 00118 029 000026

Amplification gain 1 R1 g 1000E+09 99996 Ω 6223E-07 006 000005

Amplification gain 2 R2 g 9997E+08 99966 Ω 5430E-07 005 000005

Calibration factor for cmon ccm 1000 00005 1 1162 058 000050

Correction factor for stray light cstr 09995 00005 1 1134 057 000049

Luminous flux Φ 11541 327 00028

Tabelle 2 Unsicherheitsbudget

29

PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4 Kurze Geschichte der Goniophotometrie in der PTB

Somit ergibt sich zurzeit eine erweiterte Mess-unsichert von 056 fuumlr k = 2 Dies entspricht etwa der Messunsicherheit welche mit dem groszligen Kardan-Goniophotometer erreichbar war Im Unterschied zum Kardan-Goniophotometer (fester Messradius) verfuumlgt das Roboter-Goniophotometer jedoch uumlber die noumltige hohe Flexibilitaumlt (z B durch Variation des Messradius) die noumltig ist um kuumlnftige Anforderungen erfuumlllen zu koumlnnen Eben diese hohe Flexibilitaumlt fuumlhrt bei der Bestimmung des Messradius zu relativ groszligen Messunsicherheiten Hier koumlnnte die Verwendung einer Lookup-Table oder eine On-Line-Verfolgung mittels Tracer-Syste-men der Bahnen diese Unsicherheit verkleinernMittlerweile ist das Roboter-Goniophotometer voll-staumlndig charakterisiert und wird fuumlr beleuchtungs-staumlrkebasierte Lichtstromkalibrierungen und auch fuumlr internationale Vergleiche eingesetzt Damit werden auch die Anforderungen (15ndash17) erfuumllltIm naumlchsten Schritt wird das Roboter-Goniopho-tometer mit Leuchtdichtemesskameras ausgeruumlstet

werden um es als bdquoNahfeld-Goniophotometerrdquo einzusetzen Es wird dann die direkte Messung der Leuchtdichteverteilung erlauben aus welcher nahezu alle noumltigen photometrischen Groumlszligen abgeleitet werden koumlnnen Dieser kuumlnftige Schritt wird dann auch den letzten Punkt (18) der Anfor-derungen erfuumlllen

3 Zusammenfassung

Die Geschichte der Goniophotometrie in der PTB uumlber einen Zeitraum von mehr als 50 Jahren wird praumlsentiert Verschiedene Goniophotometer ange-fangen vom manuell bewegten Einarm-Goniopho-tometer mit visuellem Photometer uumlber das groszlige und kleine Kardan-Goniophotometer bis hin zum bdquoState-of-the-art-Roboter-Goniophotometerldquo fuumlr das 21 Jahrhundert werden beschrieben Das Letztere hat das Potenzial in der traditionellen Betriebsart aber auch im Nahfeldmodus uumlber viele Jahre eingesetzt zu werden Neu aufkommende

Quantity Symbol Value Uncertainty Unit Sensitivity Contribution lm Relative contribution

Luminous responsivity 1 s1 3065E-10 9195E-13 A lxndash1 188E+12 173 000150

Luminous responsivity 2 s2 4111E-10 12333E-12 A lxndash1 143E+12 177 000153

Spectral matching exponent 1 m2 y 0021 0015 1 20 030 000026

Spectral matching exponent 2 m2 y 0036 0015 1 18 027 000023

CCT or distribution temperature T 2762 10 K 0012 012 000011

Uncertainty in r Δr 0000 00020 m 901 180 000156

Calibration factor for frequency F cFH 1000 00005 1 1141 057 000049

Calibration factor for frequency ƒ cFD 1000 00050 1 104 005 000005

Voltage to frequency converter 1 w1 f 500849 25 Hz Vndash1 0012 031 000027

Voltage to frequency converter 2 w2 f 500561 25 Hz Vndash1 00118 029 000026

Amplification gain 1 R1 g 1000E+09 99996 Ω 6223E-07 006 000005

Amplification gain 2 R2 g 9997E+08 99966 Ω 5430E-07 005 000005

Calibration factor for cmon ccm 1000 00005 1 1162 058 000050

Correction factor for stray light cstr 09995 00005 1 1134 057 000049

Luminous flux Φ 11541 327 00028

Φ = sdot

sdot

+ sdot sdotminus

c JJ

TT

r r c c tm

m

i i

y

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0

12

1

1

( ) ∆ (( )sdot minus( ) sdotsdot sdot minus

+=

minus=sumsum

cos cosFH FD

ϑ ϑ

ϕ

1 1 10

1 11

11

1

i ii

m jj

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2 0

2 2 2

( )sdot sdot

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(24)

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PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4Das Jahr des Lichtes

Anforderungen fuumlr die Ruumlckfuumlhrung photome-trischer Einheiten wie beispielsweise im Solid-State-Lighting-Bereich koumlnnen so erfuumlllt werden

Literatur

[1] Y Ohno 1995 Realization of NIST Luminous Flux Scale Using an Integrating Sphere with an External Source CIE Proceedings 23rd Session New Delhi

[2] R Sewig 1938 Handbuch der Lichttechnik Band 1 pp 319 321 Berlin Springer Verlag

[3] D Foumlrste 1966 Zur Lichtstrommessung an Lam-pen mit ungleichmaumlszligiger Lichtverteilung PTB-Mitteilungen 166 pp 18ndash20 Braunschweig PTB

[4] D Foumlrste 1979 Ein Goniophotometer zur genauen Bestimmung des Lichtstroms Licht-Forschung 1 Jahrgang 379 pp 30ndash36 Heidelberg Huumlthig Verlag

[5] D Foumlrste 1980 Elimination des Fremdlichts bei der Lichtstrombestimmung mit dem Gonio-photometer Licht-Forschung 2 Jahrgang 180 pp 27ndash29 Heidelberg Huumlthig Verlag

[6] W Erb 1997 PTB Network for realization and maintenance of the candela Metrologia 3497 pp 115ndash124 Bristol UK

[7] G Sauter 1996 Kalibrierung von Lichtstaumlrke-Normallampen und Angabe der Messunsicherheit PTB interner Bericht Braunschweig PTB

[8] G Sauter 1996 Goniophotometry new calibra-tion method and instrument design Metrologia 32 (199596) pp 685ndash688 Bristol UK

[9] httpenwikipediaorgwikiDenavit-Hartenberg_Parameters (letzter Aufruf 03122015)

[10] M Lindemann 2009 Photometry and Colori-metry of Reference LEDs by Using a Compact Goniophotometer MAPAN ndash Journal of Metro-logy Society of India Vol 24 No 3 pp 143ndash152 New Delhi India

[11] G Bizjak 2009 Determination of Stray Light at the PTB Goniophotometer Facility MAPAN ndash Jour-nal of Metrology Society of India Vol 24 No 3 pp 163ndash173 New Delhi India

[12] M Lindemann et al 2015 Robot goniopho-tometry at PTB Metrologia 52 pp 167ndash194 Bristol UK

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PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4Das Jahr des Lichtes

1 Eine einleitende Beschreibung von Gluumlhlampen LEDs und OLEDs

Der Einsatz Licht Emittierender Dioden (LED) in der Allgemeinbeleuchtung hat in den vergangenen Jahren erheblich zugenommen Ein entscheiden-der Vorteil der LED gegenuumlber der traditionellen Gluumlhlampe liegt in ihrer uumlberlegenen Lichtaus-beute ηv ndash dem Verhaumlltnis des emittierten Licht-stroms Φv und der aufgenommenen elektrischen Leistung Pel angegeben in LumenWatt

Dieser Vorteil beruht auf den Unterschieden der zugrunde liegenden Technologien der Lichterzeu-gung beider Lampentypen Bei einer (Halogen-)Gluumlhlampe wird der Gluumlhfaden durch elektrischen Strom auf Temperaturen um 3000 K aufgeheizt Obwohl hierbei fast die gesamte elektrische Leis-tung in Strahlung umgewandelt wird ndash Verluste durch thermische Konvektion oder Waumlrmeleitung sind gering ndash kann das menschliche Auge lediglich einen geringen spektralen Anteil der ungefaumlhr 5 der Gesamtstrahlungsleistung ausmacht wahr-nehmen Der Groszligteil der Strahlungsleistung liegt im infraroten Spektralbereich und kann nicht fuumlr Beleuchtungszwecke genutzt werden In Bild 1 ist die spektrale Verteilung einer Gluumlhlampe bei einer Temperatur von 2856 K im Spektralbereich

von 300 nm bis 1200 nm dargestellt Das sichtbare Licht im Spektralbereich zwischen 360 nm und 830 nm ist mit den entsprechenden Spektralfarben hinterlegt Oberhalb 830 nm beginnt der fuumlr das menschliche Auge unsichtbare infrarote Anteil der Strahlung

Der fuumlr photometrische Messungen normativ festgelegte spektrale Hellempfindlichkeitsgrad V(λ) also die Hellempfindlichkeit des Auges eines bdquoNormalbeobachtersldquo ist mit seinem Maximum bei 555 nm schwarz eingezeichnet

Da die Gluumlhlampe eine thermische Strahlungs-quelle ist verschiebt sich mit zunehmender Tem-peratur die Lage des Strahlungsmaximums ent-sprechend des Wienschen Verschiebungsgesetzes zu kuumlrzeren Wellenlaumlngen Um die Lichtausbeute von Gluumlhlampen zu erhoumlhen muumlsste man das Strah-lungsmaximum durch Temperaturerhoumlhung in den kurzwelligeren Bereich des sichtbaren Lichts verschieben Die Maximaltemperatur ist jedoch bei Gluumlhfaumlden aus Wolfram auf etwa 3000 K begrenzt ndash bei houmlheren Temperaturen nimmt die Lebensdauer drastisch ab

Das Funktionsprinzip einer LED-Lichtquelle basiert auf dem Phaumlnomen der Elektrolumines-zenz Der prinzipielle Aufbau einer LED aumlhnelt einer pn-Halbleiterdiode Durch Anlegen einer Gleichspannung rekombinieren Ladungstraumlger in der p-n-Grenzschicht der Leuchtdiode unter Emission von Strahlung Durch gezielte Auswahl der verwendeten Halbleitermaterialien und ihrer Dotierung wird deren Bandluumlcke und somit die Farbe des emittierten Lichtes bestimmt Im Jahr 1992 gelang der Durchbruch in der Entwicklung hocheffizienter blauer LEDs die den Einsatz von LEDs zur Allgemeinbeleuchtung erst ermoumlgli-chen Die zugrunde liegenden Forschungsarbei-ten wurden 2014 mit dem Nobelpreis fuumlr Physik gewuumlrdigt [1]

Eine schmalbandige Lichtemission ist charak-teristisch fuumlr LEDs Dementsprechend verfuumlgt ihr Licht uumlber eine hohe Farbsaumlttigung Durch die Bedeckung des LED-Chips mit breitbandig pho-tolumineszierenden Farbstoffen wird ein Teil der Strahlung in energieaumlrmeres langwelligeres Licht konvertiert und es entstehen Mischfarben wie

Metrologie fuumlr moderne Lichtquellen LEDs und OLEDs Thorsten Gerloff

Thorsten Gerloff Arbeitsgruppe bdquoPhotometrieldquo EshyMail thorstengerloffptbde

Bild 1 Spektrale Verteilung einer Gluumlhlampe und spektraler Hellempfindlichkeitsgrad (V(λ)-Funktion)

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PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4 Metrologie fuumlr moderne Lichtquellen

i Infokasten LED

Lichtausbeute einer Strahlungsquelle ηv

Die Lichtausbeute einer Strahlungsquelle gibt das Verhaumlltnis aus ausgestrahltem Lichtstrom und aufgenommener elektrischer Leistung an Die Einheit ist LumenWatt (lmW) Je houmlher die Lichtausbeute ist umso energieeffizienter ist die Beleuchtung Gluumlhlampen besitzen Lichtausbeuten zwischen 10 und 20 lmW

Lichtstrom Φv

Der Lichtstrom beruumlcksichtigt den Hellempfind-lichkeitsgrad V(λ) des Auges und gibt die in alle Raumrichtungen abgegebene bdquoLichtleistungldquo einer Lampe an Der Lichtstrom enthaumllt keine Information daruumlber wie die Lampe das Licht im Raum verteilt Der Lichtstrom gibt an wie hell ein beleuchteter Raum dem Menschen erscheint

Spektraler Hellempfindlichkeitsgrad V(λ)

Der exakt definierte spektrale Hellempfindlich-keitsgrad V(λ) ist eine Bewertungsfunktion fuumlr elektromagnetische Strahlung Hiermit wird der bdquoHelligkeitseindruck eines menschlichen Durch-schnittsaugesldquo berechnet Dies ermoumlglicht den objektiven Vergleich von Lichtquellen mit physika-lischen Messmethoden Subjektive Wahrnehmun-gen einzelner Menschen koumlnnen damit nicht exakt wiedergegeben werden

Aumlhnlichste Farbtemperatur TN

Es gibt unterschiedliche Farbtemperaturen in der Photometrie Verhaumlltnis- und Verteilungstem-peratur sind nur bei thermischen Strahlern wie der Gluumlhlampe anwendbar Nur die aumlhnlichste Farbtemperatur (englisch Correlated Colour Temperature CCT) laumlsst sich fuumlr Lichtquellen mit beliebiger spektraler Zusammensetzung berech-nen sofern die Normfarbwertanteile aumlhnlich einem thermischen Strahler sind Die aumlhnlichste Farbtemperatur wird in der Einheit Kelvin (K) angegeben Sie gibt an ob das Licht warmweiszlig (ca 3000 K) neutralweiszlig (ca 4500 K) oder tages-lichtweiszlig (gt5500 K) erscheint

Normfarbwertanteile (x y)

Fuumlr die Angabe von Farbe gibt es neben dem spek-tralen Hellempfindlichkeitsgrad V(λ)noch weitere definierte Bewertungsfunktionen Hiermit laumlsst sich die Farbwahrnehmung eines fiktive Normalbeob-achters aus der gemessenen spektralen Verteilung des Lichts durch Angabe von nur zwei Werten (x und y) angeben Diese Werte geben die Koordi-naten auf der Normfarbtafel (s Abbildung) an

Normfarbtafel

Farbwiedergabeindex Ra

Der Farbwiedergabeindex ist eine Kennzahl fuumlr Lichtquellen der bewertet die Qualitaumlt der Farb-wiedergabe Je houmlher der Wert desto besser ist die Farbwiedergabe Der Maximalwert liegt bei 100 Werte zwischen 90 und 100 geben eine ausgezeich-nete Farbwiedergabe an Werte unter 80 sind fuumlr viele Anwendungen nicht ausreichend

Im Folgenden soll ein kleiner Leitfaden gegeben werden der in allgemeinverstaumlndlicher Form die grundlegenden Ideen wichtiger lichttechnischer Groumlszligen erlaumlutern soll Komplexe Details der zugrunde liegenden Normen und Definitionen werden hierbei nicht beruumlcksichtigt

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PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4Das Jahr des Lichtes

Pastellfarbtoumlne oder auch weiszliges LichtIn Bild 2 sind die spektralen Verteilungen einer

LED mit und ohne Leuchtstoff abgebildet In der linken Abbildung erkennt man die schmalbandige blaue Emission des LED-Chips In der rechten Abbildung wird ein Teil dieser Strahlung durch einen Leuchtstoff in laumlngerwelliges Licht konver-tiert und die Mischfarbe erscheint weiszlig

Der Vorteil einer LED gegenuumlber einer Gluumlh-lampe bezuumlglich der Lichtausbeute ist offensicht-lich Es wird ndash von unvermeidbarer thermischer Verlustleistung abgesehen ndash nur Strahlung im sichtbaren Wellenlaumlngenbereich emittiert Daruumlber hinaus ist die Farbe des Lichts von LEDs durch Kombination verschiedener Leuchtstoffe und LEDs nahezu beliebig einstellbar und man ist nicht auf aumlhnlichste Farbtemperaturen von ca 3000 K wie bei der Gluumlhlampe begrenzt

Allerdings gibt es auch Nachteile gegenuumlber dem Licht einer Gluumlhlampe Dem typischen Spektrum einer LED-Lichtquelle fehlen im Gegensatz zu Sonnenlicht oder Gluumlhlampenlicht einzelne Spekt-ralfarben Dies macht sich negativ bei der Qualitaumlt der Farbwiedergabe bemerkbar

Die Farbe des emittierten Lichts einer LED laumlsst sich durch additive Farbmischung sehr aumlhnlich zu Sonnenlicht oder auch Gluumlhlampenlicht einstellen Wenn jedoch Objekte mit Licht beleuchtet werden kommt es auch auf die spektrale Zusammensetzung des Lichts an Nehmen wir einen Blumenstrauszlig aus roten Rosen der im Tageslicht steht Im Son-nenlicht sind alle Spektralfarben vorhanden und diese beleuchten die Rosen Die roten Bluumltenblaumltter absorbieren einige spektrale Anteile des Lichts und reflektieren im Wesentlichen rotes Licht welches in das Auge des Betrachters faumlllt Wenn die Rosen von einer anderen Lichtquelle beleuchtet werden in der die roten Spektralanteile zumindest teilweise fehlen koumlnnen diese nicht reflektiert werden und die Farben der Rosen erscheinen unnatuumlrlich

Dies ist von weitreichender Bedeutung fuumlr die Wahl einer geeigneten Lichtquelle da wir einen Kompromiss aus Licht mit guter Farbwieder-gabe und hoher Lichtausbeute schlieszligen muumlssen Licht mit hoher Farbwiedergabe setzt sich aus moumlglichst vielen Spektralfarben zusammen und Lichtquellen mit hoher Lichtausbeute sollten nur Spektralfarben beinhalten fuumlr die das menschliche Auge besonders empfindlich ist In den Auszligenbe-zirken vieler Staumldte werden zur Nachtbeleuchtung der Gehwege haumlufig Natriumdampflampen mit orangefarbenem Licht eingesetzt Die Lichtaus-beute dieser Lampen ist mit etwa 150 lmW auszligerordentlich hoch da das menschliche Auge in diesem Spektralbereich sehr empfindlich ist Diese Beleuchtung ist jedoch ungeeignet um Farben natuumlrlich wiederzugeben Aufgrund des Aufbaus des menschlichen Auges ist es also nicht moumlglich eine Beleuchtung mit sehr hoher Qualitaumlt der Farbwiedergabe bei gleichzeitig sehr hoher Lichtausbeute zu realisieren

Weiszlige LEDs zur Allgemeinbeleuchtung nutzen in der Regel Leuchtstoffe die teilweise qualita-tiv hochwertige Farbwiedergabeeigenschaften besitzen Eine weitere Methode zur Erzeugung von weiszligem Licht ist das Mischen von rotem gruumlnem und blauem Licht (RGB-Verfahren) welches die Grundlage jedes Displays ist Hierbei sind neben weiszligem Licht auch andere Lichtfarben moumlglich ndash die Farbwiedergabeeigenschaften sind allerdings schlecht Fuumlr die Endverbraucher sind in der Regel die Farbwiedergabeeigenschaften von Lichtquellen als Ra-Werte auf der Verpackung angegeben

Organische Licht Emittierende Dioden (OLED) sind eine junge Beleuchtungstechnologie die noch keinen Zugang zum Massenmarkt erhalten hat Die weltweit erste kommerzielle OLED-Leuchte wurde 2008 vertrieben Der fuumlr den Nutzer wesentliche Unterschied zwischen OLEDs und LEDs besteht im Aufbau Der leuchtende Kristall

Bild 2 Spektrale Verteilung einer blauen LED (links) und einer weiszligen LED (rechts) bei der ein Teil des blauen Lichts zu gelbem Licht konvertiert wurde

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PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4 Metrologie fuumlr moderne Lichtquellen

anorganischer LEDs besitzt eine maximale Kan-tenlaumlnge von etwa einem Millimeter Bei OLEDs wird das Licht in groszligflaumlchigen amorphen organi-schen Schichten erzeugt Momentan sind OLEDs mit leuchtenden Flaumlchen von bis zu 20 x 20 cmsup2 erhaumlltlich Das Licht wird aumlhnlich wie bei LEDs durch Ladungstraumlgerrekombination unter Auftre-ten von Elektrolumineszenz erzeugt Dabei ist das Emissionsspektrum der verwendeten organischen Emittermaterialien wesentlich breitbandiger als das einer LED (vgl Bild 3) Daher wird das weiszlige Licht von OLEDs in der Regel durch Verwendung von roten gruumlnen und blauen Emittermaterialien erzeugt ohne dass die Farbwiedergabeeigenschaf-ten sehr stark darunter leiden

2 Entwicklung von (O)LED-Transfer-normalen in der PTB

Eine der Kernaufgaben der PTB ist die Weiter-gabe der gesetzlichen Einheiten Bis zum heuti-gen Tage bieten Transfernormale in Form von speziellen Gluumlhlampen die besten Eigenschaften um als Maszligverkoumlrperung der Einheiten Candela oder Lumen zu dienen Da der Anwender in der Regel jedoch die Substitutionsmethode bei seinen Messungen anwendet um notwendige Korrektu-ren auf ein Minimum zu reduzieren (Gleiches mit Gleichem vergleichen) sind auch Transfernormale auf Basis der LED-Technologie von Interesse

Bereits in den 80er-Jahren des vergangenen Jahr-hunderts wurden LEDs in der PTB kalibriert Diese waren fuumlr Beleuchtungszwecke noch ungeeignet und dienten lediglich als Signallampen Zeitgleich wurden die ersten PTB-LED-Transfernormale entwickelt deren optische Eigenschaften durch thermische Regelung des LED-Chips stabilisiert wurden Die mechanische Ausrichtung der LEDs leistet aufgrund des typischerweise stark gerichteten Abstrahlprofils der LEDs einen groszligen Beitrag auf die Messunsicherheit Daher werden die LEDs seit

2002 in ein rotationssymmetrisches robustes VA-Stahl-Gehaumluse eingebaut welches sich sehr repro-duzierbar ausrichten laumlsst (vgl Bild 4)

Diese Transfernormale werden unter Konstant-Strom-Bedingungen und ndash durch gezieltes Aufhei-zen des LED-Chips durch den Heizwiderstand ndash unter Konstant-Spannung-Bedingungen betrieben Aufgrund der halbleitenden Eigenschaften sinkt mit steigender Temperatur die Betriebsspannung und sowohl der Lichtstrom als auch die Peakwellenlaumlnge des emittierten Lichts veraumlndert sich Die Sollspan-nung wird auf einen Wert festgelegt der unterhalb der Gleichgewichtsspannung durch Eigenerwaumlr-mung im Betrieb ohne Heizwiderstand bei einer Umgebungstemperatur von etwa 35 degC liegt Somit ist auch ein Einsatz der Transfernormale in Laboren ohne Klimatisierung moumlglich

Fuumlr LEDs mit houmlheren Leistungen wurde im Jahr 2011 ein weiterer Prototyp eines Transfernormals vorgestellt (vgl Bild 5) Da die hier verwendeten LEDs eine houmlhere Leistungsaufnahme besitzen werden sie waumlrmer Das reduziert die Lebensdauer und Reproduzierbarkeit der photometrischen

Bild 3 Exemplarische spektrale Verteilung einer weiszligen OLED

Bild 4 Temperaturgeregeltes LED-Transfernormal auf Basis von Kleinleistungs-LEDs mit Lichtstroumlmen von bis zu 10 Lumen

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PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4Das Jahr des Lichtes

Groumlszligen deutlich Daher muumlssen sie gekuumlhlt werden Hierfuumlr kommt bei diesen Normalen ein Peltier-Element zum Einsatz welches geregelt Waumlrme in einen dahinterliegenden Kuumlhlkoumlrper leitet und hierdurch das emittierte Licht stabilisiert Diese Transfernormale zeichnen sich durch ein geringes

Gewicht bei einer Laumlnge von ca 100 mm und einem Durchmesser von etwa 20 mm aus Allerdings ist die Verwendung von LEDs mit sehr hohen Leistun-gen nicht moumlglich da die Abwaumlrme lediglich passiv an den Raum abgegeben wird Eine detaillierte Beschreibung der Eigenschaften dieses Transfer-normals wurde 2012 veroumlffentlicht [2]

Fuumlr die thermische Stabilisierung von LEDs mit sehr hohen Leistungen wurde ein weiteres Trans-fernormal unter Einsatz von Peltier-Elementen Heatpipes und aktivem Kuumlhlsystem in der PTB entwickelt (vgl Bild 6)

Im Rahmen des europaumlischen Forschungspro-jekts OLED100eu wurde in der PTB weiterhin das weltweit erste Transfernormal unter Einsatz einer organischen Leuchtdiode entwickelt (vgl Bild 7) Dieses Normal wurde fuumlr den Einsatz in einer Ulbricht-Kugel konzipiert und in ein mattes Aluminiumgehaumluse eingebaut Eine Besonderheit dieses Normals ist die Stand-Alone-Versorgungs-einheit die ohne Rechner o auml saumlmtliche relevan-ten elektrischen und thermischen Groumlszligen regelt und auf einem USB-Stick speichert

3 LED-Messtechnik in der PTB

Neben LED-Transfernormalen mit guter Reprodu-zierbarkeit ist eine hochentwickelte Messtechnik fuumlr deren Kalibrierung mit minimaler Messunsi-cherheit erforderlich

Die photometrische Beschreibung von LEDs erfolgt durch Angabe ihrer Lichtstaumlrke ILED mit der Einheit Candela und ihrem Lichtstrom ΦLED mit der Einheit Lumen Diese Groumlszligen werden in der PTB unter Verwendung ruumlckgefuumlhrter Photometer bestimmt Hierfuumlr wird die Beleuchtungsstaumlrke ELED unter definierten geometrischen Bedingungen fuumlr alle Abstrahlrichtungen der LED mit einem Goniophotometer gemessen

Fuumlr die Bestimmung der colorimetrischen Werte kommen Spektralradiometer zum Einsatz Hiermit werden spektrale Bestrahlungsstaumlrken gemessen und daraus die abgeleiteten colorime-

Bild 5 Temperaturgeregeltes LED-Transfernormal auf Basis von Hochleistungs-LEDs mit Lichtstroumlmen von bis zu 100 Lumen Im rechten Bild ist die Temperaturverteilung in Grad Celsius waumlhrend des Betriebs abgebildet

Bild 6 Temperaturgeregeltes LED-Transfernormal auf Basis von Houmlchstleistungs-LEDs mit Lichtstroumlmen von bis zu 2500 Lumen

Bild 7 Temperaturgeregeltes OLED-Transfernormal auf Basis kommerziell erhaumlltlicher OLEDs

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PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4 Metrologie fuumlr moderne Lichtquellen

trischen Kenngroumlszligen wie z B die Normfarb-wertanteile (x y) bei weiszligen LEDs die aumlhnlichste Farbtemperatur TN mit der Einheit Kelvin und bei farbigen LEDs die dominante Wellenlaumlnge λdom berechnet Grundlegende Informationen und Definitionen uumlber die photometrischen und colorimetrischen Groumlszligen und deren Messung sind in [3] [4] und [5] zu finden

In Bild 8 ist der Aufbau des LED-Messplatzes an der PTB zu sehen Fuumlr die Bestimmung der Mess-groumlszligen in alle raumlumlichen Abstrahlwinkel wird die LED durch ein Goniophotometer bewegt

Die LED wird in horizontaler Betriebslage zentrisch normal zur Referenzebene des Photo-meterkopfes ausgerichtet Ein Translationstisch ermoumlglicht dabei eine Variation des Abstandes d zwischen Photometer und LED Eine horizontale Rotationsachse (φ-Achse) und eine senkrechte Rotationsachse (ϑ-Achse) die sich an der LED-Spitze im rechten Winkel schneiden erlauben durch Drehung der LED eine Bestimmung der Beleuchtungsstaumlrke ELED in alle Raumrichtungen Beide Rotationsachsen werden waumlhrend der Messung zeitgleich bewegt Hierdurch bewegt sich die relative Position der lichtempfindlichen Emp-faumlngeroumlffnung bezuumlglich des Schnittpunkts beider Drehachsen auf der Oberflaumlche einer virtuellen Kugel entlang einer Spiralbahn von bdquoPol zu Polldquo dieser Kugel

Die Bestimmung des Lichtstroms ΦLED erfolgt analog der Beschreibung in dem Kapitel Kurze Geschichte der Goniophotometrie in der PTB Der wesentliche Unterschied zu goniophotome-trischen Messungen an Gluumlhlampen besteht darin dass bei LED-Messungen die Lichtquelle typischerweise bewegt werden kann ohne dass sich ihre optischen Eigenschaften aumlndernAufgrund des stetig wachsenden Bedarfs an ruumlck-gefuumlhrten Kalibrierungen von High-Power-LEDs sind Masse und Abmessungen der Transfernor-male erheblich gestiegen Daher wurde der Mess-platz 2015 um ein weiteres Goniophotometer fuumlr schwere und groszlige Objekte erweitert (vgl Bild 9)

Neben den photometrischen Empfaumlngern befinden sich auch Einkoppeloptiken fuumlr Spekt-ralradiometer auf dem drehbaren Empfaumlngerka-russell Alle Empfaumlnger lassen sich hiermit auto-matisiert waumlhrend einer Messung zu den LEDs ausrichten Vor jeder LED-Kalibrierung werden die Spektralradiometer bezuumlglich Ihrer spektralen Empfindlichkeit und Wellenlaumlnge kalibriert Die entsprechenden Normallampen befinden sich neben dem Empfaumlngerkarussell (vgl Bild 10) und ermoumlglichen so ebenfalls eine automatisierte Messung

Den spektralen Messungen an LEDs kommt neben der Notwendigkeit fuumlr die Bestimmung colorimetrischer Kennzahlen noch eine beson-dere Bedeutung fuumlr die photometrischen Messun-

Bild 9 Goniophotometer fuumlr photometrische Messungen an Hochleistungs-LEDs

Bild 10 Entladungslampen mit verschiedenen Gasfuumlllungen dienen der Wellenlaumlngenka-librierung der Spektrometer Im Hintergrund ist eine Bestrahlungsstaumlrke-Normal-lampe fuumlr die spektrale Empfindlichkeitskalibrierung zu sehen

Bild 8 Goniophotometer fuumlr photometrische Messungen an Kleinleistungs-LEDs

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PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4Das Jahr des Lichtes

gen zu Wie in der Einleitung erklaumlrt unterscheiden sich die spektralen Verteilungen von LEDs und Gluumlhlampen deutlich voneinander Photometerkoumlpfe bestehen in der Regel aus einer Silizium-Photodiode deren spektrale Empfindlichkeit durch den Einsatz von Glasfiltern moumlglichst gut an den Hellemp-findlichkeitsgrad V(λ) angepasst wird Aufgrund internationaler Standardisierung wird die photo-metrische Empfindlichkeit von Photometerkoumlpfen fast ausschlieszliglich fuumlr Normlichtart A kalibriert In der Praxis werden hierfuumlr Gluumlhlampen mit einer Verteilungstemperatur von 2856 K verwendet Wenn man ein solches Photometer fuumlr Messungen an anderen Gluumlhlampen verwendet sind die spektralen Verteilungen meist so aumlhnlich dass nur geringe oder gar vernachlaumlssigbare Korrekturen aufgrund der spektralen Fehlanpassung also der Abweichung der realen spektralen Empfindlichkeit des Photometers von dem Hellempfindlichkeitsgrad notwendig sind Wenn man ein solches Photometer jedoch bei LEDs insbesondere farbigen LEDs einsetzt koumlnnen die Abweichungen aufgrund der spektralen Fehlan-passung sehr groszlig werden (gt10 fuumlr hochwertige Photometerkoumlpfe sind moumlglich)

Mit Kenntnis der relativen spektralen Verteilung der Leuchtdiode SLED(λ) und der relativen spekt-ralen Empfindlichkeit srel(λ) laumlsst sich die spektrale Fehlanpassung durch folgenden Korrekturfaktor cSpek korrigieren

cV S

s S

V P T

sSpek

LED

rel LED

A

rel

d

d

d=

( ) ( )( ) ( )

( ) ( )( )

intint

intλ λ λ

λ λ λ

λ λ λ

λ

intint ( )P Tλ λ A d

P(λ TA) beschreibt Lichtart A durch das Planck-sche Strahlungsgesetz fuumlr TA = 2856 K

Eine detaillierte Auflistung und Diskussion aller zu beruumlcksichtigenden Details bei Kalibrierungen von LEDs und das dazugehoumlrige Messunsicher-heitsbudget soll an dieser Stelle nicht gegeben werden Interessierte Leser koumlnnen hierfuumlr Infor-mationen in einer fruumlheren Veroumlffentlichung [6] oder in den Ergebnissen eines internationalen Vergleichs von LED-Messungen [7] finden

Fazit und Ausblick

Der Verzicht auf LEDs ist fuumlr Beleuchtungsan-wendungen nicht mehr vorstellbar Durch ihre kontinuierliche Weiterentwicklung erobern LEDs immer weitere Anwendungsfelder (z B Haus-halts- Straszligen- und Automobilbeleuchtung) mit denen der Endkunde in Kontakt kommt Bei diesen Anwendungen sind die Anforderungen an die Lichtquellen vielfaumlltig und fuumlr eine quantitative Beschreibung ihrer Eigenschaften muss auch die Messtechnik entsprechend umfassend und ausge-reift sein

Neben dem allgemeinen Forschungs- und Ent-wicklungsbedarf fuumlr bessere LED-Messverfahren und -geraumlte die die Grundlage ihrer technologi-schen Weiterentwicklung bilden gibt es eine weitere Herausforderung Aufgrund der nahezu unbe-grenzten Moumlglichkeiten eine bestimmte Lichtfarbe durch additive Farbmischung zu erhalten sind LEDs verschiedener Hersteller mit unterschiedlichen Emissionsspektren aber einer nominell gleichen aumlhnlichsten Farbtemperatur erhaumlltlich Dennoch ist teilweise ein Unterschied der Lichtfarbe mit bloszligem Auge erkennbar wenn sich unterschiedliche LEDs nebeneinander befinden

Es ist ungewoumlhnlich dass man ohne technische Hilfsmittel nominell gleiche Lichtfarben faktisch unterscheiden kann Um die Charakterisierung von LEDs soweit zu verbessern dass dies nicht mehr moumlglich ist ist einerseits eine Reduzierung der Messunsicherheit bei der Bestimmung der Normfarbwertanteile (Lichtfarbe) notwendig Andererseits muss man sich bewusst machen dass photometrische und colorimetrische Messverfahren auf rein physikalischen Zusammenhaumlngen basieren Individuelle menschliche Wahrnehmung und Sehen werden bei photometrischen Messungen nicht beruumlcksichtigt ndash diese werden durch Festlegung von exakt definierten Wichtungsfunktionen wie dem Hellempfindlichkeitsgrad fuumlr einen fiktiven Normalbeobachter ausgegrenzt Diese Wichtungs-funktionen koumlnnen gegebenenfalls auch noch optimiert werden um die objektive Beurteilung von Lichtquellen mit physikalischen Messmethoden zu verbessern Somit gibt es auch in Zukunft noch interdisziplinaumlre Herausforderungen fuumlr die Metro-logie moderner Lichtquellen

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Effektpigmente hellipPTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4

Einleitung

Farbe ist fuumlr Menschen die wohl auffaumllligste sub-jektive Stoffeigenschaft Bereits den Fruumlhmenschen war diese visuelle Qualitaumlt bekannt deren Wahr-nehmung allen Primaten eigen ist So wurde 2008 in Suumldafrika eine ca 100000 Jahre alte steinzeitli-che bdquoMalerwerkstattldquo entdeckt [1] Auch heutzu-tage spielt Farbe in der Gestaltung unserer Umwelt eine wichtige Rolle Jedes Jahr praumlsentiert uns die Mode die neuen Farben der Saison Farben dienen zur Regelung des Verkehrs Ohne bunte Farben waumlre unsere Welt trist und oumlde

Es ist wichtig festzustellen dass Farbe ein physiologischer Sinneseindruck ist wie z B auch Tasten oder Riechen D h Farbe ist keine immanente physikalische Eigenschaft eines Gegenstandes wie z B seine Masse oder Waumlrme-leitfaumlhigkeit Die physiologische Wahrnehmungs-kette ist hierbei folgende Das vom betrachteten Gegenstand reflektierte Licht trifft auf das Auge und loumlst hierbei einen Farbreiz aus Dieser Farbreiz beruht auf der spektralen Zusammensetzung des empfangenen Lichts d h er ist abhaumlngig von der verwendeten Lichtquelle und dem spektralen Reflexionsvermoumlgen des betrachteten Objektes Die Anregung der licht- und farbempfindlichen Zellen in der Netzhaut fuumlhrt zu einer Farbvalenz die uumlber den Sehnerv an das Gehirn weitergeleitet wird Die eigentliche Farbempfindung die wir dann mit einem Gegenstand verknuumlpfen entsteht erst im Gehirn [2] Liegt z B eine Farbfehlsich-tigkeit vor so kann der Farbeindruck des betrof-fenen Menschen auch ein ganz anderer sein Auch viele Tiere mit ihren teilweise erheblich abweichenden visuellen Systemen nehmen Farbe ganz unterschiedlich als wir Menschen wahr Im Folgenden soll mit Farbe immer die Koumlrperfarbe auch Gegenstandsfarbe Objektfarbe bzw Oberflauml-chenfarbe genannt einer nicht selbstleuchtenden Flaumlche bezeichnet werden die durch Reflexion von Licht an einem Koumlrper entsteht

Die genannten Zusammenhaumlnge machen die mathematisch-physikalische Beschreibung von Farbe schwierig und aufwendig da auch die spe-zifischen Eigenarten der menschlichen Wahrneh-

mungskette nachgestellt werden muumlssen Diesem Umstand wird versucht uumlber die verschiedenen Farbmaszligsysteme Rechnung zu tragen welche die Farbe eines Objektes mithilfe von quantifizierba-ren Zahlenwerten kennzeichnen [3]

Generell koumlnnen farbige Flaumlchen je nach Tageszeit und Lichteinfall sehr unterschiedlich wirken Die Aumlnderungen basieren hierbei auf der unterschiedlichen spektralen Zusammenset-zung des Tageslichts und den winkelabhaumlngigen Glanz- und Struktureigenschaften von Oberflauml-chen Ganz besonders deutlich ist dies bei auf dem Interferenzeffekt basierenden Effektpigmenten der Fall Deren visuelles Erscheinungsbild im englischen mit Visual Appearance bezeichnet kann sich bei variierendem Beobachtungswinkel und unterschiedlichen Lichtverhaumlltnissen komplett veraumlndern Man spricht hierbei von sogenannten Flop-Lacken wobei man zwischen Hell-Dunkel-Flop und Farb-Flop unterscheiden kann [4]

Generell kann man sagen dass Farbe und visuelle Effekte einen entscheidenden Anteil am Verkaufserfolg eines Produktes haben denn Farben wecken Emotionen und verschiedene Neuro marketingstudien belegen dass ca 95 aller Kaufentscheidungen emotional gepraumlgt sind [5] Deshalb spielt eine moderne Farbgestaltung unter Nutzung aktueller Effektpigmente im Pro-duktdesign eine entscheidende Rolle denn durch den Einsatz solcher Pigmente kann Gegenstaumlnden eine houmlhere Attraktivitaumlt verliehen werden Daher findet man moderne Effektpigmente heutzutage in vielen teilweise sehr unterschiedlichen Indus-trieprodukten wie z B in Autolackierungen Haumluserfassaden Kosmetikartikeln oder sogar bei Pralineacutes wie dies in Bild 1 zu sehen ist

Pigmente

Als Pigmente aus dem Lateinischen kommend von pigmentum fuumlr bdquoFaumlrbestoff Schminkeldquo bezeichnet man aus Teilchen bestehende im Anwendungs-medium praktisch unloumlsliche Sub stanzen die als Farbmittel oder wegen anderer spezieller physika-lischer und chemischer Eigenschaften als funktio-nale Farbzentren verwendet werden [6]

Effektpigmente Eine Herausforderung fuumlr die optische Messtechnik

Egbert Buhr Alfred Schirmacher Andreas Houmlpe

Dr Egbert Buhr Fachbereich bdquoBildshy und Wellenoptikldquo EshyMail egbertbuhrptbde

Dr Alfred Schirmacher Arbeitsshygruppe bdquoReflexion und Transmissionldquo EshyMail alfredschirmacherptbde

Dr Andreas Houmlpe dagger ehemals Arbeitsgrupshype bdquoReflexion und Transmissionldquo

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PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4Das Jahr des Lichtes

In der Natur vorkommende anorganische Pig-mente sind schon seit praumlhistorischen Zeiten bekannt Schon die Menschen der Steinzeit benutzen mineralische Pigmente fuumlr die ersten Houmlhlenzeichnungen Sie erkannten dass sie mit unterschiedlichen Erdsorten farbig malen konnten Eisenoxidhaltige Erden liefern gelbrote bis braunrote Kalk und Gips weiszlige Mangan-oxide sowie Holz- und Knochenkohle schwarze Farbtoumlne

Aus heutiger industrieller Sicht ist ein Pigment ein fein aufgeteilter und unloumlslicher Feststoff mit der Hauptfunktion das Erscheinungsbild des verwendeten Mediums zu verbessern oder es zu faumlrben Pigmente werden dem Medium immer durch physikalisches Mischen beigegeben dies unterscheidet sie von Farbstoffen die in ihrem Medium loumlslich sind

Pigmente koumlnnen nach den optischen Prin-zipien ihrer Wechselwirkung mit Licht unter-schieden und in verschiedene Klassen eingeteilt werden Wichtige Pigmentklassen sind Weiszlig- Bunt- Schwarz- und Effektpigmente die alle wegen ihrer speziellen farbgebenden Eigenschaf-ten eingesetzt werden Bei den Effektpigmenten

kann in einer ersten vereinfachten Einteilung noch zwischen Metalleffekt- und den sogenannten speziellen Effektpigmenten unterschieden werden

Der Begriff bdquospezielle Effektpigmenteldquo umfasst die Gruppen der Perlglanzpigmente und der all-gemeinen Interferenzpigmente welche insbeson-dere bei aktuellen Pigmententwicklungen nicht scharf abgegrenzt werden koumlnnen Perlglanzpig-mente sind Effektpigmente die aus transparenten Plaumlttchen mit hohem Brechungsindex bestehen Sie erzeugen durch die spezielle Form der Mehr-fachreflexion des transmittierten Lichts an mehre-ren Pigmenten einen perlenaumlhnlichen Effekt bei dem die auftreffende Strahlung verteilt reflektiert wird wodurch der Eindruck einer mit der Tiefe abnehmenden diffusen Helligkeit entsteht Fuumlr das Auge ergibt sich so eine scheinbar dreidimen-sionale Glanzcharakteristik die aus der Tiefe des Objektes zu kommen scheint Interferenzpigmente dagegen sind Effektpigmente deren farbgebende Wirkung ganz oder vorwiegend auf dem Effekt der Vielstrahlinterferenz von Licht an duumlnnen hoch-brechenden Schichten beruht Interferenzpigmente koumlnnen dabei sowohl auf transparenten oder auch nichttransparenten Plaumlttchen basieren

Bild 1 a) Roadster mit ChromaFlairreg-Effektpigmentlackierung b) Verwaltungsgebaumlude in Braunschweig verkleidet mit Alucobondreg-spectra-colours-Verbundplatten c) Effektpigmente im Nagellack d) Pralineacute mit Effektpigmentuumlberzug

a

dc

bb

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Effektpigmente hellipPTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4

Die heute verwendeten Pigmente lassen sich somit grob in fuumlnf verschiedene Klassen einteilen

1) Weiszligpigmente Die Pigmente streuen das ge-samte auftreffende Licht nahezu verlustfrei in alle Richtungen durch diffuse ungerichtete Reflexion

2) Buntpigmente Die Pigmente streuen einen Teil des Lichtes diffus und absorbieren wellenlaumln-genselektiv einen anderen Teil des Lichtes

3) Schwarzpigmente Die Pigmente absorbieren alle Wellenlaumlngen des fuumlr das menschliche Auge sichtbaren Spektralbereiches

4) Metalleffektpigmente Die aus duumlnnen Metall-plaumlttchen vorwiegend Aluminium bestehen-den Metalleffektpigmente sind lichtundurch-laumlssig und reflektieren das gesamte auftreffende Licht durch spekulare gerichtete Reflexion Die Pigmentpartikel wirken dabei wie Mikrospie-gel und fuumlhren bei paralleler Ausrichtung im Anwendungsmedium zu einem spiegelnden Metallglanz dem Metallic-Effekt

5) Spezielle Effektpigmente Perlglanz- bzw Inter-ferenzpigmente deren optische Wirkung auf der Mehrfachreflexion an uumlberwiegend flaumlchig aus-gebildeten und ausgerichteten transparenten semitransparenten oder lichtundurchlaumlssigen Partikeln beruht

Weiszlig- Bunt- und auch Schwarzpigmente weisen typische Durchmesser im Bereich von 100 nm bis zu 1 microm auf Ihre Groumlszlige liegt damit zum Teil im Bereich der Wellenlaumlnge des sichtbaren Lichtes welches den Bereich von 380 nm bis 780 nm uumlberdeckt Einige Schwarzpigmente wie z B Ruszlig-pigmente liegen mit ihren Durchmessern jedoch auch zum Teil auch deutlich darunter Effektpig-mente besitzen dagegen Teilchendurchmesser die zumeist im Bereich von 5 microm bis 100 microm in einigen Faumlllen auch daruumlber liegen Sie sind damit bezuumlglich der mittleren Plaumlttchendurch-messer wesentlich groumlszliger als die Wellenlaumlnge des sichtbaren Lichtes Die Dicke der Plaumlttchen liegt von einigen Ausnahmen abgesehen unter 1 microm ebenso wie die Dicke der Interferenzschichten Demzufolge weisen Effektpigmente in der Regel ein hohes Aspektverhaumlltnis auf (Verhaumlltnis der lateralen Ausdehnung einer Struktur zu ihrer Houmlhe) welches bis zu 200 betragen kann

Interferenzpigmente ndash Wie die Farben entstehen

Die Farbe von Interferenzpigmenten haumlngt von der Schichtdicke der Metalloxidbeschichtung und dem Einstrahlungs- und Betrachtungswinkel ab Beide Parameter bestimmen die effektive optische Weg-

laumlngendifferenz fuumlr das einfallende weiszlige Licht zwischen oberer und unterer Grenzflaumlche und die somit auftretenden Interferenzfarben siehe Bild 3

Interferenzpigmente zeigen somit einen aus-gepraumlgten bdquoFarbflopldquo Die Winkelabhaumlngigkeit der Farbe wird hierbei auch als Goniochromasie bezeichnet Richtig bunt geht es zu wenn ein Interferenzpigment auf einen bereits bunten Untergrund aufgebracht wird Die Transparenz der Pigmente laumlsst die Untergrundfarbe durch-

Bild 2 Schematische Diagramme zum spektralen Verhalten verschiedener Pigmenttypen

Bild 3 Die Schichtdicke der Metalloxidbeschichtung und der kombinierte Einstrahlungs- und Betrachtungswinkel bestimmen die optische Weglaumlnge und somit die sich ergebenden Interferenzfarben in Reflexion und Transmission

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PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4Das Jahr des Lichtes

Bild 5 Die Effekte Spar-kling (1) und Coarseness (2) des Effektpigmentes Xirallicreg Crystal Silver in einer vergroumlszliger-ten Aufnahme auf weiszligem (links) und schwarzem Hinter-grund (rechts)

scheinen im Glanzwinkel wird sie aber von der Interferenzfarbe uumlberstrahlt wie dies in Bild 4 zu sehen ist

Der Effekt eines Helligkeitsunterschiedes unter verschiedenen Betrachtungswinkeln wird als Helligkeitsflop bezeichnet und ist an sich nichts Neues Sind jedoch die einzelnen Pigmentteilchen

aufgrund ihrer planaren Reflexionsoberflaumlchen in gerichteter Beleuchtung direkt beobachtbar was fuumlr mittlere Teilchengroumlszligen von 30 microm und groumlszliger der Fall ist so ergibt dies einen Effekt welcher mit dem Begriff Sparkle (Glitzern Funkeln) bezeichnet wird (Bild 5) Aumlndert sich die Beleuchtung von einer gerichteten Einstrahlung wie es an einem wolkenlosen sonnigen Sommertag der Fall ist hin zu einer diffusen ungerichteten Einstrahlung wie an einem stark bewoumllkten Herbsttag so verschwin-det das Sparkling der Pigmente und verwandelt sich in eine Koumlrnigkeit der Oberflaumlche Dieses optische Phaumlnomen wird als Coarseness (Bild-koumlrnigkeit) bezeichnet und ist unabhaumlngig vom Betrachtungswinkel (Bild 5)

Als neuer Archetypus des Sparkle-Begriffes haben sich in den letzten Jahren die Xirallicreg Pig-mente (High Chroma Chrystal Effect Pigments) der Firma Merck KGaA entwickelt Durch die Beschich-tung von Aluminiumoxidplaumlttchen mit hochbre-chenden Metalloxiden und einer optimierten Dicke und Ebenheit aller am Pigment beteiligten Schich-ten entstehen auszligergewoumlhnlich stark reflektierende Effektpigmente die einen besonders intensiven Sparkle-Effekt aufweisen Man spricht hierbei auch von sogenanntem Living Sparkle welcher sich in einem scheinbaren bdquoTanzenldquo der leuchtenden Punkte in der Probenoberflaumlche bei Veraumlnderung der Beobachtungsgeometrie aumluszligert [7 8]

Generell gilt dass die Farbe von Objekten mit Effektlackierung nicht mehr wie jahrzehntelang uumlblich und ausreichend mit konventionellen Farb-messgeraumlten mit nur einer festen Messgeometrie wie z B in der 45deg 0deg Geometrie (Einstrahlung unter 45deg Reflexionsmessung unter 0deg) bestimmt werden kann Dieser Umstand wird sehr gut durch die Grafik in Bild 6 illustriert Dargestellt sind die winkelabhaumlngig gemessenen Farbkoordinaten von drei verschiedenen keramischen Farbstandards der Farben rot gruumln und blau sowie eines mit dem Effektpigment Viola Fantasy der Firma Merck lackierten Blechs Der Einfallswinkel des Lichts auf die Proben betrug hierbei immer 45deg zur Oberflauml-chennormalen Das von den Proben reflektierte Licht wurde an 26 Positionen in einem 5deg Raster in planaren die Oberflaumlchennormale enthalten-den Messgeometrien im Winkelbereich von ndash70deg bis +70deg aufgenommen Bei den aus absorptiven Pigmenten bestehenden Keramiken zeigt sich eine nur sehr geringe Winkelabhaumlngigkeit der Farbe welche groumlszligtenteils auf unterschiedlicher winkelabhaumlngiger Helligkeit d h den Glanzeigen-schaften der Oberflaumlche beruht Das Effektpigment dagegen zeigt einen extremen winkelabhaumlngigen Farb-Flop (Goniochromasie) welcher einen Farbverlauf von Gruumln uumlber Rot-Gelb hin ins Blau-Violett bietet

Aber auch die neuen Lackfarben aus der Gruppe der Effektlackierungen muumlssen messtechnisch

Bild 4 Merck-Xirallicreg-Solaris-Red-Effektpigmente appliziert auf einem mit Standard-Ab-sorptionspigmenten hellblau lackierten Metallblech In Rich-tung des Glanzwin-kels auf der rechten Seite zeigt sich der langsame Aufbau der winkelabhaumlngigen Interferenzfarbe

1

Bild 6 CIELab Farbkoordinaten einer winkelabhaumlngigen Reflexionsmessung an vier verschiedenen Proben drei Keramiken der Farben rot gruumln blau und eine Effektpigmentlackierung mit Merck Colorstreamreg Viola Fantasy Das untergelegte Farbschema zeigt naumlherungsweise die den Koordinaten entsprechende Farbe

2

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Effektpigmente hellipPTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4

Abbildungsoptik Messungen der ortsaufgeloumlsten Leuchtdichte auf einer Laumlngenskala bis hinab zu 28 microm auf der zu untersuchenden Probe siehe Bild 8

Mit der Zeilenkamera sind Messungen von kompletten Reflexionsspektren im sichtbaren Spektralbereich zwischen 380 nm und 780 nm dem sogenannten V(λ)-Bereich auf einer Zeit-skala von 2 Minuten moumlglich Hieraus lassen sich dann Farbkoordinaten der untersuchten Proben in den unterschiedlichsten Farbraumsystemen berechnen Eine absolute Messung in 114 Win-kelkombinationen (siehe Bild 9) im Polarwinkel-

erfasst und ruumlckgefuumlhrt werden um eine gleich-bleibende Qualitaumlt in der Produktion gewaumlhrleis-ten zu koumlnnen Gerade diese vielfaumlltigen zusaumltz-lichen Eigenschaften stellen die Farbmesstechnik vor neue Herausforderungen

Farbmessung

Bisherige kommerzielle Farbmessgeraumlte charakte-risieren Probenoberflaumlchen fast ausschlieszliglich in den eben schon erwaumlhnten sogenannten in-plane Reflexionsgeometrien Dabei liegen die Richtun-gen des eingestrahlten und des reflektierten Lichts sowie die Oberflaumlchennormale der Probe in einer Ebene Diese Einschraumlnkung entspricht jedoch in keiner Weise der taumlglichen Realitaumlt bei der Oberflaumlchen aus beliebigen Richtungen beleuchtet und betrachtet werden Seitens der Messgeraumlteher-steller und Anwender gibt es daher einen Trend zur erweiterten Charakterisierung bezuumlglich zusaumltzlicher Winkelkombinationen im dreidimen-sionalen Raum Spitzenreiter dieser Entwicklung am Markt ist derzeit ein tragbares Mehrwinkel-Spektralphotometer mit insgesamt 19 verschie-denen Reflexionsgeometrien [9] Hiermit scheint aber auch das Ende dieser Entwicklung im Bereich der portablen handgefuumlhrten Geraumlte erreicht Der Wunsch der Anwender geht aktuell wieder zuruumlck zu einer geringeren Anzahl von Winkelkombi-nationen denn es ist unklar wie man aus dem Mehr an winkelaufgeloumlsten Reflexionsdaten die fuumlr die Charakterisierung der Farbeigenschaften relevanten Informationen gewinnen kann Daher stellt sich die Frage welches sind bdquoguteldquo d h an die Messaufgabe adaptierte optimal geeignete Messgeometrien

Um diese Frage zu beantworten betreibt die AG 424 bdquoReflexion und Transmissionldquo der PTB zwei roboterbasierte Gonioreflektometer die eine winkelaufgeloumlste Reflexionsmessung in beliebi-gen bidirektionalen Geometrien ermoumlglichen [10ndash12] Diese beiden Apparaturen sind in Bild 7 dargestellt

Das Standard-Gonioreflektometer ist hierbei das nationale Normal fuumlr die Messgroumlszlige spektraler Strahldichtefaktor in gerichteten Geometrien Es dient der Realisierung Bewahrung und Weiter-gabe der gerichteten Reflexionsskale in Form von Kalibrierungen Die zweite Apparatur bezeich-net mit dem Acronym ARGon3 (3D Appearance Robot-based Gonioreflectometer) ist ein flexibles Forschungsgeraumlt mit dem experimentelle Unter-suchungen u a im Rahmen des EMRP-Projektes Multidimensional Reflectometry for Industry der EU [13] durchgefuumlhrt werden Im Ver gleich zum Standard-Gonioreflektometer ist dieses Geraumlt mit einer photometrischen Leuchtdichteka-mera und einer Zeilenkamera ausgeruumlstet Die Leuchtdichtekamera erlaubt mit einer speziellen

Bild 7 Die beiden roboter-basierten Gonio-reflektometer der PTB oben Standard-Gonioreflektometer fuumlr Kundenkalibrie-rungen unten ARGon3-Messplatz fuumlr Forschungsanwen-dungen

Bild 8 Visualisierung desSparkling-Effektesvon Xironareg-Volcanic-Sparks-Pigmenten als Falschfarben-darstellung der ortsaufgeloumlsten LeuchtdichteDie bdquoNadelnldquo zeigendie Position derPigmente an

Bild 9 Beispielgeometrien zur Messung der winkelabhaumlngigen Reflexionseigen-schaften Realisiert wurden 4 Einstrah-lungsrichtungen (rote Pfeile) mit jeweils 114 Reflexionswinkeln (schwarze Punkte) im Bereich der Viertel-kugel oberhalb der Probenoberflaumlche

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PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4Das Jahr des Lichtes

bereich 0deg bis 70deg gleichmaumlszligig verteilt uumlber den Viertelraum oberhalb der Probe dauert hierbei ca 4 Stunden [14] Die so erhaltenen Daten bilden die Basis fuumlr kuumlnftige Verbesserungen in der Mess-technik fuumlr Anwender und Hersteller

Im Rahmen des EMRP-Projektes Multidimen-sional Reflectometry for Industry [13] sind damit die winkelabhaumlngigen Reflexionsspektren von insgesamt 66 verschiedenen Effektpigmentproben gemessen worden [15 16] Bei den vier verschie-denen Einstrahlungsrichtungen verbunden mit jeweils 114 Reflexionswinkeln im Bereich der Vier-telkugel oberhalb der Probenoberflaumlche ergeben sich somit uumlber 30000 Reflexionsspektren

Zielsetzung der Untersuchungen ist die Ver-besserung der Metrologie zur Materialcharak-terisierung mit reduzierter Messunsicherheit Dazu werden neue Messvorschriften und neue Standardmessartefakte entwickelt mit denen die Industrie die visuelle Wahrnehmung der von ihr produzierten Oberflaumlchen gezielt charakterisie-ren und kontrollieren kann Solche Messungen sollten einfach auszufuumlhren sein und die Ergeb-nisse muumlssen soweit wie moumlglich mit der visuellen menschlichen Wahrnehmung korrelieren Im europaumlischen und internationalen Rahmen sollen die Ergebnisse in die Normung einflieszligen um die allgemeine Vergleichbarkeit solcher Messungen zu gewaumlhrleisten

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Die 50 Sitzung des Internationalen Komitees fuumlr das gesetzliche Messwesen (CIML) fand vom 20 bis 22 Oktober 2015 in Arcachon Frankreich statt Im Vorfeld der CIML-Sitzung fand ein ein-taumlgiges OIML-Seminar uumlber Countries and Econo-mies with Emerging Metrology Systems (CEEMS) statt uumlber das weiter unten berichtet wird

Das CIML ist der Lenkungsausschuss der OIML Es trifft sich jaumlhrlich und besteht aus je einem Repraumlsentanten der Mitgliedstaaten der korrespondierenden Mitglieder und den Vertre-tern internationaler und regionaler Organisa-tionen die als Beobachter teilnehmen koumlnnen Das CIML ist zustaumlndig fuumlr die Vorbereitung und Durchfuumlhrung der Entscheidungen der Konfe-renz die alle vier Jahre stattfindet Es uumlberwacht die Arbeiten der Technischen Komitees und Unterkomitees und des Internationalen Buumlros fuumlr das gesetzliche Messwesen (BIML) in Paris

An der 50 CIML-Sitzung nahmen 144 Teilneh-mer aus 43 Mitgliedstaaten und 13 korrespondie-renden Mitgliedstaaten teil Zur deutschen Dele-gation gehoumlrten neben den o g Autoren auch die Herren Johann Fischer Direktor des Landesamts fuumlr Mess- und Eichwesen Berlin-Brandenburg sowie Prof Olaf Kuumlhn Direktor des Thuumlringer Landesamts fuumlr Verbraucherschutz als Vertreter der Bundeslaumlnder Dr Peter Ulbig Leiter der Abteilung Wissenschaftlich-technische Quer-schnittsaufgaben der PTB und Prof Manfred Kochsiek Vizepraumlsident a D der PTB ehema-liger CIML-Praumlsident und Ehrenmitglied der OIML Frau Dr Anna Cypionka persoumlnliche Referentin des Praumlsidenten der PTB nahm am OIML-Seminar fuumlr CEEMS teil Vertreten waren auch wieder internationale und regionale Orga-nisationen zu denen die OIML Verbindungen unterhaumllt wie das Internationale Buumlro fuumlr Maszlig und Gewicht (BIPM) die GSO-GCC Standardiza-tion Organization (Saudi-Arabien) die Internatio-nal Laboratory Accreditation Cooperation (ILAC) und der Europaumlische Verband der Waagenherstel-ler (CECIP)

Alle Beschluumlsse der 50 CIML-Sitzung koumlnnen auf den Internetseiten der OIML aufgerufen werden [1 2]

Die wichtigsten Entscheidungen und Entwick-lungen werden nachfolgend vorgestellt

1 Personalangelegenheiten

Der Vertrag von Willem Kool als Assistant Director wurde um vier Jahre der Vertrag des BIML-Direk-tors Stephen Patoray um drei Jahre verlaumlngert

2 Einfuumlhrung des PG Workspace im Internet

In seinem Bericht im Zusammenhang mit der Etablierung des neuen Webauftritts der OIML hob der CIML-Praumlsident Peter Mason (UK) die erfolgreiche Einfuumlhrung des Workspace fuumlr Pro-jektgruppen hervor Durch die Online-Arbeit wird erwartet dass die technische Arbeit an neuen bzw zu revidierenden OIML-Dokumenten vereinfacht und insgesamt effizienter wird

3 Revision der technische Richtlinien fuumlr die OIML (B 6 Directives for OIML tech-nical work)

In einem neuen Projekt sollen die in den vergan-genen Jahren revidierten OIML-Richtlinien fuumlr die technische Arbeit erneut uumlberarbeitet werden um u a den Prozess der Entwicklung und Uumlber-arbeitung von OIML-Publikationen noch weiter zu beschleunigen und den neuen internetbasierten Technologien und Arbeitsweisen Rechnung zu tragen

4 Umfassende strukturelle Uumlberarbeitung des OIML Certificate System

Das CIML verabschiedete die Gruumlndung einer Projektgruppe mit der Aufgabe einer substan-ziellen Uumlberarbeitung des OIML-Zertifizierungs-systems das z Zt aus dem Basiszertifizierungs-system und dem MAA3 besteht Urspruumlnglich ausgehend von der Annahme die Akzeptanz des MAA-Zertifizierungssystem muumlsse verstaumlrkt werden eine groumlszligere Verbreitung finden und mehr Messgeraumltearten abdecken erscheint es

Aktuelles aus der OIML (Internationale Organisation fuumlr das Gesetzliche Messwesen)Bericht uumlber die 50 Sitzung des CIML in Arcachon FrankreichSusanne Ludwig Roman Schwartz

INTERNATIONALE ZUSAMMENARBEIT

Susanne Ludwig OIMLshyGeschaumlftsstelle der PTB EshyMail susanneludwigptbde

Dir u Prof Dr Roman Schwartz Vizepraumlsident der PTB deutsches Mitglied im Internashytionalen Komitee fuumlr das Gesetzliche Messwesen (CIML) und CIMLshyVizepraumlsishydent EshyMail romanschwartzptbde

3 Mutual Acceptance Arrangement (Abshykommen zur gegenshyseitigen Anerkennung von Bauartpruumlfungen)

46

PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4Internationale Zusammenarbeit

inzwischen sinnvoller und wurde so auch vom CIML beschlossen zum 112017 ein einziges OIML-Zertifizierungssystem einzufuumlhren Eine Projektgruppe (Certification System Project Group = CSPG) unter dem Vorsitz des CIML-Vizepraumlsi-denten Dr Roman Schwartz wurde damit beauf-tragt die notwendigen Dokumente und Prozedu-ren auszuarbeiten

5 OIML-Seminar fuumlr Countries and Economies with Emerging Metrology Systems (CEEMS)

Im Vorfeld der CIML-Sitzung wurde ein eintaumlgiges Seminar zum Thema Developing an OIML Package for Assistance to Countries with Emerging Metro-logy Systems (CEEMS) abgehalten In vier Sitzun-gen diskutierten 125 Teilnehmer aus 49 Laumlndern uumlber Moumlglichkeiten Laumlnder beim Aufbau von nationalen Metrologiesystemen zu unterstuumltzen In der ersten von Frau Dr Cypionka geleiteten Sitzung Capacity Building ging es um die allge-meinen Herausforderungen bei der Gestaltung von Programmen zur Foumlrderung von Handlungs-kompetenzen und Vermittlung von Wissen fuumlr die Metrologie In zwei weiteren Sitzungen wurden unter den Themen Helping CEEMS Improve Regulation in their Markets (Leitung Prof Dr Manfred Kochsiek) und New Ideas ndash Doing Legal Metrology Differently (Leitung Stuart Carstens

Suumldafrika) konkrete inhaltliche Loumlsungsvorschlaumlge vorgestellt und diskutiert Die Ergebnisse wurden in der 50 CIML-Sitzung vorgestellt und fanden ihren Niederschlag in der Resolution Nr 201510 [2] sie sollen auch noch auf den OIML-Webseiten veroumlffentlicht werden [1]

6 OIML-Publikationen

Folgende OIML-Publikationen wurden verabschiedet

R 139-3 Compressed gaseous fuels measuring systems for vehicles Part 3 Test report format

New Recommendation (R 145) Ophthalmic instru-ments mdash Impression and applanation tonometers

Alle OIML-Publikationen stehen im Internet frei zur Verfuumlgung [3]

Gleichzeitig wurde die Revision der folgenden OIML-Publikation beschlossen

Revision of R 79 Labeling requirements for prepackages

Folgende neue Projekte wurden verabschiedet

Revision des OIML-Dokuments B 6-1 Directives for OIML technical work

Bild 1 Teilnehmer der 50 Sitzung des Internationalen Komitees fuumlr Gesetz-liches Messwesen (CIML) in Arcachon Frankreich

47

PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4 Aktuelles aus der OIML

TC 8SC 1 Revision R 71 Fixed storage tanks mdash General requirements

TC 8SC 1 Revision R 85 Automatic level gauges for measuring the level of liquid in stationary storage tanks

7 Personalien und Ehrungen

Die von Dr Seiler dem ehemaligen Leiter des Fachbereichs bdquoTechnische Zusammenarbeitldquo der PTB initiierte OIML-Auszeichnung fuumlr bdquoexzel-lente Beitraumlge von Entwicklungslaumlndern zum gesetzlichen Messwesenldquo ging in diesem Jahr an

bull Nam Hyuk Lim Director of Korea Testing Certi-fication und

bull The Metrology Department Saint Lucia Bureau of Standards

Die OIML-Medaille fuumlr besondere Verdienste um die OIML-Arbeit ging an Ngo Quy Viet Vietnam und Cartaxo Reis aus Portugal

8 Termine

Ein Gastgeberland fuumlr die 51 CIML-Sitzung und 15 OIML-Konferenz im Jahr 2016 konnte noch nicht bekannt gegeben werden es wird aber wahr-scheinlich wieder Frankreich sein Weitere OIML-Veranstaltungen und -Termine finden sich auf der OIML-Webseite unter [4]

9 Literatur

[1] httpswwwoimlorgen (letzter Aufruf 19112015)

[2] httpswwwoimlorgenstructurecimlpdf50-ciml-resolutions-englishpdf (letzter Aufruf 19112015)

[3] httpswwwoimlorgenpublicationsrecommen-dationspublication_viewp_type=1ampp_status=1

[4] (letzter Aufruf 19112015)[5] httpswwwoimlorgeneventscalendar

(letzter Aufruf 19112015)

48

TECHNOLOGIETRANSFER

E27-Scanner fuumlr UlbrichtkugelnMit dem besonders einfach ohne Umbau einsetzbaren E27-Scanner koumlnnen Anwender und Hersteller die Homogenitaumlt ihrer Ulbricht-kugeln bestimmen und die Ergebnisse zur Berechnung genauerer Lichtstroumlme und zur Dokumentation der Qualitaumlt ihrer Messungen nutzen

Hintergrund

Wie viel Licht eine Lampe insgesamt in alle Richtungen abstrahlt wird durch ihren Lichtstrom ausgedruumlckt Um den fuumlr die Bestimmung der Energieeffizienz von Lampen notwendigen Lichtstrom schnell zu er mitteln setzt die Lampenindustrie Ulbrichtkugeln ein An einer Stange in der Mitte der Ulbrichtkugel befindet sich eine E27-Lampen-fassung in die nacheinander die Lichtstrom-Normallampe und die zu kalibrierende Lampe eingeschraubt werden Das indirekt auf den Mess-kopf fallende Licht erzeugt einen Photostrom der im Idealfall propor-tional zu dem von der Lampe abgestrahlten Lichtstrom ist unabhaumlngig von der Richtung in die das Licht abgestrahlt wird

Dies ist jedoch bei einer ungleichmaumlszligigen Beschichtung der Kugel sowie bei einer im Laufe der Zeit nicht zu verhindernden Verstaubung nicht der Fall Deshalb wird mit einem Kugelscanner die Homogenitaumlt der Kugel regelmaumlszligig vermessen und ein Korrekturfaktor bestimmt der von der jeweiligen Abstrahlcharakteristik der zu untersuchenden Lampe abhaumlngt

Technische Beschreibung

Der Kugelscanner wird einfach in eine E27-Fassung geschraubt und das sonst fuumlr die Lampenversorgung eingesetzte Netzgeraumlt wird durch die Steuereinheit ersetzt Diese uumlbernimmt sowohl die elektrische Versor-gung als auch die Befehlsuumlbermittlung zum Kugelscanner Die Steuer-einheit wird via USB oder RS232 an einen Computer angeschlossen Das mitgelieferte Messprogramm stellt automatisiert alle gewuumlnschten Richtungen ein und speichert die zugehoumlrigen von der Steuereinheit gemessenen Photostroumlme des Photometers

Wirtschaftliche Bedeutungw

Fuumlr Lampenindustrie und Hersteller von Ulbrichtkugeln

bull Genauere Messung des Lichtstroms

bull Bestimmung des Zeitpunkts einer Neubeschichtung

bull Uumlberwachung beim Beschichten

bull Dokumentation des Zustands der Ulbrichtkugel

EntwicklungsstandDer E27-Kugelscanner wurde in der PTB entwickelt Er wird laufend fuumlr Kalibrierungen eingesetzt Die Technologie wurde an die Firma Czibula amp Grundmann transferiert und wird dort mit einer PTB-Lizenz gebaut und vertrieben wwwphoto-metercom

Ansprechpartner

Dr Bernhard SmandekBeauftragter fuumlr TechnologietransferTelefon +49 531 592shy8303Telefax +49 531 592shy69shy8303EshyMail technologietransferptbde

Dr Stefan WinterFachbereich Photometrie und Radiometrie

Abbildung des E27shyKugelscanners Eine stark fokussierende Lampe die computergesteuert in alle Richtungen leuchten kann

Vorteile

bull Schneller Einbau in E27shyFassung

bull Computergesteuertes Abscannen der gesamten Ulbrichtkugel

bull Flexible Messmoumlglichkeiten

bull Fuumlr genauere Lichtstromshymessungen

bull Wichtig fuumlr die Qualitaumltsshysicherung

PTBshyNummer 0172

wwwtechnologietransferptbde

49

PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4 Technologieangebote

Ansprechpartner

Dr Bernhard SmandekBeauftragter fuumlr TechnologietransferTelefon +49 531 592shy8303Telefax +49 531 592shy69shy8303EshyMail technologietransferptbde

Dr Stefan WinterArbeitsgruppe Solarzellen

PulsshyzushyCWshyKonverter

Umwandlung gepulster Laser-Strahlung in konstante StrahlungIn weiten Bereichen der optischen Metrologie ist eine Strahlungs-quelle von groszligem Nutzen die sich spektral vom UV-C bis ins mitt-lere IR durchstimmen laumlsst Lediglich Laser mit gepulster Strahlung erfuumlllen diese Anforderung bei ausreichend groszligem Ausgangssignal bisher luumlckenlos Femtosekunden-Lasersysteme waumlren aufgrund ihrer gut automatisierbaren und spektral weiten Durchstimmbarkeit die ideale Strahlungsquelle fuumlr z B radiometrische Anwendungen ndash wenn ihre Strahlung nicht gepulst waumlre

Durch das extreme Puls-Pausen-Verhaumlltnis von 10ndash5 entstehen hohe Spitzenleistungen die wiederum zu Saumlttigungseffekten bei Detek-toren und in der Folge zu nichtlinearem Verhalten fuumlhren koumlnnen Mit dem in der PTB entwickelten Puls-zu-CW-Konverter wird dieses Problem geloumlst

Technische Beschreibung

Bei dieser Methode werden Pulse gepulster Strahlungsquellen ausrei-chend hoher Repetitionsrate in CW-Strahlung umgewandelt Dabei wird jeder Puls in viele kleine Teilpulse aufgeteilt die auf unterschiedlich langen Wegstrecken unterschiedliche Laufzeiten erfahren Am Ausgang des Systems erscheinen sie dann zeitlich gleichmaumlszligig verteilt Realisiert wird dieser Puls-zu-CW-Konverter uumlber ein Glasfaserbuumlndel bei dem jede Einzelglasfaser eine individuell festgelegte Laumlnge besitzt

Mit der Entwicklung des Puls-zu-CW-Konverters wurde das ent-scheidende Manko beim Einsatz leistungsstarker Femtosekunden(fs)-Lasersysteme im Bereich der Metrologie beseitigt und erstmalig gepulste Laserstrahlung in CW-Strahlung umgewandelt Diese Neuentwicklung ermoumlglicht es nun herkoumlmmliche Monochromatorsysteme durch fs-Lasersysteme zu ersetzen die eine bis zu 1000-mal houmlhere spektrale Ausgangsleistung besitzen

Wirtschaftliche Bedeutung

Durch den neuen Puls-zu-CW-Converter koumlnnen in wirtschaftlich bedeutenden Bereichen wie z B der Photovoltaik der Photometrie der UV-Strahlungsmesstechnik und der Reflektometrie die Referenz- und Transfernormale mit einer deutlich reduzierten Messunsicherheit kali-briert werden Hier werden bislang wesentliche Messunsicherheitsan-teile durch zu geringe Strahlungsleistungen aus herkoumlmmlichen Mono-chromatorsystemen verursacht

Entwicklungsstand

Unter DE 10 2010 011 615 B4 wurde fuumlr den CW-Konverter ein Patent erteilt

Vorteile

bull Zeitliche Glaumlttung gepulster Laserstrahlung

bull Keine stoumlrenden Interferenzen

bull Nur minimale Absorption des Messsignals

bull Auch bei kuumlrzeren Wellenshylaumlngen ohne Ulbrichtkugel verwendbar

bull Kontinuierliche Verteilung des Ausgangspulses

bull Pulsvervielfachung

bull Houmlhere Strahlungsleistung

PTBshyNummer 0254

wwwtechnologietransferptbde

50

PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4Technologieangebote

50

Homogenisierung von Strahlungsquellen und Focal Plane Arrays (FPA)Ein neuartiges Verfahren ermoumlglicht softwaregestuumltzt eine deutlich verbesserte Kalibrierung von Mehrelement-Sensoren (FPA) und bildgebenden Systemen (Kameras) Bei flaumlchigen Strahlungsquellen kann zusaumltzlich eine gezielte Ansteuerung von Flaumlchenelementen zu einer bisher im Allgemeinen nicht erreichbaren Flaumlchenhomogenitaumlt fuumlhren

Technische Beschreibung

Flaumlchenstrahler dienen der Kalibrierung von ortsaufloumlsenden Strah-lungssensoren wobei davon ausgegangen wird dass die Emissionsflaumlche des Strahlers im Wesentlichen homogen bezuumlglich ihrer Strahldichte bzw Strahlungstemperatur ist Um kleine Inhomogenitaumlten eines Flaumlchenstrahlers zu charakterisieren ist es ein gaumlngiges Verfahren die Emissionsflaumlche punktweise mit einem Einzeldetektor abzutasten

Das neue PTB-Verfahren ist wesentlich schneller da es den Mehr-element-Sensor (FPA) das device-under-test selbst nutzt und damit immer ein Gesamtbild der Quelle aufnimmt Werden jetzt weitere Bilder zeilen- oder spaltenversetzt aufgenommen so erlaubt ein mathema-tischer Algorithmus bei nur drei Bildern eine komplette Charakterisie-rung des Sensors aber auch der Quelle

Sind Flaumlchenelemente der Strahlungsquelle einzeln ansteuerbar so ist es sogar moumlglich mittels der ermittelten Korrekturwerte zu Strahlquellen extrem hoher Homogenitaumlt im on-line-Betrieb zu gelangen

Wirtschaftliche Bedeutung

Bildgebende Strahlungssensoren und homogene Strahlungsquellen sind relevant fuumlr die Forschung und Entwicklung fuumlr die Prozesstechnik fuumlr die Charakterisierung der Energieeffizienz von Bauten bei der Ent-wicklung neuer Bauteile mit hoher thermischer Belastung und in vielen weiteren Bereichen Der mathematische Algorithmus ist aber auf unter-schiedliche Arten von Kamerasystemen anwendbar und damit auch fuumlr die Qualitaumltssicherung von CCD-Kameras bis hin zum Konsumguuml-termarkt anwendbar EntwicklungsstandEine deutsche Patenterteilung erfolgte im September 2015 Eine PCT-Anmeldung ist anhaumlngig Kooperations- und Lizenzpartner aus den Bereichen Thermografie Radiometrie und Photometrie zur Umsetzung des Konzeptes werden gesucht

Ansprechpartner

Dr Bernhard SmandekBeauftragter fuumlr TechnologietransferTelefon +49 531 592shy8303Telefax +49 531 592shy69shy8303EshyMail technologietransferptbde

DiplshyIng Berndt GutschwagerArbeitsgruppeInfrarotshyStrahlungsthermometrie

Stahlungsmessplatz der PTB zur Kalibrierung von Temperaturstrahlern und Waumlrmebildkashymeras

Vorteile

bull Schnelle Kalibrierung von Flaumlchensensoren (FPA)

bull Schnelle Kalibrierung von Flaumlchenstrahlern

bull Strahlquellen houmlchster Hoshymogenitaumlt

bull Fuumlr Thermografie und Phoshytometrie

PTBshyNummer 00374

wwwtechnologietransferptbde

Verlag Fachverlag NW in der Carl Schuumlnemann Verlag GmbHZweite Schlachtpforte 728195 Bremen Internet wwwschuenemannde E-Mail infoschuenemann-verlagde

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Erscheinungsweise und Bezugspreise Die PTB-Mitteilungen erscheinen viermal jaumlhrlich Das Jahresabonnement kostet 3900 Euro das Einzelheft 1200 Euro jeweils zzgl Versandkosten Bezug uumlber den Buchhandel oder den Verlag Abbestellungen muumlssen spaumltestens drei Monate vor Ende eines Kalenderjahres schriftlich beim Verlag erfolgen

Alle Rechte vorbehalten Kein Teil dieser Zeitschrift darf ohne schriftliche Genehmigung des Verlages vervielfaumlltigt oder verbreitet werden Unter dieses Verbot faumlllt insbesondere die gewerbliche Ver-vielfaumlltigung per Kopie die Aufnahme in elektro-nische Datenbanken und die Vervielfaumlltigung auf CD-ROM und in allen anderen elektronischen Datentraumlgern

Printed in Germany ISSN 0030-834X

Die fachlichen Aufsaumltze aus dieser Ausgabe der PTB-Mitteilungen sind auch online verfuumlgbar unterdoi 10779531020150499

Die Physikalisch-Technische Bundesanstalt das nationale Metrologieinstitut ist eine wissenschaftlich-technische Bundesoberbehoumlrde im Geschaumlftsbereich des Bundesministeriums fuumlr Wirtschaft und Energie

mitteilungen

Impressum

Die PTB-Mitteilungen sind metrologisches Fachjournal der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt Braunschweig und Berlin Als Fachjournal veroumlffentlichen die PTB- Mitteilungen wissenschaftliche Fachaufsaumltze zu metrologischen Themen aus den Arbeitsgebieten der PTB Die PTB-Mitteilungen stehen in einer langen Tradition die bis zu den Anfaumlngen der Physikalisch-Technischen Reichsanstalt (gegruumlndet 1887) zuruumlckreicht

Bundesallee 100 38116 Braunschweig

Presse- und Oumlffentlichkeitsarbeit

Telefon 0531 592-3006 Fax 0531 592-3008 E-Mail presseptbde wwwptbde

Physikalisch-Technische BundesanstaltBraunschweig und BerlinNationales Metrologieinstitut

Die Physikalisch-Technische Bundesanstalt das nationale Metrologieinstitut ist eine wissenschaftlich-technische Bundesoberbehoumlrde im Geschaumlftsbereich des Bundesministeriums fuumlr Wirtschaft und Energie

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Hef

t 42

015

9

Ruumlckfuumlhrung in der Photometrie hellipPTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4

der Candela wird das Signal y eines Photometers bestimmt welches sich in einem Abstand d von einer Lichtquelle entfernt befindet Von dem Pho-tometer muss die absolute spektrale Empfindlich-keit s(λ) bekannt sein und von der Lichtquelle die spektrale Bestrahlungsstaumlrke Eλ (λ)

In den naumlchsten drei Abschnitten wird das eigentliche Experiment zur Realisierung der Candela beschrieben dann das Verfahren zur Kalibrierung von Photometern und als letztes die Ruumlckfuumlhrung der spektralen Bestrahlungsstaumlrke Damit sind alle Groumlszligen zur Bestimmung der Candela bekannt Im letzten Abschnitt wird dann uumlber die abgeleiteten Groumlszligen Beleuchtungsstaumlrke und Leuchtdichte berichtet

Realisierung der Candela

Die Lichtstaumlrke Iv laumlsst sich durch Verwendung der Gleichungen (1) und (3) in die folgende Form bringen

I K d E Vv m d= sdot sdot sdot sdotinfin

int2

0 0Ω λ λ λ λ( ) ( ) (6)

Die spektrale Empfindlichkeit s(λ) eines Photo-meters laumlsst sich als Produkt aus einer absoluten Empfindlichkeit s(λ0) und einer relativen Emp-findlichkeit sr(λ) darstellen

s s s( ) ( ) ( )λ λ λ= sdot0 r mit sr ( ) λ0 1= (7)

Damit ergibt sich fuumlr das Ausgangssignal y dieses Photometers gemaumlszlig Gleichung (4)

y s E s= sdot sdot sdotinfin

int( ) ( ) ( ) λ λ λ λλ00

r d (8)

Ebenso laumlsst sich die spektrale Bestrahlungsstaumlrke einer Lichtquelle als Produkt aus einer absoluten und relativen Bestrahlungsstaumlrke schreiben

E E Eλ λλ λ λ( ) ( ) ( )= sdot0 r mit Er ( ) λ0 1= (9)

In der PTB werden zur Realisierung der Candela Gluumlhlampen verwendet deren relative spektrale Bestrahlungsstaumlrke Er (λ0) durch eine Strahlungs-funktion S (λT) ersetzt wird der eine Verteilungs-temperatur T zugeordnet werden kann [2] Befin-det sich die Lampe auszligerhalb der photometrischen Grenzentfernung im Abstand d zum Photome-terkopf und beleuchtet dessen Lichteintrittsflaumlche senkrecht so ergibt sich aus Gleichung (5) ihre Lichtstaumlrke Iv (T)

Die Anpassungskorrektur F (T) ist eine Funktion der Verteilungstemperatur T die den Photo-strom so korrigiert als waumlre mit einem ideal an V (λ)-angepassten Photometerkopf gemessen worden [3] In der Praxis ist die Anpassungskor-rektur meist eine monotone Funktion der Vertei-lungstemperatur und kann z B durch ein logarith-misches Polynom ersten Grades hinreichend gut angenaumlhert werden

F TS T V

S T sa T

m

( )( ) ( )

( ) ( )=

sdot sdot

sdot sdotcong sdot

infin

infinintint

λ λ λ

λ λ λ

d

d Kr

0

0

2856

(11)

Der Koeffizient a gibt den Wert der Anpassungs-korrektur fuumlr Normlichtart A (bei T = 2856 K) an da hier die Klammer den Wert eins hat Den Verlauf der Funktion mit der Verteilungstempera-tur beschreibt die Klammer mit dem Anpassungs-index m als Exponenten der somit eine charakte-ristische Groumlszlige eines Photometerkopfes ist Eine weitere Charakterisierung ist seine photometrische Empfindlichkeit sv

1

0sK asv

m=sdot

( )

λ(12)

Aus den Gleichungen (10) bis (12) folgt die in der Arbeitsgruppe bdquoPhotometrieldquo der PTB fuumlr die Realisierung der Lichtstaumlrke-Einheit grundlegende Beziehung

I T d y Ts

Tm

v ( ) ( ) = sdot sdot

2

0 2856Ω v K (13)

Demnach muumlssen neben dem Photostrom y(T) folgende Groumlszligen bekannt sein

bull die photometrische Empfindlichkeit sv desPhotometerkopfes

bull der Anpassungsindex m zur Korrektur derspektralen Fehlanpassung

bull der Wert der Verteilungstemperatur T der ver-wendeten Lichtquelle

bull der Abstand d zwischen Lichtquelle undPhotometerkopf

Die Einheit der Lichtstaumlrke wird an der PTB

I T y d Ks

S T V

S T syv

m

r

d

d( ) = sdot sdot

( )sdot sdot

sdot sdot= sdot

infin

infinintint

2

0 0

0

0

Ω λ

λ λ λ

λ λ λ

( ) ( )

( ) ( )

dd Ks

F T2

0 0Ωsdot( ) ( )m

λ (10)

10

Das Jahr des Lichtes PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4

repraumlsentiert und bewahrt durch eine Gruppe von 17 hochstabilen Gluumlhlampen (Typ Toshiba 5 A 10 V 15 cd) deren Strahlungsfunktionen der eines Hohlraumstrahlers von 2042 K sehr aumlhnlich sindDie Gesamtmessunsicherheit einer Realisierung der Lichtstaumlrke-Einheit in der PTB beim Vertrau-ensniveau k = 2 berechnet sich so zu 04

Gluumlhlampen altern praktisch nur waumlhrend ihrer Brennzeit demgegenuumlber koumlnnen Photometer ihre Eigenschaften unabhaumlngig vom Gebrauch veraumlndern Bild 2 verdeutlicht diesen Sachverhalt Deshalb sollten photometrische Einheiten mit Normallampen verkoumlrpert und bewahrt werden

sie dienen zum Kalibrieren von Photometern Kalibrierte Photometer sollten dagegen vorzugs-weise als Transfernormale verwendet werden

Weitergabe der Lichtstaumlrke-Einheit

Als Lichtstaumlrkenormale werden speziell gefertigte Gluumlhlampen mit besonderen optischen geometri-schen und elektrischen Eigenschaften verwendet z B die Lampe Typ OSRAM WI41G Bild 3 zeigtschematisch eine solche Lampe die zur Reduzie-rung der mechanischen Justierunsicherheit miteinem Spezialsockel der PTB ausgestattet wurdeZur Weitergabe der Lichtstaumlrke-Einheit werdenGruppen solcher Lampen als Lichtstaumlrkenormaleverwendet wobei auf Verteilungstemperaturenzwischen 2000 K und 2856 K eingestellt werdenkann siehe Bild 3 unten

In der PTB erfolgt die Bestimmung der Lichtstaumlrke Iv(T) einer Lampe durch den Vergleich mit der Lichtstaumlrke Iv(TR) eines nationalen Normals mit einer Verteilungstemperatur TR und mithilfe eines an V(λ)-angepassten Photometers mit den zugehouml-renden Photostroumlmen y(T) und y(TR)

Bild 1 Kameragestuumltzte mechanische Ausrichtung einer Lichtstaumlrke-Normallampe an derPhotometerbank Quelle PTB

0990

0992

0994

0996

0998

1000

1002

0 5 10 15 20 25

Rel Werte

Brennzeith

Bild 2 Alterungsverhalten von Lampen und Photometern Links schematisch rechts reales Alterungsver-halten einer Lampe im Betrieb rot Strom blau Spannung gruumln Lichtstaumlrke

Bild 3 Lichtstaumlrke-Normallampe WI41G mit PTB-Spezialsockel (oben) sowie verschiedene Lichtstaumlrke-Normallampen-gruppen zur Bewahrung und Weitergabe der Lichtstaumlrke-Einheit (unten)

11

Ruumlckfuumlhrung in der Photometrie hellipPTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4

I T I T y Ty T

TT

m

v v RR R

( ) ( ) ( )( )

= sdot sdot

(14)

Lichtstaumlrke-Normallampen

Die von der PTB in Kalibrierscheinen angegebe-nen Werte fuumlr die photometrischen Groumlszligen bezie-hen sich immer auf einen definierten Betriebszu-stand der Lampe Ihr momentaner Betriebszustand wird dagegen wesentlich bestimmt durch

bull die Zeitspanne seit dem Einschalten

bull die Betriebszustaumlnde bei fruumlheren Brennvor-gaumlngen und deren Dauer

bull die Eigenschaften der verwendetenMessapparatur

Zur Weitergabe der Lichtstaumlrke-Einheit werden zumeist Lampen des Typs WI41G verwendet Einige charakteristische Eigenschaften dieses Lam-pentyps werden nachfolgend angegeben - Kurzzeitstabilitaumlt ∆I Iv v le sdot minus2 10 4

- mechanische Justierunsicherheitfuumlr Lampe mit E27-Sockel ∆I Iv v le sdot minus2 10 3 fuumlr Lampe mit Spezialsockel ∆I Iv v le sdot minus4 10 4

- photometrisches Signal Alterung je Brennstundebzw Rauschen (siehe folgendes Bild 4)

- Richtungsabhaumlngigkeit der Lichtstaumlrke beiDrehung um die vertikale und horizontale Achse in der Leuchtkoumlrperebene Abhaumlngigkeit uumlberwiegend bei Drehung um die horizontale Achse fuumlr beide Winkel sollte der Justierfehler 1deg nicht uumlbersteigen

Bei der Weitergabe der Einheiten der gerich-teten Photometrie macht man sich das Moni-torverfahren zunutze D h der aktuelle photo-metrische Betriebszustand von Lichtstaumlrke- und Leuchtdichte normalen wird durch geeignete Monitortechniken kontrolliert Dafuumlr werden spe-ziell konstruierte Monitorphotometer eingesetzt (siehe folgendes Bild 5)

Die Signale der Monitorphotometer werden synchron mit den Referenz- bzw Testphotometern ausgelesen und dokumentieren so die bdquoEinbrenn-phaseldquo bzw die Stabilitaumlt des photometrischen Signals waumlhrend der Messablaumlufe und dienen gegebenenfalls zur Korrektur

Kalibrierung von Photometern

Bei der Kalibrierung von Photometern wird deren absolute spektrale Bestrahlungsstaumlrke-Empfindlich-keit vom UV bis ins nahe Infrarot bestimmt Dabei wird das Photometer im quasi monochromatischen homogenen Strahlungsfeld bekannter Bestrahlungs-staumlrke vollstaumlndig uumlberstrahlt und die sich dabei ergebende Stromstaumlrke gemessen Der Quotient aus Stromstaumlrke und Bestrahlungsstaumlrke bei der einge-stellten Wellenlaumlnge ergibt die spektrale Bestrah-lungsstaumlrke-Empfindlichkeit s(λ) Diese Messung wird alle 5 nm von 360 nm bis mindestens 830 nm durchgefuumlhrt und ergibt dann einen Kurvenverlauf der bei guten Photometern der oben beschriebenen V(λ)-Funktion sehr nahe kommt

Aus der experimentell bestimmten spektralen Bestrahlungsstaumlrke-Empfindlichkeit s(λ) laumlsst sich nun mithilfe tabellarisch definierter Groumlszligen (Normlichtart A S(λ 2856 K) V(λ)-Funktion und dem Maximalwert des Strahlungsaumlquivalents Km) die in Formel (2) eingefuumlhrte photometrische Empfindlichkeit sv des Photometers zusammen mit Formeln (3) und (4) berechnen

sS s

K S Vv

m

d

d=

sdot sdot

sdot sdot

infin

infinintint

( ) ( )

( ) ( )

λ λ λ

λ λ λ

2856

2856

0

0

K

K (15)

Ebenso laumlsst sich nun nach Formel (11) die Anpas-sungskorrektur F(T) direkt berechnen

2300 2500 2700 T K 2900 1

2

3

4

Alterung je Brennstunde

Rauschen ∆YY104

Photometrisches Signal

2856 K

Bild 4 Alterung je Brennstunde bzw Rauschen des photometri-schen Signals

Bild 5 Monitor-Photometer zur Uumlberwachung bzw Korrektur der Stabilitaumlt bei Messungen in der gerichteten Photometrie

Monitor-Photometer

12

Das Jahr des Lichtes PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4

Experimentell wird die spektrale Bestrahlungs-staumlrke traditionell mit einem Monochromator-messplatz wie dem DSR-Messplatz ermittelt Dieser sondert aus einem Xenonlampenspektrum oder einem Gluumlhlampenspektrum einen schma-len Wellenlaumlngenbereich aus der dann fuumlr die Bestimmung der spektralen Empfindlichkeit bei seiner Schwerpunktwellenlaumlnge benutzt wird Besonders wichtig ist dabei dass der genaue Wert der Schwerpunktwellenlaumlnge bekannt ist und dass die ausgesonderte Strahlung ein sehr homogenes Strahlungsfeld erzeugt Entscheidend dafuumlr ist der geschickte und wellenlaumlngenabhaumlngige Aufbau der Eingangs- und Ausgangsoptik mit mehreren Linsen

Lampenbasierte Monochromatormessplaumltze haben jedoch einen entscheidenden Nachteil Ihre maximale Leistung betraumlgt typisch nur 100 microW Deshalb muumlssen mehrere Kompromisse bei der Messung eingegangen werden Die Messung muss verhaumlltnismaumlszligig dicht hinter dem Messplatz durch-gefuumlhrt werden wo sich die Bestrahlungsstaumlrke noch stark mit dem Abstand aumlndert und inhomoge-ner als im Fernfeld ist Je spektral reiner die Strah-lung eingestellt wird umso weniger Strahlungs-leistung passiert den Monochromator sodass auch hier wieder ein Kompromiss eingegangen werden muss Trotz der Kompromisse ist der Wellenlaumln-genbereich in dem die spektrale Empfindlichkeit bestimmt werden kann oft auf 400 nm bis 750 nm beschraumlnkt also auf den Bereich bei dem die spekt-rale Empfindlichkeit noch ausreichend hoch ist

Deshalb wurde ein neuer laserbasierter Messplatz aufgebaut (s Bild 6) Dieser erzeugt ein 100- bis 10000-mal kraumlftigeres Strahlungsfeld (s Bild 7) Zudem erlaubt der Messplatz die Bestimmung der Winkelabhaumlngigkeit von Photometern sowie die Messung des spektralen Temperaturkoeffizienten von ndash70 degC bis 180 degC Es koumlnnen mit dem laser-basierten Messplatz selbst unempfindliche Photo-meter in einem deutlich groumlszligeren Wellenlaumlngenbe-reich als bislang gemessen werden (s Bild 8ndash9) Da so viel Strahlungsleistung selbst fuumlr einen erweiter-ten Wellenlaumlngenbereich nicht benoumltigt wird kann mit einem laserbasierten Messplatz im homogenen Fernfeld und mit houmlherer spektraler Reinheit gemessen werden und somit die Messunsicherheit signifikant reduziert werden

Bild 6 Aufbau eines laser-basierten Messplat-zes zur Kalibrierung der spektralen Bestrahlungsstaumlrke-Empfindlichkeit von Photometern Das eigentliche Laser-system ist in der unteren Haumllfte von a) skizziert und in b)als Foto dargestellt

a

b

13

Ruumlckfuumlhrung in der Photometrie hellipPTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4

Realisierung der spektralen Bestrahlungsstaumlrke

Wie bereits vorher erwaumlhnt ist zur Realisierung der Candela die Kenntnis der relativen spektralen Bestrahlungsstaumlrke Er(λ) = S(λ T) von Tempera-turstrahlern (Gluumlhlampen) der Verteilungstempe-ratur T erforderlich

Bereits zum Ende des neunzehnten Jahrhunderts beschaumlftigten sich an der Physikalisch-Techni-schen-Reichsanstalt (PTR) in Berlin die Wissen-schaftler Otto Lummer Ernst Pringsheim und Fer-dinand Kurlbaum unter der Leitung von Wilhelm Wien mit der Pruumlfung elektrischer Gluumlhlampen fuumlr die Industrie und in diesem Zusammenhang mit der Verbesserung von Lampen und Vergleichs-normalen fuumlr Waumlrmestrahlung [4]

Sie entwickelten basierend auf Ideen von Kirch-hoff ab 1895 die ersten Hohlraumstrahler die als sogenannter Schwarzer Strahler zur Erzeugung von Temperaturstrahlung bis zu etwa 2000 K ein-gesetzt werden konnten Aufbauend auf Vorarbei-ten von Kirchhoff (1859) Stefan und Boltzmann (187984) sowie auf eigene Berechnungen (1893) konnte Wilhelm Wien anhand erster Messergeb-nisse 1896 die heute nach ihm benannte Wiensche Strahlungsgleichung aufstellen die die Ergebnisse der Experimente gut traf allerdings systema-tische Abweichungen fuumlr groszlige Produkte von λ middot T ergab Die Wiensche Gleichung war jedoch wesentlich genauer als das von Rayleigh und Jeans aufgestellte Pendant mit seiner inhaumlrenten Ultraviolettkatastrophe

Am 19 Oktober 1900 konnte Max Planck der vom Gastwissenschaftler Heinrich Rubens uumlber die Messergebnisse in der PTR unterrichtet wurde in einer Sitzung der Physikalischen Gesellschaft eine Gleichung vorlegen die die Messungen seiner Kollegen in der PTR besser als alle bis dato bekannten Gleichungen wiedergab Bereits am 14 Dezember 1900 trug er die komplette Her-leitung der Planckschen Strahlungsgleichungwiederum der Berliner Physikalischen Gesellschaftvor und leitete damit (verbunden mit der Energie-quantelung) die Quantenphysik ein [5]

Mithilfe des Planckschen Strahlungsgesetzes laumlsst sich die spektrale Dichte der Bestrahlungs-staumlrke EλBB(λTBB) eines Hochtemperatur-Hohl-raumstrahlers (auch Planckscher Strahler oder Schwarzer Strahler) berechnen

E T T Ad

cn

ec

n Tλ

λ

λ ε λλ BB BB BB

BB

BBBB

( ) = ( ) sdot sdot sdot

minus2

12 5

1

12

(16)

Bild 7 Wellenlaumlngenabhaumlngige optische Leistung des herkoumlmmlichen DSR-Messplatzes (untere Kurven) und des Laser-DSR-Messplatzes einmal direkt hinter dem Laser gemessen (gruumlne Kurven) und einmal die Leistung der tatsaumlchlich in der Messebe-ne nutzbaren Strahlung (rote Kurven)

Bild 8 Photometer Referenzphotodiode (links) sowie Solarzelle (unten) am Laser-DSR-Messplatz

Bild 9 Mit dem Laser-DSR-Messplatz und dem DSR-Messplatz gemessene spektrale Empfindlichkeiten von zwei verschiedenen Photometern (gruumlne und blaue Kurve) sowie die spektrale Empfindlichkeit von der als Referenz benutzten Photodiode (rote Kurve) Die Signalhoumlhen unterscheiden sich um einen Faktor von bis zu 100 Millionen Obwohl das am Laser-DSR-Messplatz gemessene Photometer ca 7 mal unempfindlicher als das am DSR-Messplatz gemessene Photometer ist kann die spektrale Empfindlichkeit in einem deutlich groumlszligeren Wellenlaumlngenbereich gemessen werden

14

Das Jahr des Lichtes PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4

Hierbei ist

TBB die Temperatur des Planckschen Strahlers ε(λTBB) der effektive Emissionsgrad des Strahlers ABB die Groumlszlige der Strahleroumlffnung dBB der Abstand zur Referenzebene fuumlr die Bestrahlungsstaumlrke c1 c2 die Planckschen Strahlungskonstanten und n der Brechungsindex von Luft

In der PTB wird im Fachbereich 41 bdquoPho-tometrie und angewandte Radiometrieldquo ein Hochtemperatur-Hohlraumstrahler vom Typ BB3200pg als nationales Normal fuumlr spektrale Bestrahlungsstaumlrke im Spektralbereich 200 nm bis 2500 nm eingesetzt Der Strahler der vom russi-schen Institut fuumlr optophysikalische Messungen (VNIIOFI) entwickelt [6] und von der PTB fuumlr seine Messaufgabe aufwendig charakterisiert und optimiert wurde [7] besitzt einen Hohlraum aus pyrolytischem Graphit der mittels Gleichstrom auf Temperaturen bis 3200 K aufgeheizt werden kann Der Strahler besitzt einen effektiven Emissions-grad von ε(λTBB) gt 09998 und eine ausgepraumlgte Homogenitaumlt der Temperatur im Hohlraum Er kann somit als Planckscher Strahler behandelt werden

Zur Berechnung des Planckschen Strahlungs-gesetzes werden weitere Groumlszligen des SI-Systems benoumltigt die in der PTB ruumlckfuumlhrbar kalibriert werden So wird zum Beispiel die Strahlerflaumlche ABB in Fachbereich 53 bdquoKoordinatenmesstechnikldquo kalibriert und die Bestimmung der Strahlertem-peratur TBB erfolgt mithilfe von Filterradiometern die in Fachbereich 73 bdquoDetektorradiometrie und Strahlungsthermometrieldquo gegen ein Kryo-

radiometer ruumlckgefuumlhrt werden Mithilfe dieser Berechnungsparameter fuumlr Gleichung (16) kann der Schwarze Strahler als Primaumlrnormal fuumlr strah-lungsphysikalische Groumlszligen eingesetzt werden

Die Kalibrierung von Gluumlhlampen bezuumlglich spektraler Bestrahlungsstaumlrke erfolgt in Sub-stitution durch direkten Vergleich gegen das Primaumlrnormal bzw entsprechend ruumlckgefuumlhrte Sekundaumlrnormale Hierbei handelt es sich um 1000-W-Gluumlhlampen vom Typ FEL die mit einer Verteilungstemperatur von etwa 3080 K einem dem Schwarzen Strahler sehr aumlhnlichen Verlauf der relativen spektralen Strahlungsfunktion besitzen Die Substitution erfolgt mithilfe eines Spektroradiometers das mit drei Monochroma-toren und Empfaumlngern einen Spektralbereich von 250 nm bis 2500 nm abdeckt [8] Eine Ulbrichtku-gel dient als Eingangsoptik und ihre Eintrittsoumlff-nung als Referenzebene fuumlr die Bestrahlungsstaumlrke Die durch die Kugel transmittierte Strahlung gelangt in einen Vormonochromator und wird nach spektraler Vorzerlegung wahlweise in einen Monochromator fuumlr den Spektralbereich 250 nm bis 1100 nm oder in einen Monochromator fuumlr den infraroten Spektralbereich eingekoppelt Ein Photomultiplier eine Si-Photodiode und eine InGaAs-Photodiode erfassen die aus den derart kombinierten beiden Doppelmonochromatoren austretende Strahlung Im fuumlr die Photometrie relevanten sichtbaren Spektralbereich werden spektrale Messungen mit einer spektralen Band-breite von 1 nm und einem Streulichtanteil im Bereich von 10ndash7 durchgefuumlhrt

Das Verhaumlltnis der mit den unterschiedlichen Strahlern gemessenen Photostroumlme entspricht im Wesentlichen dem Verhaumlltnis ihrer spektralen Bestrahlungsstaumlrken Beim Vergleich eines Strah-

Bild 10 Der Hochtemperatur-Hohlraumstrahler BB3200pg der in der PTB als Primaumlrnormal fuumlr die spektrale Bestrahlungsstaumlrke eingesetzt wird Der Hohlraum aus Pyrographit kann bis zu 3200 K aufgeheizt werden

15

Ruumlckfuumlhrung in der Photometrie hellipPTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4

lers bdquoSldquo mit der Verteilungstemperatur T mit dem Schwarzen Strahler der Temperatur TBB laumlsst sich prinzipiell also die unbekannte spektrale Bestrah-lungsstaumlrke EλS (λT) ermitteln aus

E T E Ty

yS eS

λ λλ λλλ ( ) = ( ) sdot ( )( )BB BB

BB

wobei ys(λ) und yBB(λ) die fuumlr die beiden Strahler gemessenen Photostroumlme bei der Wellenlaumlngen-einstellung λ sind und EλBB (λTBB) die spektrale Bestrahlungsstaumlrke des Hochtemperatur-Hohl-raumstrahlers nach dem Planckschen Strahlungs-gesetz (16) ist

Ableitung und Weitergabe weiterer photometrischer Einheiten gerichteter photometrischer Groumlszligen

Neben der Einheit fuumlr die Lichtstaumlrke sind in der gerichteten Photometrie die Einheit der Beleuch-tungsstaumlrke zur Kalibrierung von Photometern und die Einheit der Leuchtdichte zur Angabe von Lampeneigenschaften besonders wichtig

Beleuchtungsstaumlrke

In der PTB werden Beleuchtungsstaumlrke-Messgeraumlte mit einem Referenzphotometer mittels der Substi-tutionsmethode kalibriert wobei die Lichteintritts-flaumlchen der Photometerkoumlpfe an derselben Stelle senkrecht und gleichmaumlszligig beleuchtet werden

Dazu wird zunaumlchst das Referenzphotometer (Linearitaumlt und Anpassungsindex m bekannt) mit Lichtstaumlrke-Normallampen beliebiger Vertei-lungstemperatur T kalibriert Durch Umstellung von Gleichung (13) folgt fuumlr seine photometrische Empfindlichkeit

s d y TI T

Tm

v K= sdot sdot

2

0 2856Ω( )( )

v

(18)

Auf einer 40 m langen Photometerbank siehe Bild 10 koumlnnen dann mit beliebigen Gluumlhlampen unterschiedlicher elektrischer Leistung aber bekannter Verteilungstemperatur Beleuchtungsstaumlrken zwischen 0001 lx und 10000 lx erzeugt werden

Die Kalibrierung von Beleuchtungsstaumlrke-Mess-geraumlten erfolgt meistens mit Licht der Normlicht-art A eine entsprechende Lampe ist in Bild 15 dargestellt Die Anzeige des zu kalibrierenden Beleuchtungsstaumlrke-Messgeraumltes wird mit dem Messwert der Beleuchtungsstaumlrke Ev des Referenz-photometers verglichen

E T ysv

vK( )= =2856

001

01

1

10

100

350 400 450 500 550 600 650 700 750

spek

tral

e Be

stra

hlun

gsst

aumlrke

E[microW

cm

sup2nm

]

Wellenlaumlnge λ [nm]

Schwarzer Strahler (3076 K)Schwarzer Strahker (2995 K)FEL 81 A (3080 K)FEL 67 A (2780 K)WI 41G 54 A (2700 K)

Bild 11 Spektrale Bestrahlungsstaumlrke unterschiedlicher Strahler im sichtbaren Spektralbe-reich Die als Sekundaumlrnormale eingesetzten 1000-W-Gluumlhlampen vom Typ FEL und die in der Photometrie verwendeten Gluumlhlampen vom Typ WI 41G besitzen einen sehr aumlhnlichen spektralen Verlauf wie der als Primaumlrnormal eingesetzte Schwarze Strahler bei unterschiedlichen Strahlertemperaturen

Bild 12 Der Messplatz fuumlr die Kalibrierung von Gluumlhlampen bezuumlglich spektraler Bestrah-lungsstaumlrke in der PTB Auf der rechten Seite befinden sich zwei als Sekun-daumlr- und Arbeitsnormale eingesetzte Gluumlhlampen Auf der linken Seite ist das Spektroradiometer zu sehen dass an seiner Oberseite eine Ulbrichtkugel als Eingangsoptik montiert hat deren Oumlffnung in Richtung Strahler als Referenzebene fuumlr die Bestrahlungsstaumlrke verwendet wird

Bild 13 Messplatz zur Weitergabe der Einheit der Beleuchtungsstaumlrke zur Kalibrierung von Photometern

(17)

(19)

16

Das Jahr des Lichtes PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4

Leuchtdichte

Leuchtdichten homogen leuchtender begrenzter Flaumlchen koumlnnen aus groszligem Abstand wie Licht-staumlrken gemessen werden Wird z B eine kreisfoumlr-mige Blendenoumlffnung (zentrisch und senkrecht zur Messrichtung) zwischen der leuchtender Flaumlche und dem Photometerkopf angeordnet und damit ein Teillichtstrom ausgesondert so kann dieser in groszligem Abstand als Lichtstaumlrke bestimmt werden und es gilt fuumlr die Leuchtdichte Lv der prinzipielle Zusammenhang

LIAvv= (20)

In der PTB wird fuumlr die mit Gluumlhlampen ausgestat-teten Leuchtdichtenormale (d h Verteilungstem-peratur T bekannt) zunaumlchst die photometrische Empfindlichkeit sv des Referenzphotometers wie in Abschnitt 41 bestimmt dann die Lichtstaumlrke nach Gleichung (13) gemessen und schlieszliglich die mittlere Leuchtdichte innerhalb der leuchtenden Flaumlche A nach Gleichung (20) berechnet

Fuumlr Leuchtdichtenormale gelten prinzipiell einige der im Kapitel bdquoLichtstaumlrke-Normallampenldquo aufgefuumlhrten Merkmale Sie unterscheiden sich jedoch im Detail in der Art der Ausfuumlhrung z B sind sie mit Gluumlhlampen oder mit LEDs bestuumlckt sie koumlnnen hinsichtlich der Leuchtdichte bzw Farbe durchstimmbar sein oder mit gesonderter Monitortechnik ausgestattet sein

Die traditionellen Messverfahren zur Bestim-mung der Leuchtdichte bzw die Verwendung von Photometern mit direkter Anzeige der Leuchtdich-tewerte werden zunehmend durch den Einsatz von Leuchtdichtekameras (pixelaufgeloumlste Darstellung von Leuchtdichteverteilungen) ergaumlnzt Eine abso-lute Kalibrierung dieser modernen Systeme stellt aber messtechnisch eine groszlige Herausforderung

Bild 14 Die 40 m lange photometrische Bank zur Realisierung und Weitergabe der Einhei-ten der gerichteten Photometrie

Bild 15 20-kW-Hochleistungshalogengluumlhlampe fuumlr hohe Beleuchtungsstaumlrken zur Kalibrierung von Beleuchtungsstaumlrke-Messgeraumlten u a mit Normlichtart A

Bild 16 Gluumlhlampenbasierte Normale zum Transfer der Leuchtdichte-Einheit

17

Ruumlckfuumlhrung in der Photometrie hellipPTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4

dar aktuell werden zur Charakterisierung solcher Kameras national im FNL3 (Normenausschuss bdquoPhotometrieldquo im DIN) und international in der CIE (TC2-59 TC2-62) u a Messverfahren dis-kutiert die dann mittels definierter Kenngroumlszligen beschrieben werden

Literatur

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temperature 1994[3] G Sauter Die Candela Erlaumluterungen zum Ver-

staumlndnis der Definition und der RealisierungPTB-Mitteilungen 107 1997

[4] W Schreier (Hrsg) Biographien bedeutender Phy-siker 2 Aufl Volk und Wissen Berlin 1988S 203ndash205

[5] M Planck Zur Theorie des Gesetzes der Energie-verteilung im Normalspektrum Verhandlungender Deutschen Physikalischen Gesellschaft 21900 S 237ndash245

[6] V I Sapritsky B BKhlevnoy V B KhromchenkoB E Lisiansky S N MekhontsevU A Melenevsky S P Morozova A V ProkhorovL N Samoilov V I Shapoval K A SudarevM F Zelener Precision Blackbody sources forradiometric standards Appl Opt 1997 36S 5403ndash5408

[7] P Sperfeld Entwicklung und Realisierungeiner empfaumlngergestuumltzten spektralen Bestrah-lungsstaumlrkeskala Dissertation Braunschweig2861999 httpwwwbibliotu-bsdeedissdata19990628a19990628ahtml(Letzter Aufruf 28102015)

[8] P Sperfeld S Pape B Barton From Primary Stan-dard to Mobile Measurements ndash Overview of theSpectral Irradiance Calibration Equipment at PTBMAPAN-Journal of Metrology Society of India 252010 S 11ndash19

Bild 17 Pixelaufgeloumlste Darstellung einer Leuchtdichteverteilung mit einer Leuchtdichtemesskamera

pim_140107_anz_forschung_178x29indd 1 280214 1033

18

PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4Das Jahr des Lichtes

Kurze Geschichte der Goniophotometrie in der PTB Matthias Lindemann

Zusammenfassung

Die Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB) ist das nationale Metrologieinstitut (NMI) der Bundesrepublik Deutschland das seinen Fokus auf die Realisierung Bewahrung und Weitergabe der SI-Einheiten richtet Deshalb hat auch die goniophotometrische Bestimmung des Licht-stroms nahezu beliebiger Lichtquellen eine lange Tradition Seit mehr als 50 Jahren werden in der PTB hierzu noumltige Messsysteme entwickelt genutzt verbessert und an neue Messaufgaben angepasst Schon in den 50er- und 60er-Jahren des vergangenen Jahrhunderts erlaubte ein soge-nanntes Einarm-Goniophotometer die Realisie-rung der Lichtstromeinheit lumen (lm) als direkte Ableitung von der SI-Basiseinheit Candela (cd) mithilfe von Lichtstaumlrke-Normallampen Spaumlter gestattete ein groszliges Kardan-Goniophotometer mit einem Messradius von 25 m die notwendige automatisierte spiralfoumlrmige Bewegung eines Photometers bzw eines Dreibereichsfarbmess-kopfes Fuumlr die Lichtstrom-Kalibrierungen von Kleingluumlhlampen aber auch von zunehmend nachgefragten Messungen an LEDs wurde schon in den fruumlhen 1980er Jahren ein sogenanntes Mini-Goniophotometer ebenfalls als Kardan-

Goniophotometer mit nur 03 m Messradius entwickelt und eingesetzt Dieser Entwicklungs-prozess haumllt an und ermoumlglicht heute die Kalibrie-rung auch modernster LED-Lichtquellen Im Jahr 2006 wurde das erste Roboter-Goniophotometer im neuen Albert-Einstein-Gebaumlude der PTB in Betrieb genommen und ermoumlglicht seitdem die Kalibrierung nahezu beliebiger Lichtquellen mit der noumltigen kleinen Messunsicherheit

1 Einfuumlhrung

Mehr als 11 der elektrischen Energie werden heute in Deutschland fuumlr Beleuchtung einge-setzt Tendenz steigend Daher ist der Lichtstrom oumlkonomisch gesehen die wichtigste photometri-sche Groumlszlige Es ist notwendig seine Einheit das Lumen (lm) direkt von der SI-Basiseinheit fuumlr die Lichtstaumlrke der Candela (cd) abzuleiten Dies geschieht regelmaumlszligig mittels Goniophotometrie um den Lichtstrom der zu untersuchenden Licht-quelle zu bestimmen Obwohl auch absolut arbei-tende Ulbricht-Kugel-Methoden existieren [1] benoumltigen diese streng genommen zumindest die relative raumlumliche Lichtstaumlrkeverteilung welche nur durch goniophotometrische Methoden messbar ist

Das Prinzip der Goniophotometrie ist unabhaumln-gig von der technischen Realisierung der unter-schiedlichen Goniophotometertypen Ein Gonio-photometer misst die raumlumliche Verteilung der Beleuchtungsstaumlrke E(r ϑ φ) auf einer geschlosse-nen Huumlllflaumlche mittels V(λ)-angepasstem Pho-tometer fuumlr alle Richtungen (ϑ φ) der Lichtaus-strahlung im vollen Raumwinkel (4π sr) um die Lichtquelle herum wie Bild 1 zeigt

Der Radiusvektor r(ϑ φ) beschreibt die Position des Photometers in Kugelkoordinaten und r(ϑ φ) durchstoumlszligt das zur Lampe gerichtete Eintrittsfens-ter immer orthogonal Der Radiusvektor r(ϑ φ) beschreibt auch die Entfernung zwischen Lampe und Photometer

Der Winkel ϑ beschreibt die Position des Photometers zwischen den Polen traditionell im Bereich (0 lt ϑ lt π) Der Winkel φ beschreibt die Photometer-Position in der Aumlquator-Richtung

Matthias Lindemann Arbeitsgruppe bdquoGoniophotometrieldquo EshyMail matthiaslindemannptbde

Bild 1 Beleuchtungsstaumlrke E als Funktion des Radiusvektors r(ϑ φ)

19

PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4 Kurze Geschichte der Goniophotometrie in der PTB

(0 lt φ lt 2π) Der Wert des Lichtstroms Φ der Lampe kann aus der Beleuchtungsstaumlrkeverteilung E(ϑ φ) berechnet werden entweder aus der Licht-staumlrkedefinition I = dΦdω oder aus der Defini-tion der Beleuchtungsstaumlrke E = dΦdΑ

Φ = ( )int I ϑ ϕ ω4πsr

d (1)

Φ = ( )int E Ar

ϑ ϕ4 2π

d (2)

Das Raumwinkelelement dω der Gleichung (1) ist gegeben durch

d sin d dω ϑ ϑ ϕ= ( ) (3)

und das Flaumlchenelement dA der Gleichung (2) erhaumllt man aus

d sin d dA r= ( ) ( )2 ϑ ϕ ϑ ϑ ϕ

(4)

Der Radius r des Radiusvektors r(ϑ φ) kann als Konstante behandelt werden da er sich gewoumlhn-lich waumlhrend einer goniophotometrischen Messung nicht aumlndert Dann kann die Lichtstaumlrke-verteilung I(ϑ φ) durch Anwendung des photome-trischen Grundgesetzes aus der Beleuchtungsstaumlr-keverteilung E(ϑ φ) bestimmt werden

I r Eϑ ϕ ϑ ϕ ( ) = ( )2 (5)

Falls die photometrisch wirksame Ausdehnung rL der zu messenden Lampe deutlich kleiner ist als der Messradius r des Goniophotometers ist kann Gleichung (1) mit Gleichung (3) und r = const wie folgt geschrieben werden

Φ = ( ) ( )intintr E2

00

2

d sin dϕ ϑ φ ϑ ϑππ

(6)

Andererseits fuumlhrt Gleichung (2) mit Glei-chung (4) und r = const ebenfalls auf Gleichung (6) Aber fuumlr groszlige Lampen koumlnnte die Anwen-dung von Gleichung (5) zu fehlerhaften Ergeb-nissen fuumlhren (rL gt r) aber der ermittelte Wert des Lichtstroms entsprechend Gleichung (6) waumlre korrekt falls das Photometer das einfallende Licht mit dem Kosinus des Einfallswinkels bewertet

2 Geschichte der Goniophotometer- Systeme in der PTB

Wie bereits teilweise in Abschnitt 1 diskutiert sollte ein ideales Goniophotometer eine Reihe von Anforderungen erfuumlllen wie die folgende Auflis-tung zeigt

1 Kalibrierung der Photometer mittels Licht-staumlrke-Normallampen zur Sicherung der Ruumlckfuumlhrung auf die nationale Realisierung der Einheit Candela

2 Ausfuumlhrung einer Relativbewegung zwischen Lampe und Photometer wobei sich ϑ-Achse und φ-Achse rechtwinklig schneiden

3 Verwendung eines V(λ)-angepassten Photo-meters zur Lichtstrommessung

4 Automatische Messdatenanalyse5 Unabhaumlngige Bestimmung des Lichtstromwer-

tes von der raumlumlichenspektralen Verteilung der gemessenen Bestrahlungsstaumlrke Ee(λ ϑ φ) des Lichts

6 Unabhaumlngigkeit der Empfindlichkeit des Pho-tometers von der Umgebungstemperatur bzw Durchfuumlhrung einer entsprechenden Korrektur

7 Beliebige Betriebslage der zu untersuchenden Lampe

8 Einstellbare Umgebungsbedingungen fuumlr Luft-temperatur und Luftfeuchte

9 Geringer Streulichtanteil im Messraum bzw Streulicht-Korrektur

10 Elektrische Antriebe fuumlr die Bewegung der ϑ- und φ-Achsen

11 Verwendung von Farbmesskoumlpfen zur Bestim-mung der raumlumlich wirksamen aumlhnlichsten Farbtemperatur undoder Bestimmung der relativen raumlumlichen spektralen Verteilung der gemessenen Bestrahlungsstaumlrke

12 Messung ohne Bewegung der zu untersuchen-den Lampe

13 Vollstaumlndige Abtastung der Beleuchtungs-staumlrke- bzw Lichtstaumlrkeverteilung der zu untersuchenden Lampe

14 Staumlndige Uumlberwachung des photometrischen Betriebsverhaltens der Lampe um Alterung waumlhrend der Messzeit erkennen bzw korrigie-ren zu koumlnnen (sogenanntes Monitorsystem)

15 Messraumwaumlnde sollen etwa auf Lufttem-peratur sein um den Strahlungsaustausch zwischen Entladungslampen und Waumlnden des Messraums zu stabilisieren

16 Online-Streulichtkorrektur ndash insbesondere fuumlr ausgedehnte Lampen wie Leuchtstofflampen da diese den Einsatz eines Streulichttubus mit groumlszligerem Gesichtsfeld erfordern

17 Die Beleuchtungseinrichtung des Gonio-photometerraums soll zur Messzeit abgedeckt und ausgeschaltet sein um den Streulichtan-teil nicht zu erhoumlhen

18 Variation des Messradius r (Validierung von Nahfeld-Fernfeld-Messungen mit abbilden-den Systemen)

In der Goniophotometrie sind verschiedene Koor-dinatensysteme wie Bild 1a zeigt zu unterscheiden Dies sind regelmaumlszligig das Lampenkoordinatensys-tem Lamp das Raumkoordinatensystem Room und

20

PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4Das Jahr des Lichtes

das Goniophotometerkoordinatensystem bezogen auf dessen Zentrum Center Bild 1a zeigt moumlgliche Offsets zwischen diesen Systemen in Translation und Rotation

Um folgende Betrachtungen und Erklaumlrungen zu vereinfachen werden die genannten Koordina-tensysteme als deckungsgleich angenommen das heiszligt es werden keine Offsets in Translation und Rotationen zwischen den Koordinatensysteme vorausgesetzt

Im Weiteren werden die Eigenschaften Vor- und Nachteile der uumlber Dekaden in der PTB entwi-ckelten und genutzten Goniophotometer unter Beruumlcksichtigung der gewuumlnschten vorstehend gelisteten Eigenschaften diskutiert Es beginnt mit einem einfachen Einarm-Goniophotometer aus den 50er-Jahren des vergangenen Jahrhunderts und endet zumindest vorlaumlufig mit dem State-of-the-art-Roboter-Goniophotometer das 2007 in Betrieb ging

21 Einarm-Goniophotometer (1950ndash1975)

In der Zeit von 1950 bis 1975 wurde ein manuell betriebenes Einarm-Goniophotometer nach Bild 2 benutzt In den 50er-Jahren war diese Messappara-tur noch mit einem visuellen Photometer ausge-stattet Dieses Photometer erlaubte die relative Messung von Beleuchtungsstaumlrken mittels einer im Photometer installierten Hilfslampe in Verbindung mit einem optischen Abschwaumlcher [2 Seite 321] Die Ruumlckfuumlhrung auf die nationale Lichtstaumlrke-Einheit die Candela war durch Kalibrierung des visuellen Photometers mit Lichtstaumlrke-Normal-lampen sichergestellt (dies erfuumlllt Anforderung 1 der Anforderungsliste) entsprechend basieren auch Abstandsmessungen auf der nationalen Laumln-geneinheit dem Meter

Wegen der Lageabhaumlngigkeit der internen Hilfs-lampe im Innern des visuellen Photometer war es an einer festen Stelle der Messapparatur ange-bracht wie Bild 2 zeigt Ein Spiegel-Prismen-Sys-tem leitete das Licht der zu untersuchenden Lampe auf das Photometer Eine detaillierte Beschreibung aumlhnlicher Systeme kann [2 Seite 319] entnommen werden Damit ist Anforderung 2 ebenfalls erfuumlllt

Die vollstaumlndige Bestimmung des Lichtstroms Φ erfordert eine groumlszligere Anzahl Messungen von Beleuchtungsstaumlrken fuumlr ebenso viele manuell eingestellte unterschiedliche Kugelkoordina-ten (ϑ φ) Wird die fiktive Kugel gemaumlszlig Bild 1 in ϑ-Richtung in parallele Zonen eingeteilt und jede dieser Zonen i ist wiederum in n Sektoren j gleicher Laumlnge (Δφ = const) mit den zugehoumlrigen Beleuchtungsstaumlrken Eij unterteilt ist es moumlglich die mittlere Beleuchtungsstaumlrke Endashi jeder Zone i nach Gleichung 7 zu bestimmen

E Ei n i jj

n

==sum1

1 (7)

und der Wert des Lichtstroms Φ ergibt sich weiter aus der numerischen Integration nach Gleichung (8)

Φ = ( )minus ( )( )+

=sum2 2

10

1

πr cos cosϑ ϑi ii

m

iE-

(8)

Die Anzahl der notwendigen Beleuchtungsstaumlr-kemessungen haumlngt von der raumlumlichen Lichtver-teilung der zu untersuchenden Lampe ab Wegen der manuellen Einstellung des groszligen Arms (ϑ) der Drehung der Lampe (φ) und des gleichfalls noumltigen manuellen Abgleichs des visuellen Pho-tometers ist diese Methode sehr zeitaufwendig Sollen beispielsweise 600 Punkte gemessen werden (aus heutiger Sicht also nicht besonders viele) und man benoumltigt ca 25 Sekunden pro Messung werden also mehr als 4 Stunden benoumltigt um eine

Bild 1a Koordinatensysteme

Bild 2 Einarm-Go-niophotometer 1950ndash1975

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PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4 Kurze Geschichte der Goniophotometrie in der PTB

Lampe mit relativ homogener raumlumlichen Licht-verteilung zu messen

In 1963 wurde ein internationaler Lichtstrom-vergleich auf der Basis von Entladungslampen ohne Fluoreszenzstoff durchgefuumlhrt Diese Lampen wiesen eine massive Inhomogenitaumlt ihrer raumlumlichen Lichtverteilung auf sodass die beschriebene manuelle Methode wegen der noumltigen hohen Anzahl von Messpunkten nicht praktikabel war Zur Loumlsung dieses Problems in [3] beschrieben wurde das visuelle Photometer durch einen grob an V(λ)-angepassten Photover-vielfacher ersetzt zusaumltzlich wurde die φ-Achse mit einem elektrischen Antrieb versehen und ein Praumlzisionskondensator ermoumlglichte die analoge Integration des Photostroms des Photovervielfa-chers Damit konnte fuumlr jede der erforderlichen ϑ-Einstellungen des groszligen Arms der elektri-sche Antrieb der φ-Achse diese mit konstanter Winkelgeschwindigkeit rotieren lassen waumlhrend der Praumlzisionskondensator den Photostrom des Photovervielfachers integrierte Nach etwa t = 5 min fuumlr eine Umdrehung repraumlsentierte die Ladung Q = C middot U des Praumlzisionskondensators die mittlere Beleuchtungsstaumlrke

E k C Uti = sdot (9)

dieser gemessenen Zone i Daraus berechnet sich der Lichtstrom wiederum gemaumlszlig Gleichung (8) Es ist nicht noumltig das Produkt k ∙ C exakt zu kennen da dies uumlber das Kalibrierverfahren durch die bekannte Beleuchtungsstaumlrke einer Lichtstaumlrke-Normallampe eliminiert werden kann es muss lediglich uumlber die gesamte Messzeit hinweg kons-tant sein

Spaumlter in den 1960er-Jahren wurde auch das visuelle Photometer durch ein modernes V(λ)-angepasstes Photometer basierend auf gefilterten Silizium-Photodioden in Kombination mit einen PhotostromSpannungswandler und einem xy-Plotter ersetzt Man erhielt so die Beleuchtungs-staumlrkeverteilung jeder Zone die sich dann leicht mit grafischen oder numerischen Verfahren inte-grieren lieszlig Es wird spaumlter gezeigt werden dass diese verwendete bdquoanaloge Zonenintegrationldquo sehr aumlhnlich der heutigen digitalen zonalen Bewertung ist

Diese letzten 2 Verbesserungen erfuumlllen die Anforderung 3 und teilweise auch die Anforde-rung 4

22 Kardan-Goniophotometer (1976ndash2007)

Das existierende Einarm-Goniophotometer war immer auf eine bdquohelfende Handldquo angewiesen um es von Punkt zu Punkt zu bewegen Die anschlie-szligende Berechnung des Lichtstroms wurde grund-saumltzlich ebenfalls haumlndisch ausgefuumlhrt Dieses Ver-

fahren war dementsprechend sehr zeitaufwendig und der zunehmende Wunsch der Industrie auch groszlige Objekte wie z B lange Leuchtstofflampen aber spaumlter auch sehr kleine Mikrolampen und erste LEDs zu kalibrieren fuumlhrte zur Entwicklung sogenannter Kardan-Goniophotometer ver schie-dener Ausfuumlhrungen

221 Groszliges Kardan-Goniophotometer

Nach der intensiven Umgestaltung einiger Raumlume im Koumlsters-Bau der PTB war es moumlglich im neuen Goniophotometerraum (7 x 10 x 8 m3) das Kar-dan-Goniophotometer [4] zu installieren Bild 3 zeigt das groszlige Kardan-Goniophotometer Am Bildoberrand ist eine zu kalibrierende stabfoumlrmige Leuchtstofflampe zu sehen

Dieser Raum war zusaumltzlich auch mit einer geregelten elektrischen Heizung ausgestattet um die geforderten Messbedingungen bezuumlglich Umgebungstemperatur einstellen zu koumlnnen Im Prinzip besteht ein Kardan-Goniophotometer wie in Bild 4 gezeigt aus 3 Rahmen wobei der aumluszligere α-Rahmen der raumlumlichen Ausrichtung (durch Drehung um die y-Achse) der zu untersu-chenden Lampe dient Innerhalb dieses aumluszligeren α-Rahmens ist der mittlere φ-Rahmen endlos drehbar um die z-Achse gelagert Der innere ϑ-Rahmen ist wiederrum drehbar im φ-Rahmen gelagert jedoch ist seine Bewegung auf knapp 180deg durch den noumltigen Lampenhalter begrenzt Alle 3 Rahmen sind mechanisch ausgeglichen und mit elektrischen Antrieben versehen Ihre Rotationsgeschwindigkeiten waren per 10-Gang-Praumlzisionspotentiometer einstellbar eine Folge der angewandten analogen Regelung der Achsan-triebe Die Winkelbestimmung der Achsen erfolgte mittels 13-bit-Winkelencodern Das Photometer war am ϑ-Rahmen (Bild 4) platziert und ermoumlg-lichte so einen festen Messradius von 2500 mm Es bestand die Moumlglichkeit ein zweites Photometer

Bild 3 Kardan-Goniophotometer 1976ndash2007

22

PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4Das Jahr des Lichtes

oder einen Farbmesskopf auf der gegenuumlberliegen-den Seite des ϑ-Rahmens einzusetzen

In diesem Fall war der Arbeitsbereich limitiert im Bereich 4deg lt ϑ lt 176deg da jeweils Lampenhalter von rechts und links zur Aufnahme einer beispiels-weise stabfoumlrmigen Leuchtstofflampe eingesetzt werden konnten (siehe auch Bild 3) Im Falle von einseitig gesockelten Lampen wurde meist nur ein PhotometerFarbmesskopf verwendet was eine Drehung der gegenuumlberliegenden Messkopf-aufnahme um 90deg ermoumlglichte Diese sogenannte bdquoKroumlpfungldquo lieszlig dann Raum fuumlr den nun einseiti-gen Lampenhalter und der Arbeitsbereich vergrouml-szligerte sich zu 0deg lt ϑ lt 176deg

Entsprechend der Gleichung (6) muss die gemessene Beleuchtungsstaumlrkeverteilung uumlber den vollen Raumwinkel 4π sr zum Wert des Licht-stroms integriert werden So ist es naheliegend digitale uumlber die Zeit integrierende Methoden zur Erfassung und Speicherung der gemessenen Beleuchtungsstaumlrkewerte zu verwenden Bild 5 zeigt den Signalfluss Sowohl Photometer- undoder Farbmesskopf als auch Photostrom-Fre-

quenz-Wandler waren temperaturstabilisiertDer Photostrom des Photometers mit seiner

photometrischen Empfindlichkeit s normalisiert auf die CIE-Lichtart A wird mittels Ruumlckkopp-lung Rg eines Photostromverstaumlrkers in eine Spannung U gewandelt und weiter durch einen Spannungs-Frequenzwandler in eine Frequenz f mit dem zugehoumlrigen Wandlungsfaktor wf kon-vertiert Diese Frequenz wird letztlich von einem digitalen Zaumlhler kontinuierlich gezaumlhlt Simultan wird die Quarz-Frequenz fq durch einen zweiten digitalen Zaumlhler erfasst um waumlhrend der spaumlteren Datenanalyse die urspruumlnglichen Photostroumlme berechnen zu koumlnnen Diese Methode stellt damit die schon erwaumlhnte Signal-Zeit-Integration sicher

Die die zu untersuchende Lampe umgebene fiktive Kugel ist wie Bild 5 zeigt in Zonen und Sektoren unterteilt Infolge der analogen Geschwindigkeitsregelung der zwei bewegten Rahmen sind positive und negative Beschleu-nigungsphasen am Anfang und am Ende einer vollstaumlndigen Abtastung und Lastreaktionen des rotierenden Systems und die damit verbundenen geringen Gleichlaufschwankungen unvermeid-bar Die Unterteilung jeder Zone in Sektoren mit der Laumlnge Δφj als Gewichtung reduziert jedoch diesen Einfluss Damit berechnet sich die mittlere Beleuchtungsstaumlrke Endashi nach Gleichung (10)

Es w R

fyt

fjj

ni j

i j=

sdot sdot sdot( )sdot sdot minus

=sum1

2 10

πϕ

f gq∆∆

∆

(10)

mit der Dunkelfrequenz f0 (Photometer abgeschat-tet) und den Differenzsignal-Zaumlhlungen Δyi j und den Differenzzeit-Zaumlhlungen Δti j jeweils vom Sek-toranfang bis zum Sektorende Wiederum koumlnnte der Lichtstrom nach Gleichung (8) bestimmt werden jedoch werden jetzt noch Korrekturfakto-ren fuumlr das Streulicht cstr der spektralen Fehlanpas-sung des Photometers cspec und Abweichungen von den nominalen elektrischen Betriebsbedingungen celec eingefuumlhrt wie nun Gleichung (11) zeigt

Φ = sdot sdot sdot sdot minus( ) sdot+=

minus

sumc c c r Ei ii

m

istr spec elec cos cos2 21

0

1

π ϑ ϑ

(11)

Im Verlauf einer Lichtstrommessung werden neben dem Photometer auch die Waumlnde des Messraums von der zu untersuchenden Lampe beleuchtet Diese Beleuchtung wird ebenfalls vom im Goniophotometer verwendeten Photometer bdquogesehenldquo und fuumlhrt zu einer Streubeleuchtung auf dem Lichteintrittsfenster dieses Photome-ters Diese Streubeleuchtung haumlngt einerseits vom Reflexionsgrad der verwendeten Wandfarbe (ρ asymp 3 ) und vom Gesichtsfeld des sich vor dem

Bild 4 Groszliges Kardan-Goniophotometer 1976ndash2007

Bild 5 Signalfluss

23

PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4 Kurze Geschichte der Goniophotometrie in der PTB

Photometer befindlichen Streulichtreduzierungs-tubus ab Daher muss fuumlr jeden eingesetzten Tubus mit seinem individuellen Gesichtsfeld der wirksame spezifische Streulichtkorrekturfaktor cstr bestimmt werden Diese koumlnnen ermittelt werden indem Blenden mit unterschiedlichen Durchmes-sern zwischen der zu untersuchenden Lampe und dem Photometer waumlhrend normalen Lichtstrom-messungen positioniert werden Eine detaillierte Beschreibung kann [5] entnommen werden

Die technische Realisierung eines Photometers ist immer nur eine Naumlherung fuumlr V(λ) Dies bedeu-tet dass im Prinzip in allen Faumlllen diese spektrale Fehlanpassung korrigiert werden muss Allgemein kann der spektrale Korrekturfaktor cstr fuumlr alle Lampen mit beliebiger Strahlungsfunktion S(λ) nach Gleichung (12) bestimmt werden

cV S

s S

V P T

s Pspek

rel

A

rel

d

d

d=

( )sdot ( )( ) sdot ( )

( ) sdot ( )( ) sdot

intint

intint

λ λ λ

λ λ λ

λ λ λ

λ

λλ λTA d( )

(12)

Hierzu ist jedoch die Kenntnis der relativen spektralen Empfindlichkeit srel(λ) des Photome-ters notwendig P(λ TA) bezeichnet dabei einen Planckstrahler mit einer Verteilungstemperatur von TA = 2856 K

Im Fall von Gluumlhlampen ist ein etwas einfache-rer Weg fuumlr diese Korrektur ohne die Kenntnis von srel(λ) moumlglich Gleichung (13) beschreibt die Abhaumlngigkeit der Beleuchtungsstaumlrke E(T) von der Verteilungstemperatur T

E Ty T

sTT

m

( ) = ( )

A

y

(13)

eines gemessenen Photostroms y(T) und der pho-tometrischen Empfindlichkeit s des Photometers fuumlr Lichtart A Eine charakteristische Eigenschaft des Photometers ist der Exponent my bdquoyldquo indiziert den Exponent fuumlr ein V(λ)- angepasstes Photome-ter oder den y-Kanal eines Dreibereichsfarbmess-kopfes wobei die anderen Kanaumlle unterschiedliche Werte fuumlr diese Exponenten haben Ein ideales Photometer wuumlrde einen Wert von 0 fuumlr diese Exponenten aufweisen Beispielsweise beschreibt my = 0018 ein qualitativ durchaus gutes Photo-meter Der Exponent my (und auch mx und mz) koumlnnen aus einem Fit bekannter Paare (E(T) T) einer Lichtstaumlrke-Normallampe bei verschiedenen Arbeitspunkten wie in [6 7] beschrieben gefun-den werden Damit kann der Korrekturfaktor cspec fuumlr Gluumlhlampen wie folgt geschrieben werden

c TT

my

specA

=

(14)

Werden Gluumlhlampen in der Naumlhe von CIE-Licht-art A betrieben ist die Korrektur auf elektrische Nominalbedingungen celec ebenfalls nach Glei-chung (15) sehr einfach da der Lichtstrom eine Funktion des Betriebsstroms J ist

c JJ

m

elec

J

=

minus

0 (15)

Hier ist J0 der Nominalstrom und mJ cong 684 Mehr Information kann in [7] gefunden werden

Die Datenanalyse fuumlr einen Dreibereichsfarb-messkopf erfolgt in gleicher Weise und man erhaumllt die Normfarbwertanteile (x y) aus den Gleichun-gen (16 17)

x =+ +Φ

Φ Φ ΦX

X Y Z (16)

y =+ +Φ

Φ Φ ΦY

X Y Z (17)

Leider konnten nur der Lichtstrom und die zuge-houmlrigen Normfarbwertanteile bestimmt werden da aufgrund der geringen Speichermoumlglichkeit der verwendeten Computertechnik die raumlumliche Information verlorenging

Daher wurden im Jahre 1991 alle Computer Analogsysteme die Verdrahtung und viele weitere Elemente durch moderne Ausruumlstung ersetzt Von nun an konnten alle Rohdaten mittels geeigneter Speichermedien dauerhaft bewahrt werden Das galt auch fuumlr groszlige Datenmengen des ab 1997 eingesetzten Array-Spektrometers zur Messung der relativen spektralen Leistungsverteilung der Strahlung synchron zur Lichtstrombestimmung Leider wiesen Photometer und Einkoppeloptik des Array-Spektrometers unterschiedliche Gesichtsfel-der auf und hatten etwas unterschiedliche Positi-onen auf dem Goniophotometer was die Daten-analyse komplizierte Dennoch konnten erstmalig raumlumliche spektrale Informationen uumlber zu untersuchende Lampen ermittelt werden Damit erfuumlllte das groszlige Kardan-Goniophotometer in seiner Ausbaustufe von 1997 die Anforderungen 1ndash14 aus Abschnitt 2 Die relative erweiterte Mes-sunsicherheit fuumlr den Lichtstrom fuumlr k = 2 betrug jetzt 060

222 Kleines Kardan-Goniophotometer

Fuumlr die Messung kleiner Lampen und LEDs wurde in den fruumlhen 1980er-Jahren ein dem groszligen Kardan-Goniophotometer sehr aumlhnliches kleines Kardan-Goniophotometer mit einem Messra-dius von nur 300 mm entwickelt hergestellt und

24

PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4Das Jahr des Lichtes

betrieben Das Foto in Bild 6 zeigt dieses seinerzeit sogenannte bdquoMini-Goniophotometerldquo

Die Messtechnik entsprach nahezu vollstaumln-dig dem groszligen Kardan-Goniophotometer bis hin zum Signalfluss einschlieszliglich Spannungs-Frequenzwandler und nachgeschalteten Zaumlhlern Damit sind alle Aspekte dieser Apparatur bereits in Abschnitt 221 diskutiertIm Jahre 2007 wurde dieses Instrument durch ein spezielles Goniophotometer fuumlr die Messung von LEDs ersetzt siehe auch Kapitel Metrologie fuumlr moderne Lichtquellen LEDs und OLEDs [10]

23 Roboter-Goniophotometer (2006 bis heute)

Am Ende der 1990er-Jahre wurde die Planung eines neuen Goniophotometertyps mehr und mehr konkret Nahezu gleichzeitig entschied sich die PTB fuumlr den Neubau eines modernen Gebaumludes fuumlr die Abteilung Optik dem heutigen Albert-Einstein-Bau Infolge dieses Zusammentreffens

beider Ereignisse konnte bei der Planung das neue Gebaumlude quasi um das neue Roboter-Goniopho-tometer herum geplant und spaumlter auch so gebaut werden

In 19951996 zeigte G Sauter dass Gonio-photometrie mittels Robotern moumlglich ist und erhebliche Vorteile gegenuumlber den bisher verwendeten Kardan-Goniophotometern auf-weist [8] Wie weiterhin in [8] beschrieben sind sogenannte Service-Roboter gut geeignet um ein Roboter-Goniophotometer zu realisieren Diese zeichnen sich durch eine schlanke Konstruktion mit langen Armen bei gleichzeitig relativ gerin-gem Gewicht aus Sie verfuumlgen uumlber eine hohe Flexibilitaumlt um beispielsweise ein Photometer auf gewuumlnschten Bahnen mit unterschiedlichen Radien (1000 mm lt r lt 3000 mm) auf der fiktiven Kugeloberflaumlche um die Lampe herumzufuumlhren Jeder Roboter verfuumlgt uumlber 7 Freiheitsgrade (engl seven degrees of freedom 7 DOF) Dies garantiert die notwendige Flexibilitaumlt und das erforderli-che Arbeitsvolumen Zur Abdeckung des vollen Raumwinkels 4π sr sind daher 2 der beschriebenen Roboter notwendig Ein dritter aumlhnlicher Roboter positioniert dabei die zu untersuchende Lampe in der gewuumlnschten Brennstellung im Raum Alle Roboter-Basen sind direkt mit dem Stahlbeton des Gebaumludes verbunden um eine langzeitstabile raumlumliche Positionierung der Roboter zu gewaumlhr-leisten Bild 8 zeigt das Roboter-Goniophotometer waumlhrend der Messung einer LED-Signalleuchte

Im Gegensatz zu Kardan-Goniophotometern ist der Messradius variabel in dem alle 7 Achsen in entsprechende Positionen gebracht werden Wegen der groszligen Redundanz eines 7-DOF-Roboters kann die Zielposition einschlieszliglich Orientierung durch eine sehr groszlige Anzahl unter-schiedlicher Einstellungen der 7 Achsen erreicht werden Daher wird eine Strategie benoumltigt um die jeweilige Achs einstellung zu finden Diese

Bild 6 Kleines Kardan-Goniophotometer 1982ndash2007

Bild 7 Arm des Roboter-Goniophotometers

Bild 8 Roboter-Goniophotometer 2006 bis heute

25

PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4 Kurze Geschichte der Goniophotometrie in der PTB

Strategie ist relativ simpel Sie besagt dass alle Achseinstellungen derart gefunden werden dass saumlmtliche Bestandteile des Roboters einen maxi-malen Abstand zum Zentrum des Roboters haben sollen um das von der Roboterstruktur reflektierte Streulicht moumlglichst gering zu halten Eine beson-dere Software ist notwendig um alle Achswinkel ausgedruumlckt in counts jedes Winkelencoders fuumlr jede Achse zu bestimmen um die gewuumlnschten Kugelkoordinaten (r ϑ φ) anzufahren Waumlhrend der Messung der zu untersuchenden Lampe liest das Roboter-Kontrollsystem alle 10 ms diese counts jeder Achse und versucht jede Achse entsprechend diese Vorgabe einzustel-len Nach dieser Einstellung welche fuumlr alle 7 Achsen gleichzeitig erfolgt werden die Ist-Winkel jeder Achse wiederum in counts synchron gelesen und mit den zugehoumlrigen photo-metrischen Daten und elek trischen Daten des Lampenbetriebs in eine Datenbank gespeichert Prinzipiell ist der Signal-fluss dem des in Abschnitt 221 beschriebenen groszligen Kardan-Goniophotometers sehr aumlhnlich Aber es gibt ein zusaumltzliches wichtiges Element den sogenannten Zeitstempel Da ein weit verteiltes Datenerfassungssystem vorliegt wird ein Mecha-nismus zur Datensynchronisierung in Form eines 1-Mhz-Taktes verwendet Dieser ist im gesamten System verfuumlgbar Beim Messungsstart synchron gestartete Zaumlhler erlauben daher die spaumltere Synchronisierung aller angefallenen Daten Wie beschrieben ist die Position jeder Achse und damit die Position und Orientierung des Photometers das Ergebnis eines Regelprozesses Somit ist es not-wendig die tatsaumlchliche Position und Orientierung des Photometers aus den gespeicherten Daten der Winkelencoder zu berechnen

In der Robotik ist es uumlblich einen Roboter des

verwendeten Typs wie eine biegesteife mechani-sche Kette mit sogenannten Denavit-Hartenberg-Parametern (DH-Parameter) zu beschreiben [9] Die Tabelle 1 zeigt diese DH-Parameter am Beispiel des Roboters 1

Mit diesen Parametern und den aktuellen Winkeln θi fuumlr jede Achse ist die Berechnung der Position bzw Orientierung der siebten Achse in Basis-Koordinatensystem des Roboters moumlglich Hierzu werden 7 Matrizen nach Gleichung (18) ver-wendet Jede Matrize beschreibt die Position (blau) und Orientierung (gruumln) jeder einzelnen Achse

Die PositionierungOrientierung der Achse 7 ergibt sich aus dem Vektorprodukt T1 T2 T3 T4 T5 T6 T7

Um jedoch die Koordinaten in Bezug auf das Koordinatensystem der fiktiven Kugel zu erhalten muumlssen 2 weitere aumlhnliche Matrizen verwendet werden Die sogenannte Base Frame Matrix F beschreibt die Positionierung und Orientierung des Roboter-Koordinatensystems zum Koor-dinatensystem der fiktiven Kugel waumlhrend die Matrix W die Positionierung und Orientierung des Photometers zur Achse 7 beschreibt Nun laumlsst sich die Position und Orientierung des Photome-ters P im Koordinatensystem der fiktiven Kugel mit Gleichung (19) beschreiben

P = F T1 T2 T3 T4 T5 T6 T7 W (19)

axisi Δθi offset to rotation around Z-axis

αi rotation around X-axis

di

translation in Z-axis

αi

translation in X-axis

1 ndash1438deg 45024deg 0000 mm ndash0400 mm

2 191088deg ndash90026deg 2686322 mm 0696 mm

3 178585deg 89996deg 274088 mm 0781 mm

4 6229deg ndash90022deg 1410499 mm 0474 mm

5 ndash0141deg ndash89955deg 173036 mm ndash0779 mm

6 ndash0924deg 90032deg 1191007 mm 0223 mm

7 180443deg 90007deg 91130 mm 0000 mm

Tabelle 1 DH-Parameter von Roboter 1

T

a

i

i i i i i i i i i i i

=

+( ) minus +( ) +( ) +cos sin cos sin sin cos∆ ∆ ∆ ∆θ θ θ θ α θ θ α θ θ(( )+( ) +( ) minus +( ) +sin cos cos cos sin sin∆ ∆ ∆ ∆θ θ θ θ α θ θ α θ θi i i i i i i i i i ia (( )

00 0 0 1

sin cosα αi i id

(18)

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PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4Das Jahr des Lichtes

Bild 9 zeigt die Achsenkoordinatensysteme (17) das Base-Frame-Koordinatensystem und das Koordinatensystem des Photometers zur Achse 7 in schematischer Weise Das Koordinatensys-tem der fiktiven Kugel faumlllt mit dem Zentrum des Goniophotometers zusammen und wird mit Center bezeichnet P ist jetzt auf dieses Center-Koordinatensystem bezogen Zusaumltzlich ist eine typische Bahn eingezeichnet Wegen des aller-dings nicht dargestellten Lampenhalters ist diese Bahn im oberen Bereich verdichtet um eine Kollision mit dem Lampenhalter zu vermeiden Wie bereits erwaumlhnt setzt die Verwendung von Gleichung (19) einen biegesteifen Roboter voraus der in der Praxis nicht existiert P ist also von statischen Gewichtskraumlften des Roboters dyna-mischen Kraumlften infolge der Bewegung als auch von thermischen Laumlngenaumlnderungen uumlberlagert Daher muss Gleichung (19) um eine entspre-chende Korrektur C erweitert werden Glei-chung (20) zeigt nun das endguumlltige Modell zur Bestimmung von P

wobei C

t tT Rθ θ

θ θ1 7

1 7 dd

dd amb

diese finale Korrektur basierend auf den Winkeln θ1θ7 aller Achsen ihren zeitlichen Ableitungen

dd

dd

θ θ1 7

t t

und der Umgebungstemperatur Tamb beschreibt

Der letzte Parameter R steht fuumlr einen groszligen Datensatz und beschreibt Eigenschaften des Roboters wie Abmessungen Teilmassen usw Die Berechnung von C() ist aufwendig und wurde vom Hersteller des Roboters ausgefuumlhrt Aus Gruumlnden des Wettbewerbs muss diese Berechnung vertrau-lich behandelt werden und kann daher hier nicht veroumlffentlicht werden Jedoch kann die Wirkung von C() beispielhaft auf den Messradius mitgeteilt werden (siehe Bild 10)

Die noumltige Radiuskorrektur rcorr bewegt sich im Bereich ndash2 mm lt rcorr lt 3 mm je nach Position (θ φ) des Photometers Der Aumlquatorbereich benouml-tigt eine groumlszligere Korrektur infolge hier wirksamer groumlszligerer Zentrifugalkraumlfte als die Polregion Der Radius selbst laumlsst sich dann aus der Positionssub-matrix von P bestimmen

Der Signalfluss stimmt im Wesentlichen mit dem wie in Bild 5 gezeigt uumlberein Prinzipiell kann der Lichtstrom mit den Gleichungen (11) und (10) berechnet werden da aber nun 2 Photometer benutzt werden muss dies fuumlr jede Hemisphaumlre also fuumlr jeden Roboter separat geschehen Die Gleichungen (21) und (22) demonstrieren das

Bild 9 Koordinatensystem des Roboter-Gonio-photometers und Beispielbahn

P Ct t

T R F T T T T T T=

sdot sdot sdot sdot sdot sdot sdot sdotθ θ

θ θ1 7

1 71 2 3 4 5 6

dd

dd amb TT W7 sdot

(20)

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fuumlr Roboter 1 Der Radius r1i befindet sich dabei innerhalb der Summation von Gleichung (22) Das Roboter-Goniophotometer ist zusaumltzlich mit einem Monitorphotometer ausgeruumlstet Dieses Photometer wird waumlhrend der Messung nicht bewegt ist aber staumlndig von einem fixen Punkt aus auf die zu untersuchende Lampe gerichtet und erlaubt somit die Korrektur einer moumlglichen Alterung der Lampe waumlhrend des Messprozesses als Funktion der Zeit (cmon(t1i))

Es w R

fyt

fi jj

ni j

i j1

1 1 11

1

1

11 0

12

1

=

( )sdot minus

=sumπ

ϕf g

q∆∆

∆

(21)

Φ1 1 1 12

1 1 1 12= sdot sdot sdot sdot ( ) sdot minus( )+c c r c ti i i ii

str spec mon cos cosπ ϑ ϑ==

minus

sum sdot0

1

1

1m

iE

(22)

Roboter 2 wird in gleicher Weise behandelt und der Lichtstrom ergibt sich somit aus der Summe von Φ1 und Φ2 korrigiert mit dem elektrischen Korrekturfaktor celec aus Gleichung (15)

Φ Φ Φ= sdot +( )celec 1 2 (23)

Die Bestimmung der Streulichtkorrektur cstr unter-scheidet sich methodisch von jener des Kardan-Goniophotometers Es ist schwierig Blenden zwischen Photometer und Lampe zu positionieren wie in [5] beschrieben Hier wird die Streulicht-korrektur cstr direkt aus der Leuchtdichteverteilung auf den Waumlnden des Messraums bestimmt Mit der Kenntnis der geometrischen und photometrischen Eigenschaften des Raumes der raumlumlichen Licht-staumlrkeverteilung der Lampe und dem verwendeten Streulichttubus vor dem Photometer lieszlige sich die Streulichtkorrektur cstr berechnen Hier jedoch wird diese Korrektur mit sogenannten Back-Loo-king-Photometern bestimmt [11]

Bild 11 zeigt ein Foto der bdquoRoboterhandldquo mit mon-tiertem Photometer und Back-Looking-Photometer Letzteres ist ein wenig schraumlg ausgerichtet um nicht im Bereich des Schattenwurfs des Photome-ters auf den Waumlnden zu messen

Bild 12 zeigt beispielhaft eine typische in finite Flaumlchenelemente gerasterte Streulichtsituation im Goniophotometermessraum wie sie durch die zu untersuchende Lichtquelle generiert wird Dieses Beispiel arbeitet mit finiten Flaumlchen der Groumlszlige 05 m middot 05 m um die Flaumlchen sichtbar zu machen Zur realen Berechnung werden Flaumlchen der Groumlszlige 01 m middot 01 m verwendet Natuumlrlich ist der Streulichtanteil auf der aktiven Flaumlche des

Bild 10Wirkung der Radiuskorrektur

Bild 11 Photometer (links) und Back-Looking-Photometer (rechts)

Bild 12 Wirkung des Streulichts und seine Bestimmung

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PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4Das Jahr des Lichtes

Photometers eine Funktion des Gesichtsfeldes des jeweils verwendeten Streulichttubus vor dem Photometer Derzeit werden 2 Tuben je nach Groumlszlige der Lichtquelle mit Oumlffnungswinkeln von ca 15deg und ca 225deg verwendet Ihre typischen Korrekturwerte betragen etwa 09995 und 09990 Da jeder Messroboter mit diesem Back-Looking-Photometer ausgeruumlstet ist kann so der Streulicht-anteil fuumlr jedes Photometer bestimmt werden Da die Back-Looking-Photometer bdquoruumlckwaumlrtsldquo gerichtet sind wird also jeweils die Streulichtkorrektur fuumlr den gegenuumlberliegenden Messroboter bestimmt Damit ist es moumlglich den Wert des Lichtstroms mit zugehoumlriger Messunsicherheit zu bestimmen Tabelle 2 illustriert Ergebnisse einer vereinfachten Monte-Carlo-Simulation (MC) am Beispiel einer OSRAM-Wi4-Lichtstrom-Normallampe Ihre Lichtstaumlrkeverteilung ist in Bild 13 wiedergegeben

Die MC basiert auf den folgenden Gleichun-gen (24) Werte der wichtigsten Beitraumlge zur Mes-sunsicherheit koumlnnen der Tabelle 2 entnommen werden Eine detailliertere Beschreibung der Roboter und Analyse der Messunsicherheit kann [12] entnom-men werden

Bild 13 Raumlumliche Lichtstaumlrkeverteilung einer OSRAM-Wi4-Lichtstrom-Normallampe

Quantity Symbol Value Uncertainty Unit Sensitivity Contribution lm Relative contribution

Luminous responsivity 1 s1 3065E-10 9195E-13 A lxndash1 188E+12 173 000150

Luminous responsivity 2 s2 4111E-10 12333E-12 A lxndash1 143E+12 177 000153

Spectral matching exponent 1 m2 y 0021 0015 1 20 030 000026

Spectral matching exponent 2 m2 y 0036 0015 1 18 027 000023

CCT or distribution temperature T 2762 10 K 0012 012 000011

Uncertainty in r Δr 0000 00020 m 901 180 000156

Calibration factor for frequency F cFH 1000 00005 1 1141 057 000049

Calibration factor for frequency ƒ cFD 1000 00050 1 104 005 000005

Voltage to frequency converter 1 w1 f 500849 25 Hz Vndash1 0012 031 000027

Voltage to frequency converter 2 w2 f 500561 25 Hz Vndash1 00118 029 000026

Amplification gain 1 R1 g 1000E+09 99996 Ω 6223E-07 006 000005

Amplification gain 2 R2 g 9997E+08 99966 Ω 5430E-07 005 000005

Calibration factor for cmon ccm 1000 00005 1 1162 058 000050

Correction factor for stray light cstr 09995 00005 1 1134 057 000049

Luminous flux Φ 11541 327 00028

Tabelle 2 Unsicherheitsbudget

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PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4 Kurze Geschichte der Goniophotometrie in der PTB

Somit ergibt sich zurzeit eine erweiterte Mess-unsichert von 056 fuumlr k = 2 Dies entspricht etwa der Messunsicherheit welche mit dem groszligen Kardan-Goniophotometer erreichbar war Im Unterschied zum Kardan-Goniophotometer (fester Messradius) verfuumlgt das Roboter-Goniophotometer jedoch uumlber die noumltige hohe Flexibilitaumlt (z B durch Variation des Messradius) die noumltig ist um kuumlnftige Anforderungen erfuumlllen zu koumlnnen Eben diese hohe Flexibilitaumlt fuumlhrt bei der Bestimmung des Messradius zu relativ groszligen Messunsicherheiten Hier koumlnnte die Verwendung einer Lookup-Table oder eine On-Line-Verfolgung mittels Tracer-Syste-men der Bahnen diese Unsicherheit verkleinernMittlerweile ist das Roboter-Goniophotometer voll-staumlndig charakterisiert und wird fuumlr beleuchtungs-staumlrkebasierte Lichtstromkalibrierungen und auch fuumlr internationale Vergleiche eingesetzt Damit werden auch die Anforderungen (15ndash17) erfuumllltIm naumlchsten Schritt wird das Roboter-Goniopho-tometer mit Leuchtdichtemesskameras ausgeruumlstet

werden um es als bdquoNahfeld-Goniophotometerrdquo einzusetzen Es wird dann die direkte Messung der Leuchtdichteverteilung erlauben aus welcher nahezu alle noumltigen photometrischen Groumlszligen abgeleitet werden koumlnnen Dieser kuumlnftige Schritt wird dann auch den letzten Punkt (18) der Anfor-derungen erfuumlllen

3 Zusammenfassung

Die Geschichte der Goniophotometrie in der PTB uumlber einen Zeitraum von mehr als 50 Jahren wird praumlsentiert Verschiedene Goniophotometer ange-fangen vom manuell bewegten Einarm-Goniopho-tometer mit visuellem Photometer uumlber das groszlige und kleine Kardan-Goniophotometer bis hin zum bdquoState-of-the-art-Roboter-Goniophotometerldquo fuumlr das 21 Jahrhundert werden beschrieben Das Letztere hat das Potenzial in der traditionellen Betriebsart aber auch im Nahfeldmodus uumlber viele Jahre eingesetzt zu werden Neu aufkommende

Quantity Symbol Value Uncertainty Unit Sensitivity Contribution lm Relative contribution

Luminous responsivity 1 s1 3065E-10 9195E-13 A lxndash1 188E+12 173 000150

Luminous responsivity 2 s2 4111E-10 12333E-12 A lxndash1 143E+12 177 000153

Spectral matching exponent 1 m2 y 0021 0015 1 20 030 000026

Spectral matching exponent 2 m2 y 0036 0015 1 18 027 000023

CCT or distribution temperature T 2762 10 K 0012 012 000011

Uncertainty in r Δr 0000 00020 m 901 180 000156

Calibration factor for frequency F cFH 1000 00005 1 1141 057 000049

Calibration factor for frequency ƒ cFD 1000 00050 1 104 005 000005

Voltage to frequency converter 1 w1 f 500849 25 Hz Vndash1 0012 031 000027

Voltage to frequency converter 2 w2 f 500561 25 Hz Vndash1 00118 029 000026

Amplification gain 1 R1 g 1000E+09 99996 Ω 6223E-07 006 000005

Amplification gain 2 R2 g 9997E+08 99966 Ω 5430E-07 005 000005

Calibration factor for cmon ccm 1000 00005 1 1162 058 000050

Correction factor for stray light cstr 09995 00005 1 1134 057 000049

Luminous flux Φ 11541 327 00028

Φ = sdot

sdot

+ sdot sdotminus

c JJ

TT

r r c c tm

m

i i

y

strA

cm monj

0

12

1

1

( ) ∆ (( )sdot minus( ) sdotsdot sdot minus

+=

minus=sumsum

cos cosFH FD

ϑ ϑ

ϕ

1 1 10

1 11

11

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i ii

m jj

n

i jc F c∆ sdotsdot( )sdot sdot

+

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TT

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1 1 1

22

2

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Acm mon∆ ))sdot minus( ) sdot

sdot sdot minus sdot

+=

minus=sumsum

cos cosFH FD

ϑ ϑ

ϕ

2 2 10

1 11

22

2

i ii

m jj

n

i jc F c∆ ff

s w R

2 0

2 2 2

( )sdot sdot

f g

(24)

30

PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4Das Jahr des Lichtes

Anforderungen fuumlr die Ruumlckfuumlhrung photome-trischer Einheiten wie beispielsweise im Solid-State-Lighting-Bereich koumlnnen so erfuumlllt werden

Literatur

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PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4Das Jahr des Lichtes

1 Eine einleitende Beschreibung von Gluumlhlampen LEDs und OLEDs

Der Einsatz Licht Emittierender Dioden (LED) in der Allgemeinbeleuchtung hat in den vergangenen Jahren erheblich zugenommen Ein entscheiden-der Vorteil der LED gegenuumlber der traditionellen Gluumlhlampe liegt in ihrer uumlberlegenen Lichtaus-beute ηv ndash dem Verhaumlltnis des emittierten Licht-stroms Φv und der aufgenommenen elektrischen Leistung Pel angegeben in LumenWatt

Dieser Vorteil beruht auf den Unterschieden der zugrunde liegenden Technologien der Lichterzeu-gung beider Lampentypen Bei einer (Halogen-)Gluumlhlampe wird der Gluumlhfaden durch elektrischen Strom auf Temperaturen um 3000 K aufgeheizt Obwohl hierbei fast die gesamte elektrische Leis-tung in Strahlung umgewandelt wird ndash Verluste durch thermische Konvektion oder Waumlrmeleitung sind gering ndash kann das menschliche Auge lediglich einen geringen spektralen Anteil der ungefaumlhr 5 der Gesamtstrahlungsleistung ausmacht wahr-nehmen Der Groszligteil der Strahlungsleistung liegt im infraroten Spektralbereich und kann nicht fuumlr Beleuchtungszwecke genutzt werden In Bild 1 ist die spektrale Verteilung einer Gluumlhlampe bei einer Temperatur von 2856 K im Spektralbereich

von 300 nm bis 1200 nm dargestellt Das sichtbare Licht im Spektralbereich zwischen 360 nm und 830 nm ist mit den entsprechenden Spektralfarben hinterlegt Oberhalb 830 nm beginnt der fuumlr das menschliche Auge unsichtbare infrarote Anteil der Strahlung

Der fuumlr photometrische Messungen normativ festgelegte spektrale Hellempfindlichkeitsgrad V(λ) also die Hellempfindlichkeit des Auges eines bdquoNormalbeobachtersldquo ist mit seinem Maximum bei 555 nm schwarz eingezeichnet

Da die Gluumlhlampe eine thermische Strahlungs-quelle ist verschiebt sich mit zunehmender Tem-peratur die Lage des Strahlungsmaximums ent-sprechend des Wienschen Verschiebungsgesetzes zu kuumlrzeren Wellenlaumlngen Um die Lichtausbeute von Gluumlhlampen zu erhoumlhen muumlsste man das Strah-lungsmaximum durch Temperaturerhoumlhung in den kurzwelligeren Bereich des sichtbaren Lichts verschieben Die Maximaltemperatur ist jedoch bei Gluumlhfaumlden aus Wolfram auf etwa 3000 K begrenzt ndash bei houmlheren Temperaturen nimmt die Lebensdauer drastisch ab

Das Funktionsprinzip einer LED-Lichtquelle basiert auf dem Phaumlnomen der Elektrolumines-zenz Der prinzipielle Aufbau einer LED aumlhnelt einer pn-Halbleiterdiode Durch Anlegen einer Gleichspannung rekombinieren Ladungstraumlger in der p-n-Grenzschicht der Leuchtdiode unter Emission von Strahlung Durch gezielte Auswahl der verwendeten Halbleitermaterialien und ihrer Dotierung wird deren Bandluumlcke und somit die Farbe des emittierten Lichtes bestimmt Im Jahr 1992 gelang der Durchbruch in der Entwicklung hocheffizienter blauer LEDs die den Einsatz von LEDs zur Allgemeinbeleuchtung erst ermoumlgli-chen Die zugrunde liegenden Forschungsarbei-ten wurden 2014 mit dem Nobelpreis fuumlr Physik gewuumlrdigt [1]

Eine schmalbandige Lichtemission ist charak-teristisch fuumlr LEDs Dementsprechend verfuumlgt ihr Licht uumlber eine hohe Farbsaumlttigung Durch die Bedeckung des LED-Chips mit breitbandig pho-tolumineszierenden Farbstoffen wird ein Teil der Strahlung in energieaumlrmeres langwelligeres Licht konvertiert und es entstehen Mischfarben wie

Metrologie fuumlr moderne Lichtquellen LEDs und OLEDs Thorsten Gerloff

Thorsten Gerloff Arbeitsgruppe bdquoPhotometrieldquo EshyMail thorstengerloffptbde

Bild 1 Spektrale Verteilung einer Gluumlhlampe und spektraler Hellempfindlichkeitsgrad (V(λ)-Funktion)

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PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4 Metrologie fuumlr moderne Lichtquellen

i Infokasten LED

Lichtausbeute einer Strahlungsquelle ηv

Die Lichtausbeute einer Strahlungsquelle gibt das Verhaumlltnis aus ausgestrahltem Lichtstrom und aufgenommener elektrischer Leistung an Die Einheit ist LumenWatt (lmW) Je houmlher die Lichtausbeute ist umso energieeffizienter ist die Beleuchtung Gluumlhlampen besitzen Lichtausbeuten zwischen 10 und 20 lmW

Lichtstrom Φv

Der Lichtstrom beruumlcksichtigt den Hellempfind-lichkeitsgrad V(λ) des Auges und gibt die in alle Raumrichtungen abgegebene bdquoLichtleistungldquo einer Lampe an Der Lichtstrom enthaumllt keine Information daruumlber wie die Lampe das Licht im Raum verteilt Der Lichtstrom gibt an wie hell ein beleuchteter Raum dem Menschen erscheint

Spektraler Hellempfindlichkeitsgrad V(λ)

Der exakt definierte spektrale Hellempfindlich-keitsgrad V(λ) ist eine Bewertungsfunktion fuumlr elektromagnetische Strahlung Hiermit wird der bdquoHelligkeitseindruck eines menschlichen Durch-schnittsaugesldquo berechnet Dies ermoumlglicht den objektiven Vergleich von Lichtquellen mit physika-lischen Messmethoden Subjektive Wahrnehmun-gen einzelner Menschen koumlnnen damit nicht exakt wiedergegeben werden

Aumlhnlichste Farbtemperatur TN

Es gibt unterschiedliche Farbtemperaturen in der Photometrie Verhaumlltnis- und Verteilungstem-peratur sind nur bei thermischen Strahlern wie der Gluumlhlampe anwendbar Nur die aumlhnlichste Farbtemperatur (englisch Correlated Colour Temperature CCT) laumlsst sich fuumlr Lichtquellen mit beliebiger spektraler Zusammensetzung berech-nen sofern die Normfarbwertanteile aumlhnlich einem thermischen Strahler sind Die aumlhnlichste Farbtemperatur wird in der Einheit Kelvin (K) angegeben Sie gibt an ob das Licht warmweiszlig (ca 3000 K) neutralweiszlig (ca 4500 K) oder tages-lichtweiszlig (gt5500 K) erscheint

Normfarbwertanteile (x y)

Fuumlr die Angabe von Farbe gibt es neben dem spek-tralen Hellempfindlichkeitsgrad V(λ)noch weitere definierte Bewertungsfunktionen Hiermit laumlsst sich die Farbwahrnehmung eines fiktive Normalbeob-achters aus der gemessenen spektralen Verteilung des Lichts durch Angabe von nur zwei Werten (x und y) angeben Diese Werte geben die Koordi-naten auf der Normfarbtafel (s Abbildung) an

Normfarbtafel

Farbwiedergabeindex Ra

Der Farbwiedergabeindex ist eine Kennzahl fuumlr Lichtquellen der bewertet die Qualitaumlt der Farb-wiedergabe Je houmlher der Wert desto besser ist die Farbwiedergabe Der Maximalwert liegt bei 100 Werte zwischen 90 und 100 geben eine ausgezeich-nete Farbwiedergabe an Werte unter 80 sind fuumlr viele Anwendungen nicht ausreichend

Im Folgenden soll ein kleiner Leitfaden gegeben werden der in allgemeinverstaumlndlicher Form die grundlegenden Ideen wichtiger lichttechnischer Groumlszligen erlaumlutern soll Komplexe Details der zugrunde liegenden Normen und Definitionen werden hierbei nicht beruumlcksichtigt

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PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4Das Jahr des Lichtes

Pastellfarbtoumlne oder auch weiszliges LichtIn Bild 2 sind die spektralen Verteilungen einer

LED mit und ohne Leuchtstoff abgebildet In der linken Abbildung erkennt man die schmalbandige blaue Emission des LED-Chips In der rechten Abbildung wird ein Teil dieser Strahlung durch einen Leuchtstoff in laumlngerwelliges Licht konver-tiert und die Mischfarbe erscheint weiszlig

Der Vorteil einer LED gegenuumlber einer Gluumlh-lampe bezuumlglich der Lichtausbeute ist offensicht-lich Es wird ndash von unvermeidbarer thermischer Verlustleistung abgesehen ndash nur Strahlung im sichtbaren Wellenlaumlngenbereich emittiert Daruumlber hinaus ist die Farbe des Lichts von LEDs durch Kombination verschiedener Leuchtstoffe und LEDs nahezu beliebig einstellbar und man ist nicht auf aumlhnlichste Farbtemperaturen von ca 3000 K wie bei der Gluumlhlampe begrenzt

Allerdings gibt es auch Nachteile gegenuumlber dem Licht einer Gluumlhlampe Dem typischen Spektrum einer LED-Lichtquelle fehlen im Gegensatz zu Sonnenlicht oder Gluumlhlampenlicht einzelne Spekt-ralfarben Dies macht sich negativ bei der Qualitaumlt der Farbwiedergabe bemerkbar

Die Farbe des emittierten Lichts einer LED laumlsst sich durch additive Farbmischung sehr aumlhnlich zu Sonnenlicht oder auch Gluumlhlampenlicht einstellen Wenn jedoch Objekte mit Licht beleuchtet werden kommt es auch auf die spektrale Zusammensetzung des Lichts an Nehmen wir einen Blumenstrauszlig aus roten Rosen der im Tageslicht steht Im Son-nenlicht sind alle Spektralfarben vorhanden und diese beleuchten die Rosen Die roten Bluumltenblaumltter absorbieren einige spektrale Anteile des Lichts und reflektieren im Wesentlichen rotes Licht welches in das Auge des Betrachters faumlllt Wenn die Rosen von einer anderen Lichtquelle beleuchtet werden in der die roten Spektralanteile zumindest teilweise fehlen koumlnnen diese nicht reflektiert werden und die Farben der Rosen erscheinen unnatuumlrlich

Dies ist von weitreichender Bedeutung fuumlr die Wahl einer geeigneten Lichtquelle da wir einen Kompromiss aus Licht mit guter Farbwieder-gabe und hoher Lichtausbeute schlieszligen muumlssen Licht mit hoher Farbwiedergabe setzt sich aus moumlglichst vielen Spektralfarben zusammen und Lichtquellen mit hoher Lichtausbeute sollten nur Spektralfarben beinhalten fuumlr die das menschliche Auge besonders empfindlich ist In den Auszligenbe-zirken vieler Staumldte werden zur Nachtbeleuchtung der Gehwege haumlufig Natriumdampflampen mit orangefarbenem Licht eingesetzt Die Lichtaus-beute dieser Lampen ist mit etwa 150 lmW auszligerordentlich hoch da das menschliche Auge in diesem Spektralbereich sehr empfindlich ist Diese Beleuchtung ist jedoch ungeeignet um Farben natuumlrlich wiederzugeben Aufgrund des Aufbaus des menschlichen Auges ist es also nicht moumlglich eine Beleuchtung mit sehr hoher Qualitaumlt der Farbwiedergabe bei gleichzeitig sehr hoher Lichtausbeute zu realisieren

Weiszlige LEDs zur Allgemeinbeleuchtung nutzen in der Regel Leuchtstoffe die teilweise qualita-tiv hochwertige Farbwiedergabeeigenschaften besitzen Eine weitere Methode zur Erzeugung von weiszligem Licht ist das Mischen von rotem gruumlnem und blauem Licht (RGB-Verfahren) welches die Grundlage jedes Displays ist Hierbei sind neben weiszligem Licht auch andere Lichtfarben moumlglich ndash die Farbwiedergabeeigenschaften sind allerdings schlecht Fuumlr die Endverbraucher sind in der Regel die Farbwiedergabeeigenschaften von Lichtquellen als Ra-Werte auf der Verpackung angegeben

Organische Licht Emittierende Dioden (OLED) sind eine junge Beleuchtungstechnologie die noch keinen Zugang zum Massenmarkt erhalten hat Die weltweit erste kommerzielle OLED-Leuchte wurde 2008 vertrieben Der fuumlr den Nutzer wesentliche Unterschied zwischen OLEDs und LEDs besteht im Aufbau Der leuchtende Kristall

Bild 2 Spektrale Verteilung einer blauen LED (links) und einer weiszligen LED (rechts) bei der ein Teil des blauen Lichts zu gelbem Licht konvertiert wurde

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PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4 Metrologie fuumlr moderne Lichtquellen

anorganischer LEDs besitzt eine maximale Kan-tenlaumlnge von etwa einem Millimeter Bei OLEDs wird das Licht in groszligflaumlchigen amorphen organi-schen Schichten erzeugt Momentan sind OLEDs mit leuchtenden Flaumlchen von bis zu 20 x 20 cmsup2 erhaumlltlich Das Licht wird aumlhnlich wie bei LEDs durch Ladungstraumlgerrekombination unter Auftre-ten von Elektrolumineszenz erzeugt Dabei ist das Emissionsspektrum der verwendeten organischen Emittermaterialien wesentlich breitbandiger als das einer LED (vgl Bild 3) Daher wird das weiszlige Licht von OLEDs in der Regel durch Verwendung von roten gruumlnen und blauen Emittermaterialien erzeugt ohne dass die Farbwiedergabeeigenschaf-ten sehr stark darunter leiden

2 Entwicklung von (O)LED-Transfer-normalen in der PTB

Eine der Kernaufgaben der PTB ist die Weiter-gabe der gesetzlichen Einheiten Bis zum heuti-gen Tage bieten Transfernormale in Form von speziellen Gluumlhlampen die besten Eigenschaften um als Maszligverkoumlrperung der Einheiten Candela oder Lumen zu dienen Da der Anwender in der Regel jedoch die Substitutionsmethode bei seinen Messungen anwendet um notwendige Korrektu-ren auf ein Minimum zu reduzieren (Gleiches mit Gleichem vergleichen) sind auch Transfernormale auf Basis der LED-Technologie von Interesse

Bereits in den 80er-Jahren des vergangenen Jahr-hunderts wurden LEDs in der PTB kalibriert Diese waren fuumlr Beleuchtungszwecke noch ungeeignet und dienten lediglich als Signallampen Zeitgleich wurden die ersten PTB-LED-Transfernormale entwickelt deren optische Eigenschaften durch thermische Regelung des LED-Chips stabilisiert wurden Die mechanische Ausrichtung der LEDs leistet aufgrund des typischerweise stark gerichteten Abstrahlprofils der LEDs einen groszligen Beitrag auf die Messunsicherheit Daher werden die LEDs seit

2002 in ein rotationssymmetrisches robustes VA-Stahl-Gehaumluse eingebaut welches sich sehr repro-duzierbar ausrichten laumlsst (vgl Bild 4)

Diese Transfernormale werden unter Konstant-Strom-Bedingungen und ndash durch gezieltes Aufhei-zen des LED-Chips durch den Heizwiderstand ndash unter Konstant-Spannung-Bedingungen betrieben Aufgrund der halbleitenden Eigenschaften sinkt mit steigender Temperatur die Betriebsspannung und sowohl der Lichtstrom als auch die Peakwellenlaumlnge des emittierten Lichts veraumlndert sich Die Sollspan-nung wird auf einen Wert festgelegt der unterhalb der Gleichgewichtsspannung durch Eigenerwaumlr-mung im Betrieb ohne Heizwiderstand bei einer Umgebungstemperatur von etwa 35 degC liegt Somit ist auch ein Einsatz der Transfernormale in Laboren ohne Klimatisierung moumlglich

Fuumlr LEDs mit houmlheren Leistungen wurde im Jahr 2011 ein weiterer Prototyp eines Transfernormals vorgestellt (vgl Bild 5) Da die hier verwendeten LEDs eine houmlhere Leistungsaufnahme besitzen werden sie waumlrmer Das reduziert die Lebensdauer und Reproduzierbarkeit der photometrischen

Bild 3 Exemplarische spektrale Verteilung einer weiszligen OLED

Bild 4 Temperaturgeregeltes LED-Transfernormal auf Basis von Kleinleistungs-LEDs mit Lichtstroumlmen von bis zu 10 Lumen

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PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4Das Jahr des Lichtes

Groumlszligen deutlich Daher muumlssen sie gekuumlhlt werden Hierfuumlr kommt bei diesen Normalen ein Peltier-Element zum Einsatz welches geregelt Waumlrme in einen dahinterliegenden Kuumlhlkoumlrper leitet und hierdurch das emittierte Licht stabilisiert Diese Transfernormale zeichnen sich durch ein geringes

Gewicht bei einer Laumlnge von ca 100 mm und einem Durchmesser von etwa 20 mm aus Allerdings ist die Verwendung von LEDs mit sehr hohen Leistun-gen nicht moumlglich da die Abwaumlrme lediglich passiv an den Raum abgegeben wird Eine detaillierte Beschreibung der Eigenschaften dieses Transfer-normals wurde 2012 veroumlffentlicht [2]

Fuumlr die thermische Stabilisierung von LEDs mit sehr hohen Leistungen wurde ein weiteres Trans-fernormal unter Einsatz von Peltier-Elementen Heatpipes und aktivem Kuumlhlsystem in der PTB entwickelt (vgl Bild 6)

Im Rahmen des europaumlischen Forschungspro-jekts OLED100eu wurde in der PTB weiterhin das weltweit erste Transfernormal unter Einsatz einer organischen Leuchtdiode entwickelt (vgl Bild 7) Dieses Normal wurde fuumlr den Einsatz in einer Ulbricht-Kugel konzipiert und in ein mattes Aluminiumgehaumluse eingebaut Eine Besonderheit dieses Normals ist die Stand-Alone-Versorgungs-einheit die ohne Rechner o auml saumlmtliche relevan-ten elektrischen und thermischen Groumlszligen regelt und auf einem USB-Stick speichert

3 LED-Messtechnik in der PTB

Neben LED-Transfernormalen mit guter Reprodu-zierbarkeit ist eine hochentwickelte Messtechnik fuumlr deren Kalibrierung mit minimaler Messunsi-cherheit erforderlich

Die photometrische Beschreibung von LEDs erfolgt durch Angabe ihrer Lichtstaumlrke ILED mit der Einheit Candela und ihrem Lichtstrom ΦLED mit der Einheit Lumen Diese Groumlszligen werden in der PTB unter Verwendung ruumlckgefuumlhrter Photometer bestimmt Hierfuumlr wird die Beleuchtungsstaumlrke ELED unter definierten geometrischen Bedingungen fuumlr alle Abstrahlrichtungen der LED mit einem Goniophotometer gemessen

Fuumlr die Bestimmung der colorimetrischen Werte kommen Spektralradiometer zum Einsatz Hiermit werden spektrale Bestrahlungsstaumlrken gemessen und daraus die abgeleiteten colorime-

Bild 5 Temperaturgeregeltes LED-Transfernormal auf Basis von Hochleistungs-LEDs mit Lichtstroumlmen von bis zu 100 Lumen Im rechten Bild ist die Temperaturverteilung in Grad Celsius waumlhrend des Betriebs abgebildet

Bild 6 Temperaturgeregeltes LED-Transfernormal auf Basis von Houmlchstleistungs-LEDs mit Lichtstroumlmen von bis zu 2500 Lumen

Bild 7 Temperaturgeregeltes OLED-Transfernormal auf Basis kommerziell erhaumlltlicher OLEDs

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PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4 Metrologie fuumlr moderne Lichtquellen

trischen Kenngroumlszligen wie z B die Normfarb-wertanteile (x y) bei weiszligen LEDs die aumlhnlichste Farbtemperatur TN mit der Einheit Kelvin und bei farbigen LEDs die dominante Wellenlaumlnge λdom berechnet Grundlegende Informationen und Definitionen uumlber die photometrischen und colorimetrischen Groumlszligen und deren Messung sind in [3] [4] und [5] zu finden

In Bild 8 ist der Aufbau des LED-Messplatzes an der PTB zu sehen Fuumlr die Bestimmung der Mess-groumlszligen in alle raumlumlichen Abstrahlwinkel wird die LED durch ein Goniophotometer bewegt

Die LED wird in horizontaler Betriebslage zentrisch normal zur Referenzebene des Photo-meterkopfes ausgerichtet Ein Translationstisch ermoumlglicht dabei eine Variation des Abstandes d zwischen Photometer und LED Eine horizontale Rotationsachse (φ-Achse) und eine senkrechte Rotationsachse (ϑ-Achse) die sich an der LED-Spitze im rechten Winkel schneiden erlauben durch Drehung der LED eine Bestimmung der Beleuchtungsstaumlrke ELED in alle Raumrichtungen Beide Rotationsachsen werden waumlhrend der Messung zeitgleich bewegt Hierdurch bewegt sich die relative Position der lichtempfindlichen Emp-faumlngeroumlffnung bezuumlglich des Schnittpunkts beider Drehachsen auf der Oberflaumlche einer virtuellen Kugel entlang einer Spiralbahn von bdquoPol zu Polldquo dieser Kugel

Die Bestimmung des Lichtstroms ΦLED erfolgt analog der Beschreibung in dem Kapitel Kurze Geschichte der Goniophotometrie in der PTB Der wesentliche Unterschied zu goniophotome-trischen Messungen an Gluumlhlampen besteht darin dass bei LED-Messungen die Lichtquelle typischerweise bewegt werden kann ohne dass sich ihre optischen Eigenschaften aumlndernAufgrund des stetig wachsenden Bedarfs an ruumlck-gefuumlhrten Kalibrierungen von High-Power-LEDs sind Masse und Abmessungen der Transfernor-male erheblich gestiegen Daher wurde der Mess-platz 2015 um ein weiteres Goniophotometer fuumlr schwere und groszlige Objekte erweitert (vgl Bild 9)

Neben den photometrischen Empfaumlngern befinden sich auch Einkoppeloptiken fuumlr Spekt-ralradiometer auf dem drehbaren Empfaumlngerka-russell Alle Empfaumlnger lassen sich hiermit auto-matisiert waumlhrend einer Messung zu den LEDs ausrichten Vor jeder LED-Kalibrierung werden die Spektralradiometer bezuumlglich Ihrer spektralen Empfindlichkeit und Wellenlaumlnge kalibriert Die entsprechenden Normallampen befinden sich neben dem Empfaumlngerkarussell (vgl Bild 10) und ermoumlglichen so ebenfalls eine automatisierte Messung

Den spektralen Messungen an LEDs kommt neben der Notwendigkeit fuumlr die Bestimmung colorimetrischer Kennzahlen noch eine beson-dere Bedeutung fuumlr die photometrischen Messun-

Bild 9 Goniophotometer fuumlr photometrische Messungen an Hochleistungs-LEDs

Bild 10 Entladungslampen mit verschiedenen Gasfuumlllungen dienen der Wellenlaumlngenka-librierung der Spektrometer Im Hintergrund ist eine Bestrahlungsstaumlrke-Normal-lampe fuumlr die spektrale Empfindlichkeitskalibrierung zu sehen

Bild 8 Goniophotometer fuumlr photometrische Messungen an Kleinleistungs-LEDs

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PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4Das Jahr des Lichtes

gen zu Wie in der Einleitung erklaumlrt unterscheiden sich die spektralen Verteilungen von LEDs und Gluumlhlampen deutlich voneinander Photometerkoumlpfe bestehen in der Regel aus einer Silizium-Photodiode deren spektrale Empfindlichkeit durch den Einsatz von Glasfiltern moumlglichst gut an den Hellemp-findlichkeitsgrad V(λ) angepasst wird Aufgrund internationaler Standardisierung wird die photo-metrische Empfindlichkeit von Photometerkoumlpfen fast ausschlieszliglich fuumlr Normlichtart A kalibriert In der Praxis werden hierfuumlr Gluumlhlampen mit einer Verteilungstemperatur von 2856 K verwendet Wenn man ein solches Photometer fuumlr Messungen an anderen Gluumlhlampen verwendet sind die spektralen Verteilungen meist so aumlhnlich dass nur geringe oder gar vernachlaumlssigbare Korrekturen aufgrund der spektralen Fehlanpassung also der Abweichung der realen spektralen Empfindlichkeit des Photometers von dem Hellempfindlichkeitsgrad notwendig sind Wenn man ein solches Photometer jedoch bei LEDs insbesondere farbigen LEDs einsetzt koumlnnen die Abweichungen aufgrund der spektralen Fehlan-passung sehr groszlig werden (gt10 fuumlr hochwertige Photometerkoumlpfe sind moumlglich)

Mit Kenntnis der relativen spektralen Verteilung der Leuchtdiode SLED(λ) und der relativen spekt-ralen Empfindlichkeit srel(λ) laumlsst sich die spektrale Fehlanpassung durch folgenden Korrekturfaktor cSpek korrigieren

cV S

s S

V P T

sSpek

LED

rel LED

A

rel

d

d

d=

( ) ( )( ) ( )

( ) ( )( )

intint

intλ λ λ

λ λ λ

λ λ λ

λ

intint ( )P Tλ λ A d

P(λ TA) beschreibt Lichtart A durch das Planck-sche Strahlungsgesetz fuumlr TA = 2856 K

Eine detaillierte Auflistung und Diskussion aller zu beruumlcksichtigenden Details bei Kalibrierungen von LEDs und das dazugehoumlrige Messunsicher-heitsbudget soll an dieser Stelle nicht gegeben werden Interessierte Leser koumlnnen hierfuumlr Infor-mationen in einer fruumlheren Veroumlffentlichung [6] oder in den Ergebnissen eines internationalen Vergleichs von LED-Messungen [7] finden

Fazit und Ausblick

Der Verzicht auf LEDs ist fuumlr Beleuchtungsan-wendungen nicht mehr vorstellbar Durch ihre kontinuierliche Weiterentwicklung erobern LEDs immer weitere Anwendungsfelder (z B Haus-halts- Straszligen- und Automobilbeleuchtung) mit denen der Endkunde in Kontakt kommt Bei diesen Anwendungen sind die Anforderungen an die Lichtquellen vielfaumlltig und fuumlr eine quantitative Beschreibung ihrer Eigenschaften muss auch die Messtechnik entsprechend umfassend und ausge-reift sein

Neben dem allgemeinen Forschungs- und Ent-wicklungsbedarf fuumlr bessere LED-Messverfahren und -geraumlte die die Grundlage ihrer technologi-schen Weiterentwicklung bilden gibt es eine weitere Herausforderung Aufgrund der nahezu unbe-grenzten Moumlglichkeiten eine bestimmte Lichtfarbe durch additive Farbmischung zu erhalten sind LEDs verschiedener Hersteller mit unterschiedlichen Emissionsspektren aber einer nominell gleichen aumlhnlichsten Farbtemperatur erhaumlltlich Dennoch ist teilweise ein Unterschied der Lichtfarbe mit bloszligem Auge erkennbar wenn sich unterschiedliche LEDs nebeneinander befinden

Es ist ungewoumlhnlich dass man ohne technische Hilfsmittel nominell gleiche Lichtfarben faktisch unterscheiden kann Um die Charakterisierung von LEDs soweit zu verbessern dass dies nicht mehr moumlglich ist ist einerseits eine Reduzierung der Messunsicherheit bei der Bestimmung der Normfarbwertanteile (Lichtfarbe) notwendig Andererseits muss man sich bewusst machen dass photometrische und colorimetrische Messverfahren auf rein physikalischen Zusammenhaumlngen basieren Individuelle menschliche Wahrnehmung und Sehen werden bei photometrischen Messungen nicht beruumlcksichtigt ndash diese werden durch Festlegung von exakt definierten Wichtungsfunktionen wie dem Hellempfindlichkeitsgrad fuumlr einen fiktiven Normalbeobachter ausgegrenzt Diese Wichtungs-funktionen koumlnnen gegebenenfalls auch noch optimiert werden um die objektive Beurteilung von Lichtquellen mit physikalischen Messmethoden zu verbessern Somit gibt es auch in Zukunft noch interdisziplinaumlre Herausforderungen fuumlr die Metro-logie moderner Lichtquellen

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Effektpigmente hellipPTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4

Einleitung

Farbe ist fuumlr Menschen die wohl auffaumllligste sub-jektive Stoffeigenschaft Bereits den Fruumlhmenschen war diese visuelle Qualitaumlt bekannt deren Wahr-nehmung allen Primaten eigen ist So wurde 2008 in Suumldafrika eine ca 100000 Jahre alte steinzeitli-che bdquoMalerwerkstattldquo entdeckt [1] Auch heutzu-tage spielt Farbe in der Gestaltung unserer Umwelt eine wichtige Rolle Jedes Jahr praumlsentiert uns die Mode die neuen Farben der Saison Farben dienen zur Regelung des Verkehrs Ohne bunte Farben waumlre unsere Welt trist und oumlde

Es ist wichtig festzustellen dass Farbe ein physiologischer Sinneseindruck ist wie z B auch Tasten oder Riechen D h Farbe ist keine immanente physikalische Eigenschaft eines Gegenstandes wie z B seine Masse oder Waumlrme-leitfaumlhigkeit Die physiologische Wahrnehmungs-kette ist hierbei folgende Das vom betrachteten Gegenstand reflektierte Licht trifft auf das Auge und loumlst hierbei einen Farbreiz aus Dieser Farbreiz beruht auf der spektralen Zusammensetzung des empfangenen Lichts d h er ist abhaumlngig von der verwendeten Lichtquelle und dem spektralen Reflexionsvermoumlgen des betrachteten Objektes Die Anregung der licht- und farbempfindlichen Zellen in der Netzhaut fuumlhrt zu einer Farbvalenz die uumlber den Sehnerv an das Gehirn weitergeleitet wird Die eigentliche Farbempfindung die wir dann mit einem Gegenstand verknuumlpfen entsteht erst im Gehirn [2] Liegt z B eine Farbfehlsich-tigkeit vor so kann der Farbeindruck des betrof-fenen Menschen auch ein ganz anderer sein Auch viele Tiere mit ihren teilweise erheblich abweichenden visuellen Systemen nehmen Farbe ganz unterschiedlich als wir Menschen wahr Im Folgenden soll mit Farbe immer die Koumlrperfarbe auch Gegenstandsfarbe Objektfarbe bzw Oberflauml-chenfarbe genannt einer nicht selbstleuchtenden Flaumlche bezeichnet werden die durch Reflexion von Licht an einem Koumlrper entsteht

Die genannten Zusammenhaumlnge machen die mathematisch-physikalische Beschreibung von Farbe schwierig und aufwendig da auch die spe-zifischen Eigenarten der menschlichen Wahrneh-

mungskette nachgestellt werden muumlssen Diesem Umstand wird versucht uumlber die verschiedenen Farbmaszligsysteme Rechnung zu tragen welche die Farbe eines Objektes mithilfe von quantifizierba-ren Zahlenwerten kennzeichnen [3]

Generell koumlnnen farbige Flaumlchen je nach Tageszeit und Lichteinfall sehr unterschiedlich wirken Die Aumlnderungen basieren hierbei auf der unterschiedlichen spektralen Zusammenset-zung des Tageslichts und den winkelabhaumlngigen Glanz- und Struktureigenschaften von Oberflauml-chen Ganz besonders deutlich ist dies bei auf dem Interferenzeffekt basierenden Effektpigmenten der Fall Deren visuelles Erscheinungsbild im englischen mit Visual Appearance bezeichnet kann sich bei variierendem Beobachtungswinkel und unterschiedlichen Lichtverhaumlltnissen komplett veraumlndern Man spricht hierbei von sogenannten Flop-Lacken wobei man zwischen Hell-Dunkel-Flop und Farb-Flop unterscheiden kann [4]

Generell kann man sagen dass Farbe und visuelle Effekte einen entscheidenden Anteil am Verkaufserfolg eines Produktes haben denn Farben wecken Emotionen und verschiedene Neuro marketingstudien belegen dass ca 95 aller Kaufentscheidungen emotional gepraumlgt sind [5] Deshalb spielt eine moderne Farbgestaltung unter Nutzung aktueller Effektpigmente im Pro-duktdesign eine entscheidende Rolle denn durch den Einsatz solcher Pigmente kann Gegenstaumlnden eine houmlhere Attraktivitaumlt verliehen werden Daher findet man moderne Effektpigmente heutzutage in vielen teilweise sehr unterschiedlichen Indus-trieprodukten wie z B in Autolackierungen Haumluserfassaden Kosmetikartikeln oder sogar bei Pralineacutes wie dies in Bild 1 zu sehen ist

Pigmente

Als Pigmente aus dem Lateinischen kommend von pigmentum fuumlr bdquoFaumlrbestoff Schminkeldquo bezeichnet man aus Teilchen bestehende im Anwendungs-medium praktisch unloumlsliche Sub stanzen die als Farbmittel oder wegen anderer spezieller physika-lischer und chemischer Eigenschaften als funktio-nale Farbzentren verwendet werden [6]

Effektpigmente Eine Herausforderung fuumlr die optische Messtechnik

Egbert Buhr Alfred Schirmacher Andreas Houmlpe

Dr Egbert Buhr Fachbereich bdquoBildshy und Wellenoptikldquo EshyMail egbertbuhrptbde

Dr Alfred Schirmacher Arbeitsshygruppe bdquoReflexion und Transmissionldquo EshyMail alfredschirmacherptbde

Dr Andreas Houmlpe dagger ehemals Arbeitsgrupshype bdquoReflexion und Transmissionldquo

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PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4Das Jahr des Lichtes

In der Natur vorkommende anorganische Pig-mente sind schon seit praumlhistorischen Zeiten bekannt Schon die Menschen der Steinzeit benutzen mineralische Pigmente fuumlr die ersten Houmlhlenzeichnungen Sie erkannten dass sie mit unterschiedlichen Erdsorten farbig malen konnten Eisenoxidhaltige Erden liefern gelbrote bis braunrote Kalk und Gips weiszlige Mangan-oxide sowie Holz- und Knochenkohle schwarze Farbtoumlne

Aus heutiger industrieller Sicht ist ein Pigment ein fein aufgeteilter und unloumlslicher Feststoff mit der Hauptfunktion das Erscheinungsbild des verwendeten Mediums zu verbessern oder es zu faumlrben Pigmente werden dem Medium immer durch physikalisches Mischen beigegeben dies unterscheidet sie von Farbstoffen die in ihrem Medium loumlslich sind

Pigmente koumlnnen nach den optischen Prin-zipien ihrer Wechselwirkung mit Licht unter-schieden und in verschiedene Klassen eingeteilt werden Wichtige Pigmentklassen sind Weiszlig- Bunt- Schwarz- und Effektpigmente die alle wegen ihrer speziellen farbgebenden Eigenschaf-ten eingesetzt werden Bei den Effektpigmenten

kann in einer ersten vereinfachten Einteilung noch zwischen Metalleffekt- und den sogenannten speziellen Effektpigmenten unterschieden werden

Der Begriff bdquospezielle Effektpigmenteldquo umfasst die Gruppen der Perlglanzpigmente und der all-gemeinen Interferenzpigmente welche insbeson-dere bei aktuellen Pigmententwicklungen nicht scharf abgegrenzt werden koumlnnen Perlglanzpig-mente sind Effektpigmente die aus transparenten Plaumlttchen mit hohem Brechungsindex bestehen Sie erzeugen durch die spezielle Form der Mehr-fachreflexion des transmittierten Lichts an mehre-ren Pigmenten einen perlenaumlhnlichen Effekt bei dem die auftreffende Strahlung verteilt reflektiert wird wodurch der Eindruck einer mit der Tiefe abnehmenden diffusen Helligkeit entsteht Fuumlr das Auge ergibt sich so eine scheinbar dreidimen-sionale Glanzcharakteristik die aus der Tiefe des Objektes zu kommen scheint Interferenzpigmente dagegen sind Effektpigmente deren farbgebende Wirkung ganz oder vorwiegend auf dem Effekt der Vielstrahlinterferenz von Licht an duumlnnen hoch-brechenden Schichten beruht Interferenzpigmente koumlnnen dabei sowohl auf transparenten oder auch nichttransparenten Plaumlttchen basieren

Bild 1 a) Roadster mit ChromaFlairreg-Effektpigmentlackierung b) Verwaltungsgebaumlude in Braunschweig verkleidet mit Alucobondreg-spectra-colours-Verbundplatten c) Effektpigmente im Nagellack d) Pralineacute mit Effektpigmentuumlberzug

a

dc

bb

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Effektpigmente hellipPTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4

Die heute verwendeten Pigmente lassen sich somit grob in fuumlnf verschiedene Klassen einteilen

1) Weiszligpigmente Die Pigmente streuen das ge-samte auftreffende Licht nahezu verlustfrei in alle Richtungen durch diffuse ungerichtete Reflexion

2) Buntpigmente Die Pigmente streuen einen Teil des Lichtes diffus und absorbieren wellenlaumln-genselektiv einen anderen Teil des Lichtes

3) Schwarzpigmente Die Pigmente absorbieren alle Wellenlaumlngen des fuumlr das menschliche Auge sichtbaren Spektralbereiches

4) Metalleffektpigmente Die aus duumlnnen Metall-plaumlttchen vorwiegend Aluminium bestehen-den Metalleffektpigmente sind lichtundurch-laumlssig und reflektieren das gesamte auftreffende Licht durch spekulare gerichtete Reflexion Die Pigmentpartikel wirken dabei wie Mikrospie-gel und fuumlhren bei paralleler Ausrichtung im Anwendungsmedium zu einem spiegelnden Metallglanz dem Metallic-Effekt

5) Spezielle Effektpigmente Perlglanz- bzw Inter-ferenzpigmente deren optische Wirkung auf der Mehrfachreflexion an uumlberwiegend flaumlchig aus-gebildeten und ausgerichteten transparenten semitransparenten oder lichtundurchlaumlssigen Partikeln beruht

Weiszlig- Bunt- und auch Schwarzpigmente weisen typische Durchmesser im Bereich von 100 nm bis zu 1 microm auf Ihre Groumlszlige liegt damit zum Teil im Bereich der Wellenlaumlnge des sichtbaren Lichtes welches den Bereich von 380 nm bis 780 nm uumlberdeckt Einige Schwarzpigmente wie z B Ruszlig-pigmente liegen mit ihren Durchmessern jedoch auch zum Teil auch deutlich darunter Effektpig-mente besitzen dagegen Teilchendurchmesser die zumeist im Bereich von 5 microm bis 100 microm in einigen Faumlllen auch daruumlber liegen Sie sind damit bezuumlglich der mittleren Plaumlttchendurch-messer wesentlich groumlszliger als die Wellenlaumlnge des sichtbaren Lichtes Die Dicke der Plaumlttchen liegt von einigen Ausnahmen abgesehen unter 1 microm ebenso wie die Dicke der Interferenzschichten Demzufolge weisen Effektpigmente in der Regel ein hohes Aspektverhaumlltnis auf (Verhaumlltnis der lateralen Ausdehnung einer Struktur zu ihrer Houmlhe) welches bis zu 200 betragen kann

Interferenzpigmente ndash Wie die Farben entstehen

Die Farbe von Interferenzpigmenten haumlngt von der Schichtdicke der Metalloxidbeschichtung und dem Einstrahlungs- und Betrachtungswinkel ab Beide Parameter bestimmen die effektive optische Weg-

laumlngendifferenz fuumlr das einfallende weiszlige Licht zwischen oberer und unterer Grenzflaumlche und die somit auftretenden Interferenzfarben siehe Bild 3

Interferenzpigmente zeigen somit einen aus-gepraumlgten bdquoFarbflopldquo Die Winkelabhaumlngigkeit der Farbe wird hierbei auch als Goniochromasie bezeichnet Richtig bunt geht es zu wenn ein Interferenzpigment auf einen bereits bunten Untergrund aufgebracht wird Die Transparenz der Pigmente laumlsst die Untergrundfarbe durch-

Bild 2 Schematische Diagramme zum spektralen Verhalten verschiedener Pigmenttypen

Bild 3 Die Schichtdicke der Metalloxidbeschichtung und der kombinierte Einstrahlungs- und Betrachtungswinkel bestimmen die optische Weglaumlnge und somit die sich ergebenden Interferenzfarben in Reflexion und Transmission

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PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4Das Jahr des Lichtes

Bild 5 Die Effekte Spar-kling (1) und Coarseness (2) des Effektpigmentes Xirallicreg Crystal Silver in einer vergroumlszliger-ten Aufnahme auf weiszligem (links) und schwarzem Hinter-grund (rechts)

scheinen im Glanzwinkel wird sie aber von der Interferenzfarbe uumlberstrahlt wie dies in Bild 4 zu sehen ist

Der Effekt eines Helligkeitsunterschiedes unter verschiedenen Betrachtungswinkeln wird als Helligkeitsflop bezeichnet und ist an sich nichts Neues Sind jedoch die einzelnen Pigmentteilchen

aufgrund ihrer planaren Reflexionsoberflaumlchen in gerichteter Beleuchtung direkt beobachtbar was fuumlr mittlere Teilchengroumlszligen von 30 microm und groumlszliger der Fall ist so ergibt dies einen Effekt welcher mit dem Begriff Sparkle (Glitzern Funkeln) bezeichnet wird (Bild 5) Aumlndert sich die Beleuchtung von einer gerichteten Einstrahlung wie es an einem wolkenlosen sonnigen Sommertag der Fall ist hin zu einer diffusen ungerichteten Einstrahlung wie an einem stark bewoumllkten Herbsttag so verschwin-det das Sparkling der Pigmente und verwandelt sich in eine Koumlrnigkeit der Oberflaumlche Dieses optische Phaumlnomen wird als Coarseness (Bild-koumlrnigkeit) bezeichnet und ist unabhaumlngig vom Betrachtungswinkel (Bild 5)

Als neuer Archetypus des Sparkle-Begriffes haben sich in den letzten Jahren die Xirallicreg Pig-mente (High Chroma Chrystal Effect Pigments) der Firma Merck KGaA entwickelt Durch die Beschich-tung von Aluminiumoxidplaumlttchen mit hochbre-chenden Metalloxiden und einer optimierten Dicke und Ebenheit aller am Pigment beteiligten Schich-ten entstehen auszligergewoumlhnlich stark reflektierende Effektpigmente die einen besonders intensiven Sparkle-Effekt aufweisen Man spricht hierbei auch von sogenanntem Living Sparkle welcher sich in einem scheinbaren bdquoTanzenldquo der leuchtenden Punkte in der Probenoberflaumlche bei Veraumlnderung der Beobachtungsgeometrie aumluszligert [7 8]

Generell gilt dass die Farbe von Objekten mit Effektlackierung nicht mehr wie jahrzehntelang uumlblich und ausreichend mit konventionellen Farb-messgeraumlten mit nur einer festen Messgeometrie wie z B in der 45deg 0deg Geometrie (Einstrahlung unter 45deg Reflexionsmessung unter 0deg) bestimmt werden kann Dieser Umstand wird sehr gut durch die Grafik in Bild 6 illustriert Dargestellt sind die winkelabhaumlngig gemessenen Farbkoordinaten von drei verschiedenen keramischen Farbstandards der Farben rot gruumln und blau sowie eines mit dem Effektpigment Viola Fantasy der Firma Merck lackierten Blechs Der Einfallswinkel des Lichts auf die Proben betrug hierbei immer 45deg zur Oberflauml-chennormalen Das von den Proben reflektierte Licht wurde an 26 Positionen in einem 5deg Raster in planaren die Oberflaumlchennormale enthalten-den Messgeometrien im Winkelbereich von ndash70deg bis +70deg aufgenommen Bei den aus absorptiven Pigmenten bestehenden Keramiken zeigt sich eine nur sehr geringe Winkelabhaumlngigkeit der Farbe welche groumlszligtenteils auf unterschiedlicher winkelabhaumlngiger Helligkeit d h den Glanzeigen-schaften der Oberflaumlche beruht Das Effektpigment dagegen zeigt einen extremen winkelabhaumlngigen Farb-Flop (Goniochromasie) welcher einen Farbverlauf von Gruumln uumlber Rot-Gelb hin ins Blau-Violett bietet

Aber auch die neuen Lackfarben aus der Gruppe der Effektlackierungen muumlssen messtechnisch

Bild 4 Merck-Xirallicreg-Solaris-Red-Effektpigmente appliziert auf einem mit Standard-Ab-sorptionspigmenten hellblau lackierten Metallblech In Rich-tung des Glanzwin-kels auf der rechten Seite zeigt sich der langsame Aufbau der winkelabhaumlngigen Interferenzfarbe

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Bild 6 CIELab Farbkoordinaten einer winkelabhaumlngigen Reflexionsmessung an vier verschiedenen Proben drei Keramiken der Farben rot gruumln blau und eine Effektpigmentlackierung mit Merck Colorstreamreg Viola Fantasy Das untergelegte Farbschema zeigt naumlherungsweise die den Koordinaten entsprechende Farbe

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Effektpigmente hellipPTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4

Abbildungsoptik Messungen der ortsaufgeloumlsten Leuchtdichte auf einer Laumlngenskala bis hinab zu 28 microm auf der zu untersuchenden Probe siehe Bild 8

Mit der Zeilenkamera sind Messungen von kompletten Reflexionsspektren im sichtbaren Spektralbereich zwischen 380 nm und 780 nm dem sogenannten V(λ)-Bereich auf einer Zeit-skala von 2 Minuten moumlglich Hieraus lassen sich dann Farbkoordinaten der untersuchten Proben in den unterschiedlichsten Farbraumsystemen berechnen Eine absolute Messung in 114 Win-kelkombinationen (siehe Bild 9) im Polarwinkel-

erfasst und ruumlckgefuumlhrt werden um eine gleich-bleibende Qualitaumlt in der Produktion gewaumlhrleis-ten zu koumlnnen Gerade diese vielfaumlltigen zusaumltz-lichen Eigenschaften stellen die Farbmesstechnik vor neue Herausforderungen

Farbmessung

Bisherige kommerzielle Farbmessgeraumlte charakte-risieren Probenoberflaumlchen fast ausschlieszliglich in den eben schon erwaumlhnten sogenannten in-plane Reflexionsgeometrien Dabei liegen die Richtun-gen des eingestrahlten und des reflektierten Lichts sowie die Oberflaumlchennormale der Probe in einer Ebene Diese Einschraumlnkung entspricht jedoch in keiner Weise der taumlglichen Realitaumlt bei der Oberflaumlchen aus beliebigen Richtungen beleuchtet und betrachtet werden Seitens der Messgeraumlteher-steller und Anwender gibt es daher einen Trend zur erweiterten Charakterisierung bezuumlglich zusaumltzlicher Winkelkombinationen im dreidimen-sionalen Raum Spitzenreiter dieser Entwicklung am Markt ist derzeit ein tragbares Mehrwinkel-Spektralphotometer mit insgesamt 19 verschie-denen Reflexionsgeometrien [9] Hiermit scheint aber auch das Ende dieser Entwicklung im Bereich der portablen handgefuumlhrten Geraumlte erreicht Der Wunsch der Anwender geht aktuell wieder zuruumlck zu einer geringeren Anzahl von Winkelkombi-nationen denn es ist unklar wie man aus dem Mehr an winkelaufgeloumlsten Reflexionsdaten die fuumlr die Charakterisierung der Farbeigenschaften relevanten Informationen gewinnen kann Daher stellt sich die Frage welches sind bdquoguteldquo d h an die Messaufgabe adaptierte optimal geeignete Messgeometrien

Um diese Frage zu beantworten betreibt die AG 424 bdquoReflexion und Transmissionldquo der PTB zwei roboterbasierte Gonioreflektometer die eine winkelaufgeloumlste Reflexionsmessung in beliebi-gen bidirektionalen Geometrien ermoumlglichen [10ndash12] Diese beiden Apparaturen sind in Bild 7 dargestellt

Das Standard-Gonioreflektometer ist hierbei das nationale Normal fuumlr die Messgroumlszlige spektraler Strahldichtefaktor in gerichteten Geometrien Es dient der Realisierung Bewahrung und Weiter-gabe der gerichteten Reflexionsskale in Form von Kalibrierungen Die zweite Apparatur bezeich-net mit dem Acronym ARGon3 (3D Appearance Robot-based Gonioreflectometer) ist ein flexibles Forschungsgeraumlt mit dem experimentelle Unter-suchungen u a im Rahmen des EMRP-Projektes Multidimensional Reflectometry for Industry der EU [13] durchgefuumlhrt werden Im Ver gleich zum Standard-Gonioreflektometer ist dieses Geraumlt mit einer photometrischen Leuchtdichteka-mera und einer Zeilenkamera ausgeruumlstet Die Leuchtdichtekamera erlaubt mit einer speziellen

Bild 7 Die beiden roboter-basierten Gonio-reflektometer der PTB oben Standard-Gonioreflektometer fuumlr Kundenkalibrie-rungen unten ARGon3-Messplatz fuumlr Forschungsanwen-dungen

Bild 8 Visualisierung desSparkling-Effektesvon Xironareg-Volcanic-Sparks-Pigmenten als Falschfarben-darstellung der ortsaufgeloumlsten LeuchtdichteDie bdquoNadelnldquo zeigendie Position derPigmente an

Bild 9 Beispielgeometrien zur Messung der winkelabhaumlngigen Reflexionseigen-schaften Realisiert wurden 4 Einstrah-lungsrichtungen (rote Pfeile) mit jeweils 114 Reflexionswinkeln (schwarze Punkte) im Bereich der Viertel-kugel oberhalb der Probenoberflaumlche

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PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4Das Jahr des Lichtes

bereich 0deg bis 70deg gleichmaumlszligig verteilt uumlber den Viertelraum oberhalb der Probe dauert hierbei ca 4 Stunden [14] Die so erhaltenen Daten bilden die Basis fuumlr kuumlnftige Verbesserungen in der Mess-technik fuumlr Anwender und Hersteller

Im Rahmen des EMRP-Projektes Multidimen-sional Reflectometry for Industry [13] sind damit die winkelabhaumlngigen Reflexionsspektren von insgesamt 66 verschiedenen Effektpigmentproben gemessen worden [15 16] Bei den vier verschie-denen Einstrahlungsrichtungen verbunden mit jeweils 114 Reflexionswinkeln im Bereich der Vier-telkugel oberhalb der Probenoberflaumlche ergeben sich somit uumlber 30000 Reflexionsspektren

Zielsetzung der Untersuchungen ist die Ver-besserung der Metrologie zur Materialcharak-terisierung mit reduzierter Messunsicherheit Dazu werden neue Messvorschriften und neue Standardmessartefakte entwickelt mit denen die Industrie die visuelle Wahrnehmung der von ihr produzierten Oberflaumlchen gezielt charakterisie-ren und kontrollieren kann Solche Messungen sollten einfach auszufuumlhren sein und die Ergeb-nisse muumlssen soweit wie moumlglich mit der visuellen menschlichen Wahrnehmung korrelieren Im europaumlischen und internationalen Rahmen sollen die Ergebnisse in die Normung einflieszligen um die allgemeine Vergleichbarkeit solcher Messungen zu gewaumlhrleisten

Literatur

[1] CS Henshilwood et al A 100000-Year-OldOchre-Processing Workshop at Blombos CaveSouth Africa Science Vol 334 No 6053 219ndash2222011

[2] Mark D Fairchild Color Appearance Models2nd Ed John Wiley amp Sons Ltd 2005

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[4] WR Cramer Der richtige Blickwinkel Farbe amp Lack 092006 26ndash30 2006

[5] G Zaltman How Customers Think EssentialInsights into the Mind of the Market HarvardBusiness Review Press 2003

[6] DIN ISO 18451-12015-11 Pigmente Farbstof-fe und Fuumlllstoffe ndash Begriffe ndash Teil 1 AllgemeineBegriffe

[7] WR Cramer Ohne Glimmer aber mit GlanzFarbe amp Lack 042003 132ndash136 2003

[8] WR Cramer Es glitzert wie am SternenhimmelFahrzeug + Karosserie 0412 20ndash22 2012

[9] E Kirchner W Cramer Making sense of measure-ment geometries for multi-angle spectrophotome-ters Color Res Appl Vol 37 No3 186ndash198 2012

[10] D Huumlnerhoff U Grusemann A Houmlpe Newrobot-based gonioreflectometer for measuringspectral diffuse reflection Metrologia 43 S11ndashS162006

[11] A Houmlpe D Huumlnerhoff K-O Hauer Robot-basedgonioreflectometer Industrial Robotics Program-ming Simulation and Applications Low Kin-Huat Ed Pro Literatur-Verlag Mammendorf623ndash632 2007

[12] A Houmlpe T Atamas D Huumlnerhoff S TeichertK-O Hauer ARGon3 ndash bdquo3D Appearance Robot-based Gonioreflectometerrdquo at PTB Rev SciInstrum 83(4) 045102-1ndash045102-8 2012

[13] European Metrology Research Program ProjectIND52 bdquoxD-Reflectldquo Multidimensional Reflecto-metry for Industry wwwxdreflecteu(letzter Aufruf 03122015)

[14] T Atamas K-O Hauer A Houmlpe Appearancemeasurements of goniochromatic colours Predic-ting Perceptions Proceedings of the 3rd Internati-onal Conference on Appearance 149ndash154 2012

[15] A Houmlpe A Koo FM Verdu FB LeloupG Obein et al bdquoMultidimensional reflectometryfor industryrdquo (xD-Reflect) an European researchproject Proc SPIE 9018 Measuring Modelingand Reproducing Material AppearanceSPIE-ISampT Vol 9018 901804-1ndash901804-11 2014

[16] A Houmlpe K-O Hauer S Teichert D HuumlnerhoffC Strothkaumlmper Goniochromatic and Sparkleproperties of effect pigmented samples in mul-tidimensional configuration Proc SPIE 9398Measuring Modeling and Reproducing MaterialAppearance 2015 SPIE Proc Vol 9398 Appea-rance 93980O-1ndash7 2015

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Die 50 Sitzung des Internationalen Komitees fuumlr das gesetzliche Messwesen (CIML) fand vom 20 bis 22 Oktober 2015 in Arcachon Frankreich statt Im Vorfeld der CIML-Sitzung fand ein ein-taumlgiges OIML-Seminar uumlber Countries and Econo-mies with Emerging Metrology Systems (CEEMS) statt uumlber das weiter unten berichtet wird

Das CIML ist der Lenkungsausschuss der OIML Es trifft sich jaumlhrlich und besteht aus je einem Repraumlsentanten der Mitgliedstaaten der korrespondierenden Mitglieder und den Vertre-tern internationaler und regionaler Organisa-tionen die als Beobachter teilnehmen koumlnnen Das CIML ist zustaumlndig fuumlr die Vorbereitung und Durchfuumlhrung der Entscheidungen der Konfe-renz die alle vier Jahre stattfindet Es uumlberwacht die Arbeiten der Technischen Komitees und Unterkomitees und des Internationalen Buumlros fuumlr das gesetzliche Messwesen (BIML) in Paris

An der 50 CIML-Sitzung nahmen 144 Teilneh-mer aus 43 Mitgliedstaaten und 13 korrespondie-renden Mitgliedstaaten teil Zur deutschen Dele-gation gehoumlrten neben den o g Autoren auch die Herren Johann Fischer Direktor des Landesamts fuumlr Mess- und Eichwesen Berlin-Brandenburg sowie Prof Olaf Kuumlhn Direktor des Thuumlringer Landesamts fuumlr Verbraucherschutz als Vertreter der Bundeslaumlnder Dr Peter Ulbig Leiter der Abteilung Wissenschaftlich-technische Quer-schnittsaufgaben der PTB und Prof Manfred Kochsiek Vizepraumlsident a D der PTB ehema-liger CIML-Praumlsident und Ehrenmitglied der OIML Frau Dr Anna Cypionka persoumlnliche Referentin des Praumlsidenten der PTB nahm am OIML-Seminar fuumlr CEEMS teil Vertreten waren auch wieder internationale und regionale Orga-nisationen zu denen die OIML Verbindungen unterhaumllt wie das Internationale Buumlro fuumlr Maszlig und Gewicht (BIPM) die GSO-GCC Standardiza-tion Organization (Saudi-Arabien) die Internatio-nal Laboratory Accreditation Cooperation (ILAC) und der Europaumlische Verband der Waagenherstel-ler (CECIP)

Alle Beschluumlsse der 50 CIML-Sitzung koumlnnen auf den Internetseiten der OIML aufgerufen werden [1 2]

Die wichtigsten Entscheidungen und Entwick-lungen werden nachfolgend vorgestellt

1 Personalangelegenheiten

Der Vertrag von Willem Kool als Assistant Director wurde um vier Jahre der Vertrag des BIML-Direk-tors Stephen Patoray um drei Jahre verlaumlngert

2 Einfuumlhrung des PG Workspace im Internet

In seinem Bericht im Zusammenhang mit der Etablierung des neuen Webauftritts der OIML hob der CIML-Praumlsident Peter Mason (UK) die erfolgreiche Einfuumlhrung des Workspace fuumlr Pro-jektgruppen hervor Durch die Online-Arbeit wird erwartet dass die technische Arbeit an neuen bzw zu revidierenden OIML-Dokumenten vereinfacht und insgesamt effizienter wird

3 Revision der technische Richtlinien fuumlr die OIML (B 6 Directives for OIML tech-nical work)

In einem neuen Projekt sollen die in den vergan-genen Jahren revidierten OIML-Richtlinien fuumlr die technische Arbeit erneut uumlberarbeitet werden um u a den Prozess der Entwicklung und Uumlber-arbeitung von OIML-Publikationen noch weiter zu beschleunigen und den neuen internetbasierten Technologien und Arbeitsweisen Rechnung zu tragen

4 Umfassende strukturelle Uumlberarbeitung des OIML Certificate System

Das CIML verabschiedete die Gruumlndung einer Projektgruppe mit der Aufgabe einer substan-ziellen Uumlberarbeitung des OIML-Zertifizierungs-systems das z Zt aus dem Basiszertifizierungs-system und dem MAA3 besteht Urspruumlnglich ausgehend von der Annahme die Akzeptanz des MAA-Zertifizierungssystem muumlsse verstaumlrkt werden eine groumlszligere Verbreitung finden und mehr Messgeraumltearten abdecken erscheint es

Aktuelles aus der OIML (Internationale Organisation fuumlr das Gesetzliche Messwesen)Bericht uumlber die 50 Sitzung des CIML in Arcachon FrankreichSusanne Ludwig Roman Schwartz

INTERNATIONALE ZUSAMMENARBEIT

Susanne Ludwig OIMLshyGeschaumlftsstelle der PTB EshyMail susanneludwigptbde

Dir u Prof Dr Roman Schwartz Vizepraumlsident der PTB deutsches Mitglied im Internashytionalen Komitee fuumlr das Gesetzliche Messwesen (CIML) und CIMLshyVizepraumlsishydent EshyMail romanschwartzptbde

3 Mutual Acceptance Arrangement (Abshykommen zur gegenshyseitigen Anerkennung von Bauartpruumlfungen)

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PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4Internationale Zusammenarbeit

inzwischen sinnvoller und wurde so auch vom CIML beschlossen zum 112017 ein einziges OIML-Zertifizierungssystem einzufuumlhren Eine Projektgruppe (Certification System Project Group = CSPG) unter dem Vorsitz des CIML-Vizepraumlsi-denten Dr Roman Schwartz wurde damit beauf-tragt die notwendigen Dokumente und Prozedu-ren auszuarbeiten

5 OIML-Seminar fuumlr Countries and Economies with Emerging Metrology Systems (CEEMS)

Im Vorfeld der CIML-Sitzung wurde ein eintaumlgiges Seminar zum Thema Developing an OIML Package for Assistance to Countries with Emerging Metro-logy Systems (CEEMS) abgehalten In vier Sitzun-gen diskutierten 125 Teilnehmer aus 49 Laumlndern uumlber Moumlglichkeiten Laumlnder beim Aufbau von nationalen Metrologiesystemen zu unterstuumltzen In der ersten von Frau Dr Cypionka geleiteten Sitzung Capacity Building ging es um die allge-meinen Herausforderungen bei der Gestaltung von Programmen zur Foumlrderung von Handlungs-kompetenzen und Vermittlung von Wissen fuumlr die Metrologie In zwei weiteren Sitzungen wurden unter den Themen Helping CEEMS Improve Regulation in their Markets (Leitung Prof Dr Manfred Kochsiek) und New Ideas ndash Doing Legal Metrology Differently (Leitung Stuart Carstens

Suumldafrika) konkrete inhaltliche Loumlsungsvorschlaumlge vorgestellt und diskutiert Die Ergebnisse wurden in der 50 CIML-Sitzung vorgestellt und fanden ihren Niederschlag in der Resolution Nr 201510 [2] sie sollen auch noch auf den OIML-Webseiten veroumlffentlicht werden [1]

6 OIML-Publikationen

Folgende OIML-Publikationen wurden verabschiedet

R 139-3 Compressed gaseous fuels measuring systems for vehicles Part 3 Test report format

New Recommendation (R 145) Ophthalmic instru-ments mdash Impression and applanation tonometers

Alle OIML-Publikationen stehen im Internet frei zur Verfuumlgung [3]

Gleichzeitig wurde die Revision der folgenden OIML-Publikation beschlossen

Revision of R 79 Labeling requirements for prepackages

Folgende neue Projekte wurden verabschiedet

Revision des OIML-Dokuments B 6-1 Directives for OIML technical work

Bild 1 Teilnehmer der 50 Sitzung des Internationalen Komitees fuumlr Gesetz-liches Messwesen (CIML) in Arcachon Frankreich

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PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4 Aktuelles aus der OIML

TC 8SC 1 Revision R 71 Fixed storage tanks mdash General requirements

TC 8SC 1 Revision R 85 Automatic level gauges for measuring the level of liquid in stationary storage tanks

7 Personalien und Ehrungen

Die von Dr Seiler dem ehemaligen Leiter des Fachbereichs bdquoTechnische Zusammenarbeitldquo der PTB initiierte OIML-Auszeichnung fuumlr bdquoexzel-lente Beitraumlge von Entwicklungslaumlndern zum gesetzlichen Messwesenldquo ging in diesem Jahr an

bull Nam Hyuk Lim Director of Korea Testing Certi-fication und

bull The Metrology Department Saint Lucia Bureau of Standards

Die OIML-Medaille fuumlr besondere Verdienste um die OIML-Arbeit ging an Ngo Quy Viet Vietnam und Cartaxo Reis aus Portugal

8 Termine

Ein Gastgeberland fuumlr die 51 CIML-Sitzung und 15 OIML-Konferenz im Jahr 2016 konnte noch nicht bekannt gegeben werden es wird aber wahr-scheinlich wieder Frankreich sein Weitere OIML-Veranstaltungen und -Termine finden sich auf der OIML-Webseite unter [4]

9 Literatur

[1] httpswwwoimlorgen (letzter Aufruf 19112015)

[2] httpswwwoimlorgenstructurecimlpdf50-ciml-resolutions-englishpdf (letzter Aufruf 19112015)

[3] httpswwwoimlorgenpublicationsrecommen-dationspublication_viewp_type=1ampp_status=1

[4] (letzter Aufruf 19112015)[5] httpswwwoimlorgeneventscalendar

(letzter Aufruf 19112015)

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TECHNOLOGIETRANSFER

E27-Scanner fuumlr UlbrichtkugelnMit dem besonders einfach ohne Umbau einsetzbaren E27-Scanner koumlnnen Anwender und Hersteller die Homogenitaumlt ihrer Ulbricht-kugeln bestimmen und die Ergebnisse zur Berechnung genauerer Lichtstroumlme und zur Dokumentation der Qualitaumlt ihrer Messungen nutzen

Hintergrund

Wie viel Licht eine Lampe insgesamt in alle Richtungen abstrahlt wird durch ihren Lichtstrom ausgedruumlckt Um den fuumlr die Bestimmung der Energieeffizienz von Lampen notwendigen Lichtstrom schnell zu er mitteln setzt die Lampenindustrie Ulbrichtkugeln ein An einer Stange in der Mitte der Ulbrichtkugel befindet sich eine E27-Lampen-fassung in die nacheinander die Lichtstrom-Normallampe und die zu kalibrierende Lampe eingeschraubt werden Das indirekt auf den Mess-kopf fallende Licht erzeugt einen Photostrom der im Idealfall propor-tional zu dem von der Lampe abgestrahlten Lichtstrom ist unabhaumlngig von der Richtung in die das Licht abgestrahlt wird

Dies ist jedoch bei einer ungleichmaumlszligigen Beschichtung der Kugel sowie bei einer im Laufe der Zeit nicht zu verhindernden Verstaubung nicht der Fall Deshalb wird mit einem Kugelscanner die Homogenitaumlt der Kugel regelmaumlszligig vermessen und ein Korrekturfaktor bestimmt der von der jeweiligen Abstrahlcharakteristik der zu untersuchenden Lampe abhaumlngt

Technische Beschreibung

Der Kugelscanner wird einfach in eine E27-Fassung geschraubt und das sonst fuumlr die Lampenversorgung eingesetzte Netzgeraumlt wird durch die Steuereinheit ersetzt Diese uumlbernimmt sowohl die elektrische Versor-gung als auch die Befehlsuumlbermittlung zum Kugelscanner Die Steuer-einheit wird via USB oder RS232 an einen Computer angeschlossen Das mitgelieferte Messprogramm stellt automatisiert alle gewuumlnschten Richtungen ein und speichert die zugehoumlrigen von der Steuereinheit gemessenen Photostroumlme des Photometers

Wirtschaftliche Bedeutungw

Fuumlr Lampenindustrie und Hersteller von Ulbrichtkugeln

bull Genauere Messung des Lichtstroms

bull Bestimmung des Zeitpunkts einer Neubeschichtung

bull Uumlberwachung beim Beschichten

bull Dokumentation des Zustands der Ulbrichtkugel

EntwicklungsstandDer E27-Kugelscanner wurde in der PTB entwickelt Er wird laufend fuumlr Kalibrierungen eingesetzt Die Technologie wurde an die Firma Czibula amp Grundmann transferiert und wird dort mit einer PTB-Lizenz gebaut und vertrieben wwwphoto-metercom

Ansprechpartner

Dr Bernhard SmandekBeauftragter fuumlr TechnologietransferTelefon +49 531 592shy8303Telefax +49 531 592shy69shy8303EshyMail technologietransferptbde

Dr Stefan WinterFachbereich Photometrie und Radiometrie

Abbildung des E27shyKugelscanners Eine stark fokussierende Lampe die computergesteuert in alle Richtungen leuchten kann

Vorteile

bull Schneller Einbau in E27shyFassung

bull Computergesteuertes Abscannen der gesamten Ulbrichtkugel

bull Flexible Messmoumlglichkeiten

bull Fuumlr genauere Lichtstromshymessungen

bull Wichtig fuumlr die Qualitaumltsshysicherung

PTBshyNummer 0172

wwwtechnologietransferptbde

49

PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4 Technologieangebote

Ansprechpartner

Dr Bernhard SmandekBeauftragter fuumlr TechnologietransferTelefon +49 531 592shy8303Telefax +49 531 592shy69shy8303EshyMail technologietransferptbde

Dr Stefan WinterArbeitsgruppe Solarzellen

PulsshyzushyCWshyKonverter

Umwandlung gepulster Laser-Strahlung in konstante StrahlungIn weiten Bereichen der optischen Metrologie ist eine Strahlungs-quelle von groszligem Nutzen die sich spektral vom UV-C bis ins mitt-lere IR durchstimmen laumlsst Lediglich Laser mit gepulster Strahlung erfuumlllen diese Anforderung bei ausreichend groszligem Ausgangssignal bisher luumlckenlos Femtosekunden-Lasersysteme waumlren aufgrund ihrer gut automatisierbaren und spektral weiten Durchstimmbarkeit die ideale Strahlungsquelle fuumlr z B radiometrische Anwendungen ndash wenn ihre Strahlung nicht gepulst waumlre

Durch das extreme Puls-Pausen-Verhaumlltnis von 10ndash5 entstehen hohe Spitzenleistungen die wiederum zu Saumlttigungseffekten bei Detek-toren und in der Folge zu nichtlinearem Verhalten fuumlhren koumlnnen Mit dem in der PTB entwickelten Puls-zu-CW-Konverter wird dieses Problem geloumlst

Technische Beschreibung

Bei dieser Methode werden Pulse gepulster Strahlungsquellen ausrei-chend hoher Repetitionsrate in CW-Strahlung umgewandelt Dabei wird jeder Puls in viele kleine Teilpulse aufgeteilt die auf unterschiedlich langen Wegstrecken unterschiedliche Laufzeiten erfahren Am Ausgang des Systems erscheinen sie dann zeitlich gleichmaumlszligig verteilt Realisiert wird dieser Puls-zu-CW-Konverter uumlber ein Glasfaserbuumlndel bei dem jede Einzelglasfaser eine individuell festgelegte Laumlnge besitzt

Mit der Entwicklung des Puls-zu-CW-Konverters wurde das ent-scheidende Manko beim Einsatz leistungsstarker Femtosekunden(fs)-Lasersysteme im Bereich der Metrologie beseitigt und erstmalig gepulste Laserstrahlung in CW-Strahlung umgewandelt Diese Neuentwicklung ermoumlglicht es nun herkoumlmmliche Monochromatorsysteme durch fs-Lasersysteme zu ersetzen die eine bis zu 1000-mal houmlhere spektrale Ausgangsleistung besitzen

Wirtschaftliche Bedeutung

Durch den neuen Puls-zu-CW-Converter koumlnnen in wirtschaftlich bedeutenden Bereichen wie z B der Photovoltaik der Photometrie der UV-Strahlungsmesstechnik und der Reflektometrie die Referenz- und Transfernormale mit einer deutlich reduzierten Messunsicherheit kali-briert werden Hier werden bislang wesentliche Messunsicherheitsan-teile durch zu geringe Strahlungsleistungen aus herkoumlmmlichen Mono-chromatorsystemen verursacht

Entwicklungsstand

Unter DE 10 2010 011 615 B4 wurde fuumlr den CW-Konverter ein Patent erteilt

Vorteile

bull Zeitliche Glaumlttung gepulster Laserstrahlung

bull Keine stoumlrenden Interferenzen

bull Nur minimale Absorption des Messsignals

bull Auch bei kuumlrzeren Wellenshylaumlngen ohne Ulbrichtkugel verwendbar

bull Kontinuierliche Verteilung des Ausgangspulses

bull Pulsvervielfachung

bull Houmlhere Strahlungsleistung

PTBshyNummer 0254

wwwtechnologietransferptbde

50

PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4Technologieangebote

50

Homogenisierung von Strahlungsquellen und Focal Plane Arrays (FPA)Ein neuartiges Verfahren ermoumlglicht softwaregestuumltzt eine deutlich verbesserte Kalibrierung von Mehrelement-Sensoren (FPA) und bildgebenden Systemen (Kameras) Bei flaumlchigen Strahlungsquellen kann zusaumltzlich eine gezielte Ansteuerung von Flaumlchenelementen zu einer bisher im Allgemeinen nicht erreichbaren Flaumlchenhomogenitaumlt fuumlhren

Technische Beschreibung

Flaumlchenstrahler dienen der Kalibrierung von ortsaufloumlsenden Strah-lungssensoren wobei davon ausgegangen wird dass die Emissionsflaumlche des Strahlers im Wesentlichen homogen bezuumlglich ihrer Strahldichte bzw Strahlungstemperatur ist Um kleine Inhomogenitaumlten eines Flaumlchenstrahlers zu charakterisieren ist es ein gaumlngiges Verfahren die Emissionsflaumlche punktweise mit einem Einzeldetektor abzutasten

Das neue PTB-Verfahren ist wesentlich schneller da es den Mehr-element-Sensor (FPA) das device-under-test selbst nutzt und damit immer ein Gesamtbild der Quelle aufnimmt Werden jetzt weitere Bilder zeilen- oder spaltenversetzt aufgenommen so erlaubt ein mathema-tischer Algorithmus bei nur drei Bildern eine komplette Charakterisie-rung des Sensors aber auch der Quelle

Sind Flaumlchenelemente der Strahlungsquelle einzeln ansteuerbar so ist es sogar moumlglich mittels der ermittelten Korrekturwerte zu Strahlquellen extrem hoher Homogenitaumlt im on-line-Betrieb zu gelangen

Wirtschaftliche Bedeutung

Bildgebende Strahlungssensoren und homogene Strahlungsquellen sind relevant fuumlr die Forschung und Entwicklung fuumlr die Prozesstechnik fuumlr die Charakterisierung der Energieeffizienz von Bauten bei der Ent-wicklung neuer Bauteile mit hoher thermischer Belastung und in vielen weiteren Bereichen Der mathematische Algorithmus ist aber auf unter-schiedliche Arten von Kamerasystemen anwendbar und damit auch fuumlr die Qualitaumltssicherung von CCD-Kameras bis hin zum Konsumguuml-termarkt anwendbar EntwicklungsstandEine deutsche Patenterteilung erfolgte im September 2015 Eine PCT-Anmeldung ist anhaumlngig Kooperations- und Lizenzpartner aus den Bereichen Thermografie Radiometrie und Photometrie zur Umsetzung des Konzeptes werden gesucht

Ansprechpartner

Dr Bernhard SmandekBeauftragter fuumlr TechnologietransferTelefon +49 531 592shy8303Telefax +49 531 592shy69shy8303EshyMail technologietransferptbde

DiplshyIng Berndt GutschwagerArbeitsgruppeInfrarotshyStrahlungsthermometrie

Stahlungsmessplatz der PTB zur Kalibrierung von Temperaturstrahlern und Waumlrmebildkashymeras

Vorteile

bull Schnelle Kalibrierung von Flaumlchensensoren (FPA)

bull Schnelle Kalibrierung von Flaumlchenstrahlern

bull Strahlquellen houmlchster Hoshymogenitaumlt

bull Fuumlr Thermografie und Phoshytometrie

PTBshyNummer 00374

wwwtechnologietransferptbde

Verlag Fachverlag NW in der Carl Schuumlnemann Verlag GmbHZweite Schlachtpforte 728195 Bremen Internet wwwschuenemannde E-Mail infoschuenemann-verlagde

Herausgeber Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB) Braunschweig und Berlin Postanschrift Postfach 33 45 38023 Braunschweig Lieferanschrift Bundesallee 100 38116 Braunschweig

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Printed in Germany ISSN 0030-834X

Die fachlichen Aufsaumltze aus dieser Ausgabe der PTB-Mitteilungen sind auch online verfuumlgbar unterdoi 10779531020150499

Die Physikalisch-Technische Bundesanstalt das nationale Metrologieinstitut ist eine wissenschaftlich-technische Bundesoberbehoumlrde im Geschaumlftsbereich des Bundesministeriums fuumlr Wirtschaft und Energie

mitteilungen

Impressum

Die PTB-Mitteilungen sind metrologisches Fachjournal der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt Braunschweig und Berlin Als Fachjournal veroumlffentlichen die PTB- Mitteilungen wissenschaftliche Fachaufsaumltze zu metrologischen Themen aus den Arbeitsgebieten der PTB Die PTB-Mitteilungen stehen in einer langen Tradition die bis zu den Anfaumlngen der Physikalisch-Technischen Reichsanstalt (gegruumlndet 1887) zuruumlckreicht

Bundesallee 100 38116 Braunschweig

Presse- und Oumlffentlichkeitsarbeit

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Physikalisch-Technische BundesanstaltBraunschweig und BerlinNationales Metrologieinstitut

Die Physikalisch-Technische Bundesanstalt das nationale Metrologieinstitut ist eine wissenschaftlich-technische Bundesoberbehoumlrde im Geschaumlftsbereich des Bundesministeriums fuumlr Wirtschaft und Energie

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Hef

t 42

015

10

Das Jahr des Lichtes PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4

repraumlsentiert und bewahrt durch eine Gruppe von 17 hochstabilen Gluumlhlampen (Typ Toshiba 5 A 10 V 15 cd) deren Strahlungsfunktionen der eines Hohlraumstrahlers von 2042 K sehr aumlhnlich sindDie Gesamtmessunsicherheit einer Realisierung der Lichtstaumlrke-Einheit in der PTB beim Vertrau-ensniveau k = 2 berechnet sich so zu 04

Gluumlhlampen altern praktisch nur waumlhrend ihrer Brennzeit demgegenuumlber koumlnnen Photometer ihre Eigenschaften unabhaumlngig vom Gebrauch veraumlndern Bild 2 verdeutlicht diesen Sachverhalt Deshalb sollten photometrische Einheiten mit Normallampen verkoumlrpert und bewahrt werden

sie dienen zum Kalibrieren von Photometern Kalibrierte Photometer sollten dagegen vorzugs-weise als Transfernormale verwendet werden

Weitergabe der Lichtstaumlrke-Einheit

Als Lichtstaumlrkenormale werden speziell gefertigte Gluumlhlampen mit besonderen optischen geometri-schen und elektrischen Eigenschaften verwendet z B die Lampe Typ OSRAM WI41G Bild 3 zeigtschematisch eine solche Lampe die zur Reduzie-rung der mechanischen Justierunsicherheit miteinem Spezialsockel der PTB ausgestattet wurdeZur Weitergabe der Lichtstaumlrke-Einheit werdenGruppen solcher Lampen als Lichtstaumlrkenormaleverwendet wobei auf Verteilungstemperaturenzwischen 2000 K und 2856 K eingestellt werdenkann siehe Bild 3 unten

In der PTB erfolgt die Bestimmung der Lichtstaumlrke Iv(T) einer Lampe durch den Vergleich mit der Lichtstaumlrke Iv(TR) eines nationalen Normals mit einer Verteilungstemperatur TR und mithilfe eines an V(λ)-angepassten Photometers mit den zugehouml-renden Photostroumlmen y(T) und y(TR)

Bild 1 Kameragestuumltzte mechanische Ausrichtung einer Lichtstaumlrke-Normallampe an derPhotometerbank Quelle PTB

0990

0992

0994

0996

0998

1000

1002

0 5 10 15 20 25

Rel Werte

Brennzeith

Bild 2 Alterungsverhalten von Lampen und Photometern Links schematisch rechts reales Alterungsver-halten einer Lampe im Betrieb rot Strom blau Spannung gruumln Lichtstaumlrke

Bild 3 Lichtstaumlrke-Normallampe WI41G mit PTB-Spezialsockel (oben) sowie verschiedene Lichtstaumlrke-Normallampen-gruppen zur Bewahrung und Weitergabe der Lichtstaumlrke-Einheit (unten)

11

Ruumlckfuumlhrung in der Photometrie hellipPTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4

I T I T y Ty T

TT

m

v v RR R

( ) ( ) ( )( )

= sdot sdot

(14)

Lichtstaumlrke-Normallampen

Die von der PTB in Kalibrierscheinen angegebe-nen Werte fuumlr die photometrischen Groumlszligen bezie-hen sich immer auf einen definierten Betriebszu-stand der Lampe Ihr momentaner Betriebszustand wird dagegen wesentlich bestimmt durch

bull die Zeitspanne seit dem Einschalten

bull die Betriebszustaumlnde bei fruumlheren Brennvor-gaumlngen und deren Dauer

bull die Eigenschaften der verwendetenMessapparatur

Zur Weitergabe der Lichtstaumlrke-Einheit werden zumeist Lampen des Typs WI41G verwendet Einige charakteristische Eigenschaften dieses Lam-pentyps werden nachfolgend angegeben - Kurzzeitstabilitaumlt ∆I Iv v le sdot minus2 10 4

- mechanische Justierunsicherheitfuumlr Lampe mit E27-Sockel ∆I Iv v le sdot minus2 10 3 fuumlr Lampe mit Spezialsockel ∆I Iv v le sdot minus4 10 4

- photometrisches Signal Alterung je Brennstundebzw Rauschen (siehe folgendes Bild 4)

- Richtungsabhaumlngigkeit der Lichtstaumlrke beiDrehung um die vertikale und horizontale Achse in der Leuchtkoumlrperebene Abhaumlngigkeit uumlberwiegend bei Drehung um die horizontale Achse fuumlr beide Winkel sollte der Justierfehler 1deg nicht uumlbersteigen

Bei der Weitergabe der Einheiten der gerich-teten Photometrie macht man sich das Moni-torverfahren zunutze D h der aktuelle photo-metrische Betriebszustand von Lichtstaumlrke- und Leuchtdichte normalen wird durch geeignete Monitortechniken kontrolliert Dafuumlr werden spe-ziell konstruierte Monitorphotometer eingesetzt (siehe folgendes Bild 5)

Die Signale der Monitorphotometer werden synchron mit den Referenz- bzw Testphotometern ausgelesen und dokumentieren so die bdquoEinbrenn-phaseldquo bzw die Stabilitaumlt des photometrischen Signals waumlhrend der Messablaumlufe und dienen gegebenenfalls zur Korrektur

Kalibrierung von Photometern

Bei der Kalibrierung von Photometern wird deren absolute spektrale Bestrahlungsstaumlrke-Empfindlich-keit vom UV bis ins nahe Infrarot bestimmt Dabei wird das Photometer im quasi monochromatischen homogenen Strahlungsfeld bekannter Bestrahlungs-staumlrke vollstaumlndig uumlberstrahlt und die sich dabei ergebende Stromstaumlrke gemessen Der Quotient aus Stromstaumlrke und Bestrahlungsstaumlrke bei der einge-stellten Wellenlaumlnge ergibt die spektrale Bestrah-lungsstaumlrke-Empfindlichkeit s(λ) Diese Messung wird alle 5 nm von 360 nm bis mindestens 830 nm durchgefuumlhrt und ergibt dann einen Kurvenverlauf der bei guten Photometern der oben beschriebenen V(λ)-Funktion sehr nahe kommt

Aus der experimentell bestimmten spektralen Bestrahlungsstaumlrke-Empfindlichkeit s(λ) laumlsst sich nun mithilfe tabellarisch definierter Groumlszligen (Normlichtart A S(λ 2856 K) V(λ)-Funktion und dem Maximalwert des Strahlungsaumlquivalents Km) die in Formel (2) eingefuumlhrte photometrische Empfindlichkeit sv des Photometers zusammen mit Formeln (3) und (4) berechnen

sS s

K S Vv

m

d

d=

sdot sdot

sdot sdot

infin

infinintint

( ) ( )

( ) ( )

λ λ λ

λ λ λ

2856

2856

0

0

K

K (15)

Ebenso laumlsst sich nun nach Formel (11) die Anpas-sungskorrektur F(T) direkt berechnen

2300 2500 2700 T K 2900 1

2

3

4

Alterung je Brennstunde

Rauschen ∆YY104

Photometrisches Signal

2856 K

Bild 4 Alterung je Brennstunde bzw Rauschen des photometri-schen Signals

Bild 5 Monitor-Photometer zur Uumlberwachung bzw Korrektur der Stabilitaumlt bei Messungen in der gerichteten Photometrie

Monitor-Photometer

12

Das Jahr des Lichtes PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4

Experimentell wird die spektrale Bestrahlungs-staumlrke traditionell mit einem Monochromator-messplatz wie dem DSR-Messplatz ermittelt Dieser sondert aus einem Xenonlampenspektrum oder einem Gluumlhlampenspektrum einen schma-len Wellenlaumlngenbereich aus der dann fuumlr die Bestimmung der spektralen Empfindlichkeit bei seiner Schwerpunktwellenlaumlnge benutzt wird Besonders wichtig ist dabei dass der genaue Wert der Schwerpunktwellenlaumlnge bekannt ist und dass die ausgesonderte Strahlung ein sehr homogenes Strahlungsfeld erzeugt Entscheidend dafuumlr ist der geschickte und wellenlaumlngenabhaumlngige Aufbau der Eingangs- und Ausgangsoptik mit mehreren Linsen

Lampenbasierte Monochromatormessplaumltze haben jedoch einen entscheidenden Nachteil Ihre maximale Leistung betraumlgt typisch nur 100 microW Deshalb muumlssen mehrere Kompromisse bei der Messung eingegangen werden Die Messung muss verhaumlltnismaumlszligig dicht hinter dem Messplatz durch-gefuumlhrt werden wo sich die Bestrahlungsstaumlrke noch stark mit dem Abstand aumlndert und inhomoge-ner als im Fernfeld ist Je spektral reiner die Strah-lung eingestellt wird umso weniger Strahlungs-leistung passiert den Monochromator sodass auch hier wieder ein Kompromiss eingegangen werden muss Trotz der Kompromisse ist der Wellenlaumln-genbereich in dem die spektrale Empfindlichkeit bestimmt werden kann oft auf 400 nm bis 750 nm beschraumlnkt also auf den Bereich bei dem die spekt-rale Empfindlichkeit noch ausreichend hoch ist

Deshalb wurde ein neuer laserbasierter Messplatz aufgebaut (s Bild 6) Dieser erzeugt ein 100- bis 10000-mal kraumlftigeres Strahlungsfeld (s Bild 7) Zudem erlaubt der Messplatz die Bestimmung der Winkelabhaumlngigkeit von Photometern sowie die Messung des spektralen Temperaturkoeffizienten von ndash70 degC bis 180 degC Es koumlnnen mit dem laser-basierten Messplatz selbst unempfindliche Photo-meter in einem deutlich groumlszligeren Wellenlaumlngenbe-reich als bislang gemessen werden (s Bild 8ndash9) Da so viel Strahlungsleistung selbst fuumlr einen erweiter-ten Wellenlaumlngenbereich nicht benoumltigt wird kann mit einem laserbasierten Messplatz im homogenen Fernfeld und mit houmlherer spektraler Reinheit gemessen werden und somit die Messunsicherheit signifikant reduziert werden

Bild 6 Aufbau eines laser-basierten Messplat-zes zur Kalibrierung der spektralen Bestrahlungsstaumlrke-Empfindlichkeit von Photometern Das eigentliche Laser-system ist in der unteren Haumllfte von a) skizziert und in b)als Foto dargestellt

a

b

13

Ruumlckfuumlhrung in der Photometrie hellipPTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4

Realisierung der spektralen Bestrahlungsstaumlrke

Wie bereits vorher erwaumlhnt ist zur Realisierung der Candela die Kenntnis der relativen spektralen Bestrahlungsstaumlrke Er(λ) = S(λ T) von Tempera-turstrahlern (Gluumlhlampen) der Verteilungstempe-ratur T erforderlich

Bereits zum Ende des neunzehnten Jahrhunderts beschaumlftigten sich an der Physikalisch-Techni-schen-Reichsanstalt (PTR) in Berlin die Wissen-schaftler Otto Lummer Ernst Pringsheim und Fer-dinand Kurlbaum unter der Leitung von Wilhelm Wien mit der Pruumlfung elektrischer Gluumlhlampen fuumlr die Industrie und in diesem Zusammenhang mit der Verbesserung von Lampen und Vergleichs-normalen fuumlr Waumlrmestrahlung [4]

Sie entwickelten basierend auf Ideen von Kirch-hoff ab 1895 die ersten Hohlraumstrahler die als sogenannter Schwarzer Strahler zur Erzeugung von Temperaturstrahlung bis zu etwa 2000 K ein-gesetzt werden konnten Aufbauend auf Vorarbei-ten von Kirchhoff (1859) Stefan und Boltzmann (187984) sowie auf eigene Berechnungen (1893) konnte Wilhelm Wien anhand erster Messergeb-nisse 1896 die heute nach ihm benannte Wiensche Strahlungsgleichung aufstellen die die Ergebnisse der Experimente gut traf allerdings systema-tische Abweichungen fuumlr groszlige Produkte von λ middot T ergab Die Wiensche Gleichung war jedoch wesentlich genauer als das von Rayleigh und Jeans aufgestellte Pendant mit seiner inhaumlrenten Ultraviolettkatastrophe

Am 19 Oktober 1900 konnte Max Planck der vom Gastwissenschaftler Heinrich Rubens uumlber die Messergebnisse in der PTR unterrichtet wurde in einer Sitzung der Physikalischen Gesellschaft eine Gleichung vorlegen die die Messungen seiner Kollegen in der PTR besser als alle bis dato bekannten Gleichungen wiedergab Bereits am 14 Dezember 1900 trug er die komplette Her-leitung der Planckschen Strahlungsgleichungwiederum der Berliner Physikalischen Gesellschaftvor und leitete damit (verbunden mit der Energie-quantelung) die Quantenphysik ein [5]

Mithilfe des Planckschen Strahlungsgesetzes laumlsst sich die spektrale Dichte der Bestrahlungs-staumlrke EλBB(λTBB) eines Hochtemperatur-Hohl-raumstrahlers (auch Planckscher Strahler oder Schwarzer Strahler) berechnen

E T T Ad

cn

ec

n Tλ

λ

λ ε λλ BB BB BB

BB

BBBB

( ) = ( ) sdot sdot sdot

minus2

12 5

1

12

(16)

Bild 7 Wellenlaumlngenabhaumlngige optische Leistung des herkoumlmmlichen DSR-Messplatzes (untere Kurven) und des Laser-DSR-Messplatzes einmal direkt hinter dem Laser gemessen (gruumlne Kurven) und einmal die Leistung der tatsaumlchlich in der Messebe-ne nutzbaren Strahlung (rote Kurven)

Bild 8 Photometer Referenzphotodiode (links) sowie Solarzelle (unten) am Laser-DSR-Messplatz

Bild 9 Mit dem Laser-DSR-Messplatz und dem DSR-Messplatz gemessene spektrale Empfindlichkeiten von zwei verschiedenen Photometern (gruumlne und blaue Kurve) sowie die spektrale Empfindlichkeit von der als Referenz benutzten Photodiode (rote Kurve) Die Signalhoumlhen unterscheiden sich um einen Faktor von bis zu 100 Millionen Obwohl das am Laser-DSR-Messplatz gemessene Photometer ca 7 mal unempfindlicher als das am DSR-Messplatz gemessene Photometer ist kann die spektrale Empfindlichkeit in einem deutlich groumlszligeren Wellenlaumlngenbereich gemessen werden

14

Das Jahr des Lichtes PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4

Hierbei ist

TBB die Temperatur des Planckschen Strahlers ε(λTBB) der effektive Emissionsgrad des Strahlers ABB die Groumlszlige der Strahleroumlffnung dBB der Abstand zur Referenzebene fuumlr die Bestrahlungsstaumlrke c1 c2 die Planckschen Strahlungskonstanten und n der Brechungsindex von Luft

In der PTB wird im Fachbereich 41 bdquoPho-tometrie und angewandte Radiometrieldquo ein Hochtemperatur-Hohlraumstrahler vom Typ BB3200pg als nationales Normal fuumlr spektrale Bestrahlungsstaumlrke im Spektralbereich 200 nm bis 2500 nm eingesetzt Der Strahler der vom russi-schen Institut fuumlr optophysikalische Messungen (VNIIOFI) entwickelt [6] und von der PTB fuumlr seine Messaufgabe aufwendig charakterisiert und optimiert wurde [7] besitzt einen Hohlraum aus pyrolytischem Graphit der mittels Gleichstrom auf Temperaturen bis 3200 K aufgeheizt werden kann Der Strahler besitzt einen effektiven Emissions-grad von ε(λTBB) gt 09998 und eine ausgepraumlgte Homogenitaumlt der Temperatur im Hohlraum Er kann somit als Planckscher Strahler behandelt werden

Zur Berechnung des Planckschen Strahlungs-gesetzes werden weitere Groumlszligen des SI-Systems benoumltigt die in der PTB ruumlckfuumlhrbar kalibriert werden So wird zum Beispiel die Strahlerflaumlche ABB in Fachbereich 53 bdquoKoordinatenmesstechnikldquo kalibriert und die Bestimmung der Strahlertem-peratur TBB erfolgt mithilfe von Filterradiometern die in Fachbereich 73 bdquoDetektorradiometrie und Strahlungsthermometrieldquo gegen ein Kryo-

radiometer ruumlckgefuumlhrt werden Mithilfe dieser Berechnungsparameter fuumlr Gleichung (16) kann der Schwarze Strahler als Primaumlrnormal fuumlr strah-lungsphysikalische Groumlszligen eingesetzt werden

Die Kalibrierung von Gluumlhlampen bezuumlglich spektraler Bestrahlungsstaumlrke erfolgt in Sub-stitution durch direkten Vergleich gegen das Primaumlrnormal bzw entsprechend ruumlckgefuumlhrte Sekundaumlrnormale Hierbei handelt es sich um 1000-W-Gluumlhlampen vom Typ FEL die mit einer Verteilungstemperatur von etwa 3080 K einem dem Schwarzen Strahler sehr aumlhnlichen Verlauf der relativen spektralen Strahlungsfunktion besitzen Die Substitution erfolgt mithilfe eines Spektroradiometers das mit drei Monochroma-toren und Empfaumlngern einen Spektralbereich von 250 nm bis 2500 nm abdeckt [8] Eine Ulbrichtku-gel dient als Eingangsoptik und ihre Eintrittsoumlff-nung als Referenzebene fuumlr die Bestrahlungsstaumlrke Die durch die Kugel transmittierte Strahlung gelangt in einen Vormonochromator und wird nach spektraler Vorzerlegung wahlweise in einen Monochromator fuumlr den Spektralbereich 250 nm bis 1100 nm oder in einen Monochromator fuumlr den infraroten Spektralbereich eingekoppelt Ein Photomultiplier eine Si-Photodiode und eine InGaAs-Photodiode erfassen die aus den derart kombinierten beiden Doppelmonochromatoren austretende Strahlung Im fuumlr die Photometrie relevanten sichtbaren Spektralbereich werden spektrale Messungen mit einer spektralen Band-breite von 1 nm und einem Streulichtanteil im Bereich von 10ndash7 durchgefuumlhrt

Das Verhaumlltnis der mit den unterschiedlichen Strahlern gemessenen Photostroumlme entspricht im Wesentlichen dem Verhaumlltnis ihrer spektralen Bestrahlungsstaumlrken Beim Vergleich eines Strah-

Bild 10 Der Hochtemperatur-Hohlraumstrahler BB3200pg der in der PTB als Primaumlrnormal fuumlr die spektrale Bestrahlungsstaumlrke eingesetzt wird Der Hohlraum aus Pyrographit kann bis zu 3200 K aufgeheizt werden

15

Ruumlckfuumlhrung in der Photometrie hellipPTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4

lers bdquoSldquo mit der Verteilungstemperatur T mit dem Schwarzen Strahler der Temperatur TBB laumlsst sich prinzipiell also die unbekannte spektrale Bestrah-lungsstaumlrke EλS (λT) ermitteln aus

E T E Ty

yS eS

λ λλ λλλ ( ) = ( ) sdot ( )( )BB BB

BB

wobei ys(λ) und yBB(λ) die fuumlr die beiden Strahler gemessenen Photostroumlme bei der Wellenlaumlngen-einstellung λ sind und EλBB (λTBB) die spektrale Bestrahlungsstaumlrke des Hochtemperatur-Hohl-raumstrahlers nach dem Planckschen Strahlungs-gesetz (16) ist

Ableitung und Weitergabe weiterer photometrischer Einheiten gerichteter photometrischer Groumlszligen

Neben der Einheit fuumlr die Lichtstaumlrke sind in der gerichteten Photometrie die Einheit der Beleuch-tungsstaumlrke zur Kalibrierung von Photometern und die Einheit der Leuchtdichte zur Angabe von Lampeneigenschaften besonders wichtig

Beleuchtungsstaumlrke

In der PTB werden Beleuchtungsstaumlrke-Messgeraumlte mit einem Referenzphotometer mittels der Substi-tutionsmethode kalibriert wobei die Lichteintritts-flaumlchen der Photometerkoumlpfe an derselben Stelle senkrecht und gleichmaumlszligig beleuchtet werden

Dazu wird zunaumlchst das Referenzphotometer (Linearitaumlt und Anpassungsindex m bekannt) mit Lichtstaumlrke-Normallampen beliebiger Vertei-lungstemperatur T kalibriert Durch Umstellung von Gleichung (13) folgt fuumlr seine photometrische Empfindlichkeit

s d y TI T

Tm

v K= sdot sdot

2

0 2856Ω( )( )

v

(18)

Auf einer 40 m langen Photometerbank siehe Bild 10 koumlnnen dann mit beliebigen Gluumlhlampen unterschiedlicher elektrischer Leistung aber bekannter Verteilungstemperatur Beleuchtungsstaumlrken zwischen 0001 lx und 10000 lx erzeugt werden

Die Kalibrierung von Beleuchtungsstaumlrke-Mess-geraumlten erfolgt meistens mit Licht der Normlicht-art A eine entsprechende Lampe ist in Bild 15 dargestellt Die Anzeige des zu kalibrierenden Beleuchtungsstaumlrke-Messgeraumltes wird mit dem Messwert der Beleuchtungsstaumlrke Ev des Referenz-photometers verglichen

E T ysv

vK( )= =2856

001

01

1

10

100

350 400 450 500 550 600 650 700 750

spek

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stra

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gsst

aumlrke

E[microW

cm

sup2nm

]

Wellenlaumlnge λ [nm]

Schwarzer Strahler (3076 K)Schwarzer Strahker (2995 K)FEL 81 A (3080 K)FEL 67 A (2780 K)WI 41G 54 A (2700 K)

Bild 11 Spektrale Bestrahlungsstaumlrke unterschiedlicher Strahler im sichtbaren Spektralbe-reich Die als Sekundaumlrnormale eingesetzten 1000-W-Gluumlhlampen vom Typ FEL und die in der Photometrie verwendeten Gluumlhlampen vom Typ WI 41G besitzen einen sehr aumlhnlichen spektralen Verlauf wie der als Primaumlrnormal eingesetzte Schwarze Strahler bei unterschiedlichen Strahlertemperaturen

Bild 12 Der Messplatz fuumlr die Kalibrierung von Gluumlhlampen bezuumlglich spektraler Bestrah-lungsstaumlrke in der PTB Auf der rechten Seite befinden sich zwei als Sekun-daumlr- und Arbeitsnormale eingesetzte Gluumlhlampen Auf der linken Seite ist das Spektroradiometer zu sehen dass an seiner Oberseite eine Ulbrichtkugel als Eingangsoptik montiert hat deren Oumlffnung in Richtung Strahler als Referenzebene fuumlr die Bestrahlungsstaumlrke verwendet wird

Bild 13 Messplatz zur Weitergabe der Einheit der Beleuchtungsstaumlrke zur Kalibrierung von Photometern

(17)

(19)

16

Das Jahr des Lichtes PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4

Leuchtdichte

Leuchtdichten homogen leuchtender begrenzter Flaumlchen koumlnnen aus groszligem Abstand wie Licht-staumlrken gemessen werden Wird z B eine kreisfoumlr-mige Blendenoumlffnung (zentrisch und senkrecht zur Messrichtung) zwischen der leuchtender Flaumlche und dem Photometerkopf angeordnet und damit ein Teillichtstrom ausgesondert so kann dieser in groszligem Abstand als Lichtstaumlrke bestimmt werden und es gilt fuumlr die Leuchtdichte Lv der prinzipielle Zusammenhang

LIAvv= (20)

In der PTB wird fuumlr die mit Gluumlhlampen ausgestat-teten Leuchtdichtenormale (d h Verteilungstem-peratur T bekannt) zunaumlchst die photometrische Empfindlichkeit sv des Referenzphotometers wie in Abschnitt 41 bestimmt dann die Lichtstaumlrke nach Gleichung (13) gemessen und schlieszliglich die mittlere Leuchtdichte innerhalb der leuchtenden Flaumlche A nach Gleichung (20) berechnet

Fuumlr Leuchtdichtenormale gelten prinzipiell einige der im Kapitel bdquoLichtstaumlrke-Normallampenldquo aufgefuumlhrten Merkmale Sie unterscheiden sich jedoch im Detail in der Art der Ausfuumlhrung z B sind sie mit Gluumlhlampen oder mit LEDs bestuumlckt sie koumlnnen hinsichtlich der Leuchtdichte bzw Farbe durchstimmbar sein oder mit gesonderter Monitortechnik ausgestattet sein

Die traditionellen Messverfahren zur Bestim-mung der Leuchtdichte bzw die Verwendung von Photometern mit direkter Anzeige der Leuchtdich-tewerte werden zunehmend durch den Einsatz von Leuchtdichtekameras (pixelaufgeloumlste Darstellung von Leuchtdichteverteilungen) ergaumlnzt Eine abso-lute Kalibrierung dieser modernen Systeme stellt aber messtechnisch eine groszlige Herausforderung

Bild 14 Die 40 m lange photometrische Bank zur Realisierung und Weitergabe der Einhei-ten der gerichteten Photometrie

Bild 15 20-kW-Hochleistungshalogengluumlhlampe fuumlr hohe Beleuchtungsstaumlrken zur Kalibrierung von Beleuchtungsstaumlrke-Messgeraumlten u a mit Normlichtart A

Bild 16 Gluumlhlampenbasierte Normale zum Transfer der Leuchtdichte-Einheit

17

Ruumlckfuumlhrung in der Photometrie hellipPTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4

dar aktuell werden zur Charakterisierung solcher Kameras national im FNL3 (Normenausschuss bdquoPhotometrieldquo im DIN) und international in der CIE (TC2-59 TC2-62) u a Messverfahren dis-kutiert die dann mittels definierter Kenngroumlszligen beschrieben werden

Literatur

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Bild 17 Pixelaufgeloumlste Darstellung einer Leuchtdichteverteilung mit einer Leuchtdichtemesskamera

pim_140107_anz_forschung_178x29indd 1 280214 1033

18

PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4Das Jahr des Lichtes

Kurze Geschichte der Goniophotometrie in der PTB Matthias Lindemann

Zusammenfassung

Die Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB) ist das nationale Metrologieinstitut (NMI) der Bundesrepublik Deutschland das seinen Fokus auf die Realisierung Bewahrung und Weitergabe der SI-Einheiten richtet Deshalb hat auch die goniophotometrische Bestimmung des Licht-stroms nahezu beliebiger Lichtquellen eine lange Tradition Seit mehr als 50 Jahren werden in der PTB hierzu noumltige Messsysteme entwickelt genutzt verbessert und an neue Messaufgaben angepasst Schon in den 50er- und 60er-Jahren des vergangenen Jahrhunderts erlaubte ein soge-nanntes Einarm-Goniophotometer die Realisie-rung der Lichtstromeinheit lumen (lm) als direkte Ableitung von der SI-Basiseinheit Candela (cd) mithilfe von Lichtstaumlrke-Normallampen Spaumlter gestattete ein groszliges Kardan-Goniophotometer mit einem Messradius von 25 m die notwendige automatisierte spiralfoumlrmige Bewegung eines Photometers bzw eines Dreibereichsfarbmess-kopfes Fuumlr die Lichtstrom-Kalibrierungen von Kleingluumlhlampen aber auch von zunehmend nachgefragten Messungen an LEDs wurde schon in den fruumlhen 1980er Jahren ein sogenanntes Mini-Goniophotometer ebenfalls als Kardan-

Goniophotometer mit nur 03 m Messradius entwickelt und eingesetzt Dieser Entwicklungs-prozess haumllt an und ermoumlglicht heute die Kalibrie-rung auch modernster LED-Lichtquellen Im Jahr 2006 wurde das erste Roboter-Goniophotometer im neuen Albert-Einstein-Gebaumlude der PTB in Betrieb genommen und ermoumlglicht seitdem die Kalibrierung nahezu beliebiger Lichtquellen mit der noumltigen kleinen Messunsicherheit

1 Einfuumlhrung

Mehr als 11 der elektrischen Energie werden heute in Deutschland fuumlr Beleuchtung einge-setzt Tendenz steigend Daher ist der Lichtstrom oumlkonomisch gesehen die wichtigste photometri-sche Groumlszlige Es ist notwendig seine Einheit das Lumen (lm) direkt von der SI-Basiseinheit fuumlr die Lichtstaumlrke der Candela (cd) abzuleiten Dies geschieht regelmaumlszligig mittels Goniophotometrie um den Lichtstrom der zu untersuchenden Licht-quelle zu bestimmen Obwohl auch absolut arbei-tende Ulbricht-Kugel-Methoden existieren [1] benoumltigen diese streng genommen zumindest die relative raumlumliche Lichtstaumlrkeverteilung welche nur durch goniophotometrische Methoden messbar ist

Das Prinzip der Goniophotometrie ist unabhaumln-gig von der technischen Realisierung der unter-schiedlichen Goniophotometertypen Ein Gonio-photometer misst die raumlumliche Verteilung der Beleuchtungsstaumlrke E(r ϑ φ) auf einer geschlosse-nen Huumlllflaumlche mittels V(λ)-angepasstem Pho-tometer fuumlr alle Richtungen (ϑ φ) der Lichtaus-strahlung im vollen Raumwinkel (4π sr) um die Lichtquelle herum wie Bild 1 zeigt

Der Radiusvektor r(ϑ φ) beschreibt die Position des Photometers in Kugelkoordinaten und r(ϑ φ) durchstoumlszligt das zur Lampe gerichtete Eintrittsfens-ter immer orthogonal Der Radiusvektor r(ϑ φ) beschreibt auch die Entfernung zwischen Lampe und Photometer

Der Winkel ϑ beschreibt die Position des Photometers zwischen den Polen traditionell im Bereich (0 lt ϑ lt π) Der Winkel φ beschreibt die Photometer-Position in der Aumlquator-Richtung

Matthias Lindemann Arbeitsgruppe bdquoGoniophotometrieldquo EshyMail matthiaslindemannptbde

Bild 1 Beleuchtungsstaumlrke E als Funktion des Radiusvektors r(ϑ φ)

19

PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4 Kurze Geschichte der Goniophotometrie in der PTB

(0 lt φ lt 2π) Der Wert des Lichtstroms Φ der Lampe kann aus der Beleuchtungsstaumlrkeverteilung E(ϑ φ) berechnet werden entweder aus der Licht-staumlrkedefinition I = dΦdω oder aus der Defini-tion der Beleuchtungsstaumlrke E = dΦdΑ

Φ = ( )int I ϑ ϕ ω4πsr

d (1)

Φ = ( )int E Ar

ϑ ϕ4 2π

d (2)

Das Raumwinkelelement dω der Gleichung (1) ist gegeben durch

d sin d dω ϑ ϑ ϕ= ( ) (3)

und das Flaumlchenelement dA der Gleichung (2) erhaumllt man aus

d sin d dA r= ( ) ( )2 ϑ ϕ ϑ ϑ ϕ

(4)

Der Radius r des Radiusvektors r(ϑ φ) kann als Konstante behandelt werden da er sich gewoumlhn-lich waumlhrend einer goniophotometrischen Messung nicht aumlndert Dann kann die Lichtstaumlrke-verteilung I(ϑ φ) durch Anwendung des photome-trischen Grundgesetzes aus der Beleuchtungsstaumlr-keverteilung E(ϑ φ) bestimmt werden

I r Eϑ ϕ ϑ ϕ ( ) = ( )2 (5)

Falls die photometrisch wirksame Ausdehnung rL der zu messenden Lampe deutlich kleiner ist als der Messradius r des Goniophotometers ist kann Gleichung (1) mit Gleichung (3) und r = const wie folgt geschrieben werden

Φ = ( ) ( )intintr E2

00

2

d sin dϕ ϑ φ ϑ ϑππ

(6)

Andererseits fuumlhrt Gleichung (2) mit Glei-chung (4) und r = const ebenfalls auf Gleichung (6) Aber fuumlr groszlige Lampen koumlnnte die Anwen-dung von Gleichung (5) zu fehlerhaften Ergeb-nissen fuumlhren (rL gt r) aber der ermittelte Wert des Lichtstroms entsprechend Gleichung (6) waumlre korrekt falls das Photometer das einfallende Licht mit dem Kosinus des Einfallswinkels bewertet

2 Geschichte der Goniophotometer- Systeme in der PTB

Wie bereits teilweise in Abschnitt 1 diskutiert sollte ein ideales Goniophotometer eine Reihe von Anforderungen erfuumlllen wie die folgende Auflis-tung zeigt

1 Kalibrierung der Photometer mittels Licht-staumlrke-Normallampen zur Sicherung der Ruumlckfuumlhrung auf die nationale Realisierung der Einheit Candela

2 Ausfuumlhrung einer Relativbewegung zwischen Lampe und Photometer wobei sich ϑ-Achse und φ-Achse rechtwinklig schneiden

3 Verwendung eines V(λ)-angepassten Photo-meters zur Lichtstrommessung

4 Automatische Messdatenanalyse5 Unabhaumlngige Bestimmung des Lichtstromwer-

tes von der raumlumlichenspektralen Verteilung der gemessenen Bestrahlungsstaumlrke Ee(λ ϑ φ) des Lichts

6 Unabhaumlngigkeit der Empfindlichkeit des Pho-tometers von der Umgebungstemperatur bzw Durchfuumlhrung einer entsprechenden Korrektur

7 Beliebige Betriebslage der zu untersuchenden Lampe

8 Einstellbare Umgebungsbedingungen fuumlr Luft-temperatur und Luftfeuchte

9 Geringer Streulichtanteil im Messraum bzw Streulicht-Korrektur

10 Elektrische Antriebe fuumlr die Bewegung der ϑ- und φ-Achsen

11 Verwendung von Farbmesskoumlpfen zur Bestim-mung der raumlumlich wirksamen aumlhnlichsten Farbtemperatur undoder Bestimmung der relativen raumlumlichen spektralen Verteilung der gemessenen Bestrahlungsstaumlrke

12 Messung ohne Bewegung der zu untersuchen-den Lampe

13 Vollstaumlndige Abtastung der Beleuchtungs-staumlrke- bzw Lichtstaumlrkeverteilung der zu untersuchenden Lampe

14 Staumlndige Uumlberwachung des photometrischen Betriebsverhaltens der Lampe um Alterung waumlhrend der Messzeit erkennen bzw korrigie-ren zu koumlnnen (sogenanntes Monitorsystem)

15 Messraumwaumlnde sollen etwa auf Lufttem-peratur sein um den Strahlungsaustausch zwischen Entladungslampen und Waumlnden des Messraums zu stabilisieren

16 Online-Streulichtkorrektur ndash insbesondere fuumlr ausgedehnte Lampen wie Leuchtstofflampen da diese den Einsatz eines Streulichttubus mit groumlszligerem Gesichtsfeld erfordern

17 Die Beleuchtungseinrichtung des Gonio-photometerraums soll zur Messzeit abgedeckt und ausgeschaltet sein um den Streulichtan-teil nicht zu erhoumlhen

18 Variation des Messradius r (Validierung von Nahfeld-Fernfeld-Messungen mit abbilden-den Systemen)

In der Goniophotometrie sind verschiedene Koor-dinatensysteme wie Bild 1a zeigt zu unterscheiden Dies sind regelmaumlszligig das Lampenkoordinatensys-tem Lamp das Raumkoordinatensystem Room und

20

PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4Das Jahr des Lichtes

das Goniophotometerkoordinatensystem bezogen auf dessen Zentrum Center Bild 1a zeigt moumlgliche Offsets zwischen diesen Systemen in Translation und Rotation

Um folgende Betrachtungen und Erklaumlrungen zu vereinfachen werden die genannten Koordina-tensysteme als deckungsgleich angenommen das heiszligt es werden keine Offsets in Translation und Rotationen zwischen den Koordinatensysteme vorausgesetzt

Im Weiteren werden die Eigenschaften Vor- und Nachteile der uumlber Dekaden in der PTB entwi-ckelten und genutzten Goniophotometer unter Beruumlcksichtigung der gewuumlnschten vorstehend gelisteten Eigenschaften diskutiert Es beginnt mit einem einfachen Einarm-Goniophotometer aus den 50er-Jahren des vergangenen Jahrhunderts und endet zumindest vorlaumlufig mit dem State-of-the-art-Roboter-Goniophotometer das 2007 in Betrieb ging

21 Einarm-Goniophotometer (1950ndash1975)

In der Zeit von 1950 bis 1975 wurde ein manuell betriebenes Einarm-Goniophotometer nach Bild 2 benutzt In den 50er-Jahren war diese Messappara-tur noch mit einem visuellen Photometer ausge-stattet Dieses Photometer erlaubte die relative Messung von Beleuchtungsstaumlrken mittels einer im Photometer installierten Hilfslampe in Verbindung mit einem optischen Abschwaumlcher [2 Seite 321] Die Ruumlckfuumlhrung auf die nationale Lichtstaumlrke-Einheit die Candela war durch Kalibrierung des visuellen Photometers mit Lichtstaumlrke-Normal-lampen sichergestellt (dies erfuumlllt Anforderung 1 der Anforderungsliste) entsprechend basieren auch Abstandsmessungen auf der nationalen Laumln-geneinheit dem Meter

Wegen der Lageabhaumlngigkeit der internen Hilfs-lampe im Innern des visuellen Photometer war es an einer festen Stelle der Messapparatur ange-bracht wie Bild 2 zeigt Ein Spiegel-Prismen-Sys-tem leitete das Licht der zu untersuchenden Lampe auf das Photometer Eine detaillierte Beschreibung aumlhnlicher Systeme kann [2 Seite 319] entnommen werden Damit ist Anforderung 2 ebenfalls erfuumlllt

Die vollstaumlndige Bestimmung des Lichtstroms Φ erfordert eine groumlszligere Anzahl Messungen von Beleuchtungsstaumlrken fuumlr ebenso viele manuell eingestellte unterschiedliche Kugelkoordina-ten (ϑ φ) Wird die fiktive Kugel gemaumlszlig Bild 1 in ϑ-Richtung in parallele Zonen eingeteilt und jede dieser Zonen i ist wiederum in n Sektoren j gleicher Laumlnge (Δφ = const) mit den zugehoumlrigen Beleuchtungsstaumlrken Eij unterteilt ist es moumlglich die mittlere Beleuchtungsstaumlrke Endashi jeder Zone i nach Gleichung 7 zu bestimmen

E Ei n i jj

n

==sum1

1 (7)

und der Wert des Lichtstroms Φ ergibt sich weiter aus der numerischen Integration nach Gleichung (8)

Φ = ( )minus ( )( )+

=sum2 2

10

1

πr cos cosϑ ϑi ii

m

iE-

(8)

Die Anzahl der notwendigen Beleuchtungsstaumlr-kemessungen haumlngt von der raumlumlichen Lichtver-teilung der zu untersuchenden Lampe ab Wegen der manuellen Einstellung des groszligen Arms (ϑ) der Drehung der Lampe (φ) und des gleichfalls noumltigen manuellen Abgleichs des visuellen Pho-tometers ist diese Methode sehr zeitaufwendig Sollen beispielsweise 600 Punkte gemessen werden (aus heutiger Sicht also nicht besonders viele) und man benoumltigt ca 25 Sekunden pro Messung werden also mehr als 4 Stunden benoumltigt um eine

Bild 1a Koordinatensysteme

Bild 2 Einarm-Go-niophotometer 1950ndash1975

21

PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4 Kurze Geschichte der Goniophotometrie in der PTB

Lampe mit relativ homogener raumlumlichen Licht-verteilung zu messen

In 1963 wurde ein internationaler Lichtstrom-vergleich auf der Basis von Entladungslampen ohne Fluoreszenzstoff durchgefuumlhrt Diese Lampen wiesen eine massive Inhomogenitaumlt ihrer raumlumlichen Lichtverteilung auf sodass die beschriebene manuelle Methode wegen der noumltigen hohen Anzahl von Messpunkten nicht praktikabel war Zur Loumlsung dieses Problems in [3] beschrieben wurde das visuelle Photometer durch einen grob an V(λ)-angepassten Photover-vielfacher ersetzt zusaumltzlich wurde die φ-Achse mit einem elektrischen Antrieb versehen und ein Praumlzisionskondensator ermoumlglichte die analoge Integration des Photostroms des Photovervielfa-chers Damit konnte fuumlr jede der erforderlichen ϑ-Einstellungen des groszligen Arms der elektri-sche Antrieb der φ-Achse diese mit konstanter Winkelgeschwindigkeit rotieren lassen waumlhrend der Praumlzisionskondensator den Photostrom des Photovervielfachers integrierte Nach etwa t = 5 min fuumlr eine Umdrehung repraumlsentierte die Ladung Q = C middot U des Praumlzisionskondensators die mittlere Beleuchtungsstaumlrke

E k C Uti = sdot (9)

dieser gemessenen Zone i Daraus berechnet sich der Lichtstrom wiederum gemaumlszlig Gleichung (8) Es ist nicht noumltig das Produkt k ∙ C exakt zu kennen da dies uumlber das Kalibrierverfahren durch die bekannte Beleuchtungsstaumlrke einer Lichtstaumlrke-Normallampe eliminiert werden kann es muss lediglich uumlber die gesamte Messzeit hinweg kons-tant sein

Spaumlter in den 1960er-Jahren wurde auch das visuelle Photometer durch ein modernes V(λ)-angepasstes Photometer basierend auf gefilterten Silizium-Photodioden in Kombination mit einen PhotostromSpannungswandler und einem xy-Plotter ersetzt Man erhielt so die Beleuchtungs-staumlrkeverteilung jeder Zone die sich dann leicht mit grafischen oder numerischen Verfahren inte-grieren lieszlig Es wird spaumlter gezeigt werden dass diese verwendete bdquoanaloge Zonenintegrationldquo sehr aumlhnlich der heutigen digitalen zonalen Bewertung ist

Diese letzten 2 Verbesserungen erfuumlllen die Anforderung 3 und teilweise auch die Anforde-rung 4

22 Kardan-Goniophotometer (1976ndash2007)

Das existierende Einarm-Goniophotometer war immer auf eine bdquohelfende Handldquo angewiesen um es von Punkt zu Punkt zu bewegen Die anschlie-szligende Berechnung des Lichtstroms wurde grund-saumltzlich ebenfalls haumlndisch ausgefuumlhrt Dieses Ver-

fahren war dementsprechend sehr zeitaufwendig und der zunehmende Wunsch der Industrie auch groszlige Objekte wie z B lange Leuchtstofflampen aber spaumlter auch sehr kleine Mikrolampen und erste LEDs zu kalibrieren fuumlhrte zur Entwicklung sogenannter Kardan-Goniophotometer ver schie-dener Ausfuumlhrungen

221 Groszliges Kardan-Goniophotometer

Nach der intensiven Umgestaltung einiger Raumlume im Koumlsters-Bau der PTB war es moumlglich im neuen Goniophotometerraum (7 x 10 x 8 m3) das Kar-dan-Goniophotometer [4] zu installieren Bild 3 zeigt das groszlige Kardan-Goniophotometer Am Bildoberrand ist eine zu kalibrierende stabfoumlrmige Leuchtstofflampe zu sehen

Dieser Raum war zusaumltzlich auch mit einer geregelten elektrischen Heizung ausgestattet um die geforderten Messbedingungen bezuumlglich Umgebungstemperatur einstellen zu koumlnnen Im Prinzip besteht ein Kardan-Goniophotometer wie in Bild 4 gezeigt aus 3 Rahmen wobei der aumluszligere α-Rahmen der raumlumlichen Ausrichtung (durch Drehung um die y-Achse) der zu untersu-chenden Lampe dient Innerhalb dieses aumluszligeren α-Rahmens ist der mittlere φ-Rahmen endlos drehbar um die z-Achse gelagert Der innere ϑ-Rahmen ist wiederrum drehbar im φ-Rahmen gelagert jedoch ist seine Bewegung auf knapp 180deg durch den noumltigen Lampenhalter begrenzt Alle 3 Rahmen sind mechanisch ausgeglichen und mit elektrischen Antrieben versehen Ihre Rotationsgeschwindigkeiten waren per 10-Gang-Praumlzisionspotentiometer einstellbar eine Folge der angewandten analogen Regelung der Achsan-triebe Die Winkelbestimmung der Achsen erfolgte mittels 13-bit-Winkelencodern Das Photometer war am ϑ-Rahmen (Bild 4) platziert und ermoumlg-lichte so einen festen Messradius von 2500 mm Es bestand die Moumlglichkeit ein zweites Photometer

Bild 3 Kardan-Goniophotometer 1976ndash2007

22

PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4Das Jahr des Lichtes

oder einen Farbmesskopf auf der gegenuumlberliegen-den Seite des ϑ-Rahmens einzusetzen

In diesem Fall war der Arbeitsbereich limitiert im Bereich 4deg lt ϑ lt 176deg da jeweils Lampenhalter von rechts und links zur Aufnahme einer beispiels-weise stabfoumlrmigen Leuchtstofflampe eingesetzt werden konnten (siehe auch Bild 3) Im Falle von einseitig gesockelten Lampen wurde meist nur ein PhotometerFarbmesskopf verwendet was eine Drehung der gegenuumlberliegenden Messkopf-aufnahme um 90deg ermoumlglichte Diese sogenannte bdquoKroumlpfungldquo lieszlig dann Raum fuumlr den nun einseiti-gen Lampenhalter und der Arbeitsbereich vergrouml-szligerte sich zu 0deg lt ϑ lt 176deg

Entsprechend der Gleichung (6) muss die gemessene Beleuchtungsstaumlrkeverteilung uumlber den vollen Raumwinkel 4π sr zum Wert des Licht-stroms integriert werden So ist es naheliegend digitale uumlber die Zeit integrierende Methoden zur Erfassung und Speicherung der gemessenen Beleuchtungsstaumlrkewerte zu verwenden Bild 5 zeigt den Signalfluss Sowohl Photometer- undoder Farbmesskopf als auch Photostrom-Fre-

quenz-Wandler waren temperaturstabilisiertDer Photostrom des Photometers mit seiner

photometrischen Empfindlichkeit s normalisiert auf die CIE-Lichtart A wird mittels Ruumlckkopp-lung Rg eines Photostromverstaumlrkers in eine Spannung U gewandelt und weiter durch einen Spannungs-Frequenzwandler in eine Frequenz f mit dem zugehoumlrigen Wandlungsfaktor wf kon-vertiert Diese Frequenz wird letztlich von einem digitalen Zaumlhler kontinuierlich gezaumlhlt Simultan wird die Quarz-Frequenz fq durch einen zweiten digitalen Zaumlhler erfasst um waumlhrend der spaumlteren Datenanalyse die urspruumlnglichen Photostroumlme berechnen zu koumlnnen Diese Methode stellt damit die schon erwaumlhnte Signal-Zeit-Integration sicher

Die die zu untersuchende Lampe umgebene fiktive Kugel ist wie Bild 5 zeigt in Zonen und Sektoren unterteilt Infolge der analogen Geschwindigkeitsregelung der zwei bewegten Rahmen sind positive und negative Beschleu-nigungsphasen am Anfang und am Ende einer vollstaumlndigen Abtastung und Lastreaktionen des rotierenden Systems und die damit verbundenen geringen Gleichlaufschwankungen unvermeid-bar Die Unterteilung jeder Zone in Sektoren mit der Laumlnge Δφj als Gewichtung reduziert jedoch diesen Einfluss Damit berechnet sich die mittlere Beleuchtungsstaumlrke Endashi nach Gleichung (10)

Es w R

fyt

fjj

ni j

i j=

sdot sdot sdot( )sdot sdot minus

=sum1

2 10

πϕ

f gq∆∆

∆

(10)

mit der Dunkelfrequenz f0 (Photometer abgeschat-tet) und den Differenzsignal-Zaumlhlungen Δyi j und den Differenzzeit-Zaumlhlungen Δti j jeweils vom Sek-toranfang bis zum Sektorende Wiederum koumlnnte der Lichtstrom nach Gleichung (8) bestimmt werden jedoch werden jetzt noch Korrekturfakto-ren fuumlr das Streulicht cstr der spektralen Fehlanpas-sung des Photometers cspec und Abweichungen von den nominalen elektrischen Betriebsbedingungen celec eingefuumlhrt wie nun Gleichung (11) zeigt

Φ = sdot sdot sdot sdot minus( ) sdot+=

minus

sumc c c r Ei ii

m

istr spec elec cos cos2 21

0

1

π ϑ ϑ

(11)

Im Verlauf einer Lichtstrommessung werden neben dem Photometer auch die Waumlnde des Messraums von der zu untersuchenden Lampe beleuchtet Diese Beleuchtung wird ebenfalls vom im Goniophotometer verwendeten Photometer bdquogesehenldquo und fuumlhrt zu einer Streubeleuchtung auf dem Lichteintrittsfenster dieses Photome-ters Diese Streubeleuchtung haumlngt einerseits vom Reflexionsgrad der verwendeten Wandfarbe (ρ asymp 3 ) und vom Gesichtsfeld des sich vor dem

Bild 4 Groszliges Kardan-Goniophotometer 1976ndash2007

Bild 5 Signalfluss

23

PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4 Kurze Geschichte der Goniophotometrie in der PTB

Photometer befindlichen Streulichtreduzierungs-tubus ab Daher muss fuumlr jeden eingesetzten Tubus mit seinem individuellen Gesichtsfeld der wirksame spezifische Streulichtkorrekturfaktor cstr bestimmt werden Diese koumlnnen ermittelt werden indem Blenden mit unterschiedlichen Durchmes-sern zwischen der zu untersuchenden Lampe und dem Photometer waumlhrend normalen Lichtstrom-messungen positioniert werden Eine detaillierte Beschreibung kann [5] entnommen werden

Die technische Realisierung eines Photometers ist immer nur eine Naumlherung fuumlr V(λ) Dies bedeu-tet dass im Prinzip in allen Faumlllen diese spektrale Fehlanpassung korrigiert werden muss Allgemein kann der spektrale Korrekturfaktor cstr fuumlr alle Lampen mit beliebiger Strahlungsfunktion S(λ) nach Gleichung (12) bestimmt werden

cV S

s S

V P T

s Pspek

rel

A

rel

d

d

d=

( )sdot ( )( ) sdot ( )

( ) sdot ( )( ) sdot

intint

intint

λ λ λ

λ λ λ

λ λ λ

λ

λλ λTA d( )

(12)

Hierzu ist jedoch die Kenntnis der relativen spektralen Empfindlichkeit srel(λ) des Photome-ters notwendig P(λ TA) bezeichnet dabei einen Planckstrahler mit einer Verteilungstemperatur von TA = 2856 K

Im Fall von Gluumlhlampen ist ein etwas einfache-rer Weg fuumlr diese Korrektur ohne die Kenntnis von srel(λ) moumlglich Gleichung (13) beschreibt die Abhaumlngigkeit der Beleuchtungsstaumlrke E(T) von der Verteilungstemperatur T

E Ty T

sTT

m

( ) = ( )

A

y

(13)

eines gemessenen Photostroms y(T) und der pho-tometrischen Empfindlichkeit s des Photometers fuumlr Lichtart A Eine charakteristische Eigenschaft des Photometers ist der Exponent my bdquoyldquo indiziert den Exponent fuumlr ein V(λ)- angepasstes Photome-ter oder den y-Kanal eines Dreibereichsfarbmess-kopfes wobei die anderen Kanaumlle unterschiedliche Werte fuumlr diese Exponenten haben Ein ideales Photometer wuumlrde einen Wert von 0 fuumlr diese Exponenten aufweisen Beispielsweise beschreibt my = 0018 ein qualitativ durchaus gutes Photo-meter Der Exponent my (und auch mx und mz) koumlnnen aus einem Fit bekannter Paare (E(T) T) einer Lichtstaumlrke-Normallampe bei verschiedenen Arbeitspunkten wie in [6 7] beschrieben gefun-den werden Damit kann der Korrekturfaktor cspec fuumlr Gluumlhlampen wie folgt geschrieben werden

c TT

my

specA

=

(14)

Werden Gluumlhlampen in der Naumlhe von CIE-Licht-art A betrieben ist die Korrektur auf elektrische Nominalbedingungen celec ebenfalls nach Glei-chung (15) sehr einfach da der Lichtstrom eine Funktion des Betriebsstroms J ist

c JJ

m

elec

J

=

minus

0 (15)

Hier ist J0 der Nominalstrom und mJ cong 684 Mehr Information kann in [7] gefunden werden

Die Datenanalyse fuumlr einen Dreibereichsfarb-messkopf erfolgt in gleicher Weise und man erhaumllt die Normfarbwertanteile (x y) aus den Gleichun-gen (16 17)

x =+ +Φ

Φ Φ ΦX

X Y Z (16)

y =+ +Φ

Φ Φ ΦY

X Y Z (17)

Leider konnten nur der Lichtstrom und die zuge-houmlrigen Normfarbwertanteile bestimmt werden da aufgrund der geringen Speichermoumlglichkeit der verwendeten Computertechnik die raumlumliche Information verlorenging

Daher wurden im Jahre 1991 alle Computer Analogsysteme die Verdrahtung und viele weitere Elemente durch moderne Ausruumlstung ersetzt Von nun an konnten alle Rohdaten mittels geeigneter Speichermedien dauerhaft bewahrt werden Das galt auch fuumlr groszlige Datenmengen des ab 1997 eingesetzten Array-Spektrometers zur Messung der relativen spektralen Leistungsverteilung der Strahlung synchron zur Lichtstrombestimmung Leider wiesen Photometer und Einkoppeloptik des Array-Spektrometers unterschiedliche Gesichtsfel-der auf und hatten etwas unterschiedliche Positi-onen auf dem Goniophotometer was die Daten-analyse komplizierte Dennoch konnten erstmalig raumlumliche spektrale Informationen uumlber zu untersuchende Lampen ermittelt werden Damit erfuumlllte das groszlige Kardan-Goniophotometer in seiner Ausbaustufe von 1997 die Anforderungen 1ndash14 aus Abschnitt 2 Die relative erweiterte Mes-sunsicherheit fuumlr den Lichtstrom fuumlr k = 2 betrug jetzt 060

222 Kleines Kardan-Goniophotometer

Fuumlr die Messung kleiner Lampen und LEDs wurde in den fruumlhen 1980er-Jahren ein dem groszligen Kardan-Goniophotometer sehr aumlhnliches kleines Kardan-Goniophotometer mit einem Messra-dius von nur 300 mm entwickelt hergestellt und

24

PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4Das Jahr des Lichtes

betrieben Das Foto in Bild 6 zeigt dieses seinerzeit sogenannte bdquoMini-Goniophotometerldquo

Die Messtechnik entsprach nahezu vollstaumln-dig dem groszligen Kardan-Goniophotometer bis hin zum Signalfluss einschlieszliglich Spannungs-Frequenzwandler und nachgeschalteten Zaumlhlern Damit sind alle Aspekte dieser Apparatur bereits in Abschnitt 221 diskutiertIm Jahre 2007 wurde dieses Instrument durch ein spezielles Goniophotometer fuumlr die Messung von LEDs ersetzt siehe auch Kapitel Metrologie fuumlr moderne Lichtquellen LEDs und OLEDs [10]

23 Roboter-Goniophotometer (2006 bis heute)

Am Ende der 1990er-Jahre wurde die Planung eines neuen Goniophotometertyps mehr und mehr konkret Nahezu gleichzeitig entschied sich die PTB fuumlr den Neubau eines modernen Gebaumludes fuumlr die Abteilung Optik dem heutigen Albert-Einstein-Bau Infolge dieses Zusammentreffens

beider Ereignisse konnte bei der Planung das neue Gebaumlude quasi um das neue Roboter-Goniopho-tometer herum geplant und spaumlter auch so gebaut werden

In 19951996 zeigte G Sauter dass Gonio-photometrie mittels Robotern moumlglich ist und erhebliche Vorteile gegenuumlber den bisher verwendeten Kardan-Goniophotometern auf-weist [8] Wie weiterhin in [8] beschrieben sind sogenannte Service-Roboter gut geeignet um ein Roboter-Goniophotometer zu realisieren Diese zeichnen sich durch eine schlanke Konstruktion mit langen Armen bei gleichzeitig relativ gerin-gem Gewicht aus Sie verfuumlgen uumlber eine hohe Flexibilitaumlt um beispielsweise ein Photometer auf gewuumlnschten Bahnen mit unterschiedlichen Radien (1000 mm lt r lt 3000 mm) auf der fiktiven Kugeloberflaumlche um die Lampe herumzufuumlhren Jeder Roboter verfuumlgt uumlber 7 Freiheitsgrade (engl seven degrees of freedom 7 DOF) Dies garantiert die notwendige Flexibilitaumlt und das erforderli-che Arbeitsvolumen Zur Abdeckung des vollen Raumwinkels 4π sr sind daher 2 der beschriebenen Roboter notwendig Ein dritter aumlhnlicher Roboter positioniert dabei die zu untersuchende Lampe in der gewuumlnschten Brennstellung im Raum Alle Roboter-Basen sind direkt mit dem Stahlbeton des Gebaumludes verbunden um eine langzeitstabile raumlumliche Positionierung der Roboter zu gewaumlhr-leisten Bild 8 zeigt das Roboter-Goniophotometer waumlhrend der Messung einer LED-Signalleuchte

Im Gegensatz zu Kardan-Goniophotometern ist der Messradius variabel in dem alle 7 Achsen in entsprechende Positionen gebracht werden Wegen der groszligen Redundanz eines 7-DOF-Roboters kann die Zielposition einschlieszliglich Orientierung durch eine sehr groszlige Anzahl unter-schiedlicher Einstellungen der 7 Achsen erreicht werden Daher wird eine Strategie benoumltigt um die jeweilige Achs einstellung zu finden Diese

Bild 6 Kleines Kardan-Goniophotometer 1982ndash2007

Bild 7 Arm des Roboter-Goniophotometers

Bild 8 Roboter-Goniophotometer 2006 bis heute

25

PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4 Kurze Geschichte der Goniophotometrie in der PTB

Strategie ist relativ simpel Sie besagt dass alle Achseinstellungen derart gefunden werden dass saumlmtliche Bestandteile des Roboters einen maxi-malen Abstand zum Zentrum des Roboters haben sollen um das von der Roboterstruktur reflektierte Streulicht moumlglichst gering zu halten Eine beson-dere Software ist notwendig um alle Achswinkel ausgedruumlckt in counts jedes Winkelencoders fuumlr jede Achse zu bestimmen um die gewuumlnschten Kugelkoordinaten (r ϑ φ) anzufahren Waumlhrend der Messung der zu untersuchenden Lampe liest das Roboter-Kontrollsystem alle 10 ms diese counts jeder Achse und versucht jede Achse entsprechend diese Vorgabe einzustel-len Nach dieser Einstellung welche fuumlr alle 7 Achsen gleichzeitig erfolgt werden die Ist-Winkel jeder Achse wiederum in counts synchron gelesen und mit den zugehoumlrigen photo-metrischen Daten und elek trischen Daten des Lampenbetriebs in eine Datenbank gespeichert Prinzipiell ist der Signal-fluss dem des in Abschnitt 221 beschriebenen groszligen Kardan-Goniophotometers sehr aumlhnlich Aber es gibt ein zusaumltzliches wichtiges Element den sogenannten Zeitstempel Da ein weit verteiltes Datenerfassungssystem vorliegt wird ein Mecha-nismus zur Datensynchronisierung in Form eines 1-Mhz-Taktes verwendet Dieser ist im gesamten System verfuumlgbar Beim Messungsstart synchron gestartete Zaumlhler erlauben daher die spaumltere Synchronisierung aller angefallenen Daten Wie beschrieben ist die Position jeder Achse und damit die Position und Orientierung des Photometers das Ergebnis eines Regelprozesses Somit ist es not-wendig die tatsaumlchliche Position und Orientierung des Photometers aus den gespeicherten Daten der Winkelencoder zu berechnen

In der Robotik ist es uumlblich einen Roboter des

verwendeten Typs wie eine biegesteife mechani-sche Kette mit sogenannten Denavit-Hartenberg-Parametern (DH-Parameter) zu beschreiben [9] Die Tabelle 1 zeigt diese DH-Parameter am Beispiel des Roboters 1

Mit diesen Parametern und den aktuellen Winkeln θi fuumlr jede Achse ist die Berechnung der Position bzw Orientierung der siebten Achse in Basis-Koordinatensystem des Roboters moumlglich Hierzu werden 7 Matrizen nach Gleichung (18) ver-wendet Jede Matrize beschreibt die Position (blau) und Orientierung (gruumln) jeder einzelnen Achse

Die PositionierungOrientierung der Achse 7 ergibt sich aus dem Vektorprodukt T1 T2 T3 T4 T5 T6 T7

Um jedoch die Koordinaten in Bezug auf das Koordinatensystem der fiktiven Kugel zu erhalten muumlssen 2 weitere aumlhnliche Matrizen verwendet werden Die sogenannte Base Frame Matrix F beschreibt die Positionierung und Orientierung des Roboter-Koordinatensystems zum Koor-dinatensystem der fiktiven Kugel waumlhrend die Matrix W die Positionierung und Orientierung des Photometers zur Achse 7 beschreibt Nun laumlsst sich die Position und Orientierung des Photome-ters P im Koordinatensystem der fiktiven Kugel mit Gleichung (19) beschreiben

P = F T1 T2 T3 T4 T5 T6 T7 W (19)

axisi Δθi offset to rotation around Z-axis

αi rotation around X-axis

di

translation in Z-axis

αi

translation in X-axis

1 ndash1438deg 45024deg 0000 mm ndash0400 mm

2 191088deg ndash90026deg 2686322 mm 0696 mm

3 178585deg 89996deg 274088 mm 0781 mm

4 6229deg ndash90022deg 1410499 mm 0474 mm

5 ndash0141deg ndash89955deg 173036 mm ndash0779 mm

6 ndash0924deg 90032deg 1191007 mm 0223 mm

7 180443deg 90007deg 91130 mm 0000 mm

Tabelle 1 DH-Parameter von Roboter 1

T

a

i

i i i i i i i i i i i

=

+( ) minus +( ) +( ) +cos sin cos sin sin cos∆ ∆ ∆ ∆θ θ θ θ α θ θ α θ θ(( )+( ) +( ) minus +( ) +sin cos cos cos sin sin∆ ∆ ∆ ∆θ θ θ θ α θ θ α θ θi i i i i i i i i i ia (( )

00 0 0 1

sin cosα αi i id

(18)

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PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4Das Jahr des Lichtes

Bild 9 zeigt die Achsenkoordinatensysteme (17) das Base-Frame-Koordinatensystem und das Koordinatensystem des Photometers zur Achse 7 in schematischer Weise Das Koordinatensys-tem der fiktiven Kugel faumlllt mit dem Zentrum des Goniophotometers zusammen und wird mit Center bezeichnet P ist jetzt auf dieses Center-Koordinatensystem bezogen Zusaumltzlich ist eine typische Bahn eingezeichnet Wegen des aller-dings nicht dargestellten Lampenhalters ist diese Bahn im oberen Bereich verdichtet um eine Kollision mit dem Lampenhalter zu vermeiden Wie bereits erwaumlhnt setzt die Verwendung von Gleichung (19) einen biegesteifen Roboter voraus der in der Praxis nicht existiert P ist also von statischen Gewichtskraumlften des Roboters dyna-mischen Kraumlften infolge der Bewegung als auch von thermischen Laumlngenaumlnderungen uumlberlagert Daher muss Gleichung (19) um eine entspre-chende Korrektur C erweitert werden Glei-chung (20) zeigt nun das endguumlltige Modell zur Bestimmung von P

wobei C

t tT Rθ θ

θ θ1 7

1 7 dd

dd amb

diese finale Korrektur basierend auf den Winkeln θ1θ7 aller Achsen ihren zeitlichen Ableitungen

dd

dd

θ θ1 7

t t

und der Umgebungstemperatur Tamb beschreibt

Der letzte Parameter R steht fuumlr einen groszligen Datensatz und beschreibt Eigenschaften des Roboters wie Abmessungen Teilmassen usw Die Berechnung von C() ist aufwendig und wurde vom Hersteller des Roboters ausgefuumlhrt Aus Gruumlnden des Wettbewerbs muss diese Berechnung vertrau-lich behandelt werden und kann daher hier nicht veroumlffentlicht werden Jedoch kann die Wirkung von C() beispielhaft auf den Messradius mitgeteilt werden (siehe Bild 10)

Die noumltige Radiuskorrektur rcorr bewegt sich im Bereich ndash2 mm lt rcorr lt 3 mm je nach Position (θ φ) des Photometers Der Aumlquatorbereich benouml-tigt eine groumlszligere Korrektur infolge hier wirksamer groumlszligerer Zentrifugalkraumlfte als die Polregion Der Radius selbst laumlsst sich dann aus der Positionssub-matrix von P bestimmen

Der Signalfluss stimmt im Wesentlichen mit dem wie in Bild 5 gezeigt uumlberein Prinzipiell kann der Lichtstrom mit den Gleichungen (11) und (10) berechnet werden da aber nun 2 Photometer benutzt werden muss dies fuumlr jede Hemisphaumlre also fuumlr jeden Roboter separat geschehen Die Gleichungen (21) und (22) demonstrieren das

Bild 9 Koordinatensystem des Roboter-Gonio-photometers und Beispielbahn

P Ct t

T R F T T T T T T=

sdot sdot sdot sdot sdot sdot sdot sdotθ θ

θ θ1 7

1 71 2 3 4 5 6

dd

dd amb TT W7 sdot

(20)

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PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4 Kurze Geschichte der Goniophotometrie in der PTB

fuumlr Roboter 1 Der Radius r1i befindet sich dabei innerhalb der Summation von Gleichung (22) Das Roboter-Goniophotometer ist zusaumltzlich mit einem Monitorphotometer ausgeruumlstet Dieses Photometer wird waumlhrend der Messung nicht bewegt ist aber staumlndig von einem fixen Punkt aus auf die zu untersuchende Lampe gerichtet und erlaubt somit die Korrektur einer moumlglichen Alterung der Lampe waumlhrend des Messprozesses als Funktion der Zeit (cmon(t1i))

Es w R

fyt

fi jj

ni j

i j1

1 1 11

1

1

11 0

12

1

=

( )sdot minus

=sumπ

ϕf g

q∆∆

∆

(21)

Φ1 1 1 12

1 1 1 12= sdot sdot sdot sdot ( ) sdot minus( )+c c r c ti i i ii

str spec mon cos cosπ ϑ ϑ==

minus

sum sdot0

1

1

1m

iE

(22)

Roboter 2 wird in gleicher Weise behandelt und der Lichtstrom ergibt sich somit aus der Summe von Φ1 und Φ2 korrigiert mit dem elektrischen Korrekturfaktor celec aus Gleichung (15)

Φ Φ Φ= sdot +( )celec 1 2 (23)

Die Bestimmung der Streulichtkorrektur cstr unter-scheidet sich methodisch von jener des Kardan-Goniophotometers Es ist schwierig Blenden zwischen Photometer und Lampe zu positionieren wie in [5] beschrieben Hier wird die Streulicht-korrektur cstr direkt aus der Leuchtdichteverteilung auf den Waumlnden des Messraums bestimmt Mit der Kenntnis der geometrischen und photometrischen Eigenschaften des Raumes der raumlumlichen Licht-staumlrkeverteilung der Lampe und dem verwendeten Streulichttubus vor dem Photometer lieszlige sich die Streulichtkorrektur cstr berechnen Hier jedoch wird diese Korrektur mit sogenannten Back-Loo-king-Photometern bestimmt [11]

Bild 11 zeigt ein Foto der bdquoRoboterhandldquo mit mon-tiertem Photometer und Back-Looking-Photometer Letzteres ist ein wenig schraumlg ausgerichtet um nicht im Bereich des Schattenwurfs des Photome-ters auf den Waumlnden zu messen

Bild 12 zeigt beispielhaft eine typische in finite Flaumlchenelemente gerasterte Streulichtsituation im Goniophotometermessraum wie sie durch die zu untersuchende Lichtquelle generiert wird Dieses Beispiel arbeitet mit finiten Flaumlchen der Groumlszlige 05 m middot 05 m um die Flaumlchen sichtbar zu machen Zur realen Berechnung werden Flaumlchen der Groumlszlige 01 m middot 01 m verwendet Natuumlrlich ist der Streulichtanteil auf der aktiven Flaumlche des

Bild 10Wirkung der Radiuskorrektur

Bild 11 Photometer (links) und Back-Looking-Photometer (rechts)

Bild 12 Wirkung des Streulichts und seine Bestimmung

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PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4Das Jahr des Lichtes

Photometers eine Funktion des Gesichtsfeldes des jeweils verwendeten Streulichttubus vor dem Photometer Derzeit werden 2 Tuben je nach Groumlszlige der Lichtquelle mit Oumlffnungswinkeln von ca 15deg und ca 225deg verwendet Ihre typischen Korrekturwerte betragen etwa 09995 und 09990 Da jeder Messroboter mit diesem Back-Looking-Photometer ausgeruumlstet ist kann so der Streulicht-anteil fuumlr jedes Photometer bestimmt werden Da die Back-Looking-Photometer bdquoruumlckwaumlrtsldquo gerichtet sind wird also jeweils die Streulichtkorrektur fuumlr den gegenuumlberliegenden Messroboter bestimmt Damit ist es moumlglich den Wert des Lichtstroms mit zugehoumlriger Messunsicherheit zu bestimmen Tabelle 2 illustriert Ergebnisse einer vereinfachten Monte-Carlo-Simulation (MC) am Beispiel einer OSRAM-Wi4-Lichtstrom-Normallampe Ihre Lichtstaumlrkeverteilung ist in Bild 13 wiedergegeben

Die MC basiert auf den folgenden Gleichun-gen (24) Werte der wichtigsten Beitraumlge zur Mes-sunsicherheit koumlnnen der Tabelle 2 entnommen werden Eine detailliertere Beschreibung der Roboter und Analyse der Messunsicherheit kann [12] entnom-men werden

Bild 13 Raumlumliche Lichtstaumlrkeverteilung einer OSRAM-Wi4-Lichtstrom-Normallampe

Quantity Symbol Value Uncertainty Unit Sensitivity Contribution lm Relative contribution

Luminous responsivity 1 s1 3065E-10 9195E-13 A lxndash1 188E+12 173 000150

Luminous responsivity 2 s2 4111E-10 12333E-12 A lxndash1 143E+12 177 000153

Spectral matching exponent 1 m2 y 0021 0015 1 20 030 000026

Spectral matching exponent 2 m2 y 0036 0015 1 18 027 000023

CCT or distribution temperature T 2762 10 K 0012 012 000011

Uncertainty in r Δr 0000 00020 m 901 180 000156

Calibration factor for frequency F cFH 1000 00005 1 1141 057 000049

Calibration factor for frequency ƒ cFD 1000 00050 1 104 005 000005

Voltage to frequency converter 1 w1 f 500849 25 Hz Vndash1 0012 031 000027

Voltage to frequency converter 2 w2 f 500561 25 Hz Vndash1 00118 029 000026

Amplification gain 1 R1 g 1000E+09 99996 Ω 6223E-07 006 000005

Amplification gain 2 R2 g 9997E+08 99966 Ω 5430E-07 005 000005

Calibration factor for cmon ccm 1000 00005 1 1162 058 000050

Correction factor for stray light cstr 09995 00005 1 1134 057 000049

Luminous flux Φ 11541 327 00028

Tabelle 2 Unsicherheitsbudget

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PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4 Kurze Geschichte der Goniophotometrie in der PTB

Somit ergibt sich zurzeit eine erweiterte Mess-unsichert von 056 fuumlr k = 2 Dies entspricht etwa der Messunsicherheit welche mit dem groszligen Kardan-Goniophotometer erreichbar war Im Unterschied zum Kardan-Goniophotometer (fester Messradius) verfuumlgt das Roboter-Goniophotometer jedoch uumlber die noumltige hohe Flexibilitaumlt (z B durch Variation des Messradius) die noumltig ist um kuumlnftige Anforderungen erfuumlllen zu koumlnnen Eben diese hohe Flexibilitaumlt fuumlhrt bei der Bestimmung des Messradius zu relativ groszligen Messunsicherheiten Hier koumlnnte die Verwendung einer Lookup-Table oder eine On-Line-Verfolgung mittels Tracer-Syste-men der Bahnen diese Unsicherheit verkleinernMittlerweile ist das Roboter-Goniophotometer voll-staumlndig charakterisiert und wird fuumlr beleuchtungs-staumlrkebasierte Lichtstromkalibrierungen und auch fuumlr internationale Vergleiche eingesetzt Damit werden auch die Anforderungen (15ndash17) erfuumllltIm naumlchsten Schritt wird das Roboter-Goniopho-tometer mit Leuchtdichtemesskameras ausgeruumlstet

werden um es als bdquoNahfeld-Goniophotometerrdquo einzusetzen Es wird dann die direkte Messung der Leuchtdichteverteilung erlauben aus welcher nahezu alle noumltigen photometrischen Groumlszligen abgeleitet werden koumlnnen Dieser kuumlnftige Schritt wird dann auch den letzten Punkt (18) der Anfor-derungen erfuumlllen

3 Zusammenfassung

Die Geschichte der Goniophotometrie in der PTB uumlber einen Zeitraum von mehr als 50 Jahren wird praumlsentiert Verschiedene Goniophotometer ange-fangen vom manuell bewegten Einarm-Goniopho-tometer mit visuellem Photometer uumlber das groszlige und kleine Kardan-Goniophotometer bis hin zum bdquoState-of-the-art-Roboter-Goniophotometerldquo fuumlr das 21 Jahrhundert werden beschrieben Das Letztere hat das Potenzial in der traditionellen Betriebsart aber auch im Nahfeldmodus uumlber viele Jahre eingesetzt zu werden Neu aufkommende

Quantity Symbol Value Uncertainty Unit Sensitivity Contribution lm Relative contribution

Luminous responsivity 1 s1 3065E-10 9195E-13 A lxndash1 188E+12 173 000150

Luminous responsivity 2 s2 4111E-10 12333E-12 A lxndash1 143E+12 177 000153

Spectral matching exponent 1 m2 y 0021 0015 1 20 030 000026

Spectral matching exponent 2 m2 y 0036 0015 1 18 027 000023

CCT or distribution temperature T 2762 10 K 0012 012 000011

Uncertainty in r Δr 0000 00020 m 901 180 000156

Calibration factor for frequency F cFH 1000 00005 1 1141 057 000049

Calibration factor for frequency ƒ cFD 1000 00050 1 104 005 000005

Voltage to frequency converter 1 w1 f 500849 25 Hz Vndash1 0012 031 000027

Voltage to frequency converter 2 w2 f 500561 25 Hz Vndash1 00118 029 000026

Amplification gain 1 R1 g 1000E+09 99996 Ω 6223E-07 006 000005

Amplification gain 2 R2 g 9997E+08 99966 Ω 5430E-07 005 000005

Calibration factor for cmon ccm 1000 00005 1 1162 058 000050

Correction factor for stray light cstr 09995 00005 1 1134 057 000049

Luminous flux Φ 11541 327 00028

Φ = sdot

sdot

+ sdot sdotminus

c JJ

TT

r r c c tm

m

i i

y

strA

cm monj

0

12

1

1

( ) ∆ (( )sdot minus( ) sdotsdot sdot minus

+=

minus=sumsum

cos cosFH FD

ϑ ϑ

ϕ

1 1 10

1 11

11

1

i ii

m jj

n

i jc F c∆ sdotsdot( )sdot sdot

+

+ sdot sdot (

f

s w R

TT

r r c c tm

i i

y

1 0

1 1 1

22

2

2

( )

f g

Acm mon∆ ))sdot minus( ) sdot

sdot sdot minus sdot

+=

minus=sumsum

cos cosFH FD

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ϕ

2 2 10

1 11

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2

i ii

m jj

n

i jc F c∆ ff

s w R

2 0

2 2 2

( )sdot sdot

f g

(24)

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PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4Das Jahr des Lichtes

Anforderungen fuumlr die Ruumlckfuumlhrung photome-trischer Einheiten wie beispielsweise im Solid-State-Lighting-Bereich koumlnnen so erfuumlllt werden

Literatur

[1] Y Ohno 1995 Realization of NIST Luminous Flux Scale Using an Integrating Sphere with an External Source CIE Proceedings 23rd Session New Delhi

[2] R Sewig 1938 Handbuch der Lichttechnik Band 1 pp 319 321 Berlin Springer Verlag

[3] D Foumlrste 1966 Zur Lichtstrommessung an Lam-pen mit ungleichmaumlszligiger Lichtverteilung PTB-Mitteilungen 166 pp 18ndash20 Braunschweig PTB

[4] D Foumlrste 1979 Ein Goniophotometer zur genauen Bestimmung des Lichtstroms Licht-Forschung 1 Jahrgang 379 pp 30ndash36 Heidelberg Huumlthig Verlag

[5] D Foumlrste 1980 Elimination des Fremdlichts bei der Lichtstrombestimmung mit dem Gonio-photometer Licht-Forschung 2 Jahrgang 180 pp 27ndash29 Heidelberg Huumlthig Verlag

[6] W Erb 1997 PTB Network for realization and maintenance of the candela Metrologia 3497 pp 115ndash124 Bristol UK

[7] G Sauter 1996 Kalibrierung von Lichtstaumlrke-Normallampen und Angabe der Messunsicherheit PTB interner Bericht Braunschweig PTB

[8] G Sauter 1996 Goniophotometry new calibra-tion method and instrument design Metrologia 32 (199596) pp 685ndash688 Bristol UK

[9] httpenwikipediaorgwikiDenavit-Hartenberg_Parameters (letzter Aufruf 03122015)

[10] M Lindemann 2009 Photometry and Colori-metry of Reference LEDs by Using a Compact Goniophotometer MAPAN ndash Journal of Metro-logy Society of India Vol 24 No 3 pp 143ndash152 New Delhi India

[11] G Bizjak 2009 Determination of Stray Light at the PTB Goniophotometer Facility MAPAN ndash Jour-nal of Metrology Society of India Vol 24 No 3 pp 163ndash173 New Delhi India

[12] M Lindemann et al 2015 Robot goniopho-tometry at PTB Metrologia 52 pp 167ndash194 Bristol UK

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PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4Das Jahr des Lichtes

1 Eine einleitende Beschreibung von Gluumlhlampen LEDs und OLEDs

Der Einsatz Licht Emittierender Dioden (LED) in der Allgemeinbeleuchtung hat in den vergangenen Jahren erheblich zugenommen Ein entscheiden-der Vorteil der LED gegenuumlber der traditionellen Gluumlhlampe liegt in ihrer uumlberlegenen Lichtaus-beute ηv ndash dem Verhaumlltnis des emittierten Licht-stroms Φv und der aufgenommenen elektrischen Leistung Pel angegeben in LumenWatt

Dieser Vorteil beruht auf den Unterschieden der zugrunde liegenden Technologien der Lichterzeu-gung beider Lampentypen Bei einer (Halogen-)Gluumlhlampe wird der Gluumlhfaden durch elektrischen Strom auf Temperaturen um 3000 K aufgeheizt Obwohl hierbei fast die gesamte elektrische Leis-tung in Strahlung umgewandelt wird ndash Verluste durch thermische Konvektion oder Waumlrmeleitung sind gering ndash kann das menschliche Auge lediglich einen geringen spektralen Anteil der ungefaumlhr 5 der Gesamtstrahlungsleistung ausmacht wahr-nehmen Der Groszligteil der Strahlungsleistung liegt im infraroten Spektralbereich und kann nicht fuumlr Beleuchtungszwecke genutzt werden In Bild 1 ist die spektrale Verteilung einer Gluumlhlampe bei einer Temperatur von 2856 K im Spektralbereich

von 300 nm bis 1200 nm dargestellt Das sichtbare Licht im Spektralbereich zwischen 360 nm und 830 nm ist mit den entsprechenden Spektralfarben hinterlegt Oberhalb 830 nm beginnt der fuumlr das menschliche Auge unsichtbare infrarote Anteil der Strahlung

Der fuumlr photometrische Messungen normativ festgelegte spektrale Hellempfindlichkeitsgrad V(λ) also die Hellempfindlichkeit des Auges eines bdquoNormalbeobachtersldquo ist mit seinem Maximum bei 555 nm schwarz eingezeichnet

Da die Gluumlhlampe eine thermische Strahlungs-quelle ist verschiebt sich mit zunehmender Tem-peratur die Lage des Strahlungsmaximums ent-sprechend des Wienschen Verschiebungsgesetzes zu kuumlrzeren Wellenlaumlngen Um die Lichtausbeute von Gluumlhlampen zu erhoumlhen muumlsste man das Strah-lungsmaximum durch Temperaturerhoumlhung in den kurzwelligeren Bereich des sichtbaren Lichts verschieben Die Maximaltemperatur ist jedoch bei Gluumlhfaumlden aus Wolfram auf etwa 3000 K begrenzt ndash bei houmlheren Temperaturen nimmt die Lebensdauer drastisch ab

Das Funktionsprinzip einer LED-Lichtquelle basiert auf dem Phaumlnomen der Elektrolumines-zenz Der prinzipielle Aufbau einer LED aumlhnelt einer pn-Halbleiterdiode Durch Anlegen einer Gleichspannung rekombinieren Ladungstraumlger in der p-n-Grenzschicht der Leuchtdiode unter Emission von Strahlung Durch gezielte Auswahl der verwendeten Halbleitermaterialien und ihrer Dotierung wird deren Bandluumlcke und somit die Farbe des emittierten Lichtes bestimmt Im Jahr 1992 gelang der Durchbruch in der Entwicklung hocheffizienter blauer LEDs die den Einsatz von LEDs zur Allgemeinbeleuchtung erst ermoumlgli-chen Die zugrunde liegenden Forschungsarbei-ten wurden 2014 mit dem Nobelpreis fuumlr Physik gewuumlrdigt [1]

Eine schmalbandige Lichtemission ist charak-teristisch fuumlr LEDs Dementsprechend verfuumlgt ihr Licht uumlber eine hohe Farbsaumlttigung Durch die Bedeckung des LED-Chips mit breitbandig pho-tolumineszierenden Farbstoffen wird ein Teil der Strahlung in energieaumlrmeres langwelligeres Licht konvertiert und es entstehen Mischfarben wie

Metrologie fuumlr moderne Lichtquellen LEDs und OLEDs Thorsten Gerloff

Thorsten Gerloff Arbeitsgruppe bdquoPhotometrieldquo EshyMail thorstengerloffptbde

Bild 1 Spektrale Verteilung einer Gluumlhlampe und spektraler Hellempfindlichkeitsgrad (V(λ)-Funktion)

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PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4 Metrologie fuumlr moderne Lichtquellen

i Infokasten LED

Lichtausbeute einer Strahlungsquelle ηv

Die Lichtausbeute einer Strahlungsquelle gibt das Verhaumlltnis aus ausgestrahltem Lichtstrom und aufgenommener elektrischer Leistung an Die Einheit ist LumenWatt (lmW) Je houmlher die Lichtausbeute ist umso energieeffizienter ist die Beleuchtung Gluumlhlampen besitzen Lichtausbeuten zwischen 10 und 20 lmW

Lichtstrom Φv

Der Lichtstrom beruumlcksichtigt den Hellempfind-lichkeitsgrad V(λ) des Auges und gibt die in alle Raumrichtungen abgegebene bdquoLichtleistungldquo einer Lampe an Der Lichtstrom enthaumllt keine Information daruumlber wie die Lampe das Licht im Raum verteilt Der Lichtstrom gibt an wie hell ein beleuchteter Raum dem Menschen erscheint

Spektraler Hellempfindlichkeitsgrad V(λ)

Der exakt definierte spektrale Hellempfindlich-keitsgrad V(λ) ist eine Bewertungsfunktion fuumlr elektromagnetische Strahlung Hiermit wird der bdquoHelligkeitseindruck eines menschlichen Durch-schnittsaugesldquo berechnet Dies ermoumlglicht den objektiven Vergleich von Lichtquellen mit physika-lischen Messmethoden Subjektive Wahrnehmun-gen einzelner Menschen koumlnnen damit nicht exakt wiedergegeben werden

Aumlhnlichste Farbtemperatur TN

Es gibt unterschiedliche Farbtemperaturen in der Photometrie Verhaumlltnis- und Verteilungstem-peratur sind nur bei thermischen Strahlern wie der Gluumlhlampe anwendbar Nur die aumlhnlichste Farbtemperatur (englisch Correlated Colour Temperature CCT) laumlsst sich fuumlr Lichtquellen mit beliebiger spektraler Zusammensetzung berech-nen sofern die Normfarbwertanteile aumlhnlich einem thermischen Strahler sind Die aumlhnlichste Farbtemperatur wird in der Einheit Kelvin (K) angegeben Sie gibt an ob das Licht warmweiszlig (ca 3000 K) neutralweiszlig (ca 4500 K) oder tages-lichtweiszlig (gt5500 K) erscheint

Normfarbwertanteile (x y)

Fuumlr die Angabe von Farbe gibt es neben dem spek-tralen Hellempfindlichkeitsgrad V(λ)noch weitere definierte Bewertungsfunktionen Hiermit laumlsst sich die Farbwahrnehmung eines fiktive Normalbeob-achters aus der gemessenen spektralen Verteilung des Lichts durch Angabe von nur zwei Werten (x und y) angeben Diese Werte geben die Koordi-naten auf der Normfarbtafel (s Abbildung) an

Normfarbtafel

Farbwiedergabeindex Ra

Der Farbwiedergabeindex ist eine Kennzahl fuumlr Lichtquellen der bewertet die Qualitaumlt der Farb-wiedergabe Je houmlher der Wert desto besser ist die Farbwiedergabe Der Maximalwert liegt bei 100 Werte zwischen 90 und 100 geben eine ausgezeich-nete Farbwiedergabe an Werte unter 80 sind fuumlr viele Anwendungen nicht ausreichend

Im Folgenden soll ein kleiner Leitfaden gegeben werden der in allgemeinverstaumlndlicher Form die grundlegenden Ideen wichtiger lichttechnischer Groumlszligen erlaumlutern soll Komplexe Details der zugrunde liegenden Normen und Definitionen werden hierbei nicht beruumlcksichtigt

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PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4Das Jahr des Lichtes

Pastellfarbtoumlne oder auch weiszliges LichtIn Bild 2 sind die spektralen Verteilungen einer

LED mit und ohne Leuchtstoff abgebildet In der linken Abbildung erkennt man die schmalbandige blaue Emission des LED-Chips In der rechten Abbildung wird ein Teil dieser Strahlung durch einen Leuchtstoff in laumlngerwelliges Licht konver-tiert und die Mischfarbe erscheint weiszlig

Der Vorteil einer LED gegenuumlber einer Gluumlh-lampe bezuumlglich der Lichtausbeute ist offensicht-lich Es wird ndash von unvermeidbarer thermischer Verlustleistung abgesehen ndash nur Strahlung im sichtbaren Wellenlaumlngenbereich emittiert Daruumlber hinaus ist die Farbe des Lichts von LEDs durch Kombination verschiedener Leuchtstoffe und LEDs nahezu beliebig einstellbar und man ist nicht auf aumlhnlichste Farbtemperaturen von ca 3000 K wie bei der Gluumlhlampe begrenzt

Allerdings gibt es auch Nachteile gegenuumlber dem Licht einer Gluumlhlampe Dem typischen Spektrum einer LED-Lichtquelle fehlen im Gegensatz zu Sonnenlicht oder Gluumlhlampenlicht einzelne Spekt-ralfarben Dies macht sich negativ bei der Qualitaumlt der Farbwiedergabe bemerkbar

Die Farbe des emittierten Lichts einer LED laumlsst sich durch additive Farbmischung sehr aumlhnlich zu Sonnenlicht oder auch Gluumlhlampenlicht einstellen Wenn jedoch Objekte mit Licht beleuchtet werden kommt es auch auf die spektrale Zusammensetzung des Lichts an Nehmen wir einen Blumenstrauszlig aus roten Rosen der im Tageslicht steht Im Son-nenlicht sind alle Spektralfarben vorhanden und diese beleuchten die Rosen Die roten Bluumltenblaumltter absorbieren einige spektrale Anteile des Lichts und reflektieren im Wesentlichen rotes Licht welches in das Auge des Betrachters faumlllt Wenn die Rosen von einer anderen Lichtquelle beleuchtet werden in der die roten Spektralanteile zumindest teilweise fehlen koumlnnen diese nicht reflektiert werden und die Farben der Rosen erscheinen unnatuumlrlich

Dies ist von weitreichender Bedeutung fuumlr die Wahl einer geeigneten Lichtquelle da wir einen Kompromiss aus Licht mit guter Farbwieder-gabe und hoher Lichtausbeute schlieszligen muumlssen Licht mit hoher Farbwiedergabe setzt sich aus moumlglichst vielen Spektralfarben zusammen und Lichtquellen mit hoher Lichtausbeute sollten nur Spektralfarben beinhalten fuumlr die das menschliche Auge besonders empfindlich ist In den Auszligenbe-zirken vieler Staumldte werden zur Nachtbeleuchtung der Gehwege haumlufig Natriumdampflampen mit orangefarbenem Licht eingesetzt Die Lichtaus-beute dieser Lampen ist mit etwa 150 lmW auszligerordentlich hoch da das menschliche Auge in diesem Spektralbereich sehr empfindlich ist Diese Beleuchtung ist jedoch ungeeignet um Farben natuumlrlich wiederzugeben Aufgrund des Aufbaus des menschlichen Auges ist es also nicht moumlglich eine Beleuchtung mit sehr hoher Qualitaumlt der Farbwiedergabe bei gleichzeitig sehr hoher Lichtausbeute zu realisieren

Weiszlige LEDs zur Allgemeinbeleuchtung nutzen in der Regel Leuchtstoffe die teilweise qualita-tiv hochwertige Farbwiedergabeeigenschaften besitzen Eine weitere Methode zur Erzeugung von weiszligem Licht ist das Mischen von rotem gruumlnem und blauem Licht (RGB-Verfahren) welches die Grundlage jedes Displays ist Hierbei sind neben weiszligem Licht auch andere Lichtfarben moumlglich ndash die Farbwiedergabeeigenschaften sind allerdings schlecht Fuumlr die Endverbraucher sind in der Regel die Farbwiedergabeeigenschaften von Lichtquellen als Ra-Werte auf der Verpackung angegeben

Organische Licht Emittierende Dioden (OLED) sind eine junge Beleuchtungstechnologie die noch keinen Zugang zum Massenmarkt erhalten hat Die weltweit erste kommerzielle OLED-Leuchte wurde 2008 vertrieben Der fuumlr den Nutzer wesentliche Unterschied zwischen OLEDs und LEDs besteht im Aufbau Der leuchtende Kristall

Bild 2 Spektrale Verteilung einer blauen LED (links) und einer weiszligen LED (rechts) bei der ein Teil des blauen Lichts zu gelbem Licht konvertiert wurde

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anorganischer LEDs besitzt eine maximale Kan-tenlaumlnge von etwa einem Millimeter Bei OLEDs wird das Licht in groszligflaumlchigen amorphen organi-schen Schichten erzeugt Momentan sind OLEDs mit leuchtenden Flaumlchen von bis zu 20 x 20 cmsup2 erhaumlltlich Das Licht wird aumlhnlich wie bei LEDs durch Ladungstraumlgerrekombination unter Auftre-ten von Elektrolumineszenz erzeugt Dabei ist das Emissionsspektrum der verwendeten organischen Emittermaterialien wesentlich breitbandiger als das einer LED (vgl Bild 3) Daher wird das weiszlige Licht von OLEDs in der Regel durch Verwendung von roten gruumlnen und blauen Emittermaterialien erzeugt ohne dass die Farbwiedergabeeigenschaf-ten sehr stark darunter leiden

2 Entwicklung von (O)LED-Transfer-normalen in der PTB

Eine der Kernaufgaben der PTB ist die Weiter-gabe der gesetzlichen Einheiten Bis zum heuti-gen Tage bieten Transfernormale in Form von speziellen Gluumlhlampen die besten Eigenschaften um als Maszligverkoumlrperung der Einheiten Candela oder Lumen zu dienen Da der Anwender in der Regel jedoch die Substitutionsmethode bei seinen Messungen anwendet um notwendige Korrektu-ren auf ein Minimum zu reduzieren (Gleiches mit Gleichem vergleichen) sind auch Transfernormale auf Basis der LED-Technologie von Interesse

Bereits in den 80er-Jahren des vergangenen Jahr-hunderts wurden LEDs in der PTB kalibriert Diese waren fuumlr Beleuchtungszwecke noch ungeeignet und dienten lediglich als Signallampen Zeitgleich wurden die ersten PTB-LED-Transfernormale entwickelt deren optische Eigenschaften durch thermische Regelung des LED-Chips stabilisiert wurden Die mechanische Ausrichtung der LEDs leistet aufgrund des typischerweise stark gerichteten Abstrahlprofils der LEDs einen groszligen Beitrag auf die Messunsicherheit Daher werden die LEDs seit

2002 in ein rotationssymmetrisches robustes VA-Stahl-Gehaumluse eingebaut welches sich sehr repro-duzierbar ausrichten laumlsst (vgl Bild 4)

Diese Transfernormale werden unter Konstant-Strom-Bedingungen und ndash durch gezieltes Aufhei-zen des LED-Chips durch den Heizwiderstand ndash unter Konstant-Spannung-Bedingungen betrieben Aufgrund der halbleitenden Eigenschaften sinkt mit steigender Temperatur die Betriebsspannung und sowohl der Lichtstrom als auch die Peakwellenlaumlnge des emittierten Lichts veraumlndert sich Die Sollspan-nung wird auf einen Wert festgelegt der unterhalb der Gleichgewichtsspannung durch Eigenerwaumlr-mung im Betrieb ohne Heizwiderstand bei einer Umgebungstemperatur von etwa 35 degC liegt Somit ist auch ein Einsatz der Transfernormale in Laboren ohne Klimatisierung moumlglich

Fuumlr LEDs mit houmlheren Leistungen wurde im Jahr 2011 ein weiterer Prototyp eines Transfernormals vorgestellt (vgl Bild 5) Da die hier verwendeten LEDs eine houmlhere Leistungsaufnahme besitzen werden sie waumlrmer Das reduziert die Lebensdauer und Reproduzierbarkeit der photometrischen

Bild 3 Exemplarische spektrale Verteilung einer weiszligen OLED

Bild 4 Temperaturgeregeltes LED-Transfernormal auf Basis von Kleinleistungs-LEDs mit Lichtstroumlmen von bis zu 10 Lumen

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Groumlszligen deutlich Daher muumlssen sie gekuumlhlt werden Hierfuumlr kommt bei diesen Normalen ein Peltier-Element zum Einsatz welches geregelt Waumlrme in einen dahinterliegenden Kuumlhlkoumlrper leitet und hierdurch das emittierte Licht stabilisiert Diese Transfernormale zeichnen sich durch ein geringes

Gewicht bei einer Laumlnge von ca 100 mm und einem Durchmesser von etwa 20 mm aus Allerdings ist die Verwendung von LEDs mit sehr hohen Leistun-gen nicht moumlglich da die Abwaumlrme lediglich passiv an den Raum abgegeben wird Eine detaillierte Beschreibung der Eigenschaften dieses Transfer-normals wurde 2012 veroumlffentlicht [2]

Fuumlr die thermische Stabilisierung von LEDs mit sehr hohen Leistungen wurde ein weiteres Trans-fernormal unter Einsatz von Peltier-Elementen Heatpipes und aktivem Kuumlhlsystem in der PTB entwickelt (vgl Bild 6)

Im Rahmen des europaumlischen Forschungspro-jekts OLED100eu wurde in der PTB weiterhin das weltweit erste Transfernormal unter Einsatz einer organischen Leuchtdiode entwickelt (vgl Bild 7) Dieses Normal wurde fuumlr den Einsatz in einer Ulbricht-Kugel konzipiert und in ein mattes Aluminiumgehaumluse eingebaut Eine Besonderheit dieses Normals ist die Stand-Alone-Versorgungs-einheit die ohne Rechner o auml saumlmtliche relevan-ten elektrischen und thermischen Groumlszligen regelt und auf einem USB-Stick speichert

3 LED-Messtechnik in der PTB

Neben LED-Transfernormalen mit guter Reprodu-zierbarkeit ist eine hochentwickelte Messtechnik fuumlr deren Kalibrierung mit minimaler Messunsi-cherheit erforderlich

Die photometrische Beschreibung von LEDs erfolgt durch Angabe ihrer Lichtstaumlrke ILED mit der Einheit Candela und ihrem Lichtstrom ΦLED mit der Einheit Lumen Diese Groumlszligen werden in der PTB unter Verwendung ruumlckgefuumlhrter Photometer bestimmt Hierfuumlr wird die Beleuchtungsstaumlrke ELED unter definierten geometrischen Bedingungen fuumlr alle Abstrahlrichtungen der LED mit einem Goniophotometer gemessen

Fuumlr die Bestimmung der colorimetrischen Werte kommen Spektralradiometer zum Einsatz Hiermit werden spektrale Bestrahlungsstaumlrken gemessen und daraus die abgeleiteten colorime-

Bild 5 Temperaturgeregeltes LED-Transfernormal auf Basis von Hochleistungs-LEDs mit Lichtstroumlmen von bis zu 100 Lumen Im rechten Bild ist die Temperaturverteilung in Grad Celsius waumlhrend des Betriebs abgebildet

Bild 6 Temperaturgeregeltes LED-Transfernormal auf Basis von Houmlchstleistungs-LEDs mit Lichtstroumlmen von bis zu 2500 Lumen

Bild 7 Temperaturgeregeltes OLED-Transfernormal auf Basis kommerziell erhaumlltlicher OLEDs

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trischen Kenngroumlszligen wie z B die Normfarb-wertanteile (x y) bei weiszligen LEDs die aumlhnlichste Farbtemperatur TN mit der Einheit Kelvin und bei farbigen LEDs die dominante Wellenlaumlnge λdom berechnet Grundlegende Informationen und Definitionen uumlber die photometrischen und colorimetrischen Groumlszligen und deren Messung sind in [3] [4] und [5] zu finden

In Bild 8 ist der Aufbau des LED-Messplatzes an der PTB zu sehen Fuumlr die Bestimmung der Mess-groumlszligen in alle raumlumlichen Abstrahlwinkel wird die LED durch ein Goniophotometer bewegt

Die LED wird in horizontaler Betriebslage zentrisch normal zur Referenzebene des Photo-meterkopfes ausgerichtet Ein Translationstisch ermoumlglicht dabei eine Variation des Abstandes d zwischen Photometer und LED Eine horizontale Rotationsachse (φ-Achse) und eine senkrechte Rotationsachse (ϑ-Achse) die sich an der LED-Spitze im rechten Winkel schneiden erlauben durch Drehung der LED eine Bestimmung der Beleuchtungsstaumlrke ELED in alle Raumrichtungen Beide Rotationsachsen werden waumlhrend der Messung zeitgleich bewegt Hierdurch bewegt sich die relative Position der lichtempfindlichen Emp-faumlngeroumlffnung bezuumlglich des Schnittpunkts beider Drehachsen auf der Oberflaumlche einer virtuellen Kugel entlang einer Spiralbahn von bdquoPol zu Polldquo dieser Kugel

Die Bestimmung des Lichtstroms ΦLED erfolgt analog der Beschreibung in dem Kapitel Kurze Geschichte der Goniophotometrie in der PTB Der wesentliche Unterschied zu goniophotome-trischen Messungen an Gluumlhlampen besteht darin dass bei LED-Messungen die Lichtquelle typischerweise bewegt werden kann ohne dass sich ihre optischen Eigenschaften aumlndernAufgrund des stetig wachsenden Bedarfs an ruumlck-gefuumlhrten Kalibrierungen von High-Power-LEDs sind Masse und Abmessungen der Transfernor-male erheblich gestiegen Daher wurde der Mess-platz 2015 um ein weiteres Goniophotometer fuumlr schwere und groszlige Objekte erweitert (vgl Bild 9)

Neben den photometrischen Empfaumlngern befinden sich auch Einkoppeloptiken fuumlr Spekt-ralradiometer auf dem drehbaren Empfaumlngerka-russell Alle Empfaumlnger lassen sich hiermit auto-matisiert waumlhrend einer Messung zu den LEDs ausrichten Vor jeder LED-Kalibrierung werden die Spektralradiometer bezuumlglich Ihrer spektralen Empfindlichkeit und Wellenlaumlnge kalibriert Die entsprechenden Normallampen befinden sich neben dem Empfaumlngerkarussell (vgl Bild 10) und ermoumlglichen so ebenfalls eine automatisierte Messung

Den spektralen Messungen an LEDs kommt neben der Notwendigkeit fuumlr die Bestimmung colorimetrischer Kennzahlen noch eine beson-dere Bedeutung fuumlr die photometrischen Messun-

Bild 9 Goniophotometer fuumlr photometrische Messungen an Hochleistungs-LEDs

Bild 10 Entladungslampen mit verschiedenen Gasfuumlllungen dienen der Wellenlaumlngenka-librierung der Spektrometer Im Hintergrund ist eine Bestrahlungsstaumlrke-Normal-lampe fuumlr die spektrale Empfindlichkeitskalibrierung zu sehen

Bild 8 Goniophotometer fuumlr photometrische Messungen an Kleinleistungs-LEDs

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gen zu Wie in der Einleitung erklaumlrt unterscheiden sich die spektralen Verteilungen von LEDs und Gluumlhlampen deutlich voneinander Photometerkoumlpfe bestehen in der Regel aus einer Silizium-Photodiode deren spektrale Empfindlichkeit durch den Einsatz von Glasfiltern moumlglichst gut an den Hellemp-findlichkeitsgrad V(λ) angepasst wird Aufgrund internationaler Standardisierung wird die photo-metrische Empfindlichkeit von Photometerkoumlpfen fast ausschlieszliglich fuumlr Normlichtart A kalibriert In der Praxis werden hierfuumlr Gluumlhlampen mit einer Verteilungstemperatur von 2856 K verwendet Wenn man ein solches Photometer fuumlr Messungen an anderen Gluumlhlampen verwendet sind die spektralen Verteilungen meist so aumlhnlich dass nur geringe oder gar vernachlaumlssigbare Korrekturen aufgrund der spektralen Fehlanpassung also der Abweichung der realen spektralen Empfindlichkeit des Photometers von dem Hellempfindlichkeitsgrad notwendig sind Wenn man ein solches Photometer jedoch bei LEDs insbesondere farbigen LEDs einsetzt koumlnnen die Abweichungen aufgrund der spektralen Fehlan-passung sehr groszlig werden (gt10 fuumlr hochwertige Photometerkoumlpfe sind moumlglich)

Mit Kenntnis der relativen spektralen Verteilung der Leuchtdiode SLED(λ) und der relativen spekt-ralen Empfindlichkeit srel(λ) laumlsst sich die spektrale Fehlanpassung durch folgenden Korrekturfaktor cSpek korrigieren

cV S

s S

V P T

sSpek

LED

rel LED

A

rel

d

d

d=

( ) ( )( ) ( )

( ) ( )( )

intint

intλ λ λ

λ λ λ

λ λ λ

λ

intint ( )P Tλ λ A d

P(λ TA) beschreibt Lichtart A durch das Planck-sche Strahlungsgesetz fuumlr TA = 2856 K

Eine detaillierte Auflistung und Diskussion aller zu beruumlcksichtigenden Details bei Kalibrierungen von LEDs und das dazugehoumlrige Messunsicher-heitsbudget soll an dieser Stelle nicht gegeben werden Interessierte Leser koumlnnen hierfuumlr Infor-mationen in einer fruumlheren Veroumlffentlichung [6] oder in den Ergebnissen eines internationalen Vergleichs von LED-Messungen [7] finden

Fazit und Ausblick

Der Verzicht auf LEDs ist fuumlr Beleuchtungsan-wendungen nicht mehr vorstellbar Durch ihre kontinuierliche Weiterentwicklung erobern LEDs immer weitere Anwendungsfelder (z B Haus-halts- Straszligen- und Automobilbeleuchtung) mit denen der Endkunde in Kontakt kommt Bei diesen Anwendungen sind die Anforderungen an die Lichtquellen vielfaumlltig und fuumlr eine quantitative Beschreibung ihrer Eigenschaften muss auch die Messtechnik entsprechend umfassend und ausge-reift sein

Neben dem allgemeinen Forschungs- und Ent-wicklungsbedarf fuumlr bessere LED-Messverfahren und -geraumlte die die Grundlage ihrer technologi-schen Weiterentwicklung bilden gibt es eine weitere Herausforderung Aufgrund der nahezu unbe-grenzten Moumlglichkeiten eine bestimmte Lichtfarbe durch additive Farbmischung zu erhalten sind LEDs verschiedener Hersteller mit unterschiedlichen Emissionsspektren aber einer nominell gleichen aumlhnlichsten Farbtemperatur erhaumlltlich Dennoch ist teilweise ein Unterschied der Lichtfarbe mit bloszligem Auge erkennbar wenn sich unterschiedliche LEDs nebeneinander befinden

Es ist ungewoumlhnlich dass man ohne technische Hilfsmittel nominell gleiche Lichtfarben faktisch unterscheiden kann Um die Charakterisierung von LEDs soweit zu verbessern dass dies nicht mehr moumlglich ist ist einerseits eine Reduzierung der Messunsicherheit bei der Bestimmung der Normfarbwertanteile (Lichtfarbe) notwendig Andererseits muss man sich bewusst machen dass photometrische und colorimetrische Messverfahren auf rein physikalischen Zusammenhaumlngen basieren Individuelle menschliche Wahrnehmung und Sehen werden bei photometrischen Messungen nicht beruumlcksichtigt ndash diese werden durch Festlegung von exakt definierten Wichtungsfunktionen wie dem Hellempfindlichkeitsgrad fuumlr einen fiktiven Normalbeobachter ausgegrenzt Diese Wichtungs-funktionen koumlnnen gegebenenfalls auch noch optimiert werden um die objektive Beurteilung von Lichtquellen mit physikalischen Messmethoden zu verbessern Somit gibt es auch in Zukunft noch interdisziplinaumlre Herausforderungen fuumlr die Metro-logie moderner Lichtquellen

Literatur

[1] httpwwwnobelprizeorgnobel_prizesphysicslaureates2014 (letzter Aufruf 14102015)

[2] T Gerloff M Lindemann S Shirokov M Taddeo S Pendsa A Sperling Development of a new high-power LED transfer standard CIE Proceed-ings 2012

[3] CIE S 017E 2011 ILV International Lighting Vocabulary httpeilvciecoat (letzter Aufruf 03122015)

[4] CIE 127 2007 (2nd edition) Measurement of LEDs

[5] CIE S 025E 2015 Test Method for LED Lamps LED Luminaires and LED Modules

[6] M Lindemann R Maass Photometry and Colo-rimetry of Reference LEDs by Using a Compact Goniophotometer MAPAN ndash Journal of Metrolo-gy Society of India Vol 24 No 3 2009

[7] wwwbipmorg APMPPR-S3a (Averaged LED Intensity) APMPPR-S3b (Total Luminous Flux of LEDs) APMPPR-S3c (Emitted Colour of LEDs)

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Effektpigmente hellipPTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4

Einleitung

Farbe ist fuumlr Menschen die wohl auffaumllligste sub-jektive Stoffeigenschaft Bereits den Fruumlhmenschen war diese visuelle Qualitaumlt bekannt deren Wahr-nehmung allen Primaten eigen ist So wurde 2008 in Suumldafrika eine ca 100000 Jahre alte steinzeitli-che bdquoMalerwerkstattldquo entdeckt [1] Auch heutzu-tage spielt Farbe in der Gestaltung unserer Umwelt eine wichtige Rolle Jedes Jahr praumlsentiert uns die Mode die neuen Farben der Saison Farben dienen zur Regelung des Verkehrs Ohne bunte Farben waumlre unsere Welt trist und oumlde

Es ist wichtig festzustellen dass Farbe ein physiologischer Sinneseindruck ist wie z B auch Tasten oder Riechen D h Farbe ist keine immanente physikalische Eigenschaft eines Gegenstandes wie z B seine Masse oder Waumlrme-leitfaumlhigkeit Die physiologische Wahrnehmungs-kette ist hierbei folgende Das vom betrachteten Gegenstand reflektierte Licht trifft auf das Auge und loumlst hierbei einen Farbreiz aus Dieser Farbreiz beruht auf der spektralen Zusammensetzung des empfangenen Lichts d h er ist abhaumlngig von der verwendeten Lichtquelle und dem spektralen Reflexionsvermoumlgen des betrachteten Objektes Die Anregung der licht- und farbempfindlichen Zellen in der Netzhaut fuumlhrt zu einer Farbvalenz die uumlber den Sehnerv an das Gehirn weitergeleitet wird Die eigentliche Farbempfindung die wir dann mit einem Gegenstand verknuumlpfen entsteht erst im Gehirn [2] Liegt z B eine Farbfehlsich-tigkeit vor so kann der Farbeindruck des betrof-fenen Menschen auch ein ganz anderer sein Auch viele Tiere mit ihren teilweise erheblich abweichenden visuellen Systemen nehmen Farbe ganz unterschiedlich als wir Menschen wahr Im Folgenden soll mit Farbe immer die Koumlrperfarbe auch Gegenstandsfarbe Objektfarbe bzw Oberflauml-chenfarbe genannt einer nicht selbstleuchtenden Flaumlche bezeichnet werden die durch Reflexion von Licht an einem Koumlrper entsteht

Die genannten Zusammenhaumlnge machen die mathematisch-physikalische Beschreibung von Farbe schwierig und aufwendig da auch die spe-zifischen Eigenarten der menschlichen Wahrneh-

mungskette nachgestellt werden muumlssen Diesem Umstand wird versucht uumlber die verschiedenen Farbmaszligsysteme Rechnung zu tragen welche die Farbe eines Objektes mithilfe von quantifizierba-ren Zahlenwerten kennzeichnen [3]

Generell koumlnnen farbige Flaumlchen je nach Tageszeit und Lichteinfall sehr unterschiedlich wirken Die Aumlnderungen basieren hierbei auf der unterschiedlichen spektralen Zusammenset-zung des Tageslichts und den winkelabhaumlngigen Glanz- und Struktureigenschaften von Oberflauml-chen Ganz besonders deutlich ist dies bei auf dem Interferenzeffekt basierenden Effektpigmenten der Fall Deren visuelles Erscheinungsbild im englischen mit Visual Appearance bezeichnet kann sich bei variierendem Beobachtungswinkel und unterschiedlichen Lichtverhaumlltnissen komplett veraumlndern Man spricht hierbei von sogenannten Flop-Lacken wobei man zwischen Hell-Dunkel-Flop und Farb-Flop unterscheiden kann [4]

Generell kann man sagen dass Farbe und visuelle Effekte einen entscheidenden Anteil am Verkaufserfolg eines Produktes haben denn Farben wecken Emotionen und verschiedene Neuro marketingstudien belegen dass ca 95 aller Kaufentscheidungen emotional gepraumlgt sind [5] Deshalb spielt eine moderne Farbgestaltung unter Nutzung aktueller Effektpigmente im Pro-duktdesign eine entscheidende Rolle denn durch den Einsatz solcher Pigmente kann Gegenstaumlnden eine houmlhere Attraktivitaumlt verliehen werden Daher findet man moderne Effektpigmente heutzutage in vielen teilweise sehr unterschiedlichen Indus-trieprodukten wie z B in Autolackierungen Haumluserfassaden Kosmetikartikeln oder sogar bei Pralineacutes wie dies in Bild 1 zu sehen ist

Pigmente

Als Pigmente aus dem Lateinischen kommend von pigmentum fuumlr bdquoFaumlrbestoff Schminkeldquo bezeichnet man aus Teilchen bestehende im Anwendungs-medium praktisch unloumlsliche Sub stanzen die als Farbmittel oder wegen anderer spezieller physika-lischer und chemischer Eigenschaften als funktio-nale Farbzentren verwendet werden [6]

Effektpigmente Eine Herausforderung fuumlr die optische Messtechnik

Egbert Buhr Alfred Schirmacher Andreas Houmlpe

Dr Egbert Buhr Fachbereich bdquoBildshy und Wellenoptikldquo EshyMail egbertbuhrptbde

Dr Alfred Schirmacher Arbeitsshygruppe bdquoReflexion und Transmissionldquo EshyMail alfredschirmacherptbde

Dr Andreas Houmlpe dagger ehemals Arbeitsgrupshype bdquoReflexion und Transmissionldquo

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In der Natur vorkommende anorganische Pig-mente sind schon seit praumlhistorischen Zeiten bekannt Schon die Menschen der Steinzeit benutzen mineralische Pigmente fuumlr die ersten Houmlhlenzeichnungen Sie erkannten dass sie mit unterschiedlichen Erdsorten farbig malen konnten Eisenoxidhaltige Erden liefern gelbrote bis braunrote Kalk und Gips weiszlige Mangan-oxide sowie Holz- und Knochenkohle schwarze Farbtoumlne

Aus heutiger industrieller Sicht ist ein Pigment ein fein aufgeteilter und unloumlslicher Feststoff mit der Hauptfunktion das Erscheinungsbild des verwendeten Mediums zu verbessern oder es zu faumlrben Pigmente werden dem Medium immer durch physikalisches Mischen beigegeben dies unterscheidet sie von Farbstoffen die in ihrem Medium loumlslich sind

Pigmente koumlnnen nach den optischen Prin-zipien ihrer Wechselwirkung mit Licht unter-schieden und in verschiedene Klassen eingeteilt werden Wichtige Pigmentklassen sind Weiszlig- Bunt- Schwarz- und Effektpigmente die alle wegen ihrer speziellen farbgebenden Eigenschaf-ten eingesetzt werden Bei den Effektpigmenten

kann in einer ersten vereinfachten Einteilung noch zwischen Metalleffekt- und den sogenannten speziellen Effektpigmenten unterschieden werden

Der Begriff bdquospezielle Effektpigmenteldquo umfasst die Gruppen der Perlglanzpigmente und der all-gemeinen Interferenzpigmente welche insbeson-dere bei aktuellen Pigmententwicklungen nicht scharf abgegrenzt werden koumlnnen Perlglanzpig-mente sind Effektpigmente die aus transparenten Plaumlttchen mit hohem Brechungsindex bestehen Sie erzeugen durch die spezielle Form der Mehr-fachreflexion des transmittierten Lichts an mehre-ren Pigmenten einen perlenaumlhnlichen Effekt bei dem die auftreffende Strahlung verteilt reflektiert wird wodurch der Eindruck einer mit der Tiefe abnehmenden diffusen Helligkeit entsteht Fuumlr das Auge ergibt sich so eine scheinbar dreidimen-sionale Glanzcharakteristik die aus der Tiefe des Objektes zu kommen scheint Interferenzpigmente dagegen sind Effektpigmente deren farbgebende Wirkung ganz oder vorwiegend auf dem Effekt der Vielstrahlinterferenz von Licht an duumlnnen hoch-brechenden Schichten beruht Interferenzpigmente koumlnnen dabei sowohl auf transparenten oder auch nichttransparenten Plaumlttchen basieren

Bild 1 a) Roadster mit ChromaFlairreg-Effektpigmentlackierung b) Verwaltungsgebaumlude in Braunschweig verkleidet mit Alucobondreg-spectra-colours-Verbundplatten c) Effektpigmente im Nagellack d) Pralineacute mit Effektpigmentuumlberzug

a

dc

bb

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Effektpigmente hellipPTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4

Die heute verwendeten Pigmente lassen sich somit grob in fuumlnf verschiedene Klassen einteilen

1) Weiszligpigmente Die Pigmente streuen das ge-samte auftreffende Licht nahezu verlustfrei in alle Richtungen durch diffuse ungerichtete Reflexion

2) Buntpigmente Die Pigmente streuen einen Teil des Lichtes diffus und absorbieren wellenlaumln-genselektiv einen anderen Teil des Lichtes

3) Schwarzpigmente Die Pigmente absorbieren alle Wellenlaumlngen des fuumlr das menschliche Auge sichtbaren Spektralbereiches

4) Metalleffektpigmente Die aus duumlnnen Metall-plaumlttchen vorwiegend Aluminium bestehen-den Metalleffektpigmente sind lichtundurch-laumlssig und reflektieren das gesamte auftreffende Licht durch spekulare gerichtete Reflexion Die Pigmentpartikel wirken dabei wie Mikrospie-gel und fuumlhren bei paralleler Ausrichtung im Anwendungsmedium zu einem spiegelnden Metallglanz dem Metallic-Effekt

5) Spezielle Effektpigmente Perlglanz- bzw Inter-ferenzpigmente deren optische Wirkung auf der Mehrfachreflexion an uumlberwiegend flaumlchig aus-gebildeten und ausgerichteten transparenten semitransparenten oder lichtundurchlaumlssigen Partikeln beruht

Weiszlig- Bunt- und auch Schwarzpigmente weisen typische Durchmesser im Bereich von 100 nm bis zu 1 microm auf Ihre Groumlszlige liegt damit zum Teil im Bereich der Wellenlaumlnge des sichtbaren Lichtes welches den Bereich von 380 nm bis 780 nm uumlberdeckt Einige Schwarzpigmente wie z B Ruszlig-pigmente liegen mit ihren Durchmessern jedoch auch zum Teil auch deutlich darunter Effektpig-mente besitzen dagegen Teilchendurchmesser die zumeist im Bereich von 5 microm bis 100 microm in einigen Faumlllen auch daruumlber liegen Sie sind damit bezuumlglich der mittleren Plaumlttchendurch-messer wesentlich groumlszliger als die Wellenlaumlnge des sichtbaren Lichtes Die Dicke der Plaumlttchen liegt von einigen Ausnahmen abgesehen unter 1 microm ebenso wie die Dicke der Interferenzschichten Demzufolge weisen Effektpigmente in der Regel ein hohes Aspektverhaumlltnis auf (Verhaumlltnis der lateralen Ausdehnung einer Struktur zu ihrer Houmlhe) welches bis zu 200 betragen kann

Interferenzpigmente ndash Wie die Farben entstehen

Die Farbe von Interferenzpigmenten haumlngt von der Schichtdicke der Metalloxidbeschichtung und dem Einstrahlungs- und Betrachtungswinkel ab Beide Parameter bestimmen die effektive optische Weg-

laumlngendifferenz fuumlr das einfallende weiszlige Licht zwischen oberer und unterer Grenzflaumlche und die somit auftretenden Interferenzfarben siehe Bild 3

Interferenzpigmente zeigen somit einen aus-gepraumlgten bdquoFarbflopldquo Die Winkelabhaumlngigkeit der Farbe wird hierbei auch als Goniochromasie bezeichnet Richtig bunt geht es zu wenn ein Interferenzpigment auf einen bereits bunten Untergrund aufgebracht wird Die Transparenz der Pigmente laumlsst die Untergrundfarbe durch-

Bild 2 Schematische Diagramme zum spektralen Verhalten verschiedener Pigmenttypen

Bild 3 Die Schichtdicke der Metalloxidbeschichtung und der kombinierte Einstrahlungs- und Betrachtungswinkel bestimmen die optische Weglaumlnge und somit die sich ergebenden Interferenzfarben in Reflexion und Transmission

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PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4Das Jahr des Lichtes

Bild 5 Die Effekte Spar-kling (1) und Coarseness (2) des Effektpigmentes Xirallicreg Crystal Silver in einer vergroumlszliger-ten Aufnahme auf weiszligem (links) und schwarzem Hinter-grund (rechts)

scheinen im Glanzwinkel wird sie aber von der Interferenzfarbe uumlberstrahlt wie dies in Bild 4 zu sehen ist

Der Effekt eines Helligkeitsunterschiedes unter verschiedenen Betrachtungswinkeln wird als Helligkeitsflop bezeichnet und ist an sich nichts Neues Sind jedoch die einzelnen Pigmentteilchen

aufgrund ihrer planaren Reflexionsoberflaumlchen in gerichteter Beleuchtung direkt beobachtbar was fuumlr mittlere Teilchengroumlszligen von 30 microm und groumlszliger der Fall ist so ergibt dies einen Effekt welcher mit dem Begriff Sparkle (Glitzern Funkeln) bezeichnet wird (Bild 5) Aumlndert sich die Beleuchtung von einer gerichteten Einstrahlung wie es an einem wolkenlosen sonnigen Sommertag der Fall ist hin zu einer diffusen ungerichteten Einstrahlung wie an einem stark bewoumllkten Herbsttag so verschwin-det das Sparkling der Pigmente und verwandelt sich in eine Koumlrnigkeit der Oberflaumlche Dieses optische Phaumlnomen wird als Coarseness (Bild-koumlrnigkeit) bezeichnet und ist unabhaumlngig vom Betrachtungswinkel (Bild 5)

Als neuer Archetypus des Sparkle-Begriffes haben sich in den letzten Jahren die Xirallicreg Pig-mente (High Chroma Chrystal Effect Pigments) der Firma Merck KGaA entwickelt Durch die Beschich-tung von Aluminiumoxidplaumlttchen mit hochbre-chenden Metalloxiden und einer optimierten Dicke und Ebenheit aller am Pigment beteiligten Schich-ten entstehen auszligergewoumlhnlich stark reflektierende Effektpigmente die einen besonders intensiven Sparkle-Effekt aufweisen Man spricht hierbei auch von sogenanntem Living Sparkle welcher sich in einem scheinbaren bdquoTanzenldquo der leuchtenden Punkte in der Probenoberflaumlche bei Veraumlnderung der Beobachtungsgeometrie aumluszligert [7 8]

Generell gilt dass die Farbe von Objekten mit Effektlackierung nicht mehr wie jahrzehntelang uumlblich und ausreichend mit konventionellen Farb-messgeraumlten mit nur einer festen Messgeometrie wie z B in der 45deg 0deg Geometrie (Einstrahlung unter 45deg Reflexionsmessung unter 0deg) bestimmt werden kann Dieser Umstand wird sehr gut durch die Grafik in Bild 6 illustriert Dargestellt sind die winkelabhaumlngig gemessenen Farbkoordinaten von drei verschiedenen keramischen Farbstandards der Farben rot gruumln und blau sowie eines mit dem Effektpigment Viola Fantasy der Firma Merck lackierten Blechs Der Einfallswinkel des Lichts auf die Proben betrug hierbei immer 45deg zur Oberflauml-chennormalen Das von den Proben reflektierte Licht wurde an 26 Positionen in einem 5deg Raster in planaren die Oberflaumlchennormale enthalten-den Messgeometrien im Winkelbereich von ndash70deg bis +70deg aufgenommen Bei den aus absorptiven Pigmenten bestehenden Keramiken zeigt sich eine nur sehr geringe Winkelabhaumlngigkeit der Farbe welche groumlszligtenteils auf unterschiedlicher winkelabhaumlngiger Helligkeit d h den Glanzeigen-schaften der Oberflaumlche beruht Das Effektpigment dagegen zeigt einen extremen winkelabhaumlngigen Farb-Flop (Goniochromasie) welcher einen Farbverlauf von Gruumln uumlber Rot-Gelb hin ins Blau-Violett bietet

Aber auch die neuen Lackfarben aus der Gruppe der Effektlackierungen muumlssen messtechnisch

Bild 4 Merck-Xirallicreg-Solaris-Red-Effektpigmente appliziert auf einem mit Standard-Ab-sorptionspigmenten hellblau lackierten Metallblech In Rich-tung des Glanzwin-kels auf der rechten Seite zeigt sich der langsame Aufbau der winkelabhaumlngigen Interferenzfarbe

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Bild 6 CIELab Farbkoordinaten einer winkelabhaumlngigen Reflexionsmessung an vier verschiedenen Proben drei Keramiken der Farben rot gruumln blau und eine Effektpigmentlackierung mit Merck Colorstreamreg Viola Fantasy Das untergelegte Farbschema zeigt naumlherungsweise die den Koordinaten entsprechende Farbe

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Effektpigmente hellipPTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4

Abbildungsoptik Messungen der ortsaufgeloumlsten Leuchtdichte auf einer Laumlngenskala bis hinab zu 28 microm auf der zu untersuchenden Probe siehe Bild 8

Mit der Zeilenkamera sind Messungen von kompletten Reflexionsspektren im sichtbaren Spektralbereich zwischen 380 nm und 780 nm dem sogenannten V(λ)-Bereich auf einer Zeit-skala von 2 Minuten moumlglich Hieraus lassen sich dann Farbkoordinaten der untersuchten Proben in den unterschiedlichsten Farbraumsystemen berechnen Eine absolute Messung in 114 Win-kelkombinationen (siehe Bild 9) im Polarwinkel-

erfasst und ruumlckgefuumlhrt werden um eine gleich-bleibende Qualitaumlt in der Produktion gewaumlhrleis-ten zu koumlnnen Gerade diese vielfaumlltigen zusaumltz-lichen Eigenschaften stellen die Farbmesstechnik vor neue Herausforderungen

Farbmessung

Bisherige kommerzielle Farbmessgeraumlte charakte-risieren Probenoberflaumlchen fast ausschlieszliglich in den eben schon erwaumlhnten sogenannten in-plane Reflexionsgeometrien Dabei liegen die Richtun-gen des eingestrahlten und des reflektierten Lichts sowie die Oberflaumlchennormale der Probe in einer Ebene Diese Einschraumlnkung entspricht jedoch in keiner Weise der taumlglichen Realitaumlt bei der Oberflaumlchen aus beliebigen Richtungen beleuchtet und betrachtet werden Seitens der Messgeraumlteher-steller und Anwender gibt es daher einen Trend zur erweiterten Charakterisierung bezuumlglich zusaumltzlicher Winkelkombinationen im dreidimen-sionalen Raum Spitzenreiter dieser Entwicklung am Markt ist derzeit ein tragbares Mehrwinkel-Spektralphotometer mit insgesamt 19 verschie-denen Reflexionsgeometrien [9] Hiermit scheint aber auch das Ende dieser Entwicklung im Bereich der portablen handgefuumlhrten Geraumlte erreicht Der Wunsch der Anwender geht aktuell wieder zuruumlck zu einer geringeren Anzahl von Winkelkombi-nationen denn es ist unklar wie man aus dem Mehr an winkelaufgeloumlsten Reflexionsdaten die fuumlr die Charakterisierung der Farbeigenschaften relevanten Informationen gewinnen kann Daher stellt sich die Frage welches sind bdquoguteldquo d h an die Messaufgabe adaptierte optimal geeignete Messgeometrien

Um diese Frage zu beantworten betreibt die AG 424 bdquoReflexion und Transmissionldquo der PTB zwei roboterbasierte Gonioreflektometer die eine winkelaufgeloumlste Reflexionsmessung in beliebi-gen bidirektionalen Geometrien ermoumlglichen [10ndash12] Diese beiden Apparaturen sind in Bild 7 dargestellt

Das Standard-Gonioreflektometer ist hierbei das nationale Normal fuumlr die Messgroumlszlige spektraler Strahldichtefaktor in gerichteten Geometrien Es dient der Realisierung Bewahrung und Weiter-gabe der gerichteten Reflexionsskale in Form von Kalibrierungen Die zweite Apparatur bezeich-net mit dem Acronym ARGon3 (3D Appearance Robot-based Gonioreflectometer) ist ein flexibles Forschungsgeraumlt mit dem experimentelle Unter-suchungen u a im Rahmen des EMRP-Projektes Multidimensional Reflectometry for Industry der EU [13] durchgefuumlhrt werden Im Ver gleich zum Standard-Gonioreflektometer ist dieses Geraumlt mit einer photometrischen Leuchtdichteka-mera und einer Zeilenkamera ausgeruumlstet Die Leuchtdichtekamera erlaubt mit einer speziellen

Bild 7 Die beiden roboter-basierten Gonio-reflektometer der PTB oben Standard-Gonioreflektometer fuumlr Kundenkalibrie-rungen unten ARGon3-Messplatz fuumlr Forschungsanwen-dungen

Bild 8 Visualisierung desSparkling-Effektesvon Xironareg-Volcanic-Sparks-Pigmenten als Falschfarben-darstellung der ortsaufgeloumlsten LeuchtdichteDie bdquoNadelnldquo zeigendie Position derPigmente an

Bild 9 Beispielgeometrien zur Messung der winkelabhaumlngigen Reflexionseigen-schaften Realisiert wurden 4 Einstrah-lungsrichtungen (rote Pfeile) mit jeweils 114 Reflexionswinkeln (schwarze Punkte) im Bereich der Viertel-kugel oberhalb der Probenoberflaumlche

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PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4Das Jahr des Lichtes

bereich 0deg bis 70deg gleichmaumlszligig verteilt uumlber den Viertelraum oberhalb der Probe dauert hierbei ca 4 Stunden [14] Die so erhaltenen Daten bilden die Basis fuumlr kuumlnftige Verbesserungen in der Mess-technik fuumlr Anwender und Hersteller

Im Rahmen des EMRP-Projektes Multidimen-sional Reflectometry for Industry [13] sind damit die winkelabhaumlngigen Reflexionsspektren von insgesamt 66 verschiedenen Effektpigmentproben gemessen worden [15 16] Bei den vier verschie-denen Einstrahlungsrichtungen verbunden mit jeweils 114 Reflexionswinkeln im Bereich der Vier-telkugel oberhalb der Probenoberflaumlche ergeben sich somit uumlber 30000 Reflexionsspektren

Zielsetzung der Untersuchungen ist die Ver-besserung der Metrologie zur Materialcharak-terisierung mit reduzierter Messunsicherheit Dazu werden neue Messvorschriften und neue Standardmessartefakte entwickelt mit denen die Industrie die visuelle Wahrnehmung der von ihr produzierten Oberflaumlchen gezielt charakterisie-ren und kontrollieren kann Solche Messungen sollten einfach auszufuumlhren sein und die Ergeb-nisse muumlssen soweit wie moumlglich mit der visuellen menschlichen Wahrnehmung korrelieren Im europaumlischen und internationalen Rahmen sollen die Ergebnisse in die Normung einflieszligen um die allgemeine Vergleichbarkeit solcher Messungen zu gewaumlhrleisten

Literatur

[1] CS Henshilwood et al A 100000-Year-OldOchre-Processing Workshop at Blombos CaveSouth Africa Science Vol 334 No 6053 219ndash2222011

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[3] Colorimetry Understanding the CIE Systemed by J Schanda Wiley-Interscience NJ 2007

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[5] G Zaltman How Customers Think EssentialInsights into the Mind of the Market HarvardBusiness Review Press 2003

[6] DIN ISO 18451-12015-11 Pigmente Farbstof-fe und Fuumlllstoffe ndash Begriffe ndash Teil 1 AllgemeineBegriffe

[7] WR Cramer Ohne Glimmer aber mit GlanzFarbe amp Lack 042003 132ndash136 2003

[8] WR Cramer Es glitzert wie am SternenhimmelFahrzeug + Karosserie 0412 20ndash22 2012

[9] E Kirchner W Cramer Making sense of measure-ment geometries for multi-angle spectrophotome-ters Color Res Appl Vol 37 No3 186ndash198 2012

[10] D Huumlnerhoff U Grusemann A Houmlpe Newrobot-based gonioreflectometer for measuringspectral diffuse reflection Metrologia 43 S11ndashS162006

[11] A Houmlpe D Huumlnerhoff K-O Hauer Robot-basedgonioreflectometer Industrial Robotics Program-ming Simulation and Applications Low Kin-Huat Ed Pro Literatur-Verlag Mammendorf623ndash632 2007

[12] A Houmlpe T Atamas D Huumlnerhoff S TeichertK-O Hauer ARGon3 ndash bdquo3D Appearance Robot-based Gonioreflectometerrdquo at PTB Rev SciInstrum 83(4) 045102-1ndash045102-8 2012

[13] European Metrology Research Program ProjectIND52 bdquoxD-Reflectldquo Multidimensional Reflecto-metry for Industry wwwxdreflecteu(letzter Aufruf 03122015)

[14] T Atamas K-O Hauer A Houmlpe Appearancemeasurements of goniochromatic colours Predic-ting Perceptions Proceedings of the 3rd Internati-onal Conference on Appearance 149ndash154 2012

[15] A Houmlpe A Koo FM Verdu FB LeloupG Obein et al bdquoMultidimensional reflectometryfor industryrdquo (xD-Reflect) an European researchproject Proc SPIE 9018 Measuring Modelingand Reproducing Material AppearanceSPIE-ISampT Vol 9018 901804-1ndash901804-11 2014

[16] A Houmlpe K-O Hauer S Teichert D HuumlnerhoffC Strothkaumlmper Goniochromatic and Sparkleproperties of effect pigmented samples in mul-tidimensional configuration Proc SPIE 9398Measuring Modeling and Reproducing MaterialAppearance 2015 SPIE Proc Vol 9398 Appea-rance 93980O-1ndash7 2015

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Die 50 Sitzung des Internationalen Komitees fuumlr das gesetzliche Messwesen (CIML) fand vom 20 bis 22 Oktober 2015 in Arcachon Frankreich statt Im Vorfeld der CIML-Sitzung fand ein ein-taumlgiges OIML-Seminar uumlber Countries and Econo-mies with Emerging Metrology Systems (CEEMS) statt uumlber das weiter unten berichtet wird

Das CIML ist der Lenkungsausschuss der OIML Es trifft sich jaumlhrlich und besteht aus je einem Repraumlsentanten der Mitgliedstaaten der korrespondierenden Mitglieder und den Vertre-tern internationaler und regionaler Organisa-tionen die als Beobachter teilnehmen koumlnnen Das CIML ist zustaumlndig fuumlr die Vorbereitung und Durchfuumlhrung der Entscheidungen der Konfe-renz die alle vier Jahre stattfindet Es uumlberwacht die Arbeiten der Technischen Komitees und Unterkomitees und des Internationalen Buumlros fuumlr das gesetzliche Messwesen (BIML) in Paris

An der 50 CIML-Sitzung nahmen 144 Teilneh-mer aus 43 Mitgliedstaaten und 13 korrespondie-renden Mitgliedstaaten teil Zur deutschen Dele-gation gehoumlrten neben den o g Autoren auch die Herren Johann Fischer Direktor des Landesamts fuumlr Mess- und Eichwesen Berlin-Brandenburg sowie Prof Olaf Kuumlhn Direktor des Thuumlringer Landesamts fuumlr Verbraucherschutz als Vertreter der Bundeslaumlnder Dr Peter Ulbig Leiter der Abteilung Wissenschaftlich-technische Quer-schnittsaufgaben der PTB und Prof Manfred Kochsiek Vizepraumlsident a D der PTB ehema-liger CIML-Praumlsident und Ehrenmitglied der OIML Frau Dr Anna Cypionka persoumlnliche Referentin des Praumlsidenten der PTB nahm am OIML-Seminar fuumlr CEEMS teil Vertreten waren auch wieder internationale und regionale Orga-nisationen zu denen die OIML Verbindungen unterhaumllt wie das Internationale Buumlro fuumlr Maszlig und Gewicht (BIPM) die GSO-GCC Standardiza-tion Organization (Saudi-Arabien) die Internatio-nal Laboratory Accreditation Cooperation (ILAC) und der Europaumlische Verband der Waagenherstel-ler (CECIP)

Alle Beschluumlsse der 50 CIML-Sitzung koumlnnen auf den Internetseiten der OIML aufgerufen werden [1 2]

Die wichtigsten Entscheidungen und Entwick-lungen werden nachfolgend vorgestellt

1 Personalangelegenheiten

Der Vertrag von Willem Kool als Assistant Director wurde um vier Jahre der Vertrag des BIML-Direk-tors Stephen Patoray um drei Jahre verlaumlngert

2 Einfuumlhrung des PG Workspace im Internet

In seinem Bericht im Zusammenhang mit der Etablierung des neuen Webauftritts der OIML hob der CIML-Praumlsident Peter Mason (UK) die erfolgreiche Einfuumlhrung des Workspace fuumlr Pro-jektgruppen hervor Durch die Online-Arbeit wird erwartet dass die technische Arbeit an neuen bzw zu revidierenden OIML-Dokumenten vereinfacht und insgesamt effizienter wird

3 Revision der technische Richtlinien fuumlr die OIML (B 6 Directives for OIML tech-nical work)

In einem neuen Projekt sollen die in den vergan-genen Jahren revidierten OIML-Richtlinien fuumlr die technische Arbeit erneut uumlberarbeitet werden um u a den Prozess der Entwicklung und Uumlber-arbeitung von OIML-Publikationen noch weiter zu beschleunigen und den neuen internetbasierten Technologien und Arbeitsweisen Rechnung zu tragen

4 Umfassende strukturelle Uumlberarbeitung des OIML Certificate System

Das CIML verabschiedete die Gruumlndung einer Projektgruppe mit der Aufgabe einer substan-ziellen Uumlberarbeitung des OIML-Zertifizierungs-systems das z Zt aus dem Basiszertifizierungs-system und dem MAA3 besteht Urspruumlnglich ausgehend von der Annahme die Akzeptanz des MAA-Zertifizierungssystem muumlsse verstaumlrkt werden eine groumlszligere Verbreitung finden und mehr Messgeraumltearten abdecken erscheint es

Aktuelles aus der OIML (Internationale Organisation fuumlr das Gesetzliche Messwesen)Bericht uumlber die 50 Sitzung des CIML in Arcachon FrankreichSusanne Ludwig Roman Schwartz

INTERNATIONALE ZUSAMMENARBEIT

Susanne Ludwig OIMLshyGeschaumlftsstelle der PTB EshyMail susanneludwigptbde

Dir u Prof Dr Roman Schwartz Vizepraumlsident der PTB deutsches Mitglied im Internashytionalen Komitee fuumlr das Gesetzliche Messwesen (CIML) und CIMLshyVizepraumlsishydent EshyMail romanschwartzptbde

3 Mutual Acceptance Arrangement (Abshykommen zur gegenshyseitigen Anerkennung von Bauartpruumlfungen)

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PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4Internationale Zusammenarbeit

inzwischen sinnvoller und wurde so auch vom CIML beschlossen zum 112017 ein einziges OIML-Zertifizierungssystem einzufuumlhren Eine Projektgruppe (Certification System Project Group = CSPG) unter dem Vorsitz des CIML-Vizepraumlsi-denten Dr Roman Schwartz wurde damit beauf-tragt die notwendigen Dokumente und Prozedu-ren auszuarbeiten

5 OIML-Seminar fuumlr Countries and Economies with Emerging Metrology Systems (CEEMS)

Im Vorfeld der CIML-Sitzung wurde ein eintaumlgiges Seminar zum Thema Developing an OIML Package for Assistance to Countries with Emerging Metro-logy Systems (CEEMS) abgehalten In vier Sitzun-gen diskutierten 125 Teilnehmer aus 49 Laumlndern uumlber Moumlglichkeiten Laumlnder beim Aufbau von nationalen Metrologiesystemen zu unterstuumltzen In der ersten von Frau Dr Cypionka geleiteten Sitzung Capacity Building ging es um die allge-meinen Herausforderungen bei der Gestaltung von Programmen zur Foumlrderung von Handlungs-kompetenzen und Vermittlung von Wissen fuumlr die Metrologie In zwei weiteren Sitzungen wurden unter den Themen Helping CEEMS Improve Regulation in their Markets (Leitung Prof Dr Manfred Kochsiek) und New Ideas ndash Doing Legal Metrology Differently (Leitung Stuart Carstens

Suumldafrika) konkrete inhaltliche Loumlsungsvorschlaumlge vorgestellt und diskutiert Die Ergebnisse wurden in der 50 CIML-Sitzung vorgestellt und fanden ihren Niederschlag in der Resolution Nr 201510 [2] sie sollen auch noch auf den OIML-Webseiten veroumlffentlicht werden [1]

6 OIML-Publikationen

Folgende OIML-Publikationen wurden verabschiedet

R 139-3 Compressed gaseous fuels measuring systems for vehicles Part 3 Test report format

New Recommendation (R 145) Ophthalmic instru-ments mdash Impression and applanation tonometers

Alle OIML-Publikationen stehen im Internet frei zur Verfuumlgung [3]

Gleichzeitig wurde die Revision der folgenden OIML-Publikation beschlossen

Revision of R 79 Labeling requirements for prepackages

Folgende neue Projekte wurden verabschiedet

Revision des OIML-Dokuments B 6-1 Directives for OIML technical work

Bild 1 Teilnehmer der 50 Sitzung des Internationalen Komitees fuumlr Gesetz-liches Messwesen (CIML) in Arcachon Frankreich

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PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4 Aktuelles aus der OIML

TC 8SC 1 Revision R 71 Fixed storage tanks mdash General requirements

TC 8SC 1 Revision R 85 Automatic level gauges for measuring the level of liquid in stationary storage tanks

7 Personalien und Ehrungen

Die von Dr Seiler dem ehemaligen Leiter des Fachbereichs bdquoTechnische Zusammenarbeitldquo der PTB initiierte OIML-Auszeichnung fuumlr bdquoexzel-lente Beitraumlge von Entwicklungslaumlndern zum gesetzlichen Messwesenldquo ging in diesem Jahr an

bull Nam Hyuk Lim Director of Korea Testing Certi-fication und

bull The Metrology Department Saint Lucia Bureau of Standards

Die OIML-Medaille fuumlr besondere Verdienste um die OIML-Arbeit ging an Ngo Quy Viet Vietnam und Cartaxo Reis aus Portugal

8 Termine

Ein Gastgeberland fuumlr die 51 CIML-Sitzung und 15 OIML-Konferenz im Jahr 2016 konnte noch nicht bekannt gegeben werden es wird aber wahr-scheinlich wieder Frankreich sein Weitere OIML-Veranstaltungen und -Termine finden sich auf der OIML-Webseite unter [4]

9 Literatur

[1] httpswwwoimlorgen (letzter Aufruf 19112015)

[2] httpswwwoimlorgenstructurecimlpdf50-ciml-resolutions-englishpdf (letzter Aufruf 19112015)

[3] httpswwwoimlorgenpublicationsrecommen-dationspublication_viewp_type=1ampp_status=1

[4] (letzter Aufruf 19112015)[5] httpswwwoimlorgeneventscalendar

(letzter Aufruf 19112015)

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TECHNOLOGIETRANSFER

E27-Scanner fuumlr UlbrichtkugelnMit dem besonders einfach ohne Umbau einsetzbaren E27-Scanner koumlnnen Anwender und Hersteller die Homogenitaumlt ihrer Ulbricht-kugeln bestimmen und die Ergebnisse zur Berechnung genauerer Lichtstroumlme und zur Dokumentation der Qualitaumlt ihrer Messungen nutzen

Hintergrund

Wie viel Licht eine Lampe insgesamt in alle Richtungen abstrahlt wird durch ihren Lichtstrom ausgedruumlckt Um den fuumlr die Bestimmung der Energieeffizienz von Lampen notwendigen Lichtstrom schnell zu er mitteln setzt die Lampenindustrie Ulbrichtkugeln ein An einer Stange in der Mitte der Ulbrichtkugel befindet sich eine E27-Lampen-fassung in die nacheinander die Lichtstrom-Normallampe und die zu kalibrierende Lampe eingeschraubt werden Das indirekt auf den Mess-kopf fallende Licht erzeugt einen Photostrom der im Idealfall propor-tional zu dem von der Lampe abgestrahlten Lichtstrom ist unabhaumlngig von der Richtung in die das Licht abgestrahlt wird

Dies ist jedoch bei einer ungleichmaumlszligigen Beschichtung der Kugel sowie bei einer im Laufe der Zeit nicht zu verhindernden Verstaubung nicht der Fall Deshalb wird mit einem Kugelscanner die Homogenitaumlt der Kugel regelmaumlszligig vermessen und ein Korrekturfaktor bestimmt der von der jeweiligen Abstrahlcharakteristik der zu untersuchenden Lampe abhaumlngt

Technische Beschreibung

Der Kugelscanner wird einfach in eine E27-Fassung geschraubt und das sonst fuumlr die Lampenversorgung eingesetzte Netzgeraumlt wird durch die Steuereinheit ersetzt Diese uumlbernimmt sowohl die elektrische Versor-gung als auch die Befehlsuumlbermittlung zum Kugelscanner Die Steuer-einheit wird via USB oder RS232 an einen Computer angeschlossen Das mitgelieferte Messprogramm stellt automatisiert alle gewuumlnschten Richtungen ein und speichert die zugehoumlrigen von der Steuereinheit gemessenen Photostroumlme des Photometers

Wirtschaftliche Bedeutungw

Fuumlr Lampenindustrie und Hersteller von Ulbrichtkugeln

bull Genauere Messung des Lichtstroms

bull Bestimmung des Zeitpunkts einer Neubeschichtung

bull Uumlberwachung beim Beschichten

bull Dokumentation des Zustands der Ulbrichtkugel

EntwicklungsstandDer E27-Kugelscanner wurde in der PTB entwickelt Er wird laufend fuumlr Kalibrierungen eingesetzt Die Technologie wurde an die Firma Czibula amp Grundmann transferiert und wird dort mit einer PTB-Lizenz gebaut und vertrieben wwwphoto-metercom

Ansprechpartner

Dr Bernhard SmandekBeauftragter fuumlr TechnologietransferTelefon +49 531 592shy8303Telefax +49 531 592shy69shy8303EshyMail technologietransferptbde

Dr Stefan WinterFachbereich Photometrie und Radiometrie

Abbildung des E27shyKugelscanners Eine stark fokussierende Lampe die computergesteuert in alle Richtungen leuchten kann

Vorteile

bull Schneller Einbau in E27shyFassung

bull Computergesteuertes Abscannen der gesamten Ulbrichtkugel

bull Flexible Messmoumlglichkeiten

bull Fuumlr genauere Lichtstromshymessungen

bull Wichtig fuumlr die Qualitaumltsshysicherung

PTBshyNummer 0172

wwwtechnologietransferptbde

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PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4 Technologieangebote

Ansprechpartner

Dr Bernhard SmandekBeauftragter fuumlr TechnologietransferTelefon +49 531 592shy8303Telefax +49 531 592shy69shy8303EshyMail technologietransferptbde

Dr Stefan WinterArbeitsgruppe Solarzellen

PulsshyzushyCWshyKonverter

Umwandlung gepulster Laser-Strahlung in konstante StrahlungIn weiten Bereichen der optischen Metrologie ist eine Strahlungs-quelle von groszligem Nutzen die sich spektral vom UV-C bis ins mitt-lere IR durchstimmen laumlsst Lediglich Laser mit gepulster Strahlung erfuumlllen diese Anforderung bei ausreichend groszligem Ausgangssignal bisher luumlckenlos Femtosekunden-Lasersysteme waumlren aufgrund ihrer gut automatisierbaren und spektral weiten Durchstimmbarkeit die ideale Strahlungsquelle fuumlr z B radiometrische Anwendungen ndash wenn ihre Strahlung nicht gepulst waumlre

Durch das extreme Puls-Pausen-Verhaumlltnis von 10ndash5 entstehen hohe Spitzenleistungen die wiederum zu Saumlttigungseffekten bei Detek-toren und in der Folge zu nichtlinearem Verhalten fuumlhren koumlnnen Mit dem in der PTB entwickelten Puls-zu-CW-Konverter wird dieses Problem geloumlst

Technische Beschreibung

Bei dieser Methode werden Pulse gepulster Strahlungsquellen ausrei-chend hoher Repetitionsrate in CW-Strahlung umgewandelt Dabei wird jeder Puls in viele kleine Teilpulse aufgeteilt die auf unterschiedlich langen Wegstrecken unterschiedliche Laufzeiten erfahren Am Ausgang des Systems erscheinen sie dann zeitlich gleichmaumlszligig verteilt Realisiert wird dieser Puls-zu-CW-Konverter uumlber ein Glasfaserbuumlndel bei dem jede Einzelglasfaser eine individuell festgelegte Laumlnge besitzt

Mit der Entwicklung des Puls-zu-CW-Konverters wurde das ent-scheidende Manko beim Einsatz leistungsstarker Femtosekunden(fs)-Lasersysteme im Bereich der Metrologie beseitigt und erstmalig gepulste Laserstrahlung in CW-Strahlung umgewandelt Diese Neuentwicklung ermoumlglicht es nun herkoumlmmliche Monochromatorsysteme durch fs-Lasersysteme zu ersetzen die eine bis zu 1000-mal houmlhere spektrale Ausgangsleistung besitzen

Wirtschaftliche Bedeutung

Durch den neuen Puls-zu-CW-Converter koumlnnen in wirtschaftlich bedeutenden Bereichen wie z B der Photovoltaik der Photometrie der UV-Strahlungsmesstechnik und der Reflektometrie die Referenz- und Transfernormale mit einer deutlich reduzierten Messunsicherheit kali-briert werden Hier werden bislang wesentliche Messunsicherheitsan-teile durch zu geringe Strahlungsleistungen aus herkoumlmmlichen Mono-chromatorsystemen verursacht

Entwicklungsstand

Unter DE 10 2010 011 615 B4 wurde fuumlr den CW-Konverter ein Patent erteilt

Vorteile

bull Zeitliche Glaumlttung gepulster Laserstrahlung

bull Keine stoumlrenden Interferenzen

bull Nur minimale Absorption des Messsignals

bull Auch bei kuumlrzeren Wellenshylaumlngen ohne Ulbrichtkugel verwendbar

bull Kontinuierliche Verteilung des Ausgangspulses

bull Pulsvervielfachung

bull Houmlhere Strahlungsleistung

PTBshyNummer 0254

wwwtechnologietransferptbde

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PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4Technologieangebote

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Homogenisierung von Strahlungsquellen und Focal Plane Arrays (FPA)Ein neuartiges Verfahren ermoumlglicht softwaregestuumltzt eine deutlich verbesserte Kalibrierung von Mehrelement-Sensoren (FPA) und bildgebenden Systemen (Kameras) Bei flaumlchigen Strahlungsquellen kann zusaumltzlich eine gezielte Ansteuerung von Flaumlchenelementen zu einer bisher im Allgemeinen nicht erreichbaren Flaumlchenhomogenitaumlt fuumlhren

Technische Beschreibung

Flaumlchenstrahler dienen der Kalibrierung von ortsaufloumlsenden Strah-lungssensoren wobei davon ausgegangen wird dass die Emissionsflaumlche des Strahlers im Wesentlichen homogen bezuumlglich ihrer Strahldichte bzw Strahlungstemperatur ist Um kleine Inhomogenitaumlten eines Flaumlchenstrahlers zu charakterisieren ist es ein gaumlngiges Verfahren die Emissionsflaumlche punktweise mit einem Einzeldetektor abzutasten

Das neue PTB-Verfahren ist wesentlich schneller da es den Mehr-element-Sensor (FPA) das device-under-test selbst nutzt und damit immer ein Gesamtbild der Quelle aufnimmt Werden jetzt weitere Bilder zeilen- oder spaltenversetzt aufgenommen so erlaubt ein mathema-tischer Algorithmus bei nur drei Bildern eine komplette Charakterisie-rung des Sensors aber auch der Quelle

Sind Flaumlchenelemente der Strahlungsquelle einzeln ansteuerbar so ist es sogar moumlglich mittels der ermittelten Korrekturwerte zu Strahlquellen extrem hoher Homogenitaumlt im on-line-Betrieb zu gelangen

Wirtschaftliche Bedeutung

Bildgebende Strahlungssensoren und homogene Strahlungsquellen sind relevant fuumlr die Forschung und Entwicklung fuumlr die Prozesstechnik fuumlr die Charakterisierung der Energieeffizienz von Bauten bei der Ent-wicklung neuer Bauteile mit hoher thermischer Belastung und in vielen weiteren Bereichen Der mathematische Algorithmus ist aber auf unter-schiedliche Arten von Kamerasystemen anwendbar und damit auch fuumlr die Qualitaumltssicherung von CCD-Kameras bis hin zum Konsumguuml-termarkt anwendbar EntwicklungsstandEine deutsche Patenterteilung erfolgte im September 2015 Eine PCT-Anmeldung ist anhaumlngig Kooperations- und Lizenzpartner aus den Bereichen Thermografie Radiometrie und Photometrie zur Umsetzung des Konzeptes werden gesucht

Ansprechpartner

Dr Bernhard SmandekBeauftragter fuumlr TechnologietransferTelefon +49 531 592shy8303Telefax +49 531 592shy69shy8303EshyMail technologietransferptbde

DiplshyIng Berndt GutschwagerArbeitsgruppeInfrarotshyStrahlungsthermometrie

Stahlungsmessplatz der PTB zur Kalibrierung von Temperaturstrahlern und Waumlrmebildkashymeras

Vorteile

bull Schnelle Kalibrierung von Flaumlchensensoren (FPA)

bull Schnelle Kalibrierung von Flaumlchenstrahlern

bull Strahlquellen houmlchster Hoshymogenitaumlt

bull Fuumlr Thermografie und Phoshytometrie

PTBshyNummer 00374

wwwtechnologietransferptbde

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Printed in Germany ISSN 0030-834X

Die fachlichen Aufsaumltze aus dieser Ausgabe der PTB-Mitteilungen sind auch online verfuumlgbar unterdoi 10779531020150499

Die Physikalisch-Technische Bundesanstalt das nationale Metrologieinstitut ist eine wissenschaftlich-technische Bundesoberbehoumlrde im Geschaumlftsbereich des Bundesministeriums fuumlr Wirtschaft und Energie

mitteilungen

Impressum

Die PTB-Mitteilungen sind metrologisches Fachjournal der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt Braunschweig und Berlin Als Fachjournal veroumlffentlichen die PTB- Mitteilungen wissenschaftliche Fachaufsaumltze zu metrologischen Themen aus den Arbeitsgebieten der PTB Die PTB-Mitteilungen stehen in einer langen Tradition die bis zu den Anfaumlngen der Physikalisch-Technischen Reichsanstalt (gegruumlndet 1887) zuruumlckreicht

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Physikalisch-Technische BundesanstaltBraunschweig und BerlinNationales Metrologieinstitut

Die Physikalisch-Technische Bundesanstalt das nationale Metrologieinstitut ist eine wissenschaftlich-technische Bundesoberbehoumlrde im Geschaumlftsbereich des Bundesministeriums fuumlr Wirtschaft und Energie

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Ruumlckfuumlhrung in der Photometrie hellipPTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4

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(14)

Lichtstaumlrke-Normallampen

Die von der PTB in Kalibrierscheinen angegebe-nen Werte fuumlr die photometrischen Groumlszligen bezie-hen sich immer auf einen definierten Betriebszu-stand der Lampe Ihr momentaner Betriebszustand wird dagegen wesentlich bestimmt durch

bull die Zeitspanne seit dem Einschalten

bull die Betriebszustaumlnde bei fruumlheren Brennvor-gaumlngen und deren Dauer

bull die Eigenschaften der verwendetenMessapparatur

Zur Weitergabe der Lichtstaumlrke-Einheit werden zumeist Lampen des Typs WI41G verwendet Einige charakteristische Eigenschaften dieses Lam-pentyps werden nachfolgend angegeben - Kurzzeitstabilitaumlt ∆I Iv v le sdot minus2 10 4

- mechanische Justierunsicherheitfuumlr Lampe mit E27-Sockel ∆I Iv v le sdot minus2 10 3 fuumlr Lampe mit Spezialsockel ∆I Iv v le sdot minus4 10 4

- photometrisches Signal Alterung je Brennstundebzw Rauschen (siehe folgendes Bild 4)

- Richtungsabhaumlngigkeit der Lichtstaumlrke beiDrehung um die vertikale und horizontale Achse in der Leuchtkoumlrperebene Abhaumlngigkeit uumlberwiegend bei Drehung um die horizontale Achse fuumlr beide Winkel sollte der Justierfehler 1deg nicht uumlbersteigen

Bei der Weitergabe der Einheiten der gerich-teten Photometrie macht man sich das Moni-torverfahren zunutze D h der aktuelle photo-metrische Betriebszustand von Lichtstaumlrke- und Leuchtdichte normalen wird durch geeignete Monitortechniken kontrolliert Dafuumlr werden spe-ziell konstruierte Monitorphotometer eingesetzt (siehe folgendes Bild 5)

Die Signale der Monitorphotometer werden synchron mit den Referenz- bzw Testphotometern ausgelesen und dokumentieren so die bdquoEinbrenn-phaseldquo bzw die Stabilitaumlt des photometrischen Signals waumlhrend der Messablaumlufe und dienen gegebenenfalls zur Korrektur

Kalibrierung von Photometern

Bei der Kalibrierung von Photometern wird deren absolute spektrale Bestrahlungsstaumlrke-Empfindlich-keit vom UV bis ins nahe Infrarot bestimmt Dabei wird das Photometer im quasi monochromatischen homogenen Strahlungsfeld bekannter Bestrahlungs-staumlrke vollstaumlndig uumlberstrahlt und die sich dabei ergebende Stromstaumlrke gemessen Der Quotient aus Stromstaumlrke und Bestrahlungsstaumlrke bei der einge-stellten Wellenlaumlnge ergibt die spektrale Bestrah-lungsstaumlrke-Empfindlichkeit s(λ) Diese Messung wird alle 5 nm von 360 nm bis mindestens 830 nm durchgefuumlhrt und ergibt dann einen Kurvenverlauf der bei guten Photometern der oben beschriebenen V(λ)-Funktion sehr nahe kommt

Aus der experimentell bestimmten spektralen Bestrahlungsstaumlrke-Empfindlichkeit s(λ) laumlsst sich nun mithilfe tabellarisch definierter Groumlszligen (Normlichtart A S(λ 2856 K) V(λ)-Funktion und dem Maximalwert des Strahlungsaumlquivalents Km) die in Formel (2) eingefuumlhrte photometrische Empfindlichkeit sv des Photometers zusammen mit Formeln (3) und (4) berechnen

sS s

K S Vv

m

d

d=

sdot sdot

sdot sdot

infin

infinintint

( ) ( )

( ) ( )

λ λ λ

λ λ λ

2856

2856

0

0

K

K (15)

Ebenso laumlsst sich nun nach Formel (11) die Anpas-sungskorrektur F(T) direkt berechnen

2300 2500 2700 T K 2900 1

2

3

4

Alterung je Brennstunde

Rauschen ∆YY104

Photometrisches Signal

2856 K

Bild 4 Alterung je Brennstunde bzw Rauschen des photometri-schen Signals

Bild 5 Monitor-Photometer zur Uumlberwachung bzw Korrektur der Stabilitaumlt bei Messungen in der gerichteten Photometrie

Monitor-Photometer

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Das Jahr des Lichtes PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4

Experimentell wird die spektrale Bestrahlungs-staumlrke traditionell mit einem Monochromator-messplatz wie dem DSR-Messplatz ermittelt Dieser sondert aus einem Xenonlampenspektrum oder einem Gluumlhlampenspektrum einen schma-len Wellenlaumlngenbereich aus der dann fuumlr die Bestimmung der spektralen Empfindlichkeit bei seiner Schwerpunktwellenlaumlnge benutzt wird Besonders wichtig ist dabei dass der genaue Wert der Schwerpunktwellenlaumlnge bekannt ist und dass die ausgesonderte Strahlung ein sehr homogenes Strahlungsfeld erzeugt Entscheidend dafuumlr ist der geschickte und wellenlaumlngenabhaumlngige Aufbau der Eingangs- und Ausgangsoptik mit mehreren Linsen

Lampenbasierte Monochromatormessplaumltze haben jedoch einen entscheidenden Nachteil Ihre maximale Leistung betraumlgt typisch nur 100 microW Deshalb muumlssen mehrere Kompromisse bei der Messung eingegangen werden Die Messung muss verhaumlltnismaumlszligig dicht hinter dem Messplatz durch-gefuumlhrt werden wo sich die Bestrahlungsstaumlrke noch stark mit dem Abstand aumlndert und inhomoge-ner als im Fernfeld ist Je spektral reiner die Strah-lung eingestellt wird umso weniger Strahlungs-leistung passiert den Monochromator sodass auch hier wieder ein Kompromiss eingegangen werden muss Trotz der Kompromisse ist der Wellenlaumln-genbereich in dem die spektrale Empfindlichkeit bestimmt werden kann oft auf 400 nm bis 750 nm beschraumlnkt also auf den Bereich bei dem die spekt-rale Empfindlichkeit noch ausreichend hoch ist

Deshalb wurde ein neuer laserbasierter Messplatz aufgebaut (s Bild 6) Dieser erzeugt ein 100- bis 10000-mal kraumlftigeres Strahlungsfeld (s Bild 7) Zudem erlaubt der Messplatz die Bestimmung der Winkelabhaumlngigkeit von Photometern sowie die Messung des spektralen Temperaturkoeffizienten von ndash70 degC bis 180 degC Es koumlnnen mit dem laser-basierten Messplatz selbst unempfindliche Photo-meter in einem deutlich groumlszligeren Wellenlaumlngenbe-reich als bislang gemessen werden (s Bild 8ndash9) Da so viel Strahlungsleistung selbst fuumlr einen erweiter-ten Wellenlaumlngenbereich nicht benoumltigt wird kann mit einem laserbasierten Messplatz im homogenen Fernfeld und mit houmlherer spektraler Reinheit gemessen werden und somit die Messunsicherheit signifikant reduziert werden

Bild 6 Aufbau eines laser-basierten Messplat-zes zur Kalibrierung der spektralen Bestrahlungsstaumlrke-Empfindlichkeit von Photometern Das eigentliche Laser-system ist in der unteren Haumllfte von a) skizziert und in b)als Foto dargestellt

a

b

13

Ruumlckfuumlhrung in der Photometrie hellipPTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4

Realisierung der spektralen Bestrahlungsstaumlrke

Wie bereits vorher erwaumlhnt ist zur Realisierung der Candela die Kenntnis der relativen spektralen Bestrahlungsstaumlrke Er(λ) = S(λ T) von Tempera-turstrahlern (Gluumlhlampen) der Verteilungstempe-ratur T erforderlich

Bereits zum Ende des neunzehnten Jahrhunderts beschaumlftigten sich an der Physikalisch-Techni-schen-Reichsanstalt (PTR) in Berlin die Wissen-schaftler Otto Lummer Ernst Pringsheim und Fer-dinand Kurlbaum unter der Leitung von Wilhelm Wien mit der Pruumlfung elektrischer Gluumlhlampen fuumlr die Industrie und in diesem Zusammenhang mit der Verbesserung von Lampen und Vergleichs-normalen fuumlr Waumlrmestrahlung [4]

Sie entwickelten basierend auf Ideen von Kirch-hoff ab 1895 die ersten Hohlraumstrahler die als sogenannter Schwarzer Strahler zur Erzeugung von Temperaturstrahlung bis zu etwa 2000 K ein-gesetzt werden konnten Aufbauend auf Vorarbei-ten von Kirchhoff (1859) Stefan und Boltzmann (187984) sowie auf eigene Berechnungen (1893) konnte Wilhelm Wien anhand erster Messergeb-nisse 1896 die heute nach ihm benannte Wiensche Strahlungsgleichung aufstellen die die Ergebnisse der Experimente gut traf allerdings systema-tische Abweichungen fuumlr groszlige Produkte von λ middot T ergab Die Wiensche Gleichung war jedoch wesentlich genauer als das von Rayleigh und Jeans aufgestellte Pendant mit seiner inhaumlrenten Ultraviolettkatastrophe

Am 19 Oktober 1900 konnte Max Planck der vom Gastwissenschaftler Heinrich Rubens uumlber die Messergebnisse in der PTR unterrichtet wurde in einer Sitzung der Physikalischen Gesellschaft eine Gleichung vorlegen die die Messungen seiner Kollegen in der PTR besser als alle bis dato bekannten Gleichungen wiedergab Bereits am 14 Dezember 1900 trug er die komplette Her-leitung der Planckschen Strahlungsgleichungwiederum der Berliner Physikalischen Gesellschaftvor und leitete damit (verbunden mit der Energie-quantelung) die Quantenphysik ein [5]

Mithilfe des Planckschen Strahlungsgesetzes laumlsst sich die spektrale Dichte der Bestrahlungs-staumlrke EλBB(λTBB) eines Hochtemperatur-Hohl-raumstrahlers (auch Planckscher Strahler oder Schwarzer Strahler) berechnen

E T T Ad

cn

ec

n Tλ

λ

λ ε λλ BB BB BB

BB

BBBB

( ) = ( ) sdot sdot sdot

minus2

12 5

1

12

(16)

Bild 7 Wellenlaumlngenabhaumlngige optische Leistung des herkoumlmmlichen DSR-Messplatzes (untere Kurven) und des Laser-DSR-Messplatzes einmal direkt hinter dem Laser gemessen (gruumlne Kurven) und einmal die Leistung der tatsaumlchlich in der Messebe-ne nutzbaren Strahlung (rote Kurven)

Bild 8 Photometer Referenzphotodiode (links) sowie Solarzelle (unten) am Laser-DSR-Messplatz

Bild 9 Mit dem Laser-DSR-Messplatz und dem DSR-Messplatz gemessene spektrale Empfindlichkeiten von zwei verschiedenen Photometern (gruumlne und blaue Kurve) sowie die spektrale Empfindlichkeit von der als Referenz benutzten Photodiode (rote Kurve) Die Signalhoumlhen unterscheiden sich um einen Faktor von bis zu 100 Millionen Obwohl das am Laser-DSR-Messplatz gemessene Photometer ca 7 mal unempfindlicher als das am DSR-Messplatz gemessene Photometer ist kann die spektrale Empfindlichkeit in einem deutlich groumlszligeren Wellenlaumlngenbereich gemessen werden

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Das Jahr des Lichtes PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4

Hierbei ist

TBB die Temperatur des Planckschen Strahlers ε(λTBB) der effektive Emissionsgrad des Strahlers ABB die Groumlszlige der Strahleroumlffnung dBB der Abstand zur Referenzebene fuumlr die Bestrahlungsstaumlrke c1 c2 die Planckschen Strahlungskonstanten und n der Brechungsindex von Luft

In der PTB wird im Fachbereich 41 bdquoPho-tometrie und angewandte Radiometrieldquo ein Hochtemperatur-Hohlraumstrahler vom Typ BB3200pg als nationales Normal fuumlr spektrale Bestrahlungsstaumlrke im Spektralbereich 200 nm bis 2500 nm eingesetzt Der Strahler der vom russi-schen Institut fuumlr optophysikalische Messungen (VNIIOFI) entwickelt [6] und von der PTB fuumlr seine Messaufgabe aufwendig charakterisiert und optimiert wurde [7] besitzt einen Hohlraum aus pyrolytischem Graphit der mittels Gleichstrom auf Temperaturen bis 3200 K aufgeheizt werden kann Der Strahler besitzt einen effektiven Emissions-grad von ε(λTBB) gt 09998 und eine ausgepraumlgte Homogenitaumlt der Temperatur im Hohlraum Er kann somit als Planckscher Strahler behandelt werden

Zur Berechnung des Planckschen Strahlungs-gesetzes werden weitere Groumlszligen des SI-Systems benoumltigt die in der PTB ruumlckfuumlhrbar kalibriert werden So wird zum Beispiel die Strahlerflaumlche ABB in Fachbereich 53 bdquoKoordinatenmesstechnikldquo kalibriert und die Bestimmung der Strahlertem-peratur TBB erfolgt mithilfe von Filterradiometern die in Fachbereich 73 bdquoDetektorradiometrie und Strahlungsthermometrieldquo gegen ein Kryo-

radiometer ruumlckgefuumlhrt werden Mithilfe dieser Berechnungsparameter fuumlr Gleichung (16) kann der Schwarze Strahler als Primaumlrnormal fuumlr strah-lungsphysikalische Groumlszligen eingesetzt werden

Die Kalibrierung von Gluumlhlampen bezuumlglich spektraler Bestrahlungsstaumlrke erfolgt in Sub-stitution durch direkten Vergleich gegen das Primaumlrnormal bzw entsprechend ruumlckgefuumlhrte Sekundaumlrnormale Hierbei handelt es sich um 1000-W-Gluumlhlampen vom Typ FEL die mit einer Verteilungstemperatur von etwa 3080 K einem dem Schwarzen Strahler sehr aumlhnlichen Verlauf der relativen spektralen Strahlungsfunktion besitzen Die Substitution erfolgt mithilfe eines Spektroradiometers das mit drei Monochroma-toren und Empfaumlngern einen Spektralbereich von 250 nm bis 2500 nm abdeckt [8] Eine Ulbrichtku-gel dient als Eingangsoptik und ihre Eintrittsoumlff-nung als Referenzebene fuumlr die Bestrahlungsstaumlrke Die durch die Kugel transmittierte Strahlung gelangt in einen Vormonochromator und wird nach spektraler Vorzerlegung wahlweise in einen Monochromator fuumlr den Spektralbereich 250 nm bis 1100 nm oder in einen Monochromator fuumlr den infraroten Spektralbereich eingekoppelt Ein Photomultiplier eine Si-Photodiode und eine InGaAs-Photodiode erfassen die aus den derart kombinierten beiden Doppelmonochromatoren austretende Strahlung Im fuumlr die Photometrie relevanten sichtbaren Spektralbereich werden spektrale Messungen mit einer spektralen Band-breite von 1 nm und einem Streulichtanteil im Bereich von 10ndash7 durchgefuumlhrt

Das Verhaumlltnis der mit den unterschiedlichen Strahlern gemessenen Photostroumlme entspricht im Wesentlichen dem Verhaumlltnis ihrer spektralen Bestrahlungsstaumlrken Beim Vergleich eines Strah-

Bild 10 Der Hochtemperatur-Hohlraumstrahler BB3200pg der in der PTB als Primaumlrnormal fuumlr die spektrale Bestrahlungsstaumlrke eingesetzt wird Der Hohlraum aus Pyrographit kann bis zu 3200 K aufgeheizt werden

15

Ruumlckfuumlhrung in der Photometrie hellipPTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4

lers bdquoSldquo mit der Verteilungstemperatur T mit dem Schwarzen Strahler der Temperatur TBB laumlsst sich prinzipiell also die unbekannte spektrale Bestrah-lungsstaumlrke EλS (λT) ermitteln aus

E T E Ty

yS eS

λ λλ λλλ ( ) = ( ) sdot ( )( )BB BB

BB

wobei ys(λ) und yBB(λ) die fuumlr die beiden Strahler gemessenen Photostroumlme bei der Wellenlaumlngen-einstellung λ sind und EλBB (λTBB) die spektrale Bestrahlungsstaumlrke des Hochtemperatur-Hohl-raumstrahlers nach dem Planckschen Strahlungs-gesetz (16) ist

Ableitung und Weitergabe weiterer photometrischer Einheiten gerichteter photometrischer Groumlszligen

Neben der Einheit fuumlr die Lichtstaumlrke sind in der gerichteten Photometrie die Einheit der Beleuch-tungsstaumlrke zur Kalibrierung von Photometern und die Einheit der Leuchtdichte zur Angabe von Lampeneigenschaften besonders wichtig

Beleuchtungsstaumlrke

In der PTB werden Beleuchtungsstaumlrke-Messgeraumlte mit einem Referenzphotometer mittels der Substi-tutionsmethode kalibriert wobei die Lichteintritts-flaumlchen der Photometerkoumlpfe an derselben Stelle senkrecht und gleichmaumlszligig beleuchtet werden

Dazu wird zunaumlchst das Referenzphotometer (Linearitaumlt und Anpassungsindex m bekannt) mit Lichtstaumlrke-Normallampen beliebiger Vertei-lungstemperatur T kalibriert Durch Umstellung von Gleichung (13) folgt fuumlr seine photometrische Empfindlichkeit

s d y TI T

Tm

v K= sdot sdot

2

0 2856Ω( )( )

v

(18)

Auf einer 40 m langen Photometerbank siehe Bild 10 koumlnnen dann mit beliebigen Gluumlhlampen unterschiedlicher elektrischer Leistung aber bekannter Verteilungstemperatur Beleuchtungsstaumlrken zwischen 0001 lx und 10000 lx erzeugt werden

Die Kalibrierung von Beleuchtungsstaumlrke-Mess-geraumlten erfolgt meistens mit Licht der Normlicht-art A eine entsprechende Lampe ist in Bild 15 dargestellt Die Anzeige des zu kalibrierenden Beleuchtungsstaumlrke-Messgeraumltes wird mit dem Messwert der Beleuchtungsstaumlrke Ev des Referenz-photometers verglichen

E T ysv

vK( )= =2856

001

01

1

10

100

350 400 450 500 550 600 650 700 750

spek

tral

e Be

stra

hlun

gsst

aumlrke

E[microW

cm

sup2nm

]

Wellenlaumlnge λ [nm]

Schwarzer Strahler (3076 K)Schwarzer Strahker (2995 K)FEL 81 A (3080 K)FEL 67 A (2780 K)WI 41G 54 A (2700 K)

Bild 11 Spektrale Bestrahlungsstaumlrke unterschiedlicher Strahler im sichtbaren Spektralbe-reich Die als Sekundaumlrnormale eingesetzten 1000-W-Gluumlhlampen vom Typ FEL und die in der Photometrie verwendeten Gluumlhlampen vom Typ WI 41G besitzen einen sehr aumlhnlichen spektralen Verlauf wie der als Primaumlrnormal eingesetzte Schwarze Strahler bei unterschiedlichen Strahlertemperaturen

Bild 12 Der Messplatz fuumlr die Kalibrierung von Gluumlhlampen bezuumlglich spektraler Bestrah-lungsstaumlrke in der PTB Auf der rechten Seite befinden sich zwei als Sekun-daumlr- und Arbeitsnormale eingesetzte Gluumlhlampen Auf der linken Seite ist das Spektroradiometer zu sehen dass an seiner Oberseite eine Ulbrichtkugel als Eingangsoptik montiert hat deren Oumlffnung in Richtung Strahler als Referenzebene fuumlr die Bestrahlungsstaumlrke verwendet wird

Bild 13 Messplatz zur Weitergabe der Einheit der Beleuchtungsstaumlrke zur Kalibrierung von Photometern

(17)

(19)

16

Das Jahr des Lichtes PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4

Leuchtdichte

Leuchtdichten homogen leuchtender begrenzter Flaumlchen koumlnnen aus groszligem Abstand wie Licht-staumlrken gemessen werden Wird z B eine kreisfoumlr-mige Blendenoumlffnung (zentrisch und senkrecht zur Messrichtung) zwischen der leuchtender Flaumlche und dem Photometerkopf angeordnet und damit ein Teillichtstrom ausgesondert so kann dieser in groszligem Abstand als Lichtstaumlrke bestimmt werden und es gilt fuumlr die Leuchtdichte Lv der prinzipielle Zusammenhang

LIAvv= (20)

In der PTB wird fuumlr die mit Gluumlhlampen ausgestat-teten Leuchtdichtenormale (d h Verteilungstem-peratur T bekannt) zunaumlchst die photometrische Empfindlichkeit sv des Referenzphotometers wie in Abschnitt 41 bestimmt dann die Lichtstaumlrke nach Gleichung (13) gemessen und schlieszliglich die mittlere Leuchtdichte innerhalb der leuchtenden Flaumlche A nach Gleichung (20) berechnet

Fuumlr Leuchtdichtenormale gelten prinzipiell einige der im Kapitel bdquoLichtstaumlrke-Normallampenldquo aufgefuumlhrten Merkmale Sie unterscheiden sich jedoch im Detail in der Art der Ausfuumlhrung z B sind sie mit Gluumlhlampen oder mit LEDs bestuumlckt sie koumlnnen hinsichtlich der Leuchtdichte bzw Farbe durchstimmbar sein oder mit gesonderter Monitortechnik ausgestattet sein

Die traditionellen Messverfahren zur Bestim-mung der Leuchtdichte bzw die Verwendung von Photometern mit direkter Anzeige der Leuchtdich-tewerte werden zunehmend durch den Einsatz von Leuchtdichtekameras (pixelaufgeloumlste Darstellung von Leuchtdichteverteilungen) ergaumlnzt Eine abso-lute Kalibrierung dieser modernen Systeme stellt aber messtechnisch eine groszlige Herausforderung

Bild 14 Die 40 m lange photometrische Bank zur Realisierung und Weitergabe der Einhei-ten der gerichteten Photometrie

Bild 15 20-kW-Hochleistungshalogengluumlhlampe fuumlr hohe Beleuchtungsstaumlrken zur Kalibrierung von Beleuchtungsstaumlrke-Messgeraumlten u a mit Normlichtart A

Bild 16 Gluumlhlampenbasierte Normale zum Transfer der Leuchtdichte-Einheit

17

Ruumlckfuumlhrung in der Photometrie hellipPTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4

dar aktuell werden zur Charakterisierung solcher Kameras national im FNL3 (Normenausschuss bdquoPhotometrieldquo im DIN) und international in der CIE (TC2-59 TC2-62) u a Messverfahren dis-kutiert die dann mittels definierter Kenngroumlszligen beschrieben werden

Literatur

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temperature 1994[3] G Sauter Die Candela Erlaumluterungen zum Ver-

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[4] W Schreier (Hrsg) Biographien bedeutender Phy-siker 2 Aufl Volk und Wissen Berlin 1988S 203ndash205

[5] M Planck Zur Theorie des Gesetzes der Energie-verteilung im Normalspektrum Verhandlungender Deutschen Physikalischen Gesellschaft 21900 S 237ndash245

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[7] P Sperfeld Entwicklung und Realisierungeiner empfaumlngergestuumltzten spektralen Bestrah-lungsstaumlrkeskala Dissertation Braunschweig2861999 httpwwwbibliotu-bsdeedissdata19990628a19990628ahtml(Letzter Aufruf 28102015)

[8] P Sperfeld S Pape B Barton From Primary Stan-dard to Mobile Measurements ndash Overview of theSpectral Irradiance Calibration Equipment at PTBMAPAN-Journal of Metrology Society of India 252010 S 11ndash19

Bild 17 Pixelaufgeloumlste Darstellung einer Leuchtdichteverteilung mit einer Leuchtdichtemesskamera

pim_140107_anz_forschung_178x29indd 1 280214 1033

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PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4Das Jahr des Lichtes

Kurze Geschichte der Goniophotometrie in der PTB Matthias Lindemann

Zusammenfassung

Die Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB) ist das nationale Metrologieinstitut (NMI) der Bundesrepublik Deutschland das seinen Fokus auf die Realisierung Bewahrung und Weitergabe der SI-Einheiten richtet Deshalb hat auch die goniophotometrische Bestimmung des Licht-stroms nahezu beliebiger Lichtquellen eine lange Tradition Seit mehr als 50 Jahren werden in der PTB hierzu noumltige Messsysteme entwickelt genutzt verbessert und an neue Messaufgaben angepasst Schon in den 50er- und 60er-Jahren des vergangenen Jahrhunderts erlaubte ein soge-nanntes Einarm-Goniophotometer die Realisie-rung der Lichtstromeinheit lumen (lm) als direkte Ableitung von der SI-Basiseinheit Candela (cd) mithilfe von Lichtstaumlrke-Normallampen Spaumlter gestattete ein groszliges Kardan-Goniophotometer mit einem Messradius von 25 m die notwendige automatisierte spiralfoumlrmige Bewegung eines Photometers bzw eines Dreibereichsfarbmess-kopfes Fuumlr die Lichtstrom-Kalibrierungen von Kleingluumlhlampen aber auch von zunehmend nachgefragten Messungen an LEDs wurde schon in den fruumlhen 1980er Jahren ein sogenanntes Mini-Goniophotometer ebenfalls als Kardan-

Goniophotometer mit nur 03 m Messradius entwickelt und eingesetzt Dieser Entwicklungs-prozess haumllt an und ermoumlglicht heute die Kalibrie-rung auch modernster LED-Lichtquellen Im Jahr 2006 wurde das erste Roboter-Goniophotometer im neuen Albert-Einstein-Gebaumlude der PTB in Betrieb genommen und ermoumlglicht seitdem die Kalibrierung nahezu beliebiger Lichtquellen mit der noumltigen kleinen Messunsicherheit

1 Einfuumlhrung

Mehr als 11 der elektrischen Energie werden heute in Deutschland fuumlr Beleuchtung einge-setzt Tendenz steigend Daher ist der Lichtstrom oumlkonomisch gesehen die wichtigste photometri-sche Groumlszlige Es ist notwendig seine Einheit das Lumen (lm) direkt von der SI-Basiseinheit fuumlr die Lichtstaumlrke der Candela (cd) abzuleiten Dies geschieht regelmaumlszligig mittels Goniophotometrie um den Lichtstrom der zu untersuchenden Licht-quelle zu bestimmen Obwohl auch absolut arbei-tende Ulbricht-Kugel-Methoden existieren [1] benoumltigen diese streng genommen zumindest die relative raumlumliche Lichtstaumlrkeverteilung welche nur durch goniophotometrische Methoden messbar ist

Das Prinzip der Goniophotometrie ist unabhaumln-gig von der technischen Realisierung der unter-schiedlichen Goniophotometertypen Ein Gonio-photometer misst die raumlumliche Verteilung der Beleuchtungsstaumlrke E(r ϑ φ) auf einer geschlosse-nen Huumlllflaumlche mittels V(λ)-angepasstem Pho-tometer fuumlr alle Richtungen (ϑ φ) der Lichtaus-strahlung im vollen Raumwinkel (4π sr) um die Lichtquelle herum wie Bild 1 zeigt

Der Radiusvektor r(ϑ φ) beschreibt die Position des Photometers in Kugelkoordinaten und r(ϑ φ) durchstoumlszligt das zur Lampe gerichtete Eintrittsfens-ter immer orthogonal Der Radiusvektor r(ϑ φ) beschreibt auch die Entfernung zwischen Lampe und Photometer

Der Winkel ϑ beschreibt die Position des Photometers zwischen den Polen traditionell im Bereich (0 lt ϑ lt π) Der Winkel φ beschreibt die Photometer-Position in der Aumlquator-Richtung

Matthias Lindemann Arbeitsgruppe bdquoGoniophotometrieldquo EshyMail matthiaslindemannptbde

Bild 1 Beleuchtungsstaumlrke E als Funktion des Radiusvektors r(ϑ φ)

19

PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4 Kurze Geschichte der Goniophotometrie in der PTB

(0 lt φ lt 2π) Der Wert des Lichtstroms Φ der Lampe kann aus der Beleuchtungsstaumlrkeverteilung E(ϑ φ) berechnet werden entweder aus der Licht-staumlrkedefinition I = dΦdω oder aus der Defini-tion der Beleuchtungsstaumlrke E = dΦdΑ

Φ = ( )int I ϑ ϕ ω4πsr

d (1)

Φ = ( )int E Ar

ϑ ϕ4 2π

d (2)

Das Raumwinkelelement dω der Gleichung (1) ist gegeben durch

d sin d dω ϑ ϑ ϕ= ( ) (3)

und das Flaumlchenelement dA der Gleichung (2) erhaumllt man aus

d sin d dA r= ( ) ( )2 ϑ ϕ ϑ ϑ ϕ

(4)

Der Radius r des Radiusvektors r(ϑ φ) kann als Konstante behandelt werden da er sich gewoumlhn-lich waumlhrend einer goniophotometrischen Messung nicht aumlndert Dann kann die Lichtstaumlrke-verteilung I(ϑ φ) durch Anwendung des photome-trischen Grundgesetzes aus der Beleuchtungsstaumlr-keverteilung E(ϑ φ) bestimmt werden

I r Eϑ ϕ ϑ ϕ ( ) = ( )2 (5)

Falls die photometrisch wirksame Ausdehnung rL der zu messenden Lampe deutlich kleiner ist als der Messradius r des Goniophotometers ist kann Gleichung (1) mit Gleichung (3) und r = const wie folgt geschrieben werden

Φ = ( ) ( )intintr E2

00

2

d sin dϕ ϑ φ ϑ ϑππ

(6)

Andererseits fuumlhrt Gleichung (2) mit Glei-chung (4) und r = const ebenfalls auf Gleichung (6) Aber fuumlr groszlige Lampen koumlnnte die Anwen-dung von Gleichung (5) zu fehlerhaften Ergeb-nissen fuumlhren (rL gt r) aber der ermittelte Wert des Lichtstroms entsprechend Gleichung (6) waumlre korrekt falls das Photometer das einfallende Licht mit dem Kosinus des Einfallswinkels bewertet

2 Geschichte der Goniophotometer- Systeme in der PTB

Wie bereits teilweise in Abschnitt 1 diskutiert sollte ein ideales Goniophotometer eine Reihe von Anforderungen erfuumlllen wie die folgende Auflis-tung zeigt

1 Kalibrierung der Photometer mittels Licht-staumlrke-Normallampen zur Sicherung der Ruumlckfuumlhrung auf die nationale Realisierung der Einheit Candela

2 Ausfuumlhrung einer Relativbewegung zwischen Lampe und Photometer wobei sich ϑ-Achse und φ-Achse rechtwinklig schneiden

3 Verwendung eines V(λ)-angepassten Photo-meters zur Lichtstrommessung

4 Automatische Messdatenanalyse5 Unabhaumlngige Bestimmung des Lichtstromwer-

tes von der raumlumlichenspektralen Verteilung der gemessenen Bestrahlungsstaumlrke Ee(λ ϑ φ) des Lichts

6 Unabhaumlngigkeit der Empfindlichkeit des Pho-tometers von der Umgebungstemperatur bzw Durchfuumlhrung einer entsprechenden Korrektur

7 Beliebige Betriebslage der zu untersuchenden Lampe

8 Einstellbare Umgebungsbedingungen fuumlr Luft-temperatur und Luftfeuchte

9 Geringer Streulichtanteil im Messraum bzw Streulicht-Korrektur

10 Elektrische Antriebe fuumlr die Bewegung der ϑ- und φ-Achsen

11 Verwendung von Farbmesskoumlpfen zur Bestim-mung der raumlumlich wirksamen aumlhnlichsten Farbtemperatur undoder Bestimmung der relativen raumlumlichen spektralen Verteilung der gemessenen Bestrahlungsstaumlrke

12 Messung ohne Bewegung der zu untersuchen-den Lampe

13 Vollstaumlndige Abtastung der Beleuchtungs-staumlrke- bzw Lichtstaumlrkeverteilung der zu untersuchenden Lampe

14 Staumlndige Uumlberwachung des photometrischen Betriebsverhaltens der Lampe um Alterung waumlhrend der Messzeit erkennen bzw korrigie-ren zu koumlnnen (sogenanntes Monitorsystem)

15 Messraumwaumlnde sollen etwa auf Lufttem-peratur sein um den Strahlungsaustausch zwischen Entladungslampen und Waumlnden des Messraums zu stabilisieren

16 Online-Streulichtkorrektur ndash insbesondere fuumlr ausgedehnte Lampen wie Leuchtstofflampen da diese den Einsatz eines Streulichttubus mit groumlszligerem Gesichtsfeld erfordern

17 Die Beleuchtungseinrichtung des Gonio-photometerraums soll zur Messzeit abgedeckt und ausgeschaltet sein um den Streulichtan-teil nicht zu erhoumlhen

18 Variation des Messradius r (Validierung von Nahfeld-Fernfeld-Messungen mit abbilden-den Systemen)

In der Goniophotometrie sind verschiedene Koor-dinatensysteme wie Bild 1a zeigt zu unterscheiden Dies sind regelmaumlszligig das Lampenkoordinatensys-tem Lamp das Raumkoordinatensystem Room und

20

PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4Das Jahr des Lichtes

das Goniophotometerkoordinatensystem bezogen auf dessen Zentrum Center Bild 1a zeigt moumlgliche Offsets zwischen diesen Systemen in Translation und Rotation

Um folgende Betrachtungen und Erklaumlrungen zu vereinfachen werden die genannten Koordina-tensysteme als deckungsgleich angenommen das heiszligt es werden keine Offsets in Translation und Rotationen zwischen den Koordinatensysteme vorausgesetzt

Im Weiteren werden die Eigenschaften Vor- und Nachteile der uumlber Dekaden in der PTB entwi-ckelten und genutzten Goniophotometer unter Beruumlcksichtigung der gewuumlnschten vorstehend gelisteten Eigenschaften diskutiert Es beginnt mit einem einfachen Einarm-Goniophotometer aus den 50er-Jahren des vergangenen Jahrhunderts und endet zumindest vorlaumlufig mit dem State-of-the-art-Roboter-Goniophotometer das 2007 in Betrieb ging

21 Einarm-Goniophotometer (1950ndash1975)

In der Zeit von 1950 bis 1975 wurde ein manuell betriebenes Einarm-Goniophotometer nach Bild 2 benutzt In den 50er-Jahren war diese Messappara-tur noch mit einem visuellen Photometer ausge-stattet Dieses Photometer erlaubte die relative Messung von Beleuchtungsstaumlrken mittels einer im Photometer installierten Hilfslampe in Verbindung mit einem optischen Abschwaumlcher [2 Seite 321] Die Ruumlckfuumlhrung auf die nationale Lichtstaumlrke-Einheit die Candela war durch Kalibrierung des visuellen Photometers mit Lichtstaumlrke-Normal-lampen sichergestellt (dies erfuumlllt Anforderung 1 der Anforderungsliste) entsprechend basieren auch Abstandsmessungen auf der nationalen Laumln-geneinheit dem Meter

Wegen der Lageabhaumlngigkeit der internen Hilfs-lampe im Innern des visuellen Photometer war es an einer festen Stelle der Messapparatur ange-bracht wie Bild 2 zeigt Ein Spiegel-Prismen-Sys-tem leitete das Licht der zu untersuchenden Lampe auf das Photometer Eine detaillierte Beschreibung aumlhnlicher Systeme kann [2 Seite 319] entnommen werden Damit ist Anforderung 2 ebenfalls erfuumlllt

Die vollstaumlndige Bestimmung des Lichtstroms Φ erfordert eine groumlszligere Anzahl Messungen von Beleuchtungsstaumlrken fuumlr ebenso viele manuell eingestellte unterschiedliche Kugelkoordina-ten (ϑ φ) Wird die fiktive Kugel gemaumlszlig Bild 1 in ϑ-Richtung in parallele Zonen eingeteilt und jede dieser Zonen i ist wiederum in n Sektoren j gleicher Laumlnge (Δφ = const) mit den zugehoumlrigen Beleuchtungsstaumlrken Eij unterteilt ist es moumlglich die mittlere Beleuchtungsstaumlrke Endashi jeder Zone i nach Gleichung 7 zu bestimmen

E Ei n i jj

n

==sum1

1 (7)

und der Wert des Lichtstroms Φ ergibt sich weiter aus der numerischen Integration nach Gleichung (8)

Φ = ( )minus ( )( )+

=sum2 2

10

1

πr cos cosϑ ϑi ii

m

iE-

(8)

Die Anzahl der notwendigen Beleuchtungsstaumlr-kemessungen haumlngt von der raumlumlichen Lichtver-teilung der zu untersuchenden Lampe ab Wegen der manuellen Einstellung des groszligen Arms (ϑ) der Drehung der Lampe (φ) und des gleichfalls noumltigen manuellen Abgleichs des visuellen Pho-tometers ist diese Methode sehr zeitaufwendig Sollen beispielsweise 600 Punkte gemessen werden (aus heutiger Sicht also nicht besonders viele) und man benoumltigt ca 25 Sekunden pro Messung werden also mehr als 4 Stunden benoumltigt um eine

Bild 1a Koordinatensysteme

Bild 2 Einarm-Go-niophotometer 1950ndash1975

21

PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4 Kurze Geschichte der Goniophotometrie in der PTB

Lampe mit relativ homogener raumlumlichen Licht-verteilung zu messen

In 1963 wurde ein internationaler Lichtstrom-vergleich auf der Basis von Entladungslampen ohne Fluoreszenzstoff durchgefuumlhrt Diese Lampen wiesen eine massive Inhomogenitaumlt ihrer raumlumlichen Lichtverteilung auf sodass die beschriebene manuelle Methode wegen der noumltigen hohen Anzahl von Messpunkten nicht praktikabel war Zur Loumlsung dieses Problems in [3] beschrieben wurde das visuelle Photometer durch einen grob an V(λ)-angepassten Photover-vielfacher ersetzt zusaumltzlich wurde die φ-Achse mit einem elektrischen Antrieb versehen und ein Praumlzisionskondensator ermoumlglichte die analoge Integration des Photostroms des Photovervielfa-chers Damit konnte fuumlr jede der erforderlichen ϑ-Einstellungen des groszligen Arms der elektri-sche Antrieb der φ-Achse diese mit konstanter Winkelgeschwindigkeit rotieren lassen waumlhrend der Praumlzisionskondensator den Photostrom des Photovervielfachers integrierte Nach etwa t = 5 min fuumlr eine Umdrehung repraumlsentierte die Ladung Q = C middot U des Praumlzisionskondensators die mittlere Beleuchtungsstaumlrke

E k C Uti = sdot (9)

dieser gemessenen Zone i Daraus berechnet sich der Lichtstrom wiederum gemaumlszlig Gleichung (8) Es ist nicht noumltig das Produkt k ∙ C exakt zu kennen da dies uumlber das Kalibrierverfahren durch die bekannte Beleuchtungsstaumlrke einer Lichtstaumlrke-Normallampe eliminiert werden kann es muss lediglich uumlber die gesamte Messzeit hinweg kons-tant sein

Spaumlter in den 1960er-Jahren wurde auch das visuelle Photometer durch ein modernes V(λ)-angepasstes Photometer basierend auf gefilterten Silizium-Photodioden in Kombination mit einen PhotostromSpannungswandler und einem xy-Plotter ersetzt Man erhielt so die Beleuchtungs-staumlrkeverteilung jeder Zone die sich dann leicht mit grafischen oder numerischen Verfahren inte-grieren lieszlig Es wird spaumlter gezeigt werden dass diese verwendete bdquoanaloge Zonenintegrationldquo sehr aumlhnlich der heutigen digitalen zonalen Bewertung ist

Diese letzten 2 Verbesserungen erfuumlllen die Anforderung 3 und teilweise auch die Anforde-rung 4

22 Kardan-Goniophotometer (1976ndash2007)

Das existierende Einarm-Goniophotometer war immer auf eine bdquohelfende Handldquo angewiesen um es von Punkt zu Punkt zu bewegen Die anschlie-szligende Berechnung des Lichtstroms wurde grund-saumltzlich ebenfalls haumlndisch ausgefuumlhrt Dieses Ver-

fahren war dementsprechend sehr zeitaufwendig und der zunehmende Wunsch der Industrie auch groszlige Objekte wie z B lange Leuchtstofflampen aber spaumlter auch sehr kleine Mikrolampen und erste LEDs zu kalibrieren fuumlhrte zur Entwicklung sogenannter Kardan-Goniophotometer ver schie-dener Ausfuumlhrungen

221 Groszliges Kardan-Goniophotometer

Nach der intensiven Umgestaltung einiger Raumlume im Koumlsters-Bau der PTB war es moumlglich im neuen Goniophotometerraum (7 x 10 x 8 m3) das Kar-dan-Goniophotometer [4] zu installieren Bild 3 zeigt das groszlige Kardan-Goniophotometer Am Bildoberrand ist eine zu kalibrierende stabfoumlrmige Leuchtstofflampe zu sehen

Dieser Raum war zusaumltzlich auch mit einer geregelten elektrischen Heizung ausgestattet um die geforderten Messbedingungen bezuumlglich Umgebungstemperatur einstellen zu koumlnnen Im Prinzip besteht ein Kardan-Goniophotometer wie in Bild 4 gezeigt aus 3 Rahmen wobei der aumluszligere α-Rahmen der raumlumlichen Ausrichtung (durch Drehung um die y-Achse) der zu untersu-chenden Lampe dient Innerhalb dieses aumluszligeren α-Rahmens ist der mittlere φ-Rahmen endlos drehbar um die z-Achse gelagert Der innere ϑ-Rahmen ist wiederrum drehbar im φ-Rahmen gelagert jedoch ist seine Bewegung auf knapp 180deg durch den noumltigen Lampenhalter begrenzt Alle 3 Rahmen sind mechanisch ausgeglichen und mit elektrischen Antrieben versehen Ihre Rotationsgeschwindigkeiten waren per 10-Gang-Praumlzisionspotentiometer einstellbar eine Folge der angewandten analogen Regelung der Achsan-triebe Die Winkelbestimmung der Achsen erfolgte mittels 13-bit-Winkelencodern Das Photometer war am ϑ-Rahmen (Bild 4) platziert und ermoumlg-lichte so einen festen Messradius von 2500 mm Es bestand die Moumlglichkeit ein zweites Photometer

Bild 3 Kardan-Goniophotometer 1976ndash2007

22

PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4Das Jahr des Lichtes

oder einen Farbmesskopf auf der gegenuumlberliegen-den Seite des ϑ-Rahmens einzusetzen

In diesem Fall war der Arbeitsbereich limitiert im Bereich 4deg lt ϑ lt 176deg da jeweils Lampenhalter von rechts und links zur Aufnahme einer beispiels-weise stabfoumlrmigen Leuchtstofflampe eingesetzt werden konnten (siehe auch Bild 3) Im Falle von einseitig gesockelten Lampen wurde meist nur ein PhotometerFarbmesskopf verwendet was eine Drehung der gegenuumlberliegenden Messkopf-aufnahme um 90deg ermoumlglichte Diese sogenannte bdquoKroumlpfungldquo lieszlig dann Raum fuumlr den nun einseiti-gen Lampenhalter und der Arbeitsbereich vergrouml-szligerte sich zu 0deg lt ϑ lt 176deg

Entsprechend der Gleichung (6) muss die gemessene Beleuchtungsstaumlrkeverteilung uumlber den vollen Raumwinkel 4π sr zum Wert des Licht-stroms integriert werden So ist es naheliegend digitale uumlber die Zeit integrierende Methoden zur Erfassung und Speicherung der gemessenen Beleuchtungsstaumlrkewerte zu verwenden Bild 5 zeigt den Signalfluss Sowohl Photometer- undoder Farbmesskopf als auch Photostrom-Fre-

quenz-Wandler waren temperaturstabilisiertDer Photostrom des Photometers mit seiner

photometrischen Empfindlichkeit s normalisiert auf die CIE-Lichtart A wird mittels Ruumlckkopp-lung Rg eines Photostromverstaumlrkers in eine Spannung U gewandelt und weiter durch einen Spannungs-Frequenzwandler in eine Frequenz f mit dem zugehoumlrigen Wandlungsfaktor wf kon-vertiert Diese Frequenz wird letztlich von einem digitalen Zaumlhler kontinuierlich gezaumlhlt Simultan wird die Quarz-Frequenz fq durch einen zweiten digitalen Zaumlhler erfasst um waumlhrend der spaumlteren Datenanalyse die urspruumlnglichen Photostroumlme berechnen zu koumlnnen Diese Methode stellt damit die schon erwaumlhnte Signal-Zeit-Integration sicher

Die die zu untersuchende Lampe umgebene fiktive Kugel ist wie Bild 5 zeigt in Zonen und Sektoren unterteilt Infolge der analogen Geschwindigkeitsregelung der zwei bewegten Rahmen sind positive und negative Beschleu-nigungsphasen am Anfang und am Ende einer vollstaumlndigen Abtastung und Lastreaktionen des rotierenden Systems und die damit verbundenen geringen Gleichlaufschwankungen unvermeid-bar Die Unterteilung jeder Zone in Sektoren mit der Laumlnge Δφj als Gewichtung reduziert jedoch diesen Einfluss Damit berechnet sich die mittlere Beleuchtungsstaumlrke Endashi nach Gleichung (10)

Es w R

fyt

fjj

ni j

i j=

sdot sdot sdot( )sdot sdot minus

=sum1

2 10

πϕ

f gq∆∆

∆

(10)

mit der Dunkelfrequenz f0 (Photometer abgeschat-tet) und den Differenzsignal-Zaumlhlungen Δyi j und den Differenzzeit-Zaumlhlungen Δti j jeweils vom Sek-toranfang bis zum Sektorende Wiederum koumlnnte der Lichtstrom nach Gleichung (8) bestimmt werden jedoch werden jetzt noch Korrekturfakto-ren fuumlr das Streulicht cstr der spektralen Fehlanpas-sung des Photometers cspec und Abweichungen von den nominalen elektrischen Betriebsbedingungen celec eingefuumlhrt wie nun Gleichung (11) zeigt

Φ = sdot sdot sdot sdot minus( ) sdot+=

minus

sumc c c r Ei ii

m

istr spec elec cos cos2 21

0

1

π ϑ ϑ

(11)

Im Verlauf einer Lichtstrommessung werden neben dem Photometer auch die Waumlnde des Messraums von der zu untersuchenden Lampe beleuchtet Diese Beleuchtung wird ebenfalls vom im Goniophotometer verwendeten Photometer bdquogesehenldquo und fuumlhrt zu einer Streubeleuchtung auf dem Lichteintrittsfenster dieses Photome-ters Diese Streubeleuchtung haumlngt einerseits vom Reflexionsgrad der verwendeten Wandfarbe (ρ asymp 3 ) und vom Gesichtsfeld des sich vor dem

Bild 4 Groszliges Kardan-Goniophotometer 1976ndash2007

Bild 5 Signalfluss

23

PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4 Kurze Geschichte der Goniophotometrie in der PTB

Photometer befindlichen Streulichtreduzierungs-tubus ab Daher muss fuumlr jeden eingesetzten Tubus mit seinem individuellen Gesichtsfeld der wirksame spezifische Streulichtkorrekturfaktor cstr bestimmt werden Diese koumlnnen ermittelt werden indem Blenden mit unterschiedlichen Durchmes-sern zwischen der zu untersuchenden Lampe und dem Photometer waumlhrend normalen Lichtstrom-messungen positioniert werden Eine detaillierte Beschreibung kann [5] entnommen werden

Die technische Realisierung eines Photometers ist immer nur eine Naumlherung fuumlr V(λ) Dies bedeu-tet dass im Prinzip in allen Faumlllen diese spektrale Fehlanpassung korrigiert werden muss Allgemein kann der spektrale Korrekturfaktor cstr fuumlr alle Lampen mit beliebiger Strahlungsfunktion S(λ) nach Gleichung (12) bestimmt werden

cV S

s S

V P T

s Pspek

rel

A

rel

d

d

d=

( )sdot ( )( ) sdot ( )

( ) sdot ( )( ) sdot

intint

intint

λ λ λ

λ λ λ

λ λ λ

λ

λλ λTA d( )

(12)

Hierzu ist jedoch die Kenntnis der relativen spektralen Empfindlichkeit srel(λ) des Photome-ters notwendig P(λ TA) bezeichnet dabei einen Planckstrahler mit einer Verteilungstemperatur von TA = 2856 K

Im Fall von Gluumlhlampen ist ein etwas einfache-rer Weg fuumlr diese Korrektur ohne die Kenntnis von srel(λ) moumlglich Gleichung (13) beschreibt die Abhaumlngigkeit der Beleuchtungsstaumlrke E(T) von der Verteilungstemperatur T

E Ty T

sTT

m

( ) = ( )

A

y

(13)

eines gemessenen Photostroms y(T) und der pho-tometrischen Empfindlichkeit s des Photometers fuumlr Lichtart A Eine charakteristische Eigenschaft des Photometers ist der Exponent my bdquoyldquo indiziert den Exponent fuumlr ein V(λ)- angepasstes Photome-ter oder den y-Kanal eines Dreibereichsfarbmess-kopfes wobei die anderen Kanaumlle unterschiedliche Werte fuumlr diese Exponenten haben Ein ideales Photometer wuumlrde einen Wert von 0 fuumlr diese Exponenten aufweisen Beispielsweise beschreibt my = 0018 ein qualitativ durchaus gutes Photo-meter Der Exponent my (und auch mx und mz) koumlnnen aus einem Fit bekannter Paare (E(T) T) einer Lichtstaumlrke-Normallampe bei verschiedenen Arbeitspunkten wie in [6 7] beschrieben gefun-den werden Damit kann der Korrekturfaktor cspec fuumlr Gluumlhlampen wie folgt geschrieben werden

c TT

my

specA

=

(14)

Werden Gluumlhlampen in der Naumlhe von CIE-Licht-art A betrieben ist die Korrektur auf elektrische Nominalbedingungen celec ebenfalls nach Glei-chung (15) sehr einfach da der Lichtstrom eine Funktion des Betriebsstroms J ist

c JJ

m

elec

J

=

minus

0 (15)

Hier ist J0 der Nominalstrom und mJ cong 684 Mehr Information kann in [7] gefunden werden

Die Datenanalyse fuumlr einen Dreibereichsfarb-messkopf erfolgt in gleicher Weise und man erhaumllt die Normfarbwertanteile (x y) aus den Gleichun-gen (16 17)

x =+ +Φ

Φ Φ ΦX

X Y Z (16)

y =+ +Φ

Φ Φ ΦY

X Y Z (17)

Leider konnten nur der Lichtstrom und die zuge-houmlrigen Normfarbwertanteile bestimmt werden da aufgrund der geringen Speichermoumlglichkeit der verwendeten Computertechnik die raumlumliche Information verlorenging

Daher wurden im Jahre 1991 alle Computer Analogsysteme die Verdrahtung und viele weitere Elemente durch moderne Ausruumlstung ersetzt Von nun an konnten alle Rohdaten mittels geeigneter Speichermedien dauerhaft bewahrt werden Das galt auch fuumlr groszlige Datenmengen des ab 1997 eingesetzten Array-Spektrometers zur Messung der relativen spektralen Leistungsverteilung der Strahlung synchron zur Lichtstrombestimmung Leider wiesen Photometer und Einkoppeloptik des Array-Spektrometers unterschiedliche Gesichtsfel-der auf und hatten etwas unterschiedliche Positi-onen auf dem Goniophotometer was die Daten-analyse komplizierte Dennoch konnten erstmalig raumlumliche spektrale Informationen uumlber zu untersuchende Lampen ermittelt werden Damit erfuumlllte das groszlige Kardan-Goniophotometer in seiner Ausbaustufe von 1997 die Anforderungen 1ndash14 aus Abschnitt 2 Die relative erweiterte Mes-sunsicherheit fuumlr den Lichtstrom fuumlr k = 2 betrug jetzt 060

222 Kleines Kardan-Goniophotometer

Fuumlr die Messung kleiner Lampen und LEDs wurde in den fruumlhen 1980er-Jahren ein dem groszligen Kardan-Goniophotometer sehr aumlhnliches kleines Kardan-Goniophotometer mit einem Messra-dius von nur 300 mm entwickelt hergestellt und

24

PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4Das Jahr des Lichtes

betrieben Das Foto in Bild 6 zeigt dieses seinerzeit sogenannte bdquoMini-Goniophotometerldquo

Die Messtechnik entsprach nahezu vollstaumln-dig dem groszligen Kardan-Goniophotometer bis hin zum Signalfluss einschlieszliglich Spannungs-Frequenzwandler und nachgeschalteten Zaumlhlern Damit sind alle Aspekte dieser Apparatur bereits in Abschnitt 221 diskutiertIm Jahre 2007 wurde dieses Instrument durch ein spezielles Goniophotometer fuumlr die Messung von LEDs ersetzt siehe auch Kapitel Metrologie fuumlr moderne Lichtquellen LEDs und OLEDs [10]

23 Roboter-Goniophotometer (2006 bis heute)

Am Ende der 1990er-Jahre wurde die Planung eines neuen Goniophotometertyps mehr und mehr konkret Nahezu gleichzeitig entschied sich die PTB fuumlr den Neubau eines modernen Gebaumludes fuumlr die Abteilung Optik dem heutigen Albert-Einstein-Bau Infolge dieses Zusammentreffens

beider Ereignisse konnte bei der Planung das neue Gebaumlude quasi um das neue Roboter-Goniopho-tometer herum geplant und spaumlter auch so gebaut werden

In 19951996 zeigte G Sauter dass Gonio-photometrie mittels Robotern moumlglich ist und erhebliche Vorteile gegenuumlber den bisher verwendeten Kardan-Goniophotometern auf-weist [8] Wie weiterhin in [8] beschrieben sind sogenannte Service-Roboter gut geeignet um ein Roboter-Goniophotometer zu realisieren Diese zeichnen sich durch eine schlanke Konstruktion mit langen Armen bei gleichzeitig relativ gerin-gem Gewicht aus Sie verfuumlgen uumlber eine hohe Flexibilitaumlt um beispielsweise ein Photometer auf gewuumlnschten Bahnen mit unterschiedlichen Radien (1000 mm lt r lt 3000 mm) auf der fiktiven Kugeloberflaumlche um die Lampe herumzufuumlhren Jeder Roboter verfuumlgt uumlber 7 Freiheitsgrade (engl seven degrees of freedom 7 DOF) Dies garantiert die notwendige Flexibilitaumlt und das erforderli-che Arbeitsvolumen Zur Abdeckung des vollen Raumwinkels 4π sr sind daher 2 der beschriebenen Roboter notwendig Ein dritter aumlhnlicher Roboter positioniert dabei die zu untersuchende Lampe in der gewuumlnschten Brennstellung im Raum Alle Roboter-Basen sind direkt mit dem Stahlbeton des Gebaumludes verbunden um eine langzeitstabile raumlumliche Positionierung der Roboter zu gewaumlhr-leisten Bild 8 zeigt das Roboter-Goniophotometer waumlhrend der Messung einer LED-Signalleuchte

Im Gegensatz zu Kardan-Goniophotometern ist der Messradius variabel in dem alle 7 Achsen in entsprechende Positionen gebracht werden Wegen der groszligen Redundanz eines 7-DOF-Roboters kann die Zielposition einschlieszliglich Orientierung durch eine sehr groszlige Anzahl unter-schiedlicher Einstellungen der 7 Achsen erreicht werden Daher wird eine Strategie benoumltigt um die jeweilige Achs einstellung zu finden Diese

Bild 6 Kleines Kardan-Goniophotometer 1982ndash2007

Bild 7 Arm des Roboter-Goniophotometers

Bild 8 Roboter-Goniophotometer 2006 bis heute

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PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4 Kurze Geschichte der Goniophotometrie in der PTB

Strategie ist relativ simpel Sie besagt dass alle Achseinstellungen derart gefunden werden dass saumlmtliche Bestandteile des Roboters einen maxi-malen Abstand zum Zentrum des Roboters haben sollen um das von der Roboterstruktur reflektierte Streulicht moumlglichst gering zu halten Eine beson-dere Software ist notwendig um alle Achswinkel ausgedruumlckt in counts jedes Winkelencoders fuumlr jede Achse zu bestimmen um die gewuumlnschten Kugelkoordinaten (r ϑ φ) anzufahren Waumlhrend der Messung der zu untersuchenden Lampe liest das Roboter-Kontrollsystem alle 10 ms diese counts jeder Achse und versucht jede Achse entsprechend diese Vorgabe einzustel-len Nach dieser Einstellung welche fuumlr alle 7 Achsen gleichzeitig erfolgt werden die Ist-Winkel jeder Achse wiederum in counts synchron gelesen und mit den zugehoumlrigen photo-metrischen Daten und elek trischen Daten des Lampenbetriebs in eine Datenbank gespeichert Prinzipiell ist der Signal-fluss dem des in Abschnitt 221 beschriebenen groszligen Kardan-Goniophotometers sehr aumlhnlich Aber es gibt ein zusaumltzliches wichtiges Element den sogenannten Zeitstempel Da ein weit verteiltes Datenerfassungssystem vorliegt wird ein Mecha-nismus zur Datensynchronisierung in Form eines 1-Mhz-Taktes verwendet Dieser ist im gesamten System verfuumlgbar Beim Messungsstart synchron gestartete Zaumlhler erlauben daher die spaumltere Synchronisierung aller angefallenen Daten Wie beschrieben ist die Position jeder Achse und damit die Position und Orientierung des Photometers das Ergebnis eines Regelprozesses Somit ist es not-wendig die tatsaumlchliche Position und Orientierung des Photometers aus den gespeicherten Daten der Winkelencoder zu berechnen

In der Robotik ist es uumlblich einen Roboter des

verwendeten Typs wie eine biegesteife mechani-sche Kette mit sogenannten Denavit-Hartenberg-Parametern (DH-Parameter) zu beschreiben [9] Die Tabelle 1 zeigt diese DH-Parameter am Beispiel des Roboters 1

Mit diesen Parametern und den aktuellen Winkeln θi fuumlr jede Achse ist die Berechnung der Position bzw Orientierung der siebten Achse in Basis-Koordinatensystem des Roboters moumlglich Hierzu werden 7 Matrizen nach Gleichung (18) ver-wendet Jede Matrize beschreibt die Position (blau) und Orientierung (gruumln) jeder einzelnen Achse

Die PositionierungOrientierung der Achse 7 ergibt sich aus dem Vektorprodukt T1 T2 T3 T4 T5 T6 T7

Um jedoch die Koordinaten in Bezug auf das Koordinatensystem der fiktiven Kugel zu erhalten muumlssen 2 weitere aumlhnliche Matrizen verwendet werden Die sogenannte Base Frame Matrix F beschreibt die Positionierung und Orientierung des Roboter-Koordinatensystems zum Koor-dinatensystem der fiktiven Kugel waumlhrend die Matrix W die Positionierung und Orientierung des Photometers zur Achse 7 beschreibt Nun laumlsst sich die Position und Orientierung des Photome-ters P im Koordinatensystem der fiktiven Kugel mit Gleichung (19) beschreiben

P = F T1 T2 T3 T4 T5 T6 T7 W (19)

axisi Δθi offset to rotation around Z-axis

αi rotation around X-axis

di

translation in Z-axis

αi

translation in X-axis

1 ndash1438deg 45024deg 0000 mm ndash0400 mm

2 191088deg ndash90026deg 2686322 mm 0696 mm

3 178585deg 89996deg 274088 mm 0781 mm

4 6229deg ndash90022deg 1410499 mm 0474 mm

5 ndash0141deg ndash89955deg 173036 mm ndash0779 mm

6 ndash0924deg 90032deg 1191007 mm 0223 mm

7 180443deg 90007deg 91130 mm 0000 mm

Tabelle 1 DH-Parameter von Roboter 1

T

a

i

i i i i i i i i i i i

=

+( ) minus +( ) +( ) +cos sin cos sin sin cos∆ ∆ ∆ ∆θ θ θ θ α θ θ α θ θ(( )+( ) +( ) minus +( ) +sin cos cos cos sin sin∆ ∆ ∆ ∆θ θ θ θ α θ θ α θ θi i i i i i i i i i ia (( )

00 0 0 1

sin cosα αi i id

(18)

26

PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4Das Jahr des Lichtes

Bild 9 zeigt die Achsenkoordinatensysteme (17) das Base-Frame-Koordinatensystem und das Koordinatensystem des Photometers zur Achse 7 in schematischer Weise Das Koordinatensys-tem der fiktiven Kugel faumlllt mit dem Zentrum des Goniophotometers zusammen und wird mit Center bezeichnet P ist jetzt auf dieses Center-Koordinatensystem bezogen Zusaumltzlich ist eine typische Bahn eingezeichnet Wegen des aller-dings nicht dargestellten Lampenhalters ist diese Bahn im oberen Bereich verdichtet um eine Kollision mit dem Lampenhalter zu vermeiden Wie bereits erwaumlhnt setzt die Verwendung von Gleichung (19) einen biegesteifen Roboter voraus der in der Praxis nicht existiert P ist also von statischen Gewichtskraumlften des Roboters dyna-mischen Kraumlften infolge der Bewegung als auch von thermischen Laumlngenaumlnderungen uumlberlagert Daher muss Gleichung (19) um eine entspre-chende Korrektur C erweitert werden Glei-chung (20) zeigt nun das endguumlltige Modell zur Bestimmung von P

wobei C

t tT Rθ θ

θ θ1 7

1 7 dd

dd amb

diese finale Korrektur basierend auf den Winkeln θ1θ7 aller Achsen ihren zeitlichen Ableitungen

dd

dd

θ θ1 7

t t

und der Umgebungstemperatur Tamb beschreibt

Der letzte Parameter R steht fuumlr einen groszligen Datensatz und beschreibt Eigenschaften des Roboters wie Abmessungen Teilmassen usw Die Berechnung von C() ist aufwendig und wurde vom Hersteller des Roboters ausgefuumlhrt Aus Gruumlnden des Wettbewerbs muss diese Berechnung vertrau-lich behandelt werden und kann daher hier nicht veroumlffentlicht werden Jedoch kann die Wirkung von C() beispielhaft auf den Messradius mitgeteilt werden (siehe Bild 10)

Die noumltige Radiuskorrektur rcorr bewegt sich im Bereich ndash2 mm lt rcorr lt 3 mm je nach Position (θ φ) des Photometers Der Aumlquatorbereich benouml-tigt eine groumlszligere Korrektur infolge hier wirksamer groumlszligerer Zentrifugalkraumlfte als die Polregion Der Radius selbst laumlsst sich dann aus der Positionssub-matrix von P bestimmen

Der Signalfluss stimmt im Wesentlichen mit dem wie in Bild 5 gezeigt uumlberein Prinzipiell kann der Lichtstrom mit den Gleichungen (11) und (10) berechnet werden da aber nun 2 Photometer benutzt werden muss dies fuumlr jede Hemisphaumlre also fuumlr jeden Roboter separat geschehen Die Gleichungen (21) und (22) demonstrieren das

Bild 9 Koordinatensystem des Roboter-Gonio-photometers und Beispielbahn

P Ct t

T R F T T T T T T=

sdot sdot sdot sdot sdot sdot sdot sdotθ θ

θ θ1 7

1 71 2 3 4 5 6

dd

dd amb TT W7 sdot

(20)

27

PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4 Kurze Geschichte der Goniophotometrie in der PTB

fuumlr Roboter 1 Der Radius r1i befindet sich dabei innerhalb der Summation von Gleichung (22) Das Roboter-Goniophotometer ist zusaumltzlich mit einem Monitorphotometer ausgeruumlstet Dieses Photometer wird waumlhrend der Messung nicht bewegt ist aber staumlndig von einem fixen Punkt aus auf die zu untersuchende Lampe gerichtet und erlaubt somit die Korrektur einer moumlglichen Alterung der Lampe waumlhrend des Messprozesses als Funktion der Zeit (cmon(t1i))

Es w R

fyt

fi jj

ni j

i j1

1 1 11

1

1

11 0

12

1

=

( )sdot minus

=sumπ

ϕf g

q∆∆

∆

(21)

Φ1 1 1 12

1 1 1 12= sdot sdot sdot sdot ( ) sdot minus( )+c c r c ti i i ii

str spec mon cos cosπ ϑ ϑ==

minus

sum sdot0

1

1

1m

iE

(22)

Roboter 2 wird in gleicher Weise behandelt und der Lichtstrom ergibt sich somit aus der Summe von Φ1 und Φ2 korrigiert mit dem elektrischen Korrekturfaktor celec aus Gleichung (15)

Φ Φ Φ= sdot +( )celec 1 2 (23)

Die Bestimmung der Streulichtkorrektur cstr unter-scheidet sich methodisch von jener des Kardan-Goniophotometers Es ist schwierig Blenden zwischen Photometer und Lampe zu positionieren wie in [5] beschrieben Hier wird die Streulicht-korrektur cstr direkt aus der Leuchtdichteverteilung auf den Waumlnden des Messraums bestimmt Mit der Kenntnis der geometrischen und photometrischen Eigenschaften des Raumes der raumlumlichen Licht-staumlrkeverteilung der Lampe und dem verwendeten Streulichttubus vor dem Photometer lieszlige sich die Streulichtkorrektur cstr berechnen Hier jedoch wird diese Korrektur mit sogenannten Back-Loo-king-Photometern bestimmt [11]

Bild 11 zeigt ein Foto der bdquoRoboterhandldquo mit mon-tiertem Photometer und Back-Looking-Photometer Letzteres ist ein wenig schraumlg ausgerichtet um nicht im Bereich des Schattenwurfs des Photome-ters auf den Waumlnden zu messen

Bild 12 zeigt beispielhaft eine typische in finite Flaumlchenelemente gerasterte Streulichtsituation im Goniophotometermessraum wie sie durch die zu untersuchende Lichtquelle generiert wird Dieses Beispiel arbeitet mit finiten Flaumlchen der Groumlszlige 05 m middot 05 m um die Flaumlchen sichtbar zu machen Zur realen Berechnung werden Flaumlchen der Groumlszlige 01 m middot 01 m verwendet Natuumlrlich ist der Streulichtanteil auf der aktiven Flaumlche des

Bild 10Wirkung der Radiuskorrektur

Bild 11 Photometer (links) und Back-Looking-Photometer (rechts)

Bild 12 Wirkung des Streulichts und seine Bestimmung

28

PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4Das Jahr des Lichtes

Photometers eine Funktion des Gesichtsfeldes des jeweils verwendeten Streulichttubus vor dem Photometer Derzeit werden 2 Tuben je nach Groumlszlige der Lichtquelle mit Oumlffnungswinkeln von ca 15deg und ca 225deg verwendet Ihre typischen Korrekturwerte betragen etwa 09995 und 09990 Da jeder Messroboter mit diesem Back-Looking-Photometer ausgeruumlstet ist kann so der Streulicht-anteil fuumlr jedes Photometer bestimmt werden Da die Back-Looking-Photometer bdquoruumlckwaumlrtsldquo gerichtet sind wird also jeweils die Streulichtkorrektur fuumlr den gegenuumlberliegenden Messroboter bestimmt Damit ist es moumlglich den Wert des Lichtstroms mit zugehoumlriger Messunsicherheit zu bestimmen Tabelle 2 illustriert Ergebnisse einer vereinfachten Monte-Carlo-Simulation (MC) am Beispiel einer OSRAM-Wi4-Lichtstrom-Normallampe Ihre Lichtstaumlrkeverteilung ist in Bild 13 wiedergegeben

Die MC basiert auf den folgenden Gleichun-gen (24) Werte der wichtigsten Beitraumlge zur Mes-sunsicherheit koumlnnen der Tabelle 2 entnommen werden Eine detailliertere Beschreibung der Roboter und Analyse der Messunsicherheit kann [12] entnom-men werden

Bild 13 Raumlumliche Lichtstaumlrkeverteilung einer OSRAM-Wi4-Lichtstrom-Normallampe

Quantity Symbol Value Uncertainty Unit Sensitivity Contribution lm Relative contribution

Luminous responsivity 1 s1 3065E-10 9195E-13 A lxndash1 188E+12 173 000150

Luminous responsivity 2 s2 4111E-10 12333E-12 A lxndash1 143E+12 177 000153

Spectral matching exponent 1 m2 y 0021 0015 1 20 030 000026

Spectral matching exponent 2 m2 y 0036 0015 1 18 027 000023

CCT or distribution temperature T 2762 10 K 0012 012 000011

Uncertainty in r Δr 0000 00020 m 901 180 000156

Calibration factor for frequency F cFH 1000 00005 1 1141 057 000049

Calibration factor for frequency ƒ cFD 1000 00050 1 104 005 000005

Voltage to frequency converter 1 w1 f 500849 25 Hz Vndash1 0012 031 000027

Voltage to frequency converter 2 w2 f 500561 25 Hz Vndash1 00118 029 000026

Amplification gain 1 R1 g 1000E+09 99996 Ω 6223E-07 006 000005

Amplification gain 2 R2 g 9997E+08 99966 Ω 5430E-07 005 000005

Calibration factor for cmon ccm 1000 00005 1 1162 058 000050

Correction factor for stray light cstr 09995 00005 1 1134 057 000049

Luminous flux Φ 11541 327 00028

Tabelle 2 Unsicherheitsbudget

29

PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4 Kurze Geschichte der Goniophotometrie in der PTB

Somit ergibt sich zurzeit eine erweiterte Mess-unsichert von 056 fuumlr k = 2 Dies entspricht etwa der Messunsicherheit welche mit dem groszligen Kardan-Goniophotometer erreichbar war Im Unterschied zum Kardan-Goniophotometer (fester Messradius) verfuumlgt das Roboter-Goniophotometer jedoch uumlber die noumltige hohe Flexibilitaumlt (z B durch Variation des Messradius) die noumltig ist um kuumlnftige Anforderungen erfuumlllen zu koumlnnen Eben diese hohe Flexibilitaumlt fuumlhrt bei der Bestimmung des Messradius zu relativ groszligen Messunsicherheiten Hier koumlnnte die Verwendung einer Lookup-Table oder eine On-Line-Verfolgung mittels Tracer-Syste-men der Bahnen diese Unsicherheit verkleinernMittlerweile ist das Roboter-Goniophotometer voll-staumlndig charakterisiert und wird fuumlr beleuchtungs-staumlrkebasierte Lichtstromkalibrierungen und auch fuumlr internationale Vergleiche eingesetzt Damit werden auch die Anforderungen (15ndash17) erfuumllltIm naumlchsten Schritt wird das Roboter-Goniopho-tometer mit Leuchtdichtemesskameras ausgeruumlstet

werden um es als bdquoNahfeld-Goniophotometerrdquo einzusetzen Es wird dann die direkte Messung der Leuchtdichteverteilung erlauben aus welcher nahezu alle noumltigen photometrischen Groumlszligen abgeleitet werden koumlnnen Dieser kuumlnftige Schritt wird dann auch den letzten Punkt (18) der Anfor-derungen erfuumlllen

3 Zusammenfassung

Die Geschichte der Goniophotometrie in der PTB uumlber einen Zeitraum von mehr als 50 Jahren wird praumlsentiert Verschiedene Goniophotometer ange-fangen vom manuell bewegten Einarm-Goniopho-tometer mit visuellem Photometer uumlber das groszlige und kleine Kardan-Goniophotometer bis hin zum bdquoState-of-the-art-Roboter-Goniophotometerldquo fuumlr das 21 Jahrhundert werden beschrieben Das Letztere hat das Potenzial in der traditionellen Betriebsart aber auch im Nahfeldmodus uumlber viele Jahre eingesetzt zu werden Neu aufkommende

Quantity Symbol Value Uncertainty Unit Sensitivity Contribution lm Relative contribution

Luminous responsivity 1 s1 3065E-10 9195E-13 A lxndash1 188E+12 173 000150

Luminous responsivity 2 s2 4111E-10 12333E-12 A lxndash1 143E+12 177 000153

Spectral matching exponent 1 m2 y 0021 0015 1 20 030 000026

Spectral matching exponent 2 m2 y 0036 0015 1 18 027 000023

CCT or distribution temperature T 2762 10 K 0012 012 000011

Uncertainty in r Δr 0000 00020 m 901 180 000156

Calibration factor for frequency F cFH 1000 00005 1 1141 057 000049

Calibration factor for frequency ƒ cFD 1000 00050 1 104 005 000005

Voltage to frequency converter 1 w1 f 500849 25 Hz Vndash1 0012 031 000027

Voltage to frequency converter 2 w2 f 500561 25 Hz Vndash1 00118 029 000026

Amplification gain 1 R1 g 1000E+09 99996 Ω 6223E-07 006 000005

Amplification gain 2 R2 g 9997E+08 99966 Ω 5430E-07 005 000005

Calibration factor for cmon ccm 1000 00005 1 1162 058 000050

Correction factor for stray light cstr 09995 00005 1 1134 057 000049

Luminous flux Φ 11541 327 00028

Φ = sdot

sdot

+ sdot sdotminus

c JJ

TT

r r c c tm

m

i i

y

strA

cm monj

0

12

1

1

( ) ∆ (( )sdot minus( ) sdotsdot sdot minus

+=

minus=sumsum

cos cosFH FD

ϑ ϑ

ϕ

1 1 10

1 11

11

1

i ii

m jj

n

i jc F c∆ sdotsdot( )sdot sdot

+

+ sdot sdot (

f

s w R

TT

r r c c tm

i i

y

1 0

1 1 1

22

2

2

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f g

Acm mon∆ ))sdot minus( ) sdot

sdot sdot minus sdot

+=

minus=sumsum

cos cosFH FD

ϑ ϑ

ϕ

2 2 10

1 11

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2

i ii

m jj

n

i jc F c∆ ff

s w R

2 0

2 2 2

( )sdot sdot

f g

(24)

30

PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4Das Jahr des Lichtes

Anforderungen fuumlr die Ruumlckfuumlhrung photome-trischer Einheiten wie beispielsweise im Solid-State-Lighting-Bereich koumlnnen so erfuumlllt werden

Literatur

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[2] R Sewig 1938 Handbuch der Lichttechnik Band 1 pp 319 321 Berlin Springer Verlag

[3] D Foumlrste 1966 Zur Lichtstrommessung an Lam-pen mit ungleichmaumlszligiger Lichtverteilung PTB-Mitteilungen 166 pp 18ndash20 Braunschweig PTB

[4] D Foumlrste 1979 Ein Goniophotometer zur genauen Bestimmung des Lichtstroms Licht-Forschung 1 Jahrgang 379 pp 30ndash36 Heidelberg Huumlthig Verlag

[5] D Foumlrste 1980 Elimination des Fremdlichts bei der Lichtstrombestimmung mit dem Gonio-photometer Licht-Forschung 2 Jahrgang 180 pp 27ndash29 Heidelberg Huumlthig Verlag

[6] W Erb 1997 PTB Network for realization and maintenance of the candela Metrologia 3497 pp 115ndash124 Bristol UK

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[10] M Lindemann 2009 Photometry and Colori-metry of Reference LEDs by Using a Compact Goniophotometer MAPAN ndash Journal of Metro-logy Society of India Vol 24 No 3 pp 143ndash152 New Delhi India

[11] G Bizjak 2009 Determination of Stray Light at the PTB Goniophotometer Facility MAPAN ndash Jour-nal of Metrology Society of India Vol 24 No 3 pp 163ndash173 New Delhi India

[12] M Lindemann et al 2015 Robot goniopho-tometry at PTB Metrologia 52 pp 167ndash194 Bristol UK

32

PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4Das Jahr des Lichtes

1 Eine einleitende Beschreibung von Gluumlhlampen LEDs und OLEDs

Der Einsatz Licht Emittierender Dioden (LED) in der Allgemeinbeleuchtung hat in den vergangenen Jahren erheblich zugenommen Ein entscheiden-der Vorteil der LED gegenuumlber der traditionellen Gluumlhlampe liegt in ihrer uumlberlegenen Lichtaus-beute ηv ndash dem Verhaumlltnis des emittierten Licht-stroms Φv und der aufgenommenen elektrischen Leistung Pel angegeben in LumenWatt

Dieser Vorteil beruht auf den Unterschieden der zugrunde liegenden Technologien der Lichterzeu-gung beider Lampentypen Bei einer (Halogen-)Gluumlhlampe wird der Gluumlhfaden durch elektrischen Strom auf Temperaturen um 3000 K aufgeheizt Obwohl hierbei fast die gesamte elektrische Leis-tung in Strahlung umgewandelt wird ndash Verluste durch thermische Konvektion oder Waumlrmeleitung sind gering ndash kann das menschliche Auge lediglich einen geringen spektralen Anteil der ungefaumlhr 5 der Gesamtstrahlungsleistung ausmacht wahr-nehmen Der Groszligteil der Strahlungsleistung liegt im infraroten Spektralbereich und kann nicht fuumlr Beleuchtungszwecke genutzt werden In Bild 1 ist die spektrale Verteilung einer Gluumlhlampe bei einer Temperatur von 2856 K im Spektralbereich

von 300 nm bis 1200 nm dargestellt Das sichtbare Licht im Spektralbereich zwischen 360 nm und 830 nm ist mit den entsprechenden Spektralfarben hinterlegt Oberhalb 830 nm beginnt der fuumlr das menschliche Auge unsichtbare infrarote Anteil der Strahlung

Der fuumlr photometrische Messungen normativ festgelegte spektrale Hellempfindlichkeitsgrad V(λ) also die Hellempfindlichkeit des Auges eines bdquoNormalbeobachtersldquo ist mit seinem Maximum bei 555 nm schwarz eingezeichnet

Da die Gluumlhlampe eine thermische Strahlungs-quelle ist verschiebt sich mit zunehmender Tem-peratur die Lage des Strahlungsmaximums ent-sprechend des Wienschen Verschiebungsgesetzes zu kuumlrzeren Wellenlaumlngen Um die Lichtausbeute von Gluumlhlampen zu erhoumlhen muumlsste man das Strah-lungsmaximum durch Temperaturerhoumlhung in den kurzwelligeren Bereich des sichtbaren Lichts verschieben Die Maximaltemperatur ist jedoch bei Gluumlhfaumlden aus Wolfram auf etwa 3000 K begrenzt ndash bei houmlheren Temperaturen nimmt die Lebensdauer drastisch ab

Das Funktionsprinzip einer LED-Lichtquelle basiert auf dem Phaumlnomen der Elektrolumines-zenz Der prinzipielle Aufbau einer LED aumlhnelt einer pn-Halbleiterdiode Durch Anlegen einer Gleichspannung rekombinieren Ladungstraumlger in der p-n-Grenzschicht der Leuchtdiode unter Emission von Strahlung Durch gezielte Auswahl der verwendeten Halbleitermaterialien und ihrer Dotierung wird deren Bandluumlcke und somit die Farbe des emittierten Lichtes bestimmt Im Jahr 1992 gelang der Durchbruch in der Entwicklung hocheffizienter blauer LEDs die den Einsatz von LEDs zur Allgemeinbeleuchtung erst ermoumlgli-chen Die zugrunde liegenden Forschungsarbei-ten wurden 2014 mit dem Nobelpreis fuumlr Physik gewuumlrdigt [1]

Eine schmalbandige Lichtemission ist charak-teristisch fuumlr LEDs Dementsprechend verfuumlgt ihr Licht uumlber eine hohe Farbsaumlttigung Durch die Bedeckung des LED-Chips mit breitbandig pho-tolumineszierenden Farbstoffen wird ein Teil der Strahlung in energieaumlrmeres langwelligeres Licht konvertiert und es entstehen Mischfarben wie

Metrologie fuumlr moderne Lichtquellen LEDs und OLEDs Thorsten Gerloff

Thorsten Gerloff Arbeitsgruppe bdquoPhotometrieldquo EshyMail thorstengerloffptbde

Bild 1 Spektrale Verteilung einer Gluumlhlampe und spektraler Hellempfindlichkeitsgrad (V(λ)-Funktion)

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PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4 Metrologie fuumlr moderne Lichtquellen

i Infokasten LED

Lichtausbeute einer Strahlungsquelle ηv

Die Lichtausbeute einer Strahlungsquelle gibt das Verhaumlltnis aus ausgestrahltem Lichtstrom und aufgenommener elektrischer Leistung an Die Einheit ist LumenWatt (lmW) Je houmlher die Lichtausbeute ist umso energieeffizienter ist die Beleuchtung Gluumlhlampen besitzen Lichtausbeuten zwischen 10 und 20 lmW

Lichtstrom Φv

Der Lichtstrom beruumlcksichtigt den Hellempfind-lichkeitsgrad V(λ) des Auges und gibt die in alle Raumrichtungen abgegebene bdquoLichtleistungldquo einer Lampe an Der Lichtstrom enthaumllt keine Information daruumlber wie die Lampe das Licht im Raum verteilt Der Lichtstrom gibt an wie hell ein beleuchteter Raum dem Menschen erscheint

Spektraler Hellempfindlichkeitsgrad V(λ)

Der exakt definierte spektrale Hellempfindlich-keitsgrad V(λ) ist eine Bewertungsfunktion fuumlr elektromagnetische Strahlung Hiermit wird der bdquoHelligkeitseindruck eines menschlichen Durch-schnittsaugesldquo berechnet Dies ermoumlglicht den objektiven Vergleich von Lichtquellen mit physika-lischen Messmethoden Subjektive Wahrnehmun-gen einzelner Menschen koumlnnen damit nicht exakt wiedergegeben werden

Aumlhnlichste Farbtemperatur TN

Es gibt unterschiedliche Farbtemperaturen in der Photometrie Verhaumlltnis- und Verteilungstem-peratur sind nur bei thermischen Strahlern wie der Gluumlhlampe anwendbar Nur die aumlhnlichste Farbtemperatur (englisch Correlated Colour Temperature CCT) laumlsst sich fuumlr Lichtquellen mit beliebiger spektraler Zusammensetzung berech-nen sofern die Normfarbwertanteile aumlhnlich einem thermischen Strahler sind Die aumlhnlichste Farbtemperatur wird in der Einheit Kelvin (K) angegeben Sie gibt an ob das Licht warmweiszlig (ca 3000 K) neutralweiszlig (ca 4500 K) oder tages-lichtweiszlig (gt5500 K) erscheint

Normfarbwertanteile (x y)

Fuumlr die Angabe von Farbe gibt es neben dem spek-tralen Hellempfindlichkeitsgrad V(λ)noch weitere definierte Bewertungsfunktionen Hiermit laumlsst sich die Farbwahrnehmung eines fiktive Normalbeob-achters aus der gemessenen spektralen Verteilung des Lichts durch Angabe von nur zwei Werten (x und y) angeben Diese Werte geben die Koordi-naten auf der Normfarbtafel (s Abbildung) an

Normfarbtafel

Farbwiedergabeindex Ra

Der Farbwiedergabeindex ist eine Kennzahl fuumlr Lichtquellen der bewertet die Qualitaumlt der Farb-wiedergabe Je houmlher der Wert desto besser ist die Farbwiedergabe Der Maximalwert liegt bei 100 Werte zwischen 90 und 100 geben eine ausgezeich-nete Farbwiedergabe an Werte unter 80 sind fuumlr viele Anwendungen nicht ausreichend

Im Folgenden soll ein kleiner Leitfaden gegeben werden der in allgemeinverstaumlndlicher Form die grundlegenden Ideen wichtiger lichttechnischer Groumlszligen erlaumlutern soll Komplexe Details der zugrunde liegenden Normen und Definitionen werden hierbei nicht beruumlcksichtigt

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PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4Das Jahr des Lichtes

Pastellfarbtoumlne oder auch weiszliges LichtIn Bild 2 sind die spektralen Verteilungen einer

LED mit und ohne Leuchtstoff abgebildet In der linken Abbildung erkennt man die schmalbandige blaue Emission des LED-Chips In der rechten Abbildung wird ein Teil dieser Strahlung durch einen Leuchtstoff in laumlngerwelliges Licht konver-tiert und die Mischfarbe erscheint weiszlig

Der Vorteil einer LED gegenuumlber einer Gluumlh-lampe bezuumlglich der Lichtausbeute ist offensicht-lich Es wird ndash von unvermeidbarer thermischer Verlustleistung abgesehen ndash nur Strahlung im sichtbaren Wellenlaumlngenbereich emittiert Daruumlber hinaus ist die Farbe des Lichts von LEDs durch Kombination verschiedener Leuchtstoffe und LEDs nahezu beliebig einstellbar und man ist nicht auf aumlhnlichste Farbtemperaturen von ca 3000 K wie bei der Gluumlhlampe begrenzt

Allerdings gibt es auch Nachteile gegenuumlber dem Licht einer Gluumlhlampe Dem typischen Spektrum einer LED-Lichtquelle fehlen im Gegensatz zu Sonnenlicht oder Gluumlhlampenlicht einzelne Spekt-ralfarben Dies macht sich negativ bei der Qualitaumlt der Farbwiedergabe bemerkbar

Die Farbe des emittierten Lichts einer LED laumlsst sich durch additive Farbmischung sehr aumlhnlich zu Sonnenlicht oder auch Gluumlhlampenlicht einstellen Wenn jedoch Objekte mit Licht beleuchtet werden kommt es auch auf die spektrale Zusammensetzung des Lichts an Nehmen wir einen Blumenstrauszlig aus roten Rosen der im Tageslicht steht Im Son-nenlicht sind alle Spektralfarben vorhanden und diese beleuchten die Rosen Die roten Bluumltenblaumltter absorbieren einige spektrale Anteile des Lichts und reflektieren im Wesentlichen rotes Licht welches in das Auge des Betrachters faumlllt Wenn die Rosen von einer anderen Lichtquelle beleuchtet werden in der die roten Spektralanteile zumindest teilweise fehlen koumlnnen diese nicht reflektiert werden und die Farben der Rosen erscheinen unnatuumlrlich

Dies ist von weitreichender Bedeutung fuumlr die Wahl einer geeigneten Lichtquelle da wir einen Kompromiss aus Licht mit guter Farbwieder-gabe und hoher Lichtausbeute schlieszligen muumlssen Licht mit hoher Farbwiedergabe setzt sich aus moumlglichst vielen Spektralfarben zusammen und Lichtquellen mit hoher Lichtausbeute sollten nur Spektralfarben beinhalten fuumlr die das menschliche Auge besonders empfindlich ist In den Auszligenbe-zirken vieler Staumldte werden zur Nachtbeleuchtung der Gehwege haumlufig Natriumdampflampen mit orangefarbenem Licht eingesetzt Die Lichtaus-beute dieser Lampen ist mit etwa 150 lmW auszligerordentlich hoch da das menschliche Auge in diesem Spektralbereich sehr empfindlich ist Diese Beleuchtung ist jedoch ungeeignet um Farben natuumlrlich wiederzugeben Aufgrund des Aufbaus des menschlichen Auges ist es also nicht moumlglich eine Beleuchtung mit sehr hoher Qualitaumlt der Farbwiedergabe bei gleichzeitig sehr hoher Lichtausbeute zu realisieren

Weiszlige LEDs zur Allgemeinbeleuchtung nutzen in der Regel Leuchtstoffe die teilweise qualita-tiv hochwertige Farbwiedergabeeigenschaften besitzen Eine weitere Methode zur Erzeugung von weiszligem Licht ist das Mischen von rotem gruumlnem und blauem Licht (RGB-Verfahren) welches die Grundlage jedes Displays ist Hierbei sind neben weiszligem Licht auch andere Lichtfarben moumlglich ndash die Farbwiedergabeeigenschaften sind allerdings schlecht Fuumlr die Endverbraucher sind in der Regel die Farbwiedergabeeigenschaften von Lichtquellen als Ra-Werte auf der Verpackung angegeben

Organische Licht Emittierende Dioden (OLED) sind eine junge Beleuchtungstechnologie die noch keinen Zugang zum Massenmarkt erhalten hat Die weltweit erste kommerzielle OLED-Leuchte wurde 2008 vertrieben Der fuumlr den Nutzer wesentliche Unterschied zwischen OLEDs und LEDs besteht im Aufbau Der leuchtende Kristall

Bild 2 Spektrale Verteilung einer blauen LED (links) und einer weiszligen LED (rechts) bei der ein Teil des blauen Lichts zu gelbem Licht konvertiert wurde

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PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4 Metrologie fuumlr moderne Lichtquellen

anorganischer LEDs besitzt eine maximale Kan-tenlaumlnge von etwa einem Millimeter Bei OLEDs wird das Licht in groszligflaumlchigen amorphen organi-schen Schichten erzeugt Momentan sind OLEDs mit leuchtenden Flaumlchen von bis zu 20 x 20 cmsup2 erhaumlltlich Das Licht wird aumlhnlich wie bei LEDs durch Ladungstraumlgerrekombination unter Auftre-ten von Elektrolumineszenz erzeugt Dabei ist das Emissionsspektrum der verwendeten organischen Emittermaterialien wesentlich breitbandiger als das einer LED (vgl Bild 3) Daher wird das weiszlige Licht von OLEDs in der Regel durch Verwendung von roten gruumlnen und blauen Emittermaterialien erzeugt ohne dass die Farbwiedergabeeigenschaf-ten sehr stark darunter leiden

2 Entwicklung von (O)LED-Transfer-normalen in der PTB

Eine der Kernaufgaben der PTB ist die Weiter-gabe der gesetzlichen Einheiten Bis zum heuti-gen Tage bieten Transfernormale in Form von speziellen Gluumlhlampen die besten Eigenschaften um als Maszligverkoumlrperung der Einheiten Candela oder Lumen zu dienen Da der Anwender in der Regel jedoch die Substitutionsmethode bei seinen Messungen anwendet um notwendige Korrektu-ren auf ein Minimum zu reduzieren (Gleiches mit Gleichem vergleichen) sind auch Transfernormale auf Basis der LED-Technologie von Interesse

Bereits in den 80er-Jahren des vergangenen Jahr-hunderts wurden LEDs in der PTB kalibriert Diese waren fuumlr Beleuchtungszwecke noch ungeeignet und dienten lediglich als Signallampen Zeitgleich wurden die ersten PTB-LED-Transfernormale entwickelt deren optische Eigenschaften durch thermische Regelung des LED-Chips stabilisiert wurden Die mechanische Ausrichtung der LEDs leistet aufgrund des typischerweise stark gerichteten Abstrahlprofils der LEDs einen groszligen Beitrag auf die Messunsicherheit Daher werden die LEDs seit

2002 in ein rotationssymmetrisches robustes VA-Stahl-Gehaumluse eingebaut welches sich sehr repro-duzierbar ausrichten laumlsst (vgl Bild 4)

Diese Transfernormale werden unter Konstant-Strom-Bedingungen und ndash durch gezieltes Aufhei-zen des LED-Chips durch den Heizwiderstand ndash unter Konstant-Spannung-Bedingungen betrieben Aufgrund der halbleitenden Eigenschaften sinkt mit steigender Temperatur die Betriebsspannung und sowohl der Lichtstrom als auch die Peakwellenlaumlnge des emittierten Lichts veraumlndert sich Die Sollspan-nung wird auf einen Wert festgelegt der unterhalb der Gleichgewichtsspannung durch Eigenerwaumlr-mung im Betrieb ohne Heizwiderstand bei einer Umgebungstemperatur von etwa 35 degC liegt Somit ist auch ein Einsatz der Transfernormale in Laboren ohne Klimatisierung moumlglich

Fuumlr LEDs mit houmlheren Leistungen wurde im Jahr 2011 ein weiterer Prototyp eines Transfernormals vorgestellt (vgl Bild 5) Da die hier verwendeten LEDs eine houmlhere Leistungsaufnahme besitzen werden sie waumlrmer Das reduziert die Lebensdauer und Reproduzierbarkeit der photometrischen

Bild 3 Exemplarische spektrale Verteilung einer weiszligen OLED

Bild 4 Temperaturgeregeltes LED-Transfernormal auf Basis von Kleinleistungs-LEDs mit Lichtstroumlmen von bis zu 10 Lumen

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PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4Das Jahr des Lichtes

Groumlszligen deutlich Daher muumlssen sie gekuumlhlt werden Hierfuumlr kommt bei diesen Normalen ein Peltier-Element zum Einsatz welches geregelt Waumlrme in einen dahinterliegenden Kuumlhlkoumlrper leitet und hierdurch das emittierte Licht stabilisiert Diese Transfernormale zeichnen sich durch ein geringes

Gewicht bei einer Laumlnge von ca 100 mm und einem Durchmesser von etwa 20 mm aus Allerdings ist die Verwendung von LEDs mit sehr hohen Leistun-gen nicht moumlglich da die Abwaumlrme lediglich passiv an den Raum abgegeben wird Eine detaillierte Beschreibung der Eigenschaften dieses Transfer-normals wurde 2012 veroumlffentlicht [2]

Fuumlr die thermische Stabilisierung von LEDs mit sehr hohen Leistungen wurde ein weiteres Trans-fernormal unter Einsatz von Peltier-Elementen Heatpipes und aktivem Kuumlhlsystem in der PTB entwickelt (vgl Bild 6)

Im Rahmen des europaumlischen Forschungspro-jekts OLED100eu wurde in der PTB weiterhin das weltweit erste Transfernormal unter Einsatz einer organischen Leuchtdiode entwickelt (vgl Bild 7) Dieses Normal wurde fuumlr den Einsatz in einer Ulbricht-Kugel konzipiert und in ein mattes Aluminiumgehaumluse eingebaut Eine Besonderheit dieses Normals ist die Stand-Alone-Versorgungs-einheit die ohne Rechner o auml saumlmtliche relevan-ten elektrischen und thermischen Groumlszligen regelt und auf einem USB-Stick speichert

3 LED-Messtechnik in der PTB

Neben LED-Transfernormalen mit guter Reprodu-zierbarkeit ist eine hochentwickelte Messtechnik fuumlr deren Kalibrierung mit minimaler Messunsi-cherheit erforderlich

Die photometrische Beschreibung von LEDs erfolgt durch Angabe ihrer Lichtstaumlrke ILED mit der Einheit Candela und ihrem Lichtstrom ΦLED mit der Einheit Lumen Diese Groumlszligen werden in der PTB unter Verwendung ruumlckgefuumlhrter Photometer bestimmt Hierfuumlr wird die Beleuchtungsstaumlrke ELED unter definierten geometrischen Bedingungen fuumlr alle Abstrahlrichtungen der LED mit einem Goniophotometer gemessen

Fuumlr die Bestimmung der colorimetrischen Werte kommen Spektralradiometer zum Einsatz Hiermit werden spektrale Bestrahlungsstaumlrken gemessen und daraus die abgeleiteten colorime-

Bild 5 Temperaturgeregeltes LED-Transfernormal auf Basis von Hochleistungs-LEDs mit Lichtstroumlmen von bis zu 100 Lumen Im rechten Bild ist die Temperaturverteilung in Grad Celsius waumlhrend des Betriebs abgebildet

Bild 6 Temperaturgeregeltes LED-Transfernormal auf Basis von Houmlchstleistungs-LEDs mit Lichtstroumlmen von bis zu 2500 Lumen

Bild 7 Temperaturgeregeltes OLED-Transfernormal auf Basis kommerziell erhaumlltlicher OLEDs

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PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4 Metrologie fuumlr moderne Lichtquellen

trischen Kenngroumlszligen wie z B die Normfarb-wertanteile (x y) bei weiszligen LEDs die aumlhnlichste Farbtemperatur TN mit der Einheit Kelvin und bei farbigen LEDs die dominante Wellenlaumlnge λdom berechnet Grundlegende Informationen und Definitionen uumlber die photometrischen und colorimetrischen Groumlszligen und deren Messung sind in [3] [4] und [5] zu finden

In Bild 8 ist der Aufbau des LED-Messplatzes an der PTB zu sehen Fuumlr die Bestimmung der Mess-groumlszligen in alle raumlumlichen Abstrahlwinkel wird die LED durch ein Goniophotometer bewegt

Die LED wird in horizontaler Betriebslage zentrisch normal zur Referenzebene des Photo-meterkopfes ausgerichtet Ein Translationstisch ermoumlglicht dabei eine Variation des Abstandes d zwischen Photometer und LED Eine horizontale Rotationsachse (φ-Achse) und eine senkrechte Rotationsachse (ϑ-Achse) die sich an der LED-Spitze im rechten Winkel schneiden erlauben durch Drehung der LED eine Bestimmung der Beleuchtungsstaumlrke ELED in alle Raumrichtungen Beide Rotationsachsen werden waumlhrend der Messung zeitgleich bewegt Hierdurch bewegt sich die relative Position der lichtempfindlichen Emp-faumlngeroumlffnung bezuumlglich des Schnittpunkts beider Drehachsen auf der Oberflaumlche einer virtuellen Kugel entlang einer Spiralbahn von bdquoPol zu Polldquo dieser Kugel

Die Bestimmung des Lichtstroms ΦLED erfolgt analog der Beschreibung in dem Kapitel Kurze Geschichte der Goniophotometrie in der PTB Der wesentliche Unterschied zu goniophotome-trischen Messungen an Gluumlhlampen besteht darin dass bei LED-Messungen die Lichtquelle typischerweise bewegt werden kann ohne dass sich ihre optischen Eigenschaften aumlndernAufgrund des stetig wachsenden Bedarfs an ruumlck-gefuumlhrten Kalibrierungen von High-Power-LEDs sind Masse und Abmessungen der Transfernor-male erheblich gestiegen Daher wurde der Mess-platz 2015 um ein weiteres Goniophotometer fuumlr schwere und groszlige Objekte erweitert (vgl Bild 9)

Neben den photometrischen Empfaumlngern befinden sich auch Einkoppeloptiken fuumlr Spekt-ralradiometer auf dem drehbaren Empfaumlngerka-russell Alle Empfaumlnger lassen sich hiermit auto-matisiert waumlhrend einer Messung zu den LEDs ausrichten Vor jeder LED-Kalibrierung werden die Spektralradiometer bezuumlglich Ihrer spektralen Empfindlichkeit und Wellenlaumlnge kalibriert Die entsprechenden Normallampen befinden sich neben dem Empfaumlngerkarussell (vgl Bild 10) und ermoumlglichen so ebenfalls eine automatisierte Messung

Den spektralen Messungen an LEDs kommt neben der Notwendigkeit fuumlr die Bestimmung colorimetrischer Kennzahlen noch eine beson-dere Bedeutung fuumlr die photometrischen Messun-

Bild 9 Goniophotometer fuumlr photometrische Messungen an Hochleistungs-LEDs

Bild 10 Entladungslampen mit verschiedenen Gasfuumlllungen dienen der Wellenlaumlngenka-librierung der Spektrometer Im Hintergrund ist eine Bestrahlungsstaumlrke-Normal-lampe fuumlr die spektrale Empfindlichkeitskalibrierung zu sehen

Bild 8 Goniophotometer fuumlr photometrische Messungen an Kleinleistungs-LEDs

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PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4Das Jahr des Lichtes

gen zu Wie in der Einleitung erklaumlrt unterscheiden sich die spektralen Verteilungen von LEDs und Gluumlhlampen deutlich voneinander Photometerkoumlpfe bestehen in der Regel aus einer Silizium-Photodiode deren spektrale Empfindlichkeit durch den Einsatz von Glasfiltern moumlglichst gut an den Hellemp-findlichkeitsgrad V(λ) angepasst wird Aufgrund internationaler Standardisierung wird die photo-metrische Empfindlichkeit von Photometerkoumlpfen fast ausschlieszliglich fuumlr Normlichtart A kalibriert In der Praxis werden hierfuumlr Gluumlhlampen mit einer Verteilungstemperatur von 2856 K verwendet Wenn man ein solches Photometer fuumlr Messungen an anderen Gluumlhlampen verwendet sind die spektralen Verteilungen meist so aumlhnlich dass nur geringe oder gar vernachlaumlssigbare Korrekturen aufgrund der spektralen Fehlanpassung also der Abweichung der realen spektralen Empfindlichkeit des Photometers von dem Hellempfindlichkeitsgrad notwendig sind Wenn man ein solches Photometer jedoch bei LEDs insbesondere farbigen LEDs einsetzt koumlnnen die Abweichungen aufgrund der spektralen Fehlan-passung sehr groszlig werden (gt10 fuumlr hochwertige Photometerkoumlpfe sind moumlglich)

Mit Kenntnis der relativen spektralen Verteilung der Leuchtdiode SLED(λ) und der relativen spekt-ralen Empfindlichkeit srel(λ) laumlsst sich die spektrale Fehlanpassung durch folgenden Korrekturfaktor cSpek korrigieren

cV S

s S

V P T

sSpek

LED

rel LED

A

rel

d

d

d=

( ) ( )( ) ( )

( ) ( )( )

intint

intλ λ λ

λ λ λ

λ λ λ

λ

intint ( )P Tλ λ A d

P(λ TA) beschreibt Lichtart A durch das Planck-sche Strahlungsgesetz fuumlr TA = 2856 K

Eine detaillierte Auflistung und Diskussion aller zu beruumlcksichtigenden Details bei Kalibrierungen von LEDs und das dazugehoumlrige Messunsicher-heitsbudget soll an dieser Stelle nicht gegeben werden Interessierte Leser koumlnnen hierfuumlr Infor-mationen in einer fruumlheren Veroumlffentlichung [6] oder in den Ergebnissen eines internationalen Vergleichs von LED-Messungen [7] finden

Fazit und Ausblick

Der Verzicht auf LEDs ist fuumlr Beleuchtungsan-wendungen nicht mehr vorstellbar Durch ihre kontinuierliche Weiterentwicklung erobern LEDs immer weitere Anwendungsfelder (z B Haus-halts- Straszligen- und Automobilbeleuchtung) mit denen der Endkunde in Kontakt kommt Bei diesen Anwendungen sind die Anforderungen an die Lichtquellen vielfaumlltig und fuumlr eine quantitative Beschreibung ihrer Eigenschaften muss auch die Messtechnik entsprechend umfassend und ausge-reift sein

Neben dem allgemeinen Forschungs- und Ent-wicklungsbedarf fuumlr bessere LED-Messverfahren und -geraumlte die die Grundlage ihrer technologi-schen Weiterentwicklung bilden gibt es eine weitere Herausforderung Aufgrund der nahezu unbe-grenzten Moumlglichkeiten eine bestimmte Lichtfarbe durch additive Farbmischung zu erhalten sind LEDs verschiedener Hersteller mit unterschiedlichen Emissionsspektren aber einer nominell gleichen aumlhnlichsten Farbtemperatur erhaumlltlich Dennoch ist teilweise ein Unterschied der Lichtfarbe mit bloszligem Auge erkennbar wenn sich unterschiedliche LEDs nebeneinander befinden

Es ist ungewoumlhnlich dass man ohne technische Hilfsmittel nominell gleiche Lichtfarben faktisch unterscheiden kann Um die Charakterisierung von LEDs soweit zu verbessern dass dies nicht mehr moumlglich ist ist einerseits eine Reduzierung der Messunsicherheit bei der Bestimmung der Normfarbwertanteile (Lichtfarbe) notwendig Andererseits muss man sich bewusst machen dass photometrische und colorimetrische Messverfahren auf rein physikalischen Zusammenhaumlngen basieren Individuelle menschliche Wahrnehmung und Sehen werden bei photometrischen Messungen nicht beruumlcksichtigt ndash diese werden durch Festlegung von exakt definierten Wichtungsfunktionen wie dem Hellempfindlichkeitsgrad fuumlr einen fiktiven Normalbeobachter ausgegrenzt Diese Wichtungs-funktionen koumlnnen gegebenenfalls auch noch optimiert werden um die objektive Beurteilung von Lichtquellen mit physikalischen Messmethoden zu verbessern Somit gibt es auch in Zukunft noch interdisziplinaumlre Herausforderungen fuumlr die Metro-logie moderner Lichtquellen

Literatur

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Effektpigmente hellipPTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4

Einleitung

Farbe ist fuumlr Menschen die wohl auffaumllligste sub-jektive Stoffeigenschaft Bereits den Fruumlhmenschen war diese visuelle Qualitaumlt bekannt deren Wahr-nehmung allen Primaten eigen ist So wurde 2008 in Suumldafrika eine ca 100000 Jahre alte steinzeitli-che bdquoMalerwerkstattldquo entdeckt [1] Auch heutzu-tage spielt Farbe in der Gestaltung unserer Umwelt eine wichtige Rolle Jedes Jahr praumlsentiert uns die Mode die neuen Farben der Saison Farben dienen zur Regelung des Verkehrs Ohne bunte Farben waumlre unsere Welt trist und oumlde

Es ist wichtig festzustellen dass Farbe ein physiologischer Sinneseindruck ist wie z B auch Tasten oder Riechen D h Farbe ist keine immanente physikalische Eigenschaft eines Gegenstandes wie z B seine Masse oder Waumlrme-leitfaumlhigkeit Die physiologische Wahrnehmungs-kette ist hierbei folgende Das vom betrachteten Gegenstand reflektierte Licht trifft auf das Auge und loumlst hierbei einen Farbreiz aus Dieser Farbreiz beruht auf der spektralen Zusammensetzung des empfangenen Lichts d h er ist abhaumlngig von der verwendeten Lichtquelle und dem spektralen Reflexionsvermoumlgen des betrachteten Objektes Die Anregung der licht- und farbempfindlichen Zellen in der Netzhaut fuumlhrt zu einer Farbvalenz die uumlber den Sehnerv an das Gehirn weitergeleitet wird Die eigentliche Farbempfindung die wir dann mit einem Gegenstand verknuumlpfen entsteht erst im Gehirn [2] Liegt z B eine Farbfehlsich-tigkeit vor so kann der Farbeindruck des betrof-fenen Menschen auch ein ganz anderer sein Auch viele Tiere mit ihren teilweise erheblich abweichenden visuellen Systemen nehmen Farbe ganz unterschiedlich als wir Menschen wahr Im Folgenden soll mit Farbe immer die Koumlrperfarbe auch Gegenstandsfarbe Objektfarbe bzw Oberflauml-chenfarbe genannt einer nicht selbstleuchtenden Flaumlche bezeichnet werden die durch Reflexion von Licht an einem Koumlrper entsteht

Die genannten Zusammenhaumlnge machen die mathematisch-physikalische Beschreibung von Farbe schwierig und aufwendig da auch die spe-zifischen Eigenarten der menschlichen Wahrneh-

mungskette nachgestellt werden muumlssen Diesem Umstand wird versucht uumlber die verschiedenen Farbmaszligsysteme Rechnung zu tragen welche die Farbe eines Objektes mithilfe von quantifizierba-ren Zahlenwerten kennzeichnen [3]

Generell koumlnnen farbige Flaumlchen je nach Tageszeit und Lichteinfall sehr unterschiedlich wirken Die Aumlnderungen basieren hierbei auf der unterschiedlichen spektralen Zusammenset-zung des Tageslichts und den winkelabhaumlngigen Glanz- und Struktureigenschaften von Oberflauml-chen Ganz besonders deutlich ist dies bei auf dem Interferenzeffekt basierenden Effektpigmenten der Fall Deren visuelles Erscheinungsbild im englischen mit Visual Appearance bezeichnet kann sich bei variierendem Beobachtungswinkel und unterschiedlichen Lichtverhaumlltnissen komplett veraumlndern Man spricht hierbei von sogenannten Flop-Lacken wobei man zwischen Hell-Dunkel-Flop und Farb-Flop unterscheiden kann [4]

Generell kann man sagen dass Farbe und visuelle Effekte einen entscheidenden Anteil am Verkaufserfolg eines Produktes haben denn Farben wecken Emotionen und verschiedene Neuro marketingstudien belegen dass ca 95 aller Kaufentscheidungen emotional gepraumlgt sind [5] Deshalb spielt eine moderne Farbgestaltung unter Nutzung aktueller Effektpigmente im Pro-duktdesign eine entscheidende Rolle denn durch den Einsatz solcher Pigmente kann Gegenstaumlnden eine houmlhere Attraktivitaumlt verliehen werden Daher findet man moderne Effektpigmente heutzutage in vielen teilweise sehr unterschiedlichen Indus-trieprodukten wie z B in Autolackierungen Haumluserfassaden Kosmetikartikeln oder sogar bei Pralineacutes wie dies in Bild 1 zu sehen ist

Pigmente

Als Pigmente aus dem Lateinischen kommend von pigmentum fuumlr bdquoFaumlrbestoff Schminkeldquo bezeichnet man aus Teilchen bestehende im Anwendungs-medium praktisch unloumlsliche Sub stanzen die als Farbmittel oder wegen anderer spezieller physika-lischer und chemischer Eigenschaften als funktio-nale Farbzentren verwendet werden [6]

Effektpigmente Eine Herausforderung fuumlr die optische Messtechnik

Egbert Buhr Alfred Schirmacher Andreas Houmlpe

Dr Egbert Buhr Fachbereich bdquoBildshy und Wellenoptikldquo EshyMail egbertbuhrptbde

Dr Alfred Schirmacher Arbeitsshygruppe bdquoReflexion und Transmissionldquo EshyMail alfredschirmacherptbde

Dr Andreas Houmlpe dagger ehemals Arbeitsgrupshype bdquoReflexion und Transmissionldquo

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PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4Das Jahr des Lichtes

In der Natur vorkommende anorganische Pig-mente sind schon seit praumlhistorischen Zeiten bekannt Schon die Menschen der Steinzeit benutzen mineralische Pigmente fuumlr die ersten Houmlhlenzeichnungen Sie erkannten dass sie mit unterschiedlichen Erdsorten farbig malen konnten Eisenoxidhaltige Erden liefern gelbrote bis braunrote Kalk und Gips weiszlige Mangan-oxide sowie Holz- und Knochenkohle schwarze Farbtoumlne

Aus heutiger industrieller Sicht ist ein Pigment ein fein aufgeteilter und unloumlslicher Feststoff mit der Hauptfunktion das Erscheinungsbild des verwendeten Mediums zu verbessern oder es zu faumlrben Pigmente werden dem Medium immer durch physikalisches Mischen beigegeben dies unterscheidet sie von Farbstoffen die in ihrem Medium loumlslich sind

Pigmente koumlnnen nach den optischen Prin-zipien ihrer Wechselwirkung mit Licht unter-schieden und in verschiedene Klassen eingeteilt werden Wichtige Pigmentklassen sind Weiszlig- Bunt- Schwarz- und Effektpigmente die alle wegen ihrer speziellen farbgebenden Eigenschaf-ten eingesetzt werden Bei den Effektpigmenten

kann in einer ersten vereinfachten Einteilung noch zwischen Metalleffekt- und den sogenannten speziellen Effektpigmenten unterschieden werden

Der Begriff bdquospezielle Effektpigmenteldquo umfasst die Gruppen der Perlglanzpigmente und der all-gemeinen Interferenzpigmente welche insbeson-dere bei aktuellen Pigmententwicklungen nicht scharf abgegrenzt werden koumlnnen Perlglanzpig-mente sind Effektpigmente die aus transparenten Plaumlttchen mit hohem Brechungsindex bestehen Sie erzeugen durch die spezielle Form der Mehr-fachreflexion des transmittierten Lichts an mehre-ren Pigmenten einen perlenaumlhnlichen Effekt bei dem die auftreffende Strahlung verteilt reflektiert wird wodurch der Eindruck einer mit der Tiefe abnehmenden diffusen Helligkeit entsteht Fuumlr das Auge ergibt sich so eine scheinbar dreidimen-sionale Glanzcharakteristik die aus der Tiefe des Objektes zu kommen scheint Interferenzpigmente dagegen sind Effektpigmente deren farbgebende Wirkung ganz oder vorwiegend auf dem Effekt der Vielstrahlinterferenz von Licht an duumlnnen hoch-brechenden Schichten beruht Interferenzpigmente koumlnnen dabei sowohl auf transparenten oder auch nichttransparenten Plaumlttchen basieren

Bild 1 a) Roadster mit ChromaFlairreg-Effektpigmentlackierung b) Verwaltungsgebaumlude in Braunschweig verkleidet mit Alucobondreg-spectra-colours-Verbundplatten c) Effektpigmente im Nagellack d) Pralineacute mit Effektpigmentuumlberzug

a

dc

bb

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Effektpigmente hellipPTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4

Die heute verwendeten Pigmente lassen sich somit grob in fuumlnf verschiedene Klassen einteilen

1) Weiszligpigmente Die Pigmente streuen das ge-samte auftreffende Licht nahezu verlustfrei in alle Richtungen durch diffuse ungerichtete Reflexion

2) Buntpigmente Die Pigmente streuen einen Teil des Lichtes diffus und absorbieren wellenlaumln-genselektiv einen anderen Teil des Lichtes

3) Schwarzpigmente Die Pigmente absorbieren alle Wellenlaumlngen des fuumlr das menschliche Auge sichtbaren Spektralbereiches

4) Metalleffektpigmente Die aus duumlnnen Metall-plaumlttchen vorwiegend Aluminium bestehen-den Metalleffektpigmente sind lichtundurch-laumlssig und reflektieren das gesamte auftreffende Licht durch spekulare gerichtete Reflexion Die Pigmentpartikel wirken dabei wie Mikrospie-gel und fuumlhren bei paralleler Ausrichtung im Anwendungsmedium zu einem spiegelnden Metallglanz dem Metallic-Effekt

5) Spezielle Effektpigmente Perlglanz- bzw Inter-ferenzpigmente deren optische Wirkung auf der Mehrfachreflexion an uumlberwiegend flaumlchig aus-gebildeten und ausgerichteten transparenten semitransparenten oder lichtundurchlaumlssigen Partikeln beruht

Weiszlig- Bunt- und auch Schwarzpigmente weisen typische Durchmesser im Bereich von 100 nm bis zu 1 microm auf Ihre Groumlszlige liegt damit zum Teil im Bereich der Wellenlaumlnge des sichtbaren Lichtes welches den Bereich von 380 nm bis 780 nm uumlberdeckt Einige Schwarzpigmente wie z B Ruszlig-pigmente liegen mit ihren Durchmessern jedoch auch zum Teil auch deutlich darunter Effektpig-mente besitzen dagegen Teilchendurchmesser die zumeist im Bereich von 5 microm bis 100 microm in einigen Faumlllen auch daruumlber liegen Sie sind damit bezuumlglich der mittleren Plaumlttchendurch-messer wesentlich groumlszliger als die Wellenlaumlnge des sichtbaren Lichtes Die Dicke der Plaumlttchen liegt von einigen Ausnahmen abgesehen unter 1 microm ebenso wie die Dicke der Interferenzschichten Demzufolge weisen Effektpigmente in der Regel ein hohes Aspektverhaumlltnis auf (Verhaumlltnis der lateralen Ausdehnung einer Struktur zu ihrer Houmlhe) welches bis zu 200 betragen kann

Interferenzpigmente ndash Wie die Farben entstehen

Die Farbe von Interferenzpigmenten haumlngt von der Schichtdicke der Metalloxidbeschichtung und dem Einstrahlungs- und Betrachtungswinkel ab Beide Parameter bestimmen die effektive optische Weg-

laumlngendifferenz fuumlr das einfallende weiszlige Licht zwischen oberer und unterer Grenzflaumlche und die somit auftretenden Interferenzfarben siehe Bild 3

Interferenzpigmente zeigen somit einen aus-gepraumlgten bdquoFarbflopldquo Die Winkelabhaumlngigkeit der Farbe wird hierbei auch als Goniochromasie bezeichnet Richtig bunt geht es zu wenn ein Interferenzpigment auf einen bereits bunten Untergrund aufgebracht wird Die Transparenz der Pigmente laumlsst die Untergrundfarbe durch-

Bild 2 Schematische Diagramme zum spektralen Verhalten verschiedener Pigmenttypen

Bild 3 Die Schichtdicke der Metalloxidbeschichtung und der kombinierte Einstrahlungs- und Betrachtungswinkel bestimmen die optische Weglaumlnge und somit die sich ergebenden Interferenzfarben in Reflexion und Transmission

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PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4Das Jahr des Lichtes

Bild 5 Die Effekte Spar-kling (1) und Coarseness (2) des Effektpigmentes Xirallicreg Crystal Silver in einer vergroumlszliger-ten Aufnahme auf weiszligem (links) und schwarzem Hinter-grund (rechts)

scheinen im Glanzwinkel wird sie aber von der Interferenzfarbe uumlberstrahlt wie dies in Bild 4 zu sehen ist

Der Effekt eines Helligkeitsunterschiedes unter verschiedenen Betrachtungswinkeln wird als Helligkeitsflop bezeichnet und ist an sich nichts Neues Sind jedoch die einzelnen Pigmentteilchen

aufgrund ihrer planaren Reflexionsoberflaumlchen in gerichteter Beleuchtung direkt beobachtbar was fuumlr mittlere Teilchengroumlszligen von 30 microm und groumlszliger der Fall ist so ergibt dies einen Effekt welcher mit dem Begriff Sparkle (Glitzern Funkeln) bezeichnet wird (Bild 5) Aumlndert sich die Beleuchtung von einer gerichteten Einstrahlung wie es an einem wolkenlosen sonnigen Sommertag der Fall ist hin zu einer diffusen ungerichteten Einstrahlung wie an einem stark bewoumllkten Herbsttag so verschwin-det das Sparkling der Pigmente und verwandelt sich in eine Koumlrnigkeit der Oberflaumlche Dieses optische Phaumlnomen wird als Coarseness (Bild-koumlrnigkeit) bezeichnet und ist unabhaumlngig vom Betrachtungswinkel (Bild 5)

Als neuer Archetypus des Sparkle-Begriffes haben sich in den letzten Jahren die Xirallicreg Pig-mente (High Chroma Chrystal Effect Pigments) der Firma Merck KGaA entwickelt Durch die Beschich-tung von Aluminiumoxidplaumlttchen mit hochbre-chenden Metalloxiden und einer optimierten Dicke und Ebenheit aller am Pigment beteiligten Schich-ten entstehen auszligergewoumlhnlich stark reflektierende Effektpigmente die einen besonders intensiven Sparkle-Effekt aufweisen Man spricht hierbei auch von sogenanntem Living Sparkle welcher sich in einem scheinbaren bdquoTanzenldquo der leuchtenden Punkte in der Probenoberflaumlche bei Veraumlnderung der Beobachtungsgeometrie aumluszligert [7 8]

Generell gilt dass die Farbe von Objekten mit Effektlackierung nicht mehr wie jahrzehntelang uumlblich und ausreichend mit konventionellen Farb-messgeraumlten mit nur einer festen Messgeometrie wie z B in der 45deg 0deg Geometrie (Einstrahlung unter 45deg Reflexionsmessung unter 0deg) bestimmt werden kann Dieser Umstand wird sehr gut durch die Grafik in Bild 6 illustriert Dargestellt sind die winkelabhaumlngig gemessenen Farbkoordinaten von drei verschiedenen keramischen Farbstandards der Farben rot gruumln und blau sowie eines mit dem Effektpigment Viola Fantasy der Firma Merck lackierten Blechs Der Einfallswinkel des Lichts auf die Proben betrug hierbei immer 45deg zur Oberflauml-chennormalen Das von den Proben reflektierte Licht wurde an 26 Positionen in einem 5deg Raster in planaren die Oberflaumlchennormale enthalten-den Messgeometrien im Winkelbereich von ndash70deg bis +70deg aufgenommen Bei den aus absorptiven Pigmenten bestehenden Keramiken zeigt sich eine nur sehr geringe Winkelabhaumlngigkeit der Farbe welche groumlszligtenteils auf unterschiedlicher winkelabhaumlngiger Helligkeit d h den Glanzeigen-schaften der Oberflaumlche beruht Das Effektpigment dagegen zeigt einen extremen winkelabhaumlngigen Farb-Flop (Goniochromasie) welcher einen Farbverlauf von Gruumln uumlber Rot-Gelb hin ins Blau-Violett bietet

Aber auch die neuen Lackfarben aus der Gruppe der Effektlackierungen muumlssen messtechnisch

Bild 4 Merck-Xirallicreg-Solaris-Red-Effektpigmente appliziert auf einem mit Standard-Ab-sorptionspigmenten hellblau lackierten Metallblech In Rich-tung des Glanzwin-kels auf der rechten Seite zeigt sich der langsame Aufbau der winkelabhaumlngigen Interferenzfarbe

1

Bild 6 CIELab Farbkoordinaten einer winkelabhaumlngigen Reflexionsmessung an vier verschiedenen Proben drei Keramiken der Farben rot gruumln blau und eine Effektpigmentlackierung mit Merck Colorstreamreg Viola Fantasy Das untergelegte Farbschema zeigt naumlherungsweise die den Koordinaten entsprechende Farbe

2

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Effektpigmente hellipPTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4

Abbildungsoptik Messungen der ortsaufgeloumlsten Leuchtdichte auf einer Laumlngenskala bis hinab zu 28 microm auf der zu untersuchenden Probe siehe Bild 8

Mit der Zeilenkamera sind Messungen von kompletten Reflexionsspektren im sichtbaren Spektralbereich zwischen 380 nm und 780 nm dem sogenannten V(λ)-Bereich auf einer Zeit-skala von 2 Minuten moumlglich Hieraus lassen sich dann Farbkoordinaten der untersuchten Proben in den unterschiedlichsten Farbraumsystemen berechnen Eine absolute Messung in 114 Win-kelkombinationen (siehe Bild 9) im Polarwinkel-

erfasst und ruumlckgefuumlhrt werden um eine gleich-bleibende Qualitaumlt in der Produktion gewaumlhrleis-ten zu koumlnnen Gerade diese vielfaumlltigen zusaumltz-lichen Eigenschaften stellen die Farbmesstechnik vor neue Herausforderungen

Farbmessung

Bisherige kommerzielle Farbmessgeraumlte charakte-risieren Probenoberflaumlchen fast ausschlieszliglich in den eben schon erwaumlhnten sogenannten in-plane Reflexionsgeometrien Dabei liegen die Richtun-gen des eingestrahlten und des reflektierten Lichts sowie die Oberflaumlchennormale der Probe in einer Ebene Diese Einschraumlnkung entspricht jedoch in keiner Weise der taumlglichen Realitaumlt bei der Oberflaumlchen aus beliebigen Richtungen beleuchtet und betrachtet werden Seitens der Messgeraumlteher-steller und Anwender gibt es daher einen Trend zur erweiterten Charakterisierung bezuumlglich zusaumltzlicher Winkelkombinationen im dreidimen-sionalen Raum Spitzenreiter dieser Entwicklung am Markt ist derzeit ein tragbares Mehrwinkel-Spektralphotometer mit insgesamt 19 verschie-denen Reflexionsgeometrien [9] Hiermit scheint aber auch das Ende dieser Entwicklung im Bereich der portablen handgefuumlhrten Geraumlte erreicht Der Wunsch der Anwender geht aktuell wieder zuruumlck zu einer geringeren Anzahl von Winkelkombi-nationen denn es ist unklar wie man aus dem Mehr an winkelaufgeloumlsten Reflexionsdaten die fuumlr die Charakterisierung der Farbeigenschaften relevanten Informationen gewinnen kann Daher stellt sich die Frage welches sind bdquoguteldquo d h an die Messaufgabe adaptierte optimal geeignete Messgeometrien

Um diese Frage zu beantworten betreibt die AG 424 bdquoReflexion und Transmissionldquo der PTB zwei roboterbasierte Gonioreflektometer die eine winkelaufgeloumlste Reflexionsmessung in beliebi-gen bidirektionalen Geometrien ermoumlglichen [10ndash12] Diese beiden Apparaturen sind in Bild 7 dargestellt

Das Standard-Gonioreflektometer ist hierbei das nationale Normal fuumlr die Messgroumlszlige spektraler Strahldichtefaktor in gerichteten Geometrien Es dient der Realisierung Bewahrung und Weiter-gabe der gerichteten Reflexionsskale in Form von Kalibrierungen Die zweite Apparatur bezeich-net mit dem Acronym ARGon3 (3D Appearance Robot-based Gonioreflectometer) ist ein flexibles Forschungsgeraumlt mit dem experimentelle Unter-suchungen u a im Rahmen des EMRP-Projektes Multidimensional Reflectometry for Industry der EU [13] durchgefuumlhrt werden Im Ver gleich zum Standard-Gonioreflektometer ist dieses Geraumlt mit einer photometrischen Leuchtdichteka-mera und einer Zeilenkamera ausgeruumlstet Die Leuchtdichtekamera erlaubt mit einer speziellen

Bild 7 Die beiden roboter-basierten Gonio-reflektometer der PTB oben Standard-Gonioreflektometer fuumlr Kundenkalibrie-rungen unten ARGon3-Messplatz fuumlr Forschungsanwen-dungen

Bild 8 Visualisierung desSparkling-Effektesvon Xironareg-Volcanic-Sparks-Pigmenten als Falschfarben-darstellung der ortsaufgeloumlsten LeuchtdichteDie bdquoNadelnldquo zeigendie Position derPigmente an

Bild 9 Beispielgeometrien zur Messung der winkelabhaumlngigen Reflexionseigen-schaften Realisiert wurden 4 Einstrah-lungsrichtungen (rote Pfeile) mit jeweils 114 Reflexionswinkeln (schwarze Punkte) im Bereich der Viertel-kugel oberhalb der Probenoberflaumlche

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PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4Das Jahr des Lichtes

bereich 0deg bis 70deg gleichmaumlszligig verteilt uumlber den Viertelraum oberhalb der Probe dauert hierbei ca 4 Stunden [14] Die so erhaltenen Daten bilden die Basis fuumlr kuumlnftige Verbesserungen in der Mess-technik fuumlr Anwender und Hersteller

Im Rahmen des EMRP-Projektes Multidimen-sional Reflectometry for Industry [13] sind damit die winkelabhaumlngigen Reflexionsspektren von insgesamt 66 verschiedenen Effektpigmentproben gemessen worden [15 16] Bei den vier verschie-denen Einstrahlungsrichtungen verbunden mit jeweils 114 Reflexionswinkeln im Bereich der Vier-telkugel oberhalb der Probenoberflaumlche ergeben sich somit uumlber 30000 Reflexionsspektren

Zielsetzung der Untersuchungen ist die Ver-besserung der Metrologie zur Materialcharak-terisierung mit reduzierter Messunsicherheit Dazu werden neue Messvorschriften und neue Standardmessartefakte entwickelt mit denen die Industrie die visuelle Wahrnehmung der von ihr produzierten Oberflaumlchen gezielt charakterisie-ren und kontrollieren kann Solche Messungen sollten einfach auszufuumlhren sein und die Ergeb-nisse muumlssen soweit wie moumlglich mit der visuellen menschlichen Wahrnehmung korrelieren Im europaumlischen und internationalen Rahmen sollen die Ergebnisse in die Normung einflieszligen um die allgemeine Vergleichbarkeit solcher Messungen zu gewaumlhrleisten

Literatur

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[8] WR Cramer Es glitzert wie am SternenhimmelFahrzeug + Karosserie 0412 20ndash22 2012

[9] E Kirchner W Cramer Making sense of measure-ment geometries for multi-angle spectrophotome-ters Color Res Appl Vol 37 No3 186ndash198 2012

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[11] A Houmlpe D Huumlnerhoff K-O Hauer Robot-basedgonioreflectometer Industrial Robotics Program-ming Simulation and Applications Low Kin-Huat Ed Pro Literatur-Verlag Mammendorf623ndash632 2007

[12] A Houmlpe T Atamas D Huumlnerhoff S TeichertK-O Hauer ARGon3 ndash bdquo3D Appearance Robot-based Gonioreflectometerrdquo at PTB Rev SciInstrum 83(4) 045102-1ndash045102-8 2012

[13] European Metrology Research Program ProjectIND52 bdquoxD-Reflectldquo Multidimensional Reflecto-metry for Industry wwwxdreflecteu(letzter Aufruf 03122015)

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[16] A Houmlpe K-O Hauer S Teichert D HuumlnerhoffC Strothkaumlmper Goniochromatic and Sparkleproperties of effect pigmented samples in mul-tidimensional configuration Proc SPIE 9398Measuring Modeling and Reproducing MaterialAppearance 2015 SPIE Proc Vol 9398 Appea-rance 93980O-1ndash7 2015

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Die 50 Sitzung des Internationalen Komitees fuumlr das gesetzliche Messwesen (CIML) fand vom 20 bis 22 Oktober 2015 in Arcachon Frankreich statt Im Vorfeld der CIML-Sitzung fand ein ein-taumlgiges OIML-Seminar uumlber Countries and Econo-mies with Emerging Metrology Systems (CEEMS) statt uumlber das weiter unten berichtet wird

Das CIML ist der Lenkungsausschuss der OIML Es trifft sich jaumlhrlich und besteht aus je einem Repraumlsentanten der Mitgliedstaaten der korrespondierenden Mitglieder und den Vertre-tern internationaler und regionaler Organisa-tionen die als Beobachter teilnehmen koumlnnen Das CIML ist zustaumlndig fuumlr die Vorbereitung und Durchfuumlhrung der Entscheidungen der Konfe-renz die alle vier Jahre stattfindet Es uumlberwacht die Arbeiten der Technischen Komitees und Unterkomitees und des Internationalen Buumlros fuumlr das gesetzliche Messwesen (BIML) in Paris

An der 50 CIML-Sitzung nahmen 144 Teilneh-mer aus 43 Mitgliedstaaten und 13 korrespondie-renden Mitgliedstaaten teil Zur deutschen Dele-gation gehoumlrten neben den o g Autoren auch die Herren Johann Fischer Direktor des Landesamts fuumlr Mess- und Eichwesen Berlin-Brandenburg sowie Prof Olaf Kuumlhn Direktor des Thuumlringer Landesamts fuumlr Verbraucherschutz als Vertreter der Bundeslaumlnder Dr Peter Ulbig Leiter der Abteilung Wissenschaftlich-technische Quer-schnittsaufgaben der PTB und Prof Manfred Kochsiek Vizepraumlsident a D der PTB ehema-liger CIML-Praumlsident und Ehrenmitglied der OIML Frau Dr Anna Cypionka persoumlnliche Referentin des Praumlsidenten der PTB nahm am OIML-Seminar fuumlr CEEMS teil Vertreten waren auch wieder internationale und regionale Orga-nisationen zu denen die OIML Verbindungen unterhaumllt wie das Internationale Buumlro fuumlr Maszlig und Gewicht (BIPM) die GSO-GCC Standardiza-tion Organization (Saudi-Arabien) die Internatio-nal Laboratory Accreditation Cooperation (ILAC) und der Europaumlische Verband der Waagenherstel-ler (CECIP)

Alle Beschluumlsse der 50 CIML-Sitzung koumlnnen auf den Internetseiten der OIML aufgerufen werden [1 2]

Die wichtigsten Entscheidungen und Entwick-lungen werden nachfolgend vorgestellt

1 Personalangelegenheiten

Der Vertrag von Willem Kool als Assistant Director wurde um vier Jahre der Vertrag des BIML-Direk-tors Stephen Patoray um drei Jahre verlaumlngert

2 Einfuumlhrung des PG Workspace im Internet

In seinem Bericht im Zusammenhang mit der Etablierung des neuen Webauftritts der OIML hob der CIML-Praumlsident Peter Mason (UK) die erfolgreiche Einfuumlhrung des Workspace fuumlr Pro-jektgruppen hervor Durch die Online-Arbeit wird erwartet dass die technische Arbeit an neuen bzw zu revidierenden OIML-Dokumenten vereinfacht und insgesamt effizienter wird

3 Revision der technische Richtlinien fuumlr die OIML (B 6 Directives for OIML tech-nical work)

In einem neuen Projekt sollen die in den vergan-genen Jahren revidierten OIML-Richtlinien fuumlr die technische Arbeit erneut uumlberarbeitet werden um u a den Prozess der Entwicklung und Uumlber-arbeitung von OIML-Publikationen noch weiter zu beschleunigen und den neuen internetbasierten Technologien und Arbeitsweisen Rechnung zu tragen

4 Umfassende strukturelle Uumlberarbeitung des OIML Certificate System

Das CIML verabschiedete die Gruumlndung einer Projektgruppe mit der Aufgabe einer substan-ziellen Uumlberarbeitung des OIML-Zertifizierungs-systems das z Zt aus dem Basiszertifizierungs-system und dem MAA3 besteht Urspruumlnglich ausgehend von der Annahme die Akzeptanz des MAA-Zertifizierungssystem muumlsse verstaumlrkt werden eine groumlszligere Verbreitung finden und mehr Messgeraumltearten abdecken erscheint es

Aktuelles aus der OIML (Internationale Organisation fuumlr das Gesetzliche Messwesen)Bericht uumlber die 50 Sitzung des CIML in Arcachon FrankreichSusanne Ludwig Roman Schwartz

INTERNATIONALE ZUSAMMENARBEIT

Susanne Ludwig OIMLshyGeschaumlftsstelle der PTB EshyMail susanneludwigptbde

Dir u Prof Dr Roman Schwartz Vizepraumlsident der PTB deutsches Mitglied im Internashytionalen Komitee fuumlr das Gesetzliche Messwesen (CIML) und CIMLshyVizepraumlsishydent EshyMail romanschwartzptbde

3 Mutual Acceptance Arrangement (Abshykommen zur gegenshyseitigen Anerkennung von Bauartpruumlfungen)

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PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4Internationale Zusammenarbeit

inzwischen sinnvoller und wurde so auch vom CIML beschlossen zum 112017 ein einziges OIML-Zertifizierungssystem einzufuumlhren Eine Projektgruppe (Certification System Project Group = CSPG) unter dem Vorsitz des CIML-Vizepraumlsi-denten Dr Roman Schwartz wurde damit beauf-tragt die notwendigen Dokumente und Prozedu-ren auszuarbeiten

5 OIML-Seminar fuumlr Countries and Economies with Emerging Metrology Systems (CEEMS)

Im Vorfeld der CIML-Sitzung wurde ein eintaumlgiges Seminar zum Thema Developing an OIML Package for Assistance to Countries with Emerging Metro-logy Systems (CEEMS) abgehalten In vier Sitzun-gen diskutierten 125 Teilnehmer aus 49 Laumlndern uumlber Moumlglichkeiten Laumlnder beim Aufbau von nationalen Metrologiesystemen zu unterstuumltzen In der ersten von Frau Dr Cypionka geleiteten Sitzung Capacity Building ging es um die allge-meinen Herausforderungen bei der Gestaltung von Programmen zur Foumlrderung von Handlungs-kompetenzen und Vermittlung von Wissen fuumlr die Metrologie In zwei weiteren Sitzungen wurden unter den Themen Helping CEEMS Improve Regulation in their Markets (Leitung Prof Dr Manfred Kochsiek) und New Ideas ndash Doing Legal Metrology Differently (Leitung Stuart Carstens

Suumldafrika) konkrete inhaltliche Loumlsungsvorschlaumlge vorgestellt und diskutiert Die Ergebnisse wurden in der 50 CIML-Sitzung vorgestellt und fanden ihren Niederschlag in der Resolution Nr 201510 [2] sie sollen auch noch auf den OIML-Webseiten veroumlffentlicht werden [1]

6 OIML-Publikationen

Folgende OIML-Publikationen wurden verabschiedet

R 139-3 Compressed gaseous fuels measuring systems for vehicles Part 3 Test report format

New Recommendation (R 145) Ophthalmic instru-ments mdash Impression and applanation tonometers

Alle OIML-Publikationen stehen im Internet frei zur Verfuumlgung [3]

Gleichzeitig wurde die Revision der folgenden OIML-Publikation beschlossen

Revision of R 79 Labeling requirements for prepackages

Folgende neue Projekte wurden verabschiedet

Revision des OIML-Dokuments B 6-1 Directives for OIML technical work

Bild 1 Teilnehmer der 50 Sitzung des Internationalen Komitees fuumlr Gesetz-liches Messwesen (CIML) in Arcachon Frankreich

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PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4 Aktuelles aus der OIML

TC 8SC 1 Revision R 71 Fixed storage tanks mdash General requirements

TC 8SC 1 Revision R 85 Automatic level gauges for measuring the level of liquid in stationary storage tanks

7 Personalien und Ehrungen

Die von Dr Seiler dem ehemaligen Leiter des Fachbereichs bdquoTechnische Zusammenarbeitldquo der PTB initiierte OIML-Auszeichnung fuumlr bdquoexzel-lente Beitraumlge von Entwicklungslaumlndern zum gesetzlichen Messwesenldquo ging in diesem Jahr an

bull Nam Hyuk Lim Director of Korea Testing Certi-fication und

bull The Metrology Department Saint Lucia Bureau of Standards

Die OIML-Medaille fuumlr besondere Verdienste um die OIML-Arbeit ging an Ngo Quy Viet Vietnam und Cartaxo Reis aus Portugal

8 Termine

Ein Gastgeberland fuumlr die 51 CIML-Sitzung und 15 OIML-Konferenz im Jahr 2016 konnte noch nicht bekannt gegeben werden es wird aber wahr-scheinlich wieder Frankreich sein Weitere OIML-Veranstaltungen und -Termine finden sich auf der OIML-Webseite unter [4]

9 Literatur

[1] httpswwwoimlorgen (letzter Aufruf 19112015)

[2] httpswwwoimlorgenstructurecimlpdf50-ciml-resolutions-englishpdf (letzter Aufruf 19112015)

[3] httpswwwoimlorgenpublicationsrecommen-dationspublication_viewp_type=1ampp_status=1

[4] (letzter Aufruf 19112015)[5] httpswwwoimlorgeneventscalendar

(letzter Aufruf 19112015)

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TECHNOLOGIETRANSFER

E27-Scanner fuumlr UlbrichtkugelnMit dem besonders einfach ohne Umbau einsetzbaren E27-Scanner koumlnnen Anwender und Hersteller die Homogenitaumlt ihrer Ulbricht-kugeln bestimmen und die Ergebnisse zur Berechnung genauerer Lichtstroumlme und zur Dokumentation der Qualitaumlt ihrer Messungen nutzen

Hintergrund

Wie viel Licht eine Lampe insgesamt in alle Richtungen abstrahlt wird durch ihren Lichtstrom ausgedruumlckt Um den fuumlr die Bestimmung der Energieeffizienz von Lampen notwendigen Lichtstrom schnell zu er mitteln setzt die Lampenindustrie Ulbrichtkugeln ein An einer Stange in der Mitte der Ulbrichtkugel befindet sich eine E27-Lampen-fassung in die nacheinander die Lichtstrom-Normallampe und die zu kalibrierende Lampe eingeschraubt werden Das indirekt auf den Mess-kopf fallende Licht erzeugt einen Photostrom der im Idealfall propor-tional zu dem von der Lampe abgestrahlten Lichtstrom ist unabhaumlngig von der Richtung in die das Licht abgestrahlt wird

Dies ist jedoch bei einer ungleichmaumlszligigen Beschichtung der Kugel sowie bei einer im Laufe der Zeit nicht zu verhindernden Verstaubung nicht der Fall Deshalb wird mit einem Kugelscanner die Homogenitaumlt der Kugel regelmaumlszligig vermessen und ein Korrekturfaktor bestimmt der von der jeweiligen Abstrahlcharakteristik der zu untersuchenden Lampe abhaumlngt

Technische Beschreibung

Der Kugelscanner wird einfach in eine E27-Fassung geschraubt und das sonst fuumlr die Lampenversorgung eingesetzte Netzgeraumlt wird durch die Steuereinheit ersetzt Diese uumlbernimmt sowohl die elektrische Versor-gung als auch die Befehlsuumlbermittlung zum Kugelscanner Die Steuer-einheit wird via USB oder RS232 an einen Computer angeschlossen Das mitgelieferte Messprogramm stellt automatisiert alle gewuumlnschten Richtungen ein und speichert die zugehoumlrigen von der Steuereinheit gemessenen Photostroumlme des Photometers

Wirtschaftliche Bedeutungw

Fuumlr Lampenindustrie und Hersteller von Ulbrichtkugeln

bull Genauere Messung des Lichtstroms

bull Bestimmung des Zeitpunkts einer Neubeschichtung

bull Uumlberwachung beim Beschichten

bull Dokumentation des Zustands der Ulbrichtkugel

EntwicklungsstandDer E27-Kugelscanner wurde in der PTB entwickelt Er wird laufend fuumlr Kalibrierungen eingesetzt Die Technologie wurde an die Firma Czibula amp Grundmann transferiert und wird dort mit einer PTB-Lizenz gebaut und vertrieben wwwphoto-metercom

Ansprechpartner

Dr Bernhard SmandekBeauftragter fuumlr TechnologietransferTelefon +49 531 592shy8303Telefax +49 531 592shy69shy8303EshyMail technologietransferptbde

Dr Stefan WinterFachbereich Photometrie und Radiometrie

Abbildung des E27shyKugelscanners Eine stark fokussierende Lampe die computergesteuert in alle Richtungen leuchten kann

Vorteile

bull Schneller Einbau in E27shyFassung

bull Computergesteuertes Abscannen der gesamten Ulbrichtkugel

bull Flexible Messmoumlglichkeiten

bull Fuumlr genauere Lichtstromshymessungen

bull Wichtig fuumlr die Qualitaumltsshysicherung

PTBshyNummer 0172

wwwtechnologietransferptbde

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PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4 Technologieangebote

Ansprechpartner

Dr Bernhard SmandekBeauftragter fuumlr TechnologietransferTelefon +49 531 592shy8303Telefax +49 531 592shy69shy8303EshyMail technologietransferptbde

Dr Stefan WinterArbeitsgruppe Solarzellen

PulsshyzushyCWshyKonverter

Umwandlung gepulster Laser-Strahlung in konstante StrahlungIn weiten Bereichen der optischen Metrologie ist eine Strahlungs-quelle von groszligem Nutzen die sich spektral vom UV-C bis ins mitt-lere IR durchstimmen laumlsst Lediglich Laser mit gepulster Strahlung erfuumlllen diese Anforderung bei ausreichend groszligem Ausgangssignal bisher luumlckenlos Femtosekunden-Lasersysteme waumlren aufgrund ihrer gut automatisierbaren und spektral weiten Durchstimmbarkeit die ideale Strahlungsquelle fuumlr z B radiometrische Anwendungen ndash wenn ihre Strahlung nicht gepulst waumlre

Durch das extreme Puls-Pausen-Verhaumlltnis von 10ndash5 entstehen hohe Spitzenleistungen die wiederum zu Saumlttigungseffekten bei Detek-toren und in der Folge zu nichtlinearem Verhalten fuumlhren koumlnnen Mit dem in der PTB entwickelten Puls-zu-CW-Konverter wird dieses Problem geloumlst

Technische Beschreibung

Bei dieser Methode werden Pulse gepulster Strahlungsquellen ausrei-chend hoher Repetitionsrate in CW-Strahlung umgewandelt Dabei wird jeder Puls in viele kleine Teilpulse aufgeteilt die auf unterschiedlich langen Wegstrecken unterschiedliche Laufzeiten erfahren Am Ausgang des Systems erscheinen sie dann zeitlich gleichmaumlszligig verteilt Realisiert wird dieser Puls-zu-CW-Konverter uumlber ein Glasfaserbuumlndel bei dem jede Einzelglasfaser eine individuell festgelegte Laumlnge besitzt

Mit der Entwicklung des Puls-zu-CW-Konverters wurde das ent-scheidende Manko beim Einsatz leistungsstarker Femtosekunden(fs)-Lasersysteme im Bereich der Metrologie beseitigt und erstmalig gepulste Laserstrahlung in CW-Strahlung umgewandelt Diese Neuentwicklung ermoumlglicht es nun herkoumlmmliche Monochromatorsysteme durch fs-Lasersysteme zu ersetzen die eine bis zu 1000-mal houmlhere spektrale Ausgangsleistung besitzen

Wirtschaftliche Bedeutung

Durch den neuen Puls-zu-CW-Converter koumlnnen in wirtschaftlich bedeutenden Bereichen wie z B der Photovoltaik der Photometrie der UV-Strahlungsmesstechnik und der Reflektometrie die Referenz- und Transfernormale mit einer deutlich reduzierten Messunsicherheit kali-briert werden Hier werden bislang wesentliche Messunsicherheitsan-teile durch zu geringe Strahlungsleistungen aus herkoumlmmlichen Mono-chromatorsystemen verursacht

Entwicklungsstand

Unter DE 10 2010 011 615 B4 wurde fuumlr den CW-Konverter ein Patent erteilt

Vorteile

bull Zeitliche Glaumlttung gepulster Laserstrahlung

bull Keine stoumlrenden Interferenzen

bull Nur minimale Absorption des Messsignals

bull Auch bei kuumlrzeren Wellenshylaumlngen ohne Ulbrichtkugel verwendbar

bull Kontinuierliche Verteilung des Ausgangspulses

bull Pulsvervielfachung

bull Houmlhere Strahlungsleistung

PTBshyNummer 0254

wwwtechnologietransferptbde

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PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4Technologieangebote

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Homogenisierung von Strahlungsquellen und Focal Plane Arrays (FPA)Ein neuartiges Verfahren ermoumlglicht softwaregestuumltzt eine deutlich verbesserte Kalibrierung von Mehrelement-Sensoren (FPA) und bildgebenden Systemen (Kameras) Bei flaumlchigen Strahlungsquellen kann zusaumltzlich eine gezielte Ansteuerung von Flaumlchenelementen zu einer bisher im Allgemeinen nicht erreichbaren Flaumlchenhomogenitaumlt fuumlhren

Technische Beschreibung

Flaumlchenstrahler dienen der Kalibrierung von ortsaufloumlsenden Strah-lungssensoren wobei davon ausgegangen wird dass die Emissionsflaumlche des Strahlers im Wesentlichen homogen bezuumlglich ihrer Strahldichte bzw Strahlungstemperatur ist Um kleine Inhomogenitaumlten eines Flaumlchenstrahlers zu charakterisieren ist es ein gaumlngiges Verfahren die Emissionsflaumlche punktweise mit einem Einzeldetektor abzutasten

Das neue PTB-Verfahren ist wesentlich schneller da es den Mehr-element-Sensor (FPA) das device-under-test selbst nutzt und damit immer ein Gesamtbild der Quelle aufnimmt Werden jetzt weitere Bilder zeilen- oder spaltenversetzt aufgenommen so erlaubt ein mathema-tischer Algorithmus bei nur drei Bildern eine komplette Charakterisie-rung des Sensors aber auch der Quelle

Sind Flaumlchenelemente der Strahlungsquelle einzeln ansteuerbar so ist es sogar moumlglich mittels der ermittelten Korrekturwerte zu Strahlquellen extrem hoher Homogenitaumlt im on-line-Betrieb zu gelangen

Wirtschaftliche Bedeutung

Bildgebende Strahlungssensoren und homogene Strahlungsquellen sind relevant fuumlr die Forschung und Entwicklung fuumlr die Prozesstechnik fuumlr die Charakterisierung der Energieeffizienz von Bauten bei der Ent-wicklung neuer Bauteile mit hoher thermischer Belastung und in vielen weiteren Bereichen Der mathematische Algorithmus ist aber auf unter-schiedliche Arten von Kamerasystemen anwendbar und damit auch fuumlr die Qualitaumltssicherung von CCD-Kameras bis hin zum Konsumguuml-termarkt anwendbar EntwicklungsstandEine deutsche Patenterteilung erfolgte im September 2015 Eine PCT-Anmeldung ist anhaumlngig Kooperations- und Lizenzpartner aus den Bereichen Thermografie Radiometrie und Photometrie zur Umsetzung des Konzeptes werden gesucht

Ansprechpartner

Dr Bernhard SmandekBeauftragter fuumlr TechnologietransferTelefon +49 531 592shy8303Telefax +49 531 592shy69shy8303EshyMail technologietransferptbde

DiplshyIng Berndt GutschwagerArbeitsgruppeInfrarotshyStrahlungsthermometrie

Stahlungsmessplatz der PTB zur Kalibrierung von Temperaturstrahlern und Waumlrmebildkashymeras

Vorteile

bull Schnelle Kalibrierung von Flaumlchensensoren (FPA)

bull Schnelle Kalibrierung von Flaumlchenstrahlern

bull Strahlquellen houmlchster Hoshymogenitaumlt

bull Fuumlr Thermografie und Phoshytometrie

PTBshyNummer 00374

wwwtechnologietransferptbde

Verlag Fachverlag NW in der Carl Schuumlnemann Verlag GmbHZweite Schlachtpforte 728195 Bremen Internet wwwschuenemannde E-Mail infoschuenemann-verlagde

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Erscheinungsweise und Bezugspreise Die PTB-Mitteilungen erscheinen viermal jaumlhrlich Das Jahresabonnement kostet 3900 Euro das Einzelheft 1200 Euro jeweils zzgl Versandkosten Bezug uumlber den Buchhandel oder den Verlag Abbestellungen muumlssen spaumltestens drei Monate vor Ende eines Kalenderjahres schriftlich beim Verlag erfolgen

Alle Rechte vorbehalten Kein Teil dieser Zeitschrift darf ohne schriftliche Genehmigung des Verlages vervielfaumlltigt oder verbreitet werden Unter dieses Verbot faumlllt insbesondere die gewerbliche Ver-vielfaumlltigung per Kopie die Aufnahme in elektro-nische Datenbanken und die Vervielfaumlltigung auf CD-ROM und in allen anderen elektronischen Datentraumlgern

Printed in Germany ISSN 0030-834X

Die fachlichen Aufsaumltze aus dieser Ausgabe der PTB-Mitteilungen sind auch online verfuumlgbar unterdoi 10779531020150499

Die Physikalisch-Technische Bundesanstalt das nationale Metrologieinstitut ist eine wissenschaftlich-technische Bundesoberbehoumlrde im Geschaumlftsbereich des Bundesministeriums fuumlr Wirtschaft und Energie

mitteilungen

Impressum

Die PTB-Mitteilungen sind metrologisches Fachjournal der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt Braunschweig und Berlin Als Fachjournal veroumlffentlichen die PTB- Mitteilungen wissenschaftliche Fachaufsaumltze zu metrologischen Themen aus den Arbeitsgebieten der PTB Die PTB-Mitteilungen stehen in einer langen Tradition die bis zu den Anfaumlngen der Physikalisch-Technischen Reichsanstalt (gegruumlndet 1887) zuruumlckreicht

Bundesallee 100 38116 Braunschweig

Presse- und Oumlffentlichkeitsarbeit

Telefon 0531 592-3006 Fax 0531 592-3008 E-Mail presseptbde wwwptbde

Physikalisch-Technische BundesanstaltBraunschweig und BerlinNationales Metrologieinstitut

Die Physikalisch-Technische Bundesanstalt das nationale Metrologieinstitut ist eine wissenschaftlich-technische Bundesoberbehoumlrde im Geschaumlftsbereich des Bundesministeriums fuumlr Wirtschaft und Energie

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Hef

t 42

015

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Das Jahr des Lichtes PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4

Experimentell wird die spektrale Bestrahlungs-staumlrke traditionell mit einem Monochromator-messplatz wie dem DSR-Messplatz ermittelt Dieser sondert aus einem Xenonlampenspektrum oder einem Gluumlhlampenspektrum einen schma-len Wellenlaumlngenbereich aus der dann fuumlr die Bestimmung der spektralen Empfindlichkeit bei seiner Schwerpunktwellenlaumlnge benutzt wird Besonders wichtig ist dabei dass der genaue Wert der Schwerpunktwellenlaumlnge bekannt ist und dass die ausgesonderte Strahlung ein sehr homogenes Strahlungsfeld erzeugt Entscheidend dafuumlr ist der geschickte und wellenlaumlngenabhaumlngige Aufbau der Eingangs- und Ausgangsoptik mit mehreren Linsen

Lampenbasierte Monochromatormessplaumltze haben jedoch einen entscheidenden Nachteil Ihre maximale Leistung betraumlgt typisch nur 100 microW Deshalb muumlssen mehrere Kompromisse bei der Messung eingegangen werden Die Messung muss verhaumlltnismaumlszligig dicht hinter dem Messplatz durch-gefuumlhrt werden wo sich die Bestrahlungsstaumlrke noch stark mit dem Abstand aumlndert und inhomoge-ner als im Fernfeld ist Je spektral reiner die Strah-lung eingestellt wird umso weniger Strahlungs-leistung passiert den Monochromator sodass auch hier wieder ein Kompromiss eingegangen werden muss Trotz der Kompromisse ist der Wellenlaumln-genbereich in dem die spektrale Empfindlichkeit bestimmt werden kann oft auf 400 nm bis 750 nm beschraumlnkt also auf den Bereich bei dem die spekt-rale Empfindlichkeit noch ausreichend hoch ist

Deshalb wurde ein neuer laserbasierter Messplatz aufgebaut (s Bild 6) Dieser erzeugt ein 100- bis 10000-mal kraumlftigeres Strahlungsfeld (s Bild 7) Zudem erlaubt der Messplatz die Bestimmung der Winkelabhaumlngigkeit von Photometern sowie die Messung des spektralen Temperaturkoeffizienten von ndash70 degC bis 180 degC Es koumlnnen mit dem laser-basierten Messplatz selbst unempfindliche Photo-meter in einem deutlich groumlszligeren Wellenlaumlngenbe-reich als bislang gemessen werden (s Bild 8ndash9) Da so viel Strahlungsleistung selbst fuumlr einen erweiter-ten Wellenlaumlngenbereich nicht benoumltigt wird kann mit einem laserbasierten Messplatz im homogenen Fernfeld und mit houmlherer spektraler Reinheit gemessen werden und somit die Messunsicherheit signifikant reduziert werden

Bild 6 Aufbau eines laser-basierten Messplat-zes zur Kalibrierung der spektralen Bestrahlungsstaumlrke-Empfindlichkeit von Photometern Das eigentliche Laser-system ist in der unteren Haumllfte von a) skizziert und in b)als Foto dargestellt

a

b

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Ruumlckfuumlhrung in der Photometrie hellipPTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4

Realisierung der spektralen Bestrahlungsstaumlrke

Wie bereits vorher erwaumlhnt ist zur Realisierung der Candela die Kenntnis der relativen spektralen Bestrahlungsstaumlrke Er(λ) = S(λ T) von Tempera-turstrahlern (Gluumlhlampen) der Verteilungstempe-ratur T erforderlich

Bereits zum Ende des neunzehnten Jahrhunderts beschaumlftigten sich an der Physikalisch-Techni-schen-Reichsanstalt (PTR) in Berlin die Wissen-schaftler Otto Lummer Ernst Pringsheim und Fer-dinand Kurlbaum unter der Leitung von Wilhelm Wien mit der Pruumlfung elektrischer Gluumlhlampen fuumlr die Industrie und in diesem Zusammenhang mit der Verbesserung von Lampen und Vergleichs-normalen fuumlr Waumlrmestrahlung [4]

Sie entwickelten basierend auf Ideen von Kirch-hoff ab 1895 die ersten Hohlraumstrahler die als sogenannter Schwarzer Strahler zur Erzeugung von Temperaturstrahlung bis zu etwa 2000 K ein-gesetzt werden konnten Aufbauend auf Vorarbei-ten von Kirchhoff (1859) Stefan und Boltzmann (187984) sowie auf eigene Berechnungen (1893) konnte Wilhelm Wien anhand erster Messergeb-nisse 1896 die heute nach ihm benannte Wiensche Strahlungsgleichung aufstellen die die Ergebnisse der Experimente gut traf allerdings systema-tische Abweichungen fuumlr groszlige Produkte von λ middot T ergab Die Wiensche Gleichung war jedoch wesentlich genauer als das von Rayleigh und Jeans aufgestellte Pendant mit seiner inhaumlrenten Ultraviolettkatastrophe

Am 19 Oktober 1900 konnte Max Planck der vom Gastwissenschaftler Heinrich Rubens uumlber die Messergebnisse in der PTR unterrichtet wurde in einer Sitzung der Physikalischen Gesellschaft eine Gleichung vorlegen die die Messungen seiner Kollegen in der PTR besser als alle bis dato bekannten Gleichungen wiedergab Bereits am 14 Dezember 1900 trug er die komplette Her-leitung der Planckschen Strahlungsgleichungwiederum der Berliner Physikalischen Gesellschaftvor und leitete damit (verbunden mit der Energie-quantelung) die Quantenphysik ein [5]

Mithilfe des Planckschen Strahlungsgesetzes laumlsst sich die spektrale Dichte der Bestrahlungs-staumlrke EλBB(λTBB) eines Hochtemperatur-Hohl-raumstrahlers (auch Planckscher Strahler oder Schwarzer Strahler) berechnen

E T T Ad

cn

ec

n Tλ

λ

λ ε λλ BB BB BB

BB

BBBB

( ) = ( ) sdot sdot sdot

minus2

12 5

1

12

(16)

Bild 7 Wellenlaumlngenabhaumlngige optische Leistung des herkoumlmmlichen DSR-Messplatzes (untere Kurven) und des Laser-DSR-Messplatzes einmal direkt hinter dem Laser gemessen (gruumlne Kurven) und einmal die Leistung der tatsaumlchlich in der Messebe-ne nutzbaren Strahlung (rote Kurven)

Bild 8 Photometer Referenzphotodiode (links) sowie Solarzelle (unten) am Laser-DSR-Messplatz

Bild 9 Mit dem Laser-DSR-Messplatz und dem DSR-Messplatz gemessene spektrale Empfindlichkeiten von zwei verschiedenen Photometern (gruumlne und blaue Kurve) sowie die spektrale Empfindlichkeit von der als Referenz benutzten Photodiode (rote Kurve) Die Signalhoumlhen unterscheiden sich um einen Faktor von bis zu 100 Millionen Obwohl das am Laser-DSR-Messplatz gemessene Photometer ca 7 mal unempfindlicher als das am DSR-Messplatz gemessene Photometer ist kann die spektrale Empfindlichkeit in einem deutlich groumlszligeren Wellenlaumlngenbereich gemessen werden

14

Das Jahr des Lichtes PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4

Hierbei ist

TBB die Temperatur des Planckschen Strahlers ε(λTBB) der effektive Emissionsgrad des Strahlers ABB die Groumlszlige der Strahleroumlffnung dBB der Abstand zur Referenzebene fuumlr die Bestrahlungsstaumlrke c1 c2 die Planckschen Strahlungskonstanten und n der Brechungsindex von Luft

In der PTB wird im Fachbereich 41 bdquoPho-tometrie und angewandte Radiometrieldquo ein Hochtemperatur-Hohlraumstrahler vom Typ BB3200pg als nationales Normal fuumlr spektrale Bestrahlungsstaumlrke im Spektralbereich 200 nm bis 2500 nm eingesetzt Der Strahler der vom russi-schen Institut fuumlr optophysikalische Messungen (VNIIOFI) entwickelt [6] und von der PTB fuumlr seine Messaufgabe aufwendig charakterisiert und optimiert wurde [7] besitzt einen Hohlraum aus pyrolytischem Graphit der mittels Gleichstrom auf Temperaturen bis 3200 K aufgeheizt werden kann Der Strahler besitzt einen effektiven Emissions-grad von ε(λTBB) gt 09998 und eine ausgepraumlgte Homogenitaumlt der Temperatur im Hohlraum Er kann somit als Planckscher Strahler behandelt werden

Zur Berechnung des Planckschen Strahlungs-gesetzes werden weitere Groumlszligen des SI-Systems benoumltigt die in der PTB ruumlckfuumlhrbar kalibriert werden So wird zum Beispiel die Strahlerflaumlche ABB in Fachbereich 53 bdquoKoordinatenmesstechnikldquo kalibriert und die Bestimmung der Strahlertem-peratur TBB erfolgt mithilfe von Filterradiometern die in Fachbereich 73 bdquoDetektorradiometrie und Strahlungsthermometrieldquo gegen ein Kryo-

radiometer ruumlckgefuumlhrt werden Mithilfe dieser Berechnungsparameter fuumlr Gleichung (16) kann der Schwarze Strahler als Primaumlrnormal fuumlr strah-lungsphysikalische Groumlszligen eingesetzt werden

Die Kalibrierung von Gluumlhlampen bezuumlglich spektraler Bestrahlungsstaumlrke erfolgt in Sub-stitution durch direkten Vergleich gegen das Primaumlrnormal bzw entsprechend ruumlckgefuumlhrte Sekundaumlrnormale Hierbei handelt es sich um 1000-W-Gluumlhlampen vom Typ FEL die mit einer Verteilungstemperatur von etwa 3080 K einem dem Schwarzen Strahler sehr aumlhnlichen Verlauf der relativen spektralen Strahlungsfunktion besitzen Die Substitution erfolgt mithilfe eines Spektroradiometers das mit drei Monochroma-toren und Empfaumlngern einen Spektralbereich von 250 nm bis 2500 nm abdeckt [8] Eine Ulbrichtku-gel dient als Eingangsoptik und ihre Eintrittsoumlff-nung als Referenzebene fuumlr die Bestrahlungsstaumlrke Die durch die Kugel transmittierte Strahlung gelangt in einen Vormonochromator und wird nach spektraler Vorzerlegung wahlweise in einen Monochromator fuumlr den Spektralbereich 250 nm bis 1100 nm oder in einen Monochromator fuumlr den infraroten Spektralbereich eingekoppelt Ein Photomultiplier eine Si-Photodiode und eine InGaAs-Photodiode erfassen die aus den derart kombinierten beiden Doppelmonochromatoren austretende Strahlung Im fuumlr die Photometrie relevanten sichtbaren Spektralbereich werden spektrale Messungen mit einer spektralen Band-breite von 1 nm und einem Streulichtanteil im Bereich von 10ndash7 durchgefuumlhrt

Das Verhaumlltnis der mit den unterschiedlichen Strahlern gemessenen Photostroumlme entspricht im Wesentlichen dem Verhaumlltnis ihrer spektralen Bestrahlungsstaumlrken Beim Vergleich eines Strah-

Bild 10 Der Hochtemperatur-Hohlraumstrahler BB3200pg der in der PTB als Primaumlrnormal fuumlr die spektrale Bestrahlungsstaumlrke eingesetzt wird Der Hohlraum aus Pyrographit kann bis zu 3200 K aufgeheizt werden

15

Ruumlckfuumlhrung in der Photometrie hellipPTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4

lers bdquoSldquo mit der Verteilungstemperatur T mit dem Schwarzen Strahler der Temperatur TBB laumlsst sich prinzipiell also die unbekannte spektrale Bestrah-lungsstaumlrke EλS (λT) ermitteln aus

E T E Ty

yS eS

λ λλ λλλ ( ) = ( ) sdot ( )( )BB BB

BB

wobei ys(λ) und yBB(λ) die fuumlr die beiden Strahler gemessenen Photostroumlme bei der Wellenlaumlngen-einstellung λ sind und EλBB (λTBB) die spektrale Bestrahlungsstaumlrke des Hochtemperatur-Hohl-raumstrahlers nach dem Planckschen Strahlungs-gesetz (16) ist

Ableitung und Weitergabe weiterer photometrischer Einheiten gerichteter photometrischer Groumlszligen

Neben der Einheit fuumlr die Lichtstaumlrke sind in der gerichteten Photometrie die Einheit der Beleuch-tungsstaumlrke zur Kalibrierung von Photometern und die Einheit der Leuchtdichte zur Angabe von Lampeneigenschaften besonders wichtig

Beleuchtungsstaumlrke

In der PTB werden Beleuchtungsstaumlrke-Messgeraumlte mit einem Referenzphotometer mittels der Substi-tutionsmethode kalibriert wobei die Lichteintritts-flaumlchen der Photometerkoumlpfe an derselben Stelle senkrecht und gleichmaumlszligig beleuchtet werden

Dazu wird zunaumlchst das Referenzphotometer (Linearitaumlt und Anpassungsindex m bekannt) mit Lichtstaumlrke-Normallampen beliebiger Vertei-lungstemperatur T kalibriert Durch Umstellung von Gleichung (13) folgt fuumlr seine photometrische Empfindlichkeit

s d y TI T

Tm

v K= sdot sdot

2

0 2856Ω( )( )

v

(18)

Auf einer 40 m langen Photometerbank siehe Bild 10 koumlnnen dann mit beliebigen Gluumlhlampen unterschiedlicher elektrischer Leistung aber bekannter Verteilungstemperatur Beleuchtungsstaumlrken zwischen 0001 lx und 10000 lx erzeugt werden

Die Kalibrierung von Beleuchtungsstaumlrke-Mess-geraumlten erfolgt meistens mit Licht der Normlicht-art A eine entsprechende Lampe ist in Bild 15 dargestellt Die Anzeige des zu kalibrierenden Beleuchtungsstaumlrke-Messgeraumltes wird mit dem Messwert der Beleuchtungsstaumlrke Ev des Referenz-photometers verglichen

E T ysv

vK( )= =2856

001

01

1

10

100

350 400 450 500 550 600 650 700 750

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E[microW

cm

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]

Wellenlaumlnge λ [nm]

Schwarzer Strahler (3076 K)Schwarzer Strahker (2995 K)FEL 81 A (3080 K)FEL 67 A (2780 K)WI 41G 54 A (2700 K)

Bild 11 Spektrale Bestrahlungsstaumlrke unterschiedlicher Strahler im sichtbaren Spektralbe-reich Die als Sekundaumlrnormale eingesetzten 1000-W-Gluumlhlampen vom Typ FEL und die in der Photometrie verwendeten Gluumlhlampen vom Typ WI 41G besitzen einen sehr aumlhnlichen spektralen Verlauf wie der als Primaumlrnormal eingesetzte Schwarze Strahler bei unterschiedlichen Strahlertemperaturen

Bild 12 Der Messplatz fuumlr die Kalibrierung von Gluumlhlampen bezuumlglich spektraler Bestrah-lungsstaumlrke in der PTB Auf der rechten Seite befinden sich zwei als Sekun-daumlr- und Arbeitsnormale eingesetzte Gluumlhlampen Auf der linken Seite ist das Spektroradiometer zu sehen dass an seiner Oberseite eine Ulbrichtkugel als Eingangsoptik montiert hat deren Oumlffnung in Richtung Strahler als Referenzebene fuumlr die Bestrahlungsstaumlrke verwendet wird

Bild 13 Messplatz zur Weitergabe der Einheit der Beleuchtungsstaumlrke zur Kalibrierung von Photometern

(17)

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Das Jahr des Lichtes PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4

Leuchtdichte

Leuchtdichten homogen leuchtender begrenzter Flaumlchen koumlnnen aus groszligem Abstand wie Licht-staumlrken gemessen werden Wird z B eine kreisfoumlr-mige Blendenoumlffnung (zentrisch und senkrecht zur Messrichtung) zwischen der leuchtender Flaumlche und dem Photometerkopf angeordnet und damit ein Teillichtstrom ausgesondert so kann dieser in groszligem Abstand als Lichtstaumlrke bestimmt werden und es gilt fuumlr die Leuchtdichte Lv der prinzipielle Zusammenhang

LIAvv= (20)

In der PTB wird fuumlr die mit Gluumlhlampen ausgestat-teten Leuchtdichtenormale (d h Verteilungstem-peratur T bekannt) zunaumlchst die photometrische Empfindlichkeit sv des Referenzphotometers wie in Abschnitt 41 bestimmt dann die Lichtstaumlrke nach Gleichung (13) gemessen und schlieszliglich die mittlere Leuchtdichte innerhalb der leuchtenden Flaumlche A nach Gleichung (20) berechnet

Fuumlr Leuchtdichtenormale gelten prinzipiell einige der im Kapitel bdquoLichtstaumlrke-Normallampenldquo aufgefuumlhrten Merkmale Sie unterscheiden sich jedoch im Detail in der Art der Ausfuumlhrung z B sind sie mit Gluumlhlampen oder mit LEDs bestuumlckt sie koumlnnen hinsichtlich der Leuchtdichte bzw Farbe durchstimmbar sein oder mit gesonderter Monitortechnik ausgestattet sein

Die traditionellen Messverfahren zur Bestim-mung der Leuchtdichte bzw die Verwendung von Photometern mit direkter Anzeige der Leuchtdich-tewerte werden zunehmend durch den Einsatz von Leuchtdichtekameras (pixelaufgeloumlste Darstellung von Leuchtdichteverteilungen) ergaumlnzt Eine abso-lute Kalibrierung dieser modernen Systeme stellt aber messtechnisch eine groszlige Herausforderung

Bild 14 Die 40 m lange photometrische Bank zur Realisierung und Weitergabe der Einhei-ten der gerichteten Photometrie

Bild 15 20-kW-Hochleistungshalogengluumlhlampe fuumlr hohe Beleuchtungsstaumlrken zur Kalibrierung von Beleuchtungsstaumlrke-Messgeraumlten u a mit Normlichtart A

Bild 16 Gluumlhlampenbasierte Normale zum Transfer der Leuchtdichte-Einheit

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Ruumlckfuumlhrung in der Photometrie hellipPTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4

dar aktuell werden zur Charakterisierung solcher Kameras national im FNL3 (Normenausschuss bdquoPhotometrieldquo im DIN) und international in der CIE (TC2-59 TC2-62) u a Messverfahren dis-kutiert die dann mittels definierter Kenngroumlszligen beschrieben werden

Literatur

[1] BIPM Com Cons Phot Radiometrie 1982 10[2] CIE 1144 Distribution temperature and ratio

temperature 1994[3] G Sauter Die Candela Erlaumluterungen zum Ver-

staumlndnis der Definition und der RealisierungPTB-Mitteilungen 107 1997

[4] W Schreier (Hrsg) Biographien bedeutender Phy-siker 2 Aufl Volk und Wissen Berlin 1988S 203ndash205

[5] M Planck Zur Theorie des Gesetzes der Energie-verteilung im Normalspektrum Verhandlungender Deutschen Physikalischen Gesellschaft 21900 S 237ndash245

[6] V I Sapritsky B BKhlevnoy V B KhromchenkoB E Lisiansky S N MekhontsevU A Melenevsky S P Morozova A V ProkhorovL N Samoilov V I Shapoval K A SudarevM F Zelener Precision Blackbody sources forradiometric standards Appl Opt 1997 36S 5403ndash5408

[7] P Sperfeld Entwicklung und Realisierungeiner empfaumlngergestuumltzten spektralen Bestrah-lungsstaumlrkeskala Dissertation Braunschweig2861999 httpwwwbibliotu-bsdeedissdata19990628a19990628ahtml(Letzter Aufruf 28102015)

[8] P Sperfeld S Pape B Barton From Primary Stan-dard to Mobile Measurements ndash Overview of theSpectral Irradiance Calibration Equipment at PTBMAPAN-Journal of Metrology Society of India 252010 S 11ndash19

Bild 17 Pixelaufgeloumlste Darstellung einer Leuchtdichteverteilung mit einer Leuchtdichtemesskamera

pim_140107_anz_forschung_178x29indd 1 280214 1033

18

PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4Das Jahr des Lichtes

Kurze Geschichte der Goniophotometrie in der PTB Matthias Lindemann

Zusammenfassung

Die Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB) ist das nationale Metrologieinstitut (NMI) der Bundesrepublik Deutschland das seinen Fokus auf die Realisierung Bewahrung und Weitergabe der SI-Einheiten richtet Deshalb hat auch die goniophotometrische Bestimmung des Licht-stroms nahezu beliebiger Lichtquellen eine lange Tradition Seit mehr als 50 Jahren werden in der PTB hierzu noumltige Messsysteme entwickelt genutzt verbessert und an neue Messaufgaben angepasst Schon in den 50er- und 60er-Jahren des vergangenen Jahrhunderts erlaubte ein soge-nanntes Einarm-Goniophotometer die Realisie-rung der Lichtstromeinheit lumen (lm) als direkte Ableitung von der SI-Basiseinheit Candela (cd) mithilfe von Lichtstaumlrke-Normallampen Spaumlter gestattete ein groszliges Kardan-Goniophotometer mit einem Messradius von 25 m die notwendige automatisierte spiralfoumlrmige Bewegung eines Photometers bzw eines Dreibereichsfarbmess-kopfes Fuumlr die Lichtstrom-Kalibrierungen von Kleingluumlhlampen aber auch von zunehmend nachgefragten Messungen an LEDs wurde schon in den fruumlhen 1980er Jahren ein sogenanntes Mini-Goniophotometer ebenfalls als Kardan-

Goniophotometer mit nur 03 m Messradius entwickelt und eingesetzt Dieser Entwicklungs-prozess haumllt an und ermoumlglicht heute die Kalibrie-rung auch modernster LED-Lichtquellen Im Jahr 2006 wurde das erste Roboter-Goniophotometer im neuen Albert-Einstein-Gebaumlude der PTB in Betrieb genommen und ermoumlglicht seitdem die Kalibrierung nahezu beliebiger Lichtquellen mit der noumltigen kleinen Messunsicherheit

1 Einfuumlhrung

Mehr als 11 der elektrischen Energie werden heute in Deutschland fuumlr Beleuchtung einge-setzt Tendenz steigend Daher ist der Lichtstrom oumlkonomisch gesehen die wichtigste photometri-sche Groumlszlige Es ist notwendig seine Einheit das Lumen (lm) direkt von der SI-Basiseinheit fuumlr die Lichtstaumlrke der Candela (cd) abzuleiten Dies geschieht regelmaumlszligig mittels Goniophotometrie um den Lichtstrom der zu untersuchenden Licht-quelle zu bestimmen Obwohl auch absolut arbei-tende Ulbricht-Kugel-Methoden existieren [1] benoumltigen diese streng genommen zumindest die relative raumlumliche Lichtstaumlrkeverteilung welche nur durch goniophotometrische Methoden messbar ist

Das Prinzip der Goniophotometrie ist unabhaumln-gig von der technischen Realisierung der unter-schiedlichen Goniophotometertypen Ein Gonio-photometer misst die raumlumliche Verteilung der Beleuchtungsstaumlrke E(r ϑ φ) auf einer geschlosse-nen Huumlllflaumlche mittels V(λ)-angepasstem Pho-tometer fuumlr alle Richtungen (ϑ φ) der Lichtaus-strahlung im vollen Raumwinkel (4π sr) um die Lichtquelle herum wie Bild 1 zeigt

Der Radiusvektor r(ϑ φ) beschreibt die Position des Photometers in Kugelkoordinaten und r(ϑ φ) durchstoumlszligt das zur Lampe gerichtete Eintrittsfens-ter immer orthogonal Der Radiusvektor r(ϑ φ) beschreibt auch die Entfernung zwischen Lampe und Photometer

Der Winkel ϑ beschreibt die Position des Photometers zwischen den Polen traditionell im Bereich (0 lt ϑ lt π) Der Winkel φ beschreibt die Photometer-Position in der Aumlquator-Richtung

Matthias Lindemann Arbeitsgruppe bdquoGoniophotometrieldquo EshyMail matthiaslindemannptbde

Bild 1 Beleuchtungsstaumlrke E als Funktion des Radiusvektors r(ϑ φ)

19

PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4 Kurze Geschichte der Goniophotometrie in der PTB

(0 lt φ lt 2π) Der Wert des Lichtstroms Φ der Lampe kann aus der Beleuchtungsstaumlrkeverteilung E(ϑ φ) berechnet werden entweder aus der Licht-staumlrkedefinition I = dΦdω oder aus der Defini-tion der Beleuchtungsstaumlrke E = dΦdΑ

Φ = ( )int I ϑ ϕ ω4πsr

d (1)

Φ = ( )int E Ar

ϑ ϕ4 2π

d (2)

Das Raumwinkelelement dω der Gleichung (1) ist gegeben durch

d sin d dω ϑ ϑ ϕ= ( ) (3)

und das Flaumlchenelement dA der Gleichung (2) erhaumllt man aus

d sin d dA r= ( ) ( )2 ϑ ϕ ϑ ϑ ϕ

(4)

Der Radius r des Radiusvektors r(ϑ φ) kann als Konstante behandelt werden da er sich gewoumlhn-lich waumlhrend einer goniophotometrischen Messung nicht aumlndert Dann kann die Lichtstaumlrke-verteilung I(ϑ φ) durch Anwendung des photome-trischen Grundgesetzes aus der Beleuchtungsstaumlr-keverteilung E(ϑ φ) bestimmt werden

I r Eϑ ϕ ϑ ϕ ( ) = ( )2 (5)

Falls die photometrisch wirksame Ausdehnung rL der zu messenden Lampe deutlich kleiner ist als der Messradius r des Goniophotometers ist kann Gleichung (1) mit Gleichung (3) und r = const wie folgt geschrieben werden

Φ = ( ) ( )intintr E2

00

2

d sin dϕ ϑ φ ϑ ϑππ

(6)

Andererseits fuumlhrt Gleichung (2) mit Glei-chung (4) und r = const ebenfalls auf Gleichung (6) Aber fuumlr groszlige Lampen koumlnnte die Anwen-dung von Gleichung (5) zu fehlerhaften Ergeb-nissen fuumlhren (rL gt r) aber der ermittelte Wert des Lichtstroms entsprechend Gleichung (6) waumlre korrekt falls das Photometer das einfallende Licht mit dem Kosinus des Einfallswinkels bewertet

2 Geschichte der Goniophotometer- Systeme in der PTB

Wie bereits teilweise in Abschnitt 1 diskutiert sollte ein ideales Goniophotometer eine Reihe von Anforderungen erfuumlllen wie die folgende Auflis-tung zeigt

1 Kalibrierung der Photometer mittels Licht-staumlrke-Normallampen zur Sicherung der Ruumlckfuumlhrung auf die nationale Realisierung der Einheit Candela

2 Ausfuumlhrung einer Relativbewegung zwischen Lampe und Photometer wobei sich ϑ-Achse und φ-Achse rechtwinklig schneiden

3 Verwendung eines V(λ)-angepassten Photo-meters zur Lichtstrommessung

4 Automatische Messdatenanalyse5 Unabhaumlngige Bestimmung des Lichtstromwer-

tes von der raumlumlichenspektralen Verteilung der gemessenen Bestrahlungsstaumlrke Ee(λ ϑ φ) des Lichts

6 Unabhaumlngigkeit der Empfindlichkeit des Pho-tometers von der Umgebungstemperatur bzw Durchfuumlhrung einer entsprechenden Korrektur

7 Beliebige Betriebslage der zu untersuchenden Lampe

8 Einstellbare Umgebungsbedingungen fuumlr Luft-temperatur und Luftfeuchte

9 Geringer Streulichtanteil im Messraum bzw Streulicht-Korrektur

10 Elektrische Antriebe fuumlr die Bewegung der ϑ- und φ-Achsen

11 Verwendung von Farbmesskoumlpfen zur Bestim-mung der raumlumlich wirksamen aumlhnlichsten Farbtemperatur undoder Bestimmung der relativen raumlumlichen spektralen Verteilung der gemessenen Bestrahlungsstaumlrke

12 Messung ohne Bewegung der zu untersuchen-den Lampe

13 Vollstaumlndige Abtastung der Beleuchtungs-staumlrke- bzw Lichtstaumlrkeverteilung der zu untersuchenden Lampe

14 Staumlndige Uumlberwachung des photometrischen Betriebsverhaltens der Lampe um Alterung waumlhrend der Messzeit erkennen bzw korrigie-ren zu koumlnnen (sogenanntes Monitorsystem)

15 Messraumwaumlnde sollen etwa auf Lufttem-peratur sein um den Strahlungsaustausch zwischen Entladungslampen und Waumlnden des Messraums zu stabilisieren

16 Online-Streulichtkorrektur ndash insbesondere fuumlr ausgedehnte Lampen wie Leuchtstofflampen da diese den Einsatz eines Streulichttubus mit groumlszligerem Gesichtsfeld erfordern

17 Die Beleuchtungseinrichtung des Gonio-photometerraums soll zur Messzeit abgedeckt und ausgeschaltet sein um den Streulichtan-teil nicht zu erhoumlhen

18 Variation des Messradius r (Validierung von Nahfeld-Fernfeld-Messungen mit abbilden-den Systemen)

In der Goniophotometrie sind verschiedene Koor-dinatensysteme wie Bild 1a zeigt zu unterscheiden Dies sind regelmaumlszligig das Lampenkoordinatensys-tem Lamp das Raumkoordinatensystem Room und

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PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4Das Jahr des Lichtes

das Goniophotometerkoordinatensystem bezogen auf dessen Zentrum Center Bild 1a zeigt moumlgliche Offsets zwischen diesen Systemen in Translation und Rotation

Um folgende Betrachtungen und Erklaumlrungen zu vereinfachen werden die genannten Koordina-tensysteme als deckungsgleich angenommen das heiszligt es werden keine Offsets in Translation und Rotationen zwischen den Koordinatensysteme vorausgesetzt

Im Weiteren werden die Eigenschaften Vor- und Nachteile der uumlber Dekaden in der PTB entwi-ckelten und genutzten Goniophotometer unter Beruumlcksichtigung der gewuumlnschten vorstehend gelisteten Eigenschaften diskutiert Es beginnt mit einem einfachen Einarm-Goniophotometer aus den 50er-Jahren des vergangenen Jahrhunderts und endet zumindest vorlaumlufig mit dem State-of-the-art-Roboter-Goniophotometer das 2007 in Betrieb ging

21 Einarm-Goniophotometer (1950ndash1975)

In der Zeit von 1950 bis 1975 wurde ein manuell betriebenes Einarm-Goniophotometer nach Bild 2 benutzt In den 50er-Jahren war diese Messappara-tur noch mit einem visuellen Photometer ausge-stattet Dieses Photometer erlaubte die relative Messung von Beleuchtungsstaumlrken mittels einer im Photometer installierten Hilfslampe in Verbindung mit einem optischen Abschwaumlcher [2 Seite 321] Die Ruumlckfuumlhrung auf die nationale Lichtstaumlrke-Einheit die Candela war durch Kalibrierung des visuellen Photometers mit Lichtstaumlrke-Normal-lampen sichergestellt (dies erfuumlllt Anforderung 1 der Anforderungsliste) entsprechend basieren auch Abstandsmessungen auf der nationalen Laumln-geneinheit dem Meter

Wegen der Lageabhaumlngigkeit der internen Hilfs-lampe im Innern des visuellen Photometer war es an einer festen Stelle der Messapparatur ange-bracht wie Bild 2 zeigt Ein Spiegel-Prismen-Sys-tem leitete das Licht der zu untersuchenden Lampe auf das Photometer Eine detaillierte Beschreibung aumlhnlicher Systeme kann [2 Seite 319] entnommen werden Damit ist Anforderung 2 ebenfalls erfuumlllt

Die vollstaumlndige Bestimmung des Lichtstroms Φ erfordert eine groumlszligere Anzahl Messungen von Beleuchtungsstaumlrken fuumlr ebenso viele manuell eingestellte unterschiedliche Kugelkoordina-ten (ϑ φ) Wird die fiktive Kugel gemaumlszlig Bild 1 in ϑ-Richtung in parallele Zonen eingeteilt und jede dieser Zonen i ist wiederum in n Sektoren j gleicher Laumlnge (Δφ = const) mit den zugehoumlrigen Beleuchtungsstaumlrken Eij unterteilt ist es moumlglich die mittlere Beleuchtungsstaumlrke Endashi jeder Zone i nach Gleichung 7 zu bestimmen

E Ei n i jj

n

==sum1

1 (7)

und der Wert des Lichtstroms Φ ergibt sich weiter aus der numerischen Integration nach Gleichung (8)

Φ = ( )minus ( )( )+

=sum2 2

10

1

πr cos cosϑ ϑi ii

m

iE-

(8)

Die Anzahl der notwendigen Beleuchtungsstaumlr-kemessungen haumlngt von der raumlumlichen Lichtver-teilung der zu untersuchenden Lampe ab Wegen der manuellen Einstellung des groszligen Arms (ϑ) der Drehung der Lampe (φ) und des gleichfalls noumltigen manuellen Abgleichs des visuellen Pho-tometers ist diese Methode sehr zeitaufwendig Sollen beispielsweise 600 Punkte gemessen werden (aus heutiger Sicht also nicht besonders viele) und man benoumltigt ca 25 Sekunden pro Messung werden also mehr als 4 Stunden benoumltigt um eine

Bild 1a Koordinatensysteme

Bild 2 Einarm-Go-niophotometer 1950ndash1975

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PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4 Kurze Geschichte der Goniophotometrie in der PTB

Lampe mit relativ homogener raumlumlichen Licht-verteilung zu messen

In 1963 wurde ein internationaler Lichtstrom-vergleich auf der Basis von Entladungslampen ohne Fluoreszenzstoff durchgefuumlhrt Diese Lampen wiesen eine massive Inhomogenitaumlt ihrer raumlumlichen Lichtverteilung auf sodass die beschriebene manuelle Methode wegen der noumltigen hohen Anzahl von Messpunkten nicht praktikabel war Zur Loumlsung dieses Problems in [3] beschrieben wurde das visuelle Photometer durch einen grob an V(λ)-angepassten Photover-vielfacher ersetzt zusaumltzlich wurde die φ-Achse mit einem elektrischen Antrieb versehen und ein Praumlzisionskondensator ermoumlglichte die analoge Integration des Photostroms des Photovervielfa-chers Damit konnte fuumlr jede der erforderlichen ϑ-Einstellungen des groszligen Arms der elektri-sche Antrieb der φ-Achse diese mit konstanter Winkelgeschwindigkeit rotieren lassen waumlhrend der Praumlzisionskondensator den Photostrom des Photovervielfachers integrierte Nach etwa t = 5 min fuumlr eine Umdrehung repraumlsentierte die Ladung Q = C middot U des Praumlzisionskondensators die mittlere Beleuchtungsstaumlrke

E k C Uti = sdot (9)

dieser gemessenen Zone i Daraus berechnet sich der Lichtstrom wiederum gemaumlszlig Gleichung (8) Es ist nicht noumltig das Produkt k ∙ C exakt zu kennen da dies uumlber das Kalibrierverfahren durch die bekannte Beleuchtungsstaumlrke einer Lichtstaumlrke-Normallampe eliminiert werden kann es muss lediglich uumlber die gesamte Messzeit hinweg kons-tant sein

Spaumlter in den 1960er-Jahren wurde auch das visuelle Photometer durch ein modernes V(λ)-angepasstes Photometer basierend auf gefilterten Silizium-Photodioden in Kombination mit einen PhotostromSpannungswandler und einem xy-Plotter ersetzt Man erhielt so die Beleuchtungs-staumlrkeverteilung jeder Zone die sich dann leicht mit grafischen oder numerischen Verfahren inte-grieren lieszlig Es wird spaumlter gezeigt werden dass diese verwendete bdquoanaloge Zonenintegrationldquo sehr aumlhnlich der heutigen digitalen zonalen Bewertung ist

Diese letzten 2 Verbesserungen erfuumlllen die Anforderung 3 und teilweise auch die Anforde-rung 4

22 Kardan-Goniophotometer (1976ndash2007)

Das existierende Einarm-Goniophotometer war immer auf eine bdquohelfende Handldquo angewiesen um es von Punkt zu Punkt zu bewegen Die anschlie-szligende Berechnung des Lichtstroms wurde grund-saumltzlich ebenfalls haumlndisch ausgefuumlhrt Dieses Ver-

fahren war dementsprechend sehr zeitaufwendig und der zunehmende Wunsch der Industrie auch groszlige Objekte wie z B lange Leuchtstofflampen aber spaumlter auch sehr kleine Mikrolampen und erste LEDs zu kalibrieren fuumlhrte zur Entwicklung sogenannter Kardan-Goniophotometer ver schie-dener Ausfuumlhrungen

221 Groszliges Kardan-Goniophotometer

Nach der intensiven Umgestaltung einiger Raumlume im Koumlsters-Bau der PTB war es moumlglich im neuen Goniophotometerraum (7 x 10 x 8 m3) das Kar-dan-Goniophotometer [4] zu installieren Bild 3 zeigt das groszlige Kardan-Goniophotometer Am Bildoberrand ist eine zu kalibrierende stabfoumlrmige Leuchtstofflampe zu sehen

Dieser Raum war zusaumltzlich auch mit einer geregelten elektrischen Heizung ausgestattet um die geforderten Messbedingungen bezuumlglich Umgebungstemperatur einstellen zu koumlnnen Im Prinzip besteht ein Kardan-Goniophotometer wie in Bild 4 gezeigt aus 3 Rahmen wobei der aumluszligere α-Rahmen der raumlumlichen Ausrichtung (durch Drehung um die y-Achse) der zu untersu-chenden Lampe dient Innerhalb dieses aumluszligeren α-Rahmens ist der mittlere φ-Rahmen endlos drehbar um die z-Achse gelagert Der innere ϑ-Rahmen ist wiederrum drehbar im φ-Rahmen gelagert jedoch ist seine Bewegung auf knapp 180deg durch den noumltigen Lampenhalter begrenzt Alle 3 Rahmen sind mechanisch ausgeglichen und mit elektrischen Antrieben versehen Ihre Rotationsgeschwindigkeiten waren per 10-Gang-Praumlzisionspotentiometer einstellbar eine Folge der angewandten analogen Regelung der Achsan-triebe Die Winkelbestimmung der Achsen erfolgte mittels 13-bit-Winkelencodern Das Photometer war am ϑ-Rahmen (Bild 4) platziert und ermoumlg-lichte so einen festen Messradius von 2500 mm Es bestand die Moumlglichkeit ein zweites Photometer

Bild 3 Kardan-Goniophotometer 1976ndash2007

22

PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4Das Jahr des Lichtes

oder einen Farbmesskopf auf der gegenuumlberliegen-den Seite des ϑ-Rahmens einzusetzen

In diesem Fall war der Arbeitsbereich limitiert im Bereich 4deg lt ϑ lt 176deg da jeweils Lampenhalter von rechts und links zur Aufnahme einer beispiels-weise stabfoumlrmigen Leuchtstofflampe eingesetzt werden konnten (siehe auch Bild 3) Im Falle von einseitig gesockelten Lampen wurde meist nur ein PhotometerFarbmesskopf verwendet was eine Drehung der gegenuumlberliegenden Messkopf-aufnahme um 90deg ermoumlglichte Diese sogenannte bdquoKroumlpfungldquo lieszlig dann Raum fuumlr den nun einseiti-gen Lampenhalter und der Arbeitsbereich vergrouml-szligerte sich zu 0deg lt ϑ lt 176deg

Entsprechend der Gleichung (6) muss die gemessene Beleuchtungsstaumlrkeverteilung uumlber den vollen Raumwinkel 4π sr zum Wert des Licht-stroms integriert werden So ist es naheliegend digitale uumlber die Zeit integrierende Methoden zur Erfassung und Speicherung der gemessenen Beleuchtungsstaumlrkewerte zu verwenden Bild 5 zeigt den Signalfluss Sowohl Photometer- undoder Farbmesskopf als auch Photostrom-Fre-

quenz-Wandler waren temperaturstabilisiertDer Photostrom des Photometers mit seiner

photometrischen Empfindlichkeit s normalisiert auf die CIE-Lichtart A wird mittels Ruumlckkopp-lung Rg eines Photostromverstaumlrkers in eine Spannung U gewandelt und weiter durch einen Spannungs-Frequenzwandler in eine Frequenz f mit dem zugehoumlrigen Wandlungsfaktor wf kon-vertiert Diese Frequenz wird letztlich von einem digitalen Zaumlhler kontinuierlich gezaumlhlt Simultan wird die Quarz-Frequenz fq durch einen zweiten digitalen Zaumlhler erfasst um waumlhrend der spaumlteren Datenanalyse die urspruumlnglichen Photostroumlme berechnen zu koumlnnen Diese Methode stellt damit die schon erwaumlhnte Signal-Zeit-Integration sicher

Die die zu untersuchende Lampe umgebene fiktive Kugel ist wie Bild 5 zeigt in Zonen und Sektoren unterteilt Infolge der analogen Geschwindigkeitsregelung der zwei bewegten Rahmen sind positive und negative Beschleu-nigungsphasen am Anfang und am Ende einer vollstaumlndigen Abtastung und Lastreaktionen des rotierenden Systems und die damit verbundenen geringen Gleichlaufschwankungen unvermeid-bar Die Unterteilung jeder Zone in Sektoren mit der Laumlnge Δφj als Gewichtung reduziert jedoch diesen Einfluss Damit berechnet sich die mittlere Beleuchtungsstaumlrke Endashi nach Gleichung (10)

Es w R

fyt

fjj

ni j

i j=

sdot sdot sdot( )sdot sdot minus

=sum1

2 10

πϕ

f gq∆∆

∆

(10)

mit der Dunkelfrequenz f0 (Photometer abgeschat-tet) und den Differenzsignal-Zaumlhlungen Δyi j und den Differenzzeit-Zaumlhlungen Δti j jeweils vom Sek-toranfang bis zum Sektorende Wiederum koumlnnte der Lichtstrom nach Gleichung (8) bestimmt werden jedoch werden jetzt noch Korrekturfakto-ren fuumlr das Streulicht cstr der spektralen Fehlanpas-sung des Photometers cspec und Abweichungen von den nominalen elektrischen Betriebsbedingungen celec eingefuumlhrt wie nun Gleichung (11) zeigt

Φ = sdot sdot sdot sdot minus( ) sdot+=

minus

sumc c c r Ei ii

m

istr spec elec cos cos2 21

0

1

π ϑ ϑ

(11)

Im Verlauf einer Lichtstrommessung werden neben dem Photometer auch die Waumlnde des Messraums von der zu untersuchenden Lampe beleuchtet Diese Beleuchtung wird ebenfalls vom im Goniophotometer verwendeten Photometer bdquogesehenldquo und fuumlhrt zu einer Streubeleuchtung auf dem Lichteintrittsfenster dieses Photome-ters Diese Streubeleuchtung haumlngt einerseits vom Reflexionsgrad der verwendeten Wandfarbe (ρ asymp 3 ) und vom Gesichtsfeld des sich vor dem

Bild 4 Groszliges Kardan-Goniophotometer 1976ndash2007

Bild 5 Signalfluss

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PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4 Kurze Geschichte der Goniophotometrie in der PTB

Photometer befindlichen Streulichtreduzierungs-tubus ab Daher muss fuumlr jeden eingesetzten Tubus mit seinem individuellen Gesichtsfeld der wirksame spezifische Streulichtkorrekturfaktor cstr bestimmt werden Diese koumlnnen ermittelt werden indem Blenden mit unterschiedlichen Durchmes-sern zwischen der zu untersuchenden Lampe und dem Photometer waumlhrend normalen Lichtstrom-messungen positioniert werden Eine detaillierte Beschreibung kann [5] entnommen werden

Die technische Realisierung eines Photometers ist immer nur eine Naumlherung fuumlr V(λ) Dies bedeu-tet dass im Prinzip in allen Faumlllen diese spektrale Fehlanpassung korrigiert werden muss Allgemein kann der spektrale Korrekturfaktor cstr fuumlr alle Lampen mit beliebiger Strahlungsfunktion S(λ) nach Gleichung (12) bestimmt werden

cV S

s S

V P T

s Pspek

rel

A

rel

d

d

d=

( )sdot ( )( ) sdot ( )

( ) sdot ( )( ) sdot

intint

intint

λ λ λ

λ λ λ

λ λ λ

λ

λλ λTA d( )

(12)

Hierzu ist jedoch die Kenntnis der relativen spektralen Empfindlichkeit srel(λ) des Photome-ters notwendig P(λ TA) bezeichnet dabei einen Planckstrahler mit einer Verteilungstemperatur von TA = 2856 K

Im Fall von Gluumlhlampen ist ein etwas einfache-rer Weg fuumlr diese Korrektur ohne die Kenntnis von srel(λ) moumlglich Gleichung (13) beschreibt die Abhaumlngigkeit der Beleuchtungsstaumlrke E(T) von der Verteilungstemperatur T

E Ty T

sTT

m

( ) = ( )

A

y

(13)

eines gemessenen Photostroms y(T) und der pho-tometrischen Empfindlichkeit s des Photometers fuumlr Lichtart A Eine charakteristische Eigenschaft des Photometers ist der Exponent my bdquoyldquo indiziert den Exponent fuumlr ein V(λ)- angepasstes Photome-ter oder den y-Kanal eines Dreibereichsfarbmess-kopfes wobei die anderen Kanaumlle unterschiedliche Werte fuumlr diese Exponenten haben Ein ideales Photometer wuumlrde einen Wert von 0 fuumlr diese Exponenten aufweisen Beispielsweise beschreibt my = 0018 ein qualitativ durchaus gutes Photo-meter Der Exponent my (und auch mx und mz) koumlnnen aus einem Fit bekannter Paare (E(T) T) einer Lichtstaumlrke-Normallampe bei verschiedenen Arbeitspunkten wie in [6 7] beschrieben gefun-den werden Damit kann der Korrekturfaktor cspec fuumlr Gluumlhlampen wie folgt geschrieben werden

c TT

my

specA

=

(14)

Werden Gluumlhlampen in der Naumlhe von CIE-Licht-art A betrieben ist die Korrektur auf elektrische Nominalbedingungen celec ebenfalls nach Glei-chung (15) sehr einfach da der Lichtstrom eine Funktion des Betriebsstroms J ist

c JJ

m

elec

J

=

minus

0 (15)

Hier ist J0 der Nominalstrom und mJ cong 684 Mehr Information kann in [7] gefunden werden

Die Datenanalyse fuumlr einen Dreibereichsfarb-messkopf erfolgt in gleicher Weise und man erhaumllt die Normfarbwertanteile (x y) aus den Gleichun-gen (16 17)

x =+ +Φ

Φ Φ ΦX

X Y Z (16)

y =+ +Φ

Φ Φ ΦY

X Y Z (17)

Leider konnten nur der Lichtstrom und die zuge-houmlrigen Normfarbwertanteile bestimmt werden da aufgrund der geringen Speichermoumlglichkeit der verwendeten Computertechnik die raumlumliche Information verlorenging

Daher wurden im Jahre 1991 alle Computer Analogsysteme die Verdrahtung und viele weitere Elemente durch moderne Ausruumlstung ersetzt Von nun an konnten alle Rohdaten mittels geeigneter Speichermedien dauerhaft bewahrt werden Das galt auch fuumlr groszlige Datenmengen des ab 1997 eingesetzten Array-Spektrometers zur Messung der relativen spektralen Leistungsverteilung der Strahlung synchron zur Lichtstrombestimmung Leider wiesen Photometer und Einkoppeloptik des Array-Spektrometers unterschiedliche Gesichtsfel-der auf und hatten etwas unterschiedliche Positi-onen auf dem Goniophotometer was die Daten-analyse komplizierte Dennoch konnten erstmalig raumlumliche spektrale Informationen uumlber zu untersuchende Lampen ermittelt werden Damit erfuumlllte das groszlige Kardan-Goniophotometer in seiner Ausbaustufe von 1997 die Anforderungen 1ndash14 aus Abschnitt 2 Die relative erweiterte Mes-sunsicherheit fuumlr den Lichtstrom fuumlr k = 2 betrug jetzt 060

222 Kleines Kardan-Goniophotometer

Fuumlr die Messung kleiner Lampen und LEDs wurde in den fruumlhen 1980er-Jahren ein dem groszligen Kardan-Goniophotometer sehr aumlhnliches kleines Kardan-Goniophotometer mit einem Messra-dius von nur 300 mm entwickelt hergestellt und

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PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4Das Jahr des Lichtes

betrieben Das Foto in Bild 6 zeigt dieses seinerzeit sogenannte bdquoMini-Goniophotometerldquo

Die Messtechnik entsprach nahezu vollstaumln-dig dem groszligen Kardan-Goniophotometer bis hin zum Signalfluss einschlieszliglich Spannungs-Frequenzwandler und nachgeschalteten Zaumlhlern Damit sind alle Aspekte dieser Apparatur bereits in Abschnitt 221 diskutiertIm Jahre 2007 wurde dieses Instrument durch ein spezielles Goniophotometer fuumlr die Messung von LEDs ersetzt siehe auch Kapitel Metrologie fuumlr moderne Lichtquellen LEDs und OLEDs [10]

23 Roboter-Goniophotometer (2006 bis heute)

Am Ende der 1990er-Jahre wurde die Planung eines neuen Goniophotometertyps mehr und mehr konkret Nahezu gleichzeitig entschied sich die PTB fuumlr den Neubau eines modernen Gebaumludes fuumlr die Abteilung Optik dem heutigen Albert-Einstein-Bau Infolge dieses Zusammentreffens

beider Ereignisse konnte bei der Planung das neue Gebaumlude quasi um das neue Roboter-Goniopho-tometer herum geplant und spaumlter auch so gebaut werden

In 19951996 zeigte G Sauter dass Gonio-photometrie mittels Robotern moumlglich ist und erhebliche Vorteile gegenuumlber den bisher verwendeten Kardan-Goniophotometern auf-weist [8] Wie weiterhin in [8] beschrieben sind sogenannte Service-Roboter gut geeignet um ein Roboter-Goniophotometer zu realisieren Diese zeichnen sich durch eine schlanke Konstruktion mit langen Armen bei gleichzeitig relativ gerin-gem Gewicht aus Sie verfuumlgen uumlber eine hohe Flexibilitaumlt um beispielsweise ein Photometer auf gewuumlnschten Bahnen mit unterschiedlichen Radien (1000 mm lt r lt 3000 mm) auf der fiktiven Kugeloberflaumlche um die Lampe herumzufuumlhren Jeder Roboter verfuumlgt uumlber 7 Freiheitsgrade (engl seven degrees of freedom 7 DOF) Dies garantiert die notwendige Flexibilitaumlt und das erforderli-che Arbeitsvolumen Zur Abdeckung des vollen Raumwinkels 4π sr sind daher 2 der beschriebenen Roboter notwendig Ein dritter aumlhnlicher Roboter positioniert dabei die zu untersuchende Lampe in der gewuumlnschten Brennstellung im Raum Alle Roboter-Basen sind direkt mit dem Stahlbeton des Gebaumludes verbunden um eine langzeitstabile raumlumliche Positionierung der Roboter zu gewaumlhr-leisten Bild 8 zeigt das Roboter-Goniophotometer waumlhrend der Messung einer LED-Signalleuchte

Im Gegensatz zu Kardan-Goniophotometern ist der Messradius variabel in dem alle 7 Achsen in entsprechende Positionen gebracht werden Wegen der groszligen Redundanz eines 7-DOF-Roboters kann die Zielposition einschlieszliglich Orientierung durch eine sehr groszlige Anzahl unter-schiedlicher Einstellungen der 7 Achsen erreicht werden Daher wird eine Strategie benoumltigt um die jeweilige Achs einstellung zu finden Diese

Bild 6 Kleines Kardan-Goniophotometer 1982ndash2007

Bild 7 Arm des Roboter-Goniophotometers

Bild 8 Roboter-Goniophotometer 2006 bis heute

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PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4 Kurze Geschichte der Goniophotometrie in der PTB

Strategie ist relativ simpel Sie besagt dass alle Achseinstellungen derart gefunden werden dass saumlmtliche Bestandteile des Roboters einen maxi-malen Abstand zum Zentrum des Roboters haben sollen um das von der Roboterstruktur reflektierte Streulicht moumlglichst gering zu halten Eine beson-dere Software ist notwendig um alle Achswinkel ausgedruumlckt in counts jedes Winkelencoders fuumlr jede Achse zu bestimmen um die gewuumlnschten Kugelkoordinaten (r ϑ φ) anzufahren Waumlhrend der Messung der zu untersuchenden Lampe liest das Roboter-Kontrollsystem alle 10 ms diese counts jeder Achse und versucht jede Achse entsprechend diese Vorgabe einzustel-len Nach dieser Einstellung welche fuumlr alle 7 Achsen gleichzeitig erfolgt werden die Ist-Winkel jeder Achse wiederum in counts synchron gelesen und mit den zugehoumlrigen photo-metrischen Daten und elek trischen Daten des Lampenbetriebs in eine Datenbank gespeichert Prinzipiell ist der Signal-fluss dem des in Abschnitt 221 beschriebenen groszligen Kardan-Goniophotometers sehr aumlhnlich Aber es gibt ein zusaumltzliches wichtiges Element den sogenannten Zeitstempel Da ein weit verteiltes Datenerfassungssystem vorliegt wird ein Mecha-nismus zur Datensynchronisierung in Form eines 1-Mhz-Taktes verwendet Dieser ist im gesamten System verfuumlgbar Beim Messungsstart synchron gestartete Zaumlhler erlauben daher die spaumltere Synchronisierung aller angefallenen Daten Wie beschrieben ist die Position jeder Achse und damit die Position und Orientierung des Photometers das Ergebnis eines Regelprozesses Somit ist es not-wendig die tatsaumlchliche Position und Orientierung des Photometers aus den gespeicherten Daten der Winkelencoder zu berechnen

In der Robotik ist es uumlblich einen Roboter des

verwendeten Typs wie eine biegesteife mechani-sche Kette mit sogenannten Denavit-Hartenberg-Parametern (DH-Parameter) zu beschreiben [9] Die Tabelle 1 zeigt diese DH-Parameter am Beispiel des Roboters 1

Mit diesen Parametern und den aktuellen Winkeln θi fuumlr jede Achse ist die Berechnung der Position bzw Orientierung der siebten Achse in Basis-Koordinatensystem des Roboters moumlglich Hierzu werden 7 Matrizen nach Gleichung (18) ver-wendet Jede Matrize beschreibt die Position (blau) und Orientierung (gruumln) jeder einzelnen Achse

Die PositionierungOrientierung der Achse 7 ergibt sich aus dem Vektorprodukt T1 T2 T3 T4 T5 T6 T7

Um jedoch die Koordinaten in Bezug auf das Koordinatensystem der fiktiven Kugel zu erhalten muumlssen 2 weitere aumlhnliche Matrizen verwendet werden Die sogenannte Base Frame Matrix F beschreibt die Positionierung und Orientierung des Roboter-Koordinatensystems zum Koor-dinatensystem der fiktiven Kugel waumlhrend die Matrix W die Positionierung und Orientierung des Photometers zur Achse 7 beschreibt Nun laumlsst sich die Position und Orientierung des Photome-ters P im Koordinatensystem der fiktiven Kugel mit Gleichung (19) beschreiben

P = F T1 T2 T3 T4 T5 T6 T7 W (19)

axisi Δθi offset to rotation around Z-axis

αi rotation around X-axis

di

translation in Z-axis

αi

translation in X-axis

1 ndash1438deg 45024deg 0000 mm ndash0400 mm

2 191088deg ndash90026deg 2686322 mm 0696 mm

3 178585deg 89996deg 274088 mm 0781 mm

4 6229deg ndash90022deg 1410499 mm 0474 mm

5 ndash0141deg ndash89955deg 173036 mm ndash0779 mm

6 ndash0924deg 90032deg 1191007 mm 0223 mm

7 180443deg 90007deg 91130 mm 0000 mm

Tabelle 1 DH-Parameter von Roboter 1

T

a

i

i i i i i i i i i i i

=

+( ) minus +( ) +( ) +cos sin cos sin sin cos∆ ∆ ∆ ∆θ θ θ θ α θ θ α θ θ(( )+( ) +( ) minus +( ) +sin cos cos cos sin sin∆ ∆ ∆ ∆θ θ θ θ α θ θ α θ θi i i i i i i i i i ia (( )

00 0 0 1

sin cosα αi i id

(18)

26

PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4Das Jahr des Lichtes

Bild 9 zeigt die Achsenkoordinatensysteme (17) das Base-Frame-Koordinatensystem und das Koordinatensystem des Photometers zur Achse 7 in schematischer Weise Das Koordinatensys-tem der fiktiven Kugel faumlllt mit dem Zentrum des Goniophotometers zusammen und wird mit Center bezeichnet P ist jetzt auf dieses Center-Koordinatensystem bezogen Zusaumltzlich ist eine typische Bahn eingezeichnet Wegen des aller-dings nicht dargestellten Lampenhalters ist diese Bahn im oberen Bereich verdichtet um eine Kollision mit dem Lampenhalter zu vermeiden Wie bereits erwaumlhnt setzt die Verwendung von Gleichung (19) einen biegesteifen Roboter voraus der in der Praxis nicht existiert P ist also von statischen Gewichtskraumlften des Roboters dyna-mischen Kraumlften infolge der Bewegung als auch von thermischen Laumlngenaumlnderungen uumlberlagert Daher muss Gleichung (19) um eine entspre-chende Korrektur C erweitert werden Glei-chung (20) zeigt nun das endguumlltige Modell zur Bestimmung von P

wobei C

t tT Rθ θ

θ θ1 7

1 7 dd

dd amb

diese finale Korrektur basierend auf den Winkeln θ1θ7 aller Achsen ihren zeitlichen Ableitungen

dd

dd

θ θ1 7

t t

und der Umgebungstemperatur Tamb beschreibt

Der letzte Parameter R steht fuumlr einen groszligen Datensatz und beschreibt Eigenschaften des Roboters wie Abmessungen Teilmassen usw Die Berechnung von C() ist aufwendig und wurde vom Hersteller des Roboters ausgefuumlhrt Aus Gruumlnden des Wettbewerbs muss diese Berechnung vertrau-lich behandelt werden und kann daher hier nicht veroumlffentlicht werden Jedoch kann die Wirkung von C() beispielhaft auf den Messradius mitgeteilt werden (siehe Bild 10)

Die noumltige Radiuskorrektur rcorr bewegt sich im Bereich ndash2 mm lt rcorr lt 3 mm je nach Position (θ φ) des Photometers Der Aumlquatorbereich benouml-tigt eine groumlszligere Korrektur infolge hier wirksamer groumlszligerer Zentrifugalkraumlfte als die Polregion Der Radius selbst laumlsst sich dann aus der Positionssub-matrix von P bestimmen

Der Signalfluss stimmt im Wesentlichen mit dem wie in Bild 5 gezeigt uumlberein Prinzipiell kann der Lichtstrom mit den Gleichungen (11) und (10) berechnet werden da aber nun 2 Photometer benutzt werden muss dies fuumlr jede Hemisphaumlre also fuumlr jeden Roboter separat geschehen Die Gleichungen (21) und (22) demonstrieren das

Bild 9 Koordinatensystem des Roboter-Gonio-photometers und Beispielbahn

P Ct t

T R F T T T T T T=

sdot sdot sdot sdot sdot sdot sdot sdotθ θ

θ θ1 7

1 71 2 3 4 5 6

dd

dd amb TT W7 sdot

(20)

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PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4 Kurze Geschichte der Goniophotometrie in der PTB

fuumlr Roboter 1 Der Radius r1i befindet sich dabei innerhalb der Summation von Gleichung (22) Das Roboter-Goniophotometer ist zusaumltzlich mit einem Monitorphotometer ausgeruumlstet Dieses Photometer wird waumlhrend der Messung nicht bewegt ist aber staumlndig von einem fixen Punkt aus auf die zu untersuchende Lampe gerichtet und erlaubt somit die Korrektur einer moumlglichen Alterung der Lampe waumlhrend des Messprozesses als Funktion der Zeit (cmon(t1i))

Es w R

fyt

fi jj

ni j

i j1

1 1 11

1

1

11 0

12

1

=

( )sdot minus

=sumπ

ϕf g

q∆∆

∆

(21)

Φ1 1 1 12

1 1 1 12= sdot sdot sdot sdot ( ) sdot minus( )+c c r c ti i i ii

str spec mon cos cosπ ϑ ϑ==

minus

sum sdot0

1

1

1m

iE

(22)

Roboter 2 wird in gleicher Weise behandelt und der Lichtstrom ergibt sich somit aus der Summe von Φ1 und Φ2 korrigiert mit dem elektrischen Korrekturfaktor celec aus Gleichung (15)

Φ Φ Φ= sdot +( )celec 1 2 (23)

Die Bestimmung der Streulichtkorrektur cstr unter-scheidet sich methodisch von jener des Kardan-Goniophotometers Es ist schwierig Blenden zwischen Photometer und Lampe zu positionieren wie in [5] beschrieben Hier wird die Streulicht-korrektur cstr direkt aus der Leuchtdichteverteilung auf den Waumlnden des Messraums bestimmt Mit der Kenntnis der geometrischen und photometrischen Eigenschaften des Raumes der raumlumlichen Licht-staumlrkeverteilung der Lampe und dem verwendeten Streulichttubus vor dem Photometer lieszlige sich die Streulichtkorrektur cstr berechnen Hier jedoch wird diese Korrektur mit sogenannten Back-Loo-king-Photometern bestimmt [11]

Bild 11 zeigt ein Foto der bdquoRoboterhandldquo mit mon-tiertem Photometer und Back-Looking-Photometer Letzteres ist ein wenig schraumlg ausgerichtet um nicht im Bereich des Schattenwurfs des Photome-ters auf den Waumlnden zu messen

Bild 12 zeigt beispielhaft eine typische in finite Flaumlchenelemente gerasterte Streulichtsituation im Goniophotometermessraum wie sie durch die zu untersuchende Lichtquelle generiert wird Dieses Beispiel arbeitet mit finiten Flaumlchen der Groumlszlige 05 m middot 05 m um die Flaumlchen sichtbar zu machen Zur realen Berechnung werden Flaumlchen der Groumlszlige 01 m middot 01 m verwendet Natuumlrlich ist der Streulichtanteil auf der aktiven Flaumlche des

Bild 10Wirkung der Radiuskorrektur

Bild 11 Photometer (links) und Back-Looking-Photometer (rechts)

Bild 12 Wirkung des Streulichts und seine Bestimmung

28

PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4Das Jahr des Lichtes

Photometers eine Funktion des Gesichtsfeldes des jeweils verwendeten Streulichttubus vor dem Photometer Derzeit werden 2 Tuben je nach Groumlszlige der Lichtquelle mit Oumlffnungswinkeln von ca 15deg und ca 225deg verwendet Ihre typischen Korrekturwerte betragen etwa 09995 und 09990 Da jeder Messroboter mit diesem Back-Looking-Photometer ausgeruumlstet ist kann so der Streulicht-anteil fuumlr jedes Photometer bestimmt werden Da die Back-Looking-Photometer bdquoruumlckwaumlrtsldquo gerichtet sind wird also jeweils die Streulichtkorrektur fuumlr den gegenuumlberliegenden Messroboter bestimmt Damit ist es moumlglich den Wert des Lichtstroms mit zugehoumlriger Messunsicherheit zu bestimmen Tabelle 2 illustriert Ergebnisse einer vereinfachten Monte-Carlo-Simulation (MC) am Beispiel einer OSRAM-Wi4-Lichtstrom-Normallampe Ihre Lichtstaumlrkeverteilung ist in Bild 13 wiedergegeben

Die MC basiert auf den folgenden Gleichun-gen (24) Werte der wichtigsten Beitraumlge zur Mes-sunsicherheit koumlnnen der Tabelle 2 entnommen werden Eine detailliertere Beschreibung der Roboter und Analyse der Messunsicherheit kann [12] entnom-men werden

Bild 13 Raumlumliche Lichtstaumlrkeverteilung einer OSRAM-Wi4-Lichtstrom-Normallampe

Quantity Symbol Value Uncertainty Unit Sensitivity Contribution lm Relative contribution

Luminous responsivity 1 s1 3065E-10 9195E-13 A lxndash1 188E+12 173 000150

Luminous responsivity 2 s2 4111E-10 12333E-12 A lxndash1 143E+12 177 000153

Spectral matching exponent 1 m2 y 0021 0015 1 20 030 000026

Spectral matching exponent 2 m2 y 0036 0015 1 18 027 000023

CCT or distribution temperature T 2762 10 K 0012 012 000011

Uncertainty in r Δr 0000 00020 m 901 180 000156

Calibration factor for frequency F cFH 1000 00005 1 1141 057 000049

Calibration factor for frequency ƒ cFD 1000 00050 1 104 005 000005

Voltage to frequency converter 1 w1 f 500849 25 Hz Vndash1 0012 031 000027

Voltage to frequency converter 2 w2 f 500561 25 Hz Vndash1 00118 029 000026

Amplification gain 1 R1 g 1000E+09 99996 Ω 6223E-07 006 000005

Amplification gain 2 R2 g 9997E+08 99966 Ω 5430E-07 005 000005

Calibration factor for cmon ccm 1000 00005 1 1162 058 000050

Correction factor for stray light cstr 09995 00005 1 1134 057 000049

Luminous flux Φ 11541 327 00028

Tabelle 2 Unsicherheitsbudget

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PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4 Kurze Geschichte der Goniophotometrie in der PTB

Somit ergibt sich zurzeit eine erweiterte Mess-unsichert von 056 fuumlr k = 2 Dies entspricht etwa der Messunsicherheit welche mit dem groszligen Kardan-Goniophotometer erreichbar war Im Unterschied zum Kardan-Goniophotometer (fester Messradius) verfuumlgt das Roboter-Goniophotometer jedoch uumlber die noumltige hohe Flexibilitaumlt (z B durch Variation des Messradius) die noumltig ist um kuumlnftige Anforderungen erfuumlllen zu koumlnnen Eben diese hohe Flexibilitaumlt fuumlhrt bei der Bestimmung des Messradius zu relativ groszligen Messunsicherheiten Hier koumlnnte die Verwendung einer Lookup-Table oder eine On-Line-Verfolgung mittels Tracer-Syste-men der Bahnen diese Unsicherheit verkleinernMittlerweile ist das Roboter-Goniophotometer voll-staumlndig charakterisiert und wird fuumlr beleuchtungs-staumlrkebasierte Lichtstromkalibrierungen und auch fuumlr internationale Vergleiche eingesetzt Damit werden auch die Anforderungen (15ndash17) erfuumllltIm naumlchsten Schritt wird das Roboter-Goniopho-tometer mit Leuchtdichtemesskameras ausgeruumlstet

werden um es als bdquoNahfeld-Goniophotometerrdquo einzusetzen Es wird dann die direkte Messung der Leuchtdichteverteilung erlauben aus welcher nahezu alle noumltigen photometrischen Groumlszligen abgeleitet werden koumlnnen Dieser kuumlnftige Schritt wird dann auch den letzten Punkt (18) der Anfor-derungen erfuumlllen

3 Zusammenfassung

Die Geschichte der Goniophotometrie in der PTB uumlber einen Zeitraum von mehr als 50 Jahren wird praumlsentiert Verschiedene Goniophotometer ange-fangen vom manuell bewegten Einarm-Goniopho-tometer mit visuellem Photometer uumlber das groszlige und kleine Kardan-Goniophotometer bis hin zum bdquoState-of-the-art-Roboter-Goniophotometerldquo fuumlr das 21 Jahrhundert werden beschrieben Das Letztere hat das Potenzial in der traditionellen Betriebsart aber auch im Nahfeldmodus uumlber viele Jahre eingesetzt zu werden Neu aufkommende

Quantity Symbol Value Uncertainty Unit Sensitivity Contribution lm Relative contribution

Luminous responsivity 1 s1 3065E-10 9195E-13 A lxndash1 188E+12 173 000150

Luminous responsivity 2 s2 4111E-10 12333E-12 A lxndash1 143E+12 177 000153

Spectral matching exponent 1 m2 y 0021 0015 1 20 030 000026

Spectral matching exponent 2 m2 y 0036 0015 1 18 027 000023

CCT or distribution temperature T 2762 10 K 0012 012 000011

Uncertainty in r Δr 0000 00020 m 901 180 000156

Calibration factor for frequency F cFH 1000 00005 1 1141 057 000049

Calibration factor for frequency ƒ cFD 1000 00050 1 104 005 000005

Voltage to frequency converter 1 w1 f 500849 25 Hz Vndash1 0012 031 000027

Voltage to frequency converter 2 w2 f 500561 25 Hz Vndash1 00118 029 000026

Amplification gain 1 R1 g 1000E+09 99996 Ω 6223E-07 006 000005

Amplification gain 2 R2 g 9997E+08 99966 Ω 5430E-07 005 000005

Calibration factor for cmon ccm 1000 00005 1 1162 058 000050

Correction factor for stray light cstr 09995 00005 1 1134 057 000049

Luminous flux Φ 11541 327 00028

Φ = sdot

sdot

+ sdot sdotminus

c JJ

TT

r r c c tm

m

i i

y

strA

cm monj

0

12

1

1

( ) ∆ (( )sdot minus( ) sdotsdot sdot minus

+=

minus=sumsum

cos cosFH FD

ϑ ϑ

ϕ

1 1 10

1 11

11

1

i ii

m jj

n

i jc F c∆ sdotsdot( )sdot sdot

+

+ sdot sdot (

f

s w R

TT

r r c c tm

i i

y

1 0

1 1 1

22

2

2

( )

f g

Acm mon∆ ))sdot minus( ) sdot

sdot sdot minus sdot

+=

minus=sumsum

cos cosFH FD

ϑ ϑ

ϕ

2 2 10

1 11

22

2

i ii

m jj

n

i jc F c∆ ff

s w R

2 0

2 2 2

( )sdot sdot

f g

(24)

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PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4Das Jahr des Lichtes

Anforderungen fuumlr die Ruumlckfuumlhrung photome-trischer Einheiten wie beispielsweise im Solid-State-Lighting-Bereich koumlnnen so erfuumlllt werden

Literatur

[1] Y Ohno 1995 Realization of NIST Luminous Flux Scale Using an Integrating Sphere with an External Source CIE Proceedings 23rd Session New Delhi

[2] R Sewig 1938 Handbuch der Lichttechnik Band 1 pp 319 321 Berlin Springer Verlag

[3] D Foumlrste 1966 Zur Lichtstrommessung an Lam-pen mit ungleichmaumlszligiger Lichtverteilung PTB-Mitteilungen 166 pp 18ndash20 Braunschweig PTB

[4] D Foumlrste 1979 Ein Goniophotometer zur genauen Bestimmung des Lichtstroms Licht-Forschung 1 Jahrgang 379 pp 30ndash36 Heidelberg Huumlthig Verlag

[5] D Foumlrste 1980 Elimination des Fremdlichts bei der Lichtstrombestimmung mit dem Gonio-photometer Licht-Forschung 2 Jahrgang 180 pp 27ndash29 Heidelberg Huumlthig Verlag

[6] W Erb 1997 PTB Network for realization and maintenance of the candela Metrologia 3497 pp 115ndash124 Bristol UK

[7] G Sauter 1996 Kalibrierung von Lichtstaumlrke-Normallampen und Angabe der Messunsicherheit PTB interner Bericht Braunschweig PTB

[8] G Sauter 1996 Goniophotometry new calibra-tion method and instrument design Metrologia 32 (199596) pp 685ndash688 Bristol UK

[9] httpenwikipediaorgwikiDenavit-Hartenberg_Parameters (letzter Aufruf 03122015)

[10] M Lindemann 2009 Photometry and Colori-metry of Reference LEDs by Using a Compact Goniophotometer MAPAN ndash Journal of Metro-logy Society of India Vol 24 No 3 pp 143ndash152 New Delhi India

[11] G Bizjak 2009 Determination of Stray Light at the PTB Goniophotometer Facility MAPAN ndash Jour-nal of Metrology Society of India Vol 24 No 3 pp 163ndash173 New Delhi India

[12] M Lindemann et al 2015 Robot goniopho-tometry at PTB Metrologia 52 pp 167ndash194 Bristol UK

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PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4Das Jahr des Lichtes

1 Eine einleitende Beschreibung von Gluumlhlampen LEDs und OLEDs

Der Einsatz Licht Emittierender Dioden (LED) in der Allgemeinbeleuchtung hat in den vergangenen Jahren erheblich zugenommen Ein entscheiden-der Vorteil der LED gegenuumlber der traditionellen Gluumlhlampe liegt in ihrer uumlberlegenen Lichtaus-beute ηv ndash dem Verhaumlltnis des emittierten Licht-stroms Φv und der aufgenommenen elektrischen Leistung Pel angegeben in LumenWatt

Dieser Vorteil beruht auf den Unterschieden der zugrunde liegenden Technologien der Lichterzeu-gung beider Lampentypen Bei einer (Halogen-)Gluumlhlampe wird der Gluumlhfaden durch elektrischen Strom auf Temperaturen um 3000 K aufgeheizt Obwohl hierbei fast die gesamte elektrische Leis-tung in Strahlung umgewandelt wird ndash Verluste durch thermische Konvektion oder Waumlrmeleitung sind gering ndash kann das menschliche Auge lediglich einen geringen spektralen Anteil der ungefaumlhr 5 der Gesamtstrahlungsleistung ausmacht wahr-nehmen Der Groszligteil der Strahlungsleistung liegt im infraroten Spektralbereich und kann nicht fuumlr Beleuchtungszwecke genutzt werden In Bild 1 ist die spektrale Verteilung einer Gluumlhlampe bei einer Temperatur von 2856 K im Spektralbereich

von 300 nm bis 1200 nm dargestellt Das sichtbare Licht im Spektralbereich zwischen 360 nm und 830 nm ist mit den entsprechenden Spektralfarben hinterlegt Oberhalb 830 nm beginnt der fuumlr das menschliche Auge unsichtbare infrarote Anteil der Strahlung

Der fuumlr photometrische Messungen normativ festgelegte spektrale Hellempfindlichkeitsgrad V(λ) also die Hellempfindlichkeit des Auges eines bdquoNormalbeobachtersldquo ist mit seinem Maximum bei 555 nm schwarz eingezeichnet

Da die Gluumlhlampe eine thermische Strahlungs-quelle ist verschiebt sich mit zunehmender Tem-peratur die Lage des Strahlungsmaximums ent-sprechend des Wienschen Verschiebungsgesetzes zu kuumlrzeren Wellenlaumlngen Um die Lichtausbeute von Gluumlhlampen zu erhoumlhen muumlsste man das Strah-lungsmaximum durch Temperaturerhoumlhung in den kurzwelligeren Bereich des sichtbaren Lichts verschieben Die Maximaltemperatur ist jedoch bei Gluumlhfaumlden aus Wolfram auf etwa 3000 K begrenzt ndash bei houmlheren Temperaturen nimmt die Lebensdauer drastisch ab

Das Funktionsprinzip einer LED-Lichtquelle basiert auf dem Phaumlnomen der Elektrolumines-zenz Der prinzipielle Aufbau einer LED aumlhnelt einer pn-Halbleiterdiode Durch Anlegen einer Gleichspannung rekombinieren Ladungstraumlger in der p-n-Grenzschicht der Leuchtdiode unter Emission von Strahlung Durch gezielte Auswahl der verwendeten Halbleitermaterialien und ihrer Dotierung wird deren Bandluumlcke und somit die Farbe des emittierten Lichtes bestimmt Im Jahr 1992 gelang der Durchbruch in der Entwicklung hocheffizienter blauer LEDs die den Einsatz von LEDs zur Allgemeinbeleuchtung erst ermoumlgli-chen Die zugrunde liegenden Forschungsarbei-ten wurden 2014 mit dem Nobelpreis fuumlr Physik gewuumlrdigt [1]

Eine schmalbandige Lichtemission ist charak-teristisch fuumlr LEDs Dementsprechend verfuumlgt ihr Licht uumlber eine hohe Farbsaumlttigung Durch die Bedeckung des LED-Chips mit breitbandig pho-tolumineszierenden Farbstoffen wird ein Teil der Strahlung in energieaumlrmeres langwelligeres Licht konvertiert und es entstehen Mischfarben wie

Metrologie fuumlr moderne Lichtquellen LEDs und OLEDs Thorsten Gerloff

Thorsten Gerloff Arbeitsgruppe bdquoPhotometrieldquo EshyMail thorstengerloffptbde

Bild 1 Spektrale Verteilung einer Gluumlhlampe und spektraler Hellempfindlichkeitsgrad (V(λ)-Funktion)

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PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4 Metrologie fuumlr moderne Lichtquellen

i Infokasten LED

Lichtausbeute einer Strahlungsquelle ηv

Die Lichtausbeute einer Strahlungsquelle gibt das Verhaumlltnis aus ausgestrahltem Lichtstrom und aufgenommener elektrischer Leistung an Die Einheit ist LumenWatt (lmW) Je houmlher die Lichtausbeute ist umso energieeffizienter ist die Beleuchtung Gluumlhlampen besitzen Lichtausbeuten zwischen 10 und 20 lmW

Lichtstrom Φv

Der Lichtstrom beruumlcksichtigt den Hellempfind-lichkeitsgrad V(λ) des Auges und gibt die in alle Raumrichtungen abgegebene bdquoLichtleistungldquo einer Lampe an Der Lichtstrom enthaumllt keine Information daruumlber wie die Lampe das Licht im Raum verteilt Der Lichtstrom gibt an wie hell ein beleuchteter Raum dem Menschen erscheint

Spektraler Hellempfindlichkeitsgrad V(λ)

Der exakt definierte spektrale Hellempfindlich-keitsgrad V(λ) ist eine Bewertungsfunktion fuumlr elektromagnetische Strahlung Hiermit wird der bdquoHelligkeitseindruck eines menschlichen Durch-schnittsaugesldquo berechnet Dies ermoumlglicht den objektiven Vergleich von Lichtquellen mit physika-lischen Messmethoden Subjektive Wahrnehmun-gen einzelner Menschen koumlnnen damit nicht exakt wiedergegeben werden

Aumlhnlichste Farbtemperatur TN

Es gibt unterschiedliche Farbtemperaturen in der Photometrie Verhaumlltnis- und Verteilungstem-peratur sind nur bei thermischen Strahlern wie der Gluumlhlampe anwendbar Nur die aumlhnlichste Farbtemperatur (englisch Correlated Colour Temperature CCT) laumlsst sich fuumlr Lichtquellen mit beliebiger spektraler Zusammensetzung berech-nen sofern die Normfarbwertanteile aumlhnlich einem thermischen Strahler sind Die aumlhnlichste Farbtemperatur wird in der Einheit Kelvin (K) angegeben Sie gibt an ob das Licht warmweiszlig (ca 3000 K) neutralweiszlig (ca 4500 K) oder tages-lichtweiszlig (gt5500 K) erscheint

Normfarbwertanteile (x y)

Fuumlr die Angabe von Farbe gibt es neben dem spek-tralen Hellempfindlichkeitsgrad V(λ)noch weitere definierte Bewertungsfunktionen Hiermit laumlsst sich die Farbwahrnehmung eines fiktive Normalbeob-achters aus der gemessenen spektralen Verteilung des Lichts durch Angabe von nur zwei Werten (x und y) angeben Diese Werte geben die Koordi-naten auf der Normfarbtafel (s Abbildung) an

Normfarbtafel

Farbwiedergabeindex Ra

Der Farbwiedergabeindex ist eine Kennzahl fuumlr Lichtquellen der bewertet die Qualitaumlt der Farb-wiedergabe Je houmlher der Wert desto besser ist die Farbwiedergabe Der Maximalwert liegt bei 100 Werte zwischen 90 und 100 geben eine ausgezeich-nete Farbwiedergabe an Werte unter 80 sind fuumlr viele Anwendungen nicht ausreichend

Im Folgenden soll ein kleiner Leitfaden gegeben werden der in allgemeinverstaumlndlicher Form die grundlegenden Ideen wichtiger lichttechnischer Groumlszligen erlaumlutern soll Komplexe Details der zugrunde liegenden Normen und Definitionen werden hierbei nicht beruumlcksichtigt

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PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4Das Jahr des Lichtes

Pastellfarbtoumlne oder auch weiszliges LichtIn Bild 2 sind die spektralen Verteilungen einer

LED mit und ohne Leuchtstoff abgebildet In der linken Abbildung erkennt man die schmalbandige blaue Emission des LED-Chips In der rechten Abbildung wird ein Teil dieser Strahlung durch einen Leuchtstoff in laumlngerwelliges Licht konver-tiert und die Mischfarbe erscheint weiszlig

Der Vorteil einer LED gegenuumlber einer Gluumlh-lampe bezuumlglich der Lichtausbeute ist offensicht-lich Es wird ndash von unvermeidbarer thermischer Verlustleistung abgesehen ndash nur Strahlung im sichtbaren Wellenlaumlngenbereich emittiert Daruumlber hinaus ist die Farbe des Lichts von LEDs durch Kombination verschiedener Leuchtstoffe und LEDs nahezu beliebig einstellbar und man ist nicht auf aumlhnlichste Farbtemperaturen von ca 3000 K wie bei der Gluumlhlampe begrenzt

Allerdings gibt es auch Nachteile gegenuumlber dem Licht einer Gluumlhlampe Dem typischen Spektrum einer LED-Lichtquelle fehlen im Gegensatz zu Sonnenlicht oder Gluumlhlampenlicht einzelne Spekt-ralfarben Dies macht sich negativ bei der Qualitaumlt der Farbwiedergabe bemerkbar

Die Farbe des emittierten Lichts einer LED laumlsst sich durch additive Farbmischung sehr aumlhnlich zu Sonnenlicht oder auch Gluumlhlampenlicht einstellen Wenn jedoch Objekte mit Licht beleuchtet werden kommt es auch auf die spektrale Zusammensetzung des Lichts an Nehmen wir einen Blumenstrauszlig aus roten Rosen der im Tageslicht steht Im Son-nenlicht sind alle Spektralfarben vorhanden und diese beleuchten die Rosen Die roten Bluumltenblaumltter absorbieren einige spektrale Anteile des Lichts und reflektieren im Wesentlichen rotes Licht welches in das Auge des Betrachters faumlllt Wenn die Rosen von einer anderen Lichtquelle beleuchtet werden in der die roten Spektralanteile zumindest teilweise fehlen koumlnnen diese nicht reflektiert werden und die Farben der Rosen erscheinen unnatuumlrlich

Dies ist von weitreichender Bedeutung fuumlr die Wahl einer geeigneten Lichtquelle da wir einen Kompromiss aus Licht mit guter Farbwieder-gabe und hoher Lichtausbeute schlieszligen muumlssen Licht mit hoher Farbwiedergabe setzt sich aus moumlglichst vielen Spektralfarben zusammen und Lichtquellen mit hoher Lichtausbeute sollten nur Spektralfarben beinhalten fuumlr die das menschliche Auge besonders empfindlich ist In den Auszligenbe-zirken vieler Staumldte werden zur Nachtbeleuchtung der Gehwege haumlufig Natriumdampflampen mit orangefarbenem Licht eingesetzt Die Lichtaus-beute dieser Lampen ist mit etwa 150 lmW auszligerordentlich hoch da das menschliche Auge in diesem Spektralbereich sehr empfindlich ist Diese Beleuchtung ist jedoch ungeeignet um Farben natuumlrlich wiederzugeben Aufgrund des Aufbaus des menschlichen Auges ist es also nicht moumlglich eine Beleuchtung mit sehr hoher Qualitaumlt der Farbwiedergabe bei gleichzeitig sehr hoher Lichtausbeute zu realisieren

Weiszlige LEDs zur Allgemeinbeleuchtung nutzen in der Regel Leuchtstoffe die teilweise qualita-tiv hochwertige Farbwiedergabeeigenschaften besitzen Eine weitere Methode zur Erzeugung von weiszligem Licht ist das Mischen von rotem gruumlnem und blauem Licht (RGB-Verfahren) welches die Grundlage jedes Displays ist Hierbei sind neben weiszligem Licht auch andere Lichtfarben moumlglich ndash die Farbwiedergabeeigenschaften sind allerdings schlecht Fuumlr die Endverbraucher sind in der Regel die Farbwiedergabeeigenschaften von Lichtquellen als Ra-Werte auf der Verpackung angegeben

Organische Licht Emittierende Dioden (OLED) sind eine junge Beleuchtungstechnologie die noch keinen Zugang zum Massenmarkt erhalten hat Die weltweit erste kommerzielle OLED-Leuchte wurde 2008 vertrieben Der fuumlr den Nutzer wesentliche Unterschied zwischen OLEDs und LEDs besteht im Aufbau Der leuchtende Kristall

Bild 2 Spektrale Verteilung einer blauen LED (links) und einer weiszligen LED (rechts) bei der ein Teil des blauen Lichts zu gelbem Licht konvertiert wurde

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PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4 Metrologie fuumlr moderne Lichtquellen

anorganischer LEDs besitzt eine maximale Kan-tenlaumlnge von etwa einem Millimeter Bei OLEDs wird das Licht in groszligflaumlchigen amorphen organi-schen Schichten erzeugt Momentan sind OLEDs mit leuchtenden Flaumlchen von bis zu 20 x 20 cmsup2 erhaumlltlich Das Licht wird aumlhnlich wie bei LEDs durch Ladungstraumlgerrekombination unter Auftre-ten von Elektrolumineszenz erzeugt Dabei ist das Emissionsspektrum der verwendeten organischen Emittermaterialien wesentlich breitbandiger als das einer LED (vgl Bild 3) Daher wird das weiszlige Licht von OLEDs in der Regel durch Verwendung von roten gruumlnen und blauen Emittermaterialien erzeugt ohne dass die Farbwiedergabeeigenschaf-ten sehr stark darunter leiden

2 Entwicklung von (O)LED-Transfer-normalen in der PTB

Eine der Kernaufgaben der PTB ist die Weiter-gabe der gesetzlichen Einheiten Bis zum heuti-gen Tage bieten Transfernormale in Form von speziellen Gluumlhlampen die besten Eigenschaften um als Maszligverkoumlrperung der Einheiten Candela oder Lumen zu dienen Da der Anwender in der Regel jedoch die Substitutionsmethode bei seinen Messungen anwendet um notwendige Korrektu-ren auf ein Minimum zu reduzieren (Gleiches mit Gleichem vergleichen) sind auch Transfernormale auf Basis der LED-Technologie von Interesse

Bereits in den 80er-Jahren des vergangenen Jahr-hunderts wurden LEDs in der PTB kalibriert Diese waren fuumlr Beleuchtungszwecke noch ungeeignet und dienten lediglich als Signallampen Zeitgleich wurden die ersten PTB-LED-Transfernormale entwickelt deren optische Eigenschaften durch thermische Regelung des LED-Chips stabilisiert wurden Die mechanische Ausrichtung der LEDs leistet aufgrund des typischerweise stark gerichteten Abstrahlprofils der LEDs einen groszligen Beitrag auf die Messunsicherheit Daher werden die LEDs seit

2002 in ein rotationssymmetrisches robustes VA-Stahl-Gehaumluse eingebaut welches sich sehr repro-duzierbar ausrichten laumlsst (vgl Bild 4)

Diese Transfernormale werden unter Konstant-Strom-Bedingungen und ndash durch gezieltes Aufhei-zen des LED-Chips durch den Heizwiderstand ndash unter Konstant-Spannung-Bedingungen betrieben Aufgrund der halbleitenden Eigenschaften sinkt mit steigender Temperatur die Betriebsspannung und sowohl der Lichtstrom als auch die Peakwellenlaumlnge des emittierten Lichts veraumlndert sich Die Sollspan-nung wird auf einen Wert festgelegt der unterhalb der Gleichgewichtsspannung durch Eigenerwaumlr-mung im Betrieb ohne Heizwiderstand bei einer Umgebungstemperatur von etwa 35 degC liegt Somit ist auch ein Einsatz der Transfernormale in Laboren ohne Klimatisierung moumlglich

Fuumlr LEDs mit houmlheren Leistungen wurde im Jahr 2011 ein weiterer Prototyp eines Transfernormals vorgestellt (vgl Bild 5) Da die hier verwendeten LEDs eine houmlhere Leistungsaufnahme besitzen werden sie waumlrmer Das reduziert die Lebensdauer und Reproduzierbarkeit der photometrischen

Bild 3 Exemplarische spektrale Verteilung einer weiszligen OLED

Bild 4 Temperaturgeregeltes LED-Transfernormal auf Basis von Kleinleistungs-LEDs mit Lichtstroumlmen von bis zu 10 Lumen

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PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4Das Jahr des Lichtes

Groumlszligen deutlich Daher muumlssen sie gekuumlhlt werden Hierfuumlr kommt bei diesen Normalen ein Peltier-Element zum Einsatz welches geregelt Waumlrme in einen dahinterliegenden Kuumlhlkoumlrper leitet und hierdurch das emittierte Licht stabilisiert Diese Transfernormale zeichnen sich durch ein geringes

Gewicht bei einer Laumlnge von ca 100 mm und einem Durchmesser von etwa 20 mm aus Allerdings ist die Verwendung von LEDs mit sehr hohen Leistun-gen nicht moumlglich da die Abwaumlrme lediglich passiv an den Raum abgegeben wird Eine detaillierte Beschreibung der Eigenschaften dieses Transfer-normals wurde 2012 veroumlffentlicht [2]

Fuumlr die thermische Stabilisierung von LEDs mit sehr hohen Leistungen wurde ein weiteres Trans-fernormal unter Einsatz von Peltier-Elementen Heatpipes und aktivem Kuumlhlsystem in der PTB entwickelt (vgl Bild 6)

Im Rahmen des europaumlischen Forschungspro-jekts OLED100eu wurde in der PTB weiterhin das weltweit erste Transfernormal unter Einsatz einer organischen Leuchtdiode entwickelt (vgl Bild 7) Dieses Normal wurde fuumlr den Einsatz in einer Ulbricht-Kugel konzipiert und in ein mattes Aluminiumgehaumluse eingebaut Eine Besonderheit dieses Normals ist die Stand-Alone-Versorgungs-einheit die ohne Rechner o auml saumlmtliche relevan-ten elektrischen und thermischen Groumlszligen regelt und auf einem USB-Stick speichert

3 LED-Messtechnik in der PTB

Neben LED-Transfernormalen mit guter Reprodu-zierbarkeit ist eine hochentwickelte Messtechnik fuumlr deren Kalibrierung mit minimaler Messunsi-cherheit erforderlich

Die photometrische Beschreibung von LEDs erfolgt durch Angabe ihrer Lichtstaumlrke ILED mit der Einheit Candela und ihrem Lichtstrom ΦLED mit der Einheit Lumen Diese Groumlszligen werden in der PTB unter Verwendung ruumlckgefuumlhrter Photometer bestimmt Hierfuumlr wird die Beleuchtungsstaumlrke ELED unter definierten geometrischen Bedingungen fuumlr alle Abstrahlrichtungen der LED mit einem Goniophotometer gemessen

Fuumlr die Bestimmung der colorimetrischen Werte kommen Spektralradiometer zum Einsatz Hiermit werden spektrale Bestrahlungsstaumlrken gemessen und daraus die abgeleiteten colorime-

Bild 5 Temperaturgeregeltes LED-Transfernormal auf Basis von Hochleistungs-LEDs mit Lichtstroumlmen von bis zu 100 Lumen Im rechten Bild ist die Temperaturverteilung in Grad Celsius waumlhrend des Betriebs abgebildet

Bild 6 Temperaturgeregeltes LED-Transfernormal auf Basis von Houmlchstleistungs-LEDs mit Lichtstroumlmen von bis zu 2500 Lumen

Bild 7 Temperaturgeregeltes OLED-Transfernormal auf Basis kommerziell erhaumlltlicher OLEDs

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PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4 Metrologie fuumlr moderne Lichtquellen

trischen Kenngroumlszligen wie z B die Normfarb-wertanteile (x y) bei weiszligen LEDs die aumlhnlichste Farbtemperatur TN mit der Einheit Kelvin und bei farbigen LEDs die dominante Wellenlaumlnge λdom berechnet Grundlegende Informationen und Definitionen uumlber die photometrischen und colorimetrischen Groumlszligen und deren Messung sind in [3] [4] und [5] zu finden

In Bild 8 ist der Aufbau des LED-Messplatzes an der PTB zu sehen Fuumlr die Bestimmung der Mess-groumlszligen in alle raumlumlichen Abstrahlwinkel wird die LED durch ein Goniophotometer bewegt

Die LED wird in horizontaler Betriebslage zentrisch normal zur Referenzebene des Photo-meterkopfes ausgerichtet Ein Translationstisch ermoumlglicht dabei eine Variation des Abstandes d zwischen Photometer und LED Eine horizontale Rotationsachse (φ-Achse) und eine senkrechte Rotationsachse (ϑ-Achse) die sich an der LED-Spitze im rechten Winkel schneiden erlauben durch Drehung der LED eine Bestimmung der Beleuchtungsstaumlrke ELED in alle Raumrichtungen Beide Rotationsachsen werden waumlhrend der Messung zeitgleich bewegt Hierdurch bewegt sich die relative Position der lichtempfindlichen Emp-faumlngeroumlffnung bezuumlglich des Schnittpunkts beider Drehachsen auf der Oberflaumlche einer virtuellen Kugel entlang einer Spiralbahn von bdquoPol zu Polldquo dieser Kugel

Die Bestimmung des Lichtstroms ΦLED erfolgt analog der Beschreibung in dem Kapitel Kurze Geschichte der Goniophotometrie in der PTB Der wesentliche Unterschied zu goniophotome-trischen Messungen an Gluumlhlampen besteht darin dass bei LED-Messungen die Lichtquelle typischerweise bewegt werden kann ohne dass sich ihre optischen Eigenschaften aumlndernAufgrund des stetig wachsenden Bedarfs an ruumlck-gefuumlhrten Kalibrierungen von High-Power-LEDs sind Masse und Abmessungen der Transfernor-male erheblich gestiegen Daher wurde der Mess-platz 2015 um ein weiteres Goniophotometer fuumlr schwere und groszlige Objekte erweitert (vgl Bild 9)

Neben den photometrischen Empfaumlngern befinden sich auch Einkoppeloptiken fuumlr Spekt-ralradiometer auf dem drehbaren Empfaumlngerka-russell Alle Empfaumlnger lassen sich hiermit auto-matisiert waumlhrend einer Messung zu den LEDs ausrichten Vor jeder LED-Kalibrierung werden die Spektralradiometer bezuumlglich Ihrer spektralen Empfindlichkeit und Wellenlaumlnge kalibriert Die entsprechenden Normallampen befinden sich neben dem Empfaumlngerkarussell (vgl Bild 10) und ermoumlglichen so ebenfalls eine automatisierte Messung

Den spektralen Messungen an LEDs kommt neben der Notwendigkeit fuumlr die Bestimmung colorimetrischer Kennzahlen noch eine beson-dere Bedeutung fuumlr die photometrischen Messun-

Bild 9 Goniophotometer fuumlr photometrische Messungen an Hochleistungs-LEDs

Bild 10 Entladungslampen mit verschiedenen Gasfuumlllungen dienen der Wellenlaumlngenka-librierung der Spektrometer Im Hintergrund ist eine Bestrahlungsstaumlrke-Normal-lampe fuumlr die spektrale Empfindlichkeitskalibrierung zu sehen

Bild 8 Goniophotometer fuumlr photometrische Messungen an Kleinleistungs-LEDs

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PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4Das Jahr des Lichtes

gen zu Wie in der Einleitung erklaumlrt unterscheiden sich die spektralen Verteilungen von LEDs und Gluumlhlampen deutlich voneinander Photometerkoumlpfe bestehen in der Regel aus einer Silizium-Photodiode deren spektrale Empfindlichkeit durch den Einsatz von Glasfiltern moumlglichst gut an den Hellemp-findlichkeitsgrad V(λ) angepasst wird Aufgrund internationaler Standardisierung wird die photo-metrische Empfindlichkeit von Photometerkoumlpfen fast ausschlieszliglich fuumlr Normlichtart A kalibriert In der Praxis werden hierfuumlr Gluumlhlampen mit einer Verteilungstemperatur von 2856 K verwendet Wenn man ein solches Photometer fuumlr Messungen an anderen Gluumlhlampen verwendet sind die spektralen Verteilungen meist so aumlhnlich dass nur geringe oder gar vernachlaumlssigbare Korrekturen aufgrund der spektralen Fehlanpassung also der Abweichung der realen spektralen Empfindlichkeit des Photometers von dem Hellempfindlichkeitsgrad notwendig sind Wenn man ein solches Photometer jedoch bei LEDs insbesondere farbigen LEDs einsetzt koumlnnen die Abweichungen aufgrund der spektralen Fehlan-passung sehr groszlig werden (gt10 fuumlr hochwertige Photometerkoumlpfe sind moumlglich)

Mit Kenntnis der relativen spektralen Verteilung der Leuchtdiode SLED(λ) und der relativen spekt-ralen Empfindlichkeit srel(λ) laumlsst sich die spektrale Fehlanpassung durch folgenden Korrekturfaktor cSpek korrigieren

cV S

s S

V P T

sSpek

LED

rel LED

A

rel

d

d

d=

( ) ( )( ) ( )

( ) ( )( )

intint

intλ λ λ

λ λ λ

λ λ λ

λ

intint ( )P Tλ λ A d

P(λ TA) beschreibt Lichtart A durch das Planck-sche Strahlungsgesetz fuumlr TA = 2856 K

Eine detaillierte Auflistung und Diskussion aller zu beruumlcksichtigenden Details bei Kalibrierungen von LEDs und das dazugehoumlrige Messunsicher-heitsbudget soll an dieser Stelle nicht gegeben werden Interessierte Leser koumlnnen hierfuumlr Infor-mationen in einer fruumlheren Veroumlffentlichung [6] oder in den Ergebnissen eines internationalen Vergleichs von LED-Messungen [7] finden

Fazit und Ausblick

Der Verzicht auf LEDs ist fuumlr Beleuchtungsan-wendungen nicht mehr vorstellbar Durch ihre kontinuierliche Weiterentwicklung erobern LEDs immer weitere Anwendungsfelder (z B Haus-halts- Straszligen- und Automobilbeleuchtung) mit denen der Endkunde in Kontakt kommt Bei diesen Anwendungen sind die Anforderungen an die Lichtquellen vielfaumlltig und fuumlr eine quantitative Beschreibung ihrer Eigenschaften muss auch die Messtechnik entsprechend umfassend und ausge-reift sein

Neben dem allgemeinen Forschungs- und Ent-wicklungsbedarf fuumlr bessere LED-Messverfahren und -geraumlte die die Grundlage ihrer technologi-schen Weiterentwicklung bilden gibt es eine weitere Herausforderung Aufgrund der nahezu unbe-grenzten Moumlglichkeiten eine bestimmte Lichtfarbe durch additive Farbmischung zu erhalten sind LEDs verschiedener Hersteller mit unterschiedlichen Emissionsspektren aber einer nominell gleichen aumlhnlichsten Farbtemperatur erhaumlltlich Dennoch ist teilweise ein Unterschied der Lichtfarbe mit bloszligem Auge erkennbar wenn sich unterschiedliche LEDs nebeneinander befinden

Es ist ungewoumlhnlich dass man ohne technische Hilfsmittel nominell gleiche Lichtfarben faktisch unterscheiden kann Um die Charakterisierung von LEDs soweit zu verbessern dass dies nicht mehr moumlglich ist ist einerseits eine Reduzierung der Messunsicherheit bei der Bestimmung der Normfarbwertanteile (Lichtfarbe) notwendig Andererseits muss man sich bewusst machen dass photometrische und colorimetrische Messverfahren auf rein physikalischen Zusammenhaumlngen basieren Individuelle menschliche Wahrnehmung und Sehen werden bei photometrischen Messungen nicht beruumlcksichtigt ndash diese werden durch Festlegung von exakt definierten Wichtungsfunktionen wie dem Hellempfindlichkeitsgrad fuumlr einen fiktiven Normalbeobachter ausgegrenzt Diese Wichtungs-funktionen koumlnnen gegebenenfalls auch noch optimiert werden um die objektive Beurteilung von Lichtquellen mit physikalischen Messmethoden zu verbessern Somit gibt es auch in Zukunft noch interdisziplinaumlre Herausforderungen fuumlr die Metro-logie moderner Lichtquellen

Literatur

[1] httpwwwnobelprizeorgnobel_prizesphysicslaureates2014 (letzter Aufruf 14102015)

[2] T Gerloff M Lindemann S Shirokov M Taddeo S Pendsa A Sperling Development of a new high-power LED transfer standard CIE Proceed-ings 2012

[3] CIE S 017E 2011 ILV International Lighting Vocabulary httpeilvciecoat (letzter Aufruf 03122015)

[4] CIE 127 2007 (2nd edition) Measurement of LEDs

[5] CIE S 025E 2015 Test Method for LED Lamps LED Luminaires and LED Modules

[6] M Lindemann R Maass Photometry and Colo-rimetry of Reference LEDs by Using a Compact Goniophotometer MAPAN ndash Journal of Metrolo-gy Society of India Vol 24 No 3 2009

[7] wwwbipmorg APMPPR-S3a (Averaged LED Intensity) APMPPR-S3b (Total Luminous Flux of LEDs) APMPPR-S3c (Emitted Colour of LEDs)

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Effektpigmente hellipPTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4

Einleitung

Farbe ist fuumlr Menschen die wohl auffaumllligste sub-jektive Stoffeigenschaft Bereits den Fruumlhmenschen war diese visuelle Qualitaumlt bekannt deren Wahr-nehmung allen Primaten eigen ist So wurde 2008 in Suumldafrika eine ca 100000 Jahre alte steinzeitli-che bdquoMalerwerkstattldquo entdeckt [1] Auch heutzu-tage spielt Farbe in der Gestaltung unserer Umwelt eine wichtige Rolle Jedes Jahr praumlsentiert uns die Mode die neuen Farben der Saison Farben dienen zur Regelung des Verkehrs Ohne bunte Farben waumlre unsere Welt trist und oumlde

Es ist wichtig festzustellen dass Farbe ein physiologischer Sinneseindruck ist wie z B auch Tasten oder Riechen D h Farbe ist keine immanente physikalische Eigenschaft eines Gegenstandes wie z B seine Masse oder Waumlrme-leitfaumlhigkeit Die physiologische Wahrnehmungs-kette ist hierbei folgende Das vom betrachteten Gegenstand reflektierte Licht trifft auf das Auge und loumlst hierbei einen Farbreiz aus Dieser Farbreiz beruht auf der spektralen Zusammensetzung des empfangenen Lichts d h er ist abhaumlngig von der verwendeten Lichtquelle und dem spektralen Reflexionsvermoumlgen des betrachteten Objektes Die Anregung der licht- und farbempfindlichen Zellen in der Netzhaut fuumlhrt zu einer Farbvalenz die uumlber den Sehnerv an das Gehirn weitergeleitet wird Die eigentliche Farbempfindung die wir dann mit einem Gegenstand verknuumlpfen entsteht erst im Gehirn [2] Liegt z B eine Farbfehlsich-tigkeit vor so kann der Farbeindruck des betrof-fenen Menschen auch ein ganz anderer sein Auch viele Tiere mit ihren teilweise erheblich abweichenden visuellen Systemen nehmen Farbe ganz unterschiedlich als wir Menschen wahr Im Folgenden soll mit Farbe immer die Koumlrperfarbe auch Gegenstandsfarbe Objektfarbe bzw Oberflauml-chenfarbe genannt einer nicht selbstleuchtenden Flaumlche bezeichnet werden die durch Reflexion von Licht an einem Koumlrper entsteht

Die genannten Zusammenhaumlnge machen die mathematisch-physikalische Beschreibung von Farbe schwierig und aufwendig da auch die spe-zifischen Eigenarten der menschlichen Wahrneh-

mungskette nachgestellt werden muumlssen Diesem Umstand wird versucht uumlber die verschiedenen Farbmaszligsysteme Rechnung zu tragen welche die Farbe eines Objektes mithilfe von quantifizierba-ren Zahlenwerten kennzeichnen [3]

Generell koumlnnen farbige Flaumlchen je nach Tageszeit und Lichteinfall sehr unterschiedlich wirken Die Aumlnderungen basieren hierbei auf der unterschiedlichen spektralen Zusammenset-zung des Tageslichts und den winkelabhaumlngigen Glanz- und Struktureigenschaften von Oberflauml-chen Ganz besonders deutlich ist dies bei auf dem Interferenzeffekt basierenden Effektpigmenten der Fall Deren visuelles Erscheinungsbild im englischen mit Visual Appearance bezeichnet kann sich bei variierendem Beobachtungswinkel und unterschiedlichen Lichtverhaumlltnissen komplett veraumlndern Man spricht hierbei von sogenannten Flop-Lacken wobei man zwischen Hell-Dunkel-Flop und Farb-Flop unterscheiden kann [4]

Generell kann man sagen dass Farbe und visuelle Effekte einen entscheidenden Anteil am Verkaufserfolg eines Produktes haben denn Farben wecken Emotionen und verschiedene Neuro marketingstudien belegen dass ca 95 aller Kaufentscheidungen emotional gepraumlgt sind [5] Deshalb spielt eine moderne Farbgestaltung unter Nutzung aktueller Effektpigmente im Pro-duktdesign eine entscheidende Rolle denn durch den Einsatz solcher Pigmente kann Gegenstaumlnden eine houmlhere Attraktivitaumlt verliehen werden Daher findet man moderne Effektpigmente heutzutage in vielen teilweise sehr unterschiedlichen Indus-trieprodukten wie z B in Autolackierungen Haumluserfassaden Kosmetikartikeln oder sogar bei Pralineacutes wie dies in Bild 1 zu sehen ist

Pigmente

Als Pigmente aus dem Lateinischen kommend von pigmentum fuumlr bdquoFaumlrbestoff Schminkeldquo bezeichnet man aus Teilchen bestehende im Anwendungs-medium praktisch unloumlsliche Sub stanzen die als Farbmittel oder wegen anderer spezieller physika-lischer und chemischer Eigenschaften als funktio-nale Farbzentren verwendet werden [6]

Effektpigmente Eine Herausforderung fuumlr die optische Messtechnik

Egbert Buhr Alfred Schirmacher Andreas Houmlpe

Dr Egbert Buhr Fachbereich bdquoBildshy und Wellenoptikldquo EshyMail egbertbuhrptbde

Dr Alfred Schirmacher Arbeitsshygruppe bdquoReflexion und Transmissionldquo EshyMail alfredschirmacherptbde

Dr Andreas Houmlpe dagger ehemals Arbeitsgrupshype bdquoReflexion und Transmissionldquo

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PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4Das Jahr des Lichtes

In der Natur vorkommende anorganische Pig-mente sind schon seit praumlhistorischen Zeiten bekannt Schon die Menschen der Steinzeit benutzen mineralische Pigmente fuumlr die ersten Houmlhlenzeichnungen Sie erkannten dass sie mit unterschiedlichen Erdsorten farbig malen konnten Eisenoxidhaltige Erden liefern gelbrote bis braunrote Kalk und Gips weiszlige Mangan-oxide sowie Holz- und Knochenkohle schwarze Farbtoumlne

Aus heutiger industrieller Sicht ist ein Pigment ein fein aufgeteilter und unloumlslicher Feststoff mit der Hauptfunktion das Erscheinungsbild des verwendeten Mediums zu verbessern oder es zu faumlrben Pigmente werden dem Medium immer durch physikalisches Mischen beigegeben dies unterscheidet sie von Farbstoffen die in ihrem Medium loumlslich sind

Pigmente koumlnnen nach den optischen Prin-zipien ihrer Wechselwirkung mit Licht unter-schieden und in verschiedene Klassen eingeteilt werden Wichtige Pigmentklassen sind Weiszlig- Bunt- Schwarz- und Effektpigmente die alle wegen ihrer speziellen farbgebenden Eigenschaf-ten eingesetzt werden Bei den Effektpigmenten

kann in einer ersten vereinfachten Einteilung noch zwischen Metalleffekt- und den sogenannten speziellen Effektpigmenten unterschieden werden

Der Begriff bdquospezielle Effektpigmenteldquo umfasst die Gruppen der Perlglanzpigmente und der all-gemeinen Interferenzpigmente welche insbeson-dere bei aktuellen Pigmententwicklungen nicht scharf abgegrenzt werden koumlnnen Perlglanzpig-mente sind Effektpigmente die aus transparenten Plaumlttchen mit hohem Brechungsindex bestehen Sie erzeugen durch die spezielle Form der Mehr-fachreflexion des transmittierten Lichts an mehre-ren Pigmenten einen perlenaumlhnlichen Effekt bei dem die auftreffende Strahlung verteilt reflektiert wird wodurch der Eindruck einer mit der Tiefe abnehmenden diffusen Helligkeit entsteht Fuumlr das Auge ergibt sich so eine scheinbar dreidimen-sionale Glanzcharakteristik die aus der Tiefe des Objektes zu kommen scheint Interferenzpigmente dagegen sind Effektpigmente deren farbgebende Wirkung ganz oder vorwiegend auf dem Effekt der Vielstrahlinterferenz von Licht an duumlnnen hoch-brechenden Schichten beruht Interferenzpigmente koumlnnen dabei sowohl auf transparenten oder auch nichttransparenten Plaumlttchen basieren

Bild 1 a) Roadster mit ChromaFlairreg-Effektpigmentlackierung b) Verwaltungsgebaumlude in Braunschweig verkleidet mit Alucobondreg-spectra-colours-Verbundplatten c) Effektpigmente im Nagellack d) Pralineacute mit Effektpigmentuumlberzug

a

dc

bb

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Effektpigmente hellipPTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4

Die heute verwendeten Pigmente lassen sich somit grob in fuumlnf verschiedene Klassen einteilen

1) Weiszligpigmente Die Pigmente streuen das ge-samte auftreffende Licht nahezu verlustfrei in alle Richtungen durch diffuse ungerichtete Reflexion

2) Buntpigmente Die Pigmente streuen einen Teil des Lichtes diffus und absorbieren wellenlaumln-genselektiv einen anderen Teil des Lichtes

3) Schwarzpigmente Die Pigmente absorbieren alle Wellenlaumlngen des fuumlr das menschliche Auge sichtbaren Spektralbereiches

4) Metalleffektpigmente Die aus duumlnnen Metall-plaumlttchen vorwiegend Aluminium bestehen-den Metalleffektpigmente sind lichtundurch-laumlssig und reflektieren das gesamte auftreffende Licht durch spekulare gerichtete Reflexion Die Pigmentpartikel wirken dabei wie Mikrospie-gel und fuumlhren bei paralleler Ausrichtung im Anwendungsmedium zu einem spiegelnden Metallglanz dem Metallic-Effekt

5) Spezielle Effektpigmente Perlglanz- bzw Inter-ferenzpigmente deren optische Wirkung auf der Mehrfachreflexion an uumlberwiegend flaumlchig aus-gebildeten und ausgerichteten transparenten semitransparenten oder lichtundurchlaumlssigen Partikeln beruht

Weiszlig- Bunt- und auch Schwarzpigmente weisen typische Durchmesser im Bereich von 100 nm bis zu 1 microm auf Ihre Groumlszlige liegt damit zum Teil im Bereich der Wellenlaumlnge des sichtbaren Lichtes welches den Bereich von 380 nm bis 780 nm uumlberdeckt Einige Schwarzpigmente wie z B Ruszlig-pigmente liegen mit ihren Durchmessern jedoch auch zum Teil auch deutlich darunter Effektpig-mente besitzen dagegen Teilchendurchmesser die zumeist im Bereich von 5 microm bis 100 microm in einigen Faumlllen auch daruumlber liegen Sie sind damit bezuumlglich der mittleren Plaumlttchendurch-messer wesentlich groumlszliger als die Wellenlaumlnge des sichtbaren Lichtes Die Dicke der Plaumlttchen liegt von einigen Ausnahmen abgesehen unter 1 microm ebenso wie die Dicke der Interferenzschichten Demzufolge weisen Effektpigmente in der Regel ein hohes Aspektverhaumlltnis auf (Verhaumlltnis der lateralen Ausdehnung einer Struktur zu ihrer Houmlhe) welches bis zu 200 betragen kann

Interferenzpigmente ndash Wie die Farben entstehen

Die Farbe von Interferenzpigmenten haumlngt von der Schichtdicke der Metalloxidbeschichtung und dem Einstrahlungs- und Betrachtungswinkel ab Beide Parameter bestimmen die effektive optische Weg-

laumlngendifferenz fuumlr das einfallende weiszlige Licht zwischen oberer und unterer Grenzflaumlche und die somit auftretenden Interferenzfarben siehe Bild 3

Interferenzpigmente zeigen somit einen aus-gepraumlgten bdquoFarbflopldquo Die Winkelabhaumlngigkeit der Farbe wird hierbei auch als Goniochromasie bezeichnet Richtig bunt geht es zu wenn ein Interferenzpigment auf einen bereits bunten Untergrund aufgebracht wird Die Transparenz der Pigmente laumlsst die Untergrundfarbe durch-

Bild 2 Schematische Diagramme zum spektralen Verhalten verschiedener Pigmenttypen

Bild 3 Die Schichtdicke der Metalloxidbeschichtung und der kombinierte Einstrahlungs- und Betrachtungswinkel bestimmen die optische Weglaumlnge und somit die sich ergebenden Interferenzfarben in Reflexion und Transmission

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PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4Das Jahr des Lichtes

Bild 5 Die Effekte Spar-kling (1) und Coarseness (2) des Effektpigmentes Xirallicreg Crystal Silver in einer vergroumlszliger-ten Aufnahme auf weiszligem (links) und schwarzem Hinter-grund (rechts)

scheinen im Glanzwinkel wird sie aber von der Interferenzfarbe uumlberstrahlt wie dies in Bild 4 zu sehen ist

Der Effekt eines Helligkeitsunterschiedes unter verschiedenen Betrachtungswinkeln wird als Helligkeitsflop bezeichnet und ist an sich nichts Neues Sind jedoch die einzelnen Pigmentteilchen

aufgrund ihrer planaren Reflexionsoberflaumlchen in gerichteter Beleuchtung direkt beobachtbar was fuumlr mittlere Teilchengroumlszligen von 30 microm und groumlszliger der Fall ist so ergibt dies einen Effekt welcher mit dem Begriff Sparkle (Glitzern Funkeln) bezeichnet wird (Bild 5) Aumlndert sich die Beleuchtung von einer gerichteten Einstrahlung wie es an einem wolkenlosen sonnigen Sommertag der Fall ist hin zu einer diffusen ungerichteten Einstrahlung wie an einem stark bewoumllkten Herbsttag so verschwin-det das Sparkling der Pigmente und verwandelt sich in eine Koumlrnigkeit der Oberflaumlche Dieses optische Phaumlnomen wird als Coarseness (Bild-koumlrnigkeit) bezeichnet und ist unabhaumlngig vom Betrachtungswinkel (Bild 5)

Als neuer Archetypus des Sparkle-Begriffes haben sich in den letzten Jahren die Xirallicreg Pig-mente (High Chroma Chrystal Effect Pigments) der Firma Merck KGaA entwickelt Durch die Beschich-tung von Aluminiumoxidplaumlttchen mit hochbre-chenden Metalloxiden und einer optimierten Dicke und Ebenheit aller am Pigment beteiligten Schich-ten entstehen auszligergewoumlhnlich stark reflektierende Effektpigmente die einen besonders intensiven Sparkle-Effekt aufweisen Man spricht hierbei auch von sogenanntem Living Sparkle welcher sich in einem scheinbaren bdquoTanzenldquo der leuchtenden Punkte in der Probenoberflaumlche bei Veraumlnderung der Beobachtungsgeometrie aumluszligert [7 8]

Generell gilt dass die Farbe von Objekten mit Effektlackierung nicht mehr wie jahrzehntelang uumlblich und ausreichend mit konventionellen Farb-messgeraumlten mit nur einer festen Messgeometrie wie z B in der 45deg 0deg Geometrie (Einstrahlung unter 45deg Reflexionsmessung unter 0deg) bestimmt werden kann Dieser Umstand wird sehr gut durch die Grafik in Bild 6 illustriert Dargestellt sind die winkelabhaumlngig gemessenen Farbkoordinaten von drei verschiedenen keramischen Farbstandards der Farben rot gruumln und blau sowie eines mit dem Effektpigment Viola Fantasy der Firma Merck lackierten Blechs Der Einfallswinkel des Lichts auf die Proben betrug hierbei immer 45deg zur Oberflauml-chennormalen Das von den Proben reflektierte Licht wurde an 26 Positionen in einem 5deg Raster in planaren die Oberflaumlchennormale enthalten-den Messgeometrien im Winkelbereich von ndash70deg bis +70deg aufgenommen Bei den aus absorptiven Pigmenten bestehenden Keramiken zeigt sich eine nur sehr geringe Winkelabhaumlngigkeit der Farbe welche groumlszligtenteils auf unterschiedlicher winkelabhaumlngiger Helligkeit d h den Glanzeigen-schaften der Oberflaumlche beruht Das Effektpigment dagegen zeigt einen extremen winkelabhaumlngigen Farb-Flop (Goniochromasie) welcher einen Farbverlauf von Gruumln uumlber Rot-Gelb hin ins Blau-Violett bietet

Aber auch die neuen Lackfarben aus der Gruppe der Effektlackierungen muumlssen messtechnisch

Bild 4 Merck-Xirallicreg-Solaris-Red-Effektpigmente appliziert auf einem mit Standard-Ab-sorptionspigmenten hellblau lackierten Metallblech In Rich-tung des Glanzwin-kels auf der rechten Seite zeigt sich der langsame Aufbau der winkelabhaumlngigen Interferenzfarbe

1

Bild 6 CIELab Farbkoordinaten einer winkelabhaumlngigen Reflexionsmessung an vier verschiedenen Proben drei Keramiken der Farben rot gruumln blau und eine Effektpigmentlackierung mit Merck Colorstreamreg Viola Fantasy Das untergelegte Farbschema zeigt naumlherungsweise die den Koordinaten entsprechende Farbe

2

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Effektpigmente hellipPTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4

Abbildungsoptik Messungen der ortsaufgeloumlsten Leuchtdichte auf einer Laumlngenskala bis hinab zu 28 microm auf der zu untersuchenden Probe siehe Bild 8

Mit der Zeilenkamera sind Messungen von kompletten Reflexionsspektren im sichtbaren Spektralbereich zwischen 380 nm und 780 nm dem sogenannten V(λ)-Bereich auf einer Zeit-skala von 2 Minuten moumlglich Hieraus lassen sich dann Farbkoordinaten der untersuchten Proben in den unterschiedlichsten Farbraumsystemen berechnen Eine absolute Messung in 114 Win-kelkombinationen (siehe Bild 9) im Polarwinkel-

erfasst und ruumlckgefuumlhrt werden um eine gleich-bleibende Qualitaumlt in der Produktion gewaumlhrleis-ten zu koumlnnen Gerade diese vielfaumlltigen zusaumltz-lichen Eigenschaften stellen die Farbmesstechnik vor neue Herausforderungen

Farbmessung

Bisherige kommerzielle Farbmessgeraumlte charakte-risieren Probenoberflaumlchen fast ausschlieszliglich in den eben schon erwaumlhnten sogenannten in-plane Reflexionsgeometrien Dabei liegen die Richtun-gen des eingestrahlten und des reflektierten Lichts sowie die Oberflaumlchennormale der Probe in einer Ebene Diese Einschraumlnkung entspricht jedoch in keiner Weise der taumlglichen Realitaumlt bei der Oberflaumlchen aus beliebigen Richtungen beleuchtet und betrachtet werden Seitens der Messgeraumlteher-steller und Anwender gibt es daher einen Trend zur erweiterten Charakterisierung bezuumlglich zusaumltzlicher Winkelkombinationen im dreidimen-sionalen Raum Spitzenreiter dieser Entwicklung am Markt ist derzeit ein tragbares Mehrwinkel-Spektralphotometer mit insgesamt 19 verschie-denen Reflexionsgeometrien [9] Hiermit scheint aber auch das Ende dieser Entwicklung im Bereich der portablen handgefuumlhrten Geraumlte erreicht Der Wunsch der Anwender geht aktuell wieder zuruumlck zu einer geringeren Anzahl von Winkelkombi-nationen denn es ist unklar wie man aus dem Mehr an winkelaufgeloumlsten Reflexionsdaten die fuumlr die Charakterisierung der Farbeigenschaften relevanten Informationen gewinnen kann Daher stellt sich die Frage welches sind bdquoguteldquo d h an die Messaufgabe adaptierte optimal geeignete Messgeometrien

Um diese Frage zu beantworten betreibt die AG 424 bdquoReflexion und Transmissionldquo der PTB zwei roboterbasierte Gonioreflektometer die eine winkelaufgeloumlste Reflexionsmessung in beliebi-gen bidirektionalen Geometrien ermoumlglichen [10ndash12] Diese beiden Apparaturen sind in Bild 7 dargestellt

Das Standard-Gonioreflektometer ist hierbei das nationale Normal fuumlr die Messgroumlszlige spektraler Strahldichtefaktor in gerichteten Geometrien Es dient der Realisierung Bewahrung und Weiter-gabe der gerichteten Reflexionsskale in Form von Kalibrierungen Die zweite Apparatur bezeich-net mit dem Acronym ARGon3 (3D Appearance Robot-based Gonioreflectometer) ist ein flexibles Forschungsgeraumlt mit dem experimentelle Unter-suchungen u a im Rahmen des EMRP-Projektes Multidimensional Reflectometry for Industry der EU [13] durchgefuumlhrt werden Im Ver gleich zum Standard-Gonioreflektometer ist dieses Geraumlt mit einer photometrischen Leuchtdichteka-mera und einer Zeilenkamera ausgeruumlstet Die Leuchtdichtekamera erlaubt mit einer speziellen

Bild 7 Die beiden roboter-basierten Gonio-reflektometer der PTB oben Standard-Gonioreflektometer fuumlr Kundenkalibrie-rungen unten ARGon3-Messplatz fuumlr Forschungsanwen-dungen

Bild 8 Visualisierung desSparkling-Effektesvon Xironareg-Volcanic-Sparks-Pigmenten als Falschfarben-darstellung der ortsaufgeloumlsten LeuchtdichteDie bdquoNadelnldquo zeigendie Position derPigmente an

Bild 9 Beispielgeometrien zur Messung der winkelabhaumlngigen Reflexionseigen-schaften Realisiert wurden 4 Einstrah-lungsrichtungen (rote Pfeile) mit jeweils 114 Reflexionswinkeln (schwarze Punkte) im Bereich der Viertel-kugel oberhalb der Probenoberflaumlche

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PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4Das Jahr des Lichtes

bereich 0deg bis 70deg gleichmaumlszligig verteilt uumlber den Viertelraum oberhalb der Probe dauert hierbei ca 4 Stunden [14] Die so erhaltenen Daten bilden die Basis fuumlr kuumlnftige Verbesserungen in der Mess-technik fuumlr Anwender und Hersteller

Im Rahmen des EMRP-Projektes Multidimen-sional Reflectometry for Industry [13] sind damit die winkelabhaumlngigen Reflexionsspektren von insgesamt 66 verschiedenen Effektpigmentproben gemessen worden [15 16] Bei den vier verschie-denen Einstrahlungsrichtungen verbunden mit jeweils 114 Reflexionswinkeln im Bereich der Vier-telkugel oberhalb der Probenoberflaumlche ergeben sich somit uumlber 30000 Reflexionsspektren

Zielsetzung der Untersuchungen ist die Ver-besserung der Metrologie zur Materialcharak-terisierung mit reduzierter Messunsicherheit Dazu werden neue Messvorschriften und neue Standardmessartefakte entwickelt mit denen die Industrie die visuelle Wahrnehmung der von ihr produzierten Oberflaumlchen gezielt charakterisie-ren und kontrollieren kann Solche Messungen sollten einfach auszufuumlhren sein und die Ergeb-nisse muumlssen soweit wie moumlglich mit der visuellen menschlichen Wahrnehmung korrelieren Im europaumlischen und internationalen Rahmen sollen die Ergebnisse in die Normung einflieszligen um die allgemeine Vergleichbarkeit solcher Messungen zu gewaumlhrleisten

Literatur

[1] CS Henshilwood et al A 100000-Year-OldOchre-Processing Workshop at Blombos CaveSouth Africa Science Vol 334 No 6053 219ndash2222011

[2] Mark D Fairchild Color Appearance Models2nd Ed John Wiley amp Sons Ltd 2005

[3] Colorimetry Understanding the CIE Systemed by J Schanda Wiley-Interscience NJ 2007

[4] WR Cramer Der richtige Blickwinkel Farbe amp Lack 092006 26ndash30 2006

[5] G Zaltman How Customers Think EssentialInsights into the Mind of the Market HarvardBusiness Review Press 2003

[6] DIN ISO 18451-12015-11 Pigmente Farbstof-fe und Fuumlllstoffe ndash Begriffe ndash Teil 1 AllgemeineBegriffe

[7] WR Cramer Ohne Glimmer aber mit GlanzFarbe amp Lack 042003 132ndash136 2003

[8] WR Cramer Es glitzert wie am SternenhimmelFahrzeug + Karosserie 0412 20ndash22 2012

[9] E Kirchner W Cramer Making sense of measure-ment geometries for multi-angle spectrophotome-ters Color Res Appl Vol 37 No3 186ndash198 2012

[10] D Huumlnerhoff U Grusemann A Houmlpe Newrobot-based gonioreflectometer for measuringspectral diffuse reflection Metrologia 43 S11ndashS162006

[11] A Houmlpe D Huumlnerhoff K-O Hauer Robot-basedgonioreflectometer Industrial Robotics Program-ming Simulation and Applications Low Kin-Huat Ed Pro Literatur-Verlag Mammendorf623ndash632 2007

[12] A Houmlpe T Atamas D Huumlnerhoff S TeichertK-O Hauer ARGon3 ndash bdquo3D Appearance Robot-based Gonioreflectometerrdquo at PTB Rev SciInstrum 83(4) 045102-1ndash045102-8 2012

[13] European Metrology Research Program ProjectIND52 bdquoxD-Reflectldquo Multidimensional Reflecto-metry for Industry wwwxdreflecteu(letzter Aufruf 03122015)

[14] T Atamas K-O Hauer A Houmlpe Appearancemeasurements of goniochromatic colours Predic-ting Perceptions Proceedings of the 3rd Internati-onal Conference on Appearance 149ndash154 2012

[15] A Houmlpe A Koo FM Verdu FB LeloupG Obein et al bdquoMultidimensional reflectometryfor industryrdquo (xD-Reflect) an European researchproject Proc SPIE 9018 Measuring Modelingand Reproducing Material AppearanceSPIE-ISampT Vol 9018 901804-1ndash901804-11 2014

[16] A Houmlpe K-O Hauer S Teichert D HuumlnerhoffC Strothkaumlmper Goniochromatic and Sparkleproperties of effect pigmented samples in mul-tidimensional configuration Proc SPIE 9398Measuring Modeling and Reproducing MaterialAppearance 2015 SPIE Proc Vol 9398 Appea-rance 93980O-1ndash7 2015

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Die 50 Sitzung des Internationalen Komitees fuumlr das gesetzliche Messwesen (CIML) fand vom 20 bis 22 Oktober 2015 in Arcachon Frankreich statt Im Vorfeld der CIML-Sitzung fand ein ein-taumlgiges OIML-Seminar uumlber Countries and Econo-mies with Emerging Metrology Systems (CEEMS) statt uumlber das weiter unten berichtet wird

Das CIML ist der Lenkungsausschuss der OIML Es trifft sich jaumlhrlich und besteht aus je einem Repraumlsentanten der Mitgliedstaaten der korrespondierenden Mitglieder und den Vertre-tern internationaler und regionaler Organisa-tionen die als Beobachter teilnehmen koumlnnen Das CIML ist zustaumlndig fuumlr die Vorbereitung und Durchfuumlhrung der Entscheidungen der Konfe-renz die alle vier Jahre stattfindet Es uumlberwacht die Arbeiten der Technischen Komitees und Unterkomitees und des Internationalen Buumlros fuumlr das gesetzliche Messwesen (BIML) in Paris

An der 50 CIML-Sitzung nahmen 144 Teilneh-mer aus 43 Mitgliedstaaten und 13 korrespondie-renden Mitgliedstaaten teil Zur deutschen Dele-gation gehoumlrten neben den o g Autoren auch die Herren Johann Fischer Direktor des Landesamts fuumlr Mess- und Eichwesen Berlin-Brandenburg sowie Prof Olaf Kuumlhn Direktor des Thuumlringer Landesamts fuumlr Verbraucherschutz als Vertreter der Bundeslaumlnder Dr Peter Ulbig Leiter der Abteilung Wissenschaftlich-technische Quer-schnittsaufgaben der PTB und Prof Manfred Kochsiek Vizepraumlsident a D der PTB ehema-liger CIML-Praumlsident und Ehrenmitglied der OIML Frau Dr Anna Cypionka persoumlnliche Referentin des Praumlsidenten der PTB nahm am OIML-Seminar fuumlr CEEMS teil Vertreten waren auch wieder internationale und regionale Orga-nisationen zu denen die OIML Verbindungen unterhaumllt wie das Internationale Buumlro fuumlr Maszlig und Gewicht (BIPM) die GSO-GCC Standardiza-tion Organization (Saudi-Arabien) die Internatio-nal Laboratory Accreditation Cooperation (ILAC) und der Europaumlische Verband der Waagenherstel-ler (CECIP)

Alle Beschluumlsse der 50 CIML-Sitzung koumlnnen auf den Internetseiten der OIML aufgerufen werden [1 2]

Die wichtigsten Entscheidungen und Entwick-lungen werden nachfolgend vorgestellt

1 Personalangelegenheiten

Der Vertrag von Willem Kool als Assistant Director wurde um vier Jahre der Vertrag des BIML-Direk-tors Stephen Patoray um drei Jahre verlaumlngert

2 Einfuumlhrung des PG Workspace im Internet

In seinem Bericht im Zusammenhang mit der Etablierung des neuen Webauftritts der OIML hob der CIML-Praumlsident Peter Mason (UK) die erfolgreiche Einfuumlhrung des Workspace fuumlr Pro-jektgruppen hervor Durch die Online-Arbeit wird erwartet dass die technische Arbeit an neuen bzw zu revidierenden OIML-Dokumenten vereinfacht und insgesamt effizienter wird

3 Revision der technische Richtlinien fuumlr die OIML (B 6 Directives for OIML tech-nical work)

In einem neuen Projekt sollen die in den vergan-genen Jahren revidierten OIML-Richtlinien fuumlr die technische Arbeit erneut uumlberarbeitet werden um u a den Prozess der Entwicklung und Uumlber-arbeitung von OIML-Publikationen noch weiter zu beschleunigen und den neuen internetbasierten Technologien und Arbeitsweisen Rechnung zu tragen

4 Umfassende strukturelle Uumlberarbeitung des OIML Certificate System

Das CIML verabschiedete die Gruumlndung einer Projektgruppe mit der Aufgabe einer substan-ziellen Uumlberarbeitung des OIML-Zertifizierungs-systems das z Zt aus dem Basiszertifizierungs-system und dem MAA3 besteht Urspruumlnglich ausgehend von der Annahme die Akzeptanz des MAA-Zertifizierungssystem muumlsse verstaumlrkt werden eine groumlszligere Verbreitung finden und mehr Messgeraumltearten abdecken erscheint es

Aktuelles aus der OIML (Internationale Organisation fuumlr das Gesetzliche Messwesen)Bericht uumlber die 50 Sitzung des CIML in Arcachon FrankreichSusanne Ludwig Roman Schwartz

INTERNATIONALE ZUSAMMENARBEIT

Susanne Ludwig OIMLshyGeschaumlftsstelle der PTB EshyMail susanneludwigptbde

Dir u Prof Dr Roman Schwartz Vizepraumlsident der PTB deutsches Mitglied im Internashytionalen Komitee fuumlr das Gesetzliche Messwesen (CIML) und CIMLshyVizepraumlsishydent EshyMail romanschwartzptbde

3 Mutual Acceptance Arrangement (Abshykommen zur gegenshyseitigen Anerkennung von Bauartpruumlfungen)

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PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4Internationale Zusammenarbeit

inzwischen sinnvoller und wurde so auch vom CIML beschlossen zum 112017 ein einziges OIML-Zertifizierungssystem einzufuumlhren Eine Projektgruppe (Certification System Project Group = CSPG) unter dem Vorsitz des CIML-Vizepraumlsi-denten Dr Roman Schwartz wurde damit beauf-tragt die notwendigen Dokumente und Prozedu-ren auszuarbeiten

5 OIML-Seminar fuumlr Countries and Economies with Emerging Metrology Systems (CEEMS)

Im Vorfeld der CIML-Sitzung wurde ein eintaumlgiges Seminar zum Thema Developing an OIML Package for Assistance to Countries with Emerging Metro-logy Systems (CEEMS) abgehalten In vier Sitzun-gen diskutierten 125 Teilnehmer aus 49 Laumlndern uumlber Moumlglichkeiten Laumlnder beim Aufbau von nationalen Metrologiesystemen zu unterstuumltzen In der ersten von Frau Dr Cypionka geleiteten Sitzung Capacity Building ging es um die allge-meinen Herausforderungen bei der Gestaltung von Programmen zur Foumlrderung von Handlungs-kompetenzen und Vermittlung von Wissen fuumlr die Metrologie In zwei weiteren Sitzungen wurden unter den Themen Helping CEEMS Improve Regulation in their Markets (Leitung Prof Dr Manfred Kochsiek) und New Ideas ndash Doing Legal Metrology Differently (Leitung Stuart Carstens

Suumldafrika) konkrete inhaltliche Loumlsungsvorschlaumlge vorgestellt und diskutiert Die Ergebnisse wurden in der 50 CIML-Sitzung vorgestellt und fanden ihren Niederschlag in der Resolution Nr 201510 [2] sie sollen auch noch auf den OIML-Webseiten veroumlffentlicht werden [1]

6 OIML-Publikationen

Folgende OIML-Publikationen wurden verabschiedet

R 139-3 Compressed gaseous fuels measuring systems for vehicles Part 3 Test report format

New Recommendation (R 145) Ophthalmic instru-ments mdash Impression and applanation tonometers

Alle OIML-Publikationen stehen im Internet frei zur Verfuumlgung [3]

Gleichzeitig wurde die Revision der folgenden OIML-Publikation beschlossen

Revision of R 79 Labeling requirements for prepackages

Folgende neue Projekte wurden verabschiedet

Revision des OIML-Dokuments B 6-1 Directives for OIML technical work

Bild 1 Teilnehmer der 50 Sitzung des Internationalen Komitees fuumlr Gesetz-liches Messwesen (CIML) in Arcachon Frankreich

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PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4 Aktuelles aus der OIML

TC 8SC 1 Revision R 71 Fixed storage tanks mdash General requirements

TC 8SC 1 Revision R 85 Automatic level gauges for measuring the level of liquid in stationary storage tanks

7 Personalien und Ehrungen

Die von Dr Seiler dem ehemaligen Leiter des Fachbereichs bdquoTechnische Zusammenarbeitldquo der PTB initiierte OIML-Auszeichnung fuumlr bdquoexzel-lente Beitraumlge von Entwicklungslaumlndern zum gesetzlichen Messwesenldquo ging in diesem Jahr an

bull Nam Hyuk Lim Director of Korea Testing Certi-fication und

bull The Metrology Department Saint Lucia Bureau of Standards

Die OIML-Medaille fuumlr besondere Verdienste um die OIML-Arbeit ging an Ngo Quy Viet Vietnam und Cartaxo Reis aus Portugal

8 Termine

Ein Gastgeberland fuumlr die 51 CIML-Sitzung und 15 OIML-Konferenz im Jahr 2016 konnte noch nicht bekannt gegeben werden es wird aber wahr-scheinlich wieder Frankreich sein Weitere OIML-Veranstaltungen und -Termine finden sich auf der OIML-Webseite unter [4]

9 Literatur

[1] httpswwwoimlorgen (letzter Aufruf 19112015)

[2] httpswwwoimlorgenstructurecimlpdf50-ciml-resolutions-englishpdf (letzter Aufruf 19112015)

[3] httpswwwoimlorgenpublicationsrecommen-dationspublication_viewp_type=1ampp_status=1

[4] (letzter Aufruf 19112015)[5] httpswwwoimlorgeneventscalendar

(letzter Aufruf 19112015)

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TECHNOLOGIETRANSFER

E27-Scanner fuumlr UlbrichtkugelnMit dem besonders einfach ohne Umbau einsetzbaren E27-Scanner koumlnnen Anwender und Hersteller die Homogenitaumlt ihrer Ulbricht-kugeln bestimmen und die Ergebnisse zur Berechnung genauerer Lichtstroumlme und zur Dokumentation der Qualitaumlt ihrer Messungen nutzen

Hintergrund

Wie viel Licht eine Lampe insgesamt in alle Richtungen abstrahlt wird durch ihren Lichtstrom ausgedruumlckt Um den fuumlr die Bestimmung der Energieeffizienz von Lampen notwendigen Lichtstrom schnell zu er mitteln setzt die Lampenindustrie Ulbrichtkugeln ein An einer Stange in der Mitte der Ulbrichtkugel befindet sich eine E27-Lampen-fassung in die nacheinander die Lichtstrom-Normallampe und die zu kalibrierende Lampe eingeschraubt werden Das indirekt auf den Mess-kopf fallende Licht erzeugt einen Photostrom der im Idealfall propor-tional zu dem von der Lampe abgestrahlten Lichtstrom ist unabhaumlngig von der Richtung in die das Licht abgestrahlt wird

Dies ist jedoch bei einer ungleichmaumlszligigen Beschichtung der Kugel sowie bei einer im Laufe der Zeit nicht zu verhindernden Verstaubung nicht der Fall Deshalb wird mit einem Kugelscanner die Homogenitaumlt der Kugel regelmaumlszligig vermessen und ein Korrekturfaktor bestimmt der von der jeweiligen Abstrahlcharakteristik der zu untersuchenden Lampe abhaumlngt

Technische Beschreibung

Der Kugelscanner wird einfach in eine E27-Fassung geschraubt und das sonst fuumlr die Lampenversorgung eingesetzte Netzgeraumlt wird durch die Steuereinheit ersetzt Diese uumlbernimmt sowohl die elektrische Versor-gung als auch die Befehlsuumlbermittlung zum Kugelscanner Die Steuer-einheit wird via USB oder RS232 an einen Computer angeschlossen Das mitgelieferte Messprogramm stellt automatisiert alle gewuumlnschten Richtungen ein und speichert die zugehoumlrigen von der Steuereinheit gemessenen Photostroumlme des Photometers

Wirtschaftliche Bedeutungw

Fuumlr Lampenindustrie und Hersteller von Ulbrichtkugeln

bull Genauere Messung des Lichtstroms

bull Bestimmung des Zeitpunkts einer Neubeschichtung

bull Uumlberwachung beim Beschichten

bull Dokumentation des Zustands der Ulbrichtkugel

EntwicklungsstandDer E27-Kugelscanner wurde in der PTB entwickelt Er wird laufend fuumlr Kalibrierungen eingesetzt Die Technologie wurde an die Firma Czibula amp Grundmann transferiert und wird dort mit einer PTB-Lizenz gebaut und vertrieben wwwphoto-metercom

Ansprechpartner

Dr Bernhard SmandekBeauftragter fuumlr TechnologietransferTelefon +49 531 592shy8303Telefax +49 531 592shy69shy8303EshyMail technologietransferptbde

Dr Stefan WinterFachbereich Photometrie und Radiometrie

Abbildung des E27shyKugelscanners Eine stark fokussierende Lampe die computergesteuert in alle Richtungen leuchten kann

Vorteile

bull Schneller Einbau in E27shyFassung

bull Computergesteuertes Abscannen der gesamten Ulbrichtkugel

bull Flexible Messmoumlglichkeiten

bull Fuumlr genauere Lichtstromshymessungen

bull Wichtig fuumlr die Qualitaumltsshysicherung

PTBshyNummer 0172

wwwtechnologietransferptbde

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PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4 Technologieangebote

Ansprechpartner

Dr Bernhard SmandekBeauftragter fuumlr TechnologietransferTelefon +49 531 592shy8303Telefax +49 531 592shy69shy8303EshyMail technologietransferptbde

Dr Stefan WinterArbeitsgruppe Solarzellen

PulsshyzushyCWshyKonverter

Umwandlung gepulster Laser-Strahlung in konstante StrahlungIn weiten Bereichen der optischen Metrologie ist eine Strahlungs-quelle von groszligem Nutzen die sich spektral vom UV-C bis ins mitt-lere IR durchstimmen laumlsst Lediglich Laser mit gepulster Strahlung erfuumlllen diese Anforderung bei ausreichend groszligem Ausgangssignal bisher luumlckenlos Femtosekunden-Lasersysteme waumlren aufgrund ihrer gut automatisierbaren und spektral weiten Durchstimmbarkeit die ideale Strahlungsquelle fuumlr z B radiometrische Anwendungen ndash wenn ihre Strahlung nicht gepulst waumlre

Durch das extreme Puls-Pausen-Verhaumlltnis von 10ndash5 entstehen hohe Spitzenleistungen die wiederum zu Saumlttigungseffekten bei Detek-toren und in der Folge zu nichtlinearem Verhalten fuumlhren koumlnnen Mit dem in der PTB entwickelten Puls-zu-CW-Konverter wird dieses Problem geloumlst

Technische Beschreibung

Bei dieser Methode werden Pulse gepulster Strahlungsquellen ausrei-chend hoher Repetitionsrate in CW-Strahlung umgewandelt Dabei wird jeder Puls in viele kleine Teilpulse aufgeteilt die auf unterschiedlich langen Wegstrecken unterschiedliche Laufzeiten erfahren Am Ausgang des Systems erscheinen sie dann zeitlich gleichmaumlszligig verteilt Realisiert wird dieser Puls-zu-CW-Konverter uumlber ein Glasfaserbuumlndel bei dem jede Einzelglasfaser eine individuell festgelegte Laumlnge besitzt

Mit der Entwicklung des Puls-zu-CW-Konverters wurde das ent-scheidende Manko beim Einsatz leistungsstarker Femtosekunden(fs)-Lasersysteme im Bereich der Metrologie beseitigt und erstmalig gepulste Laserstrahlung in CW-Strahlung umgewandelt Diese Neuentwicklung ermoumlglicht es nun herkoumlmmliche Monochromatorsysteme durch fs-Lasersysteme zu ersetzen die eine bis zu 1000-mal houmlhere spektrale Ausgangsleistung besitzen

Wirtschaftliche Bedeutung

Durch den neuen Puls-zu-CW-Converter koumlnnen in wirtschaftlich bedeutenden Bereichen wie z B der Photovoltaik der Photometrie der UV-Strahlungsmesstechnik und der Reflektometrie die Referenz- und Transfernormale mit einer deutlich reduzierten Messunsicherheit kali-briert werden Hier werden bislang wesentliche Messunsicherheitsan-teile durch zu geringe Strahlungsleistungen aus herkoumlmmlichen Mono-chromatorsystemen verursacht

Entwicklungsstand

Unter DE 10 2010 011 615 B4 wurde fuumlr den CW-Konverter ein Patent erteilt

Vorteile

bull Zeitliche Glaumlttung gepulster Laserstrahlung

bull Keine stoumlrenden Interferenzen

bull Nur minimale Absorption des Messsignals

bull Auch bei kuumlrzeren Wellenshylaumlngen ohne Ulbrichtkugel verwendbar

bull Kontinuierliche Verteilung des Ausgangspulses

bull Pulsvervielfachung

bull Houmlhere Strahlungsleistung

PTBshyNummer 0254

wwwtechnologietransferptbde

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PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4Technologieangebote

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Homogenisierung von Strahlungsquellen und Focal Plane Arrays (FPA)Ein neuartiges Verfahren ermoumlglicht softwaregestuumltzt eine deutlich verbesserte Kalibrierung von Mehrelement-Sensoren (FPA) und bildgebenden Systemen (Kameras) Bei flaumlchigen Strahlungsquellen kann zusaumltzlich eine gezielte Ansteuerung von Flaumlchenelementen zu einer bisher im Allgemeinen nicht erreichbaren Flaumlchenhomogenitaumlt fuumlhren

Technische Beschreibung

Flaumlchenstrahler dienen der Kalibrierung von ortsaufloumlsenden Strah-lungssensoren wobei davon ausgegangen wird dass die Emissionsflaumlche des Strahlers im Wesentlichen homogen bezuumlglich ihrer Strahldichte bzw Strahlungstemperatur ist Um kleine Inhomogenitaumlten eines Flaumlchenstrahlers zu charakterisieren ist es ein gaumlngiges Verfahren die Emissionsflaumlche punktweise mit einem Einzeldetektor abzutasten

Das neue PTB-Verfahren ist wesentlich schneller da es den Mehr-element-Sensor (FPA) das device-under-test selbst nutzt und damit immer ein Gesamtbild der Quelle aufnimmt Werden jetzt weitere Bilder zeilen- oder spaltenversetzt aufgenommen so erlaubt ein mathema-tischer Algorithmus bei nur drei Bildern eine komplette Charakterisie-rung des Sensors aber auch der Quelle

Sind Flaumlchenelemente der Strahlungsquelle einzeln ansteuerbar so ist es sogar moumlglich mittels der ermittelten Korrekturwerte zu Strahlquellen extrem hoher Homogenitaumlt im on-line-Betrieb zu gelangen

Wirtschaftliche Bedeutung

Bildgebende Strahlungssensoren und homogene Strahlungsquellen sind relevant fuumlr die Forschung und Entwicklung fuumlr die Prozesstechnik fuumlr die Charakterisierung der Energieeffizienz von Bauten bei der Ent-wicklung neuer Bauteile mit hoher thermischer Belastung und in vielen weiteren Bereichen Der mathematische Algorithmus ist aber auf unter-schiedliche Arten von Kamerasystemen anwendbar und damit auch fuumlr die Qualitaumltssicherung von CCD-Kameras bis hin zum Konsumguuml-termarkt anwendbar EntwicklungsstandEine deutsche Patenterteilung erfolgte im September 2015 Eine PCT-Anmeldung ist anhaumlngig Kooperations- und Lizenzpartner aus den Bereichen Thermografie Radiometrie und Photometrie zur Umsetzung des Konzeptes werden gesucht

Ansprechpartner

Dr Bernhard SmandekBeauftragter fuumlr TechnologietransferTelefon +49 531 592shy8303Telefax +49 531 592shy69shy8303EshyMail technologietransferptbde

DiplshyIng Berndt GutschwagerArbeitsgruppeInfrarotshyStrahlungsthermometrie

Stahlungsmessplatz der PTB zur Kalibrierung von Temperaturstrahlern und Waumlrmebildkashymeras

Vorteile

bull Schnelle Kalibrierung von Flaumlchensensoren (FPA)

bull Schnelle Kalibrierung von Flaumlchenstrahlern

bull Strahlquellen houmlchster Hoshymogenitaumlt

bull Fuumlr Thermografie und Phoshytometrie

PTBshyNummer 00374

wwwtechnologietransferptbde

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Die fachlichen Aufsaumltze aus dieser Ausgabe der PTB-Mitteilungen sind auch online verfuumlgbar unterdoi 10779531020150499

Die Physikalisch-Technische Bundesanstalt das nationale Metrologieinstitut ist eine wissenschaftlich-technische Bundesoberbehoumlrde im Geschaumlftsbereich des Bundesministeriums fuumlr Wirtschaft und Energie

mitteilungen

Impressum

Die PTB-Mitteilungen sind metrologisches Fachjournal der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt Braunschweig und Berlin Als Fachjournal veroumlffentlichen die PTB- Mitteilungen wissenschaftliche Fachaufsaumltze zu metrologischen Themen aus den Arbeitsgebieten der PTB Die PTB-Mitteilungen stehen in einer langen Tradition die bis zu den Anfaumlngen der Physikalisch-Technischen Reichsanstalt (gegruumlndet 1887) zuruumlckreicht

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Physikalisch-Technische BundesanstaltBraunschweig und BerlinNationales Metrologieinstitut

Die Physikalisch-Technische Bundesanstalt das nationale Metrologieinstitut ist eine wissenschaftlich-technische Bundesoberbehoumlrde im Geschaumlftsbereich des Bundesministeriums fuumlr Wirtschaft und Energie

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Ruumlckfuumlhrung in der Photometrie hellipPTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4

Realisierung der spektralen Bestrahlungsstaumlrke

Wie bereits vorher erwaumlhnt ist zur Realisierung der Candela die Kenntnis der relativen spektralen Bestrahlungsstaumlrke Er(λ) = S(λ T) von Tempera-turstrahlern (Gluumlhlampen) der Verteilungstempe-ratur T erforderlich

Bereits zum Ende des neunzehnten Jahrhunderts beschaumlftigten sich an der Physikalisch-Techni-schen-Reichsanstalt (PTR) in Berlin die Wissen-schaftler Otto Lummer Ernst Pringsheim und Fer-dinand Kurlbaum unter der Leitung von Wilhelm Wien mit der Pruumlfung elektrischer Gluumlhlampen fuumlr die Industrie und in diesem Zusammenhang mit der Verbesserung von Lampen und Vergleichs-normalen fuumlr Waumlrmestrahlung [4]

Sie entwickelten basierend auf Ideen von Kirch-hoff ab 1895 die ersten Hohlraumstrahler die als sogenannter Schwarzer Strahler zur Erzeugung von Temperaturstrahlung bis zu etwa 2000 K ein-gesetzt werden konnten Aufbauend auf Vorarbei-ten von Kirchhoff (1859) Stefan und Boltzmann (187984) sowie auf eigene Berechnungen (1893) konnte Wilhelm Wien anhand erster Messergeb-nisse 1896 die heute nach ihm benannte Wiensche Strahlungsgleichung aufstellen die die Ergebnisse der Experimente gut traf allerdings systema-tische Abweichungen fuumlr groszlige Produkte von λ middot T ergab Die Wiensche Gleichung war jedoch wesentlich genauer als das von Rayleigh und Jeans aufgestellte Pendant mit seiner inhaumlrenten Ultraviolettkatastrophe

Am 19 Oktober 1900 konnte Max Planck der vom Gastwissenschaftler Heinrich Rubens uumlber die Messergebnisse in der PTR unterrichtet wurde in einer Sitzung der Physikalischen Gesellschaft eine Gleichung vorlegen die die Messungen seiner Kollegen in der PTR besser als alle bis dato bekannten Gleichungen wiedergab Bereits am 14 Dezember 1900 trug er die komplette Her-leitung der Planckschen Strahlungsgleichungwiederum der Berliner Physikalischen Gesellschaftvor und leitete damit (verbunden mit der Energie-quantelung) die Quantenphysik ein [5]

Mithilfe des Planckschen Strahlungsgesetzes laumlsst sich die spektrale Dichte der Bestrahlungs-staumlrke EλBB(λTBB) eines Hochtemperatur-Hohl-raumstrahlers (auch Planckscher Strahler oder Schwarzer Strahler) berechnen

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λ ε λλ BB BB BB

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( ) = ( ) sdot sdot sdot

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(16)

Bild 7 Wellenlaumlngenabhaumlngige optische Leistung des herkoumlmmlichen DSR-Messplatzes (untere Kurven) und des Laser-DSR-Messplatzes einmal direkt hinter dem Laser gemessen (gruumlne Kurven) und einmal die Leistung der tatsaumlchlich in der Messebe-ne nutzbaren Strahlung (rote Kurven)

Bild 8 Photometer Referenzphotodiode (links) sowie Solarzelle (unten) am Laser-DSR-Messplatz

Bild 9 Mit dem Laser-DSR-Messplatz und dem DSR-Messplatz gemessene spektrale Empfindlichkeiten von zwei verschiedenen Photometern (gruumlne und blaue Kurve) sowie die spektrale Empfindlichkeit von der als Referenz benutzten Photodiode (rote Kurve) Die Signalhoumlhen unterscheiden sich um einen Faktor von bis zu 100 Millionen Obwohl das am Laser-DSR-Messplatz gemessene Photometer ca 7 mal unempfindlicher als das am DSR-Messplatz gemessene Photometer ist kann die spektrale Empfindlichkeit in einem deutlich groumlszligeren Wellenlaumlngenbereich gemessen werden

14

Das Jahr des Lichtes PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4

Hierbei ist

TBB die Temperatur des Planckschen Strahlers ε(λTBB) der effektive Emissionsgrad des Strahlers ABB die Groumlszlige der Strahleroumlffnung dBB der Abstand zur Referenzebene fuumlr die Bestrahlungsstaumlrke c1 c2 die Planckschen Strahlungskonstanten und n der Brechungsindex von Luft

In der PTB wird im Fachbereich 41 bdquoPho-tometrie und angewandte Radiometrieldquo ein Hochtemperatur-Hohlraumstrahler vom Typ BB3200pg als nationales Normal fuumlr spektrale Bestrahlungsstaumlrke im Spektralbereich 200 nm bis 2500 nm eingesetzt Der Strahler der vom russi-schen Institut fuumlr optophysikalische Messungen (VNIIOFI) entwickelt [6] und von der PTB fuumlr seine Messaufgabe aufwendig charakterisiert und optimiert wurde [7] besitzt einen Hohlraum aus pyrolytischem Graphit der mittels Gleichstrom auf Temperaturen bis 3200 K aufgeheizt werden kann Der Strahler besitzt einen effektiven Emissions-grad von ε(λTBB) gt 09998 und eine ausgepraumlgte Homogenitaumlt der Temperatur im Hohlraum Er kann somit als Planckscher Strahler behandelt werden

Zur Berechnung des Planckschen Strahlungs-gesetzes werden weitere Groumlszligen des SI-Systems benoumltigt die in der PTB ruumlckfuumlhrbar kalibriert werden So wird zum Beispiel die Strahlerflaumlche ABB in Fachbereich 53 bdquoKoordinatenmesstechnikldquo kalibriert und die Bestimmung der Strahlertem-peratur TBB erfolgt mithilfe von Filterradiometern die in Fachbereich 73 bdquoDetektorradiometrie und Strahlungsthermometrieldquo gegen ein Kryo-

radiometer ruumlckgefuumlhrt werden Mithilfe dieser Berechnungsparameter fuumlr Gleichung (16) kann der Schwarze Strahler als Primaumlrnormal fuumlr strah-lungsphysikalische Groumlszligen eingesetzt werden

Die Kalibrierung von Gluumlhlampen bezuumlglich spektraler Bestrahlungsstaumlrke erfolgt in Sub-stitution durch direkten Vergleich gegen das Primaumlrnormal bzw entsprechend ruumlckgefuumlhrte Sekundaumlrnormale Hierbei handelt es sich um 1000-W-Gluumlhlampen vom Typ FEL die mit einer Verteilungstemperatur von etwa 3080 K einem dem Schwarzen Strahler sehr aumlhnlichen Verlauf der relativen spektralen Strahlungsfunktion besitzen Die Substitution erfolgt mithilfe eines Spektroradiometers das mit drei Monochroma-toren und Empfaumlngern einen Spektralbereich von 250 nm bis 2500 nm abdeckt [8] Eine Ulbrichtku-gel dient als Eingangsoptik und ihre Eintrittsoumlff-nung als Referenzebene fuumlr die Bestrahlungsstaumlrke Die durch die Kugel transmittierte Strahlung gelangt in einen Vormonochromator und wird nach spektraler Vorzerlegung wahlweise in einen Monochromator fuumlr den Spektralbereich 250 nm bis 1100 nm oder in einen Monochromator fuumlr den infraroten Spektralbereich eingekoppelt Ein Photomultiplier eine Si-Photodiode und eine InGaAs-Photodiode erfassen die aus den derart kombinierten beiden Doppelmonochromatoren austretende Strahlung Im fuumlr die Photometrie relevanten sichtbaren Spektralbereich werden spektrale Messungen mit einer spektralen Band-breite von 1 nm und einem Streulichtanteil im Bereich von 10ndash7 durchgefuumlhrt

Das Verhaumlltnis der mit den unterschiedlichen Strahlern gemessenen Photostroumlme entspricht im Wesentlichen dem Verhaumlltnis ihrer spektralen Bestrahlungsstaumlrken Beim Vergleich eines Strah-

Bild 10 Der Hochtemperatur-Hohlraumstrahler BB3200pg der in der PTB als Primaumlrnormal fuumlr die spektrale Bestrahlungsstaumlrke eingesetzt wird Der Hohlraum aus Pyrographit kann bis zu 3200 K aufgeheizt werden

15

Ruumlckfuumlhrung in der Photometrie hellipPTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4

lers bdquoSldquo mit der Verteilungstemperatur T mit dem Schwarzen Strahler der Temperatur TBB laumlsst sich prinzipiell also die unbekannte spektrale Bestrah-lungsstaumlrke EλS (λT) ermitteln aus

E T E Ty

yS eS

λ λλ λλλ ( ) = ( ) sdot ( )( )BB BB

BB

wobei ys(λ) und yBB(λ) die fuumlr die beiden Strahler gemessenen Photostroumlme bei der Wellenlaumlngen-einstellung λ sind und EλBB (λTBB) die spektrale Bestrahlungsstaumlrke des Hochtemperatur-Hohl-raumstrahlers nach dem Planckschen Strahlungs-gesetz (16) ist

Ableitung und Weitergabe weiterer photometrischer Einheiten gerichteter photometrischer Groumlszligen

Neben der Einheit fuumlr die Lichtstaumlrke sind in der gerichteten Photometrie die Einheit der Beleuch-tungsstaumlrke zur Kalibrierung von Photometern und die Einheit der Leuchtdichte zur Angabe von Lampeneigenschaften besonders wichtig

Beleuchtungsstaumlrke

In der PTB werden Beleuchtungsstaumlrke-Messgeraumlte mit einem Referenzphotometer mittels der Substi-tutionsmethode kalibriert wobei die Lichteintritts-flaumlchen der Photometerkoumlpfe an derselben Stelle senkrecht und gleichmaumlszligig beleuchtet werden

Dazu wird zunaumlchst das Referenzphotometer (Linearitaumlt und Anpassungsindex m bekannt) mit Lichtstaumlrke-Normallampen beliebiger Vertei-lungstemperatur T kalibriert Durch Umstellung von Gleichung (13) folgt fuumlr seine photometrische Empfindlichkeit

s d y TI T

Tm

v K= sdot sdot

2

0 2856Ω( )( )

v

(18)

Auf einer 40 m langen Photometerbank siehe Bild 10 koumlnnen dann mit beliebigen Gluumlhlampen unterschiedlicher elektrischer Leistung aber bekannter Verteilungstemperatur Beleuchtungsstaumlrken zwischen 0001 lx und 10000 lx erzeugt werden

Die Kalibrierung von Beleuchtungsstaumlrke-Mess-geraumlten erfolgt meistens mit Licht der Normlicht-art A eine entsprechende Lampe ist in Bild 15 dargestellt Die Anzeige des zu kalibrierenden Beleuchtungsstaumlrke-Messgeraumltes wird mit dem Messwert der Beleuchtungsstaumlrke Ev des Referenz-photometers verglichen

E T ysv

vK( )= =2856

001

01

1

10

100

350 400 450 500 550 600 650 700 750

spek

tral

e Be

stra

hlun

gsst

aumlrke

E[microW

cm

sup2nm

]

Wellenlaumlnge λ [nm]

Schwarzer Strahler (3076 K)Schwarzer Strahker (2995 K)FEL 81 A (3080 K)FEL 67 A (2780 K)WI 41G 54 A (2700 K)

Bild 11 Spektrale Bestrahlungsstaumlrke unterschiedlicher Strahler im sichtbaren Spektralbe-reich Die als Sekundaumlrnormale eingesetzten 1000-W-Gluumlhlampen vom Typ FEL und die in der Photometrie verwendeten Gluumlhlampen vom Typ WI 41G besitzen einen sehr aumlhnlichen spektralen Verlauf wie der als Primaumlrnormal eingesetzte Schwarze Strahler bei unterschiedlichen Strahlertemperaturen

Bild 12 Der Messplatz fuumlr die Kalibrierung von Gluumlhlampen bezuumlglich spektraler Bestrah-lungsstaumlrke in der PTB Auf der rechten Seite befinden sich zwei als Sekun-daumlr- und Arbeitsnormale eingesetzte Gluumlhlampen Auf der linken Seite ist das Spektroradiometer zu sehen dass an seiner Oberseite eine Ulbrichtkugel als Eingangsoptik montiert hat deren Oumlffnung in Richtung Strahler als Referenzebene fuumlr die Bestrahlungsstaumlrke verwendet wird

Bild 13 Messplatz zur Weitergabe der Einheit der Beleuchtungsstaumlrke zur Kalibrierung von Photometern

(17)

(19)

16

Das Jahr des Lichtes PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4

Leuchtdichte

Leuchtdichten homogen leuchtender begrenzter Flaumlchen koumlnnen aus groszligem Abstand wie Licht-staumlrken gemessen werden Wird z B eine kreisfoumlr-mige Blendenoumlffnung (zentrisch und senkrecht zur Messrichtung) zwischen der leuchtender Flaumlche und dem Photometerkopf angeordnet und damit ein Teillichtstrom ausgesondert so kann dieser in groszligem Abstand als Lichtstaumlrke bestimmt werden und es gilt fuumlr die Leuchtdichte Lv der prinzipielle Zusammenhang

LIAvv= (20)

In der PTB wird fuumlr die mit Gluumlhlampen ausgestat-teten Leuchtdichtenormale (d h Verteilungstem-peratur T bekannt) zunaumlchst die photometrische Empfindlichkeit sv des Referenzphotometers wie in Abschnitt 41 bestimmt dann die Lichtstaumlrke nach Gleichung (13) gemessen und schlieszliglich die mittlere Leuchtdichte innerhalb der leuchtenden Flaumlche A nach Gleichung (20) berechnet

Fuumlr Leuchtdichtenormale gelten prinzipiell einige der im Kapitel bdquoLichtstaumlrke-Normallampenldquo aufgefuumlhrten Merkmale Sie unterscheiden sich jedoch im Detail in der Art der Ausfuumlhrung z B sind sie mit Gluumlhlampen oder mit LEDs bestuumlckt sie koumlnnen hinsichtlich der Leuchtdichte bzw Farbe durchstimmbar sein oder mit gesonderter Monitortechnik ausgestattet sein

Die traditionellen Messverfahren zur Bestim-mung der Leuchtdichte bzw die Verwendung von Photometern mit direkter Anzeige der Leuchtdich-tewerte werden zunehmend durch den Einsatz von Leuchtdichtekameras (pixelaufgeloumlste Darstellung von Leuchtdichteverteilungen) ergaumlnzt Eine abso-lute Kalibrierung dieser modernen Systeme stellt aber messtechnisch eine groszlige Herausforderung

Bild 14 Die 40 m lange photometrische Bank zur Realisierung und Weitergabe der Einhei-ten der gerichteten Photometrie

Bild 15 20-kW-Hochleistungshalogengluumlhlampe fuumlr hohe Beleuchtungsstaumlrken zur Kalibrierung von Beleuchtungsstaumlrke-Messgeraumlten u a mit Normlichtart A

Bild 16 Gluumlhlampenbasierte Normale zum Transfer der Leuchtdichte-Einheit

17

Ruumlckfuumlhrung in der Photometrie hellipPTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4

dar aktuell werden zur Charakterisierung solcher Kameras national im FNL3 (Normenausschuss bdquoPhotometrieldquo im DIN) und international in der CIE (TC2-59 TC2-62) u a Messverfahren dis-kutiert die dann mittels definierter Kenngroumlszligen beschrieben werden

Literatur

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temperature 1994[3] G Sauter Die Candela Erlaumluterungen zum Ver-

staumlndnis der Definition und der RealisierungPTB-Mitteilungen 107 1997

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[5] M Planck Zur Theorie des Gesetzes der Energie-verteilung im Normalspektrum Verhandlungender Deutschen Physikalischen Gesellschaft 21900 S 237ndash245

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[8] P Sperfeld S Pape B Barton From Primary Stan-dard to Mobile Measurements ndash Overview of theSpectral Irradiance Calibration Equipment at PTBMAPAN-Journal of Metrology Society of India 252010 S 11ndash19

Bild 17 Pixelaufgeloumlste Darstellung einer Leuchtdichteverteilung mit einer Leuchtdichtemesskamera

pim_140107_anz_forschung_178x29indd 1 280214 1033

18

PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4Das Jahr des Lichtes

Kurze Geschichte der Goniophotometrie in der PTB Matthias Lindemann

Zusammenfassung

Die Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB) ist das nationale Metrologieinstitut (NMI) der Bundesrepublik Deutschland das seinen Fokus auf die Realisierung Bewahrung und Weitergabe der SI-Einheiten richtet Deshalb hat auch die goniophotometrische Bestimmung des Licht-stroms nahezu beliebiger Lichtquellen eine lange Tradition Seit mehr als 50 Jahren werden in der PTB hierzu noumltige Messsysteme entwickelt genutzt verbessert und an neue Messaufgaben angepasst Schon in den 50er- und 60er-Jahren des vergangenen Jahrhunderts erlaubte ein soge-nanntes Einarm-Goniophotometer die Realisie-rung der Lichtstromeinheit lumen (lm) als direkte Ableitung von der SI-Basiseinheit Candela (cd) mithilfe von Lichtstaumlrke-Normallampen Spaumlter gestattete ein groszliges Kardan-Goniophotometer mit einem Messradius von 25 m die notwendige automatisierte spiralfoumlrmige Bewegung eines Photometers bzw eines Dreibereichsfarbmess-kopfes Fuumlr die Lichtstrom-Kalibrierungen von Kleingluumlhlampen aber auch von zunehmend nachgefragten Messungen an LEDs wurde schon in den fruumlhen 1980er Jahren ein sogenanntes Mini-Goniophotometer ebenfalls als Kardan-

Goniophotometer mit nur 03 m Messradius entwickelt und eingesetzt Dieser Entwicklungs-prozess haumllt an und ermoumlglicht heute die Kalibrie-rung auch modernster LED-Lichtquellen Im Jahr 2006 wurde das erste Roboter-Goniophotometer im neuen Albert-Einstein-Gebaumlude der PTB in Betrieb genommen und ermoumlglicht seitdem die Kalibrierung nahezu beliebiger Lichtquellen mit der noumltigen kleinen Messunsicherheit

1 Einfuumlhrung

Mehr als 11 der elektrischen Energie werden heute in Deutschland fuumlr Beleuchtung einge-setzt Tendenz steigend Daher ist der Lichtstrom oumlkonomisch gesehen die wichtigste photometri-sche Groumlszlige Es ist notwendig seine Einheit das Lumen (lm) direkt von der SI-Basiseinheit fuumlr die Lichtstaumlrke der Candela (cd) abzuleiten Dies geschieht regelmaumlszligig mittels Goniophotometrie um den Lichtstrom der zu untersuchenden Licht-quelle zu bestimmen Obwohl auch absolut arbei-tende Ulbricht-Kugel-Methoden existieren [1] benoumltigen diese streng genommen zumindest die relative raumlumliche Lichtstaumlrkeverteilung welche nur durch goniophotometrische Methoden messbar ist

Das Prinzip der Goniophotometrie ist unabhaumln-gig von der technischen Realisierung der unter-schiedlichen Goniophotometertypen Ein Gonio-photometer misst die raumlumliche Verteilung der Beleuchtungsstaumlrke E(r ϑ φ) auf einer geschlosse-nen Huumlllflaumlche mittels V(λ)-angepasstem Pho-tometer fuumlr alle Richtungen (ϑ φ) der Lichtaus-strahlung im vollen Raumwinkel (4π sr) um die Lichtquelle herum wie Bild 1 zeigt

Der Radiusvektor r(ϑ φ) beschreibt die Position des Photometers in Kugelkoordinaten und r(ϑ φ) durchstoumlszligt das zur Lampe gerichtete Eintrittsfens-ter immer orthogonal Der Radiusvektor r(ϑ φ) beschreibt auch die Entfernung zwischen Lampe und Photometer

Der Winkel ϑ beschreibt die Position des Photometers zwischen den Polen traditionell im Bereich (0 lt ϑ lt π) Der Winkel φ beschreibt die Photometer-Position in der Aumlquator-Richtung

Matthias Lindemann Arbeitsgruppe bdquoGoniophotometrieldquo EshyMail matthiaslindemannptbde

Bild 1 Beleuchtungsstaumlrke E als Funktion des Radiusvektors r(ϑ φ)

19

PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4 Kurze Geschichte der Goniophotometrie in der PTB

(0 lt φ lt 2π) Der Wert des Lichtstroms Φ der Lampe kann aus der Beleuchtungsstaumlrkeverteilung E(ϑ φ) berechnet werden entweder aus der Licht-staumlrkedefinition I = dΦdω oder aus der Defini-tion der Beleuchtungsstaumlrke E = dΦdΑ

Φ = ( )int I ϑ ϕ ω4πsr

d (1)

Φ = ( )int E Ar

ϑ ϕ4 2π

d (2)

Das Raumwinkelelement dω der Gleichung (1) ist gegeben durch

d sin d dω ϑ ϑ ϕ= ( ) (3)

und das Flaumlchenelement dA der Gleichung (2) erhaumllt man aus

d sin d dA r= ( ) ( )2 ϑ ϕ ϑ ϑ ϕ

(4)

Der Radius r des Radiusvektors r(ϑ φ) kann als Konstante behandelt werden da er sich gewoumlhn-lich waumlhrend einer goniophotometrischen Messung nicht aumlndert Dann kann die Lichtstaumlrke-verteilung I(ϑ φ) durch Anwendung des photome-trischen Grundgesetzes aus der Beleuchtungsstaumlr-keverteilung E(ϑ φ) bestimmt werden

I r Eϑ ϕ ϑ ϕ ( ) = ( )2 (5)

Falls die photometrisch wirksame Ausdehnung rL der zu messenden Lampe deutlich kleiner ist als der Messradius r des Goniophotometers ist kann Gleichung (1) mit Gleichung (3) und r = const wie folgt geschrieben werden

Φ = ( ) ( )intintr E2

00

2

d sin dϕ ϑ φ ϑ ϑππ

(6)

Andererseits fuumlhrt Gleichung (2) mit Glei-chung (4) und r = const ebenfalls auf Gleichung (6) Aber fuumlr groszlige Lampen koumlnnte die Anwen-dung von Gleichung (5) zu fehlerhaften Ergeb-nissen fuumlhren (rL gt r) aber der ermittelte Wert des Lichtstroms entsprechend Gleichung (6) waumlre korrekt falls das Photometer das einfallende Licht mit dem Kosinus des Einfallswinkels bewertet

2 Geschichte der Goniophotometer- Systeme in der PTB

Wie bereits teilweise in Abschnitt 1 diskutiert sollte ein ideales Goniophotometer eine Reihe von Anforderungen erfuumlllen wie die folgende Auflis-tung zeigt

1 Kalibrierung der Photometer mittels Licht-staumlrke-Normallampen zur Sicherung der Ruumlckfuumlhrung auf die nationale Realisierung der Einheit Candela

2 Ausfuumlhrung einer Relativbewegung zwischen Lampe und Photometer wobei sich ϑ-Achse und φ-Achse rechtwinklig schneiden

3 Verwendung eines V(λ)-angepassten Photo-meters zur Lichtstrommessung

4 Automatische Messdatenanalyse5 Unabhaumlngige Bestimmung des Lichtstromwer-

tes von der raumlumlichenspektralen Verteilung der gemessenen Bestrahlungsstaumlrke Ee(λ ϑ φ) des Lichts

6 Unabhaumlngigkeit der Empfindlichkeit des Pho-tometers von der Umgebungstemperatur bzw Durchfuumlhrung einer entsprechenden Korrektur

7 Beliebige Betriebslage der zu untersuchenden Lampe

8 Einstellbare Umgebungsbedingungen fuumlr Luft-temperatur und Luftfeuchte

9 Geringer Streulichtanteil im Messraum bzw Streulicht-Korrektur

10 Elektrische Antriebe fuumlr die Bewegung der ϑ- und φ-Achsen

11 Verwendung von Farbmesskoumlpfen zur Bestim-mung der raumlumlich wirksamen aumlhnlichsten Farbtemperatur undoder Bestimmung der relativen raumlumlichen spektralen Verteilung der gemessenen Bestrahlungsstaumlrke

12 Messung ohne Bewegung der zu untersuchen-den Lampe

13 Vollstaumlndige Abtastung der Beleuchtungs-staumlrke- bzw Lichtstaumlrkeverteilung der zu untersuchenden Lampe

14 Staumlndige Uumlberwachung des photometrischen Betriebsverhaltens der Lampe um Alterung waumlhrend der Messzeit erkennen bzw korrigie-ren zu koumlnnen (sogenanntes Monitorsystem)

15 Messraumwaumlnde sollen etwa auf Lufttem-peratur sein um den Strahlungsaustausch zwischen Entladungslampen und Waumlnden des Messraums zu stabilisieren

16 Online-Streulichtkorrektur ndash insbesondere fuumlr ausgedehnte Lampen wie Leuchtstofflampen da diese den Einsatz eines Streulichttubus mit groumlszligerem Gesichtsfeld erfordern

17 Die Beleuchtungseinrichtung des Gonio-photometerraums soll zur Messzeit abgedeckt und ausgeschaltet sein um den Streulichtan-teil nicht zu erhoumlhen

18 Variation des Messradius r (Validierung von Nahfeld-Fernfeld-Messungen mit abbilden-den Systemen)

In der Goniophotometrie sind verschiedene Koor-dinatensysteme wie Bild 1a zeigt zu unterscheiden Dies sind regelmaumlszligig das Lampenkoordinatensys-tem Lamp das Raumkoordinatensystem Room und

20

PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4Das Jahr des Lichtes

das Goniophotometerkoordinatensystem bezogen auf dessen Zentrum Center Bild 1a zeigt moumlgliche Offsets zwischen diesen Systemen in Translation und Rotation

Um folgende Betrachtungen und Erklaumlrungen zu vereinfachen werden die genannten Koordina-tensysteme als deckungsgleich angenommen das heiszligt es werden keine Offsets in Translation und Rotationen zwischen den Koordinatensysteme vorausgesetzt

Im Weiteren werden die Eigenschaften Vor- und Nachteile der uumlber Dekaden in der PTB entwi-ckelten und genutzten Goniophotometer unter Beruumlcksichtigung der gewuumlnschten vorstehend gelisteten Eigenschaften diskutiert Es beginnt mit einem einfachen Einarm-Goniophotometer aus den 50er-Jahren des vergangenen Jahrhunderts und endet zumindest vorlaumlufig mit dem State-of-the-art-Roboter-Goniophotometer das 2007 in Betrieb ging

21 Einarm-Goniophotometer (1950ndash1975)

In der Zeit von 1950 bis 1975 wurde ein manuell betriebenes Einarm-Goniophotometer nach Bild 2 benutzt In den 50er-Jahren war diese Messappara-tur noch mit einem visuellen Photometer ausge-stattet Dieses Photometer erlaubte die relative Messung von Beleuchtungsstaumlrken mittels einer im Photometer installierten Hilfslampe in Verbindung mit einem optischen Abschwaumlcher [2 Seite 321] Die Ruumlckfuumlhrung auf die nationale Lichtstaumlrke-Einheit die Candela war durch Kalibrierung des visuellen Photometers mit Lichtstaumlrke-Normal-lampen sichergestellt (dies erfuumlllt Anforderung 1 der Anforderungsliste) entsprechend basieren auch Abstandsmessungen auf der nationalen Laumln-geneinheit dem Meter

Wegen der Lageabhaumlngigkeit der internen Hilfs-lampe im Innern des visuellen Photometer war es an einer festen Stelle der Messapparatur ange-bracht wie Bild 2 zeigt Ein Spiegel-Prismen-Sys-tem leitete das Licht der zu untersuchenden Lampe auf das Photometer Eine detaillierte Beschreibung aumlhnlicher Systeme kann [2 Seite 319] entnommen werden Damit ist Anforderung 2 ebenfalls erfuumlllt

Die vollstaumlndige Bestimmung des Lichtstroms Φ erfordert eine groumlszligere Anzahl Messungen von Beleuchtungsstaumlrken fuumlr ebenso viele manuell eingestellte unterschiedliche Kugelkoordina-ten (ϑ φ) Wird die fiktive Kugel gemaumlszlig Bild 1 in ϑ-Richtung in parallele Zonen eingeteilt und jede dieser Zonen i ist wiederum in n Sektoren j gleicher Laumlnge (Δφ = const) mit den zugehoumlrigen Beleuchtungsstaumlrken Eij unterteilt ist es moumlglich die mittlere Beleuchtungsstaumlrke Endashi jeder Zone i nach Gleichung 7 zu bestimmen

E Ei n i jj

n

==sum1

1 (7)

und der Wert des Lichtstroms Φ ergibt sich weiter aus der numerischen Integration nach Gleichung (8)

Φ = ( )minus ( )( )+

=sum2 2

10

1

πr cos cosϑ ϑi ii

m

iE-

(8)

Die Anzahl der notwendigen Beleuchtungsstaumlr-kemessungen haumlngt von der raumlumlichen Lichtver-teilung der zu untersuchenden Lampe ab Wegen der manuellen Einstellung des groszligen Arms (ϑ) der Drehung der Lampe (φ) und des gleichfalls noumltigen manuellen Abgleichs des visuellen Pho-tometers ist diese Methode sehr zeitaufwendig Sollen beispielsweise 600 Punkte gemessen werden (aus heutiger Sicht also nicht besonders viele) und man benoumltigt ca 25 Sekunden pro Messung werden also mehr als 4 Stunden benoumltigt um eine

Bild 1a Koordinatensysteme

Bild 2 Einarm-Go-niophotometer 1950ndash1975

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PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4 Kurze Geschichte der Goniophotometrie in der PTB

Lampe mit relativ homogener raumlumlichen Licht-verteilung zu messen

In 1963 wurde ein internationaler Lichtstrom-vergleich auf der Basis von Entladungslampen ohne Fluoreszenzstoff durchgefuumlhrt Diese Lampen wiesen eine massive Inhomogenitaumlt ihrer raumlumlichen Lichtverteilung auf sodass die beschriebene manuelle Methode wegen der noumltigen hohen Anzahl von Messpunkten nicht praktikabel war Zur Loumlsung dieses Problems in [3] beschrieben wurde das visuelle Photometer durch einen grob an V(λ)-angepassten Photover-vielfacher ersetzt zusaumltzlich wurde die φ-Achse mit einem elektrischen Antrieb versehen und ein Praumlzisionskondensator ermoumlglichte die analoge Integration des Photostroms des Photovervielfa-chers Damit konnte fuumlr jede der erforderlichen ϑ-Einstellungen des groszligen Arms der elektri-sche Antrieb der φ-Achse diese mit konstanter Winkelgeschwindigkeit rotieren lassen waumlhrend der Praumlzisionskondensator den Photostrom des Photovervielfachers integrierte Nach etwa t = 5 min fuumlr eine Umdrehung repraumlsentierte die Ladung Q = C middot U des Praumlzisionskondensators die mittlere Beleuchtungsstaumlrke

E k C Uti = sdot (9)

dieser gemessenen Zone i Daraus berechnet sich der Lichtstrom wiederum gemaumlszlig Gleichung (8) Es ist nicht noumltig das Produkt k ∙ C exakt zu kennen da dies uumlber das Kalibrierverfahren durch die bekannte Beleuchtungsstaumlrke einer Lichtstaumlrke-Normallampe eliminiert werden kann es muss lediglich uumlber die gesamte Messzeit hinweg kons-tant sein

Spaumlter in den 1960er-Jahren wurde auch das visuelle Photometer durch ein modernes V(λ)-angepasstes Photometer basierend auf gefilterten Silizium-Photodioden in Kombination mit einen PhotostromSpannungswandler und einem xy-Plotter ersetzt Man erhielt so die Beleuchtungs-staumlrkeverteilung jeder Zone die sich dann leicht mit grafischen oder numerischen Verfahren inte-grieren lieszlig Es wird spaumlter gezeigt werden dass diese verwendete bdquoanaloge Zonenintegrationldquo sehr aumlhnlich der heutigen digitalen zonalen Bewertung ist

Diese letzten 2 Verbesserungen erfuumlllen die Anforderung 3 und teilweise auch die Anforde-rung 4

22 Kardan-Goniophotometer (1976ndash2007)

Das existierende Einarm-Goniophotometer war immer auf eine bdquohelfende Handldquo angewiesen um es von Punkt zu Punkt zu bewegen Die anschlie-szligende Berechnung des Lichtstroms wurde grund-saumltzlich ebenfalls haumlndisch ausgefuumlhrt Dieses Ver-

fahren war dementsprechend sehr zeitaufwendig und der zunehmende Wunsch der Industrie auch groszlige Objekte wie z B lange Leuchtstofflampen aber spaumlter auch sehr kleine Mikrolampen und erste LEDs zu kalibrieren fuumlhrte zur Entwicklung sogenannter Kardan-Goniophotometer ver schie-dener Ausfuumlhrungen

221 Groszliges Kardan-Goniophotometer

Nach der intensiven Umgestaltung einiger Raumlume im Koumlsters-Bau der PTB war es moumlglich im neuen Goniophotometerraum (7 x 10 x 8 m3) das Kar-dan-Goniophotometer [4] zu installieren Bild 3 zeigt das groszlige Kardan-Goniophotometer Am Bildoberrand ist eine zu kalibrierende stabfoumlrmige Leuchtstofflampe zu sehen

Dieser Raum war zusaumltzlich auch mit einer geregelten elektrischen Heizung ausgestattet um die geforderten Messbedingungen bezuumlglich Umgebungstemperatur einstellen zu koumlnnen Im Prinzip besteht ein Kardan-Goniophotometer wie in Bild 4 gezeigt aus 3 Rahmen wobei der aumluszligere α-Rahmen der raumlumlichen Ausrichtung (durch Drehung um die y-Achse) der zu untersu-chenden Lampe dient Innerhalb dieses aumluszligeren α-Rahmens ist der mittlere φ-Rahmen endlos drehbar um die z-Achse gelagert Der innere ϑ-Rahmen ist wiederrum drehbar im φ-Rahmen gelagert jedoch ist seine Bewegung auf knapp 180deg durch den noumltigen Lampenhalter begrenzt Alle 3 Rahmen sind mechanisch ausgeglichen und mit elektrischen Antrieben versehen Ihre Rotationsgeschwindigkeiten waren per 10-Gang-Praumlzisionspotentiometer einstellbar eine Folge der angewandten analogen Regelung der Achsan-triebe Die Winkelbestimmung der Achsen erfolgte mittels 13-bit-Winkelencodern Das Photometer war am ϑ-Rahmen (Bild 4) platziert und ermoumlg-lichte so einen festen Messradius von 2500 mm Es bestand die Moumlglichkeit ein zweites Photometer

Bild 3 Kardan-Goniophotometer 1976ndash2007

22

PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4Das Jahr des Lichtes

oder einen Farbmesskopf auf der gegenuumlberliegen-den Seite des ϑ-Rahmens einzusetzen

In diesem Fall war der Arbeitsbereich limitiert im Bereich 4deg lt ϑ lt 176deg da jeweils Lampenhalter von rechts und links zur Aufnahme einer beispiels-weise stabfoumlrmigen Leuchtstofflampe eingesetzt werden konnten (siehe auch Bild 3) Im Falle von einseitig gesockelten Lampen wurde meist nur ein PhotometerFarbmesskopf verwendet was eine Drehung der gegenuumlberliegenden Messkopf-aufnahme um 90deg ermoumlglichte Diese sogenannte bdquoKroumlpfungldquo lieszlig dann Raum fuumlr den nun einseiti-gen Lampenhalter und der Arbeitsbereich vergrouml-szligerte sich zu 0deg lt ϑ lt 176deg

Entsprechend der Gleichung (6) muss die gemessene Beleuchtungsstaumlrkeverteilung uumlber den vollen Raumwinkel 4π sr zum Wert des Licht-stroms integriert werden So ist es naheliegend digitale uumlber die Zeit integrierende Methoden zur Erfassung und Speicherung der gemessenen Beleuchtungsstaumlrkewerte zu verwenden Bild 5 zeigt den Signalfluss Sowohl Photometer- undoder Farbmesskopf als auch Photostrom-Fre-

quenz-Wandler waren temperaturstabilisiertDer Photostrom des Photometers mit seiner

photometrischen Empfindlichkeit s normalisiert auf die CIE-Lichtart A wird mittels Ruumlckkopp-lung Rg eines Photostromverstaumlrkers in eine Spannung U gewandelt und weiter durch einen Spannungs-Frequenzwandler in eine Frequenz f mit dem zugehoumlrigen Wandlungsfaktor wf kon-vertiert Diese Frequenz wird letztlich von einem digitalen Zaumlhler kontinuierlich gezaumlhlt Simultan wird die Quarz-Frequenz fq durch einen zweiten digitalen Zaumlhler erfasst um waumlhrend der spaumlteren Datenanalyse die urspruumlnglichen Photostroumlme berechnen zu koumlnnen Diese Methode stellt damit die schon erwaumlhnte Signal-Zeit-Integration sicher

Die die zu untersuchende Lampe umgebene fiktive Kugel ist wie Bild 5 zeigt in Zonen und Sektoren unterteilt Infolge der analogen Geschwindigkeitsregelung der zwei bewegten Rahmen sind positive und negative Beschleu-nigungsphasen am Anfang und am Ende einer vollstaumlndigen Abtastung und Lastreaktionen des rotierenden Systems und die damit verbundenen geringen Gleichlaufschwankungen unvermeid-bar Die Unterteilung jeder Zone in Sektoren mit der Laumlnge Δφj als Gewichtung reduziert jedoch diesen Einfluss Damit berechnet sich die mittlere Beleuchtungsstaumlrke Endashi nach Gleichung (10)

Es w R

fyt

fjj

ni j

i j=

sdot sdot sdot( )sdot sdot minus

=sum1

2 10

πϕ

f gq∆∆

∆

(10)

mit der Dunkelfrequenz f0 (Photometer abgeschat-tet) und den Differenzsignal-Zaumlhlungen Δyi j und den Differenzzeit-Zaumlhlungen Δti j jeweils vom Sek-toranfang bis zum Sektorende Wiederum koumlnnte der Lichtstrom nach Gleichung (8) bestimmt werden jedoch werden jetzt noch Korrekturfakto-ren fuumlr das Streulicht cstr der spektralen Fehlanpas-sung des Photometers cspec und Abweichungen von den nominalen elektrischen Betriebsbedingungen celec eingefuumlhrt wie nun Gleichung (11) zeigt

Φ = sdot sdot sdot sdot minus( ) sdot+=

minus

sumc c c r Ei ii

m

istr spec elec cos cos2 21

0

1

π ϑ ϑ

(11)

Im Verlauf einer Lichtstrommessung werden neben dem Photometer auch die Waumlnde des Messraums von der zu untersuchenden Lampe beleuchtet Diese Beleuchtung wird ebenfalls vom im Goniophotometer verwendeten Photometer bdquogesehenldquo und fuumlhrt zu einer Streubeleuchtung auf dem Lichteintrittsfenster dieses Photome-ters Diese Streubeleuchtung haumlngt einerseits vom Reflexionsgrad der verwendeten Wandfarbe (ρ asymp 3 ) und vom Gesichtsfeld des sich vor dem

Bild 4 Groszliges Kardan-Goniophotometer 1976ndash2007

Bild 5 Signalfluss

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PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4 Kurze Geschichte der Goniophotometrie in der PTB

Photometer befindlichen Streulichtreduzierungs-tubus ab Daher muss fuumlr jeden eingesetzten Tubus mit seinem individuellen Gesichtsfeld der wirksame spezifische Streulichtkorrekturfaktor cstr bestimmt werden Diese koumlnnen ermittelt werden indem Blenden mit unterschiedlichen Durchmes-sern zwischen der zu untersuchenden Lampe und dem Photometer waumlhrend normalen Lichtstrom-messungen positioniert werden Eine detaillierte Beschreibung kann [5] entnommen werden

Die technische Realisierung eines Photometers ist immer nur eine Naumlherung fuumlr V(λ) Dies bedeu-tet dass im Prinzip in allen Faumlllen diese spektrale Fehlanpassung korrigiert werden muss Allgemein kann der spektrale Korrekturfaktor cstr fuumlr alle Lampen mit beliebiger Strahlungsfunktion S(λ) nach Gleichung (12) bestimmt werden

cV S

s S

V P T

s Pspek

rel

A

rel

d

d

d=

( )sdot ( )( ) sdot ( )

( ) sdot ( )( ) sdot

intint

intint

λ λ λ

λ λ λ

λ λ λ

λ

λλ λTA d( )

(12)

Hierzu ist jedoch die Kenntnis der relativen spektralen Empfindlichkeit srel(λ) des Photome-ters notwendig P(λ TA) bezeichnet dabei einen Planckstrahler mit einer Verteilungstemperatur von TA = 2856 K

Im Fall von Gluumlhlampen ist ein etwas einfache-rer Weg fuumlr diese Korrektur ohne die Kenntnis von srel(λ) moumlglich Gleichung (13) beschreibt die Abhaumlngigkeit der Beleuchtungsstaumlrke E(T) von der Verteilungstemperatur T

E Ty T

sTT

m

( ) = ( )

A

y

(13)

eines gemessenen Photostroms y(T) und der pho-tometrischen Empfindlichkeit s des Photometers fuumlr Lichtart A Eine charakteristische Eigenschaft des Photometers ist der Exponent my bdquoyldquo indiziert den Exponent fuumlr ein V(λ)- angepasstes Photome-ter oder den y-Kanal eines Dreibereichsfarbmess-kopfes wobei die anderen Kanaumlle unterschiedliche Werte fuumlr diese Exponenten haben Ein ideales Photometer wuumlrde einen Wert von 0 fuumlr diese Exponenten aufweisen Beispielsweise beschreibt my = 0018 ein qualitativ durchaus gutes Photo-meter Der Exponent my (und auch mx und mz) koumlnnen aus einem Fit bekannter Paare (E(T) T) einer Lichtstaumlrke-Normallampe bei verschiedenen Arbeitspunkten wie in [6 7] beschrieben gefun-den werden Damit kann der Korrekturfaktor cspec fuumlr Gluumlhlampen wie folgt geschrieben werden

c TT

my

specA

=

(14)

Werden Gluumlhlampen in der Naumlhe von CIE-Licht-art A betrieben ist die Korrektur auf elektrische Nominalbedingungen celec ebenfalls nach Glei-chung (15) sehr einfach da der Lichtstrom eine Funktion des Betriebsstroms J ist

c JJ

m

elec

J

=

minus

0 (15)

Hier ist J0 der Nominalstrom und mJ cong 684 Mehr Information kann in [7] gefunden werden

Die Datenanalyse fuumlr einen Dreibereichsfarb-messkopf erfolgt in gleicher Weise und man erhaumllt die Normfarbwertanteile (x y) aus den Gleichun-gen (16 17)

x =+ +Φ

Φ Φ ΦX

X Y Z (16)

y =+ +Φ

Φ Φ ΦY

X Y Z (17)

Leider konnten nur der Lichtstrom und die zuge-houmlrigen Normfarbwertanteile bestimmt werden da aufgrund der geringen Speichermoumlglichkeit der verwendeten Computertechnik die raumlumliche Information verlorenging

Daher wurden im Jahre 1991 alle Computer Analogsysteme die Verdrahtung und viele weitere Elemente durch moderne Ausruumlstung ersetzt Von nun an konnten alle Rohdaten mittels geeigneter Speichermedien dauerhaft bewahrt werden Das galt auch fuumlr groszlige Datenmengen des ab 1997 eingesetzten Array-Spektrometers zur Messung der relativen spektralen Leistungsverteilung der Strahlung synchron zur Lichtstrombestimmung Leider wiesen Photometer und Einkoppeloptik des Array-Spektrometers unterschiedliche Gesichtsfel-der auf und hatten etwas unterschiedliche Positi-onen auf dem Goniophotometer was die Daten-analyse komplizierte Dennoch konnten erstmalig raumlumliche spektrale Informationen uumlber zu untersuchende Lampen ermittelt werden Damit erfuumlllte das groszlige Kardan-Goniophotometer in seiner Ausbaustufe von 1997 die Anforderungen 1ndash14 aus Abschnitt 2 Die relative erweiterte Mes-sunsicherheit fuumlr den Lichtstrom fuumlr k = 2 betrug jetzt 060

222 Kleines Kardan-Goniophotometer

Fuumlr die Messung kleiner Lampen und LEDs wurde in den fruumlhen 1980er-Jahren ein dem groszligen Kardan-Goniophotometer sehr aumlhnliches kleines Kardan-Goniophotometer mit einem Messra-dius von nur 300 mm entwickelt hergestellt und

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PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4Das Jahr des Lichtes

betrieben Das Foto in Bild 6 zeigt dieses seinerzeit sogenannte bdquoMini-Goniophotometerldquo

Die Messtechnik entsprach nahezu vollstaumln-dig dem groszligen Kardan-Goniophotometer bis hin zum Signalfluss einschlieszliglich Spannungs-Frequenzwandler und nachgeschalteten Zaumlhlern Damit sind alle Aspekte dieser Apparatur bereits in Abschnitt 221 diskutiertIm Jahre 2007 wurde dieses Instrument durch ein spezielles Goniophotometer fuumlr die Messung von LEDs ersetzt siehe auch Kapitel Metrologie fuumlr moderne Lichtquellen LEDs und OLEDs [10]

23 Roboter-Goniophotometer (2006 bis heute)

Am Ende der 1990er-Jahre wurde die Planung eines neuen Goniophotometertyps mehr und mehr konkret Nahezu gleichzeitig entschied sich die PTB fuumlr den Neubau eines modernen Gebaumludes fuumlr die Abteilung Optik dem heutigen Albert-Einstein-Bau Infolge dieses Zusammentreffens

beider Ereignisse konnte bei der Planung das neue Gebaumlude quasi um das neue Roboter-Goniopho-tometer herum geplant und spaumlter auch so gebaut werden

In 19951996 zeigte G Sauter dass Gonio-photometrie mittels Robotern moumlglich ist und erhebliche Vorteile gegenuumlber den bisher verwendeten Kardan-Goniophotometern auf-weist [8] Wie weiterhin in [8] beschrieben sind sogenannte Service-Roboter gut geeignet um ein Roboter-Goniophotometer zu realisieren Diese zeichnen sich durch eine schlanke Konstruktion mit langen Armen bei gleichzeitig relativ gerin-gem Gewicht aus Sie verfuumlgen uumlber eine hohe Flexibilitaumlt um beispielsweise ein Photometer auf gewuumlnschten Bahnen mit unterschiedlichen Radien (1000 mm lt r lt 3000 mm) auf der fiktiven Kugeloberflaumlche um die Lampe herumzufuumlhren Jeder Roboter verfuumlgt uumlber 7 Freiheitsgrade (engl seven degrees of freedom 7 DOF) Dies garantiert die notwendige Flexibilitaumlt und das erforderli-che Arbeitsvolumen Zur Abdeckung des vollen Raumwinkels 4π sr sind daher 2 der beschriebenen Roboter notwendig Ein dritter aumlhnlicher Roboter positioniert dabei die zu untersuchende Lampe in der gewuumlnschten Brennstellung im Raum Alle Roboter-Basen sind direkt mit dem Stahlbeton des Gebaumludes verbunden um eine langzeitstabile raumlumliche Positionierung der Roboter zu gewaumlhr-leisten Bild 8 zeigt das Roboter-Goniophotometer waumlhrend der Messung einer LED-Signalleuchte

Im Gegensatz zu Kardan-Goniophotometern ist der Messradius variabel in dem alle 7 Achsen in entsprechende Positionen gebracht werden Wegen der groszligen Redundanz eines 7-DOF-Roboters kann die Zielposition einschlieszliglich Orientierung durch eine sehr groszlige Anzahl unter-schiedlicher Einstellungen der 7 Achsen erreicht werden Daher wird eine Strategie benoumltigt um die jeweilige Achs einstellung zu finden Diese

Bild 6 Kleines Kardan-Goniophotometer 1982ndash2007

Bild 7 Arm des Roboter-Goniophotometers

Bild 8 Roboter-Goniophotometer 2006 bis heute

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PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4 Kurze Geschichte der Goniophotometrie in der PTB

Strategie ist relativ simpel Sie besagt dass alle Achseinstellungen derart gefunden werden dass saumlmtliche Bestandteile des Roboters einen maxi-malen Abstand zum Zentrum des Roboters haben sollen um das von der Roboterstruktur reflektierte Streulicht moumlglichst gering zu halten Eine beson-dere Software ist notwendig um alle Achswinkel ausgedruumlckt in counts jedes Winkelencoders fuumlr jede Achse zu bestimmen um die gewuumlnschten Kugelkoordinaten (r ϑ φ) anzufahren Waumlhrend der Messung der zu untersuchenden Lampe liest das Roboter-Kontrollsystem alle 10 ms diese counts jeder Achse und versucht jede Achse entsprechend diese Vorgabe einzustel-len Nach dieser Einstellung welche fuumlr alle 7 Achsen gleichzeitig erfolgt werden die Ist-Winkel jeder Achse wiederum in counts synchron gelesen und mit den zugehoumlrigen photo-metrischen Daten und elek trischen Daten des Lampenbetriebs in eine Datenbank gespeichert Prinzipiell ist der Signal-fluss dem des in Abschnitt 221 beschriebenen groszligen Kardan-Goniophotometers sehr aumlhnlich Aber es gibt ein zusaumltzliches wichtiges Element den sogenannten Zeitstempel Da ein weit verteiltes Datenerfassungssystem vorliegt wird ein Mecha-nismus zur Datensynchronisierung in Form eines 1-Mhz-Taktes verwendet Dieser ist im gesamten System verfuumlgbar Beim Messungsstart synchron gestartete Zaumlhler erlauben daher die spaumltere Synchronisierung aller angefallenen Daten Wie beschrieben ist die Position jeder Achse und damit die Position und Orientierung des Photometers das Ergebnis eines Regelprozesses Somit ist es not-wendig die tatsaumlchliche Position und Orientierung des Photometers aus den gespeicherten Daten der Winkelencoder zu berechnen

In der Robotik ist es uumlblich einen Roboter des

verwendeten Typs wie eine biegesteife mechani-sche Kette mit sogenannten Denavit-Hartenberg-Parametern (DH-Parameter) zu beschreiben [9] Die Tabelle 1 zeigt diese DH-Parameter am Beispiel des Roboters 1

Mit diesen Parametern und den aktuellen Winkeln θi fuumlr jede Achse ist die Berechnung der Position bzw Orientierung der siebten Achse in Basis-Koordinatensystem des Roboters moumlglich Hierzu werden 7 Matrizen nach Gleichung (18) ver-wendet Jede Matrize beschreibt die Position (blau) und Orientierung (gruumln) jeder einzelnen Achse

Die PositionierungOrientierung der Achse 7 ergibt sich aus dem Vektorprodukt T1 T2 T3 T4 T5 T6 T7

Um jedoch die Koordinaten in Bezug auf das Koordinatensystem der fiktiven Kugel zu erhalten muumlssen 2 weitere aumlhnliche Matrizen verwendet werden Die sogenannte Base Frame Matrix F beschreibt die Positionierung und Orientierung des Roboter-Koordinatensystems zum Koor-dinatensystem der fiktiven Kugel waumlhrend die Matrix W die Positionierung und Orientierung des Photometers zur Achse 7 beschreibt Nun laumlsst sich die Position und Orientierung des Photome-ters P im Koordinatensystem der fiktiven Kugel mit Gleichung (19) beschreiben

P = F T1 T2 T3 T4 T5 T6 T7 W (19)

axisi Δθi offset to rotation around Z-axis

αi rotation around X-axis

di

translation in Z-axis

αi

translation in X-axis

1 ndash1438deg 45024deg 0000 mm ndash0400 mm

2 191088deg ndash90026deg 2686322 mm 0696 mm

3 178585deg 89996deg 274088 mm 0781 mm

4 6229deg ndash90022deg 1410499 mm 0474 mm

5 ndash0141deg ndash89955deg 173036 mm ndash0779 mm

6 ndash0924deg 90032deg 1191007 mm 0223 mm

7 180443deg 90007deg 91130 mm 0000 mm

Tabelle 1 DH-Parameter von Roboter 1

T

a

i

i i i i i i i i i i i

=

+( ) minus +( ) +( ) +cos sin cos sin sin cos∆ ∆ ∆ ∆θ θ θ θ α θ θ α θ θ(( )+( ) +( ) minus +( ) +sin cos cos cos sin sin∆ ∆ ∆ ∆θ θ θ θ α θ θ α θ θi i i i i i i i i i ia (( )

00 0 0 1

sin cosα αi i id

(18)

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PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4Das Jahr des Lichtes

Bild 9 zeigt die Achsenkoordinatensysteme (17) das Base-Frame-Koordinatensystem und das Koordinatensystem des Photometers zur Achse 7 in schematischer Weise Das Koordinatensys-tem der fiktiven Kugel faumlllt mit dem Zentrum des Goniophotometers zusammen und wird mit Center bezeichnet P ist jetzt auf dieses Center-Koordinatensystem bezogen Zusaumltzlich ist eine typische Bahn eingezeichnet Wegen des aller-dings nicht dargestellten Lampenhalters ist diese Bahn im oberen Bereich verdichtet um eine Kollision mit dem Lampenhalter zu vermeiden Wie bereits erwaumlhnt setzt die Verwendung von Gleichung (19) einen biegesteifen Roboter voraus der in der Praxis nicht existiert P ist also von statischen Gewichtskraumlften des Roboters dyna-mischen Kraumlften infolge der Bewegung als auch von thermischen Laumlngenaumlnderungen uumlberlagert Daher muss Gleichung (19) um eine entspre-chende Korrektur C erweitert werden Glei-chung (20) zeigt nun das endguumlltige Modell zur Bestimmung von P

wobei C

t tT Rθ θ

θ θ1 7

1 7 dd

dd amb

diese finale Korrektur basierend auf den Winkeln θ1θ7 aller Achsen ihren zeitlichen Ableitungen

dd

dd

θ θ1 7

t t

und der Umgebungstemperatur Tamb beschreibt

Der letzte Parameter R steht fuumlr einen groszligen Datensatz und beschreibt Eigenschaften des Roboters wie Abmessungen Teilmassen usw Die Berechnung von C() ist aufwendig und wurde vom Hersteller des Roboters ausgefuumlhrt Aus Gruumlnden des Wettbewerbs muss diese Berechnung vertrau-lich behandelt werden und kann daher hier nicht veroumlffentlicht werden Jedoch kann die Wirkung von C() beispielhaft auf den Messradius mitgeteilt werden (siehe Bild 10)

Die noumltige Radiuskorrektur rcorr bewegt sich im Bereich ndash2 mm lt rcorr lt 3 mm je nach Position (θ φ) des Photometers Der Aumlquatorbereich benouml-tigt eine groumlszligere Korrektur infolge hier wirksamer groumlszligerer Zentrifugalkraumlfte als die Polregion Der Radius selbst laumlsst sich dann aus der Positionssub-matrix von P bestimmen

Der Signalfluss stimmt im Wesentlichen mit dem wie in Bild 5 gezeigt uumlberein Prinzipiell kann der Lichtstrom mit den Gleichungen (11) und (10) berechnet werden da aber nun 2 Photometer benutzt werden muss dies fuumlr jede Hemisphaumlre also fuumlr jeden Roboter separat geschehen Die Gleichungen (21) und (22) demonstrieren das

Bild 9 Koordinatensystem des Roboter-Gonio-photometers und Beispielbahn

P Ct t

T R F T T T T T T=

sdot sdot sdot sdot sdot sdot sdot sdotθ θ

θ θ1 7

1 71 2 3 4 5 6

dd

dd amb TT W7 sdot

(20)

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PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4 Kurze Geschichte der Goniophotometrie in der PTB

fuumlr Roboter 1 Der Radius r1i befindet sich dabei innerhalb der Summation von Gleichung (22) Das Roboter-Goniophotometer ist zusaumltzlich mit einem Monitorphotometer ausgeruumlstet Dieses Photometer wird waumlhrend der Messung nicht bewegt ist aber staumlndig von einem fixen Punkt aus auf die zu untersuchende Lampe gerichtet und erlaubt somit die Korrektur einer moumlglichen Alterung der Lampe waumlhrend des Messprozesses als Funktion der Zeit (cmon(t1i))

Es w R

fyt

fi jj

ni j

i j1

1 1 11

1

1

11 0

12

1

=

( )sdot minus

=sumπ

ϕf g

q∆∆

∆

(21)

Φ1 1 1 12

1 1 1 12= sdot sdot sdot sdot ( ) sdot minus( )+c c r c ti i i ii

str spec mon cos cosπ ϑ ϑ==

minus

sum sdot0

1

1

1m

iE

(22)

Roboter 2 wird in gleicher Weise behandelt und der Lichtstrom ergibt sich somit aus der Summe von Φ1 und Φ2 korrigiert mit dem elektrischen Korrekturfaktor celec aus Gleichung (15)

Φ Φ Φ= sdot +( )celec 1 2 (23)

Die Bestimmung der Streulichtkorrektur cstr unter-scheidet sich methodisch von jener des Kardan-Goniophotometers Es ist schwierig Blenden zwischen Photometer und Lampe zu positionieren wie in [5] beschrieben Hier wird die Streulicht-korrektur cstr direkt aus der Leuchtdichteverteilung auf den Waumlnden des Messraums bestimmt Mit der Kenntnis der geometrischen und photometrischen Eigenschaften des Raumes der raumlumlichen Licht-staumlrkeverteilung der Lampe und dem verwendeten Streulichttubus vor dem Photometer lieszlige sich die Streulichtkorrektur cstr berechnen Hier jedoch wird diese Korrektur mit sogenannten Back-Loo-king-Photometern bestimmt [11]

Bild 11 zeigt ein Foto der bdquoRoboterhandldquo mit mon-tiertem Photometer und Back-Looking-Photometer Letzteres ist ein wenig schraumlg ausgerichtet um nicht im Bereich des Schattenwurfs des Photome-ters auf den Waumlnden zu messen

Bild 12 zeigt beispielhaft eine typische in finite Flaumlchenelemente gerasterte Streulichtsituation im Goniophotometermessraum wie sie durch die zu untersuchende Lichtquelle generiert wird Dieses Beispiel arbeitet mit finiten Flaumlchen der Groumlszlige 05 m middot 05 m um die Flaumlchen sichtbar zu machen Zur realen Berechnung werden Flaumlchen der Groumlszlige 01 m middot 01 m verwendet Natuumlrlich ist der Streulichtanteil auf der aktiven Flaumlche des

Bild 10Wirkung der Radiuskorrektur

Bild 11 Photometer (links) und Back-Looking-Photometer (rechts)

Bild 12 Wirkung des Streulichts und seine Bestimmung

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PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4Das Jahr des Lichtes

Photometers eine Funktion des Gesichtsfeldes des jeweils verwendeten Streulichttubus vor dem Photometer Derzeit werden 2 Tuben je nach Groumlszlige der Lichtquelle mit Oumlffnungswinkeln von ca 15deg und ca 225deg verwendet Ihre typischen Korrekturwerte betragen etwa 09995 und 09990 Da jeder Messroboter mit diesem Back-Looking-Photometer ausgeruumlstet ist kann so der Streulicht-anteil fuumlr jedes Photometer bestimmt werden Da die Back-Looking-Photometer bdquoruumlckwaumlrtsldquo gerichtet sind wird also jeweils die Streulichtkorrektur fuumlr den gegenuumlberliegenden Messroboter bestimmt Damit ist es moumlglich den Wert des Lichtstroms mit zugehoumlriger Messunsicherheit zu bestimmen Tabelle 2 illustriert Ergebnisse einer vereinfachten Monte-Carlo-Simulation (MC) am Beispiel einer OSRAM-Wi4-Lichtstrom-Normallampe Ihre Lichtstaumlrkeverteilung ist in Bild 13 wiedergegeben

Die MC basiert auf den folgenden Gleichun-gen (24) Werte der wichtigsten Beitraumlge zur Mes-sunsicherheit koumlnnen der Tabelle 2 entnommen werden Eine detailliertere Beschreibung der Roboter und Analyse der Messunsicherheit kann [12] entnom-men werden

Bild 13 Raumlumliche Lichtstaumlrkeverteilung einer OSRAM-Wi4-Lichtstrom-Normallampe

Quantity Symbol Value Uncertainty Unit Sensitivity Contribution lm Relative contribution

Luminous responsivity 1 s1 3065E-10 9195E-13 A lxndash1 188E+12 173 000150

Luminous responsivity 2 s2 4111E-10 12333E-12 A lxndash1 143E+12 177 000153

Spectral matching exponent 1 m2 y 0021 0015 1 20 030 000026

Spectral matching exponent 2 m2 y 0036 0015 1 18 027 000023

CCT or distribution temperature T 2762 10 K 0012 012 000011

Uncertainty in r Δr 0000 00020 m 901 180 000156

Calibration factor for frequency F cFH 1000 00005 1 1141 057 000049

Calibration factor for frequency ƒ cFD 1000 00050 1 104 005 000005

Voltage to frequency converter 1 w1 f 500849 25 Hz Vndash1 0012 031 000027

Voltage to frequency converter 2 w2 f 500561 25 Hz Vndash1 00118 029 000026

Amplification gain 1 R1 g 1000E+09 99996 Ω 6223E-07 006 000005

Amplification gain 2 R2 g 9997E+08 99966 Ω 5430E-07 005 000005

Calibration factor for cmon ccm 1000 00005 1 1162 058 000050

Correction factor for stray light cstr 09995 00005 1 1134 057 000049

Luminous flux Φ 11541 327 00028

Tabelle 2 Unsicherheitsbudget

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PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4 Kurze Geschichte der Goniophotometrie in der PTB

Somit ergibt sich zurzeit eine erweiterte Mess-unsichert von 056 fuumlr k = 2 Dies entspricht etwa der Messunsicherheit welche mit dem groszligen Kardan-Goniophotometer erreichbar war Im Unterschied zum Kardan-Goniophotometer (fester Messradius) verfuumlgt das Roboter-Goniophotometer jedoch uumlber die noumltige hohe Flexibilitaumlt (z B durch Variation des Messradius) die noumltig ist um kuumlnftige Anforderungen erfuumlllen zu koumlnnen Eben diese hohe Flexibilitaumlt fuumlhrt bei der Bestimmung des Messradius zu relativ groszligen Messunsicherheiten Hier koumlnnte die Verwendung einer Lookup-Table oder eine On-Line-Verfolgung mittels Tracer-Syste-men der Bahnen diese Unsicherheit verkleinernMittlerweile ist das Roboter-Goniophotometer voll-staumlndig charakterisiert und wird fuumlr beleuchtungs-staumlrkebasierte Lichtstromkalibrierungen und auch fuumlr internationale Vergleiche eingesetzt Damit werden auch die Anforderungen (15ndash17) erfuumllltIm naumlchsten Schritt wird das Roboter-Goniopho-tometer mit Leuchtdichtemesskameras ausgeruumlstet

werden um es als bdquoNahfeld-Goniophotometerrdquo einzusetzen Es wird dann die direkte Messung der Leuchtdichteverteilung erlauben aus welcher nahezu alle noumltigen photometrischen Groumlszligen abgeleitet werden koumlnnen Dieser kuumlnftige Schritt wird dann auch den letzten Punkt (18) der Anfor-derungen erfuumlllen

3 Zusammenfassung

Die Geschichte der Goniophotometrie in der PTB uumlber einen Zeitraum von mehr als 50 Jahren wird praumlsentiert Verschiedene Goniophotometer ange-fangen vom manuell bewegten Einarm-Goniopho-tometer mit visuellem Photometer uumlber das groszlige und kleine Kardan-Goniophotometer bis hin zum bdquoState-of-the-art-Roboter-Goniophotometerldquo fuumlr das 21 Jahrhundert werden beschrieben Das Letztere hat das Potenzial in der traditionellen Betriebsart aber auch im Nahfeldmodus uumlber viele Jahre eingesetzt zu werden Neu aufkommende

Quantity Symbol Value Uncertainty Unit Sensitivity Contribution lm Relative contribution

Luminous responsivity 1 s1 3065E-10 9195E-13 A lxndash1 188E+12 173 000150

Luminous responsivity 2 s2 4111E-10 12333E-12 A lxndash1 143E+12 177 000153

Spectral matching exponent 1 m2 y 0021 0015 1 20 030 000026

Spectral matching exponent 2 m2 y 0036 0015 1 18 027 000023

CCT or distribution temperature T 2762 10 K 0012 012 000011

Uncertainty in r Δr 0000 00020 m 901 180 000156

Calibration factor for frequency F cFH 1000 00005 1 1141 057 000049

Calibration factor for frequency ƒ cFD 1000 00050 1 104 005 000005

Voltage to frequency converter 1 w1 f 500849 25 Hz Vndash1 0012 031 000027

Voltage to frequency converter 2 w2 f 500561 25 Hz Vndash1 00118 029 000026

Amplification gain 1 R1 g 1000E+09 99996 Ω 6223E-07 006 000005

Amplification gain 2 R2 g 9997E+08 99966 Ω 5430E-07 005 000005

Calibration factor for cmon ccm 1000 00005 1 1162 058 000050

Correction factor for stray light cstr 09995 00005 1 1134 057 000049

Luminous flux Φ 11541 327 00028

Φ = sdot

sdot

+ sdot sdotminus

c JJ

TT

r r c c tm

m

i i

y

strA

cm monj

0

12

1

1

( ) ∆ (( )sdot minus( ) sdotsdot sdot minus

+=

minus=sumsum

cos cosFH FD

ϑ ϑ

ϕ

1 1 10

1 11

11

1

i ii

m jj

n

i jc F c∆ sdotsdot( )sdot sdot

+

+ sdot sdot (

f

s w R

TT

r r c c tm

i i

y

1 0

1 1 1

22

2

2

( )

f g

Acm mon∆ ))sdot minus( ) sdot

sdot sdot minus sdot

+=

minus=sumsum

cos cosFH FD

ϑ ϑ

ϕ

2 2 10

1 11

22

2

i ii

m jj

n

i jc F c∆ ff

s w R

2 0

2 2 2

( )sdot sdot

f g

(24)

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PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4Das Jahr des Lichtes

Anforderungen fuumlr die Ruumlckfuumlhrung photome-trischer Einheiten wie beispielsweise im Solid-State-Lighting-Bereich koumlnnen so erfuumlllt werden

Literatur

[1] Y Ohno 1995 Realization of NIST Luminous Flux Scale Using an Integrating Sphere with an External Source CIE Proceedings 23rd Session New Delhi

[2] R Sewig 1938 Handbuch der Lichttechnik Band 1 pp 319 321 Berlin Springer Verlag

[3] D Foumlrste 1966 Zur Lichtstrommessung an Lam-pen mit ungleichmaumlszligiger Lichtverteilung PTB-Mitteilungen 166 pp 18ndash20 Braunschweig PTB

[4] D Foumlrste 1979 Ein Goniophotometer zur genauen Bestimmung des Lichtstroms Licht-Forschung 1 Jahrgang 379 pp 30ndash36 Heidelberg Huumlthig Verlag

[5] D Foumlrste 1980 Elimination des Fremdlichts bei der Lichtstrombestimmung mit dem Gonio-photometer Licht-Forschung 2 Jahrgang 180 pp 27ndash29 Heidelberg Huumlthig Verlag

[6] W Erb 1997 PTB Network for realization and maintenance of the candela Metrologia 3497 pp 115ndash124 Bristol UK

[7] G Sauter 1996 Kalibrierung von Lichtstaumlrke-Normallampen und Angabe der Messunsicherheit PTB interner Bericht Braunschweig PTB

[8] G Sauter 1996 Goniophotometry new calibra-tion method and instrument design Metrologia 32 (199596) pp 685ndash688 Bristol UK

[9] httpenwikipediaorgwikiDenavit-Hartenberg_Parameters (letzter Aufruf 03122015)

[10] M Lindemann 2009 Photometry and Colori-metry of Reference LEDs by Using a Compact Goniophotometer MAPAN ndash Journal of Metro-logy Society of India Vol 24 No 3 pp 143ndash152 New Delhi India

[11] G Bizjak 2009 Determination of Stray Light at the PTB Goniophotometer Facility MAPAN ndash Jour-nal of Metrology Society of India Vol 24 No 3 pp 163ndash173 New Delhi India

[12] M Lindemann et al 2015 Robot goniopho-tometry at PTB Metrologia 52 pp 167ndash194 Bristol UK

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PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4Das Jahr des Lichtes

1 Eine einleitende Beschreibung von Gluumlhlampen LEDs und OLEDs

Der Einsatz Licht Emittierender Dioden (LED) in der Allgemeinbeleuchtung hat in den vergangenen Jahren erheblich zugenommen Ein entscheiden-der Vorteil der LED gegenuumlber der traditionellen Gluumlhlampe liegt in ihrer uumlberlegenen Lichtaus-beute ηv ndash dem Verhaumlltnis des emittierten Licht-stroms Φv und der aufgenommenen elektrischen Leistung Pel angegeben in LumenWatt

Dieser Vorteil beruht auf den Unterschieden der zugrunde liegenden Technologien der Lichterzeu-gung beider Lampentypen Bei einer (Halogen-)Gluumlhlampe wird der Gluumlhfaden durch elektrischen Strom auf Temperaturen um 3000 K aufgeheizt Obwohl hierbei fast die gesamte elektrische Leis-tung in Strahlung umgewandelt wird ndash Verluste durch thermische Konvektion oder Waumlrmeleitung sind gering ndash kann das menschliche Auge lediglich einen geringen spektralen Anteil der ungefaumlhr 5 der Gesamtstrahlungsleistung ausmacht wahr-nehmen Der Groszligteil der Strahlungsleistung liegt im infraroten Spektralbereich und kann nicht fuumlr Beleuchtungszwecke genutzt werden In Bild 1 ist die spektrale Verteilung einer Gluumlhlampe bei einer Temperatur von 2856 K im Spektralbereich

von 300 nm bis 1200 nm dargestellt Das sichtbare Licht im Spektralbereich zwischen 360 nm und 830 nm ist mit den entsprechenden Spektralfarben hinterlegt Oberhalb 830 nm beginnt der fuumlr das menschliche Auge unsichtbare infrarote Anteil der Strahlung

Der fuumlr photometrische Messungen normativ festgelegte spektrale Hellempfindlichkeitsgrad V(λ) also die Hellempfindlichkeit des Auges eines bdquoNormalbeobachtersldquo ist mit seinem Maximum bei 555 nm schwarz eingezeichnet

Da die Gluumlhlampe eine thermische Strahlungs-quelle ist verschiebt sich mit zunehmender Tem-peratur die Lage des Strahlungsmaximums ent-sprechend des Wienschen Verschiebungsgesetzes zu kuumlrzeren Wellenlaumlngen Um die Lichtausbeute von Gluumlhlampen zu erhoumlhen muumlsste man das Strah-lungsmaximum durch Temperaturerhoumlhung in den kurzwelligeren Bereich des sichtbaren Lichts verschieben Die Maximaltemperatur ist jedoch bei Gluumlhfaumlden aus Wolfram auf etwa 3000 K begrenzt ndash bei houmlheren Temperaturen nimmt die Lebensdauer drastisch ab

Das Funktionsprinzip einer LED-Lichtquelle basiert auf dem Phaumlnomen der Elektrolumines-zenz Der prinzipielle Aufbau einer LED aumlhnelt einer pn-Halbleiterdiode Durch Anlegen einer Gleichspannung rekombinieren Ladungstraumlger in der p-n-Grenzschicht der Leuchtdiode unter Emission von Strahlung Durch gezielte Auswahl der verwendeten Halbleitermaterialien und ihrer Dotierung wird deren Bandluumlcke und somit die Farbe des emittierten Lichtes bestimmt Im Jahr 1992 gelang der Durchbruch in der Entwicklung hocheffizienter blauer LEDs die den Einsatz von LEDs zur Allgemeinbeleuchtung erst ermoumlgli-chen Die zugrunde liegenden Forschungsarbei-ten wurden 2014 mit dem Nobelpreis fuumlr Physik gewuumlrdigt [1]

Eine schmalbandige Lichtemission ist charak-teristisch fuumlr LEDs Dementsprechend verfuumlgt ihr Licht uumlber eine hohe Farbsaumlttigung Durch die Bedeckung des LED-Chips mit breitbandig pho-tolumineszierenden Farbstoffen wird ein Teil der Strahlung in energieaumlrmeres langwelligeres Licht konvertiert und es entstehen Mischfarben wie

Metrologie fuumlr moderne Lichtquellen LEDs und OLEDs Thorsten Gerloff

Thorsten Gerloff Arbeitsgruppe bdquoPhotometrieldquo EshyMail thorstengerloffptbde

Bild 1 Spektrale Verteilung einer Gluumlhlampe und spektraler Hellempfindlichkeitsgrad (V(λ)-Funktion)

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PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4 Metrologie fuumlr moderne Lichtquellen

i Infokasten LED

Lichtausbeute einer Strahlungsquelle ηv

Die Lichtausbeute einer Strahlungsquelle gibt das Verhaumlltnis aus ausgestrahltem Lichtstrom und aufgenommener elektrischer Leistung an Die Einheit ist LumenWatt (lmW) Je houmlher die Lichtausbeute ist umso energieeffizienter ist die Beleuchtung Gluumlhlampen besitzen Lichtausbeuten zwischen 10 und 20 lmW

Lichtstrom Φv

Der Lichtstrom beruumlcksichtigt den Hellempfind-lichkeitsgrad V(λ) des Auges und gibt die in alle Raumrichtungen abgegebene bdquoLichtleistungldquo einer Lampe an Der Lichtstrom enthaumllt keine Information daruumlber wie die Lampe das Licht im Raum verteilt Der Lichtstrom gibt an wie hell ein beleuchteter Raum dem Menschen erscheint

Spektraler Hellempfindlichkeitsgrad V(λ)

Der exakt definierte spektrale Hellempfindlich-keitsgrad V(λ) ist eine Bewertungsfunktion fuumlr elektromagnetische Strahlung Hiermit wird der bdquoHelligkeitseindruck eines menschlichen Durch-schnittsaugesldquo berechnet Dies ermoumlglicht den objektiven Vergleich von Lichtquellen mit physika-lischen Messmethoden Subjektive Wahrnehmun-gen einzelner Menschen koumlnnen damit nicht exakt wiedergegeben werden

Aumlhnlichste Farbtemperatur TN

Es gibt unterschiedliche Farbtemperaturen in der Photometrie Verhaumlltnis- und Verteilungstem-peratur sind nur bei thermischen Strahlern wie der Gluumlhlampe anwendbar Nur die aumlhnlichste Farbtemperatur (englisch Correlated Colour Temperature CCT) laumlsst sich fuumlr Lichtquellen mit beliebiger spektraler Zusammensetzung berech-nen sofern die Normfarbwertanteile aumlhnlich einem thermischen Strahler sind Die aumlhnlichste Farbtemperatur wird in der Einheit Kelvin (K) angegeben Sie gibt an ob das Licht warmweiszlig (ca 3000 K) neutralweiszlig (ca 4500 K) oder tages-lichtweiszlig (gt5500 K) erscheint

Normfarbwertanteile (x y)

Fuumlr die Angabe von Farbe gibt es neben dem spek-tralen Hellempfindlichkeitsgrad V(λ)noch weitere definierte Bewertungsfunktionen Hiermit laumlsst sich die Farbwahrnehmung eines fiktive Normalbeob-achters aus der gemessenen spektralen Verteilung des Lichts durch Angabe von nur zwei Werten (x und y) angeben Diese Werte geben die Koordi-naten auf der Normfarbtafel (s Abbildung) an

Normfarbtafel

Farbwiedergabeindex Ra

Der Farbwiedergabeindex ist eine Kennzahl fuumlr Lichtquellen der bewertet die Qualitaumlt der Farb-wiedergabe Je houmlher der Wert desto besser ist die Farbwiedergabe Der Maximalwert liegt bei 100 Werte zwischen 90 und 100 geben eine ausgezeich-nete Farbwiedergabe an Werte unter 80 sind fuumlr viele Anwendungen nicht ausreichend

Im Folgenden soll ein kleiner Leitfaden gegeben werden der in allgemeinverstaumlndlicher Form die grundlegenden Ideen wichtiger lichttechnischer Groumlszligen erlaumlutern soll Komplexe Details der zugrunde liegenden Normen und Definitionen werden hierbei nicht beruumlcksichtigt

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PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4Das Jahr des Lichtes

Pastellfarbtoumlne oder auch weiszliges LichtIn Bild 2 sind die spektralen Verteilungen einer

LED mit und ohne Leuchtstoff abgebildet In der linken Abbildung erkennt man die schmalbandige blaue Emission des LED-Chips In der rechten Abbildung wird ein Teil dieser Strahlung durch einen Leuchtstoff in laumlngerwelliges Licht konver-tiert und die Mischfarbe erscheint weiszlig

Der Vorteil einer LED gegenuumlber einer Gluumlh-lampe bezuumlglich der Lichtausbeute ist offensicht-lich Es wird ndash von unvermeidbarer thermischer Verlustleistung abgesehen ndash nur Strahlung im sichtbaren Wellenlaumlngenbereich emittiert Daruumlber hinaus ist die Farbe des Lichts von LEDs durch Kombination verschiedener Leuchtstoffe und LEDs nahezu beliebig einstellbar und man ist nicht auf aumlhnlichste Farbtemperaturen von ca 3000 K wie bei der Gluumlhlampe begrenzt

Allerdings gibt es auch Nachteile gegenuumlber dem Licht einer Gluumlhlampe Dem typischen Spektrum einer LED-Lichtquelle fehlen im Gegensatz zu Sonnenlicht oder Gluumlhlampenlicht einzelne Spekt-ralfarben Dies macht sich negativ bei der Qualitaumlt der Farbwiedergabe bemerkbar

Die Farbe des emittierten Lichts einer LED laumlsst sich durch additive Farbmischung sehr aumlhnlich zu Sonnenlicht oder auch Gluumlhlampenlicht einstellen Wenn jedoch Objekte mit Licht beleuchtet werden kommt es auch auf die spektrale Zusammensetzung des Lichts an Nehmen wir einen Blumenstrauszlig aus roten Rosen der im Tageslicht steht Im Son-nenlicht sind alle Spektralfarben vorhanden und diese beleuchten die Rosen Die roten Bluumltenblaumltter absorbieren einige spektrale Anteile des Lichts und reflektieren im Wesentlichen rotes Licht welches in das Auge des Betrachters faumlllt Wenn die Rosen von einer anderen Lichtquelle beleuchtet werden in der die roten Spektralanteile zumindest teilweise fehlen koumlnnen diese nicht reflektiert werden und die Farben der Rosen erscheinen unnatuumlrlich

Dies ist von weitreichender Bedeutung fuumlr die Wahl einer geeigneten Lichtquelle da wir einen Kompromiss aus Licht mit guter Farbwieder-gabe und hoher Lichtausbeute schlieszligen muumlssen Licht mit hoher Farbwiedergabe setzt sich aus moumlglichst vielen Spektralfarben zusammen und Lichtquellen mit hoher Lichtausbeute sollten nur Spektralfarben beinhalten fuumlr die das menschliche Auge besonders empfindlich ist In den Auszligenbe-zirken vieler Staumldte werden zur Nachtbeleuchtung der Gehwege haumlufig Natriumdampflampen mit orangefarbenem Licht eingesetzt Die Lichtaus-beute dieser Lampen ist mit etwa 150 lmW auszligerordentlich hoch da das menschliche Auge in diesem Spektralbereich sehr empfindlich ist Diese Beleuchtung ist jedoch ungeeignet um Farben natuumlrlich wiederzugeben Aufgrund des Aufbaus des menschlichen Auges ist es also nicht moumlglich eine Beleuchtung mit sehr hoher Qualitaumlt der Farbwiedergabe bei gleichzeitig sehr hoher Lichtausbeute zu realisieren

Weiszlige LEDs zur Allgemeinbeleuchtung nutzen in der Regel Leuchtstoffe die teilweise qualita-tiv hochwertige Farbwiedergabeeigenschaften besitzen Eine weitere Methode zur Erzeugung von weiszligem Licht ist das Mischen von rotem gruumlnem und blauem Licht (RGB-Verfahren) welches die Grundlage jedes Displays ist Hierbei sind neben weiszligem Licht auch andere Lichtfarben moumlglich ndash die Farbwiedergabeeigenschaften sind allerdings schlecht Fuumlr die Endverbraucher sind in der Regel die Farbwiedergabeeigenschaften von Lichtquellen als Ra-Werte auf der Verpackung angegeben

Organische Licht Emittierende Dioden (OLED) sind eine junge Beleuchtungstechnologie die noch keinen Zugang zum Massenmarkt erhalten hat Die weltweit erste kommerzielle OLED-Leuchte wurde 2008 vertrieben Der fuumlr den Nutzer wesentliche Unterschied zwischen OLEDs und LEDs besteht im Aufbau Der leuchtende Kristall

Bild 2 Spektrale Verteilung einer blauen LED (links) und einer weiszligen LED (rechts) bei der ein Teil des blauen Lichts zu gelbem Licht konvertiert wurde

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PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4 Metrologie fuumlr moderne Lichtquellen

anorganischer LEDs besitzt eine maximale Kan-tenlaumlnge von etwa einem Millimeter Bei OLEDs wird das Licht in groszligflaumlchigen amorphen organi-schen Schichten erzeugt Momentan sind OLEDs mit leuchtenden Flaumlchen von bis zu 20 x 20 cmsup2 erhaumlltlich Das Licht wird aumlhnlich wie bei LEDs durch Ladungstraumlgerrekombination unter Auftre-ten von Elektrolumineszenz erzeugt Dabei ist das Emissionsspektrum der verwendeten organischen Emittermaterialien wesentlich breitbandiger als das einer LED (vgl Bild 3) Daher wird das weiszlige Licht von OLEDs in der Regel durch Verwendung von roten gruumlnen und blauen Emittermaterialien erzeugt ohne dass die Farbwiedergabeeigenschaf-ten sehr stark darunter leiden

2 Entwicklung von (O)LED-Transfer-normalen in der PTB

Eine der Kernaufgaben der PTB ist die Weiter-gabe der gesetzlichen Einheiten Bis zum heuti-gen Tage bieten Transfernormale in Form von speziellen Gluumlhlampen die besten Eigenschaften um als Maszligverkoumlrperung der Einheiten Candela oder Lumen zu dienen Da der Anwender in der Regel jedoch die Substitutionsmethode bei seinen Messungen anwendet um notwendige Korrektu-ren auf ein Minimum zu reduzieren (Gleiches mit Gleichem vergleichen) sind auch Transfernormale auf Basis der LED-Technologie von Interesse

Bereits in den 80er-Jahren des vergangenen Jahr-hunderts wurden LEDs in der PTB kalibriert Diese waren fuumlr Beleuchtungszwecke noch ungeeignet und dienten lediglich als Signallampen Zeitgleich wurden die ersten PTB-LED-Transfernormale entwickelt deren optische Eigenschaften durch thermische Regelung des LED-Chips stabilisiert wurden Die mechanische Ausrichtung der LEDs leistet aufgrund des typischerweise stark gerichteten Abstrahlprofils der LEDs einen groszligen Beitrag auf die Messunsicherheit Daher werden die LEDs seit

2002 in ein rotationssymmetrisches robustes VA-Stahl-Gehaumluse eingebaut welches sich sehr repro-duzierbar ausrichten laumlsst (vgl Bild 4)

Diese Transfernormale werden unter Konstant-Strom-Bedingungen und ndash durch gezieltes Aufhei-zen des LED-Chips durch den Heizwiderstand ndash unter Konstant-Spannung-Bedingungen betrieben Aufgrund der halbleitenden Eigenschaften sinkt mit steigender Temperatur die Betriebsspannung und sowohl der Lichtstrom als auch die Peakwellenlaumlnge des emittierten Lichts veraumlndert sich Die Sollspan-nung wird auf einen Wert festgelegt der unterhalb der Gleichgewichtsspannung durch Eigenerwaumlr-mung im Betrieb ohne Heizwiderstand bei einer Umgebungstemperatur von etwa 35 degC liegt Somit ist auch ein Einsatz der Transfernormale in Laboren ohne Klimatisierung moumlglich

Fuumlr LEDs mit houmlheren Leistungen wurde im Jahr 2011 ein weiterer Prototyp eines Transfernormals vorgestellt (vgl Bild 5) Da die hier verwendeten LEDs eine houmlhere Leistungsaufnahme besitzen werden sie waumlrmer Das reduziert die Lebensdauer und Reproduzierbarkeit der photometrischen

Bild 3 Exemplarische spektrale Verteilung einer weiszligen OLED

Bild 4 Temperaturgeregeltes LED-Transfernormal auf Basis von Kleinleistungs-LEDs mit Lichtstroumlmen von bis zu 10 Lumen

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PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4Das Jahr des Lichtes

Groumlszligen deutlich Daher muumlssen sie gekuumlhlt werden Hierfuumlr kommt bei diesen Normalen ein Peltier-Element zum Einsatz welches geregelt Waumlrme in einen dahinterliegenden Kuumlhlkoumlrper leitet und hierdurch das emittierte Licht stabilisiert Diese Transfernormale zeichnen sich durch ein geringes

Gewicht bei einer Laumlnge von ca 100 mm und einem Durchmesser von etwa 20 mm aus Allerdings ist die Verwendung von LEDs mit sehr hohen Leistun-gen nicht moumlglich da die Abwaumlrme lediglich passiv an den Raum abgegeben wird Eine detaillierte Beschreibung der Eigenschaften dieses Transfer-normals wurde 2012 veroumlffentlicht [2]

Fuumlr die thermische Stabilisierung von LEDs mit sehr hohen Leistungen wurde ein weiteres Trans-fernormal unter Einsatz von Peltier-Elementen Heatpipes und aktivem Kuumlhlsystem in der PTB entwickelt (vgl Bild 6)

Im Rahmen des europaumlischen Forschungspro-jekts OLED100eu wurde in der PTB weiterhin das weltweit erste Transfernormal unter Einsatz einer organischen Leuchtdiode entwickelt (vgl Bild 7) Dieses Normal wurde fuumlr den Einsatz in einer Ulbricht-Kugel konzipiert und in ein mattes Aluminiumgehaumluse eingebaut Eine Besonderheit dieses Normals ist die Stand-Alone-Versorgungs-einheit die ohne Rechner o auml saumlmtliche relevan-ten elektrischen und thermischen Groumlszligen regelt und auf einem USB-Stick speichert

3 LED-Messtechnik in der PTB

Neben LED-Transfernormalen mit guter Reprodu-zierbarkeit ist eine hochentwickelte Messtechnik fuumlr deren Kalibrierung mit minimaler Messunsi-cherheit erforderlich

Die photometrische Beschreibung von LEDs erfolgt durch Angabe ihrer Lichtstaumlrke ILED mit der Einheit Candela und ihrem Lichtstrom ΦLED mit der Einheit Lumen Diese Groumlszligen werden in der PTB unter Verwendung ruumlckgefuumlhrter Photometer bestimmt Hierfuumlr wird die Beleuchtungsstaumlrke ELED unter definierten geometrischen Bedingungen fuumlr alle Abstrahlrichtungen der LED mit einem Goniophotometer gemessen

Fuumlr die Bestimmung der colorimetrischen Werte kommen Spektralradiometer zum Einsatz Hiermit werden spektrale Bestrahlungsstaumlrken gemessen und daraus die abgeleiteten colorime-

Bild 5 Temperaturgeregeltes LED-Transfernormal auf Basis von Hochleistungs-LEDs mit Lichtstroumlmen von bis zu 100 Lumen Im rechten Bild ist die Temperaturverteilung in Grad Celsius waumlhrend des Betriebs abgebildet

Bild 6 Temperaturgeregeltes LED-Transfernormal auf Basis von Houmlchstleistungs-LEDs mit Lichtstroumlmen von bis zu 2500 Lumen

Bild 7 Temperaturgeregeltes OLED-Transfernormal auf Basis kommerziell erhaumlltlicher OLEDs

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PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4 Metrologie fuumlr moderne Lichtquellen

trischen Kenngroumlszligen wie z B die Normfarb-wertanteile (x y) bei weiszligen LEDs die aumlhnlichste Farbtemperatur TN mit der Einheit Kelvin und bei farbigen LEDs die dominante Wellenlaumlnge λdom berechnet Grundlegende Informationen und Definitionen uumlber die photometrischen und colorimetrischen Groumlszligen und deren Messung sind in [3] [4] und [5] zu finden

In Bild 8 ist der Aufbau des LED-Messplatzes an der PTB zu sehen Fuumlr die Bestimmung der Mess-groumlszligen in alle raumlumlichen Abstrahlwinkel wird die LED durch ein Goniophotometer bewegt

Die LED wird in horizontaler Betriebslage zentrisch normal zur Referenzebene des Photo-meterkopfes ausgerichtet Ein Translationstisch ermoumlglicht dabei eine Variation des Abstandes d zwischen Photometer und LED Eine horizontale Rotationsachse (φ-Achse) und eine senkrechte Rotationsachse (ϑ-Achse) die sich an der LED-Spitze im rechten Winkel schneiden erlauben durch Drehung der LED eine Bestimmung der Beleuchtungsstaumlrke ELED in alle Raumrichtungen Beide Rotationsachsen werden waumlhrend der Messung zeitgleich bewegt Hierdurch bewegt sich die relative Position der lichtempfindlichen Emp-faumlngeroumlffnung bezuumlglich des Schnittpunkts beider Drehachsen auf der Oberflaumlche einer virtuellen Kugel entlang einer Spiralbahn von bdquoPol zu Polldquo dieser Kugel

Die Bestimmung des Lichtstroms ΦLED erfolgt analog der Beschreibung in dem Kapitel Kurze Geschichte der Goniophotometrie in der PTB Der wesentliche Unterschied zu goniophotome-trischen Messungen an Gluumlhlampen besteht darin dass bei LED-Messungen die Lichtquelle typischerweise bewegt werden kann ohne dass sich ihre optischen Eigenschaften aumlndernAufgrund des stetig wachsenden Bedarfs an ruumlck-gefuumlhrten Kalibrierungen von High-Power-LEDs sind Masse und Abmessungen der Transfernor-male erheblich gestiegen Daher wurde der Mess-platz 2015 um ein weiteres Goniophotometer fuumlr schwere und groszlige Objekte erweitert (vgl Bild 9)

Neben den photometrischen Empfaumlngern befinden sich auch Einkoppeloptiken fuumlr Spekt-ralradiometer auf dem drehbaren Empfaumlngerka-russell Alle Empfaumlnger lassen sich hiermit auto-matisiert waumlhrend einer Messung zu den LEDs ausrichten Vor jeder LED-Kalibrierung werden die Spektralradiometer bezuumlglich Ihrer spektralen Empfindlichkeit und Wellenlaumlnge kalibriert Die entsprechenden Normallampen befinden sich neben dem Empfaumlngerkarussell (vgl Bild 10) und ermoumlglichen so ebenfalls eine automatisierte Messung

Den spektralen Messungen an LEDs kommt neben der Notwendigkeit fuumlr die Bestimmung colorimetrischer Kennzahlen noch eine beson-dere Bedeutung fuumlr die photometrischen Messun-

Bild 9 Goniophotometer fuumlr photometrische Messungen an Hochleistungs-LEDs

Bild 10 Entladungslampen mit verschiedenen Gasfuumlllungen dienen der Wellenlaumlngenka-librierung der Spektrometer Im Hintergrund ist eine Bestrahlungsstaumlrke-Normal-lampe fuumlr die spektrale Empfindlichkeitskalibrierung zu sehen

Bild 8 Goniophotometer fuumlr photometrische Messungen an Kleinleistungs-LEDs

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PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4Das Jahr des Lichtes

gen zu Wie in der Einleitung erklaumlrt unterscheiden sich die spektralen Verteilungen von LEDs und Gluumlhlampen deutlich voneinander Photometerkoumlpfe bestehen in der Regel aus einer Silizium-Photodiode deren spektrale Empfindlichkeit durch den Einsatz von Glasfiltern moumlglichst gut an den Hellemp-findlichkeitsgrad V(λ) angepasst wird Aufgrund internationaler Standardisierung wird die photo-metrische Empfindlichkeit von Photometerkoumlpfen fast ausschlieszliglich fuumlr Normlichtart A kalibriert In der Praxis werden hierfuumlr Gluumlhlampen mit einer Verteilungstemperatur von 2856 K verwendet Wenn man ein solches Photometer fuumlr Messungen an anderen Gluumlhlampen verwendet sind die spektralen Verteilungen meist so aumlhnlich dass nur geringe oder gar vernachlaumlssigbare Korrekturen aufgrund der spektralen Fehlanpassung also der Abweichung der realen spektralen Empfindlichkeit des Photometers von dem Hellempfindlichkeitsgrad notwendig sind Wenn man ein solches Photometer jedoch bei LEDs insbesondere farbigen LEDs einsetzt koumlnnen die Abweichungen aufgrund der spektralen Fehlan-passung sehr groszlig werden (gt10 fuumlr hochwertige Photometerkoumlpfe sind moumlglich)

Mit Kenntnis der relativen spektralen Verteilung der Leuchtdiode SLED(λ) und der relativen spekt-ralen Empfindlichkeit srel(λ) laumlsst sich die spektrale Fehlanpassung durch folgenden Korrekturfaktor cSpek korrigieren

cV S

s S

V P T

sSpek

LED

rel LED

A

rel

d

d

d=

( ) ( )( ) ( )

( ) ( )( )

intint

intλ λ λ

λ λ λ

λ λ λ

λ

intint ( )P Tλ λ A d

P(λ TA) beschreibt Lichtart A durch das Planck-sche Strahlungsgesetz fuumlr TA = 2856 K

Eine detaillierte Auflistung und Diskussion aller zu beruumlcksichtigenden Details bei Kalibrierungen von LEDs und das dazugehoumlrige Messunsicher-heitsbudget soll an dieser Stelle nicht gegeben werden Interessierte Leser koumlnnen hierfuumlr Infor-mationen in einer fruumlheren Veroumlffentlichung [6] oder in den Ergebnissen eines internationalen Vergleichs von LED-Messungen [7] finden

Fazit und Ausblick

Der Verzicht auf LEDs ist fuumlr Beleuchtungsan-wendungen nicht mehr vorstellbar Durch ihre kontinuierliche Weiterentwicklung erobern LEDs immer weitere Anwendungsfelder (z B Haus-halts- Straszligen- und Automobilbeleuchtung) mit denen der Endkunde in Kontakt kommt Bei diesen Anwendungen sind die Anforderungen an die Lichtquellen vielfaumlltig und fuumlr eine quantitative Beschreibung ihrer Eigenschaften muss auch die Messtechnik entsprechend umfassend und ausge-reift sein

Neben dem allgemeinen Forschungs- und Ent-wicklungsbedarf fuumlr bessere LED-Messverfahren und -geraumlte die die Grundlage ihrer technologi-schen Weiterentwicklung bilden gibt es eine weitere Herausforderung Aufgrund der nahezu unbe-grenzten Moumlglichkeiten eine bestimmte Lichtfarbe durch additive Farbmischung zu erhalten sind LEDs verschiedener Hersteller mit unterschiedlichen Emissionsspektren aber einer nominell gleichen aumlhnlichsten Farbtemperatur erhaumlltlich Dennoch ist teilweise ein Unterschied der Lichtfarbe mit bloszligem Auge erkennbar wenn sich unterschiedliche LEDs nebeneinander befinden

Es ist ungewoumlhnlich dass man ohne technische Hilfsmittel nominell gleiche Lichtfarben faktisch unterscheiden kann Um die Charakterisierung von LEDs soweit zu verbessern dass dies nicht mehr moumlglich ist ist einerseits eine Reduzierung der Messunsicherheit bei der Bestimmung der Normfarbwertanteile (Lichtfarbe) notwendig Andererseits muss man sich bewusst machen dass photometrische und colorimetrische Messverfahren auf rein physikalischen Zusammenhaumlngen basieren Individuelle menschliche Wahrnehmung und Sehen werden bei photometrischen Messungen nicht beruumlcksichtigt ndash diese werden durch Festlegung von exakt definierten Wichtungsfunktionen wie dem Hellempfindlichkeitsgrad fuumlr einen fiktiven Normalbeobachter ausgegrenzt Diese Wichtungs-funktionen koumlnnen gegebenenfalls auch noch optimiert werden um die objektive Beurteilung von Lichtquellen mit physikalischen Messmethoden zu verbessern Somit gibt es auch in Zukunft noch interdisziplinaumlre Herausforderungen fuumlr die Metro-logie moderner Lichtquellen

Literatur

[1] httpwwwnobelprizeorgnobel_prizesphysicslaureates2014 (letzter Aufruf 14102015)

[2] T Gerloff M Lindemann S Shirokov M Taddeo S Pendsa A Sperling Development of a new high-power LED transfer standard CIE Proceed-ings 2012

[3] CIE S 017E 2011 ILV International Lighting Vocabulary httpeilvciecoat (letzter Aufruf 03122015)

[4] CIE 127 2007 (2nd edition) Measurement of LEDs

[5] CIE S 025E 2015 Test Method for LED Lamps LED Luminaires and LED Modules

[6] M Lindemann R Maass Photometry and Colo-rimetry of Reference LEDs by Using a Compact Goniophotometer MAPAN ndash Journal of Metrolo-gy Society of India Vol 24 No 3 2009

[7] wwwbipmorg APMPPR-S3a (Averaged LED Intensity) APMPPR-S3b (Total Luminous Flux of LEDs) APMPPR-S3c (Emitted Colour of LEDs)

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Effektpigmente hellipPTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4

Einleitung

Farbe ist fuumlr Menschen die wohl auffaumllligste sub-jektive Stoffeigenschaft Bereits den Fruumlhmenschen war diese visuelle Qualitaumlt bekannt deren Wahr-nehmung allen Primaten eigen ist So wurde 2008 in Suumldafrika eine ca 100000 Jahre alte steinzeitli-che bdquoMalerwerkstattldquo entdeckt [1] Auch heutzu-tage spielt Farbe in der Gestaltung unserer Umwelt eine wichtige Rolle Jedes Jahr praumlsentiert uns die Mode die neuen Farben der Saison Farben dienen zur Regelung des Verkehrs Ohne bunte Farben waumlre unsere Welt trist und oumlde

Es ist wichtig festzustellen dass Farbe ein physiologischer Sinneseindruck ist wie z B auch Tasten oder Riechen D h Farbe ist keine immanente physikalische Eigenschaft eines Gegenstandes wie z B seine Masse oder Waumlrme-leitfaumlhigkeit Die physiologische Wahrnehmungs-kette ist hierbei folgende Das vom betrachteten Gegenstand reflektierte Licht trifft auf das Auge und loumlst hierbei einen Farbreiz aus Dieser Farbreiz beruht auf der spektralen Zusammensetzung des empfangenen Lichts d h er ist abhaumlngig von der verwendeten Lichtquelle und dem spektralen Reflexionsvermoumlgen des betrachteten Objektes Die Anregung der licht- und farbempfindlichen Zellen in der Netzhaut fuumlhrt zu einer Farbvalenz die uumlber den Sehnerv an das Gehirn weitergeleitet wird Die eigentliche Farbempfindung die wir dann mit einem Gegenstand verknuumlpfen entsteht erst im Gehirn [2] Liegt z B eine Farbfehlsich-tigkeit vor so kann der Farbeindruck des betrof-fenen Menschen auch ein ganz anderer sein Auch viele Tiere mit ihren teilweise erheblich abweichenden visuellen Systemen nehmen Farbe ganz unterschiedlich als wir Menschen wahr Im Folgenden soll mit Farbe immer die Koumlrperfarbe auch Gegenstandsfarbe Objektfarbe bzw Oberflauml-chenfarbe genannt einer nicht selbstleuchtenden Flaumlche bezeichnet werden die durch Reflexion von Licht an einem Koumlrper entsteht

Die genannten Zusammenhaumlnge machen die mathematisch-physikalische Beschreibung von Farbe schwierig und aufwendig da auch die spe-zifischen Eigenarten der menschlichen Wahrneh-

mungskette nachgestellt werden muumlssen Diesem Umstand wird versucht uumlber die verschiedenen Farbmaszligsysteme Rechnung zu tragen welche die Farbe eines Objektes mithilfe von quantifizierba-ren Zahlenwerten kennzeichnen [3]

Generell koumlnnen farbige Flaumlchen je nach Tageszeit und Lichteinfall sehr unterschiedlich wirken Die Aumlnderungen basieren hierbei auf der unterschiedlichen spektralen Zusammenset-zung des Tageslichts und den winkelabhaumlngigen Glanz- und Struktureigenschaften von Oberflauml-chen Ganz besonders deutlich ist dies bei auf dem Interferenzeffekt basierenden Effektpigmenten der Fall Deren visuelles Erscheinungsbild im englischen mit Visual Appearance bezeichnet kann sich bei variierendem Beobachtungswinkel und unterschiedlichen Lichtverhaumlltnissen komplett veraumlndern Man spricht hierbei von sogenannten Flop-Lacken wobei man zwischen Hell-Dunkel-Flop und Farb-Flop unterscheiden kann [4]

Generell kann man sagen dass Farbe und visuelle Effekte einen entscheidenden Anteil am Verkaufserfolg eines Produktes haben denn Farben wecken Emotionen und verschiedene Neuro marketingstudien belegen dass ca 95 aller Kaufentscheidungen emotional gepraumlgt sind [5] Deshalb spielt eine moderne Farbgestaltung unter Nutzung aktueller Effektpigmente im Pro-duktdesign eine entscheidende Rolle denn durch den Einsatz solcher Pigmente kann Gegenstaumlnden eine houmlhere Attraktivitaumlt verliehen werden Daher findet man moderne Effektpigmente heutzutage in vielen teilweise sehr unterschiedlichen Indus-trieprodukten wie z B in Autolackierungen Haumluserfassaden Kosmetikartikeln oder sogar bei Pralineacutes wie dies in Bild 1 zu sehen ist

Pigmente

Als Pigmente aus dem Lateinischen kommend von pigmentum fuumlr bdquoFaumlrbestoff Schminkeldquo bezeichnet man aus Teilchen bestehende im Anwendungs-medium praktisch unloumlsliche Sub stanzen die als Farbmittel oder wegen anderer spezieller physika-lischer und chemischer Eigenschaften als funktio-nale Farbzentren verwendet werden [6]

Effektpigmente Eine Herausforderung fuumlr die optische Messtechnik

Egbert Buhr Alfred Schirmacher Andreas Houmlpe

Dr Egbert Buhr Fachbereich bdquoBildshy und Wellenoptikldquo EshyMail egbertbuhrptbde

Dr Alfred Schirmacher Arbeitsshygruppe bdquoReflexion und Transmissionldquo EshyMail alfredschirmacherptbde

Dr Andreas Houmlpe dagger ehemals Arbeitsgrupshype bdquoReflexion und Transmissionldquo

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PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4Das Jahr des Lichtes

In der Natur vorkommende anorganische Pig-mente sind schon seit praumlhistorischen Zeiten bekannt Schon die Menschen der Steinzeit benutzen mineralische Pigmente fuumlr die ersten Houmlhlenzeichnungen Sie erkannten dass sie mit unterschiedlichen Erdsorten farbig malen konnten Eisenoxidhaltige Erden liefern gelbrote bis braunrote Kalk und Gips weiszlige Mangan-oxide sowie Holz- und Knochenkohle schwarze Farbtoumlne

Aus heutiger industrieller Sicht ist ein Pigment ein fein aufgeteilter und unloumlslicher Feststoff mit der Hauptfunktion das Erscheinungsbild des verwendeten Mediums zu verbessern oder es zu faumlrben Pigmente werden dem Medium immer durch physikalisches Mischen beigegeben dies unterscheidet sie von Farbstoffen die in ihrem Medium loumlslich sind

Pigmente koumlnnen nach den optischen Prin-zipien ihrer Wechselwirkung mit Licht unter-schieden und in verschiedene Klassen eingeteilt werden Wichtige Pigmentklassen sind Weiszlig- Bunt- Schwarz- und Effektpigmente die alle wegen ihrer speziellen farbgebenden Eigenschaf-ten eingesetzt werden Bei den Effektpigmenten

kann in einer ersten vereinfachten Einteilung noch zwischen Metalleffekt- und den sogenannten speziellen Effektpigmenten unterschieden werden

Der Begriff bdquospezielle Effektpigmenteldquo umfasst die Gruppen der Perlglanzpigmente und der all-gemeinen Interferenzpigmente welche insbeson-dere bei aktuellen Pigmententwicklungen nicht scharf abgegrenzt werden koumlnnen Perlglanzpig-mente sind Effektpigmente die aus transparenten Plaumlttchen mit hohem Brechungsindex bestehen Sie erzeugen durch die spezielle Form der Mehr-fachreflexion des transmittierten Lichts an mehre-ren Pigmenten einen perlenaumlhnlichen Effekt bei dem die auftreffende Strahlung verteilt reflektiert wird wodurch der Eindruck einer mit der Tiefe abnehmenden diffusen Helligkeit entsteht Fuumlr das Auge ergibt sich so eine scheinbar dreidimen-sionale Glanzcharakteristik die aus der Tiefe des Objektes zu kommen scheint Interferenzpigmente dagegen sind Effektpigmente deren farbgebende Wirkung ganz oder vorwiegend auf dem Effekt der Vielstrahlinterferenz von Licht an duumlnnen hoch-brechenden Schichten beruht Interferenzpigmente koumlnnen dabei sowohl auf transparenten oder auch nichttransparenten Plaumlttchen basieren

Bild 1 a) Roadster mit ChromaFlairreg-Effektpigmentlackierung b) Verwaltungsgebaumlude in Braunschweig verkleidet mit Alucobondreg-spectra-colours-Verbundplatten c) Effektpigmente im Nagellack d) Pralineacute mit Effektpigmentuumlberzug

a

dc

bb

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Effektpigmente hellipPTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4

Die heute verwendeten Pigmente lassen sich somit grob in fuumlnf verschiedene Klassen einteilen

1) Weiszligpigmente Die Pigmente streuen das ge-samte auftreffende Licht nahezu verlustfrei in alle Richtungen durch diffuse ungerichtete Reflexion

2) Buntpigmente Die Pigmente streuen einen Teil des Lichtes diffus und absorbieren wellenlaumln-genselektiv einen anderen Teil des Lichtes

3) Schwarzpigmente Die Pigmente absorbieren alle Wellenlaumlngen des fuumlr das menschliche Auge sichtbaren Spektralbereiches

4) Metalleffektpigmente Die aus duumlnnen Metall-plaumlttchen vorwiegend Aluminium bestehen-den Metalleffektpigmente sind lichtundurch-laumlssig und reflektieren das gesamte auftreffende Licht durch spekulare gerichtete Reflexion Die Pigmentpartikel wirken dabei wie Mikrospie-gel und fuumlhren bei paralleler Ausrichtung im Anwendungsmedium zu einem spiegelnden Metallglanz dem Metallic-Effekt

5) Spezielle Effektpigmente Perlglanz- bzw Inter-ferenzpigmente deren optische Wirkung auf der Mehrfachreflexion an uumlberwiegend flaumlchig aus-gebildeten und ausgerichteten transparenten semitransparenten oder lichtundurchlaumlssigen Partikeln beruht

Weiszlig- Bunt- und auch Schwarzpigmente weisen typische Durchmesser im Bereich von 100 nm bis zu 1 microm auf Ihre Groumlszlige liegt damit zum Teil im Bereich der Wellenlaumlnge des sichtbaren Lichtes welches den Bereich von 380 nm bis 780 nm uumlberdeckt Einige Schwarzpigmente wie z B Ruszlig-pigmente liegen mit ihren Durchmessern jedoch auch zum Teil auch deutlich darunter Effektpig-mente besitzen dagegen Teilchendurchmesser die zumeist im Bereich von 5 microm bis 100 microm in einigen Faumlllen auch daruumlber liegen Sie sind damit bezuumlglich der mittleren Plaumlttchendurch-messer wesentlich groumlszliger als die Wellenlaumlnge des sichtbaren Lichtes Die Dicke der Plaumlttchen liegt von einigen Ausnahmen abgesehen unter 1 microm ebenso wie die Dicke der Interferenzschichten Demzufolge weisen Effektpigmente in der Regel ein hohes Aspektverhaumlltnis auf (Verhaumlltnis der lateralen Ausdehnung einer Struktur zu ihrer Houmlhe) welches bis zu 200 betragen kann

Interferenzpigmente ndash Wie die Farben entstehen

Die Farbe von Interferenzpigmenten haumlngt von der Schichtdicke der Metalloxidbeschichtung und dem Einstrahlungs- und Betrachtungswinkel ab Beide Parameter bestimmen die effektive optische Weg-

laumlngendifferenz fuumlr das einfallende weiszlige Licht zwischen oberer und unterer Grenzflaumlche und die somit auftretenden Interferenzfarben siehe Bild 3

Interferenzpigmente zeigen somit einen aus-gepraumlgten bdquoFarbflopldquo Die Winkelabhaumlngigkeit der Farbe wird hierbei auch als Goniochromasie bezeichnet Richtig bunt geht es zu wenn ein Interferenzpigment auf einen bereits bunten Untergrund aufgebracht wird Die Transparenz der Pigmente laumlsst die Untergrundfarbe durch-

Bild 2 Schematische Diagramme zum spektralen Verhalten verschiedener Pigmenttypen

Bild 3 Die Schichtdicke der Metalloxidbeschichtung und der kombinierte Einstrahlungs- und Betrachtungswinkel bestimmen die optische Weglaumlnge und somit die sich ergebenden Interferenzfarben in Reflexion und Transmission

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PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4Das Jahr des Lichtes

Bild 5 Die Effekte Spar-kling (1) und Coarseness (2) des Effektpigmentes Xirallicreg Crystal Silver in einer vergroumlszliger-ten Aufnahme auf weiszligem (links) und schwarzem Hinter-grund (rechts)

scheinen im Glanzwinkel wird sie aber von der Interferenzfarbe uumlberstrahlt wie dies in Bild 4 zu sehen ist

Der Effekt eines Helligkeitsunterschiedes unter verschiedenen Betrachtungswinkeln wird als Helligkeitsflop bezeichnet und ist an sich nichts Neues Sind jedoch die einzelnen Pigmentteilchen

aufgrund ihrer planaren Reflexionsoberflaumlchen in gerichteter Beleuchtung direkt beobachtbar was fuumlr mittlere Teilchengroumlszligen von 30 microm und groumlszliger der Fall ist so ergibt dies einen Effekt welcher mit dem Begriff Sparkle (Glitzern Funkeln) bezeichnet wird (Bild 5) Aumlndert sich die Beleuchtung von einer gerichteten Einstrahlung wie es an einem wolkenlosen sonnigen Sommertag der Fall ist hin zu einer diffusen ungerichteten Einstrahlung wie an einem stark bewoumllkten Herbsttag so verschwin-det das Sparkling der Pigmente und verwandelt sich in eine Koumlrnigkeit der Oberflaumlche Dieses optische Phaumlnomen wird als Coarseness (Bild-koumlrnigkeit) bezeichnet und ist unabhaumlngig vom Betrachtungswinkel (Bild 5)

Als neuer Archetypus des Sparkle-Begriffes haben sich in den letzten Jahren die Xirallicreg Pig-mente (High Chroma Chrystal Effect Pigments) der Firma Merck KGaA entwickelt Durch die Beschich-tung von Aluminiumoxidplaumlttchen mit hochbre-chenden Metalloxiden und einer optimierten Dicke und Ebenheit aller am Pigment beteiligten Schich-ten entstehen auszligergewoumlhnlich stark reflektierende Effektpigmente die einen besonders intensiven Sparkle-Effekt aufweisen Man spricht hierbei auch von sogenanntem Living Sparkle welcher sich in einem scheinbaren bdquoTanzenldquo der leuchtenden Punkte in der Probenoberflaumlche bei Veraumlnderung der Beobachtungsgeometrie aumluszligert [7 8]

Generell gilt dass die Farbe von Objekten mit Effektlackierung nicht mehr wie jahrzehntelang uumlblich und ausreichend mit konventionellen Farb-messgeraumlten mit nur einer festen Messgeometrie wie z B in der 45deg 0deg Geometrie (Einstrahlung unter 45deg Reflexionsmessung unter 0deg) bestimmt werden kann Dieser Umstand wird sehr gut durch die Grafik in Bild 6 illustriert Dargestellt sind die winkelabhaumlngig gemessenen Farbkoordinaten von drei verschiedenen keramischen Farbstandards der Farben rot gruumln und blau sowie eines mit dem Effektpigment Viola Fantasy der Firma Merck lackierten Blechs Der Einfallswinkel des Lichts auf die Proben betrug hierbei immer 45deg zur Oberflauml-chennormalen Das von den Proben reflektierte Licht wurde an 26 Positionen in einem 5deg Raster in planaren die Oberflaumlchennormale enthalten-den Messgeometrien im Winkelbereich von ndash70deg bis +70deg aufgenommen Bei den aus absorptiven Pigmenten bestehenden Keramiken zeigt sich eine nur sehr geringe Winkelabhaumlngigkeit der Farbe welche groumlszligtenteils auf unterschiedlicher winkelabhaumlngiger Helligkeit d h den Glanzeigen-schaften der Oberflaumlche beruht Das Effektpigment dagegen zeigt einen extremen winkelabhaumlngigen Farb-Flop (Goniochromasie) welcher einen Farbverlauf von Gruumln uumlber Rot-Gelb hin ins Blau-Violett bietet

Aber auch die neuen Lackfarben aus der Gruppe der Effektlackierungen muumlssen messtechnisch

Bild 4 Merck-Xirallicreg-Solaris-Red-Effektpigmente appliziert auf einem mit Standard-Ab-sorptionspigmenten hellblau lackierten Metallblech In Rich-tung des Glanzwin-kels auf der rechten Seite zeigt sich der langsame Aufbau der winkelabhaumlngigen Interferenzfarbe

1

Bild 6 CIELab Farbkoordinaten einer winkelabhaumlngigen Reflexionsmessung an vier verschiedenen Proben drei Keramiken der Farben rot gruumln blau und eine Effektpigmentlackierung mit Merck Colorstreamreg Viola Fantasy Das untergelegte Farbschema zeigt naumlherungsweise die den Koordinaten entsprechende Farbe

2

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Effektpigmente hellipPTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4

Abbildungsoptik Messungen der ortsaufgeloumlsten Leuchtdichte auf einer Laumlngenskala bis hinab zu 28 microm auf der zu untersuchenden Probe siehe Bild 8

Mit der Zeilenkamera sind Messungen von kompletten Reflexionsspektren im sichtbaren Spektralbereich zwischen 380 nm und 780 nm dem sogenannten V(λ)-Bereich auf einer Zeit-skala von 2 Minuten moumlglich Hieraus lassen sich dann Farbkoordinaten der untersuchten Proben in den unterschiedlichsten Farbraumsystemen berechnen Eine absolute Messung in 114 Win-kelkombinationen (siehe Bild 9) im Polarwinkel-

erfasst und ruumlckgefuumlhrt werden um eine gleich-bleibende Qualitaumlt in der Produktion gewaumlhrleis-ten zu koumlnnen Gerade diese vielfaumlltigen zusaumltz-lichen Eigenschaften stellen die Farbmesstechnik vor neue Herausforderungen

Farbmessung

Bisherige kommerzielle Farbmessgeraumlte charakte-risieren Probenoberflaumlchen fast ausschlieszliglich in den eben schon erwaumlhnten sogenannten in-plane Reflexionsgeometrien Dabei liegen die Richtun-gen des eingestrahlten und des reflektierten Lichts sowie die Oberflaumlchennormale der Probe in einer Ebene Diese Einschraumlnkung entspricht jedoch in keiner Weise der taumlglichen Realitaumlt bei der Oberflaumlchen aus beliebigen Richtungen beleuchtet und betrachtet werden Seitens der Messgeraumlteher-steller und Anwender gibt es daher einen Trend zur erweiterten Charakterisierung bezuumlglich zusaumltzlicher Winkelkombinationen im dreidimen-sionalen Raum Spitzenreiter dieser Entwicklung am Markt ist derzeit ein tragbares Mehrwinkel-Spektralphotometer mit insgesamt 19 verschie-denen Reflexionsgeometrien [9] Hiermit scheint aber auch das Ende dieser Entwicklung im Bereich der portablen handgefuumlhrten Geraumlte erreicht Der Wunsch der Anwender geht aktuell wieder zuruumlck zu einer geringeren Anzahl von Winkelkombi-nationen denn es ist unklar wie man aus dem Mehr an winkelaufgeloumlsten Reflexionsdaten die fuumlr die Charakterisierung der Farbeigenschaften relevanten Informationen gewinnen kann Daher stellt sich die Frage welches sind bdquoguteldquo d h an die Messaufgabe adaptierte optimal geeignete Messgeometrien

Um diese Frage zu beantworten betreibt die AG 424 bdquoReflexion und Transmissionldquo der PTB zwei roboterbasierte Gonioreflektometer die eine winkelaufgeloumlste Reflexionsmessung in beliebi-gen bidirektionalen Geometrien ermoumlglichen [10ndash12] Diese beiden Apparaturen sind in Bild 7 dargestellt

Das Standard-Gonioreflektometer ist hierbei das nationale Normal fuumlr die Messgroumlszlige spektraler Strahldichtefaktor in gerichteten Geometrien Es dient der Realisierung Bewahrung und Weiter-gabe der gerichteten Reflexionsskale in Form von Kalibrierungen Die zweite Apparatur bezeich-net mit dem Acronym ARGon3 (3D Appearance Robot-based Gonioreflectometer) ist ein flexibles Forschungsgeraumlt mit dem experimentelle Unter-suchungen u a im Rahmen des EMRP-Projektes Multidimensional Reflectometry for Industry der EU [13] durchgefuumlhrt werden Im Ver gleich zum Standard-Gonioreflektometer ist dieses Geraumlt mit einer photometrischen Leuchtdichteka-mera und einer Zeilenkamera ausgeruumlstet Die Leuchtdichtekamera erlaubt mit einer speziellen

Bild 7 Die beiden roboter-basierten Gonio-reflektometer der PTB oben Standard-Gonioreflektometer fuumlr Kundenkalibrie-rungen unten ARGon3-Messplatz fuumlr Forschungsanwen-dungen

Bild 8 Visualisierung desSparkling-Effektesvon Xironareg-Volcanic-Sparks-Pigmenten als Falschfarben-darstellung der ortsaufgeloumlsten LeuchtdichteDie bdquoNadelnldquo zeigendie Position derPigmente an

Bild 9 Beispielgeometrien zur Messung der winkelabhaumlngigen Reflexionseigen-schaften Realisiert wurden 4 Einstrah-lungsrichtungen (rote Pfeile) mit jeweils 114 Reflexionswinkeln (schwarze Punkte) im Bereich der Viertel-kugel oberhalb der Probenoberflaumlche

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PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4Das Jahr des Lichtes

bereich 0deg bis 70deg gleichmaumlszligig verteilt uumlber den Viertelraum oberhalb der Probe dauert hierbei ca 4 Stunden [14] Die so erhaltenen Daten bilden die Basis fuumlr kuumlnftige Verbesserungen in der Mess-technik fuumlr Anwender und Hersteller

Im Rahmen des EMRP-Projektes Multidimen-sional Reflectometry for Industry [13] sind damit die winkelabhaumlngigen Reflexionsspektren von insgesamt 66 verschiedenen Effektpigmentproben gemessen worden [15 16] Bei den vier verschie-denen Einstrahlungsrichtungen verbunden mit jeweils 114 Reflexionswinkeln im Bereich der Vier-telkugel oberhalb der Probenoberflaumlche ergeben sich somit uumlber 30000 Reflexionsspektren

Zielsetzung der Untersuchungen ist die Ver-besserung der Metrologie zur Materialcharak-terisierung mit reduzierter Messunsicherheit Dazu werden neue Messvorschriften und neue Standardmessartefakte entwickelt mit denen die Industrie die visuelle Wahrnehmung der von ihr produzierten Oberflaumlchen gezielt charakterisie-ren und kontrollieren kann Solche Messungen sollten einfach auszufuumlhren sein und die Ergeb-nisse muumlssen soweit wie moumlglich mit der visuellen menschlichen Wahrnehmung korrelieren Im europaumlischen und internationalen Rahmen sollen die Ergebnisse in die Normung einflieszligen um die allgemeine Vergleichbarkeit solcher Messungen zu gewaumlhrleisten

Literatur

[1] CS Henshilwood et al A 100000-Year-OldOchre-Processing Workshop at Blombos CaveSouth Africa Science Vol 334 No 6053 219ndash2222011

[2] Mark D Fairchild Color Appearance Models2nd Ed John Wiley amp Sons Ltd 2005

[3] Colorimetry Understanding the CIE Systemed by J Schanda Wiley-Interscience NJ 2007

[4] WR Cramer Der richtige Blickwinkel Farbe amp Lack 092006 26ndash30 2006

[5] G Zaltman How Customers Think EssentialInsights into the Mind of the Market HarvardBusiness Review Press 2003

[6] DIN ISO 18451-12015-11 Pigmente Farbstof-fe und Fuumlllstoffe ndash Begriffe ndash Teil 1 AllgemeineBegriffe

[7] WR Cramer Ohne Glimmer aber mit GlanzFarbe amp Lack 042003 132ndash136 2003

[8] WR Cramer Es glitzert wie am SternenhimmelFahrzeug + Karosserie 0412 20ndash22 2012

[9] E Kirchner W Cramer Making sense of measure-ment geometries for multi-angle spectrophotome-ters Color Res Appl Vol 37 No3 186ndash198 2012

[10] D Huumlnerhoff U Grusemann A Houmlpe Newrobot-based gonioreflectometer for measuringspectral diffuse reflection Metrologia 43 S11ndashS162006

[11] A Houmlpe D Huumlnerhoff K-O Hauer Robot-basedgonioreflectometer Industrial Robotics Program-ming Simulation and Applications Low Kin-Huat Ed Pro Literatur-Verlag Mammendorf623ndash632 2007

[12] A Houmlpe T Atamas D Huumlnerhoff S TeichertK-O Hauer ARGon3 ndash bdquo3D Appearance Robot-based Gonioreflectometerrdquo at PTB Rev SciInstrum 83(4) 045102-1ndash045102-8 2012

[13] European Metrology Research Program ProjectIND52 bdquoxD-Reflectldquo Multidimensional Reflecto-metry for Industry wwwxdreflecteu(letzter Aufruf 03122015)

[14] T Atamas K-O Hauer A Houmlpe Appearancemeasurements of goniochromatic colours Predic-ting Perceptions Proceedings of the 3rd Internati-onal Conference on Appearance 149ndash154 2012

[15] A Houmlpe A Koo FM Verdu FB LeloupG Obein et al bdquoMultidimensional reflectometryfor industryrdquo (xD-Reflect) an European researchproject Proc SPIE 9018 Measuring Modelingand Reproducing Material AppearanceSPIE-ISampT Vol 9018 901804-1ndash901804-11 2014

[16] A Houmlpe K-O Hauer S Teichert D HuumlnerhoffC Strothkaumlmper Goniochromatic and Sparkleproperties of effect pigmented samples in mul-tidimensional configuration Proc SPIE 9398Measuring Modeling and Reproducing MaterialAppearance 2015 SPIE Proc Vol 9398 Appea-rance 93980O-1ndash7 2015

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Die 50 Sitzung des Internationalen Komitees fuumlr das gesetzliche Messwesen (CIML) fand vom 20 bis 22 Oktober 2015 in Arcachon Frankreich statt Im Vorfeld der CIML-Sitzung fand ein ein-taumlgiges OIML-Seminar uumlber Countries and Econo-mies with Emerging Metrology Systems (CEEMS) statt uumlber das weiter unten berichtet wird

Das CIML ist der Lenkungsausschuss der OIML Es trifft sich jaumlhrlich und besteht aus je einem Repraumlsentanten der Mitgliedstaaten der korrespondierenden Mitglieder und den Vertre-tern internationaler und regionaler Organisa-tionen die als Beobachter teilnehmen koumlnnen Das CIML ist zustaumlndig fuumlr die Vorbereitung und Durchfuumlhrung der Entscheidungen der Konfe-renz die alle vier Jahre stattfindet Es uumlberwacht die Arbeiten der Technischen Komitees und Unterkomitees und des Internationalen Buumlros fuumlr das gesetzliche Messwesen (BIML) in Paris

An der 50 CIML-Sitzung nahmen 144 Teilneh-mer aus 43 Mitgliedstaaten und 13 korrespondie-renden Mitgliedstaaten teil Zur deutschen Dele-gation gehoumlrten neben den o g Autoren auch die Herren Johann Fischer Direktor des Landesamts fuumlr Mess- und Eichwesen Berlin-Brandenburg sowie Prof Olaf Kuumlhn Direktor des Thuumlringer Landesamts fuumlr Verbraucherschutz als Vertreter der Bundeslaumlnder Dr Peter Ulbig Leiter der Abteilung Wissenschaftlich-technische Quer-schnittsaufgaben der PTB und Prof Manfred Kochsiek Vizepraumlsident a D der PTB ehema-liger CIML-Praumlsident und Ehrenmitglied der OIML Frau Dr Anna Cypionka persoumlnliche Referentin des Praumlsidenten der PTB nahm am OIML-Seminar fuumlr CEEMS teil Vertreten waren auch wieder internationale und regionale Orga-nisationen zu denen die OIML Verbindungen unterhaumllt wie das Internationale Buumlro fuumlr Maszlig und Gewicht (BIPM) die GSO-GCC Standardiza-tion Organization (Saudi-Arabien) die Internatio-nal Laboratory Accreditation Cooperation (ILAC) und der Europaumlische Verband der Waagenherstel-ler (CECIP)

Alle Beschluumlsse der 50 CIML-Sitzung koumlnnen auf den Internetseiten der OIML aufgerufen werden [1 2]

Die wichtigsten Entscheidungen und Entwick-lungen werden nachfolgend vorgestellt

1 Personalangelegenheiten

Der Vertrag von Willem Kool als Assistant Director wurde um vier Jahre der Vertrag des BIML-Direk-tors Stephen Patoray um drei Jahre verlaumlngert

2 Einfuumlhrung des PG Workspace im Internet

In seinem Bericht im Zusammenhang mit der Etablierung des neuen Webauftritts der OIML hob der CIML-Praumlsident Peter Mason (UK) die erfolgreiche Einfuumlhrung des Workspace fuumlr Pro-jektgruppen hervor Durch die Online-Arbeit wird erwartet dass die technische Arbeit an neuen bzw zu revidierenden OIML-Dokumenten vereinfacht und insgesamt effizienter wird

3 Revision der technische Richtlinien fuumlr die OIML (B 6 Directives for OIML tech-nical work)

In einem neuen Projekt sollen die in den vergan-genen Jahren revidierten OIML-Richtlinien fuumlr die technische Arbeit erneut uumlberarbeitet werden um u a den Prozess der Entwicklung und Uumlber-arbeitung von OIML-Publikationen noch weiter zu beschleunigen und den neuen internetbasierten Technologien und Arbeitsweisen Rechnung zu tragen

4 Umfassende strukturelle Uumlberarbeitung des OIML Certificate System

Das CIML verabschiedete die Gruumlndung einer Projektgruppe mit der Aufgabe einer substan-ziellen Uumlberarbeitung des OIML-Zertifizierungs-systems das z Zt aus dem Basiszertifizierungs-system und dem MAA3 besteht Urspruumlnglich ausgehend von der Annahme die Akzeptanz des MAA-Zertifizierungssystem muumlsse verstaumlrkt werden eine groumlszligere Verbreitung finden und mehr Messgeraumltearten abdecken erscheint es

Aktuelles aus der OIML (Internationale Organisation fuumlr das Gesetzliche Messwesen)Bericht uumlber die 50 Sitzung des CIML in Arcachon FrankreichSusanne Ludwig Roman Schwartz

INTERNATIONALE ZUSAMMENARBEIT

Susanne Ludwig OIMLshyGeschaumlftsstelle der PTB EshyMail susanneludwigptbde

Dir u Prof Dr Roman Schwartz Vizepraumlsident der PTB deutsches Mitglied im Internashytionalen Komitee fuumlr das Gesetzliche Messwesen (CIML) und CIMLshyVizepraumlsishydent EshyMail romanschwartzptbde

3 Mutual Acceptance Arrangement (Abshykommen zur gegenshyseitigen Anerkennung von Bauartpruumlfungen)

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PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4Internationale Zusammenarbeit

inzwischen sinnvoller und wurde so auch vom CIML beschlossen zum 112017 ein einziges OIML-Zertifizierungssystem einzufuumlhren Eine Projektgruppe (Certification System Project Group = CSPG) unter dem Vorsitz des CIML-Vizepraumlsi-denten Dr Roman Schwartz wurde damit beauf-tragt die notwendigen Dokumente und Prozedu-ren auszuarbeiten

5 OIML-Seminar fuumlr Countries and Economies with Emerging Metrology Systems (CEEMS)

Im Vorfeld der CIML-Sitzung wurde ein eintaumlgiges Seminar zum Thema Developing an OIML Package for Assistance to Countries with Emerging Metro-logy Systems (CEEMS) abgehalten In vier Sitzun-gen diskutierten 125 Teilnehmer aus 49 Laumlndern uumlber Moumlglichkeiten Laumlnder beim Aufbau von nationalen Metrologiesystemen zu unterstuumltzen In der ersten von Frau Dr Cypionka geleiteten Sitzung Capacity Building ging es um die allge-meinen Herausforderungen bei der Gestaltung von Programmen zur Foumlrderung von Handlungs-kompetenzen und Vermittlung von Wissen fuumlr die Metrologie In zwei weiteren Sitzungen wurden unter den Themen Helping CEEMS Improve Regulation in their Markets (Leitung Prof Dr Manfred Kochsiek) und New Ideas ndash Doing Legal Metrology Differently (Leitung Stuart Carstens

Suumldafrika) konkrete inhaltliche Loumlsungsvorschlaumlge vorgestellt und diskutiert Die Ergebnisse wurden in der 50 CIML-Sitzung vorgestellt und fanden ihren Niederschlag in der Resolution Nr 201510 [2] sie sollen auch noch auf den OIML-Webseiten veroumlffentlicht werden [1]

6 OIML-Publikationen

Folgende OIML-Publikationen wurden verabschiedet

R 139-3 Compressed gaseous fuels measuring systems for vehicles Part 3 Test report format

New Recommendation (R 145) Ophthalmic instru-ments mdash Impression and applanation tonometers

Alle OIML-Publikationen stehen im Internet frei zur Verfuumlgung [3]

Gleichzeitig wurde die Revision der folgenden OIML-Publikation beschlossen

Revision of R 79 Labeling requirements for prepackages

Folgende neue Projekte wurden verabschiedet

Revision des OIML-Dokuments B 6-1 Directives for OIML technical work

Bild 1 Teilnehmer der 50 Sitzung des Internationalen Komitees fuumlr Gesetz-liches Messwesen (CIML) in Arcachon Frankreich

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PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4 Aktuelles aus der OIML

TC 8SC 1 Revision R 71 Fixed storage tanks mdash General requirements

TC 8SC 1 Revision R 85 Automatic level gauges for measuring the level of liquid in stationary storage tanks

7 Personalien und Ehrungen

Die von Dr Seiler dem ehemaligen Leiter des Fachbereichs bdquoTechnische Zusammenarbeitldquo der PTB initiierte OIML-Auszeichnung fuumlr bdquoexzel-lente Beitraumlge von Entwicklungslaumlndern zum gesetzlichen Messwesenldquo ging in diesem Jahr an

bull Nam Hyuk Lim Director of Korea Testing Certi-fication und

bull The Metrology Department Saint Lucia Bureau of Standards

Die OIML-Medaille fuumlr besondere Verdienste um die OIML-Arbeit ging an Ngo Quy Viet Vietnam und Cartaxo Reis aus Portugal

8 Termine

Ein Gastgeberland fuumlr die 51 CIML-Sitzung und 15 OIML-Konferenz im Jahr 2016 konnte noch nicht bekannt gegeben werden es wird aber wahr-scheinlich wieder Frankreich sein Weitere OIML-Veranstaltungen und -Termine finden sich auf der OIML-Webseite unter [4]

9 Literatur

[1] httpswwwoimlorgen (letzter Aufruf 19112015)

[2] httpswwwoimlorgenstructurecimlpdf50-ciml-resolutions-englishpdf (letzter Aufruf 19112015)

[3] httpswwwoimlorgenpublicationsrecommen-dationspublication_viewp_type=1ampp_status=1

[4] (letzter Aufruf 19112015)[5] httpswwwoimlorgeneventscalendar

(letzter Aufruf 19112015)

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TECHNOLOGIETRANSFER

E27-Scanner fuumlr UlbrichtkugelnMit dem besonders einfach ohne Umbau einsetzbaren E27-Scanner koumlnnen Anwender und Hersteller die Homogenitaumlt ihrer Ulbricht-kugeln bestimmen und die Ergebnisse zur Berechnung genauerer Lichtstroumlme und zur Dokumentation der Qualitaumlt ihrer Messungen nutzen

Hintergrund

Wie viel Licht eine Lampe insgesamt in alle Richtungen abstrahlt wird durch ihren Lichtstrom ausgedruumlckt Um den fuumlr die Bestimmung der Energieeffizienz von Lampen notwendigen Lichtstrom schnell zu er mitteln setzt die Lampenindustrie Ulbrichtkugeln ein An einer Stange in der Mitte der Ulbrichtkugel befindet sich eine E27-Lampen-fassung in die nacheinander die Lichtstrom-Normallampe und die zu kalibrierende Lampe eingeschraubt werden Das indirekt auf den Mess-kopf fallende Licht erzeugt einen Photostrom der im Idealfall propor-tional zu dem von der Lampe abgestrahlten Lichtstrom ist unabhaumlngig von der Richtung in die das Licht abgestrahlt wird

Dies ist jedoch bei einer ungleichmaumlszligigen Beschichtung der Kugel sowie bei einer im Laufe der Zeit nicht zu verhindernden Verstaubung nicht der Fall Deshalb wird mit einem Kugelscanner die Homogenitaumlt der Kugel regelmaumlszligig vermessen und ein Korrekturfaktor bestimmt der von der jeweiligen Abstrahlcharakteristik der zu untersuchenden Lampe abhaumlngt

Technische Beschreibung

Der Kugelscanner wird einfach in eine E27-Fassung geschraubt und das sonst fuumlr die Lampenversorgung eingesetzte Netzgeraumlt wird durch die Steuereinheit ersetzt Diese uumlbernimmt sowohl die elektrische Versor-gung als auch die Befehlsuumlbermittlung zum Kugelscanner Die Steuer-einheit wird via USB oder RS232 an einen Computer angeschlossen Das mitgelieferte Messprogramm stellt automatisiert alle gewuumlnschten Richtungen ein und speichert die zugehoumlrigen von der Steuereinheit gemessenen Photostroumlme des Photometers

Wirtschaftliche Bedeutungw

Fuumlr Lampenindustrie und Hersteller von Ulbrichtkugeln

bull Genauere Messung des Lichtstroms

bull Bestimmung des Zeitpunkts einer Neubeschichtung

bull Uumlberwachung beim Beschichten

bull Dokumentation des Zustands der Ulbrichtkugel

EntwicklungsstandDer E27-Kugelscanner wurde in der PTB entwickelt Er wird laufend fuumlr Kalibrierungen eingesetzt Die Technologie wurde an die Firma Czibula amp Grundmann transferiert und wird dort mit einer PTB-Lizenz gebaut und vertrieben wwwphoto-metercom

Ansprechpartner

Dr Bernhard SmandekBeauftragter fuumlr TechnologietransferTelefon +49 531 592shy8303Telefax +49 531 592shy69shy8303EshyMail technologietransferptbde

Dr Stefan WinterFachbereich Photometrie und Radiometrie

Abbildung des E27shyKugelscanners Eine stark fokussierende Lampe die computergesteuert in alle Richtungen leuchten kann

Vorteile

bull Schneller Einbau in E27shyFassung

bull Computergesteuertes Abscannen der gesamten Ulbrichtkugel

bull Flexible Messmoumlglichkeiten

bull Fuumlr genauere Lichtstromshymessungen

bull Wichtig fuumlr die Qualitaumltsshysicherung

PTBshyNummer 0172

wwwtechnologietransferptbde

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PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4 Technologieangebote

Ansprechpartner

Dr Bernhard SmandekBeauftragter fuumlr TechnologietransferTelefon +49 531 592shy8303Telefax +49 531 592shy69shy8303EshyMail technologietransferptbde

Dr Stefan WinterArbeitsgruppe Solarzellen

PulsshyzushyCWshyKonverter

Umwandlung gepulster Laser-Strahlung in konstante StrahlungIn weiten Bereichen der optischen Metrologie ist eine Strahlungs-quelle von groszligem Nutzen die sich spektral vom UV-C bis ins mitt-lere IR durchstimmen laumlsst Lediglich Laser mit gepulster Strahlung erfuumlllen diese Anforderung bei ausreichend groszligem Ausgangssignal bisher luumlckenlos Femtosekunden-Lasersysteme waumlren aufgrund ihrer gut automatisierbaren und spektral weiten Durchstimmbarkeit die ideale Strahlungsquelle fuumlr z B radiometrische Anwendungen ndash wenn ihre Strahlung nicht gepulst waumlre

Durch das extreme Puls-Pausen-Verhaumlltnis von 10ndash5 entstehen hohe Spitzenleistungen die wiederum zu Saumlttigungseffekten bei Detek-toren und in der Folge zu nichtlinearem Verhalten fuumlhren koumlnnen Mit dem in der PTB entwickelten Puls-zu-CW-Konverter wird dieses Problem geloumlst

Technische Beschreibung

Bei dieser Methode werden Pulse gepulster Strahlungsquellen ausrei-chend hoher Repetitionsrate in CW-Strahlung umgewandelt Dabei wird jeder Puls in viele kleine Teilpulse aufgeteilt die auf unterschiedlich langen Wegstrecken unterschiedliche Laufzeiten erfahren Am Ausgang des Systems erscheinen sie dann zeitlich gleichmaumlszligig verteilt Realisiert wird dieser Puls-zu-CW-Konverter uumlber ein Glasfaserbuumlndel bei dem jede Einzelglasfaser eine individuell festgelegte Laumlnge besitzt

Mit der Entwicklung des Puls-zu-CW-Konverters wurde das ent-scheidende Manko beim Einsatz leistungsstarker Femtosekunden(fs)-Lasersysteme im Bereich der Metrologie beseitigt und erstmalig gepulste Laserstrahlung in CW-Strahlung umgewandelt Diese Neuentwicklung ermoumlglicht es nun herkoumlmmliche Monochromatorsysteme durch fs-Lasersysteme zu ersetzen die eine bis zu 1000-mal houmlhere spektrale Ausgangsleistung besitzen

Wirtschaftliche Bedeutung

Durch den neuen Puls-zu-CW-Converter koumlnnen in wirtschaftlich bedeutenden Bereichen wie z B der Photovoltaik der Photometrie der UV-Strahlungsmesstechnik und der Reflektometrie die Referenz- und Transfernormale mit einer deutlich reduzierten Messunsicherheit kali-briert werden Hier werden bislang wesentliche Messunsicherheitsan-teile durch zu geringe Strahlungsleistungen aus herkoumlmmlichen Mono-chromatorsystemen verursacht

Entwicklungsstand

Unter DE 10 2010 011 615 B4 wurde fuumlr den CW-Konverter ein Patent erteilt

Vorteile

bull Zeitliche Glaumlttung gepulster Laserstrahlung

bull Keine stoumlrenden Interferenzen

bull Nur minimale Absorption des Messsignals

bull Auch bei kuumlrzeren Wellenshylaumlngen ohne Ulbrichtkugel verwendbar

bull Kontinuierliche Verteilung des Ausgangspulses

bull Pulsvervielfachung

bull Houmlhere Strahlungsleistung

PTBshyNummer 0254

wwwtechnologietransferptbde

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PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4Technologieangebote

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Homogenisierung von Strahlungsquellen und Focal Plane Arrays (FPA)Ein neuartiges Verfahren ermoumlglicht softwaregestuumltzt eine deutlich verbesserte Kalibrierung von Mehrelement-Sensoren (FPA) und bildgebenden Systemen (Kameras) Bei flaumlchigen Strahlungsquellen kann zusaumltzlich eine gezielte Ansteuerung von Flaumlchenelementen zu einer bisher im Allgemeinen nicht erreichbaren Flaumlchenhomogenitaumlt fuumlhren

Technische Beschreibung

Flaumlchenstrahler dienen der Kalibrierung von ortsaufloumlsenden Strah-lungssensoren wobei davon ausgegangen wird dass die Emissionsflaumlche des Strahlers im Wesentlichen homogen bezuumlglich ihrer Strahldichte bzw Strahlungstemperatur ist Um kleine Inhomogenitaumlten eines Flaumlchenstrahlers zu charakterisieren ist es ein gaumlngiges Verfahren die Emissionsflaumlche punktweise mit einem Einzeldetektor abzutasten

Das neue PTB-Verfahren ist wesentlich schneller da es den Mehr-element-Sensor (FPA) das device-under-test selbst nutzt und damit immer ein Gesamtbild der Quelle aufnimmt Werden jetzt weitere Bilder zeilen- oder spaltenversetzt aufgenommen so erlaubt ein mathema-tischer Algorithmus bei nur drei Bildern eine komplette Charakterisie-rung des Sensors aber auch der Quelle

Sind Flaumlchenelemente der Strahlungsquelle einzeln ansteuerbar so ist es sogar moumlglich mittels der ermittelten Korrekturwerte zu Strahlquellen extrem hoher Homogenitaumlt im on-line-Betrieb zu gelangen

Wirtschaftliche Bedeutung

Bildgebende Strahlungssensoren und homogene Strahlungsquellen sind relevant fuumlr die Forschung und Entwicklung fuumlr die Prozesstechnik fuumlr die Charakterisierung der Energieeffizienz von Bauten bei der Ent-wicklung neuer Bauteile mit hoher thermischer Belastung und in vielen weiteren Bereichen Der mathematische Algorithmus ist aber auf unter-schiedliche Arten von Kamerasystemen anwendbar und damit auch fuumlr die Qualitaumltssicherung von CCD-Kameras bis hin zum Konsumguuml-termarkt anwendbar EntwicklungsstandEine deutsche Patenterteilung erfolgte im September 2015 Eine PCT-Anmeldung ist anhaumlngig Kooperations- und Lizenzpartner aus den Bereichen Thermografie Radiometrie und Photometrie zur Umsetzung des Konzeptes werden gesucht

Ansprechpartner

Dr Bernhard SmandekBeauftragter fuumlr TechnologietransferTelefon +49 531 592shy8303Telefax +49 531 592shy69shy8303EshyMail technologietransferptbde

DiplshyIng Berndt GutschwagerArbeitsgruppeInfrarotshyStrahlungsthermometrie

Stahlungsmessplatz der PTB zur Kalibrierung von Temperaturstrahlern und Waumlrmebildkashymeras

Vorteile

bull Schnelle Kalibrierung von Flaumlchensensoren (FPA)

bull Schnelle Kalibrierung von Flaumlchenstrahlern

bull Strahlquellen houmlchster Hoshymogenitaumlt

bull Fuumlr Thermografie und Phoshytometrie

PTBshyNummer 00374

wwwtechnologietransferptbde

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Die fachlichen Aufsaumltze aus dieser Ausgabe der PTB-Mitteilungen sind auch online verfuumlgbar unterdoi 10779531020150499

Die Physikalisch-Technische Bundesanstalt das nationale Metrologieinstitut ist eine wissenschaftlich-technische Bundesoberbehoumlrde im Geschaumlftsbereich des Bundesministeriums fuumlr Wirtschaft und Energie

mitteilungen

Impressum

Die PTB-Mitteilungen sind metrologisches Fachjournal der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt Braunschweig und Berlin Als Fachjournal veroumlffentlichen die PTB- Mitteilungen wissenschaftliche Fachaufsaumltze zu metrologischen Themen aus den Arbeitsgebieten der PTB Die PTB-Mitteilungen stehen in einer langen Tradition die bis zu den Anfaumlngen der Physikalisch-Technischen Reichsanstalt (gegruumlndet 1887) zuruumlckreicht

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Physikalisch-Technische BundesanstaltBraunschweig und BerlinNationales Metrologieinstitut

Die Physikalisch-Technische Bundesanstalt das nationale Metrologieinstitut ist eine wissenschaftlich-technische Bundesoberbehoumlrde im Geschaumlftsbereich des Bundesministeriums fuumlr Wirtschaft und Energie

Phy

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Hef

t 42

015

14

Das Jahr des Lichtes PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4

Hierbei ist

TBB die Temperatur des Planckschen Strahlers ε(λTBB) der effektive Emissionsgrad des Strahlers ABB die Groumlszlige der Strahleroumlffnung dBB der Abstand zur Referenzebene fuumlr die Bestrahlungsstaumlrke c1 c2 die Planckschen Strahlungskonstanten und n der Brechungsindex von Luft

In der PTB wird im Fachbereich 41 bdquoPho-tometrie und angewandte Radiometrieldquo ein Hochtemperatur-Hohlraumstrahler vom Typ BB3200pg als nationales Normal fuumlr spektrale Bestrahlungsstaumlrke im Spektralbereich 200 nm bis 2500 nm eingesetzt Der Strahler der vom russi-schen Institut fuumlr optophysikalische Messungen (VNIIOFI) entwickelt [6] und von der PTB fuumlr seine Messaufgabe aufwendig charakterisiert und optimiert wurde [7] besitzt einen Hohlraum aus pyrolytischem Graphit der mittels Gleichstrom auf Temperaturen bis 3200 K aufgeheizt werden kann Der Strahler besitzt einen effektiven Emissions-grad von ε(λTBB) gt 09998 und eine ausgepraumlgte Homogenitaumlt der Temperatur im Hohlraum Er kann somit als Planckscher Strahler behandelt werden

Zur Berechnung des Planckschen Strahlungs-gesetzes werden weitere Groumlszligen des SI-Systems benoumltigt die in der PTB ruumlckfuumlhrbar kalibriert werden So wird zum Beispiel die Strahlerflaumlche ABB in Fachbereich 53 bdquoKoordinatenmesstechnikldquo kalibriert und die Bestimmung der Strahlertem-peratur TBB erfolgt mithilfe von Filterradiometern die in Fachbereich 73 bdquoDetektorradiometrie und Strahlungsthermometrieldquo gegen ein Kryo-

radiometer ruumlckgefuumlhrt werden Mithilfe dieser Berechnungsparameter fuumlr Gleichung (16) kann der Schwarze Strahler als Primaumlrnormal fuumlr strah-lungsphysikalische Groumlszligen eingesetzt werden

Die Kalibrierung von Gluumlhlampen bezuumlglich spektraler Bestrahlungsstaumlrke erfolgt in Sub-stitution durch direkten Vergleich gegen das Primaumlrnormal bzw entsprechend ruumlckgefuumlhrte Sekundaumlrnormale Hierbei handelt es sich um 1000-W-Gluumlhlampen vom Typ FEL die mit einer Verteilungstemperatur von etwa 3080 K einem dem Schwarzen Strahler sehr aumlhnlichen Verlauf der relativen spektralen Strahlungsfunktion besitzen Die Substitution erfolgt mithilfe eines Spektroradiometers das mit drei Monochroma-toren und Empfaumlngern einen Spektralbereich von 250 nm bis 2500 nm abdeckt [8] Eine Ulbrichtku-gel dient als Eingangsoptik und ihre Eintrittsoumlff-nung als Referenzebene fuumlr die Bestrahlungsstaumlrke Die durch die Kugel transmittierte Strahlung gelangt in einen Vormonochromator und wird nach spektraler Vorzerlegung wahlweise in einen Monochromator fuumlr den Spektralbereich 250 nm bis 1100 nm oder in einen Monochromator fuumlr den infraroten Spektralbereich eingekoppelt Ein Photomultiplier eine Si-Photodiode und eine InGaAs-Photodiode erfassen die aus den derart kombinierten beiden Doppelmonochromatoren austretende Strahlung Im fuumlr die Photometrie relevanten sichtbaren Spektralbereich werden spektrale Messungen mit einer spektralen Band-breite von 1 nm und einem Streulichtanteil im Bereich von 10ndash7 durchgefuumlhrt

Das Verhaumlltnis der mit den unterschiedlichen Strahlern gemessenen Photostroumlme entspricht im Wesentlichen dem Verhaumlltnis ihrer spektralen Bestrahlungsstaumlrken Beim Vergleich eines Strah-

Bild 10 Der Hochtemperatur-Hohlraumstrahler BB3200pg der in der PTB als Primaumlrnormal fuumlr die spektrale Bestrahlungsstaumlrke eingesetzt wird Der Hohlraum aus Pyrographit kann bis zu 3200 K aufgeheizt werden

15

Ruumlckfuumlhrung in der Photometrie hellipPTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4

lers bdquoSldquo mit der Verteilungstemperatur T mit dem Schwarzen Strahler der Temperatur TBB laumlsst sich prinzipiell also die unbekannte spektrale Bestrah-lungsstaumlrke EλS (λT) ermitteln aus

E T E Ty

yS eS

λ λλ λλλ ( ) = ( ) sdot ( )( )BB BB

BB

wobei ys(λ) und yBB(λ) die fuumlr die beiden Strahler gemessenen Photostroumlme bei der Wellenlaumlngen-einstellung λ sind und EλBB (λTBB) die spektrale Bestrahlungsstaumlrke des Hochtemperatur-Hohl-raumstrahlers nach dem Planckschen Strahlungs-gesetz (16) ist

Ableitung und Weitergabe weiterer photometrischer Einheiten gerichteter photometrischer Groumlszligen

Neben der Einheit fuumlr die Lichtstaumlrke sind in der gerichteten Photometrie die Einheit der Beleuch-tungsstaumlrke zur Kalibrierung von Photometern und die Einheit der Leuchtdichte zur Angabe von Lampeneigenschaften besonders wichtig

Beleuchtungsstaumlrke

In der PTB werden Beleuchtungsstaumlrke-Messgeraumlte mit einem Referenzphotometer mittels der Substi-tutionsmethode kalibriert wobei die Lichteintritts-flaumlchen der Photometerkoumlpfe an derselben Stelle senkrecht und gleichmaumlszligig beleuchtet werden

Dazu wird zunaumlchst das Referenzphotometer (Linearitaumlt und Anpassungsindex m bekannt) mit Lichtstaumlrke-Normallampen beliebiger Vertei-lungstemperatur T kalibriert Durch Umstellung von Gleichung (13) folgt fuumlr seine photometrische Empfindlichkeit

s d y TI T

Tm

v K= sdot sdot

2

0 2856Ω( )( )

v

(18)

Auf einer 40 m langen Photometerbank siehe Bild 10 koumlnnen dann mit beliebigen Gluumlhlampen unterschiedlicher elektrischer Leistung aber bekannter Verteilungstemperatur Beleuchtungsstaumlrken zwischen 0001 lx und 10000 lx erzeugt werden

Die Kalibrierung von Beleuchtungsstaumlrke-Mess-geraumlten erfolgt meistens mit Licht der Normlicht-art A eine entsprechende Lampe ist in Bild 15 dargestellt Die Anzeige des zu kalibrierenden Beleuchtungsstaumlrke-Messgeraumltes wird mit dem Messwert der Beleuchtungsstaumlrke Ev des Referenz-photometers verglichen

E T ysv

vK( )= =2856

001

01

1

10

100

350 400 450 500 550 600 650 700 750

spek

tral

e Be

stra

hlun

gsst

aumlrke

E[microW

cm

sup2nm

]

Wellenlaumlnge λ [nm]

Schwarzer Strahler (3076 K)Schwarzer Strahker (2995 K)FEL 81 A (3080 K)FEL 67 A (2780 K)WI 41G 54 A (2700 K)

Bild 11 Spektrale Bestrahlungsstaumlrke unterschiedlicher Strahler im sichtbaren Spektralbe-reich Die als Sekundaumlrnormale eingesetzten 1000-W-Gluumlhlampen vom Typ FEL und die in der Photometrie verwendeten Gluumlhlampen vom Typ WI 41G besitzen einen sehr aumlhnlichen spektralen Verlauf wie der als Primaumlrnormal eingesetzte Schwarze Strahler bei unterschiedlichen Strahlertemperaturen

Bild 12 Der Messplatz fuumlr die Kalibrierung von Gluumlhlampen bezuumlglich spektraler Bestrah-lungsstaumlrke in der PTB Auf der rechten Seite befinden sich zwei als Sekun-daumlr- und Arbeitsnormale eingesetzte Gluumlhlampen Auf der linken Seite ist das Spektroradiometer zu sehen dass an seiner Oberseite eine Ulbrichtkugel als Eingangsoptik montiert hat deren Oumlffnung in Richtung Strahler als Referenzebene fuumlr die Bestrahlungsstaumlrke verwendet wird

Bild 13 Messplatz zur Weitergabe der Einheit der Beleuchtungsstaumlrke zur Kalibrierung von Photometern

(17)

(19)

16

Das Jahr des Lichtes PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4

Leuchtdichte

Leuchtdichten homogen leuchtender begrenzter Flaumlchen koumlnnen aus groszligem Abstand wie Licht-staumlrken gemessen werden Wird z B eine kreisfoumlr-mige Blendenoumlffnung (zentrisch und senkrecht zur Messrichtung) zwischen der leuchtender Flaumlche und dem Photometerkopf angeordnet und damit ein Teillichtstrom ausgesondert so kann dieser in groszligem Abstand als Lichtstaumlrke bestimmt werden und es gilt fuumlr die Leuchtdichte Lv der prinzipielle Zusammenhang

LIAvv= (20)

In der PTB wird fuumlr die mit Gluumlhlampen ausgestat-teten Leuchtdichtenormale (d h Verteilungstem-peratur T bekannt) zunaumlchst die photometrische Empfindlichkeit sv des Referenzphotometers wie in Abschnitt 41 bestimmt dann die Lichtstaumlrke nach Gleichung (13) gemessen und schlieszliglich die mittlere Leuchtdichte innerhalb der leuchtenden Flaumlche A nach Gleichung (20) berechnet

Fuumlr Leuchtdichtenormale gelten prinzipiell einige der im Kapitel bdquoLichtstaumlrke-Normallampenldquo aufgefuumlhrten Merkmale Sie unterscheiden sich jedoch im Detail in der Art der Ausfuumlhrung z B sind sie mit Gluumlhlampen oder mit LEDs bestuumlckt sie koumlnnen hinsichtlich der Leuchtdichte bzw Farbe durchstimmbar sein oder mit gesonderter Monitortechnik ausgestattet sein

Die traditionellen Messverfahren zur Bestim-mung der Leuchtdichte bzw die Verwendung von Photometern mit direkter Anzeige der Leuchtdich-tewerte werden zunehmend durch den Einsatz von Leuchtdichtekameras (pixelaufgeloumlste Darstellung von Leuchtdichteverteilungen) ergaumlnzt Eine abso-lute Kalibrierung dieser modernen Systeme stellt aber messtechnisch eine groszlige Herausforderung

Bild 14 Die 40 m lange photometrische Bank zur Realisierung und Weitergabe der Einhei-ten der gerichteten Photometrie

Bild 15 20-kW-Hochleistungshalogengluumlhlampe fuumlr hohe Beleuchtungsstaumlrken zur Kalibrierung von Beleuchtungsstaumlrke-Messgeraumlten u a mit Normlichtart A

Bild 16 Gluumlhlampenbasierte Normale zum Transfer der Leuchtdichte-Einheit

17

Ruumlckfuumlhrung in der Photometrie hellipPTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4

dar aktuell werden zur Charakterisierung solcher Kameras national im FNL3 (Normenausschuss bdquoPhotometrieldquo im DIN) und international in der CIE (TC2-59 TC2-62) u a Messverfahren dis-kutiert die dann mittels definierter Kenngroumlszligen beschrieben werden

Literatur

[1] BIPM Com Cons Phot Radiometrie 1982 10[2] CIE 1144 Distribution temperature and ratio

temperature 1994[3] G Sauter Die Candela Erlaumluterungen zum Ver-

staumlndnis der Definition und der RealisierungPTB-Mitteilungen 107 1997

[4] W Schreier (Hrsg) Biographien bedeutender Phy-siker 2 Aufl Volk und Wissen Berlin 1988S 203ndash205

[5] M Planck Zur Theorie des Gesetzes der Energie-verteilung im Normalspektrum Verhandlungender Deutschen Physikalischen Gesellschaft 21900 S 237ndash245

[6] V I Sapritsky B BKhlevnoy V B KhromchenkoB E Lisiansky S N MekhontsevU A Melenevsky S P Morozova A V ProkhorovL N Samoilov V I Shapoval K A SudarevM F Zelener Precision Blackbody sources forradiometric standards Appl Opt 1997 36S 5403ndash5408

[7] P Sperfeld Entwicklung und Realisierungeiner empfaumlngergestuumltzten spektralen Bestrah-lungsstaumlrkeskala Dissertation Braunschweig2861999 httpwwwbibliotu-bsdeedissdata19990628a19990628ahtml(Letzter Aufruf 28102015)

[8] P Sperfeld S Pape B Barton From Primary Stan-dard to Mobile Measurements ndash Overview of theSpectral Irradiance Calibration Equipment at PTBMAPAN-Journal of Metrology Society of India 252010 S 11ndash19

Bild 17 Pixelaufgeloumlste Darstellung einer Leuchtdichteverteilung mit einer Leuchtdichtemesskamera

pim_140107_anz_forschung_178x29indd 1 280214 1033

18

PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4Das Jahr des Lichtes

Kurze Geschichte der Goniophotometrie in der PTB Matthias Lindemann

Zusammenfassung

Die Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB) ist das nationale Metrologieinstitut (NMI) der Bundesrepublik Deutschland das seinen Fokus auf die Realisierung Bewahrung und Weitergabe der SI-Einheiten richtet Deshalb hat auch die goniophotometrische Bestimmung des Licht-stroms nahezu beliebiger Lichtquellen eine lange Tradition Seit mehr als 50 Jahren werden in der PTB hierzu noumltige Messsysteme entwickelt genutzt verbessert und an neue Messaufgaben angepasst Schon in den 50er- und 60er-Jahren des vergangenen Jahrhunderts erlaubte ein soge-nanntes Einarm-Goniophotometer die Realisie-rung der Lichtstromeinheit lumen (lm) als direkte Ableitung von der SI-Basiseinheit Candela (cd) mithilfe von Lichtstaumlrke-Normallampen Spaumlter gestattete ein groszliges Kardan-Goniophotometer mit einem Messradius von 25 m die notwendige automatisierte spiralfoumlrmige Bewegung eines Photometers bzw eines Dreibereichsfarbmess-kopfes Fuumlr die Lichtstrom-Kalibrierungen von Kleingluumlhlampen aber auch von zunehmend nachgefragten Messungen an LEDs wurde schon in den fruumlhen 1980er Jahren ein sogenanntes Mini-Goniophotometer ebenfalls als Kardan-

Goniophotometer mit nur 03 m Messradius entwickelt und eingesetzt Dieser Entwicklungs-prozess haumllt an und ermoumlglicht heute die Kalibrie-rung auch modernster LED-Lichtquellen Im Jahr 2006 wurde das erste Roboter-Goniophotometer im neuen Albert-Einstein-Gebaumlude der PTB in Betrieb genommen und ermoumlglicht seitdem die Kalibrierung nahezu beliebiger Lichtquellen mit der noumltigen kleinen Messunsicherheit

1 Einfuumlhrung

Mehr als 11 der elektrischen Energie werden heute in Deutschland fuumlr Beleuchtung einge-setzt Tendenz steigend Daher ist der Lichtstrom oumlkonomisch gesehen die wichtigste photometri-sche Groumlszlige Es ist notwendig seine Einheit das Lumen (lm) direkt von der SI-Basiseinheit fuumlr die Lichtstaumlrke der Candela (cd) abzuleiten Dies geschieht regelmaumlszligig mittels Goniophotometrie um den Lichtstrom der zu untersuchenden Licht-quelle zu bestimmen Obwohl auch absolut arbei-tende Ulbricht-Kugel-Methoden existieren [1] benoumltigen diese streng genommen zumindest die relative raumlumliche Lichtstaumlrkeverteilung welche nur durch goniophotometrische Methoden messbar ist

Das Prinzip der Goniophotometrie ist unabhaumln-gig von der technischen Realisierung der unter-schiedlichen Goniophotometertypen Ein Gonio-photometer misst die raumlumliche Verteilung der Beleuchtungsstaumlrke E(r ϑ φ) auf einer geschlosse-nen Huumlllflaumlche mittels V(λ)-angepasstem Pho-tometer fuumlr alle Richtungen (ϑ φ) der Lichtaus-strahlung im vollen Raumwinkel (4π sr) um die Lichtquelle herum wie Bild 1 zeigt

Der Radiusvektor r(ϑ φ) beschreibt die Position des Photometers in Kugelkoordinaten und r(ϑ φ) durchstoumlszligt das zur Lampe gerichtete Eintrittsfens-ter immer orthogonal Der Radiusvektor r(ϑ φ) beschreibt auch die Entfernung zwischen Lampe und Photometer

Der Winkel ϑ beschreibt die Position des Photometers zwischen den Polen traditionell im Bereich (0 lt ϑ lt π) Der Winkel φ beschreibt die Photometer-Position in der Aumlquator-Richtung

Matthias Lindemann Arbeitsgruppe bdquoGoniophotometrieldquo EshyMail matthiaslindemannptbde

Bild 1 Beleuchtungsstaumlrke E als Funktion des Radiusvektors r(ϑ φ)

19

PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4 Kurze Geschichte der Goniophotometrie in der PTB

(0 lt φ lt 2π) Der Wert des Lichtstroms Φ der Lampe kann aus der Beleuchtungsstaumlrkeverteilung E(ϑ φ) berechnet werden entweder aus der Licht-staumlrkedefinition I = dΦdω oder aus der Defini-tion der Beleuchtungsstaumlrke E = dΦdΑ

Φ = ( )int I ϑ ϕ ω4πsr

d (1)

Φ = ( )int E Ar

ϑ ϕ4 2π

d (2)

Das Raumwinkelelement dω der Gleichung (1) ist gegeben durch

d sin d dω ϑ ϑ ϕ= ( ) (3)

und das Flaumlchenelement dA der Gleichung (2) erhaumllt man aus

d sin d dA r= ( ) ( )2 ϑ ϕ ϑ ϑ ϕ

(4)

Der Radius r des Radiusvektors r(ϑ φ) kann als Konstante behandelt werden da er sich gewoumlhn-lich waumlhrend einer goniophotometrischen Messung nicht aumlndert Dann kann die Lichtstaumlrke-verteilung I(ϑ φ) durch Anwendung des photome-trischen Grundgesetzes aus der Beleuchtungsstaumlr-keverteilung E(ϑ φ) bestimmt werden

I r Eϑ ϕ ϑ ϕ ( ) = ( )2 (5)

Falls die photometrisch wirksame Ausdehnung rL der zu messenden Lampe deutlich kleiner ist als der Messradius r des Goniophotometers ist kann Gleichung (1) mit Gleichung (3) und r = const wie folgt geschrieben werden

Φ = ( ) ( )intintr E2

00

2

d sin dϕ ϑ φ ϑ ϑππ

(6)

Andererseits fuumlhrt Gleichung (2) mit Glei-chung (4) und r = const ebenfalls auf Gleichung (6) Aber fuumlr groszlige Lampen koumlnnte die Anwen-dung von Gleichung (5) zu fehlerhaften Ergeb-nissen fuumlhren (rL gt r) aber der ermittelte Wert des Lichtstroms entsprechend Gleichung (6) waumlre korrekt falls das Photometer das einfallende Licht mit dem Kosinus des Einfallswinkels bewertet

2 Geschichte der Goniophotometer- Systeme in der PTB

Wie bereits teilweise in Abschnitt 1 diskutiert sollte ein ideales Goniophotometer eine Reihe von Anforderungen erfuumlllen wie die folgende Auflis-tung zeigt

1 Kalibrierung der Photometer mittels Licht-staumlrke-Normallampen zur Sicherung der Ruumlckfuumlhrung auf die nationale Realisierung der Einheit Candela

2 Ausfuumlhrung einer Relativbewegung zwischen Lampe und Photometer wobei sich ϑ-Achse und φ-Achse rechtwinklig schneiden

3 Verwendung eines V(λ)-angepassten Photo-meters zur Lichtstrommessung

4 Automatische Messdatenanalyse5 Unabhaumlngige Bestimmung des Lichtstromwer-

tes von der raumlumlichenspektralen Verteilung der gemessenen Bestrahlungsstaumlrke Ee(λ ϑ φ) des Lichts

6 Unabhaumlngigkeit der Empfindlichkeit des Pho-tometers von der Umgebungstemperatur bzw Durchfuumlhrung einer entsprechenden Korrektur

7 Beliebige Betriebslage der zu untersuchenden Lampe

8 Einstellbare Umgebungsbedingungen fuumlr Luft-temperatur und Luftfeuchte

9 Geringer Streulichtanteil im Messraum bzw Streulicht-Korrektur

10 Elektrische Antriebe fuumlr die Bewegung der ϑ- und φ-Achsen

11 Verwendung von Farbmesskoumlpfen zur Bestim-mung der raumlumlich wirksamen aumlhnlichsten Farbtemperatur undoder Bestimmung der relativen raumlumlichen spektralen Verteilung der gemessenen Bestrahlungsstaumlrke

12 Messung ohne Bewegung der zu untersuchen-den Lampe

13 Vollstaumlndige Abtastung der Beleuchtungs-staumlrke- bzw Lichtstaumlrkeverteilung der zu untersuchenden Lampe

14 Staumlndige Uumlberwachung des photometrischen Betriebsverhaltens der Lampe um Alterung waumlhrend der Messzeit erkennen bzw korrigie-ren zu koumlnnen (sogenanntes Monitorsystem)

15 Messraumwaumlnde sollen etwa auf Lufttem-peratur sein um den Strahlungsaustausch zwischen Entladungslampen und Waumlnden des Messraums zu stabilisieren

16 Online-Streulichtkorrektur ndash insbesondere fuumlr ausgedehnte Lampen wie Leuchtstofflampen da diese den Einsatz eines Streulichttubus mit groumlszligerem Gesichtsfeld erfordern

17 Die Beleuchtungseinrichtung des Gonio-photometerraums soll zur Messzeit abgedeckt und ausgeschaltet sein um den Streulichtan-teil nicht zu erhoumlhen

18 Variation des Messradius r (Validierung von Nahfeld-Fernfeld-Messungen mit abbilden-den Systemen)

In der Goniophotometrie sind verschiedene Koor-dinatensysteme wie Bild 1a zeigt zu unterscheiden Dies sind regelmaumlszligig das Lampenkoordinatensys-tem Lamp das Raumkoordinatensystem Room und

20

PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4Das Jahr des Lichtes

das Goniophotometerkoordinatensystem bezogen auf dessen Zentrum Center Bild 1a zeigt moumlgliche Offsets zwischen diesen Systemen in Translation und Rotation

Um folgende Betrachtungen und Erklaumlrungen zu vereinfachen werden die genannten Koordina-tensysteme als deckungsgleich angenommen das heiszligt es werden keine Offsets in Translation und Rotationen zwischen den Koordinatensysteme vorausgesetzt

Im Weiteren werden die Eigenschaften Vor- und Nachteile der uumlber Dekaden in der PTB entwi-ckelten und genutzten Goniophotometer unter Beruumlcksichtigung der gewuumlnschten vorstehend gelisteten Eigenschaften diskutiert Es beginnt mit einem einfachen Einarm-Goniophotometer aus den 50er-Jahren des vergangenen Jahrhunderts und endet zumindest vorlaumlufig mit dem State-of-the-art-Roboter-Goniophotometer das 2007 in Betrieb ging

21 Einarm-Goniophotometer (1950ndash1975)

In der Zeit von 1950 bis 1975 wurde ein manuell betriebenes Einarm-Goniophotometer nach Bild 2 benutzt In den 50er-Jahren war diese Messappara-tur noch mit einem visuellen Photometer ausge-stattet Dieses Photometer erlaubte die relative Messung von Beleuchtungsstaumlrken mittels einer im Photometer installierten Hilfslampe in Verbindung mit einem optischen Abschwaumlcher [2 Seite 321] Die Ruumlckfuumlhrung auf die nationale Lichtstaumlrke-Einheit die Candela war durch Kalibrierung des visuellen Photometers mit Lichtstaumlrke-Normal-lampen sichergestellt (dies erfuumlllt Anforderung 1 der Anforderungsliste) entsprechend basieren auch Abstandsmessungen auf der nationalen Laumln-geneinheit dem Meter

Wegen der Lageabhaumlngigkeit der internen Hilfs-lampe im Innern des visuellen Photometer war es an einer festen Stelle der Messapparatur ange-bracht wie Bild 2 zeigt Ein Spiegel-Prismen-Sys-tem leitete das Licht der zu untersuchenden Lampe auf das Photometer Eine detaillierte Beschreibung aumlhnlicher Systeme kann [2 Seite 319] entnommen werden Damit ist Anforderung 2 ebenfalls erfuumlllt

Die vollstaumlndige Bestimmung des Lichtstroms Φ erfordert eine groumlszligere Anzahl Messungen von Beleuchtungsstaumlrken fuumlr ebenso viele manuell eingestellte unterschiedliche Kugelkoordina-ten (ϑ φ) Wird die fiktive Kugel gemaumlszlig Bild 1 in ϑ-Richtung in parallele Zonen eingeteilt und jede dieser Zonen i ist wiederum in n Sektoren j gleicher Laumlnge (Δφ = const) mit den zugehoumlrigen Beleuchtungsstaumlrken Eij unterteilt ist es moumlglich die mittlere Beleuchtungsstaumlrke Endashi jeder Zone i nach Gleichung 7 zu bestimmen

E Ei n i jj

n

==sum1

1 (7)

und der Wert des Lichtstroms Φ ergibt sich weiter aus der numerischen Integration nach Gleichung (8)

Φ = ( )minus ( )( )+

=sum2 2

10

1

πr cos cosϑ ϑi ii

m

iE-

(8)

Die Anzahl der notwendigen Beleuchtungsstaumlr-kemessungen haumlngt von der raumlumlichen Lichtver-teilung der zu untersuchenden Lampe ab Wegen der manuellen Einstellung des groszligen Arms (ϑ) der Drehung der Lampe (φ) und des gleichfalls noumltigen manuellen Abgleichs des visuellen Pho-tometers ist diese Methode sehr zeitaufwendig Sollen beispielsweise 600 Punkte gemessen werden (aus heutiger Sicht also nicht besonders viele) und man benoumltigt ca 25 Sekunden pro Messung werden also mehr als 4 Stunden benoumltigt um eine

Bild 1a Koordinatensysteme

Bild 2 Einarm-Go-niophotometer 1950ndash1975

21

PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4 Kurze Geschichte der Goniophotometrie in der PTB

Lampe mit relativ homogener raumlumlichen Licht-verteilung zu messen

In 1963 wurde ein internationaler Lichtstrom-vergleich auf der Basis von Entladungslampen ohne Fluoreszenzstoff durchgefuumlhrt Diese Lampen wiesen eine massive Inhomogenitaumlt ihrer raumlumlichen Lichtverteilung auf sodass die beschriebene manuelle Methode wegen der noumltigen hohen Anzahl von Messpunkten nicht praktikabel war Zur Loumlsung dieses Problems in [3] beschrieben wurde das visuelle Photometer durch einen grob an V(λ)-angepassten Photover-vielfacher ersetzt zusaumltzlich wurde die φ-Achse mit einem elektrischen Antrieb versehen und ein Praumlzisionskondensator ermoumlglichte die analoge Integration des Photostroms des Photovervielfa-chers Damit konnte fuumlr jede der erforderlichen ϑ-Einstellungen des groszligen Arms der elektri-sche Antrieb der φ-Achse diese mit konstanter Winkelgeschwindigkeit rotieren lassen waumlhrend der Praumlzisionskondensator den Photostrom des Photovervielfachers integrierte Nach etwa t = 5 min fuumlr eine Umdrehung repraumlsentierte die Ladung Q = C middot U des Praumlzisionskondensators die mittlere Beleuchtungsstaumlrke

E k C Uti = sdot (9)

dieser gemessenen Zone i Daraus berechnet sich der Lichtstrom wiederum gemaumlszlig Gleichung (8) Es ist nicht noumltig das Produkt k ∙ C exakt zu kennen da dies uumlber das Kalibrierverfahren durch die bekannte Beleuchtungsstaumlrke einer Lichtstaumlrke-Normallampe eliminiert werden kann es muss lediglich uumlber die gesamte Messzeit hinweg kons-tant sein

Spaumlter in den 1960er-Jahren wurde auch das visuelle Photometer durch ein modernes V(λ)-angepasstes Photometer basierend auf gefilterten Silizium-Photodioden in Kombination mit einen PhotostromSpannungswandler und einem xy-Plotter ersetzt Man erhielt so die Beleuchtungs-staumlrkeverteilung jeder Zone die sich dann leicht mit grafischen oder numerischen Verfahren inte-grieren lieszlig Es wird spaumlter gezeigt werden dass diese verwendete bdquoanaloge Zonenintegrationldquo sehr aumlhnlich der heutigen digitalen zonalen Bewertung ist

Diese letzten 2 Verbesserungen erfuumlllen die Anforderung 3 und teilweise auch die Anforde-rung 4

22 Kardan-Goniophotometer (1976ndash2007)

Das existierende Einarm-Goniophotometer war immer auf eine bdquohelfende Handldquo angewiesen um es von Punkt zu Punkt zu bewegen Die anschlie-szligende Berechnung des Lichtstroms wurde grund-saumltzlich ebenfalls haumlndisch ausgefuumlhrt Dieses Ver-

fahren war dementsprechend sehr zeitaufwendig und der zunehmende Wunsch der Industrie auch groszlige Objekte wie z B lange Leuchtstofflampen aber spaumlter auch sehr kleine Mikrolampen und erste LEDs zu kalibrieren fuumlhrte zur Entwicklung sogenannter Kardan-Goniophotometer ver schie-dener Ausfuumlhrungen

221 Groszliges Kardan-Goniophotometer

Nach der intensiven Umgestaltung einiger Raumlume im Koumlsters-Bau der PTB war es moumlglich im neuen Goniophotometerraum (7 x 10 x 8 m3) das Kar-dan-Goniophotometer [4] zu installieren Bild 3 zeigt das groszlige Kardan-Goniophotometer Am Bildoberrand ist eine zu kalibrierende stabfoumlrmige Leuchtstofflampe zu sehen

Dieser Raum war zusaumltzlich auch mit einer geregelten elektrischen Heizung ausgestattet um die geforderten Messbedingungen bezuumlglich Umgebungstemperatur einstellen zu koumlnnen Im Prinzip besteht ein Kardan-Goniophotometer wie in Bild 4 gezeigt aus 3 Rahmen wobei der aumluszligere α-Rahmen der raumlumlichen Ausrichtung (durch Drehung um die y-Achse) der zu untersu-chenden Lampe dient Innerhalb dieses aumluszligeren α-Rahmens ist der mittlere φ-Rahmen endlos drehbar um die z-Achse gelagert Der innere ϑ-Rahmen ist wiederrum drehbar im φ-Rahmen gelagert jedoch ist seine Bewegung auf knapp 180deg durch den noumltigen Lampenhalter begrenzt Alle 3 Rahmen sind mechanisch ausgeglichen und mit elektrischen Antrieben versehen Ihre Rotationsgeschwindigkeiten waren per 10-Gang-Praumlzisionspotentiometer einstellbar eine Folge der angewandten analogen Regelung der Achsan-triebe Die Winkelbestimmung der Achsen erfolgte mittels 13-bit-Winkelencodern Das Photometer war am ϑ-Rahmen (Bild 4) platziert und ermoumlg-lichte so einen festen Messradius von 2500 mm Es bestand die Moumlglichkeit ein zweites Photometer

Bild 3 Kardan-Goniophotometer 1976ndash2007

22

PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4Das Jahr des Lichtes

oder einen Farbmesskopf auf der gegenuumlberliegen-den Seite des ϑ-Rahmens einzusetzen

In diesem Fall war der Arbeitsbereich limitiert im Bereich 4deg lt ϑ lt 176deg da jeweils Lampenhalter von rechts und links zur Aufnahme einer beispiels-weise stabfoumlrmigen Leuchtstofflampe eingesetzt werden konnten (siehe auch Bild 3) Im Falle von einseitig gesockelten Lampen wurde meist nur ein PhotometerFarbmesskopf verwendet was eine Drehung der gegenuumlberliegenden Messkopf-aufnahme um 90deg ermoumlglichte Diese sogenannte bdquoKroumlpfungldquo lieszlig dann Raum fuumlr den nun einseiti-gen Lampenhalter und der Arbeitsbereich vergrouml-szligerte sich zu 0deg lt ϑ lt 176deg

Entsprechend der Gleichung (6) muss die gemessene Beleuchtungsstaumlrkeverteilung uumlber den vollen Raumwinkel 4π sr zum Wert des Licht-stroms integriert werden So ist es naheliegend digitale uumlber die Zeit integrierende Methoden zur Erfassung und Speicherung der gemessenen Beleuchtungsstaumlrkewerte zu verwenden Bild 5 zeigt den Signalfluss Sowohl Photometer- undoder Farbmesskopf als auch Photostrom-Fre-

quenz-Wandler waren temperaturstabilisiertDer Photostrom des Photometers mit seiner

photometrischen Empfindlichkeit s normalisiert auf die CIE-Lichtart A wird mittels Ruumlckkopp-lung Rg eines Photostromverstaumlrkers in eine Spannung U gewandelt und weiter durch einen Spannungs-Frequenzwandler in eine Frequenz f mit dem zugehoumlrigen Wandlungsfaktor wf kon-vertiert Diese Frequenz wird letztlich von einem digitalen Zaumlhler kontinuierlich gezaumlhlt Simultan wird die Quarz-Frequenz fq durch einen zweiten digitalen Zaumlhler erfasst um waumlhrend der spaumlteren Datenanalyse die urspruumlnglichen Photostroumlme berechnen zu koumlnnen Diese Methode stellt damit die schon erwaumlhnte Signal-Zeit-Integration sicher

Die die zu untersuchende Lampe umgebene fiktive Kugel ist wie Bild 5 zeigt in Zonen und Sektoren unterteilt Infolge der analogen Geschwindigkeitsregelung der zwei bewegten Rahmen sind positive und negative Beschleu-nigungsphasen am Anfang und am Ende einer vollstaumlndigen Abtastung und Lastreaktionen des rotierenden Systems und die damit verbundenen geringen Gleichlaufschwankungen unvermeid-bar Die Unterteilung jeder Zone in Sektoren mit der Laumlnge Δφj als Gewichtung reduziert jedoch diesen Einfluss Damit berechnet sich die mittlere Beleuchtungsstaumlrke Endashi nach Gleichung (10)

Es w R

fyt

fjj

ni j

i j=

sdot sdot sdot( )sdot sdot minus

=sum1

2 10

πϕ

f gq∆∆

∆

(10)

mit der Dunkelfrequenz f0 (Photometer abgeschat-tet) und den Differenzsignal-Zaumlhlungen Δyi j und den Differenzzeit-Zaumlhlungen Δti j jeweils vom Sek-toranfang bis zum Sektorende Wiederum koumlnnte der Lichtstrom nach Gleichung (8) bestimmt werden jedoch werden jetzt noch Korrekturfakto-ren fuumlr das Streulicht cstr der spektralen Fehlanpas-sung des Photometers cspec und Abweichungen von den nominalen elektrischen Betriebsbedingungen celec eingefuumlhrt wie nun Gleichung (11) zeigt

Φ = sdot sdot sdot sdot minus( ) sdot+=

minus

sumc c c r Ei ii

m

istr spec elec cos cos2 21

0

1

π ϑ ϑ

(11)

Im Verlauf einer Lichtstrommessung werden neben dem Photometer auch die Waumlnde des Messraums von der zu untersuchenden Lampe beleuchtet Diese Beleuchtung wird ebenfalls vom im Goniophotometer verwendeten Photometer bdquogesehenldquo und fuumlhrt zu einer Streubeleuchtung auf dem Lichteintrittsfenster dieses Photome-ters Diese Streubeleuchtung haumlngt einerseits vom Reflexionsgrad der verwendeten Wandfarbe (ρ asymp 3 ) und vom Gesichtsfeld des sich vor dem

Bild 4 Groszliges Kardan-Goniophotometer 1976ndash2007

Bild 5 Signalfluss

23

PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4 Kurze Geschichte der Goniophotometrie in der PTB

Photometer befindlichen Streulichtreduzierungs-tubus ab Daher muss fuumlr jeden eingesetzten Tubus mit seinem individuellen Gesichtsfeld der wirksame spezifische Streulichtkorrekturfaktor cstr bestimmt werden Diese koumlnnen ermittelt werden indem Blenden mit unterschiedlichen Durchmes-sern zwischen der zu untersuchenden Lampe und dem Photometer waumlhrend normalen Lichtstrom-messungen positioniert werden Eine detaillierte Beschreibung kann [5] entnommen werden

Die technische Realisierung eines Photometers ist immer nur eine Naumlherung fuumlr V(λ) Dies bedeu-tet dass im Prinzip in allen Faumlllen diese spektrale Fehlanpassung korrigiert werden muss Allgemein kann der spektrale Korrekturfaktor cstr fuumlr alle Lampen mit beliebiger Strahlungsfunktion S(λ) nach Gleichung (12) bestimmt werden

cV S

s S

V P T

s Pspek

rel

A

rel

d

d

d=

( )sdot ( )( ) sdot ( )

( ) sdot ( )( ) sdot

intint

intint

λ λ λ

λ λ λ

λ λ λ

λ

λλ λTA d( )

(12)

Hierzu ist jedoch die Kenntnis der relativen spektralen Empfindlichkeit srel(λ) des Photome-ters notwendig P(λ TA) bezeichnet dabei einen Planckstrahler mit einer Verteilungstemperatur von TA = 2856 K

Im Fall von Gluumlhlampen ist ein etwas einfache-rer Weg fuumlr diese Korrektur ohne die Kenntnis von srel(λ) moumlglich Gleichung (13) beschreibt die Abhaumlngigkeit der Beleuchtungsstaumlrke E(T) von der Verteilungstemperatur T

E Ty T

sTT

m

( ) = ( )

A

y

(13)

eines gemessenen Photostroms y(T) und der pho-tometrischen Empfindlichkeit s des Photometers fuumlr Lichtart A Eine charakteristische Eigenschaft des Photometers ist der Exponent my bdquoyldquo indiziert den Exponent fuumlr ein V(λ)- angepasstes Photome-ter oder den y-Kanal eines Dreibereichsfarbmess-kopfes wobei die anderen Kanaumlle unterschiedliche Werte fuumlr diese Exponenten haben Ein ideales Photometer wuumlrde einen Wert von 0 fuumlr diese Exponenten aufweisen Beispielsweise beschreibt my = 0018 ein qualitativ durchaus gutes Photo-meter Der Exponent my (und auch mx und mz) koumlnnen aus einem Fit bekannter Paare (E(T) T) einer Lichtstaumlrke-Normallampe bei verschiedenen Arbeitspunkten wie in [6 7] beschrieben gefun-den werden Damit kann der Korrekturfaktor cspec fuumlr Gluumlhlampen wie folgt geschrieben werden

c TT

my

specA

=

(14)

Werden Gluumlhlampen in der Naumlhe von CIE-Licht-art A betrieben ist die Korrektur auf elektrische Nominalbedingungen celec ebenfalls nach Glei-chung (15) sehr einfach da der Lichtstrom eine Funktion des Betriebsstroms J ist

c JJ

m

elec

J

=

minus

0 (15)

Hier ist J0 der Nominalstrom und mJ cong 684 Mehr Information kann in [7] gefunden werden

Die Datenanalyse fuumlr einen Dreibereichsfarb-messkopf erfolgt in gleicher Weise und man erhaumllt die Normfarbwertanteile (x y) aus den Gleichun-gen (16 17)

x =+ +Φ

Φ Φ ΦX

X Y Z (16)

y =+ +Φ

Φ Φ ΦY

X Y Z (17)

Leider konnten nur der Lichtstrom und die zuge-houmlrigen Normfarbwertanteile bestimmt werden da aufgrund der geringen Speichermoumlglichkeit der verwendeten Computertechnik die raumlumliche Information verlorenging

Daher wurden im Jahre 1991 alle Computer Analogsysteme die Verdrahtung und viele weitere Elemente durch moderne Ausruumlstung ersetzt Von nun an konnten alle Rohdaten mittels geeigneter Speichermedien dauerhaft bewahrt werden Das galt auch fuumlr groszlige Datenmengen des ab 1997 eingesetzten Array-Spektrometers zur Messung der relativen spektralen Leistungsverteilung der Strahlung synchron zur Lichtstrombestimmung Leider wiesen Photometer und Einkoppeloptik des Array-Spektrometers unterschiedliche Gesichtsfel-der auf und hatten etwas unterschiedliche Positi-onen auf dem Goniophotometer was die Daten-analyse komplizierte Dennoch konnten erstmalig raumlumliche spektrale Informationen uumlber zu untersuchende Lampen ermittelt werden Damit erfuumlllte das groszlige Kardan-Goniophotometer in seiner Ausbaustufe von 1997 die Anforderungen 1ndash14 aus Abschnitt 2 Die relative erweiterte Mes-sunsicherheit fuumlr den Lichtstrom fuumlr k = 2 betrug jetzt 060

222 Kleines Kardan-Goniophotometer

Fuumlr die Messung kleiner Lampen und LEDs wurde in den fruumlhen 1980er-Jahren ein dem groszligen Kardan-Goniophotometer sehr aumlhnliches kleines Kardan-Goniophotometer mit einem Messra-dius von nur 300 mm entwickelt hergestellt und

24

PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4Das Jahr des Lichtes

betrieben Das Foto in Bild 6 zeigt dieses seinerzeit sogenannte bdquoMini-Goniophotometerldquo

Die Messtechnik entsprach nahezu vollstaumln-dig dem groszligen Kardan-Goniophotometer bis hin zum Signalfluss einschlieszliglich Spannungs-Frequenzwandler und nachgeschalteten Zaumlhlern Damit sind alle Aspekte dieser Apparatur bereits in Abschnitt 221 diskutiertIm Jahre 2007 wurde dieses Instrument durch ein spezielles Goniophotometer fuumlr die Messung von LEDs ersetzt siehe auch Kapitel Metrologie fuumlr moderne Lichtquellen LEDs und OLEDs [10]

23 Roboter-Goniophotometer (2006 bis heute)

Am Ende der 1990er-Jahre wurde die Planung eines neuen Goniophotometertyps mehr und mehr konkret Nahezu gleichzeitig entschied sich die PTB fuumlr den Neubau eines modernen Gebaumludes fuumlr die Abteilung Optik dem heutigen Albert-Einstein-Bau Infolge dieses Zusammentreffens

beider Ereignisse konnte bei der Planung das neue Gebaumlude quasi um das neue Roboter-Goniopho-tometer herum geplant und spaumlter auch so gebaut werden

In 19951996 zeigte G Sauter dass Gonio-photometrie mittels Robotern moumlglich ist und erhebliche Vorteile gegenuumlber den bisher verwendeten Kardan-Goniophotometern auf-weist [8] Wie weiterhin in [8] beschrieben sind sogenannte Service-Roboter gut geeignet um ein Roboter-Goniophotometer zu realisieren Diese zeichnen sich durch eine schlanke Konstruktion mit langen Armen bei gleichzeitig relativ gerin-gem Gewicht aus Sie verfuumlgen uumlber eine hohe Flexibilitaumlt um beispielsweise ein Photometer auf gewuumlnschten Bahnen mit unterschiedlichen Radien (1000 mm lt r lt 3000 mm) auf der fiktiven Kugeloberflaumlche um die Lampe herumzufuumlhren Jeder Roboter verfuumlgt uumlber 7 Freiheitsgrade (engl seven degrees of freedom 7 DOF) Dies garantiert die notwendige Flexibilitaumlt und das erforderli-che Arbeitsvolumen Zur Abdeckung des vollen Raumwinkels 4π sr sind daher 2 der beschriebenen Roboter notwendig Ein dritter aumlhnlicher Roboter positioniert dabei die zu untersuchende Lampe in der gewuumlnschten Brennstellung im Raum Alle Roboter-Basen sind direkt mit dem Stahlbeton des Gebaumludes verbunden um eine langzeitstabile raumlumliche Positionierung der Roboter zu gewaumlhr-leisten Bild 8 zeigt das Roboter-Goniophotometer waumlhrend der Messung einer LED-Signalleuchte

Im Gegensatz zu Kardan-Goniophotometern ist der Messradius variabel in dem alle 7 Achsen in entsprechende Positionen gebracht werden Wegen der groszligen Redundanz eines 7-DOF-Roboters kann die Zielposition einschlieszliglich Orientierung durch eine sehr groszlige Anzahl unter-schiedlicher Einstellungen der 7 Achsen erreicht werden Daher wird eine Strategie benoumltigt um die jeweilige Achs einstellung zu finden Diese

Bild 6 Kleines Kardan-Goniophotometer 1982ndash2007

Bild 7 Arm des Roboter-Goniophotometers

Bild 8 Roboter-Goniophotometer 2006 bis heute

25

PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4 Kurze Geschichte der Goniophotometrie in der PTB

Strategie ist relativ simpel Sie besagt dass alle Achseinstellungen derart gefunden werden dass saumlmtliche Bestandteile des Roboters einen maxi-malen Abstand zum Zentrum des Roboters haben sollen um das von der Roboterstruktur reflektierte Streulicht moumlglichst gering zu halten Eine beson-dere Software ist notwendig um alle Achswinkel ausgedruumlckt in counts jedes Winkelencoders fuumlr jede Achse zu bestimmen um die gewuumlnschten Kugelkoordinaten (r ϑ φ) anzufahren Waumlhrend der Messung der zu untersuchenden Lampe liest das Roboter-Kontrollsystem alle 10 ms diese counts jeder Achse und versucht jede Achse entsprechend diese Vorgabe einzustel-len Nach dieser Einstellung welche fuumlr alle 7 Achsen gleichzeitig erfolgt werden die Ist-Winkel jeder Achse wiederum in counts synchron gelesen und mit den zugehoumlrigen photo-metrischen Daten und elek trischen Daten des Lampenbetriebs in eine Datenbank gespeichert Prinzipiell ist der Signal-fluss dem des in Abschnitt 221 beschriebenen groszligen Kardan-Goniophotometers sehr aumlhnlich Aber es gibt ein zusaumltzliches wichtiges Element den sogenannten Zeitstempel Da ein weit verteiltes Datenerfassungssystem vorliegt wird ein Mecha-nismus zur Datensynchronisierung in Form eines 1-Mhz-Taktes verwendet Dieser ist im gesamten System verfuumlgbar Beim Messungsstart synchron gestartete Zaumlhler erlauben daher die spaumltere Synchronisierung aller angefallenen Daten Wie beschrieben ist die Position jeder Achse und damit die Position und Orientierung des Photometers das Ergebnis eines Regelprozesses Somit ist es not-wendig die tatsaumlchliche Position und Orientierung des Photometers aus den gespeicherten Daten der Winkelencoder zu berechnen

In der Robotik ist es uumlblich einen Roboter des

verwendeten Typs wie eine biegesteife mechani-sche Kette mit sogenannten Denavit-Hartenberg-Parametern (DH-Parameter) zu beschreiben [9] Die Tabelle 1 zeigt diese DH-Parameter am Beispiel des Roboters 1

Mit diesen Parametern und den aktuellen Winkeln θi fuumlr jede Achse ist die Berechnung der Position bzw Orientierung der siebten Achse in Basis-Koordinatensystem des Roboters moumlglich Hierzu werden 7 Matrizen nach Gleichung (18) ver-wendet Jede Matrize beschreibt die Position (blau) und Orientierung (gruumln) jeder einzelnen Achse

Die PositionierungOrientierung der Achse 7 ergibt sich aus dem Vektorprodukt T1 T2 T3 T4 T5 T6 T7

Um jedoch die Koordinaten in Bezug auf das Koordinatensystem der fiktiven Kugel zu erhalten muumlssen 2 weitere aumlhnliche Matrizen verwendet werden Die sogenannte Base Frame Matrix F beschreibt die Positionierung und Orientierung des Roboter-Koordinatensystems zum Koor-dinatensystem der fiktiven Kugel waumlhrend die Matrix W die Positionierung und Orientierung des Photometers zur Achse 7 beschreibt Nun laumlsst sich die Position und Orientierung des Photome-ters P im Koordinatensystem der fiktiven Kugel mit Gleichung (19) beschreiben

P = F T1 T2 T3 T4 T5 T6 T7 W (19)

axisi Δθi offset to rotation around Z-axis

αi rotation around X-axis

di

translation in Z-axis

αi

translation in X-axis

1 ndash1438deg 45024deg 0000 mm ndash0400 mm

2 191088deg ndash90026deg 2686322 mm 0696 mm

3 178585deg 89996deg 274088 mm 0781 mm

4 6229deg ndash90022deg 1410499 mm 0474 mm

5 ndash0141deg ndash89955deg 173036 mm ndash0779 mm

6 ndash0924deg 90032deg 1191007 mm 0223 mm

7 180443deg 90007deg 91130 mm 0000 mm

Tabelle 1 DH-Parameter von Roboter 1

T

a

i

i i i i i i i i i i i

=

+( ) minus +( ) +( ) +cos sin cos sin sin cos∆ ∆ ∆ ∆θ θ θ θ α θ θ α θ θ(( )+( ) +( ) minus +( ) +sin cos cos cos sin sin∆ ∆ ∆ ∆θ θ θ θ α θ θ α θ θi i i i i i i i i i ia (( )

00 0 0 1

sin cosα αi i id

(18)

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PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4Das Jahr des Lichtes

Bild 9 zeigt die Achsenkoordinatensysteme (17) das Base-Frame-Koordinatensystem und das Koordinatensystem des Photometers zur Achse 7 in schematischer Weise Das Koordinatensys-tem der fiktiven Kugel faumlllt mit dem Zentrum des Goniophotometers zusammen und wird mit Center bezeichnet P ist jetzt auf dieses Center-Koordinatensystem bezogen Zusaumltzlich ist eine typische Bahn eingezeichnet Wegen des aller-dings nicht dargestellten Lampenhalters ist diese Bahn im oberen Bereich verdichtet um eine Kollision mit dem Lampenhalter zu vermeiden Wie bereits erwaumlhnt setzt die Verwendung von Gleichung (19) einen biegesteifen Roboter voraus der in der Praxis nicht existiert P ist also von statischen Gewichtskraumlften des Roboters dyna-mischen Kraumlften infolge der Bewegung als auch von thermischen Laumlngenaumlnderungen uumlberlagert Daher muss Gleichung (19) um eine entspre-chende Korrektur C erweitert werden Glei-chung (20) zeigt nun das endguumlltige Modell zur Bestimmung von P

wobei C

t tT Rθ θ

θ θ1 7

1 7 dd

dd amb

diese finale Korrektur basierend auf den Winkeln θ1θ7 aller Achsen ihren zeitlichen Ableitungen

dd

dd

θ θ1 7

t t

und der Umgebungstemperatur Tamb beschreibt

Der letzte Parameter R steht fuumlr einen groszligen Datensatz und beschreibt Eigenschaften des Roboters wie Abmessungen Teilmassen usw Die Berechnung von C() ist aufwendig und wurde vom Hersteller des Roboters ausgefuumlhrt Aus Gruumlnden des Wettbewerbs muss diese Berechnung vertrau-lich behandelt werden und kann daher hier nicht veroumlffentlicht werden Jedoch kann die Wirkung von C() beispielhaft auf den Messradius mitgeteilt werden (siehe Bild 10)

Die noumltige Radiuskorrektur rcorr bewegt sich im Bereich ndash2 mm lt rcorr lt 3 mm je nach Position (θ φ) des Photometers Der Aumlquatorbereich benouml-tigt eine groumlszligere Korrektur infolge hier wirksamer groumlszligerer Zentrifugalkraumlfte als die Polregion Der Radius selbst laumlsst sich dann aus der Positionssub-matrix von P bestimmen

Der Signalfluss stimmt im Wesentlichen mit dem wie in Bild 5 gezeigt uumlberein Prinzipiell kann der Lichtstrom mit den Gleichungen (11) und (10) berechnet werden da aber nun 2 Photometer benutzt werden muss dies fuumlr jede Hemisphaumlre also fuumlr jeden Roboter separat geschehen Die Gleichungen (21) und (22) demonstrieren das

Bild 9 Koordinatensystem des Roboter-Gonio-photometers und Beispielbahn

P Ct t

T R F T T T T T T=

sdot sdot sdot sdot sdot sdot sdot sdotθ θ

θ θ1 7

1 71 2 3 4 5 6

dd

dd amb TT W7 sdot

(20)

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fuumlr Roboter 1 Der Radius r1i befindet sich dabei innerhalb der Summation von Gleichung (22) Das Roboter-Goniophotometer ist zusaumltzlich mit einem Monitorphotometer ausgeruumlstet Dieses Photometer wird waumlhrend der Messung nicht bewegt ist aber staumlndig von einem fixen Punkt aus auf die zu untersuchende Lampe gerichtet und erlaubt somit die Korrektur einer moumlglichen Alterung der Lampe waumlhrend des Messprozesses als Funktion der Zeit (cmon(t1i))

Es w R

fyt

fi jj

ni j

i j1

1 1 11

1

1

11 0

12

1

=

( )sdot minus

=sumπ

ϕf g

q∆∆

∆

(21)

Φ1 1 1 12

1 1 1 12= sdot sdot sdot sdot ( ) sdot minus( )+c c r c ti i i ii

str spec mon cos cosπ ϑ ϑ==

minus

sum sdot0

1

1

1m

iE

(22)

Roboter 2 wird in gleicher Weise behandelt und der Lichtstrom ergibt sich somit aus der Summe von Φ1 und Φ2 korrigiert mit dem elektrischen Korrekturfaktor celec aus Gleichung (15)

Φ Φ Φ= sdot +( )celec 1 2 (23)

Die Bestimmung der Streulichtkorrektur cstr unter-scheidet sich methodisch von jener des Kardan-Goniophotometers Es ist schwierig Blenden zwischen Photometer und Lampe zu positionieren wie in [5] beschrieben Hier wird die Streulicht-korrektur cstr direkt aus der Leuchtdichteverteilung auf den Waumlnden des Messraums bestimmt Mit der Kenntnis der geometrischen und photometrischen Eigenschaften des Raumes der raumlumlichen Licht-staumlrkeverteilung der Lampe und dem verwendeten Streulichttubus vor dem Photometer lieszlige sich die Streulichtkorrektur cstr berechnen Hier jedoch wird diese Korrektur mit sogenannten Back-Loo-king-Photometern bestimmt [11]

Bild 11 zeigt ein Foto der bdquoRoboterhandldquo mit mon-tiertem Photometer und Back-Looking-Photometer Letzteres ist ein wenig schraumlg ausgerichtet um nicht im Bereich des Schattenwurfs des Photome-ters auf den Waumlnden zu messen

Bild 12 zeigt beispielhaft eine typische in finite Flaumlchenelemente gerasterte Streulichtsituation im Goniophotometermessraum wie sie durch die zu untersuchende Lichtquelle generiert wird Dieses Beispiel arbeitet mit finiten Flaumlchen der Groumlszlige 05 m middot 05 m um die Flaumlchen sichtbar zu machen Zur realen Berechnung werden Flaumlchen der Groumlszlige 01 m middot 01 m verwendet Natuumlrlich ist der Streulichtanteil auf der aktiven Flaumlche des

Bild 10Wirkung der Radiuskorrektur

Bild 11 Photometer (links) und Back-Looking-Photometer (rechts)

Bild 12 Wirkung des Streulichts und seine Bestimmung

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PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4Das Jahr des Lichtes

Photometers eine Funktion des Gesichtsfeldes des jeweils verwendeten Streulichttubus vor dem Photometer Derzeit werden 2 Tuben je nach Groumlszlige der Lichtquelle mit Oumlffnungswinkeln von ca 15deg und ca 225deg verwendet Ihre typischen Korrekturwerte betragen etwa 09995 und 09990 Da jeder Messroboter mit diesem Back-Looking-Photometer ausgeruumlstet ist kann so der Streulicht-anteil fuumlr jedes Photometer bestimmt werden Da die Back-Looking-Photometer bdquoruumlckwaumlrtsldquo gerichtet sind wird also jeweils die Streulichtkorrektur fuumlr den gegenuumlberliegenden Messroboter bestimmt Damit ist es moumlglich den Wert des Lichtstroms mit zugehoumlriger Messunsicherheit zu bestimmen Tabelle 2 illustriert Ergebnisse einer vereinfachten Monte-Carlo-Simulation (MC) am Beispiel einer OSRAM-Wi4-Lichtstrom-Normallampe Ihre Lichtstaumlrkeverteilung ist in Bild 13 wiedergegeben

Die MC basiert auf den folgenden Gleichun-gen (24) Werte der wichtigsten Beitraumlge zur Mes-sunsicherheit koumlnnen der Tabelle 2 entnommen werden Eine detailliertere Beschreibung der Roboter und Analyse der Messunsicherheit kann [12] entnom-men werden

Bild 13 Raumlumliche Lichtstaumlrkeverteilung einer OSRAM-Wi4-Lichtstrom-Normallampe

Quantity Symbol Value Uncertainty Unit Sensitivity Contribution lm Relative contribution

Luminous responsivity 1 s1 3065E-10 9195E-13 A lxndash1 188E+12 173 000150

Luminous responsivity 2 s2 4111E-10 12333E-12 A lxndash1 143E+12 177 000153

Spectral matching exponent 1 m2 y 0021 0015 1 20 030 000026

Spectral matching exponent 2 m2 y 0036 0015 1 18 027 000023

CCT or distribution temperature T 2762 10 K 0012 012 000011

Uncertainty in r Δr 0000 00020 m 901 180 000156

Calibration factor for frequency F cFH 1000 00005 1 1141 057 000049

Calibration factor for frequency ƒ cFD 1000 00050 1 104 005 000005

Voltage to frequency converter 1 w1 f 500849 25 Hz Vndash1 0012 031 000027

Voltage to frequency converter 2 w2 f 500561 25 Hz Vndash1 00118 029 000026

Amplification gain 1 R1 g 1000E+09 99996 Ω 6223E-07 006 000005

Amplification gain 2 R2 g 9997E+08 99966 Ω 5430E-07 005 000005

Calibration factor for cmon ccm 1000 00005 1 1162 058 000050

Correction factor for stray light cstr 09995 00005 1 1134 057 000049

Luminous flux Φ 11541 327 00028

Tabelle 2 Unsicherheitsbudget

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PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4 Kurze Geschichte der Goniophotometrie in der PTB

Somit ergibt sich zurzeit eine erweiterte Mess-unsichert von 056 fuumlr k = 2 Dies entspricht etwa der Messunsicherheit welche mit dem groszligen Kardan-Goniophotometer erreichbar war Im Unterschied zum Kardan-Goniophotometer (fester Messradius) verfuumlgt das Roboter-Goniophotometer jedoch uumlber die noumltige hohe Flexibilitaumlt (z B durch Variation des Messradius) die noumltig ist um kuumlnftige Anforderungen erfuumlllen zu koumlnnen Eben diese hohe Flexibilitaumlt fuumlhrt bei der Bestimmung des Messradius zu relativ groszligen Messunsicherheiten Hier koumlnnte die Verwendung einer Lookup-Table oder eine On-Line-Verfolgung mittels Tracer-Syste-men der Bahnen diese Unsicherheit verkleinernMittlerweile ist das Roboter-Goniophotometer voll-staumlndig charakterisiert und wird fuumlr beleuchtungs-staumlrkebasierte Lichtstromkalibrierungen und auch fuumlr internationale Vergleiche eingesetzt Damit werden auch die Anforderungen (15ndash17) erfuumllltIm naumlchsten Schritt wird das Roboter-Goniopho-tometer mit Leuchtdichtemesskameras ausgeruumlstet

werden um es als bdquoNahfeld-Goniophotometerrdquo einzusetzen Es wird dann die direkte Messung der Leuchtdichteverteilung erlauben aus welcher nahezu alle noumltigen photometrischen Groumlszligen abgeleitet werden koumlnnen Dieser kuumlnftige Schritt wird dann auch den letzten Punkt (18) der Anfor-derungen erfuumlllen

3 Zusammenfassung

Die Geschichte der Goniophotometrie in der PTB uumlber einen Zeitraum von mehr als 50 Jahren wird praumlsentiert Verschiedene Goniophotometer ange-fangen vom manuell bewegten Einarm-Goniopho-tometer mit visuellem Photometer uumlber das groszlige und kleine Kardan-Goniophotometer bis hin zum bdquoState-of-the-art-Roboter-Goniophotometerldquo fuumlr das 21 Jahrhundert werden beschrieben Das Letztere hat das Potenzial in der traditionellen Betriebsart aber auch im Nahfeldmodus uumlber viele Jahre eingesetzt zu werden Neu aufkommende

Quantity Symbol Value Uncertainty Unit Sensitivity Contribution lm Relative contribution

Luminous responsivity 1 s1 3065E-10 9195E-13 A lxndash1 188E+12 173 000150

Luminous responsivity 2 s2 4111E-10 12333E-12 A lxndash1 143E+12 177 000153

Spectral matching exponent 1 m2 y 0021 0015 1 20 030 000026

Spectral matching exponent 2 m2 y 0036 0015 1 18 027 000023

CCT or distribution temperature T 2762 10 K 0012 012 000011

Uncertainty in r Δr 0000 00020 m 901 180 000156

Calibration factor for frequency F cFH 1000 00005 1 1141 057 000049

Calibration factor for frequency ƒ cFD 1000 00050 1 104 005 000005

Voltage to frequency converter 1 w1 f 500849 25 Hz Vndash1 0012 031 000027

Voltage to frequency converter 2 w2 f 500561 25 Hz Vndash1 00118 029 000026

Amplification gain 1 R1 g 1000E+09 99996 Ω 6223E-07 006 000005

Amplification gain 2 R2 g 9997E+08 99966 Ω 5430E-07 005 000005

Calibration factor for cmon ccm 1000 00005 1 1162 058 000050

Correction factor for stray light cstr 09995 00005 1 1134 057 000049

Luminous flux Φ 11541 327 00028

Φ = sdot

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(24)

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PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4Das Jahr des Lichtes

Anforderungen fuumlr die Ruumlckfuumlhrung photome-trischer Einheiten wie beispielsweise im Solid-State-Lighting-Bereich koumlnnen so erfuumlllt werden

Literatur

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PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4Das Jahr des Lichtes

1 Eine einleitende Beschreibung von Gluumlhlampen LEDs und OLEDs

Der Einsatz Licht Emittierender Dioden (LED) in der Allgemeinbeleuchtung hat in den vergangenen Jahren erheblich zugenommen Ein entscheiden-der Vorteil der LED gegenuumlber der traditionellen Gluumlhlampe liegt in ihrer uumlberlegenen Lichtaus-beute ηv ndash dem Verhaumlltnis des emittierten Licht-stroms Φv und der aufgenommenen elektrischen Leistung Pel angegeben in LumenWatt

Dieser Vorteil beruht auf den Unterschieden der zugrunde liegenden Technologien der Lichterzeu-gung beider Lampentypen Bei einer (Halogen-)Gluumlhlampe wird der Gluumlhfaden durch elektrischen Strom auf Temperaturen um 3000 K aufgeheizt Obwohl hierbei fast die gesamte elektrische Leis-tung in Strahlung umgewandelt wird ndash Verluste durch thermische Konvektion oder Waumlrmeleitung sind gering ndash kann das menschliche Auge lediglich einen geringen spektralen Anteil der ungefaumlhr 5 der Gesamtstrahlungsleistung ausmacht wahr-nehmen Der Groszligteil der Strahlungsleistung liegt im infraroten Spektralbereich und kann nicht fuumlr Beleuchtungszwecke genutzt werden In Bild 1 ist die spektrale Verteilung einer Gluumlhlampe bei einer Temperatur von 2856 K im Spektralbereich

von 300 nm bis 1200 nm dargestellt Das sichtbare Licht im Spektralbereich zwischen 360 nm und 830 nm ist mit den entsprechenden Spektralfarben hinterlegt Oberhalb 830 nm beginnt der fuumlr das menschliche Auge unsichtbare infrarote Anteil der Strahlung

Der fuumlr photometrische Messungen normativ festgelegte spektrale Hellempfindlichkeitsgrad V(λ) also die Hellempfindlichkeit des Auges eines bdquoNormalbeobachtersldquo ist mit seinem Maximum bei 555 nm schwarz eingezeichnet

Da die Gluumlhlampe eine thermische Strahlungs-quelle ist verschiebt sich mit zunehmender Tem-peratur die Lage des Strahlungsmaximums ent-sprechend des Wienschen Verschiebungsgesetzes zu kuumlrzeren Wellenlaumlngen Um die Lichtausbeute von Gluumlhlampen zu erhoumlhen muumlsste man das Strah-lungsmaximum durch Temperaturerhoumlhung in den kurzwelligeren Bereich des sichtbaren Lichts verschieben Die Maximaltemperatur ist jedoch bei Gluumlhfaumlden aus Wolfram auf etwa 3000 K begrenzt ndash bei houmlheren Temperaturen nimmt die Lebensdauer drastisch ab

Das Funktionsprinzip einer LED-Lichtquelle basiert auf dem Phaumlnomen der Elektrolumines-zenz Der prinzipielle Aufbau einer LED aumlhnelt einer pn-Halbleiterdiode Durch Anlegen einer Gleichspannung rekombinieren Ladungstraumlger in der p-n-Grenzschicht der Leuchtdiode unter Emission von Strahlung Durch gezielte Auswahl der verwendeten Halbleitermaterialien und ihrer Dotierung wird deren Bandluumlcke und somit die Farbe des emittierten Lichtes bestimmt Im Jahr 1992 gelang der Durchbruch in der Entwicklung hocheffizienter blauer LEDs die den Einsatz von LEDs zur Allgemeinbeleuchtung erst ermoumlgli-chen Die zugrunde liegenden Forschungsarbei-ten wurden 2014 mit dem Nobelpreis fuumlr Physik gewuumlrdigt [1]

Eine schmalbandige Lichtemission ist charak-teristisch fuumlr LEDs Dementsprechend verfuumlgt ihr Licht uumlber eine hohe Farbsaumlttigung Durch die Bedeckung des LED-Chips mit breitbandig pho-tolumineszierenden Farbstoffen wird ein Teil der Strahlung in energieaumlrmeres langwelligeres Licht konvertiert und es entstehen Mischfarben wie

Metrologie fuumlr moderne Lichtquellen LEDs und OLEDs Thorsten Gerloff

Thorsten Gerloff Arbeitsgruppe bdquoPhotometrieldquo EshyMail thorstengerloffptbde

Bild 1 Spektrale Verteilung einer Gluumlhlampe und spektraler Hellempfindlichkeitsgrad (V(λ)-Funktion)

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PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4 Metrologie fuumlr moderne Lichtquellen

i Infokasten LED

Lichtausbeute einer Strahlungsquelle ηv

Die Lichtausbeute einer Strahlungsquelle gibt das Verhaumlltnis aus ausgestrahltem Lichtstrom und aufgenommener elektrischer Leistung an Die Einheit ist LumenWatt (lmW) Je houmlher die Lichtausbeute ist umso energieeffizienter ist die Beleuchtung Gluumlhlampen besitzen Lichtausbeuten zwischen 10 und 20 lmW

Lichtstrom Φv

Der Lichtstrom beruumlcksichtigt den Hellempfind-lichkeitsgrad V(λ) des Auges und gibt die in alle Raumrichtungen abgegebene bdquoLichtleistungldquo einer Lampe an Der Lichtstrom enthaumllt keine Information daruumlber wie die Lampe das Licht im Raum verteilt Der Lichtstrom gibt an wie hell ein beleuchteter Raum dem Menschen erscheint

Spektraler Hellempfindlichkeitsgrad V(λ)

Der exakt definierte spektrale Hellempfindlich-keitsgrad V(λ) ist eine Bewertungsfunktion fuumlr elektromagnetische Strahlung Hiermit wird der bdquoHelligkeitseindruck eines menschlichen Durch-schnittsaugesldquo berechnet Dies ermoumlglicht den objektiven Vergleich von Lichtquellen mit physika-lischen Messmethoden Subjektive Wahrnehmun-gen einzelner Menschen koumlnnen damit nicht exakt wiedergegeben werden

Aumlhnlichste Farbtemperatur TN

Es gibt unterschiedliche Farbtemperaturen in der Photometrie Verhaumlltnis- und Verteilungstem-peratur sind nur bei thermischen Strahlern wie der Gluumlhlampe anwendbar Nur die aumlhnlichste Farbtemperatur (englisch Correlated Colour Temperature CCT) laumlsst sich fuumlr Lichtquellen mit beliebiger spektraler Zusammensetzung berech-nen sofern die Normfarbwertanteile aumlhnlich einem thermischen Strahler sind Die aumlhnlichste Farbtemperatur wird in der Einheit Kelvin (K) angegeben Sie gibt an ob das Licht warmweiszlig (ca 3000 K) neutralweiszlig (ca 4500 K) oder tages-lichtweiszlig (gt5500 K) erscheint

Normfarbwertanteile (x y)

Fuumlr die Angabe von Farbe gibt es neben dem spek-tralen Hellempfindlichkeitsgrad V(λ)noch weitere definierte Bewertungsfunktionen Hiermit laumlsst sich die Farbwahrnehmung eines fiktive Normalbeob-achters aus der gemessenen spektralen Verteilung des Lichts durch Angabe von nur zwei Werten (x und y) angeben Diese Werte geben die Koordi-naten auf der Normfarbtafel (s Abbildung) an

Normfarbtafel

Farbwiedergabeindex Ra

Der Farbwiedergabeindex ist eine Kennzahl fuumlr Lichtquellen der bewertet die Qualitaumlt der Farb-wiedergabe Je houmlher der Wert desto besser ist die Farbwiedergabe Der Maximalwert liegt bei 100 Werte zwischen 90 und 100 geben eine ausgezeich-nete Farbwiedergabe an Werte unter 80 sind fuumlr viele Anwendungen nicht ausreichend

Im Folgenden soll ein kleiner Leitfaden gegeben werden der in allgemeinverstaumlndlicher Form die grundlegenden Ideen wichtiger lichttechnischer Groumlszligen erlaumlutern soll Komplexe Details der zugrunde liegenden Normen und Definitionen werden hierbei nicht beruumlcksichtigt

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PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4Das Jahr des Lichtes

Pastellfarbtoumlne oder auch weiszliges LichtIn Bild 2 sind die spektralen Verteilungen einer

LED mit und ohne Leuchtstoff abgebildet In der linken Abbildung erkennt man die schmalbandige blaue Emission des LED-Chips In der rechten Abbildung wird ein Teil dieser Strahlung durch einen Leuchtstoff in laumlngerwelliges Licht konver-tiert und die Mischfarbe erscheint weiszlig

Der Vorteil einer LED gegenuumlber einer Gluumlh-lampe bezuumlglich der Lichtausbeute ist offensicht-lich Es wird ndash von unvermeidbarer thermischer Verlustleistung abgesehen ndash nur Strahlung im sichtbaren Wellenlaumlngenbereich emittiert Daruumlber hinaus ist die Farbe des Lichts von LEDs durch Kombination verschiedener Leuchtstoffe und LEDs nahezu beliebig einstellbar und man ist nicht auf aumlhnlichste Farbtemperaturen von ca 3000 K wie bei der Gluumlhlampe begrenzt

Allerdings gibt es auch Nachteile gegenuumlber dem Licht einer Gluumlhlampe Dem typischen Spektrum einer LED-Lichtquelle fehlen im Gegensatz zu Sonnenlicht oder Gluumlhlampenlicht einzelne Spekt-ralfarben Dies macht sich negativ bei der Qualitaumlt der Farbwiedergabe bemerkbar

Die Farbe des emittierten Lichts einer LED laumlsst sich durch additive Farbmischung sehr aumlhnlich zu Sonnenlicht oder auch Gluumlhlampenlicht einstellen Wenn jedoch Objekte mit Licht beleuchtet werden kommt es auch auf die spektrale Zusammensetzung des Lichts an Nehmen wir einen Blumenstrauszlig aus roten Rosen der im Tageslicht steht Im Son-nenlicht sind alle Spektralfarben vorhanden und diese beleuchten die Rosen Die roten Bluumltenblaumltter absorbieren einige spektrale Anteile des Lichts und reflektieren im Wesentlichen rotes Licht welches in das Auge des Betrachters faumlllt Wenn die Rosen von einer anderen Lichtquelle beleuchtet werden in der die roten Spektralanteile zumindest teilweise fehlen koumlnnen diese nicht reflektiert werden und die Farben der Rosen erscheinen unnatuumlrlich

Dies ist von weitreichender Bedeutung fuumlr die Wahl einer geeigneten Lichtquelle da wir einen Kompromiss aus Licht mit guter Farbwieder-gabe und hoher Lichtausbeute schlieszligen muumlssen Licht mit hoher Farbwiedergabe setzt sich aus moumlglichst vielen Spektralfarben zusammen und Lichtquellen mit hoher Lichtausbeute sollten nur Spektralfarben beinhalten fuumlr die das menschliche Auge besonders empfindlich ist In den Auszligenbe-zirken vieler Staumldte werden zur Nachtbeleuchtung der Gehwege haumlufig Natriumdampflampen mit orangefarbenem Licht eingesetzt Die Lichtaus-beute dieser Lampen ist mit etwa 150 lmW auszligerordentlich hoch da das menschliche Auge in diesem Spektralbereich sehr empfindlich ist Diese Beleuchtung ist jedoch ungeeignet um Farben natuumlrlich wiederzugeben Aufgrund des Aufbaus des menschlichen Auges ist es also nicht moumlglich eine Beleuchtung mit sehr hoher Qualitaumlt der Farbwiedergabe bei gleichzeitig sehr hoher Lichtausbeute zu realisieren

Weiszlige LEDs zur Allgemeinbeleuchtung nutzen in der Regel Leuchtstoffe die teilweise qualita-tiv hochwertige Farbwiedergabeeigenschaften besitzen Eine weitere Methode zur Erzeugung von weiszligem Licht ist das Mischen von rotem gruumlnem und blauem Licht (RGB-Verfahren) welches die Grundlage jedes Displays ist Hierbei sind neben weiszligem Licht auch andere Lichtfarben moumlglich ndash die Farbwiedergabeeigenschaften sind allerdings schlecht Fuumlr die Endverbraucher sind in der Regel die Farbwiedergabeeigenschaften von Lichtquellen als Ra-Werte auf der Verpackung angegeben

Organische Licht Emittierende Dioden (OLED) sind eine junge Beleuchtungstechnologie die noch keinen Zugang zum Massenmarkt erhalten hat Die weltweit erste kommerzielle OLED-Leuchte wurde 2008 vertrieben Der fuumlr den Nutzer wesentliche Unterschied zwischen OLEDs und LEDs besteht im Aufbau Der leuchtende Kristall

Bild 2 Spektrale Verteilung einer blauen LED (links) und einer weiszligen LED (rechts) bei der ein Teil des blauen Lichts zu gelbem Licht konvertiert wurde

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PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4 Metrologie fuumlr moderne Lichtquellen

anorganischer LEDs besitzt eine maximale Kan-tenlaumlnge von etwa einem Millimeter Bei OLEDs wird das Licht in groszligflaumlchigen amorphen organi-schen Schichten erzeugt Momentan sind OLEDs mit leuchtenden Flaumlchen von bis zu 20 x 20 cmsup2 erhaumlltlich Das Licht wird aumlhnlich wie bei LEDs durch Ladungstraumlgerrekombination unter Auftre-ten von Elektrolumineszenz erzeugt Dabei ist das Emissionsspektrum der verwendeten organischen Emittermaterialien wesentlich breitbandiger als das einer LED (vgl Bild 3) Daher wird das weiszlige Licht von OLEDs in der Regel durch Verwendung von roten gruumlnen und blauen Emittermaterialien erzeugt ohne dass die Farbwiedergabeeigenschaf-ten sehr stark darunter leiden

2 Entwicklung von (O)LED-Transfer-normalen in der PTB

Eine der Kernaufgaben der PTB ist die Weiter-gabe der gesetzlichen Einheiten Bis zum heuti-gen Tage bieten Transfernormale in Form von speziellen Gluumlhlampen die besten Eigenschaften um als Maszligverkoumlrperung der Einheiten Candela oder Lumen zu dienen Da der Anwender in der Regel jedoch die Substitutionsmethode bei seinen Messungen anwendet um notwendige Korrektu-ren auf ein Minimum zu reduzieren (Gleiches mit Gleichem vergleichen) sind auch Transfernormale auf Basis der LED-Technologie von Interesse

Bereits in den 80er-Jahren des vergangenen Jahr-hunderts wurden LEDs in der PTB kalibriert Diese waren fuumlr Beleuchtungszwecke noch ungeeignet und dienten lediglich als Signallampen Zeitgleich wurden die ersten PTB-LED-Transfernormale entwickelt deren optische Eigenschaften durch thermische Regelung des LED-Chips stabilisiert wurden Die mechanische Ausrichtung der LEDs leistet aufgrund des typischerweise stark gerichteten Abstrahlprofils der LEDs einen groszligen Beitrag auf die Messunsicherheit Daher werden die LEDs seit

2002 in ein rotationssymmetrisches robustes VA-Stahl-Gehaumluse eingebaut welches sich sehr repro-duzierbar ausrichten laumlsst (vgl Bild 4)

Diese Transfernormale werden unter Konstant-Strom-Bedingungen und ndash durch gezieltes Aufhei-zen des LED-Chips durch den Heizwiderstand ndash unter Konstant-Spannung-Bedingungen betrieben Aufgrund der halbleitenden Eigenschaften sinkt mit steigender Temperatur die Betriebsspannung und sowohl der Lichtstrom als auch die Peakwellenlaumlnge des emittierten Lichts veraumlndert sich Die Sollspan-nung wird auf einen Wert festgelegt der unterhalb der Gleichgewichtsspannung durch Eigenerwaumlr-mung im Betrieb ohne Heizwiderstand bei einer Umgebungstemperatur von etwa 35 degC liegt Somit ist auch ein Einsatz der Transfernormale in Laboren ohne Klimatisierung moumlglich

Fuumlr LEDs mit houmlheren Leistungen wurde im Jahr 2011 ein weiterer Prototyp eines Transfernormals vorgestellt (vgl Bild 5) Da die hier verwendeten LEDs eine houmlhere Leistungsaufnahme besitzen werden sie waumlrmer Das reduziert die Lebensdauer und Reproduzierbarkeit der photometrischen

Bild 3 Exemplarische spektrale Verteilung einer weiszligen OLED

Bild 4 Temperaturgeregeltes LED-Transfernormal auf Basis von Kleinleistungs-LEDs mit Lichtstroumlmen von bis zu 10 Lumen

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PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4Das Jahr des Lichtes

Groumlszligen deutlich Daher muumlssen sie gekuumlhlt werden Hierfuumlr kommt bei diesen Normalen ein Peltier-Element zum Einsatz welches geregelt Waumlrme in einen dahinterliegenden Kuumlhlkoumlrper leitet und hierdurch das emittierte Licht stabilisiert Diese Transfernormale zeichnen sich durch ein geringes

Gewicht bei einer Laumlnge von ca 100 mm und einem Durchmesser von etwa 20 mm aus Allerdings ist die Verwendung von LEDs mit sehr hohen Leistun-gen nicht moumlglich da die Abwaumlrme lediglich passiv an den Raum abgegeben wird Eine detaillierte Beschreibung der Eigenschaften dieses Transfer-normals wurde 2012 veroumlffentlicht [2]

Fuumlr die thermische Stabilisierung von LEDs mit sehr hohen Leistungen wurde ein weiteres Trans-fernormal unter Einsatz von Peltier-Elementen Heatpipes und aktivem Kuumlhlsystem in der PTB entwickelt (vgl Bild 6)

Im Rahmen des europaumlischen Forschungspro-jekts OLED100eu wurde in der PTB weiterhin das weltweit erste Transfernormal unter Einsatz einer organischen Leuchtdiode entwickelt (vgl Bild 7) Dieses Normal wurde fuumlr den Einsatz in einer Ulbricht-Kugel konzipiert und in ein mattes Aluminiumgehaumluse eingebaut Eine Besonderheit dieses Normals ist die Stand-Alone-Versorgungs-einheit die ohne Rechner o auml saumlmtliche relevan-ten elektrischen und thermischen Groumlszligen regelt und auf einem USB-Stick speichert

3 LED-Messtechnik in der PTB

Neben LED-Transfernormalen mit guter Reprodu-zierbarkeit ist eine hochentwickelte Messtechnik fuumlr deren Kalibrierung mit minimaler Messunsi-cherheit erforderlich

Die photometrische Beschreibung von LEDs erfolgt durch Angabe ihrer Lichtstaumlrke ILED mit der Einheit Candela und ihrem Lichtstrom ΦLED mit der Einheit Lumen Diese Groumlszligen werden in der PTB unter Verwendung ruumlckgefuumlhrter Photometer bestimmt Hierfuumlr wird die Beleuchtungsstaumlrke ELED unter definierten geometrischen Bedingungen fuumlr alle Abstrahlrichtungen der LED mit einem Goniophotometer gemessen

Fuumlr die Bestimmung der colorimetrischen Werte kommen Spektralradiometer zum Einsatz Hiermit werden spektrale Bestrahlungsstaumlrken gemessen und daraus die abgeleiteten colorime-

Bild 5 Temperaturgeregeltes LED-Transfernormal auf Basis von Hochleistungs-LEDs mit Lichtstroumlmen von bis zu 100 Lumen Im rechten Bild ist die Temperaturverteilung in Grad Celsius waumlhrend des Betriebs abgebildet

Bild 6 Temperaturgeregeltes LED-Transfernormal auf Basis von Houmlchstleistungs-LEDs mit Lichtstroumlmen von bis zu 2500 Lumen

Bild 7 Temperaturgeregeltes OLED-Transfernormal auf Basis kommerziell erhaumlltlicher OLEDs

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PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4 Metrologie fuumlr moderne Lichtquellen

trischen Kenngroumlszligen wie z B die Normfarb-wertanteile (x y) bei weiszligen LEDs die aumlhnlichste Farbtemperatur TN mit der Einheit Kelvin und bei farbigen LEDs die dominante Wellenlaumlnge λdom berechnet Grundlegende Informationen und Definitionen uumlber die photometrischen und colorimetrischen Groumlszligen und deren Messung sind in [3] [4] und [5] zu finden

In Bild 8 ist der Aufbau des LED-Messplatzes an der PTB zu sehen Fuumlr die Bestimmung der Mess-groumlszligen in alle raumlumlichen Abstrahlwinkel wird die LED durch ein Goniophotometer bewegt

Die LED wird in horizontaler Betriebslage zentrisch normal zur Referenzebene des Photo-meterkopfes ausgerichtet Ein Translationstisch ermoumlglicht dabei eine Variation des Abstandes d zwischen Photometer und LED Eine horizontale Rotationsachse (φ-Achse) und eine senkrechte Rotationsachse (ϑ-Achse) die sich an der LED-Spitze im rechten Winkel schneiden erlauben durch Drehung der LED eine Bestimmung der Beleuchtungsstaumlrke ELED in alle Raumrichtungen Beide Rotationsachsen werden waumlhrend der Messung zeitgleich bewegt Hierdurch bewegt sich die relative Position der lichtempfindlichen Emp-faumlngeroumlffnung bezuumlglich des Schnittpunkts beider Drehachsen auf der Oberflaumlche einer virtuellen Kugel entlang einer Spiralbahn von bdquoPol zu Polldquo dieser Kugel

Die Bestimmung des Lichtstroms ΦLED erfolgt analog der Beschreibung in dem Kapitel Kurze Geschichte der Goniophotometrie in der PTB Der wesentliche Unterschied zu goniophotome-trischen Messungen an Gluumlhlampen besteht darin dass bei LED-Messungen die Lichtquelle typischerweise bewegt werden kann ohne dass sich ihre optischen Eigenschaften aumlndernAufgrund des stetig wachsenden Bedarfs an ruumlck-gefuumlhrten Kalibrierungen von High-Power-LEDs sind Masse und Abmessungen der Transfernor-male erheblich gestiegen Daher wurde der Mess-platz 2015 um ein weiteres Goniophotometer fuumlr schwere und groszlige Objekte erweitert (vgl Bild 9)

Neben den photometrischen Empfaumlngern befinden sich auch Einkoppeloptiken fuumlr Spekt-ralradiometer auf dem drehbaren Empfaumlngerka-russell Alle Empfaumlnger lassen sich hiermit auto-matisiert waumlhrend einer Messung zu den LEDs ausrichten Vor jeder LED-Kalibrierung werden die Spektralradiometer bezuumlglich Ihrer spektralen Empfindlichkeit und Wellenlaumlnge kalibriert Die entsprechenden Normallampen befinden sich neben dem Empfaumlngerkarussell (vgl Bild 10) und ermoumlglichen so ebenfalls eine automatisierte Messung

Den spektralen Messungen an LEDs kommt neben der Notwendigkeit fuumlr die Bestimmung colorimetrischer Kennzahlen noch eine beson-dere Bedeutung fuumlr die photometrischen Messun-

Bild 9 Goniophotometer fuumlr photometrische Messungen an Hochleistungs-LEDs

Bild 10 Entladungslampen mit verschiedenen Gasfuumlllungen dienen der Wellenlaumlngenka-librierung der Spektrometer Im Hintergrund ist eine Bestrahlungsstaumlrke-Normal-lampe fuumlr die spektrale Empfindlichkeitskalibrierung zu sehen

Bild 8 Goniophotometer fuumlr photometrische Messungen an Kleinleistungs-LEDs

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PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4Das Jahr des Lichtes

gen zu Wie in der Einleitung erklaumlrt unterscheiden sich die spektralen Verteilungen von LEDs und Gluumlhlampen deutlich voneinander Photometerkoumlpfe bestehen in der Regel aus einer Silizium-Photodiode deren spektrale Empfindlichkeit durch den Einsatz von Glasfiltern moumlglichst gut an den Hellemp-findlichkeitsgrad V(λ) angepasst wird Aufgrund internationaler Standardisierung wird die photo-metrische Empfindlichkeit von Photometerkoumlpfen fast ausschlieszliglich fuumlr Normlichtart A kalibriert In der Praxis werden hierfuumlr Gluumlhlampen mit einer Verteilungstemperatur von 2856 K verwendet Wenn man ein solches Photometer fuumlr Messungen an anderen Gluumlhlampen verwendet sind die spektralen Verteilungen meist so aumlhnlich dass nur geringe oder gar vernachlaumlssigbare Korrekturen aufgrund der spektralen Fehlanpassung also der Abweichung der realen spektralen Empfindlichkeit des Photometers von dem Hellempfindlichkeitsgrad notwendig sind Wenn man ein solches Photometer jedoch bei LEDs insbesondere farbigen LEDs einsetzt koumlnnen die Abweichungen aufgrund der spektralen Fehlan-passung sehr groszlig werden (gt10 fuumlr hochwertige Photometerkoumlpfe sind moumlglich)

Mit Kenntnis der relativen spektralen Verteilung der Leuchtdiode SLED(λ) und der relativen spekt-ralen Empfindlichkeit srel(λ) laumlsst sich die spektrale Fehlanpassung durch folgenden Korrekturfaktor cSpek korrigieren

cV S

s S

V P T

sSpek

LED

rel LED

A

rel

d

d

d=

( ) ( )( ) ( )

( ) ( )( )

intint

intλ λ λ

λ λ λ

λ λ λ

λ

intint ( )P Tλ λ A d

P(λ TA) beschreibt Lichtart A durch das Planck-sche Strahlungsgesetz fuumlr TA = 2856 K

Eine detaillierte Auflistung und Diskussion aller zu beruumlcksichtigenden Details bei Kalibrierungen von LEDs und das dazugehoumlrige Messunsicher-heitsbudget soll an dieser Stelle nicht gegeben werden Interessierte Leser koumlnnen hierfuumlr Infor-mationen in einer fruumlheren Veroumlffentlichung [6] oder in den Ergebnissen eines internationalen Vergleichs von LED-Messungen [7] finden

Fazit und Ausblick

Der Verzicht auf LEDs ist fuumlr Beleuchtungsan-wendungen nicht mehr vorstellbar Durch ihre kontinuierliche Weiterentwicklung erobern LEDs immer weitere Anwendungsfelder (z B Haus-halts- Straszligen- und Automobilbeleuchtung) mit denen der Endkunde in Kontakt kommt Bei diesen Anwendungen sind die Anforderungen an die Lichtquellen vielfaumlltig und fuumlr eine quantitative Beschreibung ihrer Eigenschaften muss auch die Messtechnik entsprechend umfassend und ausge-reift sein

Neben dem allgemeinen Forschungs- und Ent-wicklungsbedarf fuumlr bessere LED-Messverfahren und -geraumlte die die Grundlage ihrer technologi-schen Weiterentwicklung bilden gibt es eine weitere Herausforderung Aufgrund der nahezu unbe-grenzten Moumlglichkeiten eine bestimmte Lichtfarbe durch additive Farbmischung zu erhalten sind LEDs verschiedener Hersteller mit unterschiedlichen Emissionsspektren aber einer nominell gleichen aumlhnlichsten Farbtemperatur erhaumlltlich Dennoch ist teilweise ein Unterschied der Lichtfarbe mit bloszligem Auge erkennbar wenn sich unterschiedliche LEDs nebeneinander befinden

Es ist ungewoumlhnlich dass man ohne technische Hilfsmittel nominell gleiche Lichtfarben faktisch unterscheiden kann Um die Charakterisierung von LEDs soweit zu verbessern dass dies nicht mehr moumlglich ist ist einerseits eine Reduzierung der Messunsicherheit bei der Bestimmung der Normfarbwertanteile (Lichtfarbe) notwendig Andererseits muss man sich bewusst machen dass photometrische und colorimetrische Messverfahren auf rein physikalischen Zusammenhaumlngen basieren Individuelle menschliche Wahrnehmung und Sehen werden bei photometrischen Messungen nicht beruumlcksichtigt ndash diese werden durch Festlegung von exakt definierten Wichtungsfunktionen wie dem Hellempfindlichkeitsgrad fuumlr einen fiktiven Normalbeobachter ausgegrenzt Diese Wichtungs-funktionen koumlnnen gegebenenfalls auch noch optimiert werden um die objektive Beurteilung von Lichtquellen mit physikalischen Messmethoden zu verbessern Somit gibt es auch in Zukunft noch interdisziplinaumlre Herausforderungen fuumlr die Metro-logie moderner Lichtquellen

Literatur

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Effektpigmente hellipPTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4

Einleitung

Farbe ist fuumlr Menschen die wohl auffaumllligste sub-jektive Stoffeigenschaft Bereits den Fruumlhmenschen war diese visuelle Qualitaumlt bekannt deren Wahr-nehmung allen Primaten eigen ist So wurde 2008 in Suumldafrika eine ca 100000 Jahre alte steinzeitli-che bdquoMalerwerkstattldquo entdeckt [1] Auch heutzu-tage spielt Farbe in der Gestaltung unserer Umwelt eine wichtige Rolle Jedes Jahr praumlsentiert uns die Mode die neuen Farben der Saison Farben dienen zur Regelung des Verkehrs Ohne bunte Farben waumlre unsere Welt trist und oumlde

Es ist wichtig festzustellen dass Farbe ein physiologischer Sinneseindruck ist wie z B auch Tasten oder Riechen D h Farbe ist keine immanente physikalische Eigenschaft eines Gegenstandes wie z B seine Masse oder Waumlrme-leitfaumlhigkeit Die physiologische Wahrnehmungs-kette ist hierbei folgende Das vom betrachteten Gegenstand reflektierte Licht trifft auf das Auge und loumlst hierbei einen Farbreiz aus Dieser Farbreiz beruht auf der spektralen Zusammensetzung des empfangenen Lichts d h er ist abhaumlngig von der verwendeten Lichtquelle und dem spektralen Reflexionsvermoumlgen des betrachteten Objektes Die Anregung der licht- und farbempfindlichen Zellen in der Netzhaut fuumlhrt zu einer Farbvalenz die uumlber den Sehnerv an das Gehirn weitergeleitet wird Die eigentliche Farbempfindung die wir dann mit einem Gegenstand verknuumlpfen entsteht erst im Gehirn [2] Liegt z B eine Farbfehlsich-tigkeit vor so kann der Farbeindruck des betrof-fenen Menschen auch ein ganz anderer sein Auch viele Tiere mit ihren teilweise erheblich abweichenden visuellen Systemen nehmen Farbe ganz unterschiedlich als wir Menschen wahr Im Folgenden soll mit Farbe immer die Koumlrperfarbe auch Gegenstandsfarbe Objektfarbe bzw Oberflauml-chenfarbe genannt einer nicht selbstleuchtenden Flaumlche bezeichnet werden die durch Reflexion von Licht an einem Koumlrper entsteht

Die genannten Zusammenhaumlnge machen die mathematisch-physikalische Beschreibung von Farbe schwierig und aufwendig da auch die spe-zifischen Eigenarten der menschlichen Wahrneh-

mungskette nachgestellt werden muumlssen Diesem Umstand wird versucht uumlber die verschiedenen Farbmaszligsysteme Rechnung zu tragen welche die Farbe eines Objektes mithilfe von quantifizierba-ren Zahlenwerten kennzeichnen [3]

Generell koumlnnen farbige Flaumlchen je nach Tageszeit und Lichteinfall sehr unterschiedlich wirken Die Aumlnderungen basieren hierbei auf der unterschiedlichen spektralen Zusammenset-zung des Tageslichts und den winkelabhaumlngigen Glanz- und Struktureigenschaften von Oberflauml-chen Ganz besonders deutlich ist dies bei auf dem Interferenzeffekt basierenden Effektpigmenten der Fall Deren visuelles Erscheinungsbild im englischen mit Visual Appearance bezeichnet kann sich bei variierendem Beobachtungswinkel und unterschiedlichen Lichtverhaumlltnissen komplett veraumlndern Man spricht hierbei von sogenannten Flop-Lacken wobei man zwischen Hell-Dunkel-Flop und Farb-Flop unterscheiden kann [4]

Generell kann man sagen dass Farbe und visuelle Effekte einen entscheidenden Anteil am Verkaufserfolg eines Produktes haben denn Farben wecken Emotionen und verschiedene Neuro marketingstudien belegen dass ca 95 aller Kaufentscheidungen emotional gepraumlgt sind [5] Deshalb spielt eine moderne Farbgestaltung unter Nutzung aktueller Effektpigmente im Pro-duktdesign eine entscheidende Rolle denn durch den Einsatz solcher Pigmente kann Gegenstaumlnden eine houmlhere Attraktivitaumlt verliehen werden Daher findet man moderne Effektpigmente heutzutage in vielen teilweise sehr unterschiedlichen Indus-trieprodukten wie z B in Autolackierungen Haumluserfassaden Kosmetikartikeln oder sogar bei Pralineacutes wie dies in Bild 1 zu sehen ist

Pigmente

Als Pigmente aus dem Lateinischen kommend von pigmentum fuumlr bdquoFaumlrbestoff Schminkeldquo bezeichnet man aus Teilchen bestehende im Anwendungs-medium praktisch unloumlsliche Sub stanzen die als Farbmittel oder wegen anderer spezieller physika-lischer und chemischer Eigenschaften als funktio-nale Farbzentren verwendet werden [6]

Effektpigmente Eine Herausforderung fuumlr die optische Messtechnik

Egbert Buhr Alfred Schirmacher Andreas Houmlpe

Dr Egbert Buhr Fachbereich bdquoBildshy und Wellenoptikldquo EshyMail egbertbuhrptbde

Dr Alfred Schirmacher Arbeitsshygruppe bdquoReflexion und Transmissionldquo EshyMail alfredschirmacherptbde

Dr Andreas Houmlpe dagger ehemals Arbeitsgrupshype bdquoReflexion und Transmissionldquo

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PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4Das Jahr des Lichtes

In der Natur vorkommende anorganische Pig-mente sind schon seit praumlhistorischen Zeiten bekannt Schon die Menschen der Steinzeit benutzen mineralische Pigmente fuumlr die ersten Houmlhlenzeichnungen Sie erkannten dass sie mit unterschiedlichen Erdsorten farbig malen konnten Eisenoxidhaltige Erden liefern gelbrote bis braunrote Kalk und Gips weiszlige Mangan-oxide sowie Holz- und Knochenkohle schwarze Farbtoumlne

Aus heutiger industrieller Sicht ist ein Pigment ein fein aufgeteilter und unloumlslicher Feststoff mit der Hauptfunktion das Erscheinungsbild des verwendeten Mediums zu verbessern oder es zu faumlrben Pigmente werden dem Medium immer durch physikalisches Mischen beigegeben dies unterscheidet sie von Farbstoffen die in ihrem Medium loumlslich sind

Pigmente koumlnnen nach den optischen Prin-zipien ihrer Wechselwirkung mit Licht unter-schieden und in verschiedene Klassen eingeteilt werden Wichtige Pigmentklassen sind Weiszlig- Bunt- Schwarz- und Effektpigmente die alle wegen ihrer speziellen farbgebenden Eigenschaf-ten eingesetzt werden Bei den Effektpigmenten

kann in einer ersten vereinfachten Einteilung noch zwischen Metalleffekt- und den sogenannten speziellen Effektpigmenten unterschieden werden

Der Begriff bdquospezielle Effektpigmenteldquo umfasst die Gruppen der Perlglanzpigmente und der all-gemeinen Interferenzpigmente welche insbeson-dere bei aktuellen Pigmententwicklungen nicht scharf abgegrenzt werden koumlnnen Perlglanzpig-mente sind Effektpigmente die aus transparenten Plaumlttchen mit hohem Brechungsindex bestehen Sie erzeugen durch die spezielle Form der Mehr-fachreflexion des transmittierten Lichts an mehre-ren Pigmenten einen perlenaumlhnlichen Effekt bei dem die auftreffende Strahlung verteilt reflektiert wird wodurch der Eindruck einer mit der Tiefe abnehmenden diffusen Helligkeit entsteht Fuumlr das Auge ergibt sich so eine scheinbar dreidimen-sionale Glanzcharakteristik die aus der Tiefe des Objektes zu kommen scheint Interferenzpigmente dagegen sind Effektpigmente deren farbgebende Wirkung ganz oder vorwiegend auf dem Effekt der Vielstrahlinterferenz von Licht an duumlnnen hoch-brechenden Schichten beruht Interferenzpigmente koumlnnen dabei sowohl auf transparenten oder auch nichttransparenten Plaumlttchen basieren

Bild 1 a) Roadster mit ChromaFlairreg-Effektpigmentlackierung b) Verwaltungsgebaumlude in Braunschweig verkleidet mit Alucobondreg-spectra-colours-Verbundplatten c) Effektpigmente im Nagellack d) Pralineacute mit Effektpigmentuumlberzug

a

dc

bb

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Effektpigmente hellipPTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4

Die heute verwendeten Pigmente lassen sich somit grob in fuumlnf verschiedene Klassen einteilen

1) Weiszligpigmente Die Pigmente streuen das ge-samte auftreffende Licht nahezu verlustfrei in alle Richtungen durch diffuse ungerichtete Reflexion

2) Buntpigmente Die Pigmente streuen einen Teil des Lichtes diffus und absorbieren wellenlaumln-genselektiv einen anderen Teil des Lichtes

3) Schwarzpigmente Die Pigmente absorbieren alle Wellenlaumlngen des fuumlr das menschliche Auge sichtbaren Spektralbereiches

4) Metalleffektpigmente Die aus duumlnnen Metall-plaumlttchen vorwiegend Aluminium bestehen-den Metalleffektpigmente sind lichtundurch-laumlssig und reflektieren das gesamte auftreffende Licht durch spekulare gerichtete Reflexion Die Pigmentpartikel wirken dabei wie Mikrospie-gel und fuumlhren bei paralleler Ausrichtung im Anwendungsmedium zu einem spiegelnden Metallglanz dem Metallic-Effekt

5) Spezielle Effektpigmente Perlglanz- bzw Inter-ferenzpigmente deren optische Wirkung auf der Mehrfachreflexion an uumlberwiegend flaumlchig aus-gebildeten und ausgerichteten transparenten semitransparenten oder lichtundurchlaumlssigen Partikeln beruht

Weiszlig- Bunt- und auch Schwarzpigmente weisen typische Durchmesser im Bereich von 100 nm bis zu 1 microm auf Ihre Groumlszlige liegt damit zum Teil im Bereich der Wellenlaumlnge des sichtbaren Lichtes welches den Bereich von 380 nm bis 780 nm uumlberdeckt Einige Schwarzpigmente wie z B Ruszlig-pigmente liegen mit ihren Durchmessern jedoch auch zum Teil auch deutlich darunter Effektpig-mente besitzen dagegen Teilchendurchmesser die zumeist im Bereich von 5 microm bis 100 microm in einigen Faumlllen auch daruumlber liegen Sie sind damit bezuumlglich der mittleren Plaumlttchendurch-messer wesentlich groumlszliger als die Wellenlaumlnge des sichtbaren Lichtes Die Dicke der Plaumlttchen liegt von einigen Ausnahmen abgesehen unter 1 microm ebenso wie die Dicke der Interferenzschichten Demzufolge weisen Effektpigmente in der Regel ein hohes Aspektverhaumlltnis auf (Verhaumlltnis der lateralen Ausdehnung einer Struktur zu ihrer Houmlhe) welches bis zu 200 betragen kann

Interferenzpigmente ndash Wie die Farben entstehen

Die Farbe von Interferenzpigmenten haumlngt von der Schichtdicke der Metalloxidbeschichtung und dem Einstrahlungs- und Betrachtungswinkel ab Beide Parameter bestimmen die effektive optische Weg-

laumlngendifferenz fuumlr das einfallende weiszlige Licht zwischen oberer und unterer Grenzflaumlche und die somit auftretenden Interferenzfarben siehe Bild 3

Interferenzpigmente zeigen somit einen aus-gepraumlgten bdquoFarbflopldquo Die Winkelabhaumlngigkeit der Farbe wird hierbei auch als Goniochromasie bezeichnet Richtig bunt geht es zu wenn ein Interferenzpigment auf einen bereits bunten Untergrund aufgebracht wird Die Transparenz der Pigmente laumlsst die Untergrundfarbe durch-

Bild 2 Schematische Diagramme zum spektralen Verhalten verschiedener Pigmenttypen

Bild 3 Die Schichtdicke der Metalloxidbeschichtung und der kombinierte Einstrahlungs- und Betrachtungswinkel bestimmen die optische Weglaumlnge und somit die sich ergebenden Interferenzfarben in Reflexion und Transmission

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PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4Das Jahr des Lichtes

Bild 5 Die Effekte Spar-kling (1) und Coarseness (2) des Effektpigmentes Xirallicreg Crystal Silver in einer vergroumlszliger-ten Aufnahme auf weiszligem (links) und schwarzem Hinter-grund (rechts)

scheinen im Glanzwinkel wird sie aber von der Interferenzfarbe uumlberstrahlt wie dies in Bild 4 zu sehen ist

Der Effekt eines Helligkeitsunterschiedes unter verschiedenen Betrachtungswinkeln wird als Helligkeitsflop bezeichnet und ist an sich nichts Neues Sind jedoch die einzelnen Pigmentteilchen

aufgrund ihrer planaren Reflexionsoberflaumlchen in gerichteter Beleuchtung direkt beobachtbar was fuumlr mittlere Teilchengroumlszligen von 30 microm und groumlszliger der Fall ist so ergibt dies einen Effekt welcher mit dem Begriff Sparkle (Glitzern Funkeln) bezeichnet wird (Bild 5) Aumlndert sich die Beleuchtung von einer gerichteten Einstrahlung wie es an einem wolkenlosen sonnigen Sommertag der Fall ist hin zu einer diffusen ungerichteten Einstrahlung wie an einem stark bewoumllkten Herbsttag so verschwin-det das Sparkling der Pigmente und verwandelt sich in eine Koumlrnigkeit der Oberflaumlche Dieses optische Phaumlnomen wird als Coarseness (Bild-koumlrnigkeit) bezeichnet und ist unabhaumlngig vom Betrachtungswinkel (Bild 5)

Als neuer Archetypus des Sparkle-Begriffes haben sich in den letzten Jahren die Xirallicreg Pig-mente (High Chroma Chrystal Effect Pigments) der Firma Merck KGaA entwickelt Durch die Beschich-tung von Aluminiumoxidplaumlttchen mit hochbre-chenden Metalloxiden und einer optimierten Dicke und Ebenheit aller am Pigment beteiligten Schich-ten entstehen auszligergewoumlhnlich stark reflektierende Effektpigmente die einen besonders intensiven Sparkle-Effekt aufweisen Man spricht hierbei auch von sogenanntem Living Sparkle welcher sich in einem scheinbaren bdquoTanzenldquo der leuchtenden Punkte in der Probenoberflaumlche bei Veraumlnderung der Beobachtungsgeometrie aumluszligert [7 8]

Generell gilt dass die Farbe von Objekten mit Effektlackierung nicht mehr wie jahrzehntelang uumlblich und ausreichend mit konventionellen Farb-messgeraumlten mit nur einer festen Messgeometrie wie z B in der 45deg 0deg Geometrie (Einstrahlung unter 45deg Reflexionsmessung unter 0deg) bestimmt werden kann Dieser Umstand wird sehr gut durch die Grafik in Bild 6 illustriert Dargestellt sind die winkelabhaumlngig gemessenen Farbkoordinaten von drei verschiedenen keramischen Farbstandards der Farben rot gruumln und blau sowie eines mit dem Effektpigment Viola Fantasy der Firma Merck lackierten Blechs Der Einfallswinkel des Lichts auf die Proben betrug hierbei immer 45deg zur Oberflauml-chennormalen Das von den Proben reflektierte Licht wurde an 26 Positionen in einem 5deg Raster in planaren die Oberflaumlchennormale enthalten-den Messgeometrien im Winkelbereich von ndash70deg bis +70deg aufgenommen Bei den aus absorptiven Pigmenten bestehenden Keramiken zeigt sich eine nur sehr geringe Winkelabhaumlngigkeit der Farbe welche groumlszligtenteils auf unterschiedlicher winkelabhaumlngiger Helligkeit d h den Glanzeigen-schaften der Oberflaumlche beruht Das Effektpigment dagegen zeigt einen extremen winkelabhaumlngigen Farb-Flop (Goniochromasie) welcher einen Farbverlauf von Gruumln uumlber Rot-Gelb hin ins Blau-Violett bietet

Aber auch die neuen Lackfarben aus der Gruppe der Effektlackierungen muumlssen messtechnisch

Bild 4 Merck-Xirallicreg-Solaris-Red-Effektpigmente appliziert auf einem mit Standard-Ab-sorptionspigmenten hellblau lackierten Metallblech In Rich-tung des Glanzwin-kels auf der rechten Seite zeigt sich der langsame Aufbau der winkelabhaumlngigen Interferenzfarbe

1

Bild 6 CIELab Farbkoordinaten einer winkelabhaumlngigen Reflexionsmessung an vier verschiedenen Proben drei Keramiken der Farben rot gruumln blau und eine Effektpigmentlackierung mit Merck Colorstreamreg Viola Fantasy Das untergelegte Farbschema zeigt naumlherungsweise die den Koordinaten entsprechende Farbe

2

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Effektpigmente hellipPTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4

Abbildungsoptik Messungen der ortsaufgeloumlsten Leuchtdichte auf einer Laumlngenskala bis hinab zu 28 microm auf der zu untersuchenden Probe siehe Bild 8

Mit der Zeilenkamera sind Messungen von kompletten Reflexionsspektren im sichtbaren Spektralbereich zwischen 380 nm und 780 nm dem sogenannten V(λ)-Bereich auf einer Zeit-skala von 2 Minuten moumlglich Hieraus lassen sich dann Farbkoordinaten der untersuchten Proben in den unterschiedlichsten Farbraumsystemen berechnen Eine absolute Messung in 114 Win-kelkombinationen (siehe Bild 9) im Polarwinkel-

erfasst und ruumlckgefuumlhrt werden um eine gleich-bleibende Qualitaumlt in der Produktion gewaumlhrleis-ten zu koumlnnen Gerade diese vielfaumlltigen zusaumltz-lichen Eigenschaften stellen die Farbmesstechnik vor neue Herausforderungen

Farbmessung

Bisherige kommerzielle Farbmessgeraumlte charakte-risieren Probenoberflaumlchen fast ausschlieszliglich in den eben schon erwaumlhnten sogenannten in-plane Reflexionsgeometrien Dabei liegen die Richtun-gen des eingestrahlten und des reflektierten Lichts sowie die Oberflaumlchennormale der Probe in einer Ebene Diese Einschraumlnkung entspricht jedoch in keiner Weise der taumlglichen Realitaumlt bei der Oberflaumlchen aus beliebigen Richtungen beleuchtet und betrachtet werden Seitens der Messgeraumlteher-steller und Anwender gibt es daher einen Trend zur erweiterten Charakterisierung bezuumlglich zusaumltzlicher Winkelkombinationen im dreidimen-sionalen Raum Spitzenreiter dieser Entwicklung am Markt ist derzeit ein tragbares Mehrwinkel-Spektralphotometer mit insgesamt 19 verschie-denen Reflexionsgeometrien [9] Hiermit scheint aber auch das Ende dieser Entwicklung im Bereich der portablen handgefuumlhrten Geraumlte erreicht Der Wunsch der Anwender geht aktuell wieder zuruumlck zu einer geringeren Anzahl von Winkelkombi-nationen denn es ist unklar wie man aus dem Mehr an winkelaufgeloumlsten Reflexionsdaten die fuumlr die Charakterisierung der Farbeigenschaften relevanten Informationen gewinnen kann Daher stellt sich die Frage welches sind bdquoguteldquo d h an die Messaufgabe adaptierte optimal geeignete Messgeometrien

Um diese Frage zu beantworten betreibt die AG 424 bdquoReflexion und Transmissionldquo der PTB zwei roboterbasierte Gonioreflektometer die eine winkelaufgeloumlste Reflexionsmessung in beliebi-gen bidirektionalen Geometrien ermoumlglichen [10ndash12] Diese beiden Apparaturen sind in Bild 7 dargestellt

Das Standard-Gonioreflektometer ist hierbei das nationale Normal fuumlr die Messgroumlszlige spektraler Strahldichtefaktor in gerichteten Geometrien Es dient der Realisierung Bewahrung und Weiter-gabe der gerichteten Reflexionsskale in Form von Kalibrierungen Die zweite Apparatur bezeich-net mit dem Acronym ARGon3 (3D Appearance Robot-based Gonioreflectometer) ist ein flexibles Forschungsgeraumlt mit dem experimentelle Unter-suchungen u a im Rahmen des EMRP-Projektes Multidimensional Reflectometry for Industry der EU [13] durchgefuumlhrt werden Im Ver gleich zum Standard-Gonioreflektometer ist dieses Geraumlt mit einer photometrischen Leuchtdichteka-mera und einer Zeilenkamera ausgeruumlstet Die Leuchtdichtekamera erlaubt mit einer speziellen

Bild 7 Die beiden roboter-basierten Gonio-reflektometer der PTB oben Standard-Gonioreflektometer fuumlr Kundenkalibrie-rungen unten ARGon3-Messplatz fuumlr Forschungsanwen-dungen

Bild 8 Visualisierung desSparkling-Effektesvon Xironareg-Volcanic-Sparks-Pigmenten als Falschfarben-darstellung der ortsaufgeloumlsten LeuchtdichteDie bdquoNadelnldquo zeigendie Position derPigmente an

Bild 9 Beispielgeometrien zur Messung der winkelabhaumlngigen Reflexionseigen-schaften Realisiert wurden 4 Einstrah-lungsrichtungen (rote Pfeile) mit jeweils 114 Reflexionswinkeln (schwarze Punkte) im Bereich der Viertel-kugel oberhalb der Probenoberflaumlche

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PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4Das Jahr des Lichtes

bereich 0deg bis 70deg gleichmaumlszligig verteilt uumlber den Viertelraum oberhalb der Probe dauert hierbei ca 4 Stunden [14] Die so erhaltenen Daten bilden die Basis fuumlr kuumlnftige Verbesserungen in der Mess-technik fuumlr Anwender und Hersteller

Im Rahmen des EMRP-Projektes Multidimen-sional Reflectometry for Industry [13] sind damit die winkelabhaumlngigen Reflexionsspektren von insgesamt 66 verschiedenen Effektpigmentproben gemessen worden [15 16] Bei den vier verschie-denen Einstrahlungsrichtungen verbunden mit jeweils 114 Reflexionswinkeln im Bereich der Vier-telkugel oberhalb der Probenoberflaumlche ergeben sich somit uumlber 30000 Reflexionsspektren

Zielsetzung der Untersuchungen ist die Ver-besserung der Metrologie zur Materialcharak-terisierung mit reduzierter Messunsicherheit Dazu werden neue Messvorschriften und neue Standardmessartefakte entwickelt mit denen die Industrie die visuelle Wahrnehmung der von ihr produzierten Oberflaumlchen gezielt charakterisie-ren und kontrollieren kann Solche Messungen sollten einfach auszufuumlhren sein und die Ergeb-nisse muumlssen soweit wie moumlglich mit der visuellen menschlichen Wahrnehmung korrelieren Im europaumlischen und internationalen Rahmen sollen die Ergebnisse in die Normung einflieszligen um die allgemeine Vergleichbarkeit solcher Messungen zu gewaumlhrleisten

Literatur

[1] CS Henshilwood et al A 100000-Year-OldOchre-Processing Workshop at Blombos CaveSouth Africa Science Vol 334 No 6053 219ndash2222011

[2] Mark D Fairchild Color Appearance Models2nd Ed John Wiley amp Sons Ltd 2005

[3] Colorimetry Understanding the CIE Systemed by J Schanda Wiley-Interscience NJ 2007

[4] WR Cramer Der richtige Blickwinkel Farbe amp Lack 092006 26ndash30 2006

[5] G Zaltman How Customers Think EssentialInsights into the Mind of the Market HarvardBusiness Review Press 2003

[6] DIN ISO 18451-12015-11 Pigmente Farbstof-fe und Fuumlllstoffe ndash Begriffe ndash Teil 1 AllgemeineBegriffe

[7] WR Cramer Ohne Glimmer aber mit GlanzFarbe amp Lack 042003 132ndash136 2003

[8] WR Cramer Es glitzert wie am SternenhimmelFahrzeug + Karosserie 0412 20ndash22 2012

[9] E Kirchner W Cramer Making sense of measure-ment geometries for multi-angle spectrophotome-ters Color Res Appl Vol 37 No3 186ndash198 2012

[10] D Huumlnerhoff U Grusemann A Houmlpe Newrobot-based gonioreflectometer for measuringspectral diffuse reflection Metrologia 43 S11ndashS162006

[11] A Houmlpe D Huumlnerhoff K-O Hauer Robot-basedgonioreflectometer Industrial Robotics Program-ming Simulation and Applications Low Kin-Huat Ed Pro Literatur-Verlag Mammendorf623ndash632 2007

[12] A Houmlpe T Atamas D Huumlnerhoff S TeichertK-O Hauer ARGon3 ndash bdquo3D Appearance Robot-based Gonioreflectometerrdquo at PTB Rev SciInstrum 83(4) 045102-1ndash045102-8 2012

[13] European Metrology Research Program ProjectIND52 bdquoxD-Reflectldquo Multidimensional Reflecto-metry for Industry wwwxdreflecteu(letzter Aufruf 03122015)

[14] T Atamas K-O Hauer A Houmlpe Appearancemeasurements of goniochromatic colours Predic-ting Perceptions Proceedings of the 3rd Internati-onal Conference on Appearance 149ndash154 2012

[15] A Houmlpe A Koo FM Verdu FB LeloupG Obein et al bdquoMultidimensional reflectometryfor industryrdquo (xD-Reflect) an European researchproject Proc SPIE 9018 Measuring Modelingand Reproducing Material AppearanceSPIE-ISampT Vol 9018 901804-1ndash901804-11 2014

[16] A Houmlpe K-O Hauer S Teichert D HuumlnerhoffC Strothkaumlmper Goniochromatic and Sparkleproperties of effect pigmented samples in mul-tidimensional configuration Proc SPIE 9398Measuring Modeling and Reproducing MaterialAppearance 2015 SPIE Proc Vol 9398 Appea-rance 93980O-1ndash7 2015

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Die 50 Sitzung des Internationalen Komitees fuumlr das gesetzliche Messwesen (CIML) fand vom 20 bis 22 Oktober 2015 in Arcachon Frankreich statt Im Vorfeld der CIML-Sitzung fand ein ein-taumlgiges OIML-Seminar uumlber Countries and Econo-mies with Emerging Metrology Systems (CEEMS) statt uumlber das weiter unten berichtet wird

Das CIML ist der Lenkungsausschuss der OIML Es trifft sich jaumlhrlich und besteht aus je einem Repraumlsentanten der Mitgliedstaaten der korrespondierenden Mitglieder und den Vertre-tern internationaler und regionaler Organisa-tionen die als Beobachter teilnehmen koumlnnen Das CIML ist zustaumlndig fuumlr die Vorbereitung und Durchfuumlhrung der Entscheidungen der Konfe-renz die alle vier Jahre stattfindet Es uumlberwacht die Arbeiten der Technischen Komitees und Unterkomitees und des Internationalen Buumlros fuumlr das gesetzliche Messwesen (BIML) in Paris

An der 50 CIML-Sitzung nahmen 144 Teilneh-mer aus 43 Mitgliedstaaten und 13 korrespondie-renden Mitgliedstaaten teil Zur deutschen Dele-gation gehoumlrten neben den o g Autoren auch die Herren Johann Fischer Direktor des Landesamts fuumlr Mess- und Eichwesen Berlin-Brandenburg sowie Prof Olaf Kuumlhn Direktor des Thuumlringer Landesamts fuumlr Verbraucherschutz als Vertreter der Bundeslaumlnder Dr Peter Ulbig Leiter der Abteilung Wissenschaftlich-technische Quer-schnittsaufgaben der PTB und Prof Manfred Kochsiek Vizepraumlsident a D der PTB ehema-liger CIML-Praumlsident und Ehrenmitglied der OIML Frau Dr Anna Cypionka persoumlnliche Referentin des Praumlsidenten der PTB nahm am OIML-Seminar fuumlr CEEMS teil Vertreten waren auch wieder internationale und regionale Orga-nisationen zu denen die OIML Verbindungen unterhaumllt wie das Internationale Buumlro fuumlr Maszlig und Gewicht (BIPM) die GSO-GCC Standardiza-tion Organization (Saudi-Arabien) die Internatio-nal Laboratory Accreditation Cooperation (ILAC) und der Europaumlische Verband der Waagenherstel-ler (CECIP)

Alle Beschluumlsse der 50 CIML-Sitzung koumlnnen auf den Internetseiten der OIML aufgerufen werden [1 2]

Die wichtigsten Entscheidungen und Entwick-lungen werden nachfolgend vorgestellt

1 Personalangelegenheiten

Der Vertrag von Willem Kool als Assistant Director wurde um vier Jahre der Vertrag des BIML-Direk-tors Stephen Patoray um drei Jahre verlaumlngert

2 Einfuumlhrung des PG Workspace im Internet

In seinem Bericht im Zusammenhang mit der Etablierung des neuen Webauftritts der OIML hob der CIML-Praumlsident Peter Mason (UK) die erfolgreiche Einfuumlhrung des Workspace fuumlr Pro-jektgruppen hervor Durch die Online-Arbeit wird erwartet dass die technische Arbeit an neuen bzw zu revidierenden OIML-Dokumenten vereinfacht und insgesamt effizienter wird

3 Revision der technische Richtlinien fuumlr die OIML (B 6 Directives for OIML tech-nical work)

In einem neuen Projekt sollen die in den vergan-genen Jahren revidierten OIML-Richtlinien fuumlr die technische Arbeit erneut uumlberarbeitet werden um u a den Prozess der Entwicklung und Uumlber-arbeitung von OIML-Publikationen noch weiter zu beschleunigen und den neuen internetbasierten Technologien und Arbeitsweisen Rechnung zu tragen

4 Umfassende strukturelle Uumlberarbeitung des OIML Certificate System

Das CIML verabschiedete die Gruumlndung einer Projektgruppe mit der Aufgabe einer substan-ziellen Uumlberarbeitung des OIML-Zertifizierungs-systems das z Zt aus dem Basiszertifizierungs-system und dem MAA3 besteht Urspruumlnglich ausgehend von der Annahme die Akzeptanz des MAA-Zertifizierungssystem muumlsse verstaumlrkt werden eine groumlszligere Verbreitung finden und mehr Messgeraumltearten abdecken erscheint es

Aktuelles aus der OIML (Internationale Organisation fuumlr das Gesetzliche Messwesen)Bericht uumlber die 50 Sitzung des CIML in Arcachon FrankreichSusanne Ludwig Roman Schwartz

INTERNATIONALE ZUSAMMENARBEIT

Susanne Ludwig OIMLshyGeschaumlftsstelle der PTB EshyMail susanneludwigptbde

Dir u Prof Dr Roman Schwartz Vizepraumlsident der PTB deutsches Mitglied im Internashytionalen Komitee fuumlr das Gesetzliche Messwesen (CIML) und CIMLshyVizepraumlsishydent EshyMail romanschwartzptbde

3 Mutual Acceptance Arrangement (Abshykommen zur gegenshyseitigen Anerkennung von Bauartpruumlfungen)

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PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4Internationale Zusammenarbeit

inzwischen sinnvoller und wurde so auch vom CIML beschlossen zum 112017 ein einziges OIML-Zertifizierungssystem einzufuumlhren Eine Projektgruppe (Certification System Project Group = CSPG) unter dem Vorsitz des CIML-Vizepraumlsi-denten Dr Roman Schwartz wurde damit beauf-tragt die notwendigen Dokumente und Prozedu-ren auszuarbeiten

5 OIML-Seminar fuumlr Countries and Economies with Emerging Metrology Systems (CEEMS)

Im Vorfeld der CIML-Sitzung wurde ein eintaumlgiges Seminar zum Thema Developing an OIML Package for Assistance to Countries with Emerging Metro-logy Systems (CEEMS) abgehalten In vier Sitzun-gen diskutierten 125 Teilnehmer aus 49 Laumlndern uumlber Moumlglichkeiten Laumlnder beim Aufbau von nationalen Metrologiesystemen zu unterstuumltzen In der ersten von Frau Dr Cypionka geleiteten Sitzung Capacity Building ging es um die allge-meinen Herausforderungen bei der Gestaltung von Programmen zur Foumlrderung von Handlungs-kompetenzen und Vermittlung von Wissen fuumlr die Metrologie In zwei weiteren Sitzungen wurden unter den Themen Helping CEEMS Improve Regulation in their Markets (Leitung Prof Dr Manfred Kochsiek) und New Ideas ndash Doing Legal Metrology Differently (Leitung Stuart Carstens

Suumldafrika) konkrete inhaltliche Loumlsungsvorschlaumlge vorgestellt und diskutiert Die Ergebnisse wurden in der 50 CIML-Sitzung vorgestellt und fanden ihren Niederschlag in der Resolution Nr 201510 [2] sie sollen auch noch auf den OIML-Webseiten veroumlffentlicht werden [1]

6 OIML-Publikationen

Folgende OIML-Publikationen wurden verabschiedet

R 139-3 Compressed gaseous fuels measuring systems for vehicles Part 3 Test report format

New Recommendation (R 145) Ophthalmic instru-ments mdash Impression and applanation tonometers

Alle OIML-Publikationen stehen im Internet frei zur Verfuumlgung [3]

Gleichzeitig wurde die Revision der folgenden OIML-Publikation beschlossen

Revision of R 79 Labeling requirements for prepackages

Folgende neue Projekte wurden verabschiedet

Revision des OIML-Dokuments B 6-1 Directives for OIML technical work

Bild 1 Teilnehmer der 50 Sitzung des Internationalen Komitees fuumlr Gesetz-liches Messwesen (CIML) in Arcachon Frankreich

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PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4 Aktuelles aus der OIML

TC 8SC 1 Revision R 71 Fixed storage tanks mdash General requirements

TC 8SC 1 Revision R 85 Automatic level gauges for measuring the level of liquid in stationary storage tanks

7 Personalien und Ehrungen

Die von Dr Seiler dem ehemaligen Leiter des Fachbereichs bdquoTechnische Zusammenarbeitldquo der PTB initiierte OIML-Auszeichnung fuumlr bdquoexzel-lente Beitraumlge von Entwicklungslaumlndern zum gesetzlichen Messwesenldquo ging in diesem Jahr an

bull Nam Hyuk Lim Director of Korea Testing Certi-fication und

bull The Metrology Department Saint Lucia Bureau of Standards

Die OIML-Medaille fuumlr besondere Verdienste um die OIML-Arbeit ging an Ngo Quy Viet Vietnam und Cartaxo Reis aus Portugal

8 Termine

Ein Gastgeberland fuumlr die 51 CIML-Sitzung und 15 OIML-Konferenz im Jahr 2016 konnte noch nicht bekannt gegeben werden es wird aber wahr-scheinlich wieder Frankreich sein Weitere OIML-Veranstaltungen und -Termine finden sich auf der OIML-Webseite unter [4]

9 Literatur

[1] httpswwwoimlorgen (letzter Aufruf 19112015)

[2] httpswwwoimlorgenstructurecimlpdf50-ciml-resolutions-englishpdf (letzter Aufruf 19112015)

[3] httpswwwoimlorgenpublicationsrecommen-dationspublication_viewp_type=1ampp_status=1

[4] (letzter Aufruf 19112015)[5] httpswwwoimlorgeneventscalendar

(letzter Aufruf 19112015)

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TECHNOLOGIETRANSFER

E27-Scanner fuumlr UlbrichtkugelnMit dem besonders einfach ohne Umbau einsetzbaren E27-Scanner koumlnnen Anwender und Hersteller die Homogenitaumlt ihrer Ulbricht-kugeln bestimmen und die Ergebnisse zur Berechnung genauerer Lichtstroumlme und zur Dokumentation der Qualitaumlt ihrer Messungen nutzen

Hintergrund

Wie viel Licht eine Lampe insgesamt in alle Richtungen abstrahlt wird durch ihren Lichtstrom ausgedruumlckt Um den fuumlr die Bestimmung der Energieeffizienz von Lampen notwendigen Lichtstrom schnell zu er mitteln setzt die Lampenindustrie Ulbrichtkugeln ein An einer Stange in der Mitte der Ulbrichtkugel befindet sich eine E27-Lampen-fassung in die nacheinander die Lichtstrom-Normallampe und die zu kalibrierende Lampe eingeschraubt werden Das indirekt auf den Mess-kopf fallende Licht erzeugt einen Photostrom der im Idealfall propor-tional zu dem von der Lampe abgestrahlten Lichtstrom ist unabhaumlngig von der Richtung in die das Licht abgestrahlt wird

Dies ist jedoch bei einer ungleichmaumlszligigen Beschichtung der Kugel sowie bei einer im Laufe der Zeit nicht zu verhindernden Verstaubung nicht der Fall Deshalb wird mit einem Kugelscanner die Homogenitaumlt der Kugel regelmaumlszligig vermessen und ein Korrekturfaktor bestimmt der von der jeweiligen Abstrahlcharakteristik der zu untersuchenden Lampe abhaumlngt

Technische Beschreibung

Der Kugelscanner wird einfach in eine E27-Fassung geschraubt und das sonst fuumlr die Lampenversorgung eingesetzte Netzgeraumlt wird durch die Steuereinheit ersetzt Diese uumlbernimmt sowohl die elektrische Versor-gung als auch die Befehlsuumlbermittlung zum Kugelscanner Die Steuer-einheit wird via USB oder RS232 an einen Computer angeschlossen Das mitgelieferte Messprogramm stellt automatisiert alle gewuumlnschten Richtungen ein und speichert die zugehoumlrigen von der Steuereinheit gemessenen Photostroumlme des Photometers

Wirtschaftliche Bedeutungw

Fuumlr Lampenindustrie und Hersteller von Ulbrichtkugeln

bull Genauere Messung des Lichtstroms

bull Bestimmung des Zeitpunkts einer Neubeschichtung

bull Uumlberwachung beim Beschichten

bull Dokumentation des Zustands der Ulbrichtkugel

EntwicklungsstandDer E27-Kugelscanner wurde in der PTB entwickelt Er wird laufend fuumlr Kalibrierungen eingesetzt Die Technologie wurde an die Firma Czibula amp Grundmann transferiert und wird dort mit einer PTB-Lizenz gebaut und vertrieben wwwphoto-metercom

Ansprechpartner

Dr Bernhard SmandekBeauftragter fuumlr TechnologietransferTelefon +49 531 592shy8303Telefax +49 531 592shy69shy8303EshyMail technologietransferptbde

Dr Stefan WinterFachbereich Photometrie und Radiometrie

Abbildung des E27shyKugelscanners Eine stark fokussierende Lampe die computergesteuert in alle Richtungen leuchten kann

Vorteile

bull Schneller Einbau in E27shyFassung

bull Computergesteuertes Abscannen der gesamten Ulbrichtkugel

bull Flexible Messmoumlglichkeiten

bull Fuumlr genauere Lichtstromshymessungen

bull Wichtig fuumlr die Qualitaumltsshysicherung

PTBshyNummer 0172

wwwtechnologietransferptbde

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PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4 Technologieangebote

Ansprechpartner

Dr Bernhard SmandekBeauftragter fuumlr TechnologietransferTelefon +49 531 592shy8303Telefax +49 531 592shy69shy8303EshyMail technologietransferptbde

Dr Stefan WinterArbeitsgruppe Solarzellen

PulsshyzushyCWshyKonverter

Umwandlung gepulster Laser-Strahlung in konstante StrahlungIn weiten Bereichen der optischen Metrologie ist eine Strahlungs-quelle von groszligem Nutzen die sich spektral vom UV-C bis ins mitt-lere IR durchstimmen laumlsst Lediglich Laser mit gepulster Strahlung erfuumlllen diese Anforderung bei ausreichend groszligem Ausgangssignal bisher luumlckenlos Femtosekunden-Lasersysteme waumlren aufgrund ihrer gut automatisierbaren und spektral weiten Durchstimmbarkeit die ideale Strahlungsquelle fuumlr z B radiometrische Anwendungen ndash wenn ihre Strahlung nicht gepulst waumlre

Durch das extreme Puls-Pausen-Verhaumlltnis von 10ndash5 entstehen hohe Spitzenleistungen die wiederum zu Saumlttigungseffekten bei Detek-toren und in der Folge zu nichtlinearem Verhalten fuumlhren koumlnnen Mit dem in der PTB entwickelten Puls-zu-CW-Konverter wird dieses Problem geloumlst

Technische Beschreibung

Bei dieser Methode werden Pulse gepulster Strahlungsquellen ausrei-chend hoher Repetitionsrate in CW-Strahlung umgewandelt Dabei wird jeder Puls in viele kleine Teilpulse aufgeteilt die auf unterschiedlich langen Wegstrecken unterschiedliche Laufzeiten erfahren Am Ausgang des Systems erscheinen sie dann zeitlich gleichmaumlszligig verteilt Realisiert wird dieser Puls-zu-CW-Konverter uumlber ein Glasfaserbuumlndel bei dem jede Einzelglasfaser eine individuell festgelegte Laumlnge besitzt

Mit der Entwicklung des Puls-zu-CW-Konverters wurde das ent-scheidende Manko beim Einsatz leistungsstarker Femtosekunden(fs)-Lasersysteme im Bereich der Metrologie beseitigt und erstmalig gepulste Laserstrahlung in CW-Strahlung umgewandelt Diese Neuentwicklung ermoumlglicht es nun herkoumlmmliche Monochromatorsysteme durch fs-Lasersysteme zu ersetzen die eine bis zu 1000-mal houmlhere spektrale Ausgangsleistung besitzen

Wirtschaftliche Bedeutung

Durch den neuen Puls-zu-CW-Converter koumlnnen in wirtschaftlich bedeutenden Bereichen wie z B der Photovoltaik der Photometrie der UV-Strahlungsmesstechnik und der Reflektometrie die Referenz- und Transfernormale mit einer deutlich reduzierten Messunsicherheit kali-briert werden Hier werden bislang wesentliche Messunsicherheitsan-teile durch zu geringe Strahlungsleistungen aus herkoumlmmlichen Mono-chromatorsystemen verursacht

Entwicklungsstand

Unter DE 10 2010 011 615 B4 wurde fuumlr den CW-Konverter ein Patent erteilt

Vorteile

bull Zeitliche Glaumlttung gepulster Laserstrahlung

bull Keine stoumlrenden Interferenzen

bull Nur minimale Absorption des Messsignals

bull Auch bei kuumlrzeren Wellenshylaumlngen ohne Ulbrichtkugel verwendbar

bull Kontinuierliche Verteilung des Ausgangspulses

bull Pulsvervielfachung

bull Houmlhere Strahlungsleistung

PTBshyNummer 0254

wwwtechnologietransferptbde

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PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4Technologieangebote

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Homogenisierung von Strahlungsquellen und Focal Plane Arrays (FPA)Ein neuartiges Verfahren ermoumlglicht softwaregestuumltzt eine deutlich verbesserte Kalibrierung von Mehrelement-Sensoren (FPA) und bildgebenden Systemen (Kameras) Bei flaumlchigen Strahlungsquellen kann zusaumltzlich eine gezielte Ansteuerung von Flaumlchenelementen zu einer bisher im Allgemeinen nicht erreichbaren Flaumlchenhomogenitaumlt fuumlhren

Technische Beschreibung

Flaumlchenstrahler dienen der Kalibrierung von ortsaufloumlsenden Strah-lungssensoren wobei davon ausgegangen wird dass die Emissionsflaumlche des Strahlers im Wesentlichen homogen bezuumlglich ihrer Strahldichte bzw Strahlungstemperatur ist Um kleine Inhomogenitaumlten eines Flaumlchenstrahlers zu charakterisieren ist es ein gaumlngiges Verfahren die Emissionsflaumlche punktweise mit einem Einzeldetektor abzutasten

Das neue PTB-Verfahren ist wesentlich schneller da es den Mehr-element-Sensor (FPA) das device-under-test selbst nutzt und damit immer ein Gesamtbild der Quelle aufnimmt Werden jetzt weitere Bilder zeilen- oder spaltenversetzt aufgenommen so erlaubt ein mathema-tischer Algorithmus bei nur drei Bildern eine komplette Charakterisie-rung des Sensors aber auch der Quelle

Sind Flaumlchenelemente der Strahlungsquelle einzeln ansteuerbar so ist es sogar moumlglich mittels der ermittelten Korrekturwerte zu Strahlquellen extrem hoher Homogenitaumlt im on-line-Betrieb zu gelangen

Wirtschaftliche Bedeutung

Bildgebende Strahlungssensoren und homogene Strahlungsquellen sind relevant fuumlr die Forschung und Entwicklung fuumlr die Prozesstechnik fuumlr die Charakterisierung der Energieeffizienz von Bauten bei der Ent-wicklung neuer Bauteile mit hoher thermischer Belastung und in vielen weiteren Bereichen Der mathematische Algorithmus ist aber auf unter-schiedliche Arten von Kamerasystemen anwendbar und damit auch fuumlr die Qualitaumltssicherung von CCD-Kameras bis hin zum Konsumguuml-termarkt anwendbar EntwicklungsstandEine deutsche Patenterteilung erfolgte im September 2015 Eine PCT-Anmeldung ist anhaumlngig Kooperations- und Lizenzpartner aus den Bereichen Thermografie Radiometrie und Photometrie zur Umsetzung des Konzeptes werden gesucht

Ansprechpartner

Dr Bernhard SmandekBeauftragter fuumlr TechnologietransferTelefon +49 531 592shy8303Telefax +49 531 592shy69shy8303EshyMail technologietransferptbde

DiplshyIng Berndt GutschwagerArbeitsgruppeInfrarotshyStrahlungsthermometrie

Stahlungsmessplatz der PTB zur Kalibrierung von Temperaturstrahlern und Waumlrmebildkashymeras

Vorteile

bull Schnelle Kalibrierung von Flaumlchensensoren (FPA)

bull Schnelle Kalibrierung von Flaumlchenstrahlern

bull Strahlquellen houmlchster Hoshymogenitaumlt

bull Fuumlr Thermografie und Phoshytometrie

PTBshyNummer 00374

wwwtechnologietransferptbde

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Erscheinungsweise und Bezugspreise Die PTB-Mitteilungen erscheinen viermal jaumlhrlich Das Jahresabonnement kostet 3900 Euro das Einzelheft 1200 Euro jeweils zzgl Versandkosten Bezug uumlber den Buchhandel oder den Verlag Abbestellungen muumlssen spaumltestens drei Monate vor Ende eines Kalenderjahres schriftlich beim Verlag erfolgen

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Printed in Germany ISSN 0030-834X

Die fachlichen Aufsaumltze aus dieser Ausgabe der PTB-Mitteilungen sind auch online verfuumlgbar unterdoi 10779531020150499

Die Physikalisch-Technische Bundesanstalt das nationale Metrologieinstitut ist eine wissenschaftlich-technische Bundesoberbehoumlrde im Geschaumlftsbereich des Bundesministeriums fuumlr Wirtschaft und Energie

mitteilungen

Impressum

Die PTB-Mitteilungen sind metrologisches Fachjournal der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt Braunschweig und Berlin Als Fachjournal veroumlffentlichen die PTB- Mitteilungen wissenschaftliche Fachaufsaumltze zu metrologischen Themen aus den Arbeitsgebieten der PTB Die PTB-Mitteilungen stehen in einer langen Tradition die bis zu den Anfaumlngen der Physikalisch-Technischen Reichsanstalt (gegruumlndet 1887) zuruumlckreicht

Bundesallee 100 38116 Braunschweig

Presse- und Oumlffentlichkeitsarbeit

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Physikalisch-Technische BundesanstaltBraunschweig und BerlinNationales Metrologieinstitut

Die Physikalisch-Technische Bundesanstalt das nationale Metrologieinstitut ist eine wissenschaftlich-technische Bundesoberbehoumlrde im Geschaumlftsbereich des Bundesministeriums fuumlr Wirtschaft und Energie

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TB

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Hef

t 42

015

15

Ruumlckfuumlhrung in der Photometrie hellipPTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4

lers bdquoSldquo mit der Verteilungstemperatur T mit dem Schwarzen Strahler der Temperatur TBB laumlsst sich prinzipiell also die unbekannte spektrale Bestrah-lungsstaumlrke EλS (λT) ermitteln aus

E T E Ty

yS eS

λ λλ λλλ ( ) = ( ) sdot ( )( )BB BB

BB

wobei ys(λ) und yBB(λ) die fuumlr die beiden Strahler gemessenen Photostroumlme bei der Wellenlaumlngen-einstellung λ sind und EλBB (λTBB) die spektrale Bestrahlungsstaumlrke des Hochtemperatur-Hohl-raumstrahlers nach dem Planckschen Strahlungs-gesetz (16) ist

Ableitung und Weitergabe weiterer photometrischer Einheiten gerichteter photometrischer Groumlszligen

Neben der Einheit fuumlr die Lichtstaumlrke sind in der gerichteten Photometrie die Einheit der Beleuch-tungsstaumlrke zur Kalibrierung von Photometern und die Einheit der Leuchtdichte zur Angabe von Lampeneigenschaften besonders wichtig

Beleuchtungsstaumlrke

In der PTB werden Beleuchtungsstaumlrke-Messgeraumlte mit einem Referenzphotometer mittels der Substi-tutionsmethode kalibriert wobei die Lichteintritts-flaumlchen der Photometerkoumlpfe an derselben Stelle senkrecht und gleichmaumlszligig beleuchtet werden

Dazu wird zunaumlchst das Referenzphotometer (Linearitaumlt und Anpassungsindex m bekannt) mit Lichtstaumlrke-Normallampen beliebiger Vertei-lungstemperatur T kalibriert Durch Umstellung von Gleichung (13) folgt fuumlr seine photometrische Empfindlichkeit

s d y TI T

Tm

v K= sdot sdot

2

0 2856Ω( )( )

v

(18)

Auf einer 40 m langen Photometerbank siehe Bild 10 koumlnnen dann mit beliebigen Gluumlhlampen unterschiedlicher elektrischer Leistung aber bekannter Verteilungstemperatur Beleuchtungsstaumlrken zwischen 0001 lx und 10000 lx erzeugt werden

Die Kalibrierung von Beleuchtungsstaumlrke-Mess-geraumlten erfolgt meistens mit Licht der Normlicht-art A eine entsprechende Lampe ist in Bild 15 dargestellt Die Anzeige des zu kalibrierenden Beleuchtungsstaumlrke-Messgeraumltes wird mit dem Messwert der Beleuchtungsstaumlrke Ev des Referenz-photometers verglichen

E T ysv

vK( )= =2856

001

01

1

10

100

350 400 450 500 550 600 650 700 750

spek

tral

e Be

stra

hlun

gsst

aumlrke

E[microW

cm

sup2nm

]

Wellenlaumlnge λ [nm]

Schwarzer Strahler (3076 K)Schwarzer Strahker (2995 K)FEL 81 A (3080 K)FEL 67 A (2780 K)WI 41G 54 A (2700 K)

Bild 11 Spektrale Bestrahlungsstaumlrke unterschiedlicher Strahler im sichtbaren Spektralbe-reich Die als Sekundaumlrnormale eingesetzten 1000-W-Gluumlhlampen vom Typ FEL und die in der Photometrie verwendeten Gluumlhlampen vom Typ WI 41G besitzen einen sehr aumlhnlichen spektralen Verlauf wie der als Primaumlrnormal eingesetzte Schwarze Strahler bei unterschiedlichen Strahlertemperaturen

Bild 12 Der Messplatz fuumlr die Kalibrierung von Gluumlhlampen bezuumlglich spektraler Bestrah-lungsstaumlrke in der PTB Auf der rechten Seite befinden sich zwei als Sekun-daumlr- und Arbeitsnormale eingesetzte Gluumlhlampen Auf der linken Seite ist das Spektroradiometer zu sehen dass an seiner Oberseite eine Ulbrichtkugel als Eingangsoptik montiert hat deren Oumlffnung in Richtung Strahler als Referenzebene fuumlr die Bestrahlungsstaumlrke verwendet wird

Bild 13 Messplatz zur Weitergabe der Einheit der Beleuchtungsstaumlrke zur Kalibrierung von Photometern

(17)

(19)

16

Das Jahr des Lichtes PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4

Leuchtdichte

Leuchtdichten homogen leuchtender begrenzter Flaumlchen koumlnnen aus groszligem Abstand wie Licht-staumlrken gemessen werden Wird z B eine kreisfoumlr-mige Blendenoumlffnung (zentrisch und senkrecht zur Messrichtung) zwischen der leuchtender Flaumlche und dem Photometerkopf angeordnet und damit ein Teillichtstrom ausgesondert so kann dieser in groszligem Abstand als Lichtstaumlrke bestimmt werden und es gilt fuumlr die Leuchtdichte Lv der prinzipielle Zusammenhang

LIAvv= (20)

In der PTB wird fuumlr die mit Gluumlhlampen ausgestat-teten Leuchtdichtenormale (d h Verteilungstem-peratur T bekannt) zunaumlchst die photometrische Empfindlichkeit sv des Referenzphotometers wie in Abschnitt 41 bestimmt dann die Lichtstaumlrke nach Gleichung (13) gemessen und schlieszliglich die mittlere Leuchtdichte innerhalb der leuchtenden Flaumlche A nach Gleichung (20) berechnet

Fuumlr Leuchtdichtenormale gelten prinzipiell einige der im Kapitel bdquoLichtstaumlrke-Normallampenldquo aufgefuumlhrten Merkmale Sie unterscheiden sich jedoch im Detail in der Art der Ausfuumlhrung z B sind sie mit Gluumlhlampen oder mit LEDs bestuumlckt sie koumlnnen hinsichtlich der Leuchtdichte bzw Farbe durchstimmbar sein oder mit gesonderter Monitortechnik ausgestattet sein

Die traditionellen Messverfahren zur Bestim-mung der Leuchtdichte bzw die Verwendung von Photometern mit direkter Anzeige der Leuchtdich-tewerte werden zunehmend durch den Einsatz von Leuchtdichtekameras (pixelaufgeloumlste Darstellung von Leuchtdichteverteilungen) ergaumlnzt Eine abso-lute Kalibrierung dieser modernen Systeme stellt aber messtechnisch eine groszlige Herausforderung

Bild 14 Die 40 m lange photometrische Bank zur Realisierung und Weitergabe der Einhei-ten der gerichteten Photometrie

Bild 15 20-kW-Hochleistungshalogengluumlhlampe fuumlr hohe Beleuchtungsstaumlrken zur Kalibrierung von Beleuchtungsstaumlrke-Messgeraumlten u a mit Normlichtart A

Bild 16 Gluumlhlampenbasierte Normale zum Transfer der Leuchtdichte-Einheit

17

Ruumlckfuumlhrung in der Photometrie hellipPTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4

dar aktuell werden zur Charakterisierung solcher Kameras national im FNL3 (Normenausschuss bdquoPhotometrieldquo im DIN) und international in der CIE (TC2-59 TC2-62) u a Messverfahren dis-kutiert die dann mittels definierter Kenngroumlszligen beschrieben werden

Literatur

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temperature 1994[3] G Sauter Die Candela Erlaumluterungen zum Ver-

staumlndnis der Definition und der RealisierungPTB-Mitteilungen 107 1997

[4] W Schreier (Hrsg) Biographien bedeutender Phy-siker 2 Aufl Volk und Wissen Berlin 1988S 203ndash205

[5] M Planck Zur Theorie des Gesetzes der Energie-verteilung im Normalspektrum Verhandlungender Deutschen Physikalischen Gesellschaft 21900 S 237ndash245

[6] V I Sapritsky B BKhlevnoy V B KhromchenkoB E Lisiansky S N MekhontsevU A Melenevsky S P Morozova A V ProkhorovL N Samoilov V I Shapoval K A SudarevM F Zelener Precision Blackbody sources forradiometric standards Appl Opt 1997 36S 5403ndash5408

[7] P Sperfeld Entwicklung und Realisierungeiner empfaumlngergestuumltzten spektralen Bestrah-lungsstaumlrkeskala Dissertation Braunschweig2861999 httpwwwbibliotu-bsdeedissdata19990628a19990628ahtml(Letzter Aufruf 28102015)

[8] P Sperfeld S Pape B Barton From Primary Stan-dard to Mobile Measurements ndash Overview of theSpectral Irradiance Calibration Equipment at PTBMAPAN-Journal of Metrology Society of India 252010 S 11ndash19

Bild 17 Pixelaufgeloumlste Darstellung einer Leuchtdichteverteilung mit einer Leuchtdichtemesskamera

pim_140107_anz_forschung_178x29indd 1 280214 1033

18

PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4Das Jahr des Lichtes

Kurze Geschichte der Goniophotometrie in der PTB Matthias Lindemann

Zusammenfassung

Die Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB) ist das nationale Metrologieinstitut (NMI) der Bundesrepublik Deutschland das seinen Fokus auf die Realisierung Bewahrung und Weitergabe der SI-Einheiten richtet Deshalb hat auch die goniophotometrische Bestimmung des Licht-stroms nahezu beliebiger Lichtquellen eine lange Tradition Seit mehr als 50 Jahren werden in der PTB hierzu noumltige Messsysteme entwickelt genutzt verbessert und an neue Messaufgaben angepasst Schon in den 50er- und 60er-Jahren des vergangenen Jahrhunderts erlaubte ein soge-nanntes Einarm-Goniophotometer die Realisie-rung der Lichtstromeinheit lumen (lm) als direkte Ableitung von der SI-Basiseinheit Candela (cd) mithilfe von Lichtstaumlrke-Normallampen Spaumlter gestattete ein groszliges Kardan-Goniophotometer mit einem Messradius von 25 m die notwendige automatisierte spiralfoumlrmige Bewegung eines Photometers bzw eines Dreibereichsfarbmess-kopfes Fuumlr die Lichtstrom-Kalibrierungen von Kleingluumlhlampen aber auch von zunehmend nachgefragten Messungen an LEDs wurde schon in den fruumlhen 1980er Jahren ein sogenanntes Mini-Goniophotometer ebenfalls als Kardan-

Goniophotometer mit nur 03 m Messradius entwickelt und eingesetzt Dieser Entwicklungs-prozess haumllt an und ermoumlglicht heute die Kalibrie-rung auch modernster LED-Lichtquellen Im Jahr 2006 wurde das erste Roboter-Goniophotometer im neuen Albert-Einstein-Gebaumlude der PTB in Betrieb genommen und ermoumlglicht seitdem die Kalibrierung nahezu beliebiger Lichtquellen mit der noumltigen kleinen Messunsicherheit

1 Einfuumlhrung

Mehr als 11 der elektrischen Energie werden heute in Deutschland fuumlr Beleuchtung einge-setzt Tendenz steigend Daher ist der Lichtstrom oumlkonomisch gesehen die wichtigste photometri-sche Groumlszlige Es ist notwendig seine Einheit das Lumen (lm) direkt von der SI-Basiseinheit fuumlr die Lichtstaumlrke der Candela (cd) abzuleiten Dies geschieht regelmaumlszligig mittels Goniophotometrie um den Lichtstrom der zu untersuchenden Licht-quelle zu bestimmen Obwohl auch absolut arbei-tende Ulbricht-Kugel-Methoden existieren [1] benoumltigen diese streng genommen zumindest die relative raumlumliche Lichtstaumlrkeverteilung welche nur durch goniophotometrische Methoden messbar ist

Das Prinzip der Goniophotometrie ist unabhaumln-gig von der technischen Realisierung der unter-schiedlichen Goniophotometertypen Ein Gonio-photometer misst die raumlumliche Verteilung der Beleuchtungsstaumlrke E(r ϑ φ) auf einer geschlosse-nen Huumlllflaumlche mittels V(λ)-angepasstem Pho-tometer fuumlr alle Richtungen (ϑ φ) der Lichtaus-strahlung im vollen Raumwinkel (4π sr) um die Lichtquelle herum wie Bild 1 zeigt

Der Radiusvektor r(ϑ φ) beschreibt die Position des Photometers in Kugelkoordinaten und r(ϑ φ) durchstoumlszligt das zur Lampe gerichtete Eintrittsfens-ter immer orthogonal Der Radiusvektor r(ϑ φ) beschreibt auch die Entfernung zwischen Lampe und Photometer

Der Winkel ϑ beschreibt die Position des Photometers zwischen den Polen traditionell im Bereich (0 lt ϑ lt π) Der Winkel φ beschreibt die Photometer-Position in der Aumlquator-Richtung

Matthias Lindemann Arbeitsgruppe bdquoGoniophotometrieldquo EshyMail matthiaslindemannptbde

Bild 1 Beleuchtungsstaumlrke E als Funktion des Radiusvektors r(ϑ φ)

19

PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4 Kurze Geschichte der Goniophotometrie in der PTB

(0 lt φ lt 2π) Der Wert des Lichtstroms Φ der Lampe kann aus der Beleuchtungsstaumlrkeverteilung E(ϑ φ) berechnet werden entweder aus der Licht-staumlrkedefinition I = dΦdω oder aus der Defini-tion der Beleuchtungsstaumlrke E = dΦdΑ

Φ = ( )int I ϑ ϕ ω4πsr

d (1)

Φ = ( )int E Ar

ϑ ϕ4 2π

d (2)

Das Raumwinkelelement dω der Gleichung (1) ist gegeben durch

d sin d dω ϑ ϑ ϕ= ( ) (3)

und das Flaumlchenelement dA der Gleichung (2) erhaumllt man aus

d sin d dA r= ( ) ( )2 ϑ ϕ ϑ ϑ ϕ

(4)

Der Radius r des Radiusvektors r(ϑ φ) kann als Konstante behandelt werden da er sich gewoumlhn-lich waumlhrend einer goniophotometrischen Messung nicht aumlndert Dann kann die Lichtstaumlrke-verteilung I(ϑ φ) durch Anwendung des photome-trischen Grundgesetzes aus der Beleuchtungsstaumlr-keverteilung E(ϑ φ) bestimmt werden

I r Eϑ ϕ ϑ ϕ ( ) = ( )2 (5)

Falls die photometrisch wirksame Ausdehnung rL der zu messenden Lampe deutlich kleiner ist als der Messradius r des Goniophotometers ist kann Gleichung (1) mit Gleichung (3) und r = const wie folgt geschrieben werden

Φ = ( ) ( )intintr E2

00

2

d sin dϕ ϑ φ ϑ ϑππ

(6)

Andererseits fuumlhrt Gleichung (2) mit Glei-chung (4) und r = const ebenfalls auf Gleichung (6) Aber fuumlr groszlige Lampen koumlnnte die Anwen-dung von Gleichung (5) zu fehlerhaften Ergeb-nissen fuumlhren (rL gt r) aber der ermittelte Wert des Lichtstroms entsprechend Gleichung (6) waumlre korrekt falls das Photometer das einfallende Licht mit dem Kosinus des Einfallswinkels bewertet

2 Geschichte der Goniophotometer- Systeme in der PTB

Wie bereits teilweise in Abschnitt 1 diskutiert sollte ein ideales Goniophotometer eine Reihe von Anforderungen erfuumlllen wie die folgende Auflis-tung zeigt

1 Kalibrierung der Photometer mittels Licht-staumlrke-Normallampen zur Sicherung der Ruumlckfuumlhrung auf die nationale Realisierung der Einheit Candela

2 Ausfuumlhrung einer Relativbewegung zwischen Lampe und Photometer wobei sich ϑ-Achse und φ-Achse rechtwinklig schneiden

3 Verwendung eines V(λ)-angepassten Photo-meters zur Lichtstrommessung

4 Automatische Messdatenanalyse5 Unabhaumlngige Bestimmung des Lichtstromwer-

tes von der raumlumlichenspektralen Verteilung der gemessenen Bestrahlungsstaumlrke Ee(λ ϑ φ) des Lichts

6 Unabhaumlngigkeit der Empfindlichkeit des Pho-tometers von der Umgebungstemperatur bzw Durchfuumlhrung einer entsprechenden Korrektur

7 Beliebige Betriebslage der zu untersuchenden Lampe

8 Einstellbare Umgebungsbedingungen fuumlr Luft-temperatur und Luftfeuchte

9 Geringer Streulichtanteil im Messraum bzw Streulicht-Korrektur

10 Elektrische Antriebe fuumlr die Bewegung der ϑ- und φ-Achsen

11 Verwendung von Farbmesskoumlpfen zur Bestim-mung der raumlumlich wirksamen aumlhnlichsten Farbtemperatur undoder Bestimmung der relativen raumlumlichen spektralen Verteilung der gemessenen Bestrahlungsstaumlrke

12 Messung ohne Bewegung der zu untersuchen-den Lampe

13 Vollstaumlndige Abtastung der Beleuchtungs-staumlrke- bzw Lichtstaumlrkeverteilung der zu untersuchenden Lampe

14 Staumlndige Uumlberwachung des photometrischen Betriebsverhaltens der Lampe um Alterung waumlhrend der Messzeit erkennen bzw korrigie-ren zu koumlnnen (sogenanntes Monitorsystem)

15 Messraumwaumlnde sollen etwa auf Lufttem-peratur sein um den Strahlungsaustausch zwischen Entladungslampen und Waumlnden des Messraums zu stabilisieren

16 Online-Streulichtkorrektur ndash insbesondere fuumlr ausgedehnte Lampen wie Leuchtstofflampen da diese den Einsatz eines Streulichttubus mit groumlszligerem Gesichtsfeld erfordern

17 Die Beleuchtungseinrichtung des Gonio-photometerraums soll zur Messzeit abgedeckt und ausgeschaltet sein um den Streulichtan-teil nicht zu erhoumlhen

18 Variation des Messradius r (Validierung von Nahfeld-Fernfeld-Messungen mit abbilden-den Systemen)

In der Goniophotometrie sind verschiedene Koor-dinatensysteme wie Bild 1a zeigt zu unterscheiden Dies sind regelmaumlszligig das Lampenkoordinatensys-tem Lamp das Raumkoordinatensystem Room und

20

PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4Das Jahr des Lichtes

das Goniophotometerkoordinatensystem bezogen auf dessen Zentrum Center Bild 1a zeigt moumlgliche Offsets zwischen diesen Systemen in Translation und Rotation

Um folgende Betrachtungen und Erklaumlrungen zu vereinfachen werden die genannten Koordina-tensysteme als deckungsgleich angenommen das heiszligt es werden keine Offsets in Translation und Rotationen zwischen den Koordinatensysteme vorausgesetzt

Im Weiteren werden die Eigenschaften Vor- und Nachteile der uumlber Dekaden in der PTB entwi-ckelten und genutzten Goniophotometer unter Beruumlcksichtigung der gewuumlnschten vorstehend gelisteten Eigenschaften diskutiert Es beginnt mit einem einfachen Einarm-Goniophotometer aus den 50er-Jahren des vergangenen Jahrhunderts und endet zumindest vorlaumlufig mit dem State-of-the-art-Roboter-Goniophotometer das 2007 in Betrieb ging

21 Einarm-Goniophotometer (1950ndash1975)

In der Zeit von 1950 bis 1975 wurde ein manuell betriebenes Einarm-Goniophotometer nach Bild 2 benutzt In den 50er-Jahren war diese Messappara-tur noch mit einem visuellen Photometer ausge-stattet Dieses Photometer erlaubte die relative Messung von Beleuchtungsstaumlrken mittels einer im Photometer installierten Hilfslampe in Verbindung mit einem optischen Abschwaumlcher [2 Seite 321] Die Ruumlckfuumlhrung auf die nationale Lichtstaumlrke-Einheit die Candela war durch Kalibrierung des visuellen Photometers mit Lichtstaumlrke-Normal-lampen sichergestellt (dies erfuumlllt Anforderung 1 der Anforderungsliste) entsprechend basieren auch Abstandsmessungen auf der nationalen Laumln-geneinheit dem Meter

Wegen der Lageabhaumlngigkeit der internen Hilfs-lampe im Innern des visuellen Photometer war es an einer festen Stelle der Messapparatur ange-bracht wie Bild 2 zeigt Ein Spiegel-Prismen-Sys-tem leitete das Licht der zu untersuchenden Lampe auf das Photometer Eine detaillierte Beschreibung aumlhnlicher Systeme kann [2 Seite 319] entnommen werden Damit ist Anforderung 2 ebenfalls erfuumlllt

Die vollstaumlndige Bestimmung des Lichtstroms Φ erfordert eine groumlszligere Anzahl Messungen von Beleuchtungsstaumlrken fuumlr ebenso viele manuell eingestellte unterschiedliche Kugelkoordina-ten (ϑ φ) Wird die fiktive Kugel gemaumlszlig Bild 1 in ϑ-Richtung in parallele Zonen eingeteilt und jede dieser Zonen i ist wiederum in n Sektoren j gleicher Laumlnge (Δφ = const) mit den zugehoumlrigen Beleuchtungsstaumlrken Eij unterteilt ist es moumlglich die mittlere Beleuchtungsstaumlrke Endashi jeder Zone i nach Gleichung 7 zu bestimmen

E Ei n i jj

n

==sum1

1 (7)

und der Wert des Lichtstroms Φ ergibt sich weiter aus der numerischen Integration nach Gleichung (8)

Φ = ( )minus ( )( )+

=sum2 2

10

1

πr cos cosϑ ϑi ii

m

iE-

(8)

Die Anzahl der notwendigen Beleuchtungsstaumlr-kemessungen haumlngt von der raumlumlichen Lichtver-teilung der zu untersuchenden Lampe ab Wegen der manuellen Einstellung des groszligen Arms (ϑ) der Drehung der Lampe (φ) und des gleichfalls noumltigen manuellen Abgleichs des visuellen Pho-tometers ist diese Methode sehr zeitaufwendig Sollen beispielsweise 600 Punkte gemessen werden (aus heutiger Sicht also nicht besonders viele) und man benoumltigt ca 25 Sekunden pro Messung werden also mehr als 4 Stunden benoumltigt um eine

Bild 1a Koordinatensysteme

Bild 2 Einarm-Go-niophotometer 1950ndash1975

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PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4 Kurze Geschichte der Goniophotometrie in der PTB

Lampe mit relativ homogener raumlumlichen Licht-verteilung zu messen

In 1963 wurde ein internationaler Lichtstrom-vergleich auf der Basis von Entladungslampen ohne Fluoreszenzstoff durchgefuumlhrt Diese Lampen wiesen eine massive Inhomogenitaumlt ihrer raumlumlichen Lichtverteilung auf sodass die beschriebene manuelle Methode wegen der noumltigen hohen Anzahl von Messpunkten nicht praktikabel war Zur Loumlsung dieses Problems in [3] beschrieben wurde das visuelle Photometer durch einen grob an V(λ)-angepassten Photover-vielfacher ersetzt zusaumltzlich wurde die φ-Achse mit einem elektrischen Antrieb versehen und ein Praumlzisionskondensator ermoumlglichte die analoge Integration des Photostroms des Photovervielfa-chers Damit konnte fuumlr jede der erforderlichen ϑ-Einstellungen des groszligen Arms der elektri-sche Antrieb der φ-Achse diese mit konstanter Winkelgeschwindigkeit rotieren lassen waumlhrend der Praumlzisionskondensator den Photostrom des Photovervielfachers integrierte Nach etwa t = 5 min fuumlr eine Umdrehung repraumlsentierte die Ladung Q = C middot U des Praumlzisionskondensators die mittlere Beleuchtungsstaumlrke

E k C Uti = sdot (9)

dieser gemessenen Zone i Daraus berechnet sich der Lichtstrom wiederum gemaumlszlig Gleichung (8) Es ist nicht noumltig das Produkt k ∙ C exakt zu kennen da dies uumlber das Kalibrierverfahren durch die bekannte Beleuchtungsstaumlrke einer Lichtstaumlrke-Normallampe eliminiert werden kann es muss lediglich uumlber die gesamte Messzeit hinweg kons-tant sein

Spaumlter in den 1960er-Jahren wurde auch das visuelle Photometer durch ein modernes V(λ)-angepasstes Photometer basierend auf gefilterten Silizium-Photodioden in Kombination mit einen PhotostromSpannungswandler und einem xy-Plotter ersetzt Man erhielt so die Beleuchtungs-staumlrkeverteilung jeder Zone die sich dann leicht mit grafischen oder numerischen Verfahren inte-grieren lieszlig Es wird spaumlter gezeigt werden dass diese verwendete bdquoanaloge Zonenintegrationldquo sehr aumlhnlich der heutigen digitalen zonalen Bewertung ist

Diese letzten 2 Verbesserungen erfuumlllen die Anforderung 3 und teilweise auch die Anforde-rung 4

22 Kardan-Goniophotometer (1976ndash2007)

Das existierende Einarm-Goniophotometer war immer auf eine bdquohelfende Handldquo angewiesen um es von Punkt zu Punkt zu bewegen Die anschlie-szligende Berechnung des Lichtstroms wurde grund-saumltzlich ebenfalls haumlndisch ausgefuumlhrt Dieses Ver-

fahren war dementsprechend sehr zeitaufwendig und der zunehmende Wunsch der Industrie auch groszlige Objekte wie z B lange Leuchtstofflampen aber spaumlter auch sehr kleine Mikrolampen und erste LEDs zu kalibrieren fuumlhrte zur Entwicklung sogenannter Kardan-Goniophotometer ver schie-dener Ausfuumlhrungen

221 Groszliges Kardan-Goniophotometer

Nach der intensiven Umgestaltung einiger Raumlume im Koumlsters-Bau der PTB war es moumlglich im neuen Goniophotometerraum (7 x 10 x 8 m3) das Kar-dan-Goniophotometer [4] zu installieren Bild 3 zeigt das groszlige Kardan-Goniophotometer Am Bildoberrand ist eine zu kalibrierende stabfoumlrmige Leuchtstofflampe zu sehen

Dieser Raum war zusaumltzlich auch mit einer geregelten elektrischen Heizung ausgestattet um die geforderten Messbedingungen bezuumlglich Umgebungstemperatur einstellen zu koumlnnen Im Prinzip besteht ein Kardan-Goniophotometer wie in Bild 4 gezeigt aus 3 Rahmen wobei der aumluszligere α-Rahmen der raumlumlichen Ausrichtung (durch Drehung um die y-Achse) der zu untersu-chenden Lampe dient Innerhalb dieses aumluszligeren α-Rahmens ist der mittlere φ-Rahmen endlos drehbar um die z-Achse gelagert Der innere ϑ-Rahmen ist wiederrum drehbar im φ-Rahmen gelagert jedoch ist seine Bewegung auf knapp 180deg durch den noumltigen Lampenhalter begrenzt Alle 3 Rahmen sind mechanisch ausgeglichen und mit elektrischen Antrieben versehen Ihre Rotationsgeschwindigkeiten waren per 10-Gang-Praumlzisionspotentiometer einstellbar eine Folge der angewandten analogen Regelung der Achsan-triebe Die Winkelbestimmung der Achsen erfolgte mittels 13-bit-Winkelencodern Das Photometer war am ϑ-Rahmen (Bild 4) platziert und ermoumlg-lichte so einen festen Messradius von 2500 mm Es bestand die Moumlglichkeit ein zweites Photometer

Bild 3 Kardan-Goniophotometer 1976ndash2007

22

PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4Das Jahr des Lichtes

oder einen Farbmesskopf auf der gegenuumlberliegen-den Seite des ϑ-Rahmens einzusetzen

In diesem Fall war der Arbeitsbereich limitiert im Bereich 4deg lt ϑ lt 176deg da jeweils Lampenhalter von rechts und links zur Aufnahme einer beispiels-weise stabfoumlrmigen Leuchtstofflampe eingesetzt werden konnten (siehe auch Bild 3) Im Falle von einseitig gesockelten Lampen wurde meist nur ein PhotometerFarbmesskopf verwendet was eine Drehung der gegenuumlberliegenden Messkopf-aufnahme um 90deg ermoumlglichte Diese sogenannte bdquoKroumlpfungldquo lieszlig dann Raum fuumlr den nun einseiti-gen Lampenhalter und der Arbeitsbereich vergrouml-szligerte sich zu 0deg lt ϑ lt 176deg

Entsprechend der Gleichung (6) muss die gemessene Beleuchtungsstaumlrkeverteilung uumlber den vollen Raumwinkel 4π sr zum Wert des Licht-stroms integriert werden So ist es naheliegend digitale uumlber die Zeit integrierende Methoden zur Erfassung und Speicherung der gemessenen Beleuchtungsstaumlrkewerte zu verwenden Bild 5 zeigt den Signalfluss Sowohl Photometer- undoder Farbmesskopf als auch Photostrom-Fre-

quenz-Wandler waren temperaturstabilisiertDer Photostrom des Photometers mit seiner

photometrischen Empfindlichkeit s normalisiert auf die CIE-Lichtart A wird mittels Ruumlckkopp-lung Rg eines Photostromverstaumlrkers in eine Spannung U gewandelt und weiter durch einen Spannungs-Frequenzwandler in eine Frequenz f mit dem zugehoumlrigen Wandlungsfaktor wf kon-vertiert Diese Frequenz wird letztlich von einem digitalen Zaumlhler kontinuierlich gezaumlhlt Simultan wird die Quarz-Frequenz fq durch einen zweiten digitalen Zaumlhler erfasst um waumlhrend der spaumlteren Datenanalyse die urspruumlnglichen Photostroumlme berechnen zu koumlnnen Diese Methode stellt damit die schon erwaumlhnte Signal-Zeit-Integration sicher

Die die zu untersuchende Lampe umgebene fiktive Kugel ist wie Bild 5 zeigt in Zonen und Sektoren unterteilt Infolge der analogen Geschwindigkeitsregelung der zwei bewegten Rahmen sind positive und negative Beschleu-nigungsphasen am Anfang und am Ende einer vollstaumlndigen Abtastung und Lastreaktionen des rotierenden Systems und die damit verbundenen geringen Gleichlaufschwankungen unvermeid-bar Die Unterteilung jeder Zone in Sektoren mit der Laumlnge Δφj als Gewichtung reduziert jedoch diesen Einfluss Damit berechnet sich die mittlere Beleuchtungsstaumlrke Endashi nach Gleichung (10)

Es w R

fyt

fjj

ni j

i j=

sdot sdot sdot( )sdot sdot minus

=sum1

2 10

πϕ

f gq∆∆

∆

(10)

mit der Dunkelfrequenz f0 (Photometer abgeschat-tet) und den Differenzsignal-Zaumlhlungen Δyi j und den Differenzzeit-Zaumlhlungen Δti j jeweils vom Sek-toranfang bis zum Sektorende Wiederum koumlnnte der Lichtstrom nach Gleichung (8) bestimmt werden jedoch werden jetzt noch Korrekturfakto-ren fuumlr das Streulicht cstr der spektralen Fehlanpas-sung des Photometers cspec und Abweichungen von den nominalen elektrischen Betriebsbedingungen celec eingefuumlhrt wie nun Gleichung (11) zeigt

Φ = sdot sdot sdot sdot minus( ) sdot+=

minus

sumc c c r Ei ii

m

istr spec elec cos cos2 21

0

1

π ϑ ϑ

(11)

Im Verlauf einer Lichtstrommessung werden neben dem Photometer auch die Waumlnde des Messraums von der zu untersuchenden Lampe beleuchtet Diese Beleuchtung wird ebenfalls vom im Goniophotometer verwendeten Photometer bdquogesehenldquo und fuumlhrt zu einer Streubeleuchtung auf dem Lichteintrittsfenster dieses Photome-ters Diese Streubeleuchtung haumlngt einerseits vom Reflexionsgrad der verwendeten Wandfarbe (ρ asymp 3 ) und vom Gesichtsfeld des sich vor dem

Bild 4 Groszliges Kardan-Goniophotometer 1976ndash2007

Bild 5 Signalfluss

23

PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4 Kurze Geschichte der Goniophotometrie in der PTB

Photometer befindlichen Streulichtreduzierungs-tubus ab Daher muss fuumlr jeden eingesetzten Tubus mit seinem individuellen Gesichtsfeld der wirksame spezifische Streulichtkorrekturfaktor cstr bestimmt werden Diese koumlnnen ermittelt werden indem Blenden mit unterschiedlichen Durchmes-sern zwischen der zu untersuchenden Lampe und dem Photometer waumlhrend normalen Lichtstrom-messungen positioniert werden Eine detaillierte Beschreibung kann [5] entnommen werden

Die technische Realisierung eines Photometers ist immer nur eine Naumlherung fuumlr V(λ) Dies bedeu-tet dass im Prinzip in allen Faumlllen diese spektrale Fehlanpassung korrigiert werden muss Allgemein kann der spektrale Korrekturfaktor cstr fuumlr alle Lampen mit beliebiger Strahlungsfunktion S(λ) nach Gleichung (12) bestimmt werden

cV S

s S

V P T

s Pspek

rel

A

rel

d

d

d=

( )sdot ( )( ) sdot ( )

( ) sdot ( )( ) sdot

intint

intint

λ λ λ

λ λ λ

λ λ λ

λ

λλ λTA d( )

(12)

Hierzu ist jedoch die Kenntnis der relativen spektralen Empfindlichkeit srel(λ) des Photome-ters notwendig P(λ TA) bezeichnet dabei einen Planckstrahler mit einer Verteilungstemperatur von TA = 2856 K

Im Fall von Gluumlhlampen ist ein etwas einfache-rer Weg fuumlr diese Korrektur ohne die Kenntnis von srel(λ) moumlglich Gleichung (13) beschreibt die Abhaumlngigkeit der Beleuchtungsstaumlrke E(T) von der Verteilungstemperatur T

E Ty T

sTT

m

( ) = ( )

A

y

(13)

eines gemessenen Photostroms y(T) und der pho-tometrischen Empfindlichkeit s des Photometers fuumlr Lichtart A Eine charakteristische Eigenschaft des Photometers ist der Exponent my bdquoyldquo indiziert den Exponent fuumlr ein V(λ)- angepasstes Photome-ter oder den y-Kanal eines Dreibereichsfarbmess-kopfes wobei die anderen Kanaumlle unterschiedliche Werte fuumlr diese Exponenten haben Ein ideales Photometer wuumlrde einen Wert von 0 fuumlr diese Exponenten aufweisen Beispielsweise beschreibt my = 0018 ein qualitativ durchaus gutes Photo-meter Der Exponent my (und auch mx und mz) koumlnnen aus einem Fit bekannter Paare (E(T) T) einer Lichtstaumlrke-Normallampe bei verschiedenen Arbeitspunkten wie in [6 7] beschrieben gefun-den werden Damit kann der Korrekturfaktor cspec fuumlr Gluumlhlampen wie folgt geschrieben werden

c TT

my

specA

=

(14)

Werden Gluumlhlampen in der Naumlhe von CIE-Licht-art A betrieben ist die Korrektur auf elektrische Nominalbedingungen celec ebenfalls nach Glei-chung (15) sehr einfach da der Lichtstrom eine Funktion des Betriebsstroms J ist

c JJ

m

elec

J

=

minus

0 (15)

Hier ist J0 der Nominalstrom und mJ cong 684 Mehr Information kann in [7] gefunden werden

Die Datenanalyse fuumlr einen Dreibereichsfarb-messkopf erfolgt in gleicher Weise und man erhaumllt die Normfarbwertanteile (x y) aus den Gleichun-gen (16 17)

x =+ +Φ

Φ Φ ΦX

X Y Z (16)

y =+ +Φ

Φ Φ ΦY

X Y Z (17)

Leider konnten nur der Lichtstrom und die zuge-houmlrigen Normfarbwertanteile bestimmt werden da aufgrund der geringen Speichermoumlglichkeit der verwendeten Computertechnik die raumlumliche Information verlorenging

Daher wurden im Jahre 1991 alle Computer Analogsysteme die Verdrahtung und viele weitere Elemente durch moderne Ausruumlstung ersetzt Von nun an konnten alle Rohdaten mittels geeigneter Speichermedien dauerhaft bewahrt werden Das galt auch fuumlr groszlige Datenmengen des ab 1997 eingesetzten Array-Spektrometers zur Messung der relativen spektralen Leistungsverteilung der Strahlung synchron zur Lichtstrombestimmung Leider wiesen Photometer und Einkoppeloptik des Array-Spektrometers unterschiedliche Gesichtsfel-der auf und hatten etwas unterschiedliche Positi-onen auf dem Goniophotometer was die Daten-analyse komplizierte Dennoch konnten erstmalig raumlumliche spektrale Informationen uumlber zu untersuchende Lampen ermittelt werden Damit erfuumlllte das groszlige Kardan-Goniophotometer in seiner Ausbaustufe von 1997 die Anforderungen 1ndash14 aus Abschnitt 2 Die relative erweiterte Mes-sunsicherheit fuumlr den Lichtstrom fuumlr k = 2 betrug jetzt 060

222 Kleines Kardan-Goniophotometer

Fuumlr die Messung kleiner Lampen und LEDs wurde in den fruumlhen 1980er-Jahren ein dem groszligen Kardan-Goniophotometer sehr aumlhnliches kleines Kardan-Goniophotometer mit einem Messra-dius von nur 300 mm entwickelt hergestellt und

24

PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4Das Jahr des Lichtes

betrieben Das Foto in Bild 6 zeigt dieses seinerzeit sogenannte bdquoMini-Goniophotometerldquo

Die Messtechnik entsprach nahezu vollstaumln-dig dem groszligen Kardan-Goniophotometer bis hin zum Signalfluss einschlieszliglich Spannungs-Frequenzwandler und nachgeschalteten Zaumlhlern Damit sind alle Aspekte dieser Apparatur bereits in Abschnitt 221 diskutiertIm Jahre 2007 wurde dieses Instrument durch ein spezielles Goniophotometer fuumlr die Messung von LEDs ersetzt siehe auch Kapitel Metrologie fuumlr moderne Lichtquellen LEDs und OLEDs [10]

23 Roboter-Goniophotometer (2006 bis heute)

Am Ende der 1990er-Jahre wurde die Planung eines neuen Goniophotometertyps mehr und mehr konkret Nahezu gleichzeitig entschied sich die PTB fuumlr den Neubau eines modernen Gebaumludes fuumlr die Abteilung Optik dem heutigen Albert-Einstein-Bau Infolge dieses Zusammentreffens

beider Ereignisse konnte bei der Planung das neue Gebaumlude quasi um das neue Roboter-Goniopho-tometer herum geplant und spaumlter auch so gebaut werden

In 19951996 zeigte G Sauter dass Gonio-photometrie mittels Robotern moumlglich ist und erhebliche Vorteile gegenuumlber den bisher verwendeten Kardan-Goniophotometern auf-weist [8] Wie weiterhin in [8] beschrieben sind sogenannte Service-Roboter gut geeignet um ein Roboter-Goniophotometer zu realisieren Diese zeichnen sich durch eine schlanke Konstruktion mit langen Armen bei gleichzeitig relativ gerin-gem Gewicht aus Sie verfuumlgen uumlber eine hohe Flexibilitaumlt um beispielsweise ein Photometer auf gewuumlnschten Bahnen mit unterschiedlichen Radien (1000 mm lt r lt 3000 mm) auf der fiktiven Kugeloberflaumlche um die Lampe herumzufuumlhren Jeder Roboter verfuumlgt uumlber 7 Freiheitsgrade (engl seven degrees of freedom 7 DOF) Dies garantiert die notwendige Flexibilitaumlt und das erforderli-che Arbeitsvolumen Zur Abdeckung des vollen Raumwinkels 4π sr sind daher 2 der beschriebenen Roboter notwendig Ein dritter aumlhnlicher Roboter positioniert dabei die zu untersuchende Lampe in der gewuumlnschten Brennstellung im Raum Alle Roboter-Basen sind direkt mit dem Stahlbeton des Gebaumludes verbunden um eine langzeitstabile raumlumliche Positionierung der Roboter zu gewaumlhr-leisten Bild 8 zeigt das Roboter-Goniophotometer waumlhrend der Messung einer LED-Signalleuchte

Im Gegensatz zu Kardan-Goniophotometern ist der Messradius variabel in dem alle 7 Achsen in entsprechende Positionen gebracht werden Wegen der groszligen Redundanz eines 7-DOF-Roboters kann die Zielposition einschlieszliglich Orientierung durch eine sehr groszlige Anzahl unter-schiedlicher Einstellungen der 7 Achsen erreicht werden Daher wird eine Strategie benoumltigt um die jeweilige Achs einstellung zu finden Diese

Bild 6 Kleines Kardan-Goniophotometer 1982ndash2007

Bild 7 Arm des Roboter-Goniophotometers

Bild 8 Roboter-Goniophotometer 2006 bis heute

25

PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4 Kurze Geschichte der Goniophotometrie in der PTB

Strategie ist relativ simpel Sie besagt dass alle Achseinstellungen derart gefunden werden dass saumlmtliche Bestandteile des Roboters einen maxi-malen Abstand zum Zentrum des Roboters haben sollen um das von der Roboterstruktur reflektierte Streulicht moumlglichst gering zu halten Eine beson-dere Software ist notwendig um alle Achswinkel ausgedruumlckt in counts jedes Winkelencoders fuumlr jede Achse zu bestimmen um die gewuumlnschten Kugelkoordinaten (r ϑ φ) anzufahren Waumlhrend der Messung der zu untersuchenden Lampe liest das Roboter-Kontrollsystem alle 10 ms diese counts jeder Achse und versucht jede Achse entsprechend diese Vorgabe einzustel-len Nach dieser Einstellung welche fuumlr alle 7 Achsen gleichzeitig erfolgt werden die Ist-Winkel jeder Achse wiederum in counts synchron gelesen und mit den zugehoumlrigen photo-metrischen Daten und elek trischen Daten des Lampenbetriebs in eine Datenbank gespeichert Prinzipiell ist der Signal-fluss dem des in Abschnitt 221 beschriebenen groszligen Kardan-Goniophotometers sehr aumlhnlich Aber es gibt ein zusaumltzliches wichtiges Element den sogenannten Zeitstempel Da ein weit verteiltes Datenerfassungssystem vorliegt wird ein Mecha-nismus zur Datensynchronisierung in Form eines 1-Mhz-Taktes verwendet Dieser ist im gesamten System verfuumlgbar Beim Messungsstart synchron gestartete Zaumlhler erlauben daher die spaumltere Synchronisierung aller angefallenen Daten Wie beschrieben ist die Position jeder Achse und damit die Position und Orientierung des Photometers das Ergebnis eines Regelprozesses Somit ist es not-wendig die tatsaumlchliche Position und Orientierung des Photometers aus den gespeicherten Daten der Winkelencoder zu berechnen

In der Robotik ist es uumlblich einen Roboter des

verwendeten Typs wie eine biegesteife mechani-sche Kette mit sogenannten Denavit-Hartenberg-Parametern (DH-Parameter) zu beschreiben [9] Die Tabelle 1 zeigt diese DH-Parameter am Beispiel des Roboters 1

Mit diesen Parametern und den aktuellen Winkeln θi fuumlr jede Achse ist die Berechnung der Position bzw Orientierung der siebten Achse in Basis-Koordinatensystem des Roboters moumlglich Hierzu werden 7 Matrizen nach Gleichung (18) ver-wendet Jede Matrize beschreibt die Position (blau) und Orientierung (gruumln) jeder einzelnen Achse

Die PositionierungOrientierung der Achse 7 ergibt sich aus dem Vektorprodukt T1 T2 T3 T4 T5 T6 T7

Um jedoch die Koordinaten in Bezug auf das Koordinatensystem der fiktiven Kugel zu erhalten muumlssen 2 weitere aumlhnliche Matrizen verwendet werden Die sogenannte Base Frame Matrix F beschreibt die Positionierung und Orientierung des Roboter-Koordinatensystems zum Koor-dinatensystem der fiktiven Kugel waumlhrend die Matrix W die Positionierung und Orientierung des Photometers zur Achse 7 beschreibt Nun laumlsst sich die Position und Orientierung des Photome-ters P im Koordinatensystem der fiktiven Kugel mit Gleichung (19) beschreiben

P = F T1 T2 T3 T4 T5 T6 T7 W (19)

axisi Δθi offset to rotation around Z-axis

αi rotation around X-axis

di

translation in Z-axis

αi

translation in X-axis

1 ndash1438deg 45024deg 0000 mm ndash0400 mm

2 191088deg ndash90026deg 2686322 mm 0696 mm

3 178585deg 89996deg 274088 mm 0781 mm

4 6229deg ndash90022deg 1410499 mm 0474 mm

5 ndash0141deg ndash89955deg 173036 mm ndash0779 mm

6 ndash0924deg 90032deg 1191007 mm 0223 mm

7 180443deg 90007deg 91130 mm 0000 mm

Tabelle 1 DH-Parameter von Roboter 1

T

a

i

i i i i i i i i i i i

=

+( ) minus +( ) +( ) +cos sin cos sin sin cos∆ ∆ ∆ ∆θ θ θ θ α θ θ α θ θ(( )+( ) +( ) minus +( ) +sin cos cos cos sin sin∆ ∆ ∆ ∆θ θ θ θ α θ θ α θ θi i i i i i i i i i ia (( )

00 0 0 1

sin cosα αi i id

(18)

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PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4Das Jahr des Lichtes

Bild 9 zeigt die Achsenkoordinatensysteme (17) das Base-Frame-Koordinatensystem und das Koordinatensystem des Photometers zur Achse 7 in schematischer Weise Das Koordinatensys-tem der fiktiven Kugel faumlllt mit dem Zentrum des Goniophotometers zusammen und wird mit Center bezeichnet P ist jetzt auf dieses Center-Koordinatensystem bezogen Zusaumltzlich ist eine typische Bahn eingezeichnet Wegen des aller-dings nicht dargestellten Lampenhalters ist diese Bahn im oberen Bereich verdichtet um eine Kollision mit dem Lampenhalter zu vermeiden Wie bereits erwaumlhnt setzt die Verwendung von Gleichung (19) einen biegesteifen Roboter voraus der in der Praxis nicht existiert P ist also von statischen Gewichtskraumlften des Roboters dyna-mischen Kraumlften infolge der Bewegung als auch von thermischen Laumlngenaumlnderungen uumlberlagert Daher muss Gleichung (19) um eine entspre-chende Korrektur C erweitert werden Glei-chung (20) zeigt nun das endguumlltige Modell zur Bestimmung von P

wobei C

t tT Rθ θ

θ θ1 7

1 7 dd

dd amb

diese finale Korrektur basierend auf den Winkeln θ1θ7 aller Achsen ihren zeitlichen Ableitungen

dd

dd

θ θ1 7

t t

und der Umgebungstemperatur Tamb beschreibt

Der letzte Parameter R steht fuumlr einen groszligen Datensatz und beschreibt Eigenschaften des Roboters wie Abmessungen Teilmassen usw Die Berechnung von C() ist aufwendig und wurde vom Hersteller des Roboters ausgefuumlhrt Aus Gruumlnden des Wettbewerbs muss diese Berechnung vertrau-lich behandelt werden und kann daher hier nicht veroumlffentlicht werden Jedoch kann die Wirkung von C() beispielhaft auf den Messradius mitgeteilt werden (siehe Bild 10)

Die noumltige Radiuskorrektur rcorr bewegt sich im Bereich ndash2 mm lt rcorr lt 3 mm je nach Position (θ φ) des Photometers Der Aumlquatorbereich benouml-tigt eine groumlszligere Korrektur infolge hier wirksamer groumlszligerer Zentrifugalkraumlfte als die Polregion Der Radius selbst laumlsst sich dann aus der Positionssub-matrix von P bestimmen

Der Signalfluss stimmt im Wesentlichen mit dem wie in Bild 5 gezeigt uumlberein Prinzipiell kann der Lichtstrom mit den Gleichungen (11) und (10) berechnet werden da aber nun 2 Photometer benutzt werden muss dies fuumlr jede Hemisphaumlre also fuumlr jeden Roboter separat geschehen Die Gleichungen (21) und (22) demonstrieren das

Bild 9 Koordinatensystem des Roboter-Gonio-photometers und Beispielbahn

P Ct t

T R F T T T T T T=

sdot sdot sdot sdot sdot sdot sdot sdotθ θ

θ θ1 7

1 71 2 3 4 5 6

dd

dd amb TT W7 sdot

(20)

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PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4 Kurze Geschichte der Goniophotometrie in der PTB

fuumlr Roboter 1 Der Radius r1i befindet sich dabei innerhalb der Summation von Gleichung (22) Das Roboter-Goniophotometer ist zusaumltzlich mit einem Monitorphotometer ausgeruumlstet Dieses Photometer wird waumlhrend der Messung nicht bewegt ist aber staumlndig von einem fixen Punkt aus auf die zu untersuchende Lampe gerichtet und erlaubt somit die Korrektur einer moumlglichen Alterung der Lampe waumlhrend des Messprozesses als Funktion der Zeit (cmon(t1i))

Es w R

fyt

fi jj

ni j

i j1

1 1 11

1

1

11 0

12

1

=

( )sdot minus

=sumπ

ϕf g

q∆∆

∆

(21)

Φ1 1 1 12

1 1 1 12= sdot sdot sdot sdot ( ) sdot minus( )+c c r c ti i i ii

str spec mon cos cosπ ϑ ϑ==

minus

sum sdot0

1

1

1m

iE

(22)

Roboter 2 wird in gleicher Weise behandelt und der Lichtstrom ergibt sich somit aus der Summe von Φ1 und Φ2 korrigiert mit dem elektrischen Korrekturfaktor celec aus Gleichung (15)

Φ Φ Φ= sdot +( )celec 1 2 (23)

Die Bestimmung der Streulichtkorrektur cstr unter-scheidet sich methodisch von jener des Kardan-Goniophotometers Es ist schwierig Blenden zwischen Photometer und Lampe zu positionieren wie in [5] beschrieben Hier wird die Streulicht-korrektur cstr direkt aus der Leuchtdichteverteilung auf den Waumlnden des Messraums bestimmt Mit der Kenntnis der geometrischen und photometrischen Eigenschaften des Raumes der raumlumlichen Licht-staumlrkeverteilung der Lampe und dem verwendeten Streulichttubus vor dem Photometer lieszlige sich die Streulichtkorrektur cstr berechnen Hier jedoch wird diese Korrektur mit sogenannten Back-Loo-king-Photometern bestimmt [11]

Bild 11 zeigt ein Foto der bdquoRoboterhandldquo mit mon-tiertem Photometer und Back-Looking-Photometer Letzteres ist ein wenig schraumlg ausgerichtet um nicht im Bereich des Schattenwurfs des Photome-ters auf den Waumlnden zu messen

Bild 12 zeigt beispielhaft eine typische in finite Flaumlchenelemente gerasterte Streulichtsituation im Goniophotometermessraum wie sie durch die zu untersuchende Lichtquelle generiert wird Dieses Beispiel arbeitet mit finiten Flaumlchen der Groumlszlige 05 m middot 05 m um die Flaumlchen sichtbar zu machen Zur realen Berechnung werden Flaumlchen der Groumlszlige 01 m middot 01 m verwendet Natuumlrlich ist der Streulichtanteil auf der aktiven Flaumlche des

Bild 10Wirkung der Radiuskorrektur

Bild 11 Photometer (links) und Back-Looking-Photometer (rechts)

Bild 12 Wirkung des Streulichts und seine Bestimmung

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PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4Das Jahr des Lichtes

Photometers eine Funktion des Gesichtsfeldes des jeweils verwendeten Streulichttubus vor dem Photometer Derzeit werden 2 Tuben je nach Groumlszlige der Lichtquelle mit Oumlffnungswinkeln von ca 15deg und ca 225deg verwendet Ihre typischen Korrekturwerte betragen etwa 09995 und 09990 Da jeder Messroboter mit diesem Back-Looking-Photometer ausgeruumlstet ist kann so der Streulicht-anteil fuumlr jedes Photometer bestimmt werden Da die Back-Looking-Photometer bdquoruumlckwaumlrtsldquo gerichtet sind wird also jeweils die Streulichtkorrektur fuumlr den gegenuumlberliegenden Messroboter bestimmt Damit ist es moumlglich den Wert des Lichtstroms mit zugehoumlriger Messunsicherheit zu bestimmen Tabelle 2 illustriert Ergebnisse einer vereinfachten Monte-Carlo-Simulation (MC) am Beispiel einer OSRAM-Wi4-Lichtstrom-Normallampe Ihre Lichtstaumlrkeverteilung ist in Bild 13 wiedergegeben

Die MC basiert auf den folgenden Gleichun-gen (24) Werte der wichtigsten Beitraumlge zur Mes-sunsicherheit koumlnnen der Tabelle 2 entnommen werden Eine detailliertere Beschreibung der Roboter und Analyse der Messunsicherheit kann [12] entnom-men werden

Bild 13 Raumlumliche Lichtstaumlrkeverteilung einer OSRAM-Wi4-Lichtstrom-Normallampe

Quantity Symbol Value Uncertainty Unit Sensitivity Contribution lm Relative contribution

Luminous responsivity 1 s1 3065E-10 9195E-13 A lxndash1 188E+12 173 000150

Luminous responsivity 2 s2 4111E-10 12333E-12 A lxndash1 143E+12 177 000153

Spectral matching exponent 1 m2 y 0021 0015 1 20 030 000026

Spectral matching exponent 2 m2 y 0036 0015 1 18 027 000023

CCT or distribution temperature T 2762 10 K 0012 012 000011

Uncertainty in r Δr 0000 00020 m 901 180 000156

Calibration factor for frequency F cFH 1000 00005 1 1141 057 000049

Calibration factor for frequency ƒ cFD 1000 00050 1 104 005 000005

Voltage to frequency converter 1 w1 f 500849 25 Hz Vndash1 0012 031 000027

Voltage to frequency converter 2 w2 f 500561 25 Hz Vndash1 00118 029 000026

Amplification gain 1 R1 g 1000E+09 99996 Ω 6223E-07 006 000005

Amplification gain 2 R2 g 9997E+08 99966 Ω 5430E-07 005 000005

Calibration factor for cmon ccm 1000 00005 1 1162 058 000050

Correction factor for stray light cstr 09995 00005 1 1134 057 000049

Luminous flux Φ 11541 327 00028

Tabelle 2 Unsicherheitsbudget

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PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4 Kurze Geschichte der Goniophotometrie in der PTB

Somit ergibt sich zurzeit eine erweiterte Mess-unsichert von 056 fuumlr k = 2 Dies entspricht etwa der Messunsicherheit welche mit dem groszligen Kardan-Goniophotometer erreichbar war Im Unterschied zum Kardan-Goniophotometer (fester Messradius) verfuumlgt das Roboter-Goniophotometer jedoch uumlber die noumltige hohe Flexibilitaumlt (z B durch Variation des Messradius) die noumltig ist um kuumlnftige Anforderungen erfuumlllen zu koumlnnen Eben diese hohe Flexibilitaumlt fuumlhrt bei der Bestimmung des Messradius zu relativ groszligen Messunsicherheiten Hier koumlnnte die Verwendung einer Lookup-Table oder eine On-Line-Verfolgung mittels Tracer-Syste-men der Bahnen diese Unsicherheit verkleinernMittlerweile ist das Roboter-Goniophotometer voll-staumlndig charakterisiert und wird fuumlr beleuchtungs-staumlrkebasierte Lichtstromkalibrierungen und auch fuumlr internationale Vergleiche eingesetzt Damit werden auch die Anforderungen (15ndash17) erfuumllltIm naumlchsten Schritt wird das Roboter-Goniopho-tometer mit Leuchtdichtemesskameras ausgeruumlstet

werden um es als bdquoNahfeld-Goniophotometerrdquo einzusetzen Es wird dann die direkte Messung der Leuchtdichteverteilung erlauben aus welcher nahezu alle noumltigen photometrischen Groumlszligen abgeleitet werden koumlnnen Dieser kuumlnftige Schritt wird dann auch den letzten Punkt (18) der Anfor-derungen erfuumlllen

3 Zusammenfassung

Die Geschichte der Goniophotometrie in der PTB uumlber einen Zeitraum von mehr als 50 Jahren wird praumlsentiert Verschiedene Goniophotometer ange-fangen vom manuell bewegten Einarm-Goniopho-tometer mit visuellem Photometer uumlber das groszlige und kleine Kardan-Goniophotometer bis hin zum bdquoState-of-the-art-Roboter-Goniophotometerldquo fuumlr das 21 Jahrhundert werden beschrieben Das Letztere hat das Potenzial in der traditionellen Betriebsart aber auch im Nahfeldmodus uumlber viele Jahre eingesetzt zu werden Neu aufkommende

Quantity Symbol Value Uncertainty Unit Sensitivity Contribution lm Relative contribution

Luminous responsivity 1 s1 3065E-10 9195E-13 A lxndash1 188E+12 173 000150

Luminous responsivity 2 s2 4111E-10 12333E-12 A lxndash1 143E+12 177 000153

Spectral matching exponent 1 m2 y 0021 0015 1 20 030 000026

Spectral matching exponent 2 m2 y 0036 0015 1 18 027 000023

CCT or distribution temperature T 2762 10 K 0012 012 000011

Uncertainty in r Δr 0000 00020 m 901 180 000156

Calibration factor for frequency F cFH 1000 00005 1 1141 057 000049

Calibration factor for frequency ƒ cFD 1000 00050 1 104 005 000005

Voltage to frequency converter 1 w1 f 500849 25 Hz Vndash1 0012 031 000027

Voltage to frequency converter 2 w2 f 500561 25 Hz Vndash1 00118 029 000026

Amplification gain 1 R1 g 1000E+09 99996 Ω 6223E-07 006 000005

Amplification gain 2 R2 g 9997E+08 99966 Ω 5430E-07 005 000005

Calibration factor for cmon ccm 1000 00005 1 1162 058 000050

Correction factor for stray light cstr 09995 00005 1 1134 057 000049

Luminous flux Φ 11541 327 00028

Φ = sdot

sdot

+ sdot sdotminus

c JJ

TT

r r c c tm

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y

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( ) ∆ (( )sdot minus( ) sdotsdot sdot minus

+=

minus=sumsum

cos cosFH FD

ϑ ϑ

ϕ

1 1 10

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i jc F c∆ sdotsdot( )sdot sdot

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(24)

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PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4Das Jahr des Lichtes

Anforderungen fuumlr die Ruumlckfuumlhrung photome-trischer Einheiten wie beispielsweise im Solid-State-Lighting-Bereich koumlnnen so erfuumlllt werden

Literatur

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PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4Das Jahr des Lichtes

1 Eine einleitende Beschreibung von Gluumlhlampen LEDs und OLEDs

Der Einsatz Licht Emittierender Dioden (LED) in der Allgemeinbeleuchtung hat in den vergangenen Jahren erheblich zugenommen Ein entscheiden-der Vorteil der LED gegenuumlber der traditionellen Gluumlhlampe liegt in ihrer uumlberlegenen Lichtaus-beute ηv ndash dem Verhaumlltnis des emittierten Licht-stroms Φv und der aufgenommenen elektrischen Leistung Pel angegeben in LumenWatt

Dieser Vorteil beruht auf den Unterschieden der zugrunde liegenden Technologien der Lichterzeu-gung beider Lampentypen Bei einer (Halogen-)Gluumlhlampe wird der Gluumlhfaden durch elektrischen Strom auf Temperaturen um 3000 K aufgeheizt Obwohl hierbei fast die gesamte elektrische Leis-tung in Strahlung umgewandelt wird ndash Verluste durch thermische Konvektion oder Waumlrmeleitung sind gering ndash kann das menschliche Auge lediglich einen geringen spektralen Anteil der ungefaumlhr 5 der Gesamtstrahlungsleistung ausmacht wahr-nehmen Der Groszligteil der Strahlungsleistung liegt im infraroten Spektralbereich und kann nicht fuumlr Beleuchtungszwecke genutzt werden In Bild 1 ist die spektrale Verteilung einer Gluumlhlampe bei einer Temperatur von 2856 K im Spektralbereich

von 300 nm bis 1200 nm dargestellt Das sichtbare Licht im Spektralbereich zwischen 360 nm und 830 nm ist mit den entsprechenden Spektralfarben hinterlegt Oberhalb 830 nm beginnt der fuumlr das menschliche Auge unsichtbare infrarote Anteil der Strahlung

Der fuumlr photometrische Messungen normativ festgelegte spektrale Hellempfindlichkeitsgrad V(λ) also die Hellempfindlichkeit des Auges eines bdquoNormalbeobachtersldquo ist mit seinem Maximum bei 555 nm schwarz eingezeichnet

Da die Gluumlhlampe eine thermische Strahlungs-quelle ist verschiebt sich mit zunehmender Tem-peratur die Lage des Strahlungsmaximums ent-sprechend des Wienschen Verschiebungsgesetzes zu kuumlrzeren Wellenlaumlngen Um die Lichtausbeute von Gluumlhlampen zu erhoumlhen muumlsste man das Strah-lungsmaximum durch Temperaturerhoumlhung in den kurzwelligeren Bereich des sichtbaren Lichts verschieben Die Maximaltemperatur ist jedoch bei Gluumlhfaumlden aus Wolfram auf etwa 3000 K begrenzt ndash bei houmlheren Temperaturen nimmt die Lebensdauer drastisch ab

Das Funktionsprinzip einer LED-Lichtquelle basiert auf dem Phaumlnomen der Elektrolumines-zenz Der prinzipielle Aufbau einer LED aumlhnelt einer pn-Halbleiterdiode Durch Anlegen einer Gleichspannung rekombinieren Ladungstraumlger in der p-n-Grenzschicht der Leuchtdiode unter Emission von Strahlung Durch gezielte Auswahl der verwendeten Halbleitermaterialien und ihrer Dotierung wird deren Bandluumlcke und somit die Farbe des emittierten Lichtes bestimmt Im Jahr 1992 gelang der Durchbruch in der Entwicklung hocheffizienter blauer LEDs die den Einsatz von LEDs zur Allgemeinbeleuchtung erst ermoumlgli-chen Die zugrunde liegenden Forschungsarbei-ten wurden 2014 mit dem Nobelpreis fuumlr Physik gewuumlrdigt [1]

Eine schmalbandige Lichtemission ist charak-teristisch fuumlr LEDs Dementsprechend verfuumlgt ihr Licht uumlber eine hohe Farbsaumlttigung Durch die Bedeckung des LED-Chips mit breitbandig pho-tolumineszierenden Farbstoffen wird ein Teil der Strahlung in energieaumlrmeres langwelligeres Licht konvertiert und es entstehen Mischfarben wie

Metrologie fuumlr moderne Lichtquellen LEDs und OLEDs Thorsten Gerloff

Thorsten Gerloff Arbeitsgruppe bdquoPhotometrieldquo EshyMail thorstengerloffptbde

Bild 1 Spektrale Verteilung einer Gluumlhlampe und spektraler Hellempfindlichkeitsgrad (V(λ)-Funktion)

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PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4 Metrologie fuumlr moderne Lichtquellen

i Infokasten LED

Lichtausbeute einer Strahlungsquelle ηv

Die Lichtausbeute einer Strahlungsquelle gibt das Verhaumlltnis aus ausgestrahltem Lichtstrom und aufgenommener elektrischer Leistung an Die Einheit ist LumenWatt (lmW) Je houmlher die Lichtausbeute ist umso energieeffizienter ist die Beleuchtung Gluumlhlampen besitzen Lichtausbeuten zwischen 10 und 20 lmW

Lichtstrom Φv

Der Lichtstrom beruumlcksichtigt den Hellempfind-lichkeitsgrad V(λ) des Auges und gibt die in alle Raumrichtungen abgegebene bdquoLichtleistungldquo einer Lampe an Der Lichtstrom enthaumllt keine Information daruumlber wie die Lampe das Licht im Raum verteilt Der Lichtstrom gibt an wie hell ein beleuchteter Raum dem Menschen erscheint

Spektraler Hellempfindlichkeitsgrad V(λ)

Der exakt definierte spektrale Hellempfindlich-keitsgrad V(λ) ist eine Bewertungsfunktion fuumlr elektromagnetische Strahlung Hiermit wird der bdquoHelligkeitseindruck eines menschlichen Durch-schnittsaugesldquo berechnet Dies ermoumlglicht den objektiven Vergleich von Lichtquellen mit physika-lischen Messmethoden Subjektive Wahrnehmun-gen einzelner Menschen koumlnnen damit nicht exakt wiedergegeben werden

Aumlhnlichste Farbtemperatur TN

Es gibt unterschiedliche Farbtemperaturen in der Photometrie Verhaumlltnis- und Verteilungstem-peratur sind nur bei thermischen Strahlern wie der Gluumlhlampe anwendbar Nur die aumlhnlichste Farbtemperatur (englisch Correlated Colour Temperature CCT) laumlsst sich fuumlr Lichtquellen mit beliebiger spektraler Zusammensetzung berech-nen sofern die Normfarbwertanteile aumlhnlich einem thermischen Strahler sind Die aumlhnlichste Farbtemperatur wird in der Einheit Kelvin (K) angegeben Sie gibt an ob das Licht warmweiszlig (ca 3000 K) neutralweiszlig (ca 4500 K) oder tages-lichtweiszlig (gt5500 K) erscheint

Normfarbwertanteile (x y)

Fuumlr die Angabe von Farbe gibt es neben dem spek-tralen Hellempfindlichkeitsgrad V(λ)noch weitere definierte Bewertungsfunktionen Hiermit laumlsst sich die Farbwahrnehmung eines fiktive Normalbeob-achters aus der gemessenen spektralen Verteilung des Lichts durch Angabe von nur zwei Werten (x und y) angeben Diese Werte geben die Koordi-naten auf der Normfarbtafel (s Abbildung) an

Normfarbtafel

Farbwiedergabeindex Ra

Der Farbwiedergabeindex ist eine Kennzahl fuumlr Lichtquellen der bewertet die Qualitaumlt der Farb-wiedergabe Je houmlher der Wert desto besser ist die Farbwiedergabe Der Maximalwert liegt bei 100 Werte zwischen 90 und 100 geben eine ausgezeich-nete Farbwiedergabe an Werte unter 80 sind fuumlr viele Anwendungen nicht ausreichend

Im Folgenden soll ein kleiner Leitfaden gegeben werden der in allgemeinverstaumlndlicher Form die grundlegenden Ideen wichtiger lichttechnischer Groumlszligen erlaumlutern soll Komplexe Details der zugrunde liegenden Normen und Definitionen werden hierbei nicht beruumlcksichtigt

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PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4Das Jahr des Lichtes

Pastellfarbtoumlne oder auch weiszliges LichtIn Bild 2 sind die spektralen Verteilungen einer

LED mit und ohne Leuchtstoff abgebildet In der linken Abbildung erkennt man die schmalbandige blaue Emission des LED-Chips In der rechten Abbildung wird ein Teil dieser Strahlung durch einen Leuchtstoff in laumlngerwelliges Licht konver-tiert und die Mischfarbe erscheint weiszlig

Der Vorteil einer LED gegenuumlber einer Gluumlh-lampe bezuumlglich der Lichtausbeute ist offensicht-lich Es wird ndash von unvermeidbarer thermischer Verlustleistung abgesehen ndash nur Strahlung im sichtbaren Wellenlaumlngenbereich emittiert Daruumlber hinaus ist die Farbe des Lichts von LEDs durch Kombination verschiedener Leuchtstoffe und LEDs nahezu beliebig einstellbar und man ist nicht auf aumlhnlichste Farbtemperaturen von ca 3000 K wie bei der Gluumlhlampe begrenzt

Allerdings gibt es auch Nachteile gegenuumlber dem Licht einer Gluumlhlampe Dem typischen Spektrum einer LED-Lichtquelle fehlen im Gegensatz zu Sonnenlicht oder Gluumlhlampenlicht einzelne Spekt-ralfarben Dies macht sich negativ bei der Qualitaumlt der Farbwiedergabe bemerkbar

Die Farbe des emittierten Lichts einer LED laumlsst sich durch additive Farbmischung sehr aumlhnlich zu Sonnenlicht oder auch Gluumlhlampenlicht einstellen Wenn jedoch Objekte mit Licht beleuchtet werden kommt es auch auf die spektrale Zusammensetzung des Lichts an Nehmen wir einen Blumenstrauszlig aus roten Rosen der im Tageslicht steht Im Son-nenlicht sind alle Spektralfarben vorhanden und diese beleuchten die Rosen Die roten Bluumltenblaumltter absorbieren einige spektrale Anteile des Lichts und reflektieren im Wesentlichen rotes Licht welches in das Auge des Betrachters faumlllt Wenn die Rosen von einer anderen Lichtquelle beleuchtet werden in der die roten Spektralanteile zumindest teilweise fehlen koumlnnen diese nicht reflektiert werden und die Farben der Rosen erscheinen unnatuumlrlich

Dies ist von weitreichender Bedeutung fuumlr die Wahl einer geeigneten Lichtquelle da wir einen Kompromiss aus Licht mit guter Farbwieder-gabe und hoher Lichtausbeute schlieszligen muumlssen Licht mit hoher Farbwiedergabe setzt sich aus moumlglichst vielen Spektralfarben zusammen und Lichtquellen mit hoher Lichtausbeute sollten nur Spektralfarben beinhalten fuumlr die das menschliche Auge besonders empfindlich ist In den Auszligenbe-zirken vieler Staumldte werden zur Nachtbeleuchtung der Gehwege haumlufig Natriumdampflampen mit orangefarbenem Licht eingesetzt Die Lichtaus-beute dieser Lampen ist mit etwa 150 lmW auszligerordentlich hoch da das menschliche Auge in diesem Spektralbereich sehr empfindlich ist Diese Beleuchtung ist jedoch ungeeignet um Farben natuumlrlich wiederzugeben Aufgrund des Aufbaus des menschlichen Auges ist es also nicht moumlglich eine Beleuchtung mit sehr hoher Qualitaumlt der Farbwiedergabe bei gleichzeitig sehr hoher Lichtausbeute zu realisieren

Weiszlige LEDs zur Allgemeinbeleuchtung nutzen in der Regel Leuchtstoffe die teilweise qualita-tiv hochwertige Farbwiedergabeeigenschaften besitzen Eine weitere Methode zur Erzeugung von weiszligem Licht ist das Mischen von rotem gruumlnem und blauem Licht (RGB-Verfahren) welches die Grundlage jedes Displays ist Hierbei sind neben weiszligem Licht auch andere Lichtfarben moumlglich ndash die Farbwiedergabeeigenschaften sind allerdings schlecht Fuumlr die Endverbraucher sind in der Regel die Farbwiedergabeeigenschaften von Lichtquellen als Ra-Werte auf der Verpackung angegeben

Organische Licht Emittierende Dioden (OLED) sind eine junge Beleuchtungstechnologie die noch keinen Zugang zum Massenmarkt erhalten hat Die weltweit erste kommerzielle OLED-Leuchte wurde 2008 vertrieben Der fuumlr den Nutzer wesentliche Unterschied zwischen OLEDs und LEDs besteht im Aufbau Der leuchtende Kristall

Bild 2 Spektrale Verteilung einer blauen LED (links) und einer weiszligen LED (rechts) bei der ein Teil des blauen Lichts zu gelbem Licht konvertiert wurde

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PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4 Metrologie fuumlr moderne Lichtquellen

anorganischer LEDs besitzt eine maximale Kan-tenlaumlnge von etwa einem Millimeter Bei OLEDs wird das Licht in groszligflaumlchigen amorphen organi-schen Schichten erzeugt Momentan sind OLEDs mit leuchtenden Flaumlchen von bis zu 20 x 20 cmsup2 erhaumlltlich Das Licht wird aumlhnlich wie bei LEDs durch Ladungstraumlgerrekombination unter Auftre-ten von Elektrolumineszenz erzeugt Dabei ist das Emissionsspektrum der verwendeten organischen Emittermaterialien wesentlich breitbandiger als das einer LED (vgl Bild 3) Daher wird das weiszlige Licht von OLEDs in der Regel durch Verwendung von roten gruumlnen und blauen Emittermaterialien erzeugt ohne dass die Farbwiedergabeeigenschaf-ten sehr stark darunter leiden

2 Entwicklung von (O)LED-Transfer-normalen in der PTB

Eine der Kernaufgaben der PTB ist die Weiter-gabe der gesetzlichen Einheiten Bis zum heuti-gen Tage bieten Transfernormale in Form von speziellen Gluumlhlampen die besten Eigenschaften um als Maszligverkoumlrperung der Einheiten Candela oder Lumen zu dienen Da der Anwender in der Regel jedoch die Substitutionsmethode bei seinen Messungen anwendet um notwendige Korrektu-ren auf ein Minimum zu reduzieren (Gleiches mit Gleichem vergleichen) sind auch Transfernormale auf Basis der LED-Technologie von Interesse

Bereits in den 80er-Jahren des vergangenen Jahr-hunderts wurden LEDs in der PTB kalibriert Diese waren fuumlr Beleuchtungszwecke noch ungeeignet und dienten lediglich als Signallampen Zeitgleich wurden die ersten PTB-LED-Transfernormale entwickelt deren optische Eigenschaften durch thermische Regelung des LED-Chips stabilisiert wurden Die mechanische Ausrichtung der LEDs leistet aufgrund des typischerweise stark gerichteten Abstrahlprofils der LEDs einen groszligen Beitrag auf die Messunsicherheit Daher werden die LEDs seit

2002 in ein rotationssymmetrisches robustes VA-Stahl-Gehaumluse eingebaut welches sich sehr repro-duzierbar ausrichten laumlsst (vgl Bild 4)

Diese Transfernormale werden unter Konstant-Strom-Bedingungen und ndash durch gezieltes Aufhei-zen des LED-Chips durch den Heizwiderstand ndash unter Konstant-Spannung-Bedingungen betrieben Aufgrund der halbleitenden Eigenschaften sinkt mit steigender Temperatur die Betriebsspannung und sowohl der Lichtstrom als auch die Peakwellenlaumlnge des emittierten Lichts veraumlndert sich Die Sollspan-nung wird auf einen Wert festgelegt der unterhalb der Gleichgewichtsspannung durch Eigenerwaumlr-mung im Betrieb ohne Heizwiderstand bei einer Umgebungstemperatur von etwa 35 degC liegt Somit ist auch ein Einsatz der Transfernormale in Laboren ohne Klimatisierung moumlglich

Fuumlr LEDs mit houmlheren Leistungen wurde im Jahr 2011 ein weiterer Prototyp eines Transfernormals vorgestellt (vgl Bild 5) Da die hier verwendeten LEDs eine houmlhere Leistungsaufnahme besitzen werden sie waumlrmer Das reduziert die Lebensdauer und Reproduzierbarkeit der photometrischen

Bild 3 Exemplarische spektrale Verteilung einer weiszligen OLED

Bild 4 Temperaturgeregeltes LED-Transfernormal auf Basis von Kleinleistungs-LEDs mit Lichtstroumlmen von bis zu 10 Lumen

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PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4Das Jahr des Lichtes

Groumlszligen deutlich Daher muumlssen sie gekuumlhlt werden Hierfuumlr kommt bei diesen Normalen ein Peltier-Element zum Einsatz welches geregelt Waumlrme in einen dahinterliegenden Kuumlhlkoumlrper leitet und hierdurch das emittierte Licht stabilisiert Diese Transfernormale zeichnen sich durch ein geringes

Gewicht bei einer Laumlnge von ca 100 mm und einem Durchmesser von etwa 20 mm aus Allerdings ist die Verwendung von LEDs mit sehr hohen Leistun-gen nicht moumlglich da die Abwaumlrme lediglich passiv an den Raum abgegeben wird Eine detaillierte Beschreibung der Eigenschaften dieses Transfer-normals wurde 2012 veroumlffentlicht [2]

Fuumlr die thermische Stabilisierung von LEDs mit sehr hohen Leistungen wurde ein weiteres Trans-fernormal unter Einsatz von Peltier-Elementen Heatpipes und aktivem Kuumlhlsystem in der PTB entwickelt (vgl Bild 6)

Im Rahmen des europaumlischen Forschungspro-jekts OLED100eu wurde in der PTB weiterhin das weltweit erste Transfernormal unter Einsatz einer organischen Leuchtdiode entwickelt (vgl Bild 7) Dieses Normal wurde fuumlr den Einsatz in einer Ulbricht-Kugel konzipiert und in ein mattes Aluminiumgehaumluse eingebaut Eine Besonderheit dieses Normals ist die Stand-Alone-Versorgungs-einheit die ohne Rechner o auml saumlmtliche relevan-ten elektrischen und thermischen Groumlszligen regelt und auf einem USB-Stick speichert

3 LED-Messtechnik in der PTB

Neben LED-Transfernormalen mit guter Reprodu-zierbarkeit ist eine hochentwickelte Messtechnik fuumlr deren Kalibrierung mit minimaler Messunsi-cherheit erforderlich

Die photometrische Beschreibung von LEDs erfolgt durch Angabe ihrer Lichtstaumlrke ILED mit der Einheit Candela und ihrem Lichtstrom ΦLED mit der Einheit Lumen Diese Groumlszligen werden in der PTB unter Verwendung ruumlckgefuumlhrter Photometer bestimmt Hierfuumlr wird die Beleuchtungsstaumlrke ELED unter definierten geometrischen Bedingungen fuumlr alle Abstrahlrichtungen der LED mit einem Goniophotometer gemessen

Fuumlr die Bestimmung der colorimetrischen Werte kommen Spektralradiometer zum Einsatz Hiermit werden spektrale Bestrahlungsstaumlrken gemessen und daraus die abgeleiteten colorime-

Bild 5 Temperaturgeregeltes LED-Transfernormal auf Basis von Hochleistungs-LEDs mit Lichtstroumlmen von bis zu 100 Lumen Im rechten Bild ist die Temperaturverteilung in Grad Celsius waumlhrend des Betriebs abgebildet

Bild 6 Temperaturgeregeltes LED-Transfernormal auf Basis von Houmlchstleistungs-LEDs mit Lichtstroumlmen von bis zu 2500 Lumen

Bild 7 Temperaturgeregeltes OLED-Transfernormal auf Basis kommerziell erhaumlltlicher OLEDs

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PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4 Metrologie fuumlr moderne Lichtquellen

trischen Kenngroumlszligen wie z B die Normfarb-wertanteile (x y) bei weiszligen LEDs die aumlhnlichste Farbtemperatur TN mit der Einheit Kelvin und bei farbigen LEDs die dominante Wellenlaumlnge λdom berechnet Grundlegende Informationen und Definitionen uumlber die photometrischen und colorimetrischen Groumlszligen und deren Messung sind in [3] [4] und [5] zu finden

In Bild 8 ist der Aufbau des LED-Messplatzes an der PTB zu sehen Fuumlr die Bestimmung der Mess-groumlszligen in alle raumlumlichen Abstrahlwinkel wird die LED durch ein Goniophotometer bewegt

Die LED wird in horizontaler Betriebslage zentrisch normal zur Referenzebene des Photo-meterkopfes ausgerichtet Ein Translationstisch ermoumlglicht dabei eine Variation des Abstandes d zwischen Photometer und LED Eine horizontale Rotationsachse (φ-Achse) und eine senkrechte Rotationsachse (ϑ-Achse) die sich an der LED-Spitze im rechten Winkel schneiden erlauben durch Drehung der LED eine Bestimmung der Beleuchtungsstaumlrke ELED in alle Raumrichtungen Beide Rotationsachsen werden waumlhrend der Messung zeitgleich bewegt Hierdurch bewegt sich die relative Position der lichtempfindlichen Emp-faumlngeroumlffnung bezuumlglich des Schnittpunkts beider Drehachsen auf der Oberflaumlche einer virtuellen Kugel entlang einer Spiralbahn von bdquoPol zu Polldquo dieser Kugel

Die Bestimmung des Lichtstroms ΦLED erfolgt analog der Beschreibung in dem Kapitel Kurze Geschichte der Goniophotometrie in der PTB Der wesentliche Unterschied zu goniophotome-trischen Messungen an Gluumlhlampen besteht darin dass bei LED-Messungen die Lichtquelle typischerweise bewegt werden kann ohne dass sich ihre optischen Eigenschaften aumlndernAufgrund des stetig wachsenden Bedarfs an ruumlck-gefuumlhrten Kalibrierungen von High-Power-LEDs sind Masse und Abmessungen der Transfernor-male erheblich gestiegen Daher wurde der Mess-platz 2015 um ein weiteres Goniophotometer fuumlr schwere und groszlige Objekte erweitert (vgl Bild 9)

Neben den photometrischen Empfaumlngern befinden sich auch Einkoppeloptiken fuumlr Spekt-ralradiometer auf dem drehbaren Empfaumlngerka-russell Alle Empfaumlnger lassen sich hiermit auto-matisiert waumlhrend einer Messung zu den LEDs ausrichten Vor jeder LED-Kalibrierung werden die Spektralradiometer bezuumlglich Ihrer spektralen Empfindlichkeit und Wellenlaumlnge kalibriert Die entsprechenden Normallampen befinden sich neben dem Empfaumlngerkarussell (vgl Bild 10) und ermoumlglichen so ebenfalls eine automatisierte Messung

Den spektralen Messungen an LEDs kommt neben der Notwendigkeit fuumlr die Bestimmung colorimetrischer Kennzahlen noch eine beson-dere Bedeutung fuumlr die photometrischen Messun-

Bild 9 Goniophotometer fuumlr photometrische Messungen an Hochleistungs-LEDs

Bild 10 Entladungslampen mit verschiedenen Gasfuumlllungen dienen der Wellenlaumlngenka-librierung der Spektrometer Im Hintergrund ist eine Bestrahlungsstaumlrke-Normal-lampe fuumlr die spektrale Empfindlichkeitskalibrierung zu sehen

Bild 8 Goniophotometer fuumlr photometrische Messungen an Kleinleistungs-LEDs

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PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4Das Jahr des Lichtes

gen zu Wie in der Einleitung erklaumlrt unterscheiden sich die spektralen Verteilungen von LEDs und Gluumlhlampen deutlich voneinander Photometerkoumlpfe bestehen in der Regel aus einer Silizium-Photodiode deren spektrale Empfindlichkeit durch den Einsatz von Glasfiltern moumlglichst gut an den Hellemp-findlichkeitsgrad V(λ) angepasst wird Aufgrund internationaler Standardisierung wird die photo-metrische Empfindlichkeit von Photometerkoumlpfen fast ausschlieszliglich fuumlr Normlichtart A kalibriert In der Praxis werden hierfuumlr Gluumlhlampen mit einer Verteilungstemperatur von 2856 K verwendet Wenn man ein solches Photometer fuumlr Messungen an anderen Gluumlhlampen verwendet sind die spektralen Verteilungen meist so aumlhnlich dass nur geringe oder gar vernachlaumlssigbare Korrekturen aufgrund der spektralen Fehlanpassung also der Abweichung der realen spektralen Empfindlichkeit des Photometers von dem Hellempfindlichkeitsgrad notwendig sind Wenn man ein solches Photometer jedoch bei LEDs insbesondere farbigen LEDs einsetzt koumlnnen die Abweichungen aufgrund der spektralen Fehlan-passung sehr groszlig werden (gt10 fuumlr hochwertige Photometerkoumlpfe sind moumlglich)

Mit Kenntnis der relativen spektralen Verteilung der Leuchtdiode SLED(λ) und der relativen spekt-ralen Empfindlichkeit srel(λ) laumlsst sich die spektrale Fehlanpassung durch folgenden Korrekturfaktor cSpek korrigieren

cV S

s S

V P T

sSpek

LED

rel LED

A

rel

d

d

d=

( ) ( )( ) ( )

( ) ( )( )

intint

intλ λ λ

λ λ λ

λ λ λ

λ

intint ( )P Tλ λ A d

P(λ TA) beschreibt Lichtart A durch das Planck-sche Strahlungsgesetz fuumlr TA = 2856 K

Eine detaillierte Auflistung und Diskussion aller zu beruumlcksichtigenden Details bei Kalibrierungen von LEDs und das dazugehoumlrige Messunsicher-heitsbudget soll an dieser Stelle nicht gegeben werden Interessierte Leser koumlnnen hierfuumlr Infor-mationen in einer fruumlheren Veroumlffentlichung [6] oder in den Ergebnissen eines internationalen Vergleichs von LED-Messungen [7] finden

Fazit und Ausblick

Der Verzicht auf LEDs ist fuumlr Beleuchtungsan-wendungen nicht mehr vorstellbar Durch ihre kontinuierliche Weiterentwicklung erobern LEDs immer weitere Anwendungsfelder (z B Haus-halts- Straszligen- und Automobilbeleuchtung) mit denen der Endkunde in Kontakt kommt Bei diesen Anwendungen sind die Anforderungen an die Lichtquellen vielfaumlltig und fuumlr eine quantitative Beschreibung ihrer Eigenschaften muss auch die Messtechnik entsprechend umfassend und ausge-reift sein

Neben dem allgemeinen Forschungs- und Ent-wicklungsbedarf fuumlr bessere LED-Messverfahren und -geraumlte die die Grundlage ihrer technologi-schen Weiterentwicklung bilden gibt es eine weitere Herausforderung Aufgrund der nahezu unbe-grenzten Moumlglichkeiten eine bestimmte Lichtfarbe durch additive Farbmischung zu erhalten sind LEDs verschiedener Hersteller mit unterschiedlichen Emissionsspektren aber einer nominell gleichen aumlhnlichsten Farbtemperatur erhaumlltlich Dennoch ist teilweise ein Unterschied der Lichtfarbe mit bloszligem Auge erkennbar wenn sich unterschiedliche LEDs nebeneinander befinden

Es ist ungewoumlhnlich dass man ohne technische Hilfsmittel nominell gleiche Lichtfarben faktisch unterscheiden kann Um die Charakterisierung von LEDs soweit zu verbessern dass dies nicht mehr moumlglich ist ist einerseits eine Reduzierung der Messunsicherheit bei der Bestimmung der Normfarbwertanteile (Lichtfarbe) notwendig Andererseits muss man sich bewusst machen dass photometrische und colorimetrische Messverfahren auf rein physikalischen Zusammenhaumlngen basieren Individuelle menschliche Wahrnehmung und Sehen werden bei photometrischen Messungen nicht beruumlcksichtigt ndash diese werden durch Festlegung von exakt definierten Wichtungsfunktionen wie dem Hellempfindlichkeitsgrad fuumlr einen fiktiven Normalbeobachter ausgegrenzt Diese Wichtungs-funktionen koumlnnen gegebenenfalls auch noch optimiert werden um die objektive Beurteilung von Lichtquellen mit physikalischen Messmethoden zu verbessern Somit gibt es auch in Zukunft noch interdisziplinaumlre Herausforderungen fuumlr die Metro-logie moderner Lichtquellen

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Effektpigmente hellipPTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4

Einleitung

Farbe ist fuumlr Menschen die wohl auffaumllligste sub-jektive Stoffeigenschaft Bereits den Fruumlhmenschen war diese visuelle Qualitaumlt bekannt deren Wahr-nehmung allen Primaten eigen ist So wurde 2008 in Suumldafrika eine ca 100000 Jahre alte steinzeitli-che bdquoMalerwerkstattldquo entdeckt [1] Auch heutzu-tage spielt Farbe in der Gestaltung unserer Umwelt eine wichtige Rolle Jedes Jahr praumlsentiert uns die Mode die neuen Farben der Saison Farben dienen zur Regelung des Verkehrs Ohne bunte Farben waumlre unsere Welt trist und oumlde

Es ist wichtig festzustellen dass Farbe ein physiologischer Sinneseindruck ist wie z B auch Tasten oder Riechen D h Farbe ist keine immanente physikalische Eigenschaft eines Gegenstandes wie z B seine Masse oder Waumlrme-leitfaumlhigkeit Die physiologische Wahrnehmungs-kette ist hierbei folgende Das vom betrachteten Gegenstand reflektierte Licht trifft auf das Auge und loumlst hierbei einen Farbreiz aus Dieser Farbreiz beruht auf der spektralen Zusammensetzung des empfangenen Lichts d h er ist abhaumlngig von der verwendeten Lichtquelle und dem spektralen Reflexionsvermoumlgen des betrachteten Objektes Die Anregung der licht- und farbempfindlichen Zellen in der Netzhaut fuumlhrt zu einer Farbvalenz die uumlber den Sehnerv an das Gehirn weitergeleitet wird Die eigentliche Farbempfindung die wir dann mit einem Gegenstand verknuumlpfen entsteht erst im Gehirn [2] Liegt z B eine Farbfehlsich-tigkeit vor so kann der Farbeindruck des betrof-fenen Menschen auch ein ganz anderer sein Auch viele Tiere mit ihren teilweise erheblich abweichenden visuellen Systemen nehmen Farbe ganz unterschiedlich als wir Menschen wahr Im Folgenden soll mit Farbe immer die Koumlrperfarbe auch Gegenstandsfarbe Objektfarbe bzw Oberflauml-chenfarbe genannt einer nicht selbstleuchtenden Flaumlche bezeichnet werden die durch Reflexion von Licht an einem Koumlrper entsteht

Die genannten Zusammenhaumlnge machen die mathematisch-physikalische Beschreibung von Farbe schwierig und aufwendig da auch die spe-zifischen Eigenarten der menschlichen Wahrneh-

mungskette nachgestellt werden muumlssen Diesem Umstand wird versucht uumlber die verschiedenen Farbmaszligsysteme Rechnung zu tragen welche die Farbe eines Objektes mithilfe von quantifizierba-ren Zahlenwerten kennzeichnen [3]

Generell koumlnnen farbige Flaumlchen je nach Tageszeit und Lichteinfall sehr unterschiedlich wirken Die Aumlnderungen basieren hierbei auf der unterschiedlichen spektralen Zusammenset-zung des Tageslichts und den winkelabhaumlngigen Glanz- und Struktureigenschaften von Oberflauml-chen Ganz besonders deutlich ist dies bei auf dem Interferenzeffekt basierenden Effektpigmenten der Fall Deren visuelles Erscheinungsbild im englischen mit Visual Appearance bezeichnet kann sich bei variierendem Beobachtungswinkel und unterschiedlichen Lichtverhaumlltnissen komplett veraumlndern Man spricht hierbei von sogenannten Flop-Lacken wobei man zwischen Hell-Dunkel-Flop und Farb-Flop unterscheiden kann [4]

Generell kann man sagen dass Farbe und visuelle Effekte einen entscheidenden Anteil am Verkaufserfolg eines Produktes haben denn Farben wecken Emotionen und verschiedene Neuro marketingstudien belegen dass ca 95 aller Kaufentscheidungen emotional gepraumlgt sind [5] Deshalb spielt eine moderne Farbgestaltung unter Nutzung aktueller Effektpigmente im Pro-duktdesign eine entscheidende Rolle denn durch den Einsatz solcher Pigmente kann Gegenstaumlnden eine houmlhere Attraktivitaumlt verliehen werden Daher findet man moderne Effektpigmente heutzutage in vielen teilweise sehr unterschiedlichen Indus-trieprodukten wie z B in Autolackierungen Haumluserfassaden Kosmetikartikeln oder sogar bei Pralineacutes wie dies in Bild 1 zu sehen ist

Pigmente

Als Pigmente aus dem Lateinischen kommend von pigmentum fuumlr bdquoFaumlrbestoff Schminkeldquo bezeichnet man aus Teilchen bestehende im Anwendungs-medium praktisch unloumlsliche Sub stanzen die als Farbmittel oder wegen anderer spezieller physika-lischer und chemischer Eigenschaften als funktio-nale Farbzentren verwendet werden [6]

Effektpigmente Eine Herausforderung fuumlr die optische Messtechnik

Egbert Buhr Alfred Schirmacher Andreas Houmlpe

Dr Egbert Buhr Fachbereich bdquoBildshy und Wellenoptikldquo EshyMail egbertbuhrptbde

Dr Alfred Schirmacher Arbeitsshygruppe bdquoReflexion und Transmissionldquo EshyMail alfredschirmacherptbde

Dr Andreas Houmlpe dagger ehemals Arbeitsgrupshype bdquoReflexion und Transmissionldquo

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PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4Das Jahr des Lichtes

In der Natur vorkommende anorganische Pig-mente sind schon seit praumlhistorischen Zeiten bekannt Schon die Menschen der Steinzeit benutzen mineralische Pigmente fuumlr die ersten Houmlhlenzeichnungen Sie erkannten dass sie mit unterschiedlichen Erdsorten farbig malen konnten Eisenoxidhaltige Erden liefern gelbrote bis braunrote Kalk und Gips weiszlige Mangan-oxide sowie Holz- und Knochenkohle schwarze Farbtoumlne

Aus heutiger industrieller Sicht ist ein Pigment ein fein aufgeteilter und unloumlslicher Feststoff mit der Hauptfunktion das Erscheinungsbild des verwendeten Mediums zu verbessern oder es zu faumlrben Pigmente werden dem Medium immer durch physikalisches Mischen beigegeben dies unterscheidet sie von Farbstoffen die in ihrem Medium loumlslich sind

Pigmente koumlnnen nach den optischen Prin-zipien ihrer Wechselwirkung mit Licht unter-schieden und in verschiedene Klassen eingeteilt werden Wichtige Pigmentklassen sind Weiszlig- Bunt- Schwarz- und Effektpigmente die alle wegen ihrer speziellen farbgebenden Eigenschaf-ten eingesetzt werden Bei den Effektpigmenten

kann in einer ersten vereinfachten Einteilung noch zwischen Metalleffekt- und den sogenannten speziellen Effektpigmenten unterschieden werden

Der Begriff bdquospezielle Effektpigmenteldquo umfasst die Gruppen der Perlglanzpigmente und der all-gemeinen Interferenzpigmente welche insbeson-dere bei aktuellen Pigmententwicklungen nicht scharf abgegrenzt werden koumlnnen Perlglanzpig-mente sind Effektpigmente die aus transparenten Plaumlttchen mit hohem Brechungsindex bestehen Sie erzeugen durch die spezielle Form der Mehr-fachreflexion des transmittierten Lichts an mehre-ren Pigmenten einen perlenaumlhnlichen Effekt bei dem die auftreffende Strahlung verteilt reflektiert wird wodurch der Eindruck einer mit der Tiefe abnehmenden diffusen Helligkeit entsteht Fuumlr das Auge ergibt sich so eine scheinbar dreidimen-sionale Glanzcharakteristik die aus der Tiefe des Objektes zu kommen scheint Interferenzpigmente dagegen sind Effektpigmente deren farbgebende Wirkung ganz oder vorwiegend auf dem Effekt der Vielstrahlinterferenz von Licht an duumlnnen hoch-brechenden Schichten beruht Interferenzpigmente koumlnnen dabei sowohl auf transparenten oder auch nichttransparenten Plaumlttchen basieren

Bild 1 a) Roadster mit ChromaFlairreg-Effektpigmentlackierung b) Verwaltungsgebaumlude in Braunschweig verkleidet mit Alucobondreg-spectra-colours-Verbundplatten c) Effektpigmente im Nagellack d) Pralineacute mit Effektpigmentuumlberzug

a

dc

bb

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Effektpigmente hellipPTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4

Die heute verwendeten Pigmente lassen sich somit grob in fuumlnf verschiedene Klassen einteilen

1) Weiszligpigmente Die Pigmente streuen das ge-samte auftreffende Licht nahezu verlustfrei in alle Richtungen durch diffuse ungerichtete Reflexion

2) Buntpigmente Die Pigmente streuen einen Teil des Lichtes diffus und absorbieren wellenlaumln-genselektiv einen anderen Teil des Lichtes

3) Schwarzpigmente Die Pigmente absorbieren alle Wellenlaumlngen des fuumlr das menschliche Auge sichtbaren Spektralbereiches

4) Metalleffektpigmente Die aus duumlnnen Metall-plaumlttchen vorwiegend Aluminium bestehen-den Metalleffektpigmente sind lichtundurch-laumlssig und reflektieren das gesamte auftreffende Licht durch spekulare gerichtete Reflexion Die Pigmentpartikel wirken dabei wie Mikrospie-gel und fuumlhren bei paralleler Ausrichtung im Anwendungsmedium zu einem spiegelnden Metallglanz dem Metallic-Effekt

5) Spezielle Effektpigmente Perlglanz- bzw Inter-ferenzpigmente deren optische Wirkung auf der Mehrfachreflexion an uumlberwiegend flaumlchig aus-gebildeten und ausgerichteten transparenten semitransparenten oder lichtundurchlaumlssigen Partikeln beruht

Weiszlig- Bunt- und auch Schwarzpigmente weisen typische Durchmesser im Bereich von 100 nm bis zu 1 microm auf Ihre Groumlszlige liegt damit zum Teil im Bereich der Wellenlaumlnge des sichtbaren Lichtes welches den Bereich von 380 nm bis 780 nm uumlberdeckt Einige Schwarzpigmente wie z B Ruszlig-pigmente liegen mit ihren Durchmessern jedoch auch zum Teil auch deutlich darunter Effektpig-mente besitzen dagegen Teilchendurchmesser die zumeist im Bereich von 5 microm bis 100 microm in einigen Faumlllen auch daruumlber liegen Sie sind damit bezuumlglich der mittleren Plaumlttchendurch-messer wesentlich groumlszliger als die Wellenlaumlnge des sichtbaren Lichtes Die Dicke der Plaumlttchen liegt von einigen Ausnahmen abgesehen unter 1 microm ebenso wie die Dicke der Interferenzschichten Demzufolge weisen Effektpigmente in der Regel ein hohes Aspektverhaumlltnis auf (Verhaumlltnis der lateralen Ausdehnung einer Struktur zu ihrer Houmlhe) welches bis zu 200 betragen kann

Interferenzpigmente ndash Wie die Farben entstehen

Die Farbe von Interferenzpigmenten haumlngt von der Schichtdicke der Metalloxidbeschichtung und dem Einstrahlungs- und Betrachtungswinkel ab Beide Parameter bestimmen die effektive optische Weg-

laumlngendifferenz fuumlr das einfallende weiszlige Licht zwischen oberer und unterer Grenzflaumlche und die somit auftretenden Interferenzfarben siehe Bild 3

Interferenzpigmente zeigen somit einen aus-gepraumlgten bdquoFarbflopldquo Die Winkelabhaumlngigkeit der Farbe wird hierbei auch als Goniochromasie bezeichnet Richtig bunt geht es zu wenn ein Interferenzpigment auf einen bereits bunten Untergrund aufgebracht wird Die Transparenz der Pigmente laumlsst die Untergrundfarbe durch-

Bild 2 Schematische Diagramme zum spektralen Verhalten verschiedener Pigmenttypen

Bild 3 Die Schichtdicke der Metalloxidbeschichtung und der kombinierte Einstrahlungs- und Betrachtungswinkel bestimmen die optische Weglaumlnge und somit die sich ergebenden Interferenzfarben in Reflexion und Transmission

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PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4Das Jahr des Lichtes

Bild 5 Die Effekte Spar-kling (1) und Coarseness (2) des Effektpigmentes Xirallicreg Crystal Silver in einer vergroumlszliger-ten Aufnahme auf weiszligem (links) und schwarzem Hinter-grund (rechts)

scheinen im Glanzwinkel wird sie aber von der Interferenzfarbe uumlberstrahlt wie dies in Bild 4 zu sehen ist

Der Effekt eines Helligkeitsunterschiedes unter verschiedenen Betrachtungswinkeln wird als Helligkeitsflop bezeichnet und ist an sich nichts Neues Sind jedoch die einzelnen Pigmentteilchen

aufgrund ihrer planaren Reflexionsoberflaumlchen in gerichteter Beleuchtung direkt beobachtbar was fuumlr mittlere Teilchengroumlszligen von 30 microm und groumlszliger der Fall ist so ergibt dies einen Effekt welcher mit dem Begriff Sparkle (Glitzern Funkeln) bezeichnet wird (Bild 5) Aumlndert sich die Beleuchtung von einer gerichteten Einstrahlung wie es an einem wolkenlosen sonnigen Sommertag der Fall ist hin zu einer diffusen ungerichteten Einstrahlung wie an einem stark bewoumllkten Herbsttag so verschwin-det das Sparkling der Pigmente und verwandelt sich in eine Koumlrnigkeit der Oberflaumlche Dieses optische Phaumlnomen wird als Coarseness (Bild-koumlrnigkeit) bezeichnet und ist unabhaumlngig vom Betrachtungswinkel (Bild 5)

Als neuer Archetypus des Sparkle-Begriffes haben sich in den letzten Jahren die Xirallicreg Pig-mente (High Chroma Chrystal Effect Pigments) der Firma Merck KGaA entwickelt Durch die Beschich-tung von Aluminiumoxidplaumlttchen mit hochbre-chenden Metalloxiden und einer optimierten Dicke und Ebenheit aller am Pigment beteiligten Schich-ten entstehen auszligergewoumlhnlich stark reflektierende Effektpigmente die einen besonders intensiven Sparkle-Effekt aufweisen Man spricht hierbei auch von sogenanntem Living Sparkle welcher sich in einem scheinbaren bdquoTanzenldquo der leuchtenden Punkte in der Probenoberflaumlche bei Veraumlnderung der Beobachtungsgeometrie aumluszligert [7 8]

Generell gilt dass die Farbe von Objekten mit Effektlackierung nicht mehr wie jahrzehntelang uumlblich und ausreichend mit konventionellen Farb-messgeraumlten mit nur einer festen Messgeometrie wie z B in der 45deg 0deg Geometrie (Einstrahlung unter 45deg Reflexionsmessung unter 0deg) bestimmt werden kann Dieser Umstand wird sehr gut durch die Grafik in Bild 6 illustriert Dargestellt sind die winkelabhaumlngig gemessenen Farbkoordinaten von drei verschiedenen keramischen Farbstandards der Farben rot gruumln und blau sowie eines mit dem Effektpigment Viola Fantasy der Firma Merck lackierten Blechs Der Einfallswinkel des Lichts auf die Proben betrug hierbei immer 45deg zur Oberflauml-chennormalen Das von den Proben reflektierte Licht wurde an 26 Positionen in einem 5deg Raster in planaren die Oberflaumlchennormale enthalten-den Messgeometrien im Winkelbereich von ndash70deg bis +70deg aufgenommen Bei den aus absorptiven Pigmenten bestehenden Keramiken zeigt sich eine nur sehr geringe Winkelabhaumlngigkeit der Farbe welche groumlszligtenteils auf unterschiedlicher winkelabhaumlngiger Helligkeit d h den Glanzeigen-schaften der Oberflaumlche beruht Das Effektpigment dagegen zeigt einen extremen winkelabhaumlngigen Farb-Flop (Goniochromasie) welcher einen Farbverlauf von Gruumln uumlber Rot-Gelb hin ins Blau-Violett bietet

Aber auch die neuen Lackfarben aus der Gruppe der Effektlackierungen muumlssen messtechnisch

Bild 4 Merck-Xirallicreg-Solaris-Red-Effektpigmente appliziert auf einem mit Standard-Ab-sorptionspigmenten hellblau lackierten Metallblech In Rich-tung des Glanzwin-kels auf der rechten Seite zeigt sich der langsame Aufbau der winkelabhaumlngigen Interferenzfarbe

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Bild 6 CIELab Farbkoordinaten einer winkelabhaumlngigen Reflexionsmessung an vier verschiedenen Proben drei Keramiken der Farben rot gruumln blau und eine Effektpigmentlackierung mit Merck Colorstreamreg Viola Fantasy Das untergelegte Farbschema zeigt naumlherungsweise die den Koordinaten entsprechende Farbe

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Effektpigmente hellipPTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4

Abbildungsoptik Messungen der ortsaufgeloumlsten Leuchtdichte auf einer Laumlngenskala bis hinab zu 28 microm auf der zu untersuchenden Probe siehe Bild 8

Mit der Zeilenkamera sind Messungen von kompletten Reflexionsspektren im sichtbaren Spektralbereich zwischen 380 nm und 780 nm dem sogenannten V(λ)-Bereich auf einer Zeit-skala von 2 Minuten moumlglich Hieraus lassen sich dann Farbkoordinaten der untersuchten Proben in den unterschiedlichsten Farbraumsystemen berechnen Eine absolute Messung in 114 Win-kelkombinationen (siehe Bild 9) im Polarwinkel-

erfasst und ruumlckgefuumlhrt werden um eine gleich-bleibende Qualitaumlt in der Produktion gewaumlhrleis-ten zu koumlnnen Gerade diese vielfaumlltigen zusaumltz-lichen Eigenschaften stellen die Farbmesstechnik vor neue Herausforderungen

Farbmessung

Bisherige kommerzielle Farbmessgeraumlte charakte-risieren Probenoberflaumlchen fast ausschlieszliglich in den eben schon erwaumlhnten sogenannten in-plane Reflexionsgeometrien Dabei liegen die Richtun-gen des eingestrahlten und des reflektierten Lichts sowie die Oberflaumlchennormale der Probe in einer Ebene Diese Einschraumlnkung entspricht jedoch in keiner Weise der taumlglichen Realitaumlt bei der Oberflaumlchen aus beliebigen Richtungen beleuchtet und betrachtet werden Seitens der Messgeraumlteher-steller und Anwender gibt es daher einen Trend zur erweiterten Charakterisierung bezuumlglich zusaumltzlicher Winkelkombinationen im dreidimen-sionalen Raum Spitzenreiter dieser Entwicklung am Markt ist derzeit ein tragbares Mehrwinkel-Spektralphotometer mit insgesamt 19 verschie-denen Reflexionsgeometrien [9] Hiermit scheint aber auch das Ende dieser Entwicklung im Bereich der portablen handgefuumlhrten Geraumlte erreicht Der Wunsch der Anwender geht aktuell wieder zuruumlck zu einer geringeren Anzahl von Winkelkombi-nationen denn es ist unklar wie man aus dem Mehr an winkelaufgeloumlsten Reflexionsdaten die fuumlr die Charakterisierung der Farbeigenschaften relevanten Informationen gewinnen kann Daher stellt sich die Frage welches sind bdquoguteldquo d h an die Messaufgabe adaptierte optimal geeignete Messgeometrien

Um diese Frage zu beantworten betreibt die AG 424 bdquoReflexion und Transmissionldquo der PTB zwei roboterbasierte Gonioreflektometer die eine winkelaufgeloumlste Reflexionsmessung in beliebi-gen bidirektionalen Geometrien ermoumlglichen [10ndash12] Diese beiden Apparaturen sind in Bild 7 dargestellt

Das Standard-Gonioreflektometer ist hierbei das nationale Normal fuumlr die Messgroumlszlige spektraler Strahldichtefaktor in gerichteten Geometrien Es dient der Realisierung Bewahrung und Weiter-gabe der gerichteten Reflexionsskale in Form von Kalibrierungen Die zweite Apparatur bezeich-net mit dem Acronym ARGon3 (3D Appearance Robot-based Gonioreflectometer) ist ein flexibles Forschungsgeraumlt mit dem experimentelle Unter-suchungen u a im Rahmen des EMRP-Projektes Multidimensional Reflectometry for Industry der EU [13] durchgefuumlhrt werden Im Ver gleich zum Standard-Gonioreflektometer ist dieses Geraumlt mit einer photometrischen Leuchtdichteka-mera und einer Zeilenkamera ausgeruumlstet Die Leuchtdichtekamera erlaubt mit einer speziellen

Bild 7 Die beiden roboter-basierten Gonio-reflektometer der PTB oben Standard-Gonioreflektometer fuumlr Kundenkalibrie-rungen unten ARGon3-Messplatz fuumlr Forschungsanwen-dungen

Bild 8 Visualisierung desSparkling-Effektesvon Xironareg-Volcanic-Sparks-Pigmenten als Falschfarben-darstellung der ortsaufgeloumlsten LeuchtdichteDie bdquoNadelnldquo zeigendie Position derPigmente an

Bild 9 Beispielgeometrien zur Messung der winkelabhaumlngigen Reflexionseigen-schaften Realisiert wurden 4 Einstrah-lungsrichtungen (rote Pfeile) mit jeweils 114 Reflexionswinkeln (schwarze Punkte) im Bereich der Viertel-kugel oberhalb der Probenoberflaumlche

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PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4Das Jahr des Lichtes

bereich 0deg bis 70deg gleichmaumlszligig verteilt uumlber den Viertelraum oberhalb der Probe dauert hierbei ca 4 Stunden [14] Die so erhaltenen Daten bilden die Basis fuumlr kuumlnftige Verbesserungen in der Mess-technik fuumlr Anwender und Hersteller

Im Rahmen des EMRP-Projektes Multidimen-sional Reflectometry for Industry [13] sind damit die winkelabhaumlngigen Reflexionsspektren von insgesamt 66 verschiedenen Effektpigmentproben gemessen worden [15 16] Bei den vier verschie-denen Einstrahlungsrichtungen verbunden mit jeweils 114 Reflexionswinkeln im Bereich der Vier-telkugel oberhalb der Probenoberflaumlche ergeben sich somit uumlber 30000 Reflexionsspektren

Zielsetzung der Untersuchungen ist die Ver-besserung der Metrologie zur Materialcharak-terisierung mit reduzierter Messunsicherheit Dazu werden neue Messvorschriften und neue Standardmessartefakte entwickelt mit denen die Industrie die visuelle Wahrnehmung der von ihr produzierten Oberflaumlchen gezielt charakterisie-ren und kontrollieren kann Solche Messungen sollten einfach auszufuumlhren sein und die Ergeb-nisse muumlssen soweit wie moumlglich mit der visuellen menschlichen Wahrnehmung korrelieren Im europaumlischen und internationalen Rahmen sollen die Ergebnisse in die Normung einflieszligen um die allgemeine Vergleichbarkeit solcher Messungen zu gewaumlhrleisten

Literatur

[1] CS Henshilwood et al A 100000-Year-OldOchre-Processing Workshop at Blombos CaveSouth Africa Science Vol 334 No 6053 219ndash2222011

[2] Mark D Fairchild Color Appearance Models2nd Ed John Wiley amp Sons Ltd 2005

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[4] WR Cramer Der richtige Blickwinkel Farbe amp Lack 092006 26ndash30 2006

[5] G Zaltman How Customers Think EssentialInsights into the Mind of the Market HarvardBusiness Review Press 2003

[6] DIN ISO 18451-12015-11 Pigmente Farbstof-fe und Fuumlllstoffe ndash Begriffe ndash Teil 1 AllgemeineBegriffe

[7] WR Cramer Ohne Glimmer aber mit GlanzFarbe amp Lack 042003 132ndash136 2003

[8] WR Cramer Es glitzert wie am SternenhimmelFahrzeug + Karosserie 0412 20ndash22 2012

[9] E Kirchner W Cramer Making sense of measure-ment geometries for multi-angle spectrophotome-ters Color Res Appl Vol 37 No3 186ndash198 2012

[10] D Huumlnerhoff U Grusemann A Houmlpe Newrobot-based gonioreflectometer for measuringspectral diffuse reflection Metrologia 43 S11ndashS162006

[11] A Houmlpe D Huumlnerhoff K-O Hauer Robot-basedgonioreflectometer Industrial Robotics Program-ming Simulation and Applications Low Kin-Huat Ed Pro Literatur-Verlag Mammendorf623ndash632 2007

[12] A Houmlpe T Atamas D Huumlnerhoff S TeichertK-O Hauer ARGon3 ndash bdquo3D Appearance Robot-based Gonioreflectometerrdquo at PTB Rev SciInstrum 83(4) 045102-1ndash045102-8 2012

[13] European Metrology Research Program ProjectIND52 bdquoxD-Reflectldquo Multidimensional Reflecto-metry for Industry wwwxdreflecteu(letzter Aufruf 03122015)

[14] T Atamas K-O Hauer A Houmlpe Appearancemeasurements of goniochromatic colours Predic-ting Perceptions Proceedings of the 3rd Internati-onal Conference on Appearance 149ndash154 2012

[15] A Houmlpe A Koo FM Verdu FB LeloupG Obein et al bdquoMultidimensional reflectometryfor industryrdquo (xD-Reflect) an European researchproject Proc SPIE 9018 Measuring Modelingand Reproducing Material AppearanceSPIE-ISampT Vol 9018 901804-1ndash901804-11 2014

[16] A Houmlpe K-O Hauer S Teichert D HuumlnerhoffC Strothkaumlmper Goniochromatic and Sparkleproperties of effect pigmented samples in mul-tidimensional configuration Proc SPIE 9398Measuring Modeling and Reproducing MaterialAppearance 2015 SPIE Proc Vol 9398 Appea-rance 93980O-1ndash7 2015

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Die 50 Sitzung des Internationalen Komitees fuumlr das gesetzliche Messwesen (CIML) fand vom 20 bis 22 Oktober 2015 in Arcachon Frankreich statt Im Vorfeld der CIML-Sitzung fand ein ein-taumlgiges OIML-Seminar uumlber Countries and Econo-mies with Emerging Metrology Systems (CEEMS) statt uumlber das weiter unten berichtet wird

Das CIML ist der Lenkungsausschuss der OIML Es trifft sich jaumlhrlich und besteht aus je einem Repraumlsentanten der Mitgliedstaaten der korrespondierenden Mitglieder und den Vertre-tern internationaler und regionaler Organisa-tionen die als Beobachter teilnehmen koumlnnen Das CIML ist zustaumlndig fuumlr die Vorbereitung und Durchfuumlhrung der Entscheidungen der Konfe-renz die alle vier Jahre stattfindet Es uumlberwacht die Arbeiten der Technischen Komitees und Unterkomitees und des Internationalen Buumlros fuumlr das gesetzliche Messwesen (BIML) in Paris

An der 50 CIML-Sitzung nahmen 144 Teilneh-mer aus 43 Mitgliedstaaten und 13 korrespondie-renden Mitgliedstaaten teil Zur deutschen Dele-gation gehoumlrten neben den o g Autoren auch die Herren Johann Fischer Direktor des Landesamts fuumlr Mess- und Eichwesen Berlin-Brandenburg sowie Prof Olaf Kuumlhn Direktor des Thuumlringer Landesamts fuumlr Verbraucherschutz als Vertreter der Bundeslaumlnder Dr Peter Ulbig Leiter der Abteilung Wissenschaftlich-technische Quer-schnittsaufgaben der PTB und Prof Manfred Kochsiek Vizepraumlsident a D der PTB ehema-liger CIML-Praumlsident und Ehrenmitglied der OIML Frau Dr Anna Cypionka persoumlnliche Referentin des Praumlsidenten der PTB nahm am OIML-Seminar fuumlr CEEMS teil Vertreten waren auch wieder internationale und regionale Orga-nisationen zu denen die OIML Verbindungen unterhaumllt wie das Internationale Buumlro fuumlr Maszlig und Gewicht (BIPM) die GSO-GCC Standardiza-tion Organization (Saudi-Arabien) die Internatio-nal Laboratory Accreditation Cooperation (ILAC) und der Europaumlische Verband der Waagenherstel-ler (CECIP)

Alle Beschluumlsse der 50 CIML-Sitzung koumlnnen auf den Internetseiten der OIML aufgerufen werden [1 2]

Die wichtigsten Entscheidungen und Entwick-lungen werden nachfolgend vorgestellt

1 Personalangelegenheiten

Der Vertrag von Willem Kool als Assistant Director wurde um vier Jahre der Vertrag des BIML-Direk-tors Stephen Patoray um drei Jahre verlaumlngert

2 Einfuumlhrung des PG Workspace im Internet

In seinem Bericht im Zusammenhang mit der Etablierung des neuen Webauftritts der OIML hob der CIML-Praumlsident Peter Mason (UK) die erfolgreiche Einfuumlhrung des Workspace fuumlr Pro-jektgruppen hervor Durch die Online-Arbeit wird erwartet dass die technische Arbeit an neuen bzw zu revidierenden OIML-Dokumenten vereinfacht und insgesamt effizienter wird

3 Revision der technische Richtlinien fuumlr die OIML (B 6 Directives for OIML tech-nical work)

In einem neuen Projekt sollen die in den vergan-genen Jahren revidierten OIML-Richtlinien fuumlr die technische Arbeit erneut uumlberarbeitet werden um u a den Prozess der Entwicklung und Uumlber-arbeitung von OIML-Publikationen noch weiter zu beschleunigen und den neuen internetbasierten Technologien und Arbeitsweisen Rechnung zu tragen

4 Umfassende strukturelle Uumlberarbeitung des OIML Certificate System

Das CIML verabschiedete die Gruumlndung einer Projektgruppe mit der Aufgabe einer substan-ziellen Uumlberarbeitung des OIML-Zertifizierungs-systems das z Zt aus dem Basiszertifizierungs-system und dem MAA3 besteht Urspruumlnglich ausgehend von der Annahme die Akzeptanz des MAA-Zertifizierungssystem muumlsse verstaumlrkt werden eine groumlszligere Verbreitung finden und mehr Messgeraumltearten abdecken erscheint es

Aktuelles aus der OIML (Internationale Organisation fuumlr das Gesetzliche Messwesen)Bericht uumlber die 50 Sitzung des CIML in Arcachon FrankreichSusanne Ludwig Roman Schwartz

INTERNATIONALE ZUSAMMENARBEIT

Susanne Ludwig OIMLshyGeschaumlftsstelle der PTB EshyMail susanneludwigptbde

Dir u Prof Dr Roman Schwartz Vizepraumlsident der PTB deutsches Mitglied im Internashytionalen Komitee fuumlr das Gesetzliche Messwesen (CIML) und CIMLshyVizepraumlsishydent EshyMail romanschwartzptbde

3 Mutual Acceptance Arrangement (Abshykommen zur gegenshyseitigen Anerkennung von Bauartpruumlfungen)

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PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4Internationale Zusammenarbeit

inzwischen sinnvoller und wurde so auch vom CIML beschlossen zum 112017 ein einziges OIML-Zertifizierungssystem einzufuumlhren Eine Projektgruppe (Certification System Project Group = CSPG) unter dem Vorsitz des CIML-Vizepraumlsi-denten Dr Roman Schwartz wurde damit beauf-tragt die notwendigen Dokumente und Prozedu-ren auszuarbeiten

5 OIML-Seminar fuumlr Countries and Economies with Emerging Metrology Systems (CEEMS)

Im Vorfeld der CIML-Sitzung wurde ein eintaumlgiges Seminar zum Thema Developing an OIML Package for Assistance to Countries with Emerging Metro-logy Systems (CEEMS) abgehalten In vier Sitzun-gen diskutierten 125 Teilnehmer aus 49 Laumlndern uumlber Moumlglichkeiten Laumlnder beim Aufbau von nationalen Metrologiesystemen zu unterstuumltzen In der ersten von Frau Dr Cypionka geleiteten Sitzung Capacity Building ging es um die allge-meinen Herausforderungen bei der Gestaltung von Programmen zur Foumlrderung von Handlungs-kompetenzen und Vermittlung von Wissen fuumlr die Metrologie In zwei weiteren Sitzungen wurden unter den Themen Helping CEEMS Improve Regulation in their Markets (Leitung Prof Dr Manfred Kochsiek) und New Ideas ndash Doing Legal Metrology Differently (Leitung Stuart Carstens

Suumldafrika) konkrete inhaltliche Loumlsungsvorschlaumlge vorgestellt und diskutiert Die Ergebnisse wurden in der 50 CIML-Sitzung vorgestellt und fanden ihren Niederschlag in der Resolution Nr 201510 [2] sie sollen auch noch auf den OIML-Webseiten veroumlffentlicht werden [1]

6 OIML-Publikationen

Folgende OIML-Publikationen wurden verabschiedet

R 139-3 Compressed gaseous fuels measuring systems for vehicles Part 3 Test report format

New Recommendation (R 145) Ophthalmic instru-ments mdash Impression and applanation tonometers

Alle OIML-Publikationen stehen im Internet frei zur Verfuumlgung [3]

Gleichzeitig wurde die Revision der folgenden OIML-Publikation beschlossen

Revision of R 79 Labeling requirements for prepackages

Folgende neue Projekte wurden verabschiedet

Revision des OIML-Dokuments B 6-1 Directives for OIML technical work

Bild 1 Teilnehmer der 50 Sitzung des Internationalen Komitees fuumlr Gesetz-liches Messwesen (CIML) in Arcachon Frankreich

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PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4 Aktuelles aus der OIML

TC 8SC 1 Revision R 71 Fixed storage tanks mdash General requirements

TC 8SC 1 Revision R 85 Automatic level gauges for measuring the level of liquid in stationary storage tanks

7 Personalien und Ehrungen

Die von Dr Seiler dem ehemaligen Leiter des Fachbereichs bdquoTechnische Zusammenarbeitldquo der PTB initiierte OIML-Auszeichnung fuumlr bdquoexzel-lente Beitraumlge von Entwicklungslaumlndern zum gesetzlichen Messwesenldquo ging in diesem Jahr an

bull Nam Hyuk Lim Director of Korea Testing Certi-fication und

bull The Metrology Department Saint Lucia Bureau of Standards

Die OIML-Medaille fuumlr besondere Verdienste um die OIML-Arbeit ging an Ngo Quy Viet Vietnam und Cartaxo Reis aus Portugal

8 Termine

Ein Gastgeberland fuumlr die 51 CIML-Sitzung und 15 OIML-Konferenz im Jahr 2016 konnte noch nicht bekannt gegeben werden es wird aber wahr-scheinlich wieder Frankreich sein Weitere OIML-Veranstaltungen und -Termine finden sich auf der OIML-Webseite unter [4]

9 Literatur

[1] httpswwwoimlorgen (letzter Aufruf 19112015)

[2] httpswwwoimlorgenstructurecimlpdf50-ciml-resolutions-englishpdf (letzter Aufruf 19112015)

[3] httpswwwoimlorgenpublicationsrecommen-dationspublication_viewp_type=1ampp_status=1

[4] (letzter Aufruf 19112015)[5] httpswwwoimlorgeneventscalendar

(letzter Aufruf 19112015)

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TECHNOLOGIETRANSFER

E27-Scanner fuumlr UlbrichtkugelnMit dem besonders einfach ohne Umbau einsetzbaren E27-Scanner koumlnnen Anwender und Hersteller die Homogenitaumlt ihrer Ulbricht-kugeln bestimmen und die Ergebnisse zur Berechnung genauerer Lichtstroumlme und zur Dokumentation der Qualitaumlt ihrer Messungen nutzen

Hintergrund

Wie viel Licht eine Lampe insgesamt in alle Richtungen abstrahlt wird durch ihren Lichtstrom ausgedruumlckt Um den fuumlr die Bestimmung der Energieeffizienz von Lampen notwendigen Lichtstrom schnell zu er mitteln setzt die Lampenindustrie Ulbrichtkugeln ein An einer Stange in der Mitte der Ulbrichtkugel befindet sich eine E27-Lampen-fassung in die nacheinander die Lichtstrom-Normallampe und die zu kalibrierende Lampe eingeschraubt werden Das indirekt auf den Mess-kopf fallende Licht erzeugt einen Photostrom der im Idealfall propor-tional zu dem von der Lampe abgestrahlten Lichtstrom ist unabhaumlngig von der Richtung in die das Licht abgestrahlt wird

Dies ist jedoch bei einer ungleichmaumlszligigen Beschichtung der Kugel sowie bei einer im Laufe der Zeit nicht zu verhindernden Verstaubung nicht der Fall Deshalb wird mit einem Kugelscanner die Homogenitaumlt der Kugel regelmaumlszligig vermessen und ein Korrekturfaktor bestimmt der von der jeweiligen Abstrahlcharakteristik der zu untersuchenden Lampe abhaumlngt

Technische Beschreibung

Der Kugelscanner wird einfach in eine E27-Fassung geschraubt und das sonst fuumlr die Lampenversorgung eingesetzte Netzgeraumlt wird durch die Steuereinheit ersetzt Diese uumlbernimmt sowohl die elektrische Versor-gung als auch die Befehlsuumlbermittlung zum Kugelscanner Die Steuer-einheit wird via USB oder RS232 an einen Computer angeschlossen Das mitgelieferte Messprogramm stellt automatisiert alle gewuumlnschten Richtungen ein und speichert die zugehoumlrigen von der Steuereinheit gemessenen Photostroumlme des Photometers

Wirtschaftliche Bedeutungw

Fuumlr Lampenindustrie und Hersteller von Ulbrichtkugeln

bull Genauere Messung des Lichtstroms

bull Bestimmung des Zeitpunkts einer Neubeschichtung

bull Uumlberwachung beim Beschichten

bull Dokumentation des Zustands der Ulbrichtkugel

EntwicklungsstandDer E27-Kugelscanner wurde in der PTB entwickelt Er wird laufend fuumlr Kalibrierungen eingesetzt Die Technologie wurde an die Firma Czibula amp Grundmann transferiert und wird dort mit einer PTB-Lizenz gebaut und vertrieben wwwphoto-metercom

Ansprechpartner

Dr Bernhard SmandekBeauftragter fuumlr TechnologietransferTelefon +49 531 592shy8303Telefax +49 531 592shy69shy8303EshyMail technologietransferptbde

Dr Stefan WinterFachbereich Photometrie und Radiometrie

Abbildung des E27shyKugelscanners Eine stark fokussierende Lampe die computergesteuert in alle Richtungen leuchten kann

Vorteile

bull Schneller Einbau in E27shyFassung

bull Computergesteuertes Abscannen der gesamten Ulbrichtkugel

bull Flexible Messmoumlglichkeiten

bull Fuumlr genauere Lichtstromshymessungen

bull Wichtig fuumlr die Qualitaumltsshysicherung

PTBshyNummer 0172

wwwtechnologietransferptbde

49

PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4 Technologieangebote

Ansprechpartner

Dr Bernhard SmandekBeauftragter fuumlr TechnologietransferTelefon +49 531 592shy8303Telefax +49 531 592shy69shy8303EshyMail technologietransferptbde

Dr Stefan WinterArbeitsgruppe Solarzellen

PulsshyzushyCWshyKonverter

Umwandlung gepulster Laser-Strahlung in konstante StrahlungIn weiten Bereichen der optischen Metrologie ist eine Strahlungs-quelle von groszligem Nutzen die sich spektral vom UV-C bis ins mitt-lere IR durchstimmen laumlsst Lediglich Laser mit gepulster Strahlung erfuumlllen diese Anforderung bei ausreichend groszligem Ausgangssignal bisher luumlckenlos Femtosekunden-Lasersysteme waumlren aufgrund ihrer gut automatisierbaren und spektral weiten Durchstimmbarkeit die ideale Strahlungsquelle fuumlr z B radiometrische Anwendungen ndash wenn ihre Strahlung nicht gepulst waumlre

Durch das extreme Puls-Pausen-Verhaumlltnis von 10ndash5 entstehen hohe Spitzenleistungen die wiederum zu Saumlttigungseffekten bei Detek-toren und in der Folge zu nichtlinearem Verhalten fuumlhren koumlnnen Mit dem in der PTB entwickelten Puls-zu-CW-Konverter wird dieses Problem geloumlst

Technische Beschreibung

Bei dieser Methode werden Pulse gepulster Strahlungsquellen ausrei-chend hoher Repetitionsrate in CW-Strahlung umgewandelt Dabei wird jeder Puls in viele kleine Teilpulse aufgeteilt die auf unterschiedlich langen Wegstrecken unterschiedliche Laufzeiten erfahren Am Ausgang des Systems erscheinen sie dann zeitlich gleichmaumlszligig verteilt Realisiert wird dieser Puls-zu-CW-Konverter uumlber ein Glasfaserbuumlndel bei dem jede Einzelglasfaser eine individuell festgelegte Laumlnge besitzt

Mit der Entwicklung des Puls-zu-CW-Konverters wurde das ent-scheidende Manko beim Einsatz leistungsstarker Femtosekunden(fs)-Lasersysteme im Bereich der Metrologie beseitigt und erstmalig gepulste Laserstrahlung in CW-Strahlung umgewandelt Diese Neuentwicklung ermoumlglicht es nun herkoumlmmliche Monochromatorsysteme durch fs-Lasersysteme zu ersetzen die eine bis zu 1000-mal houmlhere spektrale Ausgangsleistung besitzen

Wirtschaftliche Bedeutung

Durch den neuen Puls-zu-CW-Converter koumlnnen in wirtschaftlich bedeutenden Bereichen wie z B der Photovoltaik der Photometrie der UV-Strahlungsmesstechnik und der Reflektometrie die Referenz- und Transfernormale mit einer deutlich reduzierten Messunsicherheit kali-briert werden Hier werden bislang wesentliche Messunsicherheitsan-teile durch zu geringe Strahlungsleistungen aus herkoumlmmlichen Mono-chromatorsystemen verursacht

Entwicklungsstand

Unter DE 10 2010 011 615 B4 wurde fuumlr den CW-Konverter ein Patent erteilt

Vorteile

bull Zeitliche Glaumlttung gepulster Laserstrahlung

bull Keine stoumlrenden Interferenzen

bull Nur minimale Absorption des Messsignals

bull Auch bei kuumlrzeren Wellenshylaumlngen ohne Ulbrichtkugel verwendbar

bull Kontinuierliche Verteilung des Ausgangspulses

bull Pulsvervielfachung

bull Houmlhere Strahlungsleistung

PTBshyNummer 0254

wwwtechnologietransferptbde

50

PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4Technologieangebote

50

Homogenisierung von Strahlungsquellen und Focal Plane Arrays (FPA)Ein neuartiges Verfahren ermoumlglicht softwaregestuumltzt eine deutlich verbesserte Kalibrierung von Mehrelement-Sensoren (FPA) und bildgebenden Systemen (Kameras) Bei flaumlchigen Strahlungsquellen kann zusaumltzlich eine gezielte Ansteuerung von Flaumlchenelementen zu einer bisher im Allgemeinen nicht erreichbaren Flaumlchenhomogenitaumlt fuumlhren

Technische Beschreibung

Flaumlchenstrahler dienen der Kalibrierung von ortsaufloumlsenden Strah-lungssensoren wobei davon ausgegangen wird dass die Emissionsflaumlche des Strahlers im Wesentlichen homogen bezuumlglich ihrer Strahldichte bzw Strahlungstemperatur ist Um kleine Inhomogenitaumlten eines Flaumlchenstrahlers zu charakterisieren ist es ein gaumlngiges Verfahren die Emissionsflaumlche punktweise mit einem Einzeldetektor abzutasten

Das neue PTB-Verfahren ist wesentlich schneller da es den Mehr-element-Sensor (FPA) das device-under-test selbst nutzt und damit immer ein Gesamtbild der Quelle aufnimmt Werden jetzt weitere Bilder zeilen- oder spaltenversetzt aufgenommen so erlaubt ein mathema-tischer Algorithmus bei nur drei Bildern eine komplette Charakterisie-rung des Sensors aber auch der Quelle

Sind Flaumlchenelemente der Strahlungsquelle einzeln ansteuerbar so ist es sogar moumlglich mittels der ermittelten Korrekturwerte zu Strahlquellen extrem hoher Homogenitaumlt im on-line-Betrieb zu gelangen

Wirtschaftliche Bedeutung

Bildgebende Strahlungssensoren und homogene Strahlungsquellen sind relevant fuumlr die Forschung und Entwicklung fuumlr die Prozesstechnik fuumlr die Charakterisierung der Energieeffizienz von Bauten bei der Ent-wicklung neuer Bauteile mit hoher thermischer Belastung und in vielen weiteren Bereichen Der mathematische Algorithmus ist aber auf unter-schiedliche Arten von Kamerasystemen anwendbar und damit auch fuumlr die Qualitaumltssicherung von CCD-Kameras bis hin zum Konsumguuml-termarkt anwendbar EntwicklungsstandEine deutsche Patenterteilung erfolgte im September 2015 Eine PCT-Anmeldung ist anhaumlngig Kooperations- und Lizenzpartner aus den Bereichen Thermografie Radiometrie und Photometrie zur Umsetzung des Konzeptes werden gesucht

Ansprechpartner

Dr Bernhard SmandekBeauftragter fuumlr TechnologietransferTelefon +49 531 592shy8303Telefax +49 531 592shy69shy8303EshyMail technologietransferptbde

DiplshyIng Berndt GutschwagerArbeitsgruppeInfrarotshyStrahlungsthermometrie

Stahlungsmessplatz der PTB zur Kalibrierung von Temperaturstrahlern und Waumlrmebildkashymeras

Vorteile

bull Schnelle Kalibrierung von Flaumlchensensoren (FPA)

bull Schnelle Kalibrierung von Flaumlchenstrahlern

bull Strahlquellen houmlchster Hoshymogenitaumlt

bull Fuumlr Thermografie und Phoshytometrie

PTBshyNummer 00374

wwwtechnologietransferptbde

Verlag Fachverlag NW in der Carl Schuumlnemann Verlag GmbHZweite Schlachtpforte 728195 Bremen Internet wwwschuenemannde E-Mail infoschuenemann-verlagde

Herausgeber Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB) Braunschweig und Berlin Postanschrift Postfach 33 45 38023 Braunschweig Lieferanschrift Bundesallee 100 38116 Braunschweig

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Printed in Germany ISSN 0030-834X

Die fachlichen Aufsaumltze aus dieser Ausgabe der PTB-Mitteilungen sind auch online verfuumlgbar unterdoi 10779531020150499

Die Physikalisch-Technische Bundesanstalt das nationale Metrologieinstitut ist eine wissenschaftlich-technische Bundesoberbehoumlrde im Geschaumlftsbereich des Bundesministeriums fuumlr Wirtschaft und Energie

mitteilungen

Impressum

Die PTB-Mitteilungen sind metrologisches Fachjournal der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt Braunschweig und Berlin Als Fachjournal veroumlffentlichen die PTB- Mitteilungen wissenschaftliche Fachaufsaumltze zu metrologischen Themen aus den Arbeitsgebieten der PTB Die PTB-Mitteilungen stehen in einer langen Tradition die bis zu den Anfaumlngen der Physikalisch-Technischen Reichsanstalt (gegruumlndet 1887) zuruumlckreicht

Bundesallee 100 38116 Braunschweig

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Physikalisch-Technische BundesanstaltBraunschweig und BerlinNationales Metrologieinstitut

Die Physikalisch-Technische Bundesanstalt das nationale Metrologieinstitut ist eine wissenschaftlich-technische Bundesoberbehoumlrde im Geschaumlftsbereich des Bundesministeriums fuumlr Wirtschaft und Energie

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Hef

t 42

015

16

Das Jahr des Lichtes PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4

Leuchtdichte

Leuchtdichten homogen leuchtender begrenzter Flaumlchen koumlnnen aus groszligem Abstand wie Licht-staumlrken gemessen werden Wird z B eine kreisfoumlr-mige Blendenoumlffnung (zentrisch und senkrecht zur Messrichtung) zwischen der leuchtender Flaumlche und dem Photometerkopf angeordnet und damit ein Teillichtstrom ausgesondert so kann dieser in groszligem Abstand als Lichtstaumlrke bestimmt werden und es gilt fuumlr die Leuchtdichte Lv der prinzipielle Zusammenhang

LIAvv= (20)

In der PTB wird fuumlr die mit Gluumlhlampen ausgestat-teten Leuchtdichtenormale (d h Verteilungstem-peratur T bekannt) zunaumlchst die photometrische Empfindlichkeit sv des Referenzphotometers wie in Abschnitt 41 bestimmt dann die Lichtstaumlrke nach Gleichung (13) gemessen und schlieszliglich die mittlere Leuchtdichte innerhalb der leuchtenden Flaumlche A nach Gleichung (20) berechnet

Fuumlr Leuchtdichtenormale gelten prinzipiell einige der im Kapitel bdquoLichtstaumlrke-Normallampenldquo aufgefuumlhrten Merkmale Sie unterscheiden sich jedoch im Detail in der Art der Ausfuumlhrung z B sind sie mit Gluumlhlampen oder mit LEDs bestuumlckt sie koumlnnen hinsichtlich der Leuchtdichte bzw Farbe durchstimmbar sein oder mit gesonderter Monitortechnik ausgestattet sein

Die traditionellen Messverfahren zur Bestim-mung der Leuchtdichte bzw die Verwendung von Photometern mit direkter Anzeige der Leuchtdich-tewerte werden zunehmend durch den Einsatz von Leuchtdichtekameras (pixelaufgeloumlste Darstellung von Leuchtdichteverteilungen) ergaumlnzt Eine abso-lute Kalibrierung dieser modernen Systeme stellt aber messtechnisch eine groszlige Herausforderung

Bild 14 Die 40 m lange photometrische Bank zur Realisierung und Weitergabe der Einhei-ten der gerichteten Photometrie

Bild 15 20-kW-Hochleistungshalogengluumlhlampe fuumlr hohe Beleuchtungsstaumlrken zur Kalibrierung von Beleuchtungsstaumlrke-Messgeraumlten u a mit Normlichtart A

Bild 16 Gluumlhlampenbasierte Normale zum Transfer der Leuchtdichte-Einheit

17

Ruumlckfuumlhrung in der Photometrie hellipPTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4

dar aktuell werden zur Charakterisierung solcher Kameras national im FNL3 (Normenausschuss bdquoPhotometrieldquo im DIN) und international in der CIE (TC2-59 TC2-62) u a Messverfahren dis-kutiert die dann mittels definierter Kenngroumlszligen beschrieben werden

Literatur

[1] BIPM Com Cons Phot Radiometrie 1982 10[2] CIE 1144 Distribution temperature and ratio

temperature 1994[3] G Sauter Die Candela Erlaumluterungen zum Ver-

staumlndnis der Definition und der RealisierungPTB-Mitteilungen 107 1997

[4] W Schreier (Hrsg) Biographien bedeutender Phy-siker 2 Aufl Volk und Wissen Berlin 1988S 203ndash205

[5] M Planck Zur Theorie des Gesetzes der Energie-verteilung im Normalspektrum Verhandlungender Deutschen Physikalischen Gesellschaft 21900 S 237ndash245

[6] V I Sapritsky B BKhlevnoy V B KhromchenkoB E Lisiansky S N MekhontsevU A Melenevsky S P Morozova A V ProkhorovL N Samoilov V I Shapoval K A SudarevM F Zelener Precision Blackbody sources forradiometric standards Appl Opt 1997 36S 5403ndash5408

[7] P Sperfeld Entwicklung und Realisierungeiner empfaumlngergestuumltzten spektralen Bestrah-lungsstaumlrkeskala Dissertation Braunschweig2861999 httpwwwbibliotu-bsdeedissdata19990628a19990628ahtml(Letzter Aufruf 28102015)

[8] P Sperfeld S Pape B Barton From Primary Stan-dard to Mobile Measurements ndash Overview of theSpectral Irradiance Calibration Equipment at PTBMAPAN-Journal of Metrology Society of India 252010 S 11ndash19

Bild 17 Pixelaufgeloumlste Darstellung einer Leuchtdichteverteilung mit einer Leuchtdichtemesskamera

pim_140107_anz_forschung_178x29indd 1 280214 1033

18

PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4Das Jahr des Lichtes

Kurze Geschichte der Goniophotometrie in der PTB Matthias Lindemann

Zusammenfassung

Die Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB) ist das nationale Metrologieinstitut (NMI) der Bundesrepublik Deutschland das seinen Fokus auf die Realisierung Bewahrung und Weitergabe der SI-Einheiten richtet Deshalb hat auch die goniophotometrische Bestimmung des Licht-stroms nahezu beliebiger Lichtquellen eine lange Tradition Seit mehr als 50 Jahren werden in der PTB hierzu noumltige Messsysteme entwickelt genutzt verbessert und an neue Messaufgaben angepasst Schon in den 50er- und 60er-Jahren des vergangenen Jahrhunderts erlaubte ein soge-nanntes Einarm-Goniophotometer die Realisie-rung der Lichtstromeinheit lumen (lm) als direkte Ableitung von der SI-Basiseinheit Candela (cd) mithilfe von Lichtstaumlrke-Normallampen Spaumlter gestattete ein groszliges Kardan-Goniophotometer mit einem Messradius von 25 m die notwendige automatisierte spiralfoumlrmige Bewegung eines Photometers bzw eines Dreibereichsfarbmess-kopfes Fuumlr die Lichtstrom-Kalibrierungen von Kleingluumlhlampen aber auch von zunehmend nachgefragten Messungen an LEDs wurde schon in den fruumlhen 1980er Jahren ein sogenanntes Mini-Goniophotometer ebenfalls als Kardan-

Goniophotometer mit nur 03 m Messradius entwickelt und eingesetzt Dieser Entwicklungs-prozess haumllt an und ermoumlglicht heute die Kalibrie-rung auch modernster LED-Lichtquellen Im Jahr 2006 wurde das erste Roboter-Goniophotometer im neuen Albert-Einstein-Gebaumlude der PTB in Betrieb genommen und ermoumlglicht seitdem die Kalibrierung nahezu beliebiger Lichtquellen mit der noumltigen kleinen Messunsicherheit

1 Einfuumlhrung

Mehr als 11 der elektrischen Energie werden heute in Deutschland fuumlr Beleuchtung einge-setzt Tendenz steigend Daher ist der Lichtstrom oumlkonomisch gesehen die wichtigste photometri-sche Groumlszlige Es ist notwendig seine Einheit das Lumen (lm) direkt von der SI-Basiseinheit fuumlr die Lichtstaumlrke der Candela (cd) abzuleiten Dies geschieht regelmaumlszligig mittels Goniophotometrie um den Lichtstrom der zu untersuchenden Licht-quelle zu bestimmen Obwohl auch absolut arbei-tende Ulbricht-Kugel-Methoden existieren [1] benoumltigen diese streng genommen zumindest die relative raumlumliche Lichtstaumlrkeverteilung welche nur durch goniophotometrische Methoden messbar ist

Das Prinzip der Goniophotometrie ist unabhaumln-gig von der technischen Realisierung der unter-schiedlichen Goniophotometertypen Ein Gonio-photometer misst die raumlumliche Verteilung der Beleuchtungsstaumlrke E(r ϑ φ) auf einer geschlosse-nen Huumlllflaumlche mittels V(λ)-angepasstem Pho-tometer fuumlr alle Richtungen (ϑ φ) der Lichtaus-strahlung im vollen Raumwinkel (4π sr) um die Lichtquelle herum wie Bild 1 zeigt

Der Radiusvektor r(ϑ φ) beschreibt die Position des Photometers in Kugelkoordinaten und r(ϑ φ) durchstoumlszligt das zur Lampe gerichtete Eintrittsfens-ter immer orthogonal Der Radiusvektor r(ϑ φ) beschreibt auch die Entfernung zwischen Lampe und Photometer

Der Winkel ϑ beschreibt die Position des Photometers zwischen den Polen traditionell im Bereich (0 lt ϑ lt π) Der Winkel φ beschreibt die Photometer-Position in der Aumlquator-Richtung

Matthias Lindemann Arbeitsgruppe bdquoGoniophotometrieldquo EshyMail matthiaslindemannptbde

Bild 1 Beleuchtungsstaumlrke E als Funktion des Radiusvektors r(ϑ φ)

19

PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4 Kurze Geschichte der Goniophotometrie in der PTB

(0 lt φ lt 2π) Der Wert des Lichtstroms Φ der Lampe kann aus der Beleuchtungsstaumlrkeverteilung E(ϑ φ) berechnet werden entweder aus der Licht-staumlrkedefinition I = dΦdω oder aus der Defini-tion der Beleuchtungsstaumlrke E = dΦdΑ

Φ = ( )int I ϑ ϕ ω4πsr

d (1)

Φ = ( )int E Ar

ϑ ϕ4 2π

d (2)

Das Raumwinkelelement dω der Gleichung (1) ist gegeben durch

d sin d dω ϑ ϑ ϕ= ( ) (3)

und das Flaumlchenelement dA der Gleichung (2) erhaumllt man aus

d sin d dA r= ( ) ( )2 ϑ ϕ ϑ ϑ ϕ

(4)

Der Radius r des Radiusvektors r(ϑ φ) kann als Konstante behandelt werden da er sich gewoumlhn-lich waumlhrend einer goniophotometrischen Messung nicht aumlndert Dann kann die Lichtstaumlrke-verteilung I(ϑ φ) durch Anwendung des photome-trischen Grundgesetzes aus der Beleuchtungsstaumlr-keverteilung E(ϑ φ) bestimmt werden

I r Eϑ ϕ ϑ ϕ ( ) = ( )2 (5)

Falls die photometrisch wirksame Ausdehnung rL der zu messenden Lampe deutlich kleiner ist als der Messradius r des Goniophotometers ist kann Gleichung (1) mit Gleichung (3) und r = const wie folgt geschrieben werden

Φ = ( ) ( )intintr E2

00

2

d sin dϕ ϑ φ ϑ ϑππ

(6)

Andererseits fuumlhrt Gleichung (2) mit Glei-chung (4) und r = const ebenfalls auf Gleichung (6) Aber fuumlr groszlige Lampen koumlnnte die Anwen-dung von Gleichung (5) zu fehlerhaften Ergeb-nissen fuumlhren (rL gt r) aber der ermittelte Wert des Lichtstroms entsprechend Gleichung (6) waumlre korrekt falls das Photometer das einfallende Licht mit dem Kosinus des Einfallswinkels bewertet

2 Geschichte der Goniophotometer- Systeme in der PTB

Wie bereits teilweise in Abschnitt 1 diskutiert sollte ein ideales Goniophotometer eine Reihe von Anforderungen erfuumlllen wie die folgende Auflis-tung zeigt

1 Kalibrierung der Photometer mittels Licht-staumlrke-Normallampen zur Sicherung der Ruumlckfuumlhrung auf die nationale Realisierung der Einheit Candela

2 Ausfuumlhrung einer Relativbewegung zwischen Lampe und Photometer wobei sich ϑ-Achse und φ-Achse rechtwinklig schneiden

3 Verwendung eines V(λ)-angepassten Photo-meters zur Lichtstrommessung

4 Automatische Messdatenanalyse5 Unabhaumlngige Bestimmung des Lichtstromwer-

tes von der raumlumlichenspektralen Verteilung der gemessenen Bestrahlungsstaumlrke Ee(λ ϑ φ) des Lichts

6 Unabhaumlngigkeit der Empfindlichkeit des Pho-tometers von der Umgebungstemperatur bzw Durchfuumlhrung einer entsprechenden Korrektur

7 Beliebige Betriebslage der zu untersuchenden Lampe

8 Einstellbare Umgebungsbedingungen fuumlr Luft-temperatur und Luftfeuchte

9 Geringer Streulichtanteil im Messraum bzw Streulicht-Korrektur

10 Elektrische Antriebe fuumlr die Bewegung der ϑ- und φ-Achsen

11 Verwendung von Farbmesskoumlpfen zur Bestim-mung der raumlumlich wirksamen aumlhnlichsten Farbtemperatur undoder Bestimmung der relativen raumlumlichen spektralen Verteilung der gemessenen Bestrahlungsstaumlrke

12 Messung ohne Bewegung der zu untersuchen-den Lampe

13 Vollstaumlndige Abtastung der Beleuchtungs-staumlrke- bzw Lichtstaumlrkeverteilung der zu untersuchenden Lampe

14 Staumlndige Uumlberwachung des photometrischen Betriebsverhaltens der Lampe um Alterung waumlhrend der Messzeit erkennen bzw korrigie-ren zu koumlnnen (sogenanntes Monitorsystem)

15 Messraumwaumlnde sollen etwa auf Lufttem-peratur sein um den Strahlungsaustausch zwischen Entladungslampen und Waumlnden des Messraums zu stabilisieren

16 Online-Streulichtkorrektur ndash insbesondere fuumlr ausgedehnte Lampen wie Leuchtstofflampen da diese den Einsatz eines Streulichttubus mit groumlszligerem Gesichtsfeld erfordern

17 Die Beleuchtungseinrichtung des Gonio-photometerraums soll zur Messzeit abgedeckt und ausgeschaltet sein um den Streulichtan-teil nicht zu erhoumlhen

18 Variation des Messradius r (Validierung von Nahfeld-Fernfeld-Messungen mit abbilden-den Systemen)

In der Goniophotometrie sind verschiedene Koor-dinatensysteme wie Bild 1a zeigt zu unterscheiden Dies sind regelmaumlszligig das Lampenkoordinatensys-tem Lamp das Raumkoordinatensystem Room und

20

PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4Das Jahr des Lichtes

das Goniophotometerkoordinatensystem bezogen auf dessen Zentrum Center Bild 1a zeigt moumlgliche Offsets zwischen diesen Systemen in Translation und Rotation

Um folgende Betrachtungen und Erklaumlrungen zu vereinfachen werden die genannten Koordina-tensysteme als deckungsgleich angenommen das heiszligt es werden keine Offsets in Translation und Rotationen zwischen den Koordinatensysteme vorausgesetzt

Im Weiteren werden die Eigenschaften Vor- und Nachteile der uumlber Dekaden in der PTB entwi-ckelten und genutzten Goniophotometer unter Beruumlcksichtigung der gewuumlnschten vorstehend gelisteten Eigenschaften diskutiert Es beginnt mit einem einfachen Einarm-Goniophotometer aus den 50er-Jahren des vergangenen Jahrhunderts und endet zumindest vorlaumlufig mit dem State-of-the-art-Roboter-Goniophotometer das 2007 in Betrieb ging

21 Einarm-Goniophotometer (1950ndash1975)

In der Zeit von 1950 bis 1975 wurde ein manuell betriebenes Einarm-Goniophotometer nach Bild 2 benutzt In den 50er-Jahren war diese Messappara-tur noch mit einem visuellen Photometer ausge-stattet Dieses Photometer erlaubte die relative Messung von Beleuchtungsstaumlrken mittels einer im Photometer installierten Hilfslampe in Verbindung mit einem optischen Abschwaumlcher [2 Seite 321] Die Ruumlckfuumlhrung auf die nationale Lichtstaumlrke-Einheit die Candela war durch Kalibrierung des visuellen Photometers mit Lichtstaumlrke-Normal-lampen sichergestellt (dies erfuumlllt Anforderung 1 der Anforderungsliste) entsprechend basieren auch Abstandsmessungen auf der nationalen Laumln-geneinheit dem Meter

Wegen der Lageabhaumlngigkeit der internen Hilfs-lampe im Innern des visuellen Photometer war es an einer festen Stelle der Messapparatur ange-bracht wie Bild 2 zeigt Ein Spiegel-Prismen-Sys-tem leitete das Licht der zu untersuchenden Lampe auf das Photometer Eine detaillierte Beschreibung aumlhnlicher Systeme kann [2 Seite 319] entnommen werden Damit ist Anforderung 2 ebenfalls erfuumlllt

Die vollstaumlndige Bestimmung des Lichtstroms Φ erfordert eine groumlszligere Anzahl Messungen von Beleuchtungsstaumlrken fuumlr ebenso viele manuell eingestellte unterschiedliche Kugelkoordina-ten (ϑ φ) Wird die fiktive Kugel gemaumlszlig Bild 1 in ϑ-Richtung in parallele Zonen eingeteilt und jede dieser Zonen i ist wiederum in n Sektoren j gleicher Laumlnge (Δφ = const) mit den zugehoumlrigen Beleuchtungsstaumlrken Eij unterteilt ist es moumlglich die mittlere Beleuchtungsstaumlrke Endashi jeder Zone i nach Gleichung 7 zu bestimmen

E Ei n i jj

n

==sum1

1 (7)

und der Wert des Lichtstroms Φ ergibt sich weiter aus der numerischen Integration nach Gleichung (8)

Φ = ( )minus ( )( )+

=sum2 2

10

1

πr cos cosϑ ϑi ii

m

iE-

(8)

Die Anzahl der notwendigen Beleuchtungsstaumlr-kemessungen haumlngt von der raumlumlichen Lichtver-teilung der zu untersuchenden Lampe ab Wegen der manuellen Einstellung des groszligen Arms (ϑ) der Drehung der Lampe (φ) und des gleichfalls noumltigen manuellen Abgleichs des visuellen Pho-tometers ist diese Methode sehr zeitaufwendig Sollen beispielsweise 600 Punkte gemessen werden (aus heutiger Sicht also nicht besonders viele) und man benoumltigt ca 25 Sekunden pro Messung werden also mehr als 4 Stunden benoumltigt um eine

Bild 1a Koordinatensysteme

Bild 2 Einarm-Go-niophotometer 1950ndash1975

21

PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4 Kurze Geschichte der Goniophotometrie in der PTB

Lampe mit relativ homogener raumlumlichen Licht-verteilung zu messen

In 1963 wurde ein internationaler Lichtstrom-vergleich auf der Basis von Entladungslampen ohne Fluoreszenzstoff durchgefuumlhrt Diese Lampen wiesen eine massive Inhomogenitaumlt ihrer raumlumlichen Lichtverteilung auf sodass die beschriebene manuelle Methode wegen der noumltigen hohen Anzahl von Messpunkten nicht praktikabel war Zur Loumlsung dieses Problems in [3] beschrieben wurde das visuelle Photometer durch einen grob an V(λ)-angepassten Photover-vielfacher ersetzt zusaumltzlich wurde die φ-Achse mit einem elektrischen Antrieb versehen und ein Praumlzisionskondensator ermoumlglichte die analoge Integration des Photostroms des Photovervielfa-chers Damit konnte fuumlr jede der erforderlichen ϑ-Einstellungen des groszligen Arms der elektri-sche Antrieb der φ-Achse diese mit konstanter Winkelgeschwindigkeit rotieren lassen waumlhrend der Praumlzisionskondensator den Photostrom des Photovervielfachers integrierte Nach etwa t = 5 min fuumlr eine Umdrehung repraumlsentierte die Ladung Q = C middot U des Praumlzisionskondensators die mittlere Beleuchtungsstaumlrke

E k C Uti = sdot (9)

dieser gemessenen Zone i Daraus berechnet sich der Lichtstrom wiederum gemaumlszlig Gleichung (8) Es ist nicht noumltig das Produkt k ∙ C exakt zu kennen da dies uumlber das Kalibrierverfahren durch die bekannte Beleuchtungsstaumlrke einer Lichtstaumlrke-Normallampe eliminiert werden kann es muss lediglich uumlber die gesamte Messzeit hinweg kons-tant sein

Spaumlter in den 1960er-Jahren wurde auch das visuelle Photometer durch ein modernes V(λ)-angepasstes Photometer basierend auf gefilterten Silizium-Photodioden in Kombination mit einen PhotostromSpannungswandler und einem xy-Plotter ersetzt Man erhielt so die Beleuchtungs-staumlrkeverteilung jeder Zone die sich dann leicht mit grafischen oder numerischen Verfahren inte-grieren lieszlig Es wird spaumlter gezeigt werden dass diese verwendete bdquoanaloge Zonenintegrationldquo sehr aumlhnlich der heutigen digitalen zonalen Bewertung ist

Diese letzten 2 Verbesserungen erfuumlllen die Anforderung 3 und teilweise auch die Anforde-rung 4

22 Kardan-Goniophotometer (1976ndash2007)

Das existierende Einarm-Goniophotometer war immer auf eine bdquohelfende Handldquo angewiesen um es von Punkt zu Punkt zu bewegen Die anschlie-szligende Berechnung des Lichtstroms wurde grund-saumltzlich ebenfalls haumlndisch ausgefuumlhrt Dieses Ver-

fahren war dementsprechend sehr zeitaufwendig und der zunehmende Wunsch der Industrie auch groszlige Objekte wie z B lange Leuchtstofflampen aber spaumlter auch sehr kleine Mikrolampen und erste LEDs zu kalibrieren fuumlhrte zur Entwicklung sogenannter Kardan-Goniophotometer ver schie-dener Ausfuumlhrungen

221 Groszliges Kardan-Goniophotometer

Nach der intensiven Umgestaltung einiger Raumlume im Koumlsters-Bau der PTB war es moumlglich im neuen Goniophotometerraum (7 x 10 x 8 m3) das Kar-dan-Goniophotometer [4] zu installieren Bild 3 zeigt das groszlige Kardan-Goniophotometer Am Bildoberrand ist eine zu kalibrierende stabfoumlrmige Leuchtstofflampe zu sehen

Dieser Raum war zusaumltzlich auch mit einer geregelten elektrischen Heizung ausgestattet um die geforderten Messbedingungen bezuumlglich Umgebungstemperatur einstellen zu koumlnnen Im Prinzip besteht ein Kardan-Goniophotometer wie in Bild 4 gezeigt aus 3 Rahmen wobei der aumluszligere α-Rahmen der raumlumlichen Ausrichtung (durch Drehung um die y-Achse) der zu untersu-chenden Lampe dient Innerhalb dieses aumluszligeren α-Rahmens ist der mittlere φ-Rahmen endlos drehbar um die z-Achse gelagert Der innere ϑ-Rahmen ist wiederrum drehbar im φ-Rahmen gelagert jedoch ist seine Bewegung auf knapp 180deg durch den noumltigen Lampenhalter begrenzt Alle 3 Rahmen sind mechanisch ausgeglichen und mit elektrischen Antrieben versehen Ihre Rotationsgeschwindigkeiten waren per 10-Gang-Praumlzisionspotentiometer einstellbar eine Folge der angewandten analogen Regelung der Achsan-triebe Die Winkelbestimmung der Achsen erfolgte mittels 13-bit-Winkelencodern Das Photometer war am ϑ-Rahmen (Bild 4) platziert und ermoumlg-lichte so einen festen Messradius von 2500 mm Es bestand die Moumlglichkeit ein zweites Photometer

Bild 3 Kardan-Goniophotometer 1976ndash2007

22

PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4Das Jahr des Lichtes

oder einen Farbmesskopf auf der gegenuumlberliegen-den Seite des ϑ-Rahmens einzusetzen

In diesem Fall war der Arbeitsbereich limitiert im Bereich 4deg lt ϑ lt 176deg da jeweils Lampenhalter von rechts und links zur Aufnahme einer beispiels-weise stabfoumlrmigen Leuchtstofflampe eingesetzt werden konnten (siehe auch Bild 3) Im Falle von einseitig gesockelten Lampen wurde meist nur ein PhotometerFarbmesskopf verwendet was eine Drehung der gegenuumlberliegenden Messkopf-aufnahme um 90deg ermoumlglichte Diese sogenannte bdquoKroumlpfungldquo lieszlig dann Raum fuumlr den nun einseiti-gen Lampenhalter und der Arbeitsbereich vergrouml-szligerte sich zu 0deg lt ϑ lt 176deg

Entsprechend der Gleichung (6) muss die gemessene Beleuchtungsstaumlrkeverteilung uumlber den vollen Raumwinkel 4π sr zum Wert des Licht-stroms integriert werden So ist es naheliegend digitale uumlber die Zeit integrierende Methoden zur Erfassung und Speicherung der gemessenen Beleuchtungsstaumlrkewerte zu verwenden Bild 5 zeigt den Signalfluss Sowohl Photometer- undoder Farbmesskopf als auch Photostrom-Fre-

quenz-Wandler waren temperaturstabilisiertDer Photostrom des Photometers mit seiner

photometrischen Empfindlichkeit s normalisiert auf die CIE-Lichtart A wird mittels Ruumlckkopp-lung Rg eines Photostromverstaumlrkers in eine Spannung U gewandelt und weiter durch einen Spannungs-Frequenzwandler in eine Frequenz f mit dem zugehoumlrigen Wandlungsfaktor wf kon-vertiert Diese Frequenz wird letztlich von einem digitalen Zaumlhler kontinuierlich gezaumlhlt Simultan wird die Quarz-Frequenz fq durch einen zweiten digitalen Zaumlhler erfasst um waumlhrend der spaumlteren Datenanalyse die urspruumlnglichen Photostroumlme berechnen zu koumlnnen Diese Methode stellt damit die schon erwaumlhnte Signal-Zeit-Integration sicher

Die die zu untersuchende Lampe umgebene fiktive Kugel ist wie Bild 5 zeigt in Zonen und Sektoren unterteilt Infolge der analogen Geschwindigkeitsregelung der zwei bewegten Rahmen sind positive und negative Beschleu-nigungsphasen am Anfang und am Ende einer vollstaumlndigen Abtastung und Lastreaktionen des rotierenden Systems und die damit verbundenen geringen Gleichlaufschwankungen unvermeid-bar Die Unterteilung jeder Zone in Sektoren mit der Laumlnge Δφj als Gewichtung reduziert jedoch diesen Einfluss Damit berechnet sich die mittlere Beleuchtungsstaumlrke Endashi nach Gleichung (10)

Es w R

fyt

fjj

ni j

i j=

sdot sdot sdot( )sdot sdot minus

=sum1

2 10

πϕ

f gq∆∆

∆

(10)

mit der Dunkelfrequenz f0 (Photometer abgeschat-tet) und den Differenzsignal-Zaumlhlungen Δyi j und den Differenzzeit-Zaumlhlungen Δti j jeweils vom Sek-toranfang bis zum Sektorende Wiederum koumlnnte der Lichtstrom nach Gleichung (8) bestimmt werden jedoch werden jetzt noch Korrekturfakto-ren fuumlr das Streulicht cstr der spektralen Fehlanpas-sung des Photometers cspec und Abweichungen von den nominalen elektrischen Betriebsbedingungen celec eingefuumlhrt wie nun Gleichung (11) zeigt

Φ = sdot sdot sdot sdot minus( ) sdot+=

minus

sumc c c r Ei ii

m

istr spec elec cos cos2 21

0

1

π ϑ ϑ

(11)

Im Verlauf einer Lichtstrommessung werden neben dem Photometer auch die Waumlnde des Messraums von der zu untersuchenden Lampe beleuchtet Diese Beleuchtung wird ebenfalls vom im Goniophotometer verwendeten Photometer bdquogesehenldquo und fuumlhrt zu einer Streubeleuchtung auf dem Lichteintrittsfenster dieses Photome-ters Diese Streubeleuchtung haumlngt einerseits vom Reflexionsgrad der verwendeten Wandfarbe (ρ asymp 3 ) und vom Gesichtsfeld des sich vor dem

Bild 4 Groszliges Kardan-Goniophotometer 1976ndash2007

Bild 5 Signalfluss

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PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4 Kurze Geschichte der Goniophotometrie in der PTB

Photometer befindlichen Streulichtreduzierungs-tubus ab Daher muss fuumlr jeden eingesetzten Tubus mit seinem individuellen Gesichtsfeld der wirksame spezifische Streulichtkorrekturfaktor cstr bestimmt werden Diese koumlnnen ermittelt werden indem Blenden mit unterschiedlichen Durchmes-sern zwischen der zu untersuchenden Lampe und dem Photometer waumlhrend normalen Lichtstrom-messungen positioniert werden Eine detaillierte Beschreibung kann [5] entnommen werden

Die technische Realisierung eines Photometers ist immer nur eine Naumlherung fuumlr V(λ) Dies bedeu-tet dass im Prinzip in allen Faumlllen diese spektrale Fehlanpassung korrigiert werden muss Allgemein kann der spektrale Korrekturfaktor cstr fuumlr alle Lampen mit beliebiger Strahlungsfunktion S(λ) nach Gleichung (12) bestimmt werden

cV S

s S

V P T

s Pspek

rel

A

rel

d

d

d=

( )sdot ( )( ) sdot ( )

( ) sdot ( )( ) sdot

intint

intint

λ λ λ

λ λ λ

λ λ λ

λ

λλ λTA d( )

(12)

Hierzu ist jedoch die Kenntnis der relativen spektralen Empfindlichkeit srel(λ) des Photome-ters notwendig P(λ TA) bezeichnet dabei einen Planckstrahler mit einer Verteilungstemperatur von TA = 2856 K

Im Fall von Gluumlhlampen ist ein etwas einfache-rer Weg fuumlr diese Korrektur ohne die Kenntnis von srel(λ) moumlglich Gleichung (13) beschreibt die Abhaumlngigkeit der Beleuchtungsstaumlrke E(T) von der Verteilungstemperatur T

E Ty T

sTT

m

( ) = ( )

A

y

(13)

eines gemessenen Photostroms y(T) und der pho-tometrischen Empfindlichkeit s des Photometers fuumlr Lichtart A Eine charakteristische Eigenschaft des Photometers ist der Exponent my bdquoyldquo indiziert den Exponent fuumlr ein V(λ)- angepasstes Photome-ter oder den y-Kanal eines Dreibereichsfarbmess-kopfes wobei die anderen Kanaumlle unterschiedliche Werte fuumlr diese Exponenten haben Ein ideales Photometer wuumlrde einen Wert von 0 fuumlr diese Exponenten aufweisen Beispielsweise beschreibt my = 0018 ein qualitativ durchaus gutes Photo-meter Der Exponent my (und auch mx und mz) koumlnnen aus einem Fit bekannter Paare (E(T) T) einer Lichtstaumlrke-Normallampe bei verschiedenen Arbeitspunkten wie in [6 7] beschrieben gefun-den werden Damit kann der Korrekturfaktor cspec fuumlr Gluumlhlampen wie folgt geschrieben werden

c TT

my

specA

=

(14)

Werden Gluumlhlampen in der Naumlhe von CIE-Licht-art A betrieben ist die Korrektur auf elektrische Nominalbedingungen celec ebenfalls nach Glei-chung (15) sehr einfach da der Lichtstrom eine Funktion des Betriebsstroms J ist

c JJ

m

elec

J

=

minus

0 (15)

Hier ist J0 der Nominalstrom und mJ cong 684 Mehr Information kann in [7] gefunden werden

Die Datenanalyse fuumlr einen Dreibereichsfarb-messkopf erfolgt in gleicher Weise und man erhaumllt die Normfarbwertanteile (x y) aus den Gleichun-gen (16 17)

x =+ +Φ

Φ Φ ΦX

X Y Z (16)

y =+ +Φ

Φ Φ ΦY

X Y Z (17)

Leider konnten nur der Lichtstrom und die zuge-houmlrigen Normfarbwertanteile bestimmt werden da aufgrund der geringen Speichermoumlglichkeit der verwendeten Computertechnik die raumlumliche Information verlorenging

Daher wurden im Jahre 1991 alle Computer Analogsysteme die Verdrahtung und viele weitere Elemente durch moderne Ausruumlstung ersetzt Von nun an konnten alle Rohdaten mittels geeigneter Speichermedien dauerhaft bewahrt werden Das galt auch fuumlr groszlige Datenmengen des ab 1997 eingesetzten Array-Spektrometers zur Messung der relativen spektralen Leistungsverteilung der Strahlung synchron zur Lichtstrombestimmung Leider wiesen Photometer und Einkoppeloptik des Array-Spektrometers unterschiedliche Gesichtsfel-der auf und hatten etwas unterschiedliche Positi-onen auf dem Goniophotometer was die Daten-analyse komplizierte Dennoch konnten erstmalig raumlumliche spektrale Informationen uumlber zu untersuchende Lampen ermittelt werden Damit erfuumlllte das groszlige Kardan-Goniophotometer in seiner Ausbaustufe von 1997 die Anforderungen 1ndash14 aus Abschnitt 2 Die relative erweiterte Mes-sunsicherheit fuumlr den Lichtstrom fuumlr k = 2 betrug jetzt 060

222 Kleines Kardan-Goniophotometer

Fuumlr die Messung kleiner Lampen und LEDs wurde in den fruumlhen 1980er-Jahren ein dem groszligen Kardan-Goniophotometer sehr aumlhnliches kleines Kardan-Goniophotometer mit einem Messra-dius von nur 300 mm entwickelt hergestellt und

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PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4Das Jahr des Lichtes

betrieben Das Foto in Bild 6 zeigt dieses seinerzeit sogenannte bdquoMini-Goniophotometerldquo

Die Messtechnik entsprach nahezu vollstaumln-dig dem groszligen Kardan-Goniophotometer bis hin zum Signalfluss einschlieszliglich Spannungs-Frequenzwandler und nachgeschalteten Zaumlhlern Damit sind alle Aspekte dieser Apparatur bereits in Abschnitt 221 diskutiertIm Jahre 2007 wurde dieses Instrument durch ein spezielles Goniophotometer fuumlr die Messung von LEDs ersetzt siehe auch Kapitel Metrologie fuumlr moderne Lichtquellen LEDs und OLEDs [10]

23 Roboter-Goniophotometer (2006 bis heute)

Am Ende der 1990er-Jahre wurde die Planung eines neuen Goniophotometertyps mehr und mehr konkret Nahezu gleichzeitig entschied sich die PTB fuumlr den Neubau eines modernen Gebaumludes fuumlr die Abteilung Optik dem heutigen Albert-Einstein-Bau Infolge dieses Zusammentreffens

beider Ereignisse konnte bei der Planung das neue Gebaumlude quasi um das neue Roboter-Goniopho-tometer herum geplant und spaumlter auch so gebaut werden

In 19951996 zeigte G Sauter dass Gonio-photometrie mittels Robotern moumlglich ist und erhebliche Vorteile gegenuumlber den bisher verwendeten Kardan-Goniophotometern auf-weist [8] Wie weiterhin in [8] beschrieben sind sogenannte Service-Roboter gut geeignet um ein Roboter-Goniophotometer zu realisieren Diese zeichnen sich durch eine schlanke Konstruktion mit langen Armen bei gleichzeitig relativ gerin-gem Gewicht aus Sie verfuumlgen uumlber eine hohe Flexibilitaumlt um beispielsweise ein Photometer auf gewuumlnschten Bahnen mit unterschiedlichen Radien (1000 mm lt r lt 3000 mm) auf der fiktiven Kugeloberflaumlche um die Lampe herumzufuumlhren Jeder Roboter verfuumlgt uumlber 7 Freiheitsgrade (engl seven degrees of freedom 7 DOF) Dies garantiert die notwendige Flexibilitaumlt und das erforderli-che Arbeitsvolumen Zur Abdeckung des vollen Raumwinkels 4π sr sind daher 2 der beschriebenen Roboter notwendig Ein dritter aumlhnlicher Roboter positioniert dabei die zu untersuchende Lampe in der gewuumlnschten Brennstellung im Raum Alle Roboter-Basen sind direkt mit dem Stahlbeton des Gebaumludes verbunden um eine langzeitstabile raumlumliche Positionierung der Roboter zu gewaumlhr-leisten Bild 8 zeigt das Roboter-Goniophotometer waumlhrend der Messung einer LED-Signalleuchte

Im Gegensatz zu Kardan-Goniophotometern ist der Messradius variabel in dem alle 7 Achsen in entsprechende Positionen gebracht werden Wegen der groszligen Redundanz eines 7-DOF-Roboters kann die Zielposition einschlieszliglich Orientierung durch eine sehr groszlige Anzahl unter-schiedlicher Einstellungen der 7 Achsen erreicht werden Daher wird eine Strategie benoumltigt um die jeweilige Achs einstellung zu finden Diese

Bild 6 Kleines Kardan-Goniophotometer 1982ndash2007

Bild 7 Arm des Roboter-Goniophotometers

Bild 8 Roboter-Goniophotometer 2006 bis heute

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PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4 Kurze Geschichte der Goniophotometrie in der PTB

Strategie ist relativ simpel Sie besagt dass alle Achseinstellungen derart gefunden werden dass saumlmtliche Bestandteile des Roboters einen maxi-malen Abstand zum Zentrum des Roboters haben sollen um das von der Roboterstruktur reflektierte Streulicht moumlglichst gering zu halten Eine beson-dere Software ist notwendig um alle Achswinkel ausgedruumlckt in counts jedes Winkelencoders fuumlr jede Achse zu bestimmen um die gewuumlnschten Kugelkoordinaten (r ϑ φ) anzufahren Waumlhrend der Messung der zu untersuchenden Lampe liest das Roboter-Kontrollsystem alle 10 ms diese counts jeder Achse und versucht jede Achse entsprechend diese Vorgabe einzustel-len Nach dieser Einstellung welche fuumlr alle 7 Achsen gleichzeitig erfolgt werden die Ist-Winkel jeder Achse wiederum in counts synchron gelesen und mit den zugehoumlrigen photo-metrischen Daten und elek trischen Daten des Lampenbetriebs in eine Datenbank gespeichert Prinzipiell ist der Signal-fluss dem des in Abschnitt 221 beschriebenen groszligen Kardan-Goniophotometers sehr aumlhnlich Aber es gibt ein zusaumltzliches wichtiges Element den sogenannten Zeitstempel Da ein weit verteiltes Datenerfassungssystem vorliegt wird ein Mecha-nismus zur Datensynchronisierung in Form eines 1-Mhz-Taktes verwendet Dieser ist im gesamten System verfuumlgbar Beim Messungsstart synchron gestartete Zaumlhler erlauben daher die spaumltere Synchronisierung aller angefallenen Daten Wie beschrieben ist die Position jeder Achse und damit die Position und Orientierung des Photometers das Ergebnis eines Regelprozesses Somit ist es not-wendig die tatsaumlchliche Position und Orientierung des Photometers aus den gespeicherten Daten der Winkelencoder zu berechnen

In der Robotik ist es uumlblich einen Roboter des

verwendeten Typs wie eine biegesteife mechani-sche Kette mit sogenannten Denavit-Hartenberg-Parametern (DH-Parameter) zu beschreiben [9] Die Tabelle 1 zeigt diese DH-Parameter am Beispiel des Roboters 1

Mit diesen Parametern und den aktuellen Winkeln θi fuumlr jede Achse ist die Berechnung der Position bzw Orientierung der siebten Achse in Basis-Koordinatensystem des Roboters moumlglich Hierzu werden 7 Matrizen nach Gleichung (18) ver-wendet Jede Matrize beschreibt die Position (blau) und Orientierung (gruumln) jeder einzelnen Achse

Die PositionierungOrientierung der Achse 7 ergibt sich aus dem Vektorprodukt T1 T2 T3 T4 T5 T6 T7

Um jedoch die Koordinaten in Bezug auf das Koordinatensystem der fiktiven Kugel zu erhalten muumlssen 2 weitere aumlhnliche Matrizen verwendet werden Die sogenannte Base Frame Matrix F beschreibt die Positionierung und Orientierung des Roboter-Koordinatensystems zum Koor-dinatensystem der fiktiven Kugel waumlhrend die Matrix W die Positionierung und Orientierung des Photometers zur Achse 7 beschreibt Nun laumlsst sich die Position und Orientierung des Photome-ters P im Koordinatensystem der fiktiven Kugel mit Gleichung (19) beschreiben

P = F T1 T2 T3 T4 T5 T6 T7 W (19)

axisi Δθi offset to rotation around Z-axis

αi rotation around X-axis

di

translation in Z-axis

αi

translation in X-axis

1 ndash1438deg 45024deg 0000 mm ndash0400 mm

2 191088deg ndash90026deg 2686322 mm 0696 mm

3 178585deg 89996deg 274088 mm 0781 mm

4 6229deg ndash90022deg 1410499 mm 0474 mm

5 ndash0141deg ndash89955deg 173036 mm ndash0779 mm

6 ndash0924deg 90032deg 1191007 mm 0223 mm

7 180443deg 90007deg 91130 mm 0000 mm

Tabelle 1 DH-Parameter von Roboter 1

T

a

i

i i i i i i i i i i i

=

+( ) minus +( ) +( ) +cos sin cos sin sin cos∆ ∆ ∆ ∆θ θ θ θ α θ θ α θ θ(( )+( ) +( ) minus +( ) +sin cos cos cos sin sin∆ ∆ ∆ ∆θ θ θ θ α θ θ α θ θi i i i i i i i i i ia (( )

00 0 0 1

sin cosα αi i id

(18)

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PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4Das Jahr des Lichtes

Bild 9 zeigt die Achsenkoordinatensysteme (17) das Base-Frame-Koordinatensystem und das Koordinatensystem des Photometers zur Achse 7 in schematischer Weise Das Koordinatensys-tem der fiktiven Kugel faumlllt mit dem Zentrum des Goniophotometers zusammen und wird mit Center bezeichnet P ist jetzt auf dieses Center-Koordinatensystem bezogen Zusaumltzlich ist eine typische Bahn eingezeichnet Wegen des aller-dings nicht dargestellten Lampenhalters ist diese Bahn im oberen Bereich verdichtet um eine Kollision mit dem Lampenhalter zu vermeiden Wie bereits erwaumlhnt setzt die Verwendung von Gleichung (19) einen biegesteifen Roboter voraus der in der Praxis nicht existiert P ist also von statischen Gewichtskraumlften des Roboters dyna-mischen Kraumlften infolge der Bewegung als auch von thermischen Laumlngenaumlnderungen uumlberlagert Daher muss Gleichung (19) um eine entspre-chende Korrektur C erweitert werden Glei-chung (20) zeigt nun das endguumlltige Modell zur Bestimmung von P

wobei C

t tT Rθ θ

θ θ1 7

1 7 dd

dd amb

diese finale Korrektur basierend auf den Winkeln θ1θ7 aller Achsen ihren zeitlichen Ableitungen

dd

dd

θ θ1 7

t t

und der Umgebungstemperatur Tamb beschreibt

Der letzte Parameter R steht fuumlr einen groszligen Datensatz und beschreibt Eigenschaften des Roboters wie Abmessungen Teilmassen usw Die Berechnung von C() ist aufwendig und wurde vom Hersteller des Roboters ausgefuumlhrt Aus Gruumlnden des Wettbewerbs muss diese Berechnung vertrau-lich behandelt werden und kann daher hier nicht veroumlffentlicht werden Jedoch kann die Wirkung von C() beispielhaft auf den Messradius mitgeteilt werden (siehe Bild 10)

Die noumltige Radiuskorrektur rcorr bewegt sich im Bereich ndash2 mm lt rcorr lt 3 mm je nach Position (θ φ) des Photometers Der Aumlquatorbereich benouml-tigt eine groumlszligere Korrektur infolge hier wirksamer groumlszligerer Zentrifugalkraumlfte als die Polregion Der Radius selbst laumlsst sich dann aus der Positionssub-matrix von P bestimmen

Der Signalfluss stimmt im Wesentlichen mit dem wie in Bild 5 gezeigt uumlberein Prinzipiell kann der Lichtstrom mit den Gleichungen (11) und (10) berechnet werden da aber nun 2 Photometer benutzt werden muss dies fuumlr jede Hemisphaumlre also fuumlr jeden Roboter separat geschehen Die Gleichungen (21) und (22) demonstrieren das

Bild 9 Koordinatensystem des Roboter-Gonio-photometers und Beispielbahn

P Ct t

T R F T T T T T T=

sdot sdot sdot sdot sdot sdot sdot sdotθ θ

θ θ1 7

1 71 2 3 4 5 6

dd

dd amb TT W7 sdot

(20)

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fuumlr Roboter 1 Der Radius r1i befindet sich dabei innerhalb der Summation von Gleichung (22) Das Roboter-Goniophotometer ist zusaumltzlich mit einem Monitorphotometer ausgeruumlstet Dieses Photometer wird waumlhrend der Messung nicht bewegt ist aber staumlndig von einem fixen Punkt aus auf die zu untersuchende Lampe gerichtet und erlaubt somit die Korrektur einer moumlglichen Alterung der Lampe waumlhrend des Messprozesses als Funktion der Zeit (cmon(t1i))

Es w R

fyt

fi jj

ni j

i j1

1 1 11

1

1

11 0

12

1

=

( )sdot minus

=sumπ

ϕf g

q∆∆

∆

(21)

Φ1 1 1 12

1 1 1 12= sdot sdot sdot sdot ( ) sdot minus( )+c c r c ti i i ii

str spec mon cos cosπ ϑ ϑ==

minus

sum sdot0

1

1

1m

iE

(22)

Roboter 2 wird in gleicher Weise behandelt und der Lichtstrom ergibt sich somit aus der Summe von Φ1 und Φ2 korrigiert mit dem elektrischen Korrekturfaktor celec aus Gleichung (15)

Φ Φ Φ= sdot +( )celec 1 2 (23)

Die Bestimmung der Streulichtkorrektur cstr unter-scheidet sich methodisch von jener des Kardan-Goniophotometers Es ist schwierig Blenden zwischen Photometer und Lampe zu positionieren wie in [5] beschrieben Hier wird die Streulicht-korrektur cstr direkt aus der Leuchtdichteverteilung auf den Waumlnden des Messraums bestimmt Mit der Kenntnis der geometrischen und photometrischen Eigenschaften des Raumes der raumlumlichen Licht-staumlrkeverteilung der Lampe und dem verwendeten Streulichttubus vor dem Photometer lieszlige sich die Streulichtkorrektur cstr berechnen Hier jedoch wird diese Korrektur mit sogenannten Back-Loo-king-Photometern bestimmt [11]

Bild 11 zeigt ein Foto der bdquoRoboterhandldquo mit mon-tiertem Photometer und Back-Looking-Photometer Letzteres ist ein wenig schraumlg ausgerichtet um nicht im Bereich des Schattenwurfs des Photome-ters auf den Waumlnden zu messen

Bild 12 zeigt beispielhaft eine typische in finite Flaumlchenelemente gerasterte Streulichtsituation im Goniophotometermessraum wie sie durch die zu untersuchende Lichtquelle generiert wird Dieses Beispiel arbeitet mit finiten Flaumlchen der Groumlszlige 05 m middot 05 m um die Flaumlchen sichtbar zu machen Zur realen Berechnung werden Flaumlchen der Groumlszlige 01 m middot 01 m verwendet Natuumlrlich ist der Streulichtanteil auf der aktiven Flaumlche des

Bild 10Wirkung der Radiuskorrektur

Bild 11 Photometer (links) und Back-Looking-Photometer (rechts)

Bild 12 Wirkung des Streulichts und seine Bestimmung

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PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4Das Jahr des Lichtes

Photometers eine Funktion des Gesichtsfeldes des jeweils verwendeten Streulichttubus vor dem Photometer Derzeit werden 2 Tuben je nach Groumlszlige der Lichtquelle mit Oumlffnungswinkeln von ca 15deg und ca 225deg verwendet Ihre typischen Korrekturwerte betragen etwa 09995 und 09990 Da jeder Messroboter mit diesem Back-Looking-Photometer ausgeruumlstet ist kann so der Streulicht-anteil fuumlr jedes Photometer bestimmt werden Da die Back-Looking-Photometer bdquoruumlckwaumlrtsldquo gerichtet sind wird also jeweils die Streulichtkorrektur fuumlr den gegenuumlberliegenden Messroboter bestimmt Damit ist es moumlglich den Wert des Lichtstroms mit zugehoumlriger Messunsicherheit zu bestimmen Tabelle 2 illustriert Ergebnisse einer vereinfachten Monte-Carlo-Simulation (MC) am Beispiel einer OSRAM-Wi4-Lichtstrom-Normallampe Ihre Lichtstaumlrkeverteilung ist in Bild 13 wiedergegeben

Die MC basiert auf den folgenden Gleichun-gen (24) Werte der wichtigsten Beitraumlge zur Mes-sunsicherheit koumlnnen der Tabelle 2 entnommen werden Eine detailliertere Beschreibung der Roboter und Analyse der Messunsicherheit kann [12] entnom-men werden

Bild 13 Raumlumliche Lichtstaumlrkeverteilung einer OSRAM-Wi4-Lichtstrom-Normallampe

Quantity Symbol Value Uncertainty Unit Sensitivity Contribution lm Relative contribution

Luminous responsivity 1 s1 3065E-10 9195E-13 A lxndash1 188E+12 173 000150

Luminous responsivity 2 s2 4111E-10 12333E-12 A lxndash1 143E+12 177 000153

Spectral matching exponent 1 m2 y 0021 0015 1 20 030 000026

Spectral matching exponent 2 m2 y 0036 0015 1 18 027 000023

CCT or distribution temperature T 2762 10 K 0012 012 000011

Uncertainty in r Δr 0000 00020 m 901 180 000156

Calibration factor for frequency F cFH 1000 00005 1 1141 057 000049

Calibration factor for frequency ƒ cFD 1000 00050 1 104 005 000005

Voltage to frequency converter 1 w1 f 500849 25 Hz Vndash1 0012 031 000027

Voltage to frequency converter 2 w2 f 500561 25 Hz Vndash1 00118 029 000026

Amplification gain 1 R1 g 1000E+09 99996 Ω 6223E-07 006 000005

Amplification gain 2 R2 g 9997E+08 99966 Ω 5430E-07 005 000005

Calibration factor for cmon ccm 1000 00005 1 1162 058 000050

Correction factor for stray light cstr 09995 00005 1 1134 057 000049

Luminous flux Φ 11541 327 00028

Tabelle 2 Unsicherheitsbudget

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PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4 Kurze Geschichte der Goniophotometrie in der PTB

Somit ergibt sich zurzeit eine erweiterte Mess-unsichert von 056 fuumlr k = 2 Dies entspricht etwa der Messunsicherheit welche mit dem groszligen Kardan-Goniophotometer erreichbar war Im Unterschied zum Kardan-Goniophotometer (fester Messradius) verfuumlgt das Roboter-Goniophotometer jedoch uumlber die noumltige hohe Flexibilitaumlt (z B durch Variation des Messradius) die noumltig ist um kuumlnftige Anforderungen erfuumlllen zu koumlnnen Eben diese hohe Flexibilitaumlt fuumlhrt bei der Bestimmung des Messradius zu relativ groszligen Messunsicherheiten Hier koumlnnte die Verwendung einer Lookup-Table oder eine On-Line-Verfolgung mittels Tracer-Syste-men der Bahnen diese Unsicherheit verkleinernMittlerweile ist das Roboter-Goniophotometer voll-staumlndig charakterisiert und wird fuumlr beleuchtungs-staumlrkebasierte Lichtstromkalibrierungen und auch fuumlr internationale Vergleiche eingesetzt Damit werden auch die Anforderungen (15ndash17) erfuumllltIm naumlchsten Schritt wird das Roboter-Goniopho-tometer mit Leuchtdichtemesskameras ausgeruumlstet

werden um es als bdquoNahfeld-Goniophotometerrdquo einzusetzen Es wird dann die direkte Messung der Leuchtdichteverteilung erlauben aus welcher nahezu alle noumltigen photometrischen Groumlszligen abgeleitet werden koumlnnen Dieser kuumlnftige Schritt wird dann auch den letzten Punkt (18) der Anfor-derungen erfuumlllen

3 Zusammenfassung

Die Geschichte der Goniophotometrie in der PTB uumlber einen Zeitraum von mehr als 50 Jahren wird praumlsentiert Verschiedene Goniophotometer ange-fangen vom manuell bewegten Einarm-Goniopho-tometer mit visuellem Photometer uumlber das groszlige und kleine Kardan-Goniophotometer bis hin zum bdquoState-of-the-art-Roboter-Goniophotometerldquo fuumlr das 21 Jahrhundert werden beschrieben Das Letztere hat das Potenzial in der traditionellen Betriebsart aber auch im Nahfeldmodus uumlber viele Jahre eingesetzt zu werden Neu aufkommende

Quantity Symbol Value Uncertainty Unit Sensitivity Contribution lm Relative contribution

Luminous responsivity 1 s1 3065E-10 9195E-13 A lxndash1 188E+12 173 000150

Luminous responsivity 2 s2 4111E-10 12333E-12 A lxndash1 143E+12 177 000153

Spectral matching exponent 1 m2 y 0021 0015 1 20 030 000026

Spectral matching exponent 2 m2 y 0036 0015 1 18 027 000023

CCT or distribution temperature T 2762 10 K 0012 012 000011

Uncertainty in r Δr 0000 00020 m 901 180 000156

Calibration factor for frequency F cFH 1000 00005 1 1141 057 000049

Calibration factor for frequency ƒ cFD 1000 00050 1 104 005 000005

Voltage to frequency converter 1 w1 f 500849 25 Hz Vndash1 0012 031 000027

Voltage to frequency converter 2 w2 f 500561 25 Hz Vndash1 00118 029 000026

Amplification gain 1 R1 g 1000E+09 99996 Ω 6223E-07 006 000005

Amplification gain 2 R2 g 9997E+08 99966 Ω 5430E-07 005 000005

Calibration factor for cmon ccm 1000 00005 1 1162 058 000050

Correction factor for stray light cstr 09995 00005 1 1134 057 000049

Luminous flux Φ 11541 327 00028

Φ = sdot

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(24)

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PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4Das Jahr des Lichtes

Anforderungen fuumlr die Ruumlckfuumlhrung photome-trischer Einheiten wie beispielsweise im Solid-State-Lighting-Bereich koumlnnen so erfuumlllt werden

Literatur

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PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4Das Jahr des Lichtes

1 Eine einleitende Beschreibung von Gluumlhlampen LEDs und OLEDs

Der Einsatz Licht Emittierender Dioden (LED) in der Allgemeinbeleuchtung hat in den vergangenen Jahren erheblich zugenommen Ein entscheiden-der Vorteil der LED gegenuumlber der traditionellen Gluumlhlampe liegt in ihrer uumlberlegenen Lichtaus-beute ηv ndash dem Verhaumlltnis des emittierten Licht-stroms Φv und der aufgenommenen elektrischen Leistung Pel angegeben in LumenWatt

Dieser Vorteil beruht auf den Unterschieden der zugrunde liegenden Technologien der Lichterzeu-gung beider Lampentypen Bei einer (Halogen-)Gluumlhlampe wird der Gluumlhfaden durch elektrischen Strom auf Temperaturen um 3000 K aufgeheizt Obwohl hierbei fast die gesamte elektrische Leis-tung in Strahlung umgewandelt wird ndash Verluste durch thermische Konvektion oder Waumlrmeleitung sind gering ndash kann das menschliche Auge lediglich einen geringen spektralen Anteil der ungefaumlhr 5 der Gesamtstrahlungsleistung ausmacht wahr-nehmen Der Groszligteil der Strahlungsleistung liegt im infraroten Spektralbereich und kann nicht fuumlr Beleuchtungszwecke genutzt werden In Bild 1 ist die spektrale Verteilung einer Gluumlhlampe bei einer Temperatur von 2856 K im Spektralbereich

von 300 nm bis 1200 nm dargestellt Das sichtbare Licht im Spektralbereich zwischen 360 nm und 830 nm ist mit den entsprechenden Spektralfarben hinterlegt Oberhalb 830 nm beginnt der fuumlr das menschliche Auge unsichtbare infrarote Anteil der Strahlung

Der fuumlr photometrische Messungen normativ festgelegte spektrale Hellempfindlichkeitsgrad V(λ) also die Hellempfindlichkeit des Auges eines bdquoNormalbeobachtersldquo ist mit seinem Maximum bei 555 nm schwarz eingezeichnet

Da die Gluumlhlampe eine thermische Strahlungs-quelle ist verschiebt sich mit zunehmender Tem-peratur die Lage des Strahlungsmaximums ent-sprechend des Wienschen Verschiebungsgesetzes zu kuumlrzeren Wellenlaumlngen Um die Lichtausbeute von Gluumlhlampen zu erhoumlhen muumlsste man das Strah-lungsmaximum durch Temperaturerhoumlhung in den kurzwelligeren Bereich des sichtbaren Lichts verschieben Die Maximaltemperatur ist jedoch bei Gluumlhfaumlden aus Wolfram auf etwa 3000 K begrenzt ndash bei houmlheren Temperaturen nimmt die Lebensdauer drastisch ab

Das Funktionsprinzip einer LED-Lichtquelle basiert auf dem Phaumlnomen der Elektrolumines-zenz Der prinzipielle Aufbau einer LED aumlhnelt einer pn-Halbleiterdiode Durch Anlegen einer Gleichspannung rekombinieren Ladungstraumlger in der p-n-Grenzschicht der Leuchtdiode unter Emission von Strahlung Durch gezielte Auswahl der verwendeten Halbleitermaterialien und ihrer Dotierung wird deren Bandluumlcke und somit die Farbe des emittierten Lichtes bestimmt Im Jahr 1992 gelang der Durchbruch in der Entwicklung hocheffizienter blauer LEDs die den Einsatz von LEDs zur Allgemeinbeleuchtung erst ermoumlgli-chen Die zugrunde liegenden Forschungsarbei-ten wurden 2014 mit dem Nobelpreis fuumlr Physik gewuumlrdigt [1]

Eine schmalbandige Lichtemission ist charak-teristisch fuumlr LEDs Dementsprechend verfuumlgt ihr Licht uumlber eine hohe Farbsaumlttigung Durch die Bedeckung des LED-Chips mit breitbandig pho-tolumineszierenden Farbstoffen wird ein Teil der Strahlung in energieaumlrmeres langwelligeres Licht konvertiert und es entstehen Mischfarben wie

Metrologie fuumlr moderne Lichtquellen LEDs und OLEDs Thorsten Gerloff

Thorsten Gerloff Arbeitsgruppe bdquoPhotometrieldquo EshyMail thorstengerloffptbde

Bild 1 Spektrale Verteilung einer Gluumlhlampe und spektraler Hellempfindlichkeitsgrad (V(λ)-Funktion)

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PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4 Metrologie fuumlr moderne Lichtquellen

i Infokasten LED

Lichtausbeute einer Strahlungsquelle ηv

Die Lichtausbeute einer Strahlungsquelle gibt das Verhaumlltnis aus ausgestrahltem Lichtstrom und aufgenommener elektrischer Leistung an Die Einheit ist LumenWatt (lmW) Je houmlher die Lichtausbeute ist umso energieeffizienter ist die Beleuchtung Gluumlhlampen besitzen Lichtausbeuten zwischen 10 und 20 lmW

Lichtstrom Φv

Der Lichtstrom beruumlcksichtigt den Hellempfind-lichkeitsgrad V(λ) des Auges und gibt die in alle Raumrichtungen abgegebene bdquoLichtleistungldquo einer Lampe an Der Lichtstrom enthaumllt keine Information daruumlber wie die Lampe das Licht im Raum verteilt Der Lichtstrom gibt an wie hell ein beleuchteter Raum dem Menschen erscheint

Spektraler Hellempfindlichkeitsgrad V(λ)

Der exakt definierte spektrale Hellempfindlich-keitsgrad V(λ) ist eine Bewertungsfunktion fuumlr elektromagnetische Strahlung Hiermit wird der bdquoHelligkeitseindruck eines menschlichen Durch-schnittsaugesldquo berechnet Dies ermoumlglicht den objektiven Vergleich von Lichtquellen mit physika-lischen Messmethoden Subjektive Wahrnehmun-gen einzelner Menschen koumlnnen damit nicht exakt wiedergegeben werden

Aumlhnlichste Farbtemperatur TN

Es gibt unterschiedliche Farbtemperaturen in der Photometrie Verhaumlltnis- und Verteilungstem-peratur sind nur bei thermischen Strahlern wie der Gluumlhlampe anwendbar Nur die aumlhnlichste Farbtemperatur (englisch Correlated Colour Temperature CCT) laumlsst sich fuumlr Lichtquellen mit beliebiger spektraler Zusammensetzung berech-nen sofern die Normfarbwertanteile aumlhnlich einem thermischen Strahler sind Die aumlhnlichste Farbtemperatur wird in der Einheit Kelvin (K) angegeben Sie gibt an ob das Licht warmweiszlig (ca 3000 K) neutralweiszlig (ca 4500 K) oder tages-lichtweiszlig (gt5500 K) erscheint

Normfarbwertanteile (x y)

Fuumlr die Angabe von Farbe gibt es neben dem spek-tralen Hellempfindlichkeitsgrad V(λ)noch weitere definierte Bewertungsfunktionen Hiermit laumlsst sich die Farbwahrnehmung eines fiktive Normalbeob-achters aus der gemessenen spektralen Verteilung des Lichts durch Angabe von nur zwei Werten (x und y) angeben Diese Werte geben die Koordi-naten auf der Normfarbtafel (s Abbildung) an

Normfarbtafel

Farbwiedergabeindex Ra

Der Farbwiedergabeindex ist eine Kennzahl fuumlr Lichtquellen der bewertet die Qualitaumlt der Farb-wiedergabe Je houmlher der Wert desto besser ist die Farbwiedergabe Der Maximalwert liegt bei 100 Werte zwischen 90 und 100 geben eine ausgezeich-nete Farbwiedergabe an Werte unter 80 sind fuumlr viele Anwendungen nicht ausreichend

Im Folgenden soll ein kleiner Leitfaden gegeben werden der in allgemeinverstaumlndlicher Form die grundlegenden Ideen wichtiger lichttechnischer Groumlszligen erlaumlutern soll Komplexe Details der zugrunde liegenden Normen und Definitionen werden hierbei nicht beruumlcksichtigt

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PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4Das Jahr des Lichtes

Pastellfarbtoumlne oder auch weiszliges LichtIn Bild 2 sind die spektralen Verteilungen einer

LED mit und ohne Leuchtstoff abgebildet In der linken Abbildung erkennt man die schmalbandige blaue Emission des LED-Chips In der rechten Abbildung wird ein Teil dieser Strahlung durch einen Leuchtstoff in laumlngerwelliges Licht konver-tiert und die Mischfarbe erscheint weiszlig

Der Vorteil einer LED gegenuumlber einer Gluumlh-lampe bezuumlglich der Lichtausbeute ist offensicht-lich Es wird ndash von unvermeidbarer thermischer Verlustleistung abgesehen ndash nur Strahlung im sichtbaren Wellenlaumlngenbereich emittiert Daruumlber hinaus ist die Farbe des Lichts von LEDs durch Kombination verschiedener Leuchtstoffe und LEDs nahezu beliebig einstellbar und man ist nicht auf aumlhnlichste Farbtemperaturen von ca 3000 K wie bei der Gluumlhlampe begrenzt

Allerdings gibt es auch Nachteile gegenuumlber dem Licht einer Gluumlhlampe Dem typischen Spektrum einer LED-Lichtquelle fehlen im Gegensatz zu Sonnenlicht oder Gluumlhlampenlicht einzelne Spekt-ralfarben Dies macht sich negativ bei der Qualitaumlt der Farbwiedergabe bemerkbar

Die Farbe des emittierten Lichts einer LED laumlsst sich durch additive Farbmischung sehr aumlhnlich zu Sonnenlicht oder auch Gluumlhlampenlicht einstellen Wenn jedoch Objekte mit Licht beleuchtet werden kommt es auch auf die spektrale Zusammensetzung des Lichts an Nehmen wir einen Blumenstrauszlig aus roten Rosen der im Tageslicht steht Im Son-nenlicht sind alle Spektralfarben vorhanden und diese beleuchten die Rosen Die roten Bluumltenblaumltter absorbieren einige spektrale Anteile des Lichts und reflektieren im Wesentlichen rotes Licht welches in das Auge des Betrachters faumlllt Wenn die Rosen von einer anderen Lichtquelle beleuchtet werden in der die roten Spektralanteile zumindest teilweise fehlen koumlnnen diese nicht reflektiert werden und die Farben der Rosen erscheinen unnatuumlrlich

Dies ist von weitreichender Bedeutung fuumlr die Wahl einer geeigneten Lichtquelle da wir einen Kompromiss aus Licht mit guter Farbwieder-gabe und hoher Lichtausbeute schlieszligen muumlssen Licht mit hoher Farbwiedergabe setzt sich aus moumlglichst vielen Spektralfarben zusammen und Lichtquellen mit hoher Lichtausbeute sollten nur Spektralfarben beinhalten fuumlr die das menschliche Auge besonders empfindlich ist In den Auszligenbe-zirken vieler Staumldte werden zur Nachtbeleuchtung der Gehwege haumlufig Natriumdampflampen mit orangefarbenem Licht eingesetzt Die Lichtaus-beute dieser Lampen ist mit etwa 150 lmW auszligerordentlich hoch da das menschliche Auge in diesem Spektralbereich sehr empfindlich ist Diese Beleuchtung ist jedoch ungeeignet um Farben natuumlrlich wiederzugeben Aufgrund des Aufbaus des menschlichen Auges ist es also nicht moumlglich eine Beleuchtung mit sehr hoher Qualitaumlt der Farbwiedergabe bei gleichzeitig sehr hoher Lichtausbeute zu realisieren

Weiszlige LEDs zur Allgemeinbeleuchtung nutzen in der Regel Leuchtstoffe die teilweise qualita-tiv hochwertige Farbwiedergabeeigenschaften besitzen Eine weitere Methode zur Erzeugung von weiszligem Licht ist das Mischen von rotem gruumlnem und blauem Licht (RGB-Verfahren) welches die Grundlage jedes Displays ist Hierbei sind neben weiszligem Licht auch andere Lichtfarben moumlglich ndash die Farbwiedergabeeigenschaften sind allerdings schlecht Fuumlr die Endverbraucher sind in der Regel die Farbwiedergabeeigenschaften von Lichtquellen als Ra-Werte auf der Verpackung angegeben

Organische Licht Emittierende Dioden (OLED) sind eine junge Beleuchtungstechnologie die noch keinen Zugang zum Massenmarkt erhalten hat Die weltweit erste kommerzielle OLED-Leuchte wurde 2008 vertrieben Der fuumlr den Nutzer wesentliche Unterschied zwischen OLEDs und LEDs besteht im Aufbau Der leuchtende Kristall

Bild 2 Spektrale Verteilung einer blauen LED (links) und einer weiszligen LED (rechts) bei der ein Teil des blauen Lichts zu gelbem Licht konvertiert wurde

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PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4 Metrologie fuumlr moderne Lichtquellen

anorganischer LEDs besitzt eine maximale Kan-tenlaumlnge von etwa einem Millimeter Bei OLEDs wird das Licht in groszligflaumlchigen amorphen organi-schen Schichten erzeugt Momentan sind OLEDs mit leuchtenden Flaumlchen von bis zu 20 x 20 cmsup2 erhaumlltlich Das Licht wird aumlhnlich wie bei LEDs durch Ladungstraumlgerrekombination unter Auftre-ten von Elektrolumineszenz erzeugt Dabei ist das Emissionsspektrum der verwendeten organischen Emittermaterialien wesentlich breitbandiger als das einer LED (vgl Bild 3) Daher wird das weiszlige Licht von OLEDs in der Regel durch Verwendung von roten gruumlnen und blauen Emittermaterialien erzeugt ohne dass die Farbwiedergabeeigenschaf-ten sehr stark darunter leiden

2 Entwicklung von (O)LED-Transfer-normalen in der PTB

Eine der Kernaufgaben der PTB ist die Weiter-gabe der gesetzlichen Einheiten Bis zum heuti-gen Tage bieten Transfernormale in Form von speziellen Gluumlhlampen die besten Eigenschaften um als Maszligverkoumlrperung der Einheiten Candela oder Lumen zu dienen Da der Anwender in der Regel jedoch die Substitutionsmethode bei seinen Messungen anwendet um notwendige Korrektu-ren auf ein Minimum zu reduzieren (Gleiches mit Gleichem vergleichen) sind auch Transfernormale auf Basis der LED-Technologie von Interesse

Bereits in den 80er-Jahren des vergangenen Jahr-hunderts wurden LEDs in der PTB kalibriert Diese waren fuumlr Beleuchtungszwecke noch ungeeignet und dienten lediglich als Signallampen Zeitgleich wurden die ersten PTB-LED-Transfernormale entwickelt deren optische Eigenschaften durch thermische Regelung des LED-Chips stabilisiert wurden Die mechanische Ausrichtung der LEDs leistet aufgrund des typischerweise stark gerichteten Abstrahlprofils der LEDs einen groszligen Beitrag auf die Messunsicherheit Daher werden die LEDs seit

2002 in ein rotationssymmetrisches robustes VA-Stahl-Gehaumluse eingebaut welches sich sehr repro-duzierbar ausrichten laumlsst (vgl Bild 4)

Diese Transfernormale werden unter Konstant-Strom-Bedingungen und ndash durch gezieltes Aufhei-zen des LED-Chips durch den Heizwiderstand ndash unter Konstant-Spannung-Bedingungen betrieben Aufgrund der halbleitenden Eigenschaften sinkt mit steigender Temperatur die Betriebsspannung und sowohl der Lichtstrom als auch die Peakwellenlaumlnge des emittierten Lichts veraumlndert sich Die Sollspan-nung wird auf einen Wert festgelegt der unterhalb der Gleichgewichtsspannung durch Eigenerwaumlr-mung im Betrieb ohne Heizwiderstand bei einer Umgebungstemperatur von etwa 35 degC liegt Somit ist auch ein Einsatz der Transfernormale in Laboren ohne Klimatisierung moumlglich

Fuumlr LEDs mit houmlheren Leistungen wurde im Jahr 2011 ein weiterer Prototyp eines Transfernormals vorgestellt (vgl Bild 5) Da die hier verwendeten LEDs eine houmlhere Leistungsaufnahme besitzen werden sie waumlrmer Das reduziert die Lebensdauer und Reproduzierbarkeit der photometrischen

Bild 3 Exemplarische spektrale Verteilung einer weiszligen OLED

Bild 4 Temperaturgeregeltes LED-Transfernormal auf Basis von Kleinleistungs-LEDs mit Lichtstroumlmen von bis zu 10 Lumen

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PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4Das Jahr des Lichtes

Groumlszligen deutlich Daher muumlssen sie gekuumlhlt werden Hierfuumlr kommt bei diesen Normalen ein Peltier-Element zum Einsatz welches geregelt Waumlrme in einen dahinterliegenden Kuumlhlkoumlrper leitet und hierdurch das emittierte Licht stabilisiert Diese Transfernormale zeichnen sich durch ein geringes

Gewicht bei einer Laumlnge von ca 100 mm und einem Durchmesser von etwa 20 mm aus Allerdings ist die Verwendung von LEDs mit sehr hohen Leistun-gen nicht moumlglich da die Abwaumlrme lediglich passiv an den Raum abgegeben wird Eine detaillierte Beschreibung der Eigenschaften dieses Transfer-normals wurde 2012 veroumlffentlicht [2]

Fuumlr die thermische Stabilisierung von LEDs mit sehr hohen Leistungen wurde ein weiteres Trans-fernormal unter Einsatz von Peltier-Elementen Heatpipes und aktivem Kuumlhlsystem in der PTB entwickelt (vgl Bild 6)

Im Rahmen des europaumlischen Forschungspro-jekts OLED100eu wurde in der PTB weiterhin das weltweit erste Transfernormal unter Einsatz einer organischen Leuchtdiode entwickelt (vgl Bild 7) Dieses Normal wurde fuumlr den Einsatz in einer Ulbricht-Kugel konzipiert und in ein mattes Aluminiumgehaumluse eingebaut Eine Besonderheit dieses Normals ist die Stand-Alone-Versorgungs-einheit die ohne Rechner o auml saumlmtliche relevan-ten elektrischen und thermischen Groumlszligen regelt und auf einem USB-Stick speichert

3 LED-Messtechnik in der PTB

Neben LED-Transfernormalen mit guter Reprodu-zierbarkeit ist eine hochentwickelte Messtechnik fuumlr deren Kalibrierung mit minimaler Messunsi-cherheit erforderlich

Die photometrische Beschreibung von LEDs erfolgt durch Angabe ihrer Lichtstaumlrke ILED mit der Einheit Candela und ihrem Lichtstrom ΦLED mit der Einheit Lumen Diese Groumlszligen werden in der PTB unter Verwendung ruumlckgefuumlhrter Photometer bestimmt Hierfuumlr wird die Beleuchtungsstaumlrke ELED unter definierten geometrischen Bedingungen fuumlr alle Abstrahlrichtungen der LED mit einem Goniophotometer gemessen

Fuumlr die Bestimmung der colorimetrischen Werte kommen Spektralradiometer zum Einsatz Hiermit werden spektrale Bestrahlungsstaumlrken gemessen und daraus die abgeleiteten colorime-

Bild 5 Temperaturgeregeltes LED-Transfernormal auf Basis von Hochleistungs-LEDs mit Lichtstroumlmen von bis zu 100 Lumen Im rechten Bild ist die Temperaturverteilung in Grad Celsius waumlhrend des Betriebs abgebildet

Bild 6 Temperaturgeregeltes LED-Transfernormal auf Basis von Houmlchstleistungs-LEDs mit Lichtstroumlmen von bis zu 2500 Lumen

Bild 7 Temperaturgeregeltes OLED-Transfernormal auf Basis kommerziell erhaumlltlicher OLEDs

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PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4 Metrologie fuumlr moderne Lichtquellen

trischen Kenngroumlszligen wie z B die Normfarb-wertanteile (x y) bei weiszligen LEDs die aumlhnlichste Farbtemperatur TN mit der Einheit Kelvin und bei farbigen LEDs die dominante Wellenlaumlnge λdom berechnet Grundlegende Informationen und Definitionen uumlber die photometrischen und colorimetrischen Groumlszligen und deren Messung sind in [3] [4] und [5] zu finden

In Bild 8 ist der Aufbau des LED-Messplatzes an der PTB zu sehen Fuumlr die Bestimmung der Mess-groumlszligen in alle raumlumlichen Abstrahlwinkel wird die LED durch ein Goniophotometer bewegt

Die LED wird in horizontaler Betriebslage zentrisch normal zur Referenzebene des Photo-meterkopfes ausgerichtet Ein Translationstisch ermoumlglicht dabei eine Variation des Abstandes d zwischen Photometer und LED Eine horizontale Rotationsachse (φ-Achse) und eine senkrechte Rotationsachse (ϑ-Achse) die sich an der LED-Spitze im rechten Winkel schneiden erlauben durch Drehung der LED eine Bestimmung der Beleuchtungsstaumlrke ELED in alle Raumrichtungen Beide Rotationsachsen werden waumlhrend der Messung zeitgleich bewegt Hierdurch bewegt sich die relative Position der lichtempfindlichen Emp-faumlngeroumlffnung bezuumlglich des Schnittpunkts beider Drehachsen auf der Oberflaumlche einer virtuellen Kugel entlang einer Spiralbahn von bdquoPol zu Polldquo dieser Kugel

Die Bestimmung des Lichtstroms ΦLED erfolgt analog der Beschreibung in dem Kapitel Kurze Geschichte der Goniophotometrie in der PTB Der wesentliche Unterschied zu goniophotome-trischen Messungen an Gluumlhlampen besteht darin dass bei LED-Messungen die Lichtquelle typischerweise bewegt werden kann ohne dass sich ihre optischen Eigenschaften aumlndernAufgrund des stetig wachsenden Bedarfs an ruumlck-gefuumlhrten Kalibrierungen von High-Power-LEDs sind Masse und Abmessungen der Transfernor-male erheblich gestiegen Daher wurde der Mess-platz 2015 um ein weiteres Goniophotometer fuumlr schwere und groszlige Objekte erweitert (vgl Bild 9)

Neben den photometrischen Empfaumlngern befinden sich auch Einkoppeloptiken fuumlr Spekt-ralradiometer auf dem drehbaren Empfaumlngerka-russell Alle Empfaumlnger lassen sich hiermit auto-matisiert waumlhrend einer Messung zu den LEDs ausrichten Vor jeder LED-Kalibrierung werden die Spektralradiometer bezuumlglich Ihrer spektralen Empfindlichkeit und Wellenlaumlnge kalibriert Die entsprechenden Normallampen befinden sich neben dem Empfaumlngerkarussell (vgl Bild 10) und ermoumlglichen so ebenfalls eine automatisierte Messung

Den spektralen Messungen an LEDs kommt neben der Notwendigkeit fuumlr die Bestimmung colorimetrischer Kennzahlen noch eine beson-dere Bedeutung fuumlr die photometrischen Messun-

Bild 9 Goniophotometer fuumlr photometrische Messungen an Hochleistungs-LEDs

Bild 10 Entladungslampen mit verschiedenen Gasfuumlllungen dienen der Wellenlaumlngenka-librierung der Spektrometer Im Hintergrund ist eine Bestrahlungsstaumlrke-Normal-lampe fuumlr die spektrale Empfindlichkeitskalibrierung zu sehen

Bild 8 Goniophotometer fuumlr photometrische Messungen an Kleinleistungs-LEDs

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PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4Das Jahr des Lichtes

gen zu Wie in der Einleitung erklaumlrt unterscheiden sich die spektralen Verteilungen von LEDs und Gluumlhlampen deutlich voneinander Photometerkoumlpfe bestehen in der Regel aus einer Silizium-Photodiode deren spektrale Empfindlichkeit durch den Einsatz von Glasfiltern moumlglichst gut an den Hellemp-findlichkeitsgrad V(λ) angepasst wird Aufgrund internationaler Standardisierung wird die photo-metrische Empfindlichkeit von Photometerkoumlpfen fast ausschlieszliglich fuumlr Normlichtart A kalibriert In der Praxis werden hierfuumlr Gluumlhlampen mit einer Verteilungstemperatur von 2856 K verwendet Wenn man ein solches Photometer fuumlr Messungen an anderen Gluumlhlampen verwendet sind die spektralen Verteilungen meist so aumlhnlich dass nur geringe oder gar vernachlaumlssigbare Korrekturen aufgrund der spektralen Fehlanpassung also der Abweichung der realen spektralen Empfindlichkeit des Photometers von dem Hellempfindlichkeitsgrad notwendig sind Wenn man ein solches Photometer jedoch bei LEDs insbesondere farbigen LEDs einsetzt koumlnnen die Abweichungen aufgrund der spektralen Fehlan-passung sehr groszlig werden (gt10 fuumlr hochwertige Photometerkoumlpfe sind moumlglich)

Mit Kenntnis der relativen spektralen Verteilung der Leuchtdiode SLED(λ) und der relativen spekt-ralen Empfindlichkeit srel(λ) laumlsst sich die spektrale Fehlanpassung durch folgenden Korrekturfaktor cSpek korrigieren

cV S

s S

V P T

sSpek

LED

rel LED

A

rel

d

d

d=

( ) ( )( ) ( )

( ) ( )( )

intint

intλ λ λ

λ λ λ

λ λ λ

λ

intint ( )P Tλ λ A d

P(λ TA) beschreibt Lichtart A durch das Planck-sche Strahlungsgesetz fuumlr TA = 2856 K

Eine detaillierte Auflistung und Diskussion aller zu beruumlcksichtigenden Details bei Kalibrierungen von LEDs und das dazugehoumlrige Messunsicher-heitsbudget soll an dieser Stelle nicht gegeben werden Interessierte Leser koumlnnen hierfuumlr Infor-mationen in einer fruumlheren Veroumlffentlichung [6] oder in den Ergebnissen eines internationalen Vergleichs von LED-Messungen [7] finden

Fazit und Ausblick

Der Verzicht auf LEDs ist fuumlr Beleuchtungsan-wendungen nicht mehr vorstellbar Durch ihre kontinuierliche Weiterentwicklung erobern LEDs immer weitere Anwendungsfelder (z B Haus-halts- Straszligen- und Automobilbeleuchtung) mit denen der Endkunde in Kontakt kommt Bei diesen Anwendungen sind die Anforderungen an die Lichtquellen vielfaumlltig und fuumlr eine quantitative Beschreibung ihrer Eigenschaften muss auch die Messtechnik entsprechend umfassend und ausge-reift sein

Neben dem allgemeinen Forschungs- und Ent-wicklungsbedarf fuumlr bessere LED-Messverfahren und -geraumlte die die Grundlage ihrer technologi-schen Weiterentwicklung bilden gibt es eine weitere Herausforderung Aufgrund der nahezu unbe-grenzten Moumlglichkeiten eine bestimmte Lichtfarbe durch additive Farbmischung zu erhalten sind LEDs verschiedener Hersteller mit unterschiedlichen Emissionsspektren aber einer nominell gleichen aumlhnlichsten Farbtemperatur erhaumlltlich Dennoch ist teilweise ein Unterschied der Lichtfarbe mit bloszligem Auge erkennbar wenn sich unterschiedliche LEDs nebeneinander befinden

Es ist ungewoumlhnlich dass man ohne technische Hilfsmittel nominell gleiche Lichtfarben faktisch unterscheiden kann Um die Charakterisierung von LEDs soweit zu verbessern dass dies nicht mehr moumlglich ist ist einerseits eine Reduzierung der Messunsicherheit bei der Bestimmung der Normfarbwertanteile (Lichtfarbe) notwendig Andererseits muss man sich bewusst machen dass photometrische und colorimetrische Messverfahren auf rein physikalischen Zusammenhaumlngen basieren Individuelle menschliche Wahrnehmung und Sehen werden bei photometrischen Messungen nicht beruumlcksichtigt ndash diese werden durch Festlegung von exakt definierten Wichtungsfunktionen wie dem Hellempfindlichkeitsgrad fuumlr einen fiktiven Normalbeobachter ausgegrenzt Diese Wichtungs-funktionen koumlnnen gegebenenfalls auch noch optimiert werden um die objektive Beurteilung von Lichtquellen mit physikalischen Messmethoden zu verbessern Somit gibt es auch in Zukunft noch interdisziplinaumlre Herausforderungen fuumlr die Metro-logie moderner Lichtquellen

Literatur

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Effektpigmente hellipPTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4

Einleitung

Farbe ist fuumlr Menschen die wohl auffaumllligste sub-jektive Stoffeigenschaft Bereits den Fruumlhmenschen war diese visuelle Qualitaumlt bekannt deren Wahr-nehmung allen Primaten eigen ist So wurde 2008 in Suumldafrika eine ca 100000 Jahre alte steinzeitli-che bdquoMalerwerkstattldquo entdeckt [1] Auch heutzu-tage spielt Farbe in der Gestaltung unserer Umwelt eine wichtige Rolle Jedes Jahr praumlsentiert uns die Mode die neuen Farben der Saison Farben dienen zur Regelung des Verkehrs Ohne bunte Farben waumlre unsere Welt trist und oumlde

Es ist wichtig festzustellen dass Farbe ein physiologischer Sinneseindruck ist wie z B auch Tasten oder Riechen D h Farbe ist keine immanente physikalische Eigenschaft eines Gegenstandes wie z B seine Masse oder Waumlrme-leitfaumlhigkeit Die physiologische Wahrnehmungs-kette ist hierbei folgende Das vom betrachteten Gegenstand reflektierte Licht trifft auf das Auge und loumlst hierbei einen Farbreiz aus Dieser Farbreiz beruht auf der spektralen Zusammensetzung des empfangenen Lichts d h er ist abhaumlngig von der verwendeten Lichtquelle und dem spektralen Reflexionsvermoumlgen des betrachteten Objektes Die Anregung der licht- und farbempfindlichen Zellen in der Netzhaut fuumlhrt zu einer Farbvalenz die uumlber den Sehnerv an das Gehirn weitergeleitet wird Die eigentliche Farbempfindung die wir dann mit einem Gegenstand verknuumlpfen entsteht erst im Gehirn [2] Liegt z B eine Farbfehlsich-tigkeit vor so kann der Farbeindruck des betrof-fenen Menschen auch ein ganz anderer sein Auch viele Tiere mit ihren teilweise erheblich abweichenden visuellen Systemen nehmen Farbe ganz unterschiedlich als wir Menschen wahr Im Folgenden soll mit Farbe immer die Koumlrperfarbe auch Gegenstandsfarbe Objektfarbe bzw Oberflauml-chenfarbe genannt einer nicht selbstleuchtenden Flaumlche bezeichnet werden die durch Reflexion von Licht an einem Koumlrper entsteht

Die genannten Zusammenhaumlnge machen die mathematisch-physikalische Beschreibung von Farbe schwierig und aufwendig da auch die spe-zifischen Eigenarten der menschlichen Wahrneh-

mungskette nachgestellt werden muumlssen Diesem Umstand wird versucht uumlber die verschiedenen Farbmaszligsysteme Rechnung zu tragen welche die Farbe eines Objektes mithilfe von quantifizierba-ren Zahlenwerten kennzeichnen [3]

Generell koumlnnen farbige Flaumlchen je nach Tageszeit und Lichteinfall sehr unterschiedlich wirken Die Aumlnderungen basieren hierbei auf der unterschiedlichen spektralen Zusammenset-zung des Tageslichts und den winkelabhaumlngigen Glanz- und Struktureigenschaften von Oberflauml-chen Ganz besonders deutlich ist dies bei auf dem Interferenzeffekt basierenden Effektpigmenten der Fall Deren visuelles Erscheinungsbild im englischen mit Visual Appearance bezeichnet kann sich bei variierendem Beobachtungswinkel und unterschiedlichen Lichtverhaumlltnissen komplett veraumlndern Man spricht hierbei von sogenannten Flop-Lacken wobei man zwischen Hell-Dunkel-Flop und Farb-Flop unterscheiden kann [4]

Generell kann man sagen dass Farbe und visuelle Effekte einen entscheidenden Anteil am Verkaufserfolg eines Produktes haben denn Farben wecken Emotionen und verschiedene Neuro marketingstudien belegen dass ca 95 aller Kaufentscheidungen emotional gepraumlgt sind [5] Deshalb spielt eine moderne Farbgestaltung unter Nutzung aktueller Effektpigmente im Pro-duktdesign eine entscheidende Rolle denn durch den Einsatz solcher Pigmente kann Gegenstaumlnden eine houmlhere Attraktivitaumlt verliehen werden Daher findet man moderne Effektpigmente heutzutage in vielen teilweise sehr unterschiedlichen Indus-trieprodukten wie z B in Autolackierungen Haumluserfassaden Kosmetikartikeln oder sogar bei Pralineacutes wie dies in Bild 1 zu sehen ist

Pigmente

Als Pigmente aus dem Lateinischen kommend von pigmentum fuumlr bdquoFaumlrbestoff Schminkeldquo bezeichnet man aus Teilchen bestehende im Anwendungs-medium praktisch unloumlsliche Sub stanzen die als Farbmittel oder wegen anderer spezieller physika-lischer und chemischer Eigenschaften als funktio-nale Farbzentren verwendet werden [6]

Effektpigmente Eine Herausforderung fuumlr die optische Messtechnik

Egbert Buhr Alfred Schirmacher Andreas Houmlpe

Dr Egbert Buhr Fachbereich bdquoBildshy und Wellenoptikldquo EshyMail egbertbuhrptbde

Dr Alfred Schirmacher Arbeitsshygruppe bdquoReflexion und Transmissionldquo EshyMail alfredschirmacherptbde

Dr Andreas Houmlpe dagger ehemals Arbeitsgrupshype bdquoReflexion und Transmissionldquo

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PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4Das Jahr des Lichtes

In der Natur vorkommende anorganische Pig-mente sind schon seit praumlhistorischen Zeiten bekannt Schon die Menschen der Steinzeit benutzen mineralische Pigmente fuumlr die ersten Houmlhlenzeichnungen Sie erkannten dass sie mit unterschiedlichen Erdsorten farbig malen konnten Eisenoxidhaltige Erden liefern gelbrote bis braunrote Kalk und Gips weiszlige Mangan-oxide sowie Holz- und Knochenkohle schwarze Farbtoumlne

Aus heutiger industrieller Sicht ist ein Pigment ein fein aufgeteilter und unloumlslicher Feststoff mit der Hauptfunktion das Erscheinungsbild des verwendeten Mediums zu verbessern oder es zu faumlrben Pigmente werden dem Medium immer durch physikalisches Mischen beigegeben dies unterscheidet sie von Farbstoffen die in ihrem Medium loumlslich sind

Pigmente koumlnnen nach den optischen Prin-zipien ihrer Wechselwirkung mit Licht unter-schieden und in verschiedene Klassen eingeteilt werden Wichtige Pigmentklassen sind Weiszlig- Bunt- Schwarz- und Effektpigmente die alle wegen ihrer speziellen farbgebenden Eigenschaf-ten eingesetzt werden Bei den Effektpigmenten

kann in einer ersten vereinfachten Einteilung noch zwischen Metalleffekt- und den sogenannten speziellen Effektpigmenten unterschieden werden

Der Begriff bdquospezielle Effektpigmenteldquo umfasst die Gruppen der Perlglanzpigmente und der all-gemeinen Interferenzpigmente welche insbeson-dere bei aktuellen Pigmententwicklungen nicht scharf abgegrenzt werden koumlnnen Perlglanzpig-mente sind Effektpigmente die aus transparenten Plaumlttchen mit hohem Brechungsindex bestehen Sie erzeugen durch die spezielle Form der Mehr-fachreflexion des transmittierten Lichts an mehre-ren Pigmenten einen perlenaumlhnlichen Effekt bei dem die auftreffende Strahlung verteilt reflektiert wird wodurch der Eindruck einer mit der Tiefe abnehmenden diffusen Helligkeit entsteht Fuumlr das Auge ergibt sich so eine scheinbar dreidimen-sionale Glanzcharakteristik die aus der Tiefe des Objektes zu kommen scheint Interferenzpigmente dagegen sind Effektpigmente deren farbgebende Wirkung ganz oder vorwiegend auf dem Effekt der Vielstrahlinterferenz von Licht an duumlnnen hoch-brechenden Schichten beruht Interferenzpigmente koumlnnen dabei sowohl auf transparenten oder auch nichttransparenten Plaumlttchen basieren

Bild 1 a) Roadster mit ChromaFlairreg-Effektpigmentlackierung b) Verwaltungsgebaumlude in Braunschweig verkleidet mit Alucobondreg-spectra-colours-Verbundplatten c) Effektpigmente im Nagellack d) Pralineacute mit Effektpigmentuumlberzug

a

dc

bb

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Effektpigmente hellipPTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4

Die heute verwendeten Pigmente lassen sich somit grob in fuumlnf verschiedene Klassen einteilen

1) Weiszligpigmente Die Pigmente streuen das ge-samte auftreffende Licht nahezu verlustfrei in alle Richtungen durch diffuse ungerichtete Reflexion

2) Buntpigmente Die Pigmente streuen einen Teil des Lichtes diffus und absorbieren wellenlaumln-genselektiv einen anderen Teil des Lichtes

3) Schwarzpigmente Die Pigmente absorbieren alle Wellenlaumlngen des fuumlr das menschliche Auge sichtbaren Spektralbereiches

4) Metalleffektpigmente Die aus duumlnnen Metall-plaumlttchen vorwiegend Aluminium bestehen-den Metalleffektpigmente sind lichtundurch-laumlssig und reflektieren das gesamte auftreffende Licht durch spekulare gerichtete Reflexion Die Pigmentpartikel wirken dabei wie Mikrospie-gel und fuumlhren bei paralleler Ausrichtung im Anwendungsmedium zu einem spiegelnden Metallglanz dem Metallic-Effekt

5) Spezielle Effektpigmente Perlglanz- bzw Inter-ferenzpigmente deren optische Wirkung auf der Mehrfachreflexion an uumlberwiegend flaumlchig aus-gebildeten und ausgerichteten transparenten semitransparenten oder lichtundurchlaumlssigen Partikeln beruht

Weiszlig- Bunt- und auch Schwarzpigmente weisen typische Durchmesser im Bereich von 100 nm bis zu 1 microm auf Ihre Groumlszlige liegt damit zum Teil im Bereich der Wellenlaumlnge des sichtbaren Lichtes welches den Bereich von 380 nm bis 780 nm uumlberdeckt Einige Schwarzpigmente wie z B Ruszlig-pigmente liegen mit ihren Durchmessern jedoch auch zum Teil auch deutlich darunter Effektpig-mente besitzen dagegen Teilchendurchmesser die zumeist im Bereich von 5 microm bis 100 microm in einigen Faumlllen auch daruumlber liegen Sie sind damit bezuumlglich der mittleren Plaumlttchendurch-messer wesentlich groumlszliger als die Wellenlaumlnge des sichtbaren Lichtes Die Dicke der Plaumlttchen liegt von einigen Ausnahmen abgesehen unter 1 microm ebenso wie die Dicke der Interferenzschichten Demzufolge weisen Effektpigmente in der Regel ein hohes Aspektverhaumlltnis auf (Verhaumlltnis der lateralen Ausdehnung einer Struktur zu ihrer Houmlhe) welches bis zu 200 betragen kann

Interferenzpigmente ndash Wie die Farben entstehen

Die Farbe von Interferenzpigmenten haumlngt von der Schichtdicke der Metalloxidbeschichtung und dem Einstrahlungs- und Betrachtungswinkel ab Beide Parameter bestimmen die effektive optische Weg-

laumlngendifferenz fuumlr das einfallende weiszlige Licht zwischen oberer und unterer Grenzflaumlche und die somit auftretenden Interferenzfarben siehe Bild 3

Interferenzpigmente zeigen somit einen aus-gepraumlgten bdquoFarbflopldquo Die Winkelabhaumlngigkeit der Farbe wird hierbei auch als Goniochromasie bezeichnet Richtig bunt geht es zu wenn ein Interferenzpigment auf einen bereits bunten Untergrund aufgebracht wird Die Transparenz der Pigmente laumlsst die Untergrundfarbe durch-

Bild 2 Schematische Diagramme zum spektralen Verhalten verschiedener Pigmenttypen

Bild 3 Die Schichtdicke der Metalloxidbeschichtung und der kombinierte Einstrahlungs- und Betrachtungswinkel bestimmen die optische Weglaumlnge und somit die sich ergebenden Interferenzfarben in Reflexion und Transmission

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PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4Das Jahr des Lichtes

Bild 5 Die Effekte Spar-kling (1) und Coarseness (2) des Effektpigmentes Xirallicreg Crystal Silver in einer vergroumlszliger-ten Aufnahme auf weiszligem (links) und schwarzem Hinter-grund (rechts)

scheinen im Glanzwinkel wird sie aber von der Interferenzfarbe uumlberstrahlt wie dies in Bild 4 zu sehen ist

Der Effekt eines Helligkeitsunterschiedes unter verschiedenen Betrachtungswinkeln wird als Helligkeitsflop bezeichnet und ist an sich nichts Neues Sind jedoch die einzelnen Pigmentteilchen

aufgrund ihrer planaren Reflexionsoberflaumlchen in gerichteter Beleuchtung direkt beobachtbar was fuumlr mittlere Teilchengroumlszligen von 30 microm und groumlszliger der Fall ist so ergibt dies einen Effekt welcher mit dem Begriff Sparkle (Glitzern Funkeln) bezeichnet wird (Bild 5) Aumlndert sich die Beleuchtung von einer gerichteten Einstrahlung wie es an einem wolkenlosen sonnigen Sommertag der Fall ist hin zu einer diffusen ungerichteten Einstrahlung wie an einem stark bewoumllkten Herbsttag so verschwin-det das Sparkling der Pigmente und verwandelt sich in eine Koumlrnigkeit der Oberflaumlche Dieses optische Phaumlnomen wird als Coarseness (Bild-koumlrnigkeit) bezeichnet und ist unabhaumlngig vom Betrachtungswinkel (Bild 5)

Als neuer Archetypus des Sparkle-Begriffes haben sich in den letzten Jahren die Xirallicreg Pig-mente (High Chroma Chrystal Effect Pigments) der Firma Merck KGaA entwickelt Durch die Beschich-tung von Aluminiumoxidplaumlttchen mit hochbre-chenden Metalloxiden und einer optimierten Dicke und Ebenheit aller am Pigment beteiligten Schich-ten entstehen auszligergewoumlhnlich stark reflektierende Effektpigmente die einen besonders intensiven Sparkle-Effekt aufweisen Man spricht hierbei auch von sogenanntem Living Sparkle welcher sich in einem scheinbaren bdquoTanzenldquo der leuchtenden Punkte in der Probenoberflaumlche bei Veraumlnderung der Beobachtungsgeometrie aumluszligert [7 8]

Generell gilt dass die Farbe von Objekten mit Effektlackierung nicht mehr wie jahrzehntelang uumlblich und ausreichend mit konventionellen Farb-messgeraumlten mit nur einer festen Messgeometrie wie z B in der 45deg 0deg Geometrie (Einstrahlung unter 45deg Reflexionsmessung unter 0deg) bestimmt werden kann Dieser Umstand wird sehr gut durch die Grafik in Bild 6 illustriert Dargestellt sind die winkelabhaumlngig gemessenen Farbkoordinaten von drei verschiedenen keramischen Farbstandards der Farben rot gruumln und blau sowie eines mit dem Effektpigment Viola Fantasy der Firma Merck lackierten Blechs Der Einfallswinkel des Lichts auf die Proben betrug hierbei immer 45deg zur Oberflauml-chennormalen Das von den Proben reflektierte Licht wurde an 26 Positionen in einem 5deg Raster in planaren die Oberflaumlchennormale enthalten-den Messgeometrien im Winkelbereich von ndash70deg bis +70deg aufgenommen Bei den aus absorptiven Pigmenten bestehenden Keramiken zeigt sich eine nur sehr geringe Winkelabhaumlngigkeit der Farbe welche groumlszligtenteils auf unterschiedlicher winkelabhaumlngiger Helligkeit d h den Glanzeigen-schaften der Oberflaumlche beruht Das Effektpigment dagegen zeigt einen extremen winkelabhaumlngigen Farb-Flop (Goniochromasie) welcher einen Farbverlauf von Gruumln uumlber Rot-Gelb hin ins Blau-Violett bietet

Aber auch die neuen Lackfarben aus der Gruppe der Effektlackierungen muumlssen messtechnisch

Bild 4 Merck-Xirallicreg-Solaris-Red-Effektpigmente appliziert auf einem mit Standard-Ab-sorptionspigmenten hellblau lackierten Metallblech In Rich-tung des Glanzwin-kels auf der rechten Seite zeigt sich der langsame Aufbau der winkelabhaumlngigen Interferenzfarbe

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Bild 6 CIELab Farbkoordinaten einer winkelabhaumlngigen Reflexionsmessung an vier verschiedenen Proben drei Keramiken der Farben rot gruumln blau und eine Effektpigmentlackierung mit Merck Colorstreamreg Viola Fantasy Das untergelegte Farbschema zeigt naumlherungsweise die den Koordinaten entsprechende Farbe

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Effektpigmente hellipPTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4

Abbildungsoptik Messungen der ortsaufgeloumlsten Leuchtdichte auf einer Laumlngenskala bis hinab zu 28 microm auf der zu untersuchenden Probe siehe Bild 8

Mit der Zeilenkamera sind Messungen von kompletten Reflexionsspektren im sichtbaren Spektralbereich zwischen 380 nm und 780 nm dem sogenannten V(λ)-Bereich auf einer Zeit-skala von 2 Minuten moumlglich Hieraus lassen sich dann Farbkoordinaten der untersuchten Proben in den unterschiedlichsten Farbraumsystemen berechnen Eine absolute Messung in 114 Win-kelkombinationen (siehe Bild 9) im Polarwinkel-

erfasst und ruumlckgefuumlhrt werden um eine gleich-bleibende Qualitaumlt in der Produktion gewaumlhrleis-ten zu koumlnnen Gerade diese vielfaumlltigen zusaumltz-lichen Eigenschaften stellen die Farbmesstechnik vor neue Herausforderungen

Farbmessung

Bisherige kommerzielle Farbmessgeraumlte charakte-risieren Probenoberflaumlchen fast ausschlieszliglich in den eben schon erwaumlhnten sogenannten in-plane Reflexionsgeometrien Dabei liegen die Richtun-gen des eingestrahlten und des reflektierten Lichts sowie die Oberflaumlchennormale der Probe in einer Ebene Diese Einschraumlnkung entspricht jedoch in keiner Weise der taumlglichen Realitaumlt bei der Oberflaumlchen aus beliebigen Richtungen beleuchtet und betrachtet werden Seitens der Messgeraumlteher-steller und Anwender gibt es daher einen Trend zur erweiterten Charakterisierung bezuumlglich zusaumltzlicher Winkelkombinationen im dreidimen-sionalen Raum Spitzenreiter dieser Entwicklung am Markt ist derzeit ein tragbares Mehrwinkel-Spektralphotometer mit insgesamt 19 verschie-denen Reflexionsgeometrien [9] Hiermit scheint aber auch das Ende dieser Entwicklung im Bereich der portablen handgefuumlhrten Geraumlte erreicht Der Wunsch der Anwender geht aktuell wieder zuruumlck zu einer geringeren Anzahl von Winkelkombi-nationen denn es ist unklar wie man aus dem Mehr an winkelaufgeloumlsten Reflexionsdaten die fuumlr die Charakterisierung der Farbeigenschaften relevanten Informationen gewinnen kann Daher stellt sich die Frage welches sind bdquoguteldquo d h an die Messaufgabe adaptierte optimal geeignete Messgeometrien

Um diese Frage zu beantworten betreibt die AG 424 bdquoReflexion und Transmissionldquo der PTB zwei roboterbasierte Gonioreflektometer die eine winkelaufgeloumlste Reflexionsmessung in beliebi-gen bidirektionalen Geometrien ermoumlglichen [10ndash12] Diese beiden Apparaturen sind in Bild 7 dargestellt

Das Standard-Gonioreflektometer ist hierbei das nationale Normal fuumlr die Messgroumlszlige spektraler Strahldichtefaktor in gerichteten Geometrien Es dient der Realisierung Bewahrung und Weiter-gabe der gerichteten Reflexionsskale in Form von Kalibrierungen Die zweite Apparatur bezeich-net mit dem Acronym ARGon3 (3D Appearance Robot-based Gonioreflectometer) ist ein flexibles Forschungsgeraumlt mit dem experimentelle Unter-suchungen u a im Rahmen des EMRP-Projektes Multidimensional Reflectometry for Industry der EU [13] durchgefuumlhrt werden Im Ver gleich zum Standard-Gonioreflektometer ist dieses Geraumlt mit einer photometrischen Leuchtdichteka-mera und einer Zeilenkamera ausgeruumlstet Die Leuchtdichtekamera erlaubt mit einer speziellen

Bild 7 Die beiden roboter-basierten Gonio-reflektometer der PTB oben Standard-Gonioreflektometer fuumlr Kundenkalibrie-rungen unten ARGon3-Messplatz fuumlr Forschungsanwen-dungen

Bild 8 Visualisierung desSparkling-Effektesvon Xironareg-Volcanic-Sparks-Pigmenten als Falschfarben-darstellung der ortsaufgeloumlsten LeuchtdichteDie bdquoNadelnldquo zeigendie Position derPigmente an

Bild 9 Beispielgeometrien zur Messung der winkelabhaumlngigen Reflexionseigen-schaften Realisiert wurden 4 Einstrah-lungsrichtungen (rote Pfeile) mit jeweils 114 Reflexionswinkeln (schwarze Punkte) im Bereich der Viertel-kugel oberhalb der Probenoberflaumlche

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PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4Das Jahr des Lichtes

bereich 0deg bis 70deg gleichmaumlszligig verteilt uumlber den Viertelraum oberhalb der Probe dauert hierbei ca 4 Stunden [14] Die so erhaltenen Daten bilden die Basis fuumlr kuumlnftige Verbesserungen in der Mess-technik fuumlr Anwender und Hersteller

Im Rahmen des EMRP-Projektes Multidimen-sional Reflectometry for Industry [13] sind damit die winkelabhaumlngigen Reflexionsspektren von insgesamt 66 verschiedenen Effektpigmentproben gemessen worden [15 16] Bei den vier verschie-denen Einstrahlungsrichtungen verbunden mit jeweils 114 Reflexionswinkeln im Bereich der Vier-telkugel oberhalb der Probenoberflaumlche ergeben sich somit uumlber 30000 Reflexionsspektren

Zielsetzung der Untersuchungen ist die Ver-besserung der Metrologie zur Materialcharak-terisierung mit reduzierter Messunsicherheit Dazu werden neue Messvorschriften und neue Standardmessartefakte entwickelt mit denen die Industrie die visuelle Wahrnehmung der von ihr produzierten Oberflaumlchen gezielt charakterisie-ren und kontrollieren kann Solche Messungen sollten einfach auszufuumlhren sein und die Ergeb-nisse muumlssen soweit wie moumlglich mit der visuellen menschlichen Wahrnehmung korrelieren Im europaumlischen und internationalen Rahmen sollen die Ergebnisse in die Normung einflieszligen um die allgemeine Vergleichbarkeit solcher Messungen zu gewaumlhrleisten

Literatur

[1] CS Henshilwood et al A 100000-Year-OldOchre-Processing Workshop at Blombos CaveSouth Africa Science Vol 334 No 6053 219ndash2222011

[2] Mark D Fairchild Color Appearance Models2nd Ed John Wiley amp Sons Ltd 2005

[3] Colorimetry Understanding the CIE Systemed by J Schanda Wiley-Interscience NJ 2007

[4] WR Cramer Der richtige Blickwinkel Farbe amp Lack 092006 26ndash30 2006

[5] G Zaltman How Customers Think EssentialInsights into the Mind of the Market HarvardBusiness Review Press 2003

[6] DIN ISO 18451-12015-11 Pigmente Farbstof-fe und Fuumlllstoffe ndash Begriffe ndash Teil 1 AllgemeineBegriffe

[7] WR Cramer Ohne Glimmer aber mit GlanzFarbe amp Lack 042003 132ndash136 2003

[8] WR Cramer Es glitzert wie am SternenhimmelFahrzeug + Karosserie 0412 20ndash22 2012

[9] E Kirchner W Cramer Making sense of measure-ment geometries for multi-angle spectrophotome-ters Color Res Appl Vol 37 No3 186ndash198 2012

[10] D Huumlnerhoff U Grusemann A Houmlpe Newrobot-based gonioreflectometer for measuringspectral diffuse reflection Metrologia 43 S11ndashS162006

[11] A Houmlpe D Huumlnerhoff K-O Hauer Robot-basedgonioreflectometer Industrial Robotics Program-ming Simulation and Applications Low Kin-Huat Ed Pro Literatur-Verlag Mammendorf623ndash632 2007

[12] A Houmlpe T Atamas D Huumlnerhoff S TeichertK-O Hauer ARGon3 ndash bdquo3D Appearance Robot-based Gonioreflectometerrdquo at PTB Rev SciInstrum 83(4) 045102-1ndash045102-8 2012

[13] European Metrology Research Program ProjectIND52 bdquoxD-Reflectldquo Multidimensional Reflecto-metry for Industry wwwxdreflecteu(letzter Aufruf 03122015)

[14] T Atamas K-O Hauer A Houmlpe Appearancemeasurements of goniochromatic colours Predic-ting Perceptions Proceedings of the 3rd Internati-onal Conference on Appearance 149ndash154 2012

[15] A Houmlpe A Koo FM Verdu FB LeloupG Obein et al bdquoMultidimensional reflectometryfor industryrdquo (xD-Reflect) an European researchproject Proc SPIE 9018 Measuring Modelingand Reproducing Material AppearanceSPIE-ISampT Vol 9018 901804-1ndash901804-11 2014

[16] A Houmlpe K-O Hauer S Teichert D HuumlnerhoffC Strothkaumlmper Goniochromatic and Sparkleproperties of effect pigmented samples in mul-tidimensional configuration Proc SPIE 9398Measuring Modeling and Reproducing MaterialAppearance 2015 SPIE Proc Vol 9398 Appea-rance 93980O-1ndash7 2015

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Die 50 Sitzung des Internationalen Komitees fuumlr das gesetzliche Messwesen (CIML) fand vom 20 bis 22 Oktober 2015 in Arcachon Frankreich statt Im Vorfeld der CIML-Sitzung fand ein ein-taumlgiges OIML-Seminar uumlber Countries and Econo-mies with Emerging Metrology Systems (CEEMS) statt uumlber das weiter unten berichtet wird

Das CIML ist der Lenkungsausschuss der OIML Es trifft sich jaumlhrlich und besteht aus je einem Repraumlsentanten der Mitgliedstaaten der korrespondierenden Mitglieder und den Vertre-tern internationaler und regionaler Organisa-tionen die als Beobachter teilnehmen koumlnnen Das CIML ist zustaumlndig fuumlr die Vorbereitung und Durchfuumlhrung der Entscheidungen der Konfe-renz die alle vier Jahre stattfindet Es uumlberwacht die Arbeiten der Technischen Komitees und Unterkomitees und des Internationalen Buumlros fuumlr das gesetzliche Messwesen (BIML) in Paris

An der 50 CIML-Sitzung nahmen 144 Teilneh-mer aus 43 Mitgliedstaaten und 13 korrespondie-renden Mitgliedstaaten teil Zur deutschen Dele-gation gehoumlrten neben den o g Autoren auch die Herren Johann Fischer Direktor des Landesamts fuumlr Mess- und Eichwesen Berlin-Brandenburg sowie Prof Olaf Kuumlhn Direktor des Thuumlringer Landesamts fuumlr Verbraucherschutz als Vertreter der Bundeslaumlnder Dr Peter Ulbig Leiter der Abteilung Wissenschaftlich-technische Quer-schnittsaufgaben der PTB und Prof Manfred Kochsiek Vizepraumlsident a D der PTB ehema-liger CIML-Praumlsident und Ehrenmitglied der OIML Frau Dr Anna Cypionka persoumlnliche Referentin des Praumlsidenten der PTB nahm am OIML-Seminar fuumlr CEEMS teil Vertreten waren auch wieder internationale und regionale Orga-nisationen zu denen die OIML Verbindungen unterhaumllt wie das Internationale Buumlro fuumlr Maszlig und Gewicht (BIPM) die GSO-GCC Standardiza-tion Organization (Saudi-Arabien) die Internatio-nal Laboratory Accreditation Cooperation (ILAC) und der Europaumlische Verband der Waagenherstel-ler (CECIP)

Alle Beschluumlsse der 50 CIML-Sitzung koumlnnen auf den Internetseiten der OIML aufgerufen werden [1 2]

Die wichtigsten Entscheidungen und Entwick-lungen werden nachfolgend vorgestellt

1 Personalangelegenheiten

Der Vertrag von Willem Kool als Assistant Director wurde um vier Jahre der Vertrag des BIML-Direk-tors Stephen Patoray um drei Jahre verlaumlngert

2 Einfuumlhrung des PG Workspace im Internet

In seinem Bericht im Zusammenhang mit der Etablierung des neuen Webauftritts der OIML hob der CIML-Praumlsident Peter Mason (UK) die erfolgreiche Einfuumlhrung des Workspace fuumlr Pro-jektgruppen hervor Durch die Online-Arbeit wird erwartet dass die technische Arbeit an neuen bzw zu revidierenden OIML-Dokumenten vereinfacht und insgesamt effizienter wird

3 Revision der technische Richtlinien fuumlr die OIML (B 6 Directives for OIML tech-nical work)

In einem neuen Projekt sollen die in den vergan-genen Jahren revidierten OIML-Richtlinien fuumlr die technische Arbeit erneut uumlberarbeitet werden um u a den Prozess der Entwicklung und Uumlber-arbeitung von OIML-Publikationen noch weiter zu beschleunigen und den neuen internetbasierten Technologien und Arbeitsweisen Rechnung zu tragen

4 Umfassende strukturelle Uumlberarbeitung des OIML Certificate System

Das CIML verabschiedete die Gruumlndung einer Projektgruppe mit der Aufgabe einer substan-ziellen Uumlberarbeitung des OIML-Zertifizierungs-systems das z Zt aus dem Basiszertifizierungs-system und dem MAA3 besteht Urspruumlnglich ausgehend von der Annahme die Akzeptanz des MAA-Zertifizierungssystem muumlsse verstaumlrkt werden eine groumlszligere Verbreitung finden und mehr Messgeraumltearten abdecken erscheint es

Aktuelles aus der OIML (Internationale Organisation fuumlr das Gesetzliche Messwesen)Bericht uumlber die 50 Sitzung des CIML in Arcachon FrankreichSusanne Ludwig Roman Schwartz

INTERNATIONALE ZUSAMMENARBEIT

Susanne Ludwig OIMLshyGeschaumlftsstelle der PTB EshyMail susanneludwigptbde

Dir u Prof Dr Roman Schwartz Vizepraumlsident der PTB deutsches Mitglied im Internashytionalen Komitee fuumlr das Gesetzliche Messwesen (CIML) und CIMLshyVizepraumlsishydent EshyMail romanschwartzptbde

3 Mutual Acceptance Arrangement (Abshykommen zur gegenshyseitigen Anerkennung von Bauartpruumlfungen)

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PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4Internationale Zusammenarbeit

inzwischen sinnvoller und wurde so auch vom CIML beschlossen zum 112017 ein einziges OIML-Zertifizierungssystem einzufuumlhren Eine Projektgruppe (Certification System Project Group = CSPG) unter dem Vorsitz des CIML-Vizepraumlsi-denten Dr Roman Schwartz wurde damit beauf-tragt die notwendigen Dokumente und Prozedu-ren auszuarbeiten

5 OIML-Seminar fuumlr Countries and Economies with Emerging Metrology Systems (CEEMS)

Im Vorfeld der CIML-Sitzung wurde ein eintaumlgiges Seminar zum Thema Developing an OIML Package for Assistance to Countries with Emerging Metro-logy Systems (CEEMS) abgehalten In vier Sitzun-gen diskutierten 125 Teilnehmer aus 49 Laumlndern uumlber Moumlglichkeiten Laumlnder beim Aufbau von nationalen Metrologiesystemen zu unterstuumltzen In der ersten von Frau Dr Cypionka geleiteten Sitzung Capacity Building ging es um die allge-meinen Herausforderungen bei der Gestaltung von Programmen zur Foumlrderung von Handlungs-kompetenzen und Vermittlung von Wissen fuumlr die Metrologie In zwei weiteren Sitzungen wurden unter den Themen Helping CEEMS Improve Regulation in their Markets (Leitung Prof Dr Manfred Kochsiek) und New Ideas ndash Doing Legal Metrology Differently (Leitung Stuart Carstens

Suumldafrika) konkrete inhaltliche Loumlsungsvorschlaumlge vorgestellt und diskutiert Die Ergebnisse wurden in der 50 CIML-Sitzung vorgestellt und fanden ihren Niederschlag in der Resolution Nr 201510 [2] sie sollen auch noch auf den OIML-Webseiten veroumlffentlicht werden [1]

6 OIML-Publikationen

Folgende OIML-Publikationen wurden verabschiedet

R 139-3 Compressed gaseous fuels measuring systems for vehicles Part 3 Test report format

New Recommendation (R 145) Ophthalmic instru-ments mdash Impression and applanation tonometers

Alle OIML-Publikationen stehen im Internet frei zur Verfuumlgung [3]

Gleichzeitig wurde die Revision der folgenden OIML-Publikation beschlossen

Revision of R 79 Labeling requirements for prepackages

Folgende neue Projekte wurden verabschiedet

Revision des OIML-Dokuments B 6-1 Directives for OIML technical work

Bild 1 Teilnehmer der 50 Sitzung des Internationalen Komitees fuumlr Gesetz-liches Messwesen (CIML) in Arcachon Frankreich

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PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4 Aktuelles aus der OIML

TC 8SC 1 Revision R 71 Fixed storage tanks mdash General requirements

TC 8SC 1 Revision R 85 Automatic level gauges for measuring the level of liquid in stationary storage tanks

7 Personalien und Ehrungen

Die von Dr Seiler dem ehemaligen Leiter des Fachbereichs bdquoTechnische Zusammenarbeitldquo der PTB initiierte OIML-Auszeichnung fuumlr bdquoexzel-lente Beitraumlge von Entwicklungslaumlndern zum gesetzlichen Messwesenldquo ging in diesem Jahr an

bull Nam Hyuk Lim Director of Korea Testing Certi-fication und

bull The Metrology Department Saint Lucia Bureau of Standards

Die OIML-Medaille fuumlr besondere Verdienste um die OIML-Arbeit ging an Ngo Quy Viet Vietnam und Cartaxo Reis aus Portugal

8 Termine

Ein Gastgeberland fuumlr die 51 CIML-Sitzung und 15 OIML-Konferenz im Jahr 2016 konnte noch nicht bekannt gegeben werden es wird aber wahr-scheinlich wieder Frankreich sein Weitere OIML-Veranstaltungen und -Termine finden sich auf der OIML-Webseite unter [4]

9 Literatur

[1] httpswwwoimlorgen (letzter Aufruf 19112015)

[2] httpswwwoimlorgenstructurecimlpdf50-ciml-resolutions-englishpdf (letzter Aufruf 19112015)

[3] httpswwwoimlorgenpublicationsrecommen-dationspublication_viewp_type=1ampp_status=1

[4] (letzter Aufruf 19112015)[5] httpswwwoimlorgeneventscalendar

(letzter Aufruf 19112015)

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TECHNOLOGIETRANSFER

E27-Scanner fuumlr UlbrichtkugelnMit dem besonders einfach ohne Umbau einsetzbaren E27-Scanner koumlnnen Anwender und Hersteller die Homogenitaumlt ihrer Ulbricht-kugeln bestimmen und die Ergebnisse zur Berechnung genauerer Lichtstroumlme und zur Dokumentation der Qualitaumlt ihrer Messungen nutzen

Hintergrund

Wie viel Licht eine Lampe insgesamt in alle Richtungen abstrahlt wird durch ihren Lichtstrom ausgedruumlckt Um den fuumlr die Bestimmung der Energieeffizienz von Lampen notwendigen Lichtstrom schnell zu er mitteln setzt die Lampenindustrie Ulbrichtkugeln ein An einer Stange in der Mitte der Ulbrichtkugel befindet sich eine E27-Lampen-fassung in die nacheinander die Lichtstrom-Normallampe und die zu kalibrierende Lampe eingeschraubt werden Das indirekt auf den Mess-kopf fallende Licht erzeugt einen Photostrom der im Idealfall propor-tional zu dem von der Lampe abgestrahlten Lichtstrom ist unabhaumlngig von der Richtung in die das Licht abgestrahlt wird

Dies ist jedoch bei einer ungleichmaumlszligigen Beschichtung der Kugel sowie bei einer im Laufe der Zeit nicht zu verhindernden Verstaubung nicht der Fall Deshalb wird mit einem Kugelscanner die Homogenitaumlt der Kugel regelmaumlszligig vermessen und ein Korrekturfaktor bestimmt der von der jeweiligen Abstrahlcharakteristik der zu untersuchenden Lampe abhaumlngt

Technische Beschreibung

Der Kugelscanner wird einfach in eine E27-Fassung geschraubt und das sonst fuumlr die Lampenversorgung eingesetzte Netzgeraumlt wird durch die Steuereinheit ersetzt Diese uumlbernimmt sowohl die elektrische Versor-gung als auch die Befehlsuumlbermittlung zum Kugelscanner Die Steuer-einheit wird via USB oder RS232 an einen Computer angeschlossen Das mitgelieferte Messprogramm stellt automatisiert alle gewuumlnschten Richtungen ein und speichert die zugehoumlrigen von der Steuereinheit gemessenen Photostroumlme des Photometers

Wirtschaftliche Bedeutungw

Fuumlr Lampenindustrie und Hersteller von Ulbrichtkugeln

bull Genauere Messung des Lichtstroms

bull Bestimmung des Zeitpunkts einer Neubeschichtung

bull Uumlberwachung beim Beschichten

bull Dokumentation des Zustands der Ulbrichtkugel

EntwicklungsstandDer E27-Kugelscanner wurde in der PTB entwickelt Er wird laufend fuumlr Kalibrierungen eingesetzt Die Technologie wurde an die Firma Czibula amp Grundmann transferiert und wird dort mit einer PTB-Lizenz gebaut und vertrieben wwwphoto-metercom

Ansprechpartner

Dr Bernhard SmandekBeauftragter fuumlr TechnologietransferTelefon +49 531 592shy8303Telefax +49 531 592shy69shy8303EshyMail technologietransferptbde

Dr Stefan WinterFachbereich Photometrie und Radiometrie

Abbildung des E27shyKugelscanners Eine stark fokussierende Lampe die computergesteuert in alle Richtungen leuchten kann

Vorteile

bull Schneller Einbau in E27shyFassung

bull Computergesteuertes Abscannen der gesamten Ulbrichtkugel

bull Flexible Messmoumlglichkeiten

bull Fuumlr genauere Lichtstromshymessungen

bull Wichtig fuumlr die Qualitaumltsshysicherung

PTBshyNummer 0172

wwwtechnologietransferptbde

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PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4 Technologieangebote

Ansprechpartner

Dr Bernhard SmandekBeauftragter fuumlr TechnologietransferTelefon +49 531 592shy8303Telefax +49 531 592shy69shy8303EshyMail technologietransferptbde

Dr Stefan WinterArbeitsgruppe Solarzellen

PulsshyzushyCWshyKonverter

Umwandlung gepulster Laser-Strahlung in konstante StrahlungIn weiten Bereichen der optischen Metrologie ist eine Strahlungs-quelle von groszligem Nutzen die sich spektral vom UV-C bis ins mitt-lere IR durchstimmen laumlsst Lediglich Laser mit gepulster Strahlung erfuumlllen diese Anforderung bei ausreichend groszligem Ausgangssignal bisher luumlckenlos Femtosekunden-Lasersysteme waumlren aufgrund ihrer gut automatisierbaren und spektral weiten Durchstimmbarkeit die ideale Strahlungsquelle fuumlr z B radiometrische Anwendungen ndash wenn ihre Strahlung nicht gepulst waumlre

Durch das extreme Puls-Pausen-Verhaumlltnis von 10ndash5 entstehen hohe Spitzenleistungen die wiederum zu Saumlttigungseffekten bei Detek-toren und in der Folge zu nichtlinearem Verhalten fuumlhren koumlnnen Mit dem in der PTB entwickelten Puls-zu-CW-Konverter wird dieses Problem geloumlst

Technische Beschreibung

Bei dieser Methode werden Pulse gepulster Strahlungsquellen ausrei-chend hoher Repetitionsrate in CW-Strahlung umgewandelt Dabei wird jeder Puls in viele kleine Teilpulse aufgeteilt die auf unterschiedlich langen Wegstrecken unterschiedliche Laufzeiten erfahren Am Ausgang des Systems erscheinen sie dann zeitlich gleichmaumlszligig verteilt Realisiert wird dieser Puls-zu-CW-Konverter uumlber ein Glasfaserbuumlndel bei dem jede Einzelglasfaser eine individuell festgelegte Laumlnge besitzt

Mit der Entwicklung des Puls-zu-CW-Konverters wurde das ent-scheidende Manko beim Einsatz leistungsstarker Femtosekunden(fs)-Lasersysteme im Bereich der Metrologie beseitigt und erstmalig gepulste Laserstrahlung in CW-Strahlung umgewandelt Diese Neuentwicklung ermoumlglicht es nun herkoumlmmliche Monochromatorsysteme durch fs-Lasersysteme zu ersetzen die eine bis zu 1000-mal houmlhere spektrale Ausgangsleistung besitzen

Wirtschaftliche Bedeutung

Durch den neuen Puls-zu-CW-Converter koumlnnen in wirtschaftlich bedeutenden Bereichen wie z B der Photovoltaik der Photometrie der UV-Strahlungsmesstechnik und der Reflektometrie die Referenz- und Transfernormale mit einer deutlich reduzierten Messunsicherheit kali-briert werden Hier werden bislang wesentliche Messunsicherheitsan-teile durch zu geringe Strahlungsleistungen aus herkoumlmmlichen Mono-chromatorsystemen verursacht

Entwicklungsstand

Unter DE 10 2010 011 615 B4 wurde fuumlr den CW-Konverter ein Patent erteilt

Vorteile

bull Zeitliche Glaumlttung gepulster Laserstrahlung

bull Keine stoumlrenden Interferenzen

bull Nur minimale Absorption des Messsignals

bull Auch bei kuumlrzeren Wellenshylaumlngen ohne Ulbrichtkugel verwendbar

bull Kontinuierliche Verteilung des Ausgangspulses

bull Pulsvervielfachung

bull Houmlhere Strahlungsleistung

PTBshyNummer 0254

wwwtechnologietransferptbde

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PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4Technologieangebote

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Homogenisierung von Strahlungsquellen und Focal Plane Arrays (FPA)Ein neuartiges Verfahren ermoumlglicht softwaregestuumltzt eine deutlich verbesserte Kalibrierung von Mehrelement-Sensoren (FPA) und bildgebenden Systemen (Kameras) Bei flaumlchigen Strahlungsquellen kann zusaumltzlich eine gezielte Ansteuerung von Flaumlchenelementen zu einer bisher im Allgemeinen nicht erreichbaren Flaumlchenhomogenitaumlt fuumlhren

Technische Beschreibung

Flaumlchenstrahler dienen der Kalibrierung von ortsaufloumlsenden Strah-lungssensoren wobei davon ausgegangen wird dass die Emissionsflaumlche des Strahlers im Wesentlichen homogen bezuumlglich ihrer Strahldichte bzw Strahlungstemperatur ist Um kleine Inhomogenitaumlten eines Flaumlchenstrahlers zu charakterisieren ist es ein gaumlngiges Verfahren die Emissionsflaumlche punktweise mit einem Einzeldetektor abzutasten

Das neue PTB-Verfahren ist wesentlich schneller da es den Mehr-element-Sensor (FPA) das device-under-test selbst nutzt und damit immer ein Gesamtbild der Quelle aufnimmt Werden jetzt weitere Bilder zeilen- oder spaltenversetzt aufgenommen so erlaubt ein mathema-tischer Algorithmus bei nur drei Bildern eine komplette Charakterisie-rung des Sensors aber auch der Quelle

Sind Flaumlchenelemente der Strahlungsquelle einzeln ansteuerbar so ist es sogar moumlglich mittels der ermittelten Korrekturwerte zu Strahlquellen extrem hoher Homogenitaumlt im on-line-Betrieb zu gelangen

Wirtschaftliche Bedeutung

Bildgebende Strahlungssensoren und homogene Strahlungsquellen sind relevant fuumlr die Forschung und Entwicklung fuumlr die Prozesstechnik fuumlr die Charakterisierung der Energieeffizienz von Bauten bei der Ent-wicklung neuer Bauteile mit hoher thermischer Belastung und in vielen weiteren Bereichen Der mathematische Algorithmus ist aber auf unter-schiedliche Arten von Kamerasystemen anwendbar und damit auch fuumlr die Qualitaumltssicherung von CCD-Kameras bis hin zum Konsumguuml-termarkt anwendbar EntwicklungsstandEine deutsche Patenterteilung erfolgte im September 2015 Eine PCT-Anmeldung ist anhaumlngig Kooperations- und Lizenzpartner aus den Bereichen Thermografie Radiometrie und Photometrie zur Umsetzung des Konzeptes werden gesucht

Ansprechpartner

Dr Bernhard SmandekBeauftragter fuumlr TechnologietransferTelefon +49 531 592shy8303Telefax +49 531 592shy69shy8303EshyMail technologietransferptbde

DiplshyIng Berndt GutschwagerArbeitsgruppeInfrarotshyStrahlungsthermometrie

Stahlungsmessplatz der PTB zur Kalibrierung von Temperaturstrahlern und Waumlrmebildkashymeras

Vorteile

bull Schnelle Kalibrierung von Flaumlchensensoren (FPA)

bull Schnelle Kalibrierung von Flaumlchenstrahlern

bull Strahlquellen houmlchster Hoshymogenitaumlt

bull Fuumlr Thermografie und Phoshytometrie

PTBshyNummer 00374

wwwtechnologietransferptbde

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Erscheinungsweise und Bezugspreise Die PTB-Mitteilungen erscheinen viermal jaumlhrlich Das Jahresabonnement kostet 3900 Euro das Einzelheft 1200 Euro jeweils zzgl Versandkosten Bezug uumlber den Buchhandel oder den Verlag Abbestellungen muumlssen spaumltestens drei Monate vor Ende eines Kalenderjahres schriftlich beim Verlag erfolgen

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Printed in Germany ISSN 0030-834X

Die fachlichen Aufsaumltze aus dieser Ausgabe der PTB-Mitteilungen sind auch online verfuumlgbar unterdoi 10779531020150499

Die Physikalisch-Technische Bundesanstalt das nationale Metrologieinstitut ist eine wissenschaftlich-technische Bundesoberbehoumlrde im Geschaumlftsbereich des Bundesministeriums fuumlr Wirtschaft und Energie

mitteilungen

Impressum

Die PTB-Mitteilungen sind metrologisches Fachjournal der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt Braunschweig und Berlin Als Fachjournal veroumlffentlichen die PTB- Mitteilungen wissenschaftliche Fachaufsaumltze zu metrologischen Themen aus den Arbeitsgebieten der PTB Die PTB-Mitteilungen stehen in einer langen Tradition die bis zu den Anfaumlngen der Physikalisch-Technischen Reichsanstalt (gegruumlndet 1887) zuruumlckreicht

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Physikalisch-Technische BundesanstaltBraunschweig und BerlinNationales Metrologieinstitut

Die Physikalisch-Technische Bundesanstalt das nationale Metrologieinstitut ist eine wissenschaftlich-technische Bundesoberbehoumlrde im Geschaumlftsbereich des Bundesministeriums fuumlr Wirtschaft und Energie

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Hef

t 42

015

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Ruumlckfuumlhrung in der Photometrie hellipPTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4

dar aktuell werden zur Charakterisierung solcher Kameras national im FNL3 (Normenausschuss bdquoPhotometrieldquo im DIN) und international in der CIE (TC2-59 TC2-62) u a Messverfahren dis-kutiert die dann mittels definierter Kenngroumlszligen beschrieben werden

Literatur

[1] BIPM Com Cons Phot Radiometrie 1982 10[2] CIE 1144 Distribution temperature and ratio

temperature 1994[3] G Sauter Die Candela Erlaumluterungen zum Ver-

staumlndnis der Definition und der RealisierungPTB-Mitteilungen 107 1997

[4] W Schreier (Hrsg) Biographien bedeutender Phy-siker 2 Aufl Volk und Wissen Berlin 1988S 203ndash205

[5] M Planck Zur Theorie des Gesetzes der Energie-verteilung im Normalspektrum Verhandlungender Deutschen Physikalischen Gesellschaft 21900 S 237ndash245

[6] V I Sapritsky B BKhlevnoy V B KhromchenkoB E Lisiansky S N MekhontsevU A Melenevsky S P Morozova A V ProkhorovL N Samoilov V I Shapoval K A SudarevM F Zelener Precision Blackbody sources forradiometric standards Appl Opt 1997 36S 5403ndash5408

[7] P Sperfeld Entwicklung und Realisierungeiner empfaumlngergestuumltzten spektralen Bestrah-lungsstaumlrkeskala Dissertation Braunschweig2861999 httpwwwbibliotu-bsdeedissdata19990628a19990628ahtml(Letzter Aufruf 28102015)

[8] P Sperfeld S Pape B Barton From Primary Stan-dard to Mobile Measurements ndash Overview of theSpectral Irradiance Calibration Equipment at PTBMAPAN-Journal of Metrology Society of India 252010 S 11ndash19

Bild 17 Pixelaufgeloumlste Darstellung einer Leuchtdichteverteilung mit einer Leuchtdichtemesskamera

pim_140107_anz_forschung_178x29indd 1 280214 1033

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PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4Das Jahr des Lichtes

Kurze Geschichte der Goniophotometrie in der PTB Matthias Lindemann

Zusammenfassung

Die Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB) ist das nationale Metrologieinstitut (NMI) der Bundesrepublik Deutschland das seinen Fokus auf die Realisierung Bewahrung und Weitergabe der SI-Einheiten richtet Deshalb hat auch die goniophotometrische Bestimmung des Licht-stroms nahezu beliebiger Lichtquellen eine lange Tradition Seit mehr als 50 Jahren werden in der PTB hierzu noumltige Messsysteme entwickelt genutzt verbessert und an neue Messaufgaben angepasst Schon in den 50er- und 60er-Jahren des vergangenen Jahrhunderts erlaubte ein soge-nanntes Einarm-Goniophotometer die Realisie-rung der Lichtstromeinheit lumen (lm) als direkte Ableitung von der SI-Basiseinheit Candela (cd) mithilfe von Lichtstaumlrke-Normallampen Spaumlter gestattete ein groszliges Kardan-Goniophotometer mit einem Messradius von 25 m die notwendige automatisierte spiralfoumlrmige Bewegung eines Photometers bzw eines Dreibereichsfarbmess-kopfes Fuumlr die Lichtstrom-Kalibrierungen von Kleingluumlhlampen aber auch von zunehmend nachgefragten Messungen an LEDs wurde schon in den fruumlhen 1980er Jahren ein sogenanntes Mini-Goniophotometer ebenfalls als Kardan-

Goniophotometer mit nur 03 m Messradius entwickelt und eingesetzt Dieser Entwicklungs-prozess haumllt an und ermoumlglicht heute die Kalibrie-rung auch modernster LED-Lichtquellen Im Jahr 2006 wurde das erste Roboter-Goniophotometer im neuen Albert-Einstein-Gebaumlude der PTB in Betrieb genommen und ermoumlglicht seitdem die Kalibrierung nahezu beliebiger Lichtquellen mit der noumltigen kleinen Messunsicherheit

1 Einfuumlhrung

Mehr als 11 der elektrischen Energie werden heute in Deutschland fuumlr Beleuchtung einge-setzt Tendenz steigend Daher ist der Lichtstrom oumlkonomisch gesehen die wichtigste photometri-sche Groumlszlige Es ist notwendig seine Einheit das Lumen (lm) direkt von der SI-Basiseinheit fuumlr die Lichtstaumlrke der Candela (cd) abzuleiten Dies geschieht regelmaumlszligig mittels Goniophotometrie um den Lichtstrom der zu untersuchenden Licht-quelle zu bestimmen Obwohl auch absolut arbei-tende Ulbricht-Kugel-Methoden existieren [1] benoumltigen diese streng genommen zumindest die relative raumlumliche Lichtstaumlrkeverteilung welche nur durch goniophotometrische Methoden messbar ist

Das Prinzip der Goniophotometrie ist unabhaumln-gig von der technischen Realisierung der unter-schiedlichen Goniophotometertypen Ein Gonio-photometer misst die raumlumliche Verteilung der Beleuchtungsstaumlrke E(r ϑ φ) auf einer geschlosse-nen Huumlllflaumlche mittels V(λ)-angepasstem Pho-tometer fuumlr alle Richtungen (ϑ φ) der Lichtaus-strahlung im vollen Raumwinkel (4π sr) um die Lichtquelle herum wie Bild 1 zeigt

Der Radiusvektor r(ϑ φ) beschreibt die Position des Photometers in Kugelkoordinaten und r(ϑ φ) durchstoumlszligt das zur Lampe gerichtete Eintrittsfens-ter immer orthogonal Der Radiusvektor r(ϑ φ) beschreibt auch die Entfernung zwischen Lampe und Photometer

Der Winkel ϑ beschreibt die Position des Photometers zwischen den Polen traditionell im Bereich (0 lt ϑ lt π) Der Winkel φ beschreibt die Photometer-Position in der Aumlquator-Richtung

Matthias Lindemann Arbeitsgruppe bdquoGoniophotometrieldquo EshyMail matthiaslindemannptbde

Bild 1 Beleuchtungsstaumlrke E als Funktion des Radiusvektors r(ϑ φ)

19

PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4 Kurze Geschichte der Goniophotometrie in der PTB

(0 lt φ lt 2π) Der Wert des Lichtstroms Φ der Lampe kann aus der Beleuchtungsstaumlrkeverteilung E(ϑ φ) berechnet werden entweder aus der Licht-staumlrkedefinition I = dΦdω oder aus der Defini-tion der Beleuchtungsstaumlrke E = dΦdΑ

Φ = ( )int I ϑ ϕ ω4πsr

d (1)

Φ = ( )int E Ar

ϑ ϕ4 2π

d (2)

Das Raumwinkelelement dω der Gleichung (1) ist gegeben durch

d sin d dω ϑ ϑ ϕ= ( ) (3)

und das Flaumlchenelement dA der Gleichung (2) erhaumllt man aus

d sin d dA r= ( ) ( )2 ϑ ϕ ϑ ϑ ϕ

(4)

Der Radius r des Radiusvektors r(ϑ φ) kann als Konstante behandelt werden da er sich gewoumlhn-lich waumlhrend einer goniophotometrischen Messung nicht aumlndert Dann kann die Lichtstaumlrke-verteilung I(ϑ φ) durch Anwendung des photome-trischen Grundgesetzes aus der Beleuchtungsstaumlr-keverteilung E(ϑ φ) bestimmt werden

I r Eϑ ϕ ϑ ϕ ( ) = ( )2 (5)

Falls die photometrisch wirksame Ausdehnung rL der zu messenden Lampe deutlich kleiner ist als der Messradius r des Goniophotometers ist kann Gleichung (1) mit Gleichung (3) und r = const wie folgt geschrieben werden

Φ = ( ) ( )intintr E2

00

2

d sin dϕ ϑ φ ϑ ϑππ

(6)

Andererseits fuumlhrt Gleichung (2) mit Glei-chung (4) und r = const ebenfalls auf Gleichung (6) Aber fuumlr groszlige Lampen koumlnnte die Anwen-dung von Gleichung (5) zu fehlerhaften Ergeb-nissen fuumlhren (rL gt r) aber der ermittelte Wert des Lichtstroms entsprechend Gleichung (6) waumlre korrekt falls das Photometer das einfallende Licht mit dem Kosinus des Einfallswinkels bewertet

2 Geschichte der Goniophotometer- Systeme in der PTB

Wie bereits teilweise in Abschnitt 1 diskutiert sollte ein ideales Goniophotometer eine Reihe von Anforderungen erfuumlllen wie die folgende Auflis-tung zeigt

1 Kalibrierung der Photometer mittels Licht-staumlrke-Normallampen zur Sicherung der Ruumlckfuumlhrung auf die nationale Realisierung der Einheit Candela

2 Ausfuumlhrung einer Relativbewegung zwischen Lampe und Photometer wobei sich ϑ-Achse und φ-Achse rechtwinklig schneiden

3 Verwendung eines V(λ)-angepassten Photo-meters zur Lichtstrommessung

4 Automatische Messdatenanalyse5 Unabhaumlngige Bestimmung des Lichtstromwer-

tes von der raumlumlichenspektralen Verteilung der gemessenen Bestrahlungsstaumlrke Ee(λ ϑ φ) des Lichts

6 Unabhaumlngigkeit der Empfindlichkeit des Pho-tometers von der Umgebungstemperatur bzw Durchfuumlhrung einer entsprechenden Korrektur

7 Beliebige Betriebslage der zu untersuchenden Lampe

8 Einstellbare Umgebungsbedingungen fuumlr Luft-temperatur und Luftfeuchte

9 Geringer Streulichtanteil im Messraum bzw Streulicht-Korrektur

10 Elektrische Antriebe fuumlr die Bewegung der ϑ- und φ-Achsen

11 Verwendung von Farbmesskoumlpfen zur Bestim-mung der raumlumlich wirksamen aumlhnlichsten Farbtemperatur undoder Bestimmung der relativen raumlumlichen spektralen Verteilung der gemessenen Bestrahlungsstaumlrke

12 Messung ohne Bewegung der zu untersuchen-den Lampe

13 Vollstaumlndige Abtastung der Beleuchtungs-staumlrke- bzw Lichtstaumlrkeverteilung der zu untersuchenden Lampe

14 Staumlndige Uumlberwachung des photometrischen Betriebsverhaltens der Lampe um Alterung waumlhrend der Messzeit erkennen bzw korrigie-ren zu koumlnnen (sogenanntes Monitorsystem)

15 Messraumwaumlnde sollen etwa auf Lufttem-peratur sein um den Strahlungsaustausch zwischen Entladungslampen und Waumlnden des Messraums zu stabilisieren

16 Online-Streulichtkorrektur ndash insbesondere fuumlr ausgedehnte Lampen wie Leuchtstofflampen da diese den Einsatz eines Streulichttubus mit groumlszligerem Gesichtsfeld erfordern

17 Die Beleuchtungseinrichtung des Gonio-photometerraums soll zur Messzeit abgedeckt und ausgeschaltet sein um den Streulichtan-teil nicht zu erhoumlhen

18 Variation des Messradius r (Validierung von Nahfeld-Fernfeld-Messungen mit abbilden-den Systemen)

In der Goniophotometrie sind verschiedene Koor-dinatensysteme wie Bild 1a zeigt zu unterscheiden Dies sind regelmaumlszligig das Lampenkoordinatensys-tem Lamp das Raumkoordinatensystem Room und

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PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4Das Jahr des Lichtes

das Goniophotometerkoordinatensystem bezogen auf dessen Zentrum Center Bild 1a zeigt moumlgliche Offsets zwischen diesen Systemen in Translation und Rotation

Um folgende Betrachtungen und Erklaumlrungen zu vereinfachen werden die genannten Koordina-tensysteme als deckungsgleich angenommen das heiszligt es werden keine Offsets in Translation und Rotationen zwischen den Koordinatensysteme vorausgesetzt

Im Weiteren werden die Eigenschaften Vor- und Nachteile der uumlber Dekaden in der PTB entwi-ckelten und genutzten Goniophotometer unter Beruumlcksichtigung der gewuumlnschten vorstehend gelisteten Eigenschaften diskutiert Es beginnt mit einem einfachen Einarm-Goniophotometer aus den 50er-Jahren des vergangenen Jahrhunderts und endet zumindest vorlaumlufig mit dem State-of-the-art-Roboter-Goniophotometer das 2007 in Betrieb ging

21 Einarm-Goniophotometer (1950ndash1975)

In der Zeit von 1950 bis 1975 wurde ein manuell betriebenes Einarm-Goniophotometer nach Bild 2 benutzt In den 50er-Jahren war diese Messappara-tur noch mit einem visuellen Photometer ausge-stattet Dieses Photometer erlaubte die relative Messung von Beleuchtungsstaumlrken mittels einer im Photometer installierten Hilfslampe in Verbindung mit einem optischen Abschwaumlcher [2 Seite 321] Die Ruumlckfuumlhrung auf die nationale Lichtstaumlrke-Einheit die Candela war durch Kalibrierung des visuellen Photometers mit Lichtstaumlrke-Normal-lampen sichergestellt (dies erfuumlllt Anforderung 1 der Anforderungsliste) entsprechend basieren auch Abstandsmessungen auf der nationalen Laumln-geneinheit dem Meter

Wegen der Lageabhaumlngigkeit der internen Hilfs-lampe im Innern des visuellen Photometer war es an einer festen Stelle der Messapparatur ange-bracht wie Bild 2 zeigt Ein Spiegel-Prismen-Sys-tem leitete das Licht der zu untersuchenden Lampe auf das Photometer Eine detaillierte Beschreibung aumlhnlicher Systeme kann [2 Seite 319] entnommen werden Damit ist Anforderung 2 ebenfalls erfuumlllt

Die vollstaumlndige Bestimmung des Lichtstroms Φ erfordert eine groumlszligere Anzahl Messungen von Beleuchtungsstaumlrken fuumlr ebenso viele manuell eingestellte unterschiedliche Kugelkoordina-ten (ϑ φ) Wird die fiktive Kugel gemaumlszlig Bild 1 in ϑ-Richtung in parallele Zonen eingeteilt und jede dieser Zonen i ist wiederum in n Sektoren j gleicher Laumlnge (Δφ = const) mit den zugehoumlrigen Beleuchtungsstaumlrken Eij unterteilt ist es moumlglich die mittlere Beleuchtungsstaumlrke Endashi jeder Zone i nach Gleichung 7 zu bestimmen

E Ei n i jj

n

==sum1

1 (7)

und der Wert des Lichtstroms Φ ergibt sich weiter aus der numerischen Integration nach Gleichung (8)

Φ = ( )minus ( )( )+

=sum2 2

10

1

πr cos cosϑ ϑi ii

m

iE-

(8)

Die Anzahl der notwendigen Beleuchtungsstaumlr-kemessungen haumlngt von der raumlumlichen Lichtver-teilung der zu untersuchenden Lampe ab Wegen der manuellen Einstellung des groszligen Arms (ϑ) der Drehung der Lampe (φ) und des gleichfalls noumltigen manuellen Abgleichs des visuellen Pho-tometers ist diese Methode sehr zeitaufwendig Sollen beispielsweise 600 Punkte gemessen werden (aus heutiger Sicht also nicht besonders viele) und man benoumltigt ca 25 Sekunden pro Messung werden also mehr als 4 Stunden benoumltigt um eine

Bild 1a Koordinatensysteme

Bild 2 Einarm-Go-niophotometer 1950ndash1975

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PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4 Kurze Geschichte der Goniophotometrie in der PTB

Lampe mit relativ homogener raumlumlichen Licht-verteilung zu messen

In 1963 wurde ein internationaler Lichtstrom-vergleich auf der Basis von Entladungslampen ohne Fluoreszenzstoff durchgefuumlhrt Diese Lampen wiesen eine massive Inhomogenitaumlt ihrer raumlumlichen Lichtverteilung auf sodass die beschriebene manuelle Methode wegen der noumltigen hohen Anzahl von Messpunkten nicht praktikabel war Zur Loumlsung dieses Problems in [3] beschrieben wurde das visuelle Photometer durch einen grob an V(λ)-angepassten Photover-vielfacher ersetzt zusaumltzlich wurde die φ-Achse mit einem elektrischen Antrieb versehen und ein Praumlzisionskondensator ermoumlglichte die analoge Integration des Photostroms des Photovervielfa-chers Damit konnte fuumlr jede der erforderlichen ϑ-Einstellungen des groszligen Arms der elektri-sche Antrieb der φ-Achse diese mit konstanter Winkelgeschwindigkeit rotieren lassen waumlhrend der Praumlzisionskondensator den Photostrom des Photovervielfachers integrierte Nach etwa t = 5 min fuumlr eine Umdrehung repraumlsentierte die Ladung Q = C middot U des Praumlzisionskondensators die mittlere Beleuchtungsstaumlrke

E k C Uti = sdot (9)

dieser gemessenen Zone i Daraus berechnet sich der Lichtstrom wiederum gemaumlszlig Gleichung (8) Es ist nicht noumltig das Produkt k ∙ C exakt zu kennen da dies uumlber das Kalibrierverfahren durch die bekannte Beleuchtungsstaumlrke einer Lichtstaumlrke-Normallampe eliminiert werden kann es muss lediglich uumlber die gesamte Messzeit hinweg kons-tant sein

Spaumlter in den 1960er-Jahren wurde auch das visuelle Photometer durch ein modernes V(λ)-angepasstes Photometer basierend auf gefilterten Silizium-Photodioden in Kombination mit einen PhotostromSpannungswandler und einem xy-Plotter ersetzt Man erhielt so die Beleuchtungs-staumlrkeverteilung jeder Zone die sich dann leicht mit grafischen oder numerischen Verfahren inte-grieren lieszlig Es wird spaumlter gezeigt werden dass diese verwendete bdquoanaloge Zonenintegrationldquo sehr aumlhnlich der heutigen digitalen zonalen Bewertung ist

Diese letzten 2 Verbesserungen erfuumlllen die Anforderung 3 und teilweise auch die Anforde-rung 4

22 Kardan-Goniophotometer (1976ndash2007)

Das existierende Einarm-Goniophotometer war immer auf eine bdquohelfende Handldquo angewiesen um es von Punkt zu Punkt zu bewegen Die anschlie-szligende Berechnung des Lichtstroms wurde grund-saumltzlich ebenfalls haumlndisch ausgefuumlhrt Dieses Ver-

fahren war dementsprechend sehr zeitaufwendig und der zunehmende Wunsch der Industrie auch groszlige Objekte wie z B lange Leuchtstofflampen aber spaumlter auch sehr kleine Mikrolampen und erste LEDs zu kalibrieren fuumlhrte zur Entwicklung sogenannter Kardan-Goniophotometer ver schie-dener Ausfuumlhrungen

221 Groszliges Kardan-Goniophotometer

Nach der intensiven Umgestaltung einiger Raumlume im Koumlsters-Bau der PTB war es moumlglich im neuen Goniophotometerraum (7 x 10 x 8 m3) das Kar-dan-Goniophotometer [4] zu installieren Bild 3 zeigt das groszlige Kardan-Goniophotometer Am Bildoberrand ist eine zu kalibrierende stabfoumlrmige Leuchtstofflampe zu sehen

Dieser Raum war zusaumltzlich auch mit einer geregelten elektrischen Heizung ausgestattet um die geforderten Messbedingungen bezuumlglich Umgebungstemperatur einstellen zu koumlnnen Im Prinzip besteht ein Kardan-Goniophotometer wie in Bild 4 gezeigt aus 3 Rahmen wobei der aumluszligere α-Rahmen der raumlumlichen Ausrichtung (durch Drehung um die y-Achse) der zu untersu-chenden Lampe dient Innerhalb dieses aumluszligeren α-Rahmens ist der mittlere φ-Rahmen endlos drehbar um die z-Achse gelagert Der innere ϑ-Rahmen ist wiederrum drehbar im φ-Rahmen gelagert jedoch ist seine Bewegung auf knapp 180deg durch den noumltigen Lampenhalter begrenzt Alle 3 Rahmen sind mechanisch ausgeglichen und mit elektrischen Antrieben versehen Ihre Rotationsgeschwindigkeiten waren per 10-Gang-Praumlzisionspotentiometer einstellbar eine Folge der angewandten analogen Regelung der Achsan-triebe Die Winkelbestimmung der Achsen erfolgte mittels 13-bit-Winkelencodern Das Photometer war am ϑ-Rahmen (Bild 4) platziert und ermoumlg-lichte so einen festen Messradius von 2500 mm Es bestand die Moumlglichkeit ein zweites Photometer

Bild 3 Kardan-Goniophotometer 1976ndash2007

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PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4Das Jahr des Lichtes

oder einen Farbmesskopf auf der gegenuumlberliegen-den Seite des ϑ-Rahmens einzusetzen

In diesem Fall war der Arbeitsbereich limitiert im Bereich 4deg lt ϑ lt 176deg da jeweils Lampenhalter von rechts und links zur Aufnahme einer beispiels-weise stabfoumlrmigen Leuchtstofflampe eingesetzt werden konnten (siehe auch Bild 3) Im Falle von einseitig gesockelten Lampen wurde meist nur ein PhotometerFarbmesskopf verwendet was eine Drehung der gegenuumlberliegenden Messkopf-aufnahme um 90deg ermoumlglichte Diese sogenannte bdquoKroumlpfungldquo lieszlig dann Raum fuumlr den nun einseiti-gen Lampenhalter und der Arbeitsbereich vergrouml-szligerte sich zu 0deg lt ϑ lt 176deg

Entsprechend der Gleichung (6) muss die gemessene Beleuchtungsstaumlrkeverteilung uumlber den vollen Raumwinkel 4π sr zum Wert des Licht-stroms integriert werden So ist es naheliegend digitale uumlber die Zeit integrierende Methoden zur Erfassung und Speicherung der gemessenen Beleuchtungsstaumlrkewerte zu verwenden Bild 5 zeigt den Signalfluss Sowohl Photometer- undoder Farbmesskopf als auch Photostrom-Fre-

quenz-Wandler waren temperaturstabilisiertDer Photostrom des Photometers mit seiner

photometrischen Empfindlichkeit s normalisiert auf die CIE-Lichtart A wird mittels Ruumlckkopp-lung Rg eines Photostromverstaumlrkers in eine Spannung U gewandelt und weiter durch einen Spannungs-Frequenzwandler in eine Frequenz f mit dem zugehoumlrigen Wandlungsfaktor wf kon-vertiert Diese Frequenz wird letztlich von einem digitalen Zaumlhler kontinuierlich gezaumlhlt Simultan wird die Quarz-Frequenz fq durch einen zweiten digitalen Zaumlhler erfasst um waumlhrend der spaumlteren Datenanalyse die urspruumlnglichen Photostroumlme berechnen zu koumlnnen Diese Methode stellt damit die schon erwaumlhnte Signal-Zeit-Integration sicher

Die die zu untersuchende Lampe umgebene fiktive Kugel ist wie Bild 5 zeigt in Zonen und Sektoren unterteilt Infolge der analogen Geschwindigkeitsregelung der zwei bewegten Rahmen sind positive und negative Beschleu-nigungsphasen am Anfang und am Ende einer vollstaumlndigen Abtastung und Lastreaktionen des rotierenden Systems und die damit verbundenen geringen Gleichlaufschwankungen unvermeid-bar Die Unterteilung jeder Zone in Sektoren mit der Laumlnge Δφj als Gewichtung reduziert jedoch diesen Einfluss Damit berechnet sich die mittlere Beleuchtungsstaumlrke Endashi nach Gleichung (10)

Es w R

fyt

fjj

ni j

i j=

sdot sdot sdot( )sdot sdot minus

=sum1

2 10

πϕ

f gq∆∆

∆

(10)

mit der Dunkelfrequenz f0 (Photometer abgeschat-tet) und den Differenzsignal-Zaumlhlungen Δyi j und den Differenzzeit-Zaumlhlungen Δti j jeweils vom Sek-toranfang bis zum Sektorende Wiederum koumlnnte der Lichtstrom nach Gleichung (8) bestimmt werden jedoch werden jetzt noch Korrekturfakto-ren fuumlr das Streulicht cstr der spektralen Fehlanpas-sung des Photometers cspec und Abweichungen von den nominalen elektrischen Betriebsbedingungen celec eingefuumlhrt wie nun Gleichung (11) zeigt

Φ = sdot sdot sdot sdot minus( ) sdot+=

minus

sumc c c r Ei ii

m

istr spec elec cos cos2 21

0

1

π ϑ ϑ

(11)

Im Verlauf einer Lichtstrommessung werden neben dem Photometer auch die Waumlnde des Messraums von der zu untersuchenden Lampe beleuchtet Diese Beleuchtung wird ebenfalls vom im Goniophotometer verwendeten Photometer bdquogesehenldquo und fuumlhrt zu einer Streubeleuchtung auf dem Lichteintrittsfenster dieses Photome-ters Diese Streubeleuchtung haumlngt einerseits vom Reflexionsgrad der verwendeten Wandfarbe (ρ asymp 3 ) und vom Gesichtsfeld des sich vor dem

Bild 4 Groszliges Kardan-Goniophotometer 1976ndash2007

Bild 5 Signalfluss

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PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4 Kurze Geschichte der Goniophotometrie in der PTB

Photometer befindlichen Streulichtreduzierungs-tubus ab Daher muss fuumlr jeden eingesetzten Tubus mit seinem individuellen Gesichtsfeld der wirksame spezifische Streulichtkorrekturfaktor cstr bestimmt werden Diese koumlnnen ermittelt werden indem Blenden mit unterschiedlichen Durchmes-sern zwischen der zu untersuchenden Lampe und dem Photometer waumlhrend normalen Lichtstrom-messungen positioniert werden Eine detaillierte Beschreibung kann [5] entnommen werden

Die technische Realisierung eines Photometers ist immer nur eine Naumlherung fuumlr V(λ) Dies bedeu-tet dass im Prinzip in allen Faumlllen diese spektrale Fehlanpassung korrigiert werden muss Allgemein kann der spektrale Korrekturfaktor cstr fuumlr alle Lampen mit beliebiger Strahlungsfunktion S(λ) nach Gleichung (12) bestimmt werden

cV S

s S

V P T

s Pspek

rel

A

rel

d

d

d=

( )sdot ( )( ) sdot ( )

( ) sdot ( )( ) sdot

intint

intint

λ λ λ

λ λ λ

λ λ λ

λ

λλ λTA d( )

(12)

Hierzu ist jedoch die Kenntnis der relativen spektralen Empfindlichkeit srel(λ) des Photome-ters notwendig P(λ TA) bezeichnet dabei einen Planckstrahler mit einer Verteilungstemperatur von TA = 2856 K

Im Fall von Gluumlhlampen ist ein etwas einfache-rer Weg fuumlr diese Korrektur ohne die Kenntnis von srel(λ) moumlglich Gleichung (13) beschreibt die Abhaumlngigkeit der Beleuchtungsstaumlrke E(T) von der Verteilungstemperatur T

E Ty T

sTT

m

( ) = ( )

A

y

(13)

eines gemessenen Photostroms y(T) und der pho-tometrischen Empfindlichkeit s des Photometers fuumlr Lichtart A Eine charakteristische Eigenschaft des Photometers ist der Exponent my bdquoyldquo indiziert den Exponent fuumlr ein V(λ)- angepasstes Photome-ter oder den y-Kanal eines Dreibereichsfarbmess-kopfes wobei die anderen Kanaumlle unterschiedliche Werte fuumlr diese Exponenten haben Ein ideales Photometer wuumlrde einen Wert von 0 fuumlr diese Exponenten aufweisen Beispielsweise beschreibt my = 0018 ein qualitativ durchaus gutes Photo-meter Der Exponent my (und auch mx und mz) koumlnnen aus einem Fit bekannter Paare (E(T) T) einer Lichtstaumlrke-Normallampe bei verschiedenen Arbeitspunkten wie in [6 7] beschrieben gefun-den werden Damit kann der Korrekturfaktor cspec fuumlr Gluumlhlampen wie folgt geschrieben werden

c TT

my

specA

=

(14)

Werden Gluumlhlampen in der Naumlhe von CIE-Licht-art A betrieben ist die Korrektur auf elektrische Nominalbedingungen celec ebenfalls nach Glei-chung (15) sehr einfach da der Lichtstrom eine Funktion des Betriebsstroms J ist

c JJ

m

elec

J

=

minus

0 (15)

Hier ist J0 der Nominalstrom und mJ cong 684 Mehr Information kann in [7] gefunden werden

Die Datenanalyse fuumlr einen Dreibereichsfarb-messkopf erfolgt in gleicher Weise und man erhaumllt die Normfarbwertanteile (x y) aus den Gleichun-gen (16 17)

x =+ +Φ

Φ Φ ΦX

X Y Z (16)

y =+ +Φ

Φ Φ ΦY

X Y Z (17)

Leider konnten nur der Lichtstrom und die zuge-houmlrigen Normfarbwertanteile bestimmt werden da aufgrund der geringen Speichermoumlglichkeit der verwendeten Computertechnik die raumlumliche Information verlorenging

Daher wurden im Jahre 1991 alle Computer Analogsysteme die Verdrahtung und viele weitere Elemente durch moderne Ausruumlstung ersetzt Von nun an konnten alle Rohdaten mittels geeigneter Speichermedien dauerhaft bewahrt werden Das galt auch fuumlr groszlige Datenmengen des ab 1997 eingesetzten Array-Spektrometers zur Messung der relativen spektralen Leistungsverteilung der Strahlung synchron zur Lichtstrombestimmung Leider wiesen Photometer und Einkoppeloptik des Array-Spektrometers unterschiedliche Gesichtsfel-der auf und hatten etwas unterschiedliche Positi-onen auf dem Goniophotometer was die Daten-analyse komplizierte Dennoch konnten erstmalig raumlumliche spektrale Informationen uumlber zu untersuchende Lampen ermittelt werden Damit erfuumlllte das groszlige Kardan-Goniophotometer in seiner Ausbaustufe von 1997 die Anforderungen 1ndash14 aus Abschnitt 2 Die relative erweiterte Mes-sunsicherheit fuumlr den Lichtstrom fuumlr k = 2 betrug jetzt 060

222 Kleines Kardan-Goniophotometer

Fuumlr die Messung kleiner Lampen und LEDs wurde in den fruumlhen 1980er-Jahren ein dem groszligen Kardan-Goniophotometer sehr aumlhnliches kleines Kardan-Goniophotometer mit einem Messra-dius von nur 300 mm entwickelt hergestellt und

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PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4Das Jahr des Lichtes

betrieben Das Foto in Bild 6 zeigt dieses seinerzeit sogenannte bdquoMini-Goniophotometerldquo

Die Messtechnik entsprach nahezu vollstaumln-dig dem groszligen Kardan-Goniophotometer bis hin zum Signalfluss einschlieszliglich Spannungs-Frequenzwandler und nachgeschalteten Zaumlhlern Damit sind alle Aspekte dieser Apparatur bereits in Abschnitt 221 diskutiertIm Jahre 2007 wurde dieses Instrument durch ein spezielles Goniophotometer fuumlr die Messung von LEDs ersetzt siehe auch Kapitel Metrologie fuumlr moderne Lichtquellen LEDs und OLEDs [10]

23 Roboter-Goniophotometer (2006 bis heute)

Am Ende der 1990er-Jahre wurde die Planung eines neuen Goniophotometertyps mehr und mehr konkret Nahezu gleichzeitig entschied sich die PTB fuumlr den Neubau eines modernen Gebaumludes fuumlr die Abteilung Optik dem heutigen Albert-Einstein-Bau Infolge dieses Zusammentreffens

beider Ereignisse konnte bei der Planung das neue Gebaumlude quasi um das neue Roboter-Goniopho-tometer herum geplant und spaumlter auch so gebaut werden

In 19951996 zeigte G Sauter dass Gonio-photometrie mittels Robotern moumlglich ist und erhebliche Vorteile gegenuumlber den bisher verwendeten Kardan-Goniophotometern auf-weist [8] Wie weiterhin in [8] beschrieben sind sogenannte Service-Roboter gut geeignet um ein Roboter-Goniophotometer zu realisieren Diese zeichnen sich durch eine schlanke Konstruktion mit langen Armen bei gleichzeitig relativ gerin-gem Gewicht aus Sie verfuumlgen uumlber eine hohe Flexibilitaumlt um beispielsweise ein Photometer auf gewuumlnschten Bahnen mit unterschiedlichen Radien (1000 mm lt r lt 3000 mm) auf der fiktiven Kugeloberflaumlche um die Lampe herumzufuumlhren Jeder Roboter verfuumlgt uumlber 7 Freiheitsgrade (engl seven degrees of freedom 7 DOF) Dies garantiert die notwendige Flexibilitaumlt und das erforderli-che Arbeitsvolumen Zur Abdeckung des vollen Raumwinkels 4π sr sind daher 2 der beschriebenen Roboter notwendig Ein dritter aumlhnlicher Roboter positioniert dabei die zu untersuchende Lampe in der gewuumlnschten Brennstellung im Raum Alle Roboter-Basen sind direkt mit dem Stahlbeton des Gebaumludes verbunden um eine langzeitstabile raumlumliche Positionierung der Roboter zu gewaumlhr-leisten Bild 8 zeigt das Roboter-Goniophotometer waumlhrend der Messung einer LED-Signalleuchte

Im Gegensatz zu Kardan-Goniophotometern ist der Messradius variabel in dem alle 7 Achsen in entsprechende Positionen gebracht werden Wegen der groszligen Redundanz eines 7-DOF-Roboters kann die Zielposition einschlieszliglich Orientierung durch eine sehr groszlige Anzahl unter-schiedlicher Einstellungen der 7 Achsen erreicht werden Daher wird eine Strategie benoumltigt um die jeweilige Achs einstellung zu finden Diese

Bild 6 Kleines Kardan-Goniophotometer 1982ndash2007

Bild 7 Arm des Roboter-Goniophotometers

Bild 8 Roboter-Goniophotometer 2006 bis heute

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PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4 Kurze Geschichte der Goniophotometrie in der PTB

Strategie ist relativ simpel Sie besagt dass alle Achseinstellungen derart gefunden werden dass saumlmtliche Bestandteile des Roboters einen maxi-malen Abstand zum Zentrum des Roboters haben sollen um das von der Roboterstruktur reflektierte Streulicht moumlglichst gering zu halten Eine beson-dere Software ist notwendig um alle Achswinkel ausgedruumlckt in counts jedes Winkelencoders fuumlr jede Achse zu bestimmen um die gewuumlnschten Kugelkoordinaten (r ϑ φ) anzufahren Waumlhrend der Messung der zu untersuchenden Lampe liest das Roboter-Kontrollsystem alle 10 ms diese counts jeder Achse und versucht jede Achse entsprechend diese Vorgabe einzustel-len Nach dieser Einstellung welche fuumlr alle 7 Achsen gleichzeitig erfolgt werden die Ist-Winkel jeder Achse wiederum in counts synchron gelesen und mit den zugehoumlrigen photo-metrischen Daten und elek trischen Daten des Lampenbetriebs in eine Datenbank gespeichert Prinzipiell ist der Signal-fluss dem des in Abschnitt 221 beschriebenen groszligen Kardan-Goniophotometers sehr aumlhnlich Aber es gibt ein zusaumltzliches wichtiges Element den sogenannten Zeitstempel Da ein weit verteiltes Datenerfassungssystem vorliegt wird ein Mecha-nismus zur Datensynchronisierung in Form eines 1-Mhz-Taktes verwendet Dieser ist im gesamten System verfuumlgbar Beim Messungsstart synchron gestartete Zaumlhler erlauben daher die spaumltere Synchronisierung aller angefallenen Daten Wie beschrieben ist die Position jeder Achse und damit die Position und Orientierung des Photometers das Ergebnis eines Regelprozesses Somit ist es not-wendig die tatsaumlchliche Position und Orientierung des Photometers aus den gespeicherten Daten der Winkelencoder zu berechnen

In der Robotik ist es uumlblich einen Roboter des

verwendeten Typs wie eine biegesteife mechani-sche Kette mit sogenannten Denavit-Hartenberg-Parametern (DH-Parameter) zu beschreiben [9] Die Tabelle 1 zeigt diese DH-Parameter am Beispiel des Roboters 1

Mit diesen Parametern und den aktuellen Winkeln θi fuumlr jede Achse ist die Berechnung der Position bzw Orientierung der siebten Achse in Basis-Koordinatensystem des Roboters moumlglich Hierzu werden 7 Matrizen nach Gleichung (18) ver-wendet Jede Matrize beschreibt die Position (blau) und Orientierung (gruumln) jeder einzelnen Achse

Die PositionierungOrientierung der Achse 7 ergibt sich aus dem Vektorprodukt T1 T2 T3 T4 T5 T6 T7

Um jedoch die Koordinaten in Bezug auf das Koordinatensystem der fiktiven Kugel zu erhalten muumlssen 2 weitere aumlhnliche Matrizen verwendet werden Die sogenannte Base Frame Matrix F beschreibt die Positionierung und Orientierung des Roboter-Koordinatensystems zum Koor-dinatensystem der fiktiven Kugel waumlhrend die Matrix W die Positionierung und Orientierung des Photometers zur Achse 7 beschreibt Nun laumlsst sich die Position und Orientierung des Photome-ters P im Koordinatensystem der fiktiven Kugel mit Gleichung (19) beschreiben

P = F T1 T2 T3 T4 T5 T6 T7 W (19)

axisi Δθi offset to rotation around Z-axis

αi rotation around X-axis

di

translation in Z-axis

αi

translation in X-axis

1 ndash1438deg 45024deg 0000 mm ndash0400 mm

2 191088deg ndash90026deg 2686322 mm 0696 mm

3 178585deg 89996deg 274088 mm 0781 mm

4 6229deg ndash90022deg 1410499 mm 0474 mm

5 ndash0141deg ndash89955deg 173036 mm ndash0779 mm

6 ndash0924deg 90032deg 1191007 mm 0223 mm

7 180443deg 90007deg 91130 mm 0000 mm

Tabelle 1 DH-Parameter von Roboter 1

T

a

i

i i i i i i i i i i i

=

+( ) minus +( ) +( ) +cos sin cos sin sin cos∆ ∆ ∆ ∆θ θ θ θ α θ θ α θ θ(( )+( ) +( ) minus +( ) +sin cos cos cos sin sin∆ ∆ ∆ ∆θ θ θ θ α θ θ α θ θi i i i i i i i i i ia (( )

00 0 0 1

sin cosα αi i id

(18)

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PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4Das Jahr des Lichtes

Bild 9 zeigt die Achsenkoordinatensysteme (17) das Base-Frame-Koordinatensystem und das Koordinatensystem des Photometers zur Achse 7 in schematischer Weise Das Koordinatensys-tem der fiktiven Kugel faumlllt mit dem Zentrum des Goniophotometers zusammen und wird mit Center bezeichnet P ist jetzt auf dieses Center-Koordinatensystem bezogen Zusaumltzlich ist eine typische Bahn eingezeichnet Wegen des aller-dings nicht dargestellten Lampenhalters ist diese Bahn im oberen Bereich verdichtet um eine Kollision mit dem Lampenhalter zu vermeiden Wie bereits erwaumlhnt setzt die Verwendung von Gleichung (19) einen biegesteifen Roboter voraus der in der Praxis nicht existiert P ist also von statischen Gewichtskraumlften des Roboters dyna-mischen Kraumlften infolge der Bewegung als auch von thermischen Laumlngenaumlnderungen uumlberlagert Daher muss Gleichung (19) um eine entspre-chende Korrektur C erweitert werden Glei-chung (20) zeigt nun das endguumlltige Modell zur Bestimmung von P

wobei C

t tT Rθ θ

θ θ1 7

1 7 dd

dd amb

diese finale Korrektur basierend auf den Winkeln θ1θ7 aller Achsen ihren zeitlichen Ableitungen

dd

dd

θ θ1 7

t t

und der Umgebungstemperatur Tamb beschreibt

Der letzte Parameter R steht fuumlr einen groszligen Datensatz und beschreibt Eigenschaften des Roboters wie Abmessungen Teilmassen usw Die Berechnung von C() ist aufwendig und wurde vom Hersteller des Roboters ausgefuumlhrt Aus Gruumlnden des Wettbewerbs muss diese Berechnung vertrau-lich behandelt werden und kann daher hier nicht veroumlffentlicht werden Jedoch kann die Wirkung von C() beispielhaft auf den Messradius mitgeteilt werden (siehe Bild 10)

Die noumltige Radiuskorrektur rcorr bewegt sich im Bereich ndash2 mm lt rcorr lt 3 mm je nach Position (θ φ) des Photometers Der Aumlquatorbereich benouml-tigt eine groumlszligere Korrektur infolge hier wirksamer groumlszligerer Zentrifugalkraumlfte als die Polregion Der Radius selbst laumlsst sich dann aus der Positionssub-matrix von P bestimmen

Der Signalfluss stimmt im Wesentlichen mit dem wie in Bild 5 gezeigt uumlberein Prinzipiell kann der Lichtstrom mit den Gleichungen (11) und (10) berechnet werden da aber nun 2 Photometer benutzt werden muss dies fuumlr jede Hemisphaumlre also fuumlr jeden Roboter separat geschehen Die Gleichungen (21) und (22) demonstrieren das

Bild 9 Koordinatensystem des Roboter-Gonio-photometers und Beispielbahn

P Ct t

T R F T T T T T T=

sdot sdot sdot sdot sdot sdot sdot sdotθ θ

θ θ1 7

1 71 2 3 4 5 6

dd

dd amb TT W7 sdot

(20)

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PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4 Kurze Geschichte der Goniophotometrie in der PTB

fuumlr Roboter 1 Der Radius r1i befindet sich dabei innerhalb der Summation von Gleichung (22) Das Roboter-Goniophotometer ist zusaumltzlich mit einem Monitorphotometer ausgeruumlstet Dieses Photometer wird waumlhrend der Messung nicht bewegt ist aber staumlndig von einem fixen Punkt aus auf die zu untersuchende Lampe gerichtet und erlaubt somit die Korrektur einer moumlglichen Alterung der Lampe waumlhrend des Messprozesses als Funktion der Zeit (cmon(t1i))

Es w R

fyt

fi jj

ni j

i j1

1 1 11

1

1

11 0

12

1

=

( )sdot minus

=sumπ

ϕf g

q∆∆

∆

(21)

Φ1 1 1 12

1 1 1 12= sdot sdot sdot sdot ( ) sdot minus( )+c c r c ti i i ii

str spec mon cos cosπ ϑ ϑ==

minus

sum sdot0

1

1

1m

iE

(22)

Roboter 2 wird in gleicher Weise behandelt und der Lichtstrom ergibt sich somit aus der Summe von Φ1 und Φ2 korrigiert mit dem elektrischen Korrekturfaktor celec aus Gleichung (15)

Φ Φ Φ= sdot +( )celec 1 2 (23)

Die Bestimmung der Streulichtkorrektur cstr unter-scheidet sich methodisch von jener des Kardan-Goniophotometers Es ist schwierig Blenden zwischen Photometer und Lampe zu positionieren wie in [5] beschrieben Hier wird die Streulicht-korrektur cstr direkt aus der Leuchtdichteverteilung auf den Waumlnden des Messraums bestimmt Mit der Kenntnis der geometrischen und photometrischen Eigenschaften des Raumes der raumlumlichen Licht-staumlrkeverteilung der Lampe und dem verwendeten Streulichttubus vor dem Photometer lieszlige sich die Streulichtkorrektur cstr berechnen Hier jedoch wird diese Korrektur mit sogenannten Back-Loo-king-Photometern bestimmt [11]

Bild 11 zeigt ein Foto der bdquoRoboterhandldquo mit mon-tiertem Photometer und Back-Looking-Photometer Letzteres ist ein wenig schraumlg ausgerichtet um nicht im Bereich des Schattenwurfs des Photome-ters auf den Waumlnden zu messen

Bild 12 zeigt beispielhaft eine typische in finite Flaumlchenelemente gerasterte Streulichtsituation im Goniophotometermessraum wie sie durch die zu untersuchende Lichtquelle generiert wird Dieses Beispiel arbeitet mit finiten Flaumlchen der Groumlszlige 05 m middot 05 m um die Flaumlchen sichtbar zu machen Zur realen Berechnung werden Flaumlchen der Groumlszlige 01 m middot 01 m verwendet Natuumlrlich ist der Streulichtanteil auf der aktiven Flaumlche des

Bild 10Wirkung der Radiuskorrektur

Bild 11 Photometer (links) und Back-Looking-Photometer (rechts)

Bild 12 Wirkung des Streulichts und seine Bestimmung

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PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4Das Jahr des Lichtes

Photometers eine Funktion des Gesichtsfeldes des jeweils verwendeten Streulichttubus vor dem Photometer Derzeit werden 2 Tuben je nach Groumlszlige der Lichtquelle mit Oumlffnungswinkeln von ca 15deg und ca 225deg verwendet Ihre typischen Korrekturwerte betragen etwa 09995 und 09990 Da jeder Messroboter mit diesem Back-Looking-Photometer ausgeruumlstet ist kann so der Streulicht-anteil fuumlr jedes Photometer bestimmt werden Da die Back-Looking-Photometer bdquoruumlckwaumlrtsldquo gerichtet sind wird also jeweils die Streulichtkorrektur fuumlr den gegenuumlberliegenden Messroboter bestimmt Damit ist es moumlglich den Wert des Lichtstroms mit zugehoumlriger Messunsicherheit zu bestimmen Tabelle 2 illustriert Ergebnisse einer vereinfachten Monte-Carlo-Simulation (MC) am Beispiel einer OSRAM-Wi4-Lichtstrom-Normallampe Ihre Lichtstaumlrkeverteilung ist in Bild 13 wiedergegeben

Die MC basiert auf den folgenden Gleichun-gen (24) Werte der wichtigsten Beitraumlge zur Mes-sunsicherheit koumlnnen der Tabelle 2 entnommen werden Eine detailliertere Beschreibung der Roboter und Analyse der Messunsicherheit kann [12] entnom-men werden

Bild 13 Raumlumliche Lichtstaumlrkeverteilung einer OSRAM-Wi4-Lichtstrom-Normallampe

Quantity Symbol Value Uncertainty Unit Sensitivity Contribution lm Relative contribution

Luminous responsivity 1 s1 3065E-10 9195E-13 A lxndash1 188E+12 173 000150

Luminous responsivity 2 s2 4111E-10 12333E-12 A lxndash1 143E+12 177 000153

Spectral matching exponent 1 m2 y 0021 0015 1 20 030 000026

Spectral matching exponent 2 m2 y 0036 0015 1 18 027 000023

CCT or distribution temperature T 2762 10 K 0012 012 000011

Uncertainty in r Δr 0000 00020 m 901 180 000156

Calibration factor for frequency F cFH 1000 00005 1 1141 057 000049

Calibration factor for frequency ƒ cFD 1000 00050 1 104 005 000005

Voltage to frequency converter 1 w1 f 500849 25 Hz Vndash1 0012 031 000027

Voltage to frequency converter 2 w2 f 500561 25 Hz Vndash1 00118 029 000026

Amplification gain 1 R1 g 1000E+09 99996 Ω 6223E-07 006 000005

Amplification gain 2 R2 g 9997E+08 99966 Ω 5430E-07 005 000005

Calibration factor for cmon ccm 1000 00005 1 1162 058 000050

Correction factor for stray light cstr 09995 00005 1 1134 057 000049

Luminous flux Φ 11541 327 00028

Tabelle 2 Unsicherheitsbudget

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PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4 Kurze Geschichte der Goniophotometrie in der PTB

Somit ergibt sich zurzeit eine erweiterte Mess-unsichert von 056 fuumlr k = 2 Dies entspricht etwa der Messunsicherheit welche mit dem groszligen Kardan-Goniophotometer erreichbar war Im Unterschied zum Kardan-Goniophotometer (fester Messradius) verfuumlgt das Roboter-Goniophotometer jedoch uumlber die noumltige hohe Flexibilitaumlt (z B durch Variation des Messradius) die noumltig ist um kuumlnftige Anforderungen erfuumlllen zu koumlnnen Eben diese hohe Flexibilitaumlt fuumlhrt bei der Bestimmung des Messradius zu relativ groszligen Messunsicherheiten Hier koumlnnte die Verwendung einer Lookup-Table oder eine On-Line-Verfolgung mittels Tracer-Syste-men der Bahnen diese Unsicherheit verkleinernMittlerweile ist das Roboter-Goniophotometer voll-staumlndig charakterisiert und wird fuumlr beleuchtungs-staumlrkebasierte Lichtstromkalibrierungen und auch fuumlr internationale Vergleiche eingesetzt Damit werden auch die Anforderungen (15ndash17) erfuumllltIm naumlchsten Schritt wird das Roboter-Goniopho-tometer mit Leuchtdichtemesskameras ausgeruumlstet

werden um es als bdquoNahfeld-Goniophotometerrdquo einzusetzen Es wird dann die direkte Messung der Leuchtdichteverteilung erlauben aus welcher nahezu alle noumltigen photometrischen Groumlszligen abgeleitet werden koumlnnen Dieser kuumlnftige Schritt wird dann auch den letzten Punkt (18) der Anfor-derungen erfuumlllen

3 Zusammenfassung

Die Geschichte der Goniophotometrie in der PTB uumlber einen Zeitraum von mehr als 50 Jahren wird praumlsentiert Verschiedene Goniophotometer ange-fangen vom manuell bewegten Einarm-Goniopho-tometer mit visuellem Photometer uumlber das groszlige und kleine Kardan-Goniophotometer bis hin zum bdquoState-of-the-art-Roboter-Goniophotometerldquo fuumlr das 21 Jahrhundert werden beschrieben Das Letztere hat das Potenzial in der traditionellen Betriebsart aber auch im Nahfeldmodus uumlber viele Jahre eingesetzt zu werden Neu aufkommende

Quantity Symbol Value Uncertainty Unit Sensitivity Contribution lm Relative contribution

Luminous responsivity 1 s1 3065E-10 9195E-13 A lxndash1 188E+12 173 000150

Luminous responsivity 2 s2 4111E-10 12333E-12 A lxndash1 143E+12 177 000153

Spectral matching exponent 1 m2 y 0021 0015 1 20 030 000026

Spectral matching exponent 2 m2 y 0036 0015 1 18 027 000023

CCT or distribution temperature T 2762 10 K 0012 012 000011

Uncertainty in r Δr 0000 00020 m 901 180 000156

Calibration factor for frequency F cFH 1000 00005 1 1141 057 000049

Calibration factor for frequency ƒ cFD 1000 00050 1 104 005 000005

Voltage to frequency converter 1 w1 f 500849 25 Hz Vndash1 0012 031 000027

Voltage to frequency converter 2 w2 f 500561 25 Hz Vndash1 00118 029 000026

Amplification gain 1 R1 g 1000E+09 99996 Ω 6223E-07 006 000005

Amplification gain 2 R2 g 9997E+08 99966 Ω 5430E-07 005 000005

Calibration factor for cmon ccm 1000 00005 1 1162 058 000050

Correction factor for stray light cstr 09995 00005 1 1134 057 000049

Luminous flux Φ 11541 327 00028

Φ = sdot

sdot

+ sdot sdotminus

c JJ

TT

r r c c tm

m

i i

y

strA

cm monj

0

12

1

1

( ) ∆ (( )sdot minus( ) sdotsdot sdot minus

+=

minus=sumsum

cos cosFH FD

ϑ ϑ

ϕ

1 1 10

1 11

11

1

i ii

m jj

n

i jc F c∆ sdotsdot( )sdot sdot

+

+ sdot sdot (

f

s w R

TT

r r c c tm

i i

y

1 0

1 1 1

22

2

2

( )

f g

Acm mon∆ ))sdot minus( ) sdot

sdot sdot minus sdot

+=

minus=sumsum

cos cosFH FD

ϑ ϑ

ϕ

2 2 10

1 11

22

2

i ii

m jj

n

i jc F c∆ ff

s w R

2 0

2 2 2

( )sdot sdot

f g

(24)

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PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4Das Jahr des Lichtes

Anforderungen fuumlr die Ruumlckfuumlhrung photome-trischer Einheiten wie beispielsweise im Solid-State-Lighting-Bereich koumlnnen so erfuumlllt werden

Literatur

[1] Y Ohno 1995 Realization of NIST Luminous Flux Scale Using an Integrating Sphere with an External Source CIE Proceedings 23rd Session New Delhi

[2] R Sewig 1938 Handbuch der Lichttechnik Band 1 pp 319 321 Berlin Springer Verlag

[3] D Foumlrste 1966 Zur Lichtstrommessung an Lam-pen mit ungleichmaumlszligiger Lichtverteilung PTB-Mitteilungen 166 pp 18ndash20 Braunschweig PTB

[4] D Foumlrste 1979 Ein Goniophotometer zur genauen Bestimmung des Lichtstroms Licht-Forschung 1 Jahrgang 379 pp 30ndash36 Heidelberg Huumlthig Verlag

[5] D Foumlrste 1980 Elimination des Fremdlichts bei der Lichtstrombestimmung mit dem Gonio-photometer Licht-Forschung 2 Jahrgang 180 pp 27ndash29 Heidelberg Huumlthig Verlag

[6] W Erb 1997 PTB Network for realization and maintenance of the candela Metrologia 3497 pp 115ndash124 Bristol UK

[7] G Sauter 1996 Kalibrierung von Lichtstaumlrke-Normallampen und Angabe der Messunsicherheit PTB interner Bericht Braunschweig PTB

[8] G Sauter 1996 Goniophotometry new calibra-tion method and instrument design Metrologia 32 (199596) pp 685ndash688 Bristol UK

[9] httpenwikipediaorgwikiDenavit-Hartenberg_Parameters (letzter Aufruf 03122015)

[10] M Lindemann 2009 Photometry and Colori-metry of Reference LEDs by Using a Compact Goniophotometer MAPAN ndash Journal of Metro-logy Society of India Vol 24 No 3 pp 143ndash152 New Delhi India

[11] G Bizjak 2009 Determination of Stray Light at the PTB Goniophotometer Facility MAPAN ndash Jour-nal of Metrology Society of India Vol 24 No 3 pp 163ndash173 New Delhi India

[12] M Lindemann et al 2015 Robot goniopho-tometry at PTB Metrologia 52 pp 167ndash194 Bristol UK

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PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4Das Jahr des Lichtes

1 Eine einleitende Beschreibung von Gluumlhlampen LEDs und OLEDs

Der Einsatz Licht Emittierender Dioden (LED) in der Allgemeinbeleuchtung hat in den vergangenen Jahren erheblich zugenommen Ein entscheiden-der Vorteil der LED gegenuumlber der traditionellen Gluumlhlampe liegt in ihrer uumlberlegenen Lichtaus-beute ηv ndash dem Verhaumlltnis des emittierten Licht-stroms Φv und der aufgenommenen elektrischen Leistung Pel angegeben in LumenWatt

Dieser Vorteil beruht auf den Unterschieden der zugrunde liegenden Technologien der Lichterzeu-gung beider Lampentypen Bei einer (Halogen-)Gluumlhlampe wird der Gluumlhfaden durch elektrischen Strom auf Temperaturen um 3000 K aufgeheizt Obwohl hierbei fast die gesamte elektrische Leis-tung in Strahlung umgewandelt wird ndash Verluste durch thermische Konvektion oder Waumlrmeleitung sind gering ndash kann das menschliche Auge lediglich einen geringen spektralen Anteil der ungefaumlhr 5 der Gesamtstrahlungsleistung ausmacht wahr-nehmen Der Groszligteil der Strahlungsleistung liegt im infraroten Spektralbereich und kann nicht fuumlr Beleuchtungszwecke genutzt werden In Bild 1 ist die spektrale Verteilung einer Gluumlhlampe bei einer Temperatur von 2856 K im Spektralbereich

von 300 nm bis 1200 nm dargestellt Das sichtbare Licht im Spektralbereich zwischen 360 nm und 830 nm ist mit den entsprechenden Spektralfarben hinterlegt Oberhalb 830 nm beginnt der fuumlr das menschliche Auge unsichtbare infrarote Anteil der Strahlung

Der fuumlr photometrische Messungen normativ festgelegte spektrale Hellempfindlichkeitsgrad V(λ) also die Hellempfindlichkeit des Auges eines bdquoNormalbeobachtersldquo ist mit seinem Maximum bei 555 nm schwarz eingezeichnet

Da die Gluumlhlampe eine thermische Strahlungs-quelle ist verschiebt sich mit zunehmender Tem-peratur die Lage des Strahlungsmaximums ent-sprechend des Wienschen Verschiebungsgesetzes zu kuumlrzeren Wellenlaumlngen Um die Lichtausbeute von Gluumlhlampen zu erhoumlhen muumlsste man das Strah-lungsmaximum durch Temperaturerhoumlhung in den kurzwelligeren Bereich des sichtbaren Lichts verschieben Die Maximaltemperatur ist jedoch bei Gluumlhfaumlden aus Wolfram auf etwa 3000 K begrenzt ndash bei houmlheren Temperaturen nimmt die Lebensdauer drastisch ab

Das Funktionsprinzip einer LED-Lichtquelle basiert auf dem Phaumlnomen der Elektrolumines-zenz Der prinzipielle Aufbau einer LED aumlhnelt einer pn-Halbleiterdiode Durch Anlegen einer Gleichspannung rekombinieren Ladungstraumlger in der p-n-Grenzschicht der Leuchtdiode unter Emission von Strahlung Durch gezielte Auswahl der verwendeten Halbleitermaterialien und ihrer Dotierung wird deren Bandluumlcke und somit die Farbe des emittierten Lichtes bestimmt Im Jahr 1992 gelang der Durchbruch in der Entwicklung hocheffizienter blauer LEDs die den Einsatz von LEDs zur Allgemeinbeleuchtung erst ermoumlgli-chen Die zugrunde liegenden Forschungsarbei-ten wurden 2014 mit dem Nobelpreis fuumlr Physik gewuumlrdigt [1]

Eine schmalbandige Lichtemission ist charak-teristisch fuumlr LEDs Dementsprechend verfuumlgt ihr Licht uumlber eine hohe Farbsaumlttigung Durch die Bedeckung des LED-Chips mit breitbandig pho-tolumineszierenden Farbstoffen wird ein Teil der Strahlung in energieaumlrmeres langwelligeres Licht konvertiert und es entstehen Mischfarben wie

Metrologie fuumlr moderne Lichtquellen LEDs und OLEDs Thorsten Gerloff

Thorsten Gerloff Arbeitsgruppe bdquoPhotometrieldquo EshyMail thorstengerloffptbde

Bild 1 Spektrale Verteilung einer Gluumlhlampe und spektraler Hellempfindlichkeitsgrad (V(λ)-Funktion)

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PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4 Metrologie fuumlr moderne Lichtquellen

i Infokasten LED

Lichtausbeute einer Strahlungsquelle ηv

Die Lichtausbeute einer Strahlungsquelle gibt das Verhaumlltnis aus ausgestrahltem Lichtstrom und aufgenommener elektrischer Leistung an Die Einheit ist LumenWatt (lmW) Je houmlher die Lichtausbeute ist umso energieeffizienter ist die Beleuchtung Gluumlhlampen besitzen Lichtausbeuten zwischen 10 und 20 lmW

Lichtstrom Φv

Der Lichtstrom beruumlcksichtigt den Hellempfind-lichkeitsgrad V(λ) des Auges und gibt die in alle Raumrichtungen abgegebene bdquoLichtleistungldquo einer Lampe an Der Lichtstrom enthaumllt keine Information daruumlber wie die Lampe das Licht im Raum verteilt Der Lichtstrom gibt an wie hell ein beleuchteter Raum dem Menschen erscheint

Spektraler Hellempfindlichkeitsgrad V(λ)

Der exakt definierte spektrale Hellempfindlich-keitsgrad V(λ) ist eine Bewertungsfunktion fuumlr elektromagnetische Strahlung Hiermit wird der bdquoHelligkeitseindruck eines menschlichen Durch-schnittsaugesldquo berechnet Dies ermoumlglicht den objektiven Vergleich von Lichtquellen mit physika-lischen Messmethoden Subjektive Wahrnehmun-gen einzelner Menschen koumlnnen damit nicht exakt wiedergegeben werden

Aumlhnlichste Farbtemperatur TN

Es gibt unterschiedliche Farbtemperaturen in der Photometrie Verhaumlltnis- und Verteilungstem-peratur sind nur bei thermischen Strahlern wie der Gluumlhlampe anwendbar Nur die aumlhnlichste Farbtemperatur (englisch Correlated Colour Temperature CCT) laumlsst sich fuumlr Lichtquellen mit beliebiger spektraler Zusammensetzung berech-nen sofern die Normfarbwertanteile aumlhnlich einem thermischen Strahler sind Die aumlhnlichste Farbtemperatur wird in der Einheit Kelvin (K) angegeben Sie gibt an ob das Licht warmweiszlig (ca 3000 K) neutralweiszlig (ca 4500 K) oder tages-lichtweiszlig (gt5500 K) erscheint

Normfarbwertanteile (x y)

Fuumlr die Angabe von Farbe gibt es neben dem spek-tralen Hellempfindlichkeitsgrad V(λ)noch weitere definierte Bewertungsfunktionen Hiermit laumlsst sich die Farbwahrnehmung eines fiktive Normalbeob-achters aus der gemessenen spektralen Verteilung des Lichts durch Angabe von nur zwei Werten (x und y) angeben Diese Werte geben die Koordi-naten auf der Normfarbtafel (s Abbildung) an

Normfarbtafel

Farbwiedergabeindex Ra

Der Farbwiedergabeindex ist eine Kennzahl fuumlr Lichtquellen der bewertet die Qualitaumlt der Farb-wiedergabe Je houmlher der Wert desto besser ist die Farbwiedergabe Der Maximalwert liegt bei 100 Werte zwischen 90 und 100 geben eine ausgezeich-nete Farbwiedergabe an Werte unter 80 sind fuumlr viele Anwendungen nicht ausreichend

Im Folgenden soll ein kleiner Leitfaden gegeben werden der in allgemeinverstaumlndlicher Form die grundlegenden Ideen wichtiger lichttechnischer Groumlszligen erlaumlutern soll Komplexe Details der zugrunde liegenden Normen und Definitionen werden hierbei nicht beruumlcksichtigt

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PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4Das Jahr des Lichtes

Pastellfarbtoumlne oder auch weiszliges LichtIn Bild 2 sind die spektralen Verteilungen einer

LED mit und ohne Leuchtstoff abgebildet In der linken Abbildung erkennt man die schmalbandige blaue Emission des LED-Chips In der rechten Abbildung wird ein Teil dieser Strahlung durch einen Leuchtstoff in laumlngerwelliges Licht konver-tiert und die Mischfarbe erscheint weiszlig

Der Vorteil einer LED gegenuumlber einer Gluumlh-lampe bezuumlglich der Lichtausbeute ist offensicht-lich Es wird ndash von unvermeidbarer thermischer Verlustleistung abgesehen ndash nur Strahlung im sichtbaren Wellenlaumlngenbereich emittiert Daruumlber hinaus ist die Farbe des Lichts von LEDs durch Kombination verschiedener Leuchtstoffe und LEDs nahezu beliebig einstellbar und man ist nicht auf aumlhnlichste Farbtemperaturen von ca 3000 K wie bei der Gluumlhlampe begrenzt

Allerdings gibt es auch Nachteile gegenuumlber dem Licht einer Gluumlhlampe Dem typischen Spektrum einer LED-Lichtquelle fehlen im Gegensatz zu Sonnenlicht oder Gluumlhlampenlicht einzelne Spekt-ralfarben Dies macht sich negativ bei der Qualitaumlt der Farbwiedergabe bemerkbar

Die Farbe des emittierten Lichts einer LED laumlsst sich durch additive Farbmischung sehr aumlhnlich zu Sonnenlicht oder auch Gluumlhlampenlicht einstellen Wenn jedoch Objekte mit Licht beleuchtet werden kommt es auch auf die spektrale Zusammensetzung des Lichts an Nehmen wir einen Blumenstrauszlig aus roten Rosen der im Tageslicht steht Im Son-nenlicht sind alle Spektralfarben vorhanden und diese beleuchten die Rosen Die roten Bluumltenblaumltter absorbieren einige spektrale Anteile des Lichts und reflektieren im Wesentlichen rotes Licht welches in das Auge des Betrachters faumlllt Wenn die Rosen von einer anderen Lichtquelle beleuchtet werden in der die roten Spektralanteile zumindest teilweise fehlen koumlnnen diese nicht reflektiert werden und die Farben der Rosen erscheinen unnatuumlrlich

Dies ist von weitreichender Bedeutung fuumlr die Wahl einer geeigneten Lichtquelle da wir einen Kompromiss aus Licht mit guter Farbwieder-gabe und hoher Lichtausbeute schlieszligen muumlssen Licht mit hoher Farbwiedergabe setzt sich aus moumlglichst vielen Spektralfarben zusammen und Lichtquellen mit hoher Lichtausbeute sollten nur Spektralfarben beinhalten fuumlr die das menschliche Auge besonders empfindlich ist In den Auszligenbe-zirken vieler Staumldte werden zur Nachtbeleuchtung der Gehwege haumlufig Natriumdampflampen mit orangefarbenem Licht eingesetzt Die Lichtaus-beute dieser Lampen ist mit etwa 150 lmW auszligerordentlich hoch da das menschliche Auge in diesem Spektralbereich sehr empfindlich ist Diese Beleuchtung ist jedoch ungeeignet um Farben natuumlrlich wiederzugeben Aufgrund des Aufbaus des menschlichen Auges ist es also nicht moumlglich eine Beleuchtung mit sehr hoher Qualitaumlt der Farbwiedergabe bei gleichzeitig sehr hoher Lichtausbeute zu realisieren

Weiszlige LEDs zur Allgemeinbeleuchtung nutzen in der Regel Leuchtstoffe die teilweise qualita-tiv hochwertige Farbwiedergabeeigenschaften besitzen Eine weitere Methode zur Erzeugung von weiszligem Licht ist das Mischen von rotem gruumlnem und blauem Licht (RGB-Verfahren) welches die Grundlage jedes Displays ist Hierbei sind neben weiszligem Licht auch andere Lichtfarben moumlglich ndash die Farbwiedergabeeigenschaften sind allerdings schlecht Fuumlr die Endverbraucher sind in der Regel die Farbwiedergabeeigenschaften von Lichtquellen als Ra-Werte auf der Verpackung angegeben

Organische Licht Emittierende Dioden (OLED) sind eine junge Beleuchtungstechnologie die noch keinen Zugang zum Massenmarkt erhalten hat Die weltweit erste kommerzielle OLED-Leuchte wurde 2008 vertrieben Der fuumlr den Nutzer wesentliche Unterschied zwischen OLEDs und LEDs besteht im Aufbau Der leuchtende Kristall

Bild 2 Spektrale Verteilung einer blauen LED (links) und einer weiszligen LED (rechts) bei der ein Teil des blauen Lichts zu gelbem Licht konvertiert wurde

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PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4 Metrologie fuumlr moderne Lichtquellen

anorganischer LEDs besitzt eine maximale Kan-tenlaumlnge von etwa einem Millimeter Bei OLEDs wird das Licht in groszligflaumlchigen amorphen organi-schen Schichten erzeugt Momentan sind OLEDs mit leuchtenden Flaumlchen von bis zu 20 x 20 cmsup2 erhaumlltlich Das Licht wird aumlhnlich wie bei LEDs durch Ladungstraumlgerrekombination unter Auftre-ten von Elektrolumineszenz erzeugt Dabei ist das Emissionsspektrum der verwendeten organischen Emittermaterialien wesentlich breitbandiger als das einer LED (vgl Bild 3) Daher wird das weiszlige Licht von OLEDs in der Regel durch Verwendung von roten gruumlnen und blauen Emittermaterialien erzeugt ohne dass die Farbwiedergabeeigenschaf-ten sehr stark darunter leiden

2 Entwicklung von (O)LED-Transfer-normalen in der PTB

Eine der Kernaufgaben der PTB ist die Weiter-gabe der gesetzlichen Einheiten Bis zum heuti-gen Tage bieten Transfernormale in Form von speziellen Gluumlhlampen die besten Eigenschaften um als Maszligverkoumlrperung der Einheiten Candela oder Lumen zu dienen Da der Anwender in der Regel jedoch die Substitutionsmethode bei seinen Messungen anwendet um notwendige Korrektu-ren auf ein Minimum zu reduzieren (Gleiches mit Gleichem vergleichen) sind auch Transfernormale auf Basis der LED-Technologie von Interesse

Bereits in den 80er-Jahren des vergangenen Jahr-hunderts wurden LEDs in der PTB kalibriert Diese waren fuumlr Beleuchtungszwecke noch ungeeignet und dienten lediglich als Signallampen Zeitgleich wurden die ersten PTB-LED-Transfernormale entwickelt deren optische Eigenschaften durch thermische Regelung des LED-Chips stabilisiert wurden Die mechanische Ausrichtung der LEDs leistet aufgrund des typischerweise stark gerichteten Abstrahlprofils der LEDs einen groszligen Beitrag auf die Messunsicherheit Daher werden die LEDs seit

2002 in ein rotationssymmetrisches robustes VA-Stahl-Gehaumluse eingebaut welches sich sehr repro-duzierbar ausrichten laumlsst (vgl Bild 4)

Diese Transfernormale werden unter Konstant-Strom-Bedingungen und ndash durch gezieltes Aufhei-zen des LED-Chips durch den Heizwiderstand ndash unter Konstant-Spannung-Bedingungen betrieben Aufgrund der halbleitenden Eigenschaften sinkt mit steigender Temperatur die Betriebsspannung und sowohl der Lichtstrom als auch die Peakwellenlaumlnge des emittierten Lichts veraumlndert sich Die Sollspan-nung wird auf einen Wert festgelegt der unterhalb der Gleichgewichtsspannung durch Eigenerwaumlr-mung im Betrieb ohne Heizwiderstand bei einer Umgebungstemperatur von etwa 35 degC liegt Somit ist auch ein Einsatz der Transfernormale in Laboren ohne Klimatisierung moumlglich

Fuumlr LEDs mit houmlheren Leistungen wurde im Jahr 2011 ein weiterer Prototyp eines Transfernormals vorgestellt (vgl Bild 5) Da die hier verwendeten LEDs eine houmlhere Leistungsaufnahme besitzen werden sie waumlrmer Das reduziert die Lebensdauer und Reproduzierbarkeit der photometrischen

Bild 3 Exemplarische spektrale Verteilung einer weiszligen OLED

Bild 4 Temperaturgeregeltes LED-Transfernormal auf Basis von Kleinleistungs-LEDs mit Lichtstroumlmen von bis zu 10 Lumen

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PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4Das Jahr des Lichtes

Groumlszligen deutlich Daher muumlssen sie gekuumlhlt werden Hierfuumlr kommt bei diesen Normalen ein Peltier-Element zum Einsatz welches geregelt Waumlrme in einen dahinterliegenden Kuumlhlkoumlrper leitet und hierdurch das emittierte Licht stabilisiert Diese Transfernormale zeichnen sich durch ein geringes

Gewicht bei einer Laumlnge von ca 100 mm und einem Durchmesser von etwa 20 mm aus Allerdings ist die Verwendung von LEDs mit sehr hohen Leistun-gen nicht moumlglich da die Abwaumlrme lediglich passiv an den Raum abgegeben wird Eine detaillierte Beschreibung der Eigenschaften dieses Transfer-normals wurde 2012 veroumlffentlicht [2]

Fuumlr die thermische Stabilisierung von LEDs mit sehr hohen Leistungen wurde ein weiteres Trans-fernormal unter Einsatz von Peltier-Elementen Heatpipes und aktivem Kuumlhlsystem in der PTB entwickelt (vgl Bild 6)

Im Rahmen des europaumlischen Forschungspro-jekts OLED100eu wurde in der PTB weiterhin das weltweit erste Transfernormal unter Einsatz einer organischen Leuchtdiode entwickelt (vgl Bild 7) Dieses Normal wurde fuumlr den Einsatz in einer Ulbricht-Kugel konzipiert und in ein mattes Aluminiumgehaumluse eingebaut Eine Besonderheit dieses Normals ist die Stand-Alone-Versorgungs-einheit die ohne Rechner o auml saumlmtliche relevan-ten elektrischen und thermischen Groumlszligen regelt und auf einem USB-Stick speichert

3 LED-Messtechnik in der PTB

Neben LED-Transfernormalen mit guter Reprodu-zierbarkeit ist eine hochentwickelte Messtechnik fuumlr deren Kalibrierung mit minimaler Messunsi-cherheit erforderlich

Die photometrische Beschreibung von LEDs erfolgt durch Angabe ihrer Lichtstaumlrke ILED mit der Einheit Candela und ihrem Lichtstrom ΦLED mit der Einheit Lumen Diese Groumlszligen werden in der PTB unter Verwendung ruumlckgefuumlhrter Photometer bestimmt Hierfuumlr wird die Beleuchtungsstaumlrke ELED unter definierten geometrischen Bedingungen fuumlr alle Abstrahlrichtungen der LED mit einem Goniophotometer gemessen

Fuumlr die Bestimmung der colorimetrischen Werte kommen Spektralradiometer zum Einsatz Hiermit werden spektrale Bestrahlungsstaumlrken gemessen und daraus die abgeleiteten colorime-

Bild 5 Temperaturgeregeltes LED-Transfernormal auf Basis von Hochleistungs-LEDs mit Lichtstroumlmen von bis zu 100 Lumen Im rechten Bild ist die Temperaturverteilung in Grad Celsius waumlhrend des Betriebs abgebildet

Bild 6 Temperaturgeregeltes LED-Transfernormal auf Basis von Houmlchstleistungs-LEDs mit Lichtstroumlmen von bis zu 2500 Lumen

Bild 7 Temperaturgeregeltes OLED-Transfernormal auf Basis kommerziell erhaumlltlicher OLEDs

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PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4 Metrologie fuumlr moderne Lichtquellen

trischen Kenngroumlszligen wie z B die Normfarb-wertanteile (x y) bei weiszligen LEDs die aumlhnlichste Farbtemperatur TN mit der Einheit Kelvin und bei farbigen LEDs die dominante Wellenlaumlnge λdom berechnet Grundlegende Informationen und Definitionen uumlber die photometrischen und colorimetrischen Groumlszligen und deren Messung sind in [3] [4] und [5] zu finden

In Bild 8 ist der Aufbau des LED-Messplatzes an der PTB zu sehen Fuumlr die Bestimmung der Mess-groumlszligen in alle raumlumlichen Abstrahlwinkel wird die LED durch ein Goniophotometer bewegt

Die LED wird in horizontaler Betriebslage zentrisch normal zur Referenzebene des Photo-meterkopfes ausgerichtet Ein Translationstisch ermoumlglicht dabei eine Variation des Abstandes d zwischen Photometer und LED Eine horizontale Rotationsachse (φ-Achse) und eine senkrechte Rotationsachse (ϑ-Achse) die sich an der LED-Spitze im rechten Winkel schneiden erlauben durch Drehung der LED eine Bestimmung der Beleuchtungsstaumlrke ELED in alle Raumrichtungen Beide Rotationsachsen werden waumlhrend der Messung zeitgleich bewegt Hierdurch bewegt sich die relative Position der lichtempfindlichen Emp-faumlngeroumlffnung bezuumlglich des Schnittpunkts beider Drehachsen auf der Oberflaumlche einer virtuellen Kugel entlang einer Spiralbahn von bdquoPol zu Polldquo dieser Kugel

Die Bestimmung des Lichtstroms ΦLED erfolgt analog der Beschreibung in dem Kapitel Kurze Geschichte der Goniophotometrie in der PTB Der wesentliche Unterschied zu goniophotome-trischen Messungen an Gluumlhlampen besteht darin dass bei LED-Messungen die Lichtquelle typischerweise bewegt werden kann ohne dass sich ihre optischen Eigenschaften aumlndernAufgrund des stetig wachsenden Bedarfs an ruumlck-gefuumlhrten Kalibrierungen von High-Power-LEDs sind Masse und Abmessungen der Transfernor-male erheblich gestiegen Daher wurde der Mess-platz 2015 um ein weiteres Goniophotometer fuumlr schwere und groszlige Objekte erweitert (vgl Bild 9)

Neben den photometrischen Empfaumlngern befinden sich auch Einkoppeloptiken fuumlr Spekt-ralradiometer auf dem drehbaren Empfaumlngerka-russell Alle Empfaumlnger lassen sich hiermit auto-matisiert waumlhrend einer Messung zu den LEDs ausrichten Vor jeder LED-Kalibrierung werden die Spektralradiometer bezuumlglich Ihrer spektralen Empfindlichkeit und Wellenlaumlnge kalibriert Die entsprechenden Normallampen befinden sich neben dem Empfaumlngerkarussell (vgl Bild 10) und ermoumlglichen so ebenfalls eine automatisierte Messung

Den spektralen Messungen an LEDs kommt neben der Notwendigkeit fuumlr die Bestimmung colorimetrischer Kennzahlen noch eine beson-dere Bedeutung fuumlr die photometrischen Messun-

Bild 9 Goniophotometer fuumlr photometrische Messungen an Hochleistungs-LEDs

Bild 10 Entladungslampen mit verschiedenen Gasfuumlllungen dienen der Wellenlaumlngenka-librierung der Spektrometer Im Hintergrund ist eine Bestrahlungsstaumlrke-Normal-lampe fuumlr die spektrale Empfindlichkeitskalibrierung zu sehen

Bild 8 Goniophotometer fuumlr photometrische Messungen an Kleinleistungs-LEDs

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PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4Das Jahr des Lichtes

gen zu Wie in der Einleitung erklaumlrt unterscheiden sich die spektralen Verteilungen von LEDs und Gluumlhlampen deutlich voneinander Photometerkoumlpfe bestehen in der Regel aus einer Silizium-Photodiode deren spektrale Empfindlichkeit durch den Einsatz von Glasfiltern moumlglichst gut an den Hellemp-findlichkeitsgrad V(λ) angepasst wird Aufgrund internationaler Standardisierung wird die photo-metrische Empfindlichkeit von Photometerkoumlpfen fast ausschlieszliglich fuumlr Normlichtart A kalibriert In der Praxis werden hierfuumlr Gluumlhlampen mit einer Verteilungstemperatur von 2856 K verwendet Wenn man ein solches Photometer fuumlr Messungen an anderen Gluumlhlampen verwendet sind die spektralen Verteilungen meist so aumlhnlich dass nur geringe oder gar vernachlaumlssigbare Korrekturen aufgrund der spektralen Fehlanpassung also der Abweichung der realen spektralen Empfindlichkeit des Photometers von dem Hellempfindlichkeitsgrad notwendig sind Wenn man ein solches Photometer jedoch bei LEDs insbesondere farbigen LEDs einsetzt koumlnnen die Abweichungen aufgrund der spektralen Fehlan-passung sehr groszlig werden (gt10 fuumlr hochwertige Photometerkoumlpfe sind moumlglich)

Mit Kenntnis der relativen spektralen Verteilung der Leuchtdiode SLED(λ) und der relativen spekt-ralen Empfindlichkeit srel(λ) laumlsst sich die spektrale Fehlanpassung durch folgenden Korrekturfaktor cSpek korrigieren

cV S

s S

V P T

sSpek

LED

rel LED

A

rel

d

d

d=

( ) ( )( ) ( )

( ) ( )( )

intint

intλ λ λ

λ λ λ

λ λ λ

λ

intint ( )P Tλ λ A d

P(λ TA) beschreibt Lichtart A durch das Planck-sche Strahlungsgesetz fuumlr TA = 2856 K

Eine detaillierte Auflistung und Diskussion aller zu beruumlcksichtigenden Details bei Kalibrierungen von LEDs und das dazugehoumlrige Messunsicher-heitsbudget soll an dieser Stelle nicht gegeben werden Interessierte Leser koumlnnen hierfuumlr Infor-mationen in einer fruumlheren Veroumlffentlichung [6] oder in den Ergebnissen eines internationalen Vergleichs von LED-Messungen [7] finden

Fazit und Ausblick

Der Verzicht auf LEDs ist fuumlr Beleuchtungsan-wendungen nicht mehr vorstellbar Durch ihre kontinuierliche Weiterentwicklung erobern LEDs immer weitere Anwendungsfelder (z B Haus-halts- Straszligen- und Automobilbeleuchtung) mit denen der Endkunde in Kontakt kommt Bei diesen Anwendungen sind die Anforderungen an die Lichtquellen vielfaumlltig und fuumlr eine quantitative Beschreibung ihrer Eigenschaften muss auch die Messtechnik entsprechend umfassend und ausge-reift sein

Neben dem allgemeinen Forschungs- und Ent-wicklungsbedarf fuumlr bessere LED-Messverfahren und -geraumlte die die Grundlage ihrer technologi-schen Weiterentwicklung bilden gibt es eine weitere Herausforderung Aufgrund der nahezu unbe-grenzten Moumlglichkeiten eine bestimmte Lichtfarbe durch additive Farbmischung zu erhalten sind LEDs verschiedener Hersteller mit unterschiedlichen Emissionsspektren aber einer nominell gleichen aumlhnlichsten Farbtemperatur erhaumlltlich Dennoch ist teilweise ein Unterschied der Lichtfarbe mit bloszligem Auge erkennbar wenn sich unterschiedliche LEDs nebeneinander befinden

Es ist ungewoumlhnlich dass man ohne technische Hilfsmittel nominell gleiche Lichtfarben faktisch unterscheiden kann Um die Charakterisierung von LEDs soweit zu verbessern dass dies nicht mehr moumlglich ist ist einerseits eine Reduzierung der Messunsicherheit bei der Bestimmung der Normfarbwertanteile (Lichtfarbe) notwendig Andererseits muss man sich bewusst machen dass photometrische und colorimetrische Messverfahren auf rein physikalischen Zusammenhaumlngen basieren Individuelle menschliche Wahrnehmung und Sehen werden bei photometrischen Messungen nicht beruumlcksichtigt ndash diese werden durch Festlegung von exakt definierten Wichtungsfunktionen wie dem Hellempfindlichkeitsgrad fuumlr einen fiktiven Normalbeobachter ausgegrenzt Diese Wichtungs-funktionen koumlnnen gegebenenfalls auch noch optimiert werden um die objektive Beurteilung von Lichtquellen mit physikalischen Messmethoden zu verbessern Somit gibt es auch in Zukunft noch interdisziplinaumlre Herausforderungen fuumlr die Metro-logie moderner Lichtquellen

Literatur

[1] httpwwwnobelprizeorgnobel_prizesphysicslaureates2014 (letzter Aufruf 14102015)

[2] T Gerloff M Lindemann S Shirokov M Taddeo S Pendsa A Sperling Development of a new high-power LED transfer standard CIE Proceed-ings 2012

[3] CIE S 017E 2011 ILV International Lighting Vocabulary httpeilvciecoat (letzter Aufruf 03122015)

[4] CIE 127 2007 (2nd edition) Measurement of LEDs

[5] CIE S 025E 2015 Test Method for LED Lamps LED Luminaires and LED Modules

[6] M Lindemann R Maass Photometry and Colo-rimetry of Reference LEDs by Using a Compact Goniophotometer MAPAN ndash Journal of Metrolo-gy Society of India Vol 24 No 3 2009

[7] wwwbipmorg APMPPR-S3a (Averaged LED Intensity) APMPPR-S3b (Total Luminous Flux of LEDs) APMPPR-S3c (Emitted Colour of LEDs)

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Effektpigmente hellipPTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4

Einleitung

Farbe ist fuumlr Menschen die wohl auffaumllligste sub-jektive Stoffeigenschaft Bereits den Fruumlhmenschen war diese visuelle Qualitaumlt bekannt deren Wahr-nehmung allen Primaten eigen ist So wurde 2008 in Suumldafrika eine ca 100000 Jahre alte steinzeitli-che bdquoMalerwerkstattldquo entdeckt [1] Auch heutzu-tage spielt Farbe in der Gestaltung unserer Umwelt eine wichtige Rolle Jedes Jahr praumlsentiert uns die Mode die neuen Farben der Saison Farben dienen zur Regelung des Verkehrs Ohne bunte Farben waumlre unsere Welt trist und oumlde

Es ist wichtig festzustellen dass Farbe ein physiologischer Sinneseindruck ist wie z B auch Tasten oder Riechen D h Farbe ist keine immanente physikalische Eigenschaft eines Gegenstandes wie z B seine Masse oder Waumlrme-leitfaumlhigkeit Die physiologische Wahrnehmungs-kette ist hierbei folgende Das vom betrachteten Gegenstand reflektierte Licht trifft auf das Auge und loumlst hierbei einen Farbreiz aus Dieser Farbreiz beruht auf der spektralen Zusammensetzung des empfangenen Lichts d h er ist abhaumlngig von der verwendeten Lichtquelle und dem spektralen Reflexionsvermoumlgen des betrachteten Objektes Die Anregung der licht- und farbempfindlichen Zellen in der Netzhaut fuumlhrt zu einer Farbvalenz die uumlber den Sehnerv an das Gehirn weitergeleitet wird Die eigentliche Farbempfindung die wir dann mit einem Gegenstand verknuumlpfen entsteht erst im Gehirn [2] Liegt z B eine Farbfehlsich-tigkeit vor so kann der Farbeindruck des betrof-fenen Menschen auch ein ganz anderer sein Auch viele Tiere mit ihren teilweise erheblich abweichenden visuellen Systemen nehmen Farbe ganz unterschiedlich als wir Menschen wahr Im Folgenden soll mit Farbe immer die Koumlrperfarbe auch Gegenstandsfarbe Objektfarbe bzw Oberflauml-chenfarbe genannt einer nicht selbstleuchtenden Flaumlche bezeichnet werden die durch Reflexion von Licht an einem Koumlrper entsteht

Die genannten Zusammenhaumlnge machen die mathematisch-physikalische Beschreibung von Farbe schwierig und aufwendig da auch die spe-zifischen Eigenarten der menschlichen Wahrneh-

mungskette nachgestellt werden muumlssen Diesem Umstand wird versucht uumlber die verschiedenen Farbmaszligsysteme Rechnung zu tragen welche die Farbe eines Objektes mithilfe von quantifizierba-ren Zahlenwerten kennzeichnen [3]

Generell koumlnnen farbige Flaumlchen je nach Tageszeit und Lichteinfall sehr unterschiedlich wirken Die Aumlnderungen basieren hierbei auf der unterschiedlichen spektralen Zusammenset-zung des Tageslichts und den winkelabhaumlngigen Glanz- und Struktureigenschaften von Oberflauml-chen Ganz besonders deutlich ist dies bei auf dem Interferenzeffekt basierenden Effektpigmenten der Fall Deren visuelles Erscheinungsbild im englischen mit Visual Appearance bezeichnet kann sich bei variierendem Beobachtungswinkel und unterschiedlichen Lichtverhaumlltnissen komplett veraumlndern Man spricht hierbei von sogenannten Flop-Lacken wobei man zwischen Hell-Dunkel-Flop und Farb-Flop unterscheiden kann [4]

Generell kann man sagen dass Farbe und visuelle Effekte einen entscheidenden Anteil am Verkaufserfolg eines Produktes haben denn Farben wecken Emotionen und verschiedene Neuro marketingstudien belegen dass ca 95 aller Kaufentscheidungen emotional gepraumlgt sind [5] Deshalb spielt eine moderne Farbgestaltung unter Nutzung aktueller Effektpigmente im Pro-duktdesign eine entscheidende Rolle denn durch den Einsatz solcher Pigmente kann Gegenstaumlnden eine houmlhere Attraktivitaumlt verliehen werden Daher findet man moderne Effektpigmente heutzutage in vielen teilweise sehr unterschiedlichen Indus-trieprodukten wie z B in Autolackierungen Haumluserfassaden Kosmetikartikeln oder sogar bei Pralineacutes wie dies in Bild 1 zu sehen ist

Pigmente

Als Pigmente aus dem Lateinischen kommend von pigmentum fuumlr bdquoFaumlrbestoff Schminkeldquo bezeichnet man aus Teilchen bestehende im Anwendungs-medium praktisch unloumlsliche Sub stanzen die als Farbmittel oder wegen anderer spezieller physika-lischer und chemischer Eigenschaften als funktio-nale Farbzentren verwendet werden [6]

Effektpigmente Eine Herausforderung fuumlr die optische Messtechnik

Egbert Buhr Alfred Schirmacher Andreas Houmlpe

Dr Egbert Buhr Fachbereich bdquoBildshy und Wellenoptikldquo EshyMail egbertbuhrptbde

Dr Alfred Schirmacher Arbeitsshygruppe bdquoReflexion und Transmissionldquo EshyMail alfredschirmacherptbde

Dr Andreas Houmlpe dagger ehemals Arbeitsgrupshype bdquoReflexion und Transmissionldquo

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PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4Das Jahr des Lichtes

In der Natur vorkommende anorganische Pig-mente sind schon seit praumlhistorischen Zeiten bekannt Schon die Menschen der Steinzeit benutzen mineralische Pigmente fuumlr die ersten Houmlhlenzeichnungen Sie erkannten dass sie mit unterschiedlichen Erdsorten farbig malen konnten Eisenoxidhaltige Erden liefern gelbrote bis braunrote Kalk und Gips weiszlige Mangan-oxide sowie Holz- und Knochenkohle schwarze Farbtoumlne

Aus heutiger industrieller Sicht ist ein Pigment ein fein aufgeteilter und unloumlslicher Feststoff mit der Hauptfunktion das Erscheinungsbild des verwendeten Mediums zu verbessern oder es zu faumlrben Pigmente werden dem Medium immer durch physikalisches Mischen beigegeben dies unterscheidet sie von Farbstoffen die in ihrem Medium loumlslich sind

Pigmente koumlnnen nach den optischen Prin-zipien ihrer Wechselwirkung mit Licht unter-schieden und in verschiedene Klassen eingeteilt werden Wichtige Pigmentklassen sind Weiszlig- Bunt- Schwarz- und Effektpigmente die alle wegen ihrer speziellen farbgebenden Eigenschaf-ten eingesetzt werden Bei den Effektpigmenten

kann in einer ersten vereinfachten Einteilung noch zwischen Metalleffekt- und den sogenannten speziellen Effektpigmenten unterschieden werden

Der Begriff bdquospezielle Effektpigmenteldquo umfasst die Gruppen der Perlglanzpigmente und der all-gemeinen Interferenzpigmente welche insbeson-dere bei aktuellen Pigmententwicklungen nicht scharf abgegrenzt werden koumlnnen Perlglanzpig-mente sind Effektpigmente die aus transparenten Plaumlttchen mit hohem Brechungsindex bestehen Sie erzeugen durch die spezielle Form der Mehr-fachreflexion des transmittierten Lichts an mehre-ren Pigmenten einen perlenaumlhnlichen Effekt bei dem die auftreffende Strahlung verteilt reflektiert wird wodurch der Eindruck einer mit der Tiefe abnehmenden diffusen Helligkeit entsteht Fuumlr das Auge ergibt sich so eine scheinbar dreidimen-sionale Glanzcharakteristik die aus der Tiefe des Objektes zu kommen scheint Interferenzpigmente dagegen sind Effektpigmente deren farbgebende Wirkung ganz oder vorwiegend auf dem Effekt der Vielstrahlinterferenz von Licht an duumlnnen hoch-brechenden Schichten beruht Interferenzpigmente koumlnnen dabei sowohl auf transparenten oder auch nichttransparenten Plaumlttchen basieren

Bild 1 a) Roadster mit ChromaFlairreg-Effektpigmentlackierung b) Verwaltungsgebaumlude in Braunschweig verkleidet mit Alucobondreg-spectra-colours-Verbundplatten c) Effektpigmente im Nagellack d) Pralineacute mit Effektpigmentuumlberzug

a

dc

bb

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Effektpigmente hellipPTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4

Die heute verwendeten Pigmente lassen sich somit grob in fuumlnf verschiedene Klassen einteilen

1) Weiszligpigmente Die Pigmente streuen das ge-samte auftreffende Licht nahezu verlustfrei in alle Richtungen durch diffuse ungerichtete Reflexion

2) Buntpigmente Die Pigmente streuen einen Teil des Lichtes diffus und absorbieren wellenlaumln-genselektiv einen anderen Teil des Lichtes

3) Schwarzpigmente Die Pigmente absorbieren alle Wellenlaumlngen des fuumlr das menschliche Auge sichtbaren Spektralbereiches

4) Metalleffektpigmente Die aus duumlnnen Metall-plaumlttchen vorwiegend Aluminium bestehen-den Metalleffektpigmente sind lichtundurch-laumlssig und reflektieren das gesamte auftreffende Licht durch spekulare gerichtete Reflexion Die Pigmentpartikel wirken dabei wie Mikrospie-gel und fuumlhren bei paralleler Ausrichtung im Anwendungsmedium zu einem spiegelnden Metallglanz dem Metallic-Effekt

5) Spezielle Effektpigmente Perlglanz- bzw Inter-ferenzpigmente deren optische Wirkung auf der Mehrfachreflexion an uumlberwiegend flaumlchig aus-gebildeten und ausgerichteten transparenten semitransparenten oder lichtundurchlaumlssigen Partikeln beruht

Weiszlig- Bunt- und auch Schwarzpigmente weisen typische Durchmesser im Bereich von 100 nm bis zu 1 microm auf Ihre Groumlszlige liegt damit zum Teil im Bereich der Wellenlaumlnge des sichtbaren Lichtes welches den Bereich von 380 nm bis 780 nm uumlberdeckt Einige Schwarzpigmente wie z B Ruszlig-pigmente liegen mit ihren Durchmessern jedoch auch zum Teil auch deutlich darunter Effektpig-mente besitzen dagegen Teilchendurchmesser die zumeist im Bereich von 5 microm bis 100 microm in einigen Faumlllen auch daruumlber liegen Sie sind damit bezuumlglich der mittleren Plaumlttchendurch-messer wesentlich groumlszliger als die Wellenlaumlnge des sichtbaren Lichtes Die Dicke der Plaumlttchen liegt von einigen Ausnahmen abgesehen unter 1 microm ebenso wie die Dicke der Interferenzschichten Demzufolge weisen Effektpigmente in der Regel ein hohes Aspektverhaumlltnis auf (Verhaumlltnis der lateralen Ausdehnung einer Struktur zu ihrer Houmlhe) welches bis zu 200 betragen kann

Interferenzpigmente ndash Wie die Farben entstehen

Die Farbe von Interferenzpigmenten haumlngt von der Schichtdicke der Metalloxidbeschichtung und dem Einstrahlungs- und Betrachtungswinkel ab Beide Parameter bestimmen die effektive optische Weg-

laumlngendifferenz fuumlr das einfallende weiszlige Licht zwischen oberer und unterer Grenzflaumlche und die somit auftretenden Interferenzfarben siehe Bild 3

Interferenzpigmente zeigen somit einen aus-gepraumlgten bdquoFarbflopldquo Die Winkelabhaumlngigkeit der Farbe wird hierbei auch als Goniochromasie bezeichnet Richtig bunt geht es zu wenn ein Interferenzpigment auf einen bereits bunten Untergrund aufgebracht wird Die Transparenz der Pigmente laumlsst die Untergrundfarbe durch-

Bild 2 Schematische Diagramme zum spektralen Verhalten verschiedener Pigmenttypen

Bild 3 Die Schichtdicke der Metalloxidbeschichtung und der kombinierte Einstrahlungs- und Betrachtungswinkel bestimmen die optische Weglaumlnge und somit die sich ergebenden Interferenzfarben in Reflexion und Transmission

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PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4Das Jahr des Lichtes

Bild 5 Die Effekte Spar-kling (1) und Coarseness (2) des Effektpigmentes Xirallicreg Crystal Silver in einer vergroumlszliger-ten Aufnahme auf weiszligem (links) und schwarzem Hinter-grund (rechts)

scheinen im Glanzwinkel wird sie aber von der Interferenzfarbe uumlberstrahlt wie dies in Bild 4 zu sehen ist

Der Effekt eines Helligkeitsunterschiedes unter verschiedenen Betrachtungswinkeln wird als Helligkeitsflop bezeichnet und ist an sich nichts Neues Sind jedoch die einzelnen Pigmentteilchen

aufgrund ihrer planaren Reflexionsoberflaumlchen in gerichteter Beleuchtung direkt beobachtbar was fuumlr mittlere Teilchengroumlszligen von 30 microm und groumlszliger der Fall ist so ergibt dies einen Effekt welcher mit dem Begriff Sparkle (Glitzern Funkeln) bezeichnet wird (Bild 5) Aumlndert sich die Beleuchtung von einer gerichteten Einstrahlung wie es an einem wolkenlosen sonnigen Sommertag der Fall ist hin zu einer diffusen ungerichteten Einstrahlung wie an einem stark bewoumllkten Herbsttag so verschwin-det das Sparkling der Pigmente und verwandelt sich in eine Koumlrnigkeit der Oberflaumlche Dieses optische Phaumlnomen wird als Coarseness (Bild-koumlrnigkeit) bezeichnet und ist unabhaumlngig vom Betrachtungswinkel (Bild 5)

Als neuer Archetypus des Sparkle-Begriffes haben sich in den letzten Jahren die Xirallicreg Pig-mente (High Chroma Chrystal Effect Pigments) der Firma Merck KGaA entwickelt Durch die Beschich-tung von Aluminiumoxidplaumlttchen mit hochbre-chenden Metalloxiden und einer optimierten Dicke und Ebenheit aller am Pigment beteiligten Schich-ten entstehen auszligergewoumlhnlich stark reflektierende Effektpigmente die einen besonders intensiven Sparkle-Effekt aufweisen Man spricht hierbei auch von sogenanntem Living Sparkle welcher sich in einem scheinbaren bdquoTanzenldquo der leuchtenden Punkte in der Probenoberflaumlche bei Veraumlnderung der Beobachtungsgeometrie aumluszligert [7 8]

Generell gilt dass die Farbe von Objekten mit Effektlackierung nicht mehr wie jahrzehntelang uumlblich und ausreichend mit konventionellen Farb-messgeraumlten mit nur einer festen Messgeometrie wie z B in der 45deg 0deg Geometrie (Einstrahlung unter 45deg Reflexionsmessung unter 0deg) bestimmt werden kann Dieser Umstand wird sehr gut durch die Grafik in Bild 6 illustriert Dargestellt sind die winkelabhaumlngig gemessenen Farbkoordinaten von drei verschiedenen keramischen Farbstandards der Farben rot gruumln und blau sowie eines mit dem Effektpigment Viola Fantasy der Firma Merck lackierten Blechs Der Einfallswinkel des Lichts auf die Proben betrug hierbei immer 45deg zur Oberflauml-chennormalen Das von den Proben reflektierte Licht wurde an 26 Positionen in einem 5deg Raster in planaren die Oberflaumlchennormale enthalten-den Messgeometrien im Winkelbereich von ndash70deg bis +70deg aufgenommen Bei den aus absorptiven Pigmenten bestehenden Keramiken zeigt sich eine nur sehr geringe Winkelabhaumlngigkeit der Farbe welche groumlszligtenteils auf unterschiedlicher winkelabhaumlngiger Helligkeit d h den Glanzeigen-schaften der Oberflaumlche beruht Das Effektpigment dagegen zeigt einen extremen winkelabhaumlngigen Farb-Flop (Goniochromasie) welcher einen Farbverlauf von Gruumln uumlber Rot-Gelb hin ins Blau-Violett bietet

Aber auch die neuen Lackfarben aus der Gruppe der Effektlackierungen muumlssen messtechnisch

Bild 4 Merck-Xirallicreg-Solaris-Red-Effektpigmente appliziert auf einem mit Standard-Ab-sorptionspigmenten hellblau lackierten Metallblech In Rich-tung des Glanzwin-kels auf der rechten Seite zeigt sich der langsame Aufbau der winkelabhaumlngigen Interferenzfarbe

1

Bild 6 CIELab Farbkoordinaten einer winkelabhaumlngigen Reflexionsmessung an vier verschiedenen Proben drei Keramiken der Farben rot gruumln blau und eine Effektpigmentlackierung mit Merck Colorstreamreg Viola Fantasy Das untergelegte Farbschema zeigt naumlherungsweise die den Koordinaten entsprechende Farbe

2

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Effektpigmente hellipPTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4

Abbildungsoptik Messungen der ortsaufgeloumlsten Leuchtdichte auf einer Laumlngenskala bis hinab zu 28 microm auf der zu untersuchenden Probe siehe Bild 8

Mit der Zeilenkamera sind Messungen von kompletten Reflexionsspektren im sichtbaren Spektralbereich zwischen 380 nm und 780 nm dem sogenannten V(λ)-Bereich auf einer Zeit-skala von 2 Minuten moumlglich Hieraus lassen sich dann Farbkoordinaten der untersuchten Proben in den unterschiedlichsten Farbraumsystemen berechnen Eine absolute Messung in 114 Win-kelkombinationen (siehe Bild 9) im Polarwinkel-

erfasst und ruumlckgefuumlhrt werden um eine gleich-bleibende Qualitaumlt in der Produktion gewaumlhrleis-ten zu koumlnnen Gerade diese vielfaumlltigen zusaumltz-lichen Eigenschaften stellen die Farbmesstechnik vor neue Herausforderungen

Farbmessung

Bisherige kommerzielle Farbmessgeraumlte charakte-risieren Probenoberflaumlchen fast ausschlieszliglich in den eben schon erwaumlhnten sogenannten in-plane Reflexionsgeometrien Dabei liegen die Richtun-gen des eingestrahlten und des reflektierten Lichts sowie die Oberflaumlchennormale der Probe in einer Ebene Diese Einschraumlnkung entspricht jedoch in keiner Weise der taumlglichen Realitaumlt bei der Oberflaumlchen aus beliebigen Richtungen beleuchtet und betrachtet werden Seitens der Messgeraumlteher-steller und Anwender gibt es daher einen Trend zur erweiterten Charakterisierung bezuumlglich zusaumltzlicher Winkelkombinationen im dreidimen-sionalen Raum Spitzenreiter dieser Entwicklung am Markt ist derzeit ein tragbares Mehrwinkel-Spektralphotometer mit insgesamt 19 verschie-denen Reflexionsgeometrien [9] Hiermit scheint aber auch das Ende dieser Entwicklung im Bereich der portablen handgefuumlhrten Geraumlte erreicht Der Wunsch der Anwender geht aktuell wieder zuruumlck zu einer geringeren Anzahl von Winkelkombi-nationen denn es ist unklar wie man aus dem Mehr an winkelaufgeloumlsten Reflexionsdaten die fuumlr die Charakterisierung der Farbeigenschaften relevanten Informationen gewinnen kann Daher stellt sich die Frage welches sind bdquoguteldquo d h an die Messaufgabe adaptierte optimal geeignete Messgeometrien

Um diese Frage zu beantworten betreibt die AG 424 bdquoReflexion und Transmissionldquo der PTB zwei roboterbasierte Gonioreflektometer die eine winkelaufgeloumlste Reflexionsmessung in beliebi-gen bidirektionalen Geometrien ermoumlglichen [10ndash12] Diese beiden Apparaturen sind in Bild 7 dargestellt

Das Standard-Gonioreflektometer ist hierbei das nationale Normal fuumlr die Messgroumlszlige spektraler Strahldichtefaktor in gerichteten Geometrien Es dient der Realisierung Bewahrung und Weiter-gabe der gerichteten Reflexionsskale in Form von Kalibrierungen Die zweite Apparatur bezeich-net mit dem Acronym ARGon3 (3D Appearance Robot-based Gonioreflectometer) ist ein flexibles Forschungsgeraumlt mit dem experimentelle Unter-suchungen u a im Rahmen des EMRP-Projektes Multidimensional Reflectometry for Industry der EU [13] durchgefuumlhrt werden Im Ver gleich zum Standard-Gonioreflektometer ist dieses Geraumlt mit einer photometrischen Leuchtdichteka-mera und einer Zeilenkamera ausgeruumlstet Die Leuchtdichtekamera erlaubt mit einer speziellen

Bild 7 Die beiden roboter-basierten Gonio-reflektometer der PTB oben Standard-Gonioreflektometer fuumlr Kundenkalibrie-rungen unten ARGon3-Messplatz fuumlr Forschungsanwen-dungen

Bild 8 Visualisierung desSparkling-Effektesvon Xironareg-Volcanic-Sparks-Pigmenten als Falschfarben-darstellung der ortsaufgeloumlsten LeuchtdichteDie bdquoNadelnldquo zeigendie Position derPigmente an

Bild 9 Beispielgeometrien zur Messung der winkelabhaumlngigen Reflexionseigen-schaften Realisiert wurden 4 Einstrah-lungsrichtungen (rote Pfeile) mit jeweils 114 Reflexionswinkeln (schwarze Punkte) im Bereich der Viertel-kugel oberhalb der Probenoberflaumlche

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PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4Das Jahr des Lichtes

bereich 0deg bis 70deg gleichmaumlszligig verteilt uumlber den Viertelraum oberhalb der Probe dauert hierbei ca 4 Stunden [14] Die so erhaltenen Daten bilden die Basis fuumlr kuumlnftige Verbesserungen in der Mess-technik fuumlr Anwender und Hersteller

Im Rahmen des EMRP-Projektes Multidimen-sional Reflectometry for Industry [13] sind damit die winkelabhaumlngigen Reflexionsspektren von insgesamt 66 verschiedenen Effektpigmentproben gemessen worden [15 16] Bei den vier verschie-denen Einstrahlungsrichtungen verbunden mit jeweils 114 Reflexionswinkeln im Bereich der Vier-telkugel oberhalb der Probenoberflaumlche ergeben sich somit uumlber 30000 Reflexionsspektren

Zielsetzung der Untersuchungen ist die Ver-besserung der Metrologie zur Materialcharak-terisierung mit reduzierter Messunsicherheit Dazu werden neue Messvorschriften und neue Standardmessartefakte entwickelt mit denen die Industrie die visuelle Wahrnehmung der von ihr produzierten Oberflaumlchen gezielt charakterisie-ren und kontrollieren kann Solche Messungen sollten einfach auszufuumlhren sein und die Ergeb-nisse muumlssen soweit wie moumlglich mit der visuellen menschlichen Wahrnehmung korrelieren Im europaumlischen und internationalen Rahmen sollen die Ergebnisse in die Normung einflieszligen um die allgemeine Vergleichbarkeit solcher Messungen zu gewaumlhrleisten

Literatur

[1] CS Henshilwood et al A 100000-Year-OldOchre-Processing Workshop at Blombos CaveSouth Africa Science Vol 334 No 6053 219ndash2222011

[2] Mark D Fairchild Color Appearance Models2nd Ed John Wiley amp Sons Ltd 2005

[3] Colorimetry Understanding the CIE Systemed by J Schanda Wiley-Interscience NJ 2007

[4] WR Cramer Der richtige Blickwinkel Farbe amp Lack 092006 26ndash30 2006

[5] G Zaltman How Customers Think EssentialInsights into the Mind of the Market HarvardBusiness Review Press 2003

[6] DIN ISO 18451-12015-11 Pigmente Farbstof-fe und Fuumlllstoffe ndash Begriffe ndash Teil 1 AllgemeineBegriffe

[7] WR Cramer Ohne Glimmer aber mit GlanzFarbe amp Lack 042003 132ndash136 2003

[8] WR Cramer Es glitzert wie am SternenhimmelFahrzeug + Karosserie 0412 20ndash22 2012

[9] E Kirchner W Cramer Making sense of measure-ment geometries for multi-angle spectrophotome-ters Color Res Appl Vol 37 No3 186ndash198 2012

[10] D Huumlnerhoff U Grusemann A Houmlpe Newrobot-based gonioreflectometer for measuringspectral diffuse reflection Metrologia 43 S11ndashS162006

[11] A Houmlpe D Huumlnerhoff K-O Hauer Robot-basedgonioreflectometer Industrial Robotics Program-ming Simulation and Applications Low Kin-Huat Ed Pro Literatur-Verlag Mammendorf623ndash632 2007

[12] A Houmlpe T Atamas D Huumlnerhoff S TeichertK-O Hauer ARGon3 ndash bdquo3D Appearance Robot-based Gonioreflectometerrdquo at PTB Rev SciInstrum 83(4) 045102-1ndash045102-8 2012

[13] European Metrology Research Program ProjectIND52 bdquoxD-Reflectldquo Multidimensional Reflecto-metry for Industry wwwxdreflecteu(letzter Aufruf 03122015)

[14] T Atamas K-O Hauer A Houmlpe Appearancemeasurements of goniochromatic colours Predic-ting Perceptions Proceedings of the 3rd Internati-onal Conference on Appearance 149ndash154 2012

[15] A Houmlpe A Koo FM Verdu FB LeloupG Obein et al bdquoMultidimensional reflectometryfor industryrdquo (xD-Reflect) an European researchproject Proc SPIE 9018 Measuring Modelingand Reproducing Material AppearanceSPIE-ISampT Vol 9018 901804-1ndash901804-11 2014

[16] A Houmlpe K-O Hauer S Teichert D HuumlnerhoffC Strothkaumlmper Goniochromatic and Sparkleproperties of effect pigmented samples in mul-tidimensional configuration Proc SPIE 9398Measuring Modeling and Reproducing MaterialAppearance 2015 SPIE Proc Vol 9398 Appea-rance 93980O-1ndash7 2015

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Die 50 Sitzung des Internationalen Komitees fuumlr das gesetzliche Messwesen (CIML) fand vom 20 bis 22 Oktober 2015 in Arcachon Frankreich statt Im Vorfeld der CIML-Sitzung fand ein ein-taumlgiges OIML-Seminar uumlber Countries and Econo-mies with Emerging Metrology Systems (CEEMS) statt uumlber das weiter unten berichtet wird

Das CIML ist der Lenkungsausschuss der OIML Es trifft sich jaumlhrlich und besteht aus je einem Repraumlsentanten der Mitgliedstaaten der korrespondierenden Mitglieder und den Vertre-tern internationaler und regionaler Organisa-tionen die als Beobachter teilnehmen koumlnnen Das CIML ist zustaumlndig fuumlr die Vorbereitung und Durchfuumlhrung der Entscheidungen der Konfe-renz die alle vier Jahre stattfindet Es uumlberwacht die Arbeiten der Technischen Komitees und Unterkomitees und des Internationalen Buumlros fuumlr das gesetzliche Messwesen (BIML) in Paris

An der 50 CIML-Sitzung nahmen 144 Teilneh-mer aus 43 Mitgliedstaaten und 13 korrespondie-renden Mitgliedstaaten teil Zur deutschen Dele-gation gehoumlrten neben den o g Autoren auch die Herren Johann Fischer Direktor des Landesamts fuumlr Mess- und Eichwesen Berlin-Brandenburg sowie Prof Olaf Kuumlhn Direktor des Thuumlringer Landesamts fuumlr Verbraucherschutz als Vertreter der Bundeslaumlnder Dr Peter Ulbig Leiter der Abteilung Wissenschaftlich-technische Quer-schnittsaufgaben der PTB und Prof Manfred Kochsiek Vizepraumlsident a D der PTB ehema-liger CIML-Praumlsident und Ehrenmitglied der OIML Frau Dr Anna Cypionka persoumlnliche Referentin des Praumlsidenten der PTB nahm am OIML-Seminar fuumlr CEEMS teil Vertreten waren auch wieder internationale und regionale Orga-nisationen zu denen die OIML Verbindungen unterhaumllt wie das Internationale Buumlro fuumlr Maszlig und Gewicht (BIPM) die GSO-GCC Standardiza-tion Organization (Saudi-Arabien) die Internatio-nal Laboratory Accreditation Cooperation (ILAC) und der Europaumlische Verband der Waagenherstel-ler (CECIP)

Alle Beschluumlsse der 50 CIML-Sitzung koumlnnen auf den Internetseiten der OIML aufgerufen werden [1 2]

Die wichtigsten Entscheidungen und Entwick-lungen werden nachfolgend vorgestellt

1 Personalangelegenheiten

Der Vertrag von Willem Kool als Assistant Director wurde um vier Jahre der Vertrag des BIML-Direk-tors Stephen Patoray um drei Jahre verlaumlngert

2 Einfuumlhrung des PG Workspace im Internet

In seinem Bericht im Zusammenhang mit der Etablierung des neuen Webauftritts der OIML hob der CIML-Praumlsident Peter Mason (UK) die erfolgreiche Einfuumlhrung des Workspace fuumlr Pro-jektgruppen hervor Durch die Online-Arbeit wird erwartet dass die technische Arbeit an neuen bzw zu revidierenden OIML-Dokumenten vereinfacht und insgesamt effizienter wird

3 Revision der technische Richtlinien fuumlr die OIML (B 6 Directives for OIML tech-nical work)

In einem neuen Projekt sollen die in den vergan-genen Jahren revidierten OIML-Richtlinien fuumlr die technische Arbeit erneut uumlberarbeitet werden um u a den Prozess der Entwicklung und Uumlber-arbeitung von OIML-Publikationen noch weiter zu beschleunigen und den neuen internetbasierten Technologien und Arbeitsweisen Rechnung zu tragen

4 Umfassende strukturelle Uumlberarbeitung des OIML Certificate System

Das CIML verabschiedete die Gruumlndung einer Projektgruppe mit der Aufgabe einer substan-ziellen Uumlberarbeitung des OIML-Zertifizierungs-systems das z Zt aus dem Basiszertifizierungs-system und dem MAA3 besteht Urspruumlnglich ausgehend von der Annahme die Akzeptanz des MAA-Zertifizierungssystem muumlsse verstaumlrkt werden eine groumlszligere Verbreitung finden und mehr Messgeraumltearten abdecken erscheint es

Aktuelles aus der OIML (Internationale Organisation fuumlr das Gesetzliche Messwesen)Bericht uumlber die 50 Sitzung des CIML in Arcachon FrankreichSusanne Ludwig Roman Schwartz

INTERNATIONALE ZUSAMMENARBEIT

Susanne Ludwig OIMLshyGeschaumlftsstelle der PTB EshyMail susanneludwigptbde

Dir u Prof Dr Roman Schwartz Vizepraumlsident der PTB deutsches Mitglied im Internashytionalen Komitee fuumlr das Gesetzliche Messwesen (CIML) und CIMLshyVizepraumlsishydent EshyMail romanschwartzptbde

3 Mutual Acceptance Arrangement (Abshykommen zur gegenshyseitigen Anerkennung von Bauartpruumlfungen)

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PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4Internationale Zusammenarbeit

inzwischen sinnvoller und wurde so auch vom CIML beschlossen zum 112017 ein einziges OIML-Zertifizierungssystem einzufuumlhren Eine Projektgruppe (Certification System Project Group = CSPG) unter dem Vorsitz des CIML-Vizepraumlsi-denten Dr Roman Schwartz wurde damit beauf-tragt die notwendigen Dokumente und Prozedu-ren auszuarbeiten

5 OIML-Seminar fuumlr Countries and Economies with Emerging Metrology Systems (CEEMS)

Im Vorfeld der CIML-Sitzung wurde ein eintaumlgiges Seminar zum Thema Developing an OIML Package for Assistance to Countries with Emerging Metro-logy Systems (CEEMS) abgehalten In vier Sitzun-gen diskutierten 125 Teilnehmer aus 49 Laumlndern uumlber Moumlglichkeiten Laumlnder beim Aufbau von nationalen Metrologiesystemen zu unterstuumltzen In der ersten von Frau Dr Cypionka geleiteten Sitzung Capacity Building ging es um die allge-meinen Herausforderungen bei der Gestaltung von Programmen zur Foumlrderung von Handlungs-kompetenzen und Vermittlung von Wissen fuumlr die Metrologie In zwei weiteren Sitzungen wurden unter den Themen Helping CEEMS Improve Regulation in their Markets (Leitung Prof Dr Manfred Kochsiek) und New Ideas ndash Doing Legal Metrology Differently (Leitung Stuart Carstens

Suumldafrika) konkrete inhaltliche Loumlsungsvorschlaumlge vorgestellt und diskutiert Die Ergebnisse wurden in der 50 CIML-Sitzung vorgestellt und fanden ihren Niederschlag in der Resolution Nr 201510 [2] sie sollen auch noch auf den OIML-Webseiten veroumlffentlicht werden [1]

6 OIML-Publikationen

Folgende OIML-Publikationen wurden verabschiedet

R 139-3 Compressed gaseous fuels measuring systems for vehicles Part 3 Test report format

New Recommendation (R 145) Ophthalmic instru-ments mdash Impression and applanation tonometers

Alle OIML-Publikationen stehen im Internet frei zur Verfuumlgung [3]

Gleichzeitig wurde die Revision der folgenden OIML-Publikation beschlossen

Revision of R 79 Labeling requirements for prepackages

Folgende neue Projekte wurden verabschiedet

Revision des OIML-Dokuments B 6-1 Directives for OIML technical work

Bild 1 Teilnehmer der 50 Sitzung des Internationalen Komitees fuumlr Gesetz-liches Messwesen (CIML) in Arcachon Frankreich

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PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4 Aktuelles aus der OIML

TC 8SC 1 Revision R 71 Fixed storage tanks mdash General requirements

TC 8SC 1 Revision R 85 Automatic level gauges for measuring the level of liquid in stationary storage tanks

7 Personalien und Ehrungen

Die von Dr Seiler dem ehemaligen Leiter des Fachbereichs bdquoTechnische Zusammenarbeitldquo der PTB initiierte OIML-Auszeichnung fuumlr bdquoexzel-lente Beitraumlge von Entwicklungslaumlndern zum gesetzlichen Messwesenldquo ging in diesem Jahr an

bull Nam Hyuk Lim Director of Korea Testing Certi-fication und

bull The Metrology Department Saint Lucia Bureau of Standards

Die OIML-Medaille fuumlr besondere Verdienste um die OIML-Arbeit ging an Ngo Quy Viet Vietnam und Cartaxo Reis aus Portugal

8 Termine

Ein Gastgeberland fuumlr die 51 CIML-Sitzung und 15 OIML-Konferenz im Jahr 2016 konnte noch nicht bekannt gegeben werden es wird aber wahr-scheinlich wieder Frankreich sein Weitere OIML-Veranstaltungen und -Termine finden sich auf der OIML-Webseite unter [4]

9 Literatur

[1] httpswwwoimlorgen (letzter Aufruf 19112015)

[2] httpswwwoimlorgenstructurecimlpdf50-ciml-resolutions-englishpdf (letzter Aufruf 19112015)

[3] httpswwwoimlorgenpublicationsrecommen-dationspublication_viewp_type=1ampp_status=1

[4] (letzter Aufruf 19112015)[5] httpswwwoimlorgeneventscalendar

(letzter Aufruf 19112015)

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TECHNOLOGIETRANSFER

E27-Scanner fuumlr UlbrichtkugelnMit dem besonders einfach ohne Umbau einsetzbaren E27-Scanner koumlnnen Anwender und Hersteller die Homogenitaumlt ihrer Ulbricht-kugeln bestimmen und die Ergebnisse zur Berechnung genauerer Lichtstroumlme und zur Dokumentation der Qualitaumlt ihrer Messungen nutzen

Hintergrund

Wie viel Licht eine Lampe insgesamt in alle Richtungen abstrahlt wird durch ihren Lichtstrom ausgedruumlckt Um den fuumlr die Bestimmung der Energieeffizienz von Lampen notwendigen Lichtstrom schnell zu er mitteln setzt die Lampenindustrie Ulbrichtkugeln ein An einer Stange in der Mitte der Ulbrichtkugel befindet sich eine E27-Lampen-fassung in die nacheinander die Lichtstrom-Normallampe und die zu kalibrierende Lampe eingeschraubt werden Das indirekt auf den Mess-kopf fallende Licht erzeugt einen Photostrom der im Idealfall propor-tional zu dem von der Lampe abgestrahlten Lichtstrom ist unabhaumlngig von der Richtung in die das Licht abgestrahlt wird

Dies ist jedoch bei einer ungleichmaumlszligigen Beschichtung der Kugel sowie bei einer im Laufe der Zeit nicht zu verhindernden Verstaubung nicht der Fall Deshalb wird mit einem Kugelscanner die Homogenitaumlt der Kugel regelmaumlszligig vermessen und ein Korrekturfaktor bestimmt der von der jeweiligen Abstrahlcharakteristik der zu untersuchenden Lampe abhaumlngt

Technische Beschreibung

Der Kugelscanner wird einfach in eine E27-Fassung geschraubt und das sonst fuumlr die Lampenversorgung eingesetzte Netzgeraumlt wird durch die Steuereinheit ersetzt Diese uumlbernimmt sowohl die elektrische Versor-gung als auch die Befehlsuumlbermittlung zum Kugelscanner Die Steuer-einheit wird via USB oder RS232 an einen Computer angeschlossen Das mitgelieferte Messprogramm stellt automatisiert alle gewuumlnschten Richtungen ein und speichert die zugehoumlrigen von der Steuereinheit gemessenen Photostroumlme des Photometers

Wirtschaftliche Bedeutungw

Fuumlr Lampenindustrie und Hersteller von Ulbrichtkugeln

bull Genauere Messung des Lichtstroms

bull Bestimmung des Zeitpunkts einer Neubeschichtung

bull Uumlberwachung beim Beschichten

bull Dokumentation des Zustands der Ulbrichtkugel

EntwicklungsstandDer E27-Kugelscanner wurde in der PTB entwickelt Er wird laufend fuumlr Kalibrierungen eingesetzt Die Technologie wurde an die Firma Czibula amp Grundmann transferiert und wird dort mit einer PTB-Lizenz gebaut und vertrieben wwwphoto-metercom

Ansprechpartner

Dr Bernhard SmandekBeauftragter fuumlr TechnologietransferTelefon +49 531 592shy8303Telefax +49 531 592shy69shy8303EshyMail technologietransferptbde

Dr Stefan WinterFachbereich Photometrie und Radiometrie

Abbildung des E27shyKugelscanners Eine stark fokussierende Lampe die computergesteuert in alle Richtungen leuchten kann

Vorteile

bull Schneller Einbau in E27shyFassung

bull Computergesteuertes Abscannen der gesamten Ulbrichtkugel

bull Flexible Messmoumlglichkeiten

bull Fuumlr genauere Lichtstromshymessungen

bull Wichtig fuumlr die Qualitaumltsshysicherung

PTBshyNummer 0172

wwwtechnologietransferptbde

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PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4 Technologieangebote

Ansprechpartner

Dr Bernhard SmandekBeauftragter fuumlr TechnologietransferTelefon +49 531 592shy8303Telefax +49 531 592shy69shy8303EshyMail technologietransferptbde

Dr Stefan WinterArbeitsgruppe Solarzellen

PulsshyzushyCWshyKonverter

Umwandlung gepulster Laser-Strahlung in konstante StrahlungIn weiten Bereichen der optischen Metrologie ist eine Strahlungs-quelle von groszligem Nutzen die sich spektral vom UV-C bis ins mitt-lere IR durchstimmen laumlsst Lediglich Laser mit gepulster Strahlung erfuumlllen diese Anforderung bei ausreichend groszligem Ausgangssignal bisher luumlckenlos Femtosekunden-Lasersysteme waumlren aufgrund ihrer gut automatisierbaren und spektral weiten Durchstimmbarkeit die ideale Strahlungsquelle fuumlr z B radiometrische Anwendungen ndash wenn ihre Strahlung nicht gepulst waumlre

Durch das extreme Puls-Pausen-Verhaumlltnis von 10ndash5 entstehen hohe Spitzenleistungen die wiederum zu Saumlttigungseffekten bei Detek-toren und in der Folge zu nichtlinearem Verhalten fuumlhren koumlnnen Mit dem in der PTB entwickelten Puls-zu-CW-Konverter wird dieses Problem geloumlst

Technische Beschreibung

Bei dieser Methode werden Pulse gepulster Strahlungsquellen ausrei-chend hoher Repetitionsrate in CW-Strahlung umgewandelt Dabei wird jeder Puls in viele kleine Teilpulse aufgeteilt die auf unterschiedlich langen Wegstrecken unterschiedliche Laufzeiten erfahren Am Ausgang des Systems erscheinen sie dann zeitlich gleichmaumlszligig verteilt Realisiert wird dieser Puls-zu-CW-Konverter uumlber ein Glasfaserbuumlndel bei dem jede Einzelglasfaser eine individuell festgelegte Laumlnge besitzt

Mit der Entwicklung des Puls-zu-CW-Konverters wurde das ent-scheidende Manko beim Einsatz leistungsstarker Femtosekunden(fs)-Lasersysteme im Bereich der Metrologie beseitigt und erstmalig gepulste Laserstrahlung in CW-Strahlung umgewandelt Diese Neuentwicklung ermoumlglicht es nun herkoumlmmliche Monochromatorsysteme durch fs-Lasersysteme zu ersetzen die eine bis zu 1000-mal houmlhere spektrale Ausgangsleistung besitzen

Wirtschaftliche Bedeutung

Durch den neuen Puls-zu-CW-Converter koumlnnen in wirtschaftlich bedeutenden Bereichen wie z B der Photovoltaik der Photometrie der UV-Strahlungsmesstechnik und der Reflektometrie die Referenz- und Transfernormale mit einer deutlich reduzierten Messunsicherheit kali-briert werden Hier werden bislang wesentliche Messunsicherheitsan-teile durch zu geringe Strahlungsleistungen aus herkoumlmmlichen Mono-chromatorsystemen verursacht

Entwicklungsstand

Unter DE 10 2010 011 615 B4 wurde fuumlr den CW-Konverter ein Patent erteilt

Vorteile

bull Zeitliche Glaumlttung gepulster Laserstrahlung

bull Keine stoumlrenden Interferenzen

bull Nur minimale Absorption des Messsignals

bull Auch bei kuumlrzeren Wellenshylaumlngen ohne Ulbrichtkugel verwendbar

bull Kontinuierliche Verteilung des Ausgangspulses

bull Pulsvervielfachung

bull Houmlhere Strahlungsleistung

PTBshyNummer 0254

wwwtechnologietransferptbde

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PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4Technologieangebote

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Homogenisierung von Strahlungsquellen und Focal Plane Arrays (FPA)Ein neuartiges Verfahren ermoumlglicht softwaregestuumltzt eine deutlich verbesserte Kalibrierung von Mehrelement-Sensoren (FPA) und bildgebenden Systemen (Kameras) Bei flaumlchigen Strahlungsquellen kann zusaumltzlich eine gezielte Ansteuerung von Flaumlchenelementen zu einer bisher im Allgemeinen nicht erreichbaren Flaumlchenhomogenitaumlt fuumlhren

Technische Beschreibung

Flaumlchenstrahler dienen der Kalibrierung von ortsaufloumlsenden Strah-lungssensoren wobei davon ausgegangen wird dass die Emissionsflaumlche des Strahlers im Wesentlichen homogen bezuumlglich ihrer Strahldichte bzw Strahlungstemperatur ist Um kleine Inhomogenitaumlten eines Flaumlchenstrahlers zu charakterisieren ist es ein gaumlngiges Verfahren die Emissionsflaumlche punktweise mit einem Einzeldetektor abzutasten

Das neue PTB-Verfahren ist wesentlich schneller da es den Mehr-element-Sensor (FPA) das device-under-test selbst nutzt und damit immer ein Gesamtbild der Quelle aufnimmt Werden jetzt weitere Bilder zeilen- oder spaltenversetzt aufgenommen so erlaubt ein mathema-tischer Algorithmus bei nur drei Bildern eine komplette Charakterisie-rung des Sensors aber auch der Quelle

Sind Flaumlchenelemente der Strahlungsquelle einzeln ansteuerbar so ist es sogar moumlglich mittels der ermittelten Korrekturwerte zu Strahlquellen extrem hoher Homogenitaumlt im on-line-Betrieb zu gelangen

Wirtschaftliche Bedeutung

Bildgebende Strahlungssensoren und homogene Strahlungsquellen sind relevant fuumlr die Forschung und Entwicklung fuumlr die Prozesstechnik fuumlr die Charakterisierung der Energieeffizienz von Bauten bei der Ent-wicklung neuer Bauteile mit hoher thermischer Belastung und in vielen weiteren Bereichen Der mathematische Algorithmus ist aber auf unter-schiedliche Arten von Kamerasystemen anwendbar und damit auch fuumlr die Qualitaumltssicherung von CCD-Kameras bis hin zum Konsumguuml-termarkt anwendbar EntwicklungsstandEine deutsche Patenterteilung erfolgte im September 2015 Eine PCT-Anmeldung ist anhaumlngig Kooperations- und Lizenzpartner aus den Bereichen Thermografie Radiometrie und Photometrie zur Umsetzung des Konzeptes werden gesucht

Ansprechpartner

Dr Bernhard SmandekBeauftragter fuumlr TechnologietransferTelefon +49 531 592shy8303Telefax +49 531 592shy69shy8303EshyMail technologietransferptbde

DiplshyIng Berndt GutschwagerArbeitsgruppeInfrarotshyStrahlungsthermometrie

Stahlungsmessplatz der PTB zur Kalibrierung von Temperaturstrahlern und Waumlrmebildkashymeras

Vorteile

bull Schnelle Kalibrierung von Flaumlchensensoren (FPA)

bull Schnelle Kalibrierung von Flaumlchenstrahlern

bull Strahlquellen houmlchster Hoshymogenitaumlt

bull Fuumlr Thermografie und Phoshytometrie

PTBshyNummer 00374

wwwtechnologietransferptbde

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Die fachlichen Aufsaumltze aus dieser Ausgabe der PTB-Mitteilungen sind auch online verfuumlgbar unterdoi 10779531020150499

Die Physikalisch-Technische Bundesanstalt das nationale Metrologieinstitut ist eine wissenschaftlich-technische Bundesoberbehoumlrde im Geschaumlftsbereich des Bundesministeriums fuumlr Wirtschaft und Energie

mitteilungen

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Die PTB-Mitteilungen sind metrologisches Fachjournal der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt Braunschweig und Berlin Als Fachjournal veroumlffentlichen die PTB- Mitteilungen wissenschaftliche Fachaufsaumltze zu metrologischen Themen aus den Arbeitsgebieten der PTB Die PTB-Mitteilungen stehen in einer langen Tradition die bis zu den Anfaumlngen der Physikalisch-Technischen Reichsanstalt (gegruumlndet 1887) zuruumlckreicht

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Physikalisch-Technische BundesanstaltBraunschweig und BerlinNationales Metrologieinstitut

Die Physikalisch-Technische Bundesanstalt das nationale Metrologieinstitut ist eine wissenschaftlich-technische Bundesoberbehoumlrde im Geschaumlftsbereich des Bundesministeriums fuumlr Wirtschaft und Energie

Phy

sika

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Hef

t 42

015

18

PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4Das Jahr des Lichtes

Kurze Geschichte der Goniophotometrie in der PTB Matthias Lindemann

Zusammenfassung

Die Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB) ist das nationale Metrologieinstitut (NMI) der Bundesrepublik Deutschland das seinen Fokus auf die Realisierung Bewahrung und Weitergabe der SI-Einheiten richtet Deshalb hat auch die goniophotometrische Bestimmung des Licht-stroms nahezu beliebiger Lichtquellen eine lange Tradition Seit mehr als 50 Jahren werden in der PTB hierzu noumltige Messsysteme entwickelt genutzt verbessert und an neue Messaufgaben angepasst Schon in den 50er- und 60er-Jahren des vergangenen Jahrhunderts erlaubte ein soge-nanntes Einarm-Goniophotometer die Realisie-rung der Lichtstromeinheit lumen (lm) als direkte Ableitung von der SI-Basiseinheit Candela (cd) mithilfe von Lichtstaumlrke-Normallampen Spaumlter gestattete ein groszliges Kardan-Goniophotometer mit einem Messradius von 25 m die notwendige automatisierte spiralfoumlrmige Bewegung eines Photometers bzw eines Dreibereichsfarbmess-kopfes Fuumlr die Lichtstrom-Kalibrierungen von Kleingluumlhlampen aber auch von zunehmend nachgefragten Messungen an LEDs wurde schon in den fruumlhen 1980er Jahren ein sogenanntes Mini-Goniophotometer ebenfalls als Kardan-

Goniophotometer mit nur 03 m Messradius entwickelt und eingesetzt Dieser Entwicklungs-prozess haumllt an und ermoumlglicht heute die Kalibrie-rung auch modernster LED-Lichtquellen Im Jahr 2006 wurde das erste Roboter-Goniophotometer im neuen Albert-Einstein-Gebaumlude der PTB in Betrieb genommen und ermoumlglicht seitdem die Kalibrierung nahezu beliebiger Lichtquellen mit der noumltigen kleinen Messunsicherheit

1 Einfuumlhrung

Mehr als 11 der elektrischen Energie werden heute in Deutschland fuumlr Beleuchtung einge-setzt Tendenz steigend Daher ist der Lichtstrom oumlkonomisch gesehen die wichtigste photometri-sche Groumlszlige Es ist notwendig seine Einheit das Lumen (lm) direkt von der SI-Basiseinheit fuumlr die Lichtstaumlrke der Candela (cd) abzuleiten Dies geschieht regelmaumlszligig mittels Goniophotometrie um den Lichtstrom der zu untersuchenden Licht-quelle zu bestimmen Obwohl auch absolut arbei-tende Ulbricht-Kugel-Methoden existieren [1] benoumltigen diese streng genommen zumindest die relative raumlumliche Lichtstaumlrkeverteilung welche nur durch goniophotometrische Methoden messbar ist

Das Prinzip der Goniophotometrie ist unabhaumln-gig von der technischen Realisierung der unter-schiedlichen Goniophotometertypen Ein Gonio-photometer misst die raumlumliche Verteilung der Beleuchtungsstaumlrke E(r ϑ φ) auf einer geschlosse-nen Huumlllflaumlche mittels V(λ)-angepasstem Pho-tometer fuumlr alle Richtungen (ϑ φ) der Lichtaus-strahlung im vollen Raumwinkel (4π sr) um die Lichtquelle herum wie Bild 1 zeigt

Der Radiusvektor r(ϑ φ) beschreibt die Position des Photometers in Kugelkoordinaten und r(ϑ φ) durchstoumlszligt das zur Lampe gerichtete Eintrittsfens-ter immer orthogonal Der Radiusvektor r(ϑ φ) beschreibt auch die Entfernung zwischen Lampe und Photometer

Der Winkel ϑ beschreibt die Position des Photometers zwischen den Polen traditionell im Bereich (0 lt ϑ lt π) Der Winkel φ beschreibt die Photometer-Position in der Aumlquator-Richtung

Matthias Lindemann Arbeitsgruppe bdquoGoniophotometrieldquo EshyMail matthiaslindemannptbde

Bild 1 Beleuchtungsstaumlrke E als Funktion des Radiusvektors r(ϑ φ)

19

PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4 Kurze Geschichte der Goniophotometrie in der PTB

(0 lt φ lt 2π) Der Wert des Lichtstroms Φ der Lampe kann aus der Beleuchtungsstaumlrkeverteilung E(ϑ φ) berechnet werden entweder aus der Licht-staumlrkedefinition I = dΦdω oder aus der Defini-tion der Beleuchtungsstaumlrke E = dΦdΑ

Φ = ( )int I ϑ ϕ ω4πsr

d (1)

Φ = ( )int E Ar

ϑ ϕ4 2π

d (2)

Das Raumwinkelelement dω der Gleichung (1) ist gegeben durch

d sin d dω ϑ ϑ ϕ= ( ) (3)

und das Flaumlchenelement dA der Gleichung (2) erhaumllt man aus

d sin d dA r= ( ) ( )2 ϑ ϕ ϑ ϑ ϕ

(4)

Der Radius r des Radiusvektors r(ϑ φ) kann als Konstante behandelt werden da er sich gewoumlhn-lich waumlhrend einer goniophotometrischen Messung nicht aumlndert Dann kann die Lichtstaumlrke-verteilung I(ϑ φ) durch Anwendung des photome-trischen Grundgesetzes aus der Beleuchtungsstaumlr-keverteilung E(ϑ φ) bestimmt werden

I r Eϑ ϕ ϑ ϕ ( ) = ( )2 (5)

Falls die photometrisch wirksame Ausdehnung rL der zu messenden Lampe deutlich kleiner ist als der Messradius r des Goniophotometers ist kann Gleichung (1) mit Gleichung (3) und r = const wie folgt geschrieben werden

Φ = ( ) ( )intintr E2

00

2

d sin dϕ ϑ φ ϑ ϑππ

(6)

Andererseits fuumlhrt Gleichung (2) mit Glei-chung (4) und r = const ebenfalls auf Gleichung (6) Aber fuumlr groszlige Lampen koumlnnte die Anwen-dung von Gleichung (5) zu fehlerhaften Ergeb-nissen fuumlhren (rL gt r) aber der ermittelte Wert des Lichtstroms entsprechend Gleichung (6) waumlre korrekt falls das Photometer das einfallende Licht mit dem Kosinus des Einfallswinkels bewertet

2 Geschichte der Goniophotometer- Systeme in der PTB

Wie bereits teilweise in Abschnitt 1 diskutiert sollte ein ideales Goniophotometer eine Reihe von Anforderungen erfuumlllen wie die folgende Auflis-tung zeigt

1 Kalibrierung der Photometer mittels Licht-staumlrke-Normallampen zur Sicherung der Ruumlckfuumlhrung auf die nationale Realisierung der Einheit Candela

2 Ausfuumlhrung einer Relativbewegung zwischen Lampe und Photometer wobei sich ϑ-Achse und φ-Achse rechtwinklig schneiden

3 Verwendung eines V(λ)-angepassten Photo-meters zur Lichtstrommessung

4 Automatische Messdatenanalyse5 Unabhaumlngige Bestimmung des Lichtstromwer-

tes von der raumlumlichenspektralen Verteilung der gemessenen Bestrahlungsstaumlrke Ee(λ ϑ φ) des Lichts

6 Unabhaumlngigkeit der Empfindlichkeit des Pho-tometers von der Umgebungstemperatur bzw Durchfuumlhrung einer entsprechenden Korrektur

7 Beliebige Betriebslage der zu untersuchenden Lampe

8 Einstellbare Umgebungsbedingungen fuumlr Luft-temperatur und Luftfeuchte

9 Geringer Streulichtanteil im Messraum bzw Streulicht-Korrektur

10 Elektrische Antriebe fuumlr die Bewegung der ϑ- und φ-Achsen

11 Verwendung von Farbmesskoumlpfen zur Bestim-mung der raumlumlich wirksamen aumlhnlichsten Farbtemperatur undoder Bestimmung der relativen raumlumlichen spektralen Verteilung der gemessenen Bestrahlungsstaumlrke

12 Messung ohne Bewegung der zu untersuchen-den Lampe

13 Vollstaumlndige Abtastung der Beleuchtungs-staumlrke- bzw Lichtstaumlrkeverteilung der zu untersuchenden Lampe

14 Staumlndige Uumlberwachung des photometrischen Betriebsverhaltens der Lampe um Alterung waumlhrend der Messzeit erkennen bzw korrigie-ren zu koumlnnen (sogenanntes Monitorsystem)

15 Messraumwaumlnde sollen etwa auf Lufttem-peratur sein um den Strahlungsaustausch zwischen Entladungslampen und Waumlnden des Messraums zu stabilisieren

16 Online-Streulichtkorrektur ndash insbesondere fuumlr ausgedehnte Lampen wie Leuchtstofflampen da diese den Einsatz eines Streulichttubus mit groumlszligerem Gesichtsfeld erfordern

17 Die Beleuchtungseinrichtung des Gonio-photometerraums soll zur Messzeit abgedeckt und ausgeschaltet sein um den Streulichtan-teil nicht zu erhoumlhen

18 Variation des Messradius r (Validierung von Nahfeld-Fernfeld-Messungen mit abbilden-den Systemen)

In der Goniophotometrie sind verschiedene Koor-dinatensysteme wie Bild 1a zeigt zu unterscheiden Dies sind regelmaumlszligig das Lampenkoordinatensys-tem Lamp das Raumkoordinatensystem Room und

20

PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4Das Jahr des Lichtes

das Goniophotometerkoordinatensystem bezogen auf dessen Zentrum Center Bild 1a zeigt moumlgliche Offsets zwischen diesen Systemen in Translation und Rotation

Um folgende Betrachtungen und Erklaumlrungen zu vereinfachen werden die genannten Koordina-tensysteme als deckungsgleich angenommen das heiszligt es werden keine Offsets in Translation und Rotationen zwischen den Koordinatensysteme vorausgesetzt

Im Weiteren werden die Eigenschaften Vor- und Nachteile der uumlber Dekaden in der PTB entwi-ckelten und genutzten Goniophotometer unter Beruumlcksichtigung der gewuumlnschten vorstehend gelisteten Eigenschaften diskutiert Es beginnt mit einem einfachen Einarm-Goniophotometer aus den 50er-Jahren des vergangenen Jahrhunderts und endet zumindest vorlaumlufig mit dem State-of-the-art-Roboter-Goniophotometer das 2007 in Betrieb ging

21 Einarm-Goniophotometer (1950ndash1975)

In der Zeit von 1950 bis 1975 wurde ein manuell betriebenes Einarm-Goniophotometer nach Bild 2 benutzt In den 50er-Jahren war diese Messappara-tur noch mit einem visuellen Photometer ausge-stattet Dieses Photometer erlaubte die relative Messung von Beleuchtungsstaumlrken mittels einer im Photometer installierten Hilfslampe in Verbindung mit einem optischen Abschwaumlcher [2 Seite 321] Die Ruumlckfuumlhrung auf die nationale Lichtstaumlrke-Einheit die Candela war durch Kalibrierung des visuellen Photometers mit Lichtstaumlrke-Normal-lampen sichergestellt (dies erfuumlllt Anforderung 1 der Anforderungsliste) entsprechend basieren auch Abstandsmessungen auf der nationalen Laumln-geneinheit dem Meter

Wegen der Lageabhaumlngigkeit der internen Hilfs-lampe im Innern des visuellen Photometer war es an einer festen Stelle der Messapparatur ange-bracht wie Bild 2 zeigt Ein Spiegel-Prismen-Sys-tem leitete das Licht der zu untersuchenden Lampe auf das Photometer Eine detaillierte Beschreibung aumlhnlicher Systeme kann [2 Seite 319] entnommen werden Damit ist Anforderung 2 ebenfalls erfuumlllt

Die vollstaumlndige Bestimmung des Lichtstroms Φ erfordert eine groumlszligere Anzahl Messungen von Beleuchtungsstaumlrken fuumlr ebenso viele manuell eingestellte unterschiedliche Kugelkoordina-ten (ϑ φ) Wird die fiktive Kugel gemaumlszlig Bild 1 in ϑ-Richtung in parallele Zonen eingeteilt und jede dieser Zonen i ist wiederum in n Sektoren j gleicher Laumlnge (Δφ = const) mit den zugehoumlrigen Beleuchtungsstaumlrken Eij unterteilt ist es moumlglich die mittlere Beleuchtungsstaumlrke Endashi jeder Zone i nach Gleichung 7 zu bestimmen

E Ei n i jj

n

==sum1

1 (7)

und der Wert des Lichtstroms Φ ergibt sich weiter aus der numerischen Integration nach Gleichung (8)

Φ = ( )minus ( )( )+

=sum2 2

10

1

πr cos cosϑ ϑi ii

m

iE-

(8)

Die Anzahl der notwendigen Beleuchtungsstaumlr-kemessungen haumlngt von der raumlumlichen Lichtver-teilung der zu untersuchenden Lampe ab Wegen der manuellen Einstellung des groszligen Arms (ϑ) der Drehung der Lampe (φ) und des gleichfalls noumltigen manuellen Abgleichs des visuellen Pho-tometers ist diese Methode sehr zeitaufwendig Sollen beispielsweise 600 Punkte gemessen werden (aus heutiger Sicht also nicht besonders viele) und man benoumltigt ca 25 Sekunden pro Messung werden also mehr als 4 Stunden benoumltigt um eine

Bild 1a Koordinatensysteme

Bild 2 Einarm-Go-niophotometer 1950ndash1975

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PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4 Kurze Geschichte der Goniophotometrie in der PTB

Lampe mit relativ homogener raumlumlichen Licht-verteilung zu messen

In 1963 wurde ein internationaler Lichtstrom-vergleich auf der Basis von Entladungslampen ohne Fluoreszenzstoff durchgefuumlhrt Diese Lampen wiesen eine massive Inhomogenitaumlt ihrer raumlumlichen Lichtverteilung auf sodass die beschriebene manuelle Methode wegen der noumltigen hohen Anzahl von Messpunkten nicht praktikabel war Zur Loumlsung dieses Problems in [3] beschrieben wurde das visuelle Photometer durch einen grob an V(λ)-angepassten Photover-vielfacher ersetzt zusaumltzlich wurde die φ-Achse mit einem elektrischen Antrieb versehen und ein Praumlzisionskondensator ermoumlglichte die analoge Integration des Photostroms des Photovervielfa-chers Damit konnte fuumlr jede der erforderlichen ϑ-Einstellungen des groszligen Arms der elektri-sche Antrieb der φ-Achse diese mit konstanter Winkelgeschwindigkeit rotieren lassen waumlhrend der Praumlzisionskondensator den Photostrom des Photovervielfachers integrierte Nach etwa t = 5 min fuumlr eine Umdrehung repraumlsentierte die Ladung Q = C middot U des Praumlzisionskondensators die mittlere Beleuchtungsstaumlrke

E k C Uti = sdot (9)

dieser gemessenen Zone i Daraus berechnet sich der Lichtstrom wiederum gemaumlszlig Gleichung (8) Es ist nicht noumltig das Produkt k ∙ C exakt zu kennen da dies uumlber das Kalibrierverfahren durch die bekannte Beleuchtungsstaumlrke einer Lichtstaumlrke-Normallampe eliminiert werden kann es muss lediglich uumlber die gesamte Messzeit hinweg kons-tant sein

Spaumlter in den 1960er-Jahren wurde auch das visuelle Photometer durch ein modernes V(λ)-angepasstes Photometer basierend auf gefilterten Silizium-Photodioden in Kombination mit einen PhotostromSpannungswandler und einem xy-Plotter ersetzt Man erhielt so die Beleuchtungs-staumlrkeverteilung jeder Zone die sich dann leicht mit grafischen oder numerischen Verfahren inte-grieren lieszlig Es wird spaumlter gezeigt werden dass diese verwendete bdquoanaloge Zonenintegrationldquo sehr aumlhnlich der heutigen digitalen zonalen Bewertung ist

Diese letzten 2 Verbesserungen erfuumlllen die Anforderung 3 und teilweise auch die Anforde-rung 4

22 Kardan-Goniophotometer (1976ndash2007)

Das existierende Einarm-Goniophotometer war immer auf eine bdquohelfende Handldquo angewiesen um es von Punkt zu Punkt zu bewegen Die anschlie-szligende Berechnung des Lichtstroms wurde grund-saumltzlich ebenfalls haumlndisch ausgefuumlhrt Dieses Ver-

fahren war dementsprechend sehr zeitaufwendig und der zunehmende Wunsch der Industrie auch groszlige Objekte wie z B lange Leuchtstofflampen aber spaumlter auch sehr kleine Mikrolampen und erste LEDs zu kalibrieren fuumlhrte zur Entwicklung sogenannter Kardan-Goniophotometer ver schie-dener Ausfuumlhrungen

221 Groszliges Kardan-Goniophotometer

Nach der intensiven Umgestaltung einiger Raumlume im Koumlsters-Bau der PTB war es moumlglich im neuen Goniophotometerraum (7 x 10 x 8 m3) das Kar-dan-Goniophotometer [4] zu installieren Bild 3 zeigt das groszlige Kardan-Goniophotometer Am Bildoberrand ist eine zu kalibrierende stabfoumlrmige Leuchtstofflampe zu sehen

Dieser Raum war zusaumltzlich auch mit einer geregelten elektrischen Heizung ausgestattet um die geforderten Messbedingungen bezuumlglich Umgebungstemperatur einstellen zu koumlnnen Im Prinzip besteht ein Kardan-Goniophotometer wie in Bild 4 gezeigt aus 3 Rahmen wobei der aumluszligere α-Rahmen der raumlumlichen Ausrichtung (durch Drehung um die y-Achse) der zu untersu-chenden Lampe dient Innerhalb dieses aumluszligeren α-Rahmens ist der mittlere φ-Rahmen endlos drehbar um die z-Achse gelagert Der innere ϑ-Rahmen ist wiederrum drehbar im φ-Rahmen gelagert jedoch ist seine Bewegung auf knapp 180deg durch den noumltigen Lampenhalter begrenzt Alle 3 Rahmen sind mechanisch ausgeglichen und mit elektrischen Antrieben versehen Ihre Rotationsgeschwindigkeiten waren per 10-Gang-Praumlzisionspotentiometer einstellbar eine Folge der angewandten analogen Regelung der Achsan-triebe Die Winkelbestimmung der Achsen erfolgte mittels 13-bit-Winkelencodern Das Photometer war am ϑ-Rahmen (Bild 4) platziert und ermoumlg-lichte so einen festen Messradius von 2500 mm Es bestand die Moumlglichkeit ein zweites Photometer

Bild 3 Kardan-Goniophotometer 1976ndash2007

22

PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4Das Jahr des Lichtes

oder einen Farbmesskopf auf der gegenuumlberliegen-den Seite des ϑ-Rahmens einzusetzen

In diesem Fall war der Arbeitsbereich limitiert im Bereich 4deg lt ϑ lt 176deg da jeweils Lampenhalter von rechts und links zur Aufnahme einer beispiels-weise stabfoumlrmigen Leuchtstofflampe eingesetzt werden konnten (siehe auch Bild 3) Im Falle von einseitig gesockelten Lampen wurde meist nur ein PhotometerFarbmesskopf verwendet was eine Drehung der gegenuumlberliegenden Messkopf-aufnahme um 90deg ermoumlglichte Diese sogenannte bdquoKroumlpfungldquo lieszlig dann Raum fuumlr den nun einseiti-gen Lampenhalter und der Arbeitsbereich vergrouml-szligerte sich zu 0deg lt ϑ lt 176deg

Entsprechend der Gleichung (6) muss die gemessene Beleuchtungsstaumlrkeverteilung uumlber den vollen Raumwinkel 4π sr zum Wert des Licht-stroms integriert werden So ist es naheliegend digitale uumlber die Zeit integrierende Methoden zur Erfassung und Speicherung der gemessenen Beleuchtungsstaumlrkewerte zu verwenden Bild 5 zeigt den Signalfluss Sowohl Photometer- undoder Farbmesskopf als auch Photostrom-Fre-

quenz-Wandler waren temperaturstabilisiertDer Photostrom des Photometers mit seiner

photometrischen Empfindlichkeit s normalisiert auf die CIE-Lichtart A wird mittels Ruumlckkopp-lung Rg eines Photostromverstaumlrkers in eine Spannung U gewandelt und weiter durch einen Spannungs-Frequenzwandler in eine Frequenz f mit dem zugehoumlrigen Wandlungsfaktor wf kon-vertiert Diese Frequenz wird letztlich von einem digitalen Zaumlhler kontinuierlich gezaumlhlt Simultan wird die Quarz-Frequenz fq durch einen zweiten digitalen Zaumlhler erfasst um waumlhrend der spaumlteren Datenanalyse die urspruumlnglichen Photostroumlme berechnen zu koumlnnen Diese Methode stellt damit die schon erwaumlhnte Signal-Zeit-Integration sicher

Die die zu untersuchende Lampe umgebene fiktive Kugel ist wie Bild 5 zeigt in Zonen und Sektoren unterteilt Infolge der analogen Geschwindigkeitsregelung der zwei bewegten Rahmen sind positive und negative Beschleu-nigungsphasen am Anfang und am Ende einer vollstaumlndigen Abtastung und Lastreaktionen des rotierenden Systems und die damit verbundenen geringen Gleichlaufschwankungen unvermeid-bar Die Unterteilung jeder Zone in Sektoren mit der Laumlnge Δφj als Gewichtung reduziert jedoch diesen Einfluss Damit berechnet sich die mittlere Beleuchtungsstaumlrke Endashi nach Gleichung (10)

Es w R

fyt

fjj

ni j

i j=

sdot sdot sdot( )sdot sdot minus

=sum1

2 10

πϕ

f gq∆∆

∆

(10)

mit der Dunkelfrequenz f0 (Photometer abgeschat-tet) und den Differenzsignal-Zaumlhlungen Δyi j und den Differenzzeit-Zaumlhlungen Δti j jeweils vom Sek-toranfang bis zum Sektorende Wiederum koumlnnte der Lichtstrom nach Gleichung (8) bestimmt werden jedoch werden jetzt noch Korrekturfakto-ren fuumlr das Streulicht cstr der spektralen Fehlanpas-sung des Photometers cspec und Abweichungen von den nominalen elektrischen Betriebsbedingungen celec eingefuumlhrt wie nun Gleichung (11) zeigt

Φ = sdot sdot sdot sdot minus( ) sdot+=

minus

sumc c c r Ei ii

m

istr spec elec cos cos2 21

0

1

π ϑ ϑ

(11)

Im Verlauf einer Lichtstrommessung werden neben dem Photometer auch die Waumlnde des Messraums von der zu untersuchenden Lampe beleuchtet Diese Beleuchtung wird ebenfalls vom im Goniophotometer verwendeten Photometer bdquogesehenldquo und fuumlhrt zu einer Streubeleuchtung auf dem Lichteintrittsfenster dieses Photome-ters Diese Streubeleuchtung haumlngt einerseits vom Reflexionsgrad der verwendeten Wandfarbe (ρ asymp 3 ) und vom Gesichtsfeld des sich vor dem

Bild 4 Groszliges Kardan-Goniophotometer 1976ndash2007

Bild 5 Signalfluss

23

PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4 Kurze Geschichte der Goniophotometrie in der PTB

Photometer befindlichen Streulichtreduzierungs-tubus ab Daher muss fuumlr jeden eingesetzten Tubus mit seinem individuellen Gesichtsfeld der wirksame spezifische Streulichtkorrekturfaktor cstr bestimmt werden Diese koumlnnen ermittelt werden indem Blenden mit unterschiedlichen Durchmes-sern zwischen der zu untersuchenden Lampe und dem Photometer waumlhrend normalen Lichtstrom-messungen positioniert werden Eine detaillierte Beschreibung kann [5] entnommen werden

Die technische Realisierung eines Photometers ist immer nur eine Naumlherung fuumlr V(λ) Dies bedeu-tet dass im Prinzip in allen Faumlllen diese spektrale Fehlanpassung korrigiert werden muss Allgemein kann der spektrale Korrekturfaktor cstr fuumlr alle Lampen mit beliebiger Strahlungsfunktion S(λ) nach Gleichung (12) bestimmt werden

cV S

s S

V P T

s Pspek

rel

A

rel

d

d

d=

( )sdot ( )( ) sdot ( )

( ) sdot ( )( ) sdot

intint

intint

λ λ λ

λ λ λ

λ λ λ

λ

λλ λTA d( )

(12)

Hierzu ist jedoch die Kenntnis der relativen spektralen Empfindlichkeit srel(λ) des Photome-ters notwendig P(λ TA) bezeichnet dabei einen Planckstrahler mit einer Verteilungstemperatur von TA = 2856 K

Im Fall von Gluumlhlampen ist ein etwas einfache-rer Weg fuumlr diese Korrektur ohne die Kenntnis von srel(λ) moumlglich Gleichung (13) beschreibt die Abhaumlngigkeit der Beleuchtungsstaumlrke E(T) von der Verteilungstemperatur T

E Ty T

sTT

m

( ) = ( )

A

y

(13)

eines gemessenen Photostroms y(T) und der pho-tometrischen Empfindlichkeit s des Photometers fuumlr Lichtart A Eine charakteristische Eigenschaft des Photometers ist der Exponent my bdquoyldquo indiziert den Exponent fuumlr ein V(λ)- angepasstes Photome-ter oder den y-Kanal eines Dreibereichsfarbmess-kopfes wobei die anderen Kanaumlle unterschiedliche Werte fuumlr diese Exponenten haben Ein ideales Photometer wuumlrde einen Wert von 0 fuumlr diese Exponenten aufweisen Beispielsweise beschreibt my = 0018 ein qualitativ durchaus gutes Photo-meter Der Exponent my (und auch mx und mz) koumlnnen aus einem Fit bekannter Paare (E(T) T) einer Lichtstaumlrke-Normallampe bei verschiedenen Arbeitspunkten wie in [6 7] beschrieben gefun-den werden Damit kann der Korrekturfaktor cspec fuumlr Gluumlhlampen wie folgt geschrieben werden

c TT

my

specA

=

(14)

Werden Gluumlhlampen in der Naumlhe von CIE-Licht-art A betrieben ist die Korrektur auf elektrische Nominalbedingungen celec ebenfalls nach Glei-chung (15) sehr einfach da der Lichtstrom eine Funktion des Betriebsstroms J ist

c JJ

m

elec

J

=

minus

0 (15)

Hier ist J0 der Nominalstrom und mJ cong 684 Mehr Information kann in [7] gefunden werden

Die Datenanalyse fuumlr einen Dreibereichsfarb-messkopf erfolgt in gleicher Weise und man erhaumllt die Normfarbwertanteile (x y) aus den Gleichun-gen (16 17)

x =+ +Φ

Φ Φ ΦX

X Y Z (16)

y =+ +Φ

Φ Φ ΦY

X Y Z (17)

Leider konnten nur der Lichtstrom und die zuge-houmlrigen Normfarbwertanteile bestimmt werden da aufgrund der geringen Speichermoumlglichkeit der verwendeten Computertechnik die raumlumliche Information verlorenging

Daher wurden im Jahre 1991 alle Computer Analogsysteme die Verdrahtung und viele weitere Elemente durch moderne Ausruumlstung ersetzt Von nun an konnten alle Rohdaten mittels geeigneter Speichermedien dauerhaft bewahrt werden Das galt auch fuumlr groszlige Datenmengen des ab 1997 eingesetzten Array-Spektrometers zur Messung der relativen spektralen Leistungsverteilung der Strahlung synchron zur Lichtstrombestimmung Leider wiesen Photometer und Einkoppeloptik des Array-Spektrometers unterschiedliche Gesichtsfel-der auf und hatten etwas unterschiedliche Positi-onen auf dem Goniophotometer was die Daten-analyse komplizierte Dennoch konnten erstmalig raumlumliche spektrale Informationen uumlber zu untersuchende Lampen ermittelt werden Damit erfuumlllte das groszlige Kardan-Goniophotometer in seiner Ausbaustufe von 1997 die Anforderungen 1ndash14 aus Abschnitt 2 Die relative erweiterte Mes-sunsicherheit fuumlr den Lichtstrom fuumlr k = 2 betrug jetzt 060

222 Kleines Kardan-Goniophotometer

Fuumlr die Messung kleiner Lampen und LEDs wurde in den fruumlhen 1980er-Jahren ein dem groszligen Kardan-Goniophotometer sehr aumlhnliches kleines Kardan-Goniophotometer mit einem Messra-dius von nur 300 mm entwickelt hergestellt und

24

PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4Das Jahr des Lichtes

betrieben Das Foto in Bild 6 zeigt dieses seinerzeit sogenannte bdquoMini-Goniophotometerldquo

Die Messtechnik entsprach nahezu vollstaumln-dig dem groszligen Kardan-Goniophotometer bis hin zum Signalfluss einschlieszliglich Spannungs-Frequenzwandler und nachgeschalteten Zaumlhlern Damit sind alle Aspekte dieser Apparatur bereits in Abschnitt 221 diskutiertIm Jahre 2007 wurde dieses Instrument durch ein spezielles Goniophotometer fuumlr die Messung von LEDs ersetzt siehe auch Kapitel Metrologie fuumlr moderne Lichtquellen LEDs und OLEDs [10]

23 Roboter-Goniophotometer (2006 bis heute)

Am Ende der 1990er-Jahre wurde die Planung eines neuen Goniophotometertyps mehr und mehr konkret Nahezu gleichzeitig entschied sich die PTB fuumlr den Neubau eines modernen Gebaumludes fuumlr die Abteilung Optik dem heutigen Albert-Einstein-Bau Infolge dieses Zusammentreffens

beider Ereignisse konnte bei der Planung das neue Gebaumlude quasi um das neue Roboter-Goniopho-tometer herum geplant und spaumlter auch so gebaut werden

In 19951996 zeigte G Sauter dass Gonio-photometrie mittels Robotern moumlglich ist und erhebliche Vorteile gegenuumlber den bisher verwendeten Kardan-Goniophotometern auf-weist [8] Wie weiterhin in [8] beschrieben sind sogenannte Service-Roboter gut geeignet um ein Roboter-Goniophotometer zu realisieren Diese zeichnen sich durch eine schlanke Konstruktion mit langen Armen bei gleichzeitig relativ gerin-gem Gewicht aus Sie verfuumlgen uumlber eine hohe Flexibilitaumlt um beispielsweise ein Photometer auf gewuumlnschten Bahnen mit unterschiedlichen Radien (1000 mm lt r lt 3000 mm) auf der fiktiven Kugeloberflaumlche um die Lampe herumzufuumlhren Jeder Roboter verfuumlgt uumlber 7 Freiheitsgrade (engl seven degrees of freedom 7 DOF) Dies garantiert die notwendige Flexibilitaumlt und das erforderli-che Arbeitsvolumen Zur Abdeckung des vollen Raumwinkels 4π sr sind daher 2 der beschriebenen Roboter notwendig Ein dritter aumlhnlicher Roboter positioniert dabei die zu untersuchende Lampe in der gewuumlnschten Brennstellung im Raum Alle Roboter-Basen sind direkt mit dem Stahlbeton des Gebaumludes verbunden um eine langzeitstabile raumlumliche Positionierung der Roboter zu gewaumlhr-leisten Bild 8 zeigt das Roboter-Goniophotometer waumlhrend der Messung einer LED-Signalleuchte

Im Gegensatz zu Kardan-Goniophotometern ist der Messradius variabel in dem alle 7 Achsen in entsprechende Positionen gebracht werden Wegen der groszligen Redundanz eines 7-DOF-Roboters kann die Zielposition einschlieszliglich Orientierung durch eine sehr groszlige Anzahl unter-schiedlicher Einstellungen der 7 Achsen erreicht werden Daher wird eine Strategie benoumltigt um die jeweilige Achs einstellung zu finden Diese

Bild 6 Kleines Kardan-Goniophotometer 1982ndash2007

Bild 7 Arm des Roboter-Goniophotometers

Bild 8 Roboter-Goniophotometer 2006 bis heute

25

PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4 Kurze Geschichte der Goniophotometrie in der PTB

Strategie ist relativ simpel Sie besagt dass alle Achseinstellungen derart gefunden werden dass saumlmtliche Bestandteile des Roboters einen maxi-malen Abstand zum Zentrum des Roboters haben sollen um das von der Roboterstruktur reflektierte Streulicht moumlglichst gering zu halten Eine beson-dere Software ist notwendig um alle Achswinkel ausgedruumlckt in counts jedes Winkelencoders fuumlr jede Achse zu bestimmen um die gewuumlnschten Kugelkoordinaten (r ϑ φ) anzufahren Waumlhrend der Messung der zu untersuchenden Lampe liest das Roboter-Kontrollsystem alle 10 ms diese counts jeder Achse und versucht jede Achse entsprechend diese Vorgabe einzustel-len Nach dieser Einstellung welche fuumlr alle 7 Achsen gleichzeitig erfolgt werden die Ist-Winkel jeder Achse wiederum in counts synchron gelesen und mit den zugehoumlrigen photo-metrischen Daten und elek trischen Daten des Lampenbetriebs in eine Datenbank gespeichert Prinzipiell ist der Signal-fluss dem des in Abschnitt 221 beschriebenen groszligen Kardan-Goniophotometers sehr aumlhnlich Aber es gibt ein zusaumltzliches wichtiges Element den sogenannten Zeitstempel Da ein weit verteiltes Datenerfassungssystem vorliegt wird ein Mecha-nismus zur Datensynchronisierung in Form eines 1-Mhz-Taktes verwendet Dieser ist im gesamten System verfuumlgbar Beim Messungsstart synchron gestartete Zaumlhler erlauben daher die spaumltere Synchronisierung aller angefallenen Daten Wie beschrieben ist die Position jeder Achse und damit die Position und Orientierung des Photometers das Ergebnis eines Regelprozesses Somit ist es not-wendig die tatsaumlchliche Position und Orientierung des Photometers aus den gespeicherten Daten der Winkelencoder zu berechnen

In der Robotik ist es uumlblich einen Roboter des

verwendeten Typs wie eine biegesteife mechani-sche Kette mit sogenannten Denavit-Hartenberg-Parametern (DH-Parameter) zu beschreiben [9] Die Tabelle 1 zeigt diese DH-Parameter am Beispiel des Roboters 1

Mit diesen Parametern und den aktuellen Winkeln θi fuumlr jede Achse ist die Berechnung der Position bzw Orientierung der siebten Achse in Basis-Koordinatensystem des Roboters moumlglich Hierzu werden 7 Matrizen nach Gleichung (18) ver-wendet Jede Matrize beschreibt die Position (blau) und Orientierung (gruumln) jeder einzelnen Achse

Die PositionierungOrientierung der Achse 7 ergibt sich aus dem Vektorprodukt T1 T2 T3 T4 T5 T6 T7

Um jedoch die Koordinaten in Bezug auf das Koordinatensystem der fiktiven Kugel zu erhalten muumlssen 2 weitere aumlhnliche Matrizen verwendet werden Die sogenannte Base Frame Matrix F beschreibt die Positionierung und Orientierung des Roboter-Koordinatensystems zum Koor-dinatensystem der fiktiven Kugel waumlhrend die Matrix W die Positionierung und Orientierung des Photometers zur Achse 7 beschreibt Nun laumlsst sich die Position und Orientierung des Photome-ters P im Koordinatensystem der fiktiven Kugel mit Gleichung (19) beschreiben

P = F T1 T2 T3 T4 T5 T6 T7 W (19)

axisi Δθi offset to rotation around Z-axis

αi rotation around X-axis

di

translation in Z-axis

αi

translation in X-axis

1 ndash1438deg 45024deg 0000 mm ndash0400 mm

2 191088deg ndash90026deg 2686322 mm 0696 mm

3 178585deg 89996deg 274088 mm 0781 mm

4 6229deg ndash90022deg 1410499 mm 0474 mm

5 ndash0141deg ndash89955deg 173036 mm ndash0779 mm

6 ndash0924deg 90032deg 1191007 mm 0223 mm

7 180443deg 90007deg 91130 mm 0000 mm

Tabelle 1 DH-Parameter von Roboter 1

T

a

i

i i i i i i i i i i i

=

+( ) minus +( ) +( ) +cos sin cos sin sin cos∆ ∆ ∆ ∆θ θ θ θ α θ θ α θ θ(( )+( ) +( ) minus +( ) +sin cos cos cos sin sin∆ ∆ ∆ ∆θ θ θ θ α θ θ α θ θi i i i i i i i i i ia (( )

00 0 0 1

sin cosα αi i id

(18)

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PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4Das Jahr des Lichtes

Bild 9 zeigt die Achsenkoordinatensysteme (17) das Base-Frame-Koordinatensystem und das Koordinatensystem des Photometers zur Achse 7 in schematischer Weise Das Koordinatensys-tem der fiktiven Kugel faumlllt mit dem Zentrum des Goniophotometers zusammen und wird mit Center bezeichnet P ist jetzt auf dieses Center-Koordinatensystem bezogen Zusaumltzlich ist eine typische Bahn eingezeichnet Wegen des aller-dings nicht dargestellten Lampenhalters ist diese Bahn im oberen Bereich verdichtet um eine Kollision mit dem Lampenhalter zu vermeiden Wie bereits erwaumlhnt setzt die Verwendung von Gleichung (19) einen biegesteifen Roboter voraus der in der Praxis nicht existiert P ist also von statischen Gewichtskraumlften des Roboters dyna-mischen Kraumlften infolge der Bewegung als auch von thermischen Laumlngenaumlnderungen uumlberlagert Daher muss Gleichung (19) um eine entspre-chende Korrektur C erweitert werden Glei-chung (20) zeigt nun das endguumlltige Modell zur Bestimmung von P

wobei C

t tT Rθ θ

θ θ1 7

1 7 dd

dd amb

diese finale Korrektur basierend auf den Winkeln θ1θ7 aller Achsen ihren zeitlichen Ableitungen

dd

dd

θ θ1 7

t t

und der Umgebungstemperatur Tamb beschreibt

Der letzte Parameter R steht fuumlr einen groszligen Datensatz und beschreibt Eigenschaften des Roboters wie Abmessungen Teilmassen usw Die Berechnung von C() ist aufwendig und wurde vom Hersteller des Roboters ausgefuumlhrt Aus Gruumlnden des Wettbewerbs muss diese Berechnung vertrau-lich behandelt werden und kann daher hier nicht veroumlffentlicht werden Jedoch kann die Wirkung von C() beispielhaft auf den Messradius mitgeteilt werden (siehe Bild 10)

Die noumltige Radiuskorrektur rcorr bewegt sich im Bereich ndash2 mm lt rcorr lt 3 mm je nach Position (θ φ) des Photometers Der Aumlquatorbereich benouml-tigt eine groumlszligere Korrektur infolge hier wirksamer groumlszligerer Zentrifugalkraumlfte als die Polregion Der Radius selbst laumlsst sich dann aus der Positionssub-matrix von P bestimmen

Der Signalfluss stimmt im Wesentlichen mit dem wie in Bild 5 gezeigt uumlberein Prinzipiell kann der Lichtstrom mit den Gleichungen (11) und (10) berechnet werden da aber nun 2 Photometer benutzt werden muss dies fuumlr jede Hemisphaumlre also fuumlr jeden Roboter separat geschehen Die Gleichungen (21) und (22) demonstrieren das

Bild 9 Koordinatensystem des Roboter-Gonio-photometers und Beispielbahn

P Ct t

T R F T T T T T T=

sdot sdot sdot sdot sdot sdot sdot sdotθ θ

θ θ1 7

1 71 2 3 4 5 6

dd

dd amb TT W7 sdot

(20)

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PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4 Kurze Geschichte der Goniophotometrie in der PTB

fuumlr Roboter 1 Der Radius r1i befindet sich dabei innerhalb der Summation von Gleichung (22) Das Roboter-Goniophotometer ist zusaumltzlich mit einem Monitorphotometer ausgeruumlstet Dieses Photometer wird waumlhrend der Messung nicht bewegt ist aber staumlndig von einem fixen Punkt aus auf die zu untersuchende Lampe gerichtet und erlaubt somit die Korrektur einer moumlglichen Alterung der Lampe waumlhrend des Messprozesses als Funktion der Zeit (cmon(t1i))

Es w R

fyt

fi jj

ni j

i j1

1 1 11

1

1

11 0

12

1

=

( )sdot minus

=sumπ

ϕf g

q∆∆

∆

(21)

Φ1 1 1 12

1 1 1 12= sdot sdot sdot sdot ( ) sdot minus( )+c c r c ti i i ii

str spec mon cos cosπ ϑ ϑ==

minus

sum sdot0

1

1

1m

iE

(22)

Roboter 2 wird in gleicher Weise behandelt und der Lichtstrom ergibt sich somit aus der Summe von Φ1 und Φ2 korrigiert mit dem elektrischen Korrekturfaktor celec aus Gleichung (15)

Φ Φ Φ= sdot +( )celec 1 2 (23)

Die Bestimmung der Streulichtkorrektur cstr unter-scheidet sich methodisch von jener des Kardan-Goniophotometers Es ist schwierig Blenden zwischen Photometer und Lampe zu positionieren wie in [5] beschrieben Hier wird die Streulicht-korrektur cstr direkt aus der Leuchtdichteverteilung auf den Waumlnden des Messraums bestimmt Mit der Kenntnis der geometrischen und photometrischen Eigenschaften des Raumes der raumlumlichen Licht-staumlrkeverteilung der Lampe und dem verwendeten Streulichttubus vor dem Photometer lieszlige sich die Streulichtkorrektur cstr berechnen Hier jedoch wird diese Korrektur mit sogenannten Back-Loo-king-Photometern bestimmt [11]

Bild 11 zeigt ein Foto der bdquoRoboterhandldquo mit mon-tiertem Photometer und Back-Looking-Photometer Letzteres ist ein wenig schraumlg ausgerichtet um nicht im Bereich des Schattenwurfs des Photome-ters auf den Waumlnden zu messen

Bild 12 zeigt beispielhaft eine typische in finite Flaumlchenelemente gerasterte Streulichtsituation im Goniophotometermessraum wie sie durch die zu untersuchende Lichtquelle generiert wird Dieses Beispiel arbeitet mit finiten Flaumlchen der Groumlszlige 05 m middot 05 m um die Flaumlchen sichtbar zu machen Zur realen Berechnung werden Flaumlchen der Groumlszlige 01 m middot 01 m verwendet Natuumlrlich ist der Streulichtanteil auf der aktiven Flaumlche des

Bild 10Wirkung der Radiuskorrektur

Bild 11 Photometer (links) und Back-Looking-Photometer (rechts)

Bild 12 Wirkung des Streulichts und seine Bestimmung

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PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4Das Jahr des Lichtes

Photometers eine Funktion des Gesichtsfeldes des jeweils verwendeten Streulichttubus vor dem Photometer Derzeit werden 2 Tuben je nach Groumlszlige der Lichtquelle mit Oumlffnungswinkeln von ca 15deg und ca 225deg verwendet Ihre typischen Korrekturwerte betragen etwa 09995 und 09990 Da jeder Messroboter mit diesem Back-Looking-Photometer ausgeruumlstet ist kann so der Streulicht-anteil fuumlr jedes Photometer bestimmt werden Da die Back-Looking-Photometer bdquoruumlckwaumlrtsldquo gerichtet sind wird also jeweils die Streulichtkorrektur fuumlr den gegenuumlberliegenden Messroboter bestimmt Damit ist es moumlglich den Wert des Lichtstroms mit zugehoumlriger Messunsicherheit zu bestimmen Tabelle 2 illustriert Ergebnisse einer vereinfachten Monte-Carlo-Simulation (MC) am Beispiel einer OSRAM-Wi4-Lichtstrom-Normallampe Ihre Lichtstaumlrkeverteilung ist in Bild 13 wiedergegeben

Die MC basiert auf den folgenden Gleichun-gen (24) Werte der wichtigsten Beitraumlge zur Mes-sunsicherheit koumlnnen der Tabelle 2 entnommen werden Eine detailliertere Beschreibung der Roboter und Analyse der Messunsicherheit kann [12] entnom-men werden

Bild 13 Raumlumliche Lichtstaumlrkeverteilung einer OSRAM-Wi4-Lichtstrom-Normallampe

Quantity Symbol Value Uncertainty Unit Sensitivity Contribution lm Relative contribution

Luminous responsivity 1 s1 3065E-10 9195E-13 A lxndash1 188E+12 173 000150

Luminous responsivity 2 s2 4111E-10 12333E-12 A lxndash1 143E+12 177 000153

Spectral matching exponent 1 m2 y 0021 0015 1 20 030 000026

Spectral matching exponent 2 m2 y 0036 0015 1 18 027 000023

CCT or distribution temperature T 2762 10 K 0012 012 000011

Uncertainty in r Δr 0000 00020 m 901 180 000156

Calibration factor for frequency F cFH 1000 00005 1 1141 057 000049

Calibration factor for frequency ƒ cFD 1000 00050 1 104 005 000005

Voltage to frequency converter 1 w1 f 500849 25 Hz Vndash1 0012 031 000027

Voltage to frequency converter 2 w2 f 500561 25 Hz Vndash1 00118 029 000026

Amplification gain 1 R1 g 1000E+09 99996 Ω 6223E-07 006 000005

Amplification gain 2 R2 g 9997E+08 99966 Ω 5430E-07 005 000005

Calibration factor for cmon ccm 1000 00005 1 1162 058 000050

Correction factor for stray light cstr 09995 00005 1 1134 057 000049

Luminous flux Φ 11541 327 00028

Tabelle 2 Unsicherheitsbudget

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PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4 Kurze Geschichte der Goniophotometrie in der PTB

Somit ergibt sich zurzeit eine erweiterte Mess-unsichert von 056 fuumlr k = 2 Dies entspricht etwa der Messunsicherheit welche mit dem groszligen Kardan-Goniophotometer erreichbar war Im Unterschied zum Kardan-Goniophotometer (fester Messradius) verfuumlgt das Roboter-Goniophotometer jedoch uumlber die noumltige hohe Flexibilitaumlt (z B durch Variation des Messradius) die noumltig ist um kuumlnftige Anforderungen erfuumlllen zu koumlnnen Eben diese hohe Flexibilitaumlt fuumlhrt bei der Bestimmung des Messradius zu relativ groszligen Messunsicherheiten Hier koumlnnte die Verwendung einer Lookup-Table oder eine On-Line-Verfolgung mittels Tracer-Syste-men der Bahnen diese Unsicherheit verkleinernMittlerweile ist das Roboter-Goniophotometer voll-staumlndig charakterisiert und wird fuumlr beleuchtungs-staumlrkebasierte Lichtstromkalibrierungen und auch fuumlr internationale Vergleiche eingesetzt Damit werden auch die Anforderungen (15ndash17) erfuumllltIm naumlchsten Schritt wird das Roboter-Goniopho-tometer mit Leuchtdichtemesskameras ausgeruumlstet

werden um es als bdquoNahfeld-Goniophotometerrdquo einzusetzen Es wird dann die direkte Messung der Leuchtdichteverteilung erlauben aus welcher nahezu alle noumltigen photometrischen Groumlszligen abgeleitet werden koumlnnen Dieser kuumlnftige Schritt wird dann auch den letzten Punkt (18) der Anfor-derungen erfuumlllen

3 Zusammenfassung

Die Geschichte der Goniophotometrie in der PTB uumlber einen Zeitraum von mehr als 50 Jahren wird praumlsentiert Verschiedene Goniophotometer ange-fangen vom manuell bewegten Einarm-Goniopho-tometer mit visuellem Photometer uumlber das groszlige und kleine Kardan-Goniophotometer bis hin zum bdquoState-of-the-art-Roboter-Goniophotometerldquo fuumlr das 21 Jahrhundert werden beschrieben Das Letztere hat das Potenzial in der traditionellen Betriebsart aber auch im Nahfeldmodus uumlber viele Jahre eingesetzt zu werden Neu aufkommende

Quantity Symbol Value Uncertainty Unit Sensitivity Contribution lm Relative contribution

Luminous responsivity 1 s1 3065E-10 9195E-13 A lxndash1 188E+12 173 000150

Luminous responsivity 2 s2 4111E-10 12333E-12 A lxndash1 143E+12 177 000153

Spectral matching exponent 1 m2 y 0021 0015 1 20 030 000026

Spectral matching exponent 2 m2 y 0036 0015 1 18 027 000023

CCT or distribution temperature T 2762 10 K 0012 012 000011

Uncertainty in r Δr 0000 00020 m 901 180 000156

Calibration factor for frequency F cFH 1000 00005 1 1141 057 000049

Calibration factor for frequency ƒ cFD 1000 00050 1 104 005 000005

Voltage to frequency converter 1 w1 f 500849 25 Hz Vndash1 0012 031 000027

Voltage to frequency converter 2 w2 f 500561 25 Hz Vndash1 00118 029 000026

Amplification gain 1 R1 g 1000E+09 99996 Ω 6223E-07 006 000005

Amplification gain 2 R2 g 9997E+08 99966 Ω 5430E-07 005 000005

Calibration factor for cmon ccm 1000 00005 1 1162 058 000050

Correction factor for stray light cstr 09995 00005 1 1134 057 000049

Luminous flux Φ 11541 327 00028

Φ = sdot

sdot

+ sdot sdotminus

c JJ

TT

r r c c tm

m

i i

y

strA

cm monj

0

12

1

1

( ) ∆ (( )sdot minus( ) sdotsdot sdot minus

+=

minus=sumsum

cos cosFH FD

ϑ ϑ

ϕ

1 1 10

1 11

11

1

i ii

m jj

n

i jc F c∆ sdotsdot( )sdot sdot

+

+ sdot sdot (

f

s w R

TT

r r c c tm

i i

y

1 0

1 1 1

22

2

2

( )

f g

Acm mon∆ ))sdot minus( ) sdot

sdot sdot minus sdot

+=

minus=sumsum

cos cosFH FD

ϑ ϑ

ϕ

2 2 10

1 11

22

2

i ii

m jj

n

i jc F c∆ ff

s w R

2 0

2 2 2

( )sdot sdot

f g

(24)

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PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4Das Jahr des Lichtes

Anforderungen fuumlr die Ruumlckfuumlhrung photome-trischer Einheiten wie beispielsweise im Solid-State-Lighting-Bereich koumlnnen so erfuumlllt werden

Literatur

[1] Y Ohno 1995 Realization of NIST Luminous Flux Scale Using an Integrating Sphere with an External Source CIE Proceedings 23rd Session New Delhi

[2] R Sewig 1938 Handbuch der Lichttechnik Band 1 pp 319 321 Berlin Springer Verlag

[3] D Foumlrste 1966 Zur Lichtstrommessung an Lam-pen mit ungleichmaumlszligiger Lichtverteilung PTB-Mitteilungen 166 pp 18ndash20 Braunschweig PTB

[4] D Foumlrste 1979 Ein Goniophotometer zur genauen Bestimmung des Lichtstroms Licht-Forschung 1 Jahrgang 379 pp 30ndash36 Heidelberg Huumlthig Verlag

[5] D Foumlrste 1980 Elimination des Fremdlichts bei der Lichtstrombestimmung mit dem Gonio-photometer Licht-Forschung 2 Jahrgang 180 pp 27ndash29 Heidelberg Huumlthig Verlag

[6] W Erb 1997 PTB Network for realization and maintenance of the candela Metrologia 3497 pp 115ndash124 Bristol UK

[7] G Sauter 1996 Kalibrierung von Lichtstaumlrke-Normallampen und Angabe der Messunsicherheit PTB interner Bericht Braunschweig PTB

[8] G Sauter 1996 Goniophotometry new calibra-tion method and instrument design Metrologia 32 (199596) pp 685ndash688 Bristol UK

[9] httpenwikipediaorgwikiDenavit-Hartenberg_Parameters (letzter Aufruf 03122015)

[10] M Lindemann 2009 Photometry and Colori-metry of Reference LEDs by Using a Compact Goniophotometer MAPAN ndash Journal of Metro-logy Society of India Vol 24 No 3 pp 143ndash152 New Delhi India

[11] G Bizjak 2009 Determination of Stray Light at the PTB Goniophotometer Facility MAPAN ndash Jour-nal of Metrology Society of India Vol 24 No 3 pp 163ndash173 New Delhi India

[12] M Lindemann et al 2015 Robot goniopho-tometry at PTB Metrologia 52 pp 167ndash194 Bristol UK

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PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4Das Jahr des Lichtes

1 Eine einleitende Beschreibung von Gluumlhlampen LEDs und OLEDs

Der Einsatz Licht Emittierender Dioden (LED) in der Allgemeinbeleuchtung hat in den vergangenen Jahren erheblich zugenommen Ein entscheiden-der Vorteil der LED gegenuumlber der traditionellen Gluumlhlampe liegt in ihrer uumlberlegenen Lichtaus-beute ηv ndash dem Verhaumlltnis des emittierten Licht-stroms Φv und der aufgenommenen elektrischen Leistung Pel angegeben in LumenWatt

Dieser Vorteil beruht auf den Unterschieden der zugrunde liegenden Technologien der Lichterzeu-gung beider Lampentypen Bei einer (Halogen-)Gluumlhlampe wird der Gluumlhfaden durch elektrischen Strom auf Temperaturen um 3000 K aufgeheizt Obwohl hierbei fast die gesamte elektrische Leis-tung in Strahlung umgewandelt wird ndash Verluste durch thermische Konvektion oder Waumlrmeleitung sind gering ndash kann das menschliche Auge lediglich einen geringen spektralen Anteil der ungefaumlhr 5 der Gesamtstrahlungsleistung ausmacht wahr-nehmen Der Groszligteil der Strahlungsleistung liegt im infraroten Spektralbereich und kann nicht fuumlr Beleuchtungszwecke genutzt werden In Bild 1 ist die spektrale Verteilung einer Gluumlhlampe bei einer Temperatur von 2856 K im Spektralbereich

von 300 nm bis 1200 nm dargestellt Das sichtbare Licht im Spektralbereich zwischen 360 nm und 830 nm ist mit den entsprechenden Spektralfarben hinterlegt Oberhalb 830 nm beginnt der fuumlr das menschliche Auge unsichtbare infrarote Anteil der Strahlung

Der fuumlr photometrische Messungen normativ festgelegte spektrale Hellempfindlichkeitsgrad V(λ) also die Hellempfindlichkeit des Auges eines bdquoNormalbeobachtersldquo ist mit seinem Maximum bei 555 nm schwarz eingezeichnet

Da die Gluumlhlampe eine thermische Strahlungs-quelle ist verschiebt sich mit zunehmender Tem-peratur die Lage des Strahlungsmaximums ent-sprechend des Wienschen Verschiebungsgesetzes zu kuumlrzeren Wellenlaumlngen Um die Lichtausbeute von Gluumlhlampen zu erhoumlhen muumlsste man das Strah-lungsmaximum durch Temperaturerhoumlhung in den kurzwelligeren Bereich des sichtbaren Lichts verschieben Die Maximaltemperatur ist jedoch bei Gluumlhfaumlden aus Wolfram auf etwa 3000 K begrenzt ndash bei houmlheren Temperaturen nimmt die Lebensdauer drastisch ab

Das Funktionsprinzip einer LED-Lichtquelle basiert auf dem Phaumlnomen der Elektrolumines-zenz Der prinzipielle Aufbau einer LED aumlhnelt einer pn-Halbleiterdiode Durch Anlegen einer Gleichspannung rekombinieren Ladungstraumlger in der p-n-Grenzschicht der Leuchtdiode unter Emission von Strahlung Durch gezielte Auswahl der verwendeten Halbleitermaterialien und ihrer Dotierung wird deren Bandluumlcke und somit die Farbe des emittierten Lichtes bestimmt Im Jahr 1992 gelang der Durchbruch in der Entwicklung hocheffizienter blauer LEDs die den Einsatz von LEDs zur Allgemeinbeleuchtung erst ermoumlgli-chen Die zugrunde liegenden Forschungsarbei-ten wurden 2014 mit dem Nobelpreis fuumlr Physik gewuumlrdigt [1]

Eine schmalbandige Lichtemission ist charak-teristisch fuumlr LEDs Dementsprechend verfuumlgt ihr Licht uumlber eine hohe Farbsaumlttigung Durch die Bedeckung des LED-Chips mit breitbandig pho-tolumineszierenden Farbstoffen wird ein Teil der Strahlung in energieaumlrmeres langwelligeres Licht konvertiert und es entstehen Mischfarben wie

Metrologie fuumlr moderne Lichtquellen LEDs und OLEDs Thorsten Gerloff

Thorsten Gerloff Arbeitsgruppe bdquoPhotometrieldquo EshyMail thorstengerloffptbde

Bild 1 Spektrale Verteilung einer Gluumlhlampe und spektraler Hellempfindlichkeitsgrad (V(λ)-Funktion)

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PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4 Metrologie fuumlr moderne Lichtquellen

i Infokasten LED

Lichtausbeute einer Strahlungsquelle ηv

Die Lichtausbeute einer Strahlungsquelle gibt das Verhaumlltnis aus ausgestrahltem Lichtstrom und aufgenommener elektrischer Leistung an Die Einheit ist LumenWatt (lmW) Je houmlher die Lichtausbeute ist umso energieeffizienter ist die Beleuchtung Gluumlhlampen besitzen Lichtausbeuten zwischen 10 und 20 lmW

Lichtstrom Φv

Der Lichtstrom beruumlcksichtigt den Hellempfind-lichkeitsgrad V(λ) des Auges und gibt die in alle Raumrichtungen abgegebene bdquoLichtleistungldquo einer Lampe an Der Lichtstrom enthaumllt keine Information daruumlber wie die Lampe das Licht im Raum verteilt Der Lichtstrom gibt an wie hell ein beleuchteter Raum dem Menschen erscheint

Spektraler Hellempfindlichkeitsgrad V(λ)

Der exakt definierte spektrale Hellempfindlich-keitsgrad V(λ) ist eine Bewertungsfunktion fuumlr elektromagnetische Strahlung Hiermit wird der bdquoHelligkeitseindruck eines menschlichen Durch-schnittsaugesldquo berechnet Dies ermoumlglicht den objektiven Vergleich von Lichtquellen mit physika-lischen Messmethoden Subjektive Wahrnehmun-gen einzelner Menschen koumlnnen damit nicht exakt wiedergegeben werden

Aumlhnlichste Farbtemperatur TN

Es gibt unterschiedliche Farbtemperaturen in der Photometrie Verhaumlltnis- und Verteilungstem-peratur sind nur bei thermischen Strahlern wie der Gluumlhlampe anwendbar Nur die aumlhnlichste Farbtemperatur (englisch Correlated Colour Temperature CCT) laumlsst sich fuumlr Lichtquellen mit beliebiger spektraler Zusammensetzung berech-nen sofern die Normfarbwertanteile aumlhnlich einem thermischen Strahler sind Die aumlhnlichste Farbtemperatur wird in der Einheit Kelvin (K) angegeben Sie gibt an ob das Licht warmweiszlig (ca 3000 K) neutralweiszlig (ca 4500 K) oder tages-lichtweiszlig (gt5500 K) erscheint

Normfarbwertanteile (x y)

Fuumlr die Angabe von Farbe gibt es neben dem spek-tralen Hellempfindlichkeitsgrad V(λ)noch weitere definierte Bewertungsfunktionen Hiermit laumlsst sich die Farbwahrnehmung eines fiktive Normalbeob-achters aus der gemessenen spektralen Verteilung des Lichts durch Angabe von nur zwei Werten (x und y) angeben Diese Werte geben die Koordi-naten auf der Normfarbtafel (s Abbildung) an

Normfarbtafel

Farbwiedergabeindex Ra

Der Farbwiedergabeindex ist eine Kennzahl fuumlr Lichtquellen der bewertet die Qualitaumlt der Farb-wiedergabe Je houmlher der Wert desto besser ist die Farbwiedergabe Der Maximalwert liegt bei 100 Werte zwischen 90 und 100 geben eine ausgezeich-nete Farbwiedergabe an Werte unter 80 sind fuumlr viele Anwendungen nicht ausreichend

Im Folgenden soll ein kleiner Leitfaden gegeben werden der in allgemeinverstaumlndlicher Form die grundlegenden Ideen wichtiger lichttechnischer Groumlszligen erlaumlutern soll Komplexe Details der zugrunde liegenden Normen und Definitionen werden hierbei nicht beruumlcksichtigt

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PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4Das Jahr des Lichtes

Pastellfarbtoumlne oder auch weiszliges LichtIn Bild 2 sind die spektralen Verteilungen einer

LED mit und ohne Leuchtstoff abgebildet In der linken Abbildung erkennt man die schmalbandige blaue Emission des LED-Chips In der rechten Abbildung wird ein Teil dieser Strahlung durch einen Leuchtstoff in laumlngerwelliges Licht konver-tiert und die Mischfarbe erscheint weiszlig

Der Vorteil einer LED gegenuumlber einer Gluumlh-lampe bezuumlglich der Lichtausbeute ist offensicht-lich Es wird ndash von unvermeidbarer thermischer Verlustleistung abgesehen ndash nur Strahlung im sichtbaren Wellenlaumlngenbereich emittiert Daruumlber hinaus ist die Farbe des Lichts von LEDs durch Kombination verschiedener Leuchtstoffe und LEDs nahezu beliebig einstellbar und man ist nicht auf aumlhnlichste Farbtemperaturen von ca 3000 K wie bei der Gluumlhlampe begrenzt

Allerdings gibt es auch Nachteile gegenuumlber dem Licht einer Gluumlhlampe Dem typischen Spektrum einer LED-Lichtquelle fehlen im Gegensatz zu Sonnenlicht oder Gluumlhlampenlicht einzelne Spekt-ralfarben Dies macht sich negativ bei der Qualitaumlt der Farbwiedergabe bemerkbar

Die Farbe des emittierten Lichts einer LED laumlsst sich durch additive Farbmischung sehr aumlhnlich zu Sonnenlicht oder auch Gluumlhlampenlicht einstellen Wenn jedoch Objekte mit Licht beleuchtet werden kommt es auch auf die spektrale Zusammensetzung des Lichts an Nehmen wir einen Blumenstrauszlig aus roten Rosen der im Tageslicht steht Im Son-nenlicht sind alle Spektralfarben vorhanden und diese beleuchten die Rosen Die roten Bluumltenblaumltter absorbieren einige spektrale Anteile des Lichts und reflektieren im Wesentlichen rotes Licht welches in das Auge des Betrachters faumlllt Wenn die Rosen von einer anderen Lichtquelle beleuchtet werden in der die roten Spektralanteile zumindest teilweise fehlen koumlnnen diese nicht reflektiert werden und die Farben der Rosen erscheinen unnatuumlrlich

Dies ist von weitreichender Bedeutung fuumlr die Wahl einer geeigneten Lichtquelle da wir einen Kompromiss aus Licht mit guter Farbwieder-gabe und hoher Lichtausbeute schlieszligen muumlssen Licht mit hoher Farbwiedergabe setzt sich aus moumlglichst vielen Spektralfarben zusammen und Lichtquellen mit hoher Lichtausbeute sollten nur Spektralfarben beinhalten fuumlr die das menschliche Auge besonders empfindlich ist In den Auszligenbe-zirken vieler Staumldte werden zur Nachtbeleuchtung der Gehwege haumlufig Natriumdampflampen mit orangefarbenem Licht eingesetzt Die Lichtaus-beute dieser Lampen ist mit etwa 150 lmW auszligerordentlich hoch da das menschliche Auge in diesem Spektralbereich sehr empfindlich ist Diese Beleuchtung ist jedoch ungeeignet um Farben natuumlrlich wiederzugeben Aufgrund des Aufbaus des menschlichen Auges ist es also nicht moumlglich eine Beleuchtung mit sehr hoher Qualitaumlt der Farbwiedergabe bei gleichzeitig sehr hoher Lichtausbeute zu realisieren

Weiszlige LEDs zur Allgemeinbeleuchtung nutzen in der Regel Leuchtstoffe die teilweise qualita-tiv hochwertige Farbwiedergabeeigenschaften besitzen Eine weitere Methode zur Erzeugung von weiszligem Licht ist das Mischen von rotem gruumlnem und blauem Licht (RGB-Verfahren) welches die Grundlage jedes Displays ist Hierbei sind neben weiszligem Licht auch andere Lichtfarben moumlglich ndash die Farbwiedergabeeigenschaften sind allerdings schlecht Fuumlr die Endverbraucher sind in der Regel die Farbwiedergabeeigenschaften von Lichtquellen als Ra-Werte auf der Verpackung angegeben

Organische Licht Emittierende Dioden (OLED) sind eine junge Beleuchtungstechnologie die noch keinen Zugang zum Massenmarkt erhalten hat Die weltweit erste kommerzielle OLED-Leuchte wurde 2008 vertrieben Der fuumlr den Nutzer wesentliche Unterschied zwischen OLEDs und LEDs besteht im Aufbau Der leuchtende Kristall

Bild 2 Spektrale Verteilung einer blauen LED (links) und einer weiszligen LED (rechts) bei der ein Teil des blauen Lichts zu gelbem Licht konvertiert wurde

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PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4 Metrologie fuumlr moderne Lichtquellen

anorganischer LEDs besitzt eine maximale Kan-tenlaumlnge von etwa einem Millimeter Bei OLEDs wird das Licht in groszligflaumlchigen amorphen organi-schen Schichten erzeugt Momentan sind OLEDs mit leuchtenden Flaumlchen von bis zu 20 x 20 cmsup2 erhaumlltlich Das Licht wird aumlhnlich wie bei LEDs durch Ladungstraumlgerrekombination unter Auftre-ten von Elektrolumineszenz erzeugt Dabei ist das Emissionsspektrum der verwendeten organischen Emittermaterialien wesentlich breitbandiger als das einer LED (vgl Bild 3) Daher wird das weiszlige Licht von OLEDs in der Regel durch Verwendung von roten gruumlnen und blauen Emittermaterialien erzeugt ohne dass die Farbwiedergabeeigenschaf-ten sehr stark darunter leiden

2 Entwicklung von (O)LED-Transfer-normalen in der PTB

Eine der Kernaufgaben der PTB ist die Weiter-gabe der gesetzlichen Einheiten Bis zum heuti-gen Tage bieten Transfernormale in Form von speziellen Gluumlhlampen die besten Eigenschaften um als Maszligverkoumlrperung der Einheiten Candela oder Lumen zu dienen Da der Anwender in der Regel jedoch die Substitutionsmethode bei seinen Messungen anwendet um notwendige Korrektu-ren auf ein Minimum zu reduzieren (Gleiches mit Gleichem vergleichen) sind auch Transfernormale auf Basis der LED-Technologie von Interesse

Bereits in den 80er-Jahren des vergangenen Jahr-hunderts wurden LEDs in der PTB kalibriert Diese waren fuumlr Beleuchtungszwecke noch ungeeignet und dienten lediglich als Signallampen Zeitgleich wurden die ersten PTB-LED-Transfernormale entwickelt deren optische Eigenschaften durch thermische Regelung des LED-Chips stabilisiert wurden Die mechanische Ausrichtung der LEDs leistet aufgrund des typischerweise stark gerichteten Abstrahlprofils der LEDs einen groszligen Beitrag auf die Messunsicherheit Daher werden die LEDs seit

2002 in ein rotationssymmetrisches robustes VA-Stahl-Gehaumluse eingebaut welches sich sehr repro-duzierbar ausrichten laumlsst (vgl Bild 4)

Diese Transfernormale werden unter Konstant-Strom-Bedingungen und ndash durch gezieltes Aufhei-zen des LED-Chips durch den Heizwiderstand ndash unter Konstant-Spannung-Bedingungen betrieben Aufgrund der halbleitenden Eigenschaften sinkt mit steigender Temperatur die Betriebsspannung und sowohl der Lichtstrom als auch die Peakwellenlaumlnge des emittierten Lichts veraumlndert sich Die Sollspan-nung wird auf einen Wert festgelegt der unterhalb der Gleichgewichtsspannung durch Eigenerwaumlr-mung im Betrieb ohne Heizwiderstand bei einer Umgebungstemperatur von etwa 35 degC liegt Somit ist auch ein Einsatz der Transfernormale in Laboren ohne Klimatisierung moumlglich

Fuumlr LEDs mit houmlheren Leistungen wurde im Jahr 2011 ein weiterer Prototyp eines Transfernormals vorgestellt (vgl Bild 5) Da die hier verwendeten LEDs eine houmlhere Leistungsaufnahme besitzen werden sie waumlrmer Das reduziert die Lebensdauer und Reproduzierbarkeit der photometrischen

Bild 3 Exemplarische spektrale Verteilung einer weiszligen OLED

Bild 4 Temperaturgeregeltes LED-Transfernormal auf Basis von Kleinleistungs-LEDs mit Lichtstroumlmen von bis zu 10 Lumen

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PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4Das Jahr des Lichtes

Groumlszligen deutlich Daher muumlssen sie gekuumlhlt werden Hierfuumlr kommt bei diesen Normalen ein Peltier-Element zum Einsatz welches geregelt Waumlrme in einen dahinterliegenden Kuumlhlkoumlrper leitet und hierdurch das emittierte Licht stabilisiert Diese Transfernormale zeichnen sich durch ein geringes

Gewicht bei einer Laumlnge von ca 100 mm und einem Durchmesser von etwa 20 mm aus Allerdings ist die Verwendung von LEDs mit sehr hohen Leistun-gen nicht moumlglich da die Abwaumlrme lediglich passiv an den Raum abgegeben wird Eine detaillierte Beschreibung der Eigenschaften dieses Transfer-normals wurde 2012 veroumlffentlicht [2]

Fuumlr die thermische Stabilisierung von LEDs mit sehr hohen Leistungen wurde ein weiteres Trans-fernormal unter Einsatz von Peltier-Elementen Heatpipes und aktivem Kuumlhlsystem in der PTB entwickelt (vgl Bild 6)

Im Rahmen des europaumlischen Forschungspro-jekts OLED100eu wurde in der PTB weiterhin das weltweit erste Transfernormal unter Einsatz einer organischen Leuchtdiode entwickelt (vgl Bild 7) Dieses Normal wurde fuumlr den Einsatz in einer Ulbricht-Kugel konzipiert und in ein mattes Aluminiumgehaumluse eingebaut Eine Besonderheit dieses Normals ist die Stand-Alone-Versorgungs-einheit die ohne Rechner o auml saumlmtliche relevan-ten elektrischen und thermischen Groumlszligen regelt und auf einem USB-Stick speichert

3 LED-Messtechnik in der PTB

Neben LED-Transfernormalen mit guter Reprodu-zierbarkeit ist eine hochentwickelte Messtechnik fuumlr deren Kalibrierung mit minimaler Messunsi-cherheit erforderlich

Die photometrische Beschreibung von LEDs erfolgt durch Angabe ihrer Lichtstaumlrke ILED mit der Einheit Candela und ihrem Lichtstrom ΦLED mit der Einheit Lumen Diese Groumlszligen werden in der PTB unter Verwendung ruumlckgefuumlhrter Photometer bestimmt Hierfuumlr wird die Beleuchtungsstaumlrke ELED unter definierten geometrischen Bedingungen fuumlr alle Abstrahlrichtungen der LED mit einem Goniophotometer gemessen

Fuumlr die Bestimmung der colorimetrischen Werte kommen Spektralradiometer zum Einsatz Hiermit werden spektrale Bestrahlungsstaumlrken gemessen und daraus die abgeleiteten colorime-

Bild 5 Temperaturgeregeltes LED-Transfernormal auf Basis von Hochleistungs-LEDs mit Lichtstroumlmen von bis zu 100 Lumen Im rechten Bild ist die Temperaturverteilung in Grad Celsius waumlhrend des Betriebs abgebildet

Bild 6 Temperaturgeregeltes LED-Transfernormal auf Basis von Houmlchstleistungs-LEDs mit Lichtstroumlmen von bis zu 2500 Lumen

Bild 7 Temperaturgeregeltes OLED-Transfernormal auf Basis kommerziell erhaumlltlicher OLEDs

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PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4 Metrologie fuumlr moderne Lichtquellen

trischen Kenngroumlszligen wie z B die Normfarb-wertanteile (x y) bei weiszligen LEDs die aumlhnlichste Farbtemperatur TN mit der Einheit Kelvin und bei farbigen LEDs die dominante Wellenlaumlnge λdom berechnet Grundlegende Informationen und Definitionen uumlber die photometrischen und colorimetrischen Groumlszligen und deren Messung sind in [3] [4] und [5] zu finden

In Bild 8 ist der Aufbau des LED-Messplatzes an der PTB zu sehen Fuumlr die Bestimmung der Mess-groumlszligen in alle raumlumlichen Abstrahlwinkel wird die LED durch ein Goniophotometer bewegt

Die LED wird in horizontaler Betriebslage zentrisch normal zur Referenzebene des Photo-meterkopfes ausgerichtet Ein Translationstisch ermoumlglicht dabei eine Variation des Abstandes d zwischen Photometer und LED Eine horizontale Rotationsachse (φ-Achse) und eine senkrechte Rotationsachse (ϑ-Achse) die sich an der LED-Spitze im rechten Winkel schneiden erlauben durch Drehung der LED eine Bestimmung der Beleuchtungsstaumlrke ELED in alle Raumrichtungen Beide Rotationsachsen werden waumlhrend der Messung zeitgleich bewegt Hierdurch bewegt sich die relative Position der lichtempfindlichen Emp-faumlngeroumlffnung bezuumlglich des Schnittpunkts beider Drehachsen auf der Oberflaumlche einer virtuellen Kugel entlang einer Spiralbahn von bdquoPol zu Polldquo dieser Kugel

Die Bestimmung des Lichtstroms ΦLED erfolgt analog der Beschreibung in dem Kapitel Kurze Geschichte der Goniophotometrie in der PTB Der wesentliche Unterschied zu goniophotome-trischen Messungen an Gluumlhlampen besteht darin dass bei LED-Messungen die Lichtquelle typischerweise bewegt werden kann ohne dass sich ihre optischen Eigenschaften aumlndernAufgrund des stetig wachsenden Bedarfs an ruumlck-gefuumlhrten Kalibrierungen von High-Power-LEDs sind Masse und Abmessungen der Transfernor-male erheblich gestiegen Daher wurde der Mess-platz 2015 um ein weiteres Goniophotometer fuumlr schwere und groszlige Objekte erweitert (vgl Bild 9)

Neben den photometrischen Empfaumlngern befinden sich auch Einkoppeloptiken fuumlr Spekt-ralradiometer auf dem drehbaren Empfaumlngerka-russell Alle Empfaumlnger lassen sich hiermit auto-matisiert waumlhrend einer Messung zu den LEDs ausrichten Vor jeder LED-Kalibrierung werden die Spektralradiometer bezuumlglich Ihrer spektralen Empfindlichkeit und Wellenlaumlnge kalibriert Die entsprechenden Normallampen befinden sich neben dem Empfaumlngerkarussell (vgl Bild 10) und ermoumlglichen so ebenfalls eine automatisierte Messung

Den spektralen Messungen an LEDs kommt neben der Notwendigkeit fuumlr die Bestimmung colorimetrischer Kennzahlen noch eine beson-dere Bedeutung fuumlr die photometrischen Messun-

Bild 9 Goniophotometer fuumlr photometrische Messungen an Hochleistungs-LEDs

Bild 10 Entladungslampen mit verschiedenen Gasfuumlllungen dienen der Wellenlaumlngenka-librierung der Spektrometer Im Hintergrund ist eine Bestrahlungsstaumlrke-Normal-lampe fuumlr die spektrale Empfindlichkeitskalibrierung zu sehen

Bild 8 Goniophotometer fuumlr photometrische Messungen an Kleinleistungs-LEDs

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PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4Das Jahr des Lichtes

gen zu Wie in der Einleitung erklaumlrt unterscheiden sich die spektralen Verteilungen von LEDs und Gluumlhlampen deutlich voneinander Photometerkoumlpfe bestehen in der Regel aus einer Silizium-Photodiode deren spektrale Empfindlichkeit durch den Einsatz von Glasfiltern moumlglichst gut an den Hellemp-findlichkeitsgrad V(λ) angepasst wird Aufgrund internationaler Standardisierung wird die photo-metrische Empfindlichkeit von Photometerkoumlpfen fast ausschlieszliglich fuumlr Normlichtart A kalibriert In der Praxis werden hierfuumlr Gluumlhlampen mit einer Verteilungstemperatur von 2856 K verwendet Wenn man ein solches Photometer fuumlr Messungen an anderen Gluumlhlampen verwendet sind die spektralen Verteilungen meist so aumlhnlich dass nur geringe oder gar vernachlaumlssigbare Korrekturen aufgrund der spektralen Fehlanpassung also der Abweichung der realen spektralen Empfindlichkeit des Photometers von dem Hellempfindlichkeitsgrad notwendig sind Wenn man ein solches Photometer jedoch bei LEDs insbesondere farbigen LEDs einsetzt koumlnnen die Abweichungen aufgrund der spektralen Fehlan-passung sehr groszlig werden (gt10 fuumlr hochwertige Photometerkoumlpfe sind moumlglich)

Mit Kenntnis der relativen spektralen Verteilung der Leuchtdiode SLED(λ) und der relativen spekt-ralen Empfindlichkeit srel(λ) laumlsst sich die spektrale Fehlanpassung durch folgenden Korrekturfaktor cSpek korrigieren

cV S

s S

V P T

sSpek

LED

rel LED

A

rel

d

d

d=

( ) ( )( ) ( )

( ) ( )( )

intint

intλ λ λ

λ λ λ

λ λ λ

λ

intint ( )P Tλ λ A d

P(λ TA) beschreibt Lichtart A durch das Planck-sche Strahlungsgesetz fuumlr TA = 2856 K

Eine detaillierte Auflistung und Diskussion aller zu beruumlcksichtigenden Details bei Kalibrierungen von LEDs und das dazugehoumlrige Messunsicher-heitsbudget soll an dieser Stelle nicht gegeben werden Interessierte Leser koumlnnen hierfuumlr Infor-mationen in einer fruumlheren Veroumlffentlichung [6] oder in den Ergebnissen eines internationalen Vergleichs von LED-Messungen [7] finden

Fazit und Ausblick

Der Verzicht auf LEDs ist fuumlr Beleuchtungsan-wendungen nicht mehr vorstellbar Durch ihre kontinuierliche Weiterentwicklung erobern LEDs immer weitere Anwendungsfelder (z B Haus-halts- Straszligen- und Automobilbeleuchtung) mit denen der Endkunde in Kontakt kommt Bei diesen Anwendungen sind die Anforderungen an die Lichtquellen vielfaumlltig und fuumlr eine quantitative Beschreibung ihrer Eigenschaften muss auch die Messtechnik entsprechend umfassend und ausge-reift sein

Neben dem allgemeinen Forschungs- und Ent-wicklungsbedarf fuumlr bessere LED-Messverfahren und -geraumlte die die Grundlage ihrer technologi-schen Weiterentwicklung bilden gibt es eine weitere Herausforderung Aufgrund der nahezu unbe-grenzten Moumlglichkeiten eine bestimmte Lichtfarbe durch additive Farbmischung zu erhalten sind LEDs verschiedener Hersteller mit unterschiedlichen Emissionsspektren aber einer nominell gleichen aumlhnlichsten Farbtemperatur erhaumlltlich Dennoch ist teilweise ein Unterschied der Lichtfarbe mit bloszligem Auge erkennbar wenn sich unterschiedliche LEDs nebeneinander befinden

Es ist ungewoumlhnlich dass man ohne technische Hilfsmittel nominell gleiche Lichtfarben faktisch unterscheiden kann Um die Charakterisierung von LEDs soweit zu verbessern dass dies nicht mehr moumlglich ist ist einerseits eine Reduzierung der Messunsicherheit bei der Bestimmung der Normfarbwertanteile (Lichtfarbe) notwendig Andererseits muss man sich bewusst machen dass photometrische und colorimetrische Messverfahren auf rein physikalischen Zusammenhaumlngen basieren Individuelle menschliche Wahrnehmung und Sehen werden bei photometrischen Messungen nicht beruumlcksichtigt ndash diese werden durch Festlegung von exakt definierten Wichtungsfunktionen wie dem Hellempfindlichkeitsgrad fuumlr einen fiktiven Normalbeobachter ausgegrenzt Diese Wichtungs-funktionen koumlnnen gegebenenfalls auch noch optimiert werden um die objektive Beurteilung von Lichtquellen mit physikalischen Messmethoden zu verbessern Somit gibt es auch in Zukunft noch interdisziplinaumlre Herausforderungen fuumlr die Metro-logie moderner Lichtquellen

Literatur

[1] httpwwwnobelprizeorgnobel_prizesphysicslaureates2014 (letzter Aufruf 14102015)

[2] T Gerloff M Lindemann S Shirokov M Taddeo S Pendsa A Sperling Development of a new high-power LED transfer standard CIE Proceed-ings 2012

[3] CIE S 017E 2011 ILV International Lighting Vocabulary httpeilvciecoat (letzter Aufruf 03122015)

[4] CIE 127 2007 (2nd edition) Measurement of LEDs

[5] CIE S 025E 2015 Test Method for LED Lamps LED Luminaires and LED Modules

[6] M Lindemann R Maass Photometry and Colo-rimetry of Reference LEDs by Using a Compact Goniophotometer MAPAN ndash Journal of Metrolo-gy Society of India Vol 24 No 3 2009

[7] wwwbipmorg APMPPR-S3a (Averaged LED Intensity) APMPPR-S3b (Total Luminous Flux of LEDs) APMPPR-S3c (Emitted Colour of LEDs)

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Effektpigmente hellipPTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4

Einleitung

Farbe ist fuumlr Menschen die wohl auffaumllligste sub-jektive Stoffeigenschaft Bereits den Fruumlhmenschen war diese visuelle Qualitaumlt bekannt deren Wahr-nehmung allen Primaten eigen ist So wurde 2008 in Suumldafrika eine ca 100000 Jahre alte steinzeitli-che bdquoMalerwerkstattldquo entdeckt [1] Auch heutzu-tage spielt Farbe in der Gestaltung unserer Umwelt eine wichtige Rolle Jedes Jahr praumlsentiert uns die Mode die neuen Farben der Saison Farben dienen zur Regelung des Verkehrs Ohne bunte Farben waumlre unsere Welt trist und oumlde

Es ist wichtig festzustellen dass Farbe ein physiologischer Sinneseindruck ist wie z B auch Tasten oder Riechen D h Farbe ist keine immanente physikalische Eigenschaft eines Gegenstandes wie z B seine Masse oder Waumlrme-leitfaumlhigkeit Die physiologische Wahrnehmungs-kette ist hierbei folgende Das vom betrachteten Gegenstand reflektierte Licht trifft auf das Auge und loumlst hierbei einen Farbreiz aus Dieser Farbreiz beruht auf der spektralen Zusammensetzung des empfangenen Lichts d h er ist abhaumlngig von der verwendeten Lichtquelle und dem spektralen Reflexionsvermoumlgen des betrachteten Objektes Die Anregung der licht- und farbempfindlichen Zellen in der Netzhaut fuumlhrt zu einer Farbvalenz die uumlber den Sehnerv an das Gehirn weitergeleitet wird Die eigentliche Farbempfindung die wir dann mit einem Gegenstand verknuumlpfen entsteht erst im Gehirn [2] Liegt z B eine Farbfehlsich-tigkeit vor so kann der Farbeindruck des betrof-fenen Menschen auch ein ganz anderer sein Auch viele Tiere mit ihren teilweise erheblich abweichenden visuellen Systemen nehmen Farbe ganz unterschiedlich als wir Menschen wahr Im Folgenden soll mit Farbe immer die Koumlrperfarbe auch Gegenstandsfarbe Objektfarbe bzw Oberflauml-chenfarbe genannt einer nicht selbstleuchtenden Flaumlche bezeichnet werden die durch Reflexion von Licht an einem Koumlrper entsteht

Die genannten Zusammenhaumlnge machen die mathematisch-physikalische Beschreibung von Farbe schwierig und aufwendig da auch die spe-zifischen Eigenarten der menschlichen Wahrneh-

mungskette nachgestellt werden muumlssen Diesem Umstand wird versucht uumlber die verschiedenen Farbmaszligsysteme Rechnung zu tragen welche die Farbe eines Objektes mithilfe von quantifizierba-ren Zahlenwerten kennzeichnen [3]

Generell koumlnnen farbige Flaumlchen je nach Tageszeit und Lichteinfall sehr unterschiedlich wirken Die Aumlnderungen basieren hierbei auf der unterschiedlichen spektralen Zusammenset-zung des Tageslichts und den winkelabhaumlngigen Glanz- und Struktureigenschaften von Oberflauml-chen Ganz besonders deutlich ist dies bei auf dem Interferenzeffekt basierenden Effektpigmenten der Fall Deren visuelles Erscheinungsbild im englischen mit Visual Appearance bezeichnet kann sich bei variierendem Beobachtungswinkel und unterschiedlichen Lichtverhaumlltnissen komplett veraumlndern Man spricht hierbei von sogenannten Flop-Lacken wobei man zwischen Hell-Dunkel-Flop und Farb-Flop unterscheiden kann [4]

Generell kann man sagen dass Farbe und visuelle Effekte einen entscheidenden Anteil am Verkaufserfolg eines Produktes haben denn Farben wecken Emotionen und verschiedene Neuro marketingstudien belegen dass ca 95 aller Kaufentscheidungen emotional gepraumlgt sind [5] Deshalb spielt eine moderne Farbgestaltung unter Nutzung aktueller Effektpigmente im Pro-duktdesign eine entscheidende Rolle denn durch den Einsatz solcher Pigmente kann Gegenstaumlnden eine houmlhere Attraktivitaumlt verliehen werden Daher findet man moderne Effektpigmente heutzutage in vielen teilweise sehr unterschiedlichen Indus-trieprodukten wie z B in Autolackierungen Haumluserfassaden Kosmetikartikeln oder sogar bei Pralineacutes wie dies in Bild 1 zu sehen ist

Pigmente

Als Pigmente aus dem Lateinischen kommend von pigmentum fuumlr bdquoFaumlrbestoff Schminkeldquo bezeichnet man aus Teilchen bestehende im Anwendungs-medium praktisch unloumlsliche Sub stanzen die als Farbmittel oder wegen anderer spezieller physika-lischer und chemischer Eigenschaften als funktio-nale Farbzentren verwendet werden [6]

Effektpigmente Eine Herausforderung fuumlr die optische Messtechnik

Egbert Buhr Alfred Schirmacher Andreas Houmlpe

Dr Egbert Buhr Fachbereich bdquoBildshy und Wellenoptikldquo EshyMail egbertbuhrptbde

Dr Alfred Schirmacher Arbeitsshygruppe bdquoReflexion und Transmissionldquo EshyMail alfredschirmacherptbde

Dr Andreas Houmlpe dagger ehemals Arbeitsgrupshype bdquoReflexion und Transmissionldquo

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PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4Das Jahr des Lichtes

In der Natur vorkommende anorganische Pig-mente sind schon seit praumlhistorischen Zeiten bekannt Schon die Menschen der Steinzeit benutzen mineralische Pigmente fuumlr die ersten Houmlhlenzeichnungen Sie erkannten dass sie mit unterschiedlichen Erdsorten farbig malen konnten Eisenoxidhaltige Erden liefern gelbrote bis braunrote Kalk und Gips weiszlige Mangan-oxide sowie Holz- und Knochenkohle schwarze Farbtoumlne

Aus heutiger industrieller Sicht ist ein Pigment ein fein aufgeteilter und unloumlslicher Feststoff mit der Hauptfunktion das Erscheinungsbild des verwendeten Mediums zu verbessern oder es zu faumlrben Pigmente werden dem Medium immer durch physikalisches Mischen beigegeben dies unterscheidet sie von Farbstoffen die in ihrem Medium loumlslich sind

Pigmente koumlnnen nach den optischen Prin-zipien ihrer Wechselwirkung mit Licht unter-schieden und in verschiedene Klassen eingeteilt werden Wichtige Pigmentklassen sind Weiszlig- Bunt- Schwarz- und Effektpigmente die alle wegen ihrer speziellen farbgebenden Eigenschaf-ten eingesetzt werden Bei den Effektpigmenten

kann in einer ersten vereinfachten Einteilung noch zwischen Metalleffekt- und den sogenannten speziellen Effektpigmenten unterschieden werden

Der Begriff bdquospezielle Effektpigmenteldquo umfasst die Gruppen der Perlglanzpigmente und der all-gemeinen Interferenzpigmente welche insbeson-dere bei aktuellen Pigmententwicklungen nicht scharf abgegrenzt werden koumlnnen Perlglanzpig-mente sind Effektpigmente die aus transparenten Plaumlttchen mit hohem Brechungsindex bestehen Sie erzeugen durch die spezielle Form der Mehr-fachreflexion des transmittierten Lichts an mehre-ren Pigmenten einen perlenaumlhnlichen Effekt bei dem die auftreffende Strahlung verteilt reflektiert wird wodurch der Eindruck einer mit der Tiefe abnehmenden diffusen Helligkeit entsteht Fuumlr das Auge ergibt sich so eine scheinbar dreidimen-sionale Glanzcharakteristik die aus der Tiefe des Objektes zu kommen scheint Interferenzpigmente dagegen sind Effektpigmente deren farbgebende Wirkung ganz oder vorwiegend auf dem Effekt der Vielstrahlinterferenz von Licht an duumlnnen hoch-brechenden Schichten beruht Interferenzpigmente koumlnnen dabei sowohl auf transparenten oder auch nichttransparenten Plaumlttchen basieren

Bild 1 a) Roadster mit ChromaFlairreg-Effektpigmentlackierung b) Verwaltungsgebaumlude in Braunschweig verkleidet mit Alucobondreg-spectra-colours-Verbundplatten c) Effektpigmente im Nagellack d) Pralineacute mit Effektpigmentuumlberzug

a

dc

bb

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Effektpigmente hellipPTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4

Die heute verwendeten Pigmente lassen sich somit grob in fuumlnf verschiedene Klassen einteilen

1) Weiszligpigmente Die Pigmente streuen das ge-samte auftreffende Licht nahezu verlustfrei in alle Richtungen durch diffuse ungerichtete Reflexion

2) Buntpigmente Die Pigmente streuen einen Teil des Lichtes diffus und absorbieren wellenlaumln-genselektiv einen anderen Teil des Lichtes

3) Schwarzpigmente Die Pigmente absorbieren alle Wellenlaumlngen des fuumlr das menschliche Auge sichtbaren Spektralbereiches

4) Metalleffektpigmente Die aus duumlnnen Metall-plaumlttchen vorwiegend Aluminium bestehen-den Metalleffektpigmente sind lichtundurch-laumlssig und reflektieren das gesamte auftreffende Licht durch spekulare gerichtete Reflexion Die Pigmentpartikel wirken dabei wie Mikrospie-gel und fuumlhren bei paralleler Ausrichtung im Anwendungsmedium zu einem spiegelnden Metallglanz dem Metallic-Effekt

5) Spezielle Effektpigmente Perlglanz- bzw Inter-ferenzpigmente deren optische Wirkung auf der Mehrfachreflexion an uumlberwiegend flaumlchig aus-gebildeten und ausgerichteten transparenten semitransparenten oder lichtundurchlaumlssigen Partikeln beruht

Weiszlig- Bunt- und auch Schwarzpigmente weisen typische Durchmesser im Bereich von 100 nm bis zu 1 microm auf Ihre Groumlszlige liegt damit zum Teil im Bereich der Wellenlaumlnge des sichtbaren Lichtes welches den Bereich von 380 nm bis 780 nm uumlberdeckt Einige Schwarzpigmente wie z B Ruszlig-pigmente liegen mit ihren Durchmessern jedoch auch zum Teil auch deutlich darunter Effektpig-mente besitzen dagegen Teilchendurchmesser die zumeist im Bereich von 5 microm bis 100 microm in einigen Faumlllen auch daruumlber liegen Sie sind damit bezuumlglich der mittleren Plaumlttchendurch-messer wesentlich groumlszliger als die Wellenlaumlnge des sichtbaren Lichtes Die Dicke der Plaumlttchen liegt von einigen Ausnahmen abgesehen unter 1 microm ebenso wie die Dicke der Interferenzschichten Demzufolge weisen Effektpigmente in der Regel ein hohes Aspektverhaumlltnis auf (Verhaumlltnis der lateralen Ausdehnung einer Struktur zu ihrer Houmlhe) welches bis zu 200 betragen kann

Interferenzpigmente ndash Wie die Farben entstehen

Die Farbe von Interferenzpigmenten haumlngt von der Schichtdicke der Metalloxidbeschichtung und dem Einstrahlungs- und Betrachtungswinkel ab Beide Parameter bestimmen die effektive optische Weg-

laumlngendifferenz fuumlr das einfallende weiszlige Licht zwischen oberer und unterer Grenzflaumlche und die somit auftretenden Interferenzfarben siehe Bild 3

Interferenzpigmente zeigen somit einen aus-gepraumlgten bdquoFarbflopldquo Die Winkelabhaumlngigkeit der Farbe wird hierbei auch als Goniochromasie bezeichnet Richtig bunt geht es zu wenn ein Interferenzpigment auf einen bereits bunten Untergrund aufgebracht wird Die Transparenz der Pigmente laumlsst die Untergrundfarbe durch-

Bild 2 Schematische Diagramme zum spektralen Verhalten verschiedener Pigmenttypen

Bild 3 Die Schichtdicke der Metalloxidbeschichtung und der kombinierte Einstrahlungs- und Betrachtungswinkel bestimmen die optische Weglaumlnge und somit die sich ergebenden Interferenzfarben in Reflexion und Transmission

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PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4Das Jahr des Lichtes

Bild 5 Die Effekte Spar-kling (1) und Coarseness (2) des Effektpigmentes Xirallicreg Crystal Silver in einer vergroumlszliger-ten Aufnahme auf weiszligem (links) und schwarzem Hinter-grund (rechts)

scheinen im Glanzwinkel wird sie aber von der Interferenzfarbe uumlberstrahlt wie dies in Bild 4 zu sehen ist

Der Effekt eines Helligkeitsunterschiedes unter verschiedenen Betrachtungswinkeln wird als Helligkeitsflop bezeichnet und ist an sich nichts Neues Sind jedoch die einzelnen Pigmentteilchen

aufgrund ihrer planaren Reflexionsoberflaumlchen in gerichteter Beleuchtung direkt beobachtbar was fuumlr mittlere Teilchengroumlszligen von 30 microm und groumlszliger der Fall ist so ergibt dies einen Effekt welcher mit dem Begriff Sparkle (Glitzern Funkeln) bezeichnet wird (Bild 5) Aumlndert sich die Beleuchtung von einer gerichteten Einstrahlung wie es an einem wolkenlosen sonnigen Sommertag der Fall ist hin zu einer diffusen ungerichteten Einstrahlung wie an einem stark bewoumllkten Herbsttag so verschwin-det das Sparkling der Pigmente und verwandelt sich in eine Koumlrnigkeit der Oberflaumlche Dieses optische Phaumlnomen wird als Coarseness (Bild-koumlrnigkeit) bezeichnet und ist unabhaumlngig vom Betrachtungswinkel (Bild 5)

Als neuer Archetypus des Sparkle-Begriffes haben sich in den letzten Jahren die Xirallicreg Pig-mente (High Chroma Chrystal Effect Pigments) der Firma Merck KGaA entwickelt Durch die Beschich-tung von Aluminiumoxidplaumlttchen mit hochbre-chenden Metalloxiden und einer optimierten Dicke und Ebenheit aller am Pigment beteiligten Schich-ten entstehen auszligergewoumlhnlich stark reflektierende Effektpigmente die einen besonders intensiven Sparkle-Effekt aufweisen Man spricht hierbei auch von sogenanntem Living Sparkle welcher sich in einem scheinbaren bdquoTanzenldquo der leuchtenden Punkte in der Probenoberflaumlche bei Veraumlnderung der Beobachtungsgeometrie aumluszligert [7 8]

Generell gilt dass die Farbe von Objekten mit Effektlackierung nicht mehr wie jahrzehntelang uumlblich und ausreichend mit konventionellen Farb-messgeraumlten mit nur einer festen Messgeometrie wie z B in der 45deg 0deg Geometrie (Einstrahlung unter 45deg Reflexionsmessung unter 0deg) bestimmt werden kann Dieser Umstand wird sehr gut durch die Grafik in Bild 6 illustriert Dargestellt sind die winkelabhaumlngig gemessenen Farbkoordinaten von drei verschiedenen keramischen Farbstandards der Farben rot gruumln und blau sowie eines mit dem Effektpigment Viola Fantasy der Firma Merck lackierten Blechs Der Einfallswinkel des Lichts auf die Proben betrug hierbei immer 45deg zur Oberflauml-chennormalen Das von den Proben reflektierte Licht wurde an 26 Positionen in einem 5deg Raster in planaren die Oberflaumlchennormale enthalten-den Messgeometrien im Winkelbereich von ndash70deg bis +70deg aufgenommen Bei den aus absorptiven Pigmenten bestehenden Keramiken zeigt sich eine nur sehr geringe Winkelabhaumlngigkeit der Farbe welche groumlszligtenteils auf unterschiedlicher winkelabhaumlngiger Helligkeit d h den Glanzeigen-schaften der Oberflaumlche beruht Das Effektpigment dagegen zeigt einen extremen winkelabhaumlngigen Farb-Flop (Goniochromasie) welcher einen Farbverlauf von Gruumln uumlber Rot-Gelb hin ins Blau-Violett bietet

Aber auch die neuen Lackfarben aus der Gruppe der Effektlackierungen muumlssen messtechnisch

Bild 4 Merck-Xirallicreg-Solaris-Red-Effektpigmente appliziert auf einem mit Standard-Ab-sorptionspigmenten hellblau lackierten Metallblech In Rich-tung des Glanzwin-kels auf der rechten Seite zeigt sich der langsame Aufbau der winkelabhaumlngigen Interferenzfarbe

1

Bild 6 CIELab Farbkoordinaten einer winkelabhaumlngigen Reflexionsmessung an vier verschiedenen Proben drei Keramiken der Farben rot gruumln blau und eine Effektpigmentlackierung mit Merck Colorstreamreg Viola Fantasy Das untergelegte Farbschema zeigt naumlherungsweise die den Koordinaten entsprechende Farbe

2

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Effektpigmente hellipPTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4

Abbildungsoptik Messungen der ortsaufgeloumlsten Leuchtdichte auf einer Laumlngenskala bis hinab zu 28 microm auf der zu untersuchenden Probe siehe Bild 8

Mit der Zeilenkamera sind Messungen von kompletten Reflexionsspektren im sichtbaren Spektralbereich zwischen 380 nm und 780 nm dem sogenannten V(λ)-Bereich auf einer Zeit-skala von 2 Minuten moumlglich Hieraus lassen sich dann Farbkoordinaten der untersuchten Proben in den unterschiedlichsten Farbraumsystemen berechnen Eine absolute Messung in 114 Win-kelkombinationen (siehe Bild 9) im Polarwinkel-

erfasst und ruumlckgefuumlhrt werden um eine gleich-bleibende Qualitaumlt in der Produktion gewaumlhrleis-ten zu koumlnnen Gerade diese vielfaumlltigen zusaumltz-lichen Eigenschaften stellen die Farbmesstechnik vor neue Herausforderungen

Farbmessung

Bisherige kommerzielle Farbmessgeraumlte charakte-risieren Probenoberflaumlchen fast ausschlieszliglich in den eben schon erwaumlhnten sogenannten in-plane Reflexionsgeometrien Dabei liegen die Richtun-gen des eingestrahlten und des reflektierten Lichts sowie die Oberflaumlchennormale der Probe in einer Ebene Diese Einschraumlnkung entspricht jedoch in keiner Weise der taumlglichen Realitaumlt bei der Oberflaumlchen aus beliebigen Richtungen beleuchtet und betrachtet werden Seitens der Messgeraumlteher-steller und Anwender gibt es daher einen Trend zur erweiterten Charakterisierung bezuumlglich zusaumltzlicher Winkelkombinationen im dreidimen-sionalen Raum Spitzenreiter dieser Entwicklung am Markt ist derzeit ein tragbares Mehrwinkel-Spektralphotometer mit insgesamt 19 verschie-denen Reflexionsgeometrien [9] Hiermit scheint aber auch das Ende dieser Entwicklung im Bereich der portablen handgefuumlhrten Geraumlte erreicht Der Wunsch der Anwender geht aktuell wieder zuruumlck zu einer geringeren Anzahl von Winkelkombi-nationen denn es ist unklar wie man aus dem Mehr an winkelaufgeloumlsten Reflexionsdaten die fuumlr die Charakterisierung der Farbeigenschaften relevanten Informationen gewinnen kann Daher stellt sich die Frage welches sind bdquoguteldquo d h an die Messaufgabe adaptierte optimal geeignete Messgeometrien

Um diese Frage zu beantworten betreibt die AG 424 bdquoReflexion und Transmissionldquo der PTB zwei roboterbasierte Gonioreflektometer die eine winkelaufgeloumlste Reflexionsmessung in beliebi-gen bidirektionalen Geometrien ermoumlglichen [10ndash12] Diese beiden Apparaturen sind in Bild 7 dargestellt

Das Standard-Gonioreflektometer ist hierbei das nationale Normal fuumlr die Messgroumlszlige spektraler Strahldichtefaktor in gerichteten Geometrien Es dient der Realisierung Bewahrung und Weiter-gabe der gerichteten Reflexionsskale in Form von Kalibrierungen Die zweite Apparatur bezeich-net mit dem Acronym ARGon3 (3D Appearance Robot-based Gonioreflectometer) ist ein flexibles Forschungsgeraumlt mit dem experimentelle Unter-suchungen u a im Rahmen des EMRP-Projektes Multidimensional Reflectometry for Industry der EU [13] durchgefuumlhrt werden Im Ver gleich zum Standard-Gonioreflektometer ist dieses Geraumlt mit einer photometrischen Leuchtdichteka-mera und einer Zeilenkamera ausgeruumlstet Die Leuchtdichtekamera erlaubt mit einer speziellen

Bild 7 Die beiden roboter-basierten Gonio-reflektometer der PTB oben Standard-Gonioreflektometer fuumlr Kundenkalibrie-rungen unten ARGon3-Messplatz fuumlr Forschungsanwen-dungen

Bild 8 Visualisierung desSparkling-Effektesvon Xironareg-Volcanic-Sparks-Pigmenten als Falschfarben-darstellung der ortsaufgeloumlsten LeuchtdichteDie bdquoNadelnldquo zeigendie Position derPigmente an

Bild 9 Beispielgeometrien zur Messung der winkelabhaumlngigen Reflexionseigen-schaften Realisiert wurden 4 Einstrah-lungsrichtungen (rote Pfeile) mit jeweils 114 Reflexionswinkeln (schwarze Punkte) im Bereich der Viertel-kugel oberhalb der Probenoberflaumlche

44

PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4Das Jahr des Lichtes

bereich 0deg bis 70deg gleichmaumlszligig verteilt uumlber den Viertelraum oberhalb der Probe dauert hierbei ca 4 Stunden [14] Die so erhaltenen Daten bilden die Basis fuumlr kuumlnftige Verbesserungen in der Mess-technik fuumlr Anwender und Hersteller

Im Rahmen des EMRP-Projektes Multidimen-sional Reflectometry for Industry [13] sind damit die winkelabhaumlngigen Reflexionsspektren von insgesamt 66 verschiedenen Effektpigmentproben gemessen worden [15 16] Bei den vier verschie-denen Einstrahlungsrichtungen verbunden mit jeweils 114 Reflexionswinkeln im Bereich der Vier-telkugel oberhalb der Probenoberflaumlche ergeben sich somit uumlber 30000 Reflexionsspektren

Zielsetzung der Untersuchungen ist die Ver-besserung der Metrologie zur Materialcharak-terisierung mit reduzierter Messunsicherheit Dazu werden neue Messvorschriften und neue Standardmessartefakte entwickelt mit denen die Industrie die visuelle Wahrnehmung der von ihr produzierten Oberflaumlchen gezielt charakterisie-ren und kontrollieren kann Solche Messungen sollten einfach auszufuumlhren sein und die Ergeb-nisse muumlssen soweit wie moumlglich mit der visuellen menschlichen Wahrnehmung korrelieren Im europaumlischen und internationalen Rahmen sollen die Ergebnisse in die Normung einflieszligen um die allgemeine Vergleichbarkeit solcher Messungen zu gewaumlhrleisten

Literatur

[1] CS Henshilwood et al A 100000-Year-OldOchre-Processing Workshop at Blombos CaveSouth Africa Science Vol 334 No 6053 219ndash2222011

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[3] Colorimetry Understanding the CIE Systemed by J Schanda Wiley-Interscience NJ 2007

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[5] G Zaltman How Customers Think EssentialInsights into the Mind of the Market HarvardBusiness Review Press 2003

[6] DIN ISO 18451-12015-11 Pigmente Farbstof-fe und Fuumlllstoffe ndash Begriffe ndash Teil 1 AllgemeineBegriffe

[7] WR Cramer Ohne Glimmer aber mit GlanzFarbe amp Lack 042003 132ndash136 2003

[8] WR Cramer Es glitzert wie am SternenhimmelFahrzeug + Karosserie 0412 20ndash22 2012

[9] E Kirchner W Cramer Making sense of measure-ment geometries for multi-angle spectrophotome-ters Color Res Appl Vol 37 No3 186ndash198 2012

[10] D Huumlnerhoff U Grusemann A Houmlpe Newrobot-based gonioreflectometer for measuringspectral diffuse reflection Metrologia 43 S11ndashS162006

[11] A Houmlpe D Huumlnerhoff K-O Hauer Robot-basedgonioreflectometer Industrial Robotics Program-ming Simulation and Applications Low Kin-Huat Ed Pro Literatur-Verlag Mammendorf623ndash632 2007

[12] A Houmlpe T Atamas D Huumlnerhoff S TeichertK-O Hauer ARGon3 ndash bdquo3D Appearance Robot-based Gonioreflectometerrdquo at PTB Rev SciInstrum 83(4) 045102-1ndash045102-8 2012

[13] European Metrology Research Program ProjectIND52 bdquoxD-Reflectldquo Multidimensional Reflecto-metry for Industry wwwxdreflecteu(letzter Aufruf 03122015)

[14] T Atamas K-O Hauer A Houmlpe Appearancemeasurements of goniochromatic colours Predic-ting Perceptions Proceedings of the 3rd Internati-onal Conference on Appearance 149ndash154 2012

[15] A Houmlpe A Koo FM Verdu FB LeloupG Obein et al bdquoMultidimensional reflectometryfor industryrdquo (xD-Reflect) an European researchproject Proc SPIE 9018 Measuring Modelingand Reproducing Material AppearanceSPIE-ISampT Vol 9018 901804-1ndash901804-11 2014

[16] A Houmlpe K-O Hauer S Teichert D HuumlnerhoffC Strothkaumlmper Goniochromatic and Sparkleproperties of effect pigmented samples in mul-tidimensional configuration Proc SPIE 9398Measuring Modeling and Reproducing MaterialAppearance 2015 SPIE Proc Vol 9398 Appea-rance 93980O-1ndash7 2015

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Die 50 Sitzung des Internationalen Komitees fuumlr das gesetzliche Messwesen (CIML) fand vom 20 bis 22 Oktober 2015 in Arcachon Frankreich statt Im Vorfeld der CIML-Sitzung fand ein ein-taumlgiges OIML-Seminar uumlber Countries and Econo-mies with Emerging Metrology Systems (CEEMS) statt uumlber das weiter unten berichtet wird

Das CIML ist der Lenkungsausschuss der OIML Es trifft sich jaumlhrlich und besteht aus je einem Repraumlsentanten der Mitgliedstaaten der korrespondierenden Mitglieder und den Vertre-tern internationaler und regionaler Organisa-tionen die als Beobachter teilnehmen koumlnnen Das CIML ist zustaumlndig fuumlr die Vorbereitung und Durchfuumlhrung der Entscheidungen der Konfe-renz die alle vier Jahre stattfindet Es uumlberwacht die Arbeiten der Technischen Komitees und Unterkomitees und des Internationalen Buumlros fuumlr das gesetzliche Messwesen (BIML) in Paris

An der 50 CIML-Sitzung nahmen 144 Teilneh-mer aus 43 Mitgliedstaaten und 13 korrespondie-renden Mitgliedstaaten teil Zur deutschen Dele-gation gehoumlrten neben den o g Autoren auch die Herren Johann Fischer Direktor des Landesamts fuumlr Mess- und Eichwesen Berlin-Brandenburg sowie Prof Olaf Kuumlhn Direktor des Thuumlringer Landesamts fuumlr Verbraucherschutz als Vertreter der Bundeslaumlnder Dr Peter Ulbig Leiter der Abteilung Wissenschaftlich-technische Quer-schnittsaufgaben der PTB und Prof Manfred Kochsiek Vizepraumlsident a D der PTB ehema-liger CIML-Praumlsident und Ehrenmitglied der OIML Frau Dr Anna Cypionka persoumlnliche Referentin des Praumlsidenten der PTB nahm am OIML-Seminar fuumlr CEEMS teil Vertreten waren auch wieder internationale und regionale Orga-nisationen zu denen die OIML Verbindungen unterhaumllt wie das Internationale Buumlro fuumlr Maszlig und Gewicht (BIPM) die GSO-GCC Standardiza-tion Organization (Saudi-Arabien) die Internatio-nal Laboratory Accreditation Cooperation (ILAC) und der Europaumlische Verband der Waagenherstel-ler (CECIP)

Alle Beschluumlsse der 50 CIML-Sitzung koumlnnen auf den Internetseiten der OIML aufgerufen werden [1 2]

Die wichtigsten Entscheidungen und Entwick-lungen werden nachfolgend vorgestellt

1 Personalangelegenheiten

Der Vertrag von Willem Kool als Assistant Director wurde um vier Jahre der Vertrag des BIML-Direk-tors Stephen Patoray um drei Jahre verlaumlngert

2 Einfuumlhrung des PG Workspace im Internet

In seinem Bericht im Zusammenhang mit der Etablierung des neuen Webauftritts der OIML hob der CIML-Praumlsident Peter Mason (UK) die erfolgreiche Einfuumlhrung des Workspace fuumlr Pro-jektgruppen hervor Durch die Online-Arbeit wird erwartet dass die technische Arbeit an neuen bzw zu revidierenden OIML-Dokumenten vereinfacht und insgesamt effizienter wird

3 Revision der technische Richtlinien fuumlr die OIML (B 6 Directives for OIML tech-nical work)

In einem neuen Projekt sollen die in den vergan-genen Jahren revidierten OIML-Richtlinien fuumlr die technische Arbeit erneut uumlberarbeitet werden um u a den Prozess der Entwicklung und Uumlber-arbeitung von OIML-Publikationen noch weiter zu beschleunigen und den neuen internetbasierten Technologien und Arbeitsweisen Rechnung zu tragen

4 Umfassende strukturelle Uumlberarbeitung des OIML Certificate System

Das CIML verabschiedete die Gruumlndung einer Projektgruppe mit der Aufgabe einer substan-ziellen Uumlberarbeitung des OIML-Zertifizierungs-systems das z Zt aus dem Basiszertifizierungs-system und dem MAA3 besteht Urspruumlnglich ausgehend von der Annahme die Akzeptanz des MAA-Zertifizierungssystem muumlsse verstaumlrkt werden eine groumlszligere Verbreitung finden und mehr Messgeraumltearten abdecken erscheint es

Aktuelles aus der OIML (Internationale Organisation fuumlr das Gesetzliche Messwesen)Bericht uumlber die 50 Sitzung des CIML in Arcachon FrankreichSusanne Ludwig Roman Schwartz

INTERNATIONALE ZUSAMMENARBEIT

Susanne Ludwig OIMLshyGeschaumlftsstelle der PTB EshyMail susanneludwigptbde

Dir u Prof Dr Roman Schwartz Vizepraumlsident der PTB deutsches Mitglied im Internashytionalen Komitee fuumlr das Gesetzliche Messwesen (CIML) und CIMLshyVizepraumlsishydent EshyMail romanschwartzptbde

3 Mutual Acceptance Arrangement (Abshykommen zur gegenshyseitigen Anerkennung von Bauartpruumlfungen)

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PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4Internationale Zusammenarbeit

inzwischen sinnvoller und wurde so auch vom CIML beschlossen zum 112017 ein einziges OIML-Zertifizierungssystem einzufuumlhren Eine Projektgruppe (Certification System Project Group = CSPG) unter dem Vorsitz des CIML-Vizepraumlsi-denten Dr Roman Schwartz wurde damit beauf-tragt die notwendigen Dokumente und Prozedu-ren auszuarbeiten

5 OIML-Seminar fuumlr Countries and Economies with Emerging Metrology Systems (CEEMS)

Im Vorfeld der CIML-Sitzung wurde ein eintaumlgiges Seminar zum Thema Developing an OIML Package for Assistance to Countries with Emerging Metro-logy Systems (CEEMS) abgehalten In vier Sitzun-gen diskutierten 125 Teilnehmer aus 49 Laumlndern uumlber Moumlglichkeiten Laumlnder beim Aufbau von nationalen Metrologiesystemen zu unterstuumltzen In der ersten von Frau Dr Cypionka geleiteten Sitzung Capacity Building ging es um die allge-meinen Herausforderungen bei der Gestaltung von Programmen zur Foumlrderung von Handlungs-kompetenzen und Vermittlung von Wissen fuumlr die Metrologie In zwei weiteren Sitzungen wurden unter den Themen Helping CEEMS Improve Regulation in their Markets (Leitung Prof Dr Manfred Kochsiek) und New Ideas ndash Doing Legal Metrology Differently (Leitung Stuart Carstens

Suumldafrika) konkrete inhaltliche Loumlsungsvorschlaumlge vorgestellt und diskutiert Die Ergebnisse wurden in der 50 CIML-Sitzung vorgestellt und fanden ihren Niederschlag in der Resolution Nr 201510 [2] sie sollen auch noch auf den OIML-Webseiten veroumlffentlicht werden [1]

6 OIML-Publikationen

Folgende OIML-Publikationen wurden verabschiedet

R 139-3 Compressed gaseous fuels measuring systems for vehicles Part 3 Test report format

New Recommendation (R 145) Ophthalmic instru-ments mdash Impression and applanation tonometers

Alle OIML-Publikationen stehen im Internet frei zur Verfuumlgung [3]

Gleichzeitig wurde die Revision der folgenden OIML-Publikation beschlossen

Revision of R 79 Labeling requirements for prepackages

Folgende neue Projekte wurden verabschiedet

Revision des OIML-Dokuments B 6-1 Directives for OIML technical work

Bild 1 Teilnehmer der 50 Sitzung des Internationalen Komitees fuumlr Gesetz-liches Messwesen (CIML) in Arcachon Frankreich

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PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4 Aktuelles aus der OIML

TC 8SC 1 Revision R 71 Fixed storage tanks mdash General requirements

TC 8SC 1 Revision R 85 Automatic level gauges for measuring the level of liquid in stationary storage tanks

7 Personalien und Ehrungen

Die von Dr Seiler dem ehemaligen Leiter des Fachbereichs bdquoTechnische Zusammenarbeitldquo der PTB initiierte OIML-Auszeichnung fuumlr bdquoexzel-lente Beitraumlge von Entwicklungslaumlndern zum gesetzlichen Messwesenldquo ging in diesem Jahr an

bull Nam Hyuk Lim Director of Korea Testing Certi-fication und

bull The Metrology Department Saint Lucia Bureau of Standards

Die OIML-Medaille fuumlr besondere Verdienste um die OIML-Arbeit ging an Ngo Quy Viet Vietnam und Cartaxo Reis aus Portugal

8 Termine

Ein Gastgeberland fuumlr die 51 CIML-Sitzung und 15 OIML-Konferenz im Jahr 2016 konnte noch nicht bekannt gegeben werden es wird aber wahr-scheinlich wieder Frankreich sein Weitere OIML-Veranstaltungen und -Termine finden sich auf der OIML-Webseite unter [4]

9 Literatur

[1] httpswwwoimlorgen (letzter Aufruf 19112015)

[2] httpswwwoimlorgenstructurecimlpdf50-ciml-resolutions-englishpdf (letzter Aufruf 19112015)

[3] httpswwwoimlorgenpublicationsrecommen-dationspublication_viewp_type=1ampp_status=1

[4] (letzter Aufruf 19112015)[5] httpswwwoimlorgeneventscalendar

(letzter Aufruf 19112015)

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TECHNOLOGIETRANSFER

E27-Scanner fuumlr UlbrichtkugelnMit dem besonders einfach ohne Umbau einsetzbaren E27-Scanner koumlnnen Anwender und Hersteller die Homogenitaumlt ihrer Ulbricht-kugeln bestimmen und die Ergebnisse zur Berechnung genauerer Lichtstroumlme und zur Dokumentation der Qualitaumlt ihrer Messungen nutzen

Hintergrund

Wie viel Licht eine Lampe insgesamt in alle Richtungen abstrahlt wird durch ihren Lichtstrom ausgedruumlckt Um den fuumlr die Bestimmung der Energieeffizienz von Lampen notwendigen Lichtstrom schnell zu er mitteln setzt die Lampenindustrie Ulbrichtkugeln ein An einer Stange in der Mitte der Ulbrichtkugel befindet sich eine E27-Lampen-fassung in die nacheinander die Lichtstrom-Normallampe und die zu kalibrierende Lampe eingeschraubt werden Das indirekt auf den Mess-kopf fallende Licht erzeugt einen Photostrom der im Idealfall propor-tional zu dem von der Lampe abgestrahlten Lichtstrom ist unabhaumlngig von der Richtung in die das Licht abgestrahlt wird

Dies ist jedoch bei einer ungleichmaumlszligigen Beschichtung der Kugel sowie bei einer im Laufe der Zeit nicht zu verhindernden Verstaubung nicht der Fall Deshalb wird mit einem Kugelscanner die Homogenitaumlt der Kugel regelmaumlszligig vermessen und ein Korrekturfaktor bestimmt der von der jeweiligen Abstrahlcharakteristik der zu untersuchenden Lampe abhaumlngt

Technische Beschreibung

Der Kugelscanner wird einfach in eine E27-Fassung geschraubt und das sonst fuumlr die Lampenversorgung eingesetzte Netzgeraumlt wird durch die Steuereinheit ersetzt Diese uumlbernimmt sowohl die elektrische Versor-gung als auch die Befehlsuumlbermittlung zum Kugelscanner Die Steuer-einheit wird via USB oder RS232 an einen Computer angeschlossen Das mitgelieferte Messprogramm stellt automatisiert alle gewuumlnschten Richtungen ein und speichert die zugehoumlrigen von der Steuereinheit gemessenen Photostroumlme des Photometers

Wirtschaftliche Bedeutungw

Fuumlr Lampenindustrie und Hersteller von Ulbrichtkugeln

bull Genauere Messung des Lichtstroms

bull Bestimmung des Zeitpunkts einer Neubeschichtung

bull Uumlberwachung beim Beschichten

bull Dokumentation des Zustands der Ulbrichtkugel

EntwicklungsstandDer E27-Kugelscanner wurde in der PTB entwickelt Er wird laufend fuumlr Kalibrierungen eingesetzt Die Technologie wurde an die Firma Czibula amp Grundmann transferiert und wird dort mit einer PTB-Lizenz gebaut und vertrieben wwwphoto-metercom

Ansprechpartner

Dr Bernhard SmandekBeauftragter fuumlr TechnologietransferTelefon +49 531 592shy8303Telefax +49 531 592shy69shy8303EshyMail technologietransferptbde

Dr Stefan WinterFachbereich Photometrie und Radiometrie

Abbildung des E27shyKugelscanners Eine stark fokussierende Lampe die computergesteuert in alle Richtungen leuchten kann

Vorteile

bull Schneller Einbau in E27shyFassung

bull Computergesteuertes Abscannen der gesamten Ulbrichtkugel

bull Flexible Messmoumlglichkeiten

bull Fuumlr genauere Lichtstromshymessungen

bull Wichtig fuumlr die Qualitaumltsshysicherung

PTBshyNummer 0172

wwwtechnologietransferptbde

49

PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4 Technologieangebote

Ansprechpartner

Dr Bernhard SmandekBeauftragter fuumlr TechnologietransferTelefon +49 531 592shy8303Telefax +49 531 592shy69shy8303EshyMail technologietransferptbde

Dr Stefan WinterArbeitsgruppe Solarzellen

PulsshyzushyCWshyKonverter

Umwandlung gepulster Laser-Strahlung in konstante StrahlungIn weiten Bereichen der optischen Metrologie ist eine Strahlungs-quelle von groszligem Nutzen die sich spektral vom UV-C bis ins mitt-lere IR durchstimmen laumlsst Lediglich Laser mit gepulster Strahlung erfuumlllen diese Anforderung bei ausreichend groszligem Ausgangssignal bisher luumlckenlos Femtosekunden-Lasersysteme waumlren aufgrund ihrer gut automatisierbaren und spektral weiten Durchstimmbarkeit die ideale Strahlungsquelle fuumlr z B radiometrische Anwendungen ndash wenn ihre Strahlung nicht gepulst waumlre

Durch das extreme Puls-Pausen-Verhaumlltnis von 10ndash5 entstehen hohe Spitzenleistungen die wiederum zu Saumlttigungseffekten bei Detek-toren und in der Folge zu nichtlinearem Verhalten fuumlhren koumlnnen Mit dem in der PTB entwickelten Puls-zu-CW-Konverter wird dieses Problem geloumlst

Technische Beschreibung

Bei dieser Methode werden Pulse gepulster Strahlungsquellen ausrei-chend hoher Repetitionsrate in CW-Strahlung umgewandelt Dabei wird jeder Puls in viele kleine Teilpulse aufgeteilt die auf unterschiedlich langen Wegstrecken unterschiedliche Laufzeiten erfahren Am Ausgang des Systems erscheinen sie dann zeitlich gleichmaumlszligig verteilt Realisiert wird dieser Puls-zu-CW-Konverter uumlber ein Glasfaserbuumlndel bei dem jede Einzelglasfaser eine individuell festgelegte Laumlnge besitzt

Mit der Entwicklung des Puls-zu-CW-Konverters wurde das ent-scheidende Manko beim Einsatz leistungsstarker Femtosekunden(fs)-Lasersysteme im Bereich der Metrologie beseitigt und erstmalig gepulste Laserstrahlung in CW-Strahlung umgewandelt Diese Neuentwicklung ermoumlglicht es nun herkoumlmmliche Monochromatorsysteme durch fs-Lasersysteme zu ersetzen die eine bis zu 1000-mal houmlhere spektrale Ausgangsleistung besitzen

Wirtschaftliche Bedeutung

Durch den neuen Puls-zu-CW-Converter koumlnnen in wirtschaftlich bedeutenden Bereichen wie z B der Photovoltaik der Photometrie der UV-Strahlungsmesstechnik und der Reflektometrie die Referenz- und Transfernormale mit einer deutlich reduzierten Messunsicherheit kali-briert werden Hier werden bislang wesentliche Messunsicherheitsan-teile durch zu geringe Strahlungsleistungen aus herkoumlmmlichen Mono-chromatorsystemen verursacht

Entwicklungsstand

Unter DE 10 2010 011 615 B4 wurde fuumlr den CW-Konverter ein Patent erteilt

Vorteile

bull Zeitliche Glaumlttung gepulster Laserstrahlung

bull Keine stoumlrenden Interferenzen

bull Nur minimale Absorption des Messsignals

bull Auch bei kuumlrzeren Wellenshylaumlngen ohne Ulbrichtkugel verwendbar

bull Kontinuierliche Verteilung des Ausgangspulses

bull Pulsvervielfachung

bull Houmlhere Strahlungsleistung

PTBshyNummer 0254

wwwtechnologietransferptbde

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PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4Technologieangebote

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Homogenisierung von Strahlungsquellen und Focal Plane Arrays (FPA)Ein neuartiges Verfahren ermoumlglicht softwaregestuumltzt eine deutlich verbesserte Kalibrierung von Mehrelement-Sensoren (FPA) und bildgebenden Systemen (Kameras) Bei flaumlchigen Strahlungsquellen kann zusaumltzlich eine gezielte Ansteuerung von Flaumlchenelementen zu einer bisher im Allgemeinen nicht erreichbaren Flaumlchenhomogenitaumlt fuumlhren

Technische Beschreibung

Flaumlchenstrahler dienen der Kalibrierung von ortsaufloumlsenden Strah-lungssensoren wobei davon ausgegangen wird dass die Emissionsflaumlche des Strahlers im Wesentlichen homogen bezuumlglich ihrer Strahldichte bzw Strahlungstemperatur ist Um kleine Inhomogenitaumlten eines Flaumlchenstrahlers zu charakterisieren ist es ein gaumlngiges Verfahren die Emissionsflaumlche punktweise mit einem Einzeldetektor abzutasten

Das neue PTB-Verfahren ist wesentlich schneller da es den Mehr-element-Sensor (FPA) das device-under-test selbst nutzt und damit immer ein Gesamtbild der Quelle aufnimmt Werden jetzt weitere Bilder zeilen- oder spaltenversetzt aufgenommen so erlaubt ein mathema-tischer Algorithmus bei nur drei Bildern eine komplette Charakterisie-rung des Sensors aber auch der Quelle

Sind Flaumlchenelemente der Strahlungsquelle einzeln ansteuerbar so ist es sogar moumlglich mittels der ermittelten Korrekturwerte zu Strahlquellen extrem hoher Homogenitaumlt im on-line-Betrieb zu gelangen

Wirtschaftliche Bedeutung

Bildgebende Strahlungssensoren und homogene Strahlungsquellen sind relevant fuumlr die Forschung und Entwicklung fuumlr die Prozesstechnik fuumlr die Charakterisierung der Energieeffizienz von Bauten bei der Ent-wicklung neuer Bauteile mit hoher thermischer Belastung und in vielen weiteren Bereichen Der mathematische Algorithmus ist aber auf unter-schiedliche Arten von Kamerasystemen anwendbar und damit auch fuumlr die Qualitaumltssicherung von CCD-Kameras bis hin zum Konsumguuml-termarkt anwendbar EntwicklungsstandEine deutsche Patenterteilung erfolgte im September 2015 Eine PCT-Anmeldung ist anhaumlngig Kooperations- und Lizenzpartner aus den Bereichen Thermografie Radiometrie und Photometrie zur Umsetzung des Konzeptes werden gesucht

Ansprechpartner

Dr Bernhard SmandekBeauftragter fuumlr TechnologietransferTelefon +49 531 592shy8303Telefax +49 531 592shy69shy8303EshyMail technologietransferptbde

DiplshyIng Berndt GutschwagerArbeitsgruppeInfrarotshyStrahlungsthermometrie

Stahlungsmessplatz der PTB zur Kalibrierung von Temperaturstrahlern und Waumlrmebildkashymeras

Vorteile

bull Schnelle Kalibrierung von Flaumlchensensoren (FPA)

bull Schnelle Kalibrierung von Flaumlchenstrahlern

bull Strahlquellen houmlchster Hoshymogenitaumlt

bull Fuumlr Thermografie und Phoshytometrie

PTBshyNummer 00374

wwwtechnologietransferptbde

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Die fachlichen Aufsaumltze aus dieser Ausgabe der PTB-Mitteilungen sind auch online verfuumlgbar unterdoi 10779531020150499

Die Physikalisch-Technische Bundesanstalt das nationale Metrologieinstitut ist eine wissenschaftlich-technische Bundesoberbehoumlrde im Geschaumlftsbereich des Bundesministeriums fuumlr Wirtschaft und Energie

mitteilungen

Impressum

Die PTB-Mitteilungen sind metrologisches Fachjournal der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt Braunschweig und Berlin Als Fachjournal veroumlffentlichen die PTB- Mitteilungen wissenschaftliche Fachaufsaumltze zu metrologischen Themen aus den Arbeitsgebieten der PTB Die PTB-Mitteilungen stehen in einer langen Tradition die bis zu den Anfaumlngen der Physikalisch-Technischen Reichsanstalt (gegruumlndet 1887) zuruumlckreicht

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Physikalisch-Technische BundesanstaltBraunschweig und BerlinNationales Metrologieinstitut

Die Physikalisch-Technische Bundesanstalt das nationale Metrologieinstitut ist eine wissenschaftlich-technische Bundesoberbehoumlrde im Geschaumlftsbereich des Bundesministeriums fuumlr Wirtschaft und Energie

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PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4 Kurze Geschichte der Goniophotometrie in der PTB

(0 lt φ lt 2π) Der Wert des Lichtstroms Φ der Lampe kann aus der Beleuchtungsstaumlrkeverteilung E(ϑ φ) berechnet werden entweder aus der Licht-staumlrkedefinition I = dΦdω oder aus der Defini-tion der Beleuchtungsstaumlrke E = dΦdΑ

Φ = ( )int I ϑ ϕ ω4πsr

d (1)

Φ = ( )int E Ar

ϑ ϕ4 2π

d (2)

Das Raumwinkelelement dω der Gleichung (1) ist gegeben durch

d sin d dω ϑ ϑ ϕ= ( ) (3)

und das Flaumlchenelement dA der Gleichung (2) erhaumllt man aus

d sin d dA r= ( ) ( )2 ϑ ϕ ϑ ϑ ϕ

(4)

Der Radius r des Radiusvektors r(ϑ φ) kann als Konstante behandelt werden da er sich gewoumlhn-lich waumlhrend einer goniophotometrischen Messung nicht aumlndert Dann kann die Lichtstaumlrke-verteilung I(ϑ φ) durch Anwendung des photome-trischen Grundgesetzes aus der Beleuchtungsstaumlr-keverteilung E(ϑ φ) bestimmt werden

I r Eϑ ϕ ϑ ϕ ( ) = ( )2 (5)

Falls die photometrisch wirksame Ausdehnung rL der zu messenden Lampe deutlich kleiner ist als der Messradius r des Goniophotometers ist kann Gleichung (1) mit Gleichung (3) und r = const wie folgt geschrieben werden

Φ = ( ) ( )intintr E2

00

2

d sin dϕ ϑ φ ϑ ϑππ

(6)

Andererseits fuumlhrt Gleichung (2) mit Glei-chung (4) und r = const ebenfalls auf Gleichung (6) Aber fuumlr groszlige Lampen koumlnnte die Anwen-dung von Gleichung (5) zu fehlerhaften Ergeb-nissen fuumlhren (rL gt r) aber der ermittelte Wert des Lichtstroms entsprechend Gleichung (6) waumlre korrekt falls das Photometer das einfallende Licht mit dem Kosinus des Einfallswinkels bewertet

2 Geschichte der Goniophotometer- Systeme in der PTB

Wie bereits teilweise in Abschnitt 1 diskutiert sollte ein ideales Goniophotometer eine Reihe von Anforderungen erfuumlllen wie die folgende Auflis-tung zeigt

1 Kalibrierung der Photometer mittels Licht-staumlrke-Normallampen zur Sicherung der Ruumlckfuumlhrung auf die nationale Realisierung der Einheit Candela

2 Ausfuumlhrung einer Relativbewegung zwischen Lampe und Photometer wobei sich ϑ-Achse und φ-Achse rechtwinklig schneiden

3 Verwendung eines V(λ)-angepassten Photo-meters zur Lichtstrommessung

4 Automatische Messdatenanalyse5 Unabhaumlngige Bestimmung des Lichtstromwer-

tes von der raumlumlichenspektralen Verteilung der gemessenen Bestrahlungsstaumlrke Ee(λ ϑ φ) des Lichts

6 Unabhaumlngigkeit der Empfindlichkeit des Pho-tometers von der Umgebungstemperatur bzw Durchfuumlhrung einer entsprechenden Korrektur

7 Beliebige Betriebslage der zu untersuchenden Lampe

8 Einstellbare Umgebungsbedingungen fuumlr Luft-temperatur und Luftfeuchte

9 Geringer Streulichtanteil im Messraum bzw Streulicht-Korrektur

10 Elektrische Antriebe fuumlr die Bewegung der ϑ- und φ-Achsen

11 Verwendung von Farbmesskoumlpfen zur Bestim-mung der raumlumlich wirksamen aumlhnlichsten Farbtemperatur undoder Bestimmung der relativen raumlumlichen spektralen Verteilung der gemessenen Bestrahlungsstaumlrke

12 Messung ohne Bewegung der zu untersuchen-den Lampe

13 Vollstaumlndige Abtastung der Beleuchtungs-staumlrke- bzw Lichtstaumlrkeverteilung der zu untersuchenden Lampe

14 Staumlndige Uumlberwachung des photometrischen Betriebsverhaltens der Lampe um Alterung waumlhrend der Messzeit erkennen bzw korrigie-ren zu koumlnnen (sogenanntes Monitorsystem)

15 Messraumwaumlnde sollen etwa auf Lufttem-peratur sein um den Strahlungsaustausch zwischen Entladungslampen und Waumlnden des Messraums zu stabilisieren

16 Online-Streulichtkorrektur ndash insbesondere fuumlr ausgedehnte Lampen wie Leuchtstofflampen da diese den Einsatz eines Streulichttubus mit groumlszligerem Gesichtsfeld erfordern

17 Die Beleuchtungseinrichtung des Gonio-photometerraums soll zur Messzeit abgedeckt und ausgeschaltet sein um den Streulichtan-teil nicht zu erhoumlhen

18 Variation des Messradius r (Validierung von Nahfeld-Fernfeld-Messungen mit abbilden-den Systemen)

In der Goniophotometrie sind verschiedene Koor-dinatensysteme wie Bild 1a zeigt zu unterscheiden Dies sind regelmaumlszligig das Lampenkoordinatensys-tem Lamp das Raumkoordinatensystem Room und

20

PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4Das Jahr des Lichtes

das Goniophotometerkoordinatensystem bezogen auf dessen Zentrum Center Bild 1a zeigt moumlgliche Offsets zwischen diesen Systemen in Translation und Rotation

Um folgende Betrachtungen und Erklaumlrungen zu vereinfachen werden die genannten Koordina-tensysteme als deckungsgleich angenommen das heiszligt es werden keine Offsets in Translation und Rotationen zwischen den Koordinatensysteme vorausgesetzt

Im Weiteren werden die Eigenschaften Vor- und Nachteile der uumlber Dekaden in der PTB entwi-ckelten und genutzten Goniophotometer unter Beruumlcksichtigung der gewuumlnschten vorstehend gelisteten Eigenschaften diskutiert Es beginnt mit einem einfachen Einarm-Goniophotometer aus den 50er-Jahren des vergangenen Jahrhunderts und endet zumindest vorlaumlufig mit dem State-of-the-art-Roboter-Goniophotometer das 2007 in Betrieb ging

21 Einarm-Goniophotometer (1950ndash1975)

In der Zeit von 1950 bis 1975 wurde ein manuell betriebenes Einarm-Goniophotometer nach Bild 2 benutzt In den 50er-Jahren war diese Messappara-tur noch mit einem visuellen Photometer ausge-stattet Dieses Photometer erlaubte die relative Messung von Beleuchtungsstaumlrken mittels einer im Photometer installierten Hilfslampe in Verbindung mit einem optischen Abschwaumlcher [2 Seite 321] Die Ruumlckfuumlhrung auf die nationale Lichtstaumlrke-Einheit die Candela war durch Kalibrierung des visuellen Photometers mit Lichtstaumlrke-Normal-lampen sichergestellt (dies erfuumlllt Anforderung 1 der Anforderungsliste) entsprechend basieren auch Abstandsmessungen auf der nationalen Laumln-geneinheit dem Meter

Wegen der Lageabhaumlngigkeit der internen Hilfs-lampe im Innern des visuellen Photometer war es an einer festen Stelle der Messapparatur ange-bracht wie Bild 2 zeigt Ein Spiegel-Prismen-Sys-tem leitete das Licht der zu untersuchenden Lampe auf das Photometer Eine detaillierte Beschreibung aumlhnlicher Systeme kann [2 Seite 319] entnommen werden Damit ist Anforderung 2 ebenfalls erfuumlllt

Die vollstaumlndige Bestimmung des Lichtstroms Φ erfordert eine groumlszligere Anzahl Messungen von Beleuchtungsstaumlrken fuumlr ebenso viele manuell eingestellte unterschiedliche Kugelkoordina-ten (ϑ φ) Wird die fiktive Kugel gemaumlszlig Bild 1 in ϑ-Richtung in parallele Zonen eingeteilt und jede dieser Zonen i ist wiederum in n Sektoren j gleicher Laumlnge (Δφ = const) mit den zugehoumlrigen Beleuchtungsstaumlrken Eij unterteilt ist es moumlglich die mittlere Beleuchtungsstaumlrke Endashi jeder Zone i nach Gleichung 7 zu bestimmen

E Ei n i jj

n

==sum1

1 (7)

und der Wert des Lichtstroms Φ ergibt sich weiter aus der numerischen Integration nach Gleichung (8)

Φ = ( )minus ( )( )+

=sum2 2

10

1

πr cos cosϑ ϑi ii

m

iE-

(8)

Die Anzahl der notwendigen Beleuchtungsstaumlr-kemessungen haumlngt von der raumlumlichen Lichtver-teilung der zu untersuchenden Lampe ab Wegen der manuellen Einstellung des groszligen Arms (ϑ) der Drehung der Lampe (φ) und des gleichfalls noumltigen manuellen Abgleichs des visuellen Pho-tometers ist diese Methode sehr zeitaufwendig Sollen beispielsweise 600 Punkte gemessen werden (aus heutiger Sicht also nicht besonders viele) und man benoumltigt ca 25 Sekunden pro Messung werden also mehr als 4 Stunden benoumltigt um eine

Bild 1a Koordinatensysteme

Bild 2 Einarm-Go-niophotometer 1950ndash1975

21

PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4 Kurze Geschichte der Goniophotometrie in der PTB

Lampe mit relativ homogener raumlumlichen Licht-verteilung zu messen

In 1963 wurde ein internationaler Lichtstrom-vergleich auf der Basis von Entladungslampen ohne Fluoreszenzstoff durchgefuumlhrt Diese Lampen wiesen eine massive Inhomogenitaumlt ihrer raumlumlichen Lichtverteilung auf sodass die beschriebene manuelle Methode wegen der noumltigen hohen Anzahl von Messpunkten nicht praktikabel war Zur Loumlsung dieses Problems in [3] beschrieben wurde das visuelle Photometer durch einen grob an V(λ)-angepassten Photover-vielfacher ersetzt zusaumltzlich wurde die φ-Achse mit einem elektrischen Antrieb versehen und ein Praumlzisionskondensator ermoumlglichte die analoge Integration des Photostroms des Photovervielfa-chers Damit konnte fuumlr jede der erforderlichen ϑ-Einstellungen des groszligen Arms der elektri-sche Antrieb der φ-Achse diese mit konstanter Winkelgeschwindigkeit rotieren lassen waumlhrend der Praumlzisionskondensator den Photostrom des Photovervielfachers integrierte Nach etwa t = 5 min fuumlr eine Umdrehung repraumlsentierte die Ladung Q = C middot U des Praumlzisionskondensators die mittlere Beleuchtungsstaumlrke

E k C Uti = sdot (9)

dieser gemessenen Zone i Daraus berechnet sich der Lichtstrom wiederum gemaumlszlig Gleichung (8) Es ist nicht noumltig das Produkt k ∙ C exakt zu kennen da dies uumlber das Kalibrierverfahren durch die bekannte Beleuchtungsstaumlrke einer Lichtstaumlrke-Normallampe eliminiert werden kann es muss lediglich uumlber die gesamte Messzeit hinweg kons-tant sein

Spaumlter in den 1960er-Jahren wurde auch das visuelle Photometer durch ein modernes V(λ)-angepasstes Photometer basierend auf gefilterten Silizium-Photodioden in Kombination mit einen PhotostromSpannungswandler und einem xy-Plotter ersetzt Man erhielt so die Beleuchtungs-staumlrkeverteilung jeder Zone die sich dann leicht mit grafischen oder numerischen Verfahren inte-grieren lieszlig Es wird spaumlter gezeigt werden dass diese verwendete bdquoanaloge Zonenintegrationldquo sehr aumlhnlich der heutigen digitalen zonalen Bewertung ist

Diese letzten 2 Verbesserungen erfuumlllen die Anforderung 3 und teilweise auch die Anforde-rung 4

22 Kardan-Goniophotometer (1976ndash2007)

Das existierende Einarm-Goniophotometer war immer auf eine bdquohelfende Handldquo angewiesen um es von Punkt zu Punkt zu bewegen Die anschlie-szligende Berechnung des Lichtstroms wurde grund-saumltzlich ebenfalls haumlndisch ausgefuumlhrt Dieses Ver-

fahren war dementsprechend sehr zeitaufwendig und der zunehmende Wunsch der Industrie auch groszlige Objekte wie z B lange Leuchtstofflampen aber spaumlter auch sehr kleine Mikrolampen und erste LEDs zu kalibrieren fuumlhrte zur Entwicklung sogenannter Kardan-Goniophotometer ver schie-dener Ausfuumlhrungen

221 Groszliges Kardan-Goniophotometer

Nach der intensiven Umgestaltung einiger Raumlume im Koumlsters-Bau der PTB war es moumlglich im neuen Goniophotometerraum (7 x 10 x 8 m3) das Kar-dan-Goniophotometer [4] zu installieren Bild 3 zeigt das groszlige Kardan-Goniophotometer Am Bildoberrand ist eine zu kalibrierende stabfoumlrmige Leuchtstofflampe zu sehen

Dieser Raum war zusaumltzlich auch mit einer geregelten elektrischen Heizung ausgestattet um die geforderten Messbedingungen bezuumlglich Umgebungstemperatur einstellen zu koumlnnen Im Prinzip besteht ein Kardan-Goniophotometer wie in Bild 4 gezeigt aus 3 Rahmen wobei der aumluszligere α-Rahmen der raumlumlichen Ausrichtung (durch Drehung um die y-Achse) der zu untersu-chenden Lampe dient Innerhalb dieses aumluszligeren α-Rahmens ist der mittlere φ-Rahmen endlos drehbar um die z-Achse gelagert Der innere ϑ-Rahmen ist wiederrum drehbar im φ-Rahmen gelagert jedoch ist seine Bewegung auf knapp 180deg durch den noumltigen Lampenhalter begrenzt Alle 3 Rahmen sind mechanisch ausgeglichen und mit elektrischen Antrieben versehen Ihre Rotationsgeschwindigkeiten waren per 10-Gang-Praumlzisionspotentiometer einstellbar eine Folge der angewandten analogen Regelung der Achsan-triebe Die Winkelbestimmung der Achsen erfolgte mittels 13-bit-Winkelencodern Das Photometer war am ϑ-Rahmen (Bild 4) platziert und ermoumlg-lichte so einen festen Messradius von 2500 mm Es bestand die Moumlglichkeit ein zweites Photometer

Bild 3 Kardan-Goniophotometer 1976ndash2007

22

PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4Das Jahr des Lichtes

oder einen Farbmesskopf auf der gegenuumlberliegen-den Seite des ϑ-Rahmens einzusetzen

In diesem Fall war der Arbeitsbereich limitiert im Bereich 4deg lt ϑ lt 176deg da jeweils Lampenhalter von rechts und links zur Aufnahme einer beispiels-weise stabfoumlrmigen Leuchtstofflampe eingesetzt werden konnten (siehe auch Bild 3) Im Falle von einseitig gesockelten Lampen wurde meist nur ein PhotometerFarbmesskopf verwendet was eine Drehung der gegenuumlberliegenden Messkopf-aufnahme um 90deg ermoumlglichte Diese sogenannte bdquoKroumlpfungldquo lieszlig dann Raum fuumlr den nun einseiti-gen Lampenhalter und der Arbeitsbereich vergrouml-szligerte sich zu 0deg lt ϑ lt 176deg

Entsprechend der Gleichung (6) muss die gemessene Beleuchtungsstaumlrkeverteilung uumlber den vollen Raumwinkel 4π sr zum Wert des Licht-stroms integriert werden So ist es naheliegend digitale uumlber die Zeit integrierende Methoden zur Erfassung und Speicherung der gemessenen Beleuchtungsstaumlrkewerte zu verwenden Bild 5 zeigt den Signalfluss Sowohl Photometer- undoder Farbmesskopf als auch Photostrom-Fre-

quenz-Wandler waren temperaturstabilisiertDer Photostrom des Photometers mit seiner

photometrischen Empfindlichkeit s normalisiert auf die CIE-Lichtart A wird mittels Ruumlckkopp-lung Rg eines Photostromverstaumlrkers in eine Spannung U gewandelt und weiter durch einen Spannungs-Frequenzwandler in eine Frequenz f mit dem zugehoumlrigen Wandlungsfaktor wf kon-vertiert Diese Frequenz wird letztlich von einem digitalen Zaumlhler kontinuierlich gezaumlhlt Simultan wird die Quarz-Frequenz fq durch einen zweiten digitalen Zaumlhler erfasst um waumlhrend der spaumlteren Datenanalyse die urspruumlnglichen Photostroumlme berechnen zu koumlnnen Diese Methode stellt damit die schon erwaumlhnte Signal-Zeit-Integration sicher

Die die zu untersuchende Lampe umgebene fiktive Kugel ist wie Bild 5 zeigt in Zonen und Sektoren unterteilt Infolge der analogen Geschwindigkeitsregelung der zwei bewegten Rahmen sind positive und negative Beschleu-nigungsphasen am Anfang und am Ende einer vollstaumlndigen Abtastung und Lastreaktionen des rotierenden Systems und die damit verbundenen geringen Gleichlaufschwankungen unvermeid-bar Die Unterteilung jeder Zone in Sektoren mit der Laumlnge Δφj als Gewichtung reduziert jedoch diesen Einfluss Damit berechnet sich die mittlere Beleuchtungsstaumlrke Endashi nach Gleichung (10)

Es w R

fyt

fjj

ni j

i j=

sdot sdot sdot( )sdot sdot minus

=sum1

2 10

πϕ

f gq∆∆

∆

(10)

mit der Dunkelfrequenz f0 (Photometer abgeschat-tet) und den Differenzsignal-Zaumlhlungen Δyi j und den Differenzzeit-Zaumlhlungen Δti j jeweils vom Sek-toranfang bis zum Sektorende Wiederum koumlnnte der Lichtstrom nach Gleichung (8) bestimmt werden jedoch werden jetzt noch Korrekturfakto-ren fuumlr das Streulicht cstr der spektralen Fehlanpas-sung des Photometers cspec und Abweichungen von den nominalen elektrischen Betriebsbedingungen celec eingefuumlhrt wie nun Gleichung (11) zeigt

Φ = sdot sdot sdot sdot minus( ) sdot+=

minus

sumc c c r Ei ii

m

istr spec elec cos cos2 21

0

1

π ϑ ϑ

(11)

Im Verlauf einer Lichtstrommessung werden neben dem Photometer auch die Waumlnde des Messraums von der zu untersuchenden Lampe beleuchtet Diese Beleuchtung wird ebenfalls vom im Goniophotometer verwendeten Photometer bdquogesehenldquo und fuumlhrt zu einer Streubeleuchtung auf dem Lichteintrittsfenster dieses Photome-ters Diese Streubeleuchtung haumlngt einerseits vom Reflexionsgrad der verwendeten Wandfarbe (ρ asymp 3 ) und vom Gesichtsfeld des sich vor dem

Bild 4 Groszliges Kardan-Goniophotometer 1976ndash2007

Bild 5 Signalfluss

23

PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4 Kurze Geschichte der Goniophotometrie in der PTB

Photometer befindlichen Streulichtreduzierungs-tubus ab Daher muss fuumlr jeden eingesetzten Tubus mit seinem individuellen Gesichtsfeld der wirksame spezifische Streulichtkorrekturfaktor cstr bestimmt werden Diese koumlnnen ermittelt werden indem Blenden mit unterschiedlichen Durchmes-sern zwischen der zu untersuchenden Lampe und dem Photometer waumlhrend normalen Lichtstrom-messungen positioniert werden Eine detaillierte Beschreibung kann [5] entnommen werden

Die technische Realisierung eines Photometers ist immer nur eine Naumlherung fuumlr V(λ) Dies bedeu-tet dass im Prinzip in allen Faumlllen diese spektrale Fehlanpassung korrigiert werden muss Allgemein kann der spektrale Korrekturfaktor cstr fuumlr alle Lampen mit beliebiger Strahlungsfunktion S(λ) nach Gleichung (12) bestimmt werden

cV S

s S

V P T

s Pspek

rel

A

rel

d

d

d=

( )sdot ( )( ) sdot ( )

( ) sdot ( )( ) sdot

intint

intint

λ λ λ

λ λ λ

λ λ λ

λ

λλ λTA d( )

(12)

Hierzu ist jedoch die Kenntnis der relativen spektralen Empfindlichkeit srel(λ) des Photome-ters notwendig P(λ TA) bezeichnet dabei einen Planckstrahler mit einer Verteilungstemperatur von TA = 2856 K

Im Fall von Gluumlhlampen ist ein etwas einfache-rer Weg fuumlr diese Korrektur ohne die Kenntnis von srel(λ) moumlglich Gleichung (13) beschreibt die Abhaumlngigkeit der Beleuchtungsstaumlrke E(T) von der Verteilungstemperatur T

E Ty T

sTT

m

( ) = ( )

A

y

(13)

eines gemessenen Photostroms y(T) und der pho-tometrischen Empfindlichkeit s des Photometers fuumlr Lichtart A Eine charakteristische Eigenschaft des Photometers ist der Exponent my bdquoyldquo indiziert den Exponent fuumlr ein V(λ)- angepasstes Photome-ter oder den y-Kanal eines Dreibereichsfarbmess-kopfes wobei die anderen Kanaumlle unterschiedliche Werte fuumlr diese Exponenten haben Ein ideales Photometer wuumlrde einen Wert von 0 fuumlr diese Exponenten aufweisen Beispielsweise beschreibt my = 0018 ein qualitativ durchaus gutes Photo-meter Der Exponent my (und auch mx und mz) koumlnnen aus einem Fit bekannter Paare (E(T) T) einer Lichtstaumlrke-Normallampe bei verschiedenen Arbeitspunkten wie in [6 7] beschrieben gefun-den werden Damit kann der Korrekturfaktor cspec fuumlr Gluumlhlampen wie folgt geschrieben werden

c TT

my

specA

=

(14)

Werden Gluumlhlampen in der Naumlhe von CIE-Licht-art A betrieben ist die Korrektur auf elektrische Nominalbedingungen celec ebenfalls nach Glei-chung (15) sehr einfach da der Lichtstrom eine Funktion des Betriebsstroms J ist

c JJ

m

elec

J

=

minus

0 (15)

Hier ist J0 der Nominalstrom und mJ cong 684 Mehr Information kann in [7] gefunden werden

Die Datenanalyse fuumlr einen Dreibereichsfarb-messkopf erfolgt in gleicher Weise und man erhaumllt die Normfarbwertanteile (x y) aus den Gleichun-gen (16 17)

x =+ +Φ

Φ Φ ΦX

X Y Z (16)

y =+ +Φ

Φ Φ ΦY

X Y Z (17)

Leider konnten nur der Lichtstrom und die zuge-houmlrigen Normfarbwertanteile bestimmt werden da aufgrund der geringen Speichermoumlglichkeit der verwendeten Computertechnik die raumlumliche Information verlorenging

Daher wurden im Jahre 1991 alle Computer Analogsysteme die Verdrahtung und viele weitere Elemente durch moderne Ausruumlstung ersetzt Von nun an konnten alle Rohdaten mittels geeigneter Speichermedien dauerhaft bewahrt werden Das galt auch fuumlr groszlige Datenmengen des ab 1997 eingesetzten Array-Spektrometers zur Messung der relativen spektralen Leistungsverteilung der Strahlung synchron zur Lichtstrombestimmung Leider wiesen Photometer und Einkoppeloptik des Array-Spektrometers unterschiedliche Gesichtsfel-der auf und hatten etwas unterschiedliche Positi-onen auf dem Goniophotometer was die Daten-analyse komplizierte Dennoch konnten erstmalig raumlumliche spektrale Informationen uumlber zu untersuchende Lampen ermittelt werden Damit erfuumlllte das groszlige Kardan-Goniophotometer in seiner Ausbaustufe von 1997 die Anforderungen 1ndash14 aus Abschnitt 2 Die relative erweiterte Mes-sunsicherheit fuumlr den Lichtstrom fuumlr k = 2 betrug jetzt 060

222 Kleines Kardan-Goniophotometer

Fuumlr die Messung kleiner Lampen und LEDs wurde in den fruumlhen 1980er-Jahren ein dem groszligen Kardan-Goniophotometer sehr aumlhnliches kleines Kardan-Goniophotometer mit einem Messra-dius von nur 300 mm entwickelt hergestellt und

24

PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4Das Jahr des Lichtes

betrieben Das Foto in Bild 6 zeigt dieses seinerzeit sogenannte bdquoMini-Goniophotometerldquo

Die Messtechnik entsprach nahezu vollstaumln-dig dem groszligen Kardan-Goniophotometer bis hin zum Signalfluss einschlieszliglich Spannungs-Frequenzwandler und nachgeschalteten Zaumlhlern Damit sind alle Aspekte dieser Apparatur bereits in Abschnitt 221 diskutiertIm Jahre 2007 wurde dieses Instrument durch ein spezielles Goniophotometer fuumlr die Messung von LEDs ersetzt siehe auch Kapitel Metrologie fuumlr moderne Lichtquellen LEDs und OLEDs [10]

23 Roboter-Goniophotometer (2006 bis heute)

Am Ende der 1990er-Jahre wurde die Planung eines neuen Goniophotometertyps mehr und mehr konkret Nahezu gleichzeitig entschied sich die PTB fuumlr den Neubau eines modernen Gebaumludes fuumlr die Abteilung Optik dem heutigen Albert-Einstein-Bau Infolge dieses Zusammentreffens

beider Ereignisse konnte bei der Planung das neue Gebaumlude quasi um das neue Roboter-Goniopho-tometer herum geplant und spaumlter auch so gebaut werden

In 19951996 zeigte G Sauter dass Gonio-photometrie mittels Robotern moumlglich ist und erhebliche Vorteile gegenuumlber den bisher verwendeten Kardan-Goniophotometern auf-weist [8] Wie weiterhin in [8] beschrieben sind sogenannte Service-Roboter gut geeignet um ein Roboter-Goniophotometer zu realisieren Diese zeichnen sich durch eine schlanke Konstruktion mit langen Armen bei gleichzeitig relativ gerin-gem Gewicht aus Sie verfuumlgen uumlber eine hohe Flexibilitaumlt um beispielsweise ein Photometer auf gewuumlnschten Bahnen mit unterschiedlichen Radien (1000 mm lt r lt 3000 mm) auf der fiktiven Kugeloberflaumlche um die Lampe herumzufuumlhren Jeder Roboter verfuumlgt uumlber 7 Freiheitsgrade (engl seven degrees of freedom 7 DOF) Dies garantiert die notwendige Flexibilitaumlt und das erforderli-che Arbeitsvolumen Zur Abdeckung des vollen Raumwinkels 4π sr sind daher 2 der beschriebenen Roboter notwendig Ein dritter aumlhnlicher Roboter positioniert dabei die zu untersuchende Lampe in der gewuumlnschten Brennstellung im Raum Alle Roboter-Basen sind direkt mit dem Stahlbeton des Gebaumludes verbunden um eine langzeitstabile raumlumliche Positionierung der Roboter zu gewaumlhr-leisten Bild 8 zeigt das Roboter-Goniophotometer waumlhrend der Messung einer LED-Signalleuchte

Im Gegensatz zu Kardan-Goniophotometern ist der Messradius variabel in dem alle 7 Achsen in entsprechende Positionen gebracht werden Wegen der groszligen Redundanz eines 7-DOF-Roboters kann die Zielposition einschlieszliglich Orientierung durch eine sehr groszlige Anzahl unter-schiedlicher Einstellungen der 7 Achsen erreicht werden Daher wird eine Strategie benoumltigt um die jeweilige Achs einstellung zu finden Diese

Bild 6 Kleines Kardan-Goniophotometer 1982ndash2007

Bild 7 Arm des Roboter-Goniophotometers

Bild 8 Roboter-Goniophotometer 2006 bis heute

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PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4 Kurze Geschichte der Goniophotometrie in der PTB

Strategie ist relativ simpel Sie besagt dass alle Achseinstellungen derart gefunden werden dass saumlmtliche Bestandteile des Roboters einen maxi-malen Abstand zum Zentrum des Roboters haben sollen um das von der Roboterstruktur reflektierte Streulicht moumlglichst gering zu halten Eine beson-dere Software ist notwendig um alle Achswinkel ausgedruumlckt in counts jedes Winkelencoders fuumlr jede Achse zu bestimmen um die gewuumlnschten Kugelkoordinaten (r ϑ φ) anzufahren Waumlhrend der Messung der zu untersuchenden Lampe liest das Roboter-Kontrollsystem alle 10 ms diese counts jeder Achse und versucht jede Achse entsprechend diese Vorgabe einzustel-len Nach dieser Einstellung welche fuumlr alle 7 Achsen gleichzeitig erfolgt werden die Ist-Winkel jeder Achse wiederum in counts synchron gelesen und mit den zugehoumlrigen photo-metrischen Daten und elek trischen Daten des Lampenbetriebs in eine Datenbank gespeichert Prinzipiell ist der Signal-fluss dem des in Abschnitt 221 beschriebenen groszligen Kardan-Goniophotometers sehr aumlhnlich Aber es gibt ein zusaumltzliches wichtiges Element den sogenannten Zeitstempel Da ein weit verteiltes Datenerfassungssystem vorliegt wird ein Mecha-nismus zur Datensynchronisierung in Form eines 1-Mhz-Taktes verwendet Dieser ist im gesamten System verfuumlgbar Beim Messungsstart synchron gestartete Zaumlhler erlauben daher die spaumltere Synchronisierung aller angefallenen Daten Wie beschrieben ist die Position jeder Achse und damit die Position und Orientierung des Photometers das Ergebnis eines Regelprozesses Somit ist es not-wendig die tatsaumlchliche Position und Orientierung des Photometers aus den gespeicherten Daten der Winkelencoder zu berechnen

In der Robotik ist es uumlblich einen Roboter des

verwendeten Typs wie eine biegesteife mechani-sche Kette mit sogenannten Denavit-Hartenberg-Parametern (DH-Parameter) zu beschreiben [9] Die Tabelle 1 zeigt diese DH-Parameter am Beispiel des Roboters 1

Mit diesen Parametern und den aktuellen Winkeln θi fuumlr jede Achse ist die Berechnung der Position bzw Orientierung der siebten Achse in Basis-Koordinatensystem des Roboters moumlglich Hierzu werden 7 Matrizen nach Gleichung (18) ver-wendet Jede Matrize beschreibt die Position (blau) und Orientierung (gruumln) jeder einzelnen Achse

Die PositionierungOrientierung der Achse 7 ergibt sich aus dem Vektorprodukt T1 T2 T3 T4 T5 T6 T7

Um jedoch die Koordinaten in Bezug auf das Koordinatensystem der fiktiven Kugel zu erhalten muumlssen 2 weitere aumlhnliche Matrizen verwendet werden Die sogenannte Base Frame Matrix F beschreibt die Positionierung und Orientierung des Roboter-Koordinatensystems zum Koor-dinatensystem der fiktiven Kugel waumlhrend die Matrix W die Positionierung und Orientierung des Photometers zur Achse 7 beschreibt Nun laumlsst sich die Position und Orientierung des Photome-ters P im Koordinatensystem der fiktiven Kugel mit Gleichung (19) beschreiben

P = F T1 T2 T3 T4 T5 T6 T7 W (19)

axisi Δθi offset to rotation around Z-axis

αi rotation around X-axis

di

translation in Z-axis

αi

translation in X-axis

1 ndash1438deg 45024deg 0000 mm ndash0400 mm

2 191088deg ndash90026deg 2686322 mm 0696 mm

3 178585deg 89996deg 274088 mm 0781 mm

4 6229deg ndash90022deg 1410499 mm 0474 mm

5 ndash0141deg ndash89955deg 173036 mm ndash0779 mm

6 ndash0924deg 90032deg 1191007 mm 0223 mm

7 180443deg 90007deg 91130 mm 0000 mm

Tabelle 1 DH-Parameter von Roboter 1

T

a

i

i i i i i i i i i i i

=

+( ) minus +( ) +( ) +cos sin cos sin sin cos∆ ∆ ∆ ∆θ θ θ θ α θ θ α θ θ(( )+( ) +( ) minus +( ) +sin cos cos cos sin sin∆ ∆ ∆ ∆θ θ θ θ α θ θ α θ θi i i i i i i i i i ia (( )

00 0 0 1

sin cosα αi i id

(18)

26

PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4Das Jahr des Lichtes

Bild 9 zeigt die Achsenkoordinatensysteme (17) das Base-Frame-Koordinatensystem und das Koordinatensystem des Photometers zur Achse 7 in schematischer Weise Das Koordinatensys-tem der fiktiven Kugel faumlllt mit dem Zentrum des Goniophotometers zusammen und wird mit Center bezeichnet P ist jetzt auf dieses Center-Koordinatensystem bezogen Zusaumltzlich ist eine typische Bahn eingezeichnet Wegen des aller-dings nicht dargestellten Lampenhalters ist diese Bahn im oberen Bereich verdichtet um eine Kollision mit dem Lampenhalter zu vermeiden Wie bereits erwaumlhnt setzt die Verwendung von Gleichung (19) einen biegesteifen Roboter voraus der in der Praxis nicht existiert P ist also von statischen Gewichtskraumlften des Roboters dyna-mischen Kraumlften infolge der Bewegung als auch von thermischen Laumlngenaumlnderungen uumlberlagert Daher muss Gleichung (19) um eine entspre-chende Korrektur C erweitert werden Glei-chung (20) zeigt nun das endguumlltige Modell zur Bestimmung von P

wobei C

t tT Rθ θ

θ θ1 7

1 7 dd

dd amb

diese finale Korrektur basierend auf den Winkeln θ1θ7 aller Achsen ihren zeitlichen Ableitungen

dd

dd

θ θ1 7

t t

und der Umgebungstemperatur Tamb beschreibt

Der letzte Parameter R steht fuumlr einen groszligen Datensatz und beschreibt Eigenschaften des Roboters wie Abmessungen Teilmassen usw Die Berechnung von C() ist aufwendig und wurde vom Hersteller des Roboters ausgefuumlhrt Aus Gruumlnden des Wettbewerbs muss diese Berechnung vertrau-lich behandelt werden und kann daher hier nicht veroumlffentlicht werden Jedoch kann die Wirkung von C() beispielhaft auf den Messradius mitgeteilt werden (siehe Bild 10)

Die noumltige Radiuskorrektur rcorr bewegt sich im Bereich ndash2 mm lt rcorr lt 3 mm je nach Position (θ φ) des Photometers Der Aumlquatorbereich benouml-tigt eine groumlszligere Korrektur infolge hier wirksamer groumlszligerer Zentrifugalkraumlfte als die Polregion Der Radius selbst laumlsst sich dann aus der Positionssub-matrix von P bestimmen

Der Signalfluss stimmt im Wesentlichen mit dem wie in Bild 5 gezeigt uumlberein Prinzipiell kann der Lichtstrom mit den Gleichungen (11) und (10) berechnet werden da aber nun 2 Photometer benutzt werden muss dies fuumlr jede Hemisphaumlre also fuumlr jeden Roboter separat geschehen Die Gleichungen (21) und (22) demonstrieren das

Bild 9 Koordinatensystem des Roboter-Gonio-photometers und Beispielbahn

P Ct t

T R F T T T T T T=

sdot sdot sdot sdot sdot sdot sdot sdotθ θ

θ θ1 7

1 71 2 3 4 5 6

dd

dd amb TT W7 sdot

(20)

27

PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4 Kurze Geschichte der Goniophotometrie in der PTB

fuumlr Roboter 1 Der Radius r1i befindet sich dabei innerhalb der Summation von Gleichung (22) Das Roboter-Goniophotometer ist zusaumltzlich mit einem Monitorphotometer ausgeruumlstet Dieses Photometer wird waumlhrend der Messung nicht bewegt ist aber staumlndig von einem fixen Punkt aus auf die zu untersuchende Lampe gerichtet und erlaubt somit die Korrektur einer moumlglichen Alterung der Lampe waumlhrend des Messprozesses als Funktion der Zeit (cmon(t1i))

Es w R

fyt

fi jj

ni j

i j1

1 1 11

1

1

11 0

12

1

=

( )sdot minus

=sumπ

ϕf g

q∆∆

∆

(21)

Φ1 1 1 12

1 1 1 12= sdot sdot sdot sdot ( ) sdot minus( )+c c r c ti i i ii

str spec mon cos cosπ ϑ ϑ==

minus

sum sdot0

1

1

1m

iE

(22)

Roboter 2 wird in gleicher Weise behandelt und der Lichtstrom ergibt sich somit aus der Summe von Φ1 und Φ2 korrigiert mit dem elektrischen Korrekturfaktor celec aus Gleichung (15)

Φ Φ Φ= sdot +( )celec 1 2 (23)

Die Bestimmung der Streulichtkorrektur cstr unter-scheidet sich methodisch von jener des Kardan-Goniophotometers Es ist schwierig Blenden zwischen Photometer und Lampe zu positionieren wie in [5] beschrieben Hier wird die Streulicht-korrektur cstr direkt aus der Leuchtdichteverteilung auf den Waumlnden des Messraums bestimmt Mit der Kenntnis der geometrischen und photometrischen Eigenschaften des Raumes der raumlumlichen Licht-staumlrkeverteilung der Lampe und dem verwendeten Streulichttubus vor dem Photometer lieszlige sich die Streulichtkorrektur cstr berechnen Hier jedoch wird diese Korrektur mit sogenannten Back-Loo-king-Photometern bestimmt [11]

Bild 11 zeigt ein Foto der bdquoRoboterhandldquo mit mon-tiertem Photometer und Back-Looking-Photometer Letzteres ist ein wenig schraumlg ausgerichtet um nicht im Bereich des Schattenwurfs des Photome-ters auf den Waumlnden zu messen

Bild 12 zeigt beispielhaft eine typische in finite Flaumlchenelemente gerasterte Streulichtsituation im Goniophotometermessraum wie sie durch die zu untersuchende Lichtquelle generiert wird Dieses Beispiel arbeitet mit finiten Flaumlchen der Groumlszlige 05 m middot 05 m um die Flaumlchen sichtbar zu machen Zur realen Berechnung werden Flaumlchen der Groumlszlige 01 m middot 01 m verwendet Natuumlrlich ist der Streulichtanteil auf der aktiven Flaumlche des

Bild 10Wirkung der Radiuskorrektur

Bild 11 Photometer (links) und Back-Looking-Photometer (rechts)

Bild 12 Wirkung des Streulichts und seine Bestimmung

28

PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4Das Jahr des Lichtes

Photometers eine Funktion des Gesichtsfeldes des jeweils verwendeten Streulichttubus vor dem Photometer Derzeit werden 2 Tuben je nach Groumlszlige der Lichtquelle mit Oumlffnungswinkeln von ca 15deg und ca 225deg verwendet Ihre typischen Korrekturwerte betragen etwa 09995 und 09990 Da jeder Messroboter mit diesem Back-Looking-Photometer ausgeruumlstet ist kann so der Streulicht-anteil fuumlr jedes Photometer bestimmt werden Da die Back-Looking-Photometer bdquoruumlckwaumlrtsldquo gerichtet sind wird also jeweils die Streulichtkorrektur fuumlr den gegenuumlberliegenden Messroboter bestimmt Damit ist es moumlglich den Wert des Lichtstroms mit zugehoumlriger Messunsicherheit zu bestimmen Tabelle 2 illustriert Ergebnisse einer vereinfachten Monte-Carlo-Simulation (MC) am Beispiel einer OSRAM-Wi4-Lichtstrom-Normallampe Ihre Lichtstaumlrkeverteilung ist in Bild 13 wiedergegeben

Die MC basiert auf den folgenden Gleichun-gen (24) Werte der wichtigsten Beitraumlge zur Mes-sunsicherheit koumlnnen der Tabelle 2 entnommen werden Eine detailliertere Beschreibung der Roboter und Analyse der Messunsicherheit kann [12] entnom-men werden

Bild 13 Raumlumliche Lichtstaumlrkeverteilung einer OSRAM-Wi4-Lichtstrom-Normallampe

Quantity Symbol Value Uncertainty Unit Sensitivity Contribution lm Relative contribution

Luminous responsivity 1 s1 3065E-10 9195E-13 A lxndash1 188E+12 173 000150

Luminous responsivity 2 s2 4111E-10 12333E-12 A lxndash1 143E+12 177 000153

Spectral matching exponent 1 m2 y 0021 0015 1 20 030 000026

Spectral matching exponent 2 m2 y 0036 0015 1 18 027 000023

CCT or distribution temperature T 2762 10 K 0012 012 000011

Uncertainty in r Δr 0000 00020 m 901 180 000156

Calibration factor for frequency F cFH 1000 00005 1 1141 057 000049

Calibration factor for frequency ƒ cFD 1000 00050 1 104 005 000005

Voltage to frequency converter 1 w1 f 500849 25 Hz Vndash1 0012 031 000027

Voltage to frequency converter 2 w2 f 500561 25 Hz Vndash1 00118 029 000026

Amplification gain 1 R1 g 1000E+09 99996 Ω 6223E-07 006 000005

Amplification gain 2 R2 g 9997E+08 99966 Ω 5430E-07 005 000005

Calibration factor for cmon ccm 1000 00005 1 1162 058 000050

Correction factor for stray light cstr 09995 00005 1 1134 057 000049

Luminous flux Φ 11541 327 00028

Tabelle 2 Unsicherheitsbudget

29

PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4 Kurze Geschichte der Goniophotometrie in der PTB

Somit ergibt sich zurzeit eine erweiterte Mess-unsichert von 056 fuumlr k = 2 Dies entspricht etwa der Messunsicherheit welche mit dem groszligen Kardan-Goniophotometer erreichbar war Im Unterschied zum Kardan-Goniophotometer (fester Messradius) verfuumlgt das Roboter-Goniophotometer jedoch uumlber die noumltige hohe Flexibilitaumlt (z B durch Variation des Messradius) die noumltig ist um kuumlnftige Anforderungen erfuumlllen zu koumlnnen Eben diese hohe Flexibilitaumlt fuumlhrt bei der Bestimmung des Messradius zu relativ groszligen Messunsicherheiten Hier koumlnnte die Verwendung einer Lookup-Table oder eine On-Line-Verfolgung mittels Tracer-Syste-men der Bahnen diese Unsicherheit verkleinernMittlerweile ist das Roboter-Goniophotometer voll-staumlndig charakterisiert und wird fuumlr beleuchtungs-staumlrkebasierte Lichtstromkalibrierungen und auch fuumlr internationale Vergleiche eingesetzt Damit werden auch die Anforderungen (15ndash17) erfuumllltIm naumlchsten Schritt wird das Roboter-Goniopho-tometer mit Leuchtdichtemesskameras ausgeruumlstet

werden um es als bdquoNahfeld-Goniophotometerrdquo einzusetzen Es wird dann die direkte Messung der Leuchtdichteverteilung erlauben aus welcher nahezu alle noumltigen photometrischen Groumlszligen abgeleitet werden koumlnnen Dieser kuumlnftige Schritt wird dann auch den letzten Punkt (18) der Anfor-derungen erfuumlllen

3 Zusammenfassung

Die Geschichte der Goniophotometrie in der PTB uumlber einen Zeitraum von mehr als 50 Jahren wird praumlsentiert Verschiedene Goniophotometer ange-fangen vom manuell bewegten Einarm-Goniopho-tometer mit visuellem Photometer uumlber das groszlige und kleine Kardan-Goniophotometer bis hin zum bdquoState-of-the-art-Roboter-Goniophotometerldquo fuumlr das 21 Jahrhundert werden beschrieben Das Letztere hat das Potenzial in der traditionellen Betriebsart aber auch im Nahfeldmodus uumlber viele Jahre eingesetzt zu werden Neu aufkommende

Quantity Symbol Value Uncertainty Unit Sensitivity Contribution lm Relative contribution

Luminous responsivity 1 s1 3065E-10 9195E-13 A lxndash1 188E+12 173 000150

Luminous responsivity 2 s2 4111E-10 12333E-12 A lxndash1 143E+12 177 000153

Spectral matching exponent 1 m2 y 0021 0015 1 20 030 000026

Spectral matching exponent 2 m2 y 0036 0015 1 18 027 000023

CCT or distribution temperature T 2762 10 K 0012 012 000011

Uncertainty in r Δr 0000 00020 m 901 180 000156

Calibration factor for frequency F cFH 1000 00005 1 1141 057 000049

Calibration factor for frequency ƒ cFD 1000 00050 1 104 005 000005

Voltage to frequency converter 1 w1 f 500849 25 Hz Vndash1 0012 031 000027

Voltage to frequency converter 2 w2 f 500561 25 Hz Vndash1 00118 029 000026

Amplification gain 1 R1 g 1000E+09 99996 Ω 6223E-07 006 000005

Amplification gain 2 R2 g 9997E+08 99966 Ω 5430E-07 005 000005

Calibration factor for cmon ccm 1000 00005 1 1162 058 000050

Correction factor for stray light cstr 09995 00005 1 1134 057 000049

Luminous flux Φ 11541 327 00028

Φ = sdot

sdot

+ sdot sdotminus

c JJ

TT

r r c c tm

m

i i

y

strA

cm monj

0

12

1

1

( ) ∆ (( )sdot minus( ) sdotsdot sdot minus

+=

minus=sumsum

cos cosFH FD

ϑ ϑ

ϕ

1 1 10

1 11

11

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i ii

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(24)

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PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4Das Jahr des Lichtes

Anforderungen fuumlr die Ruumlckfuumlhrung photome-trischer Einheiten wie beispielsweise im Solid-State-Lighting-Bereich koumlnnen so erfuumlllt werden

Literatur

[1] Y Ohno 1995 Realization of NIST Luminous Flux Scale Using an Integrating Sphere with an External Source CIE Proceedings 23rd Session New Delhi

[2] R Sewig 1938 Handbuch der Lichttechnik Band 1 pp 319 321 Berlin Springer Verlag

[3] D Foumlrste 1966 Zur Lichtstrommessung an Lam-pen mit ungleichmaumlszligiger Lichtverteilung PTB-Mitteilungen 166 pp 18ndash20 Braunschweig PTB

[4] D Foumlrste 1979 Ein Goniophotometer zur genauen Bestimmung des Lichtstroms Licht-Forschung 1 Jahrgang 379 pp 30ndash36 Heidelberg Huumlthig Verlag

[5] D Foumlrste 1980 Elimination des Fremdlichts bei der Lichtstrombestimmung mit dem Gonio-photometer Licht-Forschung 2 Jahrgang 180 pp 27ndash29 Heidelberg Huumlthig Verlag

[6] W Erb 1997 PTB Network for realization and maintenance of the candela Metrologia 3497 pp 115ndash124 Bristol UK

[7] G Sauter 1996 Kalibrierung von Lichtstaumlrke-Normallampen und Angabe der Messunsicherheit PTB interner Bericht Braunschweig PTB

[8] G Sauter 1996 Goniophotometry new calibra-tion method and instrument design Metrologia 32 (199596) pp 685ndash688 Bristol UK

[9] httpenwikipediaorgwikiDenavit-Hartenberg_Parameters (letzter Aufruf 03122015)

[10] M Lindemann 2009 Photometry and Colori-metry of Reference LEDs by Using a Compact Goniophotometer MAPAN ndash Journal of Metro-logy Society of India Vol 24 No 3 pp 143ndash152 New Delhi India

[11] G Bizjak 2009 Determination of Stray Light at the PTB Goniophotometer Facility MAPAN ndash Jour-nal of Metrology Society of India Vol 24 No 3 pp 163ndash173 New Delhi India

[12] M Lindemann et al 2015 Robot goniopho-tometry at PTB Metrologia 52 pp 167ndash194 Bristol UK

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PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4Das Jahr des Lichtes

1 Eine einleitende Beschreibung von Gluumlhlampen LEDs und OLEDs

Der Einsatz Licht Emittierender Dioden (LED) in der Allgemeinbeleuchtung hat in den vergangenen Jahren erheblich zugenommen Ein entscheiden-der Vorteil der LED gegenuumlber der traditionellen Gluumlhlampe liegt in ihrer uumlberlegenen Lichtaus-beute ηv ndash dem Verhaumlltnis des emittierten Licht-stroms Φv und der aufgenommenen elektrischen Leistung Pel angegeben in LumenWatt

Dieser Vorteil beruht auf den Unterschieden der zugrunde liegenden Technologien der Lichterzeu-gung beider Lampentypen Bei einer (Halogen-)Gluumlhlampe wird der Gluumlhfaden durch elektrischen Strom auf Temperaturen um 3000 K aufgeheizt Obwohl hierbei fast die gesamte elektrische Leis-tung in Strahlung umgewandelt wird ndash Verluste durch thermische Konvektion oder Waumlrmeleitung sind gering ndash kann das menschliche Auge lediglich einen geringen spektralen Anteil der ungefaumlhr 5 der Gesamtstrahlungsleistung ausmacht wahr-nehmen Der Groszligteil der Strahlungsleistung liegt im infraroten Spektralbereich und kann nicht fuumlr Beleuchtungszwecke genutzt werden In Bild 1 ist die spektrale Verteilung einer Gluumlhlampe bei einer Temperatur von 2856 K im Spektralbereich

von 300 nm bis 1200 nm dargestellt Das sichtbare Licht im Spektralbereich zwischen 360 nm und 830 nm ist mit den entsprechenden Spektralfarben hinterlegt Oberhalb 830 nm beginnt der fuumlr das menschliche Auge unsichtbare infrarote Anteil der Strahlung

Der fuumlr photometrische Messungen normativ festgelegte spektrale Hellempfindlichkeitsgrad V(λ) also die Hellempfindlichkeit des Auges eines bdquoNormalbeobachtersldquo ist mit seinem Maximum bei 555 nm schwarz eingezeichnet

Da die Gluumlhlampe eine thermische Strahlungs-quelle ist verschiebt sich mit zunehmender Tem-peratur die Lage des Strahlungsmaximums ent-sprechend des Wienschen Verschiebungsgesetzes zu kuumlrzeren Wellenlaumlngen Um die Lichtausbeute von Gluumlhlampen zu erhoumlhen muumlsste man das Strah-lungsmaximum durch Temperaturerhoumlhung in den kurzwelligeren Bereich des sichtbaren Lichts verschieben Die Maximaltemperatur ist jedoch bei Gluumlhfaumlden aus Wolfram auf etwa 3000 K begrenzt ndash bei houmlheren Temperaturen nimmt die Lebensdauer drastisch ab

Das Funktionsprinzip einer LED-Lichtquelle basiert auf dem Phaumlnomen der Elektrolumines-zenz Der prinzipielle Aufbau einer LED aumlhnelt einer pn-Halbleiterdiode Durch Anlegen einer Gleichspannung rekombinieren Ladungstraumlger in der p-n-Grenzschicht der Leuchtdiode unter Emission von Strahlung Durch gezielte Auswahl der verwendeten Halbleitermaterialien und ihrer Dotierung wird deren Bandluumlcke und somit die Farbe des emittierten Lichtes bestimmt Im Jahr 1992 gelang der Durchbruch in der Entwicklung hocheffizienter blauer LEDs die den Einsatz von LEDs zur Allgemeinbeleuchtung erst ermoumlgli-chen Die zugrunde liegenden Forschungsarbei-ten wurden 2014 mit dem Nobelpreis fuumlr Physik gewuumlrdigt [1]

Eine schmalbandige Lichtemission ist charak-teristisch fuumlr LEDs Dementsprechend verfuumlgt ihr Licht uumlber eine hohe Farbsaumlttigung Durch die Bedeckung des LED-Chips mit breitbandig pho-tolumineszierenden Farbstoffen wird ein Teil der Strahlung in energieaumlrmeres langwelligeres Licht konvertiert und es entstehen Mischfarben wie

Metrologie fuumlr moderne Lichtquellen LEDs und OLEDs Thorsten Gerloff

Thorsten Gerloff Arbeitsgruppe bdquoPhotometrieldquo EshyMail thorstengerloffptbde

Bild 1 Spektrale Verteilung einer Gluumlhlampe und spektraler Hellempfindlichkeitsgrad (V(λ)-Funktion)

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PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4 Metrologie fuumlr moderne Lichtquellen

i Infokasten LED

Lichtausbeute einer Strahlungsquelle ηv

Die Lichtausbeute einer Strahlungsquelle gibt das Verhaumlltnis aus ausgestrahltem Lichtstrom und aufgenommener elektrischer Leistung an Die Einheit ist LumenWatt (lmW) Je houmlher die Lichtausbeute ist umso energieeffizienter ist die Beleuchtung Gluumlhlampen besitzen Lichtausbeuten zwischen 10 und 20 lmW

Lichtstrom Φv

Der Lichtstrom beruumlcksichtigt den Hellempfind-lichkeitsgrad V(λ) des Auges und gibt die in alle Raumrichtungen abgegebene bdquoLichtleistungldquo einer Lampe an Der Lichtstrom enthaumllt keine Information daruumlber wie die Lampe das Licht im Raum verteilt Der Lichtstrom gibt an wie hell ein beleuchteter Raum dem Menschen erscheint

Spektraler Hellempfindlichkeitsgrad V(λ)

Der exakt definierte spektrale Hellempfindlich-keitsgrad V(λ) ist eine Bewertungsfunktion fuumlr elektromagnetische Strahlung Hiermit wird der bdquoHelligkeitseindruck eines menschlichen Durch-schnittsaugesldquo berechnet Dies ermoumlglicht den objektiven Vergleich von Lichtquellen mit physika-lischen Messmethoden Subjektive Wahrnehmun-gen einzelner Menschen koumlnnen damit nicht exakt wiedergegeben werden

Aumlhnlichste Farbtemperatur TN

Es gibt unterschiedliche Farbtemperaturen in der Photometrie Verhaumlltnis- und Verteilungstem-peratur sind nur bei thermischen Strahlern wie der Gluumlhlampe anwendbar Nur die aumlhnlichste Farbtemperatur (englisch Correlated Colour Temperature CCT) laumlsst sich fuumlr Lichtquellen mit beliebiger spektraler Zusammensetzung berech-nen sofern die Normfarbwertanteile aumlhnlich einem thermischen Strahler sind Die aumlhnlichste Farbtemperatur wird in der Einheit Kelvin (K) angegeben Sie gibt an ob das Licht warmweiszlig (ca 3000 K) neutralweiszlig (ca 4500 K) oder tages-lichtweiszlig (gt5500 K) erscheint

Normfarbwertanteile (x y)

Fuumlr die Angabe von Farbe gibt es neben dem spek-tralen Hellempfindlichkeitsgrad V(λ)noch weitere definierte Bewertungsfunktionen Hiermit laumlsst sich die Farbwahrnehmung eines fiktive Normalbeob-achters aus der gemessenen spektralen Verteilung des Lichts durch Angabe von nur zwei Werten (x und y) angeben Diese Werte geben die Koordi-naten auf der Normfarbtafel (s Abbildung) an

Normfarbtafel

Farbwiedergabeindex Ra

Der Farbwiedergabeindex ist eine Kennzahl fuumlr Lichtquellen der bewertet die Qualitaumlt der Farb-wiedergabe Je houmlher der Wert desto besser ist die Farbwiedergabe Der Maximalwert liegt bei 100 Werte zwischen 90 und 100 geben eine ausgezeich-nete Farbwiedergabe an Werte unter 80 sind fuumlr viele Anwendungen nicht ausreichend

Im Folgenden soll ein kleiner Leitfaden gegeben werden der in allgemeinverstaumlndlicher Form die grundlegenden Ideen wichtiger lichttechnischer Groumlszligen erlaumlutern soll Komplexe Details der zugrunde liegenden Normen und Definitionen werden hierbei nicht beruumlcksichtigt

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PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4Das Jahr des Lichtes

Pastellfarbtoumlne oder auch weiszliges LichtIn Bild 2 sind die spektralen Verteilungen einer

LED mit und ohne Leuchtstoff abgebildet In der linken Abbildung erkennt man die schmalbandige blaue Emission des LED-Chips In der rechten Abbildung wird ein Teil dieser Strahlung durch einen Leuchtstoff in laumlngerwelliges Licht konver-tiert und die Mischfarbe erscheint weiszlig

Der Vorteil einer LED gegenuumlber einer Gluumlh-lampe bezuumlglich der Lichtausbeute ist offensicht-lich Es wird ndash von unvermeidbarer thermischer Verlustleistung abgesehen ndash nur Strahlung im sichtbaren Wellenlaumlngenbereich emittiert Daruumlber hinaus ist die Farbe des Lichts von LEDs durch Kombination verschiedener Leuchtstoffe und LEDs nahezu beliebig einstellbar und man ist nicht auf aumlhnlichste Farbtemperaturen von ca 3000 K wie bei der Gluumlhlampe begrenzt

Allerdings gibt es auch Nachteile gegenuumlber dem Licht einer Gluumlhlampe Dem typischen Spektrum einer LED-Lichtquelle fehlen im Gegensatz zu Sonnenlicht oder Gluumlhlampenlicht einzelne Spekt-ralfarben Dies macht sich negativ bei der Qualitaumlt der Farbwiedergabe bemerkbar

Die Farbe des emittierten Lichts einer LED laumlsst sich durch additive Farbmischung sehr aumlhnlich zu Sonnenlicht oder auch Gluumlhlampenlicht einstellen Wenn jedoch Objekte mit Licht beleuchtet werden kommt es auch auf die spektrale Zusammensetzung des Lichts an Nehmen wir einen Blumenstrauszlig aus roten Rosen der im Tageslicht steht Im Son-nenlicht sind alle Spektralfarben vorhanden und diese beleuchten die Rosen Die roten Bluumltenblaumltter absorbieren einige spektrale Anteile des Lichts und reflektieren im Wesentlichen rotes Licht welches in das Auge des Betrachters faumlllt Wenn die Rosen von einer anderen Lichtquelle beleuchtet werden in der die roten Spektralanteile zumindest teilweise fehlen koumlnnen diese nicht reflektiert werden und die Farben der Rosen erscheinen unnatuumlrlich

Dies ist von weitreichender Bedeutung fuumlr die Wahl einer geeigneten Lichtquelle da wir einen Kompromiss aus Licht mit guter Farbwieder-gabe und hoher Lichtausbeute schlieszligen muumlssen Licht mit hoher Farbwiedergabe setzt sich aus moumlglichst vielen Spektralfarben zusammen und Lichtquellen mit hoher Lichtausbeute sollten nur Spektralfarben beinhalten fuumlr die das menschliche Auge besonders empfindlich ist In den Auszligenbe-zirken vieler Staumldte werden zur Nachtbeleuchtung der Gehwege haumlufig Natriumdampflampen mit orangefarbenem Licht eingesetzt Die Lichtaus-beute dieser Lampen ist mit etwa 150 lmW auszligerordentlich hoch da das menschliche Auge in diesem Spektralbereich sehr empfindlich ist Diese Beleuchtung ist jedoch ungeeignet um Farben natuumlrlich wiederzugeben Aufgrund des Aufbaus des menschlichen Auges ist es also nicht moumlglich eine Beleuchtung mit sehr hoher Qualitaumlt der Farbwiedergabe bei gleichzeitig sehr hoher Lichtausbeute zu realisieren

Weiszlige LEDs zur Allgemeinbeleuchtung nutzen in der Regel Leuchtstoffe die teilweise qualita-tiv hochwertige Farbwiedergabeeigenschaften besitzen Eine weitere Methode zur Erzeugung von weiszligem Licht ist das Mischen von rotem gruumlnem und blauem Licht (RGB-Verfahren) welches die Grundlage jedes Displays ist Hierbei sind neben weiszligem Licht auch andere Lichtfarben moumlglich ndash die Farbwiedergabeeigenschaften sind allerdings schlecht Fuumlr die Endverbraucher sind in der Regel die Farbwiedergabeeigenschaften von Lichtquellen als Ra-Werte auf der Verpackung angegeben

Organische Licht Emittierende Dioden (OLED) sind eine junge Beleuchtungstechnologie die noch keinen Zugang zum Massenmarkt erhalten hat Die weltweit erste kommerzielle OLED-Leuchte wurde 2008 vertrieben Der fuumlr den Nutzer wesentliche Unterschied zwischen OLEDs und LEDs besteht im Aufbau Der leuchtende Kristall

Bild 2 Spektrale Verteilung einer blauen LED (links) und einer weiszligen LED (rechts) bei der ein Teil des blauen Lichts zu gelbem Licht konvertiert wurde

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PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4 Metrologie fuumlr moderne Lichtquellen

anorganischer LEDs besitzt eine maximale Kan-tenlaumlnge von etwa einem Millimeter Bei OLEDs wird das Licht in groszligflaumlchigen amorphen organi-schen Schichten erzeugt Momentan sind OLEDs mit leuchtenden Flaumlchen von bis zu 20 x 20 cmsup2 erhaumlltlich Das Licht wird aumlhnlich wie bei LEDs durch Ladungstraumlgerrekombination unter Auftre-ten von Elektrolumineszenz erzeugt Dabei ist das Emissionsspektrum der verwendeten organischen Emittermaterialien wesentlich breitbandiger als das einer LED (vgl Bild 3) Daher wird das weiszlige Licht von OLEDs in der Regel durch Verwendung von roten gruumlnen und blauen Emittermaterialien erzeugt ohne dass die Farbwiedergabeeigenschaf-ten sehr stark darunter leiden

2 Entwicklung von (O)LED-Transfer-normalen in der PTB

Eine der Kernaufgaben der PTB ist die Weiter-gabe der gesetzlichen Einheiten Bis zum heuti-gen Tage bieten Transfernormale in Form von speziellen Gluumlhlampen die besten Eigenschaften um als Maszligverkoumlrperung der Einheiten Candela oder Lumen zu dienen Da der Anwender in der Regel jedoch die Substitutionsmethode bei seinen Messungen anwendet um notwendige Korrektu-ren auf ein Minimum zu reduzieren (Gleiches mit Gleichem vergleichen) sind auch Transfernormale auf Basis der LED-Technologie von Interesse

Bereits in den 80er-Jahren des vergangenen Jahr-hunderts wurden LEDs in der PTB kalibriert Diese waren fuumlr Beleuchtungszwecke noch ungeeignet und dienten lediglich als Signallampen Zeitgleich wurden die ersten PTB-LED-Transfernormale entwickelt deren optische Eigenschaften durch thermische Regelung des LED-Chips stabilisiert wurden Die mechanische Ausrichtung der LEDs leistet aufgrund des typischerweise stark gerichteten Abstrahlprofils der LEDs einen groszligen Beitrag auf die Messunsicherheit Daher werden die LEDs seit

2002 in ein rotationssymmetrisches robustes VA-Stahl-Gehaumluse eingebaut welches sich sehr repro-duzierbar ausrichten laumlsst (vgl Bild 4)

Diese Transfernormale werden unter Konstant-Strom-Bedingungen und ndash durch gezieltes Aufhei-zen des LED-Chips durch den Heizwiderstand ndash unter Konstant-Spannung-Bedingungen betrieben Aufgrund der halbleitenden Eigenschaften sinkt mit steigender Temperatur die Betriebsspannung und sowohl der Lichtstrom als auch die Peakwellenlaumlnge des emittierten Lichts veraumlndert sich Die Sollspan-nung wird auf einen Wert festgelegt der unterhalb der Gleichgewichtsspannung durch Eigenerwaumlr-mung im Betrieb ohne Heizwiderstand bei einer Umgebungstemperatur von etwa 35 degC liegt Somit ist auch ein Einsatz der Transfernormale in Laboren ohne Klimatisierung moumlglich

Fuumlr LEDs mit houmlheren Leistungen wurde im Jahr 2011 ein weiterer Prototyp eines Transfernormals vorgestellt (vgl Bild 5) Da die hier verwendeten LEDs eine houmlhere Leistungsaufnahme besitzen werden sie waumlrmer Das reduziert die Lebensdauer und Reproduzierbarkeit der photometrischen

Bild 3 Exemplarische spektrale Verteilung einer weiszligen OLED

Bild 4 Temperaturgeregeltes LED-Transfernormal auf Basis von Kleinleistungs-LEDs mit Lichtstroumlmen von bis zu 10 Lumen

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PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4Das Jahr des Lichtes

Groumlszligen deutlich Daher muumlssen sie gekuumlhlt werden Hierfuumlr kommt bei diesen Normalen ein Peltier-Element zum Einsatz welches geregelt Waumlrme in einen dahinterliegenden Kuumlhlkoumlrper leitet und hierdurch das emittierte Licht stabilisiert Diese Transfernormale zeichnen sich durch ein geringes

Gewicht bei einer Laumlnge von ca 100 mm und einem Durchmesser von etwa 20 mm aus Allerdings ist die Verwendung von LEDs mit sehr hohen Leistun-gen nicht moumlglich da die Abwaumlrme lediglich passiv an den Raum abgegeben wird Eine detaillierte Beschreibung der Eigenschaften dieses Transfer-normals wurde 2012 veroumlffentlicht [2]

Fuumlr die thermische Stabilisierung von LEDs mit sehr hohen Leistungen wurde ein weiteres Trans-fernormal unter Einsatz von Peltier-Elementen Heatpipes und aktivem Kuumlhlsystem in der PTB entwickelt (vgl Bild 6)

Im Rahmen des europaumlischen Forschungspro-jekts OLED100eu wurde in der PTB weiterhin das weltweit erste Transfernormal unter Einsatz einer organischen Leuchtdiode entwickelt (vgl Bild 7) Dieses Normal wurde fuumlr den Einsatz in einer Ulbricht-Kugel konzipiert und in ein mattes Aluminiumgehaumluse eingebaut Eine Besonderheit dieses Normals ist die Stand-Alone-Versorgungs-einheit die ohne Rechner o auml saumlmtliche relevan-ten elektrischen und thermischen Groumlszligen regelt und auf einem USB-Stick speichert

3 LED-Messtechnik in der PTB

Neben LED-Transfernormalen mit guter Reprodu-zierbarkeit ist eine hochentwickelte Messtechnik fuumlr deren Kalibrierung mit minimaler Messunsi-cherheit erforderlich

Die photometrische Beschreibung von LEDs erfolgt durch Angabe ihrer Lichtstaumlrke ILED mit der Einheit Candela und ihrem Lichtstrom ΦLED mit der Einheit Lumen Diese Groumlszligen werden in der PTB unter Verwendung ruumlckgefuumlhrter Photometer bestimmt Hierfuumlr wird die Beleuchtungsstaumlrke ELED unter definierten geometrischen Bedingungen fuumlr alle Abstrahlrichtungen der LED mit einem Goniophotometer gemessen

Fuumlr die Bestimmung der colorimetrischen Werte kommen Spektralradiometer zum Einsatz Hiermit werden spektrale Bestrahlungsstaumlrken gemessen und daraus die abgeleiteten colorime-

Bild 5 Temperaturgeregeltes LED-Transfernormal auf Basis von Hochleistungs-LEDs mit Lichtstroumlmen von bis zu 100 Lumen Im rechten Bild ist die Temperaturverteilung in Grad Celsius waumlhrend des Betriebs abgebildet

Bild 6 Temperaturgeregeltes LED-Transfernormal auf Basis von Houmlchstleistungs-LEDs mit Lichtstroumlmen von bis zu 2500 Lumen

Bild 7 Temperaturgeregeltes OLED-Transfernormal auf Basis kommerziell erhaumlltlicher OLEDs

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PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4 Metrologie fuumlr moderne Lichtquellen

trischen Kenngroumlszligen wie z B die Normfarb-wertanteile (x y) bei weiszligen LEDs die aumlhnlichste Farbtemperatur TN mit der Einheit Kelvin und bei farbigen LEDs die dominante Wellenlaumlnge λdom berechnet Grundlegende Informationen und Definitionen uumlber die photometrischen und colorimetrischen Groumlszligen und deren Messung sind in [3] [4] und [5] zu finden

In Bild 8 ist der Aufbau des LED-Messplatzes an der PTB zu sehen Fuumlr die Bestimmung der Mess-groumlszligen in alle raumlumlichen Abstrahlwinkel wird die LED durch ein Goniophotometer bewegt

Die LED wird in horizontaler Betriebslage zentrisch normal zur Referenzebene des Photo-meterkopfes ausgerichtet Ein Translationstisch ermoumlglicht dabei eine Variation des Abstandes d zwischen Photometer und LED Eine horizontale Rotationsachse (φ-Achse) und eine senkrechte Rotationsachse (ϑ-Achse) die sich an der LED-Spitze im rechten Winkel schneiden erlauben durch Drehung der LED eine Bestimmung der Beleuchtungsstaumlrke ELED in alle Raumrichtungen Beide Rotationsachsen werden waumlhrend der Messung zeitgleich bewegt Hierdurch bewegt sich die relative Position der lichtempfindlichen Emp-faumlngeroumlffnung bezuumlglich des Schnittpunkts beider Drehachsen auf der Oberflaumlche einer virtuellen Kugel entlang einer Spiralbahn von bdquoPol zu Polldquo dieser Kugel

Die Bestimmung des Lichtstroms ΦLED erfolgt analog der Beschreibung in dem Kapitel Kurze Geschichte der Goniophotometrie in der PTB Der wesentliche Unterschied zu goniophotome-trischen Messungen an Gluumlhlampen besteht darin dass bei LED-Messungen die Lichtquelle typischerweise bewegt werden kann ohne dass sich ihre optischen Eigenschaften aumlndernAufgrund des stetig wachsenden Bedarfs an ruumlck-gefuumlhrten Kalibrierungen von High-Power-LEDs sind Masse und Abmessungen der Transfernor-male erheblich gestiegen Daher wurde der Mess-platz 2015 um ein weiteres Goniophotometer fuumlr schwere und groszlige Objekte erweitert (vgl Bild 9)

Neben den photometrischen Empfaumlngern befinden sich auch Einkoppeloptiken fuumlr Spekt-ralradiometer auf dem drehbaren Empfaumlngerka-russell Alle Empfaumlnger lassen sich hiermit auto-matisiert waumlhrend einer Messung zu den LEDs ausrichten Vor jeder LED-Kalibrierung werden die Spektralradiometer bezuumlglich Ihrer spektralen Empfindlichkeit und Wellenlaumlnge kalibriert Die entsprechenden Normallampen befinden sich neben dem Empfaumlngerkarussell (vgl Bild 10) und ermoumlglichen so ebenfalls eine automatisierte Messung

Den spektralen Messungen an LEDs kommt neben der Notwendigkeit fuumlr die Bestimmung colorimetrischer Kennzahlen noch eine beson-dere Bedeutung fuumlr die photometrischen Messun-

Bild 9 Goniophotometer fuumlr photometrische Messungen an Hochleistungs-LEDs

Bild 10 Entladungslampen mit verschiedenen Gasfuumlllungen dienen der Wellenlaumlngenka-librierung der Spektrometer Im Hintergrund ist eine Bestrahlungsstaumlrke-Normal-lampe fuumlr die spektrale Empfindlichkeitskalibrierung zu sehen

Bild 8 Goniophotometer fuumlr photometrische Messungen an Kleinleistungs-LEDs

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PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4Das Jahr des Lichtes

gen zu Wie in der Einleitung erklaumlrt unterscheiden sich die spektralen Verteilungen von LEDs und Gluumlhlampen deutlich voneinander Photometerkoumlpfe bestehen in der Regel aus einer Silizium-Photodiode deren spektrale Empfindlichkeit durch den Einsatz von Glasfiltern moumlglichst gut an den Hellemp-findlichkeitsgrad V(λ) angepasst wird Aufgrund internationaler Standardisierung wird die photo-metrische Empfindlichkeit von Photometerkoumlpfen fast ausschlieszliglich fuumlr Normlichtart A kalibriert In der Praxis werden hierfuumlr Gluumlhlampen mit einer Verteilungstemperatur von 2856 K verwendet Wenn man ein solches Photometer fuumlr Messungen an anderen Gluumlhlampen verwendet sind die spektralen Verteilungen meist so aumlhnlich dass nur geringe oder gar vernachlaumlssigbare Korrekturen aufgrund der spektralen Fehlanpassung also der Abweichung der realen spektralen Empfindlichkeit des Photometers von dem Hellempfindlichkeitsgrad notwendig sind Wenn man ein solches Photometer jedoch bei LEDs insbesondere farbigen LEDs einsetzt koumlnnen die Abweichungen aufgrund der spektralen Fehlan-passung sehr groszlig werden (gt10 fuumlr hochwertige Photometerkoumlpfe sind moumlglich)

Mit Kenntnis der relativen spektralen Verteilung der Leuchtdiode SLED(λ) und der relativen spekt-ralen Empfindlichkeit srel(λ) laumlsst sich die spektrale Fehlanpassung durch folgenden Korrekturfaktor cSpek korrigieren

cV S

s S

V P T

sSpek

LED

rel LED

A

rel

d

d

d=

( ) ( )( ) ( )

( ) ( )( )

intint

intλ λ λ

λ λ λ

λ λ λ

λ

intint ( )P Tλ λ A d

P(λ TA) beschreibt Lichtart A durch das Planck-sche Strahlungsgesetz fuumlr TA = 2856 K

Eine detaillierte Auflistung und Diskussion aller zu beruumlcksichtigenden Details bei Kalibrierungen von LEDs und das dazugehoumlrige Messunsicher-heitsbudget soll an dieser Stelle nicht gegeben werden Interessierte Leser koumlnnen hierfuumlr Infor-mationen in einer fruumlheren Veroumlffentlichung [6] oder in den Ergebnissen eines internationalen Vergleichs von LED-Messungen [7] finden

Fazit und Ausblick

Der Verzicht auf LEDs ist fuumlr Beleuchtungsan-wendungen nicht mehr vorstellbar Durch ihre kontinuierliche Weiterentwicklung erobern LEDs immer weitere Anwendungsfelder (z B Haus-halts- Straszligen- und Automobilbeleuchtung) mit denen der Endkunde in Kontakt kommt Bei diesen Anwendungen sind die Anforderungen an die Lichtquellen vielfaumlltig und fuumlr eine quantitative Beschreibung ihrer Eigenschaften muss auch die Messtechnik entsprechend umfassend und ausge-reift sein

Neben dem allgemeinen Forschungs- und Ent-wicklungsbedarf fuumlr bessere LED-Messverfahren und -geraumlte die die Grundlage ihrer technologi-schen Weiterentwicklung bilden gibt es eine weitere Herausforderung Aufgrund der nahezu unbe-grenzten Moumlglichkeiten eine bestimmte Lichtfarbe durch additive Farbmischung zu erhalten sind LEDs verschiedener Hersteller mit unterschiedlichen Emissionsspektren aber einer nominell gleichen aumlhnlichsten Farbtemperatur erhaumlltlich Dennoch ist teilweise ein Unterschied der Lichtfarbe mit bloszligem Auge erkennbar wenn sich unterschiedliche LEDs nebeneinander befinden

Es ist ungewoumlhnlich dass man ohne technische Hilfsmittel nominell gleiche Lichtfarben faktisch unterscheiden kann Um die Charakterisierung von LEDs soweit zu verbessern dass dies nicht mehr moumlglich ist ist einerseits eine Reduzierung der Messunsicherheit bei der Bestimmung der Normfarbwertanteile (Lichtfarbe) notwendig Andererseits muss man sich bewusst machen dass photometrische und colorimetrische Messverfahren auf rein physikalischen Zusammenhaumlngen basieren Individuelle menschliche Wahrnehmung und Sehen werden bei photometrischen Messungen nicht beruumlcksichtigt ndash diese werden durch Festlegung von exakt definierten Wichtungsfunktionen wie dem Hellempfindlichkeitsgrad fuumlr einen fiktiven Normalbeobachter ausgegrenzt Diese Wichtungs-funktionen koumlnnen gegebenenfalls auch noch optimiert werden um die objektive Beurteilung von Lichtquellen mit physikalischen Messmethoden zu verbessern Somit gibt es auch in Zukunft noch interdisziplinaumlre Herausforderungen fuumlr die Metro-logie moderner Lichtquellen

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Effektpigmente hellipPTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4

Einleitung

Farbe ist fuumlr Menschen die wohl auffaumllligste sub-jektive Stoffeigenschaft Bereits den Fruumlhmenschen war diese visuelle Qualitaumlt bekannt deren Wahr-nehmung allen Primaten eigen ist So wurde 2008 in Suumldafrika eine ca 100000 Jahre alte steinzeitli-che bdquoMalerwerkstattldquo entdeckt [1] Auch heutzu-tage spielt Farbe in der Gestaltung unserer Umwelt eine wichtige Rolle Jedes Jahr praumlsentiert uns die Mode die neuen Farben der Saison Farben dienen zur Regelung des Verkehrs Ohne bunte Farben waumlre unsere Welt trist und oumlde

Es ist wichtig festzustellen dass Farbe ein physiologischer Sinneseindruck ist wie z B auch Tasten oder Riechen D h Farbe ist keine immanente physikalische Eigenschaft eines Gegenstandes wie z B seine Masse oder Waumlrme-leitfaumlhigkeit Die physiologische Wahrnehmungs-kette ist hierbei folgende Das vom betrachteten Gegenstand reflektierte Licht trifft auf das Auge und loumlst hierbei einen Farbreiz aus Dieser Farbreiz beruht auf der spektralen Zusammensetzung des empfangenen Lichts d h er ist abhaumlngig von der verwendeten Lichtquelle und dem spektralen Reflexionsvermoumlgen des betrachteten Objektes Die Anregung der licht- und farbempfindlichen Zellen in der Netzhaut fuumlhrt zu einer Farbvalenz die uumlber den Sehnerv an das Gehirn weitergeleitet wird Die eigentliche Farbempfindung die wir dann mit einem Gegenstand verknuumlpfen entsteht erst im Gehirn [2] Liegt z B eine Farbfehlsich-tigkeit vor so kann der Farbeindruck des betrof-fenen Menschen auch ein ganz anderer sein Auch viele Tiere mit ihren teilweise erheblich abweichenden visuellen Systemen nehmen Farbe ganz unterschiedlich als wir Menschen wahr Im Folgenden soll mit Farbe immer die Koumlrperfarbe auch Gegenstandsfarbe Objektfarbe bzw Oberflauml-chenfarbe genannt einer nicht selbstleuchtenden Flaumlche bezeichnet werden die durch Reflexion von Licht an einem Koumlrper entsteht

Die genannten Zusammenhaumlnge machen die mathematisch-physikalische Beschreibung von Farbe schwierig und aufwendig da auch die spe-zifischen Eigenarten der menschlichen Wahrneh-

mungskette nachgestellt werden muumlssen Diesem Umstand wird versucht uumlber die verschiedenen Farbmaszligsysteme Rechnung zu tragen welche die Farbe eines Objektes mithilfe von quantifizierba-ren Zahlenwerten kennzeichnen [3]

Generell koumlnnen farbige Flaumlchen je nach Tageszeit und Lichteinfall sehr unterschiedlich wirken Die Aumlnderungen basieren hierbei auf der unterschiedlichen spektralen Zusammenset-zung des Tageslichts und den winkelabhaumlngigen Glanz- und Struktureigenschaften von Oberflauml-chen Ganz besonders deutlich ist dies bei auf dem Interferenzeffekt basierenden Effektpigmenten der Fall Deren visuelles Erscheinungsbild im englischen mit Visual Appearance bezeichnet kann sich bei variierendem Beobachtungswinkel und unterschiedlichen Lichtverhaumlltnissen komplett veraumlndern Man spricht hierbei von sogenannten Flop-Lacken wobei man zwischen Hell-Dunkel-Flop und Farb-Flop unterscheiden kann [4]

Generell kann man sagen dass Farbe und visuelle Effekte einen entscheidenden Anteil am Verkaufserfolg eines Produktes haben denn Farben wecken Emotionen und verschiedene Neuro marketingstudien belegen dass ca 95 aller Kaufentscheidungen emotional gepraumlgt sind [5] Deshalb spielt eine moderne Farbgestaltung unter Nutzung aktueller Effektpigmente im Pro-duktdesign eine entscheidende Rolle denn durch den Einsatz solcher Pigmente kann Gegenstaumlnden eine houmlhere Attraktivitaumlt verliehen werden Daher findet man moderne Effektpigmente heutzutage in vielen teilweise sehr unterschiedlichen Indus-trieprodukten wie z B in Autolackierungen Haumluserfassaden Kosmetikartikeln oder sogar bei Pralineacutes wie dies in Bild 1 zu sehen ist

Pigmente

Als Pigmente aus dem Lateinischen kommend von pigmentum fuumlr bdquoFaumlrbestoff Schminkeldquo bezeichnet man aus Teilchen bestehende im Anwendungs-medium praktisch unloumlsliche Sub stanzen die als Farbmittel oder wegen anderer spezieller physika-lischer und chemischer Eigenschaften als funktio-nale Farbzentren verwendet werden [6]

Effektpigmente Eine Herausforderung fuumlr die optische Messtechnik

Egbert Buhr Alfred Schirmacher Andreas Houmlpe

Dr Egbert Buhr Fachbereich bdquoBildshy und Wellenoptikldquo EshyMail egbertbuhrptbde

Dr Alfred Schirmacher Arbeitsshygruppe bdquoReflexion und Transmissionldquo EshyMail alfredschirmacherptbde

Dr Andreas Houmlpe dagger ehemals Arbeitsgrupshype bdquoReflexion und Transmissionldquo

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PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4Das Jahr des Lichtes

In der Natur vorkommende anorganische Pig-mente sind schon seit praumlhistorischen Zeiten bekannt Schon die Menschen der Steinzeit benutzen mineralische Pigmente fuumlr die ersten Houmlhlenzeichnungen Sie erkannten dass sie mit unterschiedlichen Erdsorten farbig malen konnten Eisenoxidhaltige Erden liefern gelbrote bis braunrote Kalk und Gips weiszlige Mangan-oxide sowie Holz- und Knochenkohle schwarze Farbtoumlne

Aus heutiger industrieller Sicht ist ein Pigment ein fein aufgeteilter und unloumlslicher Feststoff mit der Hauptfunktion das Erscheinungsbild des verwendeten Mediums zu verbessern oder es zu faumlrben Pigmente werden dem Medium immer durch physikalisches Mischen beigegeben dies unterscheidet sie von Farbstoffen die in ihrem Medium loumlslich sind

Pigmente koumlnnen nach den optischen Prin-zipien ihrer Wechselwirkung mit Licht unter-schieden und in verschiedene Klassen eingeteilt werden Wichtige Pigmentklassen sind Weiszlig- Bunt- Schwarz- und Effektpigmente die alle wegen ihrer speziellen farbgebenden Eigenschaf-ten eingesetzt werden Bei den Effektpigmenten

kann in einer ersten vereinfachten Einteilung noch zwischen Metalleffekt- und den sogenannten speziellen Effektpigmenten unterschieden werden

Der Begriff bdquospezielle Effektpigmenteldquo umfasst die Gruppen der Perlglanzpigmente und der all-gemeinen Interferenzpigmente welche insbeson-dere bei aktuellen Pigmententwicklungen nicht scharf abgegrenzt werden koumlnnen Perlglanzpig-mente sind Effektpigmente die aus transparenten Plaumlttchen mit hohem Brechungsindex bestehen Sie erzeugen durch die spezielle Form der Mehr-fachreflexion des transmittierten Lichts an mehre-ren Pigmenten einen perlenaumlhnlichen Effekt bei dem die auftreffende Strahlung verteilt reflektiert wird wodurch der Eindruck einer mit der Tiefe abnehmenden diffusen Helligkeit entsteht Fuumlr das Auge ergibt sich so eine scheinbar dreidimen-sionale Glanzcharakteristik die aus der Tiefe des Objektes zu kommen scheint Interferenzpigmente dagegen sind Effektpigmente deren farbgebende Wirkung ganz oder vorwiegend auf dem Effekt der Vielstrahlinterferenz von Licht an duumlnnen hoch-brechenden Schichten beruht Interferenzpigmente koumlnnen dabei sowohl auf transparenten oder auch nichttransparenten Plaumlttchen basieren

Bild 1 a) Roadster mit ChromaFlairreg-Effektpigmentlackierung b) Verwaltungsgebaumlude in Braunschweig verkleidet mit Alucobondreg-spectra-colours-Verbundplatten c) Effektpigmente im Nagellack d) Pralineacute mit Effektpigmentuumlberzug

a

dc

bb

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Effektpigmente hellipPTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4

Die heute verwendeten Pigmente lassen sich somit grob in fuumlnf verschiedene Klassen einteilen

1) Weiszligpigmente Die Pigmente streuen das ge-samte auftreffende Licht nahezu verlustfrei in alle Richtungen durch diffuse ungerichtete Reflexion

2) Buntpigmente Die Pigmente streuen einen Teil des Lichtes diffus und absorbieren wellenlaumln-genselektiv einen anderen Teil des Lichtes

3) Schwarzpigmente Die Pigmente absorbieren alle Wellenlaumlngen des fuumlr das menschliche Auge sichtbaren Spektralbereiches

4) Metalleffektpigmente Die aus duumlnnen Metall-plaumlttchen vorwiegend Aluminium bestehen-den Metalleffektpigmente sind lichtundurch-laumlssig und reflektieren das gesamte auftreffende Licht durch spekulare gerichtete Reflexion Die Pigmentpartikel wirken dabei wie Mikrospie-gel und fuumlhren bei paralleler Ausrichtung im Anwendungsmedium zu einem spiegelnden Metallglanz dem Metallic-Effekt

5) Spezielle Effektpigmente Perlglanz- bzw Inter-ferenzpigmente deren optische Wirkung auf der Mehrfachreflexion an uumlberwiegend flaumlchig aus-gebildeten und ausgerichteten transparenten semitransparenten oder lichtundurchlaumlssigen Partikeln beruht

Weiszlig- Bunt- und auch Schwarzpigmente weisen typische Durchmesser im Bereich von 100 nm bis zu 1 microm auf Ihre Groumlszlige liegt damit zum Teil im Bereich der Wellenlaumlnge des sichtbaren Lichtes welches den Bereich von 380 nm bis 780 nm uumlberdeckt Einige Schwarzpigmente wie z B Ruszlig-pigmente liegen mit ihren Durchmessern jedoch auch zum Teil auch deutlich darunter Effektpig-mente besitzen dagegen Teilchendurchmesser die zumeist im Bereich von 5 microm bis 100 microm in einigen Faumlllen auch daruumlber liegen Sie sind damit bezuumlglich der mittleren Plaumlttchendurch-messer wesentlich groumlszliger als die Wellenlaumlnge des sichtbaren Lichtes Die Dicke der Plaumlttchen liegt von einigen Ausnahmen abgesehen unter 1 microm ebenso wie die Dicke der Interferenzschichten Demzufolge weisen Effektpigmente in der Regel ein hohes Aspektverhaumlltnis auf (Verhaumlltnis der lateralen Ausdehnung einer Struktur zu ihrer Houmlhe) welches bis zu 200 betragen kann

Interferenzpigmente ndash Wie die Farben entstehen

Die Farbe von Interferenzpigmenten haumlngt von der Schichtdicke der Metalloxidbeschichtung und dem Einstrahlungs- und Betrachtungswinkel ab Beide Parameter bestimmen die effektive optische Weg-

laumlngendifferenz fuumlr das einfallende weiszlige Licht zwischen oberer und unterer Grenzflaumlche und die somit auftretenden Interferenzfarben siehe Bild 3

Interferenzpigmente zeigen somit einen aus-gepraumlgten bdquoFarbflopldquo Die Winkelabhaumlngigkeit der Farbe wird hierbei auch als Goniochromasie bezeichnet Richtig bunt geht es zu wenn ein Interferenzpigment auf einen bereits bunten Untergrund aufgebracht wird Die Transparenz der Pigmente laumlsst die Untergrundfarbe durch-

Bild 2 Schematische Diagramme zum spektralen Verhalten verschiedener Pigmenttypen

Bild 3 Die Schichtdicke der Metalloxidbeschichtung und der kombinierte Einstrahlungs- und Betrachtungswinkel bestimmen die optische Weglaumlnge und somit die sich ergebenden Interferenzfarben in Reflexion und Transmission

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PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4Das Jahr des Lichtes

Bild 5 Die Effekte Spar-kling (1) und Coarseness (2) des Effektpigmentes Xirallicreg Crystal Silver in einer vergroumlszliger-ten Aufnahme auf weiszligem (links) und schwarzem Hinter-grund (rechts)

scheinen im Glanzwinkel wird sie aber von der Interferenzfarbe uumlberstrahlt wie dies in Bild 4 zu sehen ist

Der Effekt eines Helligkeitsunterschiedes unter verschiedenen Betrachtungswinkeln wird als Helligkeitsflop bezeichnet und ist an sich nichts Neues Sind jedoch die einzelnen Pigmentteilchen

aufgrund ihrer planaren Reflexionsoberflaumlchen in gerichteter Beleuchtung direkt beobachtbar was fuumlr mittlere Teilchengroumlszligen von 30 microm und groumlszliger der Fall ist so ergibt dies einen Effekt welcher mit dem Begriff Sparkle (Glitzern Funkeln) bezeichnet wird (Bild 5) Aumlndert sich die Beleuchtung von einer gerichteten Einstrahlung wie es an einem wolkenlosen sonnigen Sommertag der Fall ist hin zu einer diffusen ungerichteten Einstrahlung wie an einem stark bewoumllkten Herbsttag so verschwin-det das Sparkling der Pigmente und verwandelt sich in eine Koumlrnigkeit der Oberflaumlche Dieses optische Phaumlnomen wird als Coarseness (Bild-koumlrnigkeit) bezeichnet und ist unabhaumlngig vom Betrachtungswinkel (Bild 5)

Als neuer Archetypus des Sparkle-Begriffes haben sich in den letzten Jahren die Xirallicreg Pig-mente (High Chroma Chrystal Effect Pigments) der Firma Merck KGaA entwickelt Durch die Beschich-tung von Aluminiumoxidplaumlttchen mit hochbre-chenden Metalloxiden und einer optimierten Dicke und Ebenheit aller am Pigment beteiligten Schich-ten entstehen auszligergewoumlhnlich stark reflektierende Effektpigmente die einen besonders intensiven Sparkle-Effekt aufweisen Man spricht hierbei auch von sogenanntem Living Sparkle welcher sich in einem scheinbaren bdquoTanzenldquo der leuchtenden Punkte in der Probenoberflaumlche bei Veraumlnderung der Beobachtungsgeometrie aumluszligert [7 8]

Generell gilt dass die Farbe von Objekten mit Effektlackierung nicht mehr wie jahrzehntelang uumlblich und ausreichend mit konventionellen Farb-messgeraumlten mit nur einer festen Messgeometrie wie z B in der 45deg 0deg Geometrie (Einstrahlung unter 45deg Reflexionsmessung unter 0deg) bestimmt werden kann Dieser Umstand wird sehr gut durch die Grafik in Bild 6 illustriert Dargestellt sind die winkelabhaumlngig gemessenen Farbkoordinaten von drei verschiedenen keramischen Farbstandards der Farben rot gruumln und blau sowie eines mit dem Effektpigment Viola Fantasy der Firma Merck lackierten Blechs Der Einfallswinkel des Lichts auf die Proben betrug hierbei immer 45deg zur Oberflauml-chennormalen Das von den Proben reflektierte Licht wurde an 26 Positionen in einem 5deg Raster in planaren die Oberflaumlchennormale enthalten-den Messgeometrien im Winkelbereich von ndash70deg bis +70deg aufgenommen Bei den aus absorptiven Pigmenten bestehenden Keramiken zeigt sich eine nur sehr geringe Winkelabhaumlngigkeit der Farbe welche groumlszligtenteils auf unterschiedlicher winkelabhaumlngiger Helligkeit d h den Glanzeigen-schaften der Oberflaumlche beruht Das Effektpigment dagegen zeigt einen extremen winkelabhaumlngigen Farb-Flop (Goniochromasie) welcher einen Farbverlauf von Gruumln uumlber Rot-Gelb hin ins Blau-Violett bietet

Aber auch die neuen Lackfarben aus der Gruppe der Effektlackierungen muumlssen messtechnisch

Bild 4 Merck-Xirallicreg-Solaris-Red-Effektpigmente appliziert auf einem mit Standard-Ab-sorptionspigmenten hellblau lackierten Metallblech In Rich-tung des Glanzwin-kels auf der rechten Seite zeigt sich der langsame Aufbau der winkelabhaumlngigen Interferenzfarbe

1

Bild 6 CIELab Farbkoordinaten einer winkelabhaumlngigen Reflexionsmessung an vier verschiedenen Proben drei Keramiken der Farben rot gruumln blau und eine Effektpigmentlackierung mit Merck Colorstreamreg Viola Fantasy Das untergelegte Farbschema zeigt naumlherungsweise die den Koordinaten entsprechende Farbe

2

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Effektpigmente hellipPTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4

Abbildungsoptik Messungen der ortsaufgeloumlsten Leuchtdichte auf einer Laumlngenskala bis hinab zu 28 microm auf der zu untersuchenden Probe siehe Bild 8

Mit der Zeilenkamera sind Messungen von kompletten Reflexionsspektren im sichtbaren Spektralbereich zwischen 380 nm und 780 nm dem sogenannten V(λ)-Bereich auf einer Zeit-skala von 2 Minuten moumlglich Hieraus lassen sich dann Farbkoordinaten der untersuchten Proben in den unterschiedlichsten Farbraumsystemen berechnen Eine absolute Messung in 114 Win-kelkombinationen (siehe Bild 9) im Polarwinkel-

erfasst und ruumlckgefuumlhrt werden um eine gleich-bleibende Qualitaumlt in der Produktion gewaumlhrleis-ten zu koumlnnen Gerade diese vielfaumlltigen zusaumltz-lichen Eigenschaften stellen die Farbmesstechnik vor neue Herausforderungen

Farbmessung

Bisherige kommerzielle Farbmessgeraumlte charakte-risieren Probenoberflaumlchen fast ausschlieszliglich in den eben schon erwaumlhnten sogenannten in-plane Reflexionsgeometrien Dabei liegen die Richtun-gen des eingestrahlten und des reflektierten Lichts sowie die Oberflaumlchennormale der Probe in einer Ebene Diese Einschraumlnkung entspricht jedoch in keiner Weise der taumlglichen Realitaumlt bei der Oberflaumlchen aus beliebigen Richtungen beleuchtet und betrachtet werden Seitens der Messgeraumlteher-steller und Anwender gibt es daher einen Trend zur erweiterten Charakterisierung bezuumlglich zusaumltzlicher Winkelkombinationen im dreidimen-sionalen Raum Spitzenreiter dieser Entwicklung am Markt ist derzeit ein tragbares Mehrwinkel-Spektralphotometer mit insgesamt 19 verschie-denen Reflexionsgeometrien [9] Hiermit scheint aber auch das Ende dieser Entwicklung im Bereich der portablen handgefuumlhrten Geraumlte erreicht Der Wunsch der Anwender geht aktuell wieder zuruumlck zu einer geringeren Anzahl von Winkelkombi-nationen denn es ist unklar wie man aus dem Mehr an winkelaufgeloumlsten Reflexionsdaten die fuumlr die Charakterisierung der Farbeigenschaften relevanten Informationen gewinnen kann Daher stellt sich die Frage welches sind bdquoguteldquo d h an die Messaufgabe adaptierte optimal geeignete Messgeometrien

Um diese Frage zu beantworten betreibt die AG 424 bdquoReflexion und Transmissionldquo der PTB zwei roboterbasierte Gonioreflektometer die eine winkelaufgeloumlste Reflexionsmessung in beliebi-gen bidirektionalen Geometrien ermoumlglichen [10ndash12] Diese beiden Apparaturen sind in Bild 7 dargestellt

Das Standard-Gonioreflektometer ist hierbei das nationale Normal fuumlr die Messgroumlszlige spektraler Strahldichtefaktor in gerichteten Geometrien Es dient der Realisierung Bewahrung und Weiter-gabe der gerichteten Reflexionsskale in Form von Kalibrierungen Die zweite Apparatur bezeich-net mit dem Acronym ARGon3 (3D Appearance Robot-based Gonioreflectometer) ist ein flexibles Forschungsgeraumlt mit dem experimentelle Unter-suchungen u a im Rahmen des EMRP-Projektes Multidimensional Reflectometry for Industry der EU [13] durchgefuumlhrt werden Im Ver gleich zum Standard-Gonioreflektometer ist dieses Geraumlt mit einer photometrischen Leuchtdichteka-mera und einer Zeilenkamera ausgeruumlstet Die Leuchtdichtekamera erlaubt mit einer speziellen

Bild 7 Die beiden roboter-basierten Gonio-reflektometer der PTB oben Standard-Gonioreflektometer fuumlr Kundenkalibrie-rungen unten ARGon3-Messplatz fuumlr Forschungsanwen-dungen

Bild 8 Visualisierung desSparkling-Effektesvon Xironareg-Volcanic-Sparks-Pigmenten als Falschfarben-darstellung der ortsaufgeloumlsten LeuchtdichteDie bdquoNadelnldquo zeigendie Position derPigmente an

Bild 9 Beispielgeometrien zur Messung der winkelabhaumlngigen Reflexionseigen-schaften Realisiert wurden 4 Einstrah-lungsrichtungen (rote Pfeile) mit jeweils 114 Reflexionswinkeln (schwarze Punkte) im Bereich der Viertel-kugel oberhalb der Probenoberflaumlche

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PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4Das Jahr des Lichtes

bereich 0deg bis 70deg gleichmaumlszligig verteilt uumlber den Viertelraum oberhalb der Probe dauert hierbei ca 4 Stunden [14] Die so erhaltenen Daten bilden die Basis fuumlr kuumlnftige Verbesserungen in der Mess-technik fuumlr Anwender und Hersteller

Im Rahmen des EMRP-Projektes Multidimen-sional Reflectometry for Industry [13] sind damit die winkelabhaumlngigen Reflexionsspektren von insgesamt 66 verschiedenen Effektpigmentproben gemessen worden [15 16] Bei den vier verschie-denen Einstrahlungsrichtungen verbunden mit jeweils 114 Reflexionswinkeln im Bereich der Vier-telkugel oberhalb der Probenoberflaumlche ergeben sich somit uumlber 30000 Reflexionsspektren

Zielsetzung der Untersuchungen ist die Ver-besserung der Metrologie zur Materialcharak-terisierung mit reduzierter Messunsicherheit Dazu werden neue Messvorschriften und neue Standardmessartefakte entwickelt mit denen die Industrie die visuelle Wahrnehmung der von ihr produzierten Oberflaumlchen gezielt charakterisie-ren und kontrollieren kann Solche Messungen sollten einfach auszufuumlhren sein und die Ergeb-nisse muumlssen soweit wie moumlglich mit der visuellen menschlichen Wahrnehmung korrelieren Im europaumlischen und internationalen Rahmen sollen die Ergebnisse in die Normung einflieszligen um die allgemeine Vergleichbarkeit solcher Messungen zu gewaumlhrleisten

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Die 50 Sitzung des Internationalen Komitees fuumlr das gesetzliche Messwesen (CIML) fand vom 20 bis 22 Oktober 2015 in Arcachon Frankreich statt Im Vorfeld der CIML-Sitzung fand ein ein-taumlgiges OIML-Seminar uumlber Countries and Econo-mies with Emerging Metrology Systems (CEEMS) statt uumlber das weiter unten berichtet wird

Das CIML ist der Lenkungsausschuss der OIML Es trifft sich jaumlhrlich und besteht aus je einem Repraumlsentanten der Mitgliedstaaten der korrespondierenden Mitglieder und den Vertre-tern internationaler und regionaler Organisa-tionen die als Beobachter teilnehmen koumlnnen Das CIML ist zustaumlndig fuumlr die Vorbereitung und Durchfuumlhrung der Entscheidungen der Konfe-renz die alle vier Jahre stattfindet Es uumlberwacht die Arbeiten der Technischen Komitees und Unterkomitees und des Internationalen Buumlros fuumlr das gesetzliche Messwesen (BIML) in Paris

An der 50 CIML-Sitzung nahmen 144 Teilneh-mer aus 43 Mitgliedstaaten und 13 korrespondie-renden Mitgliedstaaten teil Zur deutschen Dele-gation gehoumlrten neben den o g Autoren auch die Herren Johann Fischer Direktor des Landesamts fuumlr Mess- und Eichwesen Berlin-Brandenburg sowie Prof Olaf Kuumlhn Direktor des Thuumlringer Landesamts fuumlr Verbraucherschutz als Vertreter der Bundeslaumlnder Dr Peter Ulbig Leiter der Abteilung Wissenschaftlich-technische Quer-schnittsaufgaben der PTB und Prof Manfred Kochsiek Vizepraumlsident a D der PTB ehema-liger CIML-Praumlsident und Ehrenmitglied der OIML Frau Dr Anna Cypionka persoumlnliche Referentin des Praumlsidenten der PTB nahm am OIML-Seminar fuumlr CEEMS teil Vertreten waren auch wieder internationale und regionale Orga-nisationen zu denen die OIML Verbindungen unterhaumllt wie das Internationale Buumlro fuumlr Maszlig und Gewicht (BIPM) die GSO-GCC Standardiza-tion Organization (Saudi-Arabien) die Internatio-nal Laboratory Accreditation Cooperation (ILAC) und der Europaumlische Verband der Waagenherstel-ler (CECIP)

Alle Beschluumlsse der 50 CIML-Sitzung koumlnnen auf den Internetseiten der OIML aufgerufen werden [1 2]

Die wichtigsten Entscheidungen und Entwick-lungen werden nachfolgend vorgestellt

1 Personalangelegenheiten

Der Vertrag von Willem Kool als Assistant Director wurde um vier Jahre der Vertrag des BIML-Direk-tors Stephen Patoray um drei Jahre verlaumlngert

2 Einfuumlhrung des PG Workspace im Internet

In seinem Bericht im Zusammenhang mit der Etablierung des neuen Webauftritts der OIML hob der CIML-Praumlsident Peter Mason (UK) die erfolgreiche Einfuumlhrung des Workspace fuumlr Pro-jektgruppen hervor Durch die Online-Arbeit wird erwartet dass die technische Arbeit an neuen bzw zu revidierenden OIML-Dokumenten vereinfacht und insgesamt effizienter wird

3 Revision der technische Richtlinien fuumlr die OIML (B 6 Directives for OIML tech-nical work)

In einem neuen Projekt sollen die in den vergan-genen Jahren revidierten OIML-Richtlinien fuumlr die technische Arbeit erneut uumlberarbeitet werden um u a den Prozess der Entwicklung und Uumlber-arbeitung von OIML-Publikationen noch weiter zu beschleunigen und den neuen internetbasierten Technologien und Arbeitsweisen Rechnung zu tragen

4 Umfassende strukturelle Uumlberarbeitung des OIML Certificate System

Das CIML verabschiedete die Gruumlndung einer Projektgruppe mit der Aufgabe einer substan-ziellen Uumlberarbeitung des OIML-Zertifizierungs-systems das z Zt aus dem Basiszertifizierungs-system und dem MAA3 besteht Urspruumlnglich ausgehend von der Annahme die Akzeptanz des MAA-Zertifizierungssystem muumlsse verstaumlrkt werden eine groumlszligere Verbreitung finden und mehr Messgeraumltearten abdecken erscheint es

Aktuelles aus der OIML (Internationale Organisation fuumlr das Gesetzliche Messwesen)Bericht uumlber die 50 Sitzung des CIML in Arcachon FrankreichSusanne Ludwig Roman Schwartz

INTERNATIONALE ZUSAMMENARBEIT

Susanne Ludwig OIMLshyGeschaumlftsstelle der PTB EshyMail susanneludwigptbde

Dir u Prof Dr Roman Schwartz Vizepraumlsident der PTB deutsches Mitglied im Internashytionalen Komitee fuumlr das Gesetzliche Messwesen (CIML) und CIMLshyVizepraumlsishydent EshyMail romanschwartzptbde

3 Mutual Acceptance Arrangement (Abshykommen zur gegenshyseitigen Anerkennung von Bauartpruumlfungen)

46

PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4Internationale Zusammenarbeit

inzwischen sinnvoller und wurde so auch vom CIML beschlossen zum 112017 ein einziges OIML-Zertifizierungssystem einzufuumlhren Eine Projektgruppe (Certification System Project Group = CSPG) unter dem Vorsitz des CIML-Vizepraumlsi-denten Dr Roman Schwartz wurde damit beauf-tragt die notwendigen Dokumente und Prozedu-ren auszuarbeiten

5 OIML-Seminar fuumlr Countries and Economies with Emerging Metrology Systems (CEEMS)

Im Vorfeld der CIML-Sitzung wurde ein eintaumlgiges Seminar zum Thema Developing an OIML Package for Assistance to Countries with Emerging Metro-logy Systems (CEEMS) abgehalten In vier Sitzun-gen diskutierten 125 Teilnehmer aus 49 Laumlndern uumlber Moumlglichkeiten Laumlnder beim Aufbau von nationalen Metrologiesystemen zu unterstuumltzen In der ersten von Frau Dr Cypionka geleiteten Sitzung Capacity Building ging es um die allge-meinen Herausforderungen bei der Gestaltung von Programmen zur Foumlrderung von Handlungs-kompetenzen und Vermittlung von Wissen fuumlr die Metrologie In zwei weiteren Sitzungen wurden unter den Themen Helping CEEMS Improve Regulation in their Markets (Leitung Prof Dr Manfred Kochsiek) und New Ideas ndash Doing Legal Metrology Differently (Leitung Stuart Carstens

Suumldafrika) konkrete inhaltliche Loumlsungsvorschlaumlge vorgestellt und diskutiert Die Ergebnisse wurden in der 50 CIML-Sitzung vorgestellt und fanden ihren Niederschlag in der Resolution Nr 201510 [2] sie sollen auch noch auf den OIML-Webseiten veroumlffentlicht werden [1]

6 OIML-Publikationen

Folgende OIML-Publikationen wurden verabschiedet

R 139-3 Compressed gaseous fuels measuring systems for vehicles Part 3 Test report format

New Recommendation (R 145) Ophthalmic instru-ments mdash Impression and applanation tonometers

Alle OIML-Publikationen stehen im Internet frei zur Verfuumlgung [3]

Gleichzeitig wurde die Revision der folgenden OIML-Publikation beschlossen

Revision of R 79 Labeling requirements for prepackages

Folgende neue Projekte wurden verabschiedet

Revision des OIML-Dokuments B 6-1 Directives for OIML technical work

Bild 1 Teilnehmer der 50 Sitzung des Internationalen Komitees fuumlr Gesetz-liches Messwesen (CIML) in Arcachon Frankreich

47

PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4 Aktuelles aus der OIML

TC 8SC 1 Revision R 71 Fixed storage tanks mdash General requirements

TC 8SC 1 Revision R 85 Automatic level gauges for measuring the level of liquid in stationary storage tanks

7 Personalien und Ehrungen

Die von Dr Seiler dem ehemaligen Leiter des Fachbereichs bdquoTechnische Zusammenarbeitldquo der PTB initiierte OIML-Auszeichnung fuumlr bdquoexzel-lente Beitraumlge von Entwicklungslaumlndern zum gesetzlichen Messwesenldquo ging in diesem Jahr an

bull Nam Hyuk Lim Director of Korea Testing Certi-fication und

bull The Metrology Department Saint Lucia Bureau of Standards

Die OIML-Medaille fuumlr besondere Verdienste um die OIML-Arbeit ging an Ngo Quy Viet Vietnam und Cartaxo Reis aus Portugal

8 Termine

Ein Gastgeberland fuumlr die 51 CIML-Sitzung und 15 OIML-Konferenz im Jahr 2016 konnte noch nicht bekannt gegeben werden es wird aber wahr-scheinlich wieder Frankreich sein Weitere OIML-Veranstaltungen und -Termine finden sich auf der OIML-Webseite unter [4]

9 Literatur

[1] httpswwwoimlorgen (letzter Aufruf 19112015)

[2] httpswwwoimlorgenstructurecimlpdf50-ciml-resolutions-englishpdf (letzter Aufruf 19112015)

[3] httpswwwoimlorgenpublicationsrecommen-dationspublication_viewp_type=1ampp_status=1

[4] (letzter Aufruf 19112015)[5] httpswwwoimlorgeneventscalendar

(letzter Aufruf 19112015)

48

TECHNOLOGIETRANSFER

E27-Scanner fuumlr UlbrichtkugelnMit dem besonders einfach ohne Umbau einsetzbaren E27-Scanner koumlnnen Anwender und Hersteller die Homogenitaumlt ihrer Ulbricht-kugeln bestimmen und die Ergebnisse zur Berechnung genauerer Lichtstroumlme und zur Dokumentation der Qualitaumlt ihrer Messungen nutzen

Hintergrund

Wie viel Licht eine Lampe insgesamt in alle Richtungen abstrahlt wird durch ihren Lichtstrom ausgedruumlckt Um den fuumlr die Bestimmung der Energieeffizienz von Lampen notwendigen Lichtstrom schnell zu er mitteln setzt die Lampenindustrie Ulbrichtkugeln ein An einer Stange in der Mitte der Ulbrichtkugel befindet sich eine E27-Lampen-fassung in die nacheinander die Lichtstrom-Normallampe und die zu kalibrierende Lampe eingeschraubt werden Das indirekt auf den Mess-kopf fallende Licht erzeugt einen Photostrom der im Idealfall propor-tional zu dem von der Lampe abgestrahlten Lichtstrom ist unabhaumlngig von der Richtung in die das Licht abgestrahlt wird

Dies ist jedoch bei einer ungleichmaumlszligigen Beschichtung der Kugel sowie bei einer im Laufe der Zeit nicht zu verhindernden Verstaubung nicht der Fall Deshalb wird mit einem Kugelscanner die Homogenitaumlt der Kugel regelmaumlszligig vermessen und ein Korrekturfaktor bestimmt der von der jeweiligen Abstrahlcharakteristik der zu untersuchenden Lampe abhaumlngt

Technische Beschreibung

Der Kugelscanner wird einfach in eine E27-Fassung geschraubt und das sonst fuumlr die Lampenversorgung eingesetzte Netzgeraumlt wird durch die Steuereinheit ersetzt Diese uumlbernimmt sowohl die elektrische Versor-gung als auch die Befehlsuumlbermittlung zum Kugelscanner Die Steuer-einheit wird via USB oder RS232 an einen Computer angeschlossen Das mitgelieferte Messprogramm stellt automatisiert alle gewuumlnschten Richtungen ein und speichert die zugehoumlrigen von der Steuereinheit gemessenen Photostroumlme des Photometers

Wirtschaftliche Bedeutungw

Fuumlr Lampenindustrie und Hersteller von Ulbrichtkugeln

bull Genauere Messung des Lichtstroms

bull Bestimmung des Zeitpunkts einer Neubeschichtung

bull Uumlberwachung beim Beschichten

bull Dokumentation des Zustands der Ulbrichtkugel

EntwicklungsstandDer E27-Kugelscanner wurde in der PTB entwickelt Er wird laufend fuumlr Kalibrierungen eingesetzt Die Technologie wurde an die Firma Czibula amp Grundmann transferiert und wird dort mit einer PTB-Lizenz gebaut und vertrieben wwwphoto-metercom

Ansprechpartner

Dr Bernhard SmandekBeauftragter fuumlr TechnologietransferTelefon +49 531 592shy8303Telefax +49 531 592shy69shy8303EshyMail technologietransferptbde

Dr Stefan WinterFachbereich Photometrie und Radiometrie

Abbildung des E27shyKugelscanners Eine stark fokussierende Lampe die computergesteuert in alle Richtungen leuchten kann

Vorteile

bull Schneller Einbau in E27shyFassung

bull Computergesteuertes Abscannen der gesamten Ulbrichtkugel

bull Flexible Messmoumlglichkeiten

bull Fuumlr genauere Lichtstromshymessungen

bull Wichtig fuumlr die Qualitaumltsshysicherung

PTBshyNummer 0172

wwwtechnologietransferptbde

49

PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4 Technologieangebote

Ansprechpartner

Dr Bernhard SmandekBeauftragter fuumlr TechnologietransferTelefon +49 531 592shy8303Telefax +49 531 592shy69shy8303EshyMail technologietransferptbde

Dr Stefan WinterArbeitsgruppe Solarzellen

PulsshyzushyCWshyKonverter

Umwandlung gepulster Laser-Strahlung in konstante StrahlungIn weiten Bereichen der optischen Metrologie ist eine Strahlungs-quelle von groszligem Nutzen die sich spektral vom UV-C bis ins mitt-lere IR durchstimmen laumlsst Lediglich Laser mit gepulster Strahlung erfuumlllen diese Anforderung bei ausreichend groszligem Ausgangssignal bisher luumlckenlos Femtosekunden-Lasersysteme waumlren aufgrund ihrer gut automatisierbaren und spektral weiten Durchstimmbarkeit die ideale Strahlungsquelle fuumlr z B radiometrische Anwendungen ndash wenn ihre Strahlung nicht gepulst waumlre

Durch das extreme Puls-Pausen-Verhaumlltnis von 10ndash5 entstehen hohe Spitzenleistungen die wiederum zu Saumlttigungseffekten bei Detek-toren und in der Folge zu nichtlinearem Verhalten fuumlhren koumlnnen Mit dem in der PTB entwickelten Puls-zu-CW-Konverter wird dieses Problem geloumlst

Technische Beschreibung

Bei dieser Methode werden Pulse gepulster Strahlungsquellen ausrei-chend hoher Repetitionsrate in CW-Strahlung umgewandelt Dabei wird jeder Puls in viele kleine Teilpulse aufgeteilt die auf unterschiedlich langen Wegstrecken unterschiedliche Laufzeiten erfahren Am Ausgang des Systems erscheinen sie dann zeitlich gleichmaumlszligig verteilt Realisiert wird dieser Puls-zu-CW-Konverter uumlber ein Glasfaserbuumlndel bei dem jede Einzelglasfaser eine individuell festgelegte Laumlnge besitzt

Mit der Entwicklung des Puls-zu-CW-Konverters wurde das ent-scheidende Manko beim Einsatz leistungsstarker Femtosekunden(fs)-Lasersysteme im Bereich der Metrologie beseitigt und erstmalig gepulste Laserstrahlung in CW-Strahlung umgewandelt Diese Neuentwicklung ermoumlglicht es nun herkoumlmmliche Monochromatorsysteme durch fs-Lasersysteme zu ersetzen die eine bis zu 1000-mal houmlhere spektrale Ausgangsleistung besitzen

Wirtschaftliche Bedeutung

Durch den neuen Puls-zu-CW-Converter koumlnnen in wirtschaftlich bedeutenden Bereichen wie z B der Photovoltaik der Photometrie der UV-Strahlungsmesstechnik und der Reflektometrie die Referenz- und Transfernormale mit einer deutlich reduzierten Messunsicherheit kali-briert werden Hier werden bislang wesentliche Messunsicherheitsan-teile durch zu geringe Strahlungsleistungen aus herkoumlmmlichen Mono-chromatorsystemen verursacht

Entwicklungsstand

Unter DE 10 2010 011 615 B4 wurde fuumlr den CW-Konverter ein Patent erteilt

Vorteile

bull Zeitliche Glaumlttung gepulster Laserstrahlung

bull Keine stoumlrenden Interferenzen

bull Nur minimale Absorption des Messsignals

bull Auch bei kuumlrzeren Wellenshylaumlngen ohne Ulbrichtkugel verwendbar

bull Kontinuierliche Verteilung des Ausgangspulses

bull Pulsvervielfachung

bull Houmlhere Strahlungsleistung

PTBshyNummer 0254

wwwtechnologietransferptbde

50

PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4Technologieangebote

50

Homogenisierung von Strahlungsquellen und Focal Plane Arrays (FPA)Ein neuartiges Verfahren ermoumlglicht softwaregestuumltzt eine deutlich verbesserte Kalibrierung von Mehrelement-Sensoren (FPA) und bildgebenden Systemen (Kameras) Bei flaumlchigen Strahlungsquellen kann zusaumltzlich eine gezielte Ansteuerung von Flaumlchenelementen zu einer bisher im Allgemeinen nicht erreichbaren Flaumlchenhomogenitaumlt fuumlhren

Technische Beschreibung

Flaumlchenstrahler dienen der Kalibrierung von ortsaufloumlsenden Strah-lungssensoren wobei davon ausgegangen wird dass die Emissionsflaumlche des Strahlers im Wesentlichen homogen bezuumlglich ihrer Strahldichte bzw Strahlungstemperatur ist Um kleine Inhomogenitaumlten eines Flaumlchenstrahlers zu charakterisieren ist es ein gaumlngiges Verfahren die Emissionsflaumlche punktweise mit einem Einzeldetektor abzutasten

Das neue PTB-Verfahren ist wesentlich schneller da es den Mehr-element-Sensor (FPA) das device-under-test selbst nutzt und damit immer ein Gesamtbild der Quelle aufnimmt Werden jetzt weitere Bilder zeilen- oder spaltenversetzt aufgenommen so erlaubt ein mathema-tischer Algorithmus bei nur drei Bildern eine komplette Charakterisie-rung des Sensors aber auch der Quelle

Sind Flaumlchenelemente der Strahlungsquelle einzeln ansteuerbar so ist es sogar moumlglich mittels der ermittelten Korrekturwerte zu Strahlquellen extrem hoher Homogenitaumlt im on-line-Betrieb zu gelangen

Wirtschaftliche Bedeutung

Bildgebende Strahlungssensoren und homogene Strahlungsquellen sind relevant fuumlr die Forschung und Entwicklung fuumlr die Prozesstechnik fuumlr die Charakterisierung der Energieeffizienz von Bauten bei der Ent-wicklung neuer Bauteile mit hoher thermischer Belastung und in vielen weiteren Bereichen Der mathematische Algorithmus ist aber auf unter-schiedliche Arten von Kamerasystemen anwendbar und damit auch fuumlr die Qualitaumltssicherung von CCD-Kameras bis hin zum Konsumguuml-termarkt anwendbar EntwicklungsstandEine deutsche Patenterteilung erfolgte im September 2015 Eine PCT-Anmeldung ist anhaumlngig Kooperations- und Lizenzpartner aus den Bereichen Thermografie Radiometrie und Photometrie zur Umsetzung des Konzeptes werden gesucht

Ansprechpartner

Dr Bernhard SmandekBeauftragter fuumlr TechnologietransferTelefon +49 531 592shy8303Telefax +49 531 592shy69shy8303EshyMail technologietransferptbde

DiplshyIng Berndt GutschwagerArbeitsgruppeInfrarotshyStrahlungsthermometrie

Stahlungsmessplatz der PTB zur Kalibrierung von Temperaturstrahlern und Waumlrmebildkashymeras

Vorteile

bull Schnelle Kalibrierung von Flaumlchensensoren (FPA)

bull Schnelle Kalibrierung von Flaumlchenstrahlern

bull Strahlquellen houmlchster Hoshymogenitaumlt

bull Fuumlr Thermografie und Phoshytometrie

PTBshyNummer 00374

wwwtechnologietransferptbde

Verlag Fachverlag NW in der Carl Schuumlnemann Verlag GmbHZweite Schlachtpforte 728195 Bremen Internet wwwschuenemannde E-Mail infoschuenemann-verlagde

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Erscheinungsweise und Bezugspreise Die PTB-Mitteilungen erscheinen viermal jaumlhrlich Das Jahresabonnement kostet 3900 Euro das Einzelheft 1200 Euro jeweils zzgl Versandkosten Bezug uumlber den Buchhandel oder den Verlag Abbestellungen muumlssen spaumltestens drei Monate vor Ende eines Kalenderjahres schriftlich beim Verlag erfolgen

Alle Rechte vorbehalten Kein Teil dieser Zeitschrift darf ohne schriftliche Genehmigung des Verlages vervielfaumlltigt oder verbreitet werden Unter dieses Verbot faumlllt insbesondere die gewerbliche Ver-vielfaumlltigung per Kopie die Aufnahme in elektro-nische Datenbanken und die Vervielfaumlltigung auf CD-ROM und in allen anderen elektronischen Datentraumlgern

Printed in Germany ISSN 0030-834X

Die fachlichen Aufsaumltze aus dieser Ausgabe der PTB-Mitteilungen sind auch online verfuumlgbar unterdoi 10779531020150499

Die Physikalisch-Technische Bundesanstalt das nationale Metrologieinstitut ist eine wissenschaftlich-technische Bundesoberbehoumlrde im Geschaumlftsbereich des Bundesministeriums fuumlr Wirtschaft und Energie

mitteilungen

Impressum

Die PTB-Mitteilungen sind metrologisches Fachjournal der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt Braunschweig und Berlin Als Fachjournal veroumlffentlichen die PTB- Mitteilungen wissenschaftliche Fachaufsaumltze zu metrologischen Themen aus den Arbeitsgebieten der PTB Die PTB-Mitteilungen stehen in einer langen Tradition die bis zu den Anfaumlngen der Physikalisch-Technischen Reichsanstalt (gegruumlndet 1887) zuruumlckreicht

Bundesallee 100 38116 Braunschweig

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Telefon 0531 592-3006 Fax 0531 592-3008 E-Mail presseptbde wwwptbde

Physikalisch-Technische BundesanstaltBraunschweig und BerlinNationales Metrologieinstitut

Die Physikalisch-Technische Bundesanstalt das nationale Metrologieinstitut ist eine wissenschaftlich-technische Bundesoberbehoumlrde im Geschaumlftsbereich des Bundesministeriums fuumlr Wirtschaft und Energie

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20

PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4Das Jahr des Lichtes

das Goniophotometerkoordinatensystem bezogen auf dessen Zentrum Center Bild 1a zeigt moumlgliche Offsets zwischen diesen Systemen in Translation und Rotation

Um folgende Betrachtungen und Erklaumlrungen zu vereinfachen werden die genannten Koordina-tensysteme als deckungsgleich angenommen das heiszligt es werden keine Offsets in Translation und Rotationen zwischen den Koordinatensysteme vorausgesetzt

Im Weiteren werden die Eigenschaften Vor- und Nachteile der uumlber Dekaden in der PTB entwi-ckelten und genutzten Goniophotometer unter Beruumlcksichtigung der gewuumlnschten vorstehend gelisteten Eigenschaften diskutiert Es beginnt mit einem einfachen Einarm-Goniophotometer aus den 50er-Jahren des vergangenen Jahrhunderts und endet zumindest vorlaumlufig mit dem State-of-the-art-Roboter-Goniophotometer das 2007 in Betrieb ging

21 Einarm-Goniophotometer (1950ndash1975)

In der Zeit von 1950 bis 1975 wurde ein manuell betriebenes Einarm-Goniophotometer nach Bild 2 benutzt In den 50er-Jahren war diese Messappara-tur noch mit einem visuellen Photometer ausge-stattet Dieses Photometer erlaubte die relative Messung von Beleuchtungsstaumlrken mittels einer im Photometer installierten Hilfslampe in Verbindung mit einem optischen Abschwaumlcher [2 Seite 321] Die Ruumlckfuumlhrung auf die nationale Lichtstaumlrke-Einheit die Candela war durch Kalibrierung des visuellen Photometers mit Lichtstaumlrke-Normal-lampen sichergestellt (dies erfuumlllt Anforderung 1 der Anforderungsliste) entsprechend basieren auch Abstandsmessungen auf der nationalen Laumln-geneinheit dem Meter

Wegen der Lageabhaumlngigkeit der internen Hilfs-lampe im Innern des visuellen Photometer war es an einer festen Stelle der Messapparatur ange-bracht wie Bild 2 zeigt Ein Spiegel-Prismen-Sys-tem leitete das Licht der zu untersuchenden Lampe auf das Photometer Eine detaillierte Beschreibung aumlhnlicher Systeme kann [2 Seite 319] entnommen werden Damit ist Anforderung 2 ebenfalls erfuumlllt

Die vollstaumlndige Bestimmung des Lichtstroms Φ erfordert eine groumlszligere Anzahl Messungen von Beleuchtungsstaumlrken fuumlr ebenso viele manuell eingestellte unterschiedliche Kugelkoordina-ten (ϑ φ) Wird die fiktive Kugel gemaumlszlig Bild 1 in ϑ-Richtung in parallele Zonen eingeteilt und jede dieser Zonen i ist wiederum in n Sektoren j gleicher Laumlnge (Δφ = const) mit den zugehoumlrigen Beleuchtungsstaumlrken Eij unterteilt ist es moumlglich die mittlere Beleuchtungsstaumlrke Endashi jeder Zone i nach Gleichung 7 zu bestimmen

E Ei n i jj

n

==sum1

1 (7)

und der Wert des Lichtstroms Φ ergibt sich weiter aus der numerischen Integration nach Gleichung (8)

Φ = ( )minus ( )( )+

=sum2 2

10

1

πr cos cosϑ ϑi ii

m

iE-

(8)

Die Anzahl der notwendigen Beleuchtungsstaumlr-kemessungen haumlngt von der raumlumlichen Lichtver-teilung der zu untersuchenden Lampe ab Wegen der manuellen Einstellung des groszligen Arms (ϑ) der Drehung der Lampe (φ) und des gleichfalls noumltigen manuellen Abgleichs des visuellen Pho-tometers ist diese Methode sehr zeitaufwendig Sollen beispielsweise 600 Punkte gemessen werden (aus heutiger Sicht also nicht besonders viele) und man benoumltigt ca 25 Sekunden pro Messung werden also mehr als 4 Stunden benoumltigt um eine

Bild 1a Koordinatensysteme

Bild 2 Einarm-Go-niophotometer 1950ndash1975

21

PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4 Kurze Geschichte der Goniophotometrie in der PTB

Lampe mit relativ homogener raumlumlichen Licht-verteilung zu messen

In 1963 wurde ein internationaler Lichtstrom-vergleich auf der Basis von Entladungslampen ohne Fluoreszenzstoff durchgefuumlhrt Diese Lampen wiesen eine massive Inhomogenitaumlt ihrer raumlumlichen Lichtverteilung auf sodass die beschriebene manuelle Methode wegen der noumltigen hohen Anzahl von Messpunkten nicht praktikabel war Zur Loumlsung dieses Problems in [3] beschrieben wurde das visuelle Photometer durch einen grob an V(λ)-angepassten Photover-vielfacher ersetzt zusaumltzlich wurde die φ-Achse mit einem elektrischen Antrieb versehen und ein Praumlzisionskondensator ermoumlglichte die analoge Integration des Photostroms des Photovervielfa-chers Damit konnte fuumlr jede der erforderlichen ϑ-Einstellungen des groszligen Arms der elektri-sche Antrieb der φ-Achse diese mit konstanter Winkelgeschwindigkeit rotieren lassen waumlhrend der Praumlzisionskondensator den Photostrom des Photovervielfachers integrierte Nach etwa t = 5 min fuumlr eine Umdrehung repraumlsentierte die Ladung Q = C middot U des Praumlzisionskondensators die mittlere Beleuchtungsstaumlrke

E k C Uti = sdot (9)

dieser gemessenen Zone i Daraus berechnet sich der Lichtstrom wiederum gemaumlszlig Gleichung (8) Es ist nicht noumltig das Produkt k ∙ C exakt zu kennen da dies uumlber das Kalibrierverfahren durch die bekannte Beleuchtungsstaumlrke einer Lichtstaumlrke-Normallampe eliminiert werden kann es muss lediglich uumlber die gesamte Messzeit hinweg kons-tant sein

Spaumlter in den 1960er-Jahren wurde auch das visuelle Photometer durch ein modernes V(λ)-angepasstes Photometer basierend auf gefilterten Silizium-Photodioden in Kombination mit einen PhotostromSpannungswandler und einem xy-Plotter ersetzt Man erhielt so die Beleuchtungs-staumlrkeverteilung jeder Zone die sich dann leicht mit grafischen oder numerischen Verfahren inte-grieren lieszlig Es wird spaumlter gezeigt werden dass diese verwendete bdquoanaloge Zonenintegrationldquo sehr aumlhnlich der heutigen digitalen zonalen Bewertung ist

Diese letzten 2 Verbesserungen erfuumlllen die Anforderung 3 und teilweise auch die Anforde-rung 4

22 Kardan-Goniophotometer (1976ndash2007)

Das existierende Einarm-Goniophotometer war immer auf eine bdquohelfende Handldquo angewiesen um es von Punkt zu Punkt zu bewegen Die anschlie-szligende Berechnung des Lichtstroms wurde grund-saumltzlich ebenfalls haumlndisch ausgefuumlhrt Dieses Ver-

fahren war dementsprechend sehr zeitaufwendig und der zunehmende Wunsch der Industrie auch groszlige Objekte wie z B lange Leuchtstofflampen aber spaumlter auch sehr kleine Mikrolampen und erste LEDs zu kalibrieren fuumlhrte zur Entwicklung sogenannter Kardan-Goniophotometer ver schie-dener Ausfuumlhrungen

221 Groszliges Kardan-Goniophotometer

Nach der intensiven Umgestaltung einiger Raumlume im Koumlsters-Bau der PTB war es moumlglich im neuen Goniophotometerraum (7 x 10 x 8 m3) das Kar-dan-Goniophotometer [4] zu installieren Bild 3 zeigt das groszlige Kardan-Goniophotometer Am Bildoberrand ist eine zu kalibrierende stabfoumlrmige Leuchtstofflampe zu sehen

Dieser Raum war zusaumltzlich auch mit einer geregelten elektrischen Heizung ausgestattet um die geforderten Messbedingungen bezuumlglich Umgebungstemperatur einstellen zu koumlnnen Im Prinzip besteht ein Kardan-Goniophotometer wie in Bild 4 gezeigt aus 3 Rahmen wobei der aumluszligere α-Rahmen der raumlumlichen Ausrichtung (durch Drehung um die y-Achse) der zu untersu-chenden Lampe dient Innerhalb dieses aumluszligeren α-Rahmens ist der mittlere φ-Rahmen endlos drehbar um die z-Achse gelagert Der innere ϑ-Rahmen ist wiederrum drehbar im φ-Rahmen gelagert jedoch ist seine Bewegung auf knapp 180deg durch den noumltigen Lampenhalter begrenzt Alle 3 Rahmen sind mechanisch ausgeglichen und mit elektrischen Antrieben versehen Ihre Rotationsgeschwindigkeiten waren per 10-Gang-Praumlzisionspotentiometer einstellbar eine Folge der angewandten analogen Regelung der Achsan-triebe Die Winkelbestimmung der Achsen erfolgte mittels 13-bit-Winkelencodern Das Photometer war am ϑ-Rahmen (Bild 4) platziert und ermoumlg-lichte so einen festen Messradius von 2500 mm Es bestand die Moumlglichkeit ein zweites Photometer

Bild 3 Kardan-Goniophotometer 1976ndash2007

22

PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4Das Jahr des Lichtes

oder einen Farbmesskopf auf der gegenuumlberliegen-den Seite des ϑ-Rahmens einzusetzen

In diesem Fall war der Arbeitsbereich limitiert im Bereich 4deg lt ϑ lt 176deg da jeweils Lampenhalter von rechts und links zur Aufnahme einer beispiels-weise stabfoumlrmigen Leuchtstofflampe eingesetzt werden konnten (siehe auch Bild 3) Im Falle von einseitig gesockelten Lampen wurde meist nur ein PhotometerFarbmesskopf verwendet was eine Drehung der gegenuumlberliegenden Messkopf-aufnahme um 90deg ermoumlglichte Diese sogenannte bdquoKroumlpfungldquo lieszlig dann Raum fuumlr den nun einseiti-gen Lampenhalter und der Arbeitsbereich vergrouml-szligerte sich zu 0deg lt ϑ lt 176deg

Entsprechend der Gleichung (6) muss die gemessene Beleuchtungsstaumlrkeverteilung uumlber den vollen Raumwinkel 4π sr zum Wert des Licht-stroms integriert werden So ist es naheliegend digitale uumlber die Zeit integrierende Methoden zur Erfassung und Speicherung der gemessenen Beleuchtungsstaumlrkewerte zu verwenden Bild 5 zeigt den Signalfluss Sowohl Photometer- undoder Farbmesskopf als auch Photostrom-Fre-

quenz-Wandler waren temperaturstabilisiertDer Photostrom des Photometers mit seiner

photometrischen Empfindlichkeit s normalisiert auf die CIE-Lichtart A wird mittels Ruumlckkopp-lung Rg eines Photostromverstaumlrkers in eine Spannung U gewandelt und weiter durch einen Spannungs-Frequenzwandler in eine Frequenz f mit dem zugehoumlrigen Wandlungsfaktor wf kon-vertiert Diese Frequenz wird letztlich von einem digitalen Zaumlhler kontinuierlich gezaumlhlt Simultan wird die Quarz-Frequenz fq durch einen zweiten digitalen Zaumlhler erfasst um waumlhrend der spaumlteren Datenanalyse die urspruumlnglichen Photostroumlme berechnen zu koumlnnen Diese Methode stellt damit die schon erwaumlhnte Signal-Zeit-Integration sicher

Die die zu untersuchende Lampe umgebene fiktive Kugel ist wie Bild 5 zeigt in Zonen und Sektoren unterteilt Infolge der analogen Geschwindigkeitsregelung der zwei bewegten Rahmen sind positive und negative Beschleu-nigungsphasen am Anfang und am Ende einer vollstaumlndigen Abtastung und Lastreaktionen des rotierenden Systems und die damit verbundenen geringen Gleichlaufschwankungen unvermeid-bar Die Unterteilung jeder Zone in Sektoren mit der Laumlnge Δφj als Gewichtung reduziert jedoch diesen Einfluss Damit berechnet sich die mittlere Beleuchtungsstaumlrke Endashi nach Gleichung (10)

Es w R

fyt

fjj

ni j

i j=

sdot sdot sdot( )sdot sdot minus

=sum1

2 10

πϕ

f gq∆∆

∆

(10)

mit der Dunkelfrequenz f0 (Photometer abgeschat-tet) und den Differenzsignal-Zaumlhlungen Δyi j und den Differenzzeit-Zaumlhlungen Δti j jeweils vom Sek-toranfang bis zum Sektorende Wiederum koumlnnte der Lichtstrom nach Gleichung (8) bestimmt werden jedoch werden jetzt noch Korrekturfakto-ren fuumlr das Streulicht cstr der spektralen Fehlanpas-sung des Photometers cspec und Abweichungen von den nominalen elektrischen Betriebsbedingungen celec eingefuumlhrt wie nun Gleichung (11) zeigt

Φ = sdot sdot sdot sdot minus( ) sdot+=

minus

sumc c c r Ei ii

m

istr spec elec cos cos2 21

0

1

π ϑ ϑ

(11)

Im Verlauf einer Lichtstrommessung werden neben dem Photometer auch die Waumlnde des Messraums von der zu untersuchenden Lampe beleuchtet Diese Beleuchtung wird ebenfalls vom im Goniophotometer verwendeten Photometer bdquogesehenldquo und fuumlhrt zu einer Streubeleuchtung auf dem Lichteintrittsfenster dieses Photome-ters Diese Streubeleuchtung haumlngt einerseits vom Reflexionsgrad der verwendeten Wandfarbe (ρ asymp 3 ) und vom Gesichtsfeld des sich vor dem

Bild 4 Groszliges Kardan-Goniophotometer 1976ndash2007

Bild 5 Signalfluss

23

PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4 Kurze Geschichte der Goniophotometrie in der PTB

Photometer befindlichen Streulichtreduzierungs-tubus ab Daher muss fuumlr jeden eingesetzten Tubus mit seinem individuellen Gesichtsfeld der wirksame spezifische Streulichtkorrekturfaktor cstr bestimmt werden Diese koumlnnen ermittelt werden indem Blenden mit unterschiedlichen Durchmes-sern zwischen der zu untersuchenden Lampe und dem Photometer waumlhrend normalen Lichtstrom-messungen positioniert werden Eine detaillierte Beschreibung kann [5] entnommen werden

Die technische Realisierung eines Photometers ist immer nur eine Naumlherung fuumlr V(λ) Dies bedeu-tet dass im Prinzip in allen Faumlllen diese spektrale Fehlanpassung korrigiert werden muss Allgemein kann der spektrale Korrekturfaktor cstr fuumlr alle Lampen mit beliebiger Strahlungsfunktion S(λ) nach Gleichung (12) bestimmt werden

cV S

s S

V P T

s Pspek

rel

A

rel

d

d

d=

( )sdot ( )( ) sdot ( )

( ) sdot ( )( ) sdot

intint

intint

λ λ λ

λ λ λ

λ λ λ

λ

λλ λTA d( )

(12)

Hierzu ist jedoch die Kenntnis der relativen spektralen Empfindlichkeit srel(λ) des Photome-ters notwendig P(λ TA) bezeichnet dabei einen Planckstrahler mit einer Verteilungstemperatur von TA = 2856 K

Im Fall von Gluumlhlampen ist ein etwas einfache-rer Weg fuumlr diese Korrektur ohne die Kenntnis von srel(λ) moumlglich Gleichung (13) beschreibt die Abhaumlngigkeit der Beleuchtungsstaumlrke E(T) von der Verteilungstemperatur T

E Ty T

sTT

m

( ) = ( )

A

y

(13)

eines gemessenen Photostroms y(T) und der pho-tometrischen Empfindlichkeit s des Photometers fuumlr Lichtart A Eine charakteristische Eigenschaft des Photometers ist der Exponent my bdquoyldquo indiziert den Exponent fuumlr ein V(λ)- angepasstes Photome-ter oder den y-Kanal eines Dreibereichsfarbmess-kopfes wobei die anderen Kanaumlle unterschiedliche Werte fuumlr diese Exponenten haben Ein ideales Photometer wuumlrde einen Wert von 0 fuumlr diese Exponenten aufweisen Beispielsweise beschreibt my = 0018 ein qualitativ durchaus gutes Photo-meter Der Exponent my (und auch mx und mz) koumlnnen aus einem Fit bekannter Paare (E(T) T) einer Lichtstaumlrke-Normallampe bei verschiedenen Arbeitspunkten wie in [6 7] beschrieben gefun-den werden Damit kann der Korrekturfaktor cspec fuumlr Gluumlhlampen wie folgt geschrieben werden

c TT

my

specA

=

(14)

Werden Gluumlhlampen in der Naumlhe von CIE-Licht-art A betrieben ist die Korrektur auf elektrische Nominalbedingungen celec ebenfalls nach Glei-chung (15) sehr einfach da der Lichtstrom eine Funktion des Betriebsstroms J ist

c JJ

m

elec

J

=

minus

0 (15)

Hier ist J0 der Nominalstrom und mJ cong 684 Mehr Information kann in [7] gefunden werden

Die Datenanalyse fuumlr einen Dreibereichsfarb-messkopf erfolgt in gleicher Weise und man erhaumllt die Normfarbwertanteile (x y) aus den Gleichun-gen (16 17)

x =+ +Φ

Φ Φ ΦX

X Y Z (16)

y =+ +Φ

Φ Φ ΦY

X Y Z (17)

Leider konnten nur der Lichtstrom und die zuge-houmlrigen Normfarbwertanteile bestimmt werden da aufgrund der geringen Speichermoumlglichkeit der verwendeten Computertechnik die raumlumliche Information verlorenging

Daher wurden im Jahre 1991 alle Computer Analogsysteme die Verdrahtung und viele weitere Elemente durch moderne Ausruumlstung ersetzt Von nun an konnten alle Rohdaten mittels geeigneter Speichermedien dauerhaft bewahrt werden Das galt auch fuumlr groszlige Datenmengen des ab 1997 eingesetzten Array-Spektrometers zur Messung der relativen spektralen Leistungsverteilung der Strahlung synchron zur Lichtstrombestimmung Leider wiesen Photometer und Einkoppeloptik des Array-Spektrometers unterschiedliche Gesichtsfel-der auf und hatten etwas unterschiedliche Positi-onen auf dem Goniophotometer was die Daten-analyse komplizierte Dennoch konnten erstmalig raumlumliche spektrale Informationen uumlber zu untersuchende Lampen ermittelt werden Damit erfuumlllte das groszlige Kardan-Goniophotometer in seiner Ausbaustufe von 1997 die Anforderungen 1ndash14 aus Abschnitt 2 Die relative erweiterte Mes-sunsicherheit fuumlr den Lichtstrom fuumlr k = 2 betrug jetzt 060

222 Kleines Kardan-Goniophotometer

Fuumlr die Messung kleiner Lampen und LEDs wurde in den fruumlhen 1980er-Jahren ein dem groszligen Kardan-Goniophotometer sehr aumlhnliches kleines Kardan-Goniophotometer mit einem Messra-dius von nur 300 mm entwickelt hergestellt und

24

PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4Das Jahr des Lichtes

betrieben Das Foto in Bild 6 zeigt dieses seinerzeit sogenannte bdquoMini-Goniophotometerldquo

Die Messtechnik entsprach nahezu vollstaumln-dig dem groszligen Kardan-Goniophotometer bis hin zum Signalfluss einschlieszliglich Spannungs-Frequenzwandler und nachgeschalteten Zaumlhlern Damit sind alle Aspekte dieser Apparatur bereits in Abschnitt 221 diskutiertIm Jahre 2007 wurde dieses Instrument durch ein spezielles Goniophotometer fuumlr die Messung von LEDs ersetzt siehe auch Kapitel Metrologie fuumlr moderne Lichtquellen LEDs und OLEDs [10]

23 Roboter-Goniophotometer (2006 bis heute)

Am Ende der 1990er-Jahre wurde die Planung eines neuen Goniophotometertyps mehr und mehr konkret Nahezu gleichzeitig entschied sich die PTB fuumlr den Neubau eines modernen Gebaumludes fuumlr die Abteilung Optik dem heutigen Albert-Einstein-Bau Infolge dieses Zusammentreffens

beider Ereignisse konnte bei der Planung das neue Gebaumlude quasi um das neue Roboter-Goniopho-tometer herum geplant und spaumlter auch so gebaut werden

In 19951996 zeigte G Sauter dass Gonio-photometrie mittels Robotern moumlglich ist und erhebliche Vorteile gegenuumlber den bisher verwendeten Kardan-Goniophotometern auf-weist [8] Wie weiterhin in [8] beschrieben sind sogenannte Service-Roboter gut geeignet um ein Roboter-Goniophotometer zu realisieren Diese zeichnen sich durch eine schlanke Konstruktion mit langen Armen bei gleichzeitig relativ gerin-gem Gewicht aus Sie verfuumlgen uumlber eine hohe Flexibilitaumlt um beispielsweise ein Photometer auf gewuumlnschten Bahnen mit unterschiedlichen Radien (1000 mm lt r lt 3000 mm) auf der fiktiven Kugeloberflaumlche um die Lampe herumzufuumlhren Jeder Roboter verfuumlgt uumlber 7 Freiheitsgrade (engl seven degrees of freedom 7 DOF) Dies garantiert die notwendige Flexibilitaumlt und das erforderli-che Arbeitsvolumen Zur Abdeckung des vollen Raumwinkels 4π sr sind daher 2 der beschriebenen Roboter notwendig Ein dritter aumlhnlicher Roboter positioniert dabei die zu untersuchende Lampe in der gewuumlnschten Brennstellung im Raum Alle Roboter-Basen sind direkt mit dem Stahlbeton des Gebaumludes verbunden um eine langzeitstabile raumlumliche Positionierung der Roboter zu gewaumlhr-leisten Bild 8 zeigt das Roboter-Goniophotometer waumlhrend der Messung einer LED-Signalleuchte

Im Gegensatz zu Kardan-Goniophotometern ist der Messradius variabel in dem alle 7 Achsen in entsprechende Positionen gebracht werden Wegen der groszligen Redundanz eines 7-DOF-Roboters kann die Zielposition einschlieszliglich Orientierung durch eine sehr groszlige Anzahl unter-schiedlicher Einstellungen der 7 Achsen erreicht werden Daher wird eine Strategie benoumltigt um die jeweilige Achs einstellung zu finden Diese

Bild 6 Kleines Kardan-Goniophotometer 1982ndash2007

Bild 7 Arm des Roboter-Goniophotometers

Bild 8 Roboter-Goniophotometer 2006 bis heute

25

PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4 Kurze Geschichte der Goniophotometrie in der PTB

Strategie ist relativ simpel Sie besagt dass alle Achseinstellungen derart gefunden werden dass saumlmtliche Bestandteile des Roboters einen maxi-malen Abstand zum Zentrum des Roboters haben sollen um das von der Roboterstruktur reflektierte Streulicht moumlglichst gering zu halten Eine beson-dere Software ist notwendig um alle Achswinkel ausgedruumlckt in counts jedes Winkelencoders fuumlr jede Achse zu bestimmen um die gewuumlnschten Kugelkoordinaten (r ϑ φ) anzufahren Waumlhrend der Messung der zu untersuchenden Lampe liest das Roboter-Kontrollsystem alle 10 ms diese counts jeder Achse und versucht jede Achse entsprechend diese Vorgabe einzustel-len Nach dieser Einstellung welche fuumlr alle 7 Achsen gleichzeitig erfolgt werden die Ist-Winkel jeder Achse wiederum in counts synchron gelesen und mit den zugehoumlrigen photo-metrischen Daten und elek trischen Daten des Lampenbetriebs in eine Datenbank gespeichert Prinzipiell ist der Signal-fluss dem des in Abschnitt 221 beschriebenen groszligen Kardan-Goniophotometers sehr aumlhnlich Aber es gibt ein zusaumltzliches wichtiges Element den sogenannten Zeitstempel Da ein weit verteiltes Datenerfassungssystem vorliegt wird ein Mecha-nismus zur Datensynchronisierung in Form eines 1-Mhz-Taktes verwendet Dieser ist im gesamten System verfuumlgbar Beim Messungsstart synchron gestartete Zaumlhler erlauben daher die spaumltere Synchronisierung aller angefallenen Daten Wie beschrieben ist die Position jeder Achse und damit die Position und Orientierung des Photometers das Ergebnis eines Regelprozesses Somit ist es not-wendig die tatsaumlchliche Position und Orientierung des Photometers aus den gespeicherten Daten der Winkelencoder zu berechnen

In der Robotik ist es uumlblich einen Roboter des

verwendeten Typs wie eine biegesteife mechani-sche Kette mit sogenannten Denavit-Hartenberg-Parametern (DH-Parameter) zu beschreiben [9] Die Tabelle 1 zeigt diese DH-Parameter am Beispiel des Roboters 1

Mit diesen Parametern und den aktuellen Winkeln θi fuumlr jede Achse ist die Berechnung der Position bzw Orientierung der siebten Achse in Basis-Koordinatensystem des Roboters moumlglich Hierzu werden 7 Matrizen nach Gleichung (18) ver-wendet Jede Matrize beschreibt die Position (blau) und Orientierung (gruumln) jeder einzelnen Achse

Die PositionierungOrientierung der Achse 7 ergibt sich aus dem Vektorprodukt T1 T2 T3 T4 T5 T6 T7

Um jedoch die Koordinaten in Bezug auf das Koordinatensystem der fiktiven Kugel zu erhalten muumlssen 2 weitere aumlhnliche Matrizen verwendet werden Die sogenannte Base Frame Matrix F beschreibt die Positionierung und Orientierung des Roboter-Koordinatensystems zum Koor-dinatensystem der fiktiven Kugel waumlhrend die Matrix W die Positionierung und Orientierung des Photometers zur Achse 7 beschreibt Nun laumlsst sich die Position und Orientierung des Photome-ters P im Koordinatensystem der fiktiven Kugel mit Gleichung (19) beschreiben

P = F T1 T2 T3 T4 T5 T6 T7 W (19)

axisi Δθi offset to rotation around Z-axis

αi rotation around X-axis

di

translation in Z-axis

αi

translation in X-axis

1 ndash1438deg 45024deg 0000 mm ndash0400 mm

2 191088deg ndash90026deg 2686322 mm 0696 mm

3 178585deg 89996deg 274088 mm 0781 mm

4 6229deg ndash90022deg 1410499 mm 0474 mm

5 ndash0141deg ndash89955deg 173036 mm ndash0779 mm

6 ndash0924deg 90032deg 1191007 mm 0223 mm

7 180443deg 90007deg 91130 mm 0000 mm

Tabelle 1 DH-Parameter von Roboter 1

T

a

i

i i i i i i i i i i i

=

+( ) minus +( ) +( ) +cos sin cos sin sin cos∆ ∆ ∆ ∆θ θ θ θ α θ θ α θ θ(( )+( ) +( ) minus +( ) +sin cos cos cos sin sin∆ ∆ ∆ ∆θ θ θ θ α θ θ α θ θi i i i i i i i i i ia (( )

00 0 0 1

sin cosα αi i id

(18)

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PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4Das Jahr des Lichtes

Bild 9 zeigt die Achsenkoordinatensysteme (17) das Base-Frame-Koordinatensystem und das Koordinatensystem des Photometers zur Achse 7 in schematischer Weise Das Koordinatensys-tem der fiktiven Kugel faumlllt mit dem Zentrum des Goniophotometers zusammen und wird mit Center bezeichnet P ist jetzt auf dieses Center-Koordinatensystem bezogen Zusaumltzlich ist eine typische Bahn eingezeichnet Wegen des aller-dings nicht dargestellten Lampenhalters ist diese Bahn im oberen Bereich verdichtet um eine Kollision mit dem Lampenhalter zu vermeiden Wie bereits erwaumlhnt setzt die Verwendung von Gleichung (19) einen biegesteifen Roboter voraus der in der Praxis nicht existiert P ist also von statischen Gewichtskraumlften des Roboters dyna-mischen Kraumlften infolge der Bewegung als auch von thermischen Laumlngenaumlnderungen uumlberlagert Daher muss Gleichung (19) um eine entspre-chende Korrektur C erweitert werden Glei-chung (20) zeigt nun das endguumlltige Modell zur Bestimmung von P

wobei C

t tT Rθ θ

θ θ1 7

1 7 dd

dd amb

diese finale Korrektur basierend auf den Winkeln θ1θ7 aller Achsen ihren zeitlichen Ableitungen

dd

dd

θ θ1 7

t t

und der Umgebungstemperatur Tamb beschreibt

Der letzte Parameter R steht fuumlr einen groszligen Datensatz und beschreibt Eigenschaften des Roboters wie Abmessungen Teilmassen usw Die Berechnung von C() ist aufwendig und wurde vom Hersteller des Roboters ausgefuumlhrt Aus Gruumlnden des Wettbewerbs muss diese Berechnung vertrau-lich behandelt werden und kann daher hier nicht veroumlffentlicht werden Jedoch kann die Wirkung von C() beispielhaft auf den Messradius mitgeteilt werden (siehe Bild 10)

Die noumltige Radiuskorrektur rcorr bewegt sich im Bereich ndash2 mm lt rcorr lt 3 mm je nach Position (θ φ) des Photometers Der Aumlquatorbereich benouml-tigt eine groumlszligere Korrektur infolge hier wirksamer groumlszligerer Zentrifugalkraumlfte als die Polregion Der Radius selbst laumlsst sich dann aus der Positionssub-matrix von P bestimmen

Der Signalfluss stimmt im Wesentlichen mit dem wie in Bild 5 gezeigt uumlberein Prinzipiell kann der Lichtstrom mit den Gleichungen (11) und (10) berechnet werden da aber nun 2 Photometer benutzt werden muss dies fuumlr jede Hemisphaumlre also fuumlr jeden Roboter separat geschehen Die Gleichungen (21) und (22) demonstrieren das

Bild 9 Koordinatensystem des Roboter-Gonio-photometers und Beispielbahn

P Ct t

T R F T T T T T T=

sdot sdot sdot sdot sdot sdot sdot sdotθ θ

θ θ1 7

1 71 2 3 4 5 6

dd

dd amb TT W7 sdot

(20)

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PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4 Kurze Geschichte der Goniophotometrie in der PTB

fuumlr Roboter 1 Der Radius r1i befindet sich dabei innerhalb der Summation von Gleichung (22) Das Roboter-Goniophotometer ist zusaumltzlich mit einem Monitorphotometer ausgeruumlstet Dieses Photometer wird waumlhrend der Messung nicht bewegt ist aber staumlndig von einem fixen Punkt aus auf die zu untersuchende Lampe gerichtet und erlaubt somit die Korrektur einer moumlglichen Alterung der Lampe waumlhrend des Messprozesses als Funktion der Zeit (cmon(t1i))

Es w R

fyt

fi jj

ni j

i j1

1 1 11

1

1

11 0

12

1

=

( )sdot minus

=sumπ

ϕf g

q∆∆

∆

(21)

Φ1 1 1 12

1 1 1 12= sdot sdot sdot sdot ( ) sdot minus( )+c c r c ti i i ii

str spec mon cos cosπ ϑ ϑ==

minus

sum sdot0

1

1

1m

iE

(22)

Roboter 2 wird in gleicher Weise behandelt und der Lichtstrom ergibt sich somit aus der Summe von Φ1 und Φ2 korrigiert mit dem elektrischen Korrekturfaktor celec aus Gleichung (15)

Φ Φ Φ= sdot +( )celec 1 2 (23)

Die Bestimmung der Streulichtkorrektur cstr unter-scheidet sich methodisch von jener des Kardan-Goniophotometers Es ist schwierig Blenden zwischen Photometer und Lampe zu positionieren wie in [5] beschrieben Hier wird die Streulicht-korrektur cstr direkt aus der Leuchtdichteverteilung auf den Waumlnden des Messraums bestimmt Mit der Kenntnis der geometrischen und photometrischen Eigenschaften des Raumes der raumlumlichen Licht-staumlrkeverteilung der Lampe und dem verwendeten Streulichttubus vor dem Photometer lieszlige sich die Streulichtkorrektur cstr berechnen Hier jedoch wird diese Korrektur mit sogenannten Back-Loo-king-Photometern bestimmt [11]

Bild 11 zeigt ein Foto der bdquoRoboterhandldquo mit mon-tiertem Photometer und Back-Looking-Photometer Letzteres ist ein wenig schraumlg ausgerichtet um nicht im Bereich des Schattenwurfs des Photome-ters auf den Waumlnden zu messen

Bild 12 zeigt beispielhaft eine typische in finite Flaumlchenelemente gerasterte Streulichtsituation im Goniophotometermessraum wie sie durch die zu untersuchende Lichtquelle generiert wird Dieses Beispiel arbeitet mit finiten Flaumlchen der Groumlszlige 05 m middot 05 m um die Flaumlchen sichtbar zu machen Zur realen Berechnung werden Flaumlchen der Groumlszlige 01 m middot 01 m verwendet Natuumlrlich ist der Streulichtanteil auf der aktiven Flaumlche des

Bild 10Wirkung der Radiuskorrektur

Bild 11 Photometer (links) und Back-Looking-Photometer (rechts)

Bild 12 Wirkung des Streulichts und seine Bestimmung

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PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4Das Jahr des Lichtes

Photometers eine Funktion des Gesichtsfeldes des jeweils verwendeten Streulichttubus vor dem Photometer Derzeit werden 2 Tuben je nach Groumlszlige der Lichtquelle mit Oumlffnungswinkeln von ca 15deg und ca 225deg verwendet Ihre typischen Korrekturwerte betragen etwa 09995 und 09990 Da jeder Messroboter mit diesem Back-Looking-Photometer ausgeruumlstet ist kann so der Streulicht-anteil fuumlr jedes Photometer bestimmt werden Da die Back-Looking-Photometer bdquoruumlckwaumlrtsldquo gerichtet sind wird also jeweils die Streulichtkorrektur fuumlr den gegenuumlberliegenden Messroboter bestimmt Damit ist es moumlglich den Wert des Lichtstroms mit zugehoumlriger Messunsicherheit zu bestimmen Tabelle 2 illustriert Ergebnisse einer vereinfachten Monte-Carlo-Simulation (MC) am Beispiel einer OSRAM-Wi4-Lichtstrom-Normallampe Ihre Lichtstaumlrkeverteilung ist in Bild 13 wiedergegeben

Die MC basiert auf den folgenden Gleichun-gen (24) Werte der wichtigsten Beitraumlge zur Mes-sunsicherheit koumlnnen der Tabelle 2 entnommen werden Eine detailliertere Beschreibung der Roboter und Analyse der Messunsicherheit kann [12] entnom-men werden

Bild 13 Raumlumliche Lichtstaumlrkeverteilung einer OSRAM-Wi4-Lichtstrom-Normallampe

Quantity Symbol Value Uncertainty Unit Sensitivity Contribution lm Relative contribution

Luminous responsivity 1 s1 3065E-10 9195E-13 A lxndash1 188E+12 173 000150

Luminous responsivity 2 s2 4111E-10 12333E-12 A lxndash1 143E+12 177 000153

Spectral matching exponent 1 m2 y 0021 0015 1 20 030 000026

Spectral matching exponent 2 m2 y 0036 0015 1 18 027 000023

CCT or distribution temperature T 2762 10 K 0012 012 000011

Uncertainty in r Δr 0000 00020 m 901 180 000156

Calibration factor for frequency F cFH 1000 00005 1 1141 057 000049

Calibration factor for frequency ƒ cFD 1000 00050 1 104 005 000005

Voltage to frequency converter 1 w1 f 500849 25 Hz Vndash1 0012 031 000027

Voltage to frequency converter 2 w2 f 500561 25 Hz Vndash1 00118 029 000026

Amplification gain 1 R1 g 1000E+09 99996 Ω 6223E-07 006 000005

Amplification gain 2 R2 g 9997E+08 99966 Ω 5430E-07 005 000005

Calibration factor for cmon ccm 1000 00005 1 1162 058 000050

Correction factor for stray light cstr 09995 00005 1 1134 057 000049

Luminous flux Φ 11541 327 00028

Tabelle 2 Unsicherheitsbudget

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PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4 Kurze Geschichte der Goniophotometrie in der PTB

Somit ergibt sich zurzeit eine erweiterte Mess-unsichert von 056 fuumlr k = 2 Dies entspricht etwa der Messunsicherheit welche mit dem groszligen Kardan-Goniophotometer erreichbar war Im Unterschied zum Kardan-Goniophotometer (fester Messradius) verfuumlgt das Roboter-Goniophotometer jedoch uumlber die noumltige hohe Flexibilitaumlt (z B durch Variation des Messradius) die noumltig ist um kuumlnftige Anforderungen erfuumlllen zu koumlnnen Eben diese hohe Flexibilitaumlt fuumlhrt bei der Bestimmung des Messradius zu relativ groszligen Messunsicherheiten Hier koumlnnte die Verwendung einer Lookup-Table oder eine On-Line-Verfolgung mittels Tracer-Syste-men der Bahnen diese Unsicherheit verkleinernMittlerweile ist das Roboter-Goniophotometer voll-staumlndig charakterisiert und wird fuumlr beleuchtungs-staumlrkebasierte Lichtstromkalibrierungen und auch fuumlr internationale Vergleiche eingesetzt Damit werden auch die Anforderungen (15ndash17) erfuumllltIm naumlchsten Schritt wird das Roboter-Goniopho-tometer mit Leuchtdichtemesskameras ausgeruumlstet

werden um es als bdquoNahfeld-Goniophotometerrdquo einzusetzen Es wird dann die direkte Messung der Leuchtdichteverteilung erlauben aus welcher nahezu alle noumltigen photometrischen Groumlszligen abgeleitet werden koumlnnen Dieser kuumlnftige Schritt wird dann auch den letzten Punkt (18) der Anfor-derungen erfuumlllen

3 Zusammenfassung

Die Geschichte der Goniophotometrie in der PTB uumlber einen Zeitraum von mehr als 50 Jahren wird praumlsentiert Verschiedene Goniophotometer ange-fangen vom manuell bewegten Einarm-Goniopho-tometer mit visuellem Photometer uumlber das groszlige und kleine Kardan-Goniophotometer bis hin zum bdquoState-of-the-art-Roboter-Goniophotometerldquo fuumlr das 21 Jahrhundert werden beschrieben Das Letztere hat das Potenzial in der traditionellen Betriebsart aber auch im Nahfeldmodus uumlber viele Jahre eingesetzt zu werden Neu aufkommende

Quantity Symbol Value Uncertainty Unit Sensitivity Contribution lm Relative contribution

Luminous responsivity 1 s1 3065E-10 9195E-13 A lxndash1 188E+12 173 000150

Luminous responsivity 2 s2 4111E-10 12333E-12 A lxndash1 143E+12 177 000153

Spectral matching exponent 1 m2 y 0021 0015 1 20 030 000026

Spectral matching exponent 2 m2 y 0036 0015 1 18 027 000023

CCT or distribution temperature T 2762 10 K 0012 012 000011

Uncertainty in r Δr 0000 00020 m 901 180 000156

Calibration factor for frequency F cFH 1000 00005 1 1141 057 000049

Calibration factor for frequency ƒ cFD 1000 00050 1 104 005 000005

Voltage to frequency converter 1 w1 f 500849 25 Hz Vndash1 0012 031 000027

Voltage to frequency converter 2 w2 f 500561 25 Hz Vndash1 00118 029 000026

Amplification gain 1 R1 g 1000E+09 99996 Ω 6223E-07 006 000005

Amplification gain 2 R2 g 9997E+08 99966 Ω 5430E-07 005 000005

Calibration factor for cmon ccm 1000 00005 1 1162 058 000050

Correction factor for stray light cstr 09995 00005 1 1134 057 000049

Luminous flux Φ 11541 327 00028

Φ = sdot

sdot

+ sdot sdotminus

c JJ

TT

r r c c tm

m

i i

y

strA

cm monj

0

12

1

1

( ) ∆ (( )sdot minus( ) sdotsdot sdot minus

+=

minus=sumsum

cos cosFH FD

ϑ ϑ

ϕ

1 1 10

1 11

11

1

i ii

m jj

n

i jc F c∆ sdotsdot( )sdot sdot

+

+ sdot sdot (

f

s w R

TT

r r c c tm

i i

y

1 0

1 1 1

22

2

2

( )

f g

Acm mon∆ ))sdot minus( ) sdot

sdot sdot minus sdot

+=

minus=sumsum

cos cosFH FD

ϑ ϑ

ϕ

2 2 10

1 11

22

2

i ii

m jj

n

i jc F c∆ ff

s w R

2 0

2 2 2

( )sdot sdot

f g

(24)

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PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4Das Jahr des Lichtes

Anforderungen fuumlr die Ruumlckfuumlhrung photome-trischer Einheiten wie beispielsweise im Solid-State-Lighting-Bereich koumlnnen so erfuumlllt werden

Literatur

[1] Y Ohno 1995 Realization of NIST Luminous Flux Scale Using an Integrating Sphere with an External Source CIE Proceedings 23rd Session New Delhi

[2] R Sewig 1938 Handbuch der Lichttechnik Band 1 pp 319 321 Berlin Springer Verlag

[3] D Foumlrste 1966 Zur Lichtstrommessung an Lam-pen mit ungleichmaumlszligiger Lichtverteilung PTB-Mitteilungen 166 pp 18ndash20 Braunschweig PTB

[4] D Foumlrste 1979 Ein Goniophotometer zur genauen Bestimmung des Lichtstroms Licht-Forschung 1 Jahrgang 379 pp 30ndash36 Heidelberg Huumlthig Verlag

[5] D Foumlrste 1980 Elimination des Fremdlichts bei der Lichtstrombestimmung mit dem Gonio-photometer Licht-Forschung 2 Jahrgang 180 pp 27ndash29 Heidelberg Huumlthig Verlag

[6] W Erb 1997 PTB Network for realization and maintenance of the candela Metrologia 3497 pp 115ndash124 Bristol UK

[7] G Sauter 1996 Kalibrierung von Lichtstaumlrke-Normallampen und Angabe der Messunsicherheit PTB interner Bericht Braunschweig PTB

[8] G Sauter 1996 Goniophotometry new calibra-tion method and instrument design Metrologia 32 (199596) pp 685ndash688 Bristol UK

[9] httpenwikipediaorgwikiDenavit-Hartenberg_Parameters (letzter Aufruf 03122015)

[10] M Lindemann 2009 Photometry and Colori-metry of Reference LEDs by Using a Compact Goniophotometer MAPAN ndash Journal of Metro-logy Society of India Vol 24 No 3 pp 143ndash152 New Delhi India

[11] G Bizjak 2009 Determination of Stray Light at the PTB Goniophotometer Facility MAPAN ndash Jour-nal of Metrology Society of India Vol 24 No 3 pp 163ndash173 New Delhi India

[12] M Lindemann et al 2015 Robot goniopho-tometry at PTB Metrologia 52 pp 167ndash194 Bristol UK

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PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4Das Jahr des Lichtes

1 Eine einleitende Beschreibung von Gluumlhlampen LEDs und OLEDs

Der Einsatz Licht Emittierender Dioden (LED) in der Allgemeinbeleuchtung hat in den vergangenen Jahren erheblich zugenommen Ein entscheiden-der Vorteil der LED gegenuumlber der traditionellen Gluumlhlampe liegt in ihrer uumlberlegenen Lichtaus-beute ηv ndash dem Verhaumlltnis des emittierten Licht-stroms Φv und der aufgenommenen elektrischen Leistung Pel angegeben in LumenWatt

Dieser Vorteil beruht auf den Unterschieden der zugrunde liegenden Technologien der Lichterzeu-gung beider Lampentypen Bei einer (Halogen-)Gluumlhlampe wird der Gluumlhfaden durch elektrischen Strom auf Temperaturen um 3000 K aufgeheizt Obwohl hierbei fast die gesamte elektrische Leis-tung in Strahlung umgewandelt wird ndash Verluste durch thermische Konvektion oder Waumlrmeleitung sind gering ndash kann das menschliche Auge lediglich einen geringen spektralen Anteil der ungefaumlhr 5 der Gesamtstrahlungsleistung ausmacht wahr-nehmen Der Groszligteil der Strahlungsleistung liegt im infraroten Spektralbereich und kann nicht fuumlr Beleuchtungszwecke genutzt werden In Bild 1 ist die spektrale Verteilung einer Gluumlhlampe bei einer Temperatur von 2856 K im Spektralbereich

von 300 nm bis 1200 nm dargestellt Das sichtbare Licht im Spektralbereich zwischen 360 nm und 830 nm ist mit den entsprechenden Spektralfarben hinterlegt Oberhalb 830 nm beginnt der fuumlr das menschliche Auge unsichtbare infrarote Anteil der Strahlung

Der fuumlr photometrische Messungen normativ festgelegte spektrale Hellempfindlichkeitsgrad V(λ) also die Hellempfindlichkeit des Auges eines bdquoNormalbeobachtersldquo ist mit seinem Maximum bei 555 nm schwarz eingezeichnet

Da die Gluumlhlampe eine thermische Strahlungs-quelle ist verschiebt sich mit zunehmender Tem-peratur die Lage des Strahlungsmaximums ent-sprechend des Wienschen Verschiebungsgesetzes zu kuumlrzeren Wellenlaumlngen Um die Lichtausbeute von Gluumlhlampen zu erhoumlhen muumlsste man das Strah-lungsmaximum durch Temperaturerhoumlhung in den kurzwelligeren Bereich des sichtbaren Lichts verschieben Die Maximaltemperatur ist jedoch bei Gluumlhfaumlden aus Wolfram auf etwa 3000 K begrenzt ndash bei houmlheren Temperaturen nimmt die Lebensdauer drastisch ab

Das Funktionsprinzip einer LED-Lichtquelle basiert auf dem Phaumlnomen der Elektrolumines-zenz Der prinzipielle Aufbau einer LED aumlhnelt einer pn-Halbleiterdiode Durch Anlegen einer Gleichspannung rekombinieren Ladungstraumlger in der p-n-Grenzschicht der Leuchtdiode unter Emission von Strahlung Durch gezielte Auswahl der verwendeten Halbleitermaterialien und ihrer Dotierung wird deren Bandluumlcke und somit die Farbe des emittierten Lichtes bestimmt Im Jahr 1992 gelang der Durchbruch in der Entwicklung hocheffizienter blauer LEDs die den Einsatz von LEDs zur Allgemeinbeleuchtung erst ermoumlgli-chen Die zugrunde liegenden Forschungsarbei-ten wurden 2014 mit dem Nobelpreis fuumlr Physik gewuumlrdigt [1]

Eine schmalbandige Lichtemission ist charak-teristisch fuumlr LEDs Dementsprechend verfuumlgt ihr Licht uumlber eine hohe Farbsaumlttigung Durch die Bedeckung des LED-Chips mit breitbandig pho-tolumineszierenden Farbstoffen wird ein Teil der Strahlung in energieaumlrmeres langwelligeres Licht konvertiert und es entstehen Mischfarben wie

Metrologie fuumlr moderne Lichtquellen LEDs und OLEDs Thorsten Gerloff

Thorsten Gerloff Arbeitsgruppe bdquoPhotometrieldquo EshyMail thorstengerloffptbde

Bild 1 Spektrale Verteilung einer Gluumlhlampe und spektraler Hellempfindlichkeitsgrad (V(λ)-Funktion)

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PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4 Metrologie fuumlr moderne Lichtquellen

i Infokasten LED

Lichtausbeute einer Strahlungsquelle ηv

Die Lichtausbeute einer Strahlungsquelle gibt das Verhaumlltnis aus ausgestrahltem Lichtstrom und aufgenommener elektrischer Leistung an Die Einheit ist LumenWatt (lmW) Je houmlher die Lichtausbeute ist umso energieeffizienter ist die Beleuchtung Gluumlhlampen besitzen Lichtausbeuten zwischen 10 und 20 lmW

Lichtstrom Φv

Der Lichtstrom beruumlcksichtigt den Hellempfind-lichkeitsgrad V(λ) des Auges und gibt die in alle Raumrichtungen abgegebene bdquoLichtleistungldquo einer Lampe an Der Lichtstrom enthaumllt keine Information daruumlber wie die Lampe das Licht im Raum verteilt Der Lichtstrom gibt an wie hell ein beleuchteter Raum dem Menschen erscheint

Spektraler Hellempfindlichkeitsgrad V(λ)

Der exakt definierte spektrale Hellempfindlich-keitsgrad V(λ) ist eine Bewertungsfunktion fuumlr elektromagnetische Strahlung Hiermit wird der bdquoHelligkeitseindruck eines menschlichen Durch-schnittsaugesldquo berechnet Dies ermoumlglicht den objektiven Vergleich von Lichtquellen mit physika-lischen Messmethoden Subjektive Wahrnehmun-gen einzelner Menschen koumlnnen damit nicht exakt wiedergegeben werden

Aumlhnlichste Farbtemperatur TN

Es gibt unterschiedliche Farbtemperaturen in der Photometrie Verhaumlltnis- und Verteilungstem-peratur sind nur bei thermischen Strahlern wie der Gluumlhlampe anwendbar Nur die aumlhnlichste Farbtemperatur (englisch Correlated Colour Temperature CCT) laumlsst sich fuumlr Lichtquellen mit beliebiger spektraler Zusammensetzung berech-nen sofern die Normfarbwertanteile aumlhnlich einem thermischen Strahler sind Die aumlhnlichste Farbtemperatur wird in der Einheit Kelvin (K) angegeben Sie gibt an ob das Licht warmweiszlig (ca 3000 K) neutralweiszlig (ca 4500 K) oder tages-lichtweiszlig (gt5500 K) erscheint

Normfarbwertanteile (x y)

Fuumlr die Angabe von Farbe gibt es neben dem spek-tralen Hellempfindlichkeitsgrad V(λ)noch weitere definierte Bewertungsfunktionen Hiermit laumlsst sich die Farbwahrnehmung eines fiktive Normalbeob-achters aus der gemessenen spektralen Verteilung des Lichts durch Angabe von nur zwei Werten (x und y) angeben Diese Werte geben die Koordi-naten auf der Normfarbtafel (s Abbildung) an

Normfarbtafel

Farbwiedergabeindex Ra

Der Farbwiedergabeindex ist eine Kennzahl fuumlr Lichtquellen der bewertet die Qualitaumlt der Farb-wiedergabe Je houmlher der Wert desto besser ist die Farbwiedergabe Der Maximalwert liegt bei 100 Werte zwischen 90 und 100 geben eine ausgezeich-nete Farbwiedergabe an Werte unter 80 sind fuumlr viele Anwendungen nicht ausreichend

Im Folgenden soll ein kleiner Leitfaden gegeben werden der in allgemeinverstaumlndlicher Form die grundlegenden Ideen wichtiger lichttechnischer Groumlszligen erlaumlutern soll Komplexe Details der zugrunde liegenden Normen und Definitionen werden hierbei nicht beruumlcksichtigt

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PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4Das Jahr des Lichtes

Pastellfarbtoumlne oder auch weiszliges LichtIn Bild 2 sind die spektralen Verteilungen einer

LED mit und ohne Leuchtstoff abgebildet In der linken Abbildung erkennt man die schmalbandige blaue Emission des LED-Chips In der rechten Abbildung wird ein Teil dieser Strahlung durch einen Leuchtstoff in laumlngerwelliges Licht konver-tiert und die Mischfarbe erscheint weiszlig

Der Vorteil einer LED gegenuumlber einer Gluumlh-lampe bezuumlglich der Lichtausbeute ist offensicht-lich Es wird ndash von unvermeidbarer thermischer Verlustleistung abgesehen ndash nur Strahlung im sichtbaren Wellenlaumlngenbereich emittiert Daruumlber hinaus ist die Farbe des Lichts von LEDs durch Kombination verschiedener Leuchtstoffe und LEDs nahezu beliebig einstellbar und man ist nicht auf aumlhnlichste Farbtemperaturen von ca 3000 K wie bei der Gluumlhlampe begrenzt

Allerdings gibt es auch Nachteile gegenuumlber dem Licht einer Gluumlhlampe Dem typischen Spektrum einer LED-Lichtquelle fehlen im Gegensatz zu Sonnenlicht oder Gluumlhlampenlicht einzelne Spekt-ralfarben Dies macht sich negativ bei der Qualitaumlt der Farbwiedergabe bemerkbar

Die Farbe des emittierten Lichts einer LED laumlsst sich durch additive Farbmischung sehr aumlhnlich zu Sonnenlicht oder auch Gluumlhlampenlicht einstellen Wenn jedoch Objekte mit Licht beleuchtet werden kommt es auch auf die spektrale Zusammensetzung des Lichts an Nehmen wir einen Blumenstrauszlig aus roten Rosen der im Tageslicht steht Im Son-nenlicht sind alle Spektralfarben vorhanden und diese beleuchten die Rosen Die roten Bluumltenblaumltter absorbieren einige spektrale Anteile des Lichts und reflektieren im Wesentlichen rotes Licht welches in das Auge des Betrachters faumlllt Wenn die Rosen von einer anderen Lichtquelle beleuchtet werden in der die roten Spektralanteile zumindest teilweise fehlen koumlnnen diese nicht reflektiert werden und die Farben der Rosen erscheinen unnatuumlrlich

Dies ist von weitreichender Bedeutung fuumlr die Wahl einer geeigneten Lichtquelle da wir einen Kompromiss aus Licht mit guter Farbwieder-gabe und hoher Lichtausbeute schlieszligen muumlssen Licht mit hoher Farbwiedergabe setzt sich aus moumlglichst vielen Spektralfarben zusammen und Lichtquellen mit hoher Lichtausbeute sollten nur Spektralfarben beinhalten fuumlr die das menschliche Auge besonders empfindlich ist In den Auszligenbe-zirken vieler Staumldte werden zur Nachtbeleuchtung der Gehwege haumlufig Natriumdampflampen mit orangefarbenem Licht eingesetzt Die Lichtaus-beute dieser Lampen ist mit etwa 150 lmW auszligerordentlich hoch da das menschliche Auge in diesem Spektralbereich sehr empfindlich ist Diese Beleuchtung ist jedoch ungeeignet um Farben natuumlrlich wiederzugeben Aufgrund des Aufbaus des menschlichen Auges ist es also nicht moumlglich eine Beleuchtung mit sehr hoher Qualitaumlt der Farbwiedergabe bei gleichzeitig sehr hoher Lichtausbeute zu realisieren

Weiszlige LEDs zur Allgemeinbeleuchtung nutzen in der Regel Leuchtstoffe die teilweise qualita-tiv hochwertige Farbwiedergabeeigenschaften besitzen Eine weitere Methode zur Erzeugung von weiszligem Licht ist das Mischen von rotem gruumlnem und blauem Licht (RGB-Verfahren) welches die Grundlage jedes Displays ist Hierbei sind neben weiszligem Licht auch andere Lichtfarben moumlglich ndash die Farbwiedergabeeigenschaften sind allerdings schlecht Fuumlr die Endverbraucher sind in der Regel die Farbwiedergabeeigenschaften von Lichtquellen als Ra-Werte auf der Verpackung angegeben

Organische Licht Emittierende Dioden (OLED) sind eine junge Beleuchtungstechnologie die noch keinen Zugang zum Massenmarkt erhalten hat Die weltweit erste kommerzielle OLED-Leuchte wurde 2008 vertrieben Der fuumlr den Nutzer wesentliche Unterschied zwischen OLEDs und LEDs besteht im Aufbau Der leuchtende Kristall

Bild 2 Spektrale Verteilung einer blauen LED (links) und einer weiszligen LED (rechts) bei der ein Teil des blauen Lichts zu gelbem Licht konvertiert wurde

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PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4 Metrologie fuumlr moderne Lichtquellen

anorganischer LEDs besitzt eine maximale Kan-tenlaumlnge von etwa einem Millimeter Bei OLEDs wird das Licht in groszligflaumlchigen amorphen organi-schen Schichten erzeugt Momentan sind OLEDs mit leuchtenden Flaumlchen von bis zu 20 x 20 cmsup2 erhaumlltlich Das Licht wird aumlhnlich wie bei LEDs durch Ladungstraumlgerrekombination unter Auftre-ten von Elektrolumineszenz erzeugt Dabei ist das Emissionsspektrum der verwendeten organischen Emittermaterialien wesentlich breitbandiger als das einer LED (vgl Bild 3) Daher wird das weiszlige Licht von OLEDs in der Regel durch Verwendung von roten gruumlnen und blauen Emittermaterialien erzeugt ohne dass die Farbwiedergabeeigenschaf-ten sehr stark darunter leiden

2 Entwicklung von (O)LED-Transfer-normalen in der PTB

Eine der Kernaufgaben der PTB ist die Weiter-gabe der gesetzlichen Einheiten Bis zum heuti-gen Tage bieten Transfernormale in Form von speziellen Gluumlhlampen die besten Eigenschaften um als Maszligverkoumlrperung der Einheiten Candela oder Lumen zu dienen Da der Anwender in der Regel jedoch die Substitutionsmethode bei seinen Messungen anwendet um notwendige Korrektu-ren auf ein Minimum zu reduzieren (Gleiches mit Gleichem vergleichen) sind auch Transfernormale auf Basis der LED-Technologie von Interesse

Bereits in den 80er-Jahren des vergangenen Jahr-hunderts wurden LEDs in der PTB kalibriert Diese waren fuumlr Beleuchtungszwecke noch ungeeignet und dienten lediglich als Signallampen Zeitgleich wurden die ersten PTB-LED-Transfernormale entwickelt deren optische Eigenschaften durch thermische Regelung des LED-Chips stabilisiert wurden Die mechanische Ausrichtung der LEDs leistet aufgrund des typischerweise stark gerichteten Abstrahlprofils der LEDs einen groszligen Beitrag auf die Messunsicherheit Daher werden die LEDs seit

2002 in ein rotationssymmetrisches robustes VA-Stahl-Gehaumluse eingebaut welches sich sehr repro-duzierbar ausrichten laumlsst (vgl Bild 4)

Diese Transfernormale werden unter Konstant-Strom-Bedingungen und ndash durch gezieltes Aufhei-zen des LED-Chips durch den Heizwiderstand ndash unter Konstant-Spannung-Bedingungen betrieben Aufgrund der halbleitenden Eigenschaften sinkt mit steigender Temperatur die Betriebsspannung und sowohl der Lichtstrom als auch die Peakwellenlaumlnge des emittierten Lichts veraumlndert sich Die Sollspan-nung wird auf einen Wert festgelegt der unterhalb der Gleichgewichtsspannung durch Eigenerwaumlr-mung im Betrieb ohne Heizwiderstand bei einer Umgebungstemperatur von etwa 35 degC liegt Somit ist auch ein Einsatz der Transfernormale in Laboren ohne Klimatisierung moumlglich

Fuumlr LEDs mit houmlheren Leistungen wurde im Jahr 2011 ein weiterer Prototyp eines Transfernormals vorgestellt (vgl Bild 5) Da die hier verwendeten LEDs eine houmlhere Leistungsaufnahme besitzen werden sie waumlrmer Das reduziert die Lebensdauer und Reproduzierbarkeit der photometrischen

Bild 3 Exemplarische spektrale Verteilung einer weiszligen OLED

Bild 4 Temperaturgeregeltes LED-Transfernormal auf Basis von Kleinleistungs-LEDs mit Lichtstroumlmen von bis zu 10 Lumen

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PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4Das Jahr des Lichtes

Groumlszligen deutlich Daher muumlssen sie gekuumlhlt werden Hierfuumlr kommt bei diesen Normalen ein Peltier-Element zum Einsatz welches geregelt Waumlrme in einen dahinterliegenden Kuumlhlkoumlrper leitet und hierdurch das emittierte Licht stabilisiert Diese Transfernormale zeichnen sich durch ein geringes

Gewicht bei einer Laumlnge von ca 100 mm und einem Durchmesser von etwa 20 mm aus Allerdings ist die Verwendung von LEDs mit sehr hohen Leistun-gen nicht moumlglich da die Abwaumlrme lediglich passiv an den Raum abgegeben wird Eine detaillierte Beschreibung der Eigenschaften dieses Transfer-normals wurde 2012 veroumlffentlicht [2]

Fuumlr die thermische Stabilisierung von LEDs mit sehr hohen Leistungen wurde ein weiteres Trans-fernormal unter Einsatz von Peltier-Elementen Heatpipes und aktivem Kuumlhlsystem in der PTB entwickelt (vgl Bild 6)

Im Rahmen des europaumlischen Forschungspro-jekts OLED100eu wurde in der PTB weiterhin das weltweit erste Transfernormal unter Einsatz einer organischen Leuchtdiode entwickelt (vgl Bild 7) Dieses Normal wurde fuumlr den Einsatz in einer Ulbricht-Kugel konzipiert und in ein mattes Aluminiumgehaumluse eingebaut Eine Besonderheit dieses Normals ist die Stand-Alone-Versorgungs-einheit die ohne Rechner o auml saumlmtliche relevan-ten elektrischen und thermischen Groumlszligen regelt und auf einem USB-Stick speichert

3 LED-Messtechnik in der PTB

Neben LED-Transfernormalen mit guter Reprodu-zierbarkeit ist eine hochentwickelte Messtechnik fuumlr deren Kalibrierung mit minimaler Messunsi-cherheit erforderlich

Die photometrische Beschreibung von LEDs erfolgt durch Angabe ihrer Lichtstaumlrke ILED mit der Einheit Candela und ihrem Lichtstrom ΦLED mit der Einheit Lumen Diese Groumlszligen werden in der PTB unter Verwendung ruumlckgefuumlhrter Photometer bestimmt Hierfuumlr wird die Beleuchtungsstaumlrke ELED unter definierten geometrischen Bedingungen fuumlr alle Abstrahlrichtungen der LED mit einem Goniophotometer gemessen

Fuumlr die Bestimmung der colorimetrischen Werte kommen Spektralradiometer zum Einsatz Hiermit werden spektrale Bestrahlungsstaumlrken gemessen und daraus die abgeleiteten colorime-

Bild 5 Temperaturgeregeltes LED-Transfernormal auf Basis von Hochleistungs-LEDs mit Lichtstroumlmen von bis zu 100 Lumen Im rechten Bild ist die Temperaturverteilung in Grad Celsius waumlhrend des Betriebs abgebildet

Bild 6 Temperaturgeregeltes LED-Transfernormal auf Basis von Houmlchstleistungs-LEDs mit Lichtstroumlmen von bis zu 2500 Lumen

Bild 7 Temperaturgeregeltes OLED-Transfernormal auf Basis kommerziell erhaumlltlicher OLEDs

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PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4 Metrologie fuumlr moderne Lichtquellen

trischen Kenngroumlszligen wie z B die Normfarb-wertanteile (x y) bei weiszligen LEDs die aumlhnlichste Farbtemperatur TN mit der Einheit Kelvin und bei farbigen LEDs die dominante Wellenlaumlnge λdom berechnet Grundlegende Informationen und Definitionen uumlber die photometrischen und colorimetrischen Groumlszligen und deren Messung sind in [3] [4] und [5] zu finden

In Bild 8 ist der Aufbau des LED-Messplatzes an der PTB zu sehen Fuumlr die Bestimmung der Mess-groumlszligen in alle raumlumlichen Abstrahlwinkel wird die LED durch ein Goniophotometer bewegt

Die LED wird in horizontaler Betriebslage zentrisch normal zur Referenzebene des Photo-meterkopfes ausgerichtet Ein Translationstisch ermoumlglicht dabei eine Variation des Abstandes d zwischen Photometer und LED Eine horizontale Rotationsachse (φ-Achse) und eine senkrechte Rotationsachse (ϑ-Achse) die sich an der LED-Spitze im rechten Winkel schneiden erlauben durch Drehung der LED eine Bestimmung der Beleuchtungsstaumlrke ELED in alle Raumrichtungen Beide Rotationsachsen werden waumlhrend der Messung zeitgleich bewegt Hierdurch bewegt sich die relative Position der lichtempfindlichen Emp-faumlngeroumlffnung bezuumlglich des Schnittpunkts beider Drehachsen auf der Oberflaumlche einer virtuellen Kugel entlang einer Spiralbahn von bdquoPol zu Polldquo dieser Kugel

Die Bestimmung des Lichtstroms ΦLED erfolgt analog der Beschreibung in dem Kapitel Kurze Geschichte der Goniophotometrie in der PTB Der wesentliche Unterschied zu goniophotome-trischen Messungen an Gluumlhlampen besteht darin dass bei LED-Messungen die Lichtquelle typischerweise bewegt werden kann ohne dass sich ihre optischen Eigenschaften aumlndernAufgrund des stetig wachsenden Bedarfs an ruumlck-gefuumlhrten Kalibrierungen von High-Power-LEDs sind Masse und Abmessungen der Transfernor-male erheblich gestiegen Daher wurde der Mess-platz 2015 um ein weiteres Goniophotometer fuumlr schwere und groszlige Objekte erweitert (vgl Bild 9)

Neben den photometrischen Empfaumlngern befinden sich auch Einkoppeloptiken fuumlr Spekt-ralradiometer auf dem drehbaren Empfaumlngerka-russell Alle Empfaumlnger lassen sich hiermit auto-matisiert waumlhrend einer Messung zu den LEDs ausrichten Vor jeder LED-Kalibrierung werden die Spektralradiometer bezuumlglich Ihrer spektralen Empfindlichkeit und Wellenlaumlnge kalibriert Die entsprechenden Normallampen befinden sich neben dem Empfaumlngerkarussell (vgl Bild 10) und ermoumlglichen so ebenfalls eine automatisierte Messung

Den spektralen Messungen an LEDs kommt neben der Notwendigkeit fuumlr die Bestimmung colorimetrischer Kennzahlen noch eine beson-dere Bedeutung fuumlr die photometrischen Messun-

Bild 9 Goniophotometer fuumlr photometrische Messungen an Hochleistungs-LEDs

Bild 10 Entladungslampen mit verschiedenen Gasfuumlllungen dienen der Wellenlaumlngenka-librierung der Spektrometer Im Hintergrund ist eine Bestrahlungsstaumlrke-Normal-lampe fuumlr die spektrale Empfindlichkeitskalibrierung zu sehen

Bild 8 Goniophotometer fuumlr photometrische Messungen an Kleinleistungs-LEDs

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PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4Das Jahr des Lichtes

gen zu Wie in der Einleitung erklaumlrt unterscheiden sich die spektralen Verteilungen von LEDs und Gluumlhlampen deutlich voneinander Photometerkoumlpfe bestehen in der Regel aus einer Silizium-Photodiode deren spektrale Empfindlichkeit durch den Einsatz von Glasfiltern moumlglichst gut an den Hellemp-findlichkeitsgrad V(λ) angepasst wird Aufgrund internationaler Standardisierung wird die photo-metrische Empfindlichkeit von Photometerkoumlpfen fast ausschlieszliglich fuumlr Normlichtart A kalibriert In der Praxis werden hierfuumlr Gluumlhlampen mit einer Verteilungstemperatur von 2856 K verwendet Wenn man ein solches Photometer fuumlr Messungen an anderen Gluumlhlampen verwendet sind die spektralen Verteilungen meist so aumlhnlich dass nur geringe oder gar vernachlaumlssigbare Korrekturen aufgrund der spektralen Fehlanpassung also der Abweichung der realen spektralen Empfindlichkeit des Photometers von dem Hellempfindlichkeitsgrad notwendig sind Wenn man ein solches Photometer jedoch bei LEDs insbesondere farbigen LEDs einsetzt koumlnnen die Abweichungen aufgrund der spektralen Fehlan-passung sehr groszlig werden (gt10 fuumlr hochwertige Photometerkoumlpfe sind moumlglich)

Mit Kenntnis der relativen spektralen Verteilung der Leuchtdiode SLED(λ) und der relativen spekt-ralen Empfindlichkeit srel(λ) laumlsst sich die spektrale Fehlanpassung durch folgenden Korrekturfaktor cSpek korrigieren

cV S

s S

V P T

sSpek

LED

rel LED

A

rel

d

d

d=

( ) ( )( ) ( )

( ) ( )( )

intint

intλ λ λ

λ λ λ

λ λ λ

λ

intint ( )P Tλ λ A d

P(λ TA) beschreibt Lichtart A durch das Planck-sche Strahlungsgesetz fuumlr TA = 2856 K

Eine detaillierte Auflistung und Diskussion aller zu beruumlcksichtigenden Details bei Kalibrierungen von LEDs und das dazugehoumlrige Messunsicher-heitsbudget soll an dieser Stelle nicht gegeben werden Interessierte Leser koumlnnen hierfuumlr Infor-mationen in einer fruumlheren Veroumlffentlichung [6] oder in den Ergebnissen eines internationalen Vergleichs von LED-Messungen [7] finden

Fazit und Ausblick

Der Verzicht auf LEDs ist fuumlr Beleuchtungsan-wendungen nicht mehr vorstellbar Durch ihre kontinuierliche Weiterentwicklung erobern LEDs immer weitere Anwendungsfelder (z B Haus-halts- Straszligen- und Automobilbeleuchtung) mit denen der Endkunde in Kontakt kommt Bei diesen Anwendungen sind die Anforderungen an die Lichtquellen vielfaumlltig und fuumlr eine quantitative Beschreibung ihrer Eigenschaften muss auch die Messtechnik entsprechend umfassend und ausge-reift sein

Neben dem allgemeinen Forschungs- und Ent-wicklungsbedarf fuumlr bessere LED-Messverfahren und -geraumlte die die Grundlage ihrer technologi-schen Weiterentwicklung bilden gibt es eine weitere Herausforderung Aufgrund der nahezu unbe-grenzten Moumlglichkeiten eine bestimmte Lichtfarbe durch additive Farbmischung zu erhalten sind LEDs verschiedener Hersteller mit unterschiedlichen Emissionsspektren aber einer nominell gleichen aumlhnlichsten Farbtemperatur erhaumlltlich Dennoch ist teilweise ein Unterschied der Lichtfarbe mit bloszligem Auge erkennbar wenn sich unterschiedliche LEDs nebeneinander befinden

Es ist ungewoumlhnlich dass man ohne technische Hilfsmittel nominell gleiche Lichtfarben faktisch unterscheiden kann Um die Charakterisierung von LEDs soweit zu verbessern dass dies nicht mehr moumlglich ist ist einerseits eine Reduzierung der Messunsicherheit bei der Bestimmung der Normfarbwertanteile (Lichtfarbe) notwendig Andererseits muss man sich bewusst machen dass photometrische und colorimetrische Messverfahren auf rein physikalischen Zusammenhaumlngen basieren Individuelle menschliche Wahrnehmung und Sehen werden bei photometrischen Messungen nicht beruumlcksichtigt ndash diese werden durch Festlegung von exakt definierten Wichtungsfunktionen wie dem Hellempfindlichkeitsgrad fuumlr einen fiktiven Normalbeobachter ausgegrenzt Diese Wichtungs-funktionen koumlnnen gegebenenfalls auch noch optimiert werden um die objektive Beurteilung von Lichtquellen mit physikalischen Messmethoden zu verbessern Somit gibt es auch in Zukunft noch interdisziplinaumlre Herausforderungen fuumlr die Metro-logie moderner Lichtquellen

Literatur

[1] httpwwwnobelprizeorgnobel_prizesphysicslaureates2014 (letzter Aufruf 14102015)

[2] T Gerloff M Lindemann S Shirokov M Taddeo S Pendsa A Sperling Development of a new high-power LED transfer standard CIE Proceed-ings 2012

[3] CIE S 017E 2011 ILV International Lighting Vocabulary httpeilvciecoat (letzter Aufruf 03122015)

[4] CIE 127 2007 (2nd edition) Measurement of LEDs

[5] CIE S 025E 2015 Test Method for LED Lamps LED Luminaires and LED Modules

[6] M Lindemann R Maass Photometry and Colo-rimetry of Reference LEDs by Using a Compact Goniophotometer MAPAN ndash Journal of Metrolo-gy Society of India Vol 24 No 3 2009

[7] wwwbipmorg APMPPR-S3a (Averaged LED Intensity) APMPPR-S3b (Total Luminous Flux of LEDs) APMPPR-S3c (Emitted Colour of LEDs)

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Effektpigmente hellipPTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4

Einleitung

Farbe ist fuumlr Menschen die wohl auffaumllligste sub-jektive Stoffeigenschaft Bereits den Fruumlhmenschen war diese visuelle Qualitaumlt bekannt deren Wahr-nehmung allen Primaten eigen ist So wurde 2008 in Suumldafrika eine ca 100000 Jahre alte steinzeitli-che bdquoMalerwerkstattldquo entdeckt [1] Auch heutzu-tage spielt Farbe in der Gestaltung unserer Umwelt eine wichtige Rolle Jedes Jahr praumlsentiert uns die Mode die neuen Farben der Saison Farben dienen zur Regelung des Verkehrs Ohne bunte Farben waumlre unsere Welt trist und oumlde

Es ist wichtig festzustellen dass Farbe ein physiologischer Sinneseindruck ist wie z B auch Tasten oder Riechen D h Farbe ist keine immanente physikalische Eigenschaft eines Gegenstandes wie z B seine Masse oder Waumlrme-leitfaumlhigkeit Die physiologische Wahrnehmungs-kette ist hierbei folgende Das vom betrachteten Gegenstand reflektierte Licht trifft auf das Auge und loumlst hierbei einen Farbreiz aus Dieser Farbreiz beruht auf der spektralen Zusammensetzung des empfangenen Lichts d h er ist abhaumlngig von der verwendeten Lichtquelle und dem spektralen Reflexionsvermoumlgen des betrachteten Objektes Die Anregung der licht- und farbempfindlichen Zellen in der Netzhaut fuumlhrt zu einer Farbvalenz die uumlber den Sehnerv an das Gehirn weitergeleitet wird Die eigentliche Farbempfindung die wir dann mit einem Gegenstand verknuumlpfen entsteht erst im Gehirn [2] Liegt z B eine Farbfehlsich-tigkeit vor so kann der Farbeindruck des betrof-fenen Menschen auch ein ganz anderer sein Auch viele Tiere mit ihren teilweise erheblich abweichenden visuellen Systemen nehmen Farbe ganz unterschiedlich als wir Menschen wahr Im Folgenden soll mit Farbe immer die Koumlrperfarbe auch Gegenstandsfarbe Objektfarbe bzw Oberflauml-chenfarbe genannt einer nicht selbstleuchtenden Flaumlche bezeichnet werden die durch Reflexion von Licht an einem Koumlrper entsteht

Die genannten Zusammenhaumlnge machen die mathematisch-physikalische Beschreibung von Farbe schwierig und aufwendig da auch die spe-zifischen Eigenarten der menschlichen Wahrneh-

mungskette nachgestellt werden muumlssen Diesem Umstand wird versucht uumlber die verschiedenen Farbmaszligsysteme Rechnung zu tragen welche die Farbe eines Objektes mithilfe von quantifizierba-ren Zahlenwerten kennzeichnen [3]

Generell koumlnnen farbige Flaumlchen je nach Tageszeit und Lichteinfall sehr unterschiedlich wirken Die Aumlnderungen basieren hierbei auf der unterschiedlichen spektralen Zusammenset-zung des Tageslichts und den winkelabhaumlngigen Glanz- und Struktureigenschaften von Oberflauml-chen Ganz besonders deutlich ist dies bei auf dem Interferenzeffekt basierenden Effektpigmenten der Fall Deren visuelles Erscheinungsbild im englischen mit Visual Appearance bezeichnet kann sich bei variierendem Beobachtungswinkel und unterschiedlichen Lichtverhaumlltnissen komplett veraumlndern Man spricht hierbei von sogenannten Flop-Lacken wobei man zwischen Hell-Dunkel-Flop und Farb-Flop unterscheiden kann [4]

Generell kann man sagen dass Farbe und visuelle Effekte einen entscheidenden Anteil am Verkaufserfolg eines Produktes haben denn Farben wecken Emotionen und verschiedene Neuro marketingstudien belegen dass ca 95 aller Kaufentscheidungen emotional gepraumlgt sind [5] Deshalb spielt eine moderne Farbgestaltung unter Nutzung aktueller Effektpigmente im Pro-duktdesign eine entscheidende Rolle denn durch den Einsatz solcher Pigmente kann Gegenstaumlnden eine houmlhere Attraktivitaumlt verliehen werden Daher findet man moderne Effektpigmente heutzutage in vielen teilweise sehr unterschiedlichen Indus-trieprodukten wie z B in Autolackierungen Haumluserfassaden Kosmetikartikeln oder sogar bei Pralineacutes wie dies in Bild 1 zu sehen ist

Pigmente

Als Pigmente aus dem Lateinischen kommend von pigmentum fuumlr bdquoFaumlrbestoff Schminkeldquo bezeichnet man aus Teilchen bestehende im Anwendungs-medium praktisch unloumlsliche Sub stanzen die als Farbmittel oder wegen anderer spezieller physika-lischer und chemischer Eigenschaften als funktio-nale Farbzentren verwendet werden [6]

Effektpigmente Eine Herausforderung fuumlr die optische Messtechnik

Egbert Buhr Alfred Schirmacher Andreas Houmlpe

Dr Egbert Buhr Fachbereich bdquoBildshy und Wellenoptikldquo EshyMail egbertbuhrptbde

Dr Alfred Schirmacher Arbeitsshygruppe bdquoReflexion und Transmissionldquo EshyMail alfredschirmacherptbde

Dr Andreas Houmlpe dagger ehemals Arbeitsgrupshype bdquoReflexion und Transmissionldquo

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PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4Das Jahr des Lichtes

In der Natur vorkommende anorganische Pig-mente sind schon seit praumlhistorischen Zeiten bekannt Schon die Menschen der Steinzeit benutzen mineralische Pigmente fuumlr die ersten Houmlhlenzeichnungen Sie erkannten dass sie mit unterschiedlichen Erdsorten farbig malen konnten Eisenoxidhaltige Erden liefern gelbrote bis braunrote Kalk und Gips weiszlige Mangan-oxide sowie Holz- und Knochenkohle schwarze Farbtoumlne

Aus heutiger industrieller Sicht ist ein Pigment ein fein aufgeteilter und unloumlslicher Feststoff mit der Hauptfunktion das Erscheinungsbild des verwendeten Mediums zu verbessern oder es zu faumlrben Pigmente werden dem Medium immer durch physikalisches Mischen beigegeben dies unterscheidet sie von Farbstoffen die in ihrem Medium loumlslich sind

Pigmente koumlnnen nach den optischen Prin-zipien ihrer Wechselwirkung mit Licht unter-schieden und in verschiedene Klassen eingeteilt werden Wichtige Pigmentklassen sind Weiszlig- Bunt- Schwarz- und Effektpigmente die alle wegen ihrer speziellen farbgebenden Eigenschaf-ten eingesetzt werden Bei den Effektpigmenten

kann in einer ersten vereinfachten Einteilung noch zwischen Metalleffekt- und den sogenannten speziellen Effektpigmenten unterschieden werden

Der Begriff bdquospezielle Effektpigmenteldquo umfasst die Gruppen der Perlglanzpigmente und der all-gemeinen Interferenzpigmente welche insbeson-dere bei aktuellen Pigmententwicklungen nicht scharf abgegrenzt werden koumlnnen Perlglanzpig-mente sind Effektpigmente die aus transparenten Plaumlttchen mit hohem Brechungsindex bestehen Sie erzeugen durch die spezielle Form der Mehr-fachreflexion des transmittierten Lichts an mehre-ren Pigmenten einen perlenaumlhnlichen Effekt bei dem die auftreffende Strahlung verteilt reflektiert wird wodurch der Eindruck einer mit der Tiefe abnehmenden diffusen Helligkeit entsteht Fuumlr das Auge ergibt sich so eine scheinbar dreidimen-sionale Glanzcharakteristik die aus der Tiefe des Objektes zu kommen scheint Interferenzpigmente dagegen sind Effektpigmente deren farbgebende Wirkung ganz oder vorwiegend auf dem Effekt der Vielstrahlinterferenz von Licht an duumlnnen hoch-brechenden Schichten beruht Interferenzpigmente koumlnnen dabei sowohl auf transparenten oder auch nichttransparenten Plaumlttchen basieren

Bild 1 a) Roadster mit ChromaFlairreg-Effektpigmentlackierung b) Verwaltungsgebaumlude in Braunschweig verkleidet mit Alucobondreg-spectra-colours-Verbundplatten c) Effektpigmente im Nagellack d) Pralineacute mit Effektpigmentuumlberzug

a

dc

bb

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Effektpigmente hellipPTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4

Die heute verwendeten Pigmente lassen sich somit grob in fuumlnf verschiedene Klassen einteilen

1) Weiszligpigmente Die Pigmente streuen das ge-samte auftreffende Licht nahezu verlustfrei in alle Richtungen durch diffuse ungerichtete Reflexion

2) Buntpigmente Die Pigmente streuen einen Teil des Lichtes diffus und absorbieren wellenlaumln-genselektiv einen anderen Teil des Lichtes

3) Schwarzpigmente Die Pigmente absorbieren alle Wellenlaumlngen des fuumlr das menschliche Auge sichtbaren Spektralbereiches

4) Metalleffektpigmente Die aus duumlnnen Metall-plaumlttchen vorwiegend Aluminium bestehen-den Metalleffektpigmente sind lichtundurch-laumlssig und reflektieren das gesamte auftreffende Licht durch spekulare gerichtete Reflexion Die Pigmentpartikel wirken dabei wie Mikrospie-gel und fuumlhren bei paralleler Ausrichtung im Anwendungsmedium zu einem spiegelnden Metallglanz dem Metallic-Effekt

5) Spezielle Effektpigmente Perlglanz- bzw Inter-ferenzpigmente deren optische Wirkung auf der Mehrfachreflexion an uumlberwiegend flaumlchig aus-gebildeten und ausgerichteten transparenten semitransparenten oder lichtundurchlaumlssigen Partikeln beruht

Weiszlig- Bunt- und auch Schwarzpigmente weisen typische Durchmesser im Bereich von 100 nm bis zu 1 microm auf Ihre Groumlszlige liegt damit zum Teil im Bereich der Wellenlaumlnge des sichtbaren Lichtes welches den Bereich von 380 nm bis 780 nm uumlberdeckt Einige Schwarzpigmente wie z B Ruszlig-pigmente liegen mit ihren Durchmessern jedoch auch zum Teil auch deutlich darunter Effektpig-mente besitzen dagegen Teilchendurchmesser die zumeist im Bereich von 5 microm bis 100 microm in einigen Faumlllen auch daruumlber liegen Sie sind damit bezuumlglich der mittleren Plaumlttchendurch-messer wesentlich groumlszliger als die Wellenlaumlnge des sichtbaren Lichtes Die Dicke der Plaumlttchen liegt von einigen Ausnahmen abgesehen unter 1 microm ebenso wie die Dicke der Interferenzschichten Demzufolge weisen Effektpigmente in der Regel ein hohes Aspektverhaumlltnis auf (Verhaumlltnis der lateralen Ausdehnung einer Struktur zu ihrer Houmlhe) welches bis zu 200 betragen kann

Interferenzpigmente ndash Wie die Farben entstehen

Die Farbe von Interferenzpigmenten haumlngt von der Schichtdicke der Metalloxidbeschichtung und dem Einstrahlungs- und Betrachtungswinkel ab Beide Parameter bestimmen die effektive optische Weg-

laumlngendifferenz fuumlr das einfallende weiszlige Licht zwischen oberer und unterer Grenzflaumlche und die somit auftretenden Interferenzfarben siehe Bild 3

Interferenzpigmente zeigen somit einen aus-gepraumlgten bdquoFarbflopldquo Die Winkelabhaumlngigkeit der Farbe wird hierbei auch als Goniochromasie bezeichnet Richtig bunt geht es zu wenn ein Interferenzpigment auf einen bereits bunten Untergrund aufgebracht wird Die Transparenz der Pigmente laumlsst die Untergrundfarbe durch-

Bild 2 Schematische Diagramme zum spektralen Verhalten verschiedener Pigmenttypen

Bild 3 Die Schichtdicke der Metalloxidbeschichtung und der kombinierte Einstrahlungs- und Betrachtungswinkel bestimmen die optische Weglaumlnge und somit die sich ergebenden Interferenzfarben in Reflexion und Transmission

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PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4Das Jahr des Lichtes

Bild 5 Die Effekte Spar-kling (1) und Coarseness (2) des Effektpigmentes Xirallicreg Crystal Silver in einer vergroumlszliger-ten Aufnahme auf weiszligem (links) und schwarzem Hinter-grund (rechts)

scheinen im Glanzwinkel wird sie aber von der Interferenzfarbe uumlberstrahlt wie dies in Bild 4 zu sehen ist

Der Effekt eines Helligkeitsunterschiedes unter verschiedenen Betrachtungswinkeln wird als Helligkeitsflop bezeichnet und ist an sich nichts Neues Sind jedoch die einzelnen Pigmentteilchen

aufgrund ihrer planaren Reflexionsoberflaumlchen in gerichteter Beleuchtung direkt beobachtbar was fuumlr mittlere Teilchengroumlszligen von 30 microm und groumlszliger der Fall ist so ergibt dies einen Effekt welcher mit dem Begriff Sparkle (Glitzern Funkeln) bezeichnet wird (Bild 5) Aumlndert sich die Beleuchtung von einer gerichteten Einstrahlung wie es an einem wolkenlosen sonnigen Sommertag der Fall ist hin zu einer diffusen ungerichteten Einstrahlung wie an einem stark bewoumllkten Herbsttag so verschwin-det das Sparkling der Pigmente und verwandelt sich in eine Koumlrnigkeit der Oberflaumlche Dieses optische Phaumlnomen wird als Coarseness (Bild-koumlrnigkeit) bezeichnet und ist unabhaumlngig vom Betrachtungswinkel (Bild 5)

Als neuer Archetypus des Sparkle-Begriffes haben sich in den letzten Jahren die Xirallicreg Pig-mente (High Chroma Chrystal Effect Pigments) der Firma Merck KGaA entwickelt Durch die Beschich-tung von Aluminiumoxidplaumlttchen mit hochbre-chenden Metalloxiden und einer optimierten Dicke und Ebenheit aller am Pigment beteiligten Schich-ten entstehen auszligergewoumlhnlich stark reflektierende Effektpigmente die einen besonders intensiven Sparkle-Effekt aufweisen Man spricht hierbei auch von sogenanntem Living Sparkle welcher sich in einem scheinbaren bdquoTanzenldquo der leuchtenden Punkte in der Probenoberflaumlche bei Veraumlnderung der Beobachtungsgeometrie aumluszligert [7 8]

Generell gilt dass die Farbe von Objekten mit Effektlackierung nicht mehr wie jahrzehntelang uumlblich und ausreichend mit konventionellen Farb-messgeraumlten mit nur einer festen Messgeometrie wie z B in der 45deg 0deg Geometrie (Einstrahlung unter 45deg Reflexionsmessung unter 0deg) bestimmt werden kann Dieser Umstand wird sehr gut durch die Grafik in Bild 6 illustriert Dargestellt sind die winkelabhaumlngig gemessenen Farbkoordinaten von drei verschiedenen keramischen Farbstandards der Farben rot gruumln und blau sowie eines mit dem Effektpigment Viola Fantasy der Firma Merck lackierten Blechs Der Einfallswinkel des Lichts auf die Proben betrug hierbei immer 45deg zur Oberflauml-chennormalen Das von den Proben reflektierte Licht wurde an 26 Positionen in einem 5deg Raster in planaren die Oberflaumlchennormale enthalten-den Messgeometrien im Winkelbereich von ndash70deg bis +70deg aufgenommen Bei den aus absorptiven Pigmenten bestehenden Keramiken zeigt sich eine nur sehr geringe Winkelabhaumlngigkeit der Farbe welche groumlszligtenteils auf unterschiedlicher winkelabhaumlngiger Helligkeit d h den Glanzeigen-schaften der Oberflaumlche beruht Das Effektpigment dagegen zeigt einen extremen winkelabhaumlngigen Farb-Flop (Goniochromasie) welcher einen Farbverlauf von Gruumln uumlber Rot-Gelb hin ins Blau-Violett bietet

Aber auch die neuen Lackfarben aus der Gruppe der Effektlackierungen muumlssen messtechnisch

Bild 4 Merck-Xirallicreg-Solaris-Red-Effektpigmente appliziert auf einem mit Standard-Ab-sorptionspigmenten hellblau lackierten Metallblech In Rich-tung des Glanzwin-kels auf der rechten Seite zeigt sich der langsame Aufbau der winkelabhaumlngigen Interferenzfarbe

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Bild 6 CIELab Farbkoordinaten einer winkelabhaumlngigen Reflexionsmessung an vier verschiedenen Proben drei Keramiken der Farben rot gruumln blau und eine Effektpigmentlackierung mit Merck Colorstreamreg Viola Fantasy Das untergelegte Farbschema zeigt naumlherungsweise die den Koordinaten entsprechende Farbe

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Effektpigmente hellipPTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4

Abbildungsoptik Messungen der ortsaufgeloumlsten Leuchtdichte auf einer Laumlngenskala bis hinab zu 28 microm auf der zu untersuchenden Probe siehe Bild 8

Mit der Zeilenkamera sind Messungen von kompletten Reflexionsspektren im sichtbaren Spektralbereich zwischen 380 nm und 780 nm dem sogenannten V(λ)-Bereich auf einer Zeit-skala von 2 Minuten moumlglich Hieraus lassen sich dann Farbkoordinaten der untersuchten Proben in den unterschiedlichsten Farbraumsystemen berechnen Eine absolute Messung in 114 Win-kelkombinationen (siehe Bild 9) im Polarwinkel-

erfasst und ruumlckgefuumlhrt werden um eine gleich-bleibende Qualitaumlt in der Produktion gewaumlhrleis-ten zu koumlnnen Gerade diese vielfaumlltigen zusaumltz-lichen Eigenschaften stellen die Farbmesstechnik vor neue Herausforderungen

Farbmessung

Bisherige kommerzielle Farbmessgeraumlte charakte-risieren Probenoberflaumlchen fast ausschlieszliglich in den eben schon erwaumlhnten sogenannten in-plane Reflexionsgeometrien Dabei liegen die Richtun-gen des eingestrahlten und des reflektierten Lichts sowie die Oberflaumlchennormale der Probe in einer Ebene Diese Einschraumlnkung entspricht jedoch in keiner Weise der taumlglichen Realitaumlt bei der Oberflaumlchen aus beliebigen Richtungen beleuchtet und betrachtet werden Seitens der Messgeraumlteher-steller und Anwender gibt es daher einen Trend zur erweiterten Charakterisierung bezuumlglich zusaumltzlicher Winkelkombinationen im dreidimen-sionalen Raum Spitzenreiter dieser Entwicklung am Markt ist derzeit ein tragbares Mehrwinkel-Spektralphotometer mit insgesamt 19 verschie-denen Reflexionsgeometrien [9] Hiermit scheint aber auch das Ende dieser Entwicklung im Bereich der portablen handgefuumlhrten Geraumlte erreicht Der Wunsch der Anwender geht aktuell wieder zuruumlck zu einer geringeren Anzahl von Winkelkombi-nationen denn es ist unklar wie man aus dem Mehr an winkelaufgeloumlsten Reflexionsdaten die fuumlr die Charakterisierung der Farbeigenschaften relevanten Informationen gewinnen kann Daher stellt sich die Frage welches sind bdquoguteldquo d h an die Messaufgabe adaptierte optimal geeignete Messgeometrien

Um diese Frage zu beantworten betreibt die AG 424 bdquoReflexion und Transmissionldquo der PTB zwei roboterbasierte Gonioreflektometer die eine winkelaufgeloumlste Reflexionsmessung in beliebi-gen bidirektionalen Geometrien ermoumlglichen [10ndash12] Diese beiden Apparaturen sind in Bild 7 dargestellt

Das Standard-Gonioreflektometer ist hierbei das nationale Normal fuumlr die Messgroumlszlige spektraler Strahldichtefaktor in gerichteten Geometrien Es dient der Realisierung Bewahrung und Weiter-gabe der gerichteten Reflexionsskale in Form von Kalibrierungen Die zweite Apparatur bezeich-net mit dem Acronym ARGon3 (3D Appearance Robot-based Gonioreflectometer) ist ein flexibles Forschungsgeraumlt mit dem experimentelle Unter-suchungen u a im Rahmen des EMRP-Projektes Multidimensional Reflectometry for Industry der EU [13] durchgefuumlhrt werden Im Ver gleich zum Standard-Gonioreflektometer ist dieses Geraumlt mit einer photometrischen Leuchtdichteka-mera und einer Zeilenkamera ausgeruumlstet Die Leuchtdichtekamera erlaubt mit einer speziellen

Bild 7 Die beiden roboter-basierten Gonio-reflektometer der PTB oben Standard-Gonioreflektometer fuumlr Kundenkalibrie-rungen unten ARGon3-Messplatz fuumlr Forschungsanwen-dungen

Bild 8 Visualisierung desSparkling-Effektesvon Xironareg-Volcanic-Sparks-Pigmenten als Falschfarben-darstellung der ortsaufgeloumlsten LeuchtdichteDie bdquoNadelnldquo zeigendie Position derPigmente an

Bild 9 Beispielgeometrien zur Messung der winkelabhaumlngigen Reflexionseigen-schaften Realisiert wurden 4 Einstrah-lungsrichtungen (rote Pfeile) mit jeweils 114 Reflexionswinkeln (schwarze Punkte) im Bereich der Viertel-kugel oberhalb der Probenoberflaumlche

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PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4Das Jahr des Lichtes

bereich 0deg bis 70deg gleichmaumlszligig verteilt uumlber den Viertelraum oberhalb der Probe dauert hierbei ca 4 Stunden [14] Die so erhaltenen Daten bilden die Basis fuumlr kuumlnftige Verbesserungen in der Mess-technik fuumlr Anwender und Hersteller

Im Rahmen des EMRP-Projektes Multidimen-sional Reflectometry for Industry [13] sind damit die winkelabhaumlngigen Reflexionsspektren von insgesamt 66 verschiedenen Effektpigmentproben gemessen worden [15 16] Bei den vier verschie-denen Einstrahlungsrichtungen verbunden mit jeweils 114 Reflexionswinkeln im Bereich der Vier-telkugel oberhalb der Probenoberflaumlche ergeben sich somit uumlber 30000 Reflexionsspektren

Zielsetzung der Untersuchungen ist die Ver-besserung der Metrologie zur Materialcharak-terisierung mit reduzierter Messunsicherheit Dazu werden neue Messvorschriften und neue Standardmessartefakte entwickelt mit denen die Industrie die visuelle Wahrnehmung der von ihr produzierten Oberflaumlchen gezielt charakterisie-ren und kontrollieren kann Solche Messungen sollten einfach auszufuumlhren sein und die Ergeb-nisse muumlssen soweit wie moumlglich mit der visuellen menschlichen Wahrnehmung korrelieren Im europaumlischen und internationalen Rahmen sollen die Ergebnisse in die Normung einflieszligen um die allgemeine Vergleichbarkeit solcher Messungen zu gewaumlhrleisten

Literatur

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[2] Mark D Fairchild Color Appearance Models2nd Ed John Wiley amp Sons Ltd 2005

[3] Colorimetry Understanding the CIE Systemed by J Schanda Wiley-Interscience NJ 2007

[4] WR Cramer Der richtige Blickwinkel Farbe amp Lack 092006 26ndash30 2006

[5] G Zaltman How Customers Think EssentialInsights into the Mind of the Market HarvardBusiness Review Press 2003

[6] DIN ISO 18451-12015-11 Pigmente Farbstof-fe und Fuumlllstoffe ndash Begriffe ndash Teil 1 AllgemeineBegriffe

[7] WR Cramer Ohne Glimmer aber mit GlanzFarbe amp Lack 042003 132ndash136 2003

[8] WR Cramer Es glitzert wie am SternenhimmelFahrzeug + Karosserie 0412 20ndash22 2012

[9] E Kirchner W Cramer Making sense of measure-ment geometries for multi-angle spectrophotome-ters Color Res Appl Vol 37 No3 186ndash198 2012

[10] D Huumlnerhoff U Grusemann A Houmlpe Newrobot-based gonioreflectometer for measuringspectral diffuse reflection Metrologia 43 S11ndashS162006

[11] A Houmlpe D Huumlnerhoff K-O Hauer Robot-basedgonioreflectometer Industrial Robotics Program-ming Simulation and Applications Low Kin-Huat Ed Pro Literatur-Verlag Mammendorf623ndash632 2007

[12] A Houmlpe T Atamas D Huumlnerhoff S TeichertK-O Hauer ARGon3 ndash bdquo3D Appearance Robot-based Gonioreflectometerrdquo at PTB Rev SciInstrum 83(4) 045102-1ndash045102-8 2012

[13] European Metrology Research Program ProjectIND52 bdquoxD-Reflectldquo Multidimensional Reflecto-metry for Industry wwwxdreflecteu(letzter Aufruf 03122015)

[14] T Atamas K-O Hauer A Houmlpe Appearancemeasurements of goniochromatic colours Predic-ting Perceptions Proceedings of the 3rd Internati-onal Conference on Appearance 149ndash154 2012

[15] A Houmlpe A Koo FM Verdu FB LeloupG Obein et al bdquoMultidimensional reflectometryfor industryrdquo (xD-Reflect) an European researchproject Proc SPIE 9018 Measuring Modelingand Reproducing Material AppearanceSPIE-ISampT Vol 9018 901804-1ndash901804-11 2014

[16] A Houmlpe K-O Hauer S Teichert D HuumlnerhoffC Strothkaumlmper Goniochromatic and Sparkleproperties of effect pigmented samples in mul-tidimensional configuration Proc SPIE 9398Measuring Modeling and Reproducing MaterialAppearance 2015 SPIE Proc Vol 9398 Appea-rance 93980O-1ndash7 2015

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Die 50 Sitzung des Internationalen Komitees fuumlr das gesetzliche Messwesen (CIML) fand vom 20 bis 22 Oktober 2015 in Arcachon Frankreich statt Im Vorfeld der CIML-Sitzung fand ein ein-taumlgiges OIML-Seminar uumlber Countries and Econo-mies with Emerging Metrology Systems (CEEMS) statt uumlber das weiter unten berichtet wird

Das CIML ist der Lenkungsausschuss der OIML Es trifft sich jaumlhrlich und besteht aus je einem Repraumlsentanten der Mitgliedstaaten der korrespondierenden Mitglieder und den Vertre-tern internationaler und regionaler Organisa-tionen die als Beobachter teilnehmen koumlnnen Das CIML ist zustaumlndig fuumlr die Vorbereitung und Durchfuumlhrung der Entscheidungen der Konfe-renz die alle vier Jahre stattfindet Es uumlberwacht die Arbeiten der Technischen Komitees und Unterkomitees und des Internationalen Buumlros fuumlr das gesetzliche Messwesen (BIML) in Paris

An der 50 CIML-Sitzung nahmen 144 Teilneh-mer aus 43 Mitgliedstaaten und 13 korrespondie-renden Mitgliedstaaten teil Zur deutschen Dele-gation gehoumlrten neben den o g Autoren auch die Herren Johann Fischer Direktor des Landesamts fuumlr Mess- und Eichwesen Berlin-Brandenburg sowie Prof Olaf Kuumlhn Direktor des Thuumlringer Landesamts fuumlr Verbraucherschutz als Vertreter der Bundeslaumlnder Dr Peter Ulbig Leiter der Abteilung Wissenschaftlich-technische Quer-schnittsaufgaben der PTB und Prof Manfred Kochsiek Vizepraumlsident a D der PTB ehema-liger CIML-Praumlsident und Ehrenmitglied der OIML Frau Dr Anna Cypionka persoumlnliche Referentin des Praumlsidenten der PTB nahm am OIML-Seminar fuumlr CEEMS teil Vertreten waren auch wieder internationale und regionale Orga-nisationen zu denen die OIML Verbindungen unterhaumllt wie das Internationale Buumlro fuumlr Maszlig und Gewicht (BIPM) die GSO-GCC Standardiza-tion Organization (Saudi-Arabien) die Internatio-nal Laboratory Accreditation Cooperation (ILAC) und der Europaumlische Verband der Waagenherstel-ler (CECIP)

Alle Beschluumlsse der 50 CIML-Sitzung koumlnnen auf den Internetseiten der OIML aufgerufen werden [1 2]

Die wichtigsten Entscheidungen und Entwick-lungen werden nachfolgend vorgestellt

1 Personalangelegenheiten

Der Vertrag von Willem Kool als Assistant Director wurde um vier Jahre der Vertrag des BIML-Direk-tors Stephen Patoray um drei Jahre verlaumlngert

2 Einfuumlhrung des PG Workspace im Internet

In seinem Bericht im Zusammenhang mit der Etablierung des neuen Webauftritts der OIML hob der CIML-Praumlsident Peter Mason (UK) die erfolgreiche Einfuumlhrung des Workspace fuumlr Pro-jektgruppen hervor Durch die Online-Arbeit wird erwartet dass die technische Arbeit an neuen bzw zu revidierenden OIML-Dokumenten vereinfacht und insgesamt effizienter wird

3 Revision der technische Richtlinien fuumlr die OIML (B 6 Directives for OIML tech-nical work)

In einem neuen Projekt sollen die in den vergan-genen Jahren revidierten OIML-Richtlinien fuumlr die technische Arbeit erneut uumlberarbeitet werden um u a den Prozess der Entwicklung und Uumlber-arbeitung von OIML-Publikationen noch weiter zu beschleunigen und den neuen internetbasierten Technologien und Arbeitsweisen Rechnung zu tragen

4 Umfassende strukturelle Uumlberarbeitung des OIML Certificate System

Das CIML verabschiedete die Gruumlndung einer Projektgruppe mit der Aufgabe einer substan-ziellen Uumlberarbeitung des OIML-Zertifizierungs-systems das z Zt aus dem Basiszertifizierungs-system und dem MAA3 besteht Urspruumlnglich ausgehend von der Annahme die Akzeptanz des MAA-Zertifizierungssystem muumlsse verstaumlrkt werden eine groumlszligere Verbreitung finden und mehr Messgeraumltearten abdecken erscheint es

Aktuelles aus der OIML (Internationale Organisation fuumlr das Gesetzliche Messwesen)Bericht uumlber die 50 Sitzung des CIML in Arcachon FrankreichSusanne Ludwig Roman Schwartz

INTERNATIONALE ZUSAMMENARBEIT

Susanne Ludwig OIMLshyGeschaumlftsstelle der PTB EshyMail susanneludwigptbde

Dir u Prof Dr Roman Schwartz Vizepraumlsident der PTB deutsches Mitglied im Internashytionalen Komitee fuumlr das Gesetzliche Messwesen (CIML) und CIMLshyVizepraumlsishydent EshyMail romanschwartzptbde

3 Mutual Acceptance Arrangement (Abshykommen zur gegenshyseitigen Anerkennung von Bauartpruumlfungen)

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PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4Internationale Zusammenarbeit

inzwischen sinnvoller und wurde so auch vom CIML beschlossen zum 112017 ein einziges OIML-Zertifizierungssystem einzufuumlhren Eine Projektgruppe (Certification System Project Group = CSPG) unter dem Vorsitz des CIML-Vizepraumlsi-denten Dr Roman Schwartz wurde damit beauf-tragt die notwendigen Dokumente und Prozedu-ren auszuarbeiten

5 OIML-Seminar fuumlr Countries and Economies with Emerging Metrology Systems (CEEMS)

Im Vorfeld der CIML-Sitzung wurde ein eintaumlgiges Seminar zum Thema Developing an OIML Package for Assistance to Countries with Emerging Metro-logy Systems (CEEMS) abgehalten In vier Sitzun-gen diskutierten 125 Teilnehmer aus 49 Laumlndern uumlber Moumlglichkeiten Laumlnder beim Aufbau von nationalen Metrologiesystemen zu unterstuumltzen In der ersten von Frau Dr Cypionka geleiteten Sitzung Capacity Building ging es um die allge-meinen Herausforderungen bei der Gestaltung von Programmen zur Foumlrderung von Handlungs-kompetenzen und Vermittlung von Wissen fuumlr die Metrologie In zwei weiteren Sitzungen wurden unter den Themen Helping CEEMS Improve Regulation in their Markets (Leitung Prof Dr Manfred Kochsiek) und New Ideas ndash Doing Legal Metrology Differently (Leitung Stuart Carstens

Suumldafrika) konkrete inhaltliche Loumlsungsvorschlaumlge vorgestellt und diskutiert Die Ergebnisse wurden in der 50 CIML-Sitzung vorgestellt und fanden ihren Niederschlag in der Resolution Nr 201510 [2] sie sollen auch noch auf den OIML-Webseiten veroumlffentlicht werden [1]

6 OIML-Publikationen

Folgende OIML-Publikationen wurden verabschiedet

R 139-3 Compressed gaseous fuels measuring systems for vehicles Part 3 Test report format

New Recommendation (R 145) Ophthalmic instru-ments mdash Impression and applanation tonometers

Alle OIML-Publikationen stehen im Internet frei zur Verfuumlgung [3]

Gleichzeitig wurde die Revision der folgenden OIML-Publikation beschlossen

Revision of R 79 Labeling requirements for prepackages

Folgende neue Projekte wurden verabschiedet

Revision des OIML-Dokuments B 6-1 Directives for OIML technical work

Bild 1 Teilnehmer der 50 Sitzung des Internationalen Komitees fuumlr Gesetz-liches Messwesen (CIML) in Arcachon Frankreich

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PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4 Aktuelles aus der OIML

TC 8SC 1 Revision R 71 Fixed storage tanks mdash General requirements

TC 8SC 1 Revision R 85 Automatic level gauges for measuring the level of liquid in stationary storage tanks

7 Personalien und Ehrungen

Die von Dr Seiler dem ehemaligen Leiter des Fachbereichs bdquoTechnische Zusammenarbeitldquo der PTB initiierte OIML-Auszeichnung fuumlr bdquoexzel-lente Beitraumlge von Entwicklungslaumlndern zum gesetzlichen Messwesenldquo ging in diesem Jahr an

bull Nam Hyuk Lim Director of Korea Testing Certi-fication und

bull The Metrology Department Saint Lucia Bureau of Standards

Die OIML-Medaille fuumlr besondere Verdienste um die OIML-Arbeit ging an Ngo Quy Viet Vietnam und Cartaxo Reis aus Portugal

8 Termine

Ein Gastgeberland fuumlr die 51 CIML-Sitzung und 15 OIML-Konferenz im Jahr 2016 konnte noch nicht bekannt gegeben werden es wird aber wahr-scheinlich wieder Frankreich sein Weitere OIML-Veranstaltungen und -Termine finden sich auf der OIML-Webseite unter [4]

9 Literatur

[1] httpswwwoimlorgen (letzter Aufruf 19112015)

[2] httpswwwoimlorgenstructurecimlpdf50-ciml-resolutions-englishpdf (letzter Aufruf 19112015)

[3] httpswwwoimlorgenpublicationsrecommen-dationspublication_viewp_type=1ampp_status=1

[4] (letzter Aufruf 19112015)[5] httpswwwoimlorgeneventscalendar

(letzter Aufruf 19112015)

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TECHNOLOGIETRANSFER

E27-Scanner fuumlr UlbrichtkugelnMit dem besonders einfach ohne Umbau einsetzbaren E27-Scanner koumlnnen Anwender und Hersteller die Homogenitaumlt ihrer Ulbricht-kugeln bestimmen und die Ergebnisse zur Berechnung genauerer Lichtstroumlme und zur Dokumentation der Qualitaumlt ihrer Messungen nutzen

Hintergrund

Wie viel Licht eine Lampe insgesamt in alle Richtungen abstrahlt wird durch ihren Lichtstrom ausgedruumlckt Um den fuumlr die Bestimmung der Energieeffizienz von Lampen notwendigen Lichtstrom schnell zu er mitteln setzt die Lampenindustrie Ulbrichtkugeln ein An einer Stange in der Mitte der Ulbrichtkugel befindet sich eine E27-Lampen-fassung in die nacheinander die Lichtstrom-Normallampe und die zu kalibrierende Lampe eingeschraubt werden Das indirekt auf den Mess-kopf fallende Licht erzeugt einen Photostrom der im Idealfall propor-tional zu dem von der Lampe abgestrahlten Lichtstrom ist unabhaumlngig von der Richtung in die das Licht abgestrahlt wird

Dies ist jedoch bei einer ungleichmaumlszligigen Beschichtung der Kugel sowie bei einer im Laufe der Zeit nicht zu verhindernden Verstaubung nicht der Fall Deshalb wird mit einem Kugelscanner die Homogenitaumlt der Kugel regelmaumlszligig vermessen und ein Korrekturfaktor bestimmt der von der jeweiligen Abstrahlcharakteristik der zu untersuchenden Lampe abhaumlngt

Technische Beschreibung

Der Kugelscanner wird einfach in eine E27-Fassung geschraubt und das sonst fuumlr die Lampenversorgung eingesetzte Netzgeraumlt wird durch die Steuereinheit ersetzt Diese uumlbernimmt sowohl die elektrische Versor-gung als auch die Befehlsuumlbermittlung zum Kugelscanner Die Steuer-einheit wird via USB oder RS232 an einen Computer angeschlossen Das mitgelieferte Messprogramm stellt automatisiert alle gewuumlnschten Richtungen ein und speichert die zugehoumlrigen von der Steuereinheit gemessenen Photostroumlme des Photometers

Wirtschaftliche Bedeutungw

Fuumlr Lampenindustrie und Hersteller von Ulbrichtkugeln

bull Genauere Messung des Lichtstroms

bull Bestimmung des Zeitpunkts einer Neubeschichtung

bull Uumlberwachung beim Beschichten

bull Dokumentation des Zustands der Ulbrichtkugel

EntwicklungsstandDer E27-Kugelscanner wurde in der PTB entwickelt Er wird laufend fuumlr Kalibrierungen eingesetzt Die Technologie wurde an die Firma Czibula amp Grundmann transferiert und wird dort mit einer PTB-Lizenz gebaut und vertrieben wwwphoto-metercom

Ansprechpartner

Dr Bernhard SmandekBeauftragter fuumlr TechnologietransferTelefon +49 531 592shy8303Telefax +49 531 592shy69shy8303EshyMail technologietransferptbde

Dr Stefan WinterFachbereich Photometrie und Radiometrie

Abbildung des E27shyKugelscanners Eine stark fokussierende Lampe die computergesteuert in alle Richtungen leuchten kann

Vorteile

bull Schneller Einbau in E27shyFassung

bull Computergesteuertes Abscannen der gesamten Ulbrichtkugel

bull Flexible Messmoumlglichkeiten

bull Fuumlr genauere Lichtstromshymessungen

bull Wichtig fuumlr die Qualitaumltsshysicherung

PTBshyNummer 0172

wwwtechnologietransferptbde

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PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4 Technologieangebote

Ansprechpartner

Dr Bernhard SmandekBeauftragter fuumlr TechnologietransferTelefon +49 531 592shy8303Telefax +49 531 592shy69shy8303EshyMail technologietransferptbde

Dr Stefan WinterArbeitsgruppe Solarzellen

PulsshyzushyCWshyKonverter

Umwandlung gepulster Laser-Strahlung in konstante StrahlungIn weiten Bereichen der optischen Metrologie ist eine Strahlungs-quelle von groszligem Nutzen die sich spektral vom UV-C bis ins mitt-lere IR durchstimmen laumlsst Lediglich Laser mit gepulster Strahlung erfuumlllen diese Anforderung bei ausreichend groszligem Ausgangssignal bisher luumlckenlos Femtosekunden-Lasersysteme waumlren aufgrund ihrer gut automatisierbaren und spektral weiten Durchstimmbarkeit die ideale Strahlungsquelle fuumlr z B radiometrische Anwendungen ndash wenn ihre Strahlung nicht gepulst waumlre

Durch das extreme Puls-Pausen-Verhaumlltnis von 10ndash5 entstehen hohe Spitzenleistungen die wiederum zu Saumlttigungseffekten bei Detek-toren und in der Folge zu nichtlinearem Verhalten fuumlhren koumlnnen Mit dem in der PTB entwickelten Puls-zu-CW-Konverter wird dieses Problem geloumlst

Technische Beschreibung

Bei dieser Methode werden Pulse gepulster Strahlungsquellen ausrei-chend hoher Repetitionsrate in CW-Strahlung umgewandelt Dabei wird jeder Puls in viele kleine Teilpulse aufgeteilt die auf unterschiedlich langen Wegstrecken unterschiedliche Laufzeiten erfahren Am Ausgang des Systems erscheinen sie dann zeitlich gleichmaumlszligig verteilt Realisiert wird dieser Puls-zu-CW-Konverter uumlber ein Glasfaserbuumlndel bei dem jede Einzelglasfaser eine individuell festgelegte Laumlnge besitzt

Mit der Entwicklung des Puls-zu-CW-Konverters wurde das ent-scheidende Manko beim Einsatz leistungsstarker Femtosekunden(fs)-Lasersysteme im Bereich der Metrologie beseitigt und erstmalig gepulste Laserstrahlung in CW-Strahlung umgewandelt Diese Neuentwicklung ermoumlglicht es nun herkoumlmmliche Monochromatorsysteme durch fs-Lasersysteme zu ersetzen die eine bis zu 1000-mal houmlhere spektrale Ausgangsleistung besitzen

Wirtschaftliche Bedeutung

Durch den neuen Puls-zu-CW-Converter koumlnnen in wirtschaftlich bedeutenden Bereichen wie z B der Photovoltaik der Photometrie der UV-Strahlungsmesstechnik und der Reflektometrie die Referenz- und Transfernormale mit einer deutlich reduzierten Messunsicherheit kali-briert werden Hier werden bislang wesentliche Messunsicherheitsan-teile durch zu geringe Strahlungsleistungen aus herkoumlmmlichen Mono-chromatorsystemen verursacht

Entwicklungsstand

Unter DE 10 2010 011 615 B4 wurde fuumlr den CW-Konverter ein Patent erteilt

Vorteile

bull Zeitliche Glaumlttung gepulster Laserstrahlung

bull Keine stoumlrenden Interferenzen

bull Nur minimale Absorption des Messsignals

bull Auch bei kuumlrzeren Wellenshylaumlngen ohne Ulbrichtkugel verwendbar

bull Kontinuierliche Verteilung des Ausgangspulses

bull Pulsvervielfachung

bull Houmlhere Strahlungsleistung

PTBshyNummer 0254

wwwtechnologietransferptbde

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PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4Technologieangebote

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Homogenisierung von Strahlungsquellen und Focal Plane Arrays (FPA)Ein neuartiges Verfahren ermoumlglicht softwaregestuumltzt eine deutlich verbesserte Kalibrierung von Mehrelement-Sensoren (FPA) und bildgebenden Systemen (Kameras) Bei flaumlchigen Strahlungsquellen kann zusaumltzlich eine gezielte Ansteuerung von Flaumlchenelementen zu einer bisher im Allgemeinen nicht erreichbaren Flaumlchenhomogenitaumlt fuumlhren

Technische Beschreibung

Flaumlchenstrahler dienen der Kalibrierung von ortsaufloumlsenden Strah-lungssensoren wobei davon ausgegangen wird dass die Emissionsflaumlche des Strahlers im Wesentlichen homogen bezuumlglich ihrer Strahldichte bzw Strahlungstemperatur ist Um kleine Inhomogenitaumlten eines Flaumlchenstrahlers zu charakterisieren ist es ein gaumlngiges Verfahren die Emissionsflaumlche punktweise mit einem Einzeldetektor abzutasten

Das neue PTB-Verfahren ist wesentlich schneller da es den Mehr-element-Sensor (FPA) das device-under-test selbst nutzt und damit immer ein Gesamtbild der Quelle aufnimmt Werden jetzt weitere Bilder zeilen- oder spaltenversetzt aufgenommen so erlaubt ein mathema-tischer Algorithmus bei nur drei Bildern eine komplette Charakterisie-rung des Sensors aber auch der Quelle

Sind Flaumlchenelemente der Strahlungsquelle einzeln ansteuerbar so ist es sogar moumlglich mittels der ermittelten Korrekturwerte zu Strahlquellen extrem hoher Homogenitaumlt im on-line-Betrieb zu gelangen

Wirtschaftliche Bedeutung

Bildgebende Strahlungssensoren und homogene Strahlungsquellen sind relevant fuumlr die Forschung und Entwicklung fuumlr die Prozesstechnik fuumlr die Charakterisierung der Energieeffizienz von Bauten bei der Ent-wicklung neuer Bauteile mit hoher thermischer Belastung und in vielen weiteren Bereichen Der mathematische Algorithmus ist aber auf unter-schiedliche Arten von Kamerasystemen anwendbar und damit auch fuumlr die Qualitaumltssicherung von CCD-Kameras bis hin zum Konsumguuml-termarkt anwendbar EntwicklungsstandEine deutsche Patenterteilung erfolgte im September 2015 Eine PCT-Anmeldung ist anhaumlngig Kooperations- und Lizenzpartner aus den Bereichen Thermografie Radiometrie und Photometrie zur Umsetzung des Konzeptes werden gesucht

Ansprechpartner

Dr Bernhard SmandekBeauftragter fuumlr TechnologietransferTelefon +49 531 592shy8303Telefax +49 531 592shy69shy8303EshyMail technologietransferptbde

DiplshyIng Berndt GutschwagerArbeitsgruppeInfrarotshyStrahlungsthermometrie

Stahlungsmessplatz der PTB zur Kalibrierung von Temperaturstrahlern und Waumlrmebildkashymeras

Vorteile

bull Schnelle Kalibrierung von Flaumlchensensoren (FPA)

bull Schnelle Kalibrierung von Flaumlchenstrahlern

bull Strahlquellen houmlchster Hoshymogenitaumlt

bull Fuumlr Thermografie und Phoshytometrie

PTBshyNummer 00374

wwwtechnologietransferptbde

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Printed in Germany ISSN 0030-834X

Die fachlichen Aufsaumltze aus dieser Ausgabe der PTB-Mitteilungen sind auch online verfuumlgbar unterdoi 10779531020150499

Die Physikalisch-Technische Bundesanstalt das nationale Metrologieinstitut ist eine wissenschaftlich-technische Bundesoberbehoumlrde im Geschaumlftsbereich des Bundesministeriums fuumlr Wirtschaft und Energie

mitteilungen

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Die PTB-Mitteilungen sind metrologisches Fachjournal der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt Braunschweig und Berlin Als Fachjournal veroumlffentlichen die PTB- Mitteilungen wissenschaftliche Fachaufsaumltze zu metrologischen Themen aus den Arbeitsgebieten der PTB Die PTB-Mitteilungen stehen in einer langen Tradition die bis zu den Anfaumlngen der Physikalisch-Technischen Reichsanstalt (gegruumlndet 1887) zuruumlckreicht

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Die Physikalisch-Technische Bundesanstalt das nationale Metrologieinstitut ist eine wissenschaftlich-technische Bundesoberbehoumlrde im Geschaumlftsbereich des Bundesministeriums fuumlr Wirtschaft und Energie

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Hef

t 42

015

21

PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4 Kurze Geschichte der Goniophotometrie in der PTB

Lampe mit relativ homogener raumlumlichen Licht-verteilung zu messen

In 1963 wurde ein internationaler Lichtstrom-vergleich auf der Basis von Entladungslampen ohne Fluoreszenzstoff durchgefuumlhrt Diese Lampen wiesen eine massive Inhomogenitaumlt ihrer raumlumlichen Lichtverteilung auf sodass die beschriebene manuelle Methode wegen der noumltigen hohen Anzahl von Messpunkten nicht praktikabel war Zur Loumlsung dieses Problems in [3] beschrieben wurde das visuelle Photometer durch einen grob an V(λ)-angepassten Photover-vielfacher ersetzt zusaumltzlich wurde die φ-Achse mit einem elektrischen Antrieb versehen und ein Praumlzisionskondensator ermoumlglichte die analoge Integration des Photostroms des Photovervielfa-chers Damit konnte fuumlr jede der erforderlichen ϑ-Einstellungen des groszligen Arms der elektri-sche Antrieb der φ-Achse diese mit konstanter Winkelgeschwindigkeit rotieren lassen waumlhrend der Praumlzisionskondensator den Photostrom des Photovervielfachers integrierte Nach etwa t = 5 min fuumlr eine Umdrehung repraumlsentierte die Ladung Q = C middot U des Praumlzisionskondensators die mittlere Beleuchtungsstaumlrke

E k C Uti = sdot (9)

dieser gemessenen Zone i Daraus berechnet sich der Lichtstrom wiederum gemaumlszlig Gleichung (8) Es ist nicht noumltig das Produkt k ∙ C exakt zu kennen da dies uumlber das Kalibrierverfahren durch die bekannte Beleuchtungsstaumlrke einer Lichtstaumlrke-Normallampe eliminiert werden kann es muss lediglich uumlber die gesamte Messzeit hinweg kons-tant sein

Spaumlter in den 1960er-Jahren wurde auch das visuelle Photometer durch ein modernes V(λ)-angepasstes Photometer basierend auf gefilterten Silizium-Photodioden in Kombination mit einen PhotostromSpannungswandler und einem xy-Plotter ersetzt Man erhielt so die Beleuchtungs-staumlrkeverteilung jeder Zone die sich dann leicht mit grafischen oder numerischen Verfahren inte-grieren lieszlig Es wird spaumlter gezeigt werden dass diese verwendete bdquoanaloge Zonenintegrationldquo sehr aumlhnlich der heutigen digitalen zonalen Bewertung ist

Diese letzten 2 Verbesserungen erfuumlllen die Anforderung 3 und teilweise auch die Anforde-rung 4

22 Kardan-Goniophotometer (1976ndash2007)

Das existierende Einarm-Goniophotometer war immer auf eine bdquohelfende Handldquo angewiesen um es von Punkt zu Punkt zu bewegen Die anschlie-szligende Berechnung des Lichtstroms wurde grund-saumltzlich ebenfalls haumlndisch ausgefuumlhrt Dieses Ver-

fahren war dementsprechend sehr zeitaufwendig und der zunehmende Wunsch der Industrie auch groszlige Objekte wie z B lange Leuchtstofflampen aber spaumlter auch sehr kleine Mikrolampen und erste LEDs zu kalibrieren fuumlhrte zur Entwicklung sogenannter Kardan-Goniophotometer ver schie-dener Ausfuumlhrungen

221 Groszliges Kardan-Goniophotometer

Nach der intensiven Umgestaltung einiger Raumlume im Koumlsters-Bau der PTB war es moumlglich im neuen Goniophotometerraum (7 x 10 x 8 m3) das Kar-dan-Goniophotometer [4] zu installieren Bild 3 zeigt das groszlige Kardan-Goniophotometer Am Bildoberrand ist eine zu kalibrierende stabfoumlrmige Leuchtstofflampe zu sehen

Dieser Raum war zusaumltzlich auch mit einer geregelten elektrischen Heizung ausgestattet um die geforderten Messbedingungen bezuumlglich Umgebungstemperatur einstellen zu koumlnnen Im Prinzip besteht ein Kardan-Goniophotometer wie in Bild 4 gezeigt aus 3 Rahmen wobei der aumluszligere α-Rahmen der raumlumlichen Ausrichtung (durch Drehung um die y-Achse) der zu untersu-chenden Lampe dient Innerhalb dieses aumluszligeren α-Rahmens ist der mittlere φ-Rahmen endlos drehbar um die z-Achse gelagert Der innere ϑ-Rahmen ist wiederrum drehbar im φ-Rahmen gelagert jedoch ist seine Bewegung auf knapp 180deg durch den noumltigen Lampenhalter begrenzt Alle 3 Rahmen sind mechanisch ausgeglichen und mit elektrischen Antrieben versehen Ihre Rotationsgeschwindigkeiten waren per 10-Gang-Praumlzisionspotentiometer einstellbar eine Folge der angewandten analogen Regelung der Achsan-triebe Die Winkelbestimmung der Achsen erfolgte mittels 13-bit-Winkelencodern Das Photometer war am ϑ-Rahmen (Bild 4) platziert und ermoumlg-lichte so einen festen Messradius von 2500 mm Es bestand die Moumlglichkeit ein zweites Photometer

Bild 3 Kardan-Goniophotometer 1976ndash2007

22

PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4Das Jahr des Lichtes

oder einen Farbmesskopf auf der gegenuumlberliegen-den Seite des ϑ-Rahmens einzusetzen

In diesem Fall war der Arbeitsbereich limitiert im Bereich 4deg lt ϑ lt 176deg da jeweils Lampenhalter von rechts und links zur Aufnahme einer beispiels-weise stabfoumlrmigen Leuchtstofflampe eingesetzt werden konnten (siehe auch Bild 3) Im Falle von einseitig gesockelten Lampen wurde meist nur ein PhotometerFarbmesskopf verwendet was eine Drehung der gegenuumlberliegenden Messkopf-aufnahme um 90deg ermoumlglichte Diese sogenannte bdquoKroumlpfungldquo lieszlig dann Raum fuumlr den nun einseiti-gen Lampenhalter und der Arbeitsbereich vergrouml-szligerte sich zu 0deg lt ϑ lt 176deg

Entsprechend der Gleichung (6) muss die gemessene Beleuchtungsstaumlrkeverteilung uumlber den vollen Raumwinkel 4π sr zum Wert des Licht-stroms integriert werden So ist es naheliegend digitale uumlber die Zeit integrierende Methoden zur Erfassung und Speicherung der gemessenen Beleuchtungsstaumlrkewerte zu verwenden Bild 5 zeigt den Signalfluss Sowohl Photometer- undoder Farbmesskopf als auch Photostrom-Fre-

quenz-Wandler waren temperaturstabilisiertDer Photostrom des Photometers mit seiner

photometrischen Empfindlichkeit s normalisiert auf die CIE-Lichtart A wird mittels Ruumlckkopp-lung Rg eines Photostromverstaumlrkers in eine Spannung U gewandelt und weiter durch einen Spannungs-Frequenzwandler in eine Frequenz f mit dem zugehoumlrigen Wandlungsfaktor wf kon-vertiert Diese Frequenz wird letztlich von einem digitalen Zaumlhler kontinuierlich gezaumlhlt Simultan wird die Quarz-Frequenz fq durch einen zweiten digitalen Zaumlhler erfasst um waumlhrend der spaumlteren Datenanalyse die urspruumlnglichen Photostroumlme berechnen zu koumlnnen Diese Methode stellt damit die schon erwaumlhnte Signal-Zeit-Integration sicher

Die die zu untersuchende Lampe umgebene fiktive Kugel ist wie Bild 5 zeigt in Zonen und Sektoren unterteilt Infolge der analogen Geschwindigkeitsregelung der zwei bewegten Rahmen sind positive und negative Beschleu-nigungsphasen am Anfang und am Ende einer vollstaumlndigen Abtastung und Lastreaktionen des rotierenden Systems und die damit verbundenen geringen Gleichlaufschwankungen unvermeid-bar Die Unterteilung jeder Zone in Sektoren mit der Laumlnge Δφj als Gewichtung reduziert jedoch diesen Einfluss Damit berechnet sich die mittlere Beleuchtungsstaumlrke Endashi nach Gleichung (10)

Es w R

fyt

fjj

ni j

i j=

sdot sdot sdot( )sdot sdot minus

=sum1

2 10

πϕ

f gq∆∆

∆

(10)

mit der Dunkelfrequenz f0 (Photometer abgeschat-tet) und den Differenzsignal-Zaumlhlungen Δyi j und den Differenzzeit-Zaumlhlungen Δti j jeweils vom Sek-toranfang bis zum Sektorende Wiederum koumlnnte der Lichtstrom nach Gleichung (8) bestimmt werden jedoch werden jetzt noch Korrekturfakto-ren fuumlr das Streulicht cstr der spektralen Fehlanpas-sung des Photometers cspec und Abweichungen von den nominalen elektrischen Betriebsbedingungen celec eingefuumlhrt wie nun Gleichung (11) zeigt

Φ = sdot sdot sdot sdot minus( ) sdot+=

minus

sumc c c r Ei ii

m

istr spec elec cos cos2 21

0

1

π ϑ ϑ

(11)

Im Verlauf einer Lichtstrommessung werden neben dem Photometer auch die Waumlnde des Messraums von der zu untersuchenden Lampe beleuchtet Diese Beleuchtung wird ebenfalls vom im Goniophotometer verwendeten Photometer bdquogesehenldquo und fuumlhrt zu einer Streubeleuchtung auf dem Lichteintrittsfenster dieses Photome-ters Diese Streubeleuchtung haumlngt einerseits vom Reflexionsgrad der verwendeten Wandfarbe (ρ asymp 3 ) und vom Gesichtsfeld des sich vor dem

Bild 4 Groszliges Kardan-Goniophotometer 1976ndash2007

Bild 5 Signalfluss

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PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4 Kurze Geschichte der Goniophotometrie in der PTB

Photometer befindlichen Streulichtreduzierungs-tubus ab Daher muss fuumlr jeden eingesetzten Tubus mit seinem individuellen Gesichtsfeld der wirksame spezifische Streulichtkorrekturfaktor cstr bestimmt werden Diese koumlnnen ermittelt werden indem Blenden mit unterschiedlichen Durchmes-sern zwischen der zu untersuchenden Lampe und dem Photometer waumlhrend normalen Lichtstrom-messungen positioniert werden Eine detaillierte Beschreibung kann [5] entnommen werden

Die technische Realisierung eines Photometers ist immer nur eine Naumlherung fuumlr V(λ) Dies bedeu-tet dass im Prinzip in allen Faumlllen diese spektrale Fehlanpassung korrigiert werden muss Allgemein kann der spektrale Korrekturfaktor cstr fuumlr alle Lampen mit beliebiger Strahlungsfunktion S(λ) nach Gleichung (12) bestimmt werden

cV S

s S

V P T

s Pspek

rel

A

rel

d

d

d=

( )sdot ( )( ) sdot ( )

( ) sdot ( )( ) sdot

intint

intint

λ λ λ

λ λ λ

λ λ λ

λ

λλ λTA d( )

(12)

Hierzu ist jedoch die Kenntnis der relativen spektralen Empfindlichkeit srel(λ) des Photome-ters notwendig P(λ TA) bezeichnet dabei einen Planckstrahler mit einer Verteilungstemperatur von TA = 2856 K

Im Fall von Gluumlhlampen ist ein etwas einfache-rer Weg fuumlr diese Korrektur ohne die Kenntnis von srel(λ) moumlglich Gleichung (13) beschreibt die Abhaumlngigkeit der Beleuchtungsstaumlrke E(T) von der Verteilungstemperatur T

E Ty T

sTT

m

( ) = ( )

A

y

(13)

eines gemessenen Photostroms y(T) und der pho-tometrischen Empfindlichkeit s des Photometers fuumlr Lichtart A Eine charakteristische Eigenschaft des Photometers ist der Exponent my bdquoyldquo indiziert den Exponent fuumlr ein V(λ)- angepasstes Photome-ter oder den y-Kanal eines Dreibereichsfarbmess-kopfes wobei die anderen Kanaumlle unterschiedliche Werte fuumlr diese Exponenten haben Ein ideales Photometer wuumlrde einen Wert von 0 fuumlr diese Exponenten aufweisen Beispielsweise beschreibt my = 0018 ein qualitativ durchaus gutes Photo-meter Der Exponent my (und auch mx und mz) koumlnnen aus einem Fit bekannter Paare (E(T) T) einer Lichtstaumlrke-Normallampe bei verschiedenen Arbeitspunkten wie in [6 7] beschrieben gefun-den werden Damit kann der Korrekturfaktor cspec fuumlr Gluumlhlampen wie folgt geschrieben werden

c TT

my

specA

=

(14)

Werden Gluumlhlampen in der Naumlhe von CIE-Licht-art A betrieben ist die Korrektur auf elektrische Nominalbedingungen celec ebenfalls nach Glei-chung (15) sehr einfach da der Lichtstrom eine Funktion des Betriebsstroms J ist

c JJ

m

elec

J

=

minus

0 (15)

Hier ist J0 der Nominalstrom und mJ cong 684 Mehr Information kann in [7] gefunden werden

Die Datenanalyse fuumlr einen Dreibereichsfarb-messkopf erfolgt in gleicher Weise und man erhaumllt die Normfarbwertanteile (x y) aus den Gleichun-gen (16 17)

x =+ +Φ

Φ Φ ΦX

X Y Z (16)

y =+ +Φ

Φ Φ ΦY

X Y Z (17)

Leider konnten nur der Lichtstrom und die zuge-houmlrigen Normfarbwertanteile bestimmt werden da aufgrund der geringen Speichermoumlglichkeit der verwendeten Computertechnik die raumlumliche Information verlorenging

Daher wurden im Jahre 1991 alle Computer Analogsysteme die Verdrahtung und viele weitere Elemente durch moderne Ausruumlstung ersetzt Von nun an konnten alle Rohdaten mittels geeigneter Speichermedien dauerhaft bewahrt werden Das galt auch fuumlr groszlige Datenmengen des ab 1997 eingesetzten Array-Spektrometers zur Messung der relativen spektralen Leistungsverteilung der Strahlung synchron zur Lichtstrombestimmung Leider wiesen Photometer und Einkoppeloptik des Array-Spektrometers unterschiedliche Gesichtsfel-der auf und hatten etwas unterschiedliche Positi-onen auf dem Goniophotometer was die Daten-analyse komplizierte Dennoch konnten erstmalig raumlumliche spektrale Informationen uumlber zu untersuchende Lampen ermittelt werden Damit erfuumlllte das groszlige Kardan-Goniophotometer in seiner Ausbaustufe von 1997 die Anforderungen 1ndash14 aus Abschnitt 2 Die relative erweiterte Mes-sunsicherheit fuumlr den Lichtstrom fuumlr k = 2 betrug jetzt 060

222 Kleines Kardan-Goniophotometer

Fuumlr die Messung kleiner Lampen und LEDs wurde in den fruumlhen 1980er-Jahren ein dem groszligen Kardan-Goniophotometer sehr aumlhnliches kleines Kardan-Goniophotometer mit einem Messra-dius von nur 300 mm entwickelt hergestellt und

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PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4Das Jahr des Lichtes

betrieben Das Foto in Bild 6 zeigt dieses seinerzeit sogenannte bdquoMini-Goniophotometerldquo

Die Messtechnik entsprach nahezu vollstaumln-dig dem groszligen Kardan-Goniophotometer bis hin zum Signalfluss einschlieszliglich Spannungs-Frequenzwandler und nachgeschalteten Zaumlhlern Damit sind alle Aspekte dieser Apparatur bereits in Abschnitt 221 diskutiertIm Jahre 2007 wurde dieses Instrument durch ein spezielles Goniophotometer fuumlr die Messung von LEDs ersetzt siehe auch Kapitel Metrologie fuumlr moderne Lichtquellen LEDs und OLEDs [10]

23 Roboter-Goniophotometer (2006 bis heute)

Am Ende der 1990er-Jahre wurde die Planung eines neuen Goniophotometertyps mehr und mehr konkret Nahezu gleichzeitig entschied sich die PTB fuumlr den Neubau eines modernen Gebaumludes fuumlr die Abteilung Optik dem heutigen Albert-Einstein-Bau Infolge dieses Zusammentreffens

beider Ereignisse konnte bei der Planung das neue Gebaumlude quasi um das neue Roboter-Goniopho-tometer herum geplant und spaumlter auch so gebaut werden

In 19951996 zeigte G Sauter dass Gonio-photometrie mittels Robotern moumlglich ist und erhebliche Vorteile gegenuumlber den bisher verwendeten Kardan-Goniophotometern auf-weist [8] Wie weiterhin in [8] beschrieben sind sogenannte Service-Roboter gut geeignet um ein Roboter-Goniophotometer zu realisieren Diese zeichnen sich durch eine schlanke Konstruktion mit langen Armen bei gleichzeitig relativ gerin-gem Gewicht aus Sie verfuumlgen uumlber eine hohe Flexibilitaumlt um beispielsweise ein Photometer auf gewuumlnschten Bahnen mit unterschiedlichen Radien (1000 mm lt r lt 3000 mm) auf der fiktiven Kugeloberflaumlche um die Lampe herumzufuumlhren Jeder Roboter verfuumlgt uumlber 7 Freiheitsgrade (engl seven degrees of freedom 7 DOF) Dies garantiert die notwendige Flexibilitaumlt und das erforderli-che Arbeitsvolumen Zur Abdeckung des vollen Raumwinkels 4π sr sind daher 2 der beschriebenen Roboter notwendig Ein dritter aumlhnlicher Roboter positioniert dabei die zu untersuchende Lampe in der gewuumlnschten Brennstellung im Raum Alle Roboter-Basen sind direkt mit dem Stahlbeton des Gebaumludes verbunden um eine langzeitstabile raumlumliche Positionierung der Roboter zu gewaumlhr-leisten Bild 8 zeigt das Roboter-Goniophotometer waumlhrend der Messung einer LED-Signalleuchte

Im Gegensatz zu Kardan-Goniophotometern ist der Messradius variabel in dem alle 7 Achsen in entsprechende Positionen gebracht werden Wegen der groszligen Redundanz eines 7-DOF-Roboters kann die Zielposition einschlieszliglich Orientierung durch eine sehr groszlige Anzahl unter-schiedlicher Einstellungen der 7 Achsen erreicht werden Daher wird eine Strategie benoumltigt um die jeweilige Achs einstellung zu finden Diese

Bild 6 Kleines Kardan-Goniophotometer 1982ndash2007

Bild 7 Arm des Roboter-Goniophotometers

Bild 8 Roboter-Goniophotometer 2006 bis heute

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PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4 Kurze Geschichte der Goniophotometrie in der PTB

Strategie ist relativ simpel Sie besagt dass alle Achseinstellungen derart gefunden werden dass saumlmtliche Bestandteile des Roboters einen maxi-malen Abstand zum Zentrum des Roboters haben sollen um das von der Roboterstruktur reflektierte Streulicht moumlglichst gering zu halten Eine beson-dere Software ist notwendig um alle Achswinkel ausgedruumlckt in counts jedes Winkelencoders fuumlr jede Achse zu bestimmen um die gewuumlnschten Kugelkoordinaten (r ϑ φ) anzufahren Waumlhrend der Messung der zu untersuchenden Lampe liest das Roboter-Kontrollsystem alle 10 ms diese counts jeder Achse und versucht jede Achse entsprechend diese Vorgabe einzustel-len Nach dieser Einstellung welche fuumlr alle 7 Achsen gleichzeitig erfolgt werden die Ist-Winkel jeder Achse wiederum in counts synchron gelesen und mit den zugehoumlrigen photo-metrischen Daten und elek trischen Daten des Lampenbetriebs in eine Datenbank gespeichert Prinzipiell ist der Signal-fluss dem des in Abschnitt 221 beschriebenen groszligen Kardan-Goniophotometers sehr aumlhnlich Aber es gibt ein zusaumltzliches wichtiges Element den sogenannten Zeitstempel Da ein weit verteiltes Datenerfassungssystem vorliegt wird ein Mecha-nismus zur Datensynchronisierung in Form eines 1-Mhz-Taktes verwendet Dieser ist im gesamten System verfuumlgbar Beim Messungsstart synchron gestartete Zaumlhler erlauben daher die spaumltere Synchronisierung aller angefallenen Daten Wie beschrieben ist die Position jeder Achse und damit die Position und Orientierung des Photometers das Ergebnis eines Regelprozesses Somit ist es not-wendig die tatsaumlchliche Position und Orientierung des Photometers aus den gespeicherten Daten der Winkelencoder zu berechnen

In der Robotik ist es uumlblich einen Roboter des

verwendeten Typs wie eine biegesteife mechani-sche Kette mit sogenannten Denavit-Hartenberg-Parametern (DH-Parameter) zu beschreiben [9] Die Tabelle 1 zeigt diese DH-Parameter am Beispiel des Roboters 1

Mit diesen Parametern und den aktuellen Winkeln θi fuumlr jede Achse ist die Berechnung der Position bzw Orientierung der siebten Achse in Basis-Koordinatensystem des Roboters moumlglich Hierzu werden 7 Matrizen nach Gleichung (18) ver-wendet Jede Matrize beschreibt die Position (blau) und Orientierung (gruumln) jeder einzelnen Achse

Die PositionierungOrientierung der Achse 7 ergibt sich aus dem Vektorprodukt T1 T2 T3 T4 T5 T6 T7

Um jedoch die Koordinaten in Bezug auf das Koordinatensystem der fiktiven Kugel zu erhalten muumlssen 2 weitere aumlhnliche Matrizen verwendet werden Die sogenannte Base Frame Matrix F beschreibt die Positionierung und Orientierung des Roboter-Koordinatensystems zum Koor-dinatensystem der fiktiven Kugel waumlhrend die Matrix W die Positionierung und Orientierung des Photometers zur Achse 7 beschreibt Nun laumlsst sich die Position und Orientierung des Photome-ters P im Koordinatensystem der fiktiven Kugel mit Gleichung (19) beschreiben

P = F T1 T2 T3 T4 T5 T6 T7 W (19)

axisi Δθi offset to rotation around Z-axis

αi rotation around X-axis

di

translation in Z-axis

αi

translation in X-axis

1 ndash1438deg 45024deg 0000 mm ndash0400 mm

2 191088deg ndash90026deg 2686322 mm 0696 mm

3 178585deg 89996deg 274088 mm 0781 mm

4 6229deg ndash90022deg 1410499 mm 0474 mm

5 ndash0141deg ndash89955deg 173036 mm ndash0779 mm

6 ndash0924deg 90032deg 1191007 mm 0223 mm

7 180443deg 90007deg 91130 mm 0000 mm

Tabelle 1 DH-Parameter von Roboter 1

T

a

i

i i i i i i i i i i i

=

+( ) minus +( ) +( ) +cos sin cos sin sin cos∆ ∆ ∆ ∆θ θ θ θ α θ θ α θ θ(( )+( ) +( ) minus +( ) +sin cos cos cos sin sin∆ ∆ ∆ ∆θ θ θ θ α θ θ α θ θi i i i i i i i i i ia (( )

00 0 0 1

sin cosα αi i id

(18)

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PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4Das Jahr des Lichtes

Bild 9 zeigt die Achsenkoordinatensysteme (17) das Base-Frame-Koordinatensystem und das Koordinatensystem des Photometers zur Achse 7 in schematischer Weise Das Koordinatensys-tem der fiktiven Kugel faumlllt mit dem Zentrum des Goniophotometers zusammen und wird mit Center bezeichnet P ist jetzt auf dieses Center-Koordinatensystem bezogen Zusaumltzlich ist eine typische Bahn eingezeichnet Wegen des aller-dings nicht dargestellten Lampenhalters ist diese Bahn im oberen Bereich verdichtet um eine Kollision mit dem Lampenhalter zu vermeiden Wie bereits erwaumlhnt setzt die Verwendung von Gleichung (19) einen biegesteifen Roboter voraus der in der Praxis nicht existiert P ist also von statischen Gewichtskraumlften des Roboters dyna-mischen Kraumlften infolge der Bewegung als auch von thermischen Laumlngenaumlnderungen uumlberlagert Daher muss Gleichung (19) um eine entspre-chende Korrektur C erweitert werden Glei-chung (20) zeigt nun das endguumlltige Modell zur Bestimmung von P

wobei C

t tT Rθ θ

θ θ1 7

1 7 dd

dd amb

diese finale Korrektur basierend auf den Winkeln θ1θ7 aller Achsen ihren zeitlichen Ableitungen

dd

dd

θ θ1 7

t t

und der Umgebungstemperatur Tamb beschreibt

Der letzte Parameter R steht fuumlr einen groszligen Datensatz und beschreibt Eigenschaften des Roboters wie Abmessungen Teilmassen usw Die Berechnung von C() ist aufwendig und wurde vom Hersteller des Roboters ausgefuumlhrt Aus Gruumlnden des Wettbewerbs muss diese Berechnung vertrau-lich behandelt werden und kann daher hier nicht veroumlffentlicht werden Jedoch kann die Wirkung von C() beispielhaft auf den Messradius mitgeteilt werden (siehe Bild 10)

Die noumltige Radiuskorrektur rcorr bewegt sich im Bereich ndash2 mm lt rcorr lt 3 mm je nach Position (θ φ) des Photometers Der Aumlquatorbereich benouml-tigt eine groumlszligere Korrektur infolge hier wirksamer groumlszligerer Zentrifugalkraumlfte als die Polregion Der Radius selbst laumlsst sich dann aus der Positionssub-matrix von P bestimmen

Der Signalfluss stimmt im Wesentlichen mit dem wie in Bild 5 gezeigt uumlberein Prinzipiell kann der Lichtstrom mit den Gleichungen (11) und (10) berechnet werden da aber nun 2 Photometer benutzt werden muss dies fuumlr jede Hemisphaumlre also fuumlr jeden Roboter separat geschehen Die Gleichungen (21) und (22) demonstrieren das

Bild 9 Koordinatensystem des Roboter-Gonio-photometers und Beispielbahn

P Ct t

T R F T T T T T T=

sdot sdot sdot sdot sdot sdot sdot sdotθ θ

θ θ1 7

1 71 2 3 4 5 6

dd

dd amb TT W7 sdot

(20)

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PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4 Kurze Geschichte der Goniophotometrie in der PTB

fuumlr Roboter 1 Der Radius r1i befindet sich dabei innerhalb der Summation von Gleichung (22) Das Roboter-Goniophotometer ist zusaumltzlich mit einem Monitorphotometer ausgeruumlstet Dieses Photometer wird waumlhrend der Messung nicht bewegt ist aber staumlndig von einem fixen Punkt aus auf die zu untersuchende Lampe gerichtet und erlaubt somit die Korrektur einer moumlglichen Alterung der Lampe waumlhrend des Messprozesses als Funktion der Zeit (cmon(t1i))

Es w R

fyt

fi jj

ni j

i j1

1 1 11

1

1

11 0

12

1

=

( )sdot minus

=sumπ

ϕf g

q∆∆

∆

(21)

Φ1 1 1 12

1 1 1 12= sdot sdot sdot sdot ( ) sdot minus( )+c c r c ti i i ii

str spec mon cos cosπ ϑ ϑ==

minus

sum sdot0

1

1

1m

iE

(22)

Roboter 2 wird in gleicher Weise behandelt und der Lichtstrom ergibt sich somit aus der Summe von Φ1 und Φ2 korrigiert mit dem elektrischen Korrekturfaktor celec aus Gleichung (15)

Φ Φ Φ= sdot +( )celec 1 2 (23)

Die Bestimmung der Streulichtkorrektur cstr unter-scheidet sich methodisch von jener des Kardan-Goniophotometers Es ist schwierig Blenden zwischen Photometer und Lampe zu positionieren wie in [5] beschrieben Hier wird die Streulicht-korrektur cstr direkt aus der Leuchtdichteverteilung auf den Waumlnden des Messraums bestimmt Mit der Kenntnis der geometrischen und photometrischen Eigenschaften des Raumes der raumlumlichen Licht-staumlrkeverteilung der Lampe und dem verwendeten Streulichttubus vor dem Photometer lieszlige sich die Streulichtkorrektur cstr berechnen Hier jedoch wird diese Korrektur mit sogenannten Back-Loo-king-Photometern bestimmt [11]

Bild 11 zeigt ein Foto der bdquoRoboterhandldquo mit mon-tiertem Photometer und Back-Looking-Photometer Letzteres ist ein wenig schraumlg ausgerichtet um nicht im Bereich des Schattenwurfs des Photome-ters auf den Waumlnden zu messen

Bild 12 zeigt beispielhaft eine typische in finite Flaumlchenelemente gerasterte Streulichtsituation im Goniophotometermessraum wie sie durch die zu untersuchende Lichtquelle generiert wird Dieses Beispiel arbeitet mit finiten Flaumlchen der Groumlszlige 05 m middot 05 m um die Flaumlchen sichtbar zu machen Zur realen Berechnung werden Flaumlchen der Groumlszlige 01 m middot 01 m verwendet Natuumlrlich ist der Streulichtanteil auf der aktiven Flaumlche des

Bild 10Wirkung der Radiuskorrektur

Bild 11 Photometer (links) und Back-Looking-Photometer (rechts)

Bild 12 Wirkung des Streulichts und seine Bestimmung

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PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4Das Jahr des Lichtes

Photometers eine Funktion des Gesichtsfeldes des jeweils verwendeten Streulichttubus vor dem Photometer Derzeit werden 2 Tuben je nach Groumlszlige der Lichtquelle mit Oumlffnungswinkeln von ca 15deg und ca 225deg verwendet Ihre typischen Korrekturwerte betragen etwa 09995 und 09990 Da jeder Messroboter mit diesem Back-Looking-Photometer ausgeruumlstet ist kann so der Streulicht-anteil fuumlr jedes Photometer bestimmt werden Da die Back-Looking-Photometer bdquoruumlckwaumlrtsldquo gerichtet sind wird also jeweils die Streulichtkorrektur fuumlr den gegenuumlberliegenden Messroboter bestimmt Damit ist es moumlglich den Wert des Lichtstroms mit zugehoumlriger Messunsicherheit zu bestimmen Tabelle 2 illustriert Ergebnisse einer vereinfachten Monte-Carlo-Simulation (MC) am Beispiel einer OSRAM-Wi4-Lichtstrom-Normallampe Ihre Lichtstaumlrkeverteilung ist in Bild 13 wiedergegeben

Die MC basiert auf den folgenden Gleichun-gen (24) Werte der wichtigsten Beitraumlge zur Mes-sunsicherheit koumlnnen der Tabelle 2 entnommen werden Eine detailliertere Beschreibung der Roboter und Analyse der Messunsicherheit kann [12] entnom-men werden

Bild 13 Raumlumliche Lichtstaumlrkeverteilung einer OSRAM-Wi4-Lichtstrom-Normallampe

Quantity Symbol Value Uncertainty Unit Sensitivity Contribution lm Relative contribution

Luminous responsivity 1 s1 3065E-10 9195E-13 A lxndash1 188E+12 173 000150

Luminous responsivity 2 s2 4111E-10 12333E-12 A lxndash1 143E+12 177 000153

Spectral matching exponent 1 m2 y 0021 0015 1 20 030 000026

Spectral matching exponent 2 m2 y 0036 0015 1 18 027 000023

CCT or distribution temperature T 2762 10 K 0012 012 000011

Uncertainty in r Δr 0000 00020 m 901 180 000156

Calibration factor for frequency F cFH 1000 00005 1 1141 057 000049

Calibration factor for frequency ƒ cFD 1000 00050 1 104 005 000005

Voltage to frequency converter 1 w1 f 500849 25 Hz Vndash1 0012 031 000027

Voltage to frequency converter 2 w2 f 500561 25 Hz Vndash1 00118 029 000026

Amplification gain 1 R1 g 1000E+09 99996 Ω 6223E-07 006 000005

Amplification gain 2 R2 g 9997E+08 99966 Ω 5430E-07 005 000005

Calibration factor for cmon ccm 1000 00005 1 1162 058 000050

Correction factor for stray light cstr 09995 00005 1 1134 057 000049

Luminous flux Φ 11541 327 00028

Tabelle 2 Unsicherheitsbudget

29

PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4 Kurze Geschichte der Goniophotometrie in der PTB

Somit ergibt sich zurzeit eine erweiterte Mess-unsichert von 056 fuumlr k = 2 Dies entspricht etwa der Messunsicherheit welche mit dem groszligen Kardan-Goniophotometer erreichbar war Im Unterschied zum Kardan-Goniophotometer (fester Messradius) verfuumlgt das Roboter-Goniophotometer jedoch uumlber die noumltige hohe Flexibilitaumlt (z B durch Variation des Messradius) die noumltig ist um kuumlnftige Anforderungen erfuumlllen zu koumlnnen Eben diese hohe Flexibilitaumlt fuumlhrt bei der Bestimmung des Messradius zu relativ groszligen Messunsicherheiten Hier koumlnnte die Verwendung einer Lookup-Table oder eine On-Line-Verfolgung mittels Tracer-Syste-men der Bahnen diese Unsicherheit verkleinernMittlerweile ist das Roboter-Goniophotometer voll-staumlndig charakterisiert und wird fuumlr beleuchtungs-staumlrkebasierte Lichtstromkalibrierungen und auch fuumlr internationale Vergleiche eingesetzt Damit werden auch die Anforderungen (15ndash17) erfuumllltIm naumlchsten Schritt wird das Roboter-Goniopho-tometer mit Leuchtdichtemesskameras ausgeruumlstet

werden um es als bdquoNahfeld-Goniophotometerrdquo einzusetzen Es wird dann die direkte Messung der Leuchtdichteverteilung erlauben aus welcher nahezu alle noumltigen photometrischen Groumlszligen abgeleitet werden koumlnnen Dieser kuumlnftige Schritt wird dann auch den letzten Punkt (18) der Anfor-derungen erfuumlllen

3 Zusammenfassung

Die Geschichte der Goniophotometrie in der PTB uumlber einen Zeitraum von mehr als 50 Jahren wird praumlsentiert Verschiedene Goniophotometer ange-fangen vom manuell bewegten Einarm-Goniopho-tometer mit visuellem Photometer uumlber das groszlige und kleine Kardan-Goniophotometer bis hin zum bdquoState-of-the-art-Roboter-Goniophotometerldquo fuumlr das 21 Jahrhundert werden beschrieben Das Letztere hat das Potenzial in der traditionellen Betriebsart aber auch im Nahfeldmodus uumlber viele Jahre eingesetzt zu werden Neu aufkommende

Quantity Symbol Value Uncertainty Unit Sensitivity Contribution lm Relative contribution

Luminous responsivity 1 s1 3065E-10 9195E-13 A lxndash1 188E+12 173 000150

Luminous responsivity 2 s2 4111E-10 12333E-12 A lxndash1 143E+12 177 000153

Spectral matching exponent 1 m2 y 0021 0015 1 20 030 000026

Spectral matching exponent 2 m2 y 0036 0015 1 18 027 000023

CCT or distribution temperature T 2762 10 K 0012 012 000011

Uncertainty in r Δr 0000 00020 m 901 180 000156

Calibration factor for frequency F cFH 1000 00005 1 1141 057 000049

Calibration factor for frequency ƒ cFD 1000 00050 1 104 005 000005

Voltage to frequency converter 1 w1 f 500849 25 Hz Vndash1 0012 031 000027

Voltage to frequency converter 2 w2 f 500561 25 Hz Vndash1 00118 029 000026

Amplification gain 1 R1 g 1000E+09 99996 Ω 6223E-07 006 000005

Amplification gain 2 R2 g 9997E+08 99966 Ω 5430E-07 005 000005

Calibration factor for cmon ccm 1000 00005 1 1162 058 000050

Correction factor for stray light cstr 09995 00005 1 1134 057 000049

Luminous flux Φ 11541 327 00028

Φ = sdot

sdot

+ sdot sdotminus

c JJ

TT

r r c c tm

m

i i

y

strA

cm monj

0

12

1

1

( ) ∆ (( )sdot minus( ) sdotsdot sdot minus

+=

minus=sumsum

cos cosFH FD

ϑ ϑ

ϕ

1 1 10

1 11

11

1

i ii

m jj

n

i jc F c∆ sdotsdot( )sdot sdot

+

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f

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TT

r r c c tm

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1 0

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22

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cos cosFH FD

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2 0

2 2 2

( )sdot sdot

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(24)

30

PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4Das Jahr des Lichtes

Anforderungen fuumlr die Ruumlckfuumlhrung photome-trischer Einheiten wie beispielsweise im Solid-State-Lighting-Bereich koumlnnen so erfuumlllt werden

Literatur

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[2] R Sewig 1938 Handbuch der Lichttechnik Band 1 pp 319 321 Berlin Springer Verlag

[3] D Foumlrste 1966 Zur Lichtstrommessung an Lam-pen mit ungleichmaumlszligiger Lichtverteilung PTB-Mitteilungen 166 pp 18ndash20 Braunschweig PTB

[4] D Foumlrste 1979 Ein Goniophotometer zur genauen Bestimmung des Lichtstroms Licht-Forschung 1 Jahrgang 379 pp 30ndash36 Heidelberg Huumlthig Verlag

[5] D Foumlrste 1980 Elimination des Fremdlichts bei der Lichtstrombestimmung mit dem Gonio-photometer Licht-Forschung 2 Jahrgang 180 pp 27ndash29 Heidelberg Huumlthig Verlag

[6] W Erb 1997 PTB Network for realization and maintenance of the candela Metrologia 3497 pp 115ndash124 Bristol UK

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[10] M Lindemann 2009 Photometry and Colori-metry of Reference LEDs by Using a Compact Goniophotometer MAPAN ndash Journal of Metro-logy Society of India Vol 24 No 3 pp 143ndash152 New Delhi India

[11] G Bizjak 2009 Determination of Stray Light at the PTB Goniophotometer Facility MAPAN ndash Jour-nal of Metrology Society of India Vol 24 No 3 pp 163ndash173 New Delhi India

[12] M Lindemann et al 2015 Robot goniopho-tometry at PTB Metrologia 52 pp 167ndash194 Bristol UK

32

PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4Das Jahr des Lichtes

1 Eine einleitende Beschreibung von Gluumlhlampen LEDs und OLEDs

Der Einsatz Licht Emittierender Dioden (LED) in der Allgemeinbeleuchtung hat in den vergangenen Jahren erheblich zugenommen Ein entscheiden-der Vorteil der LED gegenuumlber der traditionellen Gluumlhlampe liegt in ihrer uumlberlegenen Lichtaus-beute ηv ndash dem Verhaumlltnis des emittierten Licht-stroms Φv und der aufgenommenen elektrischen Leistung Pel angegeben in LumenWatt

Dieser Vorteil beruht auf den Unterschieden der zugrunde liegenden Technologien der Lichterzeu-gung beider Lampentypen Bei einer (Halogen-)Gluumlhlampe wird der Gluumlhfaden durch elektrischen Strom auf Temperaturen um 3000 K aufgeheizt Obwohl hierbei fast die gesamte elektrische Leis-tung in Strahlung umgewandelt wird ndash Verluste durch thermische Konvektion oder Waumlrmeleitung sind gering ndash kann das menschliche Auge lediglich einen geringen spektralen Anteil der ungefaumlhr 5 der Gesamtstrahlungsleistung ausmacht wahr-nehmen Der Groszligteil der Strahlungsleistung liegt im infraroten Spektralbereich und kann nicht fuumlr Beleuchtungszwecke genutzt werden In Bild 1 ist die spektrale Verteilung einer Gluumlhlampe bei einer Temperatur von 2856 K im Spektralbereich

von 300 nm bis 1200 nm dargestellt Das sichtbare Licht im Spektralbereich zwischen 360 nm und 830 nm ist mit den entsprechenden Spektralfarben hinterlegt Oberhalb 830 nm beginnt der fuumlr das menschliche Auge unsichtbare infrarote Anteil der Strahlung

Der fuumlr photometrische Messungen normativ festgelegte spektrale Hellempfindlichkeitsgrad V(λ) also die Hellempfindlichkeit des Auges eines bdquoNormalbeobachtersldquo ist mit seinem Maximum bei 555 nm schwarz eingezeichnet

Da die Gluumlhlampe eine thermische Strahlungs-quelle ist verschiebt sich mit zunehmender Tem-peratur die Lage des Strahlungsmaximums ent-sprechend des Wienschen Verschiebungsgesetzes zu kuumlrzeren Wellenlaumlngen Um die Lichtausbeute von Gluumlhlampen zu erhoumlhen muumlsste man das Strah-lungsmaximum durch Temperaturerhoumlhung in den kurzwelligeren Bereich des sichtbaren Lichts verschieben Die Maximaltemperatur ist jedoch bei Gluumlhfaumlden aus Wolfram auf etwa 3000 K begrenzt ndash bei houmlheren Temperaturen nimmt die Lebensdauer drastisch ab

Das Funktionsprinzip einer LED-Lichtquelle basiert auf dem Phaumlnomen der Elektrolumines-zenz Der prinzipielle Aufbau einer LED aumlhnelt einer pn-Halbleiterdiode Durch Anlegen einer Gleichspannung rekombinieren Ladungstraumlger in der p-n-Grenzschicht der Leuchtdiode unter Emission von Strahlung Durch gezielte Auswahl der verwendeten Halbleitermaterialien und ihrer Dotierung wird deren Bandluumlcke und somit die Farbe des emittierten Lichtes bestimmt Im Jahr 1992 gelang der Durchbruch in der Entwicklung hocheffizienter blauer LEDs die den Einsatz von LEDs zur Allgemeinbeleuchtung erst ermoumlgli-chen Die zugrunde liegenden Forschungsarbei-ten wurden 2014 mit dem Nobelpreis fuumlr Physik gewuumlrdigt [1]

Eine schmalbandige Lichtemission ist charak-teristisch fuumlr LEDs Dementsprechend verfuumlgt ihr Licht uumlber eine hohe Farbsaumlttigung Durch die Bedeckung des LED-Chips mit breitbandig pho-tolumineszierenden Farbstoffen wird ein Teil der Strahlung in energieaumlrmeres langwelligeres Licht konvertiert und es entstehen Mischfarben wie

Metrologie fuumlr moderne Lichtquellen LEDs und OLEDs Thorsten Gerloff

Thorsten Gerloff Arbeitsgruppe bdquoPhotometrieldquo EshyMail thorstengerloffptbde

Bild 1 Spektrale Verteilung einer Gluumlhlampe und spektraler Hellempfindlichkeitsgrad (V(λ)-Funktion)

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PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4 Metrologie fuumlr moderne Lichtquellen

i Infokasten LED

Lichtausbeute einer Strahlungsquelle ηv

Die Lichtausbeute einer Strahlungsquelle gibt das Verhaumlltnis aus ausgestrahltem Lichtstrom und aufgenommener elektrischer Leistung an Die Einheit ist LumenWatt (lmW) Je houmlher die Lichtausbeute ist umso energieeffizienter ist die Beleuchtung Gluumlhlampen besitzen Lichtausbeuten zwischen 10 und 20 lmW

Lichtstrom Φv

Der Lichtstrom beruumlcksichtigt den Hellempfind-lichkeitsgrad V(λ) des Auges und gibt die in alle Raumrichtungen abgegebene bdquoLichtleistungldquo einer Lampe an Der Lichtstrom enthaumllt keine Information daruumlber wie die Lampe das Licht im Raum verteilt Der Lichtstrom gibt an wie hell ein beleuchteter Raum dem Menschen erscheint

Spektraler Hellempfindlichkeitsgrad V(λ)

Der exakt definierte spektrale Hellempfindlich-keitsgrad V(λ) ist eine Bewertungsfunktion fuumlr elektromagnetische Strahlung Hiermit wird der bdquoHelligkeitseindruck eines menschlichen Durch-schnittsaugesldquo berechnet Dies ermoumlglicht den objektiven Vergleich von Lichtquellen mit physika-lischen Messmethoden Subjektive Wahrnehmun-gen einzelner Menschen koumlnnen damit nicht exakt wiedergegeben werden

Aumlhnlichste Farbtemperatur TN

Es gibt unterschiedliche Farbtemperaturen in der Photometrie Verhaumlltnis- und Verteilungstem-peratur sind nur bei thermischen Strahlern wie der Gluumlhlampe anwendbar Nur die aumlhnlichste Farbtemperatur (englisch Correlated Colour Temperature CCT) laumlsst sich fuumlr Lichtquellen mit beliebiger spektraler Zusammensetzung berech-nen sofern die Normfarbwertanteile aumlhnlich einem thermischen Strahler sind Die aumlhnlichste Farbtemperatur wird in der Einheit Kelvin (K) angegeben Sie gibt an ob das Licht warmweiszlig (ca 3000 K) neutralweiszlig (ca 4500 K) oder tages-lichtweiszlig (gt5500 K) erscheint

Normfarbwertanteile (x y)

Fuumlr die Angabe von Farbe gibt es neben dem spek-tralen Hellempfindlichkeitsgrad V(λ)noch weitere definierte Bewertungsfunktionen Hiermit laumlsst sich die Farbwahrnehmung eines fiktive Normalbeob-achters aus der gemessenen spektralen Verteilung des Lichts durch Angabe von nur zwei Werten (x und y) angeben Diese Werte geben die Koordi-naten auf der Normfarbtafel (s Abbildung) an

Normfarbtafel

Farbwiedergabeindex Ra

Der Farbwiedergabeindex ist eine Kennzahl fuumlr Lichtquellen der bewertet die Qualitaumlt der Farb-wiedergabe Je houmlher der Wert desto besser ist die Farbwiedergabe Der Maximalwert liegt bei 100 Werte zwischen 90 und 100 geben eine ausgezeich-nete Farbwiedergabe an Werte unter 80 sind fuumlr viele Anwendungen nicht ausreichend

Im Folgenden soll ein kleiner Leitfaden gegeben werden der in allgemeinverstaumlndlicher Form die grundlegenden Ideen wichtiger lichttechnischer Groumlszligen erlaumlutern soll Komplexe Details der zugrunde liegenden Normen und Definitionen werden hierbei nicht beruumlcksichtigt

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PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4Das Jahr des Lichtes

Pastellfarbtoumlne oder auch weiszliges LichtIn Bild 2 sind die spektralen Verteilungen einer

LED mit und ohne Leuchtstoff abgebildet In der linken Abbildung erkennt man die schmalbandige blaue Emission des LED-Chips In der rechten Abbildung wird ein Teil dieser Strahlung durch einen Leuchtstoff in laumlngerwelliges Licht konver-tiert und die Mischfarbe erscheint weiszlig

Der Vorteil einer LED gegenuumlber einer Gluumlh-lampe bezuumlglich der Lichtausbeute ist offensicht-lich Es wird ndash von unvermeidbarer thermischer Verlustleistung abgesehen ndash nur Strahlung im sichtbaren Wellenlaumlngenbereich emittiert Daruumlber hinaus ist die Farbe des Lichts von LEDs durch Kombination verschiedener Leuchtstoffe und LEDs nahezu beliebig einstellbar und man ist nicht auf aumlhnlichste Farbtemperaturen von ca 3000 K wie bei der Gluumlhlampe begrenzt

Allerdings gibt es auch Nachteile gegenuumlber dem Licht einer Gluumlhlampe Dem typischen Spektrum einer LED-Lichtquelle fehlen im Gegensatz zu Sonnenlicht oder Gluumlhlampenlicht einzelne Spekt-ralfarben Dies macht sich negativ bei der Qualitaumlt der Farbwiedergabe bemerkbar

Die Farbe des emittierten Lichts einer LED laumlsst sich durch additive Farbmischung sehr aumlhnlich zu Sonnenlicht oder auch Gluumlhlampenlicht einstellen Wenn jedoch Objekte mit Licht beleuchtet werden kommt es auch auf die spektrale Zusammensetzung des Lichts an Nehmen wir einen Blumenstrauszlig aus roten Rosen der im Tageslicht steht Im Son-nenlicht sind alle Spektralfarben vorhanden und diese beleuchten die Rosen Die roten Bluumltenblaumltter absorbieren einige spektrale Anteile des Lichts und reflektieren im Wesentlichen rotes Licht welches in das Auge des Betrachters faumlllt Wenn die Rosen von einer anderen Lichtquelle beleuchtet werden in der die roten Spektralanteile zumindest teilweise fehlen koumlnnen diese nicht reflektiert werden und die Farben der Rosen erscheinen unnatuumlrlich

Dies ist von weitreichender Bedeutung fuumlr die Wahl einer geeigneten Lichtquelle da wir einen Kompromiss aus Licht mit guter Farbwieder-gabe und hoher Lichtausbeute schlieszligen muumlssen Licht mit hoher Farbwiedergabe setzt sich aus moumlglichst vielen Spektralfarben zusammen und Lichtquellen mit hoher Lichtausbeute sollten nur Spektralfarben beinhalten fuumlr die das menschliche Auge besonders empfindlich ist In den Auszligenbe-zirken vieler Staumldte werden zur Nachtbeleuchtung der Gehwege haumlufig Natriumdampflampen mit orangefarbenem Licht eingesetzt Die Lichtaus-beute dieser Lampen ist mit etwa 150 lmW auszligerordentlich hoch da das menschliche Auge in diesem Spektralbereich sehr empfindlich ist Diese Beleuchtung ist jedoch ungeeignet um Farben natuumlrlich wiederzugeben Aufgrund des Aufbaus des menschlichen Auges ist es also nicht moumlglich eine Beleuchtung mit sehr hoher Qualitaumlt der Farbwiedergabe bei gleichzeitig sehr hoher Lichtausbeute zu realisieren

Weiszlige LEDs zur Allgemeinbeleuchtung nutzen in der Regel Leuchtstoffe die teilweise qualita-tiv hochwertige Farbwiedergabeeigenschaften besitzen Eine weitere Methode zur Erzeugung von weiszligem Licht ist das Mischen von rotem gruumlnem und blauem Licht (RGB-Verfahren) welches die Grundlage jedes Displays ist Hierbei sind neben weiszligem Licht auch andere Lichtfarben moumlglich ndash die Farbwiedergabeeigenschaften sind allerdings schlecht Fuumlr die Endverbraucher sind in der Regel die Farbwiedergabeeigenschaften von Lichtquellen als Ra-Werte auf der Verpackung angegeben

Organische Licht Emittierende Dioden (OLED) sind eine junge Beleuchtungstechnologie die noch keinen Zugang zum Massenmarkt erhalten hat Die weltweit erste kommerzielle OLED-Leuchte wurde 2008 vertrieben Der fuumlr den Nutzer wesentliche Unterschied zwischen OLEDs und LEDs besteht im Aufbau Der leuchtende Kristall

Bild 2 Spektrale Verteilung einer blauen LED (links) und einer weiszligen LED (rechts) bei der ein Teil des blauen Lichts zu gelbem Licht konvertiert wurde

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PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4 Metrologie fuumlr moderne Lichtquellen

anorganischer LEDs besitzt eine maximale Kan-tenlaumlnge von etwa einem Millimeter Bei OLEDs wird das Licht in groszligflaumlchigen amorphen organi-schen Schichten erzeugt Momentan sind OLEDs mit leuchtenden Flaumlchen von bis zu 20 x 20 cmsup2 erhaumlltlich Das Licht wird aumlhnlich wie bei LEDs durch Ladungstraumlgerrekombination unter Auftre-ten von Elektrolumineszenz erzeugt Dabei ist das Emissionsspektrum der verwendeten organischen Emittermaterialien wesentlich breitbandiger als das einer LED (vgl Bild 3) Daher wird das weiszlige Licht von OLEDs in der Regel durch Verwendung von roten gruumlnen und blauen Emittermaterialien erzeugt ohne dass die Farbwiedergabeeigenschaf-ten sehr stark darunter leiden

2 Entwicklung von (O)LED-Transfer-normalen in der PTB

Eine der Kernaufgaben der PTB ist die Weiter-gabe der gesetzlichen Einheiten Bis zum heuti-gen Tage bieten Transfernormale in Form von speziellen Gluumlhlampen die besten Eigenschaften um als Maszligverkoumlrperung der Einheiten Candela oder Lumen zu dienen Da der Anwender in der Regel jedoch die Substitutionsmethode bei seinen Messungen anwendet um notwendige Korrektu-ren auf ein Minimum zu reduzieren (Gleiches mit Gleichem vergleichen) sind auch Transfernormale auf Basis der LED-Technologie von Interesse

Bereits in den 80er-Jahren des vergangenen Jahr-hunderts wurden LEDs in der PTB kalibriert Diese waren fuumlr Beleuchtungszwecke noch ungeeignet und dienten lediglich als Signallampen Zeitgleich wurden die ersten PTB-LED-Transfernormale entwickelt deren optische Eigenschaften durch thermische Regelung des LED-Chips stabilisiert wurden Die mechanische Ausrichtung der LEDs leistet aufgrund des typischerweise stark gerichteten Abstrahlprofils der LEDs einen groszligen Beitrag auf die Messunsicherheit Daher werden die LEDs seit

2002 in ein rotationssymmetrisches robustes VA-Stahl-Gehaumluse eingebaut welches sich sehr repro-duzierbar ausrichten laumlsst (vgl Bild 4)

Diese Transfernormale werden unter Konstant-Strom-Bedingungen und ndash durch gezieltes Aufhei-zen des LED-Chips durch den Heizwiderstand ndash unter Konstant-Spannung-Bedingungen betrieben Aufgrund der halbleitenden Eigenschaften sinkt mit steigender Temperatur die Betriebsspannung und sowohl der Lichtstrom als auch die Peakwellenlaumlnge des emittierten Lichts veraumlndert sich Die Sollspan-nung wird auf einen Wert festgelegt der unterhalb der Gleichgewichtsspannung durch Eigenerwaumlr-mung im Betrieb ohne Heizwiderstand bei einer Umgebungstemperatur von etwa 35 degC liegt Somit ist auch ein Einsatz der Transfernormale in Laboren ohne Klimatisierung moumlglich

Fuumlr LEDs mit houmlheren Leistungen wurde im Jahr 2011 ein weiterer Prototyp eines Transfernormals vorgestellt (vgl Bild 5) Da die hier verwendeten LEDs eine houmlhere Leistungsaufnahme besitzen werden sie waumlrmer Das reduziert die Lebensdauer und Reproduzierbarkeit der photometrischen

Bild 3 Exemplarische spektrale Verteilung einer weiszligen OLED

Bild 4 Temperaturgeregeltes LED-Transfernormal auf Basis von Kleinleistungs-LEDs mit Lichtstroumlmen von bis zu 10 Lumen

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PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4Das Jahr des Lichtes

Groumlszligen deutlich Daher muumlssen sie gekuumlhlt werden Hierfuumlr kommt bei diesen Normalen ein Peltier-Element zum Einsatz welches geregelt Waumlrme in einen dahinterliegenden Kuumlhlkoumlrper leitet und hierdurch das emittierte Licht stabilisiert Diese Transfernormale zeichnen sich durch ein geringes

Gewicht bei einer Laumlnge von ca 100 mm und einem Durchmesser von etwa 20 mm aus Allerdings ist die Verwendung von LEDs mit sehr hohen Leistun-gen nicht moumlglich da die Abwaumlrme lediglich passiv an den Raum abgegeben wird Eine detaillierte Beschreibung der Eigenschaften dieses Transfer-normals wurde 2012 veroumlffentlicht [2]

Fuumlr die thermische Stabilisierung von LEDs mit sehr hohen Leistungen wurde ein weiteres Trans-fernormal unter Einsatz von Peltier-Elementen Heatpipes und aktivem Kuumlhlsystem in der PTB entwickelt (vgl Bild 6)

Im Rahmen des europaumlischen Forschungspro-jekts OLED100eu wurde in der PTB weiterhin das weltweit erste Transfernormal unter Einsatz einer organischen Leuchtdiode entwickelt (vgl Bild 7) Dieses Normal wurde fuumlr den Einsatz in einer Ulbricht-Kugel konzipiert und in ein mattes Aluminiumgehaumluse eingebaut Eine Besonderheit dieses Normals ist die Stand-Alone-Versorgungs-einheit die ohne Rechner o auml saumlmtliche relevan-ten elektrischen und thermischen Groumlszligen regelt und auf einem USB-Stick speichert

3 LED-Messtechnik in der PTB

Neben LED-Transfernormalen mit guter Reprodu-zierbarkeit ist eine hochentwickelte Messtechnik fuumlr deren Kalibrierung mit minimaler Messunsi-cherheit erforderlich

Die photometrische Beschreibung von LEDs erfolgt durch Angabe ihrer Lichtstaumlrke ILED mit der Einheit Candela und ihrem Lichtstrom ΦLED mit der Einheit Lumen Diese Groumlszligen werden in der PTB unter Verwendung ruumlckgefuumlhrter Photometer bestimmt Hierfuumlr wird die Beleuchtungsstaumlrke ELED unter definierten geometrischen Bedingungen fuumlr alle Abstrahlrichtungen der LED mit einem Goniophotometer gemessen

Fuumlr die Bestimmung der colorimetrischen Werte kommen Spektralradiometer zum Einsatz Hiermit werden spektrale Bestrahlungsstaumlrken gemessen und daraus die abgeleiteten colorime-

Bild 5 Temperaturgeregeltes LED-Transfernormal auf Basis von Hochleistungs-LEDs mit Lichtstroumlmen von bis zu 100 Lumen Im rechten Bild ist die Temperaturverteilung in Grad Celsius waumlhrend des Betriebs abgebildet

Bild 6 Temperaturgeregeltes LED-Transfernormal auf Basis von Houmlchstleistungs-LEDs mit Lichtstroumlmen von bis zu 2500 Lumen

Bild 7 Temperaturgeregeltes OLED-Transfernormal auf Basis kommerziell erhaumlltlicher OLEDs

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PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4 Metrologie fuumlr moderne Lichtquellen

trischen Kenngroumlszligen wie z B die Normfarb-wertanteile (x y) bei weiszligen LEDs die aumlhnlichste Farbtemperatur TN mit der Einheit Kelvin und bei farbigen LEDs die dominante Wellenlaumlnge λdom berechnet Grundlegende Informationen und Definitionen uumlber die photometrischen und colorimetrischen Groumlszligen und deren Messung sind in [3] [4] und [5] zu finden

In Bild 8 ist der Aufbau des LED-Messplatzes an der PTB zu sehen Fuumlr die Bestimmung der Mess-groumlszligen in alle raumlumlichen Abstrahlwinkel wird die LED durch ein Goniophotometer bewegt

Die LED wird in horizontaler Betriebslage zentrisch normal zur Referenzebene des Photo-meterkopfes ausgerichtet Ein Translationstisch ermoumlglicht dabei eine Variation des Abstandes d zwischen Photometer und LED Eine horizontale Rotationsachse (φ-Achse) und eine senkrechte Rotationsachse (ϑ-Achse) die sich an der LED-Spitze im rechten Winkel schneiden erlauben durch Drehung der LED eine Bestimmung der Beleuchtungsstaumlrke ELED in alle Raumrichtungen Beide Rotationsachsen werden waumlhrend der Messung zeitgleich bewegt Hierdurch bewegt sich die relative Position der lichtempfindlichen Emp-faumlngeroumlffnung bezuumlglich des Schnittpunkts beider Drehachsen auf der Oberflaumlche einer virtuellen Kugel entlang einer Spiralbahn von bdquoPol zu Polldquo dieser Kugel

Die Bestimmung des Lichtstroms ΦLED erfolgt analog der Beschreibung in dem Kapitel Kurze Geschichte der Goniophotometrie in der PTB Der wesentliche Unterschied zu goniophotome-trischen Messungen an Gluumlhlampen besteht darin dass bei LED-Messungen die Lichtquelle typischerweise bewegt werden kann ohne dass sich ihre optischen Eigenschaften aumlndernAufgrund des stetig wachsenden Bedarfs an ruumlck-gefuumlhrten Kalibrierungen von High-Power-LEDs sind Masse und Abmessungen der Transfernor-male erheblich gestiegen Daher wurde der Mess-platz 2015 um ein weiteres Goniophotometer fuumlr schwere und groszlige Objekte erweitert (vgl Bild 9)

Neben den photometrischen Empfaumlngern befinden sich auch Einkoppeloptiken fuumlr Spekt-ralradiometer auf dem drehbaren Empfaumlngerka-russell Alle Empfaumlnger lassen sich hiermit auto-matisiert waumlhrend einer Messung zu den LEDs ausrichten Vor jeder LED-Kalibrierung werden die Spektralradiometer bezuumlglich Ihrer spektralen Empfindlichkeit und Wellenlaumlnge kalibriert Die entsprechenden Normallampen befinden sich neben dem Empfaumlngerkarussell (vgl Bild 10) und ermoumlglichen so ebenfalls eine automatisierte Messung

Den spektralen Messungen an LEDs kommt neben der Notwendigkeit fuumlr die Bestimmung colorimetrischer Kennzahlen noch eine beson-dere Bedeutung fuumlr die photometrischen Messun-

Bild 9 Goniophotometer fuumlr photometrische Messungen an Hochleistungs-LEDs

Bild 10 Entladungslampen mit verschiedenen Gasfuumlllungen dienen der Wellenlaumlngenka-librierung der Spektrometer Im Hintergrund ist eine Bestrahlungsstaumlrke-Normal-lampe fuumlr die spektrale Empfindlichkeitskalibrierung zu sehen

Bild 8 Goniophotometer fuumlr photometrische Messungen an Kleinleistungs-LEDs

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PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4Das Jahr des Lichtes

gen zu Wie in der Einleitung erklaumlrt unterscheiden sich die spektralen Verteilungen von LEDs und Gluumlhlampen deutlich voneinander Photometerkoumlpfe bestehen in der Regel aus einer Silizium-Photodiode deren spektrale Empfindlichkeit durch den Einsatz von Glasfiltern moumlglichst gut an den Hellemp-findlichkeitsgrad V(λ) angepasst wird Aufgrund internationaler Standardisierung wird die photo-metrische Empfindlichkeit von Photometerkoumlpfen fast ausschlieszliglich fuumlr Normlichtart A kalibriert In der Praxis werden hierfuumlr Gluumlhlampen mit einer Verteilungstemperatur von 2856 K verwendet Wenn man ein solches Photometer fuumlr Messungen an anderen Gluumlhlampen verwendet sind die spektralen Verteilungen meist so aumlhnlich dass nur geringe oder gar vernachlaumlssigbare Korrekturen aufgrund der spektralen Fehlanpassung also der Abweichung der realen spektralen Empfindlichkeit des Photometers von dem Hellempfindlichkeitsgrad notwendig sind Wenn man ein solches Photometer jedoch bei LEDs insbesondere farbigen LEDs einsetzt koumlnnen die Abweichungen aufgrund der spektralen Fehlan-passung sehr groszlig werden (gt10 fuumlr hochwertige Photometerkoumlpfe sind moumlglich)

Mit Kenntnis der relativen spektralen Verteilung der Leuchtdiode SLED(λ) und der relativen spekt-ralen Empfindlichkeit srel(λ) laumlsst sich die spektrale Fehlanpassung durch folgenden Korrekturfaktor cSpek korrigieren

cV S

s S

V P T

sSpek

LED

rel LED

A

rel

d

d

d=

( ) ( )( ) ( )

( ) ( )( )

intint

intλ λ λ

λ λ λ

λ λ λ

λ

intint ( )P Tλ λ A d

P(λ TA) beschreibt Lichtart A durch das Planck-sche Strahlungsgesetz fuumlr TA = 2856 K

Eine detaillierte Auflistung und Diskussion aller zu beruumlcksichtigenden Details bei Kalibrierungen von LEDs und das dazugehoumlrige Messunsicher-heitsbudget soll an dieser Stelle nicht gegeben werden Interessierte Leser koumlnnen hierfuumlr Infor-mationen in einer fruumlheren Veroumlffentlichung [6] oder in den Ergebnissen eines internationalen Vergleichs von LED-Messungen [7] finden

Fazit und Ausblick

Der Verzicht auf LEDs ist fuumlr Beleuchtungsan-wendungen nicht mehr vorstellbar Durch ihre kontinuierliche Weiterentwicklung erobern LEDs immer weitere Anwendungsfelder (z B Haus-halts- Straszligen- und Automobilbeleuchtung) mit denen der Endkunde in Kontakt kommt Bei diesen Anwendungen sind die Anforderungen an die Lichtquellen vielfaumlltig und fuumlr eine quantitative Beschreibung ihrer Eigenschaften muss auch die Messtechnik entsprechend umfassend und ausge-reift sein

Neben dem allgemeinen Forschungs- und Ent-wicklungsbedarf fuumlr bessere LED-Messverfahren und -geraumlte die die Grundlage ihrer technologi-schen Weiterentwicklung bilden gibt es eine weitere Herausforderung Aufgrund der nahezu unbe-grenzten Moumlglichkeiten eine bestimmte Lichtfarbe durch additive Farbmischung zu erhalten sind LEDs verschiedener Hersteller mit unterschiedlichen Emissionsspektren aber einer nominell gleichen aumlhnlichsten Farbtemperatur erhaumlltlich Dennoch ist teilweise ein Unterschied der Lichtfarbe mit bloszligem Auge erkennbar wenn sich unterschiedliche LEDs nebeneinander befinden

Es ist ungewoumlhnlich dass man ohne technische Hilfsmittel nominell gleiche Lichtfarben faktisch unterscheiden kann Um die Charakterisierung von LEDs soweit zu verbessern dass dies nicht mehr moumlglich ist ist einerseits eine Reduzierung der Messunsicherheit bei der Bestimmung der Normfarbwertanteile (Lichtfarbe) notwendig Andererseits muss man sich bewusst machen dass photometrische und colorimetrische Messverfahren auf rein physikalischen Zusammenhaumlngen basieren Individuelle menschliche Wahrnehmung und Sehen werden bei photometrischen Messungen nicht beruumlcksichtigt ndash diese werden durch Festlegung von exakt definierten Wichtungsfunktionen wie dem Hellempfindlichkeitsgrad fuumlr einen fiktiven Normalbeobachter ausgegrenzt Diese Wichtungs-funktionen koumlnnen gegebenenfalls auch noch optimiert werden um die objektive Beurteilung von Lichtquellen mit physikalischen Messmethoden zu verbessern Somit gibt es auch in Zukunft noch interdisziplinaumlre Herausforderungen fuumlr die Metro-logie moderner Lichtquellen

Literatur

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Effektpigmente hellipPTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4

Einleitung

Farbe ist fuumlr Menschen die wohl auffaumllligste sub-jektive Stoffeigenschaft Bereits den Fruumlhmenschen war diese visuelle Qualitaumlt bekannt deren Wahr-nehmung allen Primaten eigen ist So wurde 2008 in Suumldafrika eine ca 100000 Jahre alte steinzeitli-che bdquoMalerwerkstattldquo entdeckt [1] Auch heutzu-tage spielt Farbe in der Gestaltung unserer Umwelt eine wichtige Rolle Jedes Jahr praumlsentiert uns die Mode die neuen Farben der Saison Farben dienen zur Regelung des Verkehrs Ohne bunte Farben waumlre unsere Welt trist und oumlde

Es ist wichtig festzustellen dass Farbe ein physiologischer Sinneseindruck ist wie z B auch Tasten oder Riechen D h Farbe ist keine immanente physikalische Eigenschaft eines Gegenstandes wie z B seine Masse oder Waumlrme-leitfaumlhigkeit Die physiologische Wahrnehmungs-kette ist hierbei folgende Das vom betrachteten Gegenstand reflektierte Licht trifft auf das Auge und loumlst hierbei einen Farbreiz aus Dieser Farbreiz beruht auf der spektralen Zusammensetzung des empfangenen Lichts d h er ist abhaumlngig von der verwendeten Lichtquelle und dem spektralen Reflexionsvermoumlgen des betrachteten Objektes Die Anregung der licht- und farbempfindlichen Zellen in der Netzhaut fuumlhrt zu einer Farbvalenz die uumlber den Sehnerv an das Gehirn weitergeleitet wird Die eigentliche Farbempfindung die wir dann mit einem Gegenstand verknuumlpfen entsteht erst im Gehirn [2] Liegt z B eine Farbfehlsich-tigkeit vor so kann der Farbeindruck des betrof-fenen Menschen auch ein ganz anderer sein Auch viele Tiere mit ihren teilweise erheblich abweichenden visuellen Systemen nehmen Farbe ganz unterschiedlich als wir Menschen wahr Im Folgenden soll mit Farbe immer die Koumlrperfarbe auch Gegenstandsfarbe Objektfarbe bzw Oberflauml-chenfarbe genannt einer nicht selbstleuchtenden Flaumlche bezeichnet werden die durch Reflexion von Licht an einem Koumlrper entsteht

Die genannten Zusammenhaumlnge machen die mathematisch-physikalische Beschreibung von Farbe schwierig und aufwendig da auch die spe-zifischen Eigenarten der menschlichen Wahrneh-

mungskette nachgestellt werden muumlssen Diesem Umstand wird versucht uumlber die verschiedenen Farbmaszligsysteme Rechnung zu tragen welche die Farbe eines Objektes mithilfe von quantifizierba-ren Zahlenwerten kennzeichnen [3]

Generell koumlnnen farbige Flaumlchen je nach Tageszeit und Lichteinfall sehr unterschiedlich wirken Die Aumlnderungen basieren hierbei auf der unterschiedlichen spektralen Zusammenset-zung des Tageslichts und den winkelabhaumlngigen Glanz- und Struktureigenschaften von Oberflauml-chen Ganz besonders deutlich ist dies bei auf dem Interferenzeffekt basierenden Effektpigmenten der Fall Deren visuelles Erscheinungsbild im englischen mit Visual Appearance bezeichnet kann sich bei variierendem Beobachtungswinkel und unterschiedlichen Lichtverhaumlltnissen komplett veraumlndern Man spricht hierbei von sogenannten Flop-Lacken wobei man zwischen Hell-Dunkel-Flop und Farb-Flop unterscheiden kann [4]

Generell kann man sagen dass Farbe und visuelle Effekte einen entscheidenden Anteil am Verkaufserfolg eines Produktes haben denn Farben wecken Emotionen und verschiedene Neuro marketingstudien belegen dass ca 95 aller Kaufentscheidungen emotional gepraumlgt sind [5] Deshalb spielt eine moderne Farbgestaltung unter Nutzung aktueller Effektpigmente im Pro-duktdesign eine entscheidende Rolle denn durch den Einsatz solcher Pigmente kann Gegenstaumlnden eine houmlhere Attraktivitaumlt verliehen werden Daher findet man moderne Effektpigmente heutzutage in vielen teilweise sehr unterschiedlichen Indus-trieprodukten wie z B in Autolackierungen Haumluserfassaden Kosmetikartikeln oder sogar bei Pralineacutes wie dies in Bild 1 zu sehen ist

Pigmente

Als Pigmente aus dem Lateinischen kommend von pigmentum fuumlr bdquoFaumlrbestoff Schminkeldquo bezeichnet man aus Teilchen bestehende im Anwendungs-medium praktisch unloumlsliche Sub stanzen die als Farbmittel oder wegen anderer spezieller physika-lischer und chemischer Eigenschaften als funktio-nale Farbzentren verwendet werden [6]

Effektpigmente Eine Herausforderung fuumlr die optische Messtechnik

Egbert Buhr Alfred Schirmacher Andreas Houmlpe

Dr Egbert Buhr Fachbereich bdquoBildshy und Wellenoptikldquo EshyMail egbertbuhrptbde

Dr Alfred Schirmacher Arbeitsshygruppe bdquoReflexion und Transmissionldquo EshyMail alfredschirmacherptbde

Dr Andreas Houmlpe dagger ehemals Arbeitsgrupshype bdquoReflexion und Transmissionldquo

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PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4Das Jahr des Lichtes

In der Natur vorkommende anorganische Pig-mente sind schon seit praumlhistorischen Zeiten bekannt Schon die Menschen der Steinzeit benutzen mineralische Pigmente fuumlr die ersten Houmlhlenzeichnungen Sie erkannten dass sie mit unterschiedlichen Erdsorten farbig malen konnten Eisenoxidhaltige Erden liefern gelbrote bis braunrote Kalk und Gips weiszlige Mangan-oxide sowie Holz- und Knochenkohle schwarze Farbtoumlne

Aus heutiger industrieller Sicht ist ein Pigment ein fein aufgeteilter und unloumlslicher Feststoff mit der Hauptfunktion das Erscheinungsbild des verwendeten Mediums zu verbessern oder es zu faumlrben Pigmente werden dem Medium immer durch physikalisches Mischen beigegeben dies unterscheidet sie von Farbstoffen die in ihrem Medium loumlslich sind

Pigmente koumlnnen nach den optischen Prin-zipien ihrer Wechselwirkung mit Licht unter-schieden und in verschiedene Klassen eingeteilt werden Wichtige Pigmentklassen sind Weiszlig- Bunt- Schwarz- und Effektpigmente die alle wegen ihrer speziellen farbgebenden Eigenschaf-ten eingesetzt werden Bei den Effektpigmenten

kann in einer ersten vereinfachten Einteilung noch zwischen Metalleffekt- und den sogenannten speziellen Effektpigmenten unterschieden werden

Der Begriff bdquospezielle Effektpigmenteldquo umfasst die Gruppen der Perlglanzpigmente und der all-gemeinen Interferenzpigmente welche insbeson-dere bei aktuellen Pigmententwicklungen nicht scharf abgegrenzt werden koumlnnen Perlglanzpig-mente sind Effektpigmente die aus transparenten Plaumlttchen mit hohem Brechungsindex bestehen Sie erzeugen durch die spezielle Form der Mehr-fachreflexion des transmittierten Lichts an mehre-ren Pigmenten einen perlenaumlhnlichen Effekt bei dem die auftreffende Strahlung verteilt reflektiert wird wodurch der Eindruck einer mit der Tiefe abnehmenden diffusen Helligkeit entsteht Fuumlr das Auge ergibt sich so eine scheinbar dreidimen-sionale Glanzcharakteristik die aus der Tiefe des Objektes zu kommen scheint Interferenzpigmente dagegen sind Effektpigmente deren farbgebende Wirkung ganz oder vorwiegend auf dem Effekt der Vielstrahlinterferenz von Licht an duumlnnen hoch-brechenden Schichten beruht Interferenzpigmente koumlnnen dabei sowohl auf transparenten oder auch nichttransparenten Plaumlttchen basieren

Bild 1 a) Roadster mit ChromaFlairreg-Effektpigmentlackierung b) Verwaltungsgebaumlude in Braunschweig verkleidet mit Alucobondreg-spectra-colours-Verbundplatten c) Effektpigmente im Nagellack d) Pralineacute mit Effektpigmentuumlberzug

a

dc

bb

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Effektpigmente hellipPTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4

Die heute verwendeten Pigmente lassen sich somit grob in fuumlnf verschiedene Klassen einteilen

1) Weiszligpigmente Die Pigmente streuen das ge-samte auftreffende Licht nahezu verlustfrei in alle Richtungen durch diffuse ungerichtete Reflexion

2) Buntpigmente Die Pigmente streuen einen Teil des Lichtes diffus und absorbieren wellenlaumln-genselektiv einen anderen Teil des Lichtes

3) Schwarzpigmente Die Pigmente absorbieren alle Wellenlaumlngen des fuumlr das menschliche Auge sichtbaren Spektralbereiches

4) Metalleffektpigmente Die aus duumlnnen Metall-plaumlttchen vorwiegend Aluminium bestehen-den Metalleffektpigmente sind lichtundurch-laumlssig und reflektieren das gesamte auftreffende Licht durch spekulare gerichtete Reflexion Die Pigmentpartikel wirken dabei wie Mikrospie-gel und fuumlhren bei paralleler Ausrichtung im Anwendungsmedium zu einem spiegelnden Metallglanz dem Metallic-Effekt

5) Spezielle Effektpigmente Perlglanz- bzw Inter-ferenzpigmente deren optische Wirkung auf der Mehrfachreflexion an uumlberwiegend flaumlchig aus-gebildeten und ausgerichteten transparenten semitransparenten oder lichtundurchlaumlssigen Partikeln beruht

Weiszlig- Bunt- und auch Schwarzpigmente weisen typische Durchmesser im Bereich von 100 nm bis zu 1 microm auf Ihre Groumlszlige liegt damit zum Teil im Bereich der Wellenlaumlnge des sichtbaren Lichtes welches den Bereich von 380 nm bis 780 nm uumlberdeckt Einige Schwarzpigmente wie z B Ruszlig-pigmente liegen mit ihren Durchmessern jedoch auch zum Teil auch deutlich darunter Effektpig-mente besitzen dagegen Teilchendurchmesser die zumeist im Bereich von 5 microm bis 100 microm in einigen Faumlllen auch daruumlber liegen Sie sind damit bezuumlglich der mittleren Plaumlttchendurch-messer wesentlich groumlszliger als die Wellenlaumlnge des sichtbaren Lichtes Die Dicke der Plaumlttchen liegt von einigen Ausnahmen abgesehen unter 1 microm ebenso wie die Dicke der Interferenzschichten Demzufolge weisen Effektpigmente in der Regel ein hohes Aspektverhaumlltnis auf (Verhaumlltnis der lateralen Ausdehnung einer Struktur zu ihrer Houmlhe) welches bis zu 200 betragen kann

Interferenzpigmente ndash Wie die Farben entstehen

Die Farbe von Interferenzpigmenten haumlngt von der Schichtdicke der Metalloxidbeschichtung und dem Einstrahlungs- und Betrachtungswinkel ab Beide Parameter bestimmen die effektive optische Weg-

laumlngendifferenz fuumlr das einfallende weiszlige Licht zwischen oberer und unterer Grenzflaumlche und die somit auftretenden Interferenzfarben siehe Bild 3

Interferenzpigmente zeigen somit einen aus-gepraumlgten bdquoFarbflopldquo Die Winkelabhaumlngigkeit der Farbe wird hierbei auch als Goniochromasie bezeichnet Richtig bunt geht es zu wenn ein Interferenzpigment auf einen bereits bunten Untergrund aufgebracht wird Die Transparenz der Pigmente laumlsst die Untergrundfarbe durch-

Bild 2 Schematische Diagramme zum spektralen Verhalten verschiedener Pigmenttypen

Bild 3 Die Schichtdicke der Metalloxidbeschichtung und der kombinierte Einstrahlungs- und Betrachtungswinkel bestimmen die optische Weglaumlnge und somit die sich ergebenden Interferenzfarben in Reflexion und Transmission

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PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4Das Jahr des Lichtes

Bild 5 Die Effekte Spar-kling (1) und Coarseness (2) des Effektpigmentes Xirallicreg Crystal Silver in einer vergroumlszliger-ten Aufnahme auf weiszligem (links) und schwarzem Hinter-grund (rechts)

scheinen im Glanzwinkel wird sie aber von der Interferenzfarbe uumlberstrahlt wie dies in Bild 4 zu sehen ist

Der Effekt eines Helligkeitsunterschiedes unter verschiedenen Betrachtungswinkeln wird als Helligkeitsflop bezeichnet und ist an sich nichts Neues Sind jedoch die einzelnen Pigmentteilchen

aufgrund ihrer planaren Reflexionsoberflaumlchen in gerichteter Beleuchtung direkt beobachtbar was fuumlr mittlere Teilchengroumlszligen von 30 microm und groumlszliger der Fall ist so ergibt dies einen Effekt welcher mit dem Begriff Sparkle (Glitzern Funkeln) bezeichnet wird (Bild 5) Aumlndert sich die Beleuchtung von einer gerichteten Einstrahlung wie es an einem wolkenlosen sonnigen Sommertag der Fall ist hin zu einer diffusen ungerichteten Einstrahlung wie an einem stark bewoumllkten Herbsttag so verschwin-det das Sparkling der Pigmente und verwandelt sich in eine Koumlrnigkeit der Oberflaumlche Dieses optische Phaumlnomen wird als Coarseness (Bild-koumlrnigkeit) bezeichnet und ist unabhaumlngig vom Betrachtungswinkel (Bild 5)

Als neuer Archetypus des Sparkle-Begriffes haben sich in den letzten Jahren die Xirallicreg Pig-mente (High Chroma Chrystal Effect Pigments) der Firma Merck KGaA entwickelt Durch die Beschich-tung von Aluminiumoxidplaumlttchen mit hochbre-chenden Metalloxiden und einer optimierten Dicke und Ebenheit aller am Pigment beteiligten Schich-ten entstehen auszligergewoumlhnlich stark reflektierende Effektpigmente die einen besonders intensiven Sparkle-Effekt aufweisen Man spricht hierbei auch von sogenanntem Living Sparkle welcher sich in einem scheinbaren bdquoTanzenldquo der leuchtenden Punkte in der Probenoberflaumlche bei Veraumlnderung der Beobachtungsgeometrie aumluszligert [7 8]

Generell gilt dass die Farbe von Objekten mit Effektlackierung nicht mehr wie jahrzehntelang uumlblich und ausreichend mit konventionellen Farb-messgeraumlten mit nur einer festen Messgeometrie wie z B in der 45deg 0deg Geometrie (Einstrahlung unter 45deg Reflexionsmessung unter 0deg) bestimmt werden kann Dieser Umstand wird sehr gut durch die Grafik in Bild 6 illustriert Dargestellt sind die winkelabhaumlngig gemessenen Farbkoordinaten von drei verschiedenen keramischen Farbstandards der Farben rot gruumln und blau sowie eines mit dem Effektpigment Viola Fantasy der Firma Merck lackierten Blechs Der Einfallswinkel des Lichts auf die Proben betrug hierbei immer 45deg zur Oberflauml-chennormalen Das von den Proben reflektierte Licht wurde an 26 Positionen in einem 5deg Raster in planaren die Oberflaumlchennormale enthalten-den Messgeometrien im Winkelbereich von ndash70deg bis +70deg aufgenommen Bei den aus absorptiven Pigmenten bestehenden Keramiken zeigt sich eine nur sehr geringe Winkelabhaumlngigkeit der Farbe welche groumlszligtenteils auf unterschiedlicher winkelabhaumlngiger Helligkeit d h den Glanzeigen-schaften der Oberflaumlche beruht Das Effektpigment dagegen zeigt einen extremen winkelabhaumlngigen Farb-Flop (Goniochromasie) welcher einen Farbverlauf von Gruumln uumlber Rot-Gelb hin ins Blau-Violett bietet

Aber auch die neuen Lackfarben aus der Gruppe der Effektlackierungen muumlssen messtechnisch

Bild 4 Merck-Xirallicreg-Solaris-Red-Effektpigmente appliziert auf einem mit Standard-Ab-sorptionspigmenten hellblau lackierten Metallblech In Rich-tung des Glanzwin-kels auf der rechten Seite zeigt sich der langsame Aufbau der winkelabhaumlngigen Interferenzfarbe

1

Bild 6 CIELab Farbkoordinaten einer winkelabhaumlngigen Reflexionsmessung an vier verschiedenen Proben drei Keramiken der Farben rot gruumln blau und eine Effektpigmentlackierung mit Merck Colorstreamreg Viola Fantasy Das untergelegte Farbschema zeigt naumlherungsweise die den Koordinaten entsprechende Farbe

2

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Effektpigmente hellipPTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4

Abbildungsoptik Messungen der ortsaufgeloumlsten Leuchtdichte auf einer Laumlngenskala bis hinab zu 28 microm auf der zu untersuchenden Probe siehe Bild 8

Mit der Zeilenkamera sind Messungen von kompletten Reflexionsspektren im sichtbaren Spektralbereich zwischen 380 nm und 780 nm dem sogenannten V(λ)-Bereich auf einer Zeit-skala von 2 Minuten moumlglich Hieraus lassen sich dann Farbkoordinaten der untersuchten Proben in den unterschiedlichsten Farbraumsystemen berechnen Eine absolute Messung in 114 Win-kelkombinationen (siehe Bild 9) im Polarwinkel-

erfasst und ruumlckgefuumlhrt werden um eine gleich-bleibende Qualitaumlt in der Produktion gewaumlhrleis-ten zu koumlnnen Gerade diese vielfaumlltigen zusaumltz-lichen Eigenschaften stellen die Farbmesstechnik vor neue Herausforderungen

Farbmessung

Bisherige kommerzielle Farbmessgeraumlte charakte-risieren Probenoberflaumlchen fast ausschlieszliglich in den eben schon erwaumlhnten sogenannten in-plane Reflexionsgeometrien Dabei liegen die Richtun-gen des eingestrahlten und des reflektierten Lichts sowie die Oberflaumlchennormale der Probe in einer Ebene Diese Einschraumlnkung entspricht jedoch in keiner Weise der taumlglichen Realitaumlt bei der Oberflaumlchen aus beliebigen Richtungen beleuchtet und betrachtet werden Seitens der Messgeraumlteher-steller und Anwender gibt es daher einen Trend zur erweiterten Charakterisierung bezuumlglich zusaumltzlicher Winkelkombinationen im dreidimen-sionalen Raum Spitzenreiter dieser Entwicklung am Markt ist derzeit ein tragbares Mehrwinkel-Spektralphotometer mit insgesamt 19 verschie-denen Reflexionsgeometrien [9] Hiermit scheint aber auch das Ende dieser Entwicklung im Bereich der portablen handgefuumlhrten Geraumlte erreicht Der Wunsch der Anwender geht aktuell wieder zuruumlck zu einer geringeren Anzahl von Winkelkombi-nationen denn es ist unklar wie man aus dem Mehr an winkelaufgeloumlsten Reflexionsdaten die fuumlr die Charakterisierung der Farbeigenschaften relevanten Informationen gewinnen kann Daher stellt sich die Frage welches sind bdquoguteldquo d h an die Messaufgabe adaptierte optimal geeignete Messgeometrien

Um diese Frage zu beantworten betreibt die AG 424 bdquoReflexion und Transmissionldquo der PTB zwei roboterbasierte Gonioreflektometer die eine winkelaufgeloumlste Reflexionsmessung in beliebi-gen bidirektionalen Geometrien ermoumlglichen [10ndash12] Diese beiden Apparaturen sind in Bild 7 dargestellt

Das Standard-Gonioreflektometer ist hierbei das nationale Normal fuumlr die Messgroumlszlige spektraler Strahldichtefaktor in gerichteten Geometrien Es dient der Realisierung Bewahrung und Weiter-gabe der gerichteten Reflexionsskale in Form von Kalibrierungen Die zweite Apparatur bezeich-net mit dem Acronym ARGon3 (3D Appearance Robot-based Gonioreflectometer) ist ein flexibles Forschungsgeraumlt mit dem experimentelle Unter-suchungen u a im Rahmen des EMRP-Projektes Multidimensional Reflectometry for Industry der EU [13] durchgefuumlhrt werden Im Ver gleich zum Standard-Gonioreflektometer ist dieses Geraumlt mit einer photometrischen Leuchtdichteka-mera und einer Zeilenkamera ausgeruumlstet Die Leuchtdichtekamera erlaubt mit einer speziellen

Bild 7 Die beiden roboter-basierten Gonio-reflektometer der PTB oben Standard-Gonioreflektometer fuumlr Kundenkalibrie-rungen unten ARGon3-Messplatz fuumlr Forschungsanwen-dungen

Bild 8 Visualisierung desSparkling-Effektesvon Xironareg-Volcanic-Sparks-Pigmenten als Falschfarben-darstellung der ortsaufgeloumlsten LeuchtdichteDie bdquoNadelnldquo zeigendie Position derPigmente an

Bild 9 Beispielgeometrien zur Messung der winkelabhaumlngigen Reflexionseigen-schaften Realisiert wurden 4 Einstrah-lungsrichtungen (rote Pfeile) mit jeweils 114 Reflexionswinkeln (schwarze Punkte) im Bereich der Viertel-kugel oberhalb der Probenoberflaumlche

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PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4Das Jahr des Lichtes

bereich 0deg bis 70deg gleichmaumlszligig verteilt uumlber den Viertelraum oberhalb der Probe dauert hierbei ca 4 Stunden [14] Die so erhaltenen Daten bilden die Basis fuumlr kuumlnftige Verbesserungen in der Mess-technik fuumlr Anwender und Hersteller

Im Rahmen des EMRP-Projektes Multidimen-sional Reflectometry for Industry [13] sind damit die winkelabhaumlngigen Reflexionsspektren von insgesamt 66 verschiedenen Effektpigmentproben gemessen worden [15 16] Bei den vier verschie-denen Einstrahlungsrichtungen verbunden mit jeweils 114 Reflexionswinkeln im Bereich der Vier-telkugel oberhalb der Probenoberflaumlche ergeben sich somit uumlber 30000 Reflexionsspektren

Zielsetzung der Untersuchungen ist die Ver-besserung der Metrologie zur Materialcharak-terisierung mit reduzierter Messunsicherheit Dazu werden neue Messvorschriften und neue Standardmessartefakte entwickelt mit denen die Industrie die visuelle Wahrnehmung der von ihr produzierten Oberflaumlchen gezielt charakterisie-ren und kontrollieren kann Solche Messungen sollten einfach auszufuumlhren sein und die Ergeb-nisse muumlssen soweit wie moumlglich mit der visuellen menschlichen Wahrnehmung korrelieren Im europaumlischen und internationalen Rahmen sollen die Ergebnisse in die Normung einflieszligen um die allgemeine Vergleichbarkeit solcher Messungen zu gewaumlhrleisten

Literatur

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[8] WR Cramer Es glitzert wie am SternenhimmelFahrzeug + Karosserie 0412 20ndash22 2012

[9] E Kirchner W Cramer Making sense of measure-ment geometries for multi-angle spectrophotome-ters Color Res Appl Vol 37 No3 186ndash198 2012

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[11] A Houmlpe D Huumlnerhoff K-O Hauer Robot-basedgonioreflectometer Industrial Robotics Program-ming Simulation and Applications Low Kin-Huat Ed Pro Literatur-Verlag Mammendorf623ndash632 2007

[12] A Houmlpe T Atamas D Huumlnerhoff S TeichertK-O Hauer ARGon3 ndash bdquo3D Appearance Robot-based Gonioreflectometerrdquo at PTB Rev SciInstrum 83(4) 045102-1ndash045102-8 2012

[13] European Metrology Research Program ProjectIND52 bdquoxD-Reflectldquo Multidimensional Reflecto-metry for Industry wwwxdreflecteu(letzter Aufruf 03122015)

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[16] A Houmlpe K-O Hauer S Teichert D HuumlnerhoffC Strothkaumlmper Goniochromatic and Sparkleproperties of effect pigmented samples in mul-tidimensional configuration Proc SPIE 9398Measuring Modeling and Reproducing MaterialAppearance 2015 SPIE Proc Vol 9398 Appea-rance 93980O-1ndash7 2015

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Die 50 Sitzung des Internationalen Komitees fuumlr das gesetzliche Messwesen (CIML) fand vom 20 bis 22 Oktober 2015 in Arcachon Frankreich statt Im Vorfeld der CIML-Sitzung fand ein ein-taumlgiges OIML-Seminar uumlber Countries and Econo-mies with Emerging Metrology Systems (CEEMS) statt uumlber das weiter unten berichtet wird

Das CIML ist der Lenkungsausschuss der OIML Es trifft sich jaumlhrlich und besteht aus je einem Repraumlsentanten der Mitgliedstaaten der korrespondierenden Mitglieder und den Vertre-tern internationaler und regionaler Organisa-tionen die als Beobachter teilnehmen koumlnnen Das CIML ist zustaumlndig fuumlr die Vorbereitung und Durchfuumlhrung der Entscheidungen der Konfe-renz die alle vier Jahre stattfindet Es uumlberwacht die Arbeiten der Technischen Komitees und Unterkomitees und des Internationalen Buumlros fuumlr das gesetzliche Messwesen (BIML) in Paris

An der 50 CIML-Sitzung nahmen 144 Teilneh-mer aus 43 Mitgliedstaaten und 13 korrespondie-renden Mitgliedstaaten teil Zur deutschen Dele-gation gehoumlrten neben den o g Autoren auch die Herren Johann Fischer Direktor des Landesamts fuumlr Mess- und Eichwesen Berlin-Brandenburg sowie Prof Olaf Kuumlhn Direktor des Thuumlringer Landesamts fuumlr Verbraucherschutz als Vertreter der Bundeslaumlnder Dr Peter Ulbig Leiter der Abteilung Wissenschaftlich-technische Quer-schnittsaufgaben der PTB und Prof Manfred Kochsiek Vizepraumlsident a D der PTB ehema-liger CIML-Praumlsident und Ehrenmitglied der OIML Frau Dr Anna Cypionka persoumlnliche Referentin des Praumlsidenten der PTB nahm am OIML-Seminar fuumlr CEEMS teil Vertreten waren auch wieder internationale und regionale Orga-nisationen zu denen die OIML Verbindungen unterhaumllt wie das Internationale Buumlro fuumlr Maszlig und Gewicht (BIPM) die GSO-GCC Standardiza-tion Organization (Saudi-Arabien) die Internatio-nal Laboratory Accreditation Cooperation (ILAC) und der Europaumlische Verband der Waagenherstel-ler (CECIP)

Alle Beschluumlsse der 50 CIML-Sitzung koumlnnen auf den Internetseiten der OIML aufgerufen werden [1 2]

Die wichtigsten Entscheidungen und Entwick-lungen werden nachfolgend vorgestellt

1 Personalangelegenheiten

Der Vertrag von Willem Kool als Assistant Director wurde um vier Jahre der Vertrag des BIML-Direk-tors Stephen Patoray um drei Jahre verlaumlngert

2 Einfuumlhrung des PG Workspace im Internet

In seinem Bericht im Zusammenhang mit der Etablierung des neuen Webauftritts der OIML hob der CIML-Praumlsident Peter Mason (UK) die erfolgreiche Einfuumlhrung des Workspace fuumlr Pro-jektgruppen hervor Durch die Online-Arbeit wird erwartet dass die technische Arbeit an neuen bzw zu revidierenden OIML-Dokumenten vereinfacht und insgesamt effizienter wird

3 Revision der technische Richtlinien fuumlr die OIML (B 6 Directives for OIML tech-nical work)

In einem neuen Projekt sollen die in den vergan-genen Jahren revidierten OIML-Richtlinien fuumlr die technische Arbeit erneut uumlberarbeitet werden um u a den Prozess der Entwicklung und Uumlber-arbeitung von OIML-Publikationen noch weiter zu beschleunigen und den neuen internetbasierten Technologien und Arbeitsweisen Rechnung zu tragen

4 Umfassende strukturelle Uumlberarbeitung des OIML Certificate System

Das CIML verabschiedete die Gruumlndung einer Projektgruppe mit der Aufgabe einer substan-ziellen Uumlberarbeitung des OIML-Zertifizierungs-systems das z Zt aus dem Basiszertifizierungs-system und dem MAA3 besteht Urspruumlnglich ausgehend von der Annahme die Akzeptanz des MAA-Zertifizierungssystem muumlsse verstaumlrkt werden eine groumlszligere Verbreitung finden und mehr Messgeraumltearten abdecken erscheint es

Aktuelles aus der OIML (Internationale Organisation fuumlr das Gesetzliche Messwesen)Bericht uumlber die 50 Sitzung des CIML in Arcachon FrankreichSusanne Ludwig Roman Schwartz

INTERNATIONALE ZUSAMMENARBEIT

Susanne Ludwig OIMLshyGeschaumlftsstelle der PTB EshyMail susanneludwigptbde

Dir u Prof Dr Roman Schwartz Vizepraumlsident der PTB deutsches Mitglied im Internashytionalen Komitee fuumlr das Gesetzliche Messwesen (CIML) und CIMLshyVizepraumlsishydent EshyMail romanschwartzptbde

3 Mutual Acceptance Arrangement (Abshykommen zur gegenshyseitigen Anerkennung von Bauartpruumlfungen)

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PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4Internationale Zusammenarbeit

inzwischen sinnvoller und wurde so auch vom CIML beschlossen zum 112017 ein einziges OIML-Zertifizierungssystem einzufuumlhren Eine Projektgruppe (Certification System Project Group = CSPG) unter dem Vorsitz des CIML-Vizepraumlsi-denten Dr Roman Schwartz wurde damit beauf-tragt die notwendigen Dokumente und Prozedu-ren auszuarbeiten

5 OIML-Seminar fuumlr Countries and Economies with Emerging Metrology Systems (CEEMS)

Im Vorfeld der CIML-Sitzung wurde ein eintaumlgiges Seminar zum Thema Developing an OIML Package for Assistance to Countries with Emerging Metro-logy Systems (CEEMS) abgehalten In vier Sitzun-gen diskutierten 125 Teilnehmer aus 49 Laumlndern uumlber Moumlglichkeiten Laumlnder beim Aufbau von nationalen Metrologiesystemen zu unterstuumltzen In der ersten von Frau Dr Cypionka geleiteten Sitzung Capacity Building ging es um die allge-meinen Herausforderungen bei der Gestaltung von Programmen zur Foumlrderung von Handlungs-kompetenzen und Vermittlung von Wissen fuumlr die Metrologie In zwei weiteren Sitzungen wurden unter den Themen Helping CEEMS Improve Regulation in their Markets (Leitung Prof Dr Manfred Kochsiek) und New Ideas ndash Doing Legal Metrology Differently (Leitung Stuart Carstens

Suumldafrika) konkrete inhaltliche Loumlsungsvorschlaumlge vorgestellt und diskutiert Die Ergebnisse wurden in der 50 CIML-Sitzung vorgestellt und fanden ihren Niederschlag in der Resolution Nr 201510 [2] sie sollen auch noch auf den OIML-Webseiten veroumlffentlicht werden [1]

6 OIML-Publikationen

Folgende OIML-Publikationen wurden verabschiedet

R 139-3 Compressed gaseous fuels measuring systems for vehicles Part 3 Test report format

New Recommendation (R 145) Ophthalmic instru-ments mdash Impression and applanation tonometers

Alle OIML-Publikationen stehen im Internet frei zur Verfuumlgung [3]

Gleichzeitig wurde die Revision der folgenden OIML-Publikation beschlossen

Revision of R 79 Labeling requirements for prepackages

Folgende neue Projekte wurden verabschiedet

Revision des OIML-Dokuments B 6-1 Directives for OIML technical work

Bild 1 Teilnehmer der 50 Sitzung des Internationalen Komitees fuumlr Gesetz-liches Messwesen (CIML) in Arcachon Frankreich

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PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4 Aktuelles aus der OIML

TC 8SC 1 Revision R 71 Fixed storage tanks mdash General requirements

TC 8SC 1 Revision R 85 Automatic level gauges for measuring the level of liquid in stationary storage tanks

7 Personalien und Ehrungen

Die von Dr Seiler dem ehemaligen Leiter des Fachbereichs bdquoTechnische Zusammenarbeitldquo der PTB initiierte OIML-Auszeichnung fuumlr bdquoexzel-lente Beitraumlge von Entwicklungslaumlndern zum gesetzlichen Messwesenldquo ging in diesem Jahr an

bull Nam Hyuk Lim Director of Korea Testing Certi-fication und

bull The Metrology Department Saint Lucia Bureau of Standards

Die OIML-Medaille fuumlr besondere Verdienste um die OIML-Arbeit ging an Ngo Quy Viet Vietnam und Cartaxo Reis aus Portugal

8 Termine

Ein Gastgeberland fuumlr die 51 CIML-Sitzung und 15 OIML-Konferenz im Jahr 2016 konnte noch nicht bekannt gegeben werden es wird aber wahr-scheinlich wieder Frankreich sein Weitere OIML-Veranstaltungen und -Termine finden sich auf der OIML-Webseite unter [4]

9 Literatur

[1] httpswwwoimlorgen (letzter Aufruf 19112015)

[2] httpswwwoimlorgenstructurecimlpdf50-ciml-resolutions-englishpdf (letzter Aufruf 19112015)

[3] httpswwwoimlorgenpublicationsrecommen-dationspublication_viewp_type=1ampp_status=1

[4] (letzter Aufruf 19112015)[5] httpswwwoimlorgeneventscalendar

(letzter Aufruf 19112015)

48

TECHNOLOGIETRANSFER

E27-Scanner fuumlr UlbrichtkugelnMit dem besonders einfach ohne Umbau einsetzbaren E27-Scanner koumlnnen Anwender und Hersteller die Homogenitaumlt ihrer Ulbricht-kugeln bestimmen und die Ergebnisse zur Berechnung genauerer Lichtstroumlme und zur Dokumentation der Qualitaumlt ihrer Messungen nutzen

Hintergrund

Wie viel Licht eine Lampe insgesamt in alle Richtungen abstrahlt wird durch ihren Lichtstrom ausgedruumlckt Um den fuumlr die Bestimmung der Energieeffizienz von Lampen notwendigen Lichtstrom schnell zu er mitteln setzt die Lampenindustrie Ulbrichtkugeln ein An einer Stange in der Mitte der Ulbrichtkugel befindet sich eine E27-Lampen-fassung in die nacheinander die Lichtstrom-Normallampe und die zu kalibrierende Lampe eingeschraubt werden Das indirekt auf den Mess-kopf fallende Licht erzeugt einen Photostrom der im Idealfall propor-tional zu dem von der Lampe abgestrahlten Lichtstrom ist unabhaumlngig von der Richtung in die das Licht abgestrahlt wird

Dies ist jedoch bei einer ungleichmaumlszligigen Beschichtung der Kugel sowie bei einer im Laufe der Zeit nicht zu verhindernden Verstaubung nicht der Fall Deshalb wird mit einem Kugelscanner die Homogenitaumlt der Kugel regelmaumlszligig vermessen und ein Korrekturfaktor bestimmt der von der jeweiligen Abstrahlcharakteristik der zu untersuchenden Lampe abhaumlngt

Technische Beschreibung

Der Kugelscanner wird einfach in eine E27-Fassung geschraubt und das sonst fuumlr die Lampenversorgung eingesetzte Netzgeraumlt wird durch die Steuereinheit ersetzt Diese uumlbernimmt sowohl die elektrische Versor-gung als auch die Befehlsuumlbermittlung zum Kugelscanner Die Steuer-einheit wird via USB oder RS232 an einen Computer angeschlossen Das mitgelieferte Messprogramm stellt automatisiert alle gewuumlnschten Richtungen ein und speichert die zugehoumlrigen von der Steuereinheit gemessenen Photostroumlme des Photometers

Wirtschaftliche Bedeutungw

Fuumlr Lampenindustrie und Hersteller von Ulbrichtkugeln

bull Genauere Messung des Lichtstroms

bull Bestimmung des Zeitpunkts einer Neubeschichtung

bull Uumlberwachung beim Beschichten

bull Dokumentation des Zustands der Ulbrichtkugel

EntwicklungsstandDer E27-Kugelscanner wurde in der PTB entwickelt Er wird laufend fuumlr Kalibrierungen eingesetzt Die Technologie wurde an die Firma Czibula amp Grundmann transferiert und wird dort mit einer PTB-Lizenz gebaut und vertrieben wwwphoto-metercom

Ansprechpartner

Dr Bernhard SmandekBeauftragter fuumlr TechnologietransferTelefon +49 531 592shy8303Telefax +49 531 592shy69shy8303EshyMail technologietransferptbde

Dr Stefan WinterFachbereich Photometrie und Radiometrie

Abbildung des E27shyKugelscanners Eine stark fokussierende Lampe die computergesteuert in alle Richtungen leuchten kann

Vorteile

bull Schneller Einbau in E27shyFassung

bull Computergesteuertes Abscannen der gesamten Ulbrichtkugel

bull Flexible Messmoumlglichkeiten

bull Fuumlr genauere Lichtstromshymessungen

bull Wichtig fuumlr die Qualitaumltsshysicherung

PTBshyNummer 0172

wwwtechnologietransferptbde

49

PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4 Technologieangebote

Ansprechpartner

Dr Bernhard SmandekBeauftragter fuumlr TechnologietransferTelefon +49 531 592shy8303Telefax +49 531 592shy69shy8303EshyMail technologietransferptbde

Dr Stefan WinterArbeitsgruppe Solarzellen

PulsshyzushyCWshyKonverter

Umwandlung gepulster Laser-Strahlung in konstante StrahlungIn weiten Bereichen der optischen Metrologie ist eine Strahlungs-quelle von groszligem Nutzen die sich spektral vom UV-C bis ins mitt-lere IR durchstimmen laumlsst Lediglich Laser mit gepulster Strahlung erfuumlllen diese Anforderung bei ausreichend groszligem Ausgangssignal bisher luumlckenlos Femtosekunden-Lasersysteme waumlren aufgrund ihrer gut automatisierbaren und spektral weiten Durchstimmbarkeit die ideale Strahlungsquelle fuumlr z B radiometrische Anwendungen ndash wenn ihre Strahlung nicht gepulst waumlre

Durch das extreme Puls-Pausen-Verhaumlltnis von 10ndash5 entstehen hohe Spitzenleistungen die wiederum zu Saumlttigungseffekten bei Detek-toren und in der Folge zu nichtlinearem Verhalten fuumlhren koumlnnen Mit dem in der PTB entwickelten Puls-zu-CW-Konverter wird dieses Problem geloumlst

Technische Beschreibung

Bei dieser Methode werden Pulse gepulster Strahlungsquellen ausrei-chend hoher Repetitionsrate in CW-Strahlung umgewandelt Dabei wird jeder Puls in viele kleine Teilpulse aufgeteilt die auf unterschiedlich langen Wegstrecken unterschiedliche Laufzeiten erfahren Am Ausgang des Systems erscheinen sie dann zeitlich gleichmaumlszligig verteilt Realisiert wird dieser Puls-zu-CW-Konverter uumlber ein Glasfaserbuumlndel bei dem jede Einzelglasfaser eine individuell festgelegte Laumlnge besitzt

Mit der Entwicklung des Puls-zu-CW-Konverters wurde das ent-scheidende Manko beim Einsatz leistungsstarker Femtosekunden(fs)-Lasersysteme im Bereich der Metrologie beseitigt und erstmalig gepulste Laserstrahlung in CW-Strahlung umgewandelt Diese Neuentwicklung ermoumlglicht es nun herkoumlmmliche Monochromatorsysteme durch fs-Lasersysteme zu ersetzen die eine bis zu 1000-mal houmlhere spektrale Ausgangsleistung besitzen

Wirtschaftliche Bedeutung

Durch den neuen Puls-zu-CW-Converter koumlnnen in wirtschaftlich bedeutenden Bereichen wie z B der Photovoltaik der Photometrie der UV-Strahlungsmesstechnik und der Reflektometrie die Referenz- und Transfernormale mit einer deutlich reduzierten Messunsicherheit kali-briert werden Hier werden bislang wesentliche Messunsicherheitsan-teile durch zu geringe Strahlungsleistungen aus herkoumlmmlichen Mono-chromatorsystemen verursacht

Entwicklungsstand

Unter DE 10 2010 011 615 B4 wurde fuumlr den CW-Konverter ein Patent erteilt

Vorteile

bull Zeitliche Glaumlttung gepulster Laserstrahlung

bull Keine stoumlrenden Interferenzen

bull Nur minimale Absorption des Messsignals

bull Auch bei kuumlrzeren Wellenshylaumlngen ohne Ulbrichtkugel verwendbar

bull Kontinuierliche Verteilung des Ausgangspulses

bull Pulsvervielfachung

bull Houmlhere Strahlungsleistung

PTBshyNummer 0254

wwwtechnologietransferptbde

50

PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4Technologieangebote

50

Homogenisierung von Strahlungsquellen und Focal Plane Arrays (FPA)Ein neuartiges Verfahren ermoumlglicht softwaregestuumltzt eine deutlich verbesserte Kalibrierung von Mehrelement-Sensoren (FPA) und bildgebenden Systemen (Kameras) Bei flaumlchigen Strahlungsquellen kann zusaumltzlich eine gezielte Ansteuerung von Flaumlchenelementen zu einer bisher im Allgemeinen nicht erreichbaren Flaumlchenhomogenitaumlt fuumlhren

Technische Beschreibung

Flaumlchenstrahler dienen der Kalibrierung von ortsaufloumlsenden Strah-lungssensoren wobei davon ausgegangen wird dass die Emissionsflaumlche des Strahlers im Wesentlichen homogen bezuumlglich ihrer Strahldichte bzw Strahlungstemperatur ist Um kleine Inhomogenitaumlten eines Flaumlchenstrahlers zu charakterisieren ist es ein gaumlngiges Verfahren die Emissionsflaumlche punktweise mit einem Einzeldetektor abzutasten

Das neue PTB-Verfahren ist wesentlich schneller da es den Mehr-element-Sensor (FPA) das device-under-test selbst nutzt und damit immer ein Gesamtbild der Quelle aufnimmt Werden jetzt weitere Bilder zeilen- oder spaltenversetzt aufgenommen so erlaubt ein mathema-tischer Algorithmus bei nur drei Bildern eine komplette Charakterisie-rung des Sensors aber auch der Quelle

Sind Flaumlchenelemente der Strahlungsquelle einzeln ansteuerbar so ist es sogar moumlglich mittels der ermittelten Korrekturwerte zu Strahlquellen extrem hoher Homogenitaumlt im on-line-Betrieb zu gelangen

Wirtschaftliche Bedeutung

Bildgebende Strahlungssensoren und homogene Strahlungsquellen sind relevant fuumlr die Forschung und Entwicklung fuumlr die Prozesstechnik fuumlr die Charakterisierung der Energieeffizienz von Bauten bei der Ent-wicklung neuer Bauteile mit hoher thermischer Belastung und in vielen weiteren Bereichen Der mathematische Algorithmus ist aber auf unter-schiedliche Arten von Kamerasystemen anwendbar und damit auch fuumlr die Qualitaumltssicherung von CCD-Kameras bis hin zum Konsumguuml-termarkt anwendbar EntwicklungsstandEine deutsche Patenterteilung erfolgte im September 2015 Eine PCT-Anmeldung ist anhaumlngig Kooperations- und Lizenzpartner aus den Bereichen Thermografie Radiometrie und Photometrie zur Umsetzung des Konzeptes werden gesucht

Ansprechpartner

Dr Bernhard SmandekBeauftragter fuumlr TechnologietransferTelefon +49 531 592shy8303Telefax +49 531 592shy69shy8303EshyMail technologietransferptbde

DiplshyIng Berndt GutschwagerArbeitsgruppeInfrarotshyStrahlungsthermometrie

Stahlungsmessplatz der PTB zur Kalibrierung von Temperaturstrahlern und Waumlrmebildkashymeras

Vorteile

bull Schnelle Kalibrierung von Flaumlchensensoren (FPA)

bull Schnelle Kalibrierung von Flaumlchenstrahlern

bull Strahlquellen houmlchster Hoshymogenitaumlt

bull Fuumlr Thermografie und Phoshytometrie

PTBshyNummer 00374

wwwtechnologietransferptbde

Verlag Fachverlag NW in der Carl Schuumlnemann Verlag GmbHZweite Schlachtpforte 728195 Bremen Internet wwwschuenemannde E-Mail infoschuenemann-verlagde

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Erscheinungsweise und Bezugspreise Die PTB-Mitteilungen erscheinen viermal jaumlhrlich Das Jahresabonnement kostet 3900 Euro das Einzelheft 1200 Euro jeweils zzgl Versandkosten Bezug uumlber den Buchhandel oder den Verlag Abbestellungen muumlssen spaumltestens drei Monate vor Ende eines Kalenderjahres schriftlich beim Verlag erfolgen

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Printed in Germany ISSN 0030-834X

Die fachlichen Aufsaumltze aus dieser Ausgabe der PTB-Mitteilungen sind auch online verfuumlgbar unterdoi 10779531020150499

Die Physikalisch-Technische Bundesanstalt das nationale Metrologieinstitut ist eine wissenschaftlich-technische Bundesoberbehoumlrde im Geschaumlftsbereich des Bundesministeriums fuumlr Wirtschaft und Energie

mitteilungen

Impressum

Die PTB-Mitteilungen sind metrologisches Fachjournal der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt Braunschweig und Berlin Als Fachjournal veroumlffentlichen die PTB- Mitteilungen wissenschaftliche Fachaufsaumltze zu metrologischen Themen aus den Arbeitsgebieten der PTB Die PTB-Mitteilungen stehen in einer langen Tradition die bis zu den Anfaumlngen der Physikalisch-Technischen Reichsanstalt (gegruumlndet 1887) zuruumlckreicht

Bundesallee 100 38116 Braunschweig

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Telefon 0531 592-3006 Fax 0531 592-3008 E-Mail presseptbde wwwptbde

Physikalisch-Technische BundesanstaltBraunschweig und BerlinNationales Metrologieinstitut

Die Physikalisch-Technische Bundesanstalt das nationale Metrologieinstitut ist eine wissenschaftlich-technische Bundesoberbehoumlrde im Geschaumlftsbereich des Bundesministeriums fuumlr Wirtschaft und Energie

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Hef

t 42

015

22

PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4Das Jahr des Lichtes

oder einen Farbmesskopf auf der gegenuumlberliegen-den Seite des ϑ-Rahmens einzusetzen

In diesem Fall war der Arbeitsbereich limitiert im Bereich 4deg lt ϑ lt 176deg da jeweils Lampenhalter von rechts und links zur Aufnahme einer beispiels-weise stabfoumlrmigen Leuchtstofflampe eingesetzt werden konnten (siehe auch Bild 3) Im Falle von einseitig gesockelten Lampen wurde meist nur ein PhotometerFarbmesskopf verwendet was eine Drehung der gegenuumlberliegenden Messkopf-aufnahme um 90deg ermoumlglichte Diese sogenannte bdquoKroumlpfungldquo lieszlig dann Raum fuumlr den nun einseiti-gen Lampenhalter und der Arbeitsbereich vergrouml-szligerte sich zu 0deg lt ϑ lt 176deg

Entsprechend der Gleichung (6) muss die gemessene Beleuchtungsstaumlrkeverteilung uumlber den vollen Raumwinkel 4π sr zum Wert des Licht-stroms integriert werden So ist es naheliegend digitale uumlber die Zeit integrierende Methoden zur Erfassung und Speicherung der gemessenen Beleuchtungsstaumlrkewerte zu verwenden Bild 5 zeigt den Signalfluss Sowohl Photometer- undoder Farbmesskopf als auch Photostrom-Fre-

quenz-Wandler waren temperaturstabilisiertDer Photostrom des Photometers mit seiner

photometrischen Empfindlichkeit s normalisiert auf die CIE-Lichtart A wird mittels Ruumlckkopp-lung Rg eines Photostromverstaumlrkers in eine Spannung U gewandelt und weiter durch einen Spannungs-Frequenzwandler in eine Frequenz f mit dem zugehoumlrigen Wandlungsfaktor wf kon-vertiert Diese Frequenz wird letztlich von einem digitalen Zaumlhler kontinuierlich gezaumlhlt Simultan wird die Quarz-Frequenz fq durch einen zweiten digitalen Zaumlhler erfasst um waumlhrend der spaumlteren Datenanalyse die urspruumlnglichen Photostroumlme berechnen zu koumlnnen Diese Methode stellt damit die schon erwaumlhnte Signal-Zeit-Integration sicher

Die die zu untersuchende Lampe umgebene fiktive Kugel ist wie Bild 5 zeigt in Zonen und Sektoren unterteilt Infolge der analogen Geschwindigkeitsregelung der zwei bewegten Rahmen sind positive und negative Beschleu-nigungsphasen am Anfang und am Ende einer vollstaumlndigen Abtastung und Lastreaktionen des rotierenden Systems und die damit verbundenen geringen Gleichlaufschwankungen unvermeid-bar Die Unterteilung jeder Zone in Sektoren mit der Laumlnge Δφj als Gewichtung reduziert jedoch diesen Einfluss Damit berechnet sich die mittlere Beleuchtungsstaumlrke Endashi nach Gleichung (10)

Es w R

fyt

fjj

ni j

i j=

sdot sdot sdot( )sdot sdot minus

=sum1

2 10

πϕ

f gq∆∆

∆

(10)

mit der Dunkelfrequenz f0 (Photometer abgeschat-tet) und den Differenzsignal-Zaumlhlungen Δyi j und den Differenzzeit-Zaumlhlungen Δti j jeweils vom Sek-toranfang bis zum Sektorende Wiederum koumlnnte der Lichtstrom nach Gleichung (8) bestimmt werden jedoch werden jetzt noch Korrekturfakto-ren fuumlr das Streulicht cstr der spektralen Fehlanpas-sung des Photometers cspec und Abweichungen von den nominalen elektrischen Betriebsbedingungen celec eingefuumlhrt wie nun Gleichung (11) zeigt

Φ = sdot sdot sdot sdot minus( ) sdot+=

minus

sumc c c r Ei ii

m

istr spec elec cos cos2 21

0

1

π ϑ ϑ

(11)

Im Verlauf einer Lichtstrommessung werden neben dem Photometer auch die Waumlnde des Messraums von der zu untersuchenden Lampe beleuchtet Diese Beleuchtung wird ebenfalls vom im Goniophotometer verwendeten Photometer bdquogesehenldquo und fuumlhrt zu einer Streubeleuchtung auf dem Lichteintrittsfenster dieses Photome-ters Diese Streubeleuchtung haumlngt einerseits vom Reflexionsgrad der verwendeten Wandfarbe (ρ asymp 3 ) und vom Gesichtsfeld des sich vor dem

Bild 4 Groszliges Kardan-Goniophotometer 1976ndash2007

Bild 5 Signalfluss

23

PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4 Kurze Geschichte der Goniophotometrie in der PTB

Photometer befindlichen Streulichtreduzierungs-tubus ab Daher muss fuumlr jeden eingesetzten Tubus mit seinem individuellen Gesichtsfeld der wirksame spezifische Streulichtkorrekturfaktor cstr bestimmt werden Diese koumlnnen ermittelt werden indem Blenden mit unterschiedlichen Durchmes-sern zwischen der zu untersuchenden Lampe und dem Photometer waumlhrend normalen Lichtstrom-messungen positioniert werden Eine detaillierte Beschreibung kann [5] entnommen werden

Die technische Realisierung eines Photometers ist immer nur eine Naumlherung fuumlr V(λ) Dies bedeu-tet dass im Prinzip in allen Faumlllen diese spektrale Fehlanpassung korrigiert werden muss Allgemein kann der spektrale Korrekturfaktor cstr fuumlr alle Lampen mit beliebiger Strahlungsfunktion S(λ) nach Gleichung (12) bestimmt werden

cV S

s S

V P T

s Pspek

rel

A

rel

d

d

d=

( )sdot ( )( ) sdot ( )

( ) sdot ( )( ) sdot

intint

intint

λ λ λ

λ λ λ

λ λ λ

λ

λλ λTA d( )

(12)

Hierzu ist jedoch die Kenntnis der relativen spektralen Empfindlichkeit srel(λ) des Photome-ters notwendig P(λ TA) bezeichnet dabei einen Planckstrahler mit einer Verteilungstemperatur von TA = 2856 K

Im Fall von Gluumlhlampen ist ein etwas einfache-rer Weg fuumlr diese Korrektur ohne die Kenntnis von srel(λ) moumlglich Gleichung (13) beschreibt die Abhaumlngigkeit der Beleuchtungsstaumlrke E(T) von der Verteilungstemperatur T

E Ty T

sTT

m

( ) = ( )

A

y

(13)

eines gemessenen Photostroms y(T) und der pho-tometrischen Empfindlichkeit s des Photometers fuumlr Lichtart A Eine charakteristische Eigenschaft des Photometers ist der Exponent my bdquoyldquo indiziert den Exponent fuumlr ein V(λ)- angepasstes Photome-ter oder den y-Kanal eines Dreibereichsfarbmess-kopfes wobei die anderen Kanaumlle unterschiedliche Werte fuumlr diese Exponenten haben Ein ideales Photometer wuumlrde einen Wert von 0 fuumlr diese Exponenten aufweisen Beispielsweise beschreibt my = 0018 ein qualitativ durchaus gutes Photo-meter Der Exponent my (und auch mx und mz) koumlnnen aus einem Fit bekannter Paare (E(T) T) einer Lichtstaumlrke-Normallampe bei verschiedenen Arbeitspunkten wie in [6 7] beschrieben gefun-den werden Damit kann der Korrekturfaktor cspec fuumlr Gluumlhlampen wie folgt geschrieben werden

c TT

my

specA

=

(14)

Werden Gluumlhlampen in der Naumlhe von CIE-Licht-art A betrieben ist die Korrektur auf elektrische Nominalbedingungen celec ebenfalls nach Glei-chung (15) sehr einfach da der Lichtstrom eine Funktion des Betriebsstroms J ist

c JJ

m

elec

J

=

minus

0 (15)

Hier ist J0 der Nominalstrom und mJ cong 684 Mehr Information kann in [7] gefunden werden

Die Datenanalyse fuumlr einen Dreibereichsfarb-messkopf erfolgt in gleicher Weise und man erhaumllt die Normfarbwertanteile (x y) aus den Gleichun-gen (16 17)

x =+ +Φ

Φ Φ ΦX

X Y Z (16)

y =+ +Φ

Φ Φ ΦY

X Y Z (17)

Leider konnten nur der Lichtstrom und die zuge-houmlrigen Normfarbwertanteile bestimmt werden da aufgrund der geringen Speichermoumlglichkeit der verwendeten Computertechnik die raumlumliche Information verlorenging

Daher wurden im Jahre 1991 alle Computer Analogsysteme die Verdrahtung und viele weitere Elemente durch moderne Ausruumlstung ersetzt Von nun an konnten alle Rohdaten mittels geeigneter Speichermedien dauerhaft bewahrt werden Das galt auch fuumlr groszlige Datenmengen des ab 1997 eingesetzten Array-Spektrometers zur Messung der relativen spektralen Leistungsverteilung der Strahlung synchron zur Lichtstrombestimmung Leider wiesen Photometer und Einkoppeloptik des Array-Spektrometers unterschiedliche Gesichtsfel-der auf und hatten etwas unterschiedliche Positi-onen auf dem Goniophotometer was die Daten-analyse komplizierte Dennoch konnten erstmalig raumlumliche spektrale Informationen uumlber zu untersuchende Lampen ermittelt werden Damit erfuumlllte das groszlige Kardan-Goniophotometer in seiner Ausbaustufe von 1997 die Anforderungen 1ndash14 aus Abschnitt 2 Die relative erweiterte Mes-sunsicherheit fuumlr den Lichtstrom fuumlr k = 2 betrug jetzt 060

222 Kleines Kardan-Goniophotometer

Fuumlr die Messung kleiner Lampen und LEDs wurde in den fruumlhen 1980er-Jahren ein dem groszligen Kardan-Goniophotometer sehr aumlhnliches kleines Kardan-Goniophotometer mit einem Messra-dius von nur 300 mm entwickelt hergestellt und

24

PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4Das Jahr des Lichtes

betrieben Das Foto in Bild 6 zeigt dieses seinerzeit sogenannte bdquoMini-Goniophotometerldquo

Die Messtechnik entsprach nahezu vollstaumln-dig dem groszligen Kardan-Goniophotometer bis hin zum Signalfluss einschlieszliglich Spannungs-Frequenzwandler und nachgeschalteten Zaumlhlern Damit sind alle Aspekte dieser Apparatur bereits in Abschnitt 221 diskutiertIm Jahre 2007 wurde dieses Instrument durch ein spezielles Goniophotometer fuumlr die Messung von LEDs ersetzt siehe auch Kapitel Metrologie fuumlr moderne Lichtquellen LEDs und OLEDs [10]

23 Roboter-Goniophotometer (2006 bis heute)

Am Ende der 1990er-Jahre wurde die Planung eines neuen Goniophotometertyps mehr und mehr konkret Nahezu gleichzeitig entschied sich die PTB fuumlr den Neubau eines modernen Gebaumludes fuumlr die Abteilung Optik dem heutigen Albert-Einstein-Bau Infolge dieses Zusammentreffens

beider Ereignisse konnte bei der Planung das neue Gebaumlude quasi um das neue Roboter-Goniopho-tometer herum geplant und spaumlter auch so gebaut werden

In 19951996 zeigte G Sauter dass Gonio-photometrie mittels Robotern moumlglich ist und erhebliche Vorteile gegenuumlber den bisher verwendeten Kardan-Goniophotometern auf-weist [8] Wie weiterhin in [8] beschrieben sind sogenannte Service-Roboter gut geeignet um ein Roboter-Goniophotometer zu realisieren Diese zeichnen sich durch eine schlanke Konstruktion mit langen Armen bei gleichzeitig relativ gerin-gem Gewicht aus Sie verfuumlgen uumlber eine hohe Flexibilitaumlt um beispielsweise ein Photometer auf gewuumlnschten Bahnen mit unterschiedlichen Radien (1000 mm lt r lt 3000 mm) auf der fiktiven Kugeloberflaumlche um die Lampe herumzufuumlhren Jeder Roboter verfuumlgt uumlber 7 Freiheitsgrade (engl seven degrees of freedom 7 DOF) Dies garantiert die notwendige Flexibilitaumlt und das erforderli-che Arbeitsvolumen Zur Abdeckung des vollen Raumwinkels 4π sr sind daher 2 der beschriebenen Roboter notwendig Ein dritter aumlhnlicher Roboter positioniert dabei die zu untersuchende Lampe in der gewuumlnschten Brennstellung im Raum Alle Roboter-Basen sind direkt mit dem Stahlbeton des Gebaumludes verbunden um eine langzeitstabile raumlumliche Positionierung der Roboter zu gewaumlhr-leisten Bild 8 zeigt das Roboter-Goniophotometer waumlhrend der Messung einer LED-Signalleuchte

Im Gegensatz zu Kardan-Goniophotometern ist der Messradius variabel in dem alle 7 Achsen in entsprechende Positionen gebracht werden Wegen der groszligen Redundanz eines 7-DOF-Roboters kann die Zielposition einschlieszliglich Orientierung durch eine sehr groszlige Anzahl unter-schiedlicher Einstellungen der 7 Achsen erreicht werden Daher wird eine Strategie benoumltigt um die jeweilige Achs einstellung zu finden Diese

Bild 6 Kleines Kardan-Goniophotometer 1982ndash2007

Bild 7 Arm des Roboter-Goniophotometers

Bild 8 Roboter-Goniophotometer 2006 bis heute

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PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4 Kurze Geschichte der Goniophotometrie in der PTB

Strategie ist relativ simpel Sie besagt dass alle Achseinstellungen derart gefunden werden dass saumlmtliche Bestandteile des Roboters einen maxi-malen Abstand zum Zentrum des Roboters haben sollen um das von der Roboterstruktur reflektierte Streulicht moumlglichst gering zu halten Eine beson-dere Software ist notwendig um alle Achswinkel ausgedruumlckt in counts jedes Winkelencoders fuumlr jede Achse zu bestimmen um die gewuumlnschten Kugelkoordinaten (r ϑ φ) anzufahren Waumlhrend der Messung der zu untersuchenden Lampe liest das Roboter-Kontrollsystem alle 10 ms diese counts jeder Achse und versucht jede Achse entsprechend diese Vorgabe einzustel-len Nach dieser Einstellung welche fuumlr alle 7 Achsen gleichzeitig erfolgt werden die Ist-Winkel jeder Achse wiederum in counts synchron gelesen und mit den zugehoumlrigen photo-metrischen Daten und elek trischen Daten des Lampenbetriebs in eine Datenbank gespeichert Prinzipiell ist der Signal-fluss dem des in Abschnitt 221 beschriebenen groszligen Kardan-Goniophotometers sehr aumlhnlich Aber es gibt ein zusaumltzliches wichtiges Element den sogenannten Zeitstempel Da ein weit verteiltes Datenerfassungssystem vorliegt wird ein Mecha-nismus zur Datensynchronisierung in Form eines 1-Mhz-Taktes verwendet Dieser ist im gesamten System verfuumlgbar Beim Messungsstart synchron gestartete Zaumlhler erlauben daher die spaumltere Synchronisierung aller angefallenen Daten Wie beschrieben ist die Position jeder Achse und damit die Position und Orientierung des Photometers das Ergebnis eines Regelprozesses Somit ist es not-wendig die tatsaumlchliche Position und Orientierung des Photometers aus den gespeicherten Daten der Winkelencoder zu berechnen

In der Robotik ist es uumlblich einen Roboter des

verwendeten Typs wie eine biegesteife mechani-sche Kette mit sogenannten Denavit-Hartenberg-Parametern (DH-Parameter) zu beschreiben [9] Die Tabelle 1 zeigt diese DH-Parameter am Beispiel des Roboters 1

Mit diesen Parametern und den aktuellen Winkeln θi fuumlr jede Achse ist die Berechnung der Position bzw Orientierung der siebten Achse in Basis-Koordinatensystem des Roboters moumlglich Hierzu werden 7 Matrizen nach Gleichung (18) ver-wendet Jede Matrize beschreibt die Position (blau) und Orientierung (gruumln) jeder einzelnen Achse

Die PositionierungOrientierung der Achse 7 ergibt sich aus dem Vektorprodukt T1 T2 T3 T4 T5 T6 T7

Um jedoch die Koordinaten in Bezug auf das Koordinatensystem der fiktiven Kugel zu erhalten muumlssen 2 weitere aumlhnliche Matrizen verwendet werden Die sogenannte Base Frame Matrix F beschreibt die Positionierung und Orientierung des Roboter-Koordinatensystems zum Koor-dinatensystem der fiktiven Kugel waumlhrend die Matrix W die Positionierung und Orientierung des Photometers zur Achse 7 beschreibt Nun laumlsst sich die Position und Orientierung des Photome-ters P im Koordinatensystem der fiktiven Kugel mit Gleichung (19) beschreiben

P = F T1 T2 T3 T4 T5 T6 T7 W (19)

axisi Δθi offset to rotation around Z-axis

αi rotation around X-axis

di

translation in Z-axis

αi

translation in X-axis

1 ndash1438deg 45024deg 0000 mm ndash0400 mm

2 191088deg ndash90026deg 2686322 mm 0696 mm

3 178585deg 89996deg 274088 mm 0781 mm

4 6229deg ndash90022deg 1410499 mm 0474 mm

5 ndash0141deg ndash89955deg 173036 mm ndash0779 mm

6 ndash0924deg 90032deg 1191007 mm 0223 mm

7 180443deg 90007deg 91130 mm 0000 mm

Tabelle 1 DH-Parameter von Roboter 1

T

a

i

i i i i i i i i i i i

=

+( ) minus +( ) +( ) +cos sin cos sin sin cos∆ ∆ ∆ ∆θ θ θ θ α θ θ α θ θ(( )+( ) +( ) minus +( ) +sin cos cos cos sin sin∆ ∆ ∆ ∆θ θ θ θ α θ θ α θ θi i i i i i i i i i ia (( )

00 0 0 1

sin cosα αi i id

(18)

26

PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4Das Jahr des Lichtes

Bild 9 zeigt die Achsenkoordinatensysteme (17) das Base-Frame-Koordinatensystem und das Koordinatensystem des Photometers zur Achse 7 in schematischer Weise Das Koordinatensys-tem der fiktiven Kugel faumlllt mit dem Zentrum des Goniophotometers zusammen und wird mit Center bezeichnet P ist jetzt auf dieses Center-Koordinatensystem bezogen Zusaumltzlich ist eine typische Bahn eingezeichnet Wegen des aller-dings nicht dargestellten Lampenhalters ist diese Bahn im oberen Bereich verdichtet um eine Kollision mit dem Lampenhalter zu vermeiden Wie bereits erwaumlhnt setzt die Verwendung von Gleichung (19) einen biegesteifen Roboter voraus der in der Praxis nicht existiert P ist also von statischen Gewichtskraumlften des Roboters dyna-mischen Kraumlften infolge der Bewegung als auch von thermischen Laumlngenaumlnderungen uumlberlagert Daher muss Gleichung (19) um eine entspre-chende Korrektur C erweitert werden Glei-chung (20) zeigt nun das endguumlltige Modell zur Bestimmung von P

wobei C

t tT Rθ θ

θ θ1 7

1 7 dd

dd amb

diese finale Korrektur basierend auf den Winkeln θ1θ7 aller Achsen ihren zeitlichen Ableitungen

dd

dd

θ θ1 7

t t

und der Umgebungstemperatur Tamb beschreibt

Der letzte Parameter R steht fuumlr einen groszligen Datensatz und beschreibt Eigenschaften des Roboters wie Abmessungen Teilmassen usw Die Berechnung von C() ist aufwendig und wurde vom Hersteller des Roboters ausgefuumlhrt Aus Gruumlnden des Wettbewerbs muss diese Berechnung vertrau-lich behandelt werden und kann daher hier nicht veroumlffentlicht werden Jedoch kann die Wirkung von C() beispielhaft auf den Messradius mitgeteilt werden (siehe Bild 10)

Die noumltige Radiuskorrektur rcorr bewegt sich im Bereich ndash2 mm lt rcorr lt 3 mm je nach Position (θ φ) des Photometers Der Aumlquatorbereich benouml-tigt eine groumlszligere Korrektur infolge hier wirksamer groumlszligerer Zentrifugalkraumlfte als die Polregion Der Radius selbst laumlsst sich dann aus der Positionssub-matrix von P bestimmen

Der Signalfluss stimmt im Wesentlichen mit dem wie in Bild 5 gezeigt uumlberein Prinzipiell kann der Lichtstrom mit den Gleichungen (11) und (10) berechnet werden da aber nun 2 Photometer benutzt werden muss dies fuumlr jede Hemisphaumlre also fuumlr jeden Roboter separat geschehen Die Gleichungen (21) und (22) demonstrieren das

Bild 9 Koordinatensystem des Roboter-Gonio-photometers und Beispielbahn

P Ct t

T R F T T T T T T=

sdot sdot sdot sdot sdot sdot sdot sdotθ θ

θ θ1 7

1 71 2 3 4 5 6

dd

dd amb TT W7 sdot

(20)

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PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4 Kurze Geschichte der Goniophotometrie in der PTB

fuumlr Roboter 1 Der Radius r1i befindet sich dabei innerhalb der Summation von Gleichung (22) Das Roboter-Goniophotometer ist zusaumltzlich mit einem Monitorphotometer ausgeruumlstet Dieses Photometer wird waumlhrend der Messung nicht bewegt ist aber staumlndig von einem fixen Punkt aus auf die zu untersuchende Lampe gerichtet und erlaubt somit die Korrektur einer moumlglichen Alterung der Lampe waumlhrend des Messprozesses als Funktion der Zeit (cmon(t1i))

Es w R

fyt

fi jj

ni j

i j1

1 1 11

1

1

11 0

12

1

=

( )sdot minus

=sumπ

ϕf g

q∆∆

∆

(21)

Φ1 1 1 12

1 1 1 12= sdot sdot sdot sdot ( ) sdot minus( )+c c r c ti i i ii

str spec mon cos cosπ ϑ ϑ==

minus

sum sdot0

1

1

1m

iE

(22)

Roboter 2 wird in gleicher Weise behandelt und der Lichtstrom ergibt sich somit aus der Summe von Φ1 und Φ2 korrigiert mit dem elektrischen Korrekturfaktor celec aus Gleichung (15)

Φ Φ Φ= sdot +( )celec 1 2 (23)

Die Bestimmung der Streulichtkorrektur cstr unter-scheidet sich methodisch von jener des Kardan-Goniophotometers Es ist schwierig Blenden zwischen Photometer und Lampe zu positionieren wie in [5] beschrieben Hier wird die Streulicht-korrektur cstr direkt aus der Leuchtdichteverteilung auf den Waumlnden des Messraums bestimmt Mit der Kenntnis der geometrischen und photometrischen Eigenschaften des Raumes der raumlumlichen Licht-staumlrkeverteilung der Lampe und dem verwendeten Streulichttubus vor dem Photometer lieszlige sich die Streulichtkorrektur cstr berechnen Hier jedoch wird diese Korrektur mit sogenannten Back-Loo-king-Photometern bestimmt [11]

Bild 11 zeigt ein Foto der bdquoRoboterhandldquo mit mon-tiertem Photometer und Back-Looking-Photometer Letzteres ist ein wenig schraumlg ausgerichtet um nicht im Bereich des Schattenwurfs des Photome-ters auf den Waumlnden zu messen

Bild 12 zeigt beispielhaft eine typische in finite Flaumlchenelemente gerasterte Streulichtsituation im Goniophotometermessraum wie sie durch die zu untersuchende Lichtquelle generiert wird Dieses Beispiel arbeitet mit finiten Flaumlchen der Groumlszlige 05 m middot 05 m um die Flaumlchen sichtbar zu machen Zur realen Berechnung werden Flaumlchen der Groumlszlige 01 m middot 01 m verwendet Natuumlrlich ist der Streulichtanteil auf der aktiven Flaumlche des

Bild 10Wirkung der Radiuskorrektur

Bild 11 Photometer (links) und Back-Looking-Photometer (rechts)

Bild 12 Wirkung des Streulichts und seine Bestimmung

28

PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4Das Jahr des Lichtes

Photometers eine Funktion des Gesichtsfeldes des jeweils verwendeten Streulichttubus vor dem Photometer Derzeit werden 2 Tuben je nach Groumlszlige der Lichtquelle mit Oumlffnungswinkeln von ca 15deg und ca 225deg verwendet Ihre typischen Korrekturwerte betragen etwa 09995 und 09990 Da jeder Messroboter mit diesem Back-Looking-Photometer ausgeruumlstet ist kann so der Streulicht-anteil fuumlr jedes Photometer bestimmt werden Da die Back-Looking-Photometer bdquoruumlckwaumlrtsldquo gerichtet sind wird also jeweils die Streulichtkorrektur fuumlr den gegenuumlberliegenden Messroboter bestimmt Damit ist es moumlglich den Wert des Lichtstroms mit zugehoumlriger Messunsicherheit zu bestimmen Tabelle 2 illustriert Ergebnisse einer vereinfachten Monte-Carlo-Simulation (MC) am Beispiel einer OSRAM-Wi4-Lichtstrom-Normallampe Ihre Lichtstaumlrkeverteilung ist in Bild 13 wiedergegeben

Die MC basiert auf den folgenden Gleichun-gen (24) Werte der wichtigsten Beitraumlge zur Mes-sunsicherheit koumlnnen der Tabelle 2 entnommen werden Eine detailliertere Beschreibung der Roboter und Analyse der Messunsicherheit kann [12] entnom-men werden

Bild 13 Raumlumliche Lichtstaumlrkeverteilung einer OSRAM-Wi4-Lichtstrom-Normallampe

Quantity Symbol Value Uncertainty Unit Sensitivity Contribution lm Relative contribution

Luminous responsivity 1 s1 3065E-10 9195E-13 A lxndash1 188E+12 173 000150

Luminous responsivity 2 s2 4111E-10 12333E-12 A lxndash1 143E+12 177 000153

Spectral matching exponent 1 m2 y 0021 0015 1 20 030 000026

Spectral matching exponent 2 m2 y 0036 0015 1 18 027 000023

CCT or distribution temperature T 2762 10 K 0012 012 000011

Uncertainty in r Δr 0000 00020 m 901 180 000156

Calibration factor for frequency F cFH 1000 00005 1 1141 057 000049

Calibration factor for frequency ƒ cFD 1000 00050 1 104 005 000005

Voltage to frequency converter 1 w1 f 500849 25 Hz Vndash1 0012 031 000027

Voltage to frequency converter 2 w2 f 500561 25 Hz Vndash1 00118 029 000026

Amplification gain 1 R1 g 1000E+09 99996 Ω 6223E-07 006 000005

Amplification gain 2 R2 g 9997E+08 99966 Ω 5430E-07 005 000005

Calibration factor for cmon ccm 1000 00005 1 1162 058 000050

Correction factor for stray light cstr 09995 00005 1 1134 057 000049

Luminous flux Φ 11541 327 00028

Tabelle 2 Unsicherheitsbudget

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PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4 Kurze Geschichte der Goniophotometrie in der PTB

Somit ergibt sich zurzeit eine erweiterte Mess-unsichert von 056 fuumlr k = 2 Dies entspricht etwa der Messunsicherheit welche mit dem groszligen Kardan-Goniophotometer erreichbar war Im Unterschied zum Kardan-Goniophotometer (fester Messradius) verfuumlgt das Roboter-Goniophotometer jedoch uumlber die noumltige hohe Flexibilitaumlt (z B durch Variation des Messradius) die noumltig ist um kuumlnftige Anforderungen erfuumlllen zu koumlnnen Eben diese hohe Flexibilitaumlt fuumlhrt bei der Bestimmung des Messradius zu relativ groszligen Messunsicherheiten Hier koumlnnte die Verwendung einer Lookup-Table oder eine On-Line-Verfolgung mittels Tracer-Syste-men der Bahnen diese Unsicherheit verkleinernMittlerweile ist das Roboter-Goniophotometer voll-staumlndig charakterisiert und wird fuumlr beleuchtungs-staumlrkebasierte Lichtstromkalibrierungen und auch fuumlr internationale Vergleiche eingesetzt Damit werden auch die Anforderungen (15ndash17) erfuumllltIm naumlchsten Schritt wird das Roboter-Goniopho-tometer mit Leuchtdichtemesskameras ausgeruumlstet

werden um es als bdquoNahfeld-Goniophotometerrdquo einzusetzen Es wird dann die direkte Messung der Leuchtdichteverteilung erlauben aus welcher nahezu alle noumltigen photometrischen Groumlszligen abgeleitet werden koumlnnen Dieser kuumlnftige Schritt wird dann auch den letzten Punkt (18) der Anfor-derungen erfuumlllen

3 Zusammenfassung

Die Geschichte der Goniophotometrie in der PTB uumlber einen Zeitraum von mehr als 50 Jahren wird praumlsentiert Verschiedene Goniophotometer ange-fangen vom manuell bewegten Einarm-Goniopho-tometer mit visuellem Photometer uumlber das groszlige und kleine Kardan-Goniophotometer bis hin zum bdquoState-of-the-art-Roboter-Goniophotometerldquo fuumlr das 21 Jahrhundert werden beschrieben Das Letztere hat das Potenzial in der traditionellen Betriebsart aber auch im Nahfeldmodus uumlber viele Jahre eingesetzt zu werden Neu aufkommende

Quantity Symbol Value Uncertainty Unit Sensitivity Contribution lm Relative contribution

Luminous responsivity 1 s1 3065E-10 9195E-13 A lxndash1 188E+12 173 000150

Luminous responsivity 2 s2 4111E-10 12333E-12 A lxndash1 143E+12 177 000153

Spectral matching exponent 1 m2 y 0021 0015 1 20 030 000026

Spectral matching exponent 2 m2 y 0036 0015 1 18 027 000023

CCT or distribution temperature T 2762 10 K 0012 012 000011

Uncertainty in r Δr 0000 00020 m 901 180 000156

Calibration factor for frequency F cFH 1000 00005 1 1141 057 000049

Calibration factor for frequency ƒ cFD 1000 00050 1 104 005 000005

Voltage to frequency converter 1 w1 f 500849 25 Hz Vndash1 0012 031 000027

Voltage to frequency converter 2 w2 f 500561 25 Hz Vndash1 00118 029 000026

Amplification gain 1 R1 g 1000E+09 99996 Ω 6223E-07 006 000005

Amplification gain 2 R2 g 9997E+08 99966 Ω 5430E-07 005 000005

Calibration factor for cmon ccm 1000 00005 1 1162 058 000050

Correction factor for stray light cstr 09995 00005 1 1134 057 000049

Luminous flux Φ 11541 327 00028

Φ = sdot

sdot

+ sdot sdotminus

c JJ

TT

r r c c tm

m

i i

y

strA

cm monj

0

12

1

1

( ) ∆ (( )sdot minus( ) sdotsdot sdot minus

+=

minus=sumsum

cos cosFH FD

ϑ ϑ

ϕ

1 1 10

1 11

11

1

i ii

m jj

n

i jc F c∆ sdotsdot( )sdot sdot

+

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f

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2 0

2 2 2

( )sdot sdot

f g

(24)

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PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4Das Jahr des Lichtes

Anforderungen fuumlr die Ruumlckfuumlhrung photome-trischer Einheiten wie beispielsweise im Solid-State-Lighting-Bereich koumlnnen so erfuumlllt werden

Literatur

[1] Y Ohno 1995 Realization of NIST Luminous Flux Scale Using an Integrating Sphere with an External Source CIE Proceedings 23rd Session New Delhi

[2] R Sewig 1938 Handbuch der Lichttechnik Band 1 pp 319 321 Berlin Springer Verlag

[3] D Foumlrste 1966 Zur Lichtstrommessung an Lam-pen mit ungleichmaumlszligiger Lichtverteilung PTB-Mitteilungen 166 pp 18ndash20 Braunschweig PTB

[4] D Foumlrste 1979 Ein Goniophotometer zur genauen Bestimmung des Lichtstroms Licht-Forschung 1 Jahrgang 379 pp 30ndash36 Heidelberg Huumlthig Verlag

[5] D Foumlrste 1980 Elimination des Fremdlichts bei der Lichtstrombestimmung mit dem Gonio-photometer Licht-Forschung 2 Jahrgang 180 pp 27ndash29 Heidelberg Huumlthig Verlag

[6] W Erb 1997 PTB Network for realization and maintenance of the candela Metrologia 3497 pp 115ndash124 Bristol UK

[7] G Sauter 1996 Kalibrierung von Lichtstaumlrke-Normallampen und Angabe der Messunsicherheit PTB interner Bericht Braunschweig PTB

[8] G Sauter 1996 Goniophotometry new calibra-tion method and instrument design Metrologia 32 (199596) pp 685ndash688 Bristol UK

[9] httpenwikipediaorgwikiDenavit-Hartenberg_Parameters (letzter Aufruf 03122015)

[10] M Lindemann 2009 Photometry and Colori-metry of Reference LEDs by Using a Compact Goniophotometer MAPAN ndash Journal of Metro-logy Society of India Vol 24 No 3 pp 143ndash152 New Delhi India

[11] G Bizjak 2009 Determination of Stray Light at the PTB Goniophotometer Facility MAPAN ndash Jour-nal of Metrology Society of India Vol 24 No 3 pp 163ndash173 New Delhi India

[12] M Lindemann et al 2015 Robot goniopho-tometry at PTB Metrologia 52 pp 167ndash194 Bristol UK

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PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4Das Jahr des Lichtes

1 Eine einleitende Beschreibung von Gluumlhlampen LEDs und OLEDs

Der Einsatz Licht Emittierender Dioden (LED) in der Allgemeinbeleuchtung hat in den vergangenen Jahren erheblich zugenommen Ein entscheiden-der Vorteil der LED gegenuumlber der traditionellen Gluumlhlampe liegt in ihrer uumlberlegenen Lichtaus-beute ηv ndash dem Verhaumlltnis des emittierten Licht-stroms Φv und der aufgenommenen elektrischen Leistung Pel angegeben in LumenWatt

Dieser Vorteil beruht auf den Unterschieden der zugrunde liegenden Technologien der Lichterzeu-gung beider Lampentypen Bei einer (Halogen-)Gluumlhlampe wird der Gluumlhfaden durch elektrischen Strom auf Temperaturen um 3000 K aufgeheizt Obwohl hierbei fast die gesamte elektrische Leis-tung in Strahlung umgewandelt wird ndash Verluste durch thermische Konvektion oder Waumlrmeleitung sind gering ndash kann das menschliche Auge lediglich einen geringen spektralen Anteil der ungefaumlhr 5 der Gesamtstrahlungsleistung ausmacht wahr-nehmen Der Groszligteil der Strahlungsleistung liegt im infraroten Spektralbereich und kann nicht fuumlr Beleuchtungszwecke genutzt werden In Bild 1 ist die spektrale Verteilung einer Gluumlhlampe bei einer Temperatur von 2856 K im Spektralbereich

von 300 nm bis 1200 nm dargestellt Das sichtbare Licht im Spektralbereich zwischen 360 nm und 830 nm ist mit den entsprechenden Spektralfarben hinterlegt Oberhalb 830 nm beginnt der fuumlr das menschliche Auge unsichtbare infrarote Anteil der Strahlung

Der fuumlr photometrische Messungen normativ festgelegte spektrale Hellempfindlichkeitsgrad V(λ) also die Hellempfindlichkeit des Auges eines bdquoNormalbeobachtersldquo ist mit seinem Maximum bei 555 nm schwarz eingezeichnet

Da die Gluumlhlampe eine thermische Strahlungs-quelle ist verschiebt sich mit zunehmender Tem-peratur die Lage des Strahlungsmaximums ent-sprechend des Wienschen Verschiebungsgesetzes zu kuumlrzeren Wellenlaumlngen Um die Lichtausbeute von Gluumlhlampen zu erhoumlhen muumlsste man das Strah-lungsmaximum durch Temperaturerhoumlhung in den kurzwelligeren Bereich des sichtbaren Lichts verschieben Die Maximaltemperatur ist jedoch bei Gluumlhfaumlden aus Wolfram auf etwa 3000 K begrenzt ndash bei houmlheren Temperaturen nimmt die Lebensdauer drastisch ab

Das Funktionsprinzip einer LED-Lichtquelle basiert auf dem Phaumlnomen der Elektrolumines-zenz Der prinzipielle Aufbau einer LED aumlhnelt einer pn-Halbleiterdiode Durch Anlegen einer Gleichspannung rekombinieren Ladungstraumlger in der p-n-Grenzschicht der Leuchtdiode unter Emission von Strahlung Durch gezielte Auswahl der verwendeten Halbleitermaterialien und ihrer Dotierung wird deren Bandluumlcke und somit die Farbe des emittierten Lichtes bestimmt Im Jahr 1992 gelang der Durchbruch in der Entwicklung hocheffizienter blauer LEDs die den Einsatz von LEDs zur Allgemeinbeleuchtung erst ermoumlgli-chen Die zugrunde liegenden Forschungsarbei-ten wurden 2014 mit dem Nobelpreis fuumlr Physik gewuumlrdigt [1]

Eine schmalbandige Lichtemission ist charak-teristisch fuumlr LEDs Dementsprechend verfuumlgt ihr Licht uumlber eine hohe Farbsaumlttigung Durch die Bedeckung des LED-Chips mit breitbandig pho-tolumineszierenden Farbstoffen wird ein Teil der Strahlung in energieaumlrmeres langwelligeres Licht konvertiert und es entstehen Mischfarben wie

Metrologie fuumlr moderne Lichtquellen LEDs und OLEDs Thorsten Gerloff

Thorsten Gerloff Arbeitsgruppe bdquoPhotometrieldquo EshyMail thorstengerloffptbde

Bild 1 Spektrale Verteilung einer Gluumlhlampe und spektraler Hellempfindlichkeitsgrad (V(λ)-Funktion)

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PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4 Metrologie fuumlr moderne Lichtquellen

i Infokasten LED

Lichtausbeute einer Strahlungsquelle ηv

Die Lichtausbeute einer Strahlungsquelle gibt das Verhaumlltnis aus ausgestrahltem Lichtstrom und aufgenommener elektrischer Leistung an Die Einheit ist LumenWatt (lmW) Je houmlher die Lichtausbeute ist umso energieeffizienter ist die Beleuchtung Gluumlhlampen besitzen Lichtausbeuten zwischen 10 und 20 lmW

Lichtstrom Φv

Der Lichtstrom beruumlcksichtigt den Hellempfind-lichkeitsgrad V(λ) des Auges und gibt die in alle Raumrichtungen abgegebene bdquoLichtleistungldquo einer Lampe an Der Lichtstrom enthaumllt keine Information daruumlber wie die Lampe das Licht im Raum verteilt Der Lichtstrom gibt an wie hell ein beleuchteter Raum dem Menschen erscheint

Spektraler Hellempfindlichkeitsgrad V(λ)

Der exakt definierte spektrale Hellempfindlich-keitsgrad V(λ) ist eine Bewertungsfunktion fuumlr elektromagnetische Strahlung Hiermit wird der bdquoHelligkeitseindruck eines menschlichen Durch-schnittsaugesldquo berechnet Dies ermoumlglicht den objektiven Vergleich von Lichtquellen mit physika-lischen Messmethoden Subjektive Wahrnehmun-gen einzelner Menschen koumlnnen damit nicht exakt wiedergegeben werden

Aumlhnlichste Farbtemperatur TN

Es gibt unterschiedliche Farbtemperaturen in der Photometrie Verhaumlltnis- und Verteilungstem-peratur sind nur bei thermischen Strahlern wie der Gluumlhlampe anwendbar Nur die aumlhnlichste Farbtemperatur (englisch Correlated Colour Temperature CCT) laumlsst sich fuumlr Lichtquellen mit beliebiger spektraler Zusammensetzung berech-nen sofern die Normfarbwertanteile aumlhnlich einem thermischen Strahler sind Die aumlhnlichste Farbtemperatur wird in der Einheit Kelvin (K) angegeben Sie gibt an ob das Licht warmweiszlig (ca 3000 K) neutralweiszlig (ca 4500 K) oder tages-lichtweiszlig (gt5500 K) erscheint

Normfarbwertanteile (x y)

Fuumlr die Angabe von Farbe gibt es neben dem spek-tralen Hellempfindlichkeitsgrad V(λ)noch weitere definierte Bewertungsfunktionen Hiermit laumlsst sich die Farbwahrnehmung eines fiktive Normalbeob-achters aus der gemessenen spektralen Verteilung des Lichts durch Angabe von nur zwei Werten (x und y) angeben Diese Werte geben die Koordi-naten auf der Normfarbtafel (s Abbildung) an

Normfarbtafel

Farbwiedergabeindex Ra

Der Farbwiedergabeindex ist eine Kennzahl fuumlr Lichtquellen der bewertet die Qualitaumlt der Farb-wiedergabe Je houmlher der Wert desto besser ist die Farbwiedergabe Der Maximalwert liegt bei 100 Werte zwischen 90 und 100 geben eine ausgezeich-nete Farbwiedergabe an Werte unter 80 sind fuumlr viele Anwendungen nicht ausreichend

Im Folgenden soll ein kleiner Leitfaden gegeben werden der in allgemeinverstaumlndlicher Form die grundlegenden Ideen wichtiger lichttechnischer Groumlszligen erlaumlutern soll Komplexe Details der zugrunde liegenden Normen und Definitionen werden hierbei nicht beruumlcksichtigt

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PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4Das Jahr des Lichtes

Pastellfarbtoumlne oder auch weiszliges LichtIn Bild 2 sind die spektralen Verteilungen einer

LED mit und ohne Leuchtstoff abgebildet In der linken Abbildung erkennt man die schmalbandige blaue Emission des LED-Chips In der rechten Abbildung wird ein Teil dieser Strahlung durch einen Leuchtstoff in laumlngerwelliges Licht konver-tiert und die Mischfarbe erscheint weiszlig

Der Vorteil einer LED gegenuumlber einer Gluumlh-lampe bezuumlglich der Lichtausbeute ist offensicht-lich Es wird ndash von unvermeidbarer thermischer Verlustleistung abgesehen ndash nur Strahlung im sichtbaren Wellenlaumlngenbereich emittiert Daruumlber hinaus ist die Farbe des Lichts von LEDs durch Kombination verschiedener Leuchtstoffe und LEDs nahezu beliebig einstellbar und man ist nicht auf aumlhnlichste Farbtemperaturen von ca 3000 K wie bei der Gluumlhlampe begrenzt

Allerdings gibt es auch Nachteile gegenuumlber dem Licht einer Gluumlhlampe Dem typischen Spektrum einer LED-Lichtquelle fehlen im Gegensatz zu Sonnenlicht oder Gluumlhlampenlicht einzelne Spekt-ralfarben Dies macht sich negativ bei der Qualitaumlt der Farbwiedergabe bemerkbar

Die Farbe des emittierten Lichts einer LED laumlsst sich durch additive Farbmischung sehr aumlhnlich zu Sonnenlicht oder auch Gluumlhlampenlicht einstellen Wenn jedoch Objekte mit Licht beleuchtet werden kommt es auch auf die spektrale Zusammensetzung des Lichts an Nehmen wir einen Blumenstrauszlig aus roten Rosen der im Tageslicht steht Im Son-nenlicht sind alle Spektralfarben vorhanden und diese beleuchten die Rosen Die roten Bluumltenblaumltter absorbieren einige spektrale Anteile des Lichts und reflektieren im Wesentlichen rotes Licht welches in das Auge des Betrachters faumlllt Wenn die Rosen von einer anderen Lichtquelle beleuchtet werden in der die roten Spektralanteile zumindest teilweise fehlen koumlnnen diese nicht reflektiert werden und die Farben der Rosen erscheinen unnatuumlrlich

Dies ist von weitreichender Bedeutung fuumlr die Wahl einer geeigneten Lichtquelle da wir einen Kompromiss aus Licht mit guter Farbwieder-gabe und hoher Lichtausbeute schlieszligen muumlssen Licht mit hoher Farbwiedergabe setzt sich aus moumlglichst vielen Spektralfarben zusammen und Lichtquellen mit hoher Lichtausbeute sollten nur Spektralfarben beinhalten fuumlr die das menschliche Auge besonders empfindlich ist In den Auszligenbe-zirken vieler Staumldte werden zur Nachtbeleuchtung der Gehwege haumlufig Natriumdampflampen mit orangefarbenem Licht eingesetzt Die Lichtaus-beute dieser Lampen ist mit etwa 150 lmW auszligerordentlich hoch da das menschliche Auge in diesem Spektralbereich sehr empfindlich ist Diese Beleuchtung ist jedoch ungeeignet um Farben natuumlrlich wiederzugeben Aufgrund des Aufbaus des menschlichen Auges ist es also nicht moumlglich eine Beleuchtung mit sehr hoher Qualitaumlt der Farbwiedergabe bei gleichzeitig sehr hoher Lichtausbeute zu realisieren

Weiszlige LEDs zur Allgemeinbeleuchtung nutzen in der Regel Leuchtstoffe die teilweise qualita-tiv hochwertige Farbwiedergabeeigenschaften besitzen Eine weitere Methode zur Erzeugung von weiszligem Licht ist das Mischen von rotem gruumlnem und blauem Licht (RGB-Verfahren) welches die Grundlage jedes Displays ist Hierbei sind neben weiszligem Licht auch andere Lichtfarben moumlglich ndash die Farbwiedergabeeigenschaften sind allerdings schlecht Fuumlr die Endverbraucher sind in der Regel die Farbwiedergabeeigenschaften von Lichtquellen als Ra-Werte auf der Verpackung angegeben

Organische Licht Emittierende Dioden (OLED) sind eine junge Beleuchtungstechnologie die noch keinen Zugang zum Massenmarkt erhalten hat Die weltweit erste kommerzielle OLED-Leuchte wurde 2008 vertrieben Der fuumlr den Nutzer wesentliche Unterschied zwischen OLEDs und LEDs besteht im Aufbau Der leuchtende Kristall

Bild 2 Spektrale Verteilung einer blauen LED (links) und einer weiszligen LED (rechts) bei der ein Teil des blauen Lichts zu gelbem Licht konvertiert wurde

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PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4 Metrologie fuumlr moderne Lichtquellen

anorganischer LEDs besitzt eine maximale Kan-tenlaumlnge von etwa einem Millimeter Bei OLEDs wird das Licht in groszligflaumlchigen amorphen organi-schen Schichten erzeugt Momentan sind OLEDs mit leuchtenden Flaumlchen von bis zu 20 x 20 cmsup2 erhaumlltlich Das Licht wird aumlhnlich wie bei LEDs durch Ladungstraumlgerrekombination unter Auftre-ten von Elektrolumineszenz erzeugt Dabei ist das Emissionsspektrum der verwendeten organischen Emittermaterialien wesentlich breitbandiger als das einer LED (vgl Bild 3) Daher wird das weiszlige Licht von OLEDs in der Regel durch Verwendung von roten gruumlnen und blauen Emittermaterialien erzeugt ohne dass die Farbwiedergabeeigenschaf-ten sehr stark darunter leiden

2 Entwicklung von (O)LED-Transfer-normalen in der PTB

Eine der Kernaufgaben der PTB ist die Weiter-gabe der gesetzlichen Einheiten Bis zum heuti-gen Tage bieten Transfernormale in Form von speziellen Gluumlhlampen die besten Eigenschaften um als Maszligverkoumlrperung der Einheiten Candela oder Lumen zu dienen Da der Anwender in der Regel jedoch die Substitutionsmethode bei seinen Messungen anwendet um notwendige Korrektu-ren auf ein Minimum zu reduzieren (Gleiches mit Gleichem vergleichen) sind auch Transfernormale auf Basis der LED-Technologie von Interesse

Bereits in den 80er-Jahren des vergangenen Jahr-hunderts wurden LEDs in der PTB kalibriert Diese waren fuumlr Beleuchtungszwecke noch ungeeignet und dienten lediglich als Signallampen Zeitgleich wurden die ersten PTB-LED-Transfernormale entwickelt deren optische Eigenschaften durch thermische Regelung des LED-Chips stabilisiert wurden Die mechanische Ausrichtung der LEDs leistet aufgrund des typischerweise stark gerichteten Abstrahlprofils der LEDs einen groszligen Beitrag auf die Messunsicherheit Daher werden die LEDs seit

2002 in ein rotationssymmetrisches robustes VA-Stahl-Gehaumluse eingebaut welches sich sehr repro-duzierbar ausrichten laumlsst (vgl Bild 4)

Diese Transfernormale werden unter Konstant-Strom-Bedingungen und ndash durch gezieltes Aufhei-zen des LED-Chips durch den Heizwiderstand ndash unter Konstant-Spannung-Bedingungen betrieben Aufgrund der halbleitenden Eigenschaften sinkt mit steigender Temperatur die Betriebsspannung und sowohl der Lichtstrom als auch die Peakwellenlaumlnge des emittierten Lichts veraumlndert sich Die Sollspan-nung wird auf einen Wert festgelegt der unterhalb der Gleichgewichtsspannung durch Eigenerwaumlr-mung im Betrieb ohne Heizwiderstand bei einer Umgebungstemperatur von etwa 35 degC liegt Somit ist auch ein Einsatz der Transfernormale in Laboren ohne Klimatisierung moumlglich

Fuumlr LEDs mit houmlheren Leistungen wurde im Jahr 2011 ein weiterer Prototyp eines Transfernormals vorgestellt (vgl Bild 5) Da die hier verwendeten LEDs eine houmlhere Leistungsaufnahme besitzen werden sie waumlrmer Das reduziert die Lebensdauer und Reproduzierbarkeit der photometrischen

Bild 3 Exemplarische spektrale Verteilung einer weiszligen OLED

Bild 4 Temperaturgeregeltes LED-Transfernormal auf Basis von Kleinleistungs-LEDs mit Lichtstroumlmen von bis zu 10 Lumen

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PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4Das Jahr des Lichtes

Groumlszligen deutlich Daher muumlssen sie gekuumlhlt werden Hierfuumlr kommt bei diesen Normalen ein Peltier-Element zum Einsatz welches geregelt Waumlrme in einen dahinterliegenden Kuumlhlkoumlrper leitet und hierdurch das emittierte Licht stabilisiert Diese Transfernormale zeichnen sich durch ein geringes

Gewicht bei einer Laumlnge von ca 100 mm und einem Durchmesser von etwa 20 mm aus Allerdings ist die Verwendung von LEDs mit sehr hohen Leistun-gen nicht moumlglich da die Abwaumlrme lediglich passiv an den Raum abgegeben wird Eine detaillierte Beschreibung der Eigenschaften dieses Transfer-normals wurde 2012 veroumlffentlicht [2]

Fuumlr die thermische Stabilisierung von LEDs mit sehr hohen Leistungen wurde ein weiteres Trans-fernormal unter Einsatz von Peltier-Elementen Heatpipes und aktivem Kuumlhlsystem in der PTB entwickelt (vgl Bild 6)

Im Rahmen des europaumlischen Forschungspro-jekts OLED100eu wurde in der PTB weiterhin das weltweit erste Transfernormal unter Einsatz einer organischen Leuchtdiode entwickelt (vgl Bild 7) Dieses Normal wurde fuumlr den Einsatz in einer Ulbricht-Kugel konzipiert und in ein mattes Aluminiumgehaumluse eingebaut Eine Besonderheit dieses Normals ist die Stand-Alone-Versorgungs-einheit die ohne Rechner o auml saumlmtliche relevan-ten elektrischen und thermischen Groumlszligen regelt und auf einem USB-Stick speichert

3 LED-Messtechnik in der PTB

Neben LED-Transfernormalen mit guter Reprodu-zierbarkeit ist eine hochentwickelte Messtechnik fuumlr deren Kalibrierung mit minimaler Messunsi-cherheit erforderlich

Die photometrische Beschreibung von LEDs erfolgt durch Angabe ihrer Lichtstaumlrke ILED mit der Einheit Candela und ihrem Lichtstrom ΦLED mit der Einheit Lumen Diese Groumlszligen werden in der PTB unter Verwendung ruumlckgefuumlhrter Photometer bestimmt Hierfuumlr wird die Beleuchtungsstaumlrke ELED unter definierten geometrischen Bedingungen fuumlr alle Abstrahlrichtungen der LED mit einem Goniophotometer gemessen

Fuumlr die Bestimmung der colorimetrischen Werte kommen Spektralradiometer zum Einsatz Hiermit werden spektrale Bestrahlungsstaumlrken gemessen und daraus die abgeleiteten colorime-

Bild 5 Temperaturgeregeltes LED-Transfernormal auf Basis von Hochleistungs-LEDs mit Lichtstroumlmen von bis zu 100 Lumen Im rechten Bild ist die Temperaturverteilung in Grad Celsius waumlhrend des Betriebs abgebildet

Bild 6 Temperaturgeregeltes LED-Transfernormal auf Basis von Houmlchstleistungs-LEDs mit Lichtstroumlmen von bis zu 2500 Lumen

Bild 7 Temperaturgeregeltes OLED-Transfernormal auf Basis kommerziell erhaumlltlicher OLEDs

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PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4 Metrologie fuumlr moderne Lichtquellen

trischen Kenngroumlszligen wie z B die Normfarb-wertanteile (x y) bei weiszligen LEDs die aumlhnlichste Farbtemperatur TN mit der Einheit Kelvin und bei farbigen LEDs die dominante Wellenlaumlnge λdom berechnet Grundlegende Informationen und Definitionen uumlber die photometrischen und colorimetrischen Groumlszligen und deren Messung sind in [3] [4] und [5] zu finden

In Bild 8 ist der Aufbau des LED-Messplatzes an der PTB zu sehen Fuumlr die Bestimmung der Mess-groumlszligen in alle raumlumlichen Abstrahlwinkel wird die LED durch ein Goniophotometer bewegt

Die LED wird in horizontaler Betriebslage zentrisch normal zur Referenzebene des Photo-meterkopfes ausgerichtet Ein Translationstisch ermoumlglicht dabei eine Variation des Abstandes d zwischen Photometer und LED Eine horizontale Rotationsachse (φ-Achse) und eine senkrechte Rotationsachse (ϑ-Achse) die sich an der LED-Spitze im rechten Winkel schneiden erlauben durch Drehung der LED eine Bestimmung der Beleuchtungsstaumlrke ELED in alle Raumrichtungen Beide Rotationsachsen werden waumlhrend der Messung zeitgleich bewegt Hierdurch bewegt sich die relative Position der lichtempfindlichen Emp-faumlngeroumlffnung bezuumlglich des Schnittpunkts beider Drehachsen auf der Oberflaumlche einer virtuellen Kugel entlang einer Spiralbahn von bdquoPol zu Polldquo dieser Kugel

Die Bestimmung des Lichtstroms ΦLED erfolgt analog der Beschreibung in dem Kapitel Kurze Geschichte der Goniophotometrie in der PTB Der wesentliche Unterschied zu goniophotome-trischen Messungen an Gluumlhlampen besteht darin dass bei LED-Messungen die Lichtquelle typischerweise bewegt werden kann ohne dass sich ihre optischen Eigenschaften aumlndernAufgrund des stetig wachsenden Bedarfs an ruumlck-gefuumlhrten Kalibrierungen von High-Power-LEDs sind Masse und Abmessungen der Transfernor-male erheblich gestiegen Daher wurde der Mess-platz 2015 um ein weiteres Goniophotometer fuumlr schwere und groszlige Objekte erweitert (vgl Bild 9)

Neben den photometrischen Empfaumlngern befinden sich auch Einkoppeloptiken fuumlr Spekt-ralradiometer auf dem drehbaren Empfaumlngerka-russell Alle Empfaumlnger lassen sich hiermit auto-matisiert waumlhrend einer Messung zu den LEDs ausrichten Vor jeder LED-Kalibrierung werden die Spektralradiometer bezuumlglich Ihrer spektralen Empfindlichkeit und Wellenlaumlnge kalibriert Die entsprechenden Normallampen befinden sich neben dem Empfaumlngerkarussell (vgl Bild 10) und ermoumlglichen so ebenfalls eine automatisierte Messung

Den spektralen Messungen an LEDs kommt neben der Notwendigkeit fuumlr die Bestimmung colorimetrischer Kennzahlen noch eine beson-dere Bedeutung fuumlr die photometrischen Messun-

Bild 9 Goniophotometer fuumlr photometrische Messungen an Hochleistungs-LEDs

Bild 10 Entladungslampen mit verschiedenen Gasfuumlllungen dienen der Wellenlaumlngenka-librierung der Spektrometer Im Hintergrund ist eine Bestrahlungsstaumlrke-Normal-lampe fuumlr die spektrale Empfindlichkeitskalibrierung zu sehen

Bild 8 Goniophotometer fuumlr photometrische Messungen an Kleinleistungs-LEDs

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PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4Das Jahr des Lichtes

gen zu Wie in der Einleitung erklaumlrt unterscheiden sich die spektralen Verteilungen von LEDs und Gluumlhlampen deutlich voneinander Photometerkoumlpfe bestehen in der Regel aus einer Silizium-Photodiode deren spektrale Empfindlichkeit durch den Einsatz von Glasfiltern moumlglichst gut an den Hellemp-findlichkeitsgrad V(λ) angepasst wird Aufgrund internationaler Standardisierung wird die photo-metrische Empfindlichkeit von Photometerkoumlpfen fast ausschlieszliglich fuumlr Normlichtart A kalibriert In der Praxis werden hierfuumlr Gluumlhlampen mit einer Verteilungstemperatur von 2856 K verwendet Wenn man ein solches Photometer fuumlr Messungen an anderen Gluumlhlampen verwendet sind die spektralen Verteilungen meist so aumlhnlich dass nur geringe oder gar vernachlaumlssigbare Korrekturen aufgrund der spektralen Fehlanpassung also der Abweichung der realen spektralen Empfindlichkeit des Photometers von dem Hellempfindlichkeitsgrad notwendig sind Wenn man ein solches Photometer jedoch bei LEDs insbesondere farbigen LEDs einsetzt koumlnnen die Abweichungen aufgrund der spektralen Fehlan-passung sehr groszlig werden (gt10 fuumlr hochwertige Photometerkoumlpfe sind moumlglich)

Mit Kenntnis der relativen spektralen Verteilung der Leuchtdiode SLED(λ) und der relativen spekt-ralen Empfindlichkeit srel(λ) laumlsst sich die spektrale Fehlanpassung durch folgenden Korrekturfaktor cSpek korrigieren

cV S

s S

V P T

sSpek

LED

rel LED

A

rel

d

d

d=

( ) ( )( ) ( )

( ) ( )( )

intint

intλ λ λ

λ λ λ

λ λ λ

λ

intint ( )P Tλ λ A d

P(λ TA) beschreibt Lichtart A durch das Planck-sche Strahlungsgesetz fuumlr TA = 2856 K

Eine detaillierte Auflistung und Diskussion aller zu beruumlcksichtigenden Details bei Kalibrierungen von LEDs und das dazugehoumlrige Messunsicher-heitsbudget soll an dieser Stelle nicht gegeben werden Interessierte Leser koumlnnen hierfuumlr Infor-mationen in einer fruumlheren Veroumlffentlichung [6] oder in den Ergebnissen eines internationalen Vergleichs von LED-Messungen [7] finden

Fazit und Ausblick

Der Verzicht auf LEDs ist fuumlr Beleuchtungsan-wendungen nicht mehr vorstellbar Durch ihre kontinuierliche Weiterentwicklung erobern LEDs immer weitere Anwendungsfelder (z B Haus-halts- Straszligen- und Automobilbeleuchtung) mit denen der Endkunde in Kontakt kommt Bei diesen Anwendungen sind die Anforderungen an die Lichtquellen vielfaumlltig und fuumlr eine quantitative Beschreibung ihrer Eigenschaften muss auch die Messtechnik entsprechend umfassend und ausge-reift sein

Neben dem allgemeinen Forschungs- und Ent-wicklungsbedarf fuumlr bessere LED-Messverfahren und -geraumlte die die Grundlage ihrer technologi-schen Weiterentwicklung bilden gibt es eine weitere Herausforderung Aufgrund der nahezu unbe-grenzten Moumlglichkeiten eine bestimmte Lichtfarbe durch additive Farbmischung zu erhalten sind LEDs verschiedener Hersteller mit unterschiedlichen Emissionsspektren aber einer nominell gleichen aumlhnlichsten Farbtemperatur erhaumlltlich Dennoch ist teilweise ein Unterschied der Lichtfarbe mit bloszligem Auge erkennbar wenn sich unterschiedliche LEDs nebeneinander befinden

Es ist ungewoumlhnlich dass man ohne technische Hilfsmittel nominell gleiche Lichtfarben faktisch unterscheiden kann Um die Charakterisierung von LEDs soweit zu verbessern dass dies nicht mehr moumlglich ist ist einerseits eine Reduzierung der Messunsicherheit bei der Bestimmung der Normfarbwertanteile (Lichtfarbe) notwendig Andererseits muss man sich bewusst machen dass photometrische und colorimetrische Messverfahren auf rein physikalischen Zusammenhaumlngen basieren Individuelle menschliche Wahrnehmung und Sehen werden bei photometrischen Messungen nicht beruumlcksichtigt ndash diese werden durch Festlegung von exakt definierten Wichtungsfunktionen wie dem Hellempfindlichkeitsgrad fuumlr einen fiktiven Normalbeobachter ausgegrenzt Diese Wichtungs-funktionen koumlnnen gegebenenfalls auch noch optimiert werden um die objektive Beurteilung von Lichtquellen mit physikalischen Messmethoden zu verbessern Somit gibt es auch in Zukunft noch interdisziplinaumlre Herausforderungen fuumlr die Metro-logie moderner Lichtquellen

Literatur

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Effektpigmente hellipPTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4

Einleitung

Farbe ist fuumlr Menschen die wohl auffaumllligste sub-jektive Stoffeigenschaft Bereits den Fruumlhmenschen war diese visuelle Qualitaumlt bekannt deren Wahr-nehmung allen Primaten eigen ist So wurde 2008 in Suumldafrika eine ca 100000 Jahre alte steinzeitli-che bdquoMalerwerkstattldquo entdeckt [1] Auch heutzu-tage spielt Farbe in der Gestaltung unserer Umwelt eine wichtige Rolle Jedes Jahr praumlsentiert uns die Mode die neuen Farben der Saison Farben dienen zur Regelung des Verkehrs Ohne bunte Farben waumlre unsere Welt trist und oumlde

Es ist wichtig festzustellen dass Farbe ein physiologischer Sinneseindruck ist wie z B auch Tasten oder Riechen D h Farbe ist keine immanente physikalische Eigenschaft eines Gegenstandes wie z B seine Masse oder Waumlrme-leitfaumlhigkeit Die physiologische Wahrnehmungs-kette ist hierbei folgende Das vom betrachteten Gegenstand reflektierte Licht trifft auf das Auge und loumlst hierbei einen Farbreiz aus Dieser Farbreiz beruht auf der spektralen Zusammensetzung des empfangenen Lichts d h er ist abhaumlngig von der verwendeten Lichtquelle und dem spektralen Reflexionsvermoumlgen des betrachteten Objektes Die Anregung der licht- und farbempfindlichen Zellen in der Netzhaut fuumlhrt zu einer Farbvalenz die uumlber den Sehnerv an das Gehirn weitergeleitet wird Die eigentliche Farbempfindung die wir dann mit einem Gegenstand verknuumlpfen entsteht erst im Gehirn [2] Liegt z B eine Farbfehlsich-tigkeit vor so kann der Farbeindruck des betrof-fenen Menschen auch ein ganz anderer sein Auch viele Tiere mit ihren teilweise erheblich abweichenden visuellen Systemen nehmen Farbe ganz unterschiedlich als wir Menschen wahr Im Folgenden soll mit Farbe immer die Koumlrperfarbe auch Gegenstandsfarbe Objektfarbe bzw Oberflauml-chenfarbe genannt einer nicht selbstleuchtenden Flaumlche bezeichnet werden die durch Reflexion von Licht an einem Koumlrper entsteht

Die genannten Zusammenhaumlnge machen die mathematisch-physikalische Beschreibung von Farbe schwierig und aufwendig da auch die spe-zifischen Eigenarten der menschlichen Wahrneh-

mungskette nachgestellt werden muumlssen Diesem Umstand wird versucht uumlber die verschiedenen Farbmaszligsysteme Rechnung zu tragen welche die Farbe eines Objektes mithilfe von quantifizierba-ren Zahlenwerten kennzeichnen [3]

Generell koumlnnen farbige Flaumlchen je nach Tageszeit und Lichteinfall sehr unterschiedlich wirken Die Aumlnderungen basieren hierbei auf der unterschiedlichen spektralen Zusammenset-zung des Tageslichts und den winkelabhaumlngigen Glanz- und Struktureigenschaften von Oberflauml-chen Ganz besonders deutlich ist dies bei auf dem Interferenzeffekt basierenden Effektpigmenten der Fall Deren visuelles Erscheinungsbild im englischen mit Visual Appearance bezeichnet kann sich bei variierendem Beobachtungswinkel und unterschiedlichen Lichtverhaumlltnissen komplett veraumlndern Man spricht hierbei von sogenannten Flop-Lacken wobei man zwischen Hell-Dunkel-Flop und Farb-Flop unterscheiden kann [4]

Generell kann man sagen dass Farbe und visuelle Effekte einen entscheidenden Anteil am Verkaufserfolg eines Produktes haben denn Farben wecken Emotionen und verschiedene Neuro marketingstudien belegen dass ca 95 aller Kaufentscheidungen emotional gepraumlgt sind [5] Deshalb spielt eine moderne Farbgestaltung unter Nutzung aktueller Effektpigmente im Pro-duktdesign eine entscheidende Rolle denn durch den Einsatz solcher Pigmente kann Gegenstaumlnden eine houmlhere Attraktivitaumlt verliehen werden Daher findet man moderne Effektpigmente heutzutage in vielen teilweise sehr unterschiedlichen Indus-trieprodukten wie z B in Autolackierungen Haumluserfassaden Kosmetikartikeln oder sogar bei Pralineacutes wie dies in Bild 1 zu sehen ist

Pigmente

Als Pigmente aus dem Lateinischen kommend von pigmentum fuumlr bdquoFaumlrbestoff Schminkeldquo bezeichnet man aus Teilchen bestehende im Anwendungs-medium praktisch unloumlsliche Sub stanzen die als Farbmittel oder wegen anderer spezieller physika-lischer und chemischer Eigenschaften als funktio-nale Farbzentren verwendet werden [6]

Effektpigmente Eine Herausforderung fuumlr die optische Messtechnik

Egbert Buhr Alfred Schirmacher Andreas Houmlpe

Dr Egbert Buhr Fachbereich bdquoBildshy und Wellenoptikldquo EshyMail egbertbuhrptbde

Dr Alfred Schirmacher Arbeitsshygruppe bdquoReflexion und Transmissionldquo EshyMail alfredschirmacherptbde

Dr Andreas Houmlpe dagger ehemals Arbeitsgrupshype bdquoReflexion und Transmissionldquo

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PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4Das Jahr des Lichtes

In der Natur vorkommende anorganische Pig-mente sind schon seit praumlhistorischen Zeiten bekannt Schon die Menschen der Steinzeit benutzen mineralische Pigmente fuumlr die ersten Houmlhlenzeichnungen Sie erkannten dass sie mit unterschiedlichen Erdsorten farbig malen konnten Eisenoxidhaltige Erden liefern gelbrote bis braunrote Kalk und Gips weiszlige Mangan-oxide sowie Holz- und Knochenkohle schwarze Farbtoumlne

Aus heutiger industrieller Sicht ist ein Pigment ein fein aufgeteilter und unloumlslicher Feststoff mit der Hauptfunktion das Erscheinungsbild des verwendeten Mediums zu verbessern oder es zu faumlrben Pigmente werden dem Medium immer durch physikalisches Mischen beigegeben dies unterscheidet sie von Farbstoffen die in ihrem Medium loumlslich sind

Pigmente koumlnnen nach den optischen Prin-zipien ihrer Wechselwirkung mit Licht unter-schieden und in verschiedene Klassen eingeteilt werden Wichtige Pigmentklassen sind Weiszlig- Bunt- Schwarz- und Effektpigmente die alle wegen ihrer speziellen farbgebenden Eigenschaf-ten eingesetzt werden Bei den Effektpigmenten

kann in einer ersten vereinfachten Einteilung noch zwischen Metalleffekt- und den sogenannten speziellen Effektpigmenten unterschieden werden

Der Begriff bdquospezielle Effektpigmenteldquo umfasst die Gruppen der Perlglanzpigmente und der all-gemeinen Interferenzpigmente welche insbeson-dere bei aktuellen Pigmententwicklungen nicht scharf abgegrenzt werden koumlnnen Perlglanzpig-mente sind Effektpigmente die aus transparenten Plaumlttchen mit hohem Brechungsindex bestehen Sie erzeugen durch die spezielle Form der Mehr-fachreflexion des transmittierten Lichts an mehre-ren Pigmenten einen perlenaumlhnlichen Effekt bei dem die auftreffende Strahlung verteilt reflektiert wird wodurch der Eindruck einer mit der Tiefe abnehmenden diffusen Helligkeit entsteht Fuumlr das Auge ergibt sich so eine scheinbar dreidimen-sionale Glanzcharakteristik die aus der Tiefe des Objektes zu kommen scheint Interferenzpigmente dagegen sind Effektpigmente deren farbgebende Wirkung ganz oder vorwiegend auf dem Effekt der Vielstrahlinterferenz von Licht an duumlnnen hoch-brechenden Schichten beruht Interferenzpigmente koumlnnen dabei sowohl auf transparenten oder auch nichttransparenten Plaumlttchen basieren

Bild 1 a) Roadster mit ChromaFlairreg-Effektpigmentlackierung b) Verwaltungsgebaumlude in Braunschweig verkleidet mit Alucobondreg-spectra-colours-Verbundplatten c) Effektpigmente im Nagellack d) Pralineacute mit Effektpigmentuumlberzug

a

dc

bb

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Effektpigmente hellipPTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4

Die heute verwendeten Pigmente lassen sich somit grob in fuumlnf verschiedene Klassen einteilen

1) Weiszligpigmente Die Pigmente streuen das ge-samte auftreffende Licht nahezu verlustfrei in alle Richtungen durch diffuse ungerichtete Reflexion

2) Buntpigmente Die Pigmente streuen einen Teil des Lichtes diffus und absorbieren wellenlaumln-genselektiv einen anderen Teil des Lichtes

3) Schwarzpigmente Die Pigmente absorbieren alle Wellenlaumlngen des fuumlr das menschliche Auge sichtbaren Spektralbereiches

4) Metalleffektpigmente Die aus duumlnnen Metall-plaumlttchen vorwiegend Aluminium bestehen-den Metalleffektpigmente sind lichtundurch-laumlssig und reflektieren das gesamte auftreffende Licht durch spekulare gerichtete Reflexion Die Pigmentpartikel wirken dabei wie Mikrospie-gel und fuumlhren bei paralleler Ausrichtung im Anwendungsmedium zu einem spiegelnden Metallglanz dem Metallic-Effekt

5) Spezielle Effektpigmente Perlglanz- bzw Inter-ferenzpigmente deren optische Wirkung auf der Mehrfachreflexion an uumlberwiegend flaumlchig aus-gebildeten und ausgerichteten transparenten semitransparenten oder lichtundurchlaumlssigen Partikeln beruht

Weiszlig- Bunt- und auch Schwarzpigmente weisen typische Durchmesser im Bereich von 100 nm bis zu 1 microm auf Ihre Groumlszlige liegt damit zum Teil im Bereich der Wellenlaumlnge des sichtbaren Lichtes welches den Bereich von 380 nm bis 780 nm uumlberdeckt Einige Schwarzpigmente wie z B Ruszlig-pigmente liegen mit ihren Durchmessern jedoch auch zum Teil auch deutlich darunter Effektpig-mente besitzen dagegen Teilchendurchmesser die zumeist im Bereich von 5 microm bis 100 microm in einigen Faumlllen auch daruumlber liegen Sie sind damit bezuumlglich der mittleren Plaumlttchendurch-messer wesentlich groumlszliger als die Wellenlaumlnge des sichtbaren Lichtes Die Dicke der Plaumlttchen liegt von einigen Ausnahmen abgesehen unter 1 microm ebenso wie die Dicke der Interferenzschichten Demzufolge weisen Effektpigmente in der Regel ein hohes Aspektverhaumlltnis auf (Verhaumlltnis der lateralen Ausdehnung einer Struktur zu ihrer Houmlhe) welches bis zu 200 betragen kann

Interferenzpigmente ndash Wie die Farben entstehen

Die Farbe von Interferenzpigmenten haumlngt von der Schichtdicke der Metalloxidbeschichtung und dem Einstrahlungs- und Betrachtungswinkel ab Beide Parameter bestimmen die effektive optische Weg-

laumlngendifferenz fuumlr das einfallende weiszlige Licht zwischen oberer und unterer Grenzflaumlche und die somit auftretenden Interferenzfarben siehe Bild 3

Interferenzpigmente zeigen somit einen aus-gepraumlgten bdquoFarbflopldquo Die Winkelabhaumlngigkeit der Farbe wird hierbei auch als Goniochromasie bezeichnet Richtig bunt geht es zu wenn ein Interferenzpigment auf einen bereits bunten Untergrund aufgebracht wird Die Transparenz der Pigmente laumlsst die Untergrundfarbe durch-

Bild 2 Schematische Diagramme zum spektralen Verhalten verschiedener Pigmenttypen

Bild 3 Die Schichtdicke der Metalloxidbeschichtung und der kombinierte Einstrahlungs- und Betrachtungswinkel bestimmen die optische Weglaumlnge und somit die sich ergebenden Interferenzfarben in Reflexion und Transmission

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PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4Das Jahr des Lichtes

Bild 5 Die Effekte Spar-kling (1) und Coarseness (2) des Effektpigmentes Xirallicreg Crystal Silver in einer vergroumlszliger-ten Aufnahme auf weiszligem (links) und schwarzem Hinter-grund (rechts)

scheinen im Glanzwinkel wird sie aber von der Interferenzfarbe uumlberstrahlt wie dies in Bild 4 zu sehen ist

Der Effekt eines Helligkeitsunterschiedes unter verschiedenen Betrachtungswinkeln wird als Helligkeitsflop bezeichnet und ist an sich nichts Neues Sind jedoch die einzelnen Pigmentteilchen

aufgrund ihrer planaren Reflexionsoberflaumlchen in gerichteter Beleuchtung direkt beobachtbar was fuumlr mittlere Teilchengroumlszligen von 30 microm und groumlszliger der Fall ist so ergibt dies einen Effekt welcher mit dem Begriff Sparkle (Glitzern Funkeln) bezeichnet wird (Bild 5) Aumlndert sich die Beleuchtung von einer gerichteten Einstrahlung wie es an einem wolkenlosen sonnigen Sommertag der Fall ist hin zu einer diffusen ungerichteten Einstrahlung wie an einem stark bewoumllkten Herbsttag so verschwin-det das Sparkling der Pigmente und verwandelt sich in eine Koumlrnigkeit der Oberflaumlche Dieses optische Phaumlnomen wird als Coarseness (Bild-koumlrnigkeit) bezeichnet und ist unabhaumlngig vom Betrachtungswinkel (Bild 5)

Als neuer Archetypus des Sparkle-Begriffes haben sich in den letzten Jahren die Xirallicreg Pig-mente (High Chroma Chrystal Effect Pigments) der Firma Merck KGaA entwickelt Durch die Beschich-tung von Aluminiumoxidplaumlttchen mit hochbre-chenden Metalloxiden und einer optimierten Dicke und Ebenheit aller am Pigment beteiligten Schich-ten entstehen auszligergewoumlhnlich stark reflektierende Effektpigmente die einen besonders intensiven Sparkle-Effekt aufweisen Man spricht hierbei auch von sogenanntem Living Sparkle welcher sich in einem scheinbaren bdquoTanzenldquo der leuchtenden Punkte in der Probenoberflaumlche bei Veraumlnderung der Beobachtungsgeometrie aumluszligert [7 8]

Generell gilt dass die Farbe von Objekten mit Effektlackierung nicht mehr wie jahrzehntelang uumlblich und ausreichend mit konventionellen Farb-messgeraumlten mit nur einer festen Messgeometrie wie z B in der 45deg 0deg Geometrie (Einstrahlung unter 45deg Reflexionsmessung unter 0deg) bestimmt werden kann Dieser Umstand wird sehr gut durch die Grafik in Bild 6 illustriert Dargestellt sind die winkelabhaumlngig gemessenen Farbkoordinaten von drei verschiedenen keramischen Farbstandards der Farben rot gruumln und blau sowie eines mit dem Effektpigment Viola Fantasy der Firma Merck lackierten Blechs Der Einfallswinkel des Lichts auf die Proben betrug hierbei immer 45deg zur Oberflauml-chennormalen Das von den Proben reflektierte Licht wurde an 26 Positionen in einem 5deg Raster in planaren die Oberflaumlchennormale enthalten-den Messgeometrien im Winkelbereich von ndash70deg bis +70deg aufgenommen Bei den aus absorptiven Pigmenten bestehenden Keramiken zeigt sich eine nur sehr geringe Winkelabhaumlngigkeit der Farbe welche groumlszligtenteils auf unterschiedlicher winkelabhaumlngiger Helligkeit d h den Glanzeigen-schaften der Oberflaumlche beruht Das Effektpigment dagegen zeigt einen extremen winkelabhaumlngigen Farb-Flop (Goniochromasie) welcher einen Farbverlauf von Gruumln uumlber Rot-Gelb hin ins Blau-Violett bietet

Aber auch die neuen Lackfarben aus der Gruppe der Effektlackierungen muumlssen messtechnisch

Bild 4 Merck-Xirallicreg-Solaris-Red-Effektpigmente appliziert auf einem mit Standard-Ab-sorptionspigmenten hellblau lackierten Metallblech In Rich-tung des Glanzwin-kels auf der rechten Seite zeigt sich der langsame Aufbau der winkelabhaumlngigen Interferenzfarbe

1

Bild 6 CIELab Farbkoordinaten einer winkelabhaumlngigen Reflexionsmessung an vier verschiedenen Proben drei Keramiken der Farben rot gruumln blau und eine Effektpigmentlackierung mit Merck Colorstreamreg Viola Fantasy Das untergelegte Farbschema zeigt naumlherungsweise die den Koordinaten entsprechende Farbe

2

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Effektpigmente hellipPTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4

Abbildungsoptik Messungen der ortsaufgeloumlsten Leuchtdichte auf einer Laumlngenskala bis hinab zu 28 microm auf der zu untersuchenden Probe siehe Bild 8

Mit der Zeilenkamera sind Messungen von kompletten Reflexionsspektren im sichtbaren Spektralbereich zwischen 380 nm und 780 nm dem sogenannten V(λ)-Bereich auf einer Zeit-skala von 2 Minuten moumlglich Hieraus lassen sich dann Farbkoordinaten der untersuchten Proben in den unterschiedlichsten Farbraumsystemen berechnen Eine absolute Messung in 114 Win-kelkombinationen (siehe Bild 9) im Polarwinkel-

erfasst und ruumlckgefuumlhrt werden um eine gleich-bleibende Qualitaumlt in der Produktion gewaumlhrleis-ten zu koumlnnen Gerade diese vielfaumlltigen zusaumltz-lichen Eigenschaften stellen die Farbmesstechnik vor neue Herausforderungen

Farbmessung

Bisherige kommerzielle Farbmessgeraumlte charakte-risieren Probenoberflaumlchen fast ausschlieszliglich in den eben schon erwaumlhnten sogenannten in-plane Reflexionsgeometrien Dabei liegen die Richtun-gen des eingestrahlten und des reflektierten Lichts sowie die Oberflaumlchennormale der Probe in einer Ebene Diese Einschraumlnkung entspricht jedoch in keiner Weise der taumlglichen Realitaumlt bei der Oberflaumlchen aus beliebigen Richtungen beleuchtet und betrachtet werden Seitens der Messgeraumlteher-steller und Anwender gibt es daher einen Trend zur erweiterten Charakterisierung bezuumlglich zusaumltzlicher Winkelkombinationen im dreidimen-sionalen Raum Spitzenreiter dieser Entwicklung am Markt ist derzeit ein tragbares Mehrwinkel-Spektralphotometer mit insgesamt 19 verschie-denen Reflexionsgeometrien [9] Hiermit scheint aber auch das Ende dieser Entwicklung im Bereich der portablen handgefuumlhrten Geraumlte erreicht Der Wunsch der Anwender geht aktuell wieder zuruumlck zu einer geringeren Anzahl von Winkelkombi-nationen denn es ist unklar wie man aus dem Mehr an winkelaufgeloumlsten Reflexionsdaten die fuumlr die Charakterisierung der Farbeigenschaften relevanten Informationen gewinnen kann Daher stellt sich die Frage welches sind bdquoguteldquo d h an die Messaufgabe adaptierte optimal geeignete Messgeometrien

Um diese Frage zu beantworten betreibt die AG 424 bdquoReflexion und Transmissionldquo der PTB zwei roboterbasierte Gonioreflektometer die eine winkelaufgeloumlste Reflexionsmessung in beliebi-gen bidirektionalen Geometrien ermoumlglichen [10ndash12] Diese beiden Apparaturen sind in Bild 7 dargestellt

Das Standard-Gonioreflektometer ist hierbei das nationale Normal fuumlr die Messgroumlszlige spektraler Strahldichtefaktor in gerichteten Geometrien Es dient der Realisierung Bewahrung und Weiter-gabe der gerichteten Reflexionsskale in Form von Kalibrierungen Die zweite Apparatur bezeich-net mit dem Acronym ARGon3 (3D Appearance Robot-based Gonioreflectometer) ist ein flexibles Forschungsgeraumlt mit dem experimentelle Unter-suchungen u a im Rahmen des EMRP-Projektes Multidimensional Reflectometry for Industry der EU [13] durchgefuumlhrt werden Im Ver gleich zum Standard-Gonioreflektometer ist dieses Geraumlt mit einer photometrischen Leuchtdichteka-mera und einer Zeilenkamera ausgeruumlstet Die Leuchtdichtekamera erlaubt mit einer speziellen

Bild 7 Die beiden roboter-basierten Gonio-reflektometer der PTB oben Standard-Gonioreflektometer fuumlr Kundenkalibrie-rungen unten ARGon3-Messplatz fuumlr Forschungsanwen-dungen

Bild 8 Visualisierung desSparkling-Effektesvon Xironareg-Volcanic-Sparks-Pigmenten als Falschfarben-darstellung der ortsaufgeloumlsten LeuchtdichteDie bdquoNadelnldquo zeigendie Position derPigmente an

Bild 9 Beispielgeometrien zur Messung der winkelabhaumlngigen Reflexionseigen-schaften Realisiert wurden 4 Einstrah-lungsrichtungen (rote Pfeile) mit jeweils 114 Reflexionswinkeln (schwarze Punkte) im Bereich der Viertel-kugel oberhalb der Probenoberflaumlche

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PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4Das Jahr des Lichtes

bereich 0deg bis 70deg gleichmaumlszligig verteilt uumlber den Viertelraum oberhalb der Probe dauert hierbei ca 4 Stunden [14] Die so erhaltenen Daten bilden die Basis fuumlr kuumlnftige Verbesserungen in der Mess-technik fuumlr Anwender und Hersteller

Im Rahmen des EMRP-Projektes Multidimen-sional Reflectometry for Industry [13] sind damit die winkelabhaumlngigen Reflexionsspektren von insgesamt 66 verschiedenen Effektpigmentproben gemessen worden [15 16] Bei den vier verschie-denen Einstrahlungsrichtungen verbunden mit jeweils 114 Reflexionswinkeln im Bereich der Vier-telkugel oberhalb der Probenoberflaumlche ergeben sich somit uumlber 30000 Reflexionsspektren

Zielsetzung der Untersuchungen ist die Ver-besserung der Metrologie zur Materialcharak-terisierung mit reduzierter Messunsicherheit Dazu werden neue Messvorschriften und neue Standardmessartefakte entwickelt mit denen die Industrie die visuelle Wahrnehmung der von ihr produzierten Oberflaumlchen gezielt charakterisie-ren und kontrollieren kann Solche Messungen sollten einfach auszufuumlhren sein und die Ergeb-nisse muumlssen soweit wie moumlglich mit der visuellen menschlichen Wahrnehmung korrelieren Im europaumlischen und internationalen Rahmen sollen die Ergebnisse in die Normung einflieszligen um die allgemeine Vergleichbarkeit solcher Messungen zu gewaumlhrleisten

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Die 50 Sitzung des Internationalen Komitees fuumlr das gesetzliche Messwesen (CIML) fand vom 20 bis 22 Oktober 2015 in Arcachon Frankreich statt Im Vorfeld der CIML-Sitzung fand ein ein-taumlgiges OIML-Seminar uumlber Countries and Econo-mies with Emerging Metrology Systems (CEEMS) statt uumlber das weiter unten berichtet wird

Das CIML ist der Lenkungsausschuss der OIML Es trifft sich jaumlhrlich und besteht aus je einem Repraumlsentanten der Mitgliedstaaten der korrespondierenden Mitglieder und den Vertre-tern internationaler und regionaler Organisa-tionen die als Beobachter teilnehmen koumlnnen Das CIML ist zustaumlndig fuumlr die Vorbereitung und Durchfuumlhrung der Entscheidungen der Konfe-renz die alle vier Jahre stattfindet Es uumlberwacht die Arbeiten der Technischen Komitees und Unterkomitees und des Internationalen Buumlros fuumlr das gesetzliche Messwesen (BIML) in Paris

An der 50 CIML-Sitzung nahmen 144 Teilneh-mer aus 43 Mitgliedstaaten und 13 korrespondie-renden Mitgliedstaaten teil Zur deutschen Dele-gation gehoumlrten neben den o g Autoren auch die Herren Johann Fischer Direktor des Landesamts fuumlr Mess- und Eichwesen Berlin-Brandenburg sowie Prof Olaf Kuumlhn Direktor des Thuumlringer Landesamts fuumlr Verbraucherschutz als Vertreter der Bundeslaumlnder Dr Peter Ulbig Leiter der Abteilung Wissenschaftlich-technische Quer-schnittsaufgaben der PTB und Prof Manfred Kochsiek Vizepraumlsident a D der PTB ehema-liger CIML-Praumlsident und Ehrenmitglied der OIML Frau Dr Anna Cypionka persoumlnliche Referentin des Praumlsidenten der PTB nahm am OIML-Seminar fuumlr CEEMS teil Vertreten waren auch wieder internationale und regionale Orga-nisationen zu denen die OIML Verbindungen unterhaumllt wie das Internationale Buumlro fuumlr Maszlig und Gewicht (BIPM) die GSO-GCC Standardiza-tion Organization (Saudi-Arabien) die Internatio-nal Laboratory Accreditation Cooperation (ILAC) und der Europaumlische Verband der Waagenherstel-ler (CECIP)

Alle Beschluumlsse der 50 CIML-Sitzung koumlnnen auf den Internetseiten der OIML aufgerufen werden [1 2]

Die wichtigsten Entscheidungen und Entwick-lungen werden nachfolgend vorgestellt

1 Personalangelegenheiten

Der Vertrag von Willem Kool als Assistant Director wurde um vier Jahre der Vertrag des BIML-Direk-tors Stephen Patoray um drei Jahre verlaumlngert

2 Einfuumlhrung des PG Workspace im Internet

In seinem Bericht im Zusammenhang mit der Etablierung des neuen Webauftritts der OIML hob der CIML-Praumlsident Peter Mason (UK) die erfolgreiche Einfuumlhrung des Workspace fuumlr Pro-jektgruppen hervor Durch die Online-Arbeit wird erwartet dass die technische Arbeit an neuen bzw zu revidierenden OIML-Dokumenten vereinfacht und insgesamt effizienter wird

3 Revision der technische Richtlinien fuumlr die OIML (B 6 Directives for OIML tech-nical work)

In einem neuen Projekt sollen die in den vergan-genen Jahren revidierten OIML-Richtlinien fuumlr die technische Arbeit erneut uumlberarbeitet werden um u a den Prozess der Entwicklung und Uumlber-arbeitung von OIML-Publikationen noch weiter zu beschleunigen und den neuen internetbasierten Technologien und Arbeitsweisen Rechnung zu tragen

4 Umfassende strukturelle Uumlberarbeitung des OIML Certificate System

Das CIML verabschiedete die Gruumlndung einer Projektgruppe mit der Aufgabe einer substan-ziellen Uumlberarbeitung des OIML-Zertifizierungs-systems das z Zt aus dem Basiszertifizierungs-system und dem MAA3 besteht Urspruumlnglich ausgehend von der Annahme die Akzeptanz des MAA-Zertifizierungssystem muumlsse verstaumlrkt werden eine groumlszligere Verbreitung finden und mehr Messgeraumltearten abdecken erscheint es

Aktuelles aus der OIML (Internationale Organisation fuumlr das Gesetzliche Messwesen)Bericht uumlber die 50 Sitzung des CIML in Arcachon FrankreichSusanne Ludwig Roman Schwartz

INTERNATIONALE ZUSAMMENARBEIT

Susanne Ludwig OIMLshyGeschaumlftsstelle der PTB EshyMail susanneludwigptbde

Dir u Prof Dr Roman Schwartz Vizepraumlsident der PTB deutsches Mitglied im Internashytionalen Komitee fuumlr das Gesetzliche Messwesen (CIML) und CIMLshyVizepraumlsishydent EshyMail romanschwartzptbde

3 Mutual Acceptance Arrangement (Abshykommen zur gegenshyseitigen Anerkennung von Bauartpruumlfungen)

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PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4Internationale Zusammenarbeit

inzwischen sinnvoller und wurde so auch vom CIML beschlossen zum 112017 ein einziges OIML-Zertifizierungssystem einzufuumlhren Eine Projektgruppe (Certification System Project Group = CSPG) unter dem Vorsitz des CIML-Vizepraumlsi-denten Dr Roman Schwartz wurde damit beauf-tragt die notwendigen Dokumente und Prozedu-ren auszuarbeiten

5 OIML-Seminar fuumlr Countries and Economies with Emerging Metrology Systems (CEEMS)

Im Vorfeld der CIML-Sitzung wurde ein eintaumlgiges Seminar zum Thema Developing an OIML Package for Assistance to Countries with Emerging Metro-logy Systems (CEEMS) abgehalten In vier Sitzun-gen diskutierten 125 Teilnehmer aus 49 Laumlndern uumlber Moumlglichkeiten Laumlnder beim Aufbau von nationalen Metrologiesystemen zu unterstuumltzen In der ersten von Frau Dr Cypionka geleiteten Sitzung Capacity Building ging es um die allge-meinen Herausforderungen bei der Gestaltung von Programmen zur Foumlrderung von Handlungs-kompetenzen und Vermittlung von Wissen fuumlr die Metrologie In zwei weiteren Sitzungen wurden unter den Themen Helping CEEMS Improve Regulation in their Markets (Leitung Prof Dr Manfred Kochsiek) und New Ideas ndash Doing Legal Metrology Differently (Leitung Stuart Carstens

Suumldafrika) konkrete inhaltliche Loumlsungsvorschlaumlge vorgestellt und diskutiert Die Ergebnisse wurden in der 50 CIML-Sitzung vorgestellt und fanden ihren Niederschlag in der Resolution Nr 201510 [2] sie sollen auch noch auf den OIML-Webseiten veroumlffentlicht werden [1]

6 OIML-Publikationen

Folgende OIML-Publikationen wurden verabschiedet

R 139-3 Compressed gaseous fuels measuring systems for vehicles Part 3 Test report format

New Recommendation (R 145) Ophthalmic instru-ments mdash Impression and applanation tonometers

Alle OIML-Publikationen stehen im Internet frei zur Verfuumlgung [3]

Gleichzeitig wurde die Revision der folgenden OIML-Publikation beschlossen

Revision of R 79 Labeling requirements for prepackages

Folgende neue Projekte wurden verabschiedet

Revision des OIML-Dokuments B 6-1 Directives for OIML technical work

Bild 1 Teilnehmer der 50 Sitzung des Internationalen Komitees fuumlr Gesetz-liches Messwesen (CIML) in Arcachon Frankreich

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PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4 Aktuelles aus der OIML

TC 8SC 1 Revision R 71 Fixed storage tanks mdash General requirements

TC 8SC 1 Revision R 85 Automatic level gauges for measuring the level of liquid in stationary storage tanks

7 Personalien und Ehrungen

Die von Dr Seiler dem ehemaligen Leiter des Fachbereichs bdquoTechnische Zusammenarbeitldquo der PTB initiierte OIML-Auszeichnung fuumlr bdquoexzel-lente Beitraumlge von Entwicklungslaumlndern zum gesetzlichen Messwesenldquo ging in diesem Jahr an

bull Nam Hyuk Lim Director of Korea Testing Certi-fication und

bull The Metrology Department Saint Lucia Bureau of Standards

Die OIML-Medaille fuumlr besondere Verdienste um die OIML-Arbeit ging an Ngo Quy Viet Vietnam und Cartaxo Reis aus Portugal

8 Termine

Ein Gastgeberland fuumlr die 51 CIML-Sitzung und 15 OIML-Konferenz im Jahr 2016 konnte noch nicht bekannt gegeben werden es wird aber wahr-scheinlich wieder Frankreich sein Weitere OIML-Veranstaltungen und -Termine finden sich auf der OIML-Webseite unter [4]

9 Literatur

[1] httpswwwoimlorgen (letzter Aufruf 19112015)

[2] httpswwwoimlorgenstructurecimlpdf50-ciml-resolutions-englishpdf (letzter Aufruf 19112015)

[3] httpswwwoimlorgenpublicationsrecommen-dationspublication_viewp_type=1ampp_status=1

[4] (letzter Aufruf 19112015)[5] httpswwwoimlorgeneventscalendar

(letzter Aufruf 19112015)

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TECHNOLOGIETRANSFER

E27-Scanner fuumlr UlbrichtkugelnMit dem besonders einfach ohne Umbau einsetzbaren E27-Scanner koumlnnen Anwender und Hersteller die Homogenitaumlt ihrer Ulbricht-kugeln bestimmen und die Ergebnisse zur Berechnung genauerer Lichtstroumlme und zur Dokumentation der Qualitaumlt ihrer Messungen nutzen

Hintergrund

Wie viel Licht eine Lampe insgesamt in alle Richtungen abstrahlt wird durch ihren Lichtstrom ausgedruumlckt Um den fuumlr die Bestimmung der Energieeffizienz von Lampen notwendigen Lichtstrom schnell zu er mitteln setzt die Lampenindustrie Ulbrichtkugeln ein An einer Stange in der Mitte der Ulbrichtkugel befindet sich eine E27-Lampen-fassung in die nacheinander die Lichtstrom-Normallampe und die zu kalibrierende Lampe eingeschraubt werden Das indirekt auf den Mess-kopf fallende Licht erzeugt einen Photostrom der im Idealfall propor-tional zu dem von der Lampe abgestrahlten Lichtstrom ist unabhaumlngig von der Richtung in die das Licht abgestrahlt wird

Dies ist jedoch bei einer ungleichmaumlszligigen Beschichtung der Kugel sowie bei einer im Laufe der Zeit nicht zu verhindernden Verstaubung nicht der Fall Deshalb wird mit einem Kugelscanner die Homogenitaumlt der Kugel regelmaumlszligig vermessen und ein Korrekturfaktor bestimmt der von der jeweiligen Abstrahlcharakteristik der zu untersuchenden Lampe abhaumlngt

Technische Beschreibung

Der Kugelscanner wird einfach in eine E27-Fassung geschraubt und das sonst fuumlr die Lampenversorgung eingesetzte Netzgeraumlt wird durch die Steuereinheit ersetzt Diese uumlbernimmt sowohl die elektrische Versor-gung als auch die Befehlsuumlbermittlung zum Kugelscanner Die Steuer-einheit wird via USB oder RS232 an einen Computer angeschlossen Das mitgelieferte Messprogramm stellt automatisiert alle gewuumlnschten Richtungen ein und speichert die zugehoumlrigen von der Steuereinheit gemessenen Photostroumlme des Photometers

Wirtschaftliche Bedeutungw

Fuumlr Lampenindustrie und Hersteller von Ulbrichtkugeln

bull Genauere Messung des Lichtstroms

bull Bestimmung des Zeitpunkts einer Neubeschichtung

bull Uumlberwachung beim Beschichten

bull Dokumentation des Zustands der Ulbrichtkugel

EntwicklungsstandDer E27-Kugelscanner wurde in der PTB entwickelt Er wird laufend fuumlr Kalibrierungen eingesetzt Die Technologie wurde an die Firma Czibula amp Grundmann transferiert und wird dort mit einer PTB-Lizenz gebaut und vertrieben wwwphoto-metercom

Ansprechpartner

Dr Bernhard SmandekBeauftragter fuumlr TechnologietransferTelefon +49 531 592shy8303Telefax +49 531 592shy69shy8303EshyMail technologietransferptbde

Dr Stefan WinterFachbereich Photometrie und Radiometrie

Abbildung des E27shyKugelscanners Eine stark fokussierende Lampe die computergesteuert in alle Richtungen leuchten kann

Vorteile

bull Schneller Einbau in E27shyFassung

bull Computergesteuertes Abscannen der gesamten Ulbrichtkugel

bull Flexible Messmoumlglichkeiten

bull Fuumlr genauere Lichtstromshymessungen

bull Wichtig fuumlr die Qualitaumltsshysicherung

PTBshyNummer 0172

wwwtechnologietransferptbde

49

PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4 Technologieangebote

Ansprechpartner

Dr Bernhard SmandekBeauftragter fuumlr TechnologietransferTelefon +49 531 592shy8303Telefax +49 531 592shy69shy8303EshyMail technologietransferptbde

Dr Stefan WinterArbeitsgruppe Solarzellen

PulsshyzushyCWshyKonverter

Umwandlung gepulster Laser-Strahlung in konstante StrahlungIn weiten Bereichen der optischen Metrologie ist eine Strahlungs-quelle von groszligem Nutzen die sich spektral vom UV-C bis ins mitt-lere IR durchstimmen laumlsst Lediglich Laser mit gepulster Strahlung erfuumlllen diese Anforderung bei ausreichend groszligem Ausgangssignal bisher luumlckenlos Femtosekunden-Lasersysteme waumlren aufgrund ihrer gut automatisierbaren und spektral weiten Durchstimmbarkeit die ideale Strahlungsquelle fuumlr z B radiometrische Anwendungen ndash wenn ihre Strahlung nicht gepulst waumlre

Durch das extreme Puls-Pausen-Verhaumlltnis von 10ndash5 entstehen hohe Spitzenleistungen die wiederum zu Saumlttigungseffekten bei Detek-toren und in der Folge zu nichtlinearem Verhalten fuumlhren koumlnnen Mit dem in der PTB entwickelten Puls-zu-CW-Konverter wird dieses Problem geloumlst

Technische Beschreibung

Bei dieser Methode werden Pulse gepulster Strahlungsquellen ausrei-chend hoher Repetitionsrate in CW-Strahlung umgewandelt Dabei wird jeder Puls in viele kleine Teilpulse aufgeteilt die auf unterschiedlich langen Wegstrecken unterschiedliche Laufzeiten erfahren Am Ausgang des Systems erscheinen sie dann zeitlich gleichmaumlszligig verteilt Realisiert wird dieser Puls-zu-CW-Konverter uumlber ein Glasfaserbuumlndel bei dem jede Einzelglasfaser eine individuell festgelegte Laumlnge besitzt

Mit der Entwicklung des Puls-zu-CW-Konverters wurde das ent-scheidende Manko beim Einsatz leistungsstarker Femtosekunden(fs)-Lasersysteme im Bereich der Metrologie beseitigt und erstmalig gepulste Laserstrahlung in CW-Strahlung umgewandelt Diese Neuentwicklung ermoumlglicht es nun herkoumlmmliche Monochromatorsysteme durch fs-Lasersysteme zu ersetzen die eine bis zu 1000-mal houmlhere spektrale Ausgangsleistung besitzen

Wirtschaftliche Bedeutung

Durch den neuen Puls-zu-CW-Converter koumlnnen in wirtschaftlich bedeutenden Bereichen wie z B der Photovoltaik der Photometrie der UV-Strahlungsmesstechnik und der Reflektometrie die Referenz- und Transfernormale mit einer deutlich reduzierten Messunsicherheit kali-briert werden Hier werden bislang wesentliche Messunsicherheitsan-teile durch zu geringe Strahlungsleistungen aus herkoumlmmlichen Mono-chromatorsystemen verursacht

Entwicklungsstand

Unter DE 10 2010 011 615 B4 wurde fuumlr den CW-Konverter ein Patent erteilt

Vorteile

bull Zeitliche Glaumlttung gepulster Laserstrahlung

bull Keine stoumlrenden Interferenzen

bull Nur minimale Absorption des Messsignals

bull Auch bei kuumlrzeren Wellenshylaumlngen ohne Ulbrichtkugel verwendbar

bull Kontinuierliche Verteilung des Ausgangspulses

bull Pulsvervielfachung

bull Houmlhere Strahlungsleistung

PTBshyNummer 0254

wwwtechnologietransferptbde

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PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4Technologieangebote

50

Homogenisierung von Strahlungsquellen und Focal Plane Arrays (FPA)Ein neuartiges Verfahren ermoumlglicht softwaregestuumltzt eine deutlich verbesserte Kalibrierung von Mehrelement-Sensoren (FPA) und bildgebenden Systemen (Kameras) Bei flaumlchigen Strahlungsquellen kann zusaumltzlich eine gezielte Ansteuerung von Flaumlchenelementen zu einer bisher im Allgemeinen nicht erreichbaren Flaumlchenhomogenitaumlt fuumlhren

Technische Beschreibung

Flaumlchenstrahler dienen der Kalibrierung von ortsaufloumlsenden Strah-lungssensoren wobei davon ausgegangen wird dass die Emissionsflaumlche des Strahlers im Wesentlichen homogen bezuumlglich ihrer Strahldichte bzw Strahlungstemperatur ist Um kleine Inhomogenitaumlten eines Flaumlchenstrahlers zu charakterisieren ist es ein gaumlngiges Verfahren die Emissionsflaumlche punktweise mit einem Einzeldetektor abzutasten

Das neue PTB-Verfahren ist wesentlich schneller da es den Mehr-element-Sensor (FPA) das device-under-test selbst nutzt und damit immer ein Gesamtbild der Quelle aufnimmt Werden jetzt weitere Bilder zeilen- oder spaltenversetzt aufgenommen so erlaubt ein mathema-tischer Algorithmus bei nur drei Bildern eine komplette Charakterisie-rung des Sensors aber auch der Quelle

Sind Flaumlchenelemente der Strahlungsquelle einzeln ansteuerbar so ist es sogar moumlglich mittels der ermittelten Korrekturwerte zu Strahlquellen extrem hoher Homogenitaumlt im on-line-Betrieb zu gelangen

Wirtschaftliche Bedeutung

Bildgebende Strahlungssensoren und homogene Strahlungsquellen sind relevant fuumlr die Forschung und Entwicklung fuumlr die Prozesstechnik fuumlr die Charakterisierung der Energieeffizienz von Bauten bei der Ent-wicklung neuer Bauteile mit hoher thermischer Belastung und in vielen weiteren Bereichen Der mathematische Algorithmus ist aber auf unter-schiedliche Arten von Kamerasystemen anwendbar und damit auch fuumlr die Qualitaumltssicherung von CCD-Kameras bis hin zum Konsumguuml-termarkt anwendbar EntwicklungsstandEine deutsche Patenterteilung erfolgte im September 2015 Eine PCT-Anmeldung ist anhaumlngig Kooperations- und Lizenzpartner aus den Bereichen Thermografie Radiometrie und Photometrie zur Umsetzung des Konzeptes werden gesucht

Ansprechpartner

Dr Bernhard SmandekBeauftragter fuumlr TechnologietransferTelefon +49 531 592shy8303Telefax +49 531 592shy69shy8303EshyMail technologietransferptbde

DiplshyIng Berndt GutschwagerArbeitsgruppeInfrarotshyStrahlungsthermometrie

Stahlungsmessplatz der PTB zur Kalibrierung von Temperaturstrahlern und Waumlrmebildkashymeras

Vorteile

bull Schnelle Kalibrierung von Flaumlchensensoren (FPA)

bull Schnelle Kalibrierung von Flaumlchenstrahlern

bull Strahlquellen houmlchster Hoshymogenitaumlt

bull Fuumlr Thermografie und Phoshytometrie

PTBshyNummer 00374

wwwtechnologietransferptbde

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Printed in Germany ISSN 0030-834X

Die fachlichen Aufsaumltze aus dieser Ausgabe der PTB-Mitteilungen sind auch online verfuumlgbar unterdoi 10779531020150499

Die Physikalisch-Technische Bundesanstalt das nationale Metrologieinstitut ist eine wissenschaftlich-technische Bundesoberbehoumlrde im Geschaumlftsbereich des Bundesministeriums fuumlr Wirtschaft und Energie

mitteilungen

Impressum

Die PTB-Mitteilungen sind metrologisches Fachjournal der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt Braunschweig und Berlin Als Fachjournal veroumlffentlichen die PTB- Mitteilungen wissenschaftliche Fachaufsaumltze zu metrologischen Themen aus den Arbeitsgebieten der PTB Die PTB-Mitteilungen stehen in einer langen Tradition die bis zu den Anfaumlngen der Physikalisch-Technischen Reichsanstalt (gegruumlndet 1887) zuruumlckreicht

Bundesallee 100 38116 Braunschweig

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Telefon 0531 592-3006 Fax 0531 592-3008 E-Mail presseptbde wwwptbde

Physikalisch-Technische BundesanstaltBraunschweig und BerlinNationales Metrologieinstitut

Die Physikalisch-Technische Bundesanstalt das nationale Metrologieinstitut ist eine wissenschaftlich-technische Bundesoberbehoumlrde im Geschaumlftsbereich des Bundesministeriums fuumlr Wirtschaft und Energie

Phy

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PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4 Kurze Geschichte der Goniophotometrie in der PTB

Photometer befindlichen Streulichtreduzierungs-tubus ab Daher muss fuumlr jeden eingesetzten Tubus mit seinem individuellen Gesichtsfeld der wirksame spezifische Streulichtkorrekturfaktor cstr bestimmt werden Diese koumlnnen ermittelt werden indem Blenden mit unterschiedlichen Durchmes-sern zwischen der zu untersuchenden Lampe und dem Photometer waumlhrend normalen Lichtstrom-messungen positioniert werden Eine detaillierte Beschreibung kann [5] entnommen werden

Die technische Realisierung eines Photometers ist immer nur eine Naumlherung fuumlr V(λ) Dies bedeu-tet dass im Prinzip in allen Faumlllen diese spektrale Fehlanpassung korrigiert werden muss Allgemein kann der spektrale Korrekturfaktor cstr fuumlr alle Lampen mit beliebiger Strahlungsfunktion S(λ) nach Gleichung (12) bestimmt werden

cV S

s S

V P T

s Pspek

rel

A

rel

d

d

d=

( )sdot ( )( ) sdot ( )

( ) sdot ( )( ) sdot

intint

intint

λ λ λ

λ λ λ

λ λ λ

λ

λλ λTA d( )

(12)

Hierzu ist jedoch die Kenntnis der relativen spektralen Empfindlichkeit srel(λ) des Photome-ters notwendig P(λ TA) bezeichnet dabei einen Planckstrahler mit einer Verteilungstemperatur von TA = 2856 K

Im Fall von Gluumlhlampen ist ein etwas einfache-rer Weg fuumlr diese Korrektur ohne die Kenntnis von srel(λ) moumlglich Gleichung (13) beschreibt die Abhaumlngigkeit der Beleuchtungsstaumlrke E(T) von der Verteilungstemperatur T

E Ty T

sTT

m

( ) = ( )

A

y

(13)

eines gemessenen Photostroms y(T) und der pho-tometrischen Empfindlichkeit s des Photometers fuumlr Lichtart A Eine charakteristische Eigenschaft des Photometers ist der Exponent my bdquoyldquo indiziert den Exponent fuumlr ein V(λ)- angepasstes Photome-ter oder den y-Kanal eines Dreibereichsfarbmess-kopfes wobei die anderen Kanaumlle unterschiedliche Werte fuumlr diese Exponenten haben Ein ideales Photometer wuumlrde einen Wert von 0 fuumlr diese Exponenten aufweisen Beispielsweise beschreibt my = 0018 ein qualitativ durchaus gutes Photo-meter Der Exponent my (und auch mx und mz) koumlnnen aus einem Fit bekannter Paare (E(T) T) einer Lichtstaumlrke-Normallampe bei verschiedenen Arbeitspunkten wie in [6 7] beschrieben gefun-den werden Damit kann der Korrekturfaktor cspec fuumlr Gluumlhlampen wie folgt geschrieben werden

c TT

my

specA

=

(14)

Werden Gluumlhlampen in der Naumlhe von CIE-Licht-art A betrieben ist die Korrektur auf elektrische Nominalbedingungen celec ebenfalls nach Glei-chung (15) sehr einfach da der Lichtstrom eine Funktion des Betriebsstroms J ist

c JJ

m

elec

J

=

minus

0 (15)

Hier ist J0 der Nominalstrom und mJ cong 684 Mehr Information kann in [7] gefunden werden

Die Datenanalyse fuumlr einen Dreibereichsfarb-messkopf erfolgt in gleicher Weise und man erhaumllt die Normfarbwertanteile (x y) aus den Gleichun-gen (16 17)

x =+ +Φ

Φ Φ ΦX

X Y Z (16)

y =+ +Φ

Φ Φ ΦY

X Y Z (17)

Leider konnten nur der Lichtstrom und die zuge-houmlrigen Normfarbwertanteile bestimmt werden da aufgrund der geringen Speichermoumlglichkeit der verwendeten Computertechnik die raumlumliche Information verlorenging

Daher wurden im Jahre 1991 alle Computer Analogsysteme die Verdrahtung und viele weitere Elemente durch moderne Ausruumlstung ersetzt Von nun an konnten alle Rohdaten mittels geeigneter Speichermedien dauerhaft bewahrt werden Das galt auch fuumlr groszlige Datenmengen des ab 1997 eingesetzten Array-Spektrometers zur Messung der relativen spektralen Leistungsverteilung der Strahlung synchron zur Lichtstrombestimmung Leider wiesen Photometer und Einkoppeloptik des Array-Spektrometers unterschiedliche Gesichtsfel-der auf und hatten etwas unterschiedliche Positi-onen auf dem Goniophotometer was die Daten-analyse komplizierte Dennoch konnten erstmalig raumlumliche spektrale Informationen uumlber zu untersuchende Lampen ermittelt werden Damit erfuumlllte das groszlige Kardan-Goniophotometer in seiner Ausbaustufe von 1997 die Anforderungen 1ndash14 aus Abschnitt 2 Die relative erweiterte Mes-sunsicherheit fuumlr den Lichtstrom fuumlr k = 2 betrug jetzt 060

222 Kleines Kardan-Goniophotometer

Fuumlr die Messung kleiner Lampen und LEDs wurde in den fruumlhen 1980er-Jahren ein dem groszligen Kardan-Goniophotometer sehr aumlhnliches kleines Kardan-Goniophotometer mit einem Messra-dius von nur 300 mm entwickelt hergestellt und

24

PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4Das Jahr des Lichtes

betrieben Das Foto in Bild 6 zeigt dieses seinerzeit sogenannte bdquoMini-Goniophotometerldquo

Die Messtechnik entsprach nahezu vollstaumln-dig dem groszligen Kardan-Goniophotometer bis hin zum Signalfluss einschlieszliglich Spannungs-Frequenzwandler und nachgeschalteten Zaumlhlern Damit sind alle Aspekte dieser Apparatur bereits in Abschnitt 221 diskutiertIm Jahre 2007 wurde dieses Instrument durch ein spezielles Goniophotometer fuumlr die Messung von LEDs ersetzt siehe auch Kapitel Metrologie fuumlr moderne Lichtquellen LEDs und OLEDs [10]

23 Roboter-Goniophotometer (2006 bis heute)

Am Ende der 1990er-Jahre wurde die Planung eines neuen Goniophotometertyps mehr und mehr konkret Nahezu gleichzeitig entschied sich die PTB fuumlr den Neubau eines modernen Gebaumludes fuumlr die Abteilung Optik dem heutigen Albert-Einstein-Bau Infolge dieses Zusammentreffens

beider Ereignisse konnte bei der Planung das neue Gebaumlude quasi um das neue Roboter-Goniopho-tometer herum geplant und spaumlter auch so gebaut werden

In 19951996 zeigte G Sauter dass Gonio-photometrie mittels Robotern moumlglich ist und erhebliche Vorteile gegenuumlber den bisher verwendeten Kardan-Goniophotometern auf-weist [8] Wie weiterhin in [8] beschrieben sind sogenannte Service-Roboter gut geeignet um ein Roboter-Goniophotometer zu realisieren Diese zeichnen sich durch eine schlanke Konstruktion mit langen Armen bei gleichzeitig relativ gerin-gem Gewicht aus Sie verfuumlgen uumlber eine hohe Flexibilitaumlt um beispielsweise ein Photometer auf gewuumlnschten Bahnen mit unterschiedlichen Radien (1000 mm lt r lt 3000 mm) auf der fiktiven Kugeloberflaumlche um die Lampe herumzufuumlhren Jeder Roboter verfuumlgt uumlber 7 Freiheitsgrade (engl seven degrees of freedom 7 DOF) Dies garantiert die notwendige Flexibilitaumlt und das erforderli-che Arbeitsvolumen Zur Abdeckung des vollen Raumwinkels 4π sr sind daher 2 der beschriebenen Roboter notwendig Ein dritter aumlhnlicher Roboter positioniert dabei die zu untersuchende Lampe in der gewuumlnschten Brennstellung im Raum Alle Roboter-Basen sind direkt mit dem Stahlbeton des Gebaumludes verbunden um eine langzeitstabile raumlumliche Positionierung der Roboter zu gewaumlhr-leisten Bild 8 zeigt das Roboter-Goniophotometer waumlhrend der Messung einer LED-Signalleuchte

Im Gegensatz zu Kardan-Goniophotometern ist der Messradius variabel in dem alle 7 Achsen in entsprechende Positionen gebracht werden Wegen der groszligen Redundanz eines 7-DOF-Roboters kann die Zielposition einschlieszliglich Orientierung durch eine sehr groszlige Anzahl unter-schiedlicher Einstellungen der 7 Achsen erreicht werden Daher wird eine Strategie benoumltigt um die jeweilige Achs einstellung zu finden Diese

Bild 6 Kleines Kardan-Goniophotometer 1982ndash2007

Bild 7 Arm des Roboter-Goniophotometers

Bild 8 Roboter-Goniophotometer 2006 bis heute

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PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4 Kurze Geschichte der Goniophotometrie in der PTB

Strategie ist relativ simpel Sie besagt dass alle Achseinstellungen derart gefunden werden dass saumlmtliche Bestandteile des Roboters einen maxi-malen Abstand zum Zentrum des Roboters haben sollen um das von der Roboterstruktur reflektierte Streulicht moumlglichst gering zu halten Eine beson-dere Software ist notwendig um alle Achswinkel ausgedruumlckt in counts jedes Winkelencoders fuumlr jede Achse zu bestimmen um die gewuumlnschten Kugelkoordinaten (r ϑ φ) anzufahren Waumlhrend der Messung der zu untersuchenden Lampe liest das Roboter-Kontrollsystem alle 10 ms diese counts jeder Achse und versucht jede Achse entsprechend diese Vorgabe einzustel-len Nach dieser Einstellung welche fuumlr alle 7 Achsen gleichzeitig erfolgt werden die Ist-Winkel jeder Achse wiederum in counts synchron gelesen und mit den zugehoumlrigen photo-metrischen Daten und elek trischen Daten des Lampenbetriebs in eine Datenbank gespeichert Prinzipiell ist der Signal-fluss dem des in Abschnitt 221 beschriebenen groszligen Kardan-Goniophotometers sehr aumlhnlich Aber es gibt ein zusaumltzliches wichtiges Element den sogenannten Zeitstempel Da ein weit verteiltes Datenerfassungssystem vorliegt wird ein Mecha-nismus zur Datensynchronisierung in Form eines 1-Mhz-Taktes verwendet Dieser ist im gesamten System verfuumlgbar Beim Messungsstart synchron gestartete Zaumlhler erlauben daher die spaumltere Synchronisierung aller angefallenen Daten Wie beschrieben ist die Position jeder Achse und damit die Position und Orientierung des Photometers das Ergebnis eines Regelprozesses Somit ist es not-wendig die tatsaumlchliche Position und Orientierung des Photometers aus den gespeicherten Daten der Winkelencoder zu berechnen

In der Robotik ist es uumlblich einen Roboter des

verwendeten Typs wie eine biegesteife mechani-sche Kette mit sogenannten Denavit-Hartenberg-Parametern (DH-Parameter) zu beschreiben [9] Die Tabelle 1 zeigt diese DH-Parameter am Beispiel des Roboters 1

Mit diesen Parametern und den aktuellen Winkeln θi fuumlr jede Achse ist die Berechnung der Position bzw Orientierung der siebten Achse in Basis-Koordinatensystem des Roboters moumlglich Hierzu werden 7 Matrizen nach Gleichung (18) ver-wendet Jede Matrize beschreibt die Position (blau) und Orientierung (gruumln) jeder einzelnen Achse

Die PositionierungOrientierung der Achse 7 ergibt sich aus dem Vektorprodukt T1 T2 T3 T4 T5 T6 T7

Um jedoch die Koordinaten in Bezug auf das Koordinatensystem der fiktiven Kugel zu erhalten muumlssen 2 weitere aumlhnliche Matrizen verwendet werden Die sogenannte Base Frame Matrix F beschreibt die Positionierung und Orientierung des Roboter-Koordinatensystems zum Koor-dinatensystem der fiktiven Kugel waumlhrend die Matrix W die Positionierung und Orientierung des Photometers zur Achse 7 beschreibt Nun laumlsst sich die Position und Orientierung des Photome-ters P im Koordinatensystem der fiktiven Kugel mit Gleichung (19) beschreiben

P = F T1 T2 T3 T4 T5 T6 T7 W (19)

axisi Δθi offset to rotation around Z-axis

αi rotation around X-axis

di

translation in Z-axis

αi

translation in X-axis

1 ndash1438deg 45024deg 0000 mm ndash0400 mm

2 191088deg ndash90026deg 2686322 mm 0696 mm

3 178585deg 89996deg 274088 mm 0781 mm

4 6229deg ndash90022deg 1410499 mm 0474 mm

5 ndash0141deg ndash89955deg 173036 mm ndash0779 mm

6 ndash0924deg 90032deg 1191007 mm 0223 mm

7 180443deg 90007deg 91130 mm 0000 mm

Tabelle 1 DH-Parameter von Roboter 1

T

a

i

i i i i i i i i i i i

=

+( ) minus +( ) +( ) +cos sin cos sin sin cos∆ ∆ ∆ ∆θ θ θ θ α θ θ α θ θ(( )+( ) +( ) minus +( ) +sin cos cos cos sin sin∆ ∆ ∆ ∆θ θ θ θ α θ θ α θ θi i i i i i i i i i ia (( )

00 0 0 1

sin cosα αi i id

(18)

26

PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4Das Jahr des Lichtes

Bild 9 zeigt die Achsenkoordinatensysteme (17) das Base-Frame-Koordinatensystem und das Koordinatensystem des Photometers zur Achse 7 in schematischer Weise Das Koordinatensys-tem der fiktiven Kugel faumlllt mit dem Zentrum des Goniophotometers zusammen und wird mit Center bezeichnet P ist jetzt auf dieses Center-Koordinatensystem bezogen Zusaumltzlich ist eine typische Bahn eingezeichnet Wegen des aller-dings nicht dargestellten Lampenhalters ist diese Bahn im oberen Bereich verdichtet um eine Kollision mit dem Lampenhalter zu vermeiden Wie bereits erwaumlhnt setzt die Verwendung von Gleichung (19) einen biegesteifen Roboter voraus der in der Praxis nicht existiert P ist also von statischen Gewichtskraumlften des Roboters dyna-mischen Kraumlften infolge der Bewegung als auch von thermischen Laumlngenaumlnderungen uumlberlagert Daher muss Gleichung (19) um eine entspre-chende Korrektur C erweitert werden Glei-chung (20) zeigt nun das endguumlltige Modell zur Bestimmung von P

wobei C

t tT Rθ θ

θ θ1 7

1 7 dd

dd amb

diese finale Korrektur basierend auf den Winkeln θ1θ7 aller Achsen ihren zeitlichen Ableitungen

dd

dd

θ θ1 7

t t

und der Umgebungstemperatur Tamb beschreibt

Der letzte Parameter R steht fuumlr einen groszligen Datensatz und beschreibt Eigenschaften des Roboters wie Abmessungen Teilmassen usw Die Berechnung von C() ist aufwendig und wurde vom Hersteller des Roboters ausgefuumlhrt Aus Gruumlnden des Wettbewerbs muss diese Berechnung vertrau-lich behandelt werden und kann daher hier nicht veroumlffentlicht werden Jedoch kann die Wirkung von C() beispielhaft auf den Messradius mitgeteilt werden (siehe Bild 10)

Die noumltige Radiuskorrektur rcorr bewegt sich im Bereich ndash2 mm lt rcorr lt 3 mm je nach Position (θ φ) des Photometers Der Aumlquatorbereich benouml-tigt eine groumlszligere Korrektur infolge hier wirksamer groumlszligerer Zentrifugalkraumlfte als die Polregion Der Radius selbst laumlsst sich dann aus der Positionssub-matrix von P bestimmen

Der Signalfluss stimmt im Wesentlichen mit dem wie in Bild 5 gezeigt uumlberein Prinzipiell kann der Lichtstrom mit den Gleichungen (11) und (10) berechnet werden da aber nun 2 Photometer benutzt werden muss dies fuumlr jede Hemisphaumlre also fuumlr jeden Roboter separat geschehen Die Gleichungen (21) und (22) demonstrieren das

Bild 9 Koordinatensystem des Roboter-Gonio-photometers und Beispielbahn

P Ct t

T R F T T T T T T=

sdot sdot sdot sdot sdot sdot sdot sdotθ θ

θ θ1 7

1 71 2 3 4 5 6

dd

dd amb TT W7 sdot

(20)

27

PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4 Kurze Geschichte der Goniophotometrie in der PTB

fuumlr Roboter 1 Der Radius r1i befindet sich dabei innerhalb der Summation von Gleichung (22) Das Roboter-Goniophotometer ist zusaumltzlich mit einem Monitorphotometer ausgeruumlstet Dieses Photometer wird waumlhrend der Messung nicht bewegt ist aber staumlndig von einem fixen Punkt aus auf die zu untersuchende Lampe gerichtet und erlaubt somit die Korrektur einer moumlglichen Alterung der Lampe waumlhrend des Messprozesses als Funktion der Zeit (cmon(t1i))

Es w R

fyt

fi jj

ni j

i j1

1 1 11

1

1

11 0

12

1

=

( )sdot minus

=sumπ

ϕf g

q∆∆

∆

(21)

Φ1 1 1 12

1 1 1 12= sdot sdot sdot sdot ( ) sdot minus( )+c c r c ti i i ii

str spec mon cos cosπ ϑ ϑ==

minus

sum sdot0

1

1

1m

iE

(22)

Roboter 2 wird in gleicher Weise behandelt und der Lichtstrom ergibt sich somit aus der Summe von Φ1 und Φ2 korrigiert mit dem elektrischen Korrekturfaktor celec aus Gleichung (15)

Φ Φ Φ= sdot +( )celec 1 2 (23)

Die Bestimmung der Streulichtkorrektur cstr unter-scheidet sich methodisch von jener des Kardan-Goniophotometers Es ist schwierig Blenden zwischen Photometer und Lampe zu positionieren wie in [5] beschrieben Hier wird die Streulicht-korrektur cstr direkt aus der Leuchtdichteverteilung auf den Waumlnden des Messraums bestimmt Mit der Kenntnis der geometrischen und photometrischen Eigenschaften des Raumes der raumlumlichen Licht-staumlrkeverteilung der Lampe und dem verwendeten Streulichttubus vor dem Photometer lieszlige sich die Streulichtkorrektur cstr berechnen Hier jedoch wird diese Korrektur mit sogenannten Back-Loo-king-Photometern bestimmt [11]

Bild 11 zeigt ein Foto der bdquoRoboterhandldquo mit mon-tiertem Photometer und Back-Looking-Photometer Letzteres ist ein wenig schraumlg ausgerichtet um nicht im Bereich des Schattenwurfs des Photome-ters auf den Waumlnden zu messen

Bild 12 zeigt beispielhaft eine typische in finite Flaumlchenelemente gerasterte Streulichtsituation im Goniophotometermessraum wie sie durch die zu untersuchende Lichtquelle generiert wird Dieses Beispiel arbeitet mit finiten Flaumlchen der Groumlszlige 05 m middot 05 m um die Flaumlchen sichtbar zu machen Zur realen Berechnung werden Flaumlchen der Groumlszlige 01 m middot 01 m verwendet Natuumlrlich ist der Streulichtanteil auf der aktiven Flaumlche des

Bild 10Wirkung der Radiuskorrektur

Bild 11 Photometer (links) und Back-Looking-Photometer (rechts)

Bild 12 Wirkung des Streulichts und seine Bestimmung

28

PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4Das Jahr des Lichtes

Photometers eine Funktion des Gesichtsfeldes des jeweils verwendeten Streulichttubus vor dem Photometer Derzeit werden 2 Tuben je nach Groumlszlige der Lichtquelle mit Oumlffnungswinkeln von ca 15deg und ca 225deg verwendet Ihre typischen Korrekturwerte betragen etwa 09995 und 09990 Da jeder Messroboter mit diesem Back-Looking-Photometer ausgeruumlstet ist kann so der Streulicht-anteil fuumlr jedes Photometer bestimmt werden Da die Back-Looking-Photometer bdquoruumlckwaumlrtsldquo gerichtet sind wird also jeweils die Streulichtkorrektur fuumlr den gegenuumlberliegenden Messroboter bestimmt Damit ist es moumlglich den Wert des Lichtstroms mit zugehoumlriger Messunsicherheit zu bestimmen Tabelle 2 illustriert Ergebnisse einer vereinfachten Monte-Carlo-Simulation (MC) am Beispiel einer OSRAM-Wi4-Lichtstrom-Normallampe Ihre Lichtstaumlrkeverteilung ist in Bild 13 wiedergegeben

Die MC basiert auf den folgenden Gleichun-gen (24) Werte der wichtigsten Beitraumlge zur Mes-sunsicherheit koumlnnen der Tabelle 2 entnommen werden Eine detailliertere Beschreibung der Roboter und Analyse der Messunsicherheit kann [12] entnom-men werden

Bild 13 Raumlumliche Lichtstaumlrkeverteilung einer OSRAM-Wi4-Lichtstrom-Normallampe

Quantity Symbol Value Uncertainty Unit Sensitivity Contribution lm Relative contribution

Luminous responsivity 1 s1 3065E-10 9195E-13 A lxndash1 188E+12 173 000150

Luminous responsivity 2 s2 4111E-10 12333E-12 A lxndash1 143E+12 177 000153

Spectral matching exponent 1 m2 y 0021 0015 1 20 030 000026

Spectral matching exponent 2 m2 y 0036 0015 1 18 027 000023

CCT or distribution temperature T 2762 10 K 0012 012 000011

Uncertainty in r Δr 0000 00020 m 901 180 000156

Calibration factor for frequency F cFH 1000 00005 1 1141 057 000049

Calibration factor for frequency ƒ cFD 1000 00050 1 104 005 000005

Voltage to frequency converter 1 w1 f 500849 25 Hz Vndash1 0012 031 000027

Voltage to frequency converter 2 w2 f 500561 25 Hz Vndash1 00118 029 000026

Amplification gain 1 R1 g 1000E+09 99996 Ω 6223E-07 006 000005

Amplification gain 2 R2 g 9997E+08 99966 Ω 5430E-07 005 000005

Calibration factor for cmon ccm 1000 00005 1 1162 058 000050

Correction factor for stray light cstr 09995 00005 1 1134 057 000049

Luminous flux Φ 11541 327 00028

Tabelle 2 Unsicherheitsbudget

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PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4 Kurze Geschichte der Goniophotometrie in der PTB

Somit ergibt sich zurzeit eine erweiterte Mess-unsichert von 056 fuumlr k = 2 Dies entspricht etwa der Messunsicherheit welche mit dem groszligen Kardan-Goniophotometer erreichbar war Im Unterschied zum Kardan-Goniophotometer (fester Messradius) verfuumlgt das Roboter-Goniophotometer jedoch uumlber die noumltige hohe Flexibilitaumlt (z B durch Variation des Messradius) die noumltig ist um kuumlnftige Anforderungen erfuumlllen zu koumlnnen Eben diese hohe Flexibilitaumlt fuumlhrt bei der Bestimmung des Messradius zu relativ groszligen Messunsicherheiten Hier koumlnnte die Verwendung einer Lookup-Table oder eine On-Line-Verfolgung mittels Tracer-Syste-men der Bahnen diese Unsicherheit verkleinernMittlerweile ist das Roboter-Goniophotometer voll-staumlndig charakterisiert und wird fuumlr beleuchtungs-staumlrkebasierte Lichtstromkalibrierungen und auch fuumlr internationale Vergleiche eingesetzt Damit werden auch die Anforderungen (15ndash17) erfuumllltIm naumlchsten Schritt wird das Roboter-Goniopho-tometer mit Leuchtdichtemesskameras ausgeruumlstet

werden um es als bdquoNahfeld-Goniophotometerrdquo einzusetzen Es wird dann die direkte Messung der Leuchtdichteverteilung erlauben aus welcher nahezu alle noumltigen photometrischen Groumlszligen abgeleitet werden koumlnnen Dieser kuumlnftige Schritt wird dann auch den letzten Punkt (18) der Anfor-derungen erfuumlllen

3 Zusammenfassung

Die Geschichte der Goniophotometrie in der PTB uumlber einen Zeitraum von mehr als 50 Jahren wird praumlsentiert Verschiedene Goniophotometer ange-fangen vom manuell bewegten Einarm-Goniopho-tometer mit visuellem Photometer uumlber das groszlige und kleine Kardan-Goniophotometer bis hin zum bdquoState-of-the-art-Roboter-Goniophotometerldquo fuumlr das 21 Jahrhundert werden beschrieben Das Letztere hat das Potenzial in der traditionellen Betriebsart aber auch im Nahfeldmodus uumlber viele Jahre eingesetzt zu werden Neu aufkommende

Quantity Symbol Value Uncertainty Unit Sensitivity Contribution lm Relative contribution

Luminous responsivity 1 s1 3065E-10 9195E-13 A lxndash1 188E+12 173 000150

Luminous responsivity 2 s2 4111E-10 12333E-12 A lxndash1 143E+12 177 000153

Spectral matching exponent 1 m2 y 0021 0015 1 20 030 000026

Spectral matching exponent 2 m2 y 0036 0015 1 18 027 000023

CCT or distribution temperature T 2762 10 K 0012 012 000011

Uncertainty in r Δr 0000 00020 m 901 180 000156

Calibration factor for frequency F cFH 1000 00005 1 1141 057 000049

Calibration factor for frequency ƒ cFD 1000 00050 1 104 005 000005

Voltage to frequency converter 1 w1 f 500849 25 Hz Vndash1 0012 031 000027

Voltage to frequency converter 2 w2 f 500561 25 Hz Vndash1 00118 029 000026

Amplification gain 1 R1 g 1000E+09 99996 Ω 6223E-07 006 000005

Amplification gain 2 R2 g 9997E+08 99966 Ω 5430E-07 005 000005

Calibration factor for cmon ccm 1000 00005 1 1162 058 000050

Correction factor for stray light cstr 09995 00005 1 1134 057 000049

Luminous flux Φ 11541 327 00028

Φ = sdot

sdot

+ sdot sdotminus

c JJ

TT

r r c c tm

m

i i

y

strA

cm monj

0

12

1

1

( ) ∆ (( )sdot minus( ) sdotsdot sdot minus

+=

minus=sumsum

cos cosFH FD

ϑ ϑ

ϕ

1 1 10

1 11

11

1

i ii

m jj

n

i jc F c∆ sdotsdot( )sdot sdot

+

+ sdot sdot (

f

s w R

TT

r r c c tm

i i

y

1 0

1 1 1

22

2

2

( )

f g

Acm mon∆ ))sdot minus( ) sdot

sdot sdot minus sdot

+=

minus=sumsum

cos cosFH FD

ϑ ϑ

ϕ

2 2 10

1 11

22

2

i ii

m jj

n

i jc F c∆ ff

s w R

2 0

2 2 2

( )sdot sdot

f g

(24)

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PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4Das Jahr des Lichtes

Anforderungen fuumlr die Ruumlckfuumlhrung photome-trischer Einheiten wie beispielsweise im Solid-State-Lighting-Bereich koumlnnen so erfuumlllt werden

Literatur

[1] Y Ohno 1995 Realization of NIST Luminous Flux Scale Using an Integrating Sphere with an External Source CIE Proceedings 23rd Session New Delhi

[2] R Sewig 1938 Handbuch der Lichttechnik Band 1 pp 319 321 Berlin Springer Verlag

[3] D Foumlrste 1966 Zur Lichtstrommessung an Lam-pen mit ungleichmaumlszligiger Lichtverteilung PTB-Mitteilungen 166 pp 18ndash20 Braunschweig PTB

[4] D Foumlrste 1979 Ein Goniophotometer zur genauen Bestimmung des Lichtstroms Licht-Forschung 1 Jahrgang 379 pp 30ndash36 Heidelberg Huumlthig Verlag

[5] D Foumlrste 1980 Elimination des Fremdlichts bei der Lichtstrombestimmung mit dem Gonio-photometer Licht-Forschung 2 Jahrgang 180 pp 27ndash29 Heidelberg Huumlthig Verlag

[6] W Erb 1997 PTB Network for realization and maintenance of the candela Metrologia 3497 pp 115ndash124 Bristol UK

[7] G Sauter 1996 Kalibrierung von Lichtstaumlrke-Normallampen und Angabe der Messunsicherheit PTB interner Bericht Braunschweig PTB

[8] G Sauter 1996 Goniophotometry new calibra-tion method and instrument design Metrologia 32 (199596) pp 685ndash688 Bristol UK

[9] httpenwikipediaorgwikiDenavit-Hartenberg_Parameters (letzter Aufruf 03122015)

[10] M Lindemann 2009 Photometry and Colori-metry of Reference LEDs by Using a Compact Goniophotometer MAPAN ndash Journal of Metro-logy Society of India Vol 24 No 3 pp 143ndash152 New Delhi India

[11] G Bizjak 2009 Determination of Stray Light at the PTB Goniophotometer Facility MAPAN ndash Jour-nal of Metrology Society of India Vol 24 No 3 pp 163ndash173 New Delhi India

[12] M Lindemann et al 2015 Robot goniopho-tometry at PTB Metrologia 52 pp 167ndash194 Bristol UK

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PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4Das Jahr des Lichtes

1 Eine einleitende Beschreibung von Gluumlhlampen LEDs und OLEDs

Der Einsatz Licht Emittierender Dioden (LED) in der Allgemeinbeleuchtung hat in den vergangenen Jahren erheblich zugenommen Ein entscheiden-der Vorteil der LED gegenuumlber der traditionellen Gluumlhlampe liegt in ihrer uumlberlegenen Lichtaus-beute ηv ndash dem Verhaumlltnis des emittierten Licht-stroms Φv und der aufgenommenen elektrischen Leistung Pel angegeben in LumenWatt

Dieser Vorteil beruht auf den Unterschieden der zugrunde liegenden Technologien der Lichterzeu-gung beider Lampentypen Bei einer (Halogen-)Gluumlhlampe wird der Gluumlhfaden durch elektrischen Strom auf Temperaturen um 3000 K aufgeheizt Obwohl hierbei fast die gesamte elektrische Leis-tung in Strahlung umgewandelt wird ndash Verluste durch thermische Konvektion oder Waumlrmeleitung sind gering ndash kann das menschliche Auge lediglich einen geringen spektralen Anteil der ungefaumlhr 5 der Gesamtstrahlungsleistung ausmacht wahr-nehmen Der Groszligteil der Strahlungsleistung liegt im infraroten Spektralbereich und kann nicht fuumlr Beleuchtungszwecke genutzt werden In Bild 1 ist die spektrale Verteilung einer Gluumlhlampe bei einer Temperatur von 2856 K im Spektralbereich

von 300 nm bis 1200 nm dargestellt Das sichtbare Licht im Spektralbereich zwischen 360 nm und 830 nm ist mit den entsprechenden Spektralfarben hinterlegt Oberhalb 830 nm beginnt der fuumlr das menschliche Auge unsichtbare infrarote Anteil der Strahlung

Der fuumlr photometrische Messungen normativ festgelegte spektrale Hellempfindlichkeitsgrad V(λ) also die Hellempfindlichkeit des Auges eines bdquoNormalbeobachtersldquo ist mit seinem Maximum bei 555 nm schwarz eingezeichnet

Da die Gluumlhlampe eine thermische Strahlungs-quelle ist verschiebt sich mit zunehmender Tem-peratur die Lage des Strahlungsmaximums ent-sprechend des Wienschen Verschiebungsgesetzes zu kuumlrzeren Wellenlaumlngen Um die Lichtausbeute von Gluumlhlampen zu erhoumlhen muumlsste man das Strah-lungsmaximum durch Temperaturerhoumlhung in den kurzwelligeren Bereich des sichtbaren Lichts verschieben Die Maximaltemperatur ist jedoch bei Gluumlhfaumlden aus Wolfram auf etwa 3000 K begrenzt ndash bei houmlheren Temperaturen nimmt die Lebensdauer drastisch ab

Das Funktionsprinzip einer LED-Lichtquelle basiert auf dem Phaumlnomen der Elektrolumines-zenz Der prinzipielle Aufbau einer LED aumlhnelt einer pn-Halbleiterdiode Durch Anlegen einer Gleichspannung rekombinieren Ladungstraumlger in der p-n-Grenzschicht der Leuchtdiode unter Emission von Strahlung Durch gezielte Auswahl der verwendeten Halbleitermaterialien und ihrer Dotierung wird deren Bandluumlcke und somit die Farbe des emittierten Lichtes bestimmt Im Jahr 1992 gelang der Durchbruch in der Entwicklung hocheffizienter blauer LEDs die den Einsatz von LEDs zur Allgemeinbeleuchtung erst ermoumlgli-chen Die zugrunde liegenden Forschungsarbei-ten wurden 2014 mit dem Nobelpreis fuumlr Physik gewuumlrdigt [1]

Eine schmalbandige Lichtemission ist charak-teristisch fuumlr LEDs Dementsprechend verfuumlgt ihr Licht uumlber eine hohe Farbsaumlttigung Durch die Bedeckung des LED-Chips mit breitbandig pho-tolumineszierenden Farbstoffen wird ein Teil der Strahlung in energieaumlrmeres langwelligeres Licht konvertiert und es entstehen Mischfarben wie

Metrologie fuumlr moderne Lichtquellen LEDs und OLEDs Thorsten Gerloff

Thorsten Gerloff Arbeitsgruppe bdquoPhotometrieldquo EshyMail thorstengerloffptbde

Bild 1 Spektrale Verteilung einer Gluumlhlampe und spektraler Hellempfindlichkeitsgrad (V(λ)-Funktion)

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PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4 Metrologie fuumlr moderne Lichtquellen

i Infokasten LED

Lichtausbeute einer Strahlungsquelle ηv

Die Lichtausbeute einer Strahlungsquelle gibt das Verhaumlltnis aus ausgestrahltem Lichtstrom und aufgenommener elektrischer Leistung an Die Einheit ist LumenWatt (lmW) Je houmlher die Lichtausbeute ist umso energieeffizienter ist die Beleuchtung Gluumlhlampen besitzen Lichtausbeuten zwischen 10 und 20 lmW

Lichtstrom Φv

Der Lichtstrom beruumlcksichtigt den Hellempfind-lichkeitsgrad V(λ) des Auges und gibt die in alle Raumrichtungen abgegebene bdquoLichtleistungldquo einer Lampe an Der Lichtstrom enthaumllt keine Information daruumlber wie die Lampe das Licht im Raum verteilt Der Lichtstrom gibt an wie hell ein beleuchteter Raum dem Menschen erscheint

Spektraler Hellempfindlichkeitsgrad V(λ)

Der exakt definierte spektrale Hellempfindlich-keitsgrad V(λ) ist eine Bewertungsfunktion fuumlr elektromagnetische Strahlung Hiermit wird der bdquoHelligkeitseindruck eines menschlichen Durch-schnittsaugesldquo berechnet Dies ermoumlglicht den objektiven Vergleich von Lichtquellen mit physika-lischen Messmethoden Subjektive Wahrnehmun-gen einzelner Menschen koumlnnen damit nicht exakt wiedergegeben werden

Aumlhnlichste Farbtemperatur TN

Es gibt unterschiedliche Farbtemperaturen in der Photometrie Verhaumlltnis- und Verteilungstem-peratur sind nur bei thermischen Strahlern wie der Gluumlhlampe anwendbar Nur die aumlhnlichste Farbtemperatur (englisch Correlated Colour Temperature CCT) laumlsst sich fuumlr Lichtquellen mit beliebiger spektraler Zusammensetzung berech-nen sofern die Normfarbwertanteile aumlhnlich einem thermischen Strahler sind Die aumlhnlichste Farbtemperatur wird in der Einheit Kelvin (K) angegeben Sie gibt an ob das Licht warmweiszlig (ca 3000 K) neutralweiszlig (ca 4500 K) oder tages-lichtweiszlig (gt5500 K) erscheint

Normfarbwertanteile (x y)

Fuumlr die Angabe von Farbe gibt es neben dem spek-tralen Hellempfindlichkeitsgrad V(λ)noch weitere definierte Bewertungsfunktionen Hiermit laumlsst sich die Farbwahrnehmung eines fiktive Normalbeob-achters aus der gemessenen spektralen Verteilung des Lichts durch Angabe von nur zwei Werten (x und y) angeben Diese Werte geben die Koordi-naten auf der Normfarbtafel (s Abbildung) an

Normfarbtafel

Farbwiedergabeindex Ra

Der Farbwiedergabeindex ist eine Kennzahl fuumlr Lichtquellen der bewertet die Qualitaumlt der Farb-wiedergabe Je houmlher der Wert desto besser ist die Farbwiedergabe Der Maximalwert liegt bei 100 Werte zwischen 90 und 100 geben eine ausgezeich-nete Farbwiedergabe an Werte unter 80 sind fuumlr viele Anwendungen nicht ausreichend

Im Folgenden soll ein kleiner Leitfaden gegeben werden der in allgemeinverstaumlndlicher Form die grundlegenden Ideen wichtiger lichttechnischer Groumlszligen erlaumlutern soll Komplexe Details der zugrunde liegenden Normen und Definitionen werden hierbei nicht beruumlcksichtigt

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PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4Das Jahr des Lichtes

Pastellfarbtoumlne oder auch weiszliges LichtIn Bild 2 sind die spektralen Verteilungen einer

LED mit und ohne Leuchtstoff abgebildet In der linken Abbildung erkennt man die schmalbandige blaue Emission des LED-Chips In der rechten Abbildung wird ein Teil dieser Strahlung durch einen Leuchtstoff in laumlngerwelliges Licht konver-tiert und die Mischfarbe erscheint weiszlig

Der Vorteil einer LED gegenuumlber einer Gluumlh-lampe bezuumlglich der Lichtausbeute ist offensicht-lich Es wird ndash von unvermeidbarer thermischer Verlustleistung abgesehen ndash nur Strahlung im sichtbaren Wellenlaumlngenbereich emittiert Daruumlber hinaus ist die Farbe des Lichts von LEDs durch Kombination verschiedener Leuchtstoffe und LEDs nahezu beliebig einstellbar und man ist nicht auf aumlhnlichste Farbtemperaturen von ca 3000 K wie bei der Gluumlhlampe begrenzt

Allerdings gibt es auch Nachteile gegenuumlber dem Licht einer Gluumlhlampe Dem typischen Spektrum einer LED-Lichtquelle fehlen im Gegensatz zu Sonnenlicht oder Gluumlhlampenlicht einzelne Spekt-ralfarben Dies macht sich negativ bei der Qualitaumlt der Farbwiedergabe bemerkbar

Die Farbe des emittierten Lichts einer LED laumlsst sich durch additive Farbmischung sehr aumlhnlich zu Sonnenlicht oder auch Gluumlhlampenlicht einstellen Wenn jedoch Objekte mit Licht beleuchtet werden kommt es auch auf die spektrale Zusammensetzung des Lichts an Nehmen wir einen Blumenstrauszlig aus roten Rosen der im Tageslicht steht Im Son-nenlicht sind alle Spektralfarben vorhanden und diese beleuchten die Rosen Die roten Bluumltenblaumltter absorbieren einige spektrale Anteile des Lichts und reflektieren im Wesentlichen rotes Licht welches in das Auge des Betrachters faumlllt Wenn die Rosen von einer anderen Lichtquelle beleuchtet werden in der die roten Spektralanteile zumindest teilweise fehlen koumlnnen diese nicht reflektiert werden und die Farben der Rosen erscheinen unnatuumlrlich

Dies ist von weitreichender Bedeutung fuumlr die Wahl einer geeigneten Lichtquelle da wir einen Kompromiss aus Licht mit guter Farbwieder-gabe und hoher Lichtausbeute schlieszligen muumlssen Licht mit hoher Farbwiedergabe setzt sich aus moumlglichst vielen Spektralfarben zusammen und Lichtquellen mit hoher Lichtausbeute sollten nur Spektralfarben beinhalten fuumlr die das menschliche Auge besonders empfindlich ist In den Auszligenbe-zirken vieler Staumldte werden zur Nachtbeleuchtung der Gehwege haumlufig Natriumdampflampen mit orangefarbenem Licht eingesetzt Die Lichtaus-beute dieser Lampen ist mit etwa 150 lmW auszligerordentlich hoch da das menschliche Auge in diesem Spektralbereich sehr empfindlich ist Diese Beleuchtung ist jedoch ungeeignet um Farben natuumlrlich wiederzugeben Aufgrund des Aufbaus des menschlichen Auges ist es also nicht moumlglich eine Beleuchtung mit sehr hoher Qualitaumlt der Farbwiedergabe bei gleichzeitig sehr hoher Lichtausbeute zu realisieren

Weiszlige LEDs zur Allgemeinbeleuchtung nutzen in der Regel Leuchtstoffe die teilweise qualita-tiv hochwertige Farbwiedergabeeigenschaften besitzen Eine weitere Methode zur Erzeugung von weiszligem Licht ist das Mischen von rotem gruumlnem und blauem Licht (RGB-Verfahren) welches die Grundlage jedes Displays ist Hierbei sind neben weiszligem Licht auch andere Lichtfarben moumlglich ndash die Farbwiedergabeeigenschaften sind allerdings schlecht Fuumlr die Endverbraucher sind in der Regel die Farbwiedergabeeigenschaften von Lichtquellen als Ra-Werte auf der Verpackung angegeben

Organische Licht Emittierende Dioden (OLED) sind eine junge Beleuchtungstechnologie die noch keinen Zugang zum Massenmarkt erhalten hat Die weltweit erste kommerzielle OLED-Leuchte wurde 2008 vertrieben Der fuumlr den Nutzer wesentliche Unterschied zwischen OLEDs und LEDs besteht im Aufbau Der leuchtende Kristall

Bild 2 Spektrale Verteilung einer blauen LED (links) und einer weiszligen LED (rechts) bei der ein Teil des blauen Lichts zu gelbem Licht konvertiert wurde

35

PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4 Metrologie fuumlr moderne Lichtquellen

anorganischer LEDs besitzt eine maximale Kan-tenlaumlnge von etwa einem Millimeter Bei OLEDs wird das Licht in groszligflaumlchigen amorphen organi-schen Schichten erzeugt Momentan sind OLEDs mit leuchtenden Flaumlchen von bis zu 20 x 20 cmsup2 erhaumlltlich Das Licht wird aumlhnlich wie bei LEDs durch Ladungstraumlgerrekombination unter Auftre-ten von Elektrolumineszenz erzeugt Dabei ist das Emissionsspektrum der verwendeten organischen Emittermaterialien wesentlich breitbandiger als das einer LED (vgl Bild 3) Daher wird das weiszlige Licht von OLEDs in der Regel durch Verwendung von roten gruumlnen und blauen Emittermaterialien erzeugt ohne dass die Farbwiedergabeeigenschaf-ten sehr stark darunter leiden

2 Entwicklung von (O)LED-Transfer-normalen in der PTB

Eine der Kernaufgaben der PTB ist die Weiter-gabe der gesetzlichen Einheiten Bis zum heuti-gen Tage bieten Transfernormale in Form von speziellen Gluumlhlampen die besten Eigenschaften um als Maszligverkoumlrperung der Einheiten Candela oder Lumen zu dienen Da der Anwender in der Regel jedoch die Substitutionsmethode bei seinen Messungen anwendet um notwendige Korrektu-ren auf ein Minimum zu reduzieren (Gleiches mit Gleichem vergleichen) sind auch Transfernormale auf Basis der LED-Technologie von Interesse

Bereits in den 80er-Jahren des vergangenen Jahr-hunderts wurden LEDs in der PTB kalibriert Diese waren fuumlr Beleuchtungszwecke noch ungeeignet und dienten lediglich als Signallampen Zeitgleich wurden die ersten PTB-LED-Transfernormale entwickelt deren optische Eigenschaften durch thermische Regelung des LED-Chips stabilisiert wurden Die mechanische Ausrichtung der LEDs leistet aufgrund des typischerweise stark gerichteten Abstrahlprofils der LEDs einen groszligen Beitrag auf die Messunsicherheit Daher werden die LEDs seit

2002 in ein rotationssymmetrisches robustes VA-Stahl-Gehaumluse eingebaut welches sich sehr repro-duzierbar ausrichten laumlsst (vgl Bild 4)

Diese Transfernormale werden unter Konstant-Strom-Bedingungen und ndash durch gezieltes Aufhei-zen des LED-Chips durch den Heizwiderstand ndash unter Konstant-Spannung-Bedingungen betrieben Aufgrund der halbleitenden Eigenschaften sinkt mit steigender Temperatur die Betriebsspannung und sowohl der Lichtstrom als auch die Peakwellenlaumlnge des emittierten Lichts veraumlndert sich Die Sollspan-nung wird auf einen Wert festgelegt der unterhalb der Gleichgewichtsspannung durch Eigenerwaumlr-mung im Betrieb ohne Heizwiderstand bei einer Umgebungstemperatur von etwa 35 degC liegt Somit ist auch ein Einsatz der Transfernormale in Laboren ohne Klimatisierung moumlglich

Fuumlr LEDs mit houmlheren Leistungen wurde im Jahr 2011 ein weiterer Prototyp eines Transfernormals vorgestellt (vgl Bild 5) Da die hier verwendeten LEDs eine houmlhere Leistungsaufnahme besitzen werden sie waumlrmer Das reduziert die Lebensdauer und Reproduzierbarkeit der photometrischen

Bild 3 Exemplarische spektrale Verteilung einer weiszligen OLED

Bild 4 Temperaturgeregeltes LED-Transfernormal auf Basis von Kleinleistungs-LEDs mit Lichtstroumlmen von bis zu 10 Lumen

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PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4Das Jahr des Lichtes

Groumlszligen deutlich Daher muumlssen sie gekuumlhlt werden Hierfuumlr kommt bei diesen Normalen ein Peltier-Element zum Einsatz welches geregelt Waumlrme in einen dahinterliegenden Kuumlhlkoumlrper leitet und hierdurch das emittierte Licht stabilisiert Diese Transfernormale zeichnen sich durch ein geringes

Gewicht bei einer Laumlnge von ca 100 mm und einem Durchmesser von etwa 20 mm aus Allerdings ist die Verwendung von LEDs mit sehr hohen Leistun-gen nicht moumlglich da die Abwaumlrme lediglich passiv an den Raum abgegeben wird Eine detaillierte Beschreibung der Eigenschaften dieses Transfer-normals wurde 2012 veroumlffentlicht [2]

Fuumlr die thermische Stabilisierung von LEDs mit sehr hohen Leistungen wurde ein weiteres Trans-fernormal unter Einsatz von Peltier-Elementen Heatpipes und aktivem Kuumlhlsystem in der PTB entwickelt (vgl Bild 6)

Im Rahmen des europaumlischen Forschungspro-jekts OLED100eu wurde in der PTB weiterhin das weltweit erste Transfernormal unter Einsatz einer organischen Leuchtdiode entwickelt (vgl Bild 7) Dieses Normal wurde fuumlr den Einsatz in einer Ulbricht-Kugel konzipiert und in ein mattes Aluminiumgehaumluse eingebaut Eine Besonderheit dieses Normals ist die Stand-Alone-Versorgungs-einheit die ohne Rechner o auml saumlmtliche relevan-ten elektrischen und thermischen Groumlszligen regelt und auf einem USB-Stick speichert

3 LED-Messtechnik in der PTB

Neben LED-Transfernormalen mit guter Reprodu-zierbarkeit ist eine hochentwickelte Messtechnik fuumlr deren Kalibrierung mit minimaler Messunsi-cherheit erforderlich

Die photometrische Beschreibung von LEDs erfolgt durch Angabe ihrer Lichtstaumlrke ILED mit der Einheit Candela und ihrem Lichtstrom ΦLED mit der Einheit Lumen Diese Groumlszligen werden in der PTB unter Verwendung ruumlckgefuumlhrter Photometer bestimmt Hierfuumlr wird die Beleuchtungsstaumlrke ELED unter definierten geometrischen Bedingungen fuumlr alle Abstrahlrichtungen der LED mit einem Goniophotometer gemessen

Fuumlr die Bestimmung der colorimetrischen Werte kommen Spektralradiometer zum Einsatz Hiermit werden spektrale Bestrahlungsstaumlrken gemessen und daraus die abgeleiteten colorime-

Bild 5 Temperaturgeregeltes LED-Transfernormal auf Basis von Hochleistungs-LEDs mit Lichtstroumlmen von bis zu 100 Lumen Im rechten Bild ist die Temperaturverteilung in Grad Celsius waumlhrend des Betriebs abgebildet

Bild 6 Temperaturgeregeltes LED-Transfernormal auf Basis von Houmlchstleistungs-LEDs mit Lichtstroumlmen von bis zu 2500 Lumen

Bild 7 Temperaturgeregeltes OLED-Transfernormal auf Basis kommerziell erhaumlltlicher OLEDs

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PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4 Metrologie fuumlr moderne Lichtquellen

trischen Kenngroumlszligen wie z B die Normfarb-wertanteile (x y) bei weiszligen LEDs die aumlhnlichste Farbtemperatur TN mit der Einheit Kelvin und bei farbigen LEDs die dominante Wellenlaumlnge λdom berechnet Grundlegende Informationen und Definitionen uumlber die photometrischen und colorimetrischen Groumlszligen und deren Messung sind in [3] [4] und [5] zu finden

In Bild 8 ist der Aufbau des LED-Messplatzes an der PTB zu sehen Fuumlr die Bestimmung der Mess-groumlszligen in alle raumlumlichen Abstrahlwinkel wird die LED durch ein Goniophotometer bewegt

Die LED wird in horizontaler Betriebslage zentrisch normal zur Referenzebene des Photo-meterkopfes ausgerichtet Ein Translationstisch ermoumlglicht dabei eine Variation des Abstandes d zwischen Photometer und LED Eine horizontale Rotationsachse (φ-Achse) und eine senkrechte Rotationsachse (ϑ-Achse) die sich an der LED-Spitze im rechten Winkel schneiden erlauben durch Drehung der LED eine Bestimmung der Beleuchtungsstaumlrke ELED in alle Raumrichtungen Beide Rotationsachsen werden waumlhrend der Messung zeitgleich bewegt Hierdurch bewegt sich die relative Position der lichtempfindlichen Emp-faumlngeroumlffnung bezuumlglich des Schnittpunkts beider Drehachsen auf der Oberflaumlche einer virtuellen Kugel entlang einer Spiralbahn von bdquoPol zu Polldquo dieser Kugel

Die Bestimmung des Lichtstroms ΦLED erfolgt analog der Beschreibung in dem Kapitel Kurze Geschichte der Goniophotometrie in der PTB Der wesentliche Unterschied zu goniophotome-trischen Messungen an Gluumlhlampen besteht darin dass bei LED-Messungen die Lichtquelle typischerweise bewegt werden kann ohne dass sich ihre optischen Eigenschaften aumlndernAufgrund des stetig wachsenden Bedarfs an ruumlck-gefuumlhrten Kalibrierungen von High-Power-LEDs sind Masse und Abmessungen der Transfernor-male erheblich gestiegen Daher wurde der Mess-platz 2015 um ein weiteres Goniophotometer fuumlr schwere und groszlige Objekte erweitert (vgl Bild 9)

Neben den photometrischen Empfaumlngern befinden sich auch Einkoppeloptiken fuumlr Spekt-ralradiometer auf dem drehbaren Empfaumlngerka-russell Alle Empfaumlnger lassen sich hiermit auto-matisiert waumlhrend einer Messung zu den LEDs ausrichten Vor jeder LED-Kalibrierung werden die Spektralradiometer bezuumlglich Ihrer spektralen Empfindlichkeit und Wellenlaumlnge kalibriert Die entsprechenden Normallampen befinden sich neben dem Empfaumlngerkarussell (vgl Bild 10) und ermoumlglichen so ebenfalls eine automatisierte Messung

Den spektralen Messungen an LEDs kommt neben der Notwendigkeit fuumlr die Bestimmung colorimetrischer Kennzahlen noch eine beson-dere Bedeutung fuumlr die photometrischen Messun-

Bild 9 Goniophotometer fuumlr photometrische Messungen an Hochleistungs-LEDs

Bild 10 Entladungslampen mit verschiedenen Gasfuumlllungen dienen der Wellenlaumlngenka-librierung der Spektrometer Im Hintergrund ist eine Bestrahlungsstaumlrke-Normal-lampe fuumlr die spektrale Empfindlichkeitskalibrierung zu sehen

Bild 8 Goniophotometer fuumlr photometrische Messungen an Kleinleistungs-LEDs

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PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4Das Jahr des Lichtes

gen zu Wie in der Einleitung erklaumlrt unterscheiden sich die spektralen Verteilungen von LEDs und Gluumlhlampen deutlich voneinander Photometerkoumlpfe bestehen in der Regel aus einer Silizium-Photodiode deren spektrale Empfindlichkeit durch den Einsatz von Glasfiltern moumlglichst gut an den Hellemp-findlichkeitsgrad V(λ) angepasst wird Aufgrund internationaler Standardisierung wird die photo-metrische Empfindlichkeit von Photometerkoumlpfen fast ausschlieszliglich fuumlr Normlichtart A kalibriert In der Praxis werden hierfuumlr Gluumlhlampen mit einer Verteilungstemperatur von 2856 K verwendet Wenn man ein solches Photometer fuumlr Messungen an anderen Gluumlhlampen verwendet sind die spektralen Verteilungen meist so aumlhnlich dass nur geringe oder gar vernachlaumlssigbare Korrekturen aufgrund der spektralen Fehlanpassung also der Abweichung der realen spektralen Empfindlichkeit des Photometers von dem Hellempfindlichkeitsgrad notwendig sind Wenn man ein solches Photometer jedoch bei LEDs insbesondere farbigen LEDs einsetzt koumlnnen die Abweichungen aufgrund der spektralen Fehlan-passung sehr groszlig werden (gt10 fuumlr hochwertige Photometerkoumlpfe sind moumlglich)

Mit Kenntnis der relativen spektralen Verteilung der Leuchtdiode SLED(λ) und der relativen spekt-ralen Empfindlichkeit srel(λ) laumlsst sich die spektrale Fehlanpassung durch folgenden Korrekturfaktor cSpek korrigieren

cV S

s S

V P T

sSpek

LED

rel LED

A

rel

d

d

d=

( ) ( )( ) ( )

( ) ( )( )

intint

intλ λ λ

λ λ λ

λ λ λ

λ

intint ( )P Tλ λ A d

P(λ TA) beschreibt Lichtart A durch das Planck-sche Strahlungsgesetz fuumlr TA = 2856 K

Eine detaillierte Auflistung und Diskussion aller zu beruumlcksichtigenden Details bei Kalibrierungen von LEDs und das dazugehoumlrige Messunsicher-heitsbudget soll an dieser Stelle nicht gegeben werden Interessierte Leser koumlnnen hierfuumlr Infor-mationen in einer fruumlheren Veroumlffentlichung [6] oder in den Ergebnissen eines internationalen Vergleichs von LED-Messungen [7] finden

Fazit und Ausblick

Der Verzicht auf LEDs ist fuumlr Beleuchtungsan-wendungen nicht mehr vorstellbar Durch ihre kontinuierliche Weiterentwicklung erobern LEDs immer weitere Anwendungsfelder (z B Haus-halts- Straszligen- und Automobilbeleuchtung) mit denen der Endkunde in Kontakt kommt Bei diesen Anwendungen sind die Anforderungen an die Lichtquellen vielfaumlltig und fuumlr eine quantitative Beschreibung ihrer Eigenschaften muss auch die Messtechnik entsprechend umfassend und ausge-reift sein

Neben dem allgemeinen Forschungs- und Ent-wicklungsbedarf fuumlr bessere LED-Messverfahren und -geraumlte die die Grundlage ihrer technologi-schen Weiterentwicklung bilden gibt es eine weitere Herausforderung Aufgrund der nahezu unbe-grenzten Moumlglichkeiten eine bestimmte Lichtfarbe durch additive Farbmischung zu erhalten sind LEDs verschiedener Hersteller mit unterschiedlichen Emissionsspektren aber einer nominell gleichen aumlhnlichsten Farbtemperatur erhaumlltlich Dennoch ist teilweise ein Unterschied der Lichtfarbe mit bloszligem Auge erkennbar wenn sich unterschiedliche LEDs nebeneinander befinden

Es ist ungewoumlhnlich dass man ohne technische Hilfsmittel nominell gleiche Lichtfarben faktisch unterscheiden kann Um die Charakterisierung von LEDs soweit zu verbessern dass dies nicht mehr moumlglich ist ist einerseits eine Reduzierung der Messunsicherheit bei der Bestimmung der Normfarbwertanteile (Lichtfarbe) notwendig Andererseits muss man sich bewusst machen dass photometrische und colorimetrische Messverfahren auf rein physikalischen Zusammenhaumlngen basieren Individuelle menschliche Wahrnehmung und Sehen werden bei photometrischen Messungen nicht beruumlcksichtigt ndash diese werden durch Festlegung von exakt definierten Wichtungsfunktionen wie dem Hellempfindlichkeitsgrad fuumlr einen fiktiven Normalbeobachter ausgegrenzt Diese Wichtungs-funktionen koumlnnen gegebenenfalls auch noch optimiert werden um die objektive Beurteilung von Lichtquellen mit physikalischen Messmethoden zu verbessern Somit gibt es auch in Zukunft noch interdisziplinaumlre Herausforderungen fuumlr die Metro-logie moderner Lichtquellen

Literatur

[1] httpwwwnobelprizeorgnobel_prizesphysicslaureates2014 (letzter Aufruf 14102015)

[2] T Gerloff M Lindemann S Shirokov M Taddeo S Pendsa A Sperling Development of a new high-power LED transfer standard CIE Proceed-ings 2012

[3] CIE S 017E 2011 ILV International Lighting Vocabulary httpeilvciecoat (letzter Aufruf 03122015)

[4] CIE 127 2007 (2nd edition) Measurement of LEDs

[5] CIE S 025E 2015 Test Method for LED Lamps LED Luminaires and LED Modules

[6] M Lindemann R Maass Photometry and Colo-rimetry of Reference LEDs by Using a Compact Goniophotometer MAPAN ndash Journal of Metrolo-gy Society of India Vol 24 No 3 2009

[7] wwwbipmorg APMPPR-S3a (Averaged LED Intensity) APMPPR-S3b (Total Luminous Flux of LEDs) APMPPR-S3c (Emitted Colour of LEDs)

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Effektpigmente hellipPTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4

Einleitung

Farbe ist fuumlr Menschen die wohl auffaumllligste sub-jektive Stoffeigenschaft Bereits den Fruumlhmenschen war diese visuelle Qualitaumlt bekannt deren Wahr-nehmung allen Primaten eigen ist So wurde 2008 in Suumldafrika eine ca 100000 Jahre alte steinzeitli-che bdquoMalerwerkstattldquo entdeckt [1] Auch heutzu-tage spielt Farbe in der Gestaltung unserer Umwelt eine wichtige Rolle Jedes Jahr praumlsentiert uns die Mode die neuen Farben der Saison Farben dienen zur Regelung des Verkehrs Ohne bunte Farben waumlre unsere Welt trist und oumlde

Es ist wichtig festzustellen dass Farbe ein physiologischer Sinneseindruck ist wie z B auch Tasten oder Riechen D h Farbe ist keine immanente physikalische Eigenschaft eines Gegenstandes wie z B seine Masse oder Waumlrme-leitfaumlhigkeit Die physiologische Wahrnehmungs-kette ist hierbei folgende Das vom betrachteten Gegenstand reflektierte Licht trifft auf das Auge und loumlst hierbei einen Farbreiz aus Dieser Farbreiz beruht auf der spektralen Zusammensetzung des empfangenen Lichts d h er ist abhaumlngig von der verwendeten Lichtquelle und dem spektralen Reflexionsvermoumlgen des betrachteten Objektes Die Anregung der licht- und farbempfindlichen Zellen in der Netzhaut fuumlhrt zu einer Farbvalenz die uumlber den Sehnerv an das Gehirn weitergeleitet wird Die eigentliche Farbempfindung die wir dann mit einem Gegenstand verknuumlpfen entsteht erst im Gehirn [2] Liegt z B eine Farbfehlsich-tigkeit vor so kann der Farbeindruck des betrof-fenen Menschen auch ein ganz anderer sein Auch viele Tiere mit ihren teilweise erheblich abweichenden visuellen Systemen nehmen Farbe ganz unterschiedlich als wir Menschen wahr Im Folgenden soll mit Farbe immer die Koumlrperfarbe auch Gegenstandsfarbe Objektfarbe bzw Oberflauml-chenfarbe genannt einer nicht selbstleuchtenden Flaumlche bezeichnet werden die durch Reflexion von Licht an einem Koumlrper entsteht

Die genannten Zusammenhaumlnge machen die mathematisch-physikalische Beschreibung von Farbe schwierig und aufwendig da auch die spe-zifischen Eigenarten der menschlichen Wahrneh-

mungskette nachgestellt werden muumlssen Diesem Umstand wird versucht uumlber die verschiedenen Farbmaszligsysteme Rechnung zu tragen welche die Farbe eines Objektes mithilfe von quantifizierba-ren Zahlenwerten kennzeichnen [3]

Generell koumlnnen farbige Flaumlchen je nach Tageszeit und Lichteinfall sehr unterschiedlich wirken Die Aumlnderungen basieren hierbei auf der unterschiedlichen spektralen Zusammenset-zung des Tageslichts und den winkelabhaumlngigen Glanz- und Struktureigenschaften von Oberflauml-chen Ganz besonders deutlich ist dies bei auf dem Interferenzeffekt basierenden Effektpigmenten der Fall Deren visuelles Erscheinungsbild im englischen mit Visual Appearance bezeichnet kann sich bei variierendem Beobachtungswinkel und unterschiedlichen Lichtverhaumlltnissen komplett veraumlndern Man spricht hierbei von sogenannten Flop-Lacken wobei man zwischen Hell-Dunkel-Flop und Farb-Flop unterscheiden kann [4]

Generell kann man sagen dass Farbe und visuelle Effekte einen entscheidenden Anteil am Verkaufserfolg eines Produktes haben denn Farben wecken Emotionen und verschiedene Neuro marketingstudien belegen dass ca 95 aller Kaufentscheidungen emotional gepraumlgt sind [5] Deshalb spielt eine moderne Farbgestaltung unter Nutzung aktueller Effektpigmente im Pro-duktdesign eine entscheidende Rolle denn durch den Einsatz solcher Pigmente kann Gegenstaumlnden eine houmlhere Attraktivitaumlt verliehen werden Daher findet man moderne Effektpigmente heutzutage in vielen teilweise sehr unterschiedlichen Indus-trieprodukten wie z B in Autolackierungen Haumluserfassaden Kosmetikartikeln oder sogar bei Pralineacutes wie dies in Bild 1 zu sehen ist

Pigmente

Als Pigmente aus dem Lateinischen kommend von pigmentum fuumlr bdquoFaumlrbestoff Schminkeldquo bezeichnet man aus Teilchen bestehende im Anwendungs-medium praktisch unloumlsliche Sub stanzen die als Farbmittel oder wegen anderer spezieller physika-lischer und chemischer Eigenschaften als funktio-nale Farbzentren verwendet werden [6]

Effektpigmente Eine Herausforderung fuumlr die optische Messtechnik

Egbert Buhr Alfred Schirmacher Andreas Houmlpe

Dr Egbert Buhr Fachbereich bdquoBildshy und Wellenoptikldquo EshyMail egbertbuhrptbde

Dr Alfred Schirmacher Arbeitsshygruppe bdquoReflexion und Transmissionldquo EshyMail alfredschirmacherptbde

Dr Andreas Houmlpe dagger ehemals Arbeitsgrupshype bdquoReflexion und Transmissionldquo

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PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4Das Jahr des Lichtes

In der Natur vorkommende anorganische Pig-mente sind schon seit praumlhistorischen Zeiten bekannt Schon die Menschen der Steinzeit benutzen mineralische Pigmente fuumlr die ersten Houmlhlenzeichnungen Sie erkannten dass sie mit unterschiedlichen Erdsorten farbig malen konnten Eisenoxidhaltige Erden liefern gelbrote bis braunrote Kalk und Gips weiszlige Mangan-oxide sowie Holz- und Knochenkohle schwarze Farbtoumlne

Aus heutiger industrieller Sicht ist ein Pigment ein fein aufgeteilter und unloumlslicher Feststoff mit der Hauptfunktion das Erscheinungsbild des verwendeten Mediums zu verbessern oder es zu faumlrben Pigmente werden dem Medium immer durch physikalisches Mischen beigegeben dies unterscheidet sie von Farbstoffen die in ihrem Medium loumlslich sind

Pigmente koumlnnen nach den optischen Prin-zipien ihrer Wechselwirkung mit Licht unter-schieden und in verschiedene Klassen eingeteilt werden Wichtige Pigmentklassen sind Weiszlig- Bunt- Schwarz- und Effektpigmente die alle wegen ihrer speziellen farbgebenden Eigenschaf-ten eingesetzt werden Bei den Effektpigmenten

kann in einer ersten vereinfachten Einteilung noch zwischen Metalleffekt- und den sogenannten speziellen Effektpigmenten unterschieden werden

Der Begriff bdquospezielle Effektpigmenteldquo umfasst die Gruppen der Perlglanzpigmente und der all-gemeinen Interferenzpigmente welche insbeson-dere bei aktuellen Pigmententwicklungen nicht scharf abgegrenzt werden koumlnnen Perlglanzpig-mente sind Effektpigmente die aus transparenten Plaumlttchen mit hohem Brechungsindex bestehen Sie erzeugen durch die spezielle Form der Mehr-fachreflexion des transmittierten Lichts an mehre-ren Pigmenten einen perlenaumlhnlichen Effekt bei dem die auftreffende Strahlung verteilt reflektiert wird wodurch der Eindruck einer mit der Tiefe abnehmenden diffusen Helligkeit entsteht Fuumlr das Auge ergibt sich so eine scheinbar dreidimen-sionale Glanzcharakteristik die aus der Tiefe des Objektes zu kommen scheint Interferenzpigmente dagegen sind Effektpigmente deren farbgebende Wirkung ganz oder vorwiegend auf dem Effekt der Vielstrahlinterferenz von Licht an duumlnnen hoch-brechenden Schichten beruht Interferenzpigmente koumlnnen dabei sowohl auf transparenten oder auch nichttransparenten Plaumlttchen basieren

Bild 1 a) Roadster mit ChromaFlairreg-Effektpigmentlackierung b) Verwaltungsgebaumlude in Braunschweig verkleidet mit Alucobondreg-spectra-colours-Verbundplatten c) Effektpigmente im Nagellack d) Pralineacute mit Effektpigmentuumlberzug

a

dc

bb

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Effektpigmente hellipPTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4

Die heute verwendeten Pigmente lassen sich somit grob in fuumlnf verschiedene Klassen einteilen

1) Weiszligpigmente Die Pigmente streuen das ge-samte auftreffende Licht nahezu verlustfrei in alle Richtungen durch diffuse ungerichtete Reflexion

2) Buntpigmente Die Pigmente streuen einen Teil des Lichtes diffus und absorbieren wellenlaumln-genselektiv einen anderen Teil des Lichtes

3) Schwarzpigmente Die Pigmente absorbieren alle Wellenlaumlngen des fuumlr das menschliche Auge sichtbaren Spektralbereiches

4) Metalleffektpigmente Die aus duumlnnen Metall-plaumlttchen vorwiegend Aluminium bestehen-den Metalleffektpigmente sind lichtundurch-laumlssig und reflektieren das gesamte auftreffende Licht durch spekulare gerichtete Reflexion Die Pigmentpartikel wirken dabei wie Mikrospie-gel und fuumlhren bei paralleler Ausrichtung im Anwendungsmedium zu einem spiegelnden Metallglanz dem Metallic-Effekt

5) Spezielle Effektpigmente Perlglanz- bzw Inter-ferenzpigmente deren optische Wirkung auf der Mehrfachreflexion an uumlberwiegend flaumlchig aus-gebildeten und ausgerichteten transparenten semitransparenten oder lichtundurchlaumlssigen Partikeln beruht

Weiszlig- Bunt- und auch Schwarzpigmente weisen typische Durchmesser im Bereich von 100 nm bis zu 1 microm auf Ihre Groumlszlige liegt damit zum Teil im Bereich der Wellenlaumlnge des sichtbaren Lichtes welches den Bereich von 380 nm bis 780 nm uumlberdeckt Einige Schwarzpigmente wie z B Ruszlig-pigmente liegen mit ihren Durchmessern jedoch auch zum Teil auch deutlich darunter Effektpig-mente besitzen dagegen Teilchendurchmesser die zumeist im Bereich von 5 microm bis 100 microm in einigen Faumlllen auch daruumlber liegen Sie sind damit bezuumlglich der mittleren Plaumlttchendurch-messer wesentlich groumlszliger als die Wellenlaumlnge des sichtbaren Lichtes Die Dicke der Plaumlttchen liegt von einigen Ausnahmen abgesehen unter 1 microm ebenso wie die Dicke der Interferenzschichten Demzufolge weisen Effektpigmente in der Regel ein hohes Aspektverhaumlltnis auf (Verhaumlltnis der lateralen Ausdehnung einer Struktur zu ihrer Houmlhe) welches bis zu 200 betragen kann

Interferenzpigmente ndash Wie die Farben entstehen

Die Farbe von Interferenzpigmenten haumlngt von der Schichtdicke der Metalloxidbeschichtung und dem Einstrahlungs- und Betrachtungswinkel ab Beide Parameter bestimmen die effektive optische Weg-

laumlngendifferenz fuumlr das einfallende weiszlige Licht zwischen oberer und unterer Grenzflaumlche und die somit auftretenden Interferenzfarben siehe Bild 3

Interferenzpigmente zeigen somit einen aus-gepraumlgten bdquoFarbflopldquo Die Winkelabhaumlngigkeit der Farbe wird hierbei auch als Goniochromasie bezeichnet Richtig bunt geht es zu wenn ein Interferenzpigment auf einen bereits bunten Untergrund aufgebracht wird Die Transparenz der Pigmente laumlsst die Untergrundfarbe durch-

Bild 2 Schematische Diagramme zum spektralen Verhalten verschiedener Pigmenttypen

Bild 3 Die Schichtdicke der Metalloxidbeschichtung und der kombinierte Einstrahlungs- und Betrachtungswinkel bestimmen die optische Weglaumlnge und somit die sich ergebenden Interferenzfarben in Reflexion und Transmission

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PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4Das Jahr des Lichtes

Bild 5 Die Effekte Spar-kling (1) und Coarseness (2) des Effektpigmentes Xirallicreg Crystal Silver in einer vergroumlszliger-ten Aufnahme auf weiszligem (links) und schwarzem Hinter-grund (rechts)

scheinen im Glanzwinkel wird sie aber von der Interferenzfarbe uumlberstrahlt wie dies in Bild 4 zu sehen ist

Der Effekt eines Helligkeitsunterschiedes unter verschiedenen Betrachtungswinkeln wird als Helligkeitsflop bezeichnet und ist an sich nichts Neues Sind jedoch die einzelnen Pigmentteilchen

aufgrund ihrer planaren Reflexionsoberflaumlchen in gerichteter Beleuchtung direkt beobachtbar was fuumlr mittlere Teilchengroumlszligen von 30 microm und groumlszliger der Fall ist so ergibt dies einen Effekt welcher mit dem Begriff Sparkle (Glitzern Funkeln) bezeichnet wird (Bild 5) Aumlndert sich die Beleuchtung von einer gerichteten Einstrahlung wie es an einem wolkenlosen sonnigen Sommertag der Fall ist hin zu einer diffusen ungerichteten Einstrahlung wie an einem stark bewoumllkten Herbsttag so verschwin-det das Sparkling der Pigmente und verwandelt sich in eine Koumlrnigkeit der Oberflaumlche Dieses optische Phaumlnomen wird als Coarseness (Bild-koumlrnigkeit) bezeichnet und ist unabhaumlngig vom Betrachtungswinkel (Bild 5)

Als neuer Archetypus des Sparkle-Begriffes haben sich in den letzten Jahren die Xirallicreg Pig-mente (High Chroma Chrystal Effect Pigments) der Firma Merck KGaA entwickelt Durch die Beschich-tung von Aluminiumoxidplaumlttchen mit hochbre-chenden Metalloxiden und einer optimierten Dicke und Ebenheit aller am Pigment beteiligten Schich-ten entstehen auszligergewoumlhnlich stark reflektierende Effektpigmente die einen besonders intensiven Sparkle-Effekt aufweisen Man spricht hierbei auch von sogenanntem Living Sparkle welcher sich in einem scheinbaren bdquoTanzenldquo der leuchtenden Punkte in der Probenoberflaumlche bei Veraumlnderung der Beobachtungsgeometrie aumluszligert [7 8]

Generell gilt dass die Farbe von Objekten mit Effektlackierung nicht mehr wie jahrzehntelang uumlblich und ausreichend mit konventionellen Farb-messgeraumlten mit nur einer festen Messgeometrie wie z B in der 45deg 0deg Geometrie (Einstrahlung unter 45deg Reflexionsmessung unter 0deg) bestimmt werden kann Dieser Umstand wird sehr gut durch die Grafik in Bild 6 illustriert Dargestellt sind die winkelabhaumlngig gemessenen Farbkoordinaten von drei verschiedenen keramischen Farbstandards der Farben rot gruumln und blau sowie eines mit dem Effektpigment Viola Fantasy der Firma Merck lackierten Blechs Der Einfallswinkel des Lichts auf die Proben betrug hierbei immer 45deg zur Oberflauml-chennormalen Das von den Proben reflektierte Licht wurde an 26 Positionen in einem 5deg Raster in planaren die Oberflaumlchennormale enthalten-den Messgeometrien im Winkelbereich von ndash70deg bis +70deg aufgenommen Bei den aus absorptiven Pigmenten bestehenden Keramiken zeigt sich eine nur sehr geringe Winkelabhaumlngigkeit der Farbe welche groumlszligtenteils auf unterschiedlicher winkelabhaumlngiger Helligkeit d h den Glanzeigen-schaften der Oberflaumlche beruht Das Effektpigment dagegen zeigt einen extremen winkelabhaumlngigen Farb-Flop (Goniochromasie) welcher einen Farbverlauf von Gruumln uumlber Rot-Gelb hin ins Blau-Violett bietet

Aber auch die neuen Lackfarben aus der Gruppe der Effektlackierungen muumlssen messtechnisch

Bild 4 Merck-Xirallicreg-Solaris-Red-Effektpigmente appliziert auf einem mit Standard-Ab-sorptionspigmenten hellblau lackierten Metallblech In Rich-tung des Glanzwin-kels auf der rechten Seite zeigt sich der langsame Aufbau der winkelabhaumlngigen Interferenzfarbe

1

Bild 6 CIELab Farbkoordinaten einer winkelabhaumlngigen Reflexionsmessung an vier verschiedenen Proben drei Keramiken der Farben rot gruumln blau und eine Effektpigmentlackierung mit Merck Colorstreamreg Viola Fantasy Das untergelegte Farbschema zeigt naumlherungsweise die den Koordinaten entsprechende Farbe

2

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Effektpigmente hellipPTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4

Abbildungsoptik Messungen der ortsaufgeloumlsten Leuchtdichte auf einer Laumlngenskala bis hinab zu 28 microm auf der zu untersuchenden Probe siehe Bild 8

Mit der Zeilenkamera sind Messungen von kompletten Reflexionsspektren im sichtbaren Spektralbereich zwischen 380 nm und 780 nm dem sogenannten V(λ)-Bereich auf einer Zeit-skala von 2 Minuten moumlglich Hieraus lassen sich dann Farbkoordinaten der untersuchten Proben in den unterschiedlichsten Farbraumsystemen berechnen Eine absolute Messung in 114 Win-kelkombinationen (siehe Bild 9) im Polarwinkel-

erfasst und ruumlckgefuumlhrt werden um eine gleich-bleibende Qualitaumlt in der Produktion gewaumlhrleis-ten zu koumlnnen Gerade diese vielfaumlltigen zusaumltz-lichen Eigenschaften stellen die Farbmesstechnik vor neue Herausforderungen

Farbmessung

Bisherige kommerzielle Farbmessgeraumlte charakte-risieren Probenoberflaumlchen fast ausschlieszliglich in den eben schon erwaumlhnten sogenannten in-plane Reflexionsgeometrien Dabei liegen die Richtun-gen des eingestrahlten und des reflektierten Lichts sowie die Oberflaumlchennormale der Probe in einer Ebene Diese Einschraumlnkung entspricht jedoch in keiner Weise der taumlglichen Realitaumlt bei der Oberflaumlchen aus beliebigen Richtungen beleuchtet und betrachtet werden Seitens der Messgeraumlteher-steller und Anwender gibt es daher einen Trend zur erweiterten Charakterisierung bezuumlglich zusaumltzlicher Winkelkombinationen im dreidimen-sionalen Raum Spitzenreiter dieser Entwicklung am Markt ist derzeit ein tragbares Mehrwinkel-Spektralphotometer mit insgesamt 19 verschie-denen Reflexionsgeometrien [9] Hiermit scheint aber auch das Ende dieser Entwicklung im Bereich der portablen handgefuumlhrten Geraumlte erreicht Der Wunsch der Anwender geht aktuell wieder zuruumlck zu einer geringeren Anzahl von Winkelkombi-nationen denn es ist unklar wie man aus dem Mehr an winkelaufgeloumlsten Reflexionsdaten die fuumlr die Charakterisierung der Farbeigenschaften relevanten Informationen gewinnen kann Daher stellt sich die Frage welches sind bdquoguteldquo d h an die Messaufgabe adaptierte optimal geeignete Messgeometrien

Um diese Frage zu beantworten betreibt die AG 424 bdquoReflexion und Transmissionldquo der PTB zwei roboterbasierte Gonioreflektometer die eine winkelaufgeloumlste Reflexionsmessung in beliebi-gen bidirektionalen Geometrien ermoumlglichen [10ndash12] Diese beiden Apparaturen sind in Bild 7 dargestellt

Das Standard-Gonioreflektometer ist hierbei das nationale Normal fuumlr die Messgroumlszlige spektraler Strahldichtefaktor in gerichteten Geometrien Es dient der Realisierung Bewahrung und Weiter-gabe der gerichteten Reflexionsskale in Form von Kalibrierungen Die zweite Apparatur bezeich-net mit dem Acronym ARGon3 (3D Appearance Robot-based Gonioreflectometer) ist ein flexibles Forschungsgeraumlt mit dem experimentelle Unter-suchungen u a im Rahmen des EMRP-Projektes Multidimensional Reflectometry for Industry der EU [13] durchgefuumlhrt werden Im Ver gleich zum Standard-Gonioreflektometer ist dieses Geraumlt mit einer photometrischen Leuchtdichteka-mera und einer Zeilenkamera ausgeruumlstet Die Leuchtdichtekamera erlaubt mit einer speziellen

Bild 7 Die beiden roboter-basierten Gonio-reflektometer der PTB oben Standard-Gonioreflektometer fuumlr Kundenkalibrie-rungen unten ARGon3-Messplatz fuumlr Forschungsanwen-dungen

Bild 8 Visualisierung desSparkling-Effektesvon Xironareg-Volcanic-Sparks-Pigmenten als Falschfarben-darstellung der ortsaufgeloumlsten LeuchtdichteDie bdquoNadelnldquo zeigendie Position derPigmente an

Bild 9 Beispielgeometrien zur Messung der winkelabhaumlngigen Reflexionseigen-schaften Realisiert wurden 4 Einstrah-lungsrichtungen (rote Pfeile) mit jeweils 114 Reflexionswinkeln (schwarze Punkte) im Bereich der Viertel-kugel oberhalb der Probenoberflaumlche

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PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4Das Jahr des Lichtes

bereich 0deg bis 70deg gleichmaumlszligig verteilt uumlber den Viertelraum oberhalb der Probe dauert hierbei ca 4 Stunden [14] Die so erhaltenen Daten bilden die Basis fuumlr kuumlnftige Verbesserungen in der Mess-technik fuumlr Anwender und Hersteller

Im Rahmen des EMRP-Projektes Multidimen-sional Reflectometry for Industry [13] sind damit die winkelabhaumlngigen Reflexionsspektren von insgesamt 66 verschiedenen Effektpigmentproben gemessen worden [15 16] Bei den vier verschie-denen Einstrahlungsrichtungen verbunden mit jeweils 114 Reflexionswinkeln im Bereich der Vier-telkugel oberhalb der Probenoberflaumlche ergeben sich somit uumlber 30000 Reflexionsspektren

Zielsetzung der Untersuchungen ist die Ver-besserung der Metrologie zur Materialcharak-terisierung mit reduzierter Messunsicherheit Dazu werden neue Messvorschriften und neue Standardmessartefakte entwickelt mit denen die Industrie die visuelle Wahrnehmung der von ihr produzierten Oberflaumlchen gezielt charakterisie-ren und kontrollieren kann Solche Messungen sollten einfach auszufuumlhren sein und die Ergeb-nisse muumlssen soweit wie moumlglich mit der visuellen menschlichen Wahrnehmung korrelieren Im europaumlischen und internationalen Rahmen sollen die Ergebnisse in die Normung einflieszligen um die allgemeine Vergleichbarkeit solcher Messungen zu gewaumlhrleisten

Literatur

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[2] Mark D Fairchild Color Appearance Models2nd Ed John Wiley amp Sons Ltd 2005

[3] Colorimetry Understanding the CIE Systemed by J Schanda Wiley-Interscience NJ 2007

[4] WR Cramer Der richtige Blickwinkel Farbe amp Lack 092006 26ndash30 2006

[5] G Zaltman How Customers Think EssentialInsights into the Mind of the Market HarvardBusiness Review Press 2003

[6] DIN ISO 18451-12015-11 Pigmente Farbstof-fe und Fuumlllstoffe ndash Begriffe ndash Teil 1 AllgemeineBegriffe

[7] WR Cramer Ohne Glimmer aber mit GlanzFarbe amp Lack 042003 132ndash136 2003

[8] WR Cramer Es glitzert wie am SternenhimmelFahrzeug + Karosserie 0412 20ndash22 2012

[9] E Kirchner W Cramer Making sense of measure-ment geometries for multi-angle spectrophotome-ters Color Res Appl Vol 37 No3 186ndash198 2012

[10] D Huumlnerhoff U Grusemann A Houmlpe Newrobot-based gonioreflectometer for measuringspectral diffuse reflection Metrologia 43 S11ndashS162006

[11] A Houmlpe D Huumlnerhoff K-O Hauer Robot-basedgonioreflectometer Industrial Robotics Program-ming Simulation and Applications Low Kin-Huat Ed Pro Literatur-Verlag Mammendorf623ndash632 2007

[12] A Houmlpe T Atamas D Huumlnerhoff S TeichertK-O Hauer ARGon3 ndash bdquo3D Appearance Robot-based Gonioreflectometerrdquo at PTB Rev SciInstrum 83(4) 045102-1ndash045102-8 2012

[13] European Metrology Research Program ProjectIND52 bdquoxD-Reflectldquo Multidimensional Reflecto-metry for Industry wwwxdreflecteu(letzter Aufruf 03122015)

[14] T Atamas K-O Hauer A Houmlpe Appearancemeasurements of goniochromatic colours Predic-ting Perceptions Proceedings of the 3rd Internati-onal Conference on Appearance 149ndash154 2012

[15] A Houmlpe A Koo FM Verdu FB LeloupG Obein et al bdquoMultidimensional reflectometryfor industryrdquo (xD-Reflect) an European researchproject Proc SPIE 9018 Measuring Modelingand Reproducing Material AppearanceSPIE-ISampT Vol 9018 901804-1ndash901804-11 2014

[16] A Houmlpe K-O Hauer S Teichert D HuumlnerhoffC Strothkaumlmper Goniochromatic and Sparkleproperties of effect pigmented samples in mul-tidimensional configuration Proc SPIE 9398Measuring Modeling and Reproducing MaterialAppearance 2015 SPIE Proc Vol 9398 Appea-rance 93980O-1ndash7 2015

45

Die 50 Sitzung des Internationalen Komitees fuumlr das gesetzliche Messwesen (CIML) fand vom 20 bis 22 Oktober 2015 in Arcachon Frankreich statt Im Vorfeld der CIML-Sitzung fand ein ein-taumlgiges OIML-Seminar uumlber Countries and Econo-mies with Emerging Metrology Systems (CEEMS) statt uumlber das weiter unten berichtet wird

Das CIML ist der Lenkungsausschuss der OIML Es trifft sich jaumlhrlich und besteht aus je einem Repraumlsentanten der Mitgliedstaaten der korrespondierenden Mitglieder und den Vertre-tern internationaler und regionaler Organisa-tionen die als Beobachter teilnehmen koumlnnen Das CIML ist zustaumlndig fuumlr die Vorbereitung und Durchfuumlhrung der Entscheidungen der Konfe-renz die alle vier Jahre stattfindet Es uumlberwacht die Arbeiten der Technischen Komitees und Unterkomitees und des Internationalen Buumlros fuumlr das gesetzliche Messwesen (BIML) in Paris

An der 50 CIML-Sitzung nahmen 144 Teilneh-mer aus 43 Mitgliedstaaten und 13 korrespondie-renden Mitgliedstaaten teil Zur deutschen Dele-gation gehoumlrten neben den o g Autoren auch die Herren Johann Fischer Direktor des Landesamts fuumlr Mess- und Eichwesen Berlin-Brandenburg sowie Prof Olaf Kuumlhn Direktor des Thuumlringer Landesamts fuumlr Verbraucherschutz als Vertreter der Bundeslaumlnder Dr Peter Ulbig Leiter der Abteilung Wissenschaftlich-technische Quer-schnittsaufgaben der PTB und Prof Manfred Kochsiek Vizepraumlsident a D der PTB ehema-liger CIML-Praumlsident und Ehrenmitglied der OIML Frau Dr Anna Cypionka persoumlnliche Referentin des Praumlsidenten der PTB nahm am OIML-Seminar fuumlr CEEMS teil Vertreten waren auch wieder internationale und regionale Orga-nisationen zu denen die OIML Verbindungen unterhaumllt wie das Internationale Buumlro fuumlr Maszlig und Gewicht (BIPM) die GSO-GCC Standardiza-tion Organization (Saudi-Arabien) die Internatio-nal Laboratory Accreditation Cooperation (ILAC) und der Europaumlische Verband der Waagenherstel-ler (CECIP)

Alle Beschluumlsse der 50 CIML-Sitzung koumlnnen auf den Internetseiten der OIML aufgerufen werden [1 2]

Die wichtigsten Entscheidungen und Entwick-lungen werden nachfolgend vorgestellt

1 Personalangelegenheiten

Der Vertrag von Willem Kool als Assistant Director wurde um vier Jahre der Vertrag des BIML-Direk-tors Stephen Patoray um drei Jahre verlaumlngert

2 Einfuumlhrung des PG Workspace im Internet

In seinem Bericht im Zusammenhang mit der Etablierung des neuen Webauftritts der OIML hob der CIML-Praumlsident Peter Mason (UK) die erfolgreiche Einfuumlhrung des Workspace fuumlr Pro-jektgruppen hervor Durch die Online-Arbeit wird erwartet dass die technische Arbeit an neuen bzw zu revidierenden OIML-Dokumenten vereinfacht und insgesamt effizienter wird

3 Revision der technische Richtlinien fuumlr die OIML (B 6 Directives for OIML tech-nical work)

In einem neuen Projekt sollen die in den vergan-genen Jahren revidierten OIML-Richtlinien fuumlr die technische Arbeit erneut uumlberarbeitet werden um u a den Prozess der Entwicklung und Uumlber-arbeitung von OIML-Publikationen noch weiter zu beschleunigen und den neuen internetbasierten Technologien und Arbeitsweisen Rechnung zu tragen

4 Umfassende strukturelle Uumlberarbeitung des OIML Certificate System

Das CIML verabschiedete die Gruumlndung einer Projektgruppe mit der Aufgabe einer substan-ziellen Uumlberarbeitung des OIML-Zertifizierungs-systems das z Zt aus dem Basiszertifizierungs-system und dem MAA3 besteht Urspruumlnglich ausgehend von der Annahme die Akzeptanz des MAA-Zertifizierungssystem muumlsse verstaumlrkt werden eine groumlszligere Verbreitung finden und mehr Messgeraumltearten abdecken erscheint es

Aktuelles aus der OIML (Internationale Organisation fuumlr das Gesetzliche Messwesen)Bericht uumlber die 50 Sitzung des CIML in Arcachon FrankreichSusanne Ludwig Roman Schwartz

INTERNATIONALE ZUSAMMENARBEIT

Susanne Ludwig OIMLshyGeschaumlftsstelle der PTB EshyMail susanneludwigptbde

Dir u Prof Dr Roman Schwartz Vizepraumlsident der PTB deutsches Mitglied im Internashytionalen Komitee fuumlr das Gesetzliche Messwesen (CIML) und CIMLshyVizepraumlsishydent EshyMail romanschwartzptbde

3 Mutual Acceptance Arrangement (Abshykommen zur gegenshyseitigen Anerkennung von Bauartpruumlfungen)

46

PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4Internationale Zusammenarbeit

inzwischen sinnvoller und wurde so auch vom CIML beschlossen zum 112017 ein einziges OIML-Zertifizierungssystem einzufuumlhren Eine Projektgruppe (Certification System Project Group = CSPG) unter dem Vorsitz des CIML-Vizepraumlsi-denten Dr Roman Schwartz wurde damit beauf-tragt die notwendigen Dokumente und Prozedu-ren auszuarbeiten

5 OIML-Seminar fuumlr Countries and Economies with Emerging Metrology Systems (CEEMS)

Im Vorfeld der CIML-Sitzung wurde ein eintaumlgiges Seminar zum Thema Developing an OIML Package for Assistance to Countries with Emerging Metro-logy Systems (CEEMS) abgehalten In vier Sitzun-gen diskutierten 125 Teilnehmer aus 49 Laumlndern uumlber Moumlglichkeiten Laumlnder beim Aufbau von nationalen Metrologiesystemen zu unterstuumltzen In der ersten von Frau Dr Cypionka geleiteten Sitzung Capacity Building ging es um die allge-meinen Herausforderungen bei der Gestaltung von Programmen zur Foumlrderung von Handlungs-kompetenzen und Vermittlung von Wissen fuumlr die Metrologie In zwei weiteren Sitzungen wurden unter den Themen Helping CEEMS Improve Regulation in their Markets (Leitung Prof Dr Manfred Kochsiek) und New Ideas ndash Doing Legal Metrology Differently (Leitung Stuart Carstens

Suumldafrika) konkrete inhaltliche Loumlsungsvorschlaumlge vorgestellt und diskutiert Die Ergebnisse wurden in der 50 CIML-Sitzung vorgestellt und fanden ihren Niederschlag in der Resolution Nr 201510 [2] sie sollen auch noch auf den OIML-Webseiten veroumlffentlicht werden [1]

6 OIML-Publikationen

Folgende OIML-Publikationen wurden verabschiedet

R 139-3 Compressed gaseous fuels measuring systems for vehicles Part 3 Test report format

New Recommendation (R 145) Ophthalmic instru-ments mdash Impression and applanation tonometers

Alle OIML-Publikationen stehen im Internet frei zur Verfuumlgung [3]

Gleichzeitig wurde die Revision der folgenden OIML-Publikation beschlossen

Revision of R 79 Labeling requirements for prepackages

Folgende neue Projekte wurden verabschiedet

Revision des OIML-Dokuments B 6-1 Directives for OIML technical work

Bild 1 Teilnehmer der 50 Sitzung des Internationalen Komitees fuumlr Gesetz-liches Messwesen (CIML) in Arcachon Frankreich

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PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4 Aktuelles aus der OIML

TC 8SC 1 Revision R 71 Fixed storage tanks mdash General requirements

TC 8SC 1 Revision R 85 Automatic level gauges for measuring the level of liquid in stationary storage tanks

7 Personalien und Ehrungen

Die von Dr Seiler dem ehemaligen Leiter des Fachbereichs bdquoTechnische Zusammenarbeitldquo der PTB initiierte OIML-Auszeichnung fuumlr bdquoexzel-lente Beitraumlge von Entwicklungslaumlndern zum gesetzlichen Messwesenldquo ging in diesem Jahr an

bull Nam Hyuk Lim Director of Korea Testing Certi-fication und

bull The Metrology Department Saint Lucia Bureau of Standards

Die OIML-Medaille fuumlr besondere Verdienste um die OIML-Arbeit ging an Ngo Quy Viet Vietnam und Cartaxo Reis aus Portugal

8 Termine

Ein Gastgeberland fuumlr die 51 CIML-Sitzung und 15 OIML-Konferenz im Jahr 2016 konnte noch nicht bekannt gegeben werden es wird aber wahr-scheinlich wieder Frankreich sein Weitere OIML-Veranstaltungen und -Termine finden sich auf der OIML-Webseite unter [4]

9 Literatur

[1] httpswwwoimlorgen (letzter Aufruf 19112015)

[2] httpswwwoimlorgenstructurecimlpdf50-ciml-resolutions-englishpdf (letzter Aufruf 19112015)

[3] httpswwwoimlorgenpublicationsrecommen-dationspublication_viewp_type=1ampp_status=1

[4] (letzter Aufruf 19112015)[5] httpswwwoimlorgeneventscalendar

(letzter Aufruf 19112015)

48

TECHNOLOGIETRANSFER

E27-Scanner fuumlr UlbrichtkugelnMit dem besonders einfach ohne Umbau einsetzbaren E27-Scanner koumlnnen Anwender und Hersteller die Homogenitaumlt ihrer Ulbricht-kugeln bestimmen und die Ergebnisse zur Berechnung genauerer Lichtstroumlme und zur Dokumentation der Qualitaumlt ihrer Messungen nutzen

Hintergrund

Wie viel Licht eine Lampe insgesamt in alle Richtungen abstrahlt wird durch ihren Lichtstrom ausgedruumlckt Um den fuumlr die Bestimmung der Energieeffizienz von Lampen notwendigen Lichtstrom schnell zu er mitteln setzt die Lampenindustrie Ulbrichtkugeln ein An einer Stange in der Mitte der Ulbrichtkugel befindet sich eine E27-Lampen-fassung in die nacheinander die Lichtstrom-Normallampe und die zu kalibrierende Lampe eingeschraubt werden Das indirekt auf den Mess-kopf fallende Licht erzeugt einen Photostrom der im Idealfall propor-tional zu dem von der Lampe abgestrahlten Lichtstrom ist unabhaumlngig von der Richtung in die das Licht abgestrahlt wird

Dies ist jedoch bei einer ungleichmaumlszligigen Beschichtung der Kugel sowie bei einer im Laufe der Zeit nicht zu verhindernden Verstaubung nicht der Fall Deshalb wird mit einem Kugelscanner die Homogenitaumlt der Kugel regelmaumlszligig vermessen und ein Korrekturfaktor bestimmt der von der jeweiligen Abstrahlcharakteristik der zu untersuchenden Lampe abhaumlngt

Technische Beschreibung

Der Kugelscanner wird einfach in eine E27-Fassung geschraubt und das sonst fuumlr die Lampenversorgung eingesetzte Netzgeraumlt wird durch die Steuereinheit ersetzt Diese uumlbernimmt sowohl die elektrische Versor-gung als auch die Befehlsuumlbermittlung zum Kugelscanner Die Steuer-einheit wird via USB oder RS232 an einen Computer angeschlossen Das mitgelieferte Messprogramm stellt automatisiert alle gewuumlnschten Richtungen ein und speichert die zugehoumlrigen von der Steuereinheit gemessenen Photostroumlme des Photometers

Wirtschaftliche Bedeutungw

Fuumlr Lampenindustrie und Hersteller von Ulbrichtkugeln

bull Genauere Messung des Lichtstroms

bull Bestimmung des Zeitpunkts einer Neubeschichtung

bull Uumlberwachung beim Beschichten

bull Dokumentation des Zustands der Ulbrichtkugel

EntwicklungsstandDer E27-Kugelscanner wurde in der PTB entwickelt Er wird laufend fuumlr Kalibrierungen eingesetzt Die Technologie wurde an die Firma Czibula amp Grundmann transferiert und wird dort mit einer PTB-Lizenz gebaut und vertrieben wwwphoto-metercom

Ansprechpartner

Dr Bernhard SmandekBeauftragter fuumlr TechnologietransferTelefon +49 531 592shy8303Telefax +49 531 592shy69shy8303EshyMail technologietransferptbde

Dr Stefan WinterFachbereich Photometrie und Radiometrie

Abbildung des E27shyKugelscanners Eine stark fokussierende Lampe die computergesteuert in alle Richtungen leuchten kann

Vorteile

bull Schneller Einbau in E27shyFassung

bull Computergesteuertes Abscannen der gesamten Ulbrichtkugel

bull Flexible Messmoumlglichkeiten

bull Fuumlr genauere Lichtstromshymessungen

bull Wichtig fuumlr die Qualitaumltsshysicherung

PTBshyNummer 0172

wwwtechnologietransferptbde

49

PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4 Technologieangebote

Ansprechpartner

Dr Bernhard SmandekBeauftragter fuumlr TechnologietransferTelefon +49 531 592shy8303Telefax +49 531 592shy69shy8303EshyMail technologietransferptbde

Dr Stefan WinterArbeitsgruppe Solarzellen

PulsshyzushyCWshyKonverter

Umwandlung gepulster Laser-Strahlung in konstante StrahlungIn weiten Bereichen der optischen Metrologie ist eine Strahlungs-quelle von groszligem Nutzen die sich spektral vom UV-C bis ins mitt-lere IR durchstimmen laumlsst Lediglich Laser mit gepulster Strahlung erfuumlllen diese Anforderung bei ausreichend groszligem Ausgangssignal bisher luumlckenlos Femtosekunden-Lasersysteme waumlren aufgrund ihrer gut automatisierbaren und spektral weiten Durchstimmbarkeit die ideale Strahlungsquelle fuumlr z B radiometrische Anwendungen ndash wenn ihre Strahlung nicht gepulst waumlre

Durch das extreme Puls-Pausen-Verhaumlltnis von 10ndash5 entstehen hohe Spitzenleistungen die wiederum zu Saumlttigungseffekten bei Detek-toren und in der Folge zu nichtlinearem Verhalten fuumlhren koumlnnen Mit dem in der PTB entwickelten Puls-zu-CW-Konverter wird dieses Problem geloumlst

Technische Beschreibung

Bei dieser Methode werden Pulse gepulster Strahlungsquellen ausrei-chend hoher Repetitionsrate in CW-Strahlung umgewandelt Dabei wird jeder Puls in viele kleine Teilpulse aufgeteilt die auf unterschiedlich langen Wegstrecken unterschiedliche Laufzeiten erfahren Am Ausgang des Systems erscheinen sie dann zeitlich gleichmaumlszligig verteilt Realisiert wird dieser Puls-zu-CW-Konverter uumlber ein Glasfaserbuumlndel bei dem jede Einzelglasfaser eine individuell festgelegte Laumlnge besitzt

Mit der Entwicklung des Puls-zu-CW-Konverters wurde das ent-scheidende Manko beim Einsatz leistungsstarker Femtosekunden(fs)-Lasersysteme im Bereich der Metrologie beseitigt und erstmalig gepulste Laserstrahlung in CW-Strahlung umgewandelt Diese Neuentwicklung ermoumlglicht es nun herkoumlmmliche Monochromatorsysteme durch fs-Lasersysteme zu ersetzen die eine bis zu 1000-mal houmlhere spektrale Ausgangsleistung besitzen

Wirtschaftliche Bedeutung

Durch den neuen Puls-zu-CW-Converter koumlnnen in wirtschaftlich bedeutenden Bereichen wie z B der Photovoltaik der Photometrie der UV-Strahlungsmesstechnik und der Reflektometrie die Referenz- und Transfernormale mit einer deutlich reduzierten Messunsicherheit kali-briert werden Hier werden bislang wesentliche Messunsicherheitsan-teile durch zu geringe Strahlungsleistungen aus herkoumlmmlichen Mono-chromatorsystemen verursacht

Entwicklungsstand

Unter DE 10 2010 011 615 B4 wurde fuumlr den CW-Konverter ein Patent erteilt

Vorteile

bull Zeitliche Glaumlttung gepulster Laserstrahlung

bull Keine stoumlrenden Interferenzen

bull Nur minimale Absorption des Messsignals

bull Auch bei kuumlrzeren Wellenshylaumlngen ohne Ulbrichtkugel verwendbar

bull Kontinuierliche Verteilung des Ausgangspulses

bull Pulsvervielfachung

bull Houmlhere Strahlungsleistung

PTBshyNummer 0254

wwwtechnologietransferptbde

50

PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4Technologieangebote

50

Homogenisierung von Strahlungsquellen und Focal Plane Arrays (FPA)Ein neuartiges Verfahren ermoumlglicht softwaregestuumltzt eine deutlich verbesserte Kalibrierung von Mehrelement-Sensoren (FPA) und bildgebenden Systemen (Kameras) Bei flaumlchigen Strahlungsquellen kann zusaumltzlich eine gezielte Ansteuerung von Flaumlchenelementen zu einer bisher im Allgemeinen nicht erreichbaren Flaumlchenhomogenitaumlt fuumlhren

Technische Beschreibung

Flaumlchenstrahler dienen der Kalibrierung von ortsaufloumlsenden Strah-lungssensoren wobei davon ausgegangen wird dass die Emissionsflaumlche des Strahlers im Wesentlichen homogen bezuumlglich ihrer Strahldichte bzw Strahlungstemperatur ist Um kleine Inhomogenitaumlten eines Flaumlchenstrahlers zu charakterisieren ist es ein gaumlngiges Verfahren die Emissionsflaumlche punktweise mit einem Einzeldetektor abzutasten

Das neue PTB-Verfahren ist wesentlich schneller da es den Mehr-element-Sensor (FPA) das device-under-test selbst nutzt und damit immer ein Gesamtbild der Quelle aufnimmt Werden jetzt weitere Bilder zeilen- oder spaltenversetzt aufgenommen so erlaubt ein mathema-tischer Algorithmus bei nur drei Bildern eine komplette Charakterisie-rung des Sensors aber auch der Quelle

Sind Flaumlchenelemente der Strahlungsquelle einzeln ansteuerbar so ist es sogar moumlglich mittels der ermittelten Korrekturwerte zu Strahlquellen extrem hoher Homogenitaumlt im on-line-Betrieb zu gelangen

Wirtschaftliche Bedeutung

Bildgebende Strahlungssensoren und homogene Strahlungsquellen sind relevant fuumlr die Forschung und Entwicklung fuumlr die Prozesstechnik fuumlr die Charakterisierung der Energieeffizienz von Bauten bei der Ent-wicklung neuer Bauteile mit hoher thermischer Belastung und in vielen weiteren Bereichen Der mathematische Algorithmus ist aber auf unter-schiedliche Arten von Kamerasystemen anwendbar und damit auch fuumlr die Qualitaumltssicherung von CCD-Kameras bis hin zum Konsumguuml-termarkt anwendbar EntwicklungsstandEine deutsche Patenterteilung erfolgte im September 2015 Eine PCT-Anmeldung ist anhaumlngig Kooperations- und Lizenzpartner aus den Bereichen Thermografie Radiometrie und Photometrie zur Umsetzung des Konzeptes werden gesucht

Ansprechpartner

Dr Bernhard SmandekBeauftragter fuumlr TechnologietransferTelefon +49 531 592shy8303Telefax +49 531 592shy69shy8303EshyMail technologietransferptbde

DiplshyIng Berndt GutschwagerArbeitsgruppeInfrarotshyStrahlungsthermometrie

Stahlungsmessplatz der PTB zur Kalibrierung von Temperaturstrahlern und Waumlrmebildkashymeras

Vorteile

bull Schnelle Kalibrierung von Flaumlchensensoren (FPA)

bull Schnelle Kalibrierung von Flaumlchenstrahlern

bull Strahlquellen houmlchster Hoshymogenitaumlt

bull Fuumlr Thermografie und Phoshytometrie

PTBshyNummer 00374

wwwtechnologietransferptbde

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Printed in Germany ISSN 0030-834X

Die fachlichen Aufsaumltze aus dieser Ausgabe der PTB-Mitteilungen sind auch online verfuumlgbar unterdoi 10779531020150499

Die Physikalisch-Technische Bundesanstalt das nationale Metrologieinstitut ist eine wissenschaftlich-technische Bundesoberbehoumlrde im Geschaumlftsbereich des Bundesministeriums fuumlr Wirtschaft und Energie

mitteilungen

Impressum

Die PTB-Mitteilungen sind metrologisches Fachjournal der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt Braunschweig und Berlin Als Fachjournal veroumlffentlichen die PTB- Mitteilungen wissenschaftliche Fachaufsaumltze zu metrologischen Themen aus den Arbeitsgebieten der PTB Die PTB-Mitteilungen stehen in einer langen Tradition die bis zu den Anfaumlngen der Physikalisch-Technischen Reichsanstalt (gegruumlndet 1887) zuruumlckreicht

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Physikalisch-Technische BundesanstaltBraunschweig und BerlinNationales Metrologieinstitut

Die Physikalisch-Technische Bundesanstalt das nationale Metrologieinstitut ist eine wissenschaftlich-technische Bundesoberbehoumlrde im Geschaumlftsbereich des Bundesministeriums fuumlr Wirtschaft und Energie

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PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4Das Jahr des Lichtes

betrieben Das Foto in Bild 6 zeigt dieses seinerzeit sogenannte bdquoMini-Goniophotometerldquo

Die Messtechnik entsprach nahezu vollstaumln-dig dem groszligen Kardan-Goniophotometer bis hin zum Signalfluss einschlieszliglich Spannungs-Frequenzwandler und nachgeschalteten Zaumlhlern Damit sind alle Aspekte dieser Apparatur bereits in Abschnitt 221 diskutiertIm Jahre 2007 wurde dieses Instrument durch ein spezielles Goniophotometer fuumlr die Messung von LEDs ersetzt siehe auch Kapitel Metrologie fuumlr moderne Lichtquellen LEDs und OLEDs [10]

23 Roboter-Goniophotometer (2006 bis heute)

Am Ende der 1990er-Jahre wurde die Planung eines neuen Goniophotometertyps mehr und mehr konkret Nahezu gleichzeitig entschied sich die PTB fuumlr den Neubau eines modernen Gebaumludes fuumlr die Abteilung Optik dem heutigen Albert-Einstein-Bau Infolge dieses Zusammentreffens

beider Ereignisse konnte bei der Planung das neue Gebaumlude quasi um das neue Roboter-Goniopho-tometer herum geplant und spaumlter auch so gebaut werden

In 19951996 zeigte G Sauter dass Gonio-photometrie mittels Robotern moumlglich ist und erhebliche Vorteile gegenuumlber den bisher verwendeten Kardan-Goniophotometern auf-weist [8] Wie weiterhin in [8] beschrieben sind sogenannte Service-Roboter gut geeignet um ein Roboter-Goniophotometer zu realisieren Diese zeichnen sich durch eine schlanke Konstruktion mit langen Armen bei gleichzeitig relativ gerin-gem Gewicht aus Sie verfuumlgen uumlber eine hohe Flexibilitaumlt um beispielsweise ein Photometer auf gewuumlnschten Bahnen mit unterschiedlichen Radien (1000 mm lt r lt 3000 mm) auf der fiktiven Kugeloberflaumlche um die Lampe herumzufuumlhren Jeder Roboter verfuumlgt uumlber 7 Freiheitsgrade (engl seven degrees of freedom 7 DOF) Dies garantiert die notwendige Flexibilitaumlt und das erforderli-che Arbeitsvolumen Zur Abdeckung des vollen Raumwinkels 4π sr sind daher 2 der beschriebenen Roboter notwendig Ein dritter aumlhnlicher Roboter positioniert dabei die zu untersuchende Lampe in der gewuumlnschten Brennstellung im Raum Alle Roboter-Basen sind direkt mit dem Stahlbeton des Gebaumludes verbunden um eine langzeitstabile raumlumliche Positionierung der Roboter zu gewaumlhr-leisten Bild 8 zeigt das Roboter-Goniophotometer waumlhrend der Messung einer LED-Signalleuchte

Im Gegensatz zu Kardan-Goniophotometern ist der Messradius variabel in dem alle 7 Achsen in entsprechende Positionen gebracht werden Wegen der groszligen Redundanz eines 7-DOF-Roboters kann die Zielposition einschlieszliglich Orientierung durch eine sehr groszlige Anzahl unter-schiedlicher Einstellungen der 7 Achsen erreicht werden Daher wird eine Strategie benoumltigt um die jeweilige Achs einstellung zu finden Diese

Bild 6 Kleines Kardan-Goniophotometer 1982ndash2007

Bild 7 Arm des Roboter-Goniophotometers

Bild 8 Roboter-Goniophotometer 2006 bis heute

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PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4 Kurze Geschichte der Goniophotometrie in der PTB

Strategie ist relativ simpel Sie besagt dass alle Achseinstellungen derart gefunden werden dass saumlmtliche Bestandteile des Roboters einen maxi-malen Abstand zum Zentrum des Roboters haben sollen um das von der Roboterstruktur reflektierte Streulicht moumlglichst gering zu halten Eine beson-dere Software ist notwendig um alle Achswinkel ausgedruumlckt in counts jedes Winkelencoders fuumlr jede Achse zu bestimmen um die gewuumlnschten Kugelkoordinaten (r ϑ φ) anzufahren Waumlhrend der Messung der zu untersuchenden Lampe liest das Roboter-Kontrollsystem alle 10 ms diese counts jeder Achse und versucht jede Achse entsprechend diese Vorgabe einzustel-len Nach dieser Einstellung welche fuumlr alle 7 Achsen gleichzeitig erfolgt werden die Ist-Winkel jeder Achse wiederum in counts synchron gelesen und mit den zugehoumlrigen photo-metrischen Daten und elek trischen Daten des Lampenbetriebs in eine Datenbank gespeichert Prinzipiell ist der Signal-fluss dem des in Abschnitt 221 beschriebenen groszligen Kardan-Goniophotometers sehr aumlhnlich Aber es gibt ein zusaumltzliches wichtiges Element den sogenannten Zeitstempel Da ein weit verteiltes Datenerfassungssystem vorliegt wird ein Mecha-nismus zur Datensynchronisierung in Form eines 1-Mhz-Taktes verwendet Dieser ist im gesamten System verfuumlgbar Beim Messungsstart synchron gestartete Zaumlhler erlauben daher die spaumltere Synchronisierung aller angefallenen Daten Wie beschrieben ist die Position jeder Achse und damit die Position und Orientierung des Photometers das Ergebnis eines Regelprozesses Somit ist es not-wendig die tatsaumlchliche Position und Orientierung des Photometers aus den gespeicherten Daten der Winkelencoder zu berechnen

In der Robotik ist es uumlblich einen Roboter des

verwendeten Typs wie eine biegesteife mechani-sche Kette mit sogenannten Denavit-Hartenberg-Parametern (DH-Parameter) zu beschreiben [9] Die Tabelle 1 zeigt diese DH-Parameter am Beispiel des Roboters 1

Mit diesen Parametern und den aktuellen Winkeln θi fuumlr jede Achse ist die Berechnung der Position bzw Orientierung der siebten Achse in Basis-Koordinatensystem des Roboters moumlglich Hierzu werden 7 Matrizen nach Gleichung (18) ver-wendet Jede Matrize beschreibt die Position (blau) und Orientierung (gruumln) jeder einzelnen Achse

Die PositionierungOrientierung der Achse 7 ergibt sich aus dem Vektorprodukt T1 T2 T3 T4 T5 T6 T7

Um jedoch die Koordinaten in Bezug auf das Koordinatensystem der fiktiven Kugel zu erhalten muumlssen 2 weitere aumlhnliche Matrizen verwendet werden Die sogenannte Base Frame Matrix F beschreibt die Positionierung und Orientierung des Roboter-Koordinatensystems zum Koor-dinatensystem der fiktiven Kugel waumlhrend die Matrix W die Positionierung und Orientierung des Photometers zur Achse 7 beschreibt Nun laumlsst sich die Position und Orientierung des Photome-ters P im Koordinatensystem der fiktiven Kugel mit Gleichung (19) beschreiben

P = F T1 T2 T3 T4 T5 T6 T7 W (19)

axisi Δθi offset to rotation around Z-axis

αi rotation around X-axis

di

translation in Z-axis

αi

translation in X-axis

1 ndash1438deg 45024deg 0000 mm ndash0400 mm

2 191088deg ndash90026deg 2686322 mm 0696 mm

3 178585deg 89996deg 274088 mm 0781 mm

4 6229deg ndash90022deg 1410499 mm 0474 mm

5 ndash0141deg ndash89955deg 173036 mm ndash0779 mm

6 ndash0924deg 90032deg 1191007 mm 0223 mm

7 180443deg 90007deg 91130 mm 0000 mm

Tabelle 1 DH-Parameter von Roboter 1

T

a

i

i i i i i i i i i i i

=

+( ) minus +( ) +( ) +cos sin cos sin sin cos∆ ∆ ∆ ∆θ θ θ θ α θ θ α θ θ(( )+( ) +( ) minus +( ) +sin cos cos cos sin sin∆ ∆ ∆ ∆θ θ θ θ α θ θ α θ θi i i i i i i i i i ia (( )

00 0 0 1

sin cosα αi i id

(18)

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PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4Das Jahr des Lichtes

Bild 9 zeigt die Achsenkoordinatensysteme (17) das Base-Frame-Koordinatensystem und das Koordinatensystem des Photometers zur Achse 7 in schematischer Weise Das Koordinatensys-tem der fiktiven Kugel faumlllt mit dem Zentrum des Goniophotometers zusammen und wird mit Center bezeichnet P ist jetzt auf dieses Center-Koordinatensystem bezogen Zusaumltzlich ist eine typische Bahn eingezeichnet Wegen des aller-dings nicht dargestellten Lampenhalters ist diese Bahn im oberen Bereich verdichtet um eine Kollision mit dem Lampenhalter zu vermeiden Wie bereits erwaumlhnt setzt die Verwendung von Gleichung (19) einen biegesteifen Roboter voraus der in der Praxis nicht existiert P ist also von statischen Gewichtskraumlften des Roboters dyna-mischen Kraumlften infolge der Bewegung als auch von thermischen Laumlngenaumlnderungen uumlberlagert Daher muss Gleichung (19) um eine entspre-chende Korrektur C erweitert werden Glei-chung (20) zeigt nun das endguumlltige Modell zur Bestimmung von P

wobei C

t tT Rθ θ

θ θ1 7

1 7 dd

dd amb

diese finale Korrektur basierend auf den Winkeln θ1θ7 aller Achsen ihren zeitlichen Ableitungen

dd

dd

θ θ1 7

t t

und der Umgebungstemperatur Tamb beschreibt

Der letzte Parameter R steht fuumlr einen groszligen Datensatz und beschreibt Eigenschaften des Roboters wie Abmessungen Teilmassen usw Die Berechnung von C() ist aufwendig und wurde vom Hersteller des Roboters ausgefuumlhrt Aus Gruumlnden des Wettbewerbs muss diese Berechnung vertrau-lich behandelt werden und kann daher hier nicht veroumlffentlicht werden Jedoch kann die Wirkung von C() beispielhaft auf den Messradius mitgeteilt werden (siehe Bild 10)

Die noumltige Radiuskorrektur rcorr bewegt sich im Bereich ndash2 mm lt rcorr lt 3 mm je nach Position (θ φ) des Photometers Der Aumlquatorbereich benouml-tigt eine groumlszligere Korrektur infolge hier wirksamer groumlszligerer Zentrifugalkraumlfte als die Polregion Der Radius selbst laumlsst sich dann aus der Positionssub-matrix von P bestimmen

Der Signalfluss stimmt im Wesentlichen mit dem wie in Bild 5 gezeigt uumlberein Prinzipiell kann der Lichtstrom mit den Gleichungen (11) und (10) berechnet werden da aber nun 2 Photometer benutzt werden muss dies fuumlr jede Hemisphaumlre also fuumlr jeden Roboter separat geschehen Die Gleichungen (21) und (22) demonstrieren das

Bild 9 Koordinatensystem des Roboter-Gonio-photometers und Beispielbahn

P Ct t

T R F T T T T T T=

sdot sdot sdot sdot sdot sdot sdot sdotθ θ

θ θ1 7

1 71 2 3 4 5 6

dd

dd amb TT W7 sdot

(20)

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PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4 Kurze Geschichte der Goniophotometrie in der PTB

fuumlr Roboter 1 Der Radius r1i befindet sich dabei innerhalb der Summation von Gleichung (22) Das Roboter-Goniophotometer ist zusaumltzlich mit einem Monitorphotometer ausgeruumlstet Dieses Photometer wird waumlhrend der Messung nicht bewegt ist aber staumlndig von einem fixen Punkt aus auf die zu untersuchende Lampe gerichtet und erlaubt somit die Korrektur einer moumlglichen Alterung der Lampe waumlhrend des Messprozesses als Funktion der Zeit (cmon(t1i))

Es w R

fyt

fi jj

ni j

i j1

1 1 11

1

1

11 0

12

1

=

( )sdot minus

=sumπ

ϕf g

q∆∆

∆

(21)

Φ1 1 1 12

1 1 1 12= sdot sdot sdot sdot ( ) sdot minus( )+c c r c ti i i ii

str spec mon cos cosπ ϑ ϑ==

minus

sum sdot0

1

1

1m

iE

(22)

Roboter 2 wird in gleicher Weise behandelt und der Lichtstrom ergibt sich somit aus der Summe von Φ1 und Φ2 korrigiert mit dem elektrischen Korrekturfaktor celec aus Gleichung (15)

Φ Φ Φ= sdot +( )celec 1 2 (23)

Die Bestimmung der Streulichtkorrektur cstr unter-scheidet sich methodisch von jener des Kardan-Goniophotometers Es ist schwierig Blenden zwischen Photometer und Lampe zu positionieren wie in [5] beschrieben Hier wird die Streulicht-korrektur cstr direkt aus der Leuchtdichteverteilung auf den Waumlnden des Messraums bestimmt Mit der Kenntnis der geometrischen und photometrischen Eigenschaften des Raumes der raumlumlichen Licht-staumlrkeverteilung der Lampe und dem verwendeten Streulichttubus vor dem Photometer lieszlige sich die Streulichtkorrektur cstr berechnen Hier jedoch wird diese Korrektur mit sogenannten Back-Loo-king-Photometern bestimmt [11]

Bild 11 zeigt ein Foto der bdquoRoboterhandldquo mit mon-tiertem Photometer und Back-Looking-Photometer Letzteres ist ein wenig schraumlg ausgerichtet um nicht im Bereich des Schattenwurfs des Photome-ters auf den Waumlnden zu messen

Bild 12 zeigt beispielhaft eine typische in finite Flaumlchenelemente gerasterte Streulichtsituation im Goniophotometermessraum wie sie durch die zu untersuchende Lichtquelle generiert wird Dieses Beispiel arbeitet mit finiten Flaumlchen der Groumlszlige 05 m middot 05 m um die Flaumlchen sichtbar zu machen Zur realen Berechnung werden Flaumlchen der Groumlszlige 01 m middot 01 m verwendet Natuumlrlich ist der Streulichtanteil auf der aktiven Flaumlche des

Bild 10Wirkung der Radiuskorrektur

Bild 11 Photometer (links) und Back-Looking-Photometer (rechts)

Bild 12 Wirkung des Streulichts und seine Bestimmung

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PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4Das Jahr des Lichtes

Photometers eine Funktion des Gesichtsfeldes des jeweils verwendeten Streulichttubus vor dem Photometer Derzeit werden 2 Tuben je nach Groumlszlige der Lichtquelle mit Oumlffnungswinkeln von ca 15deg und ca 225deg verwendet Ihre typischen Korrekturwerte betragen etwa 09995 und 09990 Da jeder Messroboter mit diesem Back-Looking-Photometer ausgeruumlstet ist kann so der Streulicht-anteil fuumlr jedes Photometer bestimmt werden Da die Back-Looking-Photometer bdquoruumlckwaumlrtsldquo gerichtet sind wird also jeweils die Streulichtkorrektur fuumlr den gegenuumlberliegenden Messroboter bestimmt Damit ist es moumlglich den Wert des Lichtstroms mit zugehoumlriger Messunsicherheit zu bestimmen Tabelle 2 illustriert Ergebnisse einer vereinfachten Monte-Carlo-Simulation (MC) am Beispiel einer OSRAM-Wi4-Lichtstrom-Normallampe Ihre Lichtstaumlrkeverteilung ist in Bild 13 wiedergegeben

Die MC basiert auf den folgenden Gleichun-gen (24) Werte der wichtigsten Beitraumlge zur Mes-sunsicherheit koumlnnen der Tabelle 2 entnommen werden Eine detailliertere Beschreibung der Roboter und Analyse der Messunsicherheit kann [12] entnom-men werden

Bild 13 Raumlumliche Lichtstaumlrkeverteilung einer OSRAM-Wi4-Lichtstrom-Normallampe

Quantity Symbol Value Uncertainty Unit Sensitivity Contribution lm Relative contribution

Luminous responsivity 1 s1 3065E-10 9195E-13 A lxndash1 188E+12 173 000150

Luminous responsivity 2 s2 4111E-10 12333E-12 A lxndash1 143E+12 177 000153

Spectral matching exponent 1 m2 y 0021 0015 1 20 030 000026

Spectral matching exponent 2 m2 y 0036 0015 1 18 027 000023

CCT or distribution temperature T 2762 10 K 0012 012 000011

Uncertainty in r Δr 0000 00020 m 901 180 000156

Calibration factor for frequency F cFH 1000 00005 1 1141 057 000049

Calibration factor for frequency ƒ cFD 1000 00050 1 104 005 000005

Voltage to frequency converter 1 w1 f 500849 25 Hz Vndash1 0012 031 000027

Voltage to frequency converter 2 w2 f 500561 25 Hz Vndash1 00118 029 000026

Amplification gain 1 R1 g 1000E+09 99996 Ω 6223E-07 006 000005

Amplification gain 2 R2 g 9997E+08 99966 Ω 5430E-07 005 000005

Calibration factor for cmon ccm 1000 00005 1 1162 058 000050

Correction factor for stray light cstr 09995 00005 1 1134 057 000049

Luminous flux Φ 11541 327 00028

Tabelle 2 Unsicherheitsbudget

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PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4 Kurze Geschichte der Goniophotometrie in der PTB

Somit ergibt sich zurzeit eine erweiterte Mess-unsichert von 056 fuumlr k = 2 Dies entspricht etwa der Messunsicherheit welche mit dem groszligen Kardan-Goniophotometer erreichbar war Im Unterschied zum Kardan-Goniophotometer (fester Messradius) verfuumlgt das Roboter-Goniophotometer jedoch uumlber die noumltige hohe Flexibilitaumlt (z B durch Variation des Messradius) die noumltig ist um kuumlnftige Anforderungen erfuumlllen zu koumlnnen Eben diese hohe Flexibilitaumlt fuumlhrt bei der Bestimmung des Messradius zu relativ groszligen Messunsicherheiten Hier koumlnnte die Verwendung einer Lookup-Table oder eine On-Line-Verfolgung mittels Tracer-Syste-men der Bahnen diese Unsicherheit verkleinernMittlerweile ist das Roboter-Goniophotometer voll-staumlndig charakterisiert und wird fuumlr beleuchtungs-staumlrkebasierte Lichtstromkalibrierungen und auch fuumlr internationale Vergleiche eingesetzt Damit werden auch die Anforderungen (15ndash17) erfuumllltIm naumlchsten Schritt wird das Roboter-Goniopho-tometer mit Leuchtdichtemesskameras ausgeruumlstet

werden um es als bdquoNahfeld-Goniophotometerrdquo einzusetzen Es wird dann die direkte Messung der Leuchtdichteverteilung erlauben aus welcher nahezu alle noumltigen photometrischen Groumlszligen abgeleitet werden koumlnnen Dieser kuumlnftige Schritt wird dann auch den letzten Punkt (18) der Anfor-derungen erfuumlllen

3 Zusammenfassung

Die Geschichte der Goniophotometrie in der PTB uumlber einen Zeitraum von mehr als 50 Jahren wird praumlsentiert Verschiedene Goniophotometer ange-fangen vom manuell bewegten Einarm-Goniopho-tometer mit visuellem Photometer uumlber das groszlige und kleine Kardan-Goniophotometer bis hin zum bdquoState-of-the-art-Roboter-Goniophotometerldquo fuumlr das 21 Jahrhundert werden beschrieben Das Letztere hat das Potenzial in der traditionellen Betriebsart aber auch im Nahfeldmodus uumlber viele Jahre eingesetzt zu werden Neu aufkommende

Quantity Symbol Value Uncertainty Unit Sensitivity Contribution lm Relative contribution

Luminous responsivity 1 s1 3065E-10 9195E-13 A lxndash1 188E+12 173 000150

Luminous responsivity 2 s2 4111E-10 12333E-12 A lxndash1 143E+12 177 000153

Spectral matching exponent 1 m2 y 0021 0015 1 20 030 000026

Spectral matching exponent 2 m2 y 0036 0015 1 18 027 000023

CCT or distribution temperature T 2762 10 K 0012 012 000011

Uncertainty in r Δr 0000 00020 m 901 180 000156

Calibration factor for frequency F cFH 1000 00005 1 1141 057 000049

Calibration factor for frequency ƒ cFD 1000 00050 1 104 005 000005

Voltage to frequency converter 1 w1 f 500849 25 Hz Vndash1 0012 031 000027

Voltage to frequency converter 2 w2 f 500561 25 Hz Vndash1 00118 029 000026

Amplification gain 1 R1 g 1000E+09 99996 Ω 6223E-07 006 000005

Amplification gain 2 R2 g 9997E+08 99966 Ω 5430E-07 005 000005

Calibration factor for cmon ccm 1000 00005 1 1162 058 000050

Correction factor for stray light cstr 09995 00005 1 1134 057 000049

Luminous flux Φ 11541 327 00028

Φ = sdot

sdot

+ sdot sdotminus

c JJ

TT

r r c c tm

m

i i

y

strA

cm monj

0

12

1

1

( ) ∆ (( )sdot minus( ) sdotsdot sdot minus

+=

minus=sumsum

cos cosFH FD

ϑ ϑ

ϕ

1 1 10

1 11

11

1

i ii

m jj

n

i jc F c∆ sdotsdot( )sdot sdot

+

+ sdot sdot (

f

s w R

TT

r r c c tm

i i

y

1 0

1 1 1

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2

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Acm mon∆ ))sdot minus( ) sdot

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2 2 10

1 11

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2

i ii

m jj

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i jc F c∆ ff

s w R

2 0

2 2 2

( )sdot sdot

f g

(24)

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PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4Das Jahr des Lichtes

Anforderungen fuumlr die Ruumlckfuumlhrung photome-trischer Einheiten wie beispielsweise im Solid-State-Lighting-Bereich koumlnnen so erfuumlllt werden

Literatur

[1] Y Ohno 1995 Realization of NIST Luminous Flux Scale Using an Integrating Sphere with an External Source CIE Proceedings 23rd Session New Delhi

[2] R Sewig 1938 Handbuch der Lichttechnik Band 1 pp 319 321 Berlin Springer Verlag

[3] D Foumlrste 1966 Zur Lichtstrommessung an Lam-pen mit ungleichmaumlszligiger Lichtverteilung PTB-Mitteilungen 166 pp 18ndash20 Braunschweig PTB

[4] D Foumlrste 1979 Ein Goniophotometer zur genauen Bestimmung des Lichtstroms Licht-Forschung 1 Jahrgang 379 pp 30ndash36 Heidelberg Huumlthig Verlag

[5] D Foumlrste 1980 Elimination des Fremdlichts bei der Lichtstrombestimmung mit dem Gonio-photometer Licht-Forschung 2 Jahrgang 180 pp 27ndash29 Heidelberg Huumlthig Verlag

[6] W Erb 1997 PTB Network for realization and maintenance of the candela Metrologia 3497 pp 115ndash124 Bristol UK

[7] G Sauter 1996 Kalibrierung von Lichtstaumlrke-Normallampen und Angabe der Messunsicherheit PTB interner Bericht Braunschweig PTB

[8] G Sauter 1996 Goniophotometry new calibra-tion method and instrument design Metrologia 32 (199596) pp 685ndash688 Bristol UK

[9] httpenwikipediaorgwikiDenavit-Hartenberg_Parameters (letzter Aufruf 03122015)

[10] M Lindemann 2009 Photometry and Colori-metry of Reference LEDs by Using a Compact Goniophotometer MAPAN ndash Journal of Metro-logy Society of India Vol 24 No 3 pp 143ndash152 New Delhi India

[11] G Bizjak 2009 Determination of Stray Light at the PTB Goniophotometer Facility MAPAN ndash Jour-nal of Metrology Society of India Vol 24 No 3 pp 163ndash173 New Delhi India

[12] M Lindemann et al 2015 Robot goniopho-tometry at PTB Metrologia 52 pp 167ndash194 Bristol UK

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PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4Das Jahr des Lichtes

1 Eine einleitende Beschreibung von Gluumlhlampen LEDs und OLEDs

Der Einsatz Licht Emittierender Dioden (LED) in der Allgemeinbeleuchtung hat in den vergangenen Jahren erheblich zugenommen Ein entscheiden-der Vorteil der LED gegenuumlber der traditionellen Gluumlhlampe liegt in ihrer uumlberlegenen Lichtaus-beute ηv ndash dem Verhaumlltnis des emittierten Licht-stroms Φv und der aufgenommenen elektrischen Leistung Pel angegeben in LumenWatt

Dieser Vorteil beruht auf den Unterschieden der zugrunde liegenden Technologien der Lichterzeu-gung beider Lampentypen Bei einer (Halogen-)Gluumlhlampe wird der Gluumlhfaden durch elektrischen Strom auf Temperaturen um 3000 K aufgeheizt Obwohl hierbei fast die gesamte elektrische Leis-tung in Strahlung umgewandelt wird ndash Verluste durch thermische Konvektion oder Waumlrmeleitung sind gering ndash kann das menschliche Auge lediglich einen geringen spektralen Anteil der ungefaumlhr 5 der Gesamtstrahlungsleistung ausmacht wahr-nehmen Der Groszligteil der Strahlungsleistung liegt im infraroten Spektralbereich und kann nicht fuumlr Beleuchtungszwecke genutzt werden In Bild 1 ist die spektrale Verteilung einer Gluumlhlampe bei einer Temperatur von 2856 K im Spektralbereich

von 300 nm bis 1200 nm dargestellt Das sichtbare Licht im Spektralbereich zwischen 360 nm und 830 nm ist mit den entsprechenden Spektralfarben hinterlegt Oberhalb 830 nm beginnt der fuumlr das menschliche Auge unsichtbare infrarote Anteil der Strahlung

Der fuumlr photometrische Messungen normativ festgelegte spektrale Hellempfindlichkeitsgrad V(λ) also die Hellempfindlichkeit des Auges eines bdquoNormalbeobachtersldquo ist mit seinem Maximum bei 555 nm schwarz eingezeichnet

Da die Gluumlhlampe eine thermische Strahlungs-quelle ist verschiebt sich mit zunehmender Tem-peratur die Lage des Strahlungsmaximums ent-sprechend des Wienschen Verschiebungsgesetzes zu kuumlrzeren Wellenlaumlngen Um die Lichtausbeute von Gluumlhlampen zu erhoumlhen muumlsste man das Strah-lungsmaximum durch Temperaturerhoumlhung in den kurzwelligeren Bereich des sichtbaren Lichts verschieben Die Maximaltemperatur ist jedoch bei Gluumlhfaumlden aus Wolfram auf etwa 3000 K begrenzt ndash bei houmlheren Temperaturen nimmt die Lebensdauer drastisch ab

Das Funktionsprinzip einer LED-Lichtquelle basiert auf dem Phaumlnomen der Elektrolumines-zenz Der prinzipielle Aufbau einer LED aumlhnelt einer pn-Halbleiterdiode Durch Anlegen einer Gleichspannung rekombinieren Ladungstraumlger in der p-n-Grenzschicht der Leuchtdiode unter Emission von Strahlung Durch gezielte Auswahl der verwendeten Halbleitermaterialien und ihrer Dotierung wird deren Bandluumlcke und somit die Farbe des emittierten Lichtes bestimmt Im Jahr 1992 gelang der Durchbruch in der Entwicklung hocheffizienter blauer LEDs die den Einsatz von LEDs zur Allgemeinbeleuchtung erst ermoumlgli-chen Die zugrunde liegenden Forschungsarbei-ten wurden 2014 mit dem Nobelpreis fuumlr Physik gewuumlrdigt [1]

Eine schmalbandige Lichtemission ist charak-teristisch fuumlr LEDs Dementsprechend verfuumlgt ihr Licht uumlber eine hohe Farbsaumlttigung Durch die Bedeckung des LED-Chips mit breitbandig pho-tolumineszierenden Farbstoffen wird ein Teil der Strahlung in energieaumlrmeres langwelligeres Licht konvertiert und es entstehen Mischfarben wie

Metrologie fuumlr moderne Lichtquellen LEDs und OLEDs Thorsten Gerloff

Thorsten Gerloff Arbeitsgruppe bdquoPhotometrieldquo EshyMail thorstengerloffptbde

Bild 1 Spektrale Verteilung einer Gluumlhlampe und spektraler Hellempfindlichkeitsgrad (V(λ)-Funktion)

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i Infokasten LED

Lichtausbeute einer Strahlungsquelle ηv

Die Lichtausbeute einer Strahlungsquelle gibt das Verhaumlltnis aus ausgestrahltem Lichtstrom und aufgenommener elektrischer Leistung an Die Einheit ist LumenWatt (lmW) Je houmlher die Lichtausbeute ist umso energieeffizienter ist die Beleuchtung Gluumlhlampen besitzen Lichtausbeuten zwischen 10 und 20 lmW

Lichtstrom Φv

Der Lichtstrom beruumlcksichtigt den Hellempfind-lichkeitsgrad V(λ) des Auges und gibt die in alle Raumrichtungen abgegebene bdquoLichtleistungldquo einer Lampe an Der Lichtstrom enthaumllt keine Information daruumlber wie die Lampe das Licht im Raum verteilt Der Lichtstrom gibt an wie hell ein beleuchteter Raum dem Menschen erscheint

Spektraler Hellempfindlichkeitsgrad V(λ)

Der exakt definierte spektrale Hellempfindlich-keitsgrad V(λ) ist eine Bewertungsfunktion fuumlr elektromagnetische Strahlung Hiermit wird der bdquoHelligkeitseindruck eines menschlichen Durch-schnittsaugesldquo berechnet Dies ermoumlglicht den objektiven Vergleich von Lichtquellen mit physika-lischen Messmethoden Subjektive Wahrnehmun-gen einzelner Menschen koumlnnen damit nicht exakt wiedergegeben werden

Aumlhnlichste Farbtemperatur TN

Es gibt unterschiedliche Farbtemperaturen in der Photometrie Verhaumlltnis- und Verteilungstem-peratur sind nur bei thermischen Strahlern wie der Gluumlhlampe anwendbar Nur die aumlhnlichste Farbtemperatur (englisch Correlated Colour Temperature CCT) laumlsst sich fuumlr Lichtquellen mit beliebiger spektraler Zusammensetzung berech-nen sofern die Normfarbwertanteile aumlhnlich einem thermischen Strahler sind Die aumlhnlichste Farbtemperatur wird in der Einheit Kelvin (K) angegeben Sie gibt an ob das Licht warmweiszlig (ca 3000 K) neutralweiszlig (ca 4500 K) oder tages-lichtweiszlig (gt5500 K) erscheint

Normfarbwertanteile (x y)

Fuumlr die Angabe von Farbe gibt es neben dem spek-tralen Hellempfindlichkeitsgrad V(λ)noch weitere definierte Bewertungsfunktionen Hiermit laumlsst sich die Farbwahrnehmung eines fiktive Normalbeob-achters aus der gemessenen spektralen Verteilung des Lichts durch Angabe von nur zwei Werten (x und y) angeben Diese Werte geben die Koordi-naten auf der Normfarbtafel (s Abbildung) an

Normfarbtafel

Farbwiedergabeindex Ra

Der Farbwiedergabeindex ist eine Kennzahl fuumlr Lichtquellen der bewertet die Qualitaumlt der Farb-wiedergabe Je houmlher der Wert desto besser ist die Farbwiedergabe Der Maximalwert liegt bei 100 Werte zwischen 90 und 100 geben eine ausgezeich-nete Farbwiedergabe an Werte unter 80 sind fuumlr viele Anwendungen nicht ausreichend

Im Folgenden soll ein kleiner Leitfaden gegeben werden der in allgemeinverstaumlndlicher Form die grundlegenden Ideen wichtiger lichttechnischer Groumlszligen erlaumlutern soll Komplexe Details der zugrunde liegenden Normen und Definitionen werden hierbei nicht beruumlcksichtigt

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PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4Das Jahr des Lichtes

Pastellfarbtoumlne oder auch weiszliges LichtIn Bild 2 sind die spektralen Verteilungen einer

LED mit und ohne Leuchtstoff abgebildet In der linken Abbildung erkennt man die schmalbandige blaue Emission des LED-Chips In der rechten Abbildung wird ein Teil dieser Strahlung durch einen Leuchtstoff in laumlngerwelliges Licht konver-tiert und die Mischfarbe erscheint weiszlig

Der Vorteil einer LED gegenuumlber einer Gluumlh-lampe bezuumlglich der Lichtausbeute ist offensicht-lich Es wird ndash von unvermeidbarer thermischer Verlustleistung abgesehen ndash nur Strahlung im sichtbaren Wellenlaumlngenbereich emittiert Daruumlber hinaus ist die Farbe des Lichts von LEDs durch Kombination verschiedener Leuchtstoffe und LEDs nahezu beliebig einstellbar und man ist nicht auf aumlhnlichste Farbtemperaturen von ca 3000 K wie bei der Gluumlhlampe begrenzt

Allerdings gibt es auch Nachteile gegenuumlber dem Licht einer Gluumlhlampe Dem typischen Spektrum einer LED-Lichtquelle fehlen im Gegensatz zu Sonnenlicht oder Gluumlhlampenlicht einzelne Spekt-ralfarben Dies macht sich negativ bei der Qualitaumlt der Farbwiedergabe bemerkbar

Die Farbe des emittierten Lichts einer LED laumlsst sich durch additive Farbmischung sehr aumlhnlich zu Sonnenlicht oder auch Gluumlhlampenlicht einstellen Wenn jedoch Objekte mit Licht beleuchtet werden kommt es auch auf die spektrale Zusammensetzung des Lichts an Nehmen wir einen Blumenstrauszlig aus roten Rosen der im Tageslicht steht Im Son-nenlicht sind alle Spektralfarben vorhanden und diese beleuchten die Rosen Die roten Bluumltenblaumltter absorbieren einige spektrale Anteile des Lichts und reflektieren im Wesentlichen rotes Licht welches in das Auge des Betrachters faumlllt Wenn die Rosen von einer anderen Lichtquelle beleuchtet werden in der die roten Spektralanteile zumindest teilweise fehlen koumlnnen diese nicht reflektiert werden und die Farben der Rosen erscheinen unnatuumlrlich

Dies ist von weitreichender Bedeutung fuumlr die Wahl einer geeigneten Lichtquelle da wir einen Kompromiss aus Licht mit guter Farbwieder-gabe und hoher Lichtausbeute schlieszligen muumlssen Licht mit hoher Farbwiedergabe setzt sich aus moumlglichst vielen Spektralfarben zusammen und Lichtquellen mit hoher Lichtausbeute sollten nur Spektralfarben beinhalten fuumlr die das menschliche Auge besonders empfindlich ist In den Auszligenbe-zirken vieler Staumldte werden zur Nachtbeleuchtung der Gehwege haumlufig Natriumdampflampen mit orangefarbenem Licht eingesetzt Die Lichtaus-beute dieser Lampen ist mit etwa 150 lmW auszligerordentlich hoch da das menschliche Auge in diesem Spektralbereich sehr empfindlich ist Diese Beleuchtung ist jedoch ungeeignet um Farben natuumlrlich wiederzugeben Aufgrund des Aufbaus des menschlichen Auges ist es also nicht moumlglich eine Beleuchtung mit sehr hoher Qualitaumlt der Farbwiedergabe bei gleichzeitig sehr hoher Lichtausbeute zu realisieren

Weiszlige LEDs zur Allgemeinbeleuchtung nutzen in der Regel Leuchtstoffe die teilweise qualita-tiv hochwertige Farbwiedergabeeigenschaften besitzen Eine weitere Methode zur Erzeugung von weiszligem Licht ist das Mischen von rotem gruumlnem und blauem Licht (RGB-Verfahren) welches die Grundlage jedes Displays ist Hierbei sind neben weiszligem Licht auch andere Lichtfarben moumlglich ndash die Farbwiedergabeeigenschaften sind allerdings schlecht Fuumlr die Endverbraucher sind in der Regel die Farbwiedergabeeigenschaften von Lichtquellen als Ra-Werte auf der Verpackung angegeben

Organische Licht Emittierende Dioden (OLED) sind eine junge Beleuchtungstechnologie die noch keinen Zugang zum Massenmarkt erhalten hat Die weltweit erste kommerzielle OLED-Leuchte wurde 2008 vertrieben Der fuumlr den Nutzer wesentliche Unterschied zwischen OLEDs und LEDs besteht im Aufbau Der leuchtende Kristall

Bild 2 Spektrale Verteilung einer blauen LED (links) und einer weiszligen LED (rechts) bei der ein Teil des blauen Lichts zu gelbem Licht konvertiert wurde

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PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4 Metrologie fuumlr moderne Lichtquellen

anorganischer LEDs besitzt eine maximale Kan-tenlaumlnge von etwa einem Millimeter Bei OLEDs wird das Licht in groszligflaumlchigen amorphen organi-schen Schichten erzeugt Momentan sind OLEDs mit leuchtenden Flaumlchen von bis zu 20 x 20 cmsup2 erhaumlltlich Das Licht wird aumlhnlich wie bei LEDs durch Ladungstraumlgerrekombination unter Auftre-ten von Elektrolumineszenz erzeugt Dabei ist das Emissionsspektrum der verwendeten organischen Emittermaterialien wesentlich breitbandiger als das einer LED (vgl Bild 3) Daher wird das weiszlige Licht von OLEDs in der Regel durch Verwendung von roten gruumlnen und blauen Emittermaterialien erzeugt ohne dass die Farbwiedergabeeigenschaf-ten sehr stark darunter leiden

2 Entwicklung von (O)LED-Transfer-normalen in der PTB

Eine der Kernaufgaben der PTB ist die Weiter-gabe der gesetzlichen Einheiten Bis zum heuti-gen Tage bieten Transfernormale in Form von speziellen Gluumlhlampen die besten Eigenschaften um als Maszligverkoumlrperung der Einheiten Candela oder Lumen zu dienen Da der Anwender in der Regel jedoch die Substitutionsmethode bei seinen Messungen anwendet um notwendige Korrektu-ren auf ein Minimum zu reduzieren (Gleiches mit Gleichem vergleichen) sind auch Transfernormale auf Basis der LED-Technologie von Interesse

Bereits in den 80er-Jahren des vergangenen Jahr-hunderts wurden LEDs in der PTB kalibriert Diese waren fuumlr Beleuchtungszwecke noch ungeeignet und dienten lediglich als Signallampen Zeitgleich wurden die ersten PTB-LED-Transfernormale entwickelt deren optische Eigenschaften durch thermische Regelung des LED-Chips stabilisiert wurden Die mechanische Ausrichtung der LEDs leistet aufgrund des typischerweise stark gerichteten Abstrahlprofils der LEDs einen groszligen Beitrag auf die Messunsicherheit Daher werden die LEDs seit

2002 in ein rotationssymmetrisches robustes VA-Stahl-Gehaumluse eingebaut welches sich sehr repro-duzierbar ausrichten laumlsst (vgl Bild 4)

Diese Transfernormale werden unter Konstant-Strom-Bedingungen und ndash durch gezieltes Aufhei-zen des LED-Chips durch den Heizwiderstand ndash unter Konstant-Spannung-Bedingungen betrieben Aufgrund der halbleitenden Eigenschaften sinkt mit steigender Temperatur die Betriebsspannung und sowohl der Lichtstrom als auch die Peakwellenlaumlnge des emittierten Lichts veraumlndert sich Die Sollspan-nung wird auf einen Wert festgelegt der unterhalb der Gleichgewichtsspannung durch Eigenerwaumlr-mung im Betrieb ohne Heizwiderstand bei einer Umgebungstemperatur von etwa 35 degC liegt Somit ist auch ein Einsatz der Transfernormale in Laboren ohne Klimatisierung moumlglich

Fuumlr LEDs mit houmlheren Leistungen wurde im Jahr 2011 ein weiterer Prototyp eines Transfernormals vorgestellt (vgl Bild 5) Da die hier verwendeten LEDs eine houmlhere Leistungsaufnahme besitzen werden sie waumlrmer Das reduziert die Lebensdauer und Reproduzierbarkeit der photometrischen

Bild 3 Exemplarische spektrale Verteilung einer weiszligen OLED

Bild 4 Temperaturgeregeltes LED-Transfernormal auf Basis von Kleinleistungs-LEDs mit Lichtstroumlmen von bis zu 10 Lumen

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PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4Das Jahr des Lichtes

Groumlszligen deutlich Daher muumlssen sie gekuumlhlt werden Hierfuumlr kommt bei diesen Normalen ein Peltier-Element zum Einsatz welches geregelt Waumlrme in einen dahinterliegenden Kuumlhlkoumlrper leitet und hierdurch das emittierte Licht stabilisiert Diese Transfernormale zeichnen sich durch ein geringes

Gewicht bei einer Laumlnge von ca 100 mm und einem Durchmesser von etwa 20 mm aus Allerdings ist die Verwendung von LEDs mit sehr hohen Leistun-gen nicht moumlglich da die Abwaumlrme lediglich passiv an den Raum abgegeben wird Eine detaillierte Beschreibung der Eigenschaften dieses Transfer-normals wurde 2012 veroumlffentlicht [2]

Fuumlr die thermische Stabilisierung von LEDs mit sehr hohen Leistungen wurde ein weiteres Trans-fernormal unter Einsatz von Peltier-Elementen Heatpipes und aktivem Kuumlhlsystem in der PTB entwickelt (vgl Bild 6)

Im Rahmen des europaumlischen Forschungspro-jekts OLED100eu wurde in der PTB weiterhin das weltweit erste Transfernormal unter Einsatz einer organischen Leuchtdiode entwickelt (vgl Bild 7) Dieses Normal wurde fuumlr den Einsatz in einer Ulbricht-Kugel konzipiert und in ein mattes Aluminiumgehaumluse eingebaut Eine Besonderheit dieses Normals ist die Stand-Alone-Versorgungs-einheit die ohne Rechner o auml saumlmtliche relevan-ten elektrischen und thermischen Groumlszligen regelt und auf einem USB-Stick speichert

3 LED-Messtechnik in der PTB

Neben LED-Transfernormalen mit guter Reprodu-zierbarkeit ist eine hochentwickelte Messtechnik fuumlr deren Kalibrierung mit minimaler Messunsi-cherheit erforderlich

Die photometrische Beschreibung von LEDs erfolgt durch Angabe ihrer Lichtstaumlrke ILED mit der Einheit Candela und ihrem Lichtstrom ΦLED mit der Einheit Lumen Diese Groumlszligen werden in der PTB unter Verwendung ruumlckgefuumlhrter Photometer bestimmt Hierfuumlr wird die Beleuchtungsstaumlrke ELED unter definierten geometrischen Bedingungen fuumlr alle Abstrahlrichtungen der LED mit einem Goniophotometer gemessen

Fuumlr die Bestimmung der colorimetrischen Werte kommen Spektralradiometer zum Einsatz Hiermit werden spektrale Bestrahlungsstaumlrken gemessen und daraus die abgeleiteten colorime-

Bild 5 Temperaturgeregeltes LED-Transfernormal auf Basis von Hochleistungs-LEDs mit Lichtstroumlmen von bis zu 100 Lumen Im rechten Bild ist die Temperaturverteilung in Grad Celsius waumlhrend des Betriebs abgebildet

Bild 6 Temperaturgeregeltes LED-Transfernormal auf Basis von Houmlchstleistungs-LEDs mit Lichtstroumlmen von bis zu 2500 Lumen

Bild 7 Temperaturgeregeltes OLED-Transfernormal auf Basis kommerziell erhaumlltlicher OLEDs

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PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4 Metrologie fuumlr moderne Lichtquellen

trischen Kenngroumlszligen wie z B die Normfarb-wertanteile (x y) bei weiszligen LEDs die aumlhnlichste Farbtemperatur TN mit der Einheit Kelvin und bei farbigen LEDs die dominante Wellenlaumlnge λdom berechnet Grundlegende Informationen und Definitionen uumlber die photometrischen und colorimetrischen Groumlszligen und deren Messung sind in [3] [4] und [5] zu finden

In Bild 8 ist der Aufbau des LED-Messplatzes an der PTB zu sehen Fuumlr die Bestimmung der Mess-groumlszligen in alle raumlumlichen Abstrahlwinkel wird die LED durch ein Goniophotometer bewegt

Die LED wird in horizontaler Betriebslage zentrisch normal zur Referenzebene des Photo-meterkopfes ausgerichtet Ein Translationstisch ermoumlglicht dabei eine Variation des Abstandes d zwischen Photometer und LED Eine horizontale Rotationsachse (φ-Achse) und eine senkrechte Rotationsachse (ϑ-Achse) die sich an der LED-Spitze im rechten Winkel schneiden erlauben durch Drehung der LED eine Bestimmung der Beleuchtungsstaumlrke ELED in alle Raumrichtungen Beide Rotationsachsen werden waumlhrend der Messung zeitgleich bewegt Hierdurch bewegt sich die relative Position der lichtempfindlichen Emp-faumlngeroumlffnung bezuumlglich des Schnittpunkts beider Drehachsen auf der Oberflaumlche einer virtuellen Kugel entlang einer Spiralbahn von bdquoPol zu Polldquo dieser Kugel

Die Bestimmung des Lichtstroms ΦLED erfolgt analog der Beschreibung in dem Kapitel Kurze Geschichte der Goniophotometrie in der PTB Der wesentliche Unterschied zu goniophotome-trischen Messungen an Gluumlhlampen besteht darin dass bei LED-Messungen die Lichtquelle typischerweise bewegt werden kann ohne dass sich ihre optischen Eigenschaften aumlndernAufgrund des stetig wachsenden Bedarfs an ruumlck-gefuumlhrten Kalibrierungen von High-Power-LEDs sind Masse und Abmessungen der Transfernor-male erheblich gestiegen Daher wurde der Mess-platz 2015 um ein weiteres Goniophotometer fuumlr schwere und groszlige Objekte erweitert (vgl Bild 9)

Neben den photometrischen Empfaumlngern befinden sich auch Einkoppeloptiken fuumlr Spekt-ralradiometer auf dem drehbaren Empfaumlngerka-russell Alle Empfaumlnger lassen sich hiermit auto-matisiert waumlhrend einer Messung zu den LEDs ausrichten Vor jeder LED-Kalibrierung werden die Spektralradiometer bezuumlglich Ihrer spektralen Empfindlichkeit und Wellenlaumlnge kalibriert Die entsprechenden Normallampen befinden sich neben dem Empfaumlngerkarussell (vgl Bild 10) und ermoumlglichen so ebenfalls eine automatisierte Messung

Den spektralen Messungen an LEDs kommt neben der Notwendigkeit fuumlr die Bestimmung colorimetrischer Kennzahlen noch eine beson-dere Bedeutung fuumlr die photometrischen Messun-

Bild 9 Goniophotometer fuumlr photometrische Messungen an Hochleistungs-LEDs

Bild 10 Entladungslampen mit verschiedenen Gasfuumlllungen dienen der Wellenlaumlngenka-librierung der Spektrometer Im Hintergrund ist eine Bestrahlungsstaumlrke-Normal-lampe fuumlr die spektrale Empfindlichkeitskalibrierung zu sehen

Bild 8 Goniophotometer fuumlr photometrische Messungen an Kleinleistungs-LEDs

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PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4Das Jahr des Lichtes

gen zu Wie in der Einleitung erklaumlrt unterscheiden sich die spektralen Verteilungen von LEDs und Gluumlhlampen deutlich voneinander Photometerkoumlpfe bestehen in der Regel aus einer Silizium-Photodiode deren spektrale Empfindlichkeit durch den Einsatz von Glasfiltern moumlglichst gut an den Hellemp-findlichkeitsgrad V(λ) angepasst wird Aufgrund internationaler Standardisierung wird die photo-metrische Empfindlichkeit von Photometerkoumlpfen fast ausschlieszliglich fuumlr Normlichtart A kalibriert In der Praxis werden hierfuumlr Gluumlhlampen mit einer Verteilungstemperatur von 2856 K verwendet Wenn man ein solches Photometer fuumlr Messungen an anderen Gluumlhlampen verwendet sind die spektralen Verteilungen meist so aumlhnlich dass nur geringe oder gar vernachlaumlssigbare Korrekturen aufgrund der spektralen Fehlanpassung also der Abweichung der realen spektralen Empfindlichkeit des Photometers von dem Hellempfindlichkeitsgrad notwendig sind Wenn man ein solches Photometer jedoch bei LEDs insbesondere farbigen LEDs einsetzt koumlnnen die Abweichungen aufgrund der spektralen Fehlan-passung sehr groszlig werden (gt10 fuumlr hochwertige Photometerkoumlpfe sind moumlglich)

Mit Kenntnis der relativen spektralen Verteilung der Leuchtdiode SLED(λ) und der relativen spekt-ralen Empfindlichkeit srel(λ) laumlsst sich die spektrale Fehlanpassung durch folgenden Korrekturfaktor cSpek korrigieren

cV S

s S

V P T

sSpek

LED

rel LED

A

rel

d

d

d=

( ) ( )( ) ( )

( ) ( )( )

intint

intλ λ λ

λ λ λ

λ λ λ

λ

intint ( )P Tλ λ A d

P(λ TA) beschreibt Lichtart A durch das Planck-sche Strahlungsgesetz fuumlr TA = 2856 K

Eine detaillierte Auflistung und Diskussion aller zu beruumlcksichtigenden Details bei Kalibrierungen von LEDs und das dazugehoumlrige Messunsicher-heitsbudget soll an dieser Stelle nicht gegeben werden Interessierte Leser koumlnnen hierfuumlr Infor-mationen in einer fruumlheren Veroumlffentlichung [6] oder in den Ergebnissen eines internationalen Vergleichs von LED-Messungen [7] finden

Fazit und Ausblick

Der Verzicht auf LEDs ist fuumlr Beleuchtungsan-wendungen nicht mehr vorstellbar Durch ihre kontinuierliche Weiterentwicklung erobern LEDs immer weitere Anwendungsfelder (z B Haus-halts- Straszligen- und Automobilbeleuchtung) mit denen der Endkunde in Kontakt kommt Bei diesen Anwendungen sind die Anforderungen an die Lichtquellen vielfaumlltig und fuumlr eine quantitative Beschreibung ihrer Eigenschaften muss auch die Messtechnik entsprechend umfassend und ausge-reift sein

Neben dem allgemeinen Forschungs- und Ent-wicklungsbedarf fuumlr bessere LED-Messverfahren und -geraumlte die die Grundlage ihrer technologi-schen Weiterentwicklung bilden gibt es eine weitere Herausforderung Aufgrund der nahezu unbe-grenzten Moumlglichkeiten eine bestimmte Lichtfarbe durch additive Farbmischung zu erhalten sind LEDs verschiedener Hersteller mit unterschiedlichen Emissionsspektren aber einer nominell gleichen aumlhnlichsten Farbtemperatur erhaumlltlich Dennoch ist teilweise ein Unterschied der Lichtfarbe mit bloszligem Auge erkennbar wenn sich unterschiedliche LEDs nebeneinander befinden

Es ist ungewoumlhnlich dass man ohne technische Hilfsmittel nominell gleiche Lichtfarben faktisch unterscheiden kann Um die Charakterisierung von LEDs soweit zu verbessern dass dies nicht mehr moumlglich ist ist einerseits eine Reduzierung der Messunsicherheit bei der Bestimmung der Normfarbwertanteile (Lichtfarbe) notwendig Andererseits muss man sich bewusst machen dass photometrische und colorimetrische Messverfahren auf rein physikalischen Zusammenhaumlngen basieren Individuelle menschliche Wahrnehmung und Sehen werden bei photometrischen Messungen nicht beruumlcksichtigt ndash diese werden durch Festlegung von exakt definierten Wichtungsfunktionen wie dem Hellempfindlichkeitsgrad fuumlr einen fiktiven Normalbeobachter ausgegrenzt Diese Wichtungs-funktionen koumlnnen gegebenenfalls auch noch optimiert werden um die objektive Beurteilung von Lichtquellen mit physikalischen Messmethoden zu verbessern Somit gibt es auch in Zukunft noch interdisziplinaumlre Herausforderungen fuumlr die Metro-logie moderner Lichtquellen

Literatur

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Effektpigmente hellipPTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4

Einleitung

Farbe ist fuumlr Menschen die wohl auffaumllligste sub-jektive Stoffeigenschaft Bereits den Fruumlhmenschen war diese visuelle Qualitaumlt bekannt deren Wahr-nehmung allen Primaten eigen ist So wurde 2008 in Suumldafrika eine ca 100000 Jahre alte steinzeitli-che bdquoMalerwerkstattldquo entdeckt [1] Auch heutzu-tage spielt Farbe in der Gestaltung unserer Umwelt eine wichtige Rolle Jedes Jahr praumlsentiert uns die Mode die neuen Farben der Saison Farben dienen zur Regelung des Verkehrs Ohne bunte Farben waumlre unsere Welt trist und oumlde

Es ist wichtig festzustellen dass Farbe ein physiologischer Sinneseindruck ist wie z B auch Tasten oder Riechen D h Farbe ist keine immanente physikalische Eigenschaft eines Gegenstandes wie z B seine Masse oder Waumlrme-leitfaumlhigkeit Die physiologische Wahrnehmungs-kette ist hierbei folgende Das vom betrachteten Gegenstand reflektierte Licht trifft auf das Auge und loumlst hierbei einen Farbreiz aus Dieser Farbreiz beruht auf der spektralen Zusammensetzung des empfangenen Lichts d h er ist abhaumlngig von der verwendeten Lichtquelle und dem spektralen Reflexionsvermoumlgen des betrachteten Objektes Die Anregung der licht- und farbempfindlichen Zellen in der Netzhaut fuumlhrt zu einer Farbvalenz die uumlber den Sehnerv an das Gehirn weitergeleitet wird Die eigentliche Farbempfindung die wir dann mit einem Gegenstand verknuumlpfen entsteht erst im Gehirn [2] Liegt z B eine Farbfehlsich-tigkeit vor so kann der Farbeindruck des betrof-fenen Menschen auch ein ganz anderer sein Auch viele Tiere mit ihren teilweise erheblich abweichenden visuellen Systemen nehmen Farbe ganz unterschiedlich als wir Menschen wahr Im Folgenden soll mit Farbe immer die Koumlrperfarbe auch Gegenstandsfarbe Objektfarbe bzw Oberflauml-chenfarbe genannt einer nicht selbstleuchtenden Flaumlche bezeichnet werden die durch Reflexion von Licht an einem Koumlrper entsteht

Die genannten Zusammenhaumlnge machen die mathematisch-physikalische Beschreibung von Farbe schwierig und aufwendig da auch die spe-zifischen Eigenarten der menschlichen Wahrneh-

mungskette nachgestellt werden muumlssen Diesem Umstand wird versucht uumlber die verschiedenen Farbmaszligsysteme Rechnung zu tragen welche die Farbe eines Objektes mithilfe von quantifizierba-ren Zahlenwerten kennzeichnen [3]

Generell koumlnnen farbige Flaumlchen je nach Tageszeit und Lichteinfall sehr unterschiedlich wirken Die Aumlnderungen basieren hierbei auf der unterschiedlichen spektralen Zusammenset-zung des Tageslichts und den winkelabhaumlngigen Glanz- und Struktureigenschaften von Oberflauml-chen Ganz besonders deutlich ist dies bei auf dem Interferenzeffekt basierenden Effektpigmenten der Fall Deren visuelles Erscheinungsbild im englischen mit Visual Appearance bezeichnet kann sich bei variierendem Beobachtungswinkel und unterschiedlichen Lichtverhaumlltnissen komplett veraumlndern Man spricht hierbei von sogenannten Flop-Lacken wobei man zwischen Hell-Dunkel-Flop und Farb-Flop unterscheiden kann [4]

Generell kann man sagen dass Farbe und visuelle Effekte einen entscheidenden Anteil am Verkaufserfolg eines Produktes haben denn Farben wecken Emotionen und verschiedene Neuro marketingstudien belegen dass ca 95 aller Kaufentscheidungen emotional gepraumlgt sind [5] Deshalb spielt eine moderne Farbgestaltung unter Nutzung aktueller Effektpigmente im Pro-duktdesign eine entscheidende Rolle denn durch den Einsatz solcher Pigmente kann Gegenstaumlnden eine houmlhere Attraktivitaumlt verliehen werden Daher findet man moderne Effektpigmente heutzutage in vielen teilweise sehr unterschiedlichen Indus-trieprodukten wie z B in Autolackierungen Haumluserfassaden Kosmetikartikeln oder sogar bei Pralineacutes wie dies in Bild 1 zu sehen ist

Pigmente

Als Pigmente aus dem Lateinischen kommend von pigmentum fuumlr bdquoFaumlrbestoff Schminkeldquo bezeichnet man aus Teilchen bestehende im Anwendungs-medium praktisch unloumlsliche Sub stanzen die als Farbmittel oder wegen anderer spezieller physika-lischer und chemischer Eigenschaften als funktio-nale Farbzentren verwendet werden [6]

Effektpigmente Eine Herausforderung fuumlr die optische Messtechnik

Egbert Buhr Alfred Schirmacher Andreas Houmlpe

Dr Egbert Buhr Fachbereich bdquoBildshy und Wellenoptikldquo EshyMail egbertbuhrptbde

Dr Alfred Schirmacher Arbeitsshygruppe bdquoReflexion und Transmissionldquo EshyMail alfredschirmacherptbde

Dr Andreas Houmlpe dagger ehemals Arbeitsgrupshype bdquoReflexion und Transmissionldquo

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PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4Das Jahr des Lichtes

In der Natur vorkommende anorganische Pig-mente sind schon seit praumlhistorischen Zeiten bekannt Schon die Menschen der Steinzeit benutzen mineralische Pigmente fuumlr die ersten Houmlhlenzeichnungen Sie erkannten dass sie mit unterschiedlichen Erdsorten farbig malen konnten Eisenoxidhaltige Erden liefern gelbrote bis braunrote Kalk und Gips weiszlige Mangan-oxide sowie Holz- und Knochenkohle schwarze Farbtoumlne

Aus heutiger industrieller Sicht ist ein Pigment ein fein aufgeteilter und unloumlslicher Feststoff mit der Hauptfunktion das Erscheinungsbild des verwendeten Mediums zu verbessern oder es zu faumlrben Pigmente werden dem Medium immer durch physikalisches Mischen beigegeben dies unterscheidet sie von Farbstoffen die in ihrem Medium loumlslich sind

Pigmente koumlnnen nach den optischen Prin-zipien ihrer Wechselwirkung mit Licht unter-schieden und in verschiedene Klassen eingeteilt werden Wichtige Pigmentklassen sind Weiszlig- Bunt- Schwarz- und Effektpigmente die alle wegen ihrer speziellen farbgebenden Eigenschaf-ten eingesetzt werden Bei den Effektpigmenten

kann in einer ersten vereinfachten Einteilung noch zwischen Metalleffekt- und den sogenannten speziellen Effektpigmenten unterschieden werden

Der Begriff bdquospezielle Effektpigmenteldquo umfasst die Gruppen der Perlglanzpigmente und der all-gemeinen Interferenzpigmente welche insbeson-dere bei aktuellen Pigmententwicklungen nicht scharf abgegrenzt werden koumlnnen Perlglanzpig-mente sind Effektpigmente die aus transparenten Plaumlttchen mit hohem Brechungsindex bestehen Sie erzeugen durch die spezielle Form der Mehr-fachreflexion des transmittierten Lichts an mehre-ren Pigmenten einen perlenaumlhnlichen Effekt bei dem die auftreffende Strahlung verteilt reflektiert wird wodurch der Eindruck einer mit der Tiefe abnehmenden diffusen Helligkeit entsteht Fuumlr das Auge ergibt sich so eine scheinbar dreidimen-sionale Glanzcharakteristik die aus der Tiefe des Objektes zu kommen scheint Interferenzpigmente dagegen sind Effektpigmente deren farbgebende Wirkung ganz oder vorwiegend auf dem Effekt der Vielstrahlinterferenz von Licht an duumlnnen hoch-brechenden Schichten beruht Interferenzpigmente koumlnnen dabei sowohl auf transparenten oder auch nichttransparenten Plaumlttchen basieren

Bild 1 a) Roadster mit ChromaFlairreg-Effektpigmentlackierung b) Verwaltungsgebaumlude in Braunschweig verkleidet mit Alucobondreg-spectra-colours-Verbundplatten c) Effektpigmente im Nagellack d) Pralineacute mit Effektpigmentuumlberzug

a

dc

bb

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Effektpigmente hellipPTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4

Die heute verwendeten Pigmente lassen sich somit grob in fuumlnf verschiedene Klassen einteilen

1) Weiszligpigmente Die Pigmente streuen das ge-samte auftreffende Licht nahezu verlustfrei in alle Richtungen durch diffuse ungerichtete Reflexion

2) Buntpigmente Die Pigmente streuen einen Teil des Lichtes diffus und absorbieren wellenlaumln-genselektiv einen anderen Teil des Lichtes

3) Schwarzpigmente Die Pigmente absorbieren alle Wellenlaumlngen des fuumlr das menschliche Auge sichtbaren Spektralbereiches

4) Metalleffektpigmente Die aus duumlnnen Metall-plaumlttchen vorwiegend Aluminium bestehen-den Metalleffektpigmente sind lichtundurch-laumlssig und reflektieren das gesamte auftreffende Licht durch spekulare gerichtete Reflexion Die Pigmentpartikel wirken dabei wie Mikrospie-gel und fuumlhren bei paralleler Ausrichtung im Anwendungsmedium zu einem spiegelnden Metallglanz dem Metallic-Effekt

5) Spezielle Effektpigmente Perlglanz- bzw Inter-ferenzpigmente deren optische Wirkung auf der Mehrfachreflexion an uumlberwiegend flaumlchig aus-gebildeten und ausgerichteten transparenten semitransparenten oder lichtundurchlaumlssigen Partikeln beruht

Weiszlig- Bunt- und auch Schwarzpigmente weisen typische Durchmesser im Bereich von 100 nm bis zu 1 microm auf Ihre Groumlszlige liegt damit zum Teil im Bereich der Wellenlaumlnge des sichtbaren Lichtes welches den Bereich von 380 nm bis 780 nm uumlberdeckt Einige Schwarzpigmente wie z B Ruszlig-pigmente liegen mit ihren Durchmessern jedoch auch zum Teil auch deutlich darunter Effektpig-mente besitzen dagegen Teilchendurchmesser die zumeist im Bereich von 5 microm bis 100 microm in einigen Faumlllen auch daruumlber liegen Sie sind damit bezuumlglich der mittleren Plaumlttchendurch-messer wesentlich groumlszliger als die Wellenlaumlnge des sichtbaren Lichtes Die Dicke der Plaumlttchen liegt von einigen Ausnahmen abgesehen unter 1 microm ebenso wie die Dicke der Interferenzschichten Demzufolge weisen Effektpigmente in der Regel ein hohes Aspektverhaumlltnis auf (Verhaumlltnis der lateralen Ausdehnung einer Struktur zu ihrer Houmlhe) welches bis zu 200 betragen kann

Interferenzpigmente ndash Wie die Farben entstehen

Die Farbe von Interferenzpigmenten haumlngt von der Schichtdicke der Metalloxidbeschichtung und dem Einstrahlungs- und Betrachtungswinkel ab Beide Parameter bestimmen die effektive optische Weg-

laumlngendifferenz fuumlr das einfallende weiszlige Licht zwischen oberer und unterer Grenzflaumlche und die somit auftretenden Interferenzfarben siehe Bild 3

Interferenzpigmente zeigen somit einen aus-gepraumlgten bdquoFarbflopldquo Die Winkelabhaumlngigkeit der Farbe wird hierbei auch als Goniochromasie bezeichnet Richtig bunt geht es zu wenn ein Interferenzpigment auf einen bereits bunten Untergrund aufgebracht wird Die Transparenz der Pigmente laumlsst die Untergrundfarbe durch-

Bild 2 Schematische Diagramme zum spektralen Verhalten verschiedener Pigmenttypen

Bild 3 Die Schichtdicke der Metalloxidbeschichtung und der kombinierte Einstrahlungs- und Betrachtungswinkel bestimmen die optische Weglaumlnge und somit die sich ergebenden Interferenzfarben in Reflexion und Transmission

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PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4Das Jahr des Lichtes

Bild 5 Die Effekte Spar-kling (1) und Coarseness (2) des Effektpigmentes Xirallicreg Crystal Silver in einer vergroumlszliger-ten Aufnahme auf weiszligem (links) und schwarzem Hinter-grund (rechts)

scheinen im Glanzwinkel wird sie aber von der Interferenzfarbe uumlberstrahlt wie dies in Bild 4 zu sehen ist

Der Effekt eines Helligkeitsunterschiedes unter verschiedenen Betrachtungswinkeln wird als Helligkeitsflop bezeichnet und ist an sich nichts Neues Sind jedoch die einzelnen Pigmentteilchen

aufgrund ihrer planaren Reflexionsoberflaumlchen in gerichteter Beleuchtung direkt beobachtbar was fuumlr mittlere Teilchengroumlszligen von 30 microm und groumlszliger der Fall ist so ergibt dies einen Effekt welcher mit dem Begriff Sparkle (Glitzern Funkeln) bezeichnet wird (Bild 5) Aumlndert sich die Beleuchtung von einer gerichteten Einstrahlung wie es an einem wolkenlosen sonnigen Sommertag der Fall ist hin zu einer diffusen ungerichteten Einstrahlung wie an einem stark bewoumllkten Herbsttag so verschwin-det das Sparkling der Pigmente und verwandelt sich in eine Koumlrnigkeit der Oberflaumlche Dieses optische Phaumlnomen wird als Coarseness (Bild-koumlrnigkeit) bezeichnet und ist unabhaumlngig vom Betrachtungswinkel (Bild 5)

Als neuer Archetypus des Sparkle-Begriffes haben sich in den letzten Jahren die Xirallicreg Pig-mente (High Chroma Chrystal Effect Pigments) der Firma Merck KGaA entwickelt Durch die Beschich-tung von Aluminiumoxidplaumlttchen mit hochbre-chenden Metalloxiden und einer optimierten Dicke und Ebenheit aller am Pigment beteiligten Schich-ten entstehen auszligergewoumlhnlich stark reflektierende Effektpigmente die einen besonders intensiven Sparkle-Effekt aufweisen Man spricht hierbei auch von sogenanntem Living Sparkle welcher sich in einem scheinbaren bdquoTanzenldquo der leuchtenden Punkte in der Probenoberflaumlche bei Veraumlnderung der Beobachtungsgeometrie aumluszligert [7 8]

Generell gilt dass die Farbe von Objekten mit Effektlackierung nicht mehr wie jahrzehntelang uumlblich und ausreichend mit konventionellen Farb-messgeraumlten mit nur einer festen Messgeometrie wie z B in der 45deg 0deg Geometrie (Einstrahlung unter 45deg Reflexionsmessung unter 0deg) bestimmt werden kann Dieser Umstand wird sehr gut durch die Grafik in Bild 6 illustriert Dargestellt sind die winkelabhaumlngig gemessenen Farbkoordinaten von drei verschiedenen keramischen Farbstandards der Farben rot gruumln und blau sowie eines mit dem Effektpigment Viola Fantasy der Firma Merck lackierten Blechs Der Einfallswinkel des Lichts auf die Proben betrug hierbei immer 45deg zur Oberflauml-chennormalen Das von den Proben reflektierte Licht wurde an 26 Positionen in einem 5deg Raster in planaren die Oberflaumlchennormale enthalten-den Messgeometrien im Winkelbereich von ndash70deg bis +70deg aufgenommen Bei den aus absorptiven Pigmenten bestehenden Keramiken zeigt sich eine nur sehr geringe Winkelabhaumlngigkeit der Farbe welche groumlszligtenteils auf unterschiedlicher winkelabhaumlngiger Helligkeit d h den Glanzeigen-schaften der Oberflaumlche beruht Das Effektpigment dagegen zeigt einen extremen winkelabhaumlngigen Farb-Flop (Goniochromasie) welcher einen Farbverlauf von Gruumln uumlber Rot-Gelb hin ins Blau-Violett bietet

Aber auch die neuen Lackfarben aus der Gruppe der Effektlackierungen muumlssen messtechnisch

Bild 4 Merck-Xirallicreg-Solaris-Red-Effektpigmente appliziert auf einem mit Standard-Ab-sorptionspigmenten hellblau lackierten Metallblech In Rich-tung des Glanzwin-kels auf der rechten Seite zeigt sich der langsame Aufbau der winkelabhaumlngigen Interferenzfarbe

1

Bild 6 CIELab Farbkoordinaten einer winkelabhaumlngigen Reflexionsmessung an vier verschiedenen Proben drei Keramiken der Farben rot gruumln blau und eine Effektpigmentlackierung mit Merck Colorstreamreg Viola Fantasy Das untergelegte Farbschema zeigt naumlherungsweise die den Koordinaten entsprechende Farbe

2

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Effektpigmente hellipPTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4

Abbildungsoptik Messungen der ortsaufgeloumlsten Leuchtdichte auf einer Laumlngenskala bis hinab zu 28 microm auf der zu untersuchenden Probe siehe Bild 8

Mit der Zeilenkamera sind Messungen von kompletten Reflexionsspektren im sichtbaren Spektralbereich zwischen 380 nm und 780 nm dem sogenannten V(λ)-Bereich auf einer Zeit-skala von 2 Minuten moumlglich Hieraus lassen sich dann Farbkoordinaten der untersuchten Proben in den unterschiedlichsten Farbraumsystemen berechnen Eine absolute Messung in 114 Win-kelkombinationen (siehe Bild 9) im Polarwinkel-

erfasst und ruumlckgefuumlhrt werden um eine gleich-bleibende Qualitaumlt in der Produktion gewaumlhrleis-ten zu koumlnnen Gerade diese vielfaumlltigen zusaumltz-lichen Eigenschaften stellen die Farbmesstechnik vor neue Herausforderungen

Farbmessung

Bisherige kommerzielle Farbmessgeraumlte charakte-risieren Probenoberflaumlchen fast ausschlieszliglich in den eben schon erwaumlhnten sogenannten in-plane Reflexionsgeometrien Dabei liegen die Richtun-gen des eingestrahlten und des reflektierten Lichts sowie die Oberflaumlchennormale der Probe in einer Ebene Diese Einschraumlnkung entspricht jedoch in keiner Weise der taumlglichen Realitaumlt bei der Oberflaumlchen aus beliebigen Richtungen beleuchtet und betrachtet werden Seitens der Messgeraumlteher-steller und Anwender gibt es daher einen Trend zur erweiterten Charakterisierung bezuumlglich zusaumltzlicher Winkelkombinationen im dreidimen-sionalen Raum Spitzenreiter dieser Entwicklung am Markt ist derzeit ein tragbares Mehrwinkel-Spektralphotometer mit insgesamt 19 verschie-denen Reflexionsgeometrien [9] Hiermit scheint aber auch das Ende dieser Entwicklung im Bereich der portablen handgefuumlhrten Geraumlte erreicht Der Wunsch der Anwender geht aktuell wieder zuruumlck zu einer geringeren Anzahl von Winkelkombi-nationen denn es ist unklar wie man aus dem Mehr an winkelaufgeloumlsten Reflexionsdaten die fuumlr die Charakterisierung der Farbeigenschaften relevanten Informationen gewinnen kann Daher stellt sich die Frage welches sind bdquoguteldquo d h an die Messaufgabe adaptierte optimal geeignete Messgeometrien

Um diese Frage zu beantworten betreibt die AG 424 bdquoReflexion und Transmissionldquo der PTB zwei roboterbasierte Gonioreflektometer die eine winkelaufgeloumlste Reflexionsmessung in beliebi-gen bidirektionalen Geometrien ermoumlglichen [10ndash12] Diese beiden Apparaturen sind in Bild 7 dargestellt

Das Standard-Gonioreflektometer ist hierbei das nationale Normal fuumlr die Messgroumlszlige spektraler Strahldichtefaktor in gerichteten Geometrien Es dient der Realisierung Bewahrung und Weiter-gabe der gerichteten Reflexionsskale in Form von Kalibrierungen Die zweite Apparatur bezeich-net mit dem Acronym ARGon3 (3D Appearance Robot-based Gonioreflectometer) ist ein flexibles Forschungsgeraumlt mit dem experimentelle Unter-suchungen u a im Rahmen des EMRP-Projektes Multidimensional Reflectometry for Industry der EU [13] durchgefuumlhrt werden Im Ver gleich zum Standard-Gonioreflektometer ist dieses Geraumlt mit einer photometrischen Leuchtdichteka-mera und einer Zeilenkamera ausgeruumlstet Die Leuchtdichtekamera erlaubt mit einer speziellen

Bild 7 Die beiden roboter-basierten Gonio-reflektometer der PTB oben Standard-Gonioreflektometer fuumlr Kundenkalibrie-rungen unten ARGon3-Messplatz fuumlr Forschungsanwen-dungen

Bild 8 Visualisierung desSparkling-Effektesvon Xironareg-Volcanic-Sparks-Pigmenten als Falschfarben-darstellung der ortsaufgeloumlsten LeuchtdichteDie bdquoNadelnldquo zeigendie Position derPigmente an

Bild 9 Beispielgeometrien zur Messung der winkelabhaumlngigen Reflexionseigen-schaften Realisiert wurden 4 Einstrah-lungsrichtungen (rote Pfeile) mit jeweils 114 Reflexionswinkeln (schwarze Punkte) im Bereich der Viertel-kugel oberhalb der Probenoberflaumlche

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PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4Das Jahr des Lichtes

bereich 0deg bis 70deg gleichmaumlszligig verteilt uumlber den Viertelraum oberhalb der Probe dauert hierbei ca 4 Stunden [14] Die so erhaltenen Daten bilden die Basis fuumlr kuumlnftige Verbesserungen in der Mess-technik fuumlr Anwender und Hersteller

Im Rahmen des EMRP-Projektes Multidimen-sional Reflectometry for Industry [13] sind damit die winkelabhaumlngigen Reflexionsspektren von insgesamt 66 verschiedenen Effektpigmentproben gemessen worden [15 16] Bei den vier verschie-denen Einstrahlungsrichtungen verbunden mit jeweils 114 Reflexionswinkeln im Bereich der Vier-telkugel oberhalb der Probenoberflaumlche ergeben sich somit uumlber 30000 Reflexionsspektren

Zielsetzung der Untersuchungen ist die Ver-besserung der Metrologie zur Materialcharak-terisierung mit reduzierter Messunsicherheit Dazu werden neue Messvorschriften und neue Standardmessartefakte entwickelt mit denen die Industrie die visuelle Wahrnehmung der von ihr produzierten Oberflaumlchen gezielt charakterisie-ren und kontrollieren kann Solche Messungen sollten einfach auszufuumlhren sein und die Ergeb-nisse muumlssen soweit wie moumlglich mit der visuellen menschlichen Wahrnehmung korrelieren Im europaumlischen und internationalen Rahmen sollen die Ergebnisse in die Normung einflieszligen um die allgemeine Vergleichbarkeit solcher Messungen zu gewaumlhrleisten

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[12] A Houmlpe T Atamas D Huumlnerhoff S TeichertK-O Hauer ARGon3 ndash bdquo3D Appearance Robot-based Gonioreflectometerrdquo at PTB Rev SciInstrum 83(4) 045102-1ndash045102-8 2012

[13] European Metrology Research Program ProjectIND52 bdquoxD-Reflectldquo Multidimensional Reflecto-metry for Industry wwwxdreflecteu(letzter Aufruf 03122015)

[14] T Atamas K-O Hauer A Houmlpe Appearancemeasurements of goniochromatic colours Predic-ting Perceptions Proceedings of the 3rd Internati-onal Conference on Appearance 149ndash154 2012

[15] A Houmlpe A Koo FM Verdu FB LeloupG Obein et al bdquoMultidimensional reflectometryfor industryrdquo (xD-Reflect) an European researchproject Proc SPIE 9018 Measuring Modelingand Reproducing Material AppearanceSPIE-ISampT Vol 9018 901804-1ndash901804-11 2014

[16] A Houmlpe K-O Hauer S Teichert D HuumlnerhoffC Strothkaumlmper Goniochromatic and Sparkleproperties of effect pigmented samples in mul-tidimensional configuration Proc SPIE 9398Measuring Modeling and Reproducing MaterialAppearance 2015 SPIE Proc Vol 9398 Appea-rance 93980O-1ndash7 2015

45

Die 50 Sitzung des Internationalen Komitees fuumlr das gesetzliche Messwesen (CIML) fand vom 20 bis 22 Oktober 2015 in Arcachon Frankreich statt Im Vorfeld der CIML-Sitzung fand ein ein-taumlgiges OIML-Seminar uumlber Countries and Econo-mies with Emerging Metrology Systems (CEEMS) statt uumlber das weiter unten berichtet wird

Das CIML ist der Lenkungsausschuss der OIML Es trifft sich jaumlhrlich und besteht aus je einem Repraumlsentanten der Mitgliedstaaten der korrespondierenden Mitglieder und den Vertre-tern internationaler und regionaler Organisa-tionen die als Beobachter teilnehmen koumlnnen Das CIML ist zustaumlndig fuumlr die Vorbereitung und Durchfuumlhrung der Entscheidungen der Konfe-renz die alle vier Jahre stattfindet Es uumlberwacht die Arbeiten der Technischen Komitees und Unterkomitees und des Internationalen Buumlros fuumlr das gesetzliche Messwesen (BIML) in Paris

An der 50 CIML-Sitzung nahmen 144 Teilneh-mer aus 43 Mitgliedstaaten und 13 korrespondie-renden Mitgliedstaaten teil Zur deutschen Dele-gation gehoumlrten neben den o g Autoren auch die Herren Johann Fischer Direktor des Landesamts fuumlr Mess- und Eichwesen Berlin-Brandenburg sowie Prof Olaf Kuumlhn Direktor des Thuumlringer Landesamts fuumlr Verbraucherschutz als Vertreter der Bundeslaumlnder Dr Peter Ulbig Leiter der Abteilung Wissenschaftlich-technische Quer-schnittsaufgaben der PTB und Prof Manfred Kochsiek Vizepraumlsident a D der PTB ehema-liger CIML-Praumlsident und Ehrenmitglied der OIML Frau Dr Anna Cypionka persoumlnliche Referentin des Praumlsidenten der PTB nahm am OIML-Seminar fuumlr CEEMS teil Vertreten waren auch wieder internationale und regionale Orga-nisationen zu denen die OIML Verbindungen unterhaumllt wie das Internationale Buumlro fuumlr Maszlig und Gewicht (BIPM) die GSO-GCC Standardiza-tion Organization (Saudi-Arabien) die Internatio-nal Laboratory Accreditation Cooperation (ILAC) und der Europaumlische Verband der Waagenherstel-ler (CECIP)

Alle Beschluumlsse der 50 CIML-Sitzung koumlnnen auf den Internetseiten der OIML aufgerufen werden [1 2]

Die wichtigsten Entscheidungen und Entwick-lungen werden nachfolgend vorgestellt

1 Personalangelegenheiten

Der Vertrag von Willem Kool als Assistant Director wurde um vier Jahre der Vertrag des BIML-Direk-tors Stephen Patoray um drei Jahre verlaumlngert

2 Einfuumlhrung des PG Workspace im Internet

In seinem Bericht im Zusammenhang mit der Etablierung des neuen Webauftritts der OIML hob der CIML-Praumlsident Peter Mason (UK) die erfolgreiche Einfuumlhrung des Workspace fuumlr Pro-jektgruppen hervor Durch die Online-Arbeit wird erwartet dass die technische Arbeit an neuen bzw zu revidierenden OIML-Dokumenten vereinfacht und insgesamt effizienter wird

3 Revision der technische Richtlinien fuumlr die OIML (B 6 Directives for OIML tech-nical work)

In einem neuen Projekt sollen die in den vergan-genen Jahren revidierten OIML-Richtlinien fuumlr die technische Arbeit erneut uumlberarbeitet werden um u a den Prozess der Entwicklung und Uumlber-arbeitung von OIML-Publikationen noch weiter zu beschleunigen und den neuen internetbasierten Technologien und Arbeitsweisen Rechnung zu tragen

4 Umfassende strukturelle Uumlberarbeitung des OIML Certificate System

Das CIML verabschiedete die Gruumlndung einer Projektgruppe mit der Aufgabe einer substan-ziellen Uumlberarbeitung des OIML-Zertifizierungs-systems das z Zt aus dem Basiszertifizierungs-system und dem MAA3 besteht Urspruumlnglich ausgehend von der Annahme die Akzeptanz des MAA-Zertifizierungssystem muumlsse verstaumlrkt werden eine groumlszligere Verbreitung finden und mehr Messgeraumltearten abdecken erscheint es

Aktuelles aus der OIML (Internationale Organisation fuumlr das Gesetzliche Messwesen)Bericht uumlber die 50 Sitzung des CIML in Arcachon FrankreichSusanne Ludwig Roman Schwartz

INTERNATIONALE ZUSAMMENARBEIT

Susanne Ludwig OIMLshyGeschaumlftsstelle der PTB EshyMail susanneludwigptbde

Dir u Prof Dr Roman Schwartz Vizepraumlsident der PTB deutsches Mitglied im Internashytionalen Komitee fuumlr das Gesetzliche Messwesen (CIML) und CIMLshyVizepraumlsishydent EshyMail romanschwartzptbde

3 Mutual Acceptance Arrangement (Abshykommen zur gegenshyseitigen Anerkennung von Bauartpruumlfungen)

46

PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4Internationale Zusammenarbeit

inzwischen sinnvoller und wurde so auch vom CIML beschlossen zum 112017 ein einziges OIML-Zertifizierungssystem einzufuumlhren Eine Projektgruppe (Certification System Project Group = CSPG) unter dem Vorsitz des CIML-Vizepraumlsi-denten Dr Roman Schwartz wurde damit beauf-tragt die notwendigen Dokumente und Prozedu-ren auszuarbeiten

5 OIML-Seminar fuumlr Countries and Economies with Emerging Metrology Systems (CEEMS)

Im Vorfeld der CIML-Sitzung wurde ein eintaumlgiges Seminar zum Thema Developing an OIML Package for Assistance to Countries with Emerging Metro-logy Systems (CEEMS) abgehalten In vier Sitzun-gen diskutierten 125 Teilnehmer aus 49 Laumlndern uumlber Moumlglichkeiten Laumlnder beim Aufbau von nationalen Metrologiesystemen zu unterstuumltzen In der ersten von Frau Dr Cypionka geleiteten Sitzung Capacity Building ging es um die allge-meinen Herausforderungen bei der Gestaltung von Programmen zur Foumlrderung von Handlungs-kompetenzen und Vermittlung von Wissen fuumlr die Metrologie In zwei weiteren Sitzungen wurden unter den Themen Helping CEEMS Improve Regulation in their Markets (Leitung Prof Dr Manfred Kochsiek) und New Ideas ndash Doing Legal Metrology Differently (Leitung Stuart Carstens

Suumldafrika) konkrete inhaltliche Loumlsungsvorschlaumlge vorgestellt und diskutiert Die Ergebnisse wurden in der 50 CIML-Sitzung vorgestellt und fanden ihren Niederschlag in der Resolution Nr 201510 [2] sie sollen auch noch auf den OIML-Webseiten veroumlffentlicht werden [1]

6 OIML-Publikationen

Folgende OIML-Publikationen wurden verabschiedet

R 139-3 Compressed gaseous fuels measuring systems for vehicles Part 3 Test report format

New Recommendation (R 145) Ophthalmic instru-ments mdash Impression and applanation tonometers

Alle OIML-Publikationen stehen im Internet frei zur Verfuumlgung [3]

Gleichzeitig wurde die Revision der folgenden OIML-Publikation beschlossen

Revision of R 79 Labeling requirements for prepackages

Folgende neue Projekte wurden verabschiedet

Revision des OIML-Dokuments B 6-1 Directives for OIML technical work

Bild 1 Teilnehmer der 50 Sitzung des Internationalen Komitees fuumlr Gesetz-liches Messwesen (CIML) in Arcachon Frankreich

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PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4 Aktuelles aus der OIML

TC 8SC 1 Revision R 71 Fixed storage tanks mdash General requirements

TC 8SC 1 Revision R 85 Automatic level gauges for measuring the level of liquid in stationary storage tanks

7 Personalien und Ehrungen

Die von Dr Seiler dem ehemaligen Leiter des Fachbereichs bdquoTechnische Zusammenarbeitldquo der PTB initiierte OIML-Auszeichnung fuumlr bdquoexzel-lente Beitraumlge von Entwicklungslaumlndern zum gesetzlichen Messwesenldquo ging in diesem Jahr an

bull Nam Hyuk Lim Director of Korea Testing Certi-fication und

bull The Metrology Department Saint Lucia Bureau of Standards

Die OIML-Medaille fuumlr besondere Verdienste um die OIML-Arbeit ging an Ngo Quy Viet Vietnam und Cartaxo Reis aus Portugal

8 Termine

Ein Gastgeberland fuumlr die 51 CIML-Sitzung und 15 OIML-Konferenz im Jahr 2016 konnte noch nicht bekannt gegeben werden es wird aber wahr-scheinlich wieder Frankreich sein Weitere OIML-Veranstaltungen und -Termine finden sich auf der OIML-Webseite unter [4]

9 Literatur

[1] httpswwwoimlorgen (letzter Aufruf 19112015)

[2] httpswwwoimlorgenstructurecimlpdf50-ciml-resolutions-englishpdf (letzter Aufruf 19112015)

[3] httpswwwoimlorgenpublicationsrecommen-dationspublication_viewp_type=1ampp_status=1

[4] (letzter Aufruf 19112015)[5] httpswwwoimlorgeneventscalendar

(letzter Aufruf 19112015)

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TECHNOLOGIETRANSFER

E27-Scanner fuumlr UlbrichtkugelnMit dem besonders einfach ohne Umbau einsetzbaren E27-Scanner koumlnnen Anwender und Hersteller die Homogenitaumlt ihrer Ulbricht-kugeln bestimmen und die Ergebnisse zur Berechnung genauerer Lichtstroumlme und zur Dokumentation der Qualitaumlt ihrer Messungen nutzen

Hintergrund

Wie viel Licht eine Lampe insgesamt in alle Richtungen abstrahlt wird durch ihren Lichtstrom ausgedruumlckt Um den fuumlr die Bestimmung der Energieeffizienz von Lampen notwendigen Lichtstrom schnell zu er mitteln setzt die Lampenindustrie Ulbrichtkugeln ein An einer Stange in der Mitte der Ulbrichtkugel befindet sich eine E27-Lampen-fassung in die nacheinander die Lichtstrom-Normallampe und die zu kalibrierende Lampe eingeschraubt werden Das indirekt auf den Mess-kopf fallende Licht erzeugt einen Photostrom der im Idealfall propor-tional zu dem von der Lampe abgestrahlten Lichtstrom ist unabhaumlngig von der Richtung in die das Licht abgestrahlt wird

Dies ist jedoch bei einer ungleichmaumlszligigen Beschichtung der Kugel sowie bei einer im Laufe der Zeit nicht zu verhindernden Verstaubung nicht der Fall Deshalb wird mit einem Kugelscanner die Homogenitaumlt der Kugel regelmaumlszligig vermessen und ein Korrekturfaktor bestimmt der von der jeweiligen Abstrahlcharakteristik der zu untersuchenden Lampe abhaumlngt

Technische Beschreibung

Der Kugelscanner wird einfach in eine E27-Fassung geschraubt und das sonst fuumlr die Lampenversorgung eingesetzte Netzgeraumlt wird durch die Steuereinheit ersetzt Diese uumlbernimmt sowohl die elektrische Versor-gung als auch die Befehlsuumlbermittlung zum Kugelscanner Die Steuer-einheit wird via USB oder RS232 an einen Computer angeschlossen Das mitgelieferte Messprogramm stellt automatisiert alle gewuumlnschten Richtungen ein und speichert die zugehoumlrigen von der Steuereinheit gemessenen Photostroumlme des Photometers

Wirtschaftliche Bedeutungw

Fuumlr Lampenindustrie und Hersteller von Ulbrichtkugeln

bull Genauere Messung des Lichtstroms

bull Bestimmung des Zeitpunkts einer Neubeschichtung

bull Uumlberwachung beim Beschichten

bull Dokumentation des Zustands der Ulbrichtkugel

EntwicklungsstandDer E27-Kugelscanner wurde in der PTB entwickelt Er wird laufend fuumlr Kalibrierungen eingesetzt Die Technologie wurde an die Firma Czibula amp Grundmann transferiert und wird dort mit einer PTB-Lizenz gebaut und vertrieben wwwphoto-metercom

Ansprechpartner

Dr Bernhard SmandekBeauftragter fuumlr TechnologietransferTelefon +49 531 592shy8303Telefax +49 531 592shy69shy8303EshyMail technologietransferptbde

Dr Stefan WinterFachbereich Photometrie und Radiometrie

Abbildung des E27shyKugelscanners Eine stark fokussierende Lampe die computergesteuert in alle Richtungen leuchten kann

Vorteile

bull Schneller Einbau in E27shyFassung

bull Computergesteuertes Abscannen der gesamten Ulbrichtkugel

bull Flexible Messmoumlglichkeiten

bull Fuumlr genauere Lichtstromshymessungen

bull Wichtig fuumlr die Qualitaumltsshysicherung

PTBshyNummer 0172

wwwtechnologietransferptbde

49

PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4 Technologieangebote

Ansprechpartner

Dr Bernhard SmandekBeauftragter fuumlr TechnologietransferTelefon +49 531 592shy8303Telefax +49 531 592shy69shy8303EshyMail technologietransferptbde

Dr Stefan WinterArbeitsgruppe Solarzellen

PulsshyzushyCWshyKonverter

Umwandlung gepulster Laser-Strahlung in konstante StrahlungIn weiten Bereichen der optischen Metrologie ist eine Strahlungs-quelle von groszligem Nutzen die sich spektral vom UV-C bis ins mitt-lere IR durchstimmen laumlsst Lediglich Laser mit gepulster Strahlung erfuumlllen diese Anforderung bei ausreichend groszligem Ausgangssignal bisher luumlckenlos Femtosekunden-Lasersysteme waumlren aufgrund ihrer gut automatisierbaren und spektral weiten Durchstimmbarkeit die ideale Strahlungsquelle fuumlr z B radiometrische Anwendungen ndash wenn ihre Strahlung nicht gepulst waumlre

Durch das extreme Puls-Pausen-Verhaumlltnis von 10ndash5 entstehen hohe Spitzenleistungen die wiederum zu Saumlttigungseffekten bei Detek-toren und in der Folge zu nichtlinearem Verhalten fuumlhren koumlnnen Mit dem in der PTB entwickelten Puls-zu-CW-Konverter wird dieses Problem geloumlst

Technische Beschreibung

Bei dieser Methode werden Pulse gepulster Strahlungsquellen ausrei-chend hoher Repetitionsrate in CW-Strahlung umgewandelt Dabei wird jeder Puls in viele kleine Teilpulse aufgeteilt die auf unterschiedlich langen Wegstrecken unterschiedliche Laufzeiten erfahren Am Ausgang des Systems erscheinen sie dann zeitlich gleichmaumlszligig verteilt Realisiert wird dieser Puls-zu-CW-Konverter uumlber ein Glasfaserbuumlndel bei dem jede Einzelglasfaser eine individuell festgelegte Laumlnge besitzt

Mit der Entwicklung des Puls-zu-CW-Konverters wurde das ent-scheidende Manko beim Einsatz leistungsstarker Femtosekunden(fs)-Lasersysteme im Bereich der Metrologie beseitigt und erstmalig gepulste Laserstrahlung in CW-Strahlung umgewandelt Diese Neuentwicklung ermoumlglicht es nun herkoumlmmliche Monochromatorsysteme durch fs-Lasersysteme zu ersetzen die eine bis zu 1000-mal houmlhere spektrale Ausgangsleistung besitzen

Wirtschaftliche Bedeutung

Durch den neuen Puls-zu-CW-Converter koumlnnen in wirtschaftlich bedeutenden Bereichen wie z B der Photovoltaik der Photometrie der UV-Strahlungsmesstechnik und der Reflektometrie die Referenz- und Transfernormale mit einer deutlich reduzierten Messunsicherheit kali-briert werden Hier werden bislang wesentliche Messunsicherheitsan-teile durch zu geringe Strahlungsleistungen aus herkoumlmmlichen Mono-chromatorsystemen verursacht

Entwicklungsstand

Unter DE 10 2010 011 615 B4 wurde fuumlr den CW-Konverter ein Patent erteilt

Vorteile

bull Zeitliche Glaumlttung gepulster Laserstrahlung

bull Keine stoumlrenden Interferenzen

bull Nur minimale Absorption des Messsignals

bull Auch bei kuumlrzeren Wellenshylaumlngen ohne Ulbrichtkugel verwendbar

bull Kontinuierliche Verteilung des Ausgangspulses

bull Pulsvervielfachung

bull Houmlhere Strahlungsleistung

PTBshyNummer 0254

wwwtechnologietransferptbde

50

PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4Technologieangebote

50

Homogenisierung von Strahlungsquellen und Focal Plane Arrays (FPA)Ein neuartiges Verfahren ermoumlglicht softwaregestuumltzt eine deutlich verbesserte Kalibrierung von Mehrelement-Sensoren (FPA) und bildgebenden Systemen (Kameras) Bei flaumlchigen Strahlungsquellen kann zusaumltzlich eine gezielte Ansteuerung von Flaumlchenelementen zu einer bisher im Allgemeinen nicht erreichbaren Flaumlchenhomogenitaumlt fuumlhren

Technische Beschreibung

Flaumlchenstrahler dienen der Kalibrierung von ortsaufloumlsenden Strah-lungssensoren wobei davon ausgegangen wird dass die Emissionsflaumlche des Strahlers im Wesentlichen homogen bezuumlglich ihrer Strahldichte bzw Strahlungstemperatur ist Um kleine Inhomogenitaumlten eines Flaumlchenstrahlers zu charakterisieren ist es ein gaumlngiges Verfahren die Emissionsflaumlche punktweise mit einem Einzeldetektor abzutasten

Das neue PTB-Verfahren ist wesentlich schneller da es den Mehr-element-Sensor (FPA) das device-under-test selbst nutzt und damit immer ein Gesamtbild der Quelle aufnimmt Werden jetzt weitere Bilder zeilen- oder spaltenversetzt aufgenommen so erlaubt ein mathema-tischer Algorithmus bei nur drei Bildern eine komplette Charakterisie-rung des Sensors aber auch der Quelle

Sind Flaumlchenelemente der Strahlungsquelle einzeln ansteuerbar so ist es sogar moumlglich mittels der ermittelten Korrekturwerte zu Strahlquellen extrem hoher Homogenitaumlt im on-line-Betrieb zu gelangen

Wirtschaftliche Bedeutung

Bildgebende Strahlungssensoren und homogene Strahlungsquellen sind relevant fuumlr die Forschung und Entwicklung fuumlr die Prozesstechnik fuumlr die Charakterisierung der Energieeffizienz von Bauten bei der Ent-wicklung neuer Bauteile mit hoher thermischer Belastung und in vielen weiteren Bereichen Der mathematische Algorithmus ist aber auf unter-schiedliche Arten von Kamerasystemen anwendbar und damit auch fuumlr die Qualitaumltssicherung von CCD-Kameras bis hin zum Konsumguuml-termarkt anwendbar EntwicklungsstandEine deutsche Patenterteilung erfolgte im September 2015 Eine PCT-Anmeldung ist anhaumlngig Kooperations- und Lizenzpartner aus den Bereichen Thermografie Radiometrie und Photometrie zur Umsetzung des Konzeptes werden gesucht

Ansprechpartner

Dr Bernhard SmandekBeauftragter fuumlr TechnologietransferTelefon +49 531 592shy8303Telefax +49 531 592shy69shy8303EshyMail technologietransferptbde

DiplshyIng Berndt GutschwagerArbeitsgruppeInfrarotshyStrahlungsthermometrie

Stahlungsmessplatz der PTB zur Kalibrierung von Temperaturstrahlern und Waumlrmebildkashymeras

Vorteile

bull Schnelle Kalibrierung von Flaumlchensensoren (FPA)

bull Schnelle Kalibrierung von Flaumlchenstrahlern

bull Strahlquellen houmlchster Hoshymogenitaumlt

bull Fuumlr Thermografie und Phoshytometrie

PTBshyNummer 00374

wwwtechnologietransferptbde

Verlag Fachverlag NW in der Carl Schuumlnemann Verlag GmbHZweite Schlachtpforte 728195 Bremen Internet wwwschuenemannde E-Mail infoschuenemann-verlagde

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Erscheinungsweise und Bezugspreise Die PTB-Mitteilungen erscheinen viermal jaumlhrlich Das Jahresabonnement kostet 3900 Euro das Einzelheft 1200 Euro jeweils zzgl Versandkosten Bezug uumlber den Buchhandel oder den Verlag Abbestellungen muumlssen spaumltestens drei Monate vor Ende eines Kalenderjahres schriftlich beim Verlag erfolgen

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Printed in Germany ISSN 0030-834X

Die fachlichen Aufsaumltze aus dieser Ausgabe der PTB-Mitteilungen sind auch online verfuumlgbar unterdoi 10779531020150499

Die Physikalisch-Technische Bundesanstalt das nationale Metrologieinstitut ist eine wissenschaftlich-technische Bundesoberbehoumlrde im Geschaumlftsbereich des Bundesministeriums fuumlr Wirtschaft und Energie

mitteilungen

Impressum

Die PTB-Mitteilungen sind metrologisches Fachjournal der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt Braunschweig und Berlin Als Fachjournal veroumlffentlichen die PTB- Mitteilungen wissenschaftliche Fachaufsaumltze zu metrologischen Themen aus den Arbeitsgebieten der PTB Die PTB-Mitteilungen stehen in einer langen Tradition die bis zu den Anfaumlngen der Physikalisch-Technischen Reichsanstalt (gegruumlndet 1887) zuruumlckreicht

Bundesallee 100 38116 Braunschweig

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Physikalisch-Technische BundesanstaltBraunschweig und BerlinNationales Metrologieinstitut

Die Physikalisch-Technische Bundesanstalt das nationale Metrologieinstitut ist eine wissenschaftlich-technische Bundesoberbehoumlrde im Geschaumlftsbereich des Bundesministeriums fuumlr Wirtschaft und Energie

Phy

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TB

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eilu

ngen

Hef

t 42

015

25

PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4 Kurze Geschichte der Goniophotometrie in der PTB

Strategie ist relativ simpel Sie besagt dass alle Achseinstellungen derart gefunden werden dass saumlmtliche Bestandteile des Roboters einen maxi-malen Abstand zum Zentrum des Roboters haben sollen um das von der Roboterstruktur reflektierte Streulicht moumlglichst gering zu halten Eine beson-dere Software ist notwendig um alle Achswinkel ausgedruumlckt in counts jedes Winkelencoders fuumlr jede Achse zu bestimmen um die gewuumlnschten Kugelkoordinaten (r ϑ φ) anzufahren Waumlhrend der Messung der zu untersuchenden Lampe liest das Roboter-Kontrollsystem alle 10 ms diese counts jeder Achse und versucht jede Achse entsprechend diese Vorgabe einzustel-len Nach dieser Einstellung welche fuumlr alle 7 Achsen gleichzeitig erfolgt werden die Ist-Winkel jeder Achse wiederum in counts synchron gelesen und mit den zugehoumlrigen photo-metrischen Daten und elek trischen Daten des Lampenbetriebs in eine Datenbank gespeichert Prinzipiell ist der Signal-fluss dem des in Abschnitt 221 beschriebenen groszligen Kardan-Goniophotometers sehr aumlhnlich Aber es gibt ein zusaumltzliches wichtiges Element den sogenannten Zeitstempel Da ein weit verteiltes Datenerfassungssystem vorliegt wird ein Mecha-nismus zur Datensynchronisierung in Form eines 1-Mhz-Taktes verwendet Dieser ist im gesamten System verfuumlgbar Beim Messungsstart synchron gestartete Zaumlhler erlauben daher die spaumltere Synchronisierung aller angefallenen Daten Wie beschrieben ist die Position jeder Achse und damit die Position und Orientierung des Photometers das Ergebnis eines Regelprozesses Somit ist es not-wendig die tatsaumlchliche Position und Orientierung des Photometers aus den gespeicherten Daten der Winkelencoder zu berechnen

In der Robotik ist es uumlblich einen Roboter des

verwendeten Typs wie eine biegesteife mechani-sche Kette mit sogenannten Denavit-Hartenberg-Parametern (DH-Parameter) zu beschreiben [9] Die Tabelle 1 zeigt diese DH-Parameter am Beispiel des Roboters 1

Mit diesen Parametern und den aktuellen Winkeln θi fuumlr jede Achse ist die Berechnung der Position bzw Orientierung der siebten Achse in Basis-Koordinatensystem des Roboters moumlglich Hierzu werden 7 Matrizen nach Gleichung (18) ver-wendet Jede Matrize beschreibt die Position (blau) und Orientierung (gruumln) jeder einzelnen Achse

Die PositionierungOrientierung der Achse 7 ergibt sich aus dem Vektorprodukt T1 T2 T3 T4 T5 T6 T7

Um jedoch die Koordinaten in Bezug auf das Koordinatensystem der fiktiven Kugel zu erhalten muumlssen 2 weitere aumlhnliche Matrizen verwendet werden Die sogenannte Base Frame Matrix F beschreibt die Positionierung und Orientierung des Roboter-Koordinatensystems zum Koor-dinatensystem der fiktiven Kugel waumlhrend die Matrix W die Positionierung und Orientierung des Photometers zur Achse 7 beschreibt Nun laumlsst sich die Position und Orientierung des Photome-ters P im Koordinatensystem der fiktiven Kugel mit Gleichung (19) beschreiben

P = F T1 T2 T3 T4 T5 T6 T7 W (19)

axisi Δθi offset to rotation around Z-axis

αi rotation around X-axis

di

translation in Z-axis

αi

translation in X-axis

1 ndash1438deg 45024deg 0000 mm ndash0400 mm

2 191088deg ndash90026deg 2686322 mm 0696 mm

3 178585deg 89996deg 274088 mm 0781 mm

4 6229deg ndash90022deg 1410499 mm 0474 mm

5 ndash0141deg ndash89955deg 173036 mm ndash0779 mm

6 ndash0924deg 90032deg 1191007 mm 0223 mm

7 180443deg 90007deg 91130 mm 0000 mm

Tabelle 1 DH-Parameter von Roboter 1

T

a

i

i i i i i i i i i i i

=

+( ) minus +( ) +( ) +cos sin cos sin sin cos∆ ∆ ∆ ∆θ θ θ θ α θ θ α θ θ(( )+( ) +( ) minus +( ) +sin cos cos cos sin sin∆ ∆ ∆ ∆θ θ θ θ α θ θ α θ θi i i i i i i i i i ia (( )

00 0 0 1

sin cosα αi i id

(18)

26

PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4Das Jahr des Lichtes

Bild 9 zeigt die Achsenkoordinatensysteme (17) das Base-Frame-Koordinatensystem und das Koordinatensystem des Photometers zur Achse 7 in schematischer Weise Das Koordinatensys-tem der fiktiven Kugel faumlllt mit dem Zentrum des Goniophotometers zusammen und wird mit Center bezeichnet P ist jetzt auf dieses Center-Koordinatensystem bezogen Zusaumltzlich ist eine typische Bahn eingezeichnet Wegen des aller-dings nicht dargestellten Lampenhalters ist diese Bahn im oberen Bereich verdichtet um eine Kollision mit dem Lampenhalter zu vermeiden Wie bereits erwaumlhnt setzt die Verwendung von Gleichung (19) einen biegesteifen Roboter voraus der in der Praxis nicht existiert P ist also von statischen Gewichtskraumlften des Roboters dyna-mischen Kraumlften infolge der Bewegung als auch von thermischen Laumlngenaumlnderungen uumlberlagert Daher muss Gleichung (19) um eine entspre-chende Korrektur C erweitert werden Glei-chung (20) zeigt nun das endguumlltige Modell zur Bestimmung von P

wobei C

t tT Rθ θ

θ θ1 7

1 7 dd

dd amb

diese finale Korrektur basierend auf den Winkeln θ1θ7 aller Achsen ihren zeitlichen Ableitungen

dd

dd

θ θ1 7

t t

und der Umgebungstemperatur Tamb beschreibt

Der letzte Parameter R steht fuumlr einen groszligen Datensatz und beschreibt Eigenschaften des Roboters wie Abmessungen Teilmassen usw Die Berechnung von C() ist aufwendig und wurde vom Hersteller des Roboters ausgefuumlhrt Aus Gruumlnden des Wettbewerbs muss diese Berechnung vertrau-lich behandelt werden und kann daher hier nicht veroumlffentlicht werden Jedoch kann die Wirkung von C() beispielhaft auf den Messradius mitgeteilt werden (siehe Bild 10)

Die noumltige Radiuskorrektur rcorr bewegt sich im Bereich ndash2 mm lt rcorr lt 3 mm je nach Position (θ φ) des Photometers Der Aumlquatorbereich benouml-tigt eine groumlszligere Korrektur infolge hier wirksamer groumlszligerer Zentrifugalkraumlfte als die Polregion Der Radius selbst laumlsst sich dann aus der Positionssub-matrix von P bestimmen

Der Signalfluss stimmt im Wesentlichen mit dem wie in Bild 5 gezeigt uumlberein Prinzipiell kann der Lichtstrom mit den Gleichungen (11) und (10) berechnet werden da aber nun 2 Photometer benutzt werden muss dies fuumlr jede Hemisphaumlre also fuumlr jeden Roboter separat geschehen Die Gleichungen (21) und (22) demonstrieren das

Bild 9 Koordinatensystem des Roboter-Gonio-photometers und Beispielbahn

P Ct t

T R F T T T T T T=

sdot sdot sdot sdot sdot sdot sdot sdotθ θ

θ θ1 7

1 71 2 3 4 5 6

dd

dd amb TT W7 sdot

(20)

27

PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4 Kurze Geschichte der Goniophotometrie in der PTB

fuumlr Roboter 1 Der Radius r1i befindet sich dabei innerhalb der Summation von Gleichung (22) Das Roboter-Goniophotometer ist zusaumltzlich mit einem Monitorphotometer ausgeruumlstet Dieses Photometer wird waumlhrend der Messung nicht bewegt ist aber staumlndig von einem fixen Punkt aus auf die zu untersuchende Lampe gerichtet und erlaubt somit die Korrektur einer moumlglichen Alterung der Lampe waumlhrend des Messprozesses als Funktion der Zeit (cmon(t1i))

Es w R

fyt

fi jj

ni j

i j1

1 1 11

1

1

11 0

12

1

=

( )sdot minus

=sumπ

ϕf g

q∆∆

∆

(21)

Φ1 1 1 12

1 1 1 12= sdot sdot sdot sdot ( ) sdot minus( )+c c r c ti i i ii

str spec mon cos cosπ ϑ ϑ==

minus

sum sdot0

1

1

1m

iE

(22)

Roboter 2 wird in gleicher Weise behandelt und der Lichtstrom ergibt sich somit aus der Summe von Φ1 und Φ2 korrigiert mit dem elektrischen Korrekturfaktor celec aus Gleichung (15)

Φ Φ Φ= sdot +( )celec 1 2 (23)

Die Bestimmung der Streulichtkorrektur cstr unter-scheidet sich methodisch von jener des Kardan-Goniophotometers Es ist schwierig Blenden zwischen Photometer und Lampe zu positionieren wie in [5] beschrieben Hier wird die Streulicht-korrektur cstr direkt aus der Leuchtdichteverteilung auf den Waumlnden des Messraums bestimmt Mit der Kenntnis der geometrischen und photometrischen Eigenschaften des Raumes der raumlumlichen Licht-staumlrkeverteilung der Lampe und dem verwendeten Streulichttubus vor dem Photometer lieszlige sich die Streulichtkorrektur cstr berechnen Hier jedoch wird diese Korrektur mit sogenannten Back-Loo-king-Photometern bestimmt [11]

Bild 11 zeigt ein Foto der bdquoRoboterhandldquo mit mon-tiertem Photometer und Back-Looking-Photometer Letzteres ist ein wenig schraumlg ausgerichtet um nicht im Bereich des Schattenwurfs des Photome-ters auf den Waumlnden zu messen

Bild 12 zeigt beispielhaft eine typische in finite Flaumlchenelemente gerasterte Streulichtsituation im Goniophotometermessraum wie sie durch die zu untersuchende Lichtquelle generiert wird Dieses Beispiel arbeitet mit finiten Flaumlchen der Groumlszlige 05 m middot 05 m um die Flaumlchen sichtbar zu machen Zur realen Berechnung werden Flaumlchen der Groumlszlige 01 m middot 01 m verwendet Natuumlrlich ist der Streulichtanteil auf der aktiven Flaumlche des

Bild 10Wirkung der Radiuskorrektur

Bild 11 Photometer (links) und Back-Looking-Photometer (rechts)

Bild 12 Wirkung des Streulichts und seine Bestimmung

28

PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4Das Jahr des Lichtes

Photometers eine Funktion des Gesichtsfeldes des jeweils verwendeten Streulichttubus vor dem Photometer Derzeit werden 2 Tuben je nach Groumlszlige der Lichtquelle mit Oumlffnungswinkeln von ca 15deg und ca 225deg verwendet Ihre typischen Korrekturwerte betragen etwa 09995 und 09990 Da jeder Messroboter mit diesem Back-Looking-Photometer ausgeruumlstet ist kann so der Streulicht-anteil fuumlr jedes Photometer bestimmt werden Da die Back-Looking-Photometer bdquoruumlckwaumlrtsldquo gerichtet sind wird also jeweils die Streulichtkorrektur fuumlr den gegenuumlberliegenden Messroboter bestimmt Damit ist es moumlglich den Wert des Lichtstroms mit zugehoumlriger Messunsicherheit zu bestimmen Tabelle 2 illustriert Ergebnisse einer vereinfachten Monte-Carlo-Simulation (MC) am Beispiel einer OSRAM-Wi4-Lichtstrom-Normallampe Ihre Lichtstaumlrkeverteilung ist in Bild 13 wiedergegeben

Die MC basiert auf den folgenden Gleichun-gen (24) Werte der wichtigsten Beitraumlge zur Mes-sunsicherheit koumlnnen der Tabelle 2 entnommen werden Eine detailliertere Beschreibung der Roboter und Analyse der Messunsicherheit kann [12] entnom-men werden

Bild 13 Raumlumliche Lichtstaumlrkeverteilung einer OSRAM-Wi4-Lichtstrom-Normallampe

Quantity Symbol Value Uncertainty Unit Sensitivity Contribution lm Relative contribution

Luminous responsivity 1 s1 3065E-10 9195E-13 A lxndash1 188E+12 173 000150

Luminous responsivity 2 s2 4111E-10 12333E-12 A lxndash1 143E+12 177 000153

Spectral matching exponent 1 m2 y 0021 0015 1 20 030 000026

Spectral matching exponent 2 m2 y 0036 0015 1 18 027 000023

CCT or distribution temperature T 2762 10 K 0012 012 000011

Uncertainty in r Δr 0000 00020 m 901 180 000156

Calibration factor for frequency F cFH 1000 00005 1 1141 057 000049

Calibration factor for frequency ƒ cFD 1000 00050 1 104 005 000005

Voltage to frequency converter 1 w1 f 500849 25 Hz Vndash1 0012 031 000027

Voltage to frequency converter 2 w2 f 500561 25 Hz Vndash1 00118 029 000026

Amplification gain 1 R1 g 1000E+09 99996 Ω 6223E-07 006 000005

Amplification gain 2 R2 g 9997E+08 99966 Ω 5430E-07 005 000005

Calibration factor for cmon ccm 1000 00005 1 1162 058 000050

Correction factor for stray light cstr 09995 00005 1 1134 057 000049

Luminous flux Φ 11541 327 00028

Tabelle 2 Unsicherheitsbudget

29

PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4 Kurze Geschichte der Goniophotometrie in der PTB

Somit ergibt sich zurzeit eine erweiterte Mess-unsichert von 056 fuumlr k = 2 Dies entspricht etwa der Messunsicherheit welche mit dem groszligen Kardan-Goniophotometer erreichbar war Im Unterschied zum Kardan-Goniophotometer (fester Messradius) verfuumlgt das Roboter-Goniophotometer jedoch uumlber die noumltige hohe Flexibilitaumlt (z B durch Variation des Messradius) die noumltig ist um kuumlnftige Anforderungen erfuumlllen zu koumlnnen Eben diese hohe Flexibilitaumlt fuumlhrt bei der Bestimmung des Messradius zu relativ groszligen Messunsicherheiten Hier koumlnnte die Verwendung einer Lookup-Table oder eine On-Line-Verfolgung mittels Tracer-Syste-men der Bahnen diese Unsicherheit verkleinernMittlerweile ist das Roboter-Goniophotometer voll-staumlndig charakterisiert und wird fuumlr beleuchtungs-staumlrkebasierte Lichtstromkalibrierungen und auch fuumlr internationale Vergleiche eingesetzt Damit werden auch die Anforderungen (15ndash17) erfuumllltIm naumlchsten Schritt wird das Roboter-Goniopho-tometer mit Leuchtdichtemesskameras ausgeruumlstet

werden um es als bdquoNahfeld-Goniophotometerrdquo einzusetzen Es wird dann die direkte Messung der Leuchtdichteverteilung erlauben aus welcher nahezu alle noumltigen photometrischen Groumlszligen abgeleitet werden koumlnnen Dieser kuumlnftige Schritt wird dann auch den letzten Punkt (18) der Anfor-derungen erfuumlllen

3 Zusammenfassung

Die Geschichte der Goniophotometrie in der PTB uumlber einen Zeitraum von mehr als 50 Jahren wird praumlsentiert Verschiedene Goniophotometer ange-fangen vom manuell bewegten Einarm-Goniopho-tometer mit visuellem Photometer uumlber das groszlige und kleine Kardan-Goniophotometer bis hin zum bdquoState-of-the-art-Roboter-Goniophotometerldquo fuumlr das 21 Jahrhundert werden beschrieben Das Letztere hat das Potenzial in der traditionellen Betriebsart aber auch im Nahfeldmodus uumlber viele Jahre eingesetzt zu werden Neu aufkommende

Quantity Symbol Value Uncertainty Unit Sensitivity Contribution lm Relative contribution

Luminous responsivity 1 s1 3065E-10 9195E-13 A lxndash1 188E+12 173 000150

Luminous responsivity 2 s2 4111E-10 12333E-12 A lxndash1 143E+12 177 000153

Spectral matching exponent 1 m2 y 0021 0015 1 20 030 000026

Spectral matching exponent 2 m2 y 0036 0015 1 18 027 000023

CCT or distribution temperature T 2762 10 K 0012 012 000011

Uncertainty in r Δr 0000 00020 m 901 180 000156

Calibration factor for frequency F cFH 1000 00005 1 1141 057 000049

Calibration factor for frequency ƒ cFD 1000 00050 1 104 005 000005

Voltage to frequency converter 1 w1 f 500849 25 Hz Vndash1 0012 031 000027

Voltage to frequency converter 2 w2 f 500561 25 Hz Vndash1 00118 029 000026

Amplification gain 1 R1 g 1000E+09 99996 Ω 6223E-07 006 000005

Amplification gain 2 R2 g 9997E+08 99966 Ω 5430E-07 005 000005

Calibration factor for cmon ccm 1000 00005 1 1162 058 000050

Correction factor for stray light cstr 09995 00005 1 1134 057 000049

Luminous flux Φ 11541 327 00028

Φ = sdot

sdot

+ sdot sdotminus

c JJ

TT

r r c c tm

m

i i

y

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0

12

1

1

( ) ∆ (( )sdot minus( ) sdotsdot sdot minus

+=

minus=sumsum

cos cosFH FD

ϑ ϑ

ϕ

1 1 10

1 11

11

1

i ii

m jj

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2 0

2 2 2

( )sdot sdot

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(24)

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PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4Das Jahr des Lichtes

Anforderungen fuumlr die Ruumlckfuumlhrung photome-trischer Einheiten wie beispielsweise im Solid-State-Lighting-Bereich koumlnnen so erfuumlllt werden

Literatur

[1] Y Ohno 1995 Realization of NIST Luminous Flux Scale Using an Integrating Sphere with an External Source CIE Proceedings 23rd Session New Delhi

[2] R Sewig 1938 Handbuch der Lichttechnik Band 1 pp 319 321 Berlin Springer Verlag

[3] D Foumlrste 1966 Zur Lichtstrommessung an Lam-pen mit ungleichmaumlszligiger Lichtverteilung PTB-Mitteilungen 166 pp 18ndash20 Braunschweig PTB

[4] D Foumlrste 1979 Ein Goniophotometer zur genauen Bestimmung des Lichtstroms Licht-Forschung 1 Jahrgang 379 pp 30ndash36 Heidelberg Huumlthig Verlag

[5] D Foumlrste 1980 Elimination des Fremdlichts bei der Lichtstrombestimmung mit dem Gonio-photometer Licht-Forschung 2 Jahrgang 180 pp 27ndash29 Heidelberg Huumlthig Verlag

[6] W Erb 1997 PTB Network for realization and maintenance of the candela Metrologia 3497 pp 115ndash124 Bristol UK

[7] G Sauter 1996 Kalibrierung von Lichtstaumlrke-Normallampen und Angabe der Messunsicherheit PTB interner Bericht Braunschweig PTB

[8] G Sauter 1996 Goniophotometry new calibra-tion method and instrument design Metrologia 32 (199596) pp 685ndash688 Bristol UK

[9] httpenwikipediaorgwikiDenavit-Hartenberg_Parameters (letzter Aufruf 03122015)

[10] M Lindemann 2009 Photometry and Colori-metry of Reference LEDs by Using a Compact Goniophotometer MAPAN ndash Journal of Metro-logy Society of India Vol 24 No 3 pp 143ndash152 New Delhi India

[11] G Bizjak 2009 Determination of Stray Light at the PTB Goniophotometer Facility MAPAN ndash Jour-nal of Metrology Society of India Vol 24 No 3 pp 163ndash173 New Delhi India

[12] M Lindemann et al 2015 Robot goniopho-tometry at PTB Metrologia 52 pp 167ndash194 Bristol UK

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PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4Das Jahr des Lichtes

1 Eine einleitende Beschreibung von Gluumlhlampen LEDs und OLEDs

Der Einsatz Licht Emittierender Dioden (LED) in der Allgemeinbeleuchtung hat in den vergangenen Jahren erheblich zugenommen Ein entscheiden-der Vorteil der LED gegenuumlber der traditionellen Gluumlhlampe liegt in ihrer uumlberlegenen Lichtaus-beute ηv ndash dem Verhaumlltnis des emittierten Licht-stroms Φv und der aufgenommenen elektrischen Leistung Pel angegeben in LumenWatt

Dieser Vorteil beruht auf den Unterschieden der zugrunde liegenden Technologien der Lichterzeu-gung beider Lampentypen Bei einer (Halogen-)Gluumlhlampe wird der Gluumlhfaden durch elektrischen Strom auf Temperaturen um 3000 K aufgeheizt Obwohl hierbei fast die gesamte elektrische Leis-tung in Strahlung umgewandelt wird ndash Verluste durch thermische Konvektion oder Waumlrmeleitung sind gering ndash kann das menschliche Auge lediglich einen geringen spektralen Anteil der ungefaumlhr 5 der Gesamtstrahlungsleistung ausmacht wahr-nehmen Der Groszligteil der Strahlungsleistung liegt im infraroten Spektralbereich und kann nicht fuumlr Beleuchtungszwecke genutzt werden In Bild 1 ist die spektrale Verteilung einer Gluumlhlampe bei einer Temperatur von 2856 K im Spektralbereich

von 300 nm bis 1200 nm dargestellt Das sichtbare Licht im Spektralbereich zwischen 360 nm und 830 nm ist mit den entsprechenden Spektralfarben hinterlegt Oberhalb 830 nm beginnt der fuumlr das menschliche Auge unsichtbare infrarote Anteil der Strahlung

Der fuumlr photometrische Messungen normativ festgelegte spektrale Hellempfindlichkeitsgrad V(λ) also die Hellempfindlichkeit des Auges eines bdquoNormalbeobachtersldquo ist mit seinem Maximum bei 555 nm schwarz eingezeichnet

Da die Gluumlhlampe eine thermische Strahlungs-quelle ist verschiebt sich mit zunehmender Tem-peratur die Lage des Strahlungsmaximums ent-sprechend des Wienschen Verschiebungsgesetzes zu kuumlrzeren Wellenlaumlngen Um die Lichtausbeute von Gluumlhlampen zu erhoumlhen muumlsste man das Strah-lungsmaximum durch Temperaturerhoumlhung in den kurzwelligeren Bereich des sichtbaren Lichts verschieben Die Maximaltemperatur ist jedoch bei Gluumlhfaumlden aus Wolfram auf etwa 3000 K begrenzt ndash bei houmlheren Temperaturen nimmt die Lebensdauer drastisch ab

Das Funktionsprinzip einer LED-Lichtquelle basiert auf dem Phaumlnomen der Elektrolumines-zenz Der prinzipielle Aufbau einer LED aumlhnelt einer pn-Halbleiterdiode Durch Anlegen einer Gleichspannung rekombinieren Ladungstraumlger in der p-n-Grenzschicht der Leuchtdiode unter Emission von Strahlung Durch gezielte Auswahl der verwendeten Halbleitermaterialien und ihrer Dotierung wird deren Bandluumlcke und somit die Farbe des emittierten Lichtes bestimmt Im Jahr 1992 gelang der Durchbruch in der Entwicklung hocheffizienter blauer LEDs die den Einsatz von LEDs zur Allgemeinbeleuchtung erst ermoumlgli-chen Die zugrunde liegenden Forschungsarbei-ten wurden 2014 mit dem Nobelpreis fuumlr Physik gewuumlrdigt [1]

Eine schmalbandige Lichtemission ist charak-teristisch fuumlr LEDs Dementsprechend verfuumlgt ihr Licht uumlber eine hohe Farbsaumlttigung Durch die Bedeckung des LED-Chips mit breitbandig pho-tolumineszierenden Farbstoffen wird ein Teil der Strahlung in energieaumlrmeres langwelligeres Licht konvertiert und es entstehen Mischfarben wie

Metrologie fuumlr moderne Lichtquellen LEDs und OLEDs Thorsten Gerloff

Thorsten Gerloff Arbeitsgruppe bdquoPhotometrieldquo EshyMail thorstengerloffptbde

Bild 1 Spektrale Verteilung einer Gluumlhlampe und spektraler Hellempfindlichkeitsgrad (V(λ)-Funktion)

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PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4 Metrologie fuumlr moderne Lichtquellen

i Infokasten LED

Lichtausbeute einer Strahlungsquelle ηv

Die Lichtausbeute einer Strahlungsquelle gibt das Verhaumlltnis aus ausgestrahltem Lichtstrom und aufgenommener elektrischer Leistung an Die Einheit ist LumenWatt (lmW) Je houmlher die Lichtausbeute ist umso energieeffizienter ist die Beleuchtung Gluumlhlampen besitzen Lichtausbeuten zwischen 10 und 20 lmW

Lichtstrom Φv

Der Lichtstrom beruumlcksichtigt den Hellempfind-lichkeitsgrad V(λ) des Auges und gibt die in alle Raumrichtungen abgegebene bdquoLichtleistungldquo einer Lampe an Der Lichtstrom enthaumllt keine Information daruumlber wie die Lampe das Licht im Raum verteilt Der Lichtstrom gibt an wie hell ein beleuchteter Raum dem Menschen erscheint

Spektraler Hellempfindlichkeitsgrad V(λ)

Der exakt definierte spektrale Hellempfindlich-keitsgrad V(λ) ist eine Bewertungsfunktion fuumlr elektromagnetische Strahlung Hiermit wird der bdquoHelligkeitseindruck eines menschlichen Durch-schnittsaugesldquo berechnet Dies ermoumlglicht den objektiven Vergleich von Lichtquellen mit physika-lischen Messmethoden Subjektive Wahrnehmun-gen einzelner Menschen koumlnnen damit nicht exakt wiedergegeben werden

Aumlhnlichste Farbtemperatur TN

Es gibt unterschiedliche Farbtemperaturen in der Photometrie Verhaumlltnis- und Verteilungstem-peratur sind nur bei thermischen Strahlern wie der Gluumlhlampe anwendbar Nur die aumlhnlichste Farbtemperatur (englisch Correlated Colour Temperature CCT) laumlsst sich fuumlr Lichtquellen mit beliebiger spektraler Zusammensetzung berech-nen sofern die Normfarbwertanteile aumlhnlich einem thermischen Strahler sind Die aumlhnlichste Farbtemperatur wird in der Einheit Kelvin (K) angegeben Sie gibt an ob das Licht warmweiszlig (ca 3000 K) neutralweiszlig (ca 4500 K) oder tages-lichtweiszlig (gt5500 K) erscheint

Normfarbwertanteile (x y)

Fuumlr die Angabe von Farbe gibt es neben dem spek-tralen Hellempfindlichkeitsgrad V(λ)noch weitere definierte Bewertungsfunktionen Hiermit laumlsst sich die Farbwahrnehmung eines fiktive Normalbeob-achters aus der gemessenen spektralen Verteilung des Lichts durch Angabe von nur zwei Werten (x und y) angeben Diese Werte geben die Koordi-naten auf der Normfarbtafel (s Abbildung) an

Normfarbtafel

Farbwiedergabeindex Ra

Der Farbwiedergabeindex ist eine Kennzahl fuumlr Lichtquellen der bewertet die Qualitaumlt der Farb-wiedergabe Je houmlher der Wert desto besser ist die Farbwiedergabe Der Maximalwert liegt bei 100 Werte zwischen 90 und 100 geben eine ausgezeich-nete Farbwiedergabe an Werte unter 80 sind fuumlr viele Anwendungen nicht ausreichend

Im Folgenden soll ein kleiner Leitfaden gegeben werden der in allgemeinverstaumlndlicher Form die grundlegenden Ideen wichtiger lichttechnischer Groumlszligen erlaumlutern soll Komplexe Details der zugrunde liegenden Normen und Definitionen werden hierbei nicht beruumlcksichtigt

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PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4Das Jahr des Lichtes

Pastellfarbtoumlne oder auch weiszliges LichtIn Bild 2 sind die spektralen Verteilungen einer

LED mit und ohne Leuchtstoff abgebildet In der linken Abbildung erkennt man die schmalbandige blaue Emission des LED-Chips In der rechten Abbildung wird ein Teil dieser Strahlung durch einen Leuchtstoff in laumlngerwelliges Licht konver-tiert und die Mischfarbe erscheint weiszlig

Der Vorteil einer LED gegenuumlber einer Gluumlh-lampe bezuumlglich der Lichtausbeute ist offensicht-lich Es wird ndash von unvermeidbarer thermischer Verlustleistung abgesehen ndash nur Strahlung im sichtbaren Wellenlaumlngenbereich emittiert Daruumlber hinaus ist die Farbe des Lichts von LEDs durch Kombination verschiedener Leuchtstoffe und LEDs nahezu beliebig einstellbar und man ist nicht auf aumlhnlichste Farbtemperaturen von ca 3000 K wie bei der Gluumlhlampe begrenzt

Allerdings gibt es auch Nachteile gegenuumlber dem Licht einer Gluumlhlampe Dem typischen Spektrum einer LED-Lichtquelle fehlen im Gegensatz zu Sonnenlicht oder Gluumlhlampenlicht einzelne Spekt-ralfarben Dies macht sich negativ bei der Qualitaumlt der Farbwiedergabe bemerkbar

Die Farbe des emittierten Lichts einer LED laumlsst sich durch additive Farbmischung sehr aumlhnlich zu Sonnenlicht oder auch Gluumlhlampenlicht einstellen Wenn jedoch Objekte mit Licht beleuchtet werden kommt es auch auf die spektrale Zusammensetzung des Lichts an Nehmen wir einen Blumenstrauszlig aus roten Rosen der im Tageslicht steht Im Son-nenlicht sind alle Spektralfarben vorhanden und diese beleuchten die Rosen Die roten Bluumltenblaumltter absorbieren einige spektrale Anteile des Lichts und reflektieren im Wesentlichen rotes Licht welches in das Auge des Betrachters faumlllt Wenn die Rosen von einer anderen Lichtquelle beleuchtet werden in der die roten Spektralanteile zumindest teilweise fehlen koumlnnen diese nicht reflektiert werden und die Farben der Rosen erscheinen unnatuumlrlich

Dies ist von weitreichender Bedeutung fuumlr die Wahl einer geeigneten Lichtquelle da wir einen Kompromiss aus Licht mit guter Farbwieder-gabe und hoher Lichtausbeute schlieszligen muumlssen Licht mit hoher Farbwiedergabe setzt sich aus moumlglichst vielen Spektralfarben zusammen und Lichtquellen mit hoher Lichtausbeute sollten nur Spektralfarben beinhalten fuumlr die das menschliche Auge besonders empfindlich ist In den Auszligenbe-zirken vieler Staumldte werden zur Nachtbeleuchtung der Gehwege haumlufig Natriumdampflampen mit orangefarbenem Licht eingesetzt Die Lichtaus-beute dieser Lampen ist mit etwa 150 lmW auszligerordentlich hoch da das menschliche Auge in diesem Spektralbereich sehr empfindlich ist Diese Beleuchtung ist jedoch ungeeignet um Farben natuumlrlich wiederzugeben Aufgrund des Aufbaus des menschlichen Auges ist es also nicht moumlglich eine Beleuchtung mit sehr hoher Qualitaumlt der Farbwiedergabe bei gleichzeitig sehr hoher Lichtausbeute zu realisieren

Weiszlige LEDs zur Allgemeinbeleuchtung nutzen in der Regel Leuchtstoffe die teilweise qualita-tiv hochwertige Farbwiedergabeeigenschaften besitzen Eine weitere Methode zur Erzeugung von weiszligem Licht ist das Mischen von rotem gruumlnem und blauem Licht (RGB-Verfahren) welches die Grundlage jedes Displays ist Hierbei sind neben weiszligem Licht auch andere Lichtfarben moumlglich ndash die Farbwiedergabeeigenschaften sind allerdings schlecht Fuumlr die Endverbraucher sind in der Regel die Farbwiedergabeeigenschaften von Lichtquellen als Ra-Werte auf der Verpackung angegeben

Organische Licht Emittierende Dioden (OLED) sind eine junge Beleuchtungstechnologie die noch keinen Zugang zum Massenmarkt erhalten hat Die weltweit erste kommerzielle OLED-Leuchte wurde 2008 vertrieben Der fuumlr den Nutzer wesentliche Unterschied zwischen OLEDs und LEDs besteht im Aufbau Der leuchtende Kristall

Bild 2 Spektrale Verteilung einer blauen LED (links) und einer weiszligen LED (rechts) bei der ein Teil des blauen Lichts zu gelbem Licht konvertiert wurde

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PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4 Metrologie fuumlr moderne Lichtquellen

anorganischer LEDs besitzt eine maximale Kan-tenlaumlnge von etwa einem Millimeter Bei OLEDs wird das Licht in groszligflaumlchigen amorphen organi-schen Schichten erzeugt Momentan sind OLEDs mit leuchtenden Flaumlchen von bis zu 20 x 20 cmsup2 erhaumlltlich Das Licht wird aumlhnlich wie bei LEDs durch Ladungstraumlgerrekombination unter Auftre-ten von Elektrolumineszenz erzeugt Dabei ist das Emissionsspektrum der verwendeten organischen Emittermaterialien wesentlich breitbandiger als das einer LED (vgl Bild 3) Daher wird das weiszlige Licht von OLEDs in der Regel durch Verwendung von roten gruumlnen und blauen Emittermaterialien erzeugt ohne dass die Farbwiedergabeeigenschaf-ten sehr stark darunter leiden

2 Entwicklung von (O)LED-Transfer-normalen in der PTB

Eine der Kernaufgaben der PTB ist die Weiter-gabe der gesetzlichen Einheiten Bis zum heuti-gen Tage bieten Transfernormale in Form von speziellen Gluumlhlampen die besten Eigenschaften um als Maszligverkoumlrperung der Einheiten Candela oder Lumen zu dienen Da der Anwender in der Regel jedoch die Substitutionsmethode bei seinen Messungen anwendet um notwendige Korrektu-ren auf ein Minimum zu reduzieren (Gleiches mit Gleichem vergleichen) sind auch Transfernormale auf Basis der LED-Technologie von Interesse

Bereits in den 80er-Jahren des vergangenen Jahr-hunderts wurden LEDs in der PTB kalibriert Diese waren fuumlr Beleuchtungszwecke noch ungeeignet und dienten lediglich als Signallampen Zeitgleich wurden die ersten PTB-LED-Transfernormale entwickelt deren optische Eigenschaften durch thermische Regelung des LED-Chips stabilisiert wurden Die mechanische Ausrichtung der LEDs leistet aufgrund des typischerweise stark gerichteten Abstrahlprofils der LEDs einen groszligen Beitrag auf die Messunsicherheit Daher werden die LEDs seit

2002 in ein rotationssymmetrisches robustes VA-Stahl-Gehaumluse eingebaut welches sich sehr repro-duzierbar ausrichten laumlsst (vgl Bild 4)

Diese Transfernormale werden unter Konstant-Strom-Bedingungen und ndash durch gezieltes Aufhei-zen des LED-Chips durch den Heizwiderstand ndash unter Konstant-Spannung-Bedingungen betrieben Aufgrund der halbleitenden Eigenschaften sinkt mit steigender Temperatur die Betriebsspannung und sowohl der Lichtstrom als auch die Peakwellenlaumlnge des emittierten Lichts veraumlndert sich Die Sollspan-nung wird auf einen Wert festgelegt der unterhalb der Gleichgewichtsspannung durch Eigenerwaumlr-mung im Betrieb ohne Heizwiderstand bei einer Umgebungstemperatur von etwa 35 degC liegt Somit ist auch ein Einsatz der Transfernormale in Laboren ohne Klimatisierung moumlglich

Fuumlr LEDs mit houmlheren Leistungen wurde im Jahr 2011 ein weiterer Prototyp eines Transfernormals vorgestellt (vgl Bild 5) Da die hier verwendeten LEDs eine houmlhere Leistungsaufnahme besitzen werden sie waumlrmer Das reduziert die Lebensdauer und Reproduzierbarkeit der photometrischen

Bild 3 Exemplarische spektrale Verteilung einer weiszligen OLED

Bild 4 Temperaturgeregeltes LED-Transfernormal auf Basis von Kleinleistungs-LEDs mit Lichtstroumlmen von bis zu 10 Lumen

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PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4Das Jahr des Lichtes

Groumlszligen deutlich Daher muumlssen sie gekuumlhlt werden Hierfuumlr kommt bei diesen Normalen ein Peltier-Element zum Einsatz welches geregelt Waumlrme in einen dahinterliegenden Kuumlhlkoumlrper leitet und hierdurch das emittierte Licht stabilisiert Diese Transfernormale zeichnen sich durch ein geringes

Gewicht bei einer Laumlnge von ca 100 mm und einem Durchmesser von etwa 20 mm aus Allerdings ist die Verwendung von LEDs mit sehr hohen Leistun-gen nicht moumlglich da die Abwaumlrme lediglich passiv an den Raum abgegeben wird Eine detaillierte Beschreibung der Eigenschaften dieses Transfer-normals wurde 2012 veroumlffentlicht [2]

Fuumlr die thermische Stabilisierung von LEDs mit sehr hohen Leistungen wurde ein weiteres Trans-fernormal unter Einsatz von Peltier-Elementen Heatpipes und aktivem Kuumlhlsystem in der PTB entwickelt (vgl Bild 6)

Im Rahmen des europaumlischen Forschungspro-jekts OLED100eu wurde in der PTB weiterhin das weltweit erste Transfernormal unter Einsatz einer organischen Leuchtdiode entwickelt (vgl Bild 7) Dieses Normal wurde fuumlr den Einsatz in einer Ulbricht-Kugel konzipiert und in ein mattes Aluminiumgehaumluse eingebaut Eine Besonderheit dieses Normals ist die Stand-Alone-Versorgungs-einheit die ohne Rechner o auml saumlmtliche relevan-ten elektrischen und thermischen Groumlszligen regelt und auf einem USB-Stick speichert

3 LED-Messtechnik in der PTB

Neben LED-Transfernormalen mit guter Reprodu-zierbarkeit ist eine hochentwickelte Messtechnik fuumlr deren Kalibrierung mit minimaler Messunsi-cherheit erforderlich

Die photometrische Beschreibung von LEDs erfolgt durch Angabe ihrer Lichtstaumlrke ILED mit der Einheit Candela und ihrem Lichtstrom ΦLED mit der Einheit Lumen Diese Groumlszligen werden in der PTB unter Verwendung ruumlckgefuumlhrter Photometer bestimmt Hierfuumlr wird die Beleuchtungsstaumlrke ELED unter definierten geometrischen Bedingungen fuumlr alle Abstrahlrichtungen der LED mit einem Goniophotometer gemessen

Fuumlr die Bestimmung der colorimetrischen Werte kommen Spektralradiometer zum Einsatz Hiermit werden spektrale Bestrahlungsstaumlrken gemessen und daraus die abgeleiteten colorime-

Bild 5 Temperaturgeregeltes LED-Transfernormal auf Basis von Hochleistungs-LEDs mit Lichtstroumlmen von bis zu 100 Lumen Im rechten Bild ist die Temperaturverteilung in Grad Celsius waumlhrend des Betriebs abgebildet

Bild 6 Temperaturgeregeltes LED-Transfernormal auf Basis von Houmlchstleistungs-LEDs mit Lichtstroumlmen von bis zu 2500 Lumen

Bild 7 Temperaturgeregeltes OLED-Transfernormal auf Basis kommerziell erhaumlltlicher OLEDs

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PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4 Metrologie fuumlr moderne Lichtquellen

trischen Kenngroumlszligen wie z B die Normfarb-wertanteile (x y) bei weiszligen LEDs die aumlhnlichste Farbtemperatur TN mit der Einheit Kelvin und bei farbigen LEDs die dominante Wellenlaumlnge λdom berechnet Grundlegende Informationen und Definitionen uumlber die photometrischen und colorimetrischen Groumlszligen und deren Messung sind in [3] [4] und [5] zu finden

In Bild 8 ist der Aufbau des LED-Messplatzes an der PTB zu sehen Fuumlr die Bestimmung der Mess-groumlszligen in alle raumlumlichen Abstrahlwinkel wird die LED durch ein Goniophotometer bewegt

Die LED wird in horizontaler Betriebslage zentrisch normal zur Referenzebene des Photo-meterkopfes ausgerichtet Ein Translationstisch ermoumlglicht dabei eine Variation des Abstandes d zwischen Photometer und LED Eine horizontale Rotationsachse (φ-Achse) und eine senkrechte Rotationsachse (ϑ-Achse) die sich an der LED-Spitze im rechten Winkel schneiden erlauben durch Drehung der LED eine Bestimmung der Beleuchtungsstaumlrke ELED in alle Raumrichtungen Beide Rotationsachsen werden waumlhrend der Messung zeitgleich bewegt Hierdurch bewegt sich die relative Position der lichtempfindlichen Emp-faumlngeroumlffnung bezuumlglich des Schnittpunkts beider Drehachsen auf der Oberflaumlche einer virtuellen Kugel entlang einer Spiralbahn von bdquoPol zu Polldquo dieser Kugel

Die Bestimmung des Lichtstroms ΦLED erfolgt analog der Beschreibung in dem Kapitel Kurze Geschichte der Goniophotometrie in der PTB Der wesentliche Unterschied zu goniophotome-trischen Messungen an Gluumlhlampen besteht darin dass bei LED-Messungen die Lichtquelle typischerweise bewegt werden kann ohne dass sich ihre optischen Eigenschaften aumlndernAufgrund des stetig wachsenden Bedarfs an ruumlck-gefuumlhrten Kalibrierungen von High-Power-LEDs sind Masse und Abmessungen der Transfernor-male erheblich gestiegen Daher wurde der Mess-platz 2015 um ein weiteres Goniophotometer fuumlr schwere und groszlige Objekte erweitert (vgl Bild 9)

Neben den photometrischen Empfaumlngern befinden sich auch Einkoppeloptiken fuumlr Spekt-ralradiometer auf dem drehbaren Empfaumlngerka-russell Alle Empfaumlnger lassen sich hiermit auto-matisiert waumlhrend einer Messung zu den LEDs ausrichten Vor jeder LED-Kalibrierung werden die Spektralradiometer bezuumlglich Ihrer spektralen Empfindlichkeit und Wellenlaumlnge kalibriert Die entsprechenden Normallampen befinden sich neben dem Empfaumlngerkarussell (vgl Bild 10) und ermoumlglichen so ebenfalls eine automatisierte Messung

Den spektralen Messungen an LEDs kommt neben der Notwendigkeit fuumlr die Bestimmung colorimetrischer Kennzahlen noch eine beson-dere Bedeutung fuumlr die photometrischen Messun-

Bild 9 Goniophotometer fuumlr photometrische Messungen an Hochleistungs-LEDs

Bild 10 Entladungslampen mit verschiedenen Gasfuumlllungen dienen der Wellenlaumlngenka-librierung der Spektrometer Im Hintergrund ist eine Bestrahlungsstaumlrke-Normal-lampe fuumlr die spektrale Empfindlichkeitskalibrierung zu sehen

Bild 8 Goniophotometer fuumlr photometrische Messungen an Kleinleistungs-LEDs

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PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4Das Jahr des Lichtes

gen zu Wie in der Einleitung erklaumlrt unterscheiden sich die spektralen Verteilungen von LEDs und Gluumlhlampen deutlich voneinander Photometerkoumlpfe bestehen in der Regel aus einer Silizium-Photodiode deren spektrale Empfindlichkeit durch den Einsatz von Glasfiltern moumlglichst gut an den Hellemp-findlichkeitsgrad V(λ) angepasst wird Aufgrund internationaler Standardisierung wird die photo-metrische Empfindlichkeit von Photometerkoumlpfen fast ausschlieszliglich fuumlr Normlichtart A kalibriert In der Praxis werden hierfuumlr Gluumlhlampen mit einer Verteilungstemperatur von 2856 K verwendet Wenn man ein solches Photometer fuumlr Messungen an anderen Gluumlhlampen verwendet sind die spektralen Verteilungen meist so aumlhnlich dass nur geringe oder gar vernachlaumlssigbare Korrekturen aufgrund der spektralen Fehlanpassung also der Abweichung der realen spektralen Empfindlichkeit des Photometers von dem Hellempfindlichkeitsgrad notwendig sind Wenn man ein solches Photometer jedoch bei LEDs insbesondere farbigen LEDs einsetzt koumlnnen die Abweichungen aufgrund der spektralen Fehlan-passung sehr groszlig werden (gt10 fuumlr hochwertige Photometerkoumlpfe sind moumlglich)

Mit Kenntnis der relativen spektralen Verteilung der Leuchtdiode SLED(λ) und der relativen spekt-ralen Empfindlichkeit srel(λ) laumlsst sich die spektrale Fehlanpassung durch folgenden Korrekturfaktor cSpek korrigieren

cV S

s S

V P T

sSpek

LED

rel LED

A

rel

d

d

d=

( ) ( )( ) ( )

( ) ( )( )

intint

intλ λ λ

λ λ λ

λ λ λ

λ

intint ( )P Tλ λ A d

P(λ TA) beschreibt Lichtart A durch das Planck-sche Strahlungsgesetz fuumlr TA = 2856 K

Eine detaillierte Auflistung und Diskussion aller zu beruumlcksichtigenden Details bei Kalibrierungen von LEDs und das dazugehoumlrige Messunsicher-heitsbudget soll an dieser Stelle nicht gegeben werden Interessierte Leser koumlnnen hierfuumlr Infor-mationen in einer fruumlheren Veroumlffentlichung [6] oder in den Ergebnissen eines internationalen Vergleichs von LED-Messungen [7] finden

Fazit und Ausblick

Der Verzicht auf LEDs ist fuumlr Beleuchtungsan-wendungen nicht mehr vorstellbar Durch ihre kontinuierliche Weiterentwicklung erobern LEDs immer weitere Anwendungsfelder (z B Haus-halts- Straszligen- und Automobilbeleuchtung) mit denen der Endkunde in Kontakt kommt Bei diesen Anwendungen sind die Anforderungen an die Lichtquellen vielfaumlltig und fuumlr eine quantitative Beschreibung ihrer Eigenschaften muss auch die Messtechnik entsprechend umfassend und ausge-reift sein

Neben dem allgemeinen Forschungs- und Ent-wicklungsbedarf fuumlr bessere LED-Messverfahren und -geraumlte die die Grundlage ihrer technologi-schen Weiterentwicklung bilden gibt es eine weitere Herausforderung Aufgrund der nahezu unbe-grenzten Moumlglichkeiten eine bestimmte Lichtfarbe durch additive Farbmischung zu erhalten sind LEDs verschiedener Hersteller mit unterschiedlichen Emissionsspektren aber einer nominell gleichen aumlhnlichsten Farbtemperatur erhaumlltlich Dennoch ist teilweise ein Unterschied der Lichtfarbe mit bloszligem Auge erkennbar wenn sich unterschiedliche LEDs nebeneinander befinden

Es ist ungewoumlhnlich dass man ohne technische Hilfsmittel nominell gleiche Lichtfarben faktisch unterscheiden kann Um die Charakterisierung von LEDs soweit zu verbessern dass dies nicht mehr moumlglich ist ist einerseits eine Reduzierung der Messunsicherheit bei der Bestimmung der Normfarbwertanteile (Lichtfarbe) notwendig Andererseits muss man sich bewusst machen dass photometrische und colorimetrische Messverfahren auf rein physikalischen Zusammenhaumlngen basieren Individuelle menschliche Wahrnehmung und Sehen werden bei photometrischen Messungen nicht beruumlcksichtigt ndash diese werden durch Festlegung von exakt definierten Wichtungsfunktionen wie dem Hellempfindlichkeitsgrad fuumlr einen fiktiven Normalbeobachter ausgegrenzt Diese Wichtungs-funktionen koumlnnen gegebenenfalls auch noch optimiert werden um die objektive Beurteilung von Lichtquellen mit physikalischen Messmethoden zu verbessern Somit gibt es auch in Zukunft noch interdisziplinaumlre Herausforderungen fuumlr die Metro-logie moderner Lichtquellen

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Effektpigmente hellipPTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4

Einleitung

Farbe ist fuumlr Menschen die wohl auffaumllligste sub-jektive Stoffeigenschaft Bereits den Fruumlhmenschen war diese visuelle Qualitaumlt bekannt deren Wahr-nehmung allen Primaten eigen ist So wurde 2008 in Suumldafrika eine ca 100000 Jahre alte steinzeitli-che bdquoMalerwerkstattldquo entdeckt [1] Auch heutzu-tage spielt Farbe in der Gestaltung unserer Umwelt eine wichtige Rolle Jedes Jahr praumlsentiert uns die Mode die neuen Farben der Saison Farben dienen zur Regelung des Verkehrs Ohne bunte Farben waumlre unsere Welt trist und oumlde

Es ist wichtig festzustellen dass Farbe ein physiologischer Sinneseindruck ist wie z B auch Tasten oder Riechen D h Farbe ist keine immanente physikalische Eigenschaft eines Gegenstandes wie z B seine Masse oder Waumlrme-leitfaumlhigkeit Die physiologische Wahrnehmungs-kette ist hierbei folgende Das vom betrachteten Gegenstand reflektierte Licht trifft auf das Auge und loumlst hierbei einen Farbreiz aus Dieser Farbreiz beruht auf der spektralen Zusammensetzung des empfangenen Lichts d h er ist abhaumlngig von der verwendeten Lichtquelle und dem spektralen Reflexionsvermoumlgen des betrachteten Objektes Die Anregung der licht- und farbempfindlichen Zellen in der Netzhaut fuumlhrt zu einer Farbvalenz die uumlber den Sehnerv an das Gehirn weitergeleitet wird Die eigentliche Farbempfindung die wir dann mit einem Gegenstand verknuumlpfen entsteht erst im Gehirn [2] Liegt z B eine Farbfehlsich-tigkeit vor so kann der Farbeindruck des betrof-fenen Menschen auch ein ganz anderer sein Auch viele Tiere mit ihren teilweise erheblich abweichenden visuellen Systemen nehmen Farbe ganz unterschiedlich als wir Menschen wahr Im Folgenden soll mit Farbe immer die Koumlrperfarbe auch Gegenstandsfarbe Objektfarbe bzw Oberflauml-chenfarbe genannt einer nicht selbstleuchtenden Flaumlche bezeichnet werden die durch Reflexion von Licht an einem Koumlrper entsteht

Die genannten Zusammenhaumlnge machen die mathematisch-physikalische Beschreibung von Farbe schwierig und aufwendig da auch die spe-zifischen Eigenarten der menschlichen Wahrneh-

mungskette nachgestellt werden muumlssen Diesem Umstand wird versucht uumlber die verschiedenen Farbmaszligsysteme Rechnung zu tragen welche die Farbe eines Objektes mithilfe von quantifizierba-ren Zahlenwerten kennzeichnen [3]

Generell koumlnnen farbige Flaumlchen je nach Tageszeit und Lichteinfall sehr unterschiedlich wirken Die Aumlnderungen basieren hierbei auf der unterschiedlichen spektralen Zusammenset-zung des Tageslichts und den winkelabhaumlngigen Glanz- und Struktureigenschaften von Oberflauml-chen Ganz besonders deutlich ist dies bei auf dem Interferenzeffekt basierenden Effektpigmenten der Fall Deren visuelles Erscheinungsbild im englischen mit Visual Appearance bezeichnet kann sich bei variierendem Beobachtungswinkel und unterschiedlichen Lichtverhaumlltnissen komplett veraumlndern Man spricht hierbei von sogenannten Flop-Lacken wobei man zwischen Hell-Dunkel-Flop und Farb-Flop unterscheiden kann [4]

Generell kann man sagen dass Farbe und visuelle Effekte einen entscheidenden Anteil am Verkaufserfolg eines Produktes haben denn Farben wecken Emotionen und verschiedene Neuro marketingstudien belegen dass ca 95 aller Kaufentscheidungen emotional gepraumlgt sind [5] Deshalb spielt eine moderne Farbgestaltung unter Nutzung aktueller Effektpigmente im Pro-duktdesign eine entscheidende Rolle denn durch den Einsatz solcher Pigmente kann Gegenstaumlnden eine houmlhere Attraktivitaumlt verliehen werden Daher findet man moderne Effektpigmente heutzutage in vielen teilweise sehr unterschiedlichen Indus-trieprodukten wie z B in Autolackierungen Haumluserfassaden Kosmetikartikeln oder sogar bei Pralineacutes wie dies in Bild 1 zu sehen ist

Pigmente

Als Pigmente aus dem Lateinischen kommend von pigmentum fuumlr bdquoFaumlrbestoff Schminkeldquo bezeichnet man aus Teilchen bestehende im Anwendungs-medium praktisch unloumlsliche Sub stanzen die als Farbmittel oder wegen anderer spezieller physika-lischer und chemischer Eigenschaften als funktio-nale Farbzentren verwendet werden [6]

Effektpigmente Eine Herausforderung fuumlr die optische Messtechnik

Egbert Buhr Alfred Schirmacher Andreas Houmlpe

Dr Egbert Buhr Fachbereich bdquoBildshy und Wellenoptikldquo EshyMail egbertbuhrptbde

Dr Alfred Schirmacher Arbeitsshygruppe bdquoReflexion und Transmissionldquo EshyMail alfredschirmacherptbde

Dr Andreas Houmlpe dagger ehemals Arbeitsgrupshype bdquoReflexion und Transmissionldquo

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PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4Das Jahr des Lichtes

In der Natur vorkommende anorganische Pig-mente sind schon seit praumlhistorischen Zeiten bekannt Schon die Menschen der Steinzeit benutzen mineralische Pigmente fuumlr die ersten Houmlhlenzeichnungen Sie erkannten dass sie mit unterschiedlichen Erdsorten farbig malen konnten Eisenoxidhaltige Erden liefern gelbrote bis braunrote Kalk und Gips weiszlige Mangan-oxide sowie Holz- und Knochenkohle schwarze Farbtoumlne

Aus heutiger industrieller Sicht ist ein Pigment ein fein aufgeteilter und unloumlslicher Feststoff mit der Hauptfunktion das Erscheinungsbild des verwendeten Mediums zu verbessern oder es zu faumlrben Pigmente werden dem Medium immer durch physikalisches Mischen beigegeben dies unterscheidet sie von Farbstoffen die in ihrem Medium loumlslich sind

Pigmente koumlnnen nach den optischen Prin-zipien ihrer Wechselwirkung mit Licht unter-schieden und in verschiedene Klassen eingeteilt werden Wichtige Pigmentklassen sind Weiszlig- Bunt- Schwarz- und Effektpigmente die alle wegen ihrer speziellen farbgebenden Eigenschaf-ten eingesetzt werden Bei den Effektpigmenten

kann in einer ersten vereinfachten Einteilung noch zwischen Metalleffekt- und den sogenannten speziellen Effektpigmenten unterschieden werden

Der Begriff bdquospezielle Effektpigmenteldquo umfasst die Gruppen der Perlglanzpigmente und der all-gemeinen Interferenzpigmente welche insbeson-dere bei aktuellen Pigmententwicklungen nicht scharf abgegrenzt werden koumlnnen Perlglanzpig-mente sind Effektpigmente die aus transparenten Plaumlttchen mit hohem Brechungsindex bestehen Sie erzeugen durch die spezielle Form der Mehr-fachreflexion des transmittierten Lichts an mehre-ren Pigmenten einen perlenaumlhnlichen Effekt bei dem die auftreffende Strahlung verteilt reflektiert wird wodurch der Eindruck einer mit der Tiefe abnehmenden diffusen Helligkeit entsteht Fuumlr das Auge ergibt sich so eine scheinbar dreidimen-sionale Glanzcharakteristik die aus der Tiefe des Objektes zu kommen scheint Interferenzpigmente dagegen sind Effektpigmente deren farbgebende Wirkung ganz oder vorwiegend auf dem Effekt der Vielstrahlinterferenz von Licht an duumlnnen hoch-brechenden Schichten beruht Interferenzpigmente koumlnnen dabei sowohl auf transparenten oder auch nichttransparenten Plaumlttchen basieren

Bild 1 a) Roadster mit ChromaFlairreg-Effektpigmentlackierung b) Verwaltungsgebaumlude in Braunschweig verkleidet mit Alucobondreg-spectra-colours-Verbundplatten c) Effektpigmente im Nagellack d) Pralineacute mit Effektpigmentuumlberzug

a

dc

bb

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Effektpigmente hellipPTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4

Die heute verwendeten Pigmente lassen sich somit grob in fuumlnf verschiedene Klassen einteilen

1) Weiszligpigmente Die Pigmente streuen das ge-samte auftreffende Licht nahezu verlustfrei in alle Richtungen durch diffuse ungerichtete Reflexion

2) Buntpigmente Die Pigmente streuen einen Teil des Lichtes diffus und absorbieren wellenlaumln-genselektiv einen anderen Teil des Lichtes

3) Schwarzpigmente Die Pigmente absorbieren alle Wellenlaumlngen des fuumlr das menschliche Auge sichtbaren Spektralbereiches

4) Metalleffektpigmente Die aus duumlnnen Metall-plaumlttchen vorwiegend Aluminium bestehen-den Metalleffektpigmente sind lichtundurch-laumlssig und reflektieren das gesamte auftreffende Licht durch spekulare gerichtete Reflexion Die Pigmentpartikel wirken dabei wie Mikrospie-gel und fuumlhren bei paralleler Ausrichtung im Anwendungsmedium zu einem spiegelnden Metallglanz dem Metallic-Effekt

5) Spezielle Effektpigmente Perlglanz- bzw Inter-ferenzpigmente deren optische Wirkung auf der Mehrfachreflexion an uumlberwiegend flaumlchig aus-gebildeten und ausgerichteten transparenten semitransparenten oder lichtundurchlaumlssigen Partikeln beruht

Weiszlig- Bunt- und auch Schwarzpigmente weisen typische Durchmesser im Bereich von 100 nm bis zu 1 microm auf Ihre Groumlszlige liegt damit zum Teil im Bereich der Wellenlaumlnge des sichtbaren Lichtes welches den Bereich von 380 nm bis 780 nm uumlberdeckt Einige Schwarzpigmente wie z B Ruszlig-pigmente liegen mit ihren Durchmessern jedoch auch zum Teil auch deutlich darunter Effektpig-mente besitzen dagegen Teilchendurchmesser die zumeist im Bereich von 5 microm bis 100 microm in einigen Faumlllen auch daruumlber liegen Sie sind damit bezuumlglich der mittleren Plaumlttchendurch-messer wesentlich groumlszliger als die Wellenlaumlnge des sichtbaren Lichtes Die Dicke der Plaumlttchen liegt von einigen Ausnahmen abgesehen unter 1 microm ebenso wie die Dicke der Interferenzschichten Demzufolge weisen Effektpigmente in der Regel ein hohes Aspektverhaumlltnis auf (Verhaumlltnis der lateralen Ausdehnung einer Struktur zu ihrer Houmlhe) welches bis zu 200 betragen kann

Interferenzpigmente ndash Wie die Farben entstehen

Die Farbe von Interferenzpigmenten haumlngt von der Schichtdicke der Metalloxidbeschichtung und dem Einstrahlungs- und Betrachtungswinkel ab Beide Parameter bestimmen die effektive optische Weg-

laumlngendifferenz fuumlr das einfallende weiszlige Licht zwischen oberer und unterer Grenzflaumlche und die somit auftretenden Interferenzfarben siehe Bild 3

Interferenzpigmente zeigen somit einen aus-gepraumlgten bdquoFarbflopldquo Die Winkelabhaumlngigkeit der Farbe wird hierbei auch als Goniochromasie bezeichnet Richtig bunt geht es zu wenn ein Interferenzpigment auf einen bereits bunten Untergrund aufgebracht wird Die Transparenz der Pigmente laumlsst die Untergrundfarbe durch-

Bild 2 Schematische Diagramme zum spektralen Verhalten verschiedener Pigmenttypen

Bild 3 Die Schichtdicke der Metalloxidbeschichtung und der kombinierte Einstrahlungs- und Betrachtungswinkel bestimmen die optische Weglaumlnge und somit die sich ergebenden Interferenzfarben in Reflexion und Transmission

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PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4Das Jahr des Lichtes

Bild 5 Die Effekte Spar-kling (1) und Coarseness (2) des Effektpigmentes Xirallicreg Crystal Silver in einer vergroumlszliger-ten Aufnahme auf weiszligem (links) und schwarzem Hinter-grund (rechts)

scheinen im Glanzwinkel wird sie aber von der Interferenzfarbe uumlberstrahlt wie dies in Bild 4 zu sehen ist

Der Effekt eines Helligkeitsunterschiedes unter verschiedenen Betrachtungswinkeln wird als Helligkeitsflop bezeichnet und ist an sich nichts Neues Sind jedoch die einzelnen Pigmentteilchen

aufgrund ihrer planaren Reflexionsoberflaumlchen in gerichteter Beleuchtung direkt beobachtbar was fuumlr mittlere Teilchengroumlszligen von 30 microm und groumlszliger der Fall ist so ergibt dies einen Effekt welcher mit dem Begriff Sparkle (Glitzern Funkeln) bezeichnet wird (Bild 5) Aumlndert sich die Beleuchtung von einer gerichteten Einstrahlung wie es an einem wolkenlosen sonnigen Sommertag der Fall ist hin zu einer diffusen ungerichteten Einstrahlung wie an einem stark bewoumllkten Herbsttag so verschwin-det das Sparkling der Pigmente und verwandelt sich in eine Koumlrnigkeit der Oberflaumlche Dieses optische Phaumlnomen wird als Coarseness (Bild-koumlrnigkeit) bezeichnet und ist unabhaumlngig vom Betrachtungswinkel (Bild 5)

Als neuer Archetypus des Sparkle-Begriffes haben sich in den letzten Jahren die Xirallicreg Pig-mente (High Chroma Chrystal Effect Pigments) der Firma Merck KGaA entwickelt Durch die Beschich-tung von Aluminiumoxidplaumlttchen mit hochbre-chenden Metalloxiden und einer optimierten Dicke und Ebenheit aller am Pigment beteiligten Schich-ten entstehen auszligergewoumlhnlich stark reflektierende Effektpigmente die einen besonders intensiven Sparkle-Effekt aufweisen Man spricht hierbei auch von sogenanntem Living Sparkle welcher sich in einem scheinbaren bdquoTanzenldquo der leuchtenden Punkte in der Probenoberflaumlche bei Veraumlnderung der Beobachtungsgeometrie aumluszligert [7 8]

Generell gilt dass die Farbe von Objekten mit Effektlackierung nicht mehr wie jahrzehntelang uumlblich und ausreichend mit konventionellen Farb-messgeraumlten mit nur einer festen Messgeometrie wie z B in der 45deg 0deg Geometrie (Einstrahlung unter 45deg Reflexionsmessung unter 0deg) bestimmt werden kann Dieser Umstand wird sehr gut durch die Grafik in Bild 6 illustriert Dargestellt sind die winkelabhaumlngig gemessenen Farbkoordinaten von drei verschiedenen keramischen Farbstandards der Farben rot gruumln und blau sowie eines mit dem Effektpigment Viola Fantasy der Firma Merck lackierten Blechs Der Einfallswinkel des Lichts auf die Proben betrug hierbei immer 45deg zur Oberflauml-chennormalen Das von den Proben reflektierte Licht wurde an 26 Positionen in einem 5deg Raster in planaren die Oberflaumlchennormale enthalten-den Messgeometrien im Winkelbereich von ndash70deg bis +70deg aufgenommen Bei den aus absorptiven Pigmenten bestehenden Keramiken zeigt sich eine nur sehr geringe Winkelabhaumlngigkeit der Farbe welche groumlszligtenteils auf unterschiedlicher winkelabhaumlngiger Helligkeit d h den Glanzeigen-schaften der Oberflaumlche beruht Das Effektpigment dagegen zeigt einen extremen winkelabhaumlngigen Farb-Flop (Goniochromasie) welcher einen Farbverlauf von Gruumln uumlber Rot-Gelb hin ins Blau-Violett bietet

Aber auch die neuen Lackfarben aus der Gruppe der Effektlackierungen muumlssen messtechnisch

Bild 4 Merck-Xirallicreg-Solaris-Red-Effektpigmente appliziert auf einem mit Standard-Ab-sorptionspigmenten hellblau lackierten Metallblech In Rich-tung des Glanzwin-kels auf der rechten Seite zeigt sich der langsame Aufbau der winkelabhaumlngigen Interferenzfarbe

1

Bild 6 CIELab Farbkoordinaten einer winkelabhaumlngigen Reflexionsmessung an vier verschiedenen Proben drei Keramiken der Farben rot gruumln blau und eine Effektpigmentlackierung mit Merck Colorstreamreg Viola Fantasy Das untergelegte Farbschema zeigt naumlherungsweise die den Koordinaten entsprechende Farbe

2

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Effektpigmente hellipPTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4

Abbildungsoptik Messungen der ortsaufgeloumlsten Leuchtdichte auf einer Laumlngenskala bis hinab zu 28 microm auf der zu untersuchenden Probe siehe Bild 8

Mit der Zeilenkamera sind Messungen von kompletten Reflexionsspektren im sichtbaren Spektralbereich zwischen 380 nm und 780 nm dem sogenannten V(λ)-Bereich auf einer Zeit-skala von 2 Minuten moumlglich Hieraus lassen sich dann Farbkoordinaten der untersuchten Proben in den unterschiedlichsten Farbraumsystemen berechnen Eine absolute Messung in 114 Win-kelkombinationen (siehe Bild 9) im Polarwinkel-

erfasst und ruumlckgefuumlhrt werden um eine gleich-bleibende Qualitaumlt in der Produktion gewaumlhrleis-ten zu koumlnnen Gerade diese vielfaumlltigen zusaumltz-lichen Eigenschaften stellen die Farbmesstechnik vor neue Herausforderungen

Farbmessung

Bisherige kommerzielle Farbmessgeraumlte charakte-risieren Probenoberflaumlchen fast ausschlieszliglich in den eben schon erwaumlhnten sogenannten in-plane Reflexionsgeometrien Dabei liegen die Richtun-gen des eingestrahlten und des reflektierten Lichts sowie die Oberflaumlchennormale der Probe in einer Ebene Diese Einschraumlnkung entspricht jedoch in keiner Weise der taumlglichen Realitaumlt bei der Oberflaumlchen aus beliebigen Richtungen beleuchtet und betrachtet werden Seitens der Messgeraumlteher-steller und Anwender gibt es daher einen Trend zur erweiterten Charakterisierung bezuumlglich zusaumltzlicher Winkelkombinationen im dreidimen-sionalen Raum Spitzenreiter dieser Entwicklung am Markt ist derzeit ein tragbares Mehrwinkel-Spektralphotometer mit insgesamt 19 verschie-denen Reflexionsgeometrien [9] Hiermit scheint aber auch das Ende dieser Entwicklung im Bereich der portablen handgefuumlhrten Geraumlte erreicht Der Wunsch der Anwender geht aktuell wieder zuruumlck zu einer geringeren Anzahl von Winkelkombi-nationen denn es ist unklar wie man aus dem Mehr an winkelaufgeloumlsten Reflexionsdaten die fuumlr die Charakterisierung der Farbeigenschaften relevanten Informationen gewinnen kann Daher stellt sich die Frage welches sind bdquoguteldquo d h an die Messaufgabe adaptierte optimal geeignete Messgeometrien

Um diese Frage zu beantworten betreibt die AG 424 bdquoReflexion und Transmissionldquo der PTB zwei roboterbasierte Gonioreflektometer die eine winkelaufgeloumlste Reflexionsmessung in beliebi-gen bidirektionalen Geometrien ermoumlglichen [10ndash12] Diese beiden Apparaturen sind in Bild 7 dargestellt

Das Standard-Gonioreflektometer ist hierbei das nationale Normal fuumlr die Messgroumlszlige spektraler Strahldichtefaktor in gerichteten Geometrien Es dient der Realisierung Bewahrung und Weiter-gabe der gerichteten Reflexionsskale in Form von Kalibrierungen Die zweite Apparatur bezeich-net mit dem Acronym ARGon3 (3D Appearance Robot-based Gonioreflectometer) ist ein flexibles Forschungsgeraumlt mit dem experimentelle Unter-suchungen u a im Rahmen des EMRP-Projektes Multidimensional Reflectometry for Industry der EU [13] durchgefuumlhrt werden Im Ver gleich zum Standard-Gonioreflektometer ist dieses Geraumlt mit einer photometrischen Leuchtdichteka-mera und einer Zeilenkamera ausgeruumlstet Die Leuchtdichtekamera erlaubt mit einer speziellen

Bild 7 Die beiden roboter-basierten Gonio-reflektometer der PTB oben Standard-Gonioreflektometer fuumlr Kundenkalibrie-rungen unten ARGon3-Messplatz fuumlr Forschungsanwen-dungen

Bild 8 Visualisierung desSparkling-Effektesvon Xironareg-Volcanic-Sparks-Pigmenten als Falschfarben-darstellung der ortsaufgeloumlsten LeuchtdichteDie bdquoNadelnldquo zeigendie Position derPigmente an

Bild 9 Beispielgeometrien zur Messung der winkelabhaumlngigen Reflexionseigen-schaften Realisiert wurden 4 Einstrah-lungsrichtungen (rote Pfeile) mit jeweils 114 Reflexionswinkeln (schwarze Punkte) im Bereich der Viertel-kugel oberhalb der Probenoberflaumlche

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PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4Das Jahr des Lichtes

bereich 0deg bis 70deg gleichmaumlszligig verteilt uumlber den Viertelraum oberhalb der Probe dauert hierbei ca 4 Stunden [14] Die so erhaltenen Daten bilden die Basis fuumlr kuumlnftige Verbesserungen in der Mess-technik fuumlr Anwender und Hersteller

Im Rahmen des EMRP-Projektes Multidimen-sional Reflectometry for Industry [13] sind damit die winkelabhaumlngigen Reflexionsspektren von insgesamt 66 verschiedenen Effektpigmentproben gemessen worden [15 16] Bei den vier verschie-denen Einstrahlungsrichtungen verbunden mit jeweils 114 Reflexionswinkeln im Bereich der Vier-telkugel oberhalb der Probenoberflaumlche ergeben sich somit uumlber 30000 Reflexionsspektren

Zielsetzung der Untersuchungen ist die Ver-besserung der Metrologie zur Materialcharak-terisierung mit reduzierter Messunsicherheit Dazu werden neue Messvorschriften und neue Standardmessartefakte entwickelt mit denen die Industrie die visuelle Wahrnehmung der von ihr produzierten Oberflaumlchen gezielt charakterisie-ren und kontrollieren kann Solche Messungen sollten einfach auszufuumlhren sein und die Ergeb-nisse muumlssen soweit wie moumlglich mit der visuellen menschlichen Wahrnehmung korrelieren Im europaumlischen und internationalen Rahmen sollen die Ergebnisse in die Normung einflieszligen um die allgemeine Vergleichbarkeit solcher Messungen zu gewaumlhrleisten

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Die 50 Sitzung des Internationalen Komitees fuumlr das gesetzliche Messwesen (CIML) fand vom 20 bis 22 Oktober 2015 in Arcachon Frankreich statt Im Vorfeld der CIML-Sitzung fand ein ein-taumlgiges OIML-Seminar uumlber Countries and Econo-mies with Emerging Metrology Systems (CEEMS) statt uumlber das weiter unten berichtet wird

Das CIML ist der Lenkungsausschuss der OIML Es trifft sich jaumlhrlich und besteht aus je einem Repraumlsentanten der Mitgliedstaaten der korrespondierenden Mitglieder und den Vertre-tern internationaler und regionaler Organisa-tionen die als Beobachter teilnehmen koumlnnen Das CIML ist zustaumlndig fuumlr die Vorbereitung und Durchfuumlhrung der Entscheidungen der Konfe-renz die alle vier Jahre stattfindet Es uumlberwacht die Arbeiten der Technischen Komitees und Unterkomitees und des Internationalen Buumlros fuumlr das gesetzliche Messwesen (BIML) in Paris

An der 50 CIML-Sitzung nahmen 144 Teilneh-mer aus 43 Mitgliedstaaten und 13 korrespondie-renden Mitgliedstaaten teil Zur deutschen Dele-gation gehoumlrten neben den o g Autoren auch die Herren Johann Fischer Direktor des Landesamts fuumlr Mess- und Eichwesen Berlin-Brandenburg sowie Prof Olaf Kuumlhn Direktor des Thuumlringer Landesamts fuumlr Verbraucherschutz als Vertreter der Bundeslaumlnder Dr Peter Ulbig Leiter der Abteilung Wissenschaftlich-technische Quer-schnittsaufgaben der PTB und Prof Manfred Kochsiek Vizepraumlsident a D der PTB ehema-liger CIML-Praumlsident und Ehrenmitglied der OIML Frau Dr Anna Cypionka persoumlnliche Referentin des Praumlsidenten der PTB nahm am OIML-Seminar fuumlr CEEMS teil Vertreten waren auch wieder internationale und regionale Orga-nisationen zu denen die OIML Verbindungen unterhaumllt wie das Internationale Buumlro fuumlr Maszlig und Gewicht (BIPM) die GSO-GCC Standardiza-tion Organization (Saudi-Arabien) die Internatio-nal Laboratory Accreditation Cooperation (ILAC) und der Europaumlische Verband der Waagenherstel-ler (CECIP)

Alle Beschluumlsse der 50 CIML-Sitzung koumlnnen auf den Internetseiten der OIML aufgerufen werden [1 2]

Die wichtigsten Entscheidungen und Entwick-lungen werden nachfolgend vorgestellt

1 Personalangelegenheiten

Der Vertrag von Willem Kool als Assistant Director wurde um vier Jahre der Vertrag des BIML-Direk-tors Stephen Patoray um drei Jahre verlaumlngert

2 Einfuumlhrung des PG Workspace im Internet

In seinem Bericht im Zusammenhang mit der Etablierung des neuen Webauftritts der OIML hob der CIML-Praumlsident Peter Mason (UK) die erfolgreiche Einfuumlhrung des Workspace fuumlr Pro-jektgruppen hervor Durch die Online-Arbeit wird erwartet dass die technische Arbeit an neuen bzw zu revidierenden OIML-Dokumenten vereinfacht und insgesamt effizienter wird

3 Revision der technische Richtlinien fuumlr die OIML (B 6 Directives for OIML tech-nical work)

In einem neuen Projekt sollen die in den vergan-genen Jahren revidierten OIML-Richtlinien fuumlr die technische Arbeit erneut uumlberarbeitet werden um u a den Prozess der Entwicklung und Uumlber-arbeitung von OIML-Publikationen noch weiter zu beschleunigen und den neuen internetbasierten Technologien und Arbeitsweisen Rechnung zu tragen

4 Umfassende strukturelle Uumlberarbeitung des OIML Certificate System

Das CIML verabschiedete die Gruumlndung einer Projektgruppe mit der Aufgabe einer substan-ziellen Uumlberarbeitung des OIML-Zertifizierungs-systems das z Zt aus dem Basiszertifizierungs-system und dem MAA3 besteht Urspruumlnglich ausgehend von der Annahme die Akzeptanz des MAA-Zertifizierungssystem muumlsse verstaumlrkt werden eine groumlszligere Verbreitung finden und mehr Messgeraumltearten abdecken erscheint es

Aktuelles aus der OIML (Internationale Organisation fuumlr das Gesetzliche Messwesen)Bericht uumlber die 50 Sitzung des CIML in Arcachon FrankreichSusanne Ludwig Roman Schwartz

INTERNATIONALE ZUSAMMENARBEIT

Susanne Ludwig OIMLshyGeschaumlftsstelle der PTB EshyMail susanneludwigptbde

Dir u Prof Dr Roman Schwartz Vizepraumlsident der PTB deutsches Mitglied im Internashytionalen Komitee fuumlr das Gesetzliche Messwesen (CIML) und CIMLshyVizepraumlsishydent EshyMail romanschwartzptbde

3 Mutual Acceptance Arrangement (Abshykommen zur gegenshyseitigen Anerkennung von Bauartpruumlfungen)

46

PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4Internationale Zusammenarbeit

inzwischen sinnvoller und wurde so auch vom CIML beschlossen zum 112017 ein einziges OIML-Zertifizierungssystem einzufuumlhren Eine Projektgruppe (Certification System Project Group = CSPG) unter dem Vorsitz des CIML-Vizepraumlsi-denten Dr Roman Schwartz wurde damit beauf-tragt die notwendigen Dokumente und Prozedu-ren auszuarbeiten

5 OIML-Seminar fuumlr Countries and Economies with Emerging Metrology Systems (CEEMS)

Im Vorfeld der CIML-Sitzung wurde ein eintaumlgiges Seminar zum Thema Developing an OIML Package for Assistance to Countries with Emerging Metro-logy Systems (CEEMS) abgehalten In vier Sitzun-gen diskutierten 125 Teilnehmer aus 49 Laumlndern uumlber Moumlglichkeiten Laumlnder beim Aufbau von nationalen Metrologiesystemen zu unterstuumltzen In der ersten von Frau Dr Cypionka geleiteten Sitzung Capacity Building ging es um die allge-meinen Herausforderungen bei der Gestaltung von Programmen zur Foumlrderung von Handlungs-kompetenzen und Vermittlung von Wissen fuumlr die Metrologie In zwei weiteren Sitzungen wurden unter den Themen Helping CEEMS Improve Regulation in their Markets (Leitung Prof Dr Manfred Kochsiek) und New Ideas ndash Doing Legal Metrology Differently (Leitung Stuart Carstens

Suumldafrika) konkrete inhaltliche Loumlsungsvorschlaumlge vorgestellt und diskutiert Die Ergebnisse wurden in der 50 CIML-Sitzung vorgestellt und fanden ihren Niederschlag in der Resolution Nr 201510 [2] sie sollen auch noch auf den OIML-Webseiten veroumlffentlicht werden [1]

6 OIML-Publikationen

Folgende OIML-Publikationen wurden verabschiedet

R 139-3 Compressed gaseous fuels measuring systems for vehicles Part 3 Test report format

New Recommendation (R 145) Ophthalmic instru-ments mdash Impression and applanation tonometers

Alle OIML-Publikationen stehen im Internet frei zur Verfuumlgung [3]

Gleichzeitig wurde die Revision der folgenden OIML-Publikation beschlossen

Revision of R 79 Labeling requirements for prepackages

Folgende neue Projekte wurden verabschiedet

Revision des OIML-Dokuments B 6-1 Directives for OIML technical work

Bild 1 Teilnehmer der 50 Sitzung des Internationalen Komitees fuumlr Gesetz-liches Messwesen (CIML) in Arcachon Frankreich

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PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4 Aktuelles aus der OIML

TC 8SC 1 Revision R 71 Fixed storage tanks mdash General requirements

TC 8SC 1 Revision R 85 Automatic level gauges for measuring the level of liquid in stationary storage tanks

7 Personalien und Ehrungen

Die von Dr Seiler dem ehemaligen Leiter des Fachbereichs bdquoTechnische Zusammenarbeitldquo der PTB initiierte OIML-Auszeichnung fuumlr bdquoexzel-lente Beitraumlge von Entwicklungslaumlndern zum gesetzlichen Messwesenldquo ging in diesem Jahr an

bull Nam Hyuk Lim Director of Korea Testing Certi-fication und

bull The Metrology Department Saint Lucia Bureau of Standards

Die OIML-Medaille fuumlr besondere Verdienste um die OIML-Arbeit ging an Ngo Quy Viet Vietnam und Cartaxo Reis aus Portugal

8 Termine

Ein Gastgeberland fuumlr die 51 CIML-Sitzung und 15 OIML-Konferenz im Jahr 2016 konnte noch nicht bekannt gegeben werden es wird aber wahr-scheinlich wieder Frankreich sein Weitere OIML-Veranstaltungen und -Termine finden sich auf der OIML-Webseite unter [4]

9 Literatur

[1] httpswwwoimlorgen (letzter Aufruf 19112015)

[2] httpswwwoimlorgenstructurecimlpdf50-ciml-resolutions-englishpdf (letzter Aufruf 19112015)

[3] httpswwwoimlorgenpublicationsrecommen-dationspublication_viewp_type=1ampp_status=1

[4] (letzter Aufruf 19112015)[5] httpswwwoimlorgeneventscalendar

(letzter Aufruf 19112015)

48

TECHNOLOGIETRANSFER

E27-Scanner fuumlr UlbrichtkugelnMit dem besonders einfach ohne Umbau einsetzbaren E27-Scanner koumlnnen Anwender und Hersteller die Homogenitaumlt ihrer Ulbricht-kugeln bestimmen und die Ergebnisse zur Berechnung genauerer Lichtstroumlme und zur Dokumentation der Qualitaumlt ihrer Messungen nutzen

Hintergrund

Wie viel Licht eine Lampe insgesamt in alle Richtungen abstrahlt wird durch ihren Lichtstrom ausgedruumlckt Um den fuumlr die Bestimmung der Energieeffizienz von Lampen notwendigen Lichtstrom schnell zu er mitteln setzt die Lampenindustrie Ulbrichtkugeln ein An einer Stange in der Mitte der Ulbrichtkugel befindet sich eine E27-Lampen-fassung in die nacheinander die Lichtstrom-Normallampe und die zu kalibrierende Lampe eingeschraubt werden Das indirekt auf den Mess-kopf fallende Licht erzeugt einen Photostrom der im Idealfall propor-tional zu dem von der Lampe abgestrahlten Lichtstrom ist unabhaumlngig von der Richtung in die das Licht abgestrahlt wird

Dies ist jedoch bei einer ungleichmaumlszligigen Beschichtung der Kugel sowie bei einer im Laufe der Zeit nicht zu verhindernden Verstaubung nicht der Fall Deshalb wird mit einem Kugelscanner die Homogenitaumlt der Kugel regelmaumlszligig vermessen und ein Korrekturfaktor bestimmt der von der jeweiligen Abstrahlcharakteristik der zu untersuchenden Lampe abhaumlngt

Technische Beschreibung

Der Kugelscanner wird einfach in eine E27-Fassung geschraubt und das sonst fuumlr die Lampenversorgung eingesetzte Netzgeraumlt wird durch die Steuereinheit ersetzt Diese uumlbernimmt sowohl die elektrische Versor-gung als auch die Befehlsuumlbermittlung zum Kugelscanner Die Steuer-einheit wird via USB oder RS232 an einen Computer angeschlossen Das mitgelieferte Messprogramm stellt automatisiert alle gewuumlnschten Richtungen ein und speichert die zugehoumlrigen von der Steuereinheit gemessenen Photostroumlme des Photometers

Wirtschaftliche Bedeutungw

Fuumlr Lampenindustrie und Hersteller von Ulbrichtkugeln

bull Genauere Messung des Lichtstroms

bull Bestimmung des Zeitpunkts einer Neubeschichtung

bull Uumlberwachung beim Beschichten

bull Dokumentation des Zustands der Ulbrichtkugel

EntwicklungsstandDer E27-Kugelscanner wurde in der PTB entwickelt Er wird laufend fuumlr Kalibrierungen eingesetzt Die Technologie wurde an die Firma Czibula amp Grundmann transferiert und wird dort mit einer PTB-Lizenz gebaut und vertrieben wwwphoto-metercom

Ansprechpartner

Dr Bernhard SmandekBeauftragter fuumlr TechnologietransferTelefon +49 531 592shy8303Telefax +49 531 592shy69shy8303EshyMail technologietransferptbde

Dr Stefan WinterFachbereich Photometrie und Radiometrie

Abbildung des E27shyKugelscanners Eine stark fokussierende Lampe die computergesteuert in alle Richtungen leuchten kann

Vorteile

bull Schneller Einbau in E27shyFassung

bull Computergesteuertes Abscannen der gesamten Ulbrichtkugel

bull Flexible Messmoumlglichkeiten

bull Fuumlr genauere Lichtstromshymessungen

bull Wichtig fuumlr die Qualitaumltsshysicherung

PTBshyNummer 0172

wwwtechnologietransferptbde

49

PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4 Technologieangebote

Ansprechpartner

Dr Bernhard SmandekBeauftragter fuumlr TechnologietransferTelefon +49 531 592shy8303Telefax +49 531 592shy69shy8303EshyMail technologietransferptbde

Dr Stefan WinterArbeitsgruppe Solarzellen

PulsshyzushyCWshyKonverter

Umwandlung gepulster Laser-Strahlung in konstante StrahlungIn weiten Bereichen der optischen Metrologie ist eine Strahlungs-quelle von groszligem Nutzen die sich spektral vom UV-C bis ins mitt-lere IR durchstimmen laumlsst Lediglich Laser mit gepulster Strahlung erfuumlllen diese Anforderung bei ausreichend groszligem Ausgangssignal bisher luumlckenlos Femtosekunden-Lasersysteme waumlren aufgrund ihrer gut automatisierbaren und spektral weiten Durchstimmbarkeit die ideale Strahlungsquelle fuumlr z B radiometrische Anwendungen ndash wenn ihre Strahlung nicht gepulst waumlre

Durch das extreme Puls-Pausen-Verhaumlltnis von 10ndash5 entstehen hohe Spitzenleistungen die wiederum zu Saumlttigungseffekten bei Detek-toren und in der Folge zu nichtlinearem Verhalten fuumlhren koumlnnen Mit dem in der PTB entwickelten Puls-zu-CW-Konverter wird dieses Problem geloumlst

Technische Beschreibung

Bei dieser Methode werden Pulse gepulster Strahlungsquellen ausrei-chend hoher Repetitionsrate in CW-Strahlung umgewandelt Dabei wird jeder Puls in viele kleine Teilpulse aufgeteilt die auf unterschiedlich langen Wegstrecken unterschiedliche Laufzeiten erfahren Am Ausgang des Systems erscheinen sie dann zeitlich gleichmaumlszligig verteilt Realisiert wird dieser Puls-zu-CW-Konverter uumlber ein Glasfaserbuumlndel bei dem jede Einzelglasfaser eine individuell festgelegte Laumlnge besitzt

Mit der Entwicklung des Puls-zu-CW-Konverters wurde das ent-scheidende Manko beim Einsatz leistungsstarker Femtosekunden(fs)-Lasersysteme im Bereich der Metrologie beseitigt und erstmalig gepulste Laserstrahlung in CW-Strahlung umgewandelt Diese Neuentwicklung ermoumlglicht es nun herkoumlmmliche Monochromatorsysteme durch fs-Lasersysteme zu ersetzen die eine bis zu 1000-mal houmlhere spektrale Ausgangsleistung besitzen

Wirtschaftliche Bedeutung

Durch den neuen Puls-zu-CW-Converter koumlnnen in wirtschaftlich bedeutenden Bereichen wie z B der Photovoltaik der Photometrie der UV-Strahlungsmesstechnik und der Reflektometrie die Referenz- und Transfernormale mit einer deutlich reduzierten Messunsicherheit kali-briert werden Hier werden bislang wesentliche Messunsicherheitsan-teile durch zu geringe Strahlungsleistungen aus herkoumlmmlichen Mono-chromatorsystemen verursacht

Entwicklungsstand

Unter DE 10 2010 011 615 B4 wurde fuumlr den CW-Konverter ein Patent erteilt

Vorteile

bull Zeitliche Glaumlttung gepulster Laserstrahlung

bull Keine stoumlrenden Interferenzen

bull Nur minimale Absorption des Messsignals

bull Auch bei kuumlrzeren Wellenshylaumlngen ohne Ulbrichtkugel verwendbar

bull Kontinuierliche Verteilung des Ausgangspulses

bull Pulsvervielfachung

bull Houmlhere Strahlungsleistung

PTBshyNummer 0254

wwwtechnologietransferptbde

50

PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4Technologieangebote

50

Homogenisierung von Strahlungsquellen und Focal Plane Arrays (FPA)Ein neuartiges Verfahren ermoumlglicht softwaregestuumltzt eine deutlich verbesserte Kalibrierung von Mehrelement-Sensoren (FPA) und bildgebenden Systemen (Kameras) Bei flaumlchigen Strahlungsquellen kann zusaumltzlich eine gezielte Ansteuerung von Flaumlchenelementen zu einer bisher im Allgemeinen nicht erreichbaren Flaumlchenhomogenitaumlt fuumlhren

Technische Beschreibung

Flaumlchenstrahler dienen der Kalibrierung von ortsaufloumlsenden Strah-lungssensoren wobei davon ausgegangen wird dass die Emissionsflaumlche des Strahlers im Wesentlichen homogen bezuumlglich ihrer Strahldichte bzw Strahlungstemperatur ist Um kleine Inhomogenitaumlten eines Flaumlchenstrahlers zu charakterisieren ist es ein gaumlngiges Verfahren die Emissionsflaumlche punktweise mit einem Einzeldetektor abzutasten

Das neue PTB-Verfahren ist wesentlich schneller da es den Mehr-element-Sensor (FPA) das device-under-test selbst nutzt und damit immer ein Gesamtbild der Quelle aufnimmt Werden jetzt weitere Bilder zeilen- oder spaltenversetzt aufgenommen so erlaubt ein mathema-tischer Algorithmus bei nur drei Bildern eine komplette Charakterisie-rung des Sensors aber auch der Quelle

Sind Flaumlchenelemente der Strahlungsquelle einzeln ansteuerbar so ist es sogar moumlglich mittels der ermittelten Korrekturwerte zu Strahlquellen extrem hoher Homogenitaumlt im on-line-Betrieb zu gelangen

Wirtschaftliche Bedeutung

Bildgebende Strahlungssensoren und homogene Strahlungsquellen sind relevant fuumlr die Forschung und Entwicklung fuumlr die Prozesstechnik fuumlr die Charakterisierung der Energieeffizienz von Bauten bei der Ent-wicklung neuer Bauteile mit hoher thermischer Belastung und in vielen weiteren Bereichen Der mathematische Algorithmus ist aber auf unter-schiedliche Arten von Kamerasystemen anwendbar und damit auch fuumlr die Qualitaumltssicherung von CCD-Kameras bis hin zum Konsumguuml-termarkt anwendbar EntwicklungsstandEine deutsche Patenterteilung erfolgte im September 2015 Eine PCT-Anmeldung ist anhaumlngig Kooperations- und Lizenzpartner aus den Bereichen Thermografie Radiometrie und Photometrie zur Umsetzung des Konzeptes werden gesucht

Ansprechpartner

Dr Bernhard SmandekBeauftragter fuumlr TechnologietransferTelefon +49 531 592shy8303Telefax +49 531 592shy69shy8303EshyMail technologietransferptbde

DiplshyIng Berndt GutschwagerArbeitsgruppeInfrarotshyStrahlungsthermometrie

Stahlungsmessplatz der PTB zur Kalibrierung von Temperaturstrahlern und Waumlrmebildkashymeras

Vorteile

bull Schnelle Kalibrierung von Flaumlchensensoren (FPA)

bull Schnelle Kalibrierung von Flaumlchenstrahlern

bull Strahlquellen houmlchster Hoshymogenitaumlt

bull Fuumlr Thermografie und Phoshytometrie

PTBshyNummer 00374

wwwtechnologietransferptbde

Verlag Fachverlag NW in der Carl Schuumlnemann Verlag GmbHZweite Schlachtpforte 728195 Bremen Internet wwwschuenemannde E-Mail infoschuenemann-verlagde

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Erscheinungsweise und Bezugspreise Die PTB-Mitteilungen erscheinen viermal jaumlhrlich Das Jahresabonnement kostet 3900 Euro das Einzelheft 1200 Euro jeweils zzgl Versandkosten Bezug uumlber den Buchhandel oder den Verlag Abbestellungen muumlssen spaumltestens drei Monate vor Ende eines Kalenderjahres schriftlich beim Verlag erfolgen

Alle Rechte vorbehalten Kein Teil dieser Zeitschrift darf ohne schriftliche Genehmigung des Verlages vervielfaumlltigt oder verbreitet werden Unter dieses Verbot faumlllt insbesondere die gewerbliche Ver-vielfaumlltigung per Kopie die Aufnahme in elektro-nische Datenbanken und die Vervielfaumlltigung auf CD-ROM und in allen anderen elektronischen Datentraumlgern

Printed in Germany ISSN 0030-834X

Die fachlichen Aufsaumltze aus dieser Ausgabe der PTB-Mitteilungen sind auch online verfuumlgbar unterdoi 10779531020150499

Die Physikalisch-Technische Bundesanstalt das nationale Metrologieinstitut ist eine wissenschaftlich-technische Bundesoberbehoumlrde im Geschaumlftsbereich des Bundesministeriums fuumlr Wirtschaft und Energie

mitteilungen

Impressum

Die PTB-Mitteilungen sind metrologisches Fachjournal der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt Braunschweig und Berlin Als Fachjournal veroumlffentlichen die PTB- Mitteilungen wissenschaftliche Fachaufsaumltze zu metrologischen Themen aus den Arbeitsgebieten der PTB Die PTB-Mitteilungen stehen in einer langen Tradition die bis zu den Anfaumlngen der Physikalisch-Technischen Reichsanstalt (gegruumlndet 1887) zuruumlckreicht

Bundesallee 100 38116 Braunschweig

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Telefon 0531 592-3006 Fax 0531 592-3008 E-Mail presseptbde wwwptbde

Physikalisch-Technische BundesanstaltBraunschweig und BerlinNationales Metrologieinstitut

Die Physikalisch-Technische Bundesanstalt das nationale Metrologieinstitut ist eine wissenschaftlich-technische Bundesoberbehoumlrde im Geschaumlftsbereich des Bundesministeriums fuumlr Wirtschaft und Energie

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TB

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Hef

t 42

015

26

PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4Das Jahr des Lichtes

Bild 9 zeigt die Achsenkoordinatensysteme (17) das Base-Frame-Koordinatensystem und das Koordinatensystem des Photometers zur Achse 7 in schematischer Weise Das Koordinatensys-tem der fiktiven Kugel faumlllt mit dem Zentrum des Goniophotometers zusammen und wird mit Center bezeichnet P ist jetzt auf dieses Center-Koordinatensystem bezogen Zusaumltzlich ist eine typische Bahn eingezeichnet Wegen des aller-dings nicht dargestellten Lampenhalters ist diese Bahn im oberen Bereich verdichtet um eine Kollision mit dem Lampenhalter zu vermeiden Wie bereits erwaumlhnt setzt die Verwendung von Gleichung (19) einen biegesteifen Roboter voraus der in der Praxis nicht existiert P ist also von statischen Gewichtskraumlften des Roboters dyna-mischen Kraumlften infolge der Bewegung als auch von thermischen Laumlngenaumlnderungen uumlberlagert Daher muss Gleichung (19) um eine entspre-chende Korrektur C erweitert werden Glei-chung (20) zeigt nun das endguumlltige Modell zur Bestimmung von P

wobei C

t tT Rθ θ

θ θ1 7

1 7 dd

dd amb

diese finale Korrektur basierend auf den Winkeln θ1θ7 aller Achsen ihren zeitlichen Ableitungen

dd

dd

θ θ1 7

t t

und der Umgebungstemperatur Tamb beschreibt

Der letzte Parameter R steht fuumlr einen groszligen Datensatz und beschreibt Eigenschaften des Roboters wie Abmessungen Teilmassen usw Die Berechnung von C() ist aufwendig und wurde vom Hersteller des Roboters ausgefuumlhrt Aus Gruumlnden des Wettbewerbs muss diese Berechnung vertrau-lich behandelt werden und kann daher hier nicht veroumlffentlicht werden Jedoch kann die Wirkung von C() beispielhaft auf den Messradius mitgeteilt werden (siehe Bild 10)

Die noumltige Radiuskorrektur rcorr bewegt sich im Bereich ndash2 mm lt rcorr lt 3 mm je nach Position (θ φ) des Photometers Der Aumlquatorbereich benouml-tigt eine groumlszligere Korrektur infolge hier wirksamer groumlszligerer Zentrifugalkraumlfte als die Polregion Der Radius selbst laumlsst sich dann aus der Positionssub-matrix von P bestimmen

Der Signalfluss stimmt im Wesentlichen mit dem wie in Bild 5 gezeigt uumlberein Prinzipiell kann der Lichtstrom mit den Gleichungen (11) und (10) berechnet werden da aber nun 2 Photometer benutzt werden muss dies fuumlr jede Hemisphaumlre also fuumlr jeden Roboter separat geschehen Die Gleichungen (21) und (22) demonstrieren das

Bild 9 Koordinatensystem des Roboter-Gonio-photometers und Beispielbahn

P Ct t

T R F T T T T T T=

sdot sdot sdot sdot sdot sdot sdot sdotθ θ

θ θ1 7

1 71 2 3 4 5 6

dd

dd amb TT W7 sdot

(20)

27

PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4 Kurze Geschichte der Goniophotometrie in der PTB

fuumlr Roboter 1 Der Radius r1i befindet sich dabei innerhalb der Summation von Gleichung (22) Das Roboter-Goniophotometer ist zusaumltzlich mit einem Monitorphotometer ausgeruumlstet Dieses Photometer wird waumlhrend der Messung nicht bewegt ist aber staumlndig von einem fixen Punkt aus auf die zu untersuchende Lampe gerichtet und erlaubt somit die Korrektur einer moumlglichen Alterung der Lampe waumlhrend des Messprozesses als Funktion der Zeit (cmon(t1i))

Es w R

fyt

fi jj

ni j

i j1

1 1 11

1

1

11 0

12

1

=

( )sdot minus

=sumπ

ϕf g

q∆∆

∆

(21)

Φ1 1 1 12

1 1 1 12= sdot sdot sdot sdot ( ) sdot minus( )+c c r c ti i i ii

str spec mon cos cosπ ϑ ϑ==

minus

sum sdot0

1

1

1m

iE

(22)

Roboter 2 wird in gleicher Weise behandelt und der Lichtstrom ergibt sich somit aus der Summe von Φ1 und Φ2 korrigiert mit dem elektrischen Korrekturfaktor celec aus Gleichung (15)

Φ Φ Φ= sdot +( )celec 1 2 (23)

Die Bestimmung der Streulichtkorrektur cstr unter-scheidet sich methodisch von jener des Kardan-Goniophotometers Es ist schwierig Blenden zwischen Photometer und Lampe zu positionieren wie in [5] beschrieben Hier wird die Streulicht-korrektur cstr direkt aus der Leuchtdichteverteilung auf den Waumlnden des Messraums bestimmt Mit der Kenntnis der geometrischen und photometrischen Eigenschaften des Raumes der raumlumlichen Licht-staumlrkeverteilung der Lampe und dem verwendeten Streulichttubus vor dem Photometer lieszlige sich die Streulichtkorrektur cstr berechnen Hier jedoch wird diese Korrektur mit sogenannten Back-Loo-king-Photometern bestimmt [11]

Bild 11 zeigt ein Foto der bdquoRoboterhandldquo mit mon-tiertem Photometer und Back-Looking-Photometer Letzteres ist ein wenig schraumlg ausgerichtet um nicht im Bereich des Schattenwurfs des Photome-ters auf den Waumlnden zu messen

Bild 12 zeigt beispielhaft eine typische in finite Flaumlchenelemente gerasterte Streulichtsituation im Goniophotometermessraum wie sie durch die zu untersuchende Lichtquelle generiert wird Dieses Beispiel arbeitet mit finiten Flaumlchen der Groumlszlige 05 m middot 05 m um die Flaumlchen sichtbar zu machen Zur realen Berechnung werden Flaumlchen der Groumlszlige 01 m middot 01 m verwendet Natuumlrlich ist der Streulichtanteil auf der aktiven Flaumlche des

Bild 10Wirkung der Radiuskorrektur

Bild 11 Photometer (links) und Back-Looking-Photometer (rechts)

Bild 12 Wirkung des Streulichts und seine Bestimmung

28

PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4Das Jahr des Lichtes

Photometers eine Funktion des Gesichtsfeldes des jeweils verwendeten Streulichttubus vor dem Photometer Derzeit werden 2 Tuben je nach Groumlszlige der Lichtquelle mit Oumlffnungswinkeln von ca 15deg und ca 225deg verwendet Ihre typischen Korrekturwerte betragen etwa 09995 und 09990 Da jeder Messroboter mit diesem Back-Looking-Photometer ausgeruumlstet ist kann so der Streulicht-anteil fuumlr jedes Photometer bestimmt werden Da die Back-Looking-Photometer bdquoruumlckwaumlrtsldquo gerichtet sind wird also jeweils die Streulichtkorrektur fuumlr den gegenuumlberliegenden Messroboter bestimmt Damit ist es moumlglich den Wert des Lichtstroms mit zugehoumlriger Messunsicherheit zu bestimmen Tabelle 2 illustriert Ergebnisse einer vereinfachten Monte-Carlo-Simulation (MC) am Beispiel einer OSRAM-Wi4-Lichtstrom-Normallampe Ihre Lichtstaumlrkeverteilung ist in Bild 13 wiedergegeben

Die MC basiert auf den folgenden Gleichun-gen (24) Werte der wichtigsten Beitraumlge zur Mes-sunsicherheit koumlnnen der Tabelle 2 entnommen werden Eine detailliertere Beschreibung der Roboter und Analyse der Messunsicherheit kann [12] entnom-men werden

Bild 13 Raumlumliche Lichtstaumlrkeverteilung einer OSRAM-Wi4-Lichtstrom-Normallampe

Quantity Symbol Value Uncertainty Unit Sensitivity Contribution lm Relative contribution

Luminous responsivity 1 s1 3065E-10 9195E-13 A lxndash1 188E+12 173 000150

Luminous responsivity 2 s2 4111E-10 12333E-12 A lxndash1 143E+12 177 000153

Spectral matching exponent 1 m2 y 0021 0015 1 20 030 000026

Spectral matching exponent 2 m2 y 0036 0015 1 18 027 000023

CCT or distribution temperature T 2762 10 K 0012 012 000011

Uncertainty in r Δr 0000 00020 m 901 180 000156

Calibration factor for frequency F cFH 1000 00005 1 1141 057 000049

Calibration factor for frequency ƒ cFD 1000 00050 1 104 005 000005

Voltage to frequency converter 1 w1 f 500849 25 Hz Vndash1 0012 031 000027

Voltage to frequency converter 2 w2 f 500561 25 Hz Vndash1 00118 029 000026

Amplification gain 1 R1 g 1000E+09 99996 Ω 6223E-07 006 000005

Amplification gain 2 R2 g 9997E+08 99966 Ω 5430E-07 005 000005

Calibration factor for cmon ccm 1000 00005 1 1162 058 000050

Correction factor for stray light cstr 09995 00005 1 1134 057 000049

Luminous flux Φ 11541 327 00028

Tabelle 2 Unsicherheitsbudget

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PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4 Kurze Geschichte der Goniophotometrie in der PTB

Somit ergibt sich zurzeit eine erweiterte Mess-unsichert von 056 fuumlr k = 2 Dies entspricht etwa der Messunsicherheit welche mit dem groszligen Kardan-Goniophotometer erreichbar war Im Unterschied zum Kardan-Goniophotometer (fester Messradius) verfuumlgt das Roboter-Goniophotometer jedoch uumlber die noumltige hohe Flexibilitaumlt (z B durch Variation des Messradius) die noumltig ist um kuumlnftige Anforderungen erfuumlllen zu koumlnnen Eben diese hohe Flexibilitaumlt fuumlhrt bei der Bestimmung des Messradius zu relativ groszligen Messunsicherheiten Hier koumlnnte die Verwendung einer Lookup-Table oder eine On-Line-Verfolgung mittels Tracer-Syste-men der Bahnen diese Unsicherheit verkleinernMittlerweile ist das Roboter-Goniophotometer voll-staumlndig charakterisiert und wird fuumlr beleuchtungs-staumlrkebasierte Lichtstromkalibrierungen und auch fuumlr internationale Vergleiche eingesetzt Damit werden auch die Anforderungen (15ndash17) erfuumllltIm naumlchsten Schritt wird das Roboter-Goniopho-tometer mit Leuchtdichtemesskameras ausgeruumlstet

werden um es als bdquoNahfeld-Goniophotometerrdquo einzusetzen Es wird dann die direkte Messung der Leuchtdichteverteilung erlauben aus welcher nahezu alle noumltigen photometrischen Groumlszligen abgeleitet werden koumlnnen Dieser kuumlnftige Schritt wird dann auch den letzten Punkt (18) der Anfor-derungen erfuumlllen

3 Zusammenfassung

Die Geschichte der Goniophotometrie in der PTB uumlber einen Zeitraum von mehr als 50 Jahren wird praumlsentiert Verschiedene Goniophotometer ange-fangen vom manuell bewegten Einarm-Goniopho-tometer mit visuellem Photometer uumlber das groszlige und kleine Kardan-Goniophotometer bis hin zum bdquoState-of-the-art-Roboter-Goniophotometerldquo fuumlr das 21 Jahrhundert werden beschrieben Das Letztere hat das Potenzial in der traditionellen Betriebsart aber auch im Nahfeldmodus uumlber viele Jahre eingesetzt zu werden Neu aufkommende

Quantity Symbol Value Uncertainty Unit Sensitivity Contribution lm Relative contribution

Luminous responsivity 1 s1 3065E-10 9195E-13 A lxndash1 188E+12 173 000150

Luminous responsivity 2 s2 4111E-10 12333E-12 A lxndash1 143E+12 177 000153

Spectral matching exponent 1 m2 y 0021 0015 1 20 030 000026

Spectral matching exponent 2 m2 y 0036 0015 1 18 027 000023

CCT or distribution temperature T 2762 10 K 0012 012 000011

Uncertainty in r Δr 0000 00020 m 901 180 000156

Calibration factor for frequency F cFH 1000 00005 1 1141 057 000049

Calibration factor for frequency ƒ cFD 1000 00050 1 104 005 000005

Voltage to frequency converter 1 w1 f 500849 25 Hz Vndash1 0012 031 000027

Voltage to frequency converter 2 w2 f 500561 25 Hz Vndash1 00118 029 000026

Amplification gain 1 R1 g 1000E+09 99996 Ω 6223E-07 006 000005

Amplification gain 2 R2 g 9997E+08 99966 Ω 5430E-07 005 000005

Calibration factor for cmon ccm 1000 00005 1 1162 058 000050

Correction factor for stray light cstr 09995 00005 1 1134 057 000049

Luminous flux Φ 11541 327 00028

Φ = sdot

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(24)

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PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4Das Jahr des Lichtes

Anforderungen fuumlr die Ruumlckfuumlhrung photome-trischer Einheiten wie beispielsweise im Solid-State-Lighting-Bereich koumlnnen so erfuumlllt werden

Literatur

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PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4Das Jahr des Lichtes

1 Eine einleitende Beschreibung von Gluumlhlampen LEDs und OLEDs

Der Einsatz Licht Emittierender Dioden (LED) in der Allgemeinbeleuchtung hat in den vergangenen Jahren erheblich zugenommen Ein entscheiden-der Vorteil der LED gegenuumlber der traditionellen Gluumlhlampe liegt in ihrer uumlberlegenen Lichtaus-beute ηv ndash dem Verhaumlltnis des emittierten Licht-stroms Φv und der aufgenommenen elektrischen Leistung Pel angegeben in LumenWatt

Dieser Vorteil beruht auf den Unterschieden der zugrunde liegenden Technologien der Lichterzeu-gung beider Lampentypen Bei einer (Halogen-)Gluumlhlampe wird der Gluumlhfaden durch elektrischen Strom auf Temperaturen um 3000 K aufgeheizt Obwohl hierbei fast die gesamte elektrische Leis-tung in Strahlung umgewandelt wird ndash Verluste durch thermische Konvektion oder Waumlrmeleitung sind gering ndash kann das menschliche Auge lediglich einen geringen spektralen Anteil der ungefaumlhr 5 der Gesamtstrahlungsleistung ausmacht wahr-nehmen Der Groszligteil der Strahlungsleistung liegt im infraroten Spektralbereich und kann nicht fuumlr Beleuchtungszwecke genutzt werden In Bild 1 ist die spektrale Verteilung einer Gluumlhlampe bei einer Temperatur von 2856 K im Spektralbereich

von 300 nm bis 1200 nm dargestellt Das sichtbare Licht im Spektralbereich zwischen 360 nm und 830 nm ist mit den entsprechenden Spektralfarben hinterlegt Oberhalb 830 nm beginnt der fuumlr das menschliche Auge unsichtbare infrarote Anteil der Strahlung

Der fuumlr photometrische Messungen normativ festgelegte spektrale Hellempfindlichkeitsgrad V(λ) also die Hellempfindlichkeit des Auges eines bdquoNormalbeobachtersldquo ist mit seinem Maximum bei 555 nm schwarz eingezeichnet

Da die Gluumlhlampe eine thermische Strahlungs-quelle ist verschiebt sich mit zunehmender Tem-peratur die Lage des Strahlungsmaximums ent-sprechend des Wienschen Verschiebungsgesetzes zu kuumlrzeren Wellenlaumlngen Um die Lichtausbeute von Gluumlhlampen zu erhoumlhen muumlsste man das Strah-lungsmaximum durch Temperaturerhoumlhung in den kurzwelligeren Bereich des sichtbaren Lichts verschieben Die Maximaltemperatur ist jedoch bei Gluumlhfaumlden aus Wolfram auf etwa 3000 K begrenzt ndash bei houmlheren Temperaturen nimmt die Lebensdauer drastisch ab

Das Funktionsprinzip einer LED-Lichtquelle basiert auf dem Phaumlnomen der Elektrolumines-zenz Der prinzipielle Aufbau einer LED aumlhnelt einer pn-Halbleiterdiode Durch Anlegen einer Gleichspannung rekombinieren Ladungstraumlger in der p-n-Grenzschicht der Leuchtdiode unter Emission von Strahlung Durch gezielte Auswahl der verwendeten Halbleitermaterialien und ihrer Dotierung wird deren Bandluumlcke und somit die Farbe des emittierten Lichtes bestimmt Im Jahr 1992 gelang der Durchbruch in der Entwicklung hocheffizienter blauer LEDs die den Einsatz von LEDs zur Allgemeinbeleuchtung erst ermoumlgli-chen Die zugrunde liegenden Forschungsarbei-ten wurden 2014 mit dem Nobelpreis fuumlr Physik gewuumlrdigt [1]

Eine schmalbandige Lichtemission ist charak-teristisch fuumlr LEDs Dementsprechend verfuumlgt ihr Licht uumlber eine hohe Farbsaumlttigung Durch die Bedeckung des LED-Chips mit breitbandig pho-tolumineszierenden Farbstoffen wird ein Teil der Strahlung in energieaumlrmeres langwelligeres Licht konvertiert und es entstehen Mischfarben wie

Metrologie fuumlr moderne Lichtquellen LEDs und OLEDs Thorsten Gerloff

Thorsten Gerloff Arbeitsgruppe bdquoPhotometrieldquo EshyMail thorstengerloffptbde

Bild 1 Spektrale Verteilung einer Gluumlhlampe und spektraler Hellempfindlichkeitsgrad (V(λ)-Funktion)

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PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4 Metrologie fuumlr moderne Lichtquellen

i Infokasten LED

Lichtausbeute einer Strahlungsquelle ηv

Die Lichtausbeute einer Strahlungsquelle gibt das Verhaumlltnis aus ausgestrahltem Lichtstrom und aufgenommener elektrischer Leistung an Die Einheit ist LumenWatt (lmW) Je houmlher die Lichtausbeute ist umso energieeffizienter ist die Beleuchtung Gluumlhlampen besitzen Lichtausbeuten zwischen 10 und 20 lmW

Lichtstrom Φv

Der Lichtstrom beruumlcksichtigt den Hellempfind-lichkeitsgrad V(λ) des Auges und gibt die in alle Raumrichtungen abgegebene bdquoLichtleistungldquo einer Lampe an Der Lichtstrom enthaumllt keine Information daruumlber wie die Lampe das Licht im Raum verteilt Der Lichtstrom gibt an wie hell ein beleuchteter Raum dem Menschen erscheint

Spektraler Hellempfindlichkeitsgrad V(λ)

Der exakt definierte spektrale Hellempfindlich-keitsgrad V(λ) ist eine Bewertungsfunktion fuumlr elektromagnetische Strahlung Hiermit wird der bdquoHelligkeitseindruck eines menschlichen Durch-schnittsaugesldquo berechnet Dies ermoumlglicht den objektiven Vergleich von Lichtquellen mit physika-lischen Messmethoden Subjektive Wahrnehmun-gen einzelner Menschen koumlnnen damit nicht exakt wiedergegeben werden

Aumlhnlichste Farbtemperatur TN

Es gibt unterschiedliche Farbtemperaturen in der Photometrie Verhaumlltnis- und Verteilungstem-peratur sind nur bei thermischen Strahlern wie der Gluumlhlampe anwendbar Nur die aumlhnlichste Farbtemperatur (englisch Correlated Colour Temperature CCT) laumlsst sich fuumlr Lichtquellen mit beliebiger spektraler Zusammensetzung berech-nen sofern die Normfarbwertanteile aumlhnlich einem thermischen Strahler sind Die aumlhnlichste Farbtemperatur wird in der Einheit Kelvin (K) angegeben Sie gibt an ob das Licht warmweiszlig (ca 3000 K) neutralweiszlig (ca 4500 K) oder tages-lichtweiszlig (gt5500 K) erscheint

Normfarbwertanteile (x y)

Fuumlr die Angabe von Farbe gibt es neben dem spek-tralen Hellempfindlichkeitsgrad V(λ)noch weitere definierte Bewertungsfunktionen Hiermit laumlsst sich die Farbwahrnehmung eines fiktive Normalbeob-achters aus der gemessenen spektralen Verteilung des Lichts durch Angabe von nur zwei Werten (x und y) angeben Diese Werte geben die Koordi-naten auf der Normfarbtafel (s Abbildung) an

Normfarbtafel

Farbwiedergabeindex Ra

Der Farbwiedergabeindex ist eine Kennzahl fuumlr Lichtquellen der bewertet die Qualitaumlt der Farb-wiedergabe Je houmlher der Wert desto besser ist die Farbwiedergabe Der Maximalwert liegt bei 100 Werte zwischen 90 und 100 geben eine ausgezeich-nete Farbwiedergabe an Werte unter 80 sind fuumlr viele Anwendungen nicht ausreichend

Im Folgenden soll ein kleiner Leitfaden gegeben werden der in allgemeinverstaumlndlicher Form die grundlegenden Ideen wichtiger lichttechnischer Groumlszligen erlaumlutern soll Komplexe Details der zugrunde liegenden Normen und Definitionen werden hierbei nicht beruumlcksichtigt

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PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4Das Jahr des Lichtes

Pastellfarbtoumlne oder auch weiszliges LichtIn Bild 2 sind die spektralen Verteilungen einer

LED mit und ohne Leuchtstoff abgebildet In der linken Abbildung erkennt man die schmalbandige blaue Emission des LED-Chips In der rechten Abbildung wird ein Teil dieser Strahlung durch einen Leuchtstoff in laumlngerwelliges Licht konver-tiert und die Mischfarbe erscheint weiszlig

Der Vorteil einer LED gegenuumlber einer Gluumlh-lampe bezuumlglich der Lichtausbeute ist offensicht-lich Es wird ndash von unvermeidbarer thermischer Verlustleistung abgesehen ndash nur Strahlung im sichtbaren Wellenlaumlngenbereich emittiert Daruumlber hinaus ist die Farbe des Lichts von LEDs durch Kombination verschiedener Leuchtstoffe und LEDs nahezu beliebig einstellbar und man ist nicht auf aumlhnlichste Farbtemperaturen von ca 3000 K wie bei der Gluumlhlampe begrenzt

Allerdings gibt es auch Nachteile gegenuumlber dem Licht einer Gluumlhlampe Dem typischen Spektrum einer LED-Lichtquelle fehlen im Gegensatz zu Sonnenlicht oder Gluumlhlampenlicht einzelne Spekt-ralfarben Dies macht sich negativ bei der Qualitaumlt der Farbwiedergabe bemerkbar

Die Farbe des emittierten Lichts einer LED laumlsst sich durch additive Farbmischung sehr aumlhnlich zu Sonnenlicht oder auch Gluumlhlampenlicht einstellen Wenn jedoch Objekte mit Licht beleuchtet werden kommt es auch auf die spektrale Zusammensetzung des Lichts an Nehmen wir einen Blumenstrauszlig aus roten Rosen der im Tageslicht steht Im Son-nenlicht sind alle Spektralfarben vorhanden und diese beleuchten die Rosen Die roten Bluumltenblaumltter absorbieren einige spektrale Anteile des Lichts und reflektieren im Wesentlichen rotes Licht welches in das Auge des Betrachters faumlllt Wenn die Rosen von einer anderen Lichtquelle beleuchtet werden in der die roten Spektralanteile zumindest teilweise fehlen koumlnnen diese nicht reflektiert werden und die Farben der Rosen erscheinen unnatuumlrlich

Dies ist von weitreichender Bedeutung fuumlr die Wahl einer geeigneten Lichtquelle da wir einen Kompromiss aus Licht mit guter Farbwieder-gabe und hoher Lichtausbeute schlieszligen muumlssen Licht mit hoher Farbwiedergabe setzt sich aus moumlglichst vielen Spektralfarben zusammen und Lichtquellen mit hoher Lichtausbeute sollten nur Spektralfarben beinhalten fuumlr die das menschliche Auge besonders empfindlich ist In den Auszligenbe-zirken vieler Staumldte werden zur Nachtbeleuchtung der Gehwege haumlufig Natriumdampflampen mit orangefarbenem Licht eingesetzt Die Lichtaus-beute dieser Lampen ist mit etwa 150 lmW auszligerordentlich hoch da das menschliche Auge in diesem Spektralbereich sehr empfindlich ist Diese Beleuchtung ist jedoch ungeeignet um Farben natuumlrlich wiederzugeben Aufgrund des Aufbaus des menschlichen Auges ist es also nicht moumlglich eine Beleuchtung mit sehr hoher Qualitaumlt der Farbwiedergabe bei gleichzeitig sehr hoher Lichtausbeute zu realisieren

Weiszlige LEDs zur Allgemeinbeleuchtung nutzen in der Regel Leuchtstoffe die teilweise qualita-tiv hochwertige Farbwiedergabeeigenschaften besitzen Eine weitere Methode zur Erzeugung von weiszligem Licht ist das Mischen von rotem gruumlnem und blauem Licht (RGB-Verfahren) welches die Grundlage jedes Displays ist Hierbei sind neben weiszligem Licht auch andere Lichtfarben moumlglich ndash die Farbwiedergabeeigenschaften sind allerdings schlecht Fuumlr die Endverbraucher sind in der Regel die Farbwiedergabeeigenschaften von Lichtquellen als Ra-Werte auf der Verpackung angegeben

Organische Licht Emittierende Dioden (OLED) sind eine junge Beleuchtungstechnologie die noch keinen Zugang zum Massenmarkt erhalten hat Die weltweit erste kommerzielle OLED-Leuchte wurde 2008 vertrieben Der fuumlr den Nutzer wesentliche Unterschied zwischen OLEDs und LEDs besteht im Aufbau Der leuchtende Kristall

Bild 2 Spektrale Verteilung einer blauen LED (links) und einer weiszligen LED (rechts) bei der ein Teil des blauen Lichts zu gelbem Licht konvertiert wurde

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PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4 Metrologie fuumlr moderne Lichtquellen

anorganischer LEDs besitzt eine maximale Kan-tenlaumlnge von etwa einem Millimeter Bei OLEDs wird das Licht in groszligflaumlchigen amorphen organi-schen Schichten erzeugt Momentan sind OLEDs mit leuchtenden Flaumlchen von bis zu 20 x 20 cmsup2 erhaumlltlich Das Licht wird aumlhnlich wie bei LEDs durch Ladungstraumlgerrekombination unter Auftre-ten von Elektrolumineszenz erzeugt Dabei ist das Emissionsspektrum der verwendeten organischen Emittermaterialien wesentlich breitbandiger als das einer LED (vgl Bild 3) Daher wird das weiszlige Licht von OLEDs in der Regel durch Verwendung von roten gruumlnen und blauen Emittermaterialien erzeugt ohne dass die Farbwiedergabeeigenschaf-ten sehr stark darunter leiden

2 Entwicklung von (O)LED-Transfer-normalen in der PTB

Eine der Kernaufgaben der PTB ist die Weiter-gabe der gesetzlichen Einheiten Bis zum heuti-gen Tage bieten Transfernormale in Form von speziellen Gluumlhlampen die besten Eigenschaften um als Maszligverkoumlrperung der Einheiten Candela oder Lumen zu dienen Da der Anwender in der Regel jedoch die Substitutionsmethode bei seinen Messungen anwendet um notwendige Korrektu-ren auf ein Minimum zu reduzieren (Gleiches mit Gleichem vergleichen) sind auch Transfernormale auf Basis der LED-Technologie von Interesse

Bereits in den 80er-Jahren des vergangenen Jahr-hunderts wurden LEDs in der PTB kalibriert Diese waren fuumlr Beleuchtungszwecke noch ungeeignet und dienten lediglich als Signallampen Zeitgleich wurden die ersten PTB-LED-Transfernormale entwickelt deren optische Eigenschaften durch thermische Regelung des LED-Chips stabilisiert wurden Die mechanische Ausrichtung der LEDs leistet aufgrund des typischerweise stark gerichteten Abstrahlprofils der LEDs einen groszligen Beitrag auf die Messunsicherheit Daher werden die LEDs seit

2002 in ein rotationssymmetrisches robustes VA-Stahl-Gehaumluse eingebaut welches sich sehr repro-duzierbar ausrichten laumlsst (vgl Bild 4)

Diese Transfernormale werden unter Konstant-Strom-Bedingungen und ndash durch gezieltes Aufhei-zen des LED-Chips durch den Heizwiderstand ndash unter Konstant-Spannung-Bedingungen betrieben Aufgrund der halbleitenden Eigenschaften sinkt mit steigender Temperatur die Betriebsspannung und sowohl der Lichtstrom als auch die Peakwellenlaumlnge des emittierten Lichts veraumlndert sich Die Sollspan-nung wird auf einen Wert festgelegt der unterhalb der Gleichgewichtsspannung durch Eigenerwaumlr-mung im Betrieb ohne Heizwiderstand bei einer Umgebungstemperatur von etwa 35 degC liegt Somit ist auch ein Einsatz der Transfernormale in Laboren ohne Klimatisierung moumlglich

Fuumlr LEDs mit houmlheren Leistungen wurde im Jahr 2011 ein weiterer Prototyp eines Transfernormals vorgestellt (vgl Bild 5) Da die hier verwendeten LEDs eine houmlhere Leistungsaufnahme besitzen werden sie waumlrmer Das reduziert die Lebensdauer und Reproduzierbarkeit der photometrischen

Bild 3 Exemplarische spektrale Verteilung einer weiszligen OLED

Bild 4 Temperaturgeregeltes LED-Transfernormal auf Basis von Kleinleistungs-LEDs mit Lichtstroumlmen von bis zu 10 Lumen

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PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4Das Jahr des Lichtes

Groumlszligen deutlich Daher muumlssen sie gekuumlhlt werden Hierfuumlr kommt bei diesen Normalen ein Peltier-Element zum Einsatz welches geregelt Waumlrme in einen dahinterliegenden Kuumlhlkoumlrper leitet und hierdurch das emittierte Licht stabilisiert Diese Transfernormale zeichnen sich durch ein geringes

Gewicht bei einer Laumlnge von ca 100 mm und einem Durchmesser von etwa 20 mm aus Allerdings ist die Verwendung von LEDs mit sehr hohen Leistun-gen nicht moumlglich da die Abwaumlrme lediglich passiv an den Raum abgegeben wird Eine detaillierte Beschreibung der Eigenschaften dieses Transfer-normals wurde 2012 veroumlffentlicht [2]

Fuumlr die thermische Stabilisierung von LEDs mit sehr hohen Leistungen wurde ein weiteres Trans-fernormal unter Einsatz von Peltier-Elementen Heatpipes und aktivem Kuumlhlsystem in der PTB entwickelt (vgl Bild 6)

Im Rahmen des europaumlischen Forschungspro-jekts OLED100eu wurde in der PTB weiterhin das weltweit erste Transfernormal unter Einsatz einer organischen Leuchtdiode entwickelt (vgl Bild 7) Dieses Normal wurde fuumlr den Einsatz in einer Ulbricht-Kugel konzipiert und in ein mattes Aluminiumgehaumluse eingebaut Eine Besonderheit dieses Normals ist die Stand-Alone-Versorgungs-einheit die ohne Rechner o auml saumlmtliche relevan-ten elektrischen und thermischen Groumlszligen regelt und auf einem USB-Stick speichert

3 LED-Messtechnik in der PTB

Neben LED-Transfernormalen mit guter Reprodu-zierbarkeit ist eine hochentwickelte Messtechnik fuumlr deren Kalibrierung mit minimaler Messunsi-cherheit erforderlich

Die photometrische Beschreibung von LEDs erfolgt durch Angabe ihrer Lichtstaumlrke ILED mit der Einheit Candela und ihrem Lichtstrom ΦLED mit der Einheit Lumen Diese Groumlszligen werden in der PTB unter Verwendung ruumlckgefuumlhrter Photometer bestimmt Hierfuumlr wird die Beleuchtungsstaumlrke ELED unter definierten geometrischen Bedingungen fuumlr alle Abstrahlrichtungen der LED mit einem Goniophotometer gemessen

Fuumlr die Bestimmung der colorimetrischen Werte kommen Spektralradiometer zum Einsatz Hiermit werden spektrale Bestrahlungsstaumlrken gemessen und daraus die abgeleiteten colorime-

Bild 5 Temperaturgeregeltes LED-Transfernormal auf Basis von Hochleistungs-LEDs mit Lichtstroumlmen von bis zu 100 Lumen Im rechten Bild ist die Temperaturverteilung in Grad Celsius waumlhrend des Betriebs abgebildet

Bild 6 Temperaturgeregeltes LED-Transfernormal auf Basis von Houmlchstleistungs-LEDs mit Lichtstroumlmen von bis zu 2500 Lumen

Bild 7 Temperaturgeregeltes OLED-Transfernormal auf Basis kommerziell erhaumlltlicher OLEDs

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PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4 Metrologie fuumlr moderne Lichtquellen

trischen Kenngroumlszligen wie z B die Normfarb-wertanteile (x y) bei weiszligen LEDs die aumlhnlichste Farbtemperatur TN mit der Einheit Kelvin und bei farbigen LEDs die dominante Wellenlaumlnge λdom berechnet Grundlegende Informationen und Definitionen uumlber die photometrischen und colorimetrischen Groumlszligen und deren Messung sind in [3] [4] und [5] zu finden

In Bild 8 ist der Aufbau des LED-Messplatzes an der PTB zu sehen Fuumlr die Bestimmung der Mess-groumlszligen in alle raumlumlichen Abstrahlwinkel wird die LED durch ein Goniophotometer bewegt

Die LED wird in horizontaler Betriebslage zentrisch normal zur Referenzebene des Photo-meterkopfes ausgerichtet Ein Translationstisch ermoumlglicht dabei eine Variation des Abstandes d zwischen Photometer und LED Eine horizontale Rotationsachse (φ-Achse) und eine senkrechte Rotationsachse (ϑ-Achse) die sich an der LED-Spitze im rechten Winkel schneiden erlauben durch Drehung der LED eine Bestimmung der Beleuchtungsstaumlrke ELED in alle Raumrichtungen Beide Rotationsachsen werden waumlhrend der Messung zeitgleich bewegt Hierdurch bewegt sich die relative Position der lichtempfindlichen Emp-faumlngeroumlffnung bezuumlglich des Schnittpunkts beider Drehachsen auf der Oberflaumlche einer virtuellen Kugel entlang einer Spiralbahn von bdquoPol zu Polldquo dieser Kugel

Die Bestimmung des Lichtstroms ΦLED erfolgt analog der Beschreibung in dem Kapitel Kurze Geschichte der Goniophotometrie in der PTB Der wesentliche Unterschied zu goniophotome-trischen Messungen an Gluumlhlampen besteht darin dass bei LED-Messungen die Lichtquelle typischerweise bewegt werden kann ohne dass sich ihre optischen Eigenschaften aumlndernAufgrund des stetig wachsenden Bedarfs an ruumlck-gefuumlhrten Kalibrierungen von High-Power-LEDs sind Masse und Abmessungen der Transfernor-male erheblich gestiegen Daher wurde der Mess-platz 2015 um ein weiteres Goniophotometer fuumlr schwere und groszlige Objekte erweitert (vgl Bild 9)

Neben den photometrischen Empfaumlngern befinden sich auch Einkoppeloptiken fuumlr Spekt-ralradiometer auf dem drehbaren Empfaumlngerka-russell Alle Empfaumlnger lassen sich hiermit auto-matisiert waumlhrend einer Messung zu den LEDs ausrichten Vor jeder LED-Kalibrierung werden die Spektralradiometer bezuumlglich Ihrer spektralen Empfindlichkeit und Wellenlaumlnge kalibriert Die entsprechenden Normallampen befinden sich neben dem Empfaumlngerkarussell (vgl Bild 10) und ermoumlglichen so ebenfalls eine automatisierte Messung

Den spektralen Messungen an LEDs kommt neben der Notwendigkeit fuumlr die Bestimmung colorimetrischer Kennzahlen noch eine beson-dere Bedeutung fuumlr die photometrischen Messun-

Bild 9 Goniophotometer fuumlr photometrische Messungen an Hochleistungs-LEDs

Bild 10 Entladungslampen mit verschiedenen Gasfuumlllungen dienen der Wellenlaumlngenka-librierung der Spektrometer Im Hintergrund ist eine Bestrahlungsstaumlrke-Normal-lampe fuumlr die spektrale Empfindlichkeitskalibrierung zu sehen

Bild 8 Goniophotometer fuumlr photometrische Messungen an Kleinleistungs-LEDs

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PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4Das Jahr des Lichtes

gen zu Wie in der Einleitung erklaumlrt unterscheiden sich die spektralen Verteilungen von LEDs und Gluumlhlampen deutlich voneinander Photometerkoumlpfe bestehen in der Regel aus einer Silizium-Photodiode deren spektrale Empfindlichkeit durch den Einsatz von Glasfiltern moumlglichst gut an den Hellemp-findlichkeitsgrad V(λ) angepasst wird Aufgrund internationaler Standardisierung wird die photo-metrische Empfindlichkeit von Photometerkoumlpfen fast ausschlieszliglich fuumlr Normlichtart A kalibriert In der Praxis werden hierfuumlr Gluumlhlampen mit einer Verteilungstemperatur von 2856 K verwendet Wenn man ein solches Photometer fuumlr Messungen an anderen Gluumlhlampen verwendet sind die spektralen Verteilungen meist so aumlhnlich dass nur geringe oder gar vernachlaumlssigbare Korrekturen aufgrund der spektralen Fehlanpassung also der Abweichung der realen spektralen Empfindlichkeit des Photometers von dem Hellempfindlichkeitsgrad notwendig sind Wenn man ein solches Photometer jedoch bei LEDs insbesondere farbigen LEDs einsetzt koumlnnen die Abweichungen aufgrund der spektralen Fehlan-passung sehr groszlig werden (gt10 fuumlr hochwertige Photometerkoumlpfe sind moumlglich)

Mit Kenntnis der relativen spektralen Verteilung der Leuchtdiode SLED(λ) und der relativen spekt-ralen Empfindlichkeit srel(λ) laumlsst sich die spektrale Fehlanpassung durch folgenden Korrekturfaktor cSpek korrigieren

cV S

s S

V P T

sSpek

LED

rel LED

A

rel

d

d

d=

( ) ( )( ) ( )

( ) ( )( )

intint

intλ λ λ

λ λ λ

λ λ λ

λ

intint ( )P Tλ λ A d

P(λ TA) beschreibt Lichtart A durch das Planck-sche Strahlungsgesetz fuumlr TA = 2856 K

Eine detaillierte Auflistung und Diskussion aller zu beruumlcksichtigenden Details bei Kalibrierungen von LEDs und das dazugehoumlrige Messunsicher-heitsbudget soll an dieser Stelle nicht gegeben werden Interessierte Leser koumlnnen hierfuumlr Infor-mationen in einer fruumlheren Veroumlffentlichung [6] oder in den Ergebnissen eines internationalen Vergleichs von LED-Messungen [7] finden

Fazit und Ausblick

Der Verzicht auf LEDs ist fuumlr Beleuchtungsan-wendungen nicht mehr vorstellbar Durch ihre kontinuierliche Weiterentwicklung erobern LEDs immer weitere Anwendungsfelder (z B Haus-halts- Straszligen- und Automobilbeleuchtung) mit denen der Endkunde in Kontakt kommt Bei diesen Anwendungen sind die Anforderungen an die Lichtquellen vielfaumlltig und fuumlr eine quantitative Beschreibung ihrer Eigenschaften muss auch die Messtechnik entsprechend umfassend und ausge-reift sein

Neben dem allgemeinen Forschungs- und Ent-wicklungsbedarf fuumlr bessere LED-Messverfahren und -geraumlte die die Grundlage ihrer technologi-schen Weiterentwicklung bilden gibt es eine weitere Herausforderung Aufgrund der nahezu unbe-grenzten Moumlglichkeiten eine bestimmte Lichtfarbe durch additive Farbmischung zu erhalten sind LEDs verschiedener Hersteller mit unterschiedlichen Emissionsspektren aber einer nominell gleichen aumlhnlichsten Farbtemperatur erhaumlltlich Dennoch ist teilweise ein Unterschied der Lichtfarbe mit bloszligem Auge erkennbar wenn sich unterschiedliche LEDs nebeneinander befinden

Es ist ungewoumlhnlich dass man ohne technische Hilfsmittel nominell gleiche Lichtfarben faktisch unterscheiden kann Um die Charakterisierung von LEDs soweit zu verbessern dass dies nicht mehr moumlglich ist ist einerseits eine Reduzierung der Messunsicherheit bei der Bestimmung der Normfarbwertanteile (Lichtfarbe) notwendig Andererseits muss man sich bewusst machen dass photometrische und colorimetrische Messverfahren auf rein physikalischen Zusammenhaumlngen basieren Individuelle menschliche Wahrnehmung und Sehen werden bei photometrischen Messungen nicht beruumlcksichtigt ndash diese werden durch Festlegung von exakt definierten Wichtungsfunktionen wie dem Hellempfindlichkeitsgrad fuumlr einen fiktiven Normalbeobachter ausgegrenzt Diese Wichtungs-funktionen koumlnnen gegebenenfalls auch noch optimiert werden um die objektive Beurteilung von Lichtquellen mit physikalischen Messmethoden zu verbessern Somit gibt es auch in Zukunft noch interdisziplinaumlre Herausforderungen fuumlr die Metro-logie moderner Lichtquellen

Literatur

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Effektpigmente hellipPTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4

Einleitung

Farbe ist fuumlr Menschen die wohl auffaumllligste sub-jektive Stoffeigenschaft Bereits den Fruumlhmenschen war diese visuelle Qualitaumlt bekannt deren Wahr-nehmung allen Primaten eigen ist So wurde 2008 in Suumldafrika eine ca 100000 Jahre alte steinzeitli-che bdquoMalerwerkstattldquo entdeckt [1] Auch heutzu-tage spielt Farbe in der Gestaltung unserer Umwelt eine wichtige Rolle Jedes Jahr praumlsentiert uns die Mode die neuen Farben der Saison Farben dienen zur Regelung des Verkehrs Ohne bunte Farben waumlre unsere Welt trist und oumlde

Es ist wichtig festzustellen dass Farbe ein physiologischer Sinneseindruck ist wie z B auch Tasten oder Riechen D h Farbe ist keine immanente physikalische Eigenschaft eines Gegenstandes wie z B seine Masse oder Waumlrme-leitfaumlhigkeit Die physiologische Wahrnehmungs-kette ist hierbei folgende Das vom betrachteten Gegenstand reflektierte Licht trifft auf das Auge und loumlst hierbei einen Farbreiz aus Dieser Farbreiz beruht auf der spektralen Zusammensetzung des empfangenen Lichts d h er ist abhaumlngig von der verwendeten Lichtquelle und dem spektralen Reflexionsvermoumlgen des betrachteten Objektes Die Anregung der licht- und farbempfindlichen Zellen in der Netzhaut fuumlhrt zu einer Farbvalenz die uumlber den Sehnerv an das Gehirn weitergeleitet wird Die eigentliche Farbempfindung die wir dann mit einem Gegenstand verknuumlpfen entsteht erst im Gehirn [2] Liegt z B eine Farbfehlsich-tigkeit vor so kann der Farbeindruck des betrof-fenen Menschen auch ein ganz anderer sein Auch viele Tiere mit ihren teilweise erheblich abweichenden visuellen Systemen nehmen Farbe ganz unterschiedlich als wir Menschen wahr Im Folgenden soll mit Farbe immer die Koumlrperfarbe auch Gegenstandsfarbe Objektfarbe bzw Oberflauml-chenfarbe genannt einer nicht selbstleuchtenden Flaumlche bezeichnet werden die durch Reflexion von Licht an einem Koumlrper entsteht

Die genannten Zusammenhaumlnge machen die mathematisch-physikalische Beschreibung von Farbe schwierig und aufwendig da auch die spe-zifischen Eigenarten der menschlichen Wahrneh-

mungskette nachgestellt werden muumlssen Diesem Umstand wird versucht uumlber die verschiedenen Farbmaszligsysteme Rechnung zu tragen welche die Farbe eines Objektes mithilfe von quantifizierba-ren Zahlenwerten kennzeichnen [3]

Generell koumlnnen farbige Flaumlchen je nach Tageszeit und Lichteinfall sehr unterschiedlich wirken Die Aumlnderungen basieren hierbei auf der unterschiedlichen spektralen Zusammenset-zung des Tageslichts und den winkelabhaumlngigen Glanz- und Struktureigenschaften von Oberflauml-chen Ganz besonders deutlich ist dies bei auf dem Interferenzeffekt basierenden Effektpigmenten der Fall Deren visuelles Erscheinungsbild im englischen mit Visual Appearance bezeichnet kann sich bei variierendem Beobachtungswinkel und unterschiedlichen Lichtverhaumlltnissen komplett veraumlndern Man spricht hierbei von sogenannten Flop-Lacken wobei man zwischen Hell-Dunkel-Flop und Farb-Flop unterscheiden kann [4]

Generell kann man sagen dass Farbe und visuelle Effekte einen entscheidenden Anteil am Verkaufserfolg eines Produktes haben denn Farben wecken Emotionen und verschiedene Neuro marketingstudien belegen dass ca 95 aller Kaufentscheidungen emotional gepraumlgt sind [5] Deshalb spielt eine moderne Farbgestaltung unter Nutzung aktueller Effektpigmente im Pro-duktdesign eine entscheidende Rolle denn durch den Einsatz solcher Pigmente kann Gegenstaumlnden eine houmlhere Attraktivitaumlt verliehen werden Daher findet man moderne Effektpigmente heutzutage in vielen teilweise sehr unterschiedlichen Indus-trieprodukten wie z B in Autolackierungen Haumluserfassaden Kosmetikartikeln oder sogar bei Pralineacutes wie dies in Bild 1 zu sehen ist

Pigmente

Als Pigmente aus dem Lateinischen kommend von pigmentum fuumlr bdquoFaumlrbestoff Schminkeldquo bezeichnet man aus Teilchen bestehende im Anwendungs-medium praktisch unloumlsliche Sub stanzen die als Farbmittel oder wegen anderer spezieller physika-lischer und chemischer Eigenschaften als funktio-nale Farbzentren verwendet werden [6]

Effektpigmente Eine Herausforderung fuumlr die optische Messtechnik

Egbert Buhr Alfred Schirmacher Andreas Houmlpe

Dr Egbert Buhr Fachbereich bdquoBildshy und Wellenoptikldquo EshyMail egbertbuhrptbde

Dr Alfred Schirmacher Arbeitsshygruppe bdquoReflexion und Transmissionldquo EshyMail alfredschirmacherptbde

Dr Andreas Houmlpe dagger ehemals Arbeitsgrupshype bdquoReflexion und Transmissionldquo

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PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4Das Jahr des Lichtes

In der Natur vorkommende anorganische Pig-mente sind schon seit praumlhistorischen Zeiten bekannt Schon die Menschen der Steinzeit benutzen mineralische Pigmente fuumlr die ersten Houmlhlenzeichnungen Sie erkannten dass sie mit unterschiedlichen Erdsorten farbig malen konnten Eisenoxidhaltige Erden liefern gelbrote bis braunrote Kalk und Gips weiszlige Mangan-oxide sowie Holz- und Knochenkohle schwarze Farbtoumlne

Aus heutiger industrieller Sicht ist ein Pigment ein fein aufgeteilter und unloumlslicher Feststoff mit der Hauptfunktion das Erscheinungsbild des verwendeten Mediums zu verbessern oder es zu faumlrben Pigmente werden dem Medium immer durch physikalisches Mischen beigegeben dies unterscheidet sie von Farbstoffen die in ihrem Medium loumlslich sind

Pigmente koumlnnen nach den optischen Prin-zipien ihrer Wechselwirkung mit Licht unter-schieden und in verschiedene Klassen eingeteilt werden Wichtige Pigmentklassen sind Weiszlig- Bunt- Schwarz- und Effektpigmente die alle wegen ihrer speziellen farbgebenden Eigenschaf-ten eingesetzt werden Bei den Effektpigmenten

kann in einer ersten vereinfachten Einteilung noch zwischen Metalleffekt- und den sogenannten speziellen Effektpigmenten unterschieden werden

Der Begriff bdquospezielle Effektpigmenteldquo umfasst die Gruppen der Perlglanzpigmente und der all-gemeinen Interferenzpigmente welche insbeson-dere bei aktuellen Pigmententwicklungen nicht scharf abgegrenzt werden koumlnnen Perlglanzpig-mente sind Effektpigmente die aus transparenten Plaumlttchen mit hohem Brechungsindex bestehen Sie erzeugen durch die spezielle Form der Mehr-fachreflexion des transmittierten Lichts an mehre-ren Pigmenten einen perlenaumlhnlichen Effekt bei dem die auftreffende Strahlung verteilt reflektiert wird wodurch der Eindruck einer mit der Tiefe abnehmenden diffusen Helligkeit entsteht Fuumlr das Auge ergibt sich so eine scheinbar dreidimen-sionale Glanzcharakteristik die aus der Tiefe des Objektes zu kommen scheint Interferenzpigmente dagegen sind Effektpigmente deren farbgebende Wirkung ganz oder vorwiegend auf dem Effekt der Vielstrahlinterferenz von Licht an duumlnnen hoch-brechenden Schichten beruht Interferenzpigmente koumlnnen dabei sowohl auf transparenten oder auch nichttransparenten Plaumlttchen basieren

Bild 1 a) Roadster mit ChromaFlairreg-Effektpigmentlackierung b) Verwaltungsgebaumlude in Braunschweig verkleidet mit Alucobondreg-spectra-colours-Verbundplatten c) Effektpigmente im Nagellack d) Pralineacute mit Effektpigmentuumlberzug

a

dc

bb

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Effektpigmente hellipPTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4

Die heute verwendeten Pigmente lassen sich somit grob in fuumlnf verschiedene Klassen einteilen

1) Weiszligpigmente Die Pigmente streuen das ge-samte auftreffende Licht nahezu verlustfrei in alle Richtungen durch diffuse ungerichtete Reflexion

2) Buntpigmente Die Pigmente streuen einen Teil des Lichtes diffus und absorbieren wellenlaumln-genselektiv einen anderen Teil des Lichtes

3) Schwarzpigmente Die Pigmente absorbieren alle Wellenlaumlngen des fuumlr das menschliche Auge sichtbaren Spektralbereiches

4) Metalleffektpigmente Die aus duumlnnen Metall-plaumlttchen vorwiegend Aluminium bestehen-den Metalleffektpigmente sind lichtundurch-laumlssig und reflektieren das gesamte auftreffende Licht durch spekulare gerichtete Reflexion Die Pigmentpartikel wirken dabei wie Mikrospie-gel und fuumlhren bei paralleler Ausrichtung im Anwendungsmedium zu einem spiegelnden Metallglanz dem Metallic-Effekt

5) Spezielle Effektpigmente Perlglanz- bzw Inter-ferenzpigmente deren optische Wirkung auf der Mehrfachreflexion an uumlberwiegend flaumlchig aus-gebildeten und ausgerichteten transparenten semitransparenten oder lichtundurchlaumlssigen Partikeln beruht

Weiszlig- Bunt- und auch Schwarzpigmente weisen typische Durchmesser im Bereich von 100 nm bis zu 1 microm auf Ihre Groumlszlige liegt damit zum Teil im Bereich der Wellenlaumlnge des sichtbaren Lichtes welches den Bereich von 380 nm bis 780 nm uumlberdeckt Einige Schwarzpigmente wie z B Ruszlig-pigmente liegen mit ihren Durchmessern jedoch auch zum Teil auch deutlich darunter Effektpig-mente besitzen dagegen Teilchendurchmesser die zumeist im Bereich von 5 microm bis 100 microm in einigen Faumlllen auch daruumlber liegen Sie sind damit bezuumlglich der mittleren Plaumlttchendurch-messer wesentlich groumlszliger als die Wellenlaumlnge des sichtbaren Lichtes Die Dicke der Plaumlttchen liegt von einigen Ausnahmen abgesehen unter 1 microm ebenso wie die Dicke der Interferenzschichten Demzufolge weisen Effektpigmente in der Regel ein hohes Aspektverhaumlltnis auf (Verhaumlltnis der lateralen Ausdehnung einer Struktur zu ihrer Houmlhe) welches bis zu 200 betragen kann

Interferenzpigmente ndash Wie die Farben entstehen

Die Farbe von Interferenzpigmenten haumlngt von der Schichtdicke der Metalloxidbeschichtung und dem Einstrahlungs- und Betrachtungswinkel ab Beide Parameter bestimmen die effektive optische Weg-

laumlngendifferenz fuumlr das einfallende weiszlige Licht zwischen oberer und unterer Grenzflaumlche und die somit auftretenden Interferenzfarben siehe Bild 3

Interferenzpigmente zeigen somit einen aus-gepraumlgten bdquoFarbflopldquo Die Winkelabhaumlngigkeit der Farbe wird hierbei auch als Goniochromasie bezeichnet Richtig bunt geht es zu wenn ein Interferenzpigment auf einen bereits bunten Untergrund aufgebracht wird Die Transparenz der Pigmente laumlsst die Untergrundfarbe durch-

Bild 2 Schematische Diagramme zum spektralen Verhalten verschiedener Pigmenttypen

Bild 3 Die Schichtdicke der Metalloxidbeschichtung und der kombinierte Einstrahlungs- und Betrachtungswinkel bestimmen die optische Weglaumlnge und somit die sich ergebenden Interferenzfarben in Reflexion und Transmission

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PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4Das Jahr des Lichtes

Bild 5 Die Effekte Spar-kling (1) und Coarseness (2) des Effektpigmentes Xirallicreg Crystal Silver in einer vergroumlszliger-ten Aufnahme auf weiszligem (links) und schwarzem Hinter-grund (rechts)

scheinen im Glanzwinkel wird sie aber von der Interferenzfarbe uumlberstrahlt wie dies in Bild 4 zu sehen ist

Der Effekt eines Helligkeitsunterschiedes unter verschiedenen Betrachtungswinkeln wird als Helligkeitsflop bezeichnet und ist an sich nichts Neues Sind jedoch die einzelnen Pigmentteilchen

aufgrund ihrer planaren Reflexionsoberflaumlchen in gerichteter Beleuchtung direkt beobachtbar was fuumlr mittlere Teilchengroumlszligen von 30 microm und groumlszliger der Fall ist so ergibt dies einen Effekt welcher mit dem Begriff Sparkle (Glitzern Funkeln) bezeichnet wird (Bild 5) Aumlndert sich die Beleuchtung von einer gerichteten Einstrahlung wie es an einem wolkenlosen sonnigen Sommertag der Fall ist hin zu einer diffusen ungerichteten Einstrahlung wie an einem stark bewoumllkten Herbsttag so verschwin-det das Sparkling der Pigmente und verwandelt sich in eine Koumlrnigkeit der Oberflaumlche Dieses optische Phaumlnomen wird als Coarseness (Bild-koumlrnigkeit) bezeichnet und ist unabhaumlngig vom Betrachtungswinkel (Bild 5)

Als neuer Archetypus des Sparkle-Begriffes haben sich in den letzten Jahren die Xirallicreg Pig-mente (High Chroma Chrystal Effect Pigments) der Firma Merck KGaA entwickelt Durch die Beschich-tung von Aluminiumoxidplaumlttchen mit hochbre-chenden Metalloxiden und einer optimierten Dicke und Ebenheit aller am Pigment beteiligten Schich-ten entstehen auszligergewoumlhnlich stark reflektierende Effektpigmente die einen besonders intensiven Sparkle-Effekt aufweisen Man spricht hierbei auch von sogenanntem Living Sparkle welcher sich in einem scheinbaren bdquoTanzenldquo der leuchtenden Punkte in der Probenoberflaumlche bei Veraumlnderung der Beobachtungsgeometrie aumluszligert [7 8]

Generell gilt dass die Farbe von Objekten mit Effektlackierung nicht mehr wie jahrzehntelang uumlblich und ausreichend mit konventionellen Farb-messgeraumlten mit nur einer festen Messgeometrie wie z B in der 45deg 0deg Geometrie (Einstrahlung unter 45deg Reflexionsmessung unter 0deg) bestimmt werden kann Dieser Umstand wird sehr gut durch die Grafik in Bild 6 illustriert Dargestellt sind die winkelabhaumlngig gemessenen Farbkoordinaten von drei verschiedenen keramischen Farbstandards der Farben rot gruumln und blau sowie eines mit dem Effektpigment Viola Fantasy der Firma Merck lackierten Blechs Der Einfallswinkel des Lichts auf die Proben betrug hierbei immer 45deg zur Oberflauml-chennormalen Das von den Proben reflektierte Licht wurde an 26 Positionen in einem 5deg Raster in planaren die Oberflaumlchennormale enthalten-den Messgeometrien im Winkelbereich von ndash70deg bis +70deg aufgenommen Bei den aus absorptiven Pigmenten bestehenden Keramiken zeigt sich eine nur sehr geringe Winkelabhaumlngigkeit der Farbe welche groumlszligtenteils auf unterschiedlicher winkelabhaumlngiger Helligkeit d h den Glanzeigen-schaften der Oberflaumlche beruht Das Effektpigment dagegen zeigt einen extremen winkelabhaumlngigen Farb-Flop (Goniochromasie) welcher einen Farbverlauf von Gruumln uumlber Rot-Gelb hin ins Blau-Violett bietet

Aber auch die neuen Lackfarben aus der Gruppe der Effektlackierungen muumlssen messtechnisch

Bild 4 Merck-Xirallicreg-Solaris-Red-Effektpigmente appliziert auf einem mit Standard-Ab-sorptionspigmenten hellblau lackierten Metallblech In Rich-tung des Glanzwin-kels auf der rechten Seite zeigt sich der langsame Aufbau der winkelabhaumlngigen Interferenzfarbe

1

Bild 6 CIELab Farbkoordinaten einer winkelabhaumlngigen Reflexionsmessung an vier verschiedenen Proben drei Keramiken der Farben rot gruumln blau und eine Effektpigmentlackierung mit Merck Colorstreamreg Viola Fantasy Das untergelegte Farbschema zeigt naumlherungsweise die den Koordinaten entsprechende Farbe

2

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Effektpigmente hellipPTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4

Abbildungsoptik Messungen der ortsaufgeloumlsten Leuchtdichte auf einer Laumlngenskala bis hinab zu 28 microm auf der zu untersuchenden Probe siehe Bild 8

Mit der Zeilenkamera sind Messungen von kompletten Reflexionsspektren im sichtbaren Spektralbereich zwischen 380 nm und 780 nm dem sogenannten V(λ)-Bereich auf einer Zeit-skala von 2 Minuten moumlglich Hieraus lassen sich dann Farbkoordinaten der untersuchten Proben in den unterschiedlichsten Farbraumsystemen berechnen Eine absolute Messung in 114 Win-kelkombinationen (siehe Bild 9) im Polarwinkel-

erfasst und ruumlckgefuumlhrt werden um eine gleich-bleibende Qualitaumlt in der Produktion gewaumlhrleis-ten zu koumlnnen Gerade diese vielfaumlltigen zusaumltz-lichen Eigenschaften stellen die Farbmesstechnik vor neue Herausforderungen

Farbmessung

Bisherige kommerzielle Farbmessgeraumlte charakte-risieren Probenoberflaumlchen fast ausschlieszliglich in den eben schon erwaumlhnten sogenannten in-plane Reflexionsgeometrien Dabei liegen die Richtun-gen des eingestrahlten und des reflektierten Lichts sowie die Oberflaumlchennormale der Probe in einer Ebene Diese Einschraumlnkung entspricht jedoch in keiner Weise der taumlglichen Realitaumlt bei der Oberflaumlchen aus beliebigen Richtungen beleuchtet und betrachtet werden Seitens der Messgeraumlteher-steller und Anwender gibt es daher einen Trend zur erweiterten Charakterisierung bezuumlglich zusaumltzlicher Winkelkombinationen im dreidimen-sionalen Raum Spitzenreiter dieser Entwicklung am Markt ist derzeit ein tragbares Mehrwinkel-Spektralphotometer mit insgesamt 19 verschie-denen Reflexionsgeometrien [9] Hiermit scheint aber auch das Ende dieser Entwicklung im Bereich der portablen handgefuumlhrten Geraumlte erreicht Der Wunsch der Anwender geht aktuell wieder zuruumlck zu einer geringeren Anzahl von Winkelkombi-nationen denn es ist unklar wie man aus dem Mehr an winkelaufgeloumlsten Reflexionsdaten die fuumlr die Charakterisierung der Farbeigenschaften relevanten Informationen gewinnen kann Daher stellt sich die Frage welches sind bdquoguteldquo d h an die Messaufgabe adaptierte optimal geeignete Messgeometrien

Um diese Frage zu beantworten betreibt die AG 424 bdquoReflexion und Transmissionldquo der PTB zwei roboterbasierte Gonioreflektometer die eine winkelaufgeloumlste Reflexionsmessung in beliebi-gen bidirektionalen Geometrien ermoumlglichen [10ndash12] Diese beiden Apparaturen sind in Bild 7 dargestellt

Das Standard-Gonioreflektometer ist hierbei das nationale Normal fuumlr die Messgroumlszlige spektraler Strahldichtefaktor in gerichteten Geometrien Es dient der Realisierung Bewahrung und Weiter-gabe der gerichteten Reflexionsskale in Form von Kalibrierungen Die zweite Apparatur bezeich-net mit dem Acronym ARGon3 (3D Appearance Robot-based Gonioreflectometer) ist ein flexibles Forschungsgeraumlt mit dem experimentelle Unter-suchungen u a im Rahmen des EMRP-Projektes Multidimensional Reflectometry for Industry der EU [13] durchgefuumlhrt werden Im Ver gleich zum Standard-Gonioreflektometer ist dieses Geraumlt mit einer photometrischen Leuchtdichteka-mera und einer Zeilenkamera ausgeruumlstet Die Leuchtdichtekamera erlaubt mit einer speziellen

Bild 7 Die beiden roboter-basierten Gonio-reflektometer der PTB oben Standard-Gonioreflektometer fuumlr Kundenkalibrie-rungen unten ARGon3-Messplatz fuumlr Forschungsanwen-dungen

Bild 8 Visualisierung desSparkling-Effektesvon Xironareg-Volcanic-Sparks-Pigmenten als Falschfarben-darstellung der ortsaufgeloumlsten LeuchtdichteDie bdquoNadelnldquo zeigendie Position derPigmente an

Bild 9 Beispielgeometrien zur Messung der winkelabhaumlngigen Reflexionseigen-schaften Realisiert wurden 4 Einstrah-lungsrichtungen (rote Pfeile) mit jeweils 114 Reflexionswinkeln (schwarze Punkte) im Bereich der Viertel-kugel oberhalb der Probenoberflaumlche

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PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4Das Jahr des Lichtes

bereich 0deg bis 70deg gleichmaumlszligig verteilt uumlber den Viertelraum oberhalb der Probe dauert hierbei ca 4 Stunden [14] Die so erhaltenen Daten bilden die Basis fuumlr kuumlnftige Verbesserungen in der Mess-technik fuumlr Anwender und Hersteller

Im Rahmen des EMRP-Projektes Multidimen-sional Reflectometry for Industry [13] sind damit die winkelabhaumlngigen Reflexionsspektren von insgesamt 66 verschiedenen Effektpigmentproben gemessen worden [15 16] Bei den vier verschie-denen Einstrahlungsrichtungen verbunden mit jeweils 114 Reflexionswinkeln im Bereich der Vier-telkugel oberhalb der Probenoberflaumlche ergeben sich somit uumlber 30000 Reflexionsspektren

Zielsetzung der Untersuchungen ist die Ver-besserung der Metrologie zur Materialcharak-terisierung mit reduzierter Messunsicherheit Dazu werden neue Messvorschriften und neue Standardmessartefakte entwickelt mit denen die Industrie die visuelle Wahrnehmung der von ihr produzierten Oberflaumlchen gezielt charakterisie-ren und kontrollieren kann Solche Messungen sollten einfach auszufuumlhren sein und die Ergeb-nisse muumlssen soweit wie moumlglich mit der visuellen menschlichen Wahrnehmung korrelieren Im europaumlischen und internationalen Rahmen sollen die Ergebnisse in die Normung einflieszligen um die allgemeine Vergleichbarkeit solcher Messungen zu gewaumlhrleisten

Literatur

[1] CS Henshilwood et al A 100000-Year-OldOchre-Processing Workshop at Blombos CaveSouth Africa Science Vol 334 No 6053 219ndash2222011

[2] Mark D Fairchild Color Appearance Models2nd Ed John Wiley amp Sons Ltd 2005

[3] Colorimetry Understanding the CIE Systemed by J Schanda Wiley-Interscience NJ 2007

[4] WR Cramer Der richtige Blickwinkel Farbe amp Lack 092006 26ndash30 2006

[5] G Zaltman How Customers Think EssentialInsights into the Mind of the Market HarvardBusiness Review Press 2003

[6] DIN ISO 18451-12015-11 Pigmente Farbstof-fe und Fuumlllstoffe ndash Begriffe ndash Teil 1 AllgemeineBegriffe

[7] WR Cramer Ohne Glimmer aber mit GlanzFarbe amp Lack 042003 132ndash136 2003

[8] WR Cramer Es glitzert wie am SternenhimmelFahrzeug + Karosserie 0412 20ndash22 2012

[9] E Kirchner W Cramer Making sense of measure-ment geometries for multi-angle spectrophotome-ters Color Res Appl Vol 37 No3 186ndash198 2012

[10] D Huumlnerhoff U Grusemann A Houmlpe Newrobot-based gonioreflectometer for measuringspectral diffuse reflection Metrologia 43 S11ndashS162006

[11] A Houmlpe D Huumlnerhoff K-O Hauer Robot-basedgonioreflectometer Industrial Robotics Program-ming Simulation and Applications Low Kin-Huat Ed Pro Literatur-Verlag Mammendorf623ndash632 2007

[12] A Houmlpe T Atamas D Huumlnerhoff S TeichertK-O Hauer ARGon3 ndash bdquo3D Appearance Robot-based Gonioreflectometerrdquo at PTB Rev SciInstrum 83(4) 045102-1ndash045102-8 2012

[13] European Metrology Research Program ProjectIND52 bdquoxD-Reflectldquo Multidimensional Reflecto-metry for Industry wwwxdreflecteu(letzter Aufruf 03122015)

[14] T Atamas K-O Hauer A Houmlpe Appearancemeasurements of goniochromatic colours Predic-ting Perceptions Proceedings of the 3rd Internati-onal Conference on Appearance 149ndash154 2012

[15] A Houmlpe A Koo FM Verdu FB LeloupG Obein et al bdquoMultidimensional reflectometryfor industryrdquo (xD-Reflect) an European researchproject Proc SPIE 9018 Measuring Modelingand Reproducing Material AppearanceSPIE-ISampT Vol 9018 901804-1ndash901804-11 2014

[16] A Houmlpe K-O Hauer S Teichert D HuumlnerhoffC Strothkaumlmper Goniochromatic and Sparkleproperties of effect pigmented samples in mul-tidimensional configuration Proc SPIE 9398Measuring Modeling and Reproducing MaterialAppearance 2015 SPIE Proc Vol 9398 Appea-rance 93980O-1ndash7 2015

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Die 50 Sitzung des Internationalen Komitees fuumlr das gesetzliche Messwesen (CIML) fand vom 20 bis 22 Oktober 2015 in Arcachon Frankreich statt Im Vorfeld der CIML-Sitzung fand ein ein-taumlgiges OIML-Seminar uumlber Countries and Econo-mies with Emerging Metrology Systems (CEEMS) statt uumlber das weiter unten berichtet wird

Das CIML ist der Lenkungsausschuss der OIML Es trifft sich jaumlhrlich und besteht aus je einem Repraumlsentanten der Mitgliedstaaten der korrespondierenden Mitglieder und den Vertre-tern internationaler und regionaler Organisa-tionen die als Beobachter teilnehmen koumlnnen Das CIML ist zustaumlndig fuumlr die Vorbereitung und Durchfuumlhrung der Entscheidungen der Konfe-renz die alle vier Jahre stattfindet Es uumlberwacht die Arbeiten der Technischen Komitees und Unterkomitees und des Internationalen Buumlros fuumlr das gesetzliche Messwesen (BIML) in Paris

An der 50 CIML-Sitzung nahmen 144 Teilneh-mer aus 43 Mitgliedstaaten und 13 korrespondie-renden Mitgliedstaaten teil Zur deutschen Dele-gation gehoumlrten neben den o g Autoren auch die Herren Johann Fischer Direktor des Landesamts fuumlr Mess- und Eichwesen Berlin-Brandenburg sowie Prof Olaf Kuumlhn Direktor des Thuumlringer Landesamts fuumlr Verbraucherschutz als Vertreter der Bundeslaumlnder Dr Peter Ulbig Leiter der Abteilung Wissenschaftlich-technische Quer-schnittsaufgaben der PTB und Prof Manfred Kochsiek Vizepraumlsident a D der PTB ehema-liger CIML-Praumlsident und Ehrenmitglied der OIML Frau Dr Anna Cypionka persoumlnliche Referentin des Praumlsidenten der PTB nahm am OIML-Seminar fuumlr CEEMS teil Vertreten waren auch wieder internationale und regionale Orga-nisationen zu denen die OIML Verbindungen unterhaumllt wie das Internationale Buumlro fuumlr Maszlig und Gewicht (BIPM) die GSO-GCC Standardiza-tion Organization (Saudi-Arabien) die Internatio-nal Laboratory Accreditation Cooperation (ILAC) und der Europaumlische Verband der Waagenherstel-ler (CECIP)

Alle Beschluumlsse der 50 CIML-Sitzung koumlnnen auf den Internetseiten der OIML aufgerufen werden [1 2]

Die wichtigsten Entscheidungen und Entwick-lungen werden nachfolgend vorgestellt

1 Personalangelegenheiten

Der Vertrag von Willem Kool als Assistant Director wurde um vier Jahre der Vertrag des BIML-Direk-tors Stephen Patoray um drei Jahre verlaumlngert

2 Einfuumlhrung des PG Workspace im Internet

In seinem Bericht im Zusammenhang mit der Etablierung des neuen Webauftritts der OIML hob der CIML-Praumlsident Peter Mason (UK) die erfolgreiche Einfuumlhrung des Workspace fuumlr Pro-jektgruppen hervor Durch die Online-Arbeit wird erwartet dass die technische Arbeit an neuen bzw zu revidierenden OIML-Dokumenten vereinfacht und insgesamt effizienter wird

3 Revision der technische Richtlinien fuumlr die OIML (B 6 Directives for OIML tech-nical work)

In einem neuen Projekt sollen die in den vergan-genen Jahren revidierten OIML-Richtlinien fuumlr die technische Arbeit erneut uumlberarbeitet werden um u a den Prozess der Entwicklung und Uumlber-arbeitung von OIML-Publikationen noch weiter zu beschleunigen und den neuen internetbasierten Technologien und Arbeitsweisen Rechnung zu tragen

4 Umfassende strukturelle Uumlberarbeitung des OIML Certificate System

Das CIML verabschiedete die Gruumlndung einer Projektgruppe mit der Aufgabe einer substan-ziellen Uumlberarbeitung des OIML-Zertifizierungs-systems das z Zt aus dem Basiszertifizierungs-system und dem MAA3 besteht Urspruumlnglich ausgehend von der Annahme die Akzeptanz des MAA-Zertifizierungssystem muumlsse verstaumlrkt werden eine groumlszligere Verbreitung finden und mehr Messgeraumltearten abdecken erscheint es

Aktuelles aus der OIML (Internationale Organisation fuumlr das Gesetzliche Messwesen)Bericht uumlber die 50 Sitzung des CIML in Arcachon FrankreichSusanne Ludwig Roman Schwartz

INTERNATIONALE ZUSAMMENARBEIT

Susanne Ludwig OIMLshyGeschaumlftsstelle der PTB EshyMail susanneludwigptbde

Dir u Prof Dr Roman Schwartz Vizepraumlsident der PTB deutsches Mitglied im Internashytionalen Komitee fuumlr das Gesetzliche Messwesen (CIML) und CIMLshyVizepraumlsishydent EshyMail romanschwartzptbde

3 Mutual Acceptance Arrangement (Abshykommen zur gegenshyseitigen Anerkennung von Bauartpruumlfungen)

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PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4Internationale Zusammenarbeit

inzwischen sinnvoller und wurde so auch vom CIML beschlossen zum 112017 ein einziges OIML-Zertifizierungssystem einzufuumlhren Eine Projektgruppe (Certification System Project Group = CSPG) unter dem Vorsitz des CIML-Vizepraumlsi-denten Dr Roman Schwartz wurde damit beauf-tragt die notwendigen Dokumente und Prozedu-ren auszuarbeiten

5 OIML-Seminar fuumlr Countries and Economies with Emerging Metrology Systems (CEEMS)

Im Vorfeld der CIML-Sitzung wurde ein eintaumlgiges Seminar zum Thema Developing an OIML Package for Assistance to Countries with Emerging Metro-logy Systems (CEEMS) abgehalten In vier Sitzun-gen diskutierten 125 Teilnehmer aus 49 Laumlndern uumlber Moumlglichkeiten Laumlnder beim Aufbau von nationalen Metrologiesystemen zu unterstuumltzen In der ersten von Frau Dr Cypionka geleiteten Sitzung Capacity Building ging es um die allge-meinen Herausforderungen bei der Gestaltung von Programmen zur Foumlrderung von Handlungs-kompetenzen und Vermittlung von Wissen fuumlr die Metrologie In zwei weiteren Sitzungen wurden unter den Themen Helping CEEMS Improve Regulation in their Markets (Leitung Prof Dr Manfred Kochsiek) und New Ideas ndash Doing Legal Metrology Differently (Leitung Stuart Carstens

Suumldafrika) konkrete inhaltliche Loumlsungsvorschlaumlge vorgestellt und diskutiert Die Ergebnisse wurden in der 50 CIML-Sitzung vorgestellt und fanden ihren Niederschlag in der Resolution Nr 201510 [2] sie sollen auch noch auf den OIML-Webseiten veroumlffentlicht werden [1]

6 OIML-Publikationen

Folgende OIML-Publikationen wurden verabschiedet

R 139-3 Compressed gaseous fuels measuring systems for vehicles Part 3 Test report format

New Recommendation (R 145) Ophthalmic instru-ments mdash Impression and applanation tonometers

Alle OIML-Publikationen stehen im Internet frei zur Verfuumlgung [3]

Gleichzeitig wurde die Revision der folgenden OIML-Publikation beschlossen

Revision of R 79 Labeling requirements for prepackages

Folgende neue Projekte wurden verabschiedet

Revision des OIML-Dokuments B 6-1 Directives for OIML technical work

Bild 1 Teilnehmer der 50 Sitzung des Internationalen Komitees fuumlr Gesetz-liches Messwesen (CIML) in Arcachon Frankreich

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PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4 Aktuelles aus der OIML

TC 8SC 1 Revision R 71 Fixed storage tanks mdash General requirements

TC 8SC 1 Revision R 85 Automatic level gauges for measuring the level of liquid in stationary storage tanks

7 Personalien und Ehrungen

Die von Dr Seiler dem ehemaligen Leiter des Fachbereichs bdquoTechnische Zusammenarbeitldquo der PTB initiierte OIML-Auszeichnung fuumlr bdquoexzel-lente Beitraumlge von Entwicklungslaumlndern zum gesetzlichen Messwesenldquo ging in diesem Jahr an

bull Nam Hyuk Lim Director of Korea Testing Certi-fication und

bull The Metrology Department Saint Lucia Bureau of Standards

Die OIML-Medaille fuumlr besondere Verdienste um die OIML-Arbeit ging an Ngo Quy Viet Vietnam und Cartaxo Reis aus Portugal

8 Termine

Ein Gastgeberland fuumlr die 51 CIML-Sitzung und 15 OIML-Konferenz im Jahr 2016 konnte noch nicht bekannt gegeben werden es wird aber wahr-scheinlich wieder Frankreich sein Weitere OIML-Veranstaltungen und -Termine finden sich auf der OIML-Webseite unter [4]

9 Literatur

[1] httpswwwoimlorgen (letzter Aufruf 19112015)

[2] httpswwwoimlorgenstructurecimlpdf50-ciml-resolutions-englishpdf (letzter Aufruf 19112015)

[3] httpswwwoimlorgenpublicationsrecommen-dationspublication_viewp_type=1ampp_status=1

[4] (letzter Aufruf 19112015)[5] httpswwwoimlorgeneventscalendar

(letzter Aufruf 19112015)

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TECHNOLOGIETRANSFER

E27-Scanner fuumlr UlbrichtkugelnMit dem besonders einfach ohne Umbau einsetzbaren E27-Scanner koumlnnen Anwender und Hersteller die Homogenitaumlt ihrer Ulbricht-kugeln bestimmen und die Ergebnisse zur Berechnung genauerer Lichtstroumlme und zur Dokumentation der Qualitaumlt ihrer Messungen nutzen

Hintergrund

Wie viel Licht eine Lampe insgesamt in alle Richtungen abstrahlt wird durch ihren Lichtstrom ausgedruumlckt Um den fuumlr die Bestimmung der Energieeffizienz von Lampen notwendigen Lichtstrom schnell zu er mitteln setzt die Lampenindustrie Ulbrichtkugeln ein An einer Stange in der Mitte der Ulbrichtkugel befindet sich eine E27-Lampen-fassung in die nacheinander die Lichtstrom-Normallampe und die zu kalibrierende Lampe eingeschraubt werden Das indirekt auf den Mess-kopf fallende Licht erzeugt einen Photostrom der im Idealfall propor-tional zu dem von der Lampe abgestrahlten Lichtstrom ist unabhaumlngig von der Richtung in die das Licht abgestrahlt wird

Dies ist jedoch bei einer ungleichmaumlszligigen Beschichtung der Kugel sowie bei einer im Laufe der Zeit nicht zu verhindernden Verstaubung nicht der Fall Deshalb wird mit einem Kugelscanner die Homogenitaumlt der Kugel regelmaumlszligig vermessen und ein Korrekturfaktor bestimmt der von der jeweiligen Abstrahlcharakteristik der zu untersuchenden Lampe abhaumlngt

Technische Beschreibung

Der Kugelscanner wird einfach in eine E27-Fassung geschraubt und das sonst fuumlr die Lampenversorgung eingesetzte Netzgeraumlt wird durch die Steuereinheit ersetzt Diese uumlbernimmt sowohl die elektrische Versor-gung als auch die Befehlsuumlbermittlung zum Kugelscanner Die Steuer-einheit wird via USB oder RS232 an einen Computer angeschlossen Das mitgelieferte Messprogramm stellt automatisiert alle gewuumlnschten Richtungen ein und speichert die zugehoumlrigen von der Steuereinheit gemessenen Photostroumlme des Photometers

Wirtschaftliche Bedeutungw

Fuumlr Lampenindustrie und Hersteller von Ulbrichtkugeln

bull Genauere Messung des Lichtstroms

bull Bestimmung des Zeitpunkts einer Neubeschichtung

bull Uumlberwachung beim Beschichten

bull Dokumentation des Zustands der Ulbrichtkugel

EntwicklungsstandDer E27-Kugelscanner wurde in der PTB entwickelt Er wird laufend fuumlr Kalibrierungen eingesetzt Die Technologie wurde an die Firma Czibula amp Grundmann transferiert und wird dort mit einer PTB-Lizenz gebaut und vertrieben wwwphoto-metercom

Ansprechpartner

Dr Bernhard SmandekBeauftragter fuumlr TechnologietransferTelefon +49 531 592shy8303Telefax +49 531 592shy69shy8303EshyMail technologietransferptbde

Dr Stefan WinterFachbereich Photometrie und Radiometrie

Abbildung des E27shyKugelscanners Eine stark fokussierende Lampe die computergesteuert in alle Richtungen leuchten kann

Vorteile

bull Schneller Einbau in E27shyFassung

bull Computergesteuertes Abscannen der gesamten Ulbrichtkugel

bull Flexible Messmoumlglichkeiten

bull Fuumlr genauere Lichtstromshymessungen

bull Wichtig fuumlr die Qualitaumltsshysicherung

PTBshyNummer 0172

wwwtechnologietransferptbde

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PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4 Technologieangebote

Ansprechpartner

Dr Bernhard SmandekBeauftragter fuumlr TechnologietransferTelefon +49 531 592shy8303Telefax +49 531 592shy69shy8303EshyMail technologietransferptbde

Dr Stefan WinterArbeitsgruppe Solarzellen

PulsshyzushyCWshyKonverter

Umwandlung gepulster Laser-Strahlung in konstante StrahlungIn weiten Bereichen der optischen Metrologie ist eine Strahlungs-quelle von groszligem Nutzen die sich spektral vom UV-C bis ins mitt-lere IR durchstimmen laumlsst Lediglich Laser mit gepulster Strahlung erfuumlllen diese Anforderung bei ausreichend groszligem Ausgangssignal bisher luumlckenlos Femtosekunden-Lasersysteme waumlren aufgrund ihrer gut automatisierbaren und spektral weiten Durchstimmbarkeit die ideale Strahlungsquelle fuumlr z B radiometrische Anwendungen ndash wenn ihre Strahlung nicht gepulst waumlre

Durch das extreme Puls-Pausen-Verhaumlltnis von 10ndash5 entstehen hohe Spitzenleistungen die wiederum zu Saumlttigungseffekten bei Detek-toren und in der Folge zu nichtlinearem Verhalten fuumlhren koumlnnen Mit dem in der PTB entwickelten Puls-zu-CW-Konverter wird dieses Problem geloumlst

Technische Beschreibung

Bei dieser Methode werden Pulse gepulster Strahlungsquellen ausrei-chend hoher Repetitionsrate in CW-Strahlung umgewandelt Dabei wird jeder Puls in viele kleine Teilpulse aufgeteilt die auf unterschiedlich langen Wegstrecken unterschiedliche Laufzeiten erfahren Am Ausgang des Systems erscheinen sie dann zeitlich gleichmaumlszligig verteilt Realisiert wird dieser Puls-zu-CW-Konverter uumlber ein Glasfaserbuumlndel bei dem jede Einzelglasfaser eine individuell festgelegte Laumlnge besitzt

Mit der Entwicklung des Puls-zu-CW-Konverters wurde das ent-scheidende Manko beim Einsatz leistungsstarker Femtosekunden(fs)-Lasersysteme im Bereich der Metrologie beseitigt und erstmalig gepulste Laserstrahlung in CW-Strahlung umgewandelt Diese Neuentwicklung ermoumlglicht es nun herkoumlmmliche Monochromatorsysteme durch fs-Lasersysteme zu ersetzen die eine bis zu 1000-mal houmlhere spektrale Ausgangsleistung besitzen

Wirtschaftliche Bedeutung

Durch den neuen Puls-zu-CW-Converter koumlnnen in wirtschaftlich bedeutenden Bereichen wie z B der Photovoltaik der Photometrie der UV-Strahlungsmesstechnik und der Reflektometrie die Referenz- und Transfernormale mit einer deutlich reduzierten Messunsicherheit kali-briert werden Hier werden bislang wesentliche Messunsicherheitsan-teile durch zu geringe Strahlungsleistungen aus herkoumlmmlichen Mono-chromatorsystemen verursacht

Entwicklungsstand

Unter DE 10 2010 011 615 B4 wurde fuumlr den CW-Konverter ein Patent erteilt

Vorteile

bull Zeitliche Glaumlttung gepulster Laserstrahlung

bull Keine stoumlrenden Interferenzen

bull Nur minimale Absorption des Messsignals

bull Auch bei kuumlrzeren Wellenshylaumlngen ohne Ulbrichtkugel verwendbar

bull Kontinuierliche Verteilung des Ausgangspulses

bull Pulsvervielfachung

bull Houmlhere Strahlungsleistung

PTBshyNummer 0254

wwwtechnologietransferptbde

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PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4Technologieangebote

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Homogenisierung von Strahlungsquellen und Focal Plane Arrays (FPA)Ein neuartiges Verfahren ermoumlglicht softwaregestuumltzt eine deutlich verbesserte Kalibrierung von Mehrelement-Sensoren (FPA) und bildgebenden Systemen (Kameras) Bei flaumlchigen Strahlungsquellen kann zusaumltzlich eine gezielte Ansteuerung von Flaumlchenelementen zu einer bisher im Allgemeinen nicht erreichbaren Flaumlchenhomogenitaumlt fuumlhren

Technische Beschreibung

Flaumlchenstrahler dienen der Kalibrierung von ortsaufloumlsenden Strah-lungssensoren wobei davon ausgegangen wird dass die Emissionsflaumlche des Strahlers im Wesentlichen homogen bezuumlglich ihrer Strahldichte bzw Strahlungstemperatur ist Um kleine Inhomogenitaumlten eines Flaumlchenstrahlers zu charakterisieren ist es ein gaumlngiges Verfahren die Emissionsflaumlche punktweise mit einem Einzeldetektor abzutasten

Das neue PTB-Verfahren ist wesentlich schneller da es den Mehr-element-Sensor (FPA) das device-under-test selbst nutzt und damit immer ein Gesamtbild der Quelle aufnimmt Werden jetzt weitere Bilder zeilen- oder spaltenversetzt aufgenommen so erlaubt ein mathema-tischer Algorithmus bei nur drei Bildern eine komplette Charakterisie-rung des Sensors aber auch der Quelle

Sind Flaumlchenelemente der Strahlungsquelle einzeln ansteuerbar so ist es sogar moumlglich mittels der ermittelten Korrekturwerte zu Strahlquellen extrem hoher Homogenitaumlt im on-line-Betrieb zu gelangen

Wirtschaftliche Bedeutung

Bildgebende Strahlungssensoren und homogene Strahlungsquellen sind relevant fuumlr die Forschung und Entwicklung fuumlr die Prozesstechnik fuumlr die Charakterisierung der Energieeffizienz von Bauten bei der Ent-wicklung neuer Bauteile mit hoher thermischer Belastung und in vielen weiteren Bereichen Der mathematische Algorithmus ist aber auf unter-schiedliche Arten von Kamerasystemen anwendbar und damit auch fuumlr die Qualitaumltssicherung von CCD-Kameras bis hin zum Konsumguuml-termarkt anwendbar EntwicklungsstandEine deutsche Patenterteilung erfolgte im September 2015 Eine PCT-Anmeldung ist anhaumlngig Kooperations- und Lizenzpartner aus den Bereichen Thermografie Radiometrie und Photometrie zur Umsetzung des Konzeptes werden gesucht

Ansprechpartner

Dr Bernhard SmandekBeauftragter fuumlr TechnologietransferTelefon +49 531 592shy8303Telefax +49 531 592shy69shy8303EshyMail technologietransferptbde

DiplshyIng Berndt GutschwagerArbeitsgruppeInfrarotshyStrahlungsthermometrie

Stahlungsmessplatz der PTB zur Kalibrierung von Temperaturstrahlern und Waumlrmebildkashymeras

Vorteile

bull Schnelle Kalibrierung von Flaumlchensensoren (FPA)

bull Schnelle Kalibrierung von Flaumlchenstrahlern

bull Strahlquellen houmlchster Hoshymogenitaumlt

bull Fuumlr Thermografie und Phoshytometrie

PTBshyNummer 00374

wwwtechnologietransferptbde

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Redaktion Layout Presse- und Oumlffentlichkeitsarbeit PTBSabine Siems Dr Dr Jens Simon (verantwortlich) Prof Dr Stefan Kuumlck (wissenschaftlicher Redakteur)Telefon (05 31) 592-82 02 Telefax (05 31) 592-30 08 E-Mail sabinesiemsptbde

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Erscheinungsweise und Bezugspreise Die PTB-Mitteilungen erscheinen viermal jaumlhrlich Das Jahresabonnement kostet 3900 Euro das Einzelheft 1200 Euro jeweils zzgl Versandkosten Bezug uumlber den Buchhandel oder den Verlag Abbestellungen muumlssen spaumltestens drei Monate vor Ende eines Kalenderjahres schriftlich beim Verlag erfolgen

Alle Rechte vorbehalten Kein Teil dieser Zeitschrift darf ohne schriftliche Genehmigung des Verlages vervielfaumlltigt oder verbreitet werden Unter dieses Verbot faumlllt insbesondere die gewerbliche Ver-vielfaumlltigung per Kopie die Aufnahme in elektro-nische Datenbanken und die Vervielfaumlltigung auf CD-ROM und in allen anderen elektronischen Datentraumlgern

Printed in Germany ISSN 0030-834X

Die fachlichen Aufsaumltze aus dieser Ausgabe der PTB-Mitteilungen sind auch online verfuumlgbar unterdoi 10779531020150499

Die Physikalisch-Technische Bundesanstalt das nationale Metrologieinstitut ist eine wissenschaftlich-technische Bundesoberbehoumlrde im Geschaumlftsbereich des Bundesministeriums fuumlr Wirtschaft und Energie

mitteilungen

Impressum

Die PTB-Mitteilungen sind metrologisches Fachjournal der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt Braunschweig und Berlin Als Fachjournal veroumlffentlichen die PTB- Mitteilungen wissenschaftliche Fachaufsaumltze zu metrologischen Themen aus den Arbeitsgebieten der PTB Die PTB-Mitteilungen stehen in einer langen Tradition die bis zu den Anfaumlngen der Physikalisch-Technischen Reichsanstalt (gegruumlndet 1887) zuruumlckreicht

Bundesallee 100 38116 Braunschweig

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Telefon 0531 592-3006 Fax 0531 592-3008 E-Mail presseptbde wwwptbde

Physikalisch-Technische BundesanstaltBraunschweig und BerlinNationales Metrologieinstitut

Die Physikalisch-Technische Bundesanstalt das nationale Metrologieinstitut ist eine wissenschaftlich-technische Bundesoberbehoumlrde im Geschaumlftsbereich des Bundesministeriums fuumlr Wirtschaft und Energie

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015

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PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4 Kurze Geschichte der Goniophotometrie in der PTB

fuumlr Roboter 1 Der Radius r1i befindet sich dabei innerhalb der Summation von Gleichung (22) Das Roboter-Goniophotometer ist zusaumltzlich mit einem Monitorphotometer ausgeruumlstet Dieses Photometer wird waumlhrend der Messung nicht bewegt ist aber staumlndig von einem fixen Punkt aus auf die zu untersuchende Lampe gerichtet und erlaubt somit die Korrektur einer moumlglichen Alterung der Lampe waumlhrend des Messprozesses als Funktion der Zeit (cmon(t1i))

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(22)

Roboter 2 wird in gleicher Weise behandelt und der Lichtstrom ergibt sich somit aus der Summe von Φ1 und Φ2 korrigiert mit dem elektrischen Korrekturfaktor celec aus Gleichung (15)

Φ Φ Φ= sdot +( )celec 1 2 (23)

Die Bestimmung der Streulichtkorrektur cstr unter-scheidet sich methodisch von jener des Kardan-Goniophotometers Es ist schwierig Blenden zwischen Photometer und Lampe zu positionieren wie in [5] beschrieben Hier wird die Streulicht-korrektur cstr direkt aus der Leuchtdichteverteilung auf den Waumlnden des Messraums bestimmt Mit der Kenntnis der geometrischen und photometrischen Eigenschaften des Raumes der raumlumlichen Licht-staumlrkeverteilung der Lampe und dem verwendeten Streulichttubus vor dem Photometer lieszlige sich die Streulichtkorrektur cstr berechnen Hier jedoch wird diese Korrektur mit sogenannten Back-Loo-king-Photometern bestimmt [11]

Bild 11 zeigt ein Foto der bdquoRoboterhandldquo mit mon-tiertem Photometer und Back-Looking-Photometer Letzteres ist ein wenig schraumlg ausgerichtet um nicht im Bereich des Schattenwurfs des Photome-ters auf den Waumlnden zu messen

Bild 12 zeigt beispielhaft eine typische in finite Flaumlchenelemente gerasterte Streulichtsituation im Goniophotometermessraum wie sie durch die zu untersuchende Lichtquelle generiert wird Dieses Beispiel arbeitet mit finiten Flaumlchen der Groumlszlige 05 m middot 05 m um die Flaumlchen sichtbar zu machen Zur realen Berechnung werden Flaumlchen der Groumlszlige 01 m middot 01 m verwendet Natuumlrlich ist der Streulichtanteil auf der aktiven Flaumlche des

Bild 10Wirkung der Radiuskorrektur

Bild 11 Photometer (links) und Back-Looking-Photometer (rechts)

Bild 12 Wirkung des Streulichts und seine Bestimmung

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PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4Das Jahr des Lichtes

Photometers eine Funktion des Gesichtsfeldes des jeweils verwendeten Streulichttubus vor dem Photometer Derzeit werden 2 Tuben je nach Groumlszlige der Lichtquelle mit Oumlffnungswinkeln von ca 15deg und ca 225deg verwendet Ihre typischen Korrekturwerte betragen etwa 09995 und 09990 Da jeder Messroboter mit diesem Back-Looking-Photometer ausgeruumlstet ist kann so der Streulicht-anteil fuumlr jedes Photometer bestimmt werden Da die Back-Looking-Photometer bdquoruumlckwaumlrtsldquo gerichtet sind wird also jeweils die Streulichtkorrektur fuumlr den gegenuumlberliegenden Messroboter bestimmt Damit ist es moumlglich den Wert des Lichtstroms mit zugehoumlriger Messunsicherheit zu bestimmen Tabelle 2 illustriert Ergebnisse einer vereinfachten Monte-Carlo-Simulation (MC) am Beispiel einer OSRAM-Wi4-Lichtstrom-Normallampe Ihre Lichtstaumlrkeverteilung ist in Bild 13 wiedergegeben

Die MC basiert auf den folgenden Gleichun-gen (24) Werte der wichtigsten Beitraumlge zur Mes-sunsicherheit koumlnnen der Tabelle 2 entnommen werden Eine detailliertere Beschreibung der Roboter und Analyse der Messunsicherheit kann [12] entnom-men werden

Bild 13 Raumlumliche Lichtstaumlrkeverteilung einer OSRAM-Wi4-Lichtstrom-Normallampe

Quantity Symbol Value Uncertainty Unit Sensitivity Contribution lm Relative contribution

Luminous responsivity 1 s1 3065E-10 9195E-13 A lxndash1 188E+12 173 000150

Luminous responsivity 2 s2 4111E-10 12333E-12 A lxndash1 143E+12 177 000153

Spectral matching exponent 1 m2 y 0021 0015 1 20 030 000026

Spectral matching exponent 2 m2 y 0036 0015 1 18 027 000023

CCT or distribution temperature T 2762 10 K 0012 012 000011

Uncertainty in r Δr 0000 00020 m 901 180 000156

Calibration factor for frequency F cFH 1000 00005 1 1141 057 000049

Calibration factor for frequency ƒ cFD 1000 00050 1 104 005 000005

Voltage to frequency converter 1 w1 f 500849 25 Hz Vndash1 0012 031 000027

Voltage to frequency converter 2 w2 f 500561 25 Hz Vndash1 00118 029 000026

Amplification gain 1 R1 g 1000E+09 99996 Ω 6223E-07 006 000005

Amplification gain 2 R2 g 9997E+08 99966 Ω 5430E-07 005 000005

Calibration factor for cmon ccm 1000 00005 1 1162 058 000050

Correction factor for stray light cstr 09995 00005 1 1134 057 000049

Luminous flux Φ 11541 327 00028

Tabelle 2 Unsicherheitsbudget

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PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4 Kurze Geschichte der Goniophotometrie in der PTB

Somit ergibt sich zurzeit eine erweiterte Mess-unsichert von 056 fuumlr k = 2 Dies entspricht etwa der Messunsicherheit welche mit dem groszligen Kardan-Goniophotometer erreichbar war Im Unterschied zum Kardan-Goniophotometer (fester Messradius) verfuumlgt das Roboter-Goniophotometer jedoch uumlber die noumltige hohe Flexibilitaumlt (z B durch Variation des Messradius) die noumltig ist um kuumlnftige Anforderungen erfuumlllen zu koumlnnen Eben diese hohe Flexibilitaumlt fuumlhrt bei der Bestimmung des Messradius zu relativ groszligen Messunsicherheiten Hier koumlnnte die Verwendung einer Lookup-Table oder eine On-Line-Verfolgung mittels Tracer-Syste-men der Bahnen diese Unsicherheit verkleinernMittlerweile ist das Roboter-Goniophotometer voll-staumlndig charakterisiert und wird fuumlr beleuchtungs-staumlrkebasierte Lichtstromkalibrierungen und auch fuumlr internationale Vergleiche eingesetzt Damit werden auch die Anforderungen (15ndash17) erfuumllltIm naumlchsten Schritt wird das Roboter-Goniopho-tometer mit Leuchtdichtemesskameras ausgeruumlstet

werden um es als bdquoNahfeld-Goniophotometerrdquo einzusetzen Es wird dann die direkte Messung der Leuchtdichteverteilung erlauben aus welcher nahezu alle noumltigen photometrischen Groumlszligen abgeleitet werden koumlnnen Dieser kuumlnftige Schritt wird dann auch den letzten Punkt (18) der Anfor-derungen erfuumlllen

3 Zusammenfassung

Die Geschichte der Goniophotometrie in der PTB uumlber einen Zeitraum von mehr als 50 Jahren wird praumlsentiert Verschiedene Goniophotometer ange-fangen vom manuell bewegten Einarm-Goniopho-tometer mit visuellem Photometer uumlber das groszlige und kleine Kardan-Goniophotometer bis hin zum bdquoState-of-the-art-Roboter-Goniophotometerldquo fuumlr das 21 Jahrhundert werden beschrieben Das Letztere hat das Potenzial in der traditionellen Betriebsart aber auch im Nahfeldmodus uumlber viele Jahre eingesetzt zu werden Neu aufkommende

Quantity Symbol Value Uncertainty Unit Sensitivity Contribution lm Relative contribution

Luminous responsivity 1 s1 3065E-10 9195E-13 A lxndash1 188E+12 173 000150

Luminous responsivity 2 s2 4111E-10 12333E-12 A lxndash1 143E+12 177 000153

Spectral matching exponent 1 m2 y 0021 0015 1 20 030 000026

Spectral matching exponent 2 m2 y 0036 0015 1 18 027 000023

CCT or distribution temperature T 2762 10 K 0012 012 000011

Uncertainty in r Δr 0000 00020 m 901 180 000156

Calibration factor for frequency F cFH 1000 00005 1 1141 057 000049

Calibration factor for frequency ƒ cFD 1000 00050 1 104 005 000005

Voltage to frequency converter 1 w1 f 500849 25 Hz Vndash1 0012 031 000027

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PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4Das Jahr des Lichtes

Anforderungen fuumlr die Ruumlckfuumlhrung photome-trischer Einheiten wie beispielsweise im Solid-State-Lighting-Bereich koumlnnen so erfuumlllt werden

Literatur

[1] Y Ohno 1995 Realization of NIST Luminous Flux Scale Using an Integrating Sphere with an External Source CIE Proceedings 23rd Session New Delhi

[2] R Sewig 1938 Handbuch der Lichttechnik Band 1 pp 319 321 Berlin Springer Verlag

[3] D Foumlrste 1966 Zur Lichtstrommessung an Lam-pen mit ungleichmaumlszligiger Lichtverteilung PTB-Mitteilungen 166 pp 18ndash20 Braunschweig PTB

[4] D Foumlrste 1979 Ein Goniophotometer zur genauen Bestimmung des Lichtstroms Licht-Forschung 1 Jahrgang 379 pp 30ndash36 Heidelberg Huumlthig Verlag

[5] D Foumlrste 1980 Elimination des Fremdlichts bei der Lichtstrombestimmung mit dem Gonio-photometer Licht-Forschung 2 Jahrgang 180 pp 27ndash29 Heidelberg Huumlthig Verlag

[6] W Erb 1997 PTB Network for realization and maintenance of the candela Metrologia 3497 pp 115ndash124 Bristol UK

[7] G Sauter 1996 Kalibrierung von Lichtstaumlrke-Normallampen und Angabe der Messunsicherheit PTB interner Bericht Braunschweig PTB

[8] G Sauter 1996 Goniophotometry new calibra-tion method and instrument design Metrologia 32 (199596) pp 685ndash688 Bristol UK

[9] httpenwikipediaorgwikiDenavit-Hartenberg_Parameters (letzter Aufruf 03122015)

[10] M Lindemann 2009 Photometry and Colori-metry of Reference LEDs by Using a Compact Goniophotometer MAPAN ndash Journal of Metro-logy Society of India Vol 24 No 3 pp 143ndash152 New Delhi India

[11] G Bizjak 2009 Determination of Stray Light at the PTB Goniophotometer Facility MAPAN ndash Jour-nal of Metrology Society of India Vol 24 No 3 pp 163ndash173 New Delhi India

[12] M Lindemann et al 2015 Robot goniopho-tometry at PTB Metrologia 52 pp 167ndash194 Bristol UK

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PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4Das Jahr des Lichtes

1 Eine einleitende Beschreibung von Gluumlhlampen LEDs und OLEDs

Der Einsatz Licht Emittierender Dioden (LED) in der Allgemeinbeleuchtung hat in den vergangenen Jahren erheblich zugenommen Ein entscheiden-der Vorteil der LED gegenuumlber der traditionellen Gluumlhlampe liegt in ihrer uumlberlegenen Lichtaus-beute ηv ndash dem Verhaumlltnis des emittierten Licht-stroms Φv und der aufgenommenen elektrischen Leistung Pel angegeben in LumenWatt

Dieser Vorteil beruht auf den Unterschieden der zugrunde liegenden Technologien der Lichterzeu-gung beider Lampentypen Bei einer (Halogen-)Gluumlhlampe wird der Gluumlhfaden durch elektrischen Strom auf Temperaturen um 3000 K aufgeheizt Obwohl hierbei fast die gesamte elektrische Leis-tung in Strahlung umgewandelt wird ndash Verluste durch thermische Konvektion oder Waumlrmeleitung sind gering ndash kann das menschliche Auge lediglich einen geringen spektralen Anteil der ungefaumlhr 5 der Gesamtstrahlungsleistung ausmacht wahr-nehmen Der Groszligteil der Strahlungsleistung liegt im infraroten Spektralbereich und kann nicht fuumlr Beleuchtungszwecke genutzt werden In Bild 1 ist die spektrale Verteilung einer Gluumlhlampe bei einer Temperatur von 2856 K im Spektralbereich

von 300 nm bis 1200 nm dargestellt Das sichtbare Licht im Spektralbereich zwischen 360 nm und 830 nm ist mit den entsprechenden Spektralfarben hinterlegt Oberhalb 830 nm beginnt der fuumlr das menschliche Auge unsichtbare infrarote Anteil der Strahlung

Der fuumlr photometrische Messungen normativ festgelegte spektrale Hellempfindlichkeitsgrad V(λ) also die Hellempfindlichkeit des Auges eines bdquoNormalbeobachtersldquo ist mit seinem Maximum bei 555 nm schwarz eingezeichnet

Da die Gluumlhlampe eine thermische Strahlungs-quelle ist verschiebt sich mit zunehmender Tem-peratur die Lage des Strahlungsmaximums ent-sprechend des Wienschen Verschiebungsgesetzes zu kuumlrzeren Wellenlaumlngen Um die Lichtausbeute von Gluumlhlampen zu erhoumlhen muumlsste man das Strah-lungsmaximum durch Temperaturerhoumlhung in den kurzwelligeren Bereich des sichtbaren Lichts verschieben Die Maximaltemperatur ist jedoch bei Gluumlhfaumlden aus Wolfram auf etwa 3000 K begrenzt ndash bei houmlheren Temperaturen nimmt die Lebensdauer drastisch ab

Das Funktionsprinzip einer LED-Lichtquelle basiert auf dem Phaumlnomen der Elektrolumines-zenz Der prinzipielle Aufbau einer LED aumlhnelt einer pn-Halbleiterdiode Durch Anlegen einer Gleichspannung rekombinieren Ladungstraumlger in der p-n-Grenzschicht der Leuchtdiode unter Emission von Strahlung Durch gezielte Auswahl der verwendeten Halbleitermaterialien und ihrer Dotierung wird deren Bandluumlcke und somit die Farbe des emittierten Lichtes bestimmt Im Jahr 1992 gelang der Durchbruch in der Entwicklung hocheffizienter blauer LEDs die den Einsatz von LEDs zur Allgemeinbeleuchtung erst ermoumlgli-chen Die zugrunde liegenden Forschungsarbei-ten wurden 2014 mit dem Nobelpreis fuumlr Physik gewuumlrdigt [1]

Eine schmalbandige Lichtemission ist charak-teristisch fuumlr LEDs Dementsprechend verfuumlgt ihr Licht uumlber eine hohe Farbsaumlttigung Durch die Bedeckung des LED-Chips mit breitbandig pho-tolumineszierenden Farbstoffen wird ein Teil der Strahlung in energieaumlrmeres langwelligeres Licht konvertiert und es entstehen Mischfarben wie

Metrologie fuumlr moderne Lichtquellen LEDs und OLEDs Thorsten Gerloff

Thorsten Gerloff Arbeitsgruppe bdquoPhotometrieldquo EshyMail thorstengerloffptbde

Bild 1 Spektrale Verteilung einer Gluumlhlampe und spektraler Hellempfindlichkeitsgrad (V(λ)-Funktion)

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PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4 Metrologie fuumlr moderne Lichtquellen

i Infokasten LED

Lichtausbeute einer Strahlungsquelle ηv

Die Lichtausbeute einer Strahlungsquelle gibt das Verhaumlltnis aus ausgestrahltem Lichtstrom und aufgenommener elektrischer Leistung an Die Einheit ist LumenWatt (lmW) Je houmlher die Lichtausbeute ist umso energieeffizienter ist die Beleuchtung Gluumlhlampen besitzen Lichtausbeuten zwischen 10 und 20 lmW

Lichtstrom Φv

Der Lichtstrom beruumlcksichtigt den Hellempfind-lichkeitsgrad V(λ) des Auges und gibt die in alle Raumrichtungen abgegebene bdquoLichtleistungldquo einer Lampe an Der Lichtstrom enthaumllt keine Information daruumlber wie die Lampe das Licht im Raum verteilt Der Lichtstrom gibt an wie hell ein beleuchteter Raum dem Menschen erscheint

Spektraler Hellempfindlichkeitsgrad V(λ)

Der exakt definierte spektrale Hellempfindlich-keitsgrad V(λ) ist eine Bewertungsfunktion fuumlr elektromagnetische Strahlung Hiermit wird der bdquoHelligkeitseindruck eines menschlichen Durch-schnittsaugesldquo berechnet Dies ermoumlglicht den objektiven Vergleich von Lichtquellen mit physika-lischen Messmethoden Subjektive Wahrnehmun-gen einzelner Menschen koumlnnen damit nicht exakt wiedergegeben werden

Aumlhnlichste Farbtemperatur TN

Es gibt unterschiedliche Farbtemperaturen in der Photometrie Verhaumlltnis- und Verteilungstem-peratur sind nur bei thermischen Strahlern wie der Gluumlhlampe anwendbar Nur die aumlhnlichste Farbtemperatur (englisch Correlated Colour Temperature CCT) laumlsst sich fuumlr Lichtquellen mit beliebiger spektraler Zusammensetzung berech-nen sofern die Normfarbwertanteile aumlhnlich einem thermischen Strahler sind Die aumlhnlichste Farbtemperatur wird in der Einheit Kelvin (K) angegeben Sie gibt an ob das Licht warmweiszlig (ca 3000 K) neutralweiszlig (ca 4500 K) oder tages-lichtweiszlig (gt5500 K) erscheint

Normfarbwertanteile (x y)

Fuumlr die Angabe von Farbe gibt es neben dem spek-tralen Hellempfindlichkeitsgrad V(λ)noch weitere definierte Bewertungsfunktionen Hiermit laumlsst sich die Farbwahrnehmung eines fiktive Normalbeob-achters aus der gemessenen spektralen Verteilung des Lichts durch Angabe von nur zwei Werten (x und y) angeben Diese Werte geben die Koordi-naten auf der Normfarbtafel (s Abbildung) an

Normfarbtafel

Farbwiedergabeindex Ra

Der Farbwiedergabeindex ist eine Kennzahl fuumlr Lichtquellen der bewertet die Qualitaumlt der Farb-wiedergabe Je houmlher der Wert desto besser ist die Farbwiedergabe Der Maximalwert liegt bei 100 Werte zwischen 90 und 100 geben eine ausgezeich-nete Farbwiedergabe an Werte unter 80 sind fuumlr viele Anwendungen nicht ausreichend

Im Folgenden soll ein kleiner Leitfaden gegeben werden der in allgemeinverstaumlndlicher Form die grundlegenden Ideen wichtiger lichttechnischer Groumlszligen erlaumlutern soll Komplexe Details der zugrunde liegenden Normen und Definitionen werden hierbei nicht beruumlcksichtigt

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PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4Das Jahr des Lichtes

Pastellfarbtoumlne oder auch weiszliges LichtIn Bild 2 sind die spektralen Verteilungen einer

LED mit und ohne Leuchtstoff abgebildet In der linken Abbildung erkennt man die schmalbandige blaue Emission des LED-Chips In der rechten Abbildung wird ein Teil dieser Strahlung durch einen Leuchtstoff in laumlngerwelliges Licht konver-tiert und die Mischfarbe erscheint weiszlig

Der Vorteil einer LED gegenuumlber einer Gluumlh-lampe bezuumlglich der Lichtausbeute ist offensicht-lich Es wird ndash von unvermeidbarer thermischer Verlustleistung abgesehen ndash nur Strahlung im sichtbaren Wellenlaumlngenbereich emittiert Daruumlber hinaus ist die Farbe des Lichts von LEDs durch Kombination verschiedener Leuchtstoffe und LEDs nahezu beliebig einstellbar und man ist nicht auf aumlhnlichste Farbtemperaturen von ca 3000 K wie bei der Gluumlhlampe begrenzt

Allerdings gibt es auch Nachteile gegenuumlber dem Licht einer Gluumlhlampe Dem typischen Spektrum einer LED-Lichtquelle fehlen im Gegensatz zu Sonnenlicht oder Gluumlhlampenlicht einzelne Spekt-ralfarben Dies macht sich negativ bei der Qualitaumlt der Farbwiedergabe bemerkbar

Die Farbe des emittierten Lichts einer LED laumlsst sich durch additive Farbmischung sehr aumlhnlich zu Sonnenlicht oder auch Gluumlhlampenlicht einstellen Wenn jedoch Objekte mit Licht beleuchtet werden kommt es auch auf die spektrale Zusammensetzung des Lichts an Nehmen wir einen Blumenstrauszlig aus roten Rosen der im Tageslicht steht Im Son-nenlicht sind alle Spektralfarben vorhanden und diese beleuchten die Rosen Die roten Bluumltenblaumltter absorbieren einige spektrale Anteile des Lichts und reflektieren im Wesentlichen rotes Licht welches in das Auge des Betrachters faumlllt Wenn die Rosen von einer anderen Lichtquelle beleuchtet werden in der die roten Spektralanteile zumindest teilweise fehlen koumlnnen diese nicht reflektiert werden und die Farben der Rosen erscheinen unnatuumlrlich

Dies ist von weitreichender Bedeutung fuumlr die Wahl einer geeigneten Lichtquelle da wir einen Kompromiss aus Licht mit guter Farbwieder-gabe und hoher Lichtausbeute schlieszligen muumlssen Licht mit hoher Farbwiedergabe setzt sich aus moumlglichst vielen Spektralfarben zusammen und Lichtquellen mit hoher Lichtausbeute sollten nur Spektralfarben beinhalten fuumlr die das menschliche Auge besonders empfindlich ist In den Auszligenbe-zirken vieler Staumldte werden zur Nachtbeleuchtung der Gehwege haumlufig Natriumdampflampen mit orangefarbenem Licht eingesetzt Die Lichtaus-beute dieser Lampen ist mit etwa 150 lmW auszligerordentlich hoch da das menschliche Auge in diesem Spektralbereich sehr empfindlich ist Diese Beleuchtung ist jedoch ungeeignet um Farben natuumlrlich wiederzugeben Aufgrund des Aufbaus des menschlichen Auges ist es also nicht moumlglich eine Beleuchtung mit sehr hoher Qualitaumlt der Farbwiedergabe bei gleichzeitig sehr hoher Lichtausbeute zu realisieren

Weiszlige LEDs zur Allgemeinbeleuchtung nutzen in der Regel Leuchtstoffe die teilweise qualita-tiv hochwertige Farbwiedergabeeigenschaften besitzen Eine weitere Methode zur Erzeugung von weiszligem Licht ist das Mischen von rotem gruumlnem und blauem Licht (RGB-Verfahren) welches die Grundlage jedes Displays ist Hierbei sind neben weiszligem Licht auch andere Lichtfarben moumlglich ndash die Farbwiedergabeeigenschaften sind allerdings schlecht Fuumlr die Endverbraucher sind in der Regel die Farbwiedergabeeigenschaften von Lichtquellen als Ra-Werte auf der Verpackung angegeben

Organische Licht Emittierende Dioden (OLED) sind eine junge Beleuchtungstechnologie die noch keinen Zugang zum Massenmarkt erhalten hat Die weltweit erste kommerzielle OLED-Leuchte wurde 2008 vertrieben Der fuumlr den Nutzer wesentliche Unterschied zwischen OLEDs und LEDs besteht im Aufbau Der leuchtende Kristall

Bild 2 Spektrale Verteilung einer blauen LED (links) und einer weiszligen LED (rechts) bei der ein Teil des blauen Lichts zu gelbem Licht konvertiert wurde

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PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4 Metrologie fuumlr moderne Lichtquellen

anorganischer LEDs besitzt eine maximale Kan-tenlaumlnge von etwa einem Millimeter Bei OLEDs wird das Licht in groszligflaumlchigen amorphen organi-schen Schichten erzeugt Momentan sind OLEDs mit leuchtenden Flaumlchen von bis zu 20 x 20 cmsup2 erhaumlltlich Das Licht wird aumlhnlich wie bei LEDs durch Ladungstraumlgerrekombination unter Auftre-ten von Elektrolumineszenz erzeugt Dabei ist das Emissionsspektrum der verwendeten organischen Emittermaterialien wesentlich breitbandiger als das einer LED (vgl Bild 3) Daher wird das weiszlige Licht von OLEDs in der Regel durch Verwendung von roten gruumlnen und blauen Emittermaterialien erzeugt ohne dass die Farbwiedergabeeigenschaf-ten sehr stark darunter leiden

2 Entwicklung von (O)LED-Transfer-normalen in der PTB

Eine der Kernaufgaben der PTB ist die Weiter-gabe der gesetzlichen Einheiten Bis zum heuti-gen Tage bieten Transfernormale in Form von speziellen Gluumlhlampen die besten Eigenschaften um als Maszligverkoumlrperung der Einheiten Candela oder Lumen zu dienen Da der Anwender in der Regel jedoch die Substitutionsmethode bei seinen Messungen anwendet um notwendige Korrektu-ren auf ein Minimum zu reduzieren (Gleiches mit Gleichem vergleichen) sind auch Transfernormale auf Basis der LED-Technologie von Interesse

Bereits in den 80er-Jahren des vergangenen Jahr-hunderts wurden LEDs in der PTB kalibriert Diese waren fuumlr Beleuchtungszwecke noch ungeeignet und dienten lediglich als Signallampen Zeitgleich wurden die ersten PTB-LED-Transfernormale entwickelt deren optische Eigenschaften durch thermische Regelung des LED-Chips stabilisiert wurden Die mechanische Ausrichtung der LEDs leistet aufgrund des typischerweise stark gerichteten Abstrahlprofils der LEDs einen groszligen Beitrag auf die Messunsicherheit Daher werden die LEDs seit

2002 in ein rotationssymmetrisches robustes VA-Stahl-Gehaumluse eingebaut welches sich sehr repro-duzierbar ausrichten laumlsst (vgl Bild 4)

Diese Transfernormale werden unter Konstant-Strom-Bedingungen und ndash durch gezieltes Aufhei-zen des LED-Chips durch den Heizwiderstand ndash unter Konstant-Spannung-Bedingungen betrieben Aufgrund der halbleitenden Eigenschaften sinkt mit steigender Temperatur die Betriebsspannung und sowohl der Lichtstrom als auch die Peakwellenlaumlnge des emittierten Lichts veraumlndert sich Die Sollspan-nung wird auf einen Wert festgelegt der unterhalb der Gleichgewichtsspannung durch Eigenerwaumlr-mung im Betrieb ohne Heizwiderstand bei einer Umgebungstemperatur von etwa 35 degC liegt Somit ist auch ein Einsatz der Transfernormale in Laboren ohne Klimatisierung moumlglich

Fuumlr LEDs mit houmlheren Leistungen wurde im Jahr 2011 ein weiterer Prototyp eines Transfernormals vorgestellt (vgl Bild 5) Da die hier verwendeten LEDs eine houmlhere Leistungsaufnahme besitzen werden sie waumlrmer Das reduziert die Lebensdauer und Reproduzierbarkeit der photometrischen

Bild 3 Exemplarische spektrale Verteilung einer weiszligen OLED

Bild 4 Temperaturgeregeltes LED-Transfernormal auf Basis von Kleinleistungs-LEDs mit Lichtstroumlmen von bis zu 10 Lumen

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PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4Das Jahr des Lichtes

Groumlszligen deutlich Daher muumlssen sie gekuumlhlt werden Hierfuumlr kommt bei diesen Normalen ein Peltier-Element zum Einsatz welches geregelt Waumlrme in einen dahinterliegenden Kuumlhlkoumlrper leitet und hierdurch das emittierte Licht stabilisiert Diese Transfernormale zeichnen sich durch ein geringes

Gewicht bei einer Laumlnge von ca 100 mm und einem Durchmesser von etwa 20 mm aus Allerdings ist die Verwendung von LEDs mit sehr hohen Leistun-gen nicht moumlglich da die Abwaumlrme lediglich passiv an den Raum abgegeben wird Eine detaillierte Beschreibung der Eigenschaften dieses Transfer-normals wurde 2012 veroumlffentlicht [2]

Fuumlr die thermische Stabilisierung von LEDs mit sehr hohen Leistungen wurde ein weiteres Trans-fernormal unter Einsatz von Peltier-Elementen Heatpipes und aktivem Kuumlhlsystem in der PTB entwickelt (vgl Bild 6)

Im Rahmen des europaumlischen Forschungspro-jekts OLED100eu wurde in der PTB weiterhin das weltweit erste Transfernormal unter Einsatz einer organischen Leuchtdiode entwickelt (vgl Bild 7) Dieses Normal wurde fuumlr den Einsatz in einer Ulbricht-Kugel konzipiert und in ein mattes Aluminiumgehaumluse eingebaut Eine Besonderheit dieses Normals ist die Stand-Alone-Versorgungs-einheit die ohne Rechner o auml saumlmtliche relevan-ten elektrischen und thermischen Groumlszligen regelt und auf einem USB-Stick speichert

3 LED-Messtechnik in der PTB

Neben LED-Transfernormalen mit guter Reprodu-zierbarkeit ist eine hochentwickelte Messtechnik fuumlr deren Kalibrierung mit minimaler Messunsi-cherheit erforderlich

Die photometrische Beschreibung von LEDs erfolgt durch Angabe ihrer Lichtstaumlrke ILED mit der Einheit Candela und ihrem Lichtstrom ΦLED mit der Einheit Lumen Diese Groumlszligen werden in der PTB unter Verwendung ruumlckgefuumlhrter Photometer bestimmt Hierfuumlr wird die Beleuchtungsstaumlrke ELED unter definierten geometrischen Bedingungen fuumlr alle Abstrahlrichtungen der LED mit einem Goniophotometer gemessen

Fuumlr die Bestimmung der colorimetrischen Werte kommen Spektralradiometer zum Einsatz Hiermit werden spektrale Bestrahlungsstaumlrken gemessen und daraus die abgeleiteten colorime-

Bild 5 Temperaturgeregeltes LED-Transfernormal auf Basis von Hochleistungs-LEDs mit Lichtstroumlmen von bis zu 100 Lumen Im rechten Bild ist die Temperaturverteilung in Grad Celsius waumlhrend des Betriebs abgebildet

Bild 6 Temperaturgeregeltes LED-Transfernormal auf Basis von Houmlchstleistungs-LEDs mit Lichtstroumlmen von bis zu 2500 Lumen

Bild 7 Temperaturgeregeltes OLED-Transfernormal auf Basis kommerziell erhaumlltlicher OLEDs

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PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4 Metrologie fuumlr moderne Lichtquellen

trischen Kenngroumlszligen wie z B die Normfarb-wertanteile (x y) bei weiszligen LEDs die aumlhnlichste Farbtemperatur TN mit der Einheit Kelvin und bei farbigen LEDs die dominante Wellenlaumlnge λdom berechnet Grundlegende Informationen und Definitionen uumlber die photometrischen und colorimetrischen Groumlszligen und deren Messung sind in [3] [4] und [5] zu finden

In Bild 8 ist der Aufbau des LED-Messplatzes an der PTB zu sehen Fuumlr die Bestimmung der Mess-groumlszligen in alle raumlumlichen Abstrahlwinkel wird die LED durch ein Goniophotometer bewegt

Die LED wird in horizontaler Betriebslage zentrisch normal zur Referenzebene des Photo-meterkopfes ausgerichtet Ein Translationstisch ermoumlglicht dabei eine Variation des Abstandes d zwischen Photometer und LED Eine horizontale Rotationsachse (φ-Achse) und eine senkrechte Rotationsachse (ϑ-Achse) die sich an der LED-Spitze im rechten Winkel schneiden erlauben durch Drehung der LED eine Bestimmung der Beleuchtungsstaumlrke ELED in alle Raumrichtungen Beide Rotationsachsen werden waumlhrend der Messung zeitgleich bewegt Hierdurch bewegt sich die relative Position der lichtempfindlichen Emp-faumlngeroumlffnung bezuumlglich des Schnittpunkts beider Drehachsen auf der Oberflaumlche einer virtuellen Kugel entlang einer Spiralbahn von bdquoPol zu Polldquo dieser Kugel

Die Bestimmung des Lichtstroms ΦLED erfolgt analog der Beschreibung in dem Kapitel Kurze Geschichte der Goniophotometrie in der PTB Der wesentliche Unterschied zu goniophotome-trischen Messungen an Gluumlhlampen besteht darin dass bei LED-Messungen die Lichtquelle typischerweise bewegt werden kann ohne dass sich ihre optischen Eigenschaften aumlndernAufgrund des stetig wachsenden Bedarfs an ruumlck-gefuumlhrten Kalibrierungen von High-Power-LEDs sind Masse und Abmessungen der Transfernor-male erheblich gestiegen Daher wurde der Mess-platz 2015 um ein weiteres Goniophotometer fuumlr schwere und groszlige Objekte erweitert (vgl Bild 9)

Neben den photometrischen Empfaumlngern befinden sich auch Einkoppeloptiken fuumlr Spekt-ralradiometer auf dem drehbaren Empfaumlngerka-russell Alle Empfaumlnger lassen sich hiermit auto-matisiert waumlhrend einer Messung zu den LEDs ausrichten Vor jeder LED-Kalibrierung werden die Spektralradiometer bezuumlglich Ihrer spektralen Empfindlichkeit und Wellenlaumlnge kalibriert Die entsprechenden Normallampen befinden sich neben dem Empfaumlngerkarussell (vgl Bild 10) und ermoumlglichen so ebenfalls eine automatisierte Messung

Den spektralen Messungen an LEDs kommt neben der Notwendigkeit fuumlr die Bestimmung colorimetrischer Kennzahlen noch eine beson-dere Bedeutung fuumlr die photometrischen Messun-

Bild 9 Goniophotometer fuumlr photometrische Messungen an Hochleistungs-LEDs

Bild 10 Entladungslampen mit verschiedenen Gasfuumlllungen dienen der Wellenlaumlngenka-librierung der Spektrometer Im Hintergrund ist eine Bestrahlungsstaumlrke-Normal-lampe fuumlr die spektrale Empfindlichkeitskalibrierung zu sehen

Bild 8 Goniophotometer fuumlr photometrische Messungen an Kleinleistungs-LEDs

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PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4Das Jahr des Lichtes

gen zu Wie in der Einleitung erklaumlrt unterscheiden sich die spektralen Verteilungen von LEDs und Gluumlhlampen deutlich voneinander Photometerkoumlpfe bestehen in der Regel aus einer Silizium-Photodiode deren spektrale Empfindlichkeit durch den Einsatz von Glasfiltern moumlglichst gut an den Hellemp-findlichkeitsgrad V(λ) angepasst wird Aufgrund internationaler Standardisierung wird die photo-metrische Empfindlichkeit von Photometerkoumlpfen fast ausschlieszliglich fuumlr Normlichtart A kalibriert In der Praxis werden hierfuumlr Gluumlhlampen mit einer Verteilungstemperatur von 2856 K verwendet Wenn man ein solches Photometer fuumlr Messungen an anderen Gluumlhlampen verwendet sind die spektralen Verteilungen meist so aumlhnlich dass nur geringe oder gar vernachlaumlssigbare Korrekturen aufgrund der spektralen Fehlanpassung also der Abweichung der realen spektralen Empfindlichkeit des Photometers von dem Hellempfindlichkeitsgrad notwendig sind Wenn man ein solches Photometer jedoch bei LEDs insbesondere farbigen LEDs einsetzt koumlnnen die Abweichungen aufgrund der spektralen Fehlan-passung sehr groszlig werden (gt10 fuumlr hochwertige Photometerkoumlpfe sind moumlglich)

Mit Kenntnis der relativen spektralen Verteilung der Leuchtdiode SLED(λ) und der relativen spekt-ralen Empfindlichkeit srel(λ) laumlsst sich die spektrale Fehlanpassung durch folgenden Korrekturfaktor cSpek korrigieren

cV S

s S

V P T

sSpek

LED

rel LED

A

rel

d

d

d=

( ) ( )( ) ( )

( ) ( )( )

intint

intλ λ λ

λ λ λ

λ λ λ

λ

intint ( )P Tλ λ A d

P(λ TA) beschreibt Lichtart A durch das Planck-sche Strahlungsgesetz fuumlr TA = 2856 K

Eine detaillierte Auflistung und Diskussion aller zu beruumlcksichtigenden Details bei Kalibrierungen von LEDs und das dazugehoumlrige Messunsicher-heitsbudget soll an dieser Stelle nicht gegeben werden Interessierte Leser koumlnnen hierfuumlr Infor-mationen in einer fruumlheren Veroumlffentlichung [6] oder in den Ergebnissen eines internationalen Vergleichs von LED-Messungen [7] finden

Fazit und Ausblick

Der Verzicht auf LEDs ist fuumlr Beleuchtungsan-wendungen nicht mehr vorstellbar Durch ihre kontinuierliche Weiterentwicklung erobern LEDs immer weitere Anwendungsfelder (z B Haus-halts- Straszligen- und Automobilbeleuchtung) mit denen der Endkunde in Kontakt kommt Bei diesen Anwendungen sind die Anforderungen an die Lichtquellen vielfaumlltig und fuumlr eine quantitative Beschreibung ihrer Eigenschaften muss auch die Messtechnik entsprechend umfassend und ausge-reift sein

Neben dem allgemeinen Forschungs- und Ent-wicklungsbedarf fuumlr bessere LED-Messverfahren und -geraumlte die die Grundlage ihrer technologi-schen Weiterentwicklung bilden gibt es eine weitere Herausforderung Aufgrund der nahezu unbe-grenzten Moumlglichkeiten eine bestimmte Lichtfarbe durch additive Farbmischung zu erhalten sind LEDs verschiedener Hersteller mit unterschiedlichen Emissionsspektren aber einer nominell gleichen aumlhnlichsten Farbtemperatur erhaumlltlich Dennoch ist teilweise ein Unterschied der Lichtfarbe mit bloszligem Auge erkennbar wenn sich unterschiedliche LEDs nebeneinander befinden

Es ist ungewoumlhnlich dass man ohne technische Hilfsmittel nominell gleiche Lichtfarben faktisch unterscheiden kann Um die Charakterisierung von LEDs soweit zu verbessern dass dies nicht mehr moumlglich ist ist einerseits eine Reduzierung der Messunsicherheit bei der Bestimmung der Normfarbwertanteile (Lichtfarbe) notwendig Andererseits muss man sich bewusst machen dass photometrische und colorimetrische Messverfahren auf rein physikalischen Zusammenhaumlngen basieren Individuelle menschliche Wahrnehmung und Sehen werden bei photometrischen Messungen nicht beruumlcksichtigt ndash diese werden durch Festlegung von exakt definierten Wichtungsfunktionen wie dem Hellempfindlichkeitsgrad fuumlr einen fiktiven Normalbeobachter ausgegrenzt Diese Wichtungs-funktionen koumlnnen gegebenenfalls auch noch optimiert werden um die objektive Beurteilung von Lichtquellen mit physikalischen Messmethoden zu verbessern Somit gibt es auch in Zukunft noch interdisziplinaumlre Herausforderungen fuumlr die Metro-logie moderner Lichtquellen

Literatur

[1] httpwwwnobelprizeorgnobel_prizesphysicslaureates2014 (letzter Aufruf 14102015)

[2] T Gerloff M Lindemann S Shirokov M Taddeo S Pendsa A Sperling Development of a new high-power LED transfer standard CIE Proceed-ings 2012

[3] CIE S 017E 2011 ILV International Lighting Vocabulary httpeilvciecoat (letzter Aufruf 03122015)

[4] CIE 127 2007 (2nd edition) Measurement of LEDs

[5] CIE S 025E 2015 Test Method for LED Lamps LED Luminaires and LED Modules

[6] M Lindemann R Maass Photometry and Colo-rimetry of Reference LEDs by Using a Compact Goniophotometer MAPAN ndash Journal of Metrolo-gy Society of India Vol 24 No 3 2009

[7] wwwbipmorg APMPPR-S3a (Averaged LED Intensity) APMPPR-S3b (Total Luminous Flux of LEDs) APMPPR-S3c (Emitted Colour of LEDs)

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Effektpigmente hellipPTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4

Einleitung

Farbe ist fuumlr Menschen die wohl auffaumllligste sub-jektive Stoffeigenschaft Bereits den Fruumlhmenschen war diese visuelle Qualitaumlt bekannt deren Wahr-nehmung allen Primaten eigen ist So wurde 2008 in Suumldafrika eine ca 100000 Jahre alte steinzeitli-che bdquoMalerwerkstattldquo entdeckt [1] Auch heutzu-tage spielt Farbe in der Gestaltung unserer Umwelt eine wichtige Rolle Jedes Jahr praumlsentiert uns die Mode die neuen Farben der Saison Farben dienen zur Regelung des Verkehrs Ohne bunte Farben waumlre unsere Welt trist und oumlde

Es ist wichtig festzustellen dass Farbe ein physiologischer Sinneseindruck ist wie z B auch Tasten oder Riechen D h Farbe ist keine immanente physikalische Eigenschaft eines Gegenstandes wie z B seine Masse oder Waumlrme-leitfaumlhigkeit Die physiologische Wahrnehmungs-kette ist hierbei folgende Das vom betrachteten Gegenstand reflektierte Licht trifft auf das Auge und loumlst hierbei einen Farbreiz aus Dieser Farbreiz beruht auf der spektralen Zusammensetzung des empfangenen Lichts d h er ist abhaumlngig von der verwendeten Lichtquelle und dem spektralen Reflexionsvermoumlgen des betrachteten Objektes Die Anregung der licht- und farbempfindlichen Zellen in der Netzhaut fuumlhrt zu einer Farbvalenz die uumlber den Sehnerv an das Gehirn weitergeleitet wird Die eigentliche Farbempfindung die wir dann mit einem Gegenstand verknuumlpfen entsteht erst im Gehirn [2] Liegt z B eine Farbfehlsich-tigkeit vor so kann der Farbeindruck des betrof-fenen Menschen auch ein ganz anderer sein Auch viele Tiere mit ihren teilweise erheblich abweichenden visuellen Systemen nehmen Farbe ganz unterschiedlich als wir Menschen wahr Im Folgenden soll mit Farbe immer die Koumlrperfarbe auch Gegenstandsfarbe Objektfarbe bzw Oberflauml-chenfarbe genannt einer nicht selbstleuchtenden Flaumlche bezeichnet werden die durch Reflexion von Licht an einem Koumlrper entsteht

Die genannten Zusammenhaumlnge machen die mathematisch-physikalische Beschreibung von Farbe schwierig und aufwendig da auch die spe-zifischen Eigenarten der menschlichen Wahrneh-

mungskette nachgestellt werden muumlssen Diesem Umstand wird versucht uumlber die verschiedenen Farbmaszligsysteme Rechnung zu tragen welche die Farbe eines Objektes mithilfe von quantifizierba-ren Zahlenwerten kennzeichnen [3]

Generell koumlnnen farbige Flaumlchen je nach Tageszeit und Lichteinfall sehr unterschiedlich wirken Die Aumlnderungen basieren hierbei auf der unterschiedlichen spektralen Zusammenset-zung des Tageslichts und den winkelabhaumlngigen Glanz- und Struktureigenschaften von Oberflauml-chen Ganz besonders deutlich ist dies bei auf dem Interferenzeffekt basierenden Effektpigmenten der Fall Deren visuelles Erscheinungsbild im englischen mit Visual Appearance bezeichnet kann sich bei variierendem Beobachtungswinkel und unterschiedlichen Lichtverhaumlltnissen komplett veraumlndern Man spricht hierbei von sogenannten Flop-Lacken wobei man zwischen Hell-Dunkel-Flop und Farb-Flop unterscheiden kann [4]

Generell kann man sagen dass Farbe und visuelle Effekte einen entscheidenden Anteil am Verkaufserfolg eines Produktes haben denn Farben wecken Emotionen und verschiedene Neuro marketingstudien belegen dass ca 95 aller Kaufentscheidungen emotional gepraumlgt sind [5] Deshalb spielt eine moderne Farbgestaltung unter Nutzung aktueller Effektpigmente im Pro-duktdesign eine entscheidende Rolle denn durch den Einsatz solcher Pigmente kann Gegenstaumlnden eine houmlhere Attraktivitaumlt verliehen werden Daher findet man moderne Effektpigmente heutzutage in vielen teilweise sehr unterschiedlichen Indus-trieprodukten wie z B in Autolackierungen Haumluserfassaden Kosmetikartikeln oder sogar bei Pralineacutes wie dies in Bild 1 zu sehen ist

Pigmente

Als Pigmente aus dem Lateinischen kommend von pigmentum fuumlr bdquoFaumlrbestoff Schminkeldquo bezeichnet man aus Teilchen bestehende im Anwendungs-medium praktisch unloumlsliche Sub stanzen die als Farbmittel oder wegen anderer spezieller physika-lischer und chemischer Eigenschaften als funktio-nale Farbzentren verwendet werden [6]

Effektpigmente Eine Herausforderung fuumlr die optische Messtechnik

Egbert Buhr Alfred Schirmacher Andreas Houmlpe

Dr Egbert Buhr Fachbereich bdquoBildshy und Wellenoptikldquo EshyMail egbertbuhrptbde

Dr Alfred Schirmacher Arbeitsshygruppe bdquoReflexion und Transmissionldquo EshyMail alfredschirmacherptbde

Dr Andreas Houmlpe dagger ehemals Arbeitsgrupshype bdquoReflexion und Transmissionldquo

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PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4Das Jahr des Lichtes

In der Natur vorkommende anorganische Pig-mente sind schon seit praumlhistorischen Zeiten bekannt Schon die Menschen der Steinzeit benutzen mineralische Pigmente fuumlr die ersten Houmlhlenzeichnungen Sie erkannten dass sie mit unterschiedlichen Erdsorten farbig malen konnten Eisenoxidhaltige Erden liefern gelbrote bis braunrote Kalk und Gips weiszlige Mangan-oxide sowie Holz- und Knochenkohle schwarze Farbtoumlne

Aus heutiger industrieller Sicht ist ein Pigment ein fein aufgeteilter und unloumlslicher Feststoff mit der Hauptfunktion das Erscheinungsbild des verwendeten Mediums zu verbessern oder es zu faumlrben Pigmente werden dem Medium immer durch physikalisches Mischen beigegeben dies unterscheidet sie von Farbstoffen die in ihrem Medium loumlslich sind

Pigmente koumlnnen nach den optischen Prin-zipien ihrer Wechselwirkung mit Licht unter-schieden und in verschiedene Klassen eingeteilt werden Wichtige Pigmentklassen sind Weiszlig- Bunt- Schwarz- und Effektpigmente die alle wegen ihrer speziellen farbgebenden Eigenschaf-ten eingesetzt werden Bei den Effektpigmenten

kann in einer ersten vereinfachten Einteilung noch zwischen Metalleffekt- und den sogenannten speziellen Effektpigmenten unterschieden werden

Der Begriff bdquospezielle Effektpigmenteldquo umfasst die Gruppen der Perlglanzpigmente und der all-gemeinen Interferenzpigmente welche insbeson-dere bei aktuellen Pigmententwicklungen nicht scharf abgegrenzt werden koumlnnen Perlglanzpig-mente sind Effektpigmente die aus transparenten Plaumlttchen mit hohem Brechungsindex bestehen Sie erzeugen durch die spezielle Form der Mehr-fachreflexion des transmittierten Lichts an mehre-ren Pigmenten einen perlenaumlhnlichen Effekt bei dem die auftreffende Strahlung verteilt reflektiert wird wodurch der Eindruck einer mit der Tiefe abnehmenden diffusen Helligkeit entsteht Fuumlr das Auge ergibt sich so eine scheinbar dreidimen-sionale Glanzcharakteristik die aus der Tiefe des Objektes zu kommen scheint Interferenzpigmente dagegen sind Effektpigmente deren farbgebende Wirkung ganz oder vorwiegend auf dem Effekt der Vielstrahlinterferenz von Licht an duumlnnen hoch-brechenden Schichten beruht Interferenzpigmente koumlnnen dabei sowohl auf transparenten oder auch nichttransparenten Plaumlttchen basieren

Bild 1 a) Roadster mit ChromaFlairreg-Effektpigmentlackierung b) Verwaltungsgebaumlude in Braunschweig verkleidet mit Alucobondreg-spectra-colours-Verbundplatten c) Effektpigmente im Nagellack d) Pralineacute mit Effektpigmentuumlberzug

a

dc

bb

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Effektpigmente hellipPTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4

Die heute verwendeten Pigmente lassen sich somit grob in fuumlnf verschiedene Klassen einteilen

1) Weiszligpigmente Die Pigmente streuen das ge-samte auftreffende Licht nahezu verlustfrei in alle Richtungen durch diffuse ungerichtete Reflexion

2) Buntpigmente Die Pigmente streuen einen Teil des Lichtes diffus und absorbieren wellenlaumln-genselektiv einen anderen Teil des Lichtes

3) Schwarzpigmente Die Pigmente absorbieren alle Wellenlaumlngen des fuumlr das menschliche Auge sichtbaren Spektralbereiches

4) Metalleffektpigmente Die aus duumlnnen Metall-plaumlttchen vorwiegend Aluminium bestehen-den Metalleffektpigmente sind lichtundurch-laumlssig und reflektieren das gesamte auftreffende Licht durch spekulare gerichtete Reflexion Die Pigmentpartikel wirken dabei wie Mikrospie-gel und fuumlhren bei paralleler Ausrichtung im Anwendungsmedium zu einem spiegelnden Metallglanz dem Metallic-Effekt

5) Spezielle Effektpigmente Perlglanz- bzw Inter-ferenzpigmente deren optische Wirkung auf der Mehrfachreflexion an uumlberwiegend flaumlchig aus-gebildeten und ausgerichteten transparenten semitransparenten oder lichtundurchlaumlssigen Partikeln beruht

Weiszlig- Bunt- und auch Schwarzpigmente weisen typische Durchmesser im Bereich von 100 nm bis zu 1 microm auf Ihre Groumlszlige liegt damit zum Teil im Bereich der Wellenlaumlnge des sichtbaren Lichtes welches den Bereich von 380 nm bis 780 nm uumlberdeckt Einige Schwarzpigmente wie z B Ruszlig-pigmente liegen mit ihren Durchmessern jedoch auch zum Teil auch deutlich darunter Effektpig-mente besitzen dagegen Teilchendurchmesser die zumeist im Bereich von 5 microm bis 100 microm in einigen Faumlllen auch daruumlber liegen Sie sind damit bezuumlglich der mittleren Plaumlttchendurch-messer wesentlich groumlszliger als die Wellenlaumlnge des sichtbaren Lichtes Die Dicke der Plaumlttchen liegt von einigen Ausnahmen abgesehen unter 1 microm ebenso wie die Dicke der Interferenzschichten Demzufolge weisen Effektpigmente in der Regel ein hohes Aspektverhaumlltnis auf (Verhaumlltnis der lateralen Ausdehnung einer Struktur zu ihrer Houmlhe) welches bis zu 200 betragen kann

Interferenzpigmente ndash Wie die Farben entstehen

Die Farbe von Interferenzpigmenten haumlngt von der Schichtdicke der Metalloxidbeschichtung und dem Einstrahlungs- und Betrachtungswinkel ab Beide Parameter bestimmen die effektive optische Weg-

laumlngendifferenz fuumlr das einfallende weiszlige Licht zwischen oberer und unterer Grenzflaumlche und die somit auftretenden Interferenzfarben siehe Bild 3

Interferenzpigmente zeigen somit einen aus-gepraumlgten bdquoFarbflopldquo Die Winkelabhaumlngigkeit der Farbe wird hierbei auch als Goniochromasie bezeichnet Richtig bunt geht es zu wenn ein Interferenzpigment auf einen bereits bunten Untergrund aufgebracht wird Die Transparenz der Pigmente laumlsst die Untergrundfarbe durch-

Bild 2 Schematische Diagramme zum spektralen Verhalten verschiedener Pigmenttypen

Bild 3 Die Schichtdicke der Metalloxidbeschichtung und der kombinierte Einstrahlungs- und Betrachtungswinkel bestimmen die optische Weglaumlnge und somit die sich ergebenden Interferenzfarben in Reflexion und Transmission

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PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4Das Jahr des Lichtes

Bild 5 Die Effekte Spar-kling (1) und Coarseness (2) des Effektpigmentes Xirallicreg Crystal Silver in einer vergroumlszliger-ten Aufnahme auf weiszligem (links) und schwarzem Hinter-grund (rechts)

scheinen im Glanzwinkel wird sie aber von der Interferenzfarbe uumlberstrahlt wie dies in Bild 4 zu sehen ist

Der Effekt eines Helligkeitsunterschiedes unter verschiedenen Betrachtungswinkeln wird als Helligkeitsflop bezeichnet und ist an sich nichts Neues Sind jedoch die einzelnen Pigmentteilchen

aufgrund ihrer planaren Reflexionsoberflaumlchen in gerichteter Beleuchtung direkt beobachtbar was fuumlr mittlere Teilchengroumlszligen von 30 microm und groumlszliger der Fall ist so ergibt dies einen Effekt welcher mit dem Begriff Sparkle (Glitzern Funkeln) bezeichnet wird (Bild 5) Aumlndert sich die Beleuchtung von einer gerichteten Einstrahlung wie es an einem wolkenlosen sonnigen Sommertag der Fall ist hin zu einer diffusen ungerichteten Einstrahlung wie an einem stark bewoumllkten Herbsttag so verschwin-det das Sparkling der Pigmente und verwandelt sich in eine Koumlrnigkeit der Oberflaumlche Dieses optische Phaumlnomen wird als Coarseness (Bild-koumlrnigkeit) bezeichnet und ist unabhaumlngig vom Betrachtungswinkel (Bild 5)

Als neuer Archetypus des Sparkle-Begriffes haben sich in den letzten Jahren die Xirallicreg Pig-mente (High Chroma Chrystal Effect Pigments) der Firma Merck KGaA entwickelt Durch die Beschich-tung von Aluminiumoxidplaumlttchen mit hochbre-chenden Metalloxiden und einer optimierten Dicke und Ebenheit aller am Pigment beteiligten Schich-ten entstehen auszligergewoumlhnlich stark reflektierende Effektpigmente die einen besonders intensiven Sparkle-Effekt aufweisen Man spricht hierbei auch von sogenanntem Living Sparkle welcher sich in einem scheinbaren bdquoTanzenldquo der leuchtenden Punkte in der Probenoberflaumlche bei Veraumlnderung der Beobachtungsgeometrie aumluszligert [7 8]

Generell gilt dass die Farbe von Objekten mit Effektlackierung nicht mehr wie jahrzehntelang uumlblich und ausreichend mit konventionellen Farb-messgeraumlten mit nur einer festen Messgeometrie wie z B in der 45deg 0deg Geometrie (Einstrahlung unter 45deg Reflexionsmessung unter 0deg) bestimmt werden kann Dieser Umstand wird sehr gut durch die Grafik in Bild 6 illustriert Dargestellt sind die winkelabhaumlngig gemessenen Farbkoordinaten von drei verschiedenen keramischen Farbstandards der Farben rot gruumln und blau sowie eines mit dem Effektpigment Viola Fantasy der Firma Merck lackierten Blechs Der Einfallswinkel des Lichts auf die Proben betrug hierbei immer 45deg zur Oberflauml-chennormalen Das von den Proben reflektierte Licht wurde an 26 Positionen in einem 5deg Raster in planaren die Oberflaumlchennormale enthalten-den Messgeometrien im Winkelbereich von ndash70deg bis +70deg aufgenommen Bei den aus absorptiven Pigmenten bestehenden Keramiken zeigt sich eine nur sehr geringe Winkelabhaumlngigkeit der Farbe welche groumlszligtenteils auf unterschiedlicher winkelabhaumlngiger Helligkeit d h den Glanzeigen-schaften der Oberflaumlche beruht Das Effektpigment dagegen zeigt einen extremen winkelabhaumlngigen Farb-Flop (Goniochromasie) welcher einen Farbverlauf von Gruumln uumlber Rot-Gelb hin ins Blau-Violett bietet

Aber auch die neuen Lackfarben aus der Gruppe der Effektlackierungen muumlssen messtechnisch

Bild 4 Merck-Xirallicreg-Solaris-Red-Effektpigmente appliziert auf einem mit Standard-Ab-sorptionspigmenten hellblau lackierten Metallblech In Rich-tung des Glanzwin-kels auf der rechten Seite zeigt sich der langsame Aufbau der winkelabhaumlngigen Interferenzfarbe

1

Bild 6 CIELab Farbkoordinaten einer winkelabhaumlngigen Reflexionsmessung an vier verschiedenen Proben drei Keramiken der Farben rot gruumln blau und eine Effektpigmentlackierung mit Merck Colorstreamreg Viola Fantasy Das untergelegte Farbschema zeigt naumlherungsweise die den Koordinaten entsprechende Farbe

2

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Effektpigmente hellipPTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4

Abbildungsoptik Messungen der ortsaufgeloumlsten Leuchtdichte auf einer Laumlngenskala bis hinab zu 28 microm auf der zu untersuchenden Probe siehe Bild 8

Mit der Zeilenkamera sind Messungen von kompletten Reflexionsspektren im sichtbaren Spektralbereich zwischen 380 nm und 780 nm dem sogenannten V(λ)-Bereich auf einer Zeit-skala von 2 Minuten moumlglich Hieraus lassen sich dann Farbkoordinaten der untersuchten Proben in den unterschiedlichsten Farbraumsystemen berechnen Eine absolute Messung in 114 Win-kelkombinationen (siehe Bild 9) im Polarwinkel-

erfasst und ruumlckgefuumlhrt werden um eine gleich-bleibende Qualitaumlt in der Produktion gewaumlhrleis-ten zu koumlnnen Gerade diese vielfaumlltigen zusaumltz-lichen Eigenschaften stellen die Farbmesstechnik vor neue Herausforderungen

Farbmessung

Bisherige kommerzielle Farbmessgeraumlte charakte-risieren Probenoberflaumlchen fast ausschlieszliglich in den eben schon erwaumlhnten sogenannten in-plane Reflexionsgeometrien Dabei liegen die Richtun-gen des eingestrahlten und des reflektierten Lichts sowie die Oberflaumlchennormale der Probe in einer Ebene Diese Einschraumlnkung entspricht jedoch in keiner Weise der taumlglichen Realitaumlt bei der Oberflaumlchen aus beliebigen Richtungen beleuchtet und betrachtet werden Seitens der Messgeraumlteher-steller und Anwender gibt es daher einen Trend zur erweiterten Charakterisierung bezuumlglich zusaumltzlicher Winkelkombinationen im dreidimen-sionalen Raum Spitzenreiter dieser Entwicklung am Markt ist derzeit ein tragbares Mehrwinkel-Spektralphotometer mit insgesamt 19 verschie-denen Reflexionsgeometrien [9] Hiermit scheint aber auch das Ende dieser Entwicklung im Bereich der portablen handgefuumlhrten Geraumlte erreicht Der Wunsch der Anwender geht aktuell wieder zuruumlck zu einer geringeren Anzahl von Winkelkombi-nationen denn es ist unklar wie man aus dem Mehr an winkelaufgeloumlsten Reflexionsdaten die fuumlr die Charakterisierung der Farbeigenschaften relevanten Informationen gewinnen kann Daher stellt sich die Frage welches sind bdquoguteldquo d h an die Messaufgabe adaptierte optimal geeignete Messgeometrien

Um diese Frage zu beantworten betreibt die AG 424 bdquoReflexion und Transmissionldquo der PTB zwei roboterbasierte Gonioreflektometer die eine winkelaufgeloumlste Reflexionsmessung in beliebi-gen bidirektionalen Geometrien ermoumlglichen [10ndash12] Diese beiden Apparaturen sind in Bild 7 dargestellt

Das Standard-Gonioreflektometer ist hierbei das nationale Normal fuumlr die Messgroumlszlige spektraler Strahldichtefaktor in gerichteten Geometrien Es dient der Realisierung Bewahrung und Weiter-gabe der gerichteten Reflexionsskale in Form von Kalibrierungen Die zweite Apparatur bezeich-net mit dem Acronym ARGon3 (3D Appearance Robot-based Gonioreflectometer) ist ein flexibles Forschungsgeraumlt mit dem experimentelle Unter-suchungen u a im Rahmen des EMRP-Projektes Multidimensional Reflectometry for Industry der EU [13] durchgefuumlhrt werden Im Ver gleich zum Standard-Gonioreflektometer ist dieses Geraumlt mit einer photometrischen Leuchtdichteka-mera und einer Zeilenkamera ausgeruumlstet Die Leuchtdichtekamera erlaubt mit einer speziellen

Bild 7 Die beiden roboter-basierten Gonio-reflektometer der PTB oben Standard-Gonioreflektometer fuumlr Kundenkalibrie-rungen unten ARGon3-Messplatz fuumlr Forschungsanwen-dungen

Bild 8 Visualisierung desSparkling-Effektesvon Xironareg-Volcanic-Sparks-Pigmenten als Falschfarben-darstellung der ortsaufgeloumlsten LeuchtdichteDie bdquoNadelnldquo zeigendie Position derPigmente an

Bild 9 Beispielgeometrien zur Messung der winkelabhaumlngigen Reflexionseigen-schaften Realisiert wurden 4 Einstrah-lungsrichtungen (rote Pfeile) mit jeweils 114 Reflexionswinkeln (schwarze Punkte) im Bereich der Viertel-kugel oberhalb der Probenoberflaumlche

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PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4Das Jahr des Lichtes

bereich 0deg bis 70deg gleichmaumlszligig verteilt uumlber den Viertelraum oberhalb der Probe dauert hierbei ca 4 Stunden [14] Die so erhaltenen Daten bilden die Basis fuumlr kuumlnftige Verbesserungen in der Mess-technik fuumlr Anwender und Hersteller

Im Rahmen des EMRP-Projektes Multidimen-sional Reflectometry for Industry [13] sind damit die winkelabhaumlngigen Reflexionsspektren von insgesamt 66 verschiedenen Effektpigmentproben gemessen worden [15 16] Bei den vier verschie-denen Einstrahlungsrichtungen verbunden mit jeweils 114 Reflexionswinkeln im Bereich der Vier-telkugel oberhalb der Probenoberflaumlche ergeben sich somit uumlber 30000 Reflexionsspektren

Zielsetzung der Untersuchungen ist die Ver-besserung der Metrologie zur Materialcharak-terisierung mit reduzierter Messunsicherheit Dazu werden neue Messvorschriften und neue Standardmessartefakte entwickelt mit denen die Industrie die visuelle Wahrnehmung der von ihr produzierten Oberflaumlchen gezielt charakterisie-ren und kontrollieren kann Solche Messungen sollten einfach auszufuumlhren sein und die Ergeb-nisse muumlssen soweit wie moumlglich mit der visuellen menschlichen Wahrnehmung korrelieren Im europaumlischen und internationalen Rahmen sollen die Ergebnisse in die Normung einflieszligen um die allgemeine Vergleichbarkeit solcher Messungen zu gewaumlhrleisten

Literatur

[1] CS Henshilwood et al A 100000-Year-OldOchre-Processing Workshop at Blombos CaveSouth Africa Science Vol 334 No 6053 219ndash2222011

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[3] Colorimetry Understanding the CIE Systemed by J Schanda Wiley-Interscience NJ 2007

[4] WR Cramer Der richtige Blickwinkel Farbe amp Lack 092006 26ndash30 2006

[5] G Zaltman How Customers Think EssentialInsights into the Mind of the Market HarvardBusiness Review Press 2003

[6] DIN ISO 18451-12015-11 Pigmente Farbstof-fe und Fuumlllstoffe ndash Begriffe ndash Teil 1 AllgemeineBegriffe

[7] WR Cramer Ohne Glimmer aber mit GlanzFarbe amp Lack 042003 132ndash136 2003

[8] WR Cramer Es glitzert wie am SternenhimmelFahrzeug + Karosserie 0412 20ndash22 2012

[9] E Kirchner W Cramer Making sense of measure-ment geometries for multi-angle spectrophotome-ters Color Res Appl Vol 37 No3 186ndash198 2012

[10] D Huumlnerhoff U Grusemann A Houmlpe Newrobot-based gonioreflectometer for measuringspectral diffuse reflection Metrologia 43 S11ndashS162006

[11] A Houmlpe D Huumlnerhoff K-O Hauer Robot-basedgonioreflectometer Industrial Robotics Program-ming Simulation and Applications Low Kin-Huat Ed Pro Literatur-Verlag Mammendorf623ndash632 2007

[12] A Houmlpe T Atamas D Huumlnerhoff S TeichertK-O Hauer ARGon3 ndash bdquo3D Appearance Robot-based Gonioreflectometerrdquo at PTB Rev SciInstrum 83(4) 045102-1ndash045102-8 2012

[13] European Metrology Research Program ProjectIND52 bdquoxD-Reflectldquo Multidimensional Reflecto-metry for Industry wwwxdreflecteu(letzter Aufruf 03122015)

[14] T Atamas K-O Hauer A Houmlpe Appearancemeasurements of goniochromatic colours Predic-ting Perceptions Proceedings of the 3rd Internati-onal Conference on Appearance 149ndash154 2012

[15] A Houmlpe A Koo FM Verdu FB LeloupG Obein et al bdquoMultidimensional reflectometryfor industryrdquo (xD-Reflect) an European researchproject Proc SPIE 9018 Measuring Modelingand Reproducing Material AppearanceSPIE-ISampT Vol 9018 901804-1ndash901804-11 2014

[16] A Houmlpe K-O Hauer S Teichert D HuumlnerhoffC Strothkaumlmper Goniochromatic and Sparkleproperties of effect pigmented samples in mul-tidimensional configuration Proc SPIE 9398Measuring Modeling and Reproducing MaterialAppearance 2015 SPIE Proc Vol 9398 Appea-rance 93980O-1ndash7 2015

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Die 50 Sitzung des Internationalen Komitees fuumlr das gesetzliche Messwesen (CIML) fand vom 20 bis 22 Oktober 2015 in Arcachon Frankreich statt Im Vorfeld der CIML-Sitzung fand ein ein-taumlgiges OIML-Seminar uumlber Countries and Econo-mies with Emerging Metrology Systems (CEEMS) statt uumlber das weiter unten berichtet wird

Das CIML ist der Lenkungsausschuss der OIML Es trifft sich jaumlhrlich und besteht aus je einem Repraumlsentanten der Mitgliedstaaten der korrespondierenden Mitglieder und den Vertre-tern internationaler und regionaler Organisa-tionen die als Beobachter teilnehmen koumlnnen Das CIML ist zustaumlndig fuumlr die Vorbereitung und Durchfuumlhrung der Entscheidungen der Konfe-renz die alle vier Jahre stattfindet Es uumlberwacht die Arbeiten der Technischen Komitees und Unterkomitees und des Internationalen Buumlros fuumlr das gesetzliche Messwesen (BIML) in Paris

An der 50 CIML-Sitzung nahmen 144 Teilneh-mer aus 43 Mitgliedstaaten und 13 korrespondie-renden Mitgliedstaaten teil Zur deutschen Dele-gation gehoumlrten neben den o g Autoren auch die Herren Johann Fischer Direktor des Landesamts fuumlr Mess- und Eichwesen Berlin-Brandenburg sowie Prof Olaf Kuumlhn Direktor des Thuumlringer Landesamts fuumlr Verbraucherschutz als Vertreter der Bundeslaumlnder Dr Peter Ulbig Leiter der Abteilung Wissenschaftlich-technische Quer-schnittsaufgaben der PTB und Prof Manfred Kochsiek Vizepraumlsident a D der PTB ehema-liger CIML-Praumlsident und Ehrenmitglied der OIML Frau Dr Anna Cypionka persoumlnliche Referentin des Praumlsidenten der PTB nahm am OIML-Seminar fuumlr CEEMS teil Vertreten waren auch wieder internationale und regionale Orga-nisationen zu denen die OIML Verbindungen unterhaumllt wie das Internationale Buumlro fuumlr Maszlig und Gewicht (BIPM) die GSO-GCC Standardiza-tion Organization (Saudi-Arabien) die Internatio-nal Laboratory Accreditation Cooperation (ILAC) und der Europaumlische Verband der Waagenherstel-ler (CECIP)

Alle Beschluumlsse der 50 CIML-Sitzung koumlnnen auf den Internetseiten der OIML aufgerufen werden [1 2]

Die wichtigsten Entscheidungen und Entwick-lungen werden nachfolgend vorgestellt

1 Personalangelegenheiten

Der Vertrag von Willem Kool als Assistant Director wurde um vier Jahre der Vertrag des BIML-Direk-tors Stephen Patoray um drei Jahre verlaumlngert

2 Einfuumlhrung des PG Workspace im Internet

In seinem Bericht im Zusammenhang mit der Etablierung des neuen Webauftritts der OIML hob der CIML-Praumlsident Peter Mason (UK) die erfolgreiche Einfuumlhrung des Workspace fuumlr Pro-jektgruppen hervor Durch die Online-Arbeit wird erwartet dass die technische Arbeit an neuen bzw zu revidierenden OIML-Dokumenten vereinfacht und insgesamt effizienter wird

3 Revision der technische Richtlinien fuumlr die OIML (B 6 Directives for OIML tech-nical work)

In einem neuen Projekt sollen die in den vergan-genen Jahren revidierten OIML-Richtlinien fuumlr die technische Arbeit erneut uumlberarbeitet werden um u a den Prozess der Entwicklung und Uumlber-arbeitung von OIML-Publikationen noch weiter zu beschleunigen und den neuen internetbasierten Technologien und Arbeitsweisen Rechnung zu tragen

4 Umfassende strukturelle Uumlberarbeitung des OIML Certificate System

Das CIML verabschiedete die Gruumlndung einer Projektgruppe mit der Aufgabe einer substan-ziellen Uumlberarbeitung des OIML-Zertifizierungs-systems das z Zt aus dem Basiszertifizierungs-system und dem MAA3 besteht Urspruumlnglich ausgehend von der Annahme die Akzeptanz des MAA-Zertifizierungssystem muumlsse verstaumlrkt werden eine groumlszligere Verbreitung finden und mehr Messgeraumltearten abdecken erscheint es

Aktuelles aus der OIML (Internationale Organisation fuumlr das Gesetzliche Messwesen)Bericht uumlber die 50 Sitzung des CIML in Arcachon FrankreichSusanne Ludwig Roman Schwartz

INTERNATIONALE ZUSAMMENARBEIT

Susanne Ludwig OIMLshyGeschaumlftsstelle der PTB EshyMail susanneludwigptbde

Dir u Prof Dr Roman Schwartz Vizepraumlsident der PTB deutsches Mitglied im Internashytionalen Komitee fuumlr das Gesetzliche Messwesen (CIML) und CIMLshyVizepraumlsishydent EshyMail romanschwartzptbde

3 Mutual Acceptance Arrangement (Abshykommen zur gegenshyseitigen Anerkennung von Bauartpruumlfungen)

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PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4Internationale Zusammenarbeit

inzwischen sinnvoller und wurde so auch vom CIML beschlossen zum 112017 ein einziges OIML-Zertifizierungssystem einzufuumlhren Eine Projektgruppe (Certification System Project Group = CSPG) unter dem Vorsitz des CIML-Vizepraumlsi-denten Dr Roman Schwartz wurde damit beauf-tragt die notwendigen Dokumente und Prozedu-ren auszuarbeiten

5 OIML-Seminar fuumlr Countries and Economies with Emerging Metrology Systems (CEEMS)

Im Vorfeld der CIML-Sitzung wurde ein eintaumlgiges Seminar zum Thema Developing an OIML Package for Assistance to Countries with Emerging Metro-logy Systems (CEEMS) abgehalten In vier Sitzun-gen diskutierten 125 Teilnehmer aus 49 Laumlndern uumlber Moumlglichkeiten Laumlnder beim Aufbau von nationalen Metrologiesystemen zu unterstuumltzen In der ersten von Frau Dr Cypionka geleiteten Sitzung Capacity Building ging es um die allge-meinen Herausforderungen bei der Gestaltung von Programmen zur Foumlrderung von Handlungs-kompetenzen und Vermittlung von Wissen fuumlr die Metrologie In zwei weiteren Sitzungen wurden unter den Themen Helping CEEMS Improve Regulation in their Markets (Leitung Prof Dr Manfred Kochsiek) und New Ideas ndash Doing Legal Metrology Differently (Leitung Stuart Carstens

Suumldafrika) konkrete inhaltliche Loumlsungsvorschlaumlge vorgestellt und diskutiert Die Ergebnisse wurden in der 50 CIML-Sitzung vorgestellt und fanden ihren Niederschlag in der Resolution Nr 201510 [2] sie sollen auch noch auf den OIML-Webseiten veroumlffentlicht werden [1]

6 OIML-Publikationen

Folgende OIML-Publikationen wurden verabschiedet

R 139-3 Compressed gaseous fuels measuring systems for vehicles Part 3 Test report format

New Recommendation (R 145) Ophthalmic instru-ments mdash Impression and applanation tonometers

Alle OIML-Publikationen stehen im Internet frei zur Verfuumlgung [3]

Gleichzeitig wurde die Revision der folgenden OIML-Publikation beschlossen

Revision of R 79 Labeling requirements for prepackages

Folgende neue Projekte wurden verabschiedet

Revision des OIML-Dokuments B 6-1 Directives for OIML technical work

Bild 1 Teilnehmer der 50 Sitzung des Internationalen Komitees fuumlr Gesetz-liches Messwesen (CIML) in Arcachon Frankreich

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PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4 Aktuelles aus der OIML

TC 8SC 1 Revision R 71 Fixed storage tanks mdash General requirements

TC 8SC 1 Revision R 85 Automatic level gauges for measuring the level of liquid in stationary storage tanks

7 Personalien und Ehrungen

Die von Dr Seiler dem ehemaligen Leiter des Fachbereichs bdquoTechnische Zusammenarbeitldquo der PTB initiierte OIML-Auszeichnung fuumlr bdquoexzel-lente Beitraumlge von Entwicklungslaumlndern zum gesetzlichen Messwesenldquo ging in diesem Jahr an

bull Nam Hyuk Lim Director of Korea Testing Certi-fication und

bull The Metrology Department Saint Lucia Bureau of Standards

Die OIML-Medaille fuumlr besondere Verdienste um die OIML-Arbeit ging an Ngo Quy Viet Vietnam und Cartaxo Reis aus Portugal

8 Termine

Ein Gastgeberland fuumlr die 51 CIML-Sitzung und 15 OIML-Konferenz im Jahr 2016 konnte noch nicht bekannt gegeben werden es wird aber wahr-scheinlich wieder Frankreich sein Weitere OIML-Veranstaltungen und -Termine finden sich auf der OIML-Webseite unter [4]

9 Literatur

[1] httpswwwoimlorgen (letzter Aufruf 19112015)

[2] httpswwwoimlorgenstructurecimlpdf50-ciml-resolutions-englishpdf (letzter Aufruf 19112015)

[3] httpswwwoimlorgenpublicationsrecommen-dationspublication_viewp_type=1ampp_status=1

[4] (letzter Aufruf 19112015)[5] httpswwwoimlorgeneventscalendar

(letzter Aufruf 19112015)

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TECHNOLOGIETRANSFER

E27-Scanner fuumlr UlbrichtkugelnMit dem besonders einfach ohne Umbau einsetzbaren E27-Scanner koumlnnen Anwender und Hersteller die Homogenitaumlt ihrer Ulbricht-kugeln bestimmen und die Ergebnisse zur Berechnung genauerer Lichtstroumlme und zur Dokumentation der Qualitaumlt ihrer Messungen nutzen

Hintergrund

Wie viel Licht eine Lampe insgesamt in alle Richtungen abstrahlt wird durch ihren Lichtstrom ausgedruumlckt Um den fuumlr die Bestimmung der Energieeffizienz von Lampen notwendigen Lichtstrom schnell zu er mitteln setzt die Lampenindustrie Ulbrichtkugeln ein An einer Stange in der Mitte der Ulbrichtkugel befindet sich eine E27-Lampen-fassung in die nacheinander die Lichtstrom-Normallampe und die zu kalibrierende Lampe eingeschraubt werden Das indirekt auf den Mess-kopf fallende Licht erzeugt einen Photostrom der im Idealfall propor-tional zu dem von der Lampe abgestrahlten Lichtstrom ist unabhaumlngig von der Richtung in die das Licht abgestrahlt wird

Dies ist jedoch bei einer ungleichmaumlszligigen Beschichtung der Kugel sowie bei einer im Laufe der Zeit nicht zu verhindernden Verstaubung nicht der Fall Deshalb wird mit einem Kugelscanner die Homogenitaumlt der Kugel regelmaumlszligig vermessen und ein Korrekturfaktor bestimmt der von der jeweiligen Abstrahlcharakteristik der zu untersuchenden Lampe abhaumlngt

Technische Beschreibung

Der Kugelscanner wird einfach in eine E27-Fassung geschraubt und das sonst fuumlr die Lampenversorgung eingesetzte Netzgeraumlt wird durch die Steuereinheit ersetzt Diese uumlbernimmt sowohl die elektrische Versor-gung als auch die Befehlsuumlbermittlung zum Kugelscanner Die Steuer-einheit wird via USB oder RS232 an einen Computer angeschlossen Das mitgelieferte Messprogramm stellt automatisiert alle gewuumlnschten Richtungen ein und speichert die zugehoumlrigen von der Steuereinheit gemessenen Photostroumlme des Photometers

Wirtschaftliche Bedeutungw

Fuumlr Lampenindustrie und Hersteller von Ulbrichtkugeln

bull Genauere Messung des Lichtstroms

bull Bestimmung des Zeitpunkts einer Neubeschichtung

bull Uumlberwachung beim Beschichten

bull Dokumentation des Zustands der Ulbrichtkugel

EntwicklungsstandDer E27-Kugelscanner wurde in der PTB entwickelt Er wird laufend fuumlr Kalibrierungen eingesetzt Die Technologie wurde an die Firma Czibula amp Grundmann transferiert und wird dort mit einer PTB-Lizenz gebaut und vertrieben wwwphoto-metercom

Ansprechpartner

Dr Bernhard SmandekBeauftragter fuumlr TechnologietransferTelefon +49 531 592shy8303Telefax +49 531 592shy69shy8303EshyMail technologietransferptbde

Dr Stefan WinterFachbereich Photometrie und Radiometrie

Abbildung des E27shyKugelscanners Eine stark fokussierende Lampe die computergesteuert in alle Richtungen leuchten kann

Vorteile

bull Schneller Einbau in E27shyFassung

bull Computergesteuertes Abscannen der gesamten Ulbrichtkugel

bull Flexible Messmoumlglichkeiten

bull Fuumlr genauere Lichtstromshymessungen

bull Wichtig fuumlr die Qualitaumltsshysicherung

PTBshyNummer 0172

wwwtechnologietransferptbde

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PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4 Technologieangebote

Ansprechpartner

Dr Bernhard SmandekBeauftragter fuumlr TechnologietransferTelefon +49 531 592shy8303Telefax +49 531 592shy69shy8303EshyMail technologietransferptbde

Dr Stefan WinterArbeitsgruppe Solarzellen

PulsshyzushyCWshyKonverter

Umwandlung gepulster Laser-Strahlung in konstante StrahlungIn weiten Bereichen der optischen Metrologie ist eine Strahlungs-quelle von groszligem Nutzen die sich spektral vom UV-C bis ins mitt-lere IR durchstimmen laumlsst Lediglich Laser mit gepulster Strahlung erfuumlllen diese Anforderung bei ausreichend groszligem Ausgangssignal bisher luumlckenlos Femtosekunden-Lasersysteme waumlren aufgrund ihrer gut automatisierbaren und spektral weiten Durchstimmbarkeit die ideale Strahlungsquelle fuumlr z B radiometrische Anwendungen ndash wenn ihre Strahlung nicht gepulst waumlre

Durch das extreme Puls-Pausen-Verhaumlltnis von 10ndash5 entstehen hohe Spitzenleistungen die wiederum zu Saumlttigungseffekten bei Detek-toren und in der Folge zu nichtlinearem Verhalten fuumlhren koumlnnen Mit dem in der PTB entwickelten Puls-zu-CW-Konverter wird dieses Problem geloumlst

Technische Beschreibung

Bei dieser Methode werden Pulse gepulster Strahlungsquellen ausrei-chend hoher Repetitionsrate in CW-Strahlung umgewandelt Dabei wird jeder Puls in viele kleine Teilpulse aufgeteilt die auf unterschiedlich langen Wegstrecken unterschiedliche Laufzeiten erfahren Am Ausgang des Systems erscheinen sie dann zeitlich gleichmaumlszligig verteilt Realisiert wird dieser Puls-zu-CW-Konverter uumlber ein Glasfaserbuumlndel bei dem jede Einzelglasfaser eine individuell festgelegte Laumlnge besitzt

Mit der Entwicklung des Puls-zu-CW-Konverters wurde das ent-scheidende Manko beim Einsatz leistungsstarker Femtosekunden(fs)-Lasersysteme im Bereich der Metrologie beseitigt und erstmalig gepulste Laserstrahlung in CW-Strahlung umgewandelt Diese Neuentwicklung ermoumlglicht es nun herkoumlmmliche Monochromatorsysteme durch fs-Lasersysteme zu ersetzen die eine bis zu 1000-mal houmlhere spektrale Ausgangsleistung besitzen

Wirtschaftliche Bedeutung

Durch den neuen Puls-zu-CW-Converter koumlnnen in wirtschaftlich bedeutenden Bereichen wie z B der Photovoltaik der Photometrie der UV-Strahlungsmesstechnik und der Reflektometrie die Referenz- und Transfernormale mit einer deutlich reduzierten Messunsicherheit kali-briert werden Hier werden bislang wesentliche Messunsicherheitsan-teile durch zu geringe Strahlungsleistungen aus herkoumlmmlichen Mono-chromatorsystemen verursacht

Entwicklungsstand

Unter DE 10 2010 011 615 B4 wurde fuumlr den CW-Konverter ein Patent erteilt

Vorteile

bull Zeitliche Glaumlttung gepulster Laserstrahlung

bull Keine stoumlrenden Interferenzen

bull Nur minimale Absorption des Messsignals

bull Auch bei kuumlrzeren Wellenshylaumlngen ohne Ulbrichtkugel verwendbar

bull Kontinuierliche Verteilung des Ausgangspulses

bull Pulsvervielfachung

bull Houmlhere Strahlungsleistung

PTBshyNummer 0254

wwwtechnologietransferptbde

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PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4Technologieangebote

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Homogenisierung von Strahlungsquellen und Focal Plane Arrays (FPA)Ein neuartiges Verfahren ermoumlglicht softwaregestuumltzt eine deutlich verbesserte Kalibrierung von Mehrelement-Sensoren (FPA) und bildgebenden Systemen (Kameras) Bei flaumlchigen Strahlungsquellen kann zusaumltzlich eine gezielte Ansteuerung von Flaumlchenelementen zu einer bisher im Allgemeinen nicht erreichbaren Flaumlchenhomogenitaumlt fuumlhren

Technische Beschreibung

Flaumlchenstrahler dienen der Kalibrierung von ortsaufloumlsenden Strah-lungssensoren wobei davon ausgegangen wird dass die Emissionsflaumlche des Strahlers im Wesentlichen homogen bezuumlglich ihrer Strahldichte bzw Strahlungstemperatur ist Um kleine Inhomogenitaumlten eines Flaumlchenstrahlers zu charakterisieren ist es ein gaumlngiges Verfahren die Emissionsflaumlche punktweise mit einem Einzeldetektor abzutasten

Das neue PTB-Verfahren ist wesentlich schneller da es den Mehr-element-Sensor (FPA) das device-under-test selbst nutzt und damit immer ein Gesamtbild der Quelle aufnimmt Werden jetzt weitere Bilder zeilen- oder spaltenversetzt aufgenommen so erlaubt ein mathema-tischer Algorithmus bei nur drei Bildern eine komplette Charakterisie-rung des Sensors aber auch der Quelle

Sind Flaumlchenelemente der Strahlungsquelle einzeln ansteuerbar so ist es sogar moumlglich mittels der ermittelten Korrekturwerte zu Strahlquellen extrem hoher Homogenitaumlt im on-line-Betrieb zu gelangen

Wirtschaftliche Bedeutung

Bildgebende Strahlungssensoren und homogene Strahlungsquellen sind relevant fuumlr die Forschung und Entwicklung fuumlr die Prozesstechnik fuumlr die Charakterisierung der Energieeffizienz von Bauten bei der Ent-wicklung neuer Bauteile mit hoher thermischer Belastung und in vielen weiteren Bereichen Der mathematische Algorithmus ist aber auf unter-schiedliche Arten von Kamerasystemen anwendbar und damit auch fuumlr die Qualitaumltssicherung von CCD-Kameras bis hin zum Konsumguuml-termarkt anwendbar EntwicklungsstandEine deutsche Patenterteilung erfolgte im September 2015 Eine PCT-Anmeldung ist anhaumlngig Kooperations- und Lizenzpartner aus den Bereichen Thermografie Radiometrie und Photometrie zur Umsetzung des Konzeptes werden gesucht

Ansprechpartner

Dr Bernhard SmandekBeauftragter fuumlr TechnologietransferTelefon +49 531 592shy8303Telefax +49 531 592shy69shy8303EshyMail technologietransferptbde

DiplshyIng Berndt GutschwagerArbeitsgruppeInfrarotshyStrahlungsthermometrie

Stahlungsmessplatz der PTB zur Kalibrierung von Temperaturstrahlern und Waumlrmebildkashymeras

Vorteile

bull Schnelle Kalibrierung von Flaumlchensensoren (FPA)

bull Schnelle Kalibrierung von Flaumlchenstrahlern

bull Strahlquellen houmlchster Hoshymogenitaumlt

bull Fuumlr Thermografie und Phoshytometrie

PTBshyNummer 00374

wwwtechnologietransferptbde

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Die fachlichen Aufsaumltze aus dieser Ausgabe der PTB-Mitteilungen sind auch online verfuumlgbar unterdoi 10779531020150499

Die Physikalisch-Technische Bundesanstalt das nationale Metrologieinstitut ist eine wissenschaftlich-technische Bundesoberbehoumlrde im Geschaumlftsbereich des Bundesministeriums fuumlr Wirtschaft und Energie

mitteilungen

Impressum

Die PTB-Mitteilungen sind metrologisches Fachjournal der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt Braunschweig und Berlin Als Fachjournal veroumlffentlichen die PTB- Mitteilungen wissenschaftliche Fachaufsaumltze zu metrologischen Themen aus den Arbeitsgebieten der PTB Die PTB-Mitteilungen stehen in einer langen Tradition die bis zu den Anfaumlngen der Physikalisch-Technischen Reichsanstalt (gegruumlndet 1887) zuruumlckreicht

Bundesallee 100 38116 Braunschweig

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Telefon 0531 592-3006 Fax 0531 592-3008 E-Mail presseptbde wwwptbde

Physikalisch-Technische BundesanstaltBraunschweig und BerlinNationales Metrologieinstitut

Die Physikalisch-Technische Bundesanstalt das nationale Metrologieinstitut ist eine wissenschaftlich-technische Bundesoberbehoumlrde im Geschaumlftsbereich des Bundesministeriums fuumlr Wirtschaft und Energie

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PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4Das Jahr des Lichtes

Photometers eine Funktion des Gesichtsfeldes des jeweils verwendeten Streulichttubus vor dem Photometer Derzeit werden 2 Tuben je nach Groumlszlige der Lichtquelle mit Oumlffnungswinkeln von ca 15deg und ca 225deg verwendet Ihre typischen Korrekturwerte betragen etwa 09995 und 09990 Da jeder Messroboter mit diesem Back-Looking-Photometer ausgeruumlstet ist kann so der Streulicht-anteil fuumlr jedes Photometer bestimmt werden Da die Back-Looking-Photometer bdquoruumlckwaumlrtsldquo gerichtet sind wird also jeweils die Streulichtkorrektur fuumlr den gegenuumlberliegenden Messroboter bestimmt Damit ist es moumlglich den Wert des Lichtstroms mit zugehoumlriger Messunsicherheit zu bestimmen Tabelle 2 illustriert Ergebnisse einer vereinfachten Monte-Carlo-Simulation (MC) am Beispiel einer OSRAM-Wi4-Lichtstrom-Normallampe Ihre Lichtstaumlrkeverteilung ist in Bild 13 wiedergegeben

Die MC basiert auf den folgenden Gleichun-gen (24) Werte der wichtigsten Beitraumlge zur Mes-sunsicherheit koumlnnen der Tabelle 2 entnommen werden Eine detailliertere Beschreibung der Roboter und Analyse der Messunsicherheit kann [12] entnom-men werden

Bild 13 Raumlumliche Lichtstaumlrkeverteilung einer OSRAM-Wi4-Lichtstrom-Normallampe

Quantity Symbol Value Uncertainty Unit Sensitivity Contribution lm Relative contribution

Luminous responsivity 1 s1 3065E-10 9195E-13 A lxndash1 188E+12 173 000150

Luminous responsivity 2 s2 4111E-10 12333E-12 A lxndash1 143E+12 177 000153

Spectral matching exponent 1 m2 y 0021 0015 1 20 030 000026

Spectral matching exponent 2 m2 y 0036 0015 1 18 027 000023

CCT or distribution temperature T 2762 10 K 0012 012 000011

Uncertainty in r Δr 0000 00020 m 901 180 000156

Calibration factor for frequency F cFH 1000 00005 1 1141 057 000049

Calibration factor for frequency ƒ cFD 1000 00050 1 104 005 000005

Voltage to frequency converter 1 w1 f 500849 25 Hz Vndash1 0012 031 000027

Voltage to frequency converter 2 w2 f 500561 25 Hz Vndash1 00118 029 000026

Amplification gain 1 R1 g 1000E+09 99996 Ω 6223E-07 006 000005

Amplification gain 2 R2 g 9997E+08 99966 Ω 5430E-07 005 000005

Calibration factor for cmon ccm 1000 00005 1 1162 058 000050

Correction factor for stray light cstr 09995 00005 1 1134 057 000049

Luminous flux Φ 11541 327 00028

Tabelle 2 Unsicherheitsbudget

29

PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4 Kurze Geschichte der Goniophotometrie in der PTB

Somit ergibt sich zurzeit eine erweiterte Mess-unsichert von 056 fuumlr k = 2 Dies entspricht etwa der Messunsicherheit welche mit dem groszligen Kardan-Goniophotometer erreichbar war Im Unterschied zum Kardan-Goniophotometer (fester Messradius) verfuumlgt das Roboter-Goniophotometer jedoch uumlber die noumltige hohe Flexibilitaumlt (z B durch Variation des Messradius) die noumltig ist um kuumlnftige Anforderungen erfuumlllen zu koumlnnen Eben diese hohe Flexibilitaumlt fuumlhrt bei der Bestimmung des Messradius zu relativ groszligen Messunsicherheiten Hier koumlnnte die Verwendung einer Lookup-Table oder eine On-Line-Verfolgung mittels Tracer-Syste-men der Bahnen diese Unsicherheit verkleinernMittlerweile ist das Roboter-Goniophotometer voll-staumlndig charakterisiert und wird fuumlr beleuchtungs-staumlrkebasierte Lichtstromkalibrierungen und auch fuumlr internationale Vergleiche eingesetzt Damit werden auch die Anforderungen (15ndash17) erfuumllltIm naumlchsten Schritt wird das Roboter-Goniopho-tometer mit Leuchtdichtemesskameras ausgeruumlstet

werden um es als bdquoNahfeld-Goniophotometerrdquo einzusetzen Es wird dann die direkte Messung der Leuchtdichteverteilung erlauben aus welcher nahezu alle noumltigen photometrischen Groumlszligen abgeleitet werden koumlnnen Dieser kuumlnftige Schritt wird dann auch den letzten Punkt (18) der Anfor-derungen erfuumlllen

3 Zusammenfassung

Die Geschichte der Goniophotometrie in der PTB uumlber einen Zeitraum von mehr als 50 Jahren wird praumlsentiert Verschiedene Goniophotometer ange-fangen vom manuell bewegten Einarm-Goniopho-tometer mit visuellem Photometer uumlber das groszlige und kleine Kardan-Goniophotometer bis hin zum bdquoState-of-the-art-Roboter-Goniophotometerldquo fuumlr das 21 Jahrhundert werden beschrieben Das Letztere hat das Potenzial in der traditionellen Betriebsart aber auch im Nahfeldmodus uumlber viele Jahre eingesetzt zu werden Neu aufkommende

Quantity Symbol Value Uncertainty Unit Sensitivity Contribution lm Relative contribution

Luminous responsivity 1 s1 3065E-10 9195E-13 A lxndash1 188E+12 173 000150

Luminous responsivity 2 s2 4111E-10 12333E-12 A lxndash1 143E+12 177 000153

Spectral matching exponent 1 m2 y 0021 0015 1 20 030 000026

Spectral matching exponent 2 m2 y 0036 0015 1 18 027 000023

CCT or distribution temperature T 2762 10 K 0012 012 000011

Uncertainty in r Δr 0000 00020 m 901 180 000156

Calibration factor for frequency F cFH 1000 00005 1 1141 057 000049

Calibration factor for frequency ƒ cFD 1000 00050 1 104 005 000005

Voltage to frequency converter 1 w1 f 500849 25 Hz Vndash1 0012 031 000027

Voltage to frequency converter 2 w2 f 500561 25 Hz Vndash1 00118 029 000026

Amplification gain 1 R1 g 1000E+09 99996 Ω 6223E-07 006 000005

Amplification gain 2 R2 g 9997E+08 99966 Ω 5430E-07 005 000005

Calibration factor for cmon ccm 1000 00005 1 1162 058 000050

Correction factor for stray light cstr 09995 00005 1 1134 057 000049

Luminous flux Φ 11541 327 00028

Φ = sdot

sdot

+ sdot sdotminus

c JJ

TT

r r c c tm

m

i i

y

strA

cm monj

0

12

1

1

( ) ∆ (( )sdot minus( ) sdotsdot sdot minus

+=

minus=sumsum

cos cosFH FD

ϑ ϑ

ϕ

1 1 10

1 11

11

1

i ii

m jj

n

i jc F c∆ sdotsdot( )sdot sdot

+

+ sdot sdot (

f

s w R

TT

r r c c tm

i i

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1 0

1 1 1

22

2

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f g

Acm mon∆ ))sdot minus( ) sdot

sdot sdot minus sdot

+=

minus=sumsum

cos cosFH FD

ϑ ϑ

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2 2 10

1 11

22

2

i ii

m jj

n

i jc F c∆ ff

s w R

2 0

2 2 2

( )sdot sdot

f g

(24)

30

PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4Das Jahr des Lichtes

Anforderungen fuumlr die Ruumlckfuumlhrung photome-trischer Einheiten wie beispielsweise im Solid-State-Lighting-Bereich koumlnnen so erfuumlllt werden

Literatur

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[2] R Sewig 1938 Handbuch der Lichttechnik Band 1 pp 319 321 Berlin Springer Verlag

[3] D Foumlrste 1966 Zur Lichtstrommessung an Lam-pen mit ungleichmaumlszligiger Lichtverteilung PTB-Mitteilungen 166 pp 18ndash20 Braunschweig PTB

[4] D Foumlrste 1979 Ein Goniophotometer zur genauen Bestimmung des Lichtstroms Licht-Forschung 1 Jahrgang 379 pp 30ndash36 Heidelberg Huumlthig Verlag

[5] D Foumlrste 1980 Elimination des Fremdlichts bei der Lichtstrombestimmung mit dem Gonio-photometer Licht-Forschung 2 Jahrgang 180 pp 27ndash29 Heidelberg Huumlthig Verlag

[6] W Erb 1997 PTB Network for realization and maintenance of the candela Metrologia 3497 pp 115ndash124 Bristol UK

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[10] M Lindemann 2009 Photometry and Colori-metry of Reference LEDs by Using a Compact Goniophotometer MAPAN ndash Journal of Metro-logy Society of India Vol 24 No 3 pp 143ndash152 New Delhi India

[11] G Bizjak 2009 Determination of Stray Light at the PTB Goniophotometer Facility MAPAN ndash Jour-nal of Metrology Society of India Vol 24 No 3 pp 163ndash173 New Delhi India

[12] M Lindemann et al 2015 Robot goniopho-tometry at PTB Metrologia 52 pp 167ndash194 Bristol UK

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PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4Das Jahr des Lichtes

1 Eine einleitende Beschreibung von Gluumlhlampen LEDs und OLEDs

Der Einsatz Licht Emittierender Dioden (LED) in der Allgemeinbeleuchtung hat in den vergangenen Jahren erheblich zugenommen Ein entscheiden-der Vorteil der LED gegenuumlber der traditionellen Gluumlhlampe liegt in ihrer uumlberlegenen Lichtaus-beute ηv ndash dem Verhaumlltnis des emittierten Licht-stroms Φv und der aufgenommenen elektrischen Leistung Pel angegeben in LumenWatt

Dieser Vorteil beruht auf den Unterschieden der zugrunde liegenden Technologien der Lichterzeu-gung beider Lampentypen Bei einer (Halogen-)Gluumlhlampe wird der Gluumlhfaden durch elektrischen Strom auf Temperaturen um 3000 K aufgeheizt Obwohl hierbei fast die gesamte elektrische Leis-tung in Strahlung umgewandelt wird ndash Verluste durch thermische Konvektion oder Waumlrmeleitung sind gering ndash kann das menschliche Auge lediglich einen geringen spektralen Anteil der ungefaumlhr 5 der Gesamtstrahlungsleistung ausmacht wahr-nehmen Der Groszligteil der Strahlungsleistung liegt im infraroten Spektralbereich und kann nicht fuumlr Beleuchtungszwecke genutzt werden In Bild 1 ist die spektrale Verteilung einer Gluumlhlampe bei einer Temperatur von 2856 K im Spektralbereich

von 300 nm bis 1200 nm dargestellt Das sichtbare Licht im Spektralbereich zwischen 360 nm und 830 nm ist mit den entsprechenden Spektralfarben hinterlegt Oberhalb 830 nm beginnt der fuumlr das menschliche Auge unsichtbare infrarote Anteil der Strahlung

Der fuumlr photometrische Messungen normativ festgelegte spektrale Hellempfindlichkeitsgrad V(λ) also die Hellempfindlichkeit des Auges eines bdquoNormalbeobachtersldquo ist mit seinem Maximum bei 555 nm schwarz eingezeichnet

Da die Gluumlhlampe eine thermische Strahlungs-quelle ist verschiebt sich mit zunehmender Tem-peratur die Lage des Strahlungsmaximums ent-sprechend des Wienschen Verschiebungsgesetzes zu kuumlrzeren Wellenlaumlngen Um die Lichtausbeute von Gluumlhlampen zu erhoumlhen muumlsste man das Strah-lungsmaximum durch Temperaturerhoumlhung in den kurzwelligeren Bereich des sichtbaren Lichts verschieben Die Maximaltemperatur ist jedoch bei Gluumlhfaumlden aus Wolfram auf etwa 3000 K begrenzt ndash bei houmlheren Temperaturen nimmt die Lebensdauer drastisch ab

Das Funktionsprinzip einer LED-Lichtquelle basiert auf dem Phaumlnomen der Elektrolumines-zenz Der prinzipielle Aufbau einer LED aumlhnelt einer pn-Halbleiterdiode Durch Anlegen einer Gleichspannung rekombinieren Ladungstraumlger in der p-n-Grenzschicht der Leuchtdiode unter Emission von Strahlung Durch gezielte Auswahl der verwendeten Halbleitermaterialien und ihrer Dotierung wird deren Bandluumlcke und somit die Farbe des emittierten Lichtes bestimmt Im Jahr 1992 gelang der Durchbruch in der Entwicklung hocheffizienter blauer LEDs die den Einsatz von LEDs zur Allgemeinbeleuchtung erst ermoumlgli-chen Die zugrunde liegenden Forschungsarbei-ten wurden 2014 mit dem Nobelpreis fuumlr Physik gewuumlrdigt [1]

Eine schmalbandige Lichtemission ist charak-teristisch fuumlr LEDs Dementsprechend verfuumlgt ihr Licht uumlber eine hohe Farbsaumlttigung Durch die Bedeckung des LED-Chips mit breitbandig pho-tolumineszierenden Farbstoffen wird ein Teil der Strahlung in energieaumlrmeres langwelligeres Licht konvertiert und es entstehen Mischfarben wie

Metrologie fuumlr moderne Lichtquellen LEDs und OLEDs Thorsten Gerloff

Thorsten Gerloff Arbeitsgruppe bdquoPhotometrieldquo EshyMail thorstengerloffptbde

Bild 1 Spektrale Verteilung einer Gluumlhlampe und spektraler Hellempfindlichkeitsgrad (V(λ)-Funktion)

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PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4 Metrologie fuumlr moderne Lichtquellen

i Infokasten LED

Lichtausbeute einer Strahlungsquelle ηv

Die Lichtausbeute einer Strahlungsquelle gibt das Verhaumlltnis aus ausgestrahltem Lichtstrom und aufgenommener elektrischer Leistung an Die Einheit ist LumenWatt (lmW) Je houmlher die Lichtausbeute ist umso energieeffizienter ist die Beleuchtung Gluumlhlampen besitzen Lichtausbeuten zwischen 10 und 20 lmW

Lichtstrom Φv

Der Lichtstrom beruumlcksichtigt den Hellempfind-lichkeitsgrad V(λ) des Auges und gibt die in alle Raumrichtungen abgegebene bdquoLichtleistungldquo einer Lampe an Der Lichtstrom enthaumllt keine Information daruumlber wie die Lampe das Licht im Raum verteilt Der Lichtstrom gibt an wie hell ein beleuchteter Raum dem Menschen erscheint

Spektraler Hellempfindlichkeitsgrad V(λ)

Der exakt definierte spektrale Hellempfindlich-keitsgrad V(λ) ist eine Bewertungsfunktion fuumlr elektromagnetische Strahlung Hiermit wird der bdquoHelligkeitseindruck eines menschlichen Durch-schnittsaugesldquo berechnet Dies ermoumlglicht den objektiven Vergleich von Lichtquellen mit physika-lischen Messmethoden Subjektive Wahrnehmun-gen einzelner Menschen koumlnnen damit nicht exakt wiedergegeben werden

Aumlhnlichste Farbtemperatur TN

Es gibt unterschiedliche Farbtemperaturen in der Photometrie Verhaumlltnis- und Verteilungstem-peratur sind nur bei thermischen Strahlern wie der Gluumlhlampe anwendbar Nur die aumlhnlichste Farbtemperatur (englisch Correlated Colour Temperature CCT) laumlsst sich fuumlr Lichtquellen mit beliebiger spektraler Zusammensetzung berech-nen sofern die Normfarbwertanteile aumlhnlich einem thermischen Strahler sind Die aumlhnlichste Farbtemperatur wird in der Einheit Kelvin (K) angegeben Sie gibt an ob das Licht warmweiszlig (ca 3000 K) neutralweiszlig (ca 4500 K) oder tages-lichtweiszlig (gt5500 K) erscheint

Normfarbwertanteile (x y)

Fuumlr die Angabe von Farbe gibt es neben dem spek-tralen Hellempfindlichkeitsgrad V(λ)noch weitere definierte Bewertungsfunktionen Hiermit laumlsst sich die Farbwahrnehmung eines fiktive Normalbeob-achters aus der gemessenen spektralen Verteilung des Lichts durch Angabe von nur zwei Werten (x und y) angeben Diese Werte geben die Koordi-naten auf der Normfarbtafel (s Abbildung) an

Normfarbtafel

Farbwiedergabeindex Ra

Der Farbwiedergabeindex ist eine Kennzahl fuumlr Lichtquellen der bewertet die Qualitaumlt der Farb-wiedergabe Je houmlher der Wert desto besser ist die Farbwiedergabe Der Maximalwert liegt bei 100 Werte zwischen 90 und 100 geben eine ausgezeich-nete Farbwiedergabe an Werte unter 80 sind fuumlr viele Anwendungen nicht ausreichend

Im Folgenden soll ein kleiner Leitfaden gegeben werden der in allgemeinverstaumlndlicher Form die grundlegenden Ideen wichtiger lichttechnischer Groumlszligen erlaumlutern soll Komplexe Details der zugrunde liegenden Normen und Definitionen werden hierbei nicht beruumlcksichtigt

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PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4Das Jahr des Lichtes

Pastellfarbtoumlne oder auch weiszliges LichtIn Bild 2 sind die spektralen Verteilungen einer

LED mit und ohne Leuchtstoff abgebildet In der linken Abbildung erkennt man die schmalbandige blaue Emission des LED-Chips In der rechten Abbildung wird ein Teil dieser Strahlung durch einen Leuchtstoff in laumlngerwelliges Licht konver-tiert und die Mischfarbe erscheint weiszlig

Der Vorteil einer LED gegenuumlber einer Gluumlh-lampe bezuumlglich der Lichtausbeute ist offensicht-lich Es wird ndash von unvermeidbarer thermischer Verlustleistung abgesehen ndash nur Strahlung im sichtbaren Wellenlaumlngenbereich emittiert Daruumlber hinaus ist die Farbe des Lichts von LEDs durch Kombination verschiedener Leuchtstoffe und LEDs nahezu beliebig einstellbar und man ist nicht auf aumlhnlichste Farbtemperaturen von ca 3000 K wie bei der Gluumlhlampe begrenzt

Allerdings gibt es auch Nachteile gegenuumlber dem Licht einer Gluumlhlampe Dem typischen Spektrum einer LED-Lichtquelle fehlen im Gegensatz zu Sonnenlicht oder Gluumlhlampenlicht einzelne Spekt-ralfarben Dies macht sich negativ bei der Qualitaumlt der Farbwiedergabe bemerkbar

Die Farbe des emittierten Lichts einer LED laumlsst sich durch additive Farbmischung sehr aumlhnlich zu Sonnenlicht oder auch Gluumlhlampenlicht einstellen Wenn jedoch Objekte mit Licht beleuchtet werden kommt es auch auf die spektrale Zusammensetzung des Lichts an Nehmen wir einen Blumenstrauszlig aus roten Rosen der im Tageslicht steht Im Son-nenlicht sind alle Spektralfarben vorhanden und diese beleuchten die Rosen Die roten Bluumltenblaumltter absorbieren einige spektrale Anteile des Lichts und reflektieren im Wesentlichen rotes Licht welches in das Auge des Betrachters faumlllt Wenn die Rosen von einer anderen Lichtquelle beleuchtet werden in der die roten Spektralanteile zumindest teilweise fehlen koumlnnen diese nicht reflektiert werden und die Farben der Rosen erscheinen unnatuumlrlich

Dies ist von weitreichender Bedeutung fuumlr die Wahl einer geeigneten Lichtquelle da wir einen Kompromiss aus Licht mit guter Farbwieder-gabe und hoher Lichtausbeute schlieszligen muumlssen Licht mit hoher Farbwiedergabe setzt sich aus moumlglichst vielen Spektralfarben zusammen und Lichtquellen mit hoher Lichtausbeute sollten nur Spektralfarben beinhalten fuumlr die das menschliche Auge besonders empfindlich ist In den Auszligenbe-zirken vieler Staumldte werden zur Nachtbeleuchtung der Gehwege haumlufig Natriumdampflampen mit orangefarbenem Licht eingesetzt Die Lichtaus-beute dieser Lampen ist mit etwa 150 lmW auszligerordentlich hoch da das menschliche Auge in diesem Spektralbereich sehr empfindlich ist Diese Beleuchtung ist jedoch ungeeignet um Farben natuumlrlich wiederzugeben Aufgrund des Aufbaus des menschlichen Auges ist es also nicht moumlglich eine Beleuchtung mit sehr hoher Qualitaumlt der Farbwiedergabe bei gleichzeitig sehr hoher Lichtausbeute zu realisieren

Weiszlige LEDs zur Allgemeinbeleuchtung nutzen in der Regel Leuchtstoffe die teilweise qualita-tiv hochwertige Farbwiedergabeeigenschaften besitzen Eine weitere Methode zur Erzeugung von weiszligem Licht ist das Mischen von rotem gruumlnem und blauem Licht (RGB-Verfahren) welches die Grundlage jedes Displays ist Hierbei sind neben weiszligem Licht auch andere Lichtfarben moumlglich ndash die Farbwiedergabeeigenschaften sind allerdings schlecht Fuumlr die Endverbraucher sind in der Regel die Farbwiedergabeeigenschaften von Lichtquellen als Ra-Werte auf der Verpackung angegeben

Organische Licht Emittierende Dioden (OLED) sind eine junge Beleuchtungstechnologie die noch keinen Zugang zum Massenmarkt erhalten hat Die weltweit erste kommerzielle OLED-Leuchte wurde 2008 vertrieben Der fuumlr den Nutzer wesentliche Unterschied zwischen OLEDs und LEDs besteht im Aufbau Der leuchtende Kristall

Bild 2 Spektrale Verteilung einer blauen LED (links) und einer weiszligen LED (rechts) bei der ein Teil des blauen Lichts zu gelbem Licht konvertiert wurde

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PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4 Metrologie fuumlr moderne Lichtquellen

anorganischer LEDs besitzt eine maximale Kan-tenlaumlnge von etwa einem Millimeter Bei OLEDs wird das Licht in groszligflaumlchigen amorphen organi-schen Schichten erzeugt Momentan sind OLEDs mit leuchtenden Flaumlchen von bis zu 20 x 20 cmsup2 erhaumlltlich Das Licht wird aumlhnlich wie bei LEDs durch Ladungstraumlgerrekombination unter Auftre-ten von Elektrolumineszenz erzeugt Dabei ist das Emissionsspektrum der verwendeten organischen Emittermaterialien wesentlich breitbandiger als das einer LED (vgl Bild 3) Daher wird das weiszlige Licht von OLEDs in der Regel durch Verwendung von roten gruumlnen und blauen Emittermaterialien erzeugt ohne dass die Farbwiedergabeeigenschaf-ten sehr stark darunter leiden

2 Entwicklung von (O)LED-Transfer-normalen in der PTB

Eine der Kernaufgaben der PTB ist die Weiter-gabe der gesetzlichen Einheiten Bis zum heuti-gen Tage bieten Transfernormale in Form von speziellen Gluumlhlampen die besten Eigenschaften um als Maszligverkoumlrperung der Einheiten Candela oder Lumen zu dienen Da der Anwender in der Regel jedoch die Substitutionsmethode bei seinen Messungen anwendet um notwendige Korrektu-ren auf ein Minimum zu reduzieren (Gleiches mit Gleichem vergleichen) sind auch Transfernormale auf Basis der LED-Technologie von Interesse

Bereits in den 80er-Jahren des vergangenen Jahr-hunderts wurden LEDs in der PTB kalibriert Diese waren fuumlr Beleuchtungszwecke noch ungeeignet und dienten lediglich als Signallampen Zeitgleich wurden die ersten PTB-LED-Transfernormale entwickelt deren optische Eigenschaften durch thermische Regelung des LED-Chips stabilisiert wurden Die mechanische Ausrichtung der LEDs leistet aufgrund des typischerweise stark gerichteten Abstrahlprofils der LEDs einen groszligen Beitrag auf die Messunsicherheit Daher werden die LEDs seit

2002 in ein rotationssymmetrisches robustes VA-Stahl-Gehaumluse eingebaut welches sich sehr repro-duzierbar ausrichten laumlsst (vgl Bild 4)

Diese Transfernormale werden unter Konstant-Strom-Bedingungen und ndash durch gezieltes Aufhei-zen des LED-Chips durch den Heizwiderstand ndash unter Konstant-Spannung-Bedingungen betrieben Aufgrund der halbleitenden Eigenschaften sinkt mit steigender Temperatur die Betriebsspannung und sowohl der Lichtstrom als auch die Peakwellenlaumlnge des emittierten Lichts veraumlndert sich Die Sollspan-nung wird auf einen Wert festgelegt der unterhalb der Gleichgewichtsspannung durch Eigenerwaumlr-mung im Betrieb ohne Heizwiderstand bei einer Umgebungstemperatur von etwa 35 degC liegt Somit ist auch ein Einsatz der Transfernormale in Laboren ohne Klimatisierung moumlglich

Fuumlr LEDs mit houmlheren Leistungen wurde im Jahr 2011 ein weiterer Prototyp eines Transfernormals vorgestellt (vgl Bild 5) Da die hier verwendeten LEDs eine houmlhere Leistungsaufnahme besitzen werden sie waumlrmer Das reduziert die Lebensdauer und Reproduzierbarkeit der photometrischen

Bild 3 Exemplarische spektrale Verteilung einer weiszligen OLED

Bild 4 Temperaturgeregeltes LED-Transfernormal auf Basis von Kleinleistungs-LEDs mit Lichtstroumlmen von bis zu 10 Lumen

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PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4Das Jahr des Lichtes

Groumlszligen deutlich Daher muumlssen sie gekuumlhlt werden Hierfuumlr kommt bei diesen Normalen ein Peltier-Element zum Einsatz welches geregelt Waumlrme in einen dahinterliegenden Kuumlhlkoumlrper leitet und hierdurch das emittierte Licht stabilisiert Diese Transfernormale zeichnen sich durch ein geringes

Gewicht bei einer Laumlnge von ca 100 mm und einem Durchmesser von etwa 20 mm aus Allerdings ist die Verwendung von LEDs mit sehr hohen Leistun-gen nicht moumlglich da die Abwaumlrme lediglich passiv an den Raum abgegeben wird Eine detaillierte Beschreibung der Eigenschaften dieses Transfer-normals wurde 2012 veroumlffentlicht [2]

Fuumlr die thermische Stabilisierung von LEDs mit sehr hohen Leistungen wurde ein weiteres Trans-fernormal unter Einsatz von Peltier-Elementen Heatpipes und aktivem Kuumlhlsystem in der PTB entwickelt (vgl Bild 6)

Im Rahmen des europaumlischen Forschungspro-jekts OLED100eu wurde in der PTB weiterhin das weltweit erste Transfernormal unter Einsatz einer organischen Leuchtdiode entwickelt (vgl Bild 7) Dieses Normal wurde fuumlr den Einsatz in einer Ulbricht-Kugel konzipiert und in ein mattes Aluminiumgehaumluse eingebaut Eine Besonderheit dieses Normals ist die Stand-Alone-Versorgungs-einheit die ohne Rechner o auml saumlmtliche relevan-ten elektrischen und thermischen Groumlszligen regelt und auf einem USB-Stick speichert

3 LED-Messtechnik in der PTB

Neben LED-Transfernormalen mit guter Reprodu-zierbarkeit ist eine hochentwickelte Messtechnik fuumlr deren Kalibrierung mit minimaler Messunsi-cherheit erforderlich

Die photometrische Beschreibung von LEDs erfolgt durch Angabe ihrer Lichtstaumlrke ILED mit der Einheit Candela und ihrem Lichtstrom ΦLED mit der Einheit Lumen Diese Groumlszligen werden in der PTB unter Verwendung ruumlckgefuumlhrter Photometer bestimmt Hierfuumlr wird die Beleuchtungsstaumlrke ELED unter definierten geometrischen Bedingungen fuumlr alle Abstrahlrichtungen der LED mit einem Goniophotometer gemessen

Fuumlr die Bestimmung der colorimetrischen Werte kommen Spektralradiometer zum Einsatz Hiermit werden spektrale Bestrahlungsstaumlrken gemessen und daraus die abgeleiteten colorime-

Bild 5 Temperaturgeregeltes LED-Transfernormal auf Basis von Hochleistungs-LEDs mit Lichtstroumlmen von bis zu 100 Lumen Im rechten Bild ist die Temperaturverteilung in Grad Celsius waumlhrend des Betriebs abgebildet

Bild 6 Temperaturgeregeltes LED-Transfernormal auf Basis von Houmlchstleistungs-LEDs mit Lichtstroumlmen von bis zu 2500 Lumen

Bild 7 Temperaturgeregeltes OLED-Transfernormal auf Basis kommerziell erhaumlltlicher OLEDs

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PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4 Metrologie fuumlr moderne Lichtquellen

trischen Kenngroumlszligen wie z B die Normfarb-wertanteile (x y) bei weiszligen LEDs die aumlhnlichste Farbtemperatur TN mit der Einheit Kelvin und bei farbigen LEDs die dominante Wellenlaumlnge λdom berechnet Grundlegende Informationen und Definitionen uumlber die photometrischen und colorimetrischen Groumlszligen und deren Messung sind in [3] [4] und [5] zu finden

In Bild 8 ist der Aufbau des LED-Messplatzes an der PTB zu sehen Fuumlr die Bestimmung der Mess-groumlszligen in alle raumlumlichen Abstrahlwinkel wird die LED durch ein Goniophotometer bewegt

Die LED wird in horizontaler Betriebslage zentrisch normal zur Referenzebene des Photo-meterkopfes ausgerichtet Ein Translationstisch ermoumlglicht dabei eine Variation des Abstandes d zwischen Photometer und LED Eine horizontale Rotationsachse (φ-Achse) und eine senkrechte Rotationsachse (ϑ-Achse) die sich an der LED-Spitze im rechten Winkel schneiden erlauben durch Drehung der LED eine Bestimmung der Beleuchtungsstaumlrke ELED in alle Raumrichtungen Beide Rotationsachsen werden waumlhrend der Messung zeitgleich bewegt Hierdurch bewegt sich die relative Position der lichtempfindlichen Emp-faumlngeroumlffnung bezuumlglich des Schnittpunkts beider Drehachsen auf der Oberflaumlche einer virtuellen Kugel entlang einer Spiralbahn von bdquoPol zu Polldquo dieser Kugel

Die Bestimmung des Lichtstroms ΦLED erfolgt analog der Beschreibung in dem Kapitel Kurze Geschichte der Goniophotometrie in der PTB Der wesentliche Unterschied zu goniophotome-trischen Messungen an Gluumlhlampen besteht darin dass bei LED-Messungen die Lichtquelle typischerweise bewegt werden kann ohne dass sich ihre optischen Eigenschaften aumlndernAufgrund des stetig wachsenden Bedarfs an ruumlck-gefuumlhrten Kalibrierungen von High-Power-LEDs sind Masse und Abmessungen der Transfernor-male erheblich gestiegen Daher wurde der Mess-platz 2015 um ein weiteres Goniophotometer fuumlr schwere und groszlige Objekte erweitert (vgl Bild 9)

Neben den photometrischen Empfaumlngern befinden sich auch Einkoppeloptiken fuumlr Spekt-ralradiometer auf dem drehbaren Empfaumlngerka-russell Alle Empfaumlnger lassen sich hiermit auto-matisiert waumlhrend einer Messung zu den LEDs ausrichten Vor jeder LED-Kalibrierung werden die Spektralradiometer bezuumlglich Ihrer spektralen Empfindlichkeit und Wellenlaumlnge kalibriert Die entsprechenden Normallampen befinden sich neben dem Empfaumlngerkarussell (vgl Bild 10) und ermoumlglichen so ebenfalls eine automatisierte Messung

Den spektralen Messungen an LEDs kommt neben der Notwendigkeit fuumlr die Bestimmung colorimetrischer Kennzahlen noch eine beson-dere Bedeutung fuumlr die photometrischen Messun-

Bild 9 Goniophotometer fuumlr photometrische Messungen an Hochleistungs-LEDs

Bild 10 Entladungslampen mit verschiedenen Gasfuumlllungen dienen der Wellenlaumlngenka-librierung der Spektrometer Im Hintergrund ist eine Bestrahlungsstaumlrke-Normal-lampe fuumlr die spektrale Empfindlichkeitskalibrierung zu sehen

Bild 8 Goniophotometer fuumlr photometrische Messungen an Kleinleistungs-LEDs

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PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4Das Jahr des Lichtes

gen zu Wie in der Einleitung erklaumlrt unterscheiden sich die spektralen Verteilungen von LEDs und Gluumlhlampen deutlich voneinander Photometerkoumlpfe bestehen in der Regel aus einer Silizium-Photodiode deren spektrale Empfindlichkeit durch den Einsatz von Glasfiltern moumlglichst gut an den Hellemp-findlichkeitsgrad V(λ) angepasst wird Aufgrund internationaler Standardisierung wird die photo-metrische Empfindlichkeit von Photometerkoumlpfen fast ausschlieszliglich fuumlr Normlichtart A kalibriert In der Praxis werden hierfuumlr Gluumlhlampen mit einer Verteilungstemperatur von 2856 K verwendet Wenn man ein solches Photometer fuumlr Messungen an anderen Gluumlhlampen verwendet sind die spektralen Verteilungen meist so aumlhnlich dass nur geringe oder gar vernachlaumlssigbare Korrekturen aufgrund der spektralen Fehlanpassung also der Abweichung der realen spektralen Empfindlichkeit des Photometers von dem Hellempfindlichkeitsgrad notwendig sind Wenn man ein solches Photometer jedoch bei LEDs insbesondere farbigen LEDs einsetzt koumlnnen die Abweichungen aufgrund der spektralen Fehlan-passung sehr groszlig werden (gt10 fuumlr hochwertige Photometerkoumlpfe sind moumlglich)

Mit Kenntnis der relativen spektralen Verteilung der Leuchtdiode SLED(λ) und der relativen spekt-ralen Empfindlichkeit srel(λ) laumlsst sich die spektrale Fehlanpassung durch folgenden Korrekturfaktor cSpek korrigieren

cV S

s S

V P T

sSpek

LED

rel LED

A

rel

d

d

d=

( ) ( )( ) ( )

( ) ( )( )

intint

intλ λ λ

λ λ λ

λ λ λ

λ

intint ( )P Tλ λ A d

P(λ TA) beschreibt Lichtart A durch das Planck-sche Strahlungsgesetz fuumlr TA = 2856 K

Eine detaillierte Auflistung und Diskussion aller zu beruumlcksichtigenden Details bei Kalibrierungen von LEDs und das dazugehoumlrige Messunsicher-heitsbudget soll an dieser Stelle nicht gegeben werden Interessierte Leser koumlnnen hierfuumlr Infor-mationen in einer fruumlheren Veroumlffentlichung [6] oder in den Ergebnissen eines internationalen Vergleichs von LED-Messungen [7] finden

Fazit und Ausblick

Der Verzicht auf LEDs ist fuumlr Beleuchtungsan-wendungen nicht mehr vorstellbar Durch ihre kontinuierliche Weiterentwicklung erobern LEDs immer weitere Anwendungsfelder (z B Haus-halts- Straszligen- und Automobilbeleuchtung) mit denen der Endkunde in Kontakt kommt Bei diesen Anwendungen sind die Anforderungen an die Lichtquellen vielfaumlltig und fuumlr eine quantitative Beschreibung ihrer Eigenschaften muss auch die Messtechnik entsprechend umfassend und ausge-reift sein

Neben dem allgemeinen Forschungs- und Ent-wicklungsbedarf fuumlr bessere LED-Messverfahren und -geraumlte die die Grundlage ihrer technologi-schen Weiterentwicklung bilden gibt es eine weitere Herausforderung Aufgrund der nahezu unbe-grenzten Moumlglichkeiten eine bestimmte Lichtfarbe durch additive Farbmischung zu erhalten sind LEDs verschiedener Hersteller mit unterschiedlichen Emissionsspektren aber einer nominell gleichen aumlhnlichsten Farbtemperatur erhaumlltlich Dennoch ist teilweise ein Unterschied der Lichtfarbe mit bloszligem Auge erkennbar wenn sich unterschiedliche LEDs nebeneinander befinden

Es ist ungewoumlhnlich dass man ohne technische Hilfsmittel nominell gleiche Lichtfarben faktisch unterscheiden kann Um die Charakterisierung von LEDs soweit zu verbessern dass dies nicht mehr moumlglich ist ist einerseits eine Reduzierung der Messunsicherheit bei der Bestimmung der Normfarbwertanteile (Lichtfarbe) notwendig Andererseits muss man sich bewusst machen dass photometrische und colorimetrische Messverfahren auf rein physikalischen Zusammenhaumlngen basieren Individuelle menschliche Wahrnehmung und Sehen werden bei photometrischen Messungen nicht beruumlcksichtigt ndash diese werden durch Festlegung von exakt definierten Wichtungsfunktionen wie dem Hellempfindlichkeitsgrad fuumlr einen fiktiven Normalbeobachter ausgegrenzt Diese Wichtungs-funktionen koumlnnen gegebenenfalls auch noch optimiert werden um die objektive Beurteilung von Lichtquellen mit physikalischen Messmethoden zu verbessern Somit gibt es auch in Zukunft noch interdisziplinaumlre Herausforderungen fuumlr die Metro-logie moderner Lichtquellen

Literatur

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Effektpigmente hellipPTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4

Einleitung

Farbe ist fuumlr Menschen die wohl auffaumllligste sub-jektive Stoffeigenschaft Bereits den Fruumlhmenschen war diese visuelle Qualitaumlt bekannt deren Wahr-nehmung allen Primaten eigen ist So wurde 2008 in Suumldafrika eine ca 100000 Jahre alte steinzeitli-che bdquoMalerwerkstattldquo entdeckt [1] Auch heutzu-tage spielt Farbe in der Gestaltung unserer Umwelt eine wichtige Rolle Jedes Jahr praumlsentiert uns die Mode die neuen Farben der Saison Farben dienen zur Regelung des Verkehrs Ohne bunte Farben waumlre unsere Welt trist und oumlde

Es ist wichtig festzustellen dass Farbe ein physiologischer Sinneseindruck ist wie z B auch Tasten oder Riechen D h Farbe ist keine immanente physikalische Eigenschaft eines Gegenstandes wie z B seine Masse oder Waumlrme-leitfaumlhigkeit Die physiologische Wahrnehmungs-kette ist hierbei folgende Das vom betrachteten Gegenstand reflektierte Licht trifft auf das Auge und loumlst hierbei einen Farbreiz aus Dieser Farbreiz beruht auf der spektralen Zusammensetzung des empfangenen Lichts d h er ist abhaumlngig von der verwendeten Lichtquelle und dem spektralen Reflexionsvermoumlgen des betrachteten Objektes Die Anregung der licht- und farbempfindlichen Zellen in der Netzhaut fuumlhrt zu einer Farbvalenz die uumlber den Sehnerv an das Gehirn weitergeleitet wird Die eigentliche Farbempfindung die wir dann mit einem Gegenstand verknuumlpfen entsteht erst im Gehirn [2] Liegt z B eine Farbfehlsich-tigkeit vor so kann der Farbeindruck des betrof-fenen Menschen auch ein ganz anderer sein Auch viele Tiere mit ihren teilweise erheblich abweichenden visuellen Systemen nehmen Farbe ganz unterschiedlich als wir Menschen wahr Im Folgenden soll mit Farbe immer die Koumlrperfarbe auch Gegenstandsfarbe Objektfarbe bzw Oberflauml-chenfarbe genannt einer nicht selbstleuchtenden Flaumlche bezeichnet werden die durch Reflexion von Licht an einem Koumlrper entsteht

Die genannten Zusammenhaumlnge machen die mathematisch-physikalische Beschreibung von Farbe schwierig und aufwendig da auch die spe-zifischen Eigenarten der menschlichen Wahrneh-

mungskette nachgestellt werden muumlssen Diesem Umstand wird versucht uumlber die verschiedenen Farbmaszligsysteme Rechnung zu tragen welche die Farbe eines Objektes mithilfe von quantifizierba-ren Zahlenwerten kennzeichnen [3]

Generell koumlnnen farbige Flaumlchen je nach Tageszeit und Lichteinfall sehr unterschiedlich wirken Die Aumlnderungen basieren hierbei auf der unterschiedlichen spektralen Zusammenset-zung des Tageslichts und den winkelabhaumlngigen Glanz- und Struktureigenschaften von Oberflauml-chen Ganz besonders deutlich ist dies bei auf dem Interferenzeffekt basierenden Effektpigmenten der Fall Deren visuelles Erscheinungsbild im englischen mit Visual Appearance bezeichnet kann sich bei variierendem Beobachtungswinkel und unterschiedlichen Lichtverhaumlltnissen komplett veraumlndern Man spricht hierbei von sogenannten Flop-Lacken wobei man zwischen Hell-Dunkel-Flop und Farb-Flop unterscheiden kann [4]

Generell kann man sagen dass Farbe und visuelle Effekte einen entscheidenden Anteil am Verkaufserfolg eines Produktes haben denn Farben wecken Emotionen und verschiedene Neuro marketingstudien belegen dass ca 95 aller Kaufentscheidungen emotional gepraumlgt sind [5] Deshalb spielt eine moderne Farbgestaltung unter Nutzung aktueller Effektpigmente im Pro-duktdesign eine entscheidende Rolle denn durch den Einsatz solcher Pigmente kann Gegenstaumlnden eine houmlhere Attraktivitaumlt verliehen werden Daher findet man moderne Effektpigmente heutzutage in vielen teilweise sehr unterschiedlichen Indus-trieprodukten wie z B in Autolackierungen Haumluserfassaden Kosmetikartikeln oder sogar bei Pralineacutes wie dies in Bild 1 zu sehen ist

Pigmente

Als Pigmente aus dem Lateinischen kommend von pigmentum fuumlr bdquoFaumlrbestoff Schminkeldquo bezeichnet man aus Teilchen bestehende im Anwendungs-medium praktisch unloumlsliche Sub stanzen die als Farbmittel oder wegen anderer spezieller physika-lischer und chemischer Eigenschaften als funktio-nale Farbzentren verwendet werden [6]

Effektpigmente Eine Herausforderung fuumlr die optische Messtechnik

Egbert Buhr Alfred Schirmacher Andreas Houmlpe

Dr Egbert Buhr Fachbereich bdquoBildshy und Wellenoptikldquo EshyMail egbertbuhrptbde

Dr Alfred Schirmacher Arbeitsshygruppe bdquoReflexion und Transmissionldquo EshyMail alfredschirmacherptbde

Dr Andreas Houmlpe dagger ehemals Arbeitsgrupshype bdquoReflexion und Transmissionldquo

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PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4Das Jahr des Lichtes

In der Natur vorkommende anorganische Pig-mente sind schon seit praumlhistorischen Zeiten bekannt Schon die Menschen der Steinzeit benutzen mineralische Pigmente fuumlr die ersten Houmlhlenzeichnungen Sie erkannten dass sie mit unterschiedlichen Erdsorten farbig malen konnten Eisenoxidhaltige Erden liefern gelbrote bis braunrote Kalk und Gips weiszlige Mangan-oxide sowie Holz- und Knochenkohle schwarze Farbtoumlne

Aus heutiger industrieller Sicht ist ein Pigment ein fein aufgeteilter und unloumlslicher Feststoff mit der Hauptfunktion das Erscheinungsbild des verwendeten Mediums zu verbessern oder es zu faumlrben Pigmente werden dem Medium immer durch physikalisches Mischen beigegeben dies unterscheidet sie von Farbstoffen die in ihrem Medium loumlslich sind

Pigmente koumlnnen nach den optischen Prin-zipien ihrer Wechselwirkung mit Licht unter-schieden und in verschiedene Klassen eingeteilt werden Wichtige Pigmentklassen sind Weiszlig- Bunt- Schwarz- und Effektpigmente die alle wegen ihrer speziellen farbgebenden Eigenschaf-ten eingesetzt werden Bei den Effektpigmenten

kann in einer ersten vereinfachten Einteilung noch zwischen Metalleffekt- und den sogenannten speziellen Effektpigmenten unterschieden werden

Der Begriff bdquospezielle Effektpigmenteldquo umfasst die Gruppen der Perlglanzpigmente und der all-gemeinen Interferenzpigmente welche insbeson-dere bei aktuellen Pigmententwicklungen nicht scharf abgegrenzt werden koumlnnen Perlglanzpig-mente sind Effektpigmente die aus transparenten Plaumlttchen mit hohem Brechungsindex bestehen Sie erzeugen durch die spezielle Form der Mehr-fachreflexion des transmittierten Lichts an mehre-ren Pigmenten einen perlenaumlhnlichen Effekt bei dem die auftreffende Strahlung verteilt reflektiert wird wodurch der Eindruck einer mit der Tiefe abnehmenden diffusen Helligkeit entsteht Fuumlr das Auge ergibt sich so eine scheinbar dreidimen-sionale Glanzcharakteristik die aus der Tiefe des Objektes zu kommen scheint Interferenzpigmente dagegen sind Effektpigmente deren farbgebende Wirkung ganz oder vorwiegend auf dem Effekt der Vielstrahlinterferenz von Licht an duumlnnen hoch-brechenden Schichten beruht Interferenzpigmente koumlnnen dabei sowohl auf transparenten oder auch nichttransparenten Plaumlttchen basieren

Bild 1 a) Roadster mit ChromaFlairreg-Effektpigmentlackierung b) Verwaltungsgebaumlude in Braunschweig verkleidet mit Alucobondreg-spectra-colours-Verbundplatten c) Effektpigmente im Nagellack d) Pralineacute mit Effektpigmentuumlberzug

a

dc

bb

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Effektpigmente hellipPTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4

Die heute verwendeten Pigmente lassen sich somit grob in fuumlnf verschiedene Klassen einteilen

1) Weiszligpigmente Die Pigmente streuen das ge-samte auftreffende Licht nahezu verlustfrei in alle Richtungen durch diffuse ungerichtete Reflexion

2) Buntpigmente Die Pigmente streuen einen Teil des Lichtes diffus und absorbieren wellenlaumln-genselektiv einen anderen Teil des Lichtes

3) Schwarzpigmente Die Pigmente absorbieren alle Wellenlaumlngen des fuumlr das menschliche Auge sichtbaren Spektralbereiches

4) Metalleffektpigmente Die aus duumlnnen Metall-plaumlttchen vorwiegend Aluminium bestehen-den Metalleffektpigmente sind lichtundurch-laumlssig und reflektieren das gesamte auftreffende Licht durch spekulare gerichtete Reflexion Die Pigmentpartikel wirken dabei wie Mikrospie-gel und fuumlhren bei paralleler Ausrichtung im Anwendungsmedium zu einem spiegelnden Metallglanz dem Metallic-Effekt

5) Spezielle Effektpigmente Perlglanz- bzw Inter-ferenzpigmente deren optische Wirkung auf der Mehrfachreflexion an uumlberwiegend flaumlchig aus-gebildeten und ausgerichteten transparenten semitransparenten oder lichtundurchlaumlssigen Partikeln beruht

Weiszlig- Bunt- und auch Schwarzpigmente weisen typische Durchmesser im Bereich von 100 nm bis zu 1 microm auf Ihre Groumlszlige liegt damit zum Teil im Bereich der Wellenlaumlnge des sichtbaren Lichtes welches den Bereich von 380 nm bis 780 nm uumlberdeckt Einige Schwarzpigmente wie z B Ruszlig-pigmente liegen mit ihren Durchmessern jedoch auch zum Teil auch deutlich darunter Effektpig-mente besitzen dagegen Teilchendurchmesser die zumeist im Bereich von 5 microm bis 100 microm in einigen Faumlllen auch daruumlber liegen Sie sind damit bezuumlglich der mittleren Plaumlttchendurch-messer wesentlich groumlszliger als die Wellenlaumlnge des sichtbaren Lichtes Die Dicke der Plaumlttchen liegt von einigen Ausnahmen abgesehen unter 1 microm ebenso wie die Dicke der Interferenzschichten Demzufolge weisen Effektpigmente in der Regel ein hohes Aspektverhaumlltnis auf (Verhaumlltnis der lateralen Ausdehnung einer Struktur zu ihrer Houmlhe) welches bis zu 200 betragen kann

Interferenzpigmente ndash Wie die Farben entstehen

Die Farbe von Interferenzpigmenten haumlngt von der Schichtdicke der Metalloxidbeschichtung und dem Einstrahlungs- und Betrachtungswinkel ab Beide Parameter bestimmen die effektive optische Weg-

laumlngendifferenz fuumlr das einfallende weiszlige Licht zwischen oberer und unterer Grenzflaumlche und die somit auftretenden Interferenzfarben siehe Bild 3

Interferenzpigmente zeigen somit einen aus-gepraumlgten bdquoFarbflopldquo Die Winkelabhaumlngigkeit der Farbe wird hierbei auch als Goniochromasie bezeichnet Richtig bunt geht es zu wenn ein Interferenzpigment auf einen bereits bunten Untergrund aufgebracht wird Die Transparenz der Pigmente laumlsst die Untergrundfarbe durch-

Bild 2 Schematische Diagramme zum spektralen Verhalten verschiedener Pigmenttypen

Bild 3 Die Schichtdicke der Metalloxidbeschichtung und der kombinierte Einstrahlungs- und Betrachtungswinkel bestimmen die optische Weglaumlnge und somit die sich ergebenden Interferenzfarben in Reflexion und Transmission

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PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4Das Jahr des Lichtes

Bild 5 Die Effekte Spar-kling (1) und Coarseness (2) des Effektpigmentes Xirallicreg Crystal Silver in einer vergroumlszliger-ten Aufnahme auf weiszligem (links) und schwarzem Hinter-grund (rechts)

scheinen im Glanzwinkel wird sie aber von der Interferenzfarbe uumlberstrahlt wie dies in Bild 4 zu sehen ist

Der Effekt eines Helligkeitsunterschiedes unter verschiedenen Betrachtungswinkeln wird als Helligkeitsflop bezeichnet und ist an sich nichts Neues Sind jedoch die einzelnen Pigmentteilchen

aufgrund ihrer planaren Reflexionsoberflaumlchen in gerichteter Beleuchtung direkt beobachtbar was fuumlr mittlere Teilchengroumlszligen von 30 microm und groumlszliger der Fall ist so ergibt dies einen Effekt welcher mit dem Begriff Sparkle (Glitzern Funkeln) bezeichnet wird (Bild 5) Aumlndert sich die Beleuchtung von einer gerichteten Einstrahlung wie es an einem wolkenlosen sonnigen Sommertag der Fall ist hin zu einer diffusen ungerichteten Einstrahlung wie an einem stark bewoumllkten Herbsttag so verschwin-det das Sparkling der Pigmente und verwandelt sich in eine Koumlrnigkeit der Oberflaumlche Dieses optische Phaumlnomen wird als Coarseness (Bild-koumlrnigkeit) bezeichnet und ist unabhaumlngig vom Betrachtungswinkel (Bild 5)

Als neuer Archetypus des Sparkle-Begriffes haben sich in den letzten Jahren die Xirallicreg Pig-mente (High Chroma Chrystal Effect Pigments) der Firma Merck KGaA entwickelt Durch die Beschich-tung von Aluminiumoxidplaumlttchen mit hochbre-chenden Metalloxiden und einer optimierten Dicke und Ebenheit aller am Pigment beteiligten Schich-ten entstehen auszligergewoumlhnlich stark reflektierende Effektpigmente die einen besonders intensiven Sparkle-Effekt aufweisen Man spricht hierbei auch von sogenanntem Living Sparkle welcher sich in einem scheinbaren bdquoTanzenldquo der leuchtenden Punkte in der Probenoberflaumlche bei Veraumlnderung der Beobachtungsgeometrie aumluszligert [7 8]

Generell gilt dass die Farbe von Objekten mit Effektlackierung nicht mehr wie jahrzehntelang uumlblich und ausreichend mit konventionellen Farb-messgeraumlten mit nur einer festen Messgeometrie wie z B in der 45deg 0deg Geometrie (Einstrahlung unter 45deg Reflexionsmessung unter 0deg) bestimmt werden kann Dieser Umstand wird sehr gut durch die Grafik in Bild 6 illustriert Dargestellt sind die winkelabhaumlngig gemessenen Farbkoordinaten von drei verschiedenen keramischen Farbstandards der Farben rot gruumln und blau sowie eines mit dem Effektpigment Viola Fantasy der Firma Merck lackierten Blechs Der Einfallswinkel des Lichts auf die Proben betrug hierbei immer 45deg zur Oberflauml-chennormalen Das von den Proben reflektierte Licht wurde an 26 Positionen in einem 5deg Raster in planaren die Oberflaumlchennormale enthalten-den Messgeometrien im Winkelbereich von ndash70deg bis +70deg aufgenommen Bei den aus absorptiven Pigmenten bestehenden Keramiken zeigt sich eine nur sehr geringe Winkelabhaumlngigkeit der Farbe welche groumlszligtenteils auf unterschiedlicher winkelabhaumlngiger Helligkeit d h den Glanzeigen-schaften der Oberflaumlche beruht Das Effektpigment dagegen zeigt einen extremen winkelabhaumlngigen Farb-Flop (Goniochromasie) welcher einen Farbverlauf von Gruumln uumlber Rot-Gelb hin ins Blau-Violett bietet

Aber auch die neuen Lackfarben aus der Gruppe der Effektlackierungen muumlssen messtechnisch

Bild 4 Merck-Xirallicreg-Solaris-Red-Effektpigmente appliziert auf einem mit Standard-Ab-sorptionspigmenten hellblau lackierten Metallblech In Rich-tung des Glanzwin-kels auf der rechten Seite zeigt sich der langsame Aufbau der winkelabhaumlngigen Interferenzfarbe

1

Bild 6 CIELab Farbkoordinaten einer winkelabhaumlngigen Reflexionsmessung an vier verschiedenen Proben drei Keramiken der Farben rot gruumln blau und eine Effektpigmentlackierung mit Merck Colorstreamreg Viola Fantasy Das untergelegte Farbschema zeigt naumlherungsweise die den Koordinaten entsprechende Farbe

2

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Effektpigmente hellipPTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4

Abbildungsoptik Messungen der ortsaufgeloumlsten Leuchtdichte auf einer Laumlngenskala bis hinab zu 28 microm auf der zu untersuchenden Probe siehe Bild 8

Mit der Zeilenkamera sind Messungen von kompletten Reflexionsspektren im sichtbaren Spektralbereich zwischen 380 nm und 780 nm dem sogenannten V(λ)-Bereich auf einer Zeit-skala von 2 Minuten moumlglich Hieraus lassen sich dann Farbkoordinaten der untersuchten Proben in den unterschiedlichsten Farbraumsystemen berechnen Eine absolute Messung in 114 Win-kelkombinationen (siehe Bild 9) im Polarwinkel-

erfasst und ruumlckgefuumlhrt werden um eine gleich-bleibende Qualitaumlt in der Produktion gewaumlhrleis-ten zu koumlnnen Gerade diese vielfaumlltigen zusaumltz-lichen Eigenschaften stellen die Farbmesstechnik vor neue Herausforderungen

Farbmessung

Bisherige kommerzielle Farbmessgeraumlte charakte-risieren Probenoberflaumlchen fast ausschlieszliglich in den eben schon erwaumlhnten sogenannten in-plane Reflexionsgeometrien Dabei liegen die Richtun-gen des eingestrahlten und des reflektierten Lichts sowie die Oberflaumlchennormale der Probe in einer Ebene Diese Einschraumlnkung entspricht jedoch in keiner Weise der taumlglichen Realitaumlt bei der Oberflaumlchen aus beliebigen Richtungen beleuchtet und betrachtet werden Seitens der Messgeraumlteher-steller und Anwender gibt es daher einen Trend zur erweiterten Charakterisierung bezuumlglich zusaumltzlicher Winkelkombinationen im dreidimen-sionalen Raum Spitzenreiter dieser Entwicklung am Markt ist derzeit ein tragbares Mehrwinkel-Spektralphotometer mit insgesamt 19 verschie-denen Reflexionsgeometrien [9] Hiermit scheint aber auch das Ende dieser Entwicklung im Bereich der portablen handgefuumlhrten Geraumlte erreicht Der Wunsch der Anwender geht aktuell wieder zuruumlck zu einer geringeren Anzahl von Winkelkombi-nationen denn es ist unklar wie man aus dem Mehr an winkelaufgeloumlsten Reflexionsdaten die fuumlr die Charakterisierung der Farbeigenschaften relevanten Informationen gewinnen kann Daher stellt sich die Frage welches sind bdquoguteldquo d h an die Messaufgabe adaptierte optimal geeignete Messgeometrien

Um diese Frage zu beantworten betreibt die AG 424 bdquoReflexion und Transmissionldquo der PTB zwei roboterbasierte Gonioreflektometer die eine winkelaufgeloumlste Reflexionsmessung in beliebi-gen bidirektionalen Geometrien ermoumlglichen [10ndash12] Diese beiden Apparaturen sind in Bild 7 dargestellt

Das Standard-Gonioreflektometer ist hierbei das nationale Normal fuumlr die Messgroumlszlige spektraler Strahldichtefaktor in gerichteten Geometrien Es dient der Realisierung Bewahrung und Weiter-gabe der gerichteten Reflexionsskale in Form von Kalibrierungen Die zweite Apparatur bezeich-net mit dem Acronym ARGon3 (3D Appearance Robot-based Gonioreflectometer) ist ein flexibles Forschungsgeraumlt mit dem experimentelle Unter-suchungen u a im Rahmen des EMRP-Projektes Multidimensional Reflectometry for Industry der EU [13] durchgefuumlhrt werden Im Ver gleich zum Standard-Gonioreflektometer ist dieses Geraumlt mit einer photometrischen Leuchtdichteka-mera und einer Zeilenkamera ausgeruumlstet Die Leuchtdichtekamera erlaubt mit einer speziellen

Bild 7 Die beiden roboter-basierten Gonio-reflektometer der PTB oben Standard-Gonioreflektometer fuumlr Kundenkalibrie-rungen unten ARGon3-Messplatz fuumlr Forschungsanwen-dungen

Bild 8 Visualisierung desSparkling-Effektesvon Xironareg-Volcanic-Sparks-Pigmenten als Falschfarben-darstellung der ortsaufgeloumlsten LeuchtdichteDie bdquoNadelnldquo zeigendie Position derPigmente an

Bild 9 Beispielgeometrien zur Messung der winkelabhaumlngigen Reflexionseigen-schaften Realisiert wurden 4 Einstrah-lungsrichtungen (rote Pfeile) mit jeweils 114 Reflexionswinkeln (schwarze Punkte) im Bereich der Viertel-kugel oberhalb der Probenoberflaumlche

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PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4Das Jahr des Lichtes

bereich 0deg bis 70deg gleichmaumlszligig verteilt uumlber den Viertelraum oberhalb der Probe dauert hierbei ca 4 Stunden [14] Die so erhaltenen Daten bilden die Basis fuumlr kuumlnftige Verbesserungen in der Mess-technik fuumlr Anwender und Hersteller

Im Rahmen des EMRP-Projektes Multidimen-sional Reflectometry for Industry [13] sind damit die winkelabhaumlngigen Reflexionsspektren von insgesamt 66 verschiedenen Effektpigmentproben gemessen worden [15 16] Bei den vier verschie-denen Einstrahlungsrichtungen verbunden mit jeweils 114 Reflexionswinkeln im Bereich der Vier-telkugel oberhalb der Probenoberflaumlche ergeben sich somit uumlber 30000 Reflexionsspektren

Zielsetzung der Untersuchungen ist die Ver-besserung der Metrologie zur Materialcharak-terisierung mit reduzierter Messunsicherheit Dazu werden neue Messvorschriften und neue Standardmessartefakte entwickelt mit denen die Industrie die visuelle Wahrnehmung der von ihr produzierten Oberflaumlchen gezielt charakterisie-ren und kontrollieren kann Solche Messungen sollten einfach auszufuumlhren sein und die Ergeb-nisse muumlssen soweit wie moumlglich mit der visuellen menschlichen Wahrnehmung korrelieren Im europaumlischen und internationalen Rahmen sollen die Ergebnisse in die Normung einflieszligen um die allgemeine Vergleichbarkeit solcher Messungen zu gewaumlhrleisten

Literatur

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[12] A Houmlpe T Atamas D Huumlnerhoff S TeichertK-O Hauer ARGon3 ndash bdquo3D Appearance Robot-based Gonioreflectometerrdquo at PTB Rev SciInstrum 83(4) 045102-1ndash045102-8 2012

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Die 50 Sitzung des Internationalen Komitees fuumlr das gesetzliche Messwesen (CIML) fand vom 20 bis 22 Oktober 2015 in Arcachon Frankreich statt Im Vorfeld der CIML-Sitzung fand ein ein-taumlgiges OIML-Seminar uumlber Countries and Econo-mies with Emerging Metrology Systems (CEEMS) statt uumlber das weiter unten berichtet wird

Das CIML ist der Lenkungsausschuss der OIML Es trifft sich jaumlhrlich und besteht aus je einem Repraumlsentanten der Mitgliedstaaten der korrespondierenden Mitglieder und den Vertre-tern internationaler und regionaler Organisa-tionen die als Beobachter teilnehmen koumlnnen Das CIML ist zustaumlndig fuumlr die Vorbereitung und Durchfuumlhrung der Entscheidungen der Konfe-renz die alle vier Jahre stattfindet Es uumlberwacht die Arbeiten der Technischen Komitees und Unterkomitees und des Internationalen Buumlros fuumlr das gesetzliche Messwesen (BIML) in Paris

An der 50 CIML-Sitzung nahmen 144 Teilneh-mer aus 43 Mitgliedstaaten und 13 korrespondie-renden Mitgliedstaaten teil Zur deutschen Dele-gation gehoumlrten neben den o g Autoren auch die Herren Johann Fischer Direktor des Landesamts fuumlr Mess- und Eichwesen Berlin-Brandenburg sowie Prof Olaf Kuumlhn Direktor des Thuumlringer Landesamts fuumlr Verbraucherschutz als Vertreter der Bundeslaumlnder Dr Peter Ulbig Leiter der Abteilung Wissenschaftlich-technische Quer-schnittsaufgaben der PTB und Prof Manfred Kochsiek Vizepraumlsident a D der PTB ehema-liger CIML-Praumlsident und Ehrenmitglied der OIML Frau Dr Anna Cypionka persoumlnliche Referentin des Praumlsidenten der PTB nahm am OIML-Seminar fuumlr CEEMS teil Vertreten waren auch wieder internationale und regionale Orga-nisationen zu denen die OIML Verbindungen unterhaumllt wie das Internationale Buumlro fuumlr Maszlig und Gewicht (BIPM) die GSO-GCC Standardiza-tion Organization (Saudi-Arabien) die Internatio-nal Laboratory Accreditation Cooperation (ILAC) und der Europaumlische Verband der Waagenherstel-ler (CECIP)

Alle Beschluumlsse der 50 CIML-Sitzung koumlnnen auf den Internetseiten der OIML aufgerufen werden [1 2]

Die wichtigsten Entscheidungen und Entwick-lungen werden nachfolgend vorgestellt

1 Personalangelegenheiten

Der Vertrag von Willem Kool als Assistant Director wurde um vier Jahre der Vertrag des BIML-Direk-tors Stephen Patoray um drei Jahre verlaumlngert

2 Einfuumlhrung des PG Workspace im Internet

In seinem Bericht im Zusammenhang mit der Etablierung des neuen Webauftritts der OIML hob der CIML-Praumlsident Peter Mason (UK) die erfolgreiche Einfuumlhrung des Workspace fuumlr Pro-jektgruppen hervor Durch die Online-Arbeit wird erwartet dass die technische Arbeit an neuen bzw zu revidierenden OIML-Dokumenten vereinfacht und insgesamt effizienter wird

3 Revision der technische Richtlinien fuumlr die OIML (B 6 Directives for OIML tech-nical work)

In einem neuen Projekt sollen die in den vergan-genen Jahren revidierten OIML-Richtlinien fuumlr die technische Arbeit erneut uumlberarbeitet werden um u a den Prozess der Entwicklung und Uumlber-arbeitung von OIML-Publikationen noch weiter zu beschleunigen und den neuen internetbasierten Technologien und Arbeitsweisen Rechnung zu tragen

4 Umfassende strukturelle Uumlberarbeitung des OIML Certificate System

Das CIML verabschiedete die Gruumlndung einer Projektgruppe mit der Aufgabe einer substan-ziellen Uumlberarbeitung des OIML-Zertifizierungs-systems das z Zt aus dem Basiszertifizierungs-system und dem MAA3 besteht Urspruumlnglich ausgehend von der Annahme die Akzeptanz des MAA-Zertifizierungssystem muumlsse verstaumlrkt werden eine groumlszligere Verbreitung finden und mehr Messgeraumltearten abdecken erscheint es

Aktuelles aus der OIML (Internationale Organisation fuumlr das Gesetzliche Messwesen)Bericht uumlber die 50 Sitzung des CIML in Arcachon FrankreichSusanne Ludwig Roman Schwartz

INTERNATIONALE ZUSAMMENARBEIT

Susanne Ludwig OIMLshyGeschaumlftsstelle der PTB EshyMail susanneludwigptbde

Dir u Prof Dr Roman Schwartz Vizepraumlsident der PTB deutsches Mitglied im Internashytionalen Komitee fuumlr das Gesetzliche Messwesen (CIML) und CIMLshyVizepraumlsishydent EshyMail romanschwartzptbde

3 Mutual Acceptance Arrangement (Abshykommen zur gegenshyseitigen Anerkennung von Bauartpruumlfungen)

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PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4Internationale Zusammenarbeit

inzwischen sinnvoller und wurde so auch vom CIML beschlossen zum 112017 ein einziges OIML-Zertifizierungssystem einzufuumlhren Eine Projektgruppe (Certification System Project Group = CSPG) unter dem Vorsitz des CIML-Vizepraumlsi-denten Dr Roman Schwartz wurde damit beauf-tragt die notwendigen Dokumente und Prozedu-ren auszuarbeiten

5 OIML-Seminar fuumlr Countries and Economies with Emerging Metrology Systems (CEEMS)

Im Vorfeld der CIML-Sitzung wurde ein eintaumlgiges Seminar zum Thema Developing an OIML Package for Assistance to Countries with Emerging Metro-logy Systems (CEEMS) abgehalten In vier Sitzun-gen diskutierten 125 Teilnehmer aus 49 Laumlndern uumlber Moumlglichkeiten Laumlnder beim Aufbau von nationalen Metrologiesystemen zu unterstuumltzen In der ersten von Frau Dr Cypionka geleiteten Sitzung Capacity Building ging es um die allge-meinen Herausforderungen bei der Gestaltung von Programmen zur Foumlrderung von Handlungs-kompetenzen und Vermittlung von Wissen fuumlr die Metrologie In zwei weiteren Sitzungen wurden unter den Themen Helping CEEMS Improve Regulation in their Markets (Leitung Prof Dr Manfred Kochsiek) und New Ideas ndash Doing Legal Metrology Differently (Leitung Stuart Carstens

Suumldafrika) konkrete inhaltliche Loumlsungsvorschlaumlge vorgestellt und diskutiert Die Ergebnisse wurden in der 50 CIML-Sitzung vorgestellt und fanden ihren Niederschlag in der Resolution Nr 201510 [2] sie sollen auch noch auf den OIML-Webseiten veroumlffentlicht werden [1]

6 OIML-Publikationen

Folgende OIML-Publikationen wurden verabschiedet

R 139-3 Compressed gaseous fuels measuring systems for vehicles Part 3 Test report format

New Recommendation (R 145) Ophthalmic instru-ments mdash Impression and applanation tonometers

Alle OIML-Publikationen stehen im Internet frei zur Verfuumlgung [3]

Gleichzeitig wurde die Revision der folgenden OIML-Publikation beschlossen

Revision of R 79 Labeling requirements for prepackages

Folgende neue Projekte wurden verabschiedet

Revision des OIML-Dokuments B 6-1 Directives for OIML technical work

Bild 1 Teilnehmer der 50 Sitzung des Internationalen Komitees fuumlr Gesetz-liches Messwesen (CIML) in Arcachon Frankreich

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PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4 Aktuelles aus der OIML

TC 8SC 1 Revision R 71 Fixed storage tanks mdash General requirements

TC 8SC 1 Revision R 85 Automatic level gauges for measuring the level of liquid in stationary storage tanks

7 Personalien und Ehrungen

Die von Dr Seiler dem ehemaligen Leiter des Fachbereichs bdquoTechnische Zusammenarbeitldquo der PTB initiierte OIML-Auszeichnung fuumlr bdquoexzel-lente Beitraumlge von Entwicklungslaumlndern zum gesetzlichen Messwesenldquo ging in diesem Jahr an

bull Nam Hyuk Lim Director of Korea Testing Certi-fication und

bull The Metrology Department Saint Lucia Bureau of Standards

Die OIML-Medaille fuumlr besondere Verdienste um die OIML-Arbeit ging an Ngo Quy Viet Vietnam und Cartaxo Reis aus Portugal

8 Termine

Ein Gastgeberland fuumlr die 51 CIML-Sitzung und 15 OIML-Konferenz im Jahr 2016 konnte noch nicht bekannt gegeben werden es wird aber wahr-scheinlich wieder Frankreich sein Weitere OIML-Veranstaltungen und -Termine finden sich auf der OIML-Webseite unter [4]

9 Literatur

[1] httpswwwoimlorgen (letzter Aufruf 19112015)

[2] httpswwwoimlorgenstructurecimlpdf50-ciml-resolutions-englishpdf (letzter Aufruf 19112015)

[3] httpswwwoimlorgenpublicationsrecommen-dationspublication_viewp_type=1ampp_status=1

[4] (letzter Aufruf 19112015)[5] httpswwwoimlorgeneventscalendar

(letzter Aufruf 19112015)

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TECHNOLOGIETRANSFER

E27-Scanner fuumlr UlbrichtkugelnMit dem besonders einfach ohne Umbau einsetzbaren E27-Scanner koumlnnen Anwender und Hersteller die Homogenitaumlt ihrer Ulbricht-kugeln bestimmen und die Ergebnisse zur Berechnung genauerer Lichtstroumlme und zur Dokumentation der Qualitaumlt ihrer Messungen nutzen

Hintergrund

Wie viel Licht eine Lampe insgesamt in alle Richtungen abstrahlt wird durch ihren Lichtstrom ausgedruumlckt Um den fuumlr die Bestimmung der Energieeffizienz von Lampen notwendigen Lichtstrom schnell zu er mitteln setzt die Lampenindustrie Ulbrichtkugeln ein An einer Stange in der Mitte der Ulbrichtkugel befindet sich eine E27-Lampen-fassung in die nacheinander die Lichtstrom-Normallampe und die zu kalibrierende Lampe eingeschraubt werden Das indirekt auf den Mess-kopf fallende Licht erzeugt einen Photostrom der im Idealfall propor-tional zu dem von der Lampe abgestrahlten Lichtstrom ist unabhaumlngig von der Richtung in die das Licht abgestrahlt wird

Dies ist jedoch bei einer ungleichmaumlszligigen Beschichtung der Kugel sowie bei einer im Laufe der Zeit nicht zu verhindernden Verstaubung nicht der Fall Deshalb wird mit einem Kugelscanner die Homogenitaumlt der Kugel regelmaumlszligig vermessen und ein Korrekturfaktor bestimmt der von der jeweiligen Abstrahlcharakteristik der zu untersuchenden Lampe abhaumlngt

Technische Beschreibung

Der Kugelscanner wird einfach in eine E27-Fassung geschraubt und das sonst fuumlr die Lampenversorgung eingesetzte Netzgeraumlt wird durch die Steuereinheit ersetzt Diese uumlbernimmt sowohl die elektrische Versor-gung als auch die Befehlsuumlbermittlung zum Kugelscanner Die Steuer-einheit wird via USB oder RS232 an einen Computer angeschlossen Das mitgelieferte Messprogramm stellt automatisiert alle gewuumlnschten Richtungen ein und speichert die zugehoumlrigen von der Steuereinheit gemessenen Photostroumlme des Photometers

Wirtschaftliche Bedeutungw

Fuumlr Lampenindustrie und Hersteller von Ulbrichtkugeln

bull Genauere Messung des Lichtstroms

bull Bestimmung des Zeitpunkts einer Neubeschichtung

bull Uumlberwachung beim Beschichten

bull Dokumentation des Zustands der Ulbrichtkugel

EntwicklungsstandDer E27-Kugelscanner wurde in der PTB entwickelt Er wird laufend fuumlr Kalibrierungen eingesetzt Die Technologie wurde an die Firma Czibula amp Grundmann transferiert und wird dort mit einer PTB-Lizenz gebaut und vertrieben wwwphoto-metercom

Ansprechpartner

Dr Bernhard SmandekBeauftragter fuumlr TechnologietransferTelefon +49 531 592shy8303Telefax +49 531 592shy69shy8303EshyMail technologietransferptbde

Dr Stefan WinterFachbereich Photometrie und Radiometrie

Abbildung des E27shyKugelscanners Eine stark fokussierende Lampe die computergesteuert in alle Richtungen leuchten kann

Vorteile

bull Schneller Einbau in E27shyFassung

bull Computergesteuertes Abscannen der gesamten Ulbrichtkugel

bull Flexible Messmoumlglichkeiten

bull Fuumlr genauere Lichtstromshymessungen

bull Wichtig fuumlr die Qualitaumltsshysicherung

PTBshyNummer 0172

wwwtechnologietransferptbde

49

PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4 Technologieangebote

Ansprechpartner

Dr Bernhard SmandekBeauftragter fuumlr TechnologietransferTelefon +49 531 592shy8303Telefax +49 531 592shy69shy8303EshyMail technologietransferptbde

Dr Stefan WinterArbeitsgruppe Solarzellen

PulsshyzushyCWshyKonverter

Umwandlung gepulster Laser-Strahlung in konstante StrahlungIn weiten Bereichen der optischen Metrologie ist eine Strahlungs-quelle von groszligem Nutzen die sich spektral vom UV-C bis ins mitt-lere IR durchstimmen laumlsst Lediglich Laser mit gepulster Strahlung erfuumlllen diese Anforderung bei ausreichend groszligem Ausgangssignal bisher luumlckenlos Femtosekunden-Lasersysteme waumlren aufgrund ihrer gut automatisierbaren und spektral weiten Durchstimmbarkeit die ideale Strahlungsquelle fuumlr z B radiometrische Anwendungen ndash wenn ihre Strahlung nicht gepulst waumlre

Durch das extreme Puls-Pausen-Verhaumlltnis von 10ndash5 entstehen hohe Spitzenleistungen die wiederum zu Saumlttigungseffekten bei Detek-toren und in der Folge zu nichtlinearem Verhalten fuumlhren koumlnnen Mit dem in der PTB entwickelten Puls-zu-CW-Konverter wird dieses Problem geloumlst

Technische Beschreibung

Bei dieser Methode werden Pulse gepulster Strahlungsquellen ausrei-chend hoher Repetitionsrate in CW-Strahlung umgewandelt Dabei wird jeder Puls in viele kleine Teilpulse aufgeteilt die auf unterschiedlich langen Wegstrecken unterschiedliche Laufzeiten erfahren Am Ausgang des Systems erscheinen sie dann zeitlich gleichmaumlszligig verteilt Realisiert wird dieser Puls-zu-CW-Konverter uumlber ein Glasfaserbuumlndel bei dem jede Einzelglasfaser eine individuell festgelegte Laumlnge besitzt

Mit der Entwicklung des Puls-zu-CW-Konverters wurde das ent-scheidende Manko beim Einsatz leistungsstarker Femtosekunden(fs)-Lasersysteme im Bereich der Metrologie beseitigt und erstmalig gepulste Laserstrahlung in CW-Strahlung umgewandelt Diese Neuentwicklung ermoumlglicht es nun herkoumlmmliche Monochromatorsysteme durch fs-Lasersysteme zu ersetzen die eine bis zu 1000-mal houmlhere spektrale Ausgangsleistung besitzen

Wirtschaftliche Bedeutung

Durch den neuen Puls-zu-CW-Converter koumlnnen in wirtschaftlich bedeutenden Bereichen wie z B der Photovoltaik der Photometrie der UV-Strahlungsmesstechnik und der Reflektometrie die Referenz- und Transfernormale mit einer deutlich reduzierten Messunsicherheit kali-briert werden Hier werden bislang wesentliche Messunsicherheitsan-teile durch zu geringe Strahlungsleistungen aus herkoumlmmlichen Mono-chromatorsystemen verursacht

Entwicklungsstand

Unter DE 10 2010 011 615 B4 wurde fuumlr den CW-Konverter ein Patent erteilt

Vorteile

bull Zeitliche Glaumlttung gepulster Laserstrahlung

bull Keine stoumlrenden Interferenzen

bull Nur minimale Absorption des Messsignals

bull Auch bei kuumlrzeren Wellenshylaumlngen ohne Ulbrichtkugel verwendbar

bull Kontinuierliche Verteilung des Ausgangspulses

bull Pulsvervielfachung

bull Houmlhere Strahlungsleistung

PTBshyNummer 0254

wwwtechnologietransferptbde

50

PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4Technologieangebote

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Homogenisierung von Strahlungsquellen und Focal Plane Arrays (FPA)Ein neuartiges Verfahren ermoumlglicht softwaregestuumltzt eine deutlich verbesserte Kalibrierung von Mehrelement-Sensoren (FPA) und bildgebenden Systemen (Kameras) Bei flaumlchigen Strahlungsquellen kann zusaumltzlich eine gezielte Ansteuerung von Flaumlchenelementen zu einer bisher im Allgemeinen nicht erreichbaren Flaumlchenhomogenitaumlt fuumlhren

Technische Beschreibung

Flaumlchenstrahler dienen der Kalibrierung von ortsaufloumlsenden Strah-lungssensoren wobei davon ausgegangen wird dass die Emissionsflaumlche des Strahlers im Wesentlichen homogen bezuumlglich ihrer Strahldichte bzw Strahlungstemperatur ist Um kleine Inhomogenitaumlten eines Flaumlchenstrahlers zu charakterisieren ist es ein gaumlngiges Verfahren die Emissionsflaumlche punktweise mit einem Einzeldetektor abzutasten

Das neue PTB-Verfahren ist wesentlich schneller da es den Mehr-element-Sensor (FPA) das device-under-test selbst nutzt und damit immer ein Gesamtbild der Quelle aufnimmt Werden jetzt weitere Bilder zeilen- oder spaltenversetzt aufgenommen so erlaubt ein mathema-tischer Algorithmus bei nur drei Bildern eine komplette Charakterisie-rung des Sensors aber auch der Quelle

Sind Flaumlchenelemente der Strahlungsquelle einzeln ansteuerbar so ist es sogar moumlglich mittels der ermittelten Korrekturwerte zu Strahlquellen extrem hoher Homogenitaumlt im on-line-Betrieb zu gelangen

Wirtschaftliche Bedeutung

Bildgebende Strahlungssensoren und homogene Strahlungsquellen sind relevant fuumlr die Forschung und Entwicklung fuumlr die Prozesstechnik fuumlr die Charakterisierung der Energieeffizienz von Bauten bei der Ent-wicklung neuer Bauteile mit hoher thermischer Belastung und in vielen weiteren Bereichen Der mathematische Algorithmus ist aber auf unter-schiedliche Arten von Kamerasystemen anwendbar und damit auch fuumlr die Qualitaumltssicherung von CCD-Kameras bis hin zum Konsumguuml-termarkt anwendbar EntwicklungsstandEine deutsche Patenterteilung erfolgte im September 2015 Eine PCT-Anmeldung ist anhaumlngig Kooperations- und Lizenzpartner aus den Bereichen Thermografie Radiometrie und Photometrie zur Umsetzung des Konzeptes werden gesucht

Ansprechpartner

Dr Bernhard SmandekBeauftragter fuumlr TechnologietransferTelefon +49 531 592shy8303Telefax +49 531 592shy69shy8303EshyMail technologietransferptbde

DiplshyIng Berndt GutschwagerArbeitsgruppeInfrarotshyStrahlungsthermometrie

Stahlungsmessplatz der PTB zur Kalibrierung von Temperaturstrahlern und Waumlrmebildkashymeras

Vorteile

bull Schnelle Kalibrierung von Flaumlchensensoren (FPA)

bull Schnelle Kalibrierung von Flaumlchenstrahlern

bull Strahlquellen houmlchster Hoshymogenitaumlt

bull Fuumlr Thermografie und Phoshytometrie

PTBshyNummer 00374

wwwtechnologietransferptbde

Verlag Fachverlag NW in der Carl Schuumlnemann Verlag GmbHZweite Schlachtpforte 728195 Bremen Internet wwwschuenemannde E-Mail infoschuenemann-verlagde

Herausgeber Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB) Braunschweig und Berlin Postanschrift Postfach 33 45 38023 Braunschweig Lieferanschrift Bundesallee 100 38116 Braunschweig

Redaktion Layout Presse- und Oumlffentlichkeitsarbeit PTBSabine Siems Dr Dr Jens Simon (verantwortlich) Prof Dr Stefan Kuumlck (wissenschaftlicher Redakteur)Telefon (05 31) 592-82 02 Telefax (05 31) 592-30 08 E-Mail sabinesiemsptbde

Leser- und Abonnement-Service Karin Drewes Telefon (0421) 369 03-56Telefax (0421) 369 03-63E-Mail drewesschuenemann-verlagde

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Erscheinungsweise und Bezugspreise Die PTB-Mitteilungen erscheinen viermal jaumlhrlich Das Jahresabonnement kostet 3900 Euro das Einzelheft 1200 Euro jeweils zzgl Versandkosten Bezug uumlber den Buchhandel oder den Verlag Abbestellungen muumlssen spaumltestens drei Monate vor Ende eines Kalenderjahres schriftlich beim Verlag erfolgen

Alle Rechte vorbehalten Kein Teil dieser Zeitschrift darf ohne schriftliche Genehmigung des Verlages vervielfaumlltigt oder verbreitet werden Unter dieses Verbot faumlllt insbesondere die gewerbliche Ver-vielfaumlltigung per Kopie die Aufnahme in elektro-nische Datenbanken und die Vervielfaumlltigung auf CD-ROM und in allen anderen elektronischen Datentraumlgern

Printed in Germany ISSN 0030-834X

Die fachlichen Aufsaumltze aus dieser Ausgabe der PTB-Mitteilungen sind auch online verfuumlgbar unterdoi 10779531020150499

Die Physikalisch-Technische Bundesanstalt das nationale Metrologieinstitut ist eine wissenschaftlich-technische Bundesoberbehoumlrde im Geschaumlftsbereich des Bundesministeriums fuumlr Wirtschaft und Energie

mitteilungen

Impressum

Die PTB-Mitteilungen sind metrologisches Fachjournal der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt Braunschweig und Berlin Als Fachjournal veroumlffentlichen die PTB- Mitteilungen wissenschaftliche Fachaufsaumltze zu metrologischen Themen aus den Arbeitsgebieten der PTB Die PTB-Mitteilungen stehen in einer langen Tradition die bis zu den Anfaumlngen der Physikalisch-Technischen Reichsanstalt (gegruumlndet 1887) zuruumlckreicht

Bundesallee 100 38116 Braunschweig

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Telefon 0531 592-3006 Fax 0531 592-3008 E-Mail presseptbde wwwptbde

Physikalisch-Technische BundesanstaltBraunschweig und BerlinNationales Metrologieinstitut

Die Physikalisch-Technische Bundesanstalt das nationale Metrologieinstitut ist eine wissenschaftlich-technische Bundesoberbehoumlrde im Geschaumlftsbereich des Bundesministeriums fuumlr Wirtschaft und Energie

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PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4 Kurze Geschichte der Goniophotometrie in der PTB

Somit ergibt sich zurzeit eine erweiterte Mess-unsichert von 056 fuumlr k = 2 Dies entspricht etwa der Messunsicherheit welche mit dem groszligen Kardan-Goniophotometer erreichbar war Im Unterschied zum Kardan-Goniophotometer (fester Messradius) verfuumlgt das Roboter-Goniophotometer jedoch uumlber die noumltige hohe Flexibilitaumlt (z B durch Variation des Messradius) die noumltig ist um kuumlnftige Anforderungen erfuumlllen zu koumlnnen Eben diese hohe Flexibilitaumlt fuumlhrt bei der Bestimmung des Messradius zu relativ groszligen Messunsicherheiten Hier koumlnnte die Verwendung einer Lookup-Table oder eine On-Line-Verfolgung mittels Tracer-Syste-men der Bahnen diese Unsicherheit verkleinernMittlerweile ist das Roboter-Goniophotometer voll-staumlndig charakterisiert und wird fuumlr beleuchtungs-staumlrkebasierte Lichtstromkalibrierungen und auch fuumlr internationale Vergleiche eingesetzt Damit werden auch die Anforderungen (15ndash17) erfuumllltIm naumlchsten Schritt wird das Roboter-Goniopho-tometer mit Leuchtdichtemesskameras ausgeruumlstet

werden um es als bdquoNahfeld-Goniophotometerrdquo einzusetzen Es wird dann die direkte Messung der Leuchtdichteverteilung erlauben aus welcher nahezu alle noumltigen photometrischen Groumlszligen abgeleitet werden koumlnnen Dieser kuumlnftige Schritt wird dann auch den letzten Punkt (18) der Anfor-derungen erfuumlllen

3 Zusammenfassung

Die Geschichte der Goniophotometrie in der PTB uumlber einen Zeitraum von mehr als 50 Jahren wird praumlsentiert Verschiedene Goniophotometer ange-fangen vom manuell bewegten Einarm-Goniopho-tometer mit visuellem Photometer uumlber das groszlige und kleine Kardan-Goniophotometer bis hin zum bdquoState-of-the-art-Roboter-Goniophotometerldquo fuumlr das 21 Jahrhundert werden beschrieben Das Letztere hat das Potenzial in der traditionellen Betriebsart aber auch im Nahfeldmodus uumlber viele Jahre eingesetzt zu werden Neu aufkommende

Quantity Symbol Value Uncertainty Unit Sensitivity Contribution lm Relative contribution

Luminous responsivity 1 s1 3065E-10 9195E-13 A lxndash1 188E+12 173 000150

Luminous responsivity 2 s2 4111E-10 12333E-12 A lxndash1 143E+12 177 000153

Spectral matching exponent 1 m2 y 0021 0015 1 20 030 000026

Spectral matching exponent 2 m2 y 0036 0015 1 18 027 000023

CCT or distribution temperature T 2762 10 K 0012 012 000011

Uncertainty in r Δr 0000 00020 m 901 180 000156

Calibration factor for frequency F cFH 1000 00005 1 1141 057 000049

Calibration factor for frequency ƒ cFD 1000 00050 1 104 005 000005

Voltage to frequency converter 1 w1 f 500849 25 Hz Vndash1 0012 031 000027

Voltage to frequency converter 2 w2 f 500561 25 Hz Vndash1 00118 029 000026

Amplification gain 1 R1 g 1000E+09 99996 Ω 6223E-07 006 000005

Amplification gain 2 R2 g 9997E+08 99966 Ω 5430E-07 005 000005

Calibration factor for cmon ccm 1000 00005 1 1162 058 000050

Correction factor for stray light cstr 09995 00005 1 1134 057 000049

Luminous flux Φ 11541 327 00028

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(24)

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PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4Das Jahr des Lichtes

Anforderungen fuumlr die Ruumlckfuumlhrung photome-trischer Einheiten wie beispielsweise im Solid-State-Lighting-Bereich koumlnnen so erfuumlllt werden

Literatur

[1] Y Ohno 1995 Realization of NIST Luminous Flux Scale Using an Integrating Sphere with an External Source CIE Proceedings 23rd Session New Delhi

[2] R Sewig 1938 Handbuch der Lichttechnik Band 1 pp 319 321 Berlin Springer Verlag

[3] D Foumlrste 1966 Zur Lichtstrommessung an Lam-pen mit ungleichmaumlszligiger Lichtverteilung PTB-Mitteilungen 166 pp 18ndash20 Braunschweig PTB

[4] D Foumlrste 1979 Ein Goniophotometer zur genauen Bestimmung des Lichtstroms Licht-Forschung 1 Jahrgang 379 pp 30ndash36 Heidelberg Huumlthig Verlag

[5] D Foumlrste 1980 Elimination des Fremdlichts bei der Lichtstrombestimmung mit dem Gonio-photometer Licht-Forschung 2 Jahrgang 180 pp 27ndash29 Heidelberg Huumlthig Verlag

[6] W Erb 1997 PTB Network for realization and maintenance of the candela Metrologia 3497 pp 115ndash124 Bristol UK

[7] G Sauter 1996 Kalibrierung von Lichtstaumlrke-Normallampen und Angabe der Messunsicherheit PTB interner Bericht Braunschweig PTB

[8] G Sauter 1996 Goniophotometry new calibra-tion method and instrument design Metrologia 32 (199596) pp 685ndash688 Bristol UK

[9] httpenwikipediaorgwikiDenavit-Hartenberg_Parameters (letzter Aufruf 03122015)

[10] M Lindemann 2009 Photometry and Colori-metry of Reference LEDs by Using a Compact Goniophotometer MAPAN ndash Journal of Metro-logy Society of India Vol 24 No 3 pp 143ndash152 New Delhi India

[11] G Bizjak 2009 Determination of Stray Light at the PTB Goniophotometer Facility MAPAN ndash Jour-nal of Metrology Society of India Vol 24 No 3 pp 163ndash173 New Delhi India

[12] M Lindemann et al 2015 Robot goniopho-tometry at PTB Metrologia 52 pp 167ndash194 Bristol UK

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PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4Das Jahr des Lichtes

1 Eine einleitende Beschreibung von Gluumlhlampen LEDs und OLEDs

Der Einsatz Licht Emittierender Dioden (LED) in der Allgemeinbeleuchtung hat in den vergangenen Jahren erheblich zugenommen Ein entscheiden-der Vorteil der LED gegenuumlber der traditionellen Gluumlhlampe liegt in ihrer uumlberlegenen Lichtaus-beute ηv ndash dem Verhaumlltnis des emittierten Licht-stroms Φv und der aufgenommenen elektrischen Leistung Pel angegeben in LumenWatt

Dieser Vorteil beruht auf den Unterschieden der zugrunde liegenden Technologien der Lichterzeu-gung beider Lampentypen Bei einer (Halogen-)Gluumlhlampe wird der Gluumlhfaden durch elektrischen Strom auf Temperaturen um 3000 K aufgeheizt Obwohl hierbei fast die gesamte elektrische Leis-tung in Strahlung umgewandelt wird ndash Verluste durch thermische Konvektion oder Waumlrmeleitung sind gering ndash kann das menschliche Auge lediglich einen geringen spektralen Anteil der ungefaumlhr 5 der Gesamtstrahlungsleistung ausmacht wahr-nehmen Der Groszligteil der Strahlungsleistung liegt im infraroten Spektralbereich und kann nicht fuumlr Beleuchtungszwecke genutzt werden In Bild 1 ist die spektrale Verteilung einer Gluumlhlampe bei einer Temperatur von 2856 K im Spektralbereich

von 300 nm bis 1200 nm dargestellt Das sichtbare Licht im Spektralbereich zwischen 360 nm und 830 nm ist mit den entsprechenden Spektralfarben hinterlegt Oberhalb 830 nm beginnt der fuumlr das menschliche Auge unsichtbare infrarote Anteil der Strahlung

Der fuumlr photometrische Messungen normativ festgelegte spektrale Hellempfindlichkeitsgrad V(λ) also die Hellempfindlichkeit des Auges eines bdquoNormalbeobachtersldquo ist mit seinem Maximum bei 555 nm schwarz eingezeichnet

Da die Gluumlhlampe eine thermische Strahlungs-quelle ist verschiebt sich mit zunehmender Tem-peratur die Lage des Strahlungsmaximums ent-sprechend des Wienschen Verschiebungsgesetzes zu kuumlrzeren Wellenlaumlngen Um die Lichtausbeute von Gluumlhlampen zu erhoumlhen muumlsste man das Strah-lungsmaximum durch Temperaturerhoumlhung in den kurzwelligeren Bereich des sichtbaren Lichts verschieben Die Maximaltemperatur ist jedoch bei Gluumlhfaumlden aus Wolfram auf etwa 3000 K begrenzt ndash bei houmlheren Temperaturen nimmt die Lebensdauer drastisch ab

Das Funktionsprinzip einer LED-Lichtquelle basiert auf dem Phaumlnomen der Elektrolumines-zenz Der prinzipielle Aufbau einer LED aumlhnelt einer pn-Halbleiterdiode Durch Anlegen einer Gleichspannung rekombinieren Ladungstraumlger in der p-n-Grenzschicht der Leuchtdiode unter Emission von Strahlung Durch gezielte Auswahl der verwendeten Halbleitermaterialien und ihrer Dotierung wird deren Bandluumlcke und somit die Farbe des emittierten Lichtes bestimmt Im Jahr 1992 gelang der Durchbruch in der Entwicklung hocheffizienter blauer LEDs die den Einsatz von LEDs zur Allgemeinbeleuchtung erst ermoumlgli-chen Die zugrunde liegenden Forschungsarbei-ten wurden 2014 mit dem Nobelpreis fuumlr Physik gewuumlrdigt [1]

Eine schmalbandige Lichtemission ist charak-teristisch fuumlr LEDs Dementsprechend verfuumlgt ihr Licht uumlber eine hohe Farbsaumlttigung Durch die Bedeckung des LED-Chips mit breitbandig pho-tolumineszierenden Farbstoffen wird ein Teil der Strahlung in energieaumlrmeres langwelligeres Licht konvertiert und es entstehen Mischfarben wie

Metrologie fuumlr moderne Lichtquellen LEDs und OLEDs Thorsten Gerloff

Thorsten Gerloff Arbeitsgruppe bdquoPhotometrieldquo EshyMail thorstengerloffptbde

Bild 1 Spektrale Verteilung einer Gluumlhlampe und spektraler Hellempfindlichkeitsgrad (V(λ)-Funktion)

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PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4 Metrologie fuumlr moderne Lichtquellen

i Infokasten LED

Lichtausbeute einer Strahlungsquelle ηv

Die Lichtausbeute einer Strahlungsquelle gibt das Verhaumlltnis aus ausgestrahltem Lichtstrom und aufgenommener elektrischer Leistung an Die Einheit ist LumenWatt (lmW) Je houmlher die Lichtausbeute ist umso energieeffizienter ist die Beleuchtung Gluumlhlampen besitzen Lichtausbeuten zwischen 10 und 20 lmW

Lichtstrom Φv

Der Lichtstrom beruumlcksichtigt den Hellempfind-lichkeitsgrad V(λ) des Auges und gibt die in alle Raumrichtungen abgegebene bdquoLichtleistungldquo einer Lampe an Der Lichtstrom enthaumllt keine Information daruumlber wie die Lampe das Licht im Raum verteilt Der Lichtstrom gibt an wie hell ein beleuchteter Raum dem Menschen erscheint

Spektraler Hellempfindlichkeitsgrad V(λ)

Der exakt definierte spektrale Hellempfindlich-keitsgrad V(λ) ist eine Bewertungsfunktion fuumlr elektromagnetische Strahlung Hiermit wird der bdquoHelligkeitseindruck eines menschlichen Durch-schnittsaugesldquo berechnet Dies ermoumlglicht den objektiven Vergleich von Lichtquellen mit physika-lischen Messmethoden Subjektive Wahrnehmun-gen einzelner Menschen koumlnnen damit nicht exakt wiedergegeben werden

Aumlhnlichste Farbtemperatur TN

Es gibt unterschiedliche Farbtemperaturen in der Photometrie Verhaumlltnis- und Verteilungstem-peratur sind nur bei thermischen Strahlern wie der Gluumlhlampe anwendbar Nur die aumlhnlichste Farbtemperatur (englisch Correlated Colour Temperature CCT) laumlsst sich fuumlr Lichtquellen mit beliebiger spektraler Zusammensetzung berech-nen sofern die Normfarbwertanteile aumlhnlich einem thermischen Strahler sind Die aumlhnlichste Farbtemperatur wird in der Einheit Kelvin (K) angegeben Sie gibt an ob das Licht warmweiszlig (ca 3000 K) neutralweiszlig (ca 4500 K) oder tages-lichtweiszlig (gt5500 K) erscheint

Normfarbwertanteile (x y)

Fuumlr die Angabe von Farbe gibt es neben dem spek-tralen Hellempfindlichkeitsgrad V(λ)noch weitere definierte Bewertungsfunktionen Hiermit laumlsst sich die Farbwahrnehmung eines fiktive Normalbeob-achters aus der gemessenen spektralen Verteilung des Lichts durch Angabe von nur zwei Werten (x und y) angeben Diese Werte geben die Koordi-naten auf der Normfarbtafel (s Abbildung) an

Normfarbtafel

Farbwiedergabeindex Ra

Der Farbwiedergabeindex ist eine Kennzahl fuumlr Lichtquellen der bewertet die Qualitaumlt der Farb-wiedergabe Je houmlher der Wert desto besser ist die Farbwiedergabe Der Maximalwert liegt bei 100 Werte zwischen 90 und 100 geben eine ausgezeich-nete Farbwiedergabe an Werte unter 80 sind fuumlr viele Anwendungen nicht ausreichend

Im Folgenden soll ein kleiner Leitfaden gegeben werden der in allgemeinverstaumlndlicher Form die grundlegenden Ideen wichtiger lichttechnischer Groumlszligen erlaumlutern soll Komplexe Details der zugrunde liegenden Normen und Definitionen werden hierbei nicht beruumlcksichtigt

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PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4Das Jahr des Lichtes

Pastellfarbtoumlne oder auch weiszliges LichtIn Bild 2 sind die spektralen Verteilungen einer

LED mit und ohne Leuchtstoff abgebildet In der linken Abbildung erkennt man die schmalbandige blaue Emission des LED-Chips In der rechten Abbildung wird ein Teil dieser Strahlung durch einen Leuchtstoff in laumlngerwelliges Licht konver-tiert und die Mischfarbe erscheint weiszlig

Der Vorteil einer LED gegenuumlber einer Gluumlh-lampe bezuumlglich der Lichtausbeute ist offensicht-lich Es wird ndash von unvermeidbarer thermischer Verlustleistung abgesehen ndash nur Strahlung im sichtbaren Wellenlaumlngenbereich emittiert Daruumlber hinaus ist die Farbe des Lichts von LEDs durch Kombination verschiedener Leuchtstoffe und LEDs nahezu beliebig einstellbar und man ist nicht auf aumlhnlichste Farbtemperaturen von ca 3000 K wie bei der Gluumlhlampe begrenzt

Allerdings gibt es auch Nachteile gegenuumlber dem Licht einer Gluumlhlampe Dem typischen Spektrum einer LED-Lichtquelle fehlen im Gegensatz zu Sonnenlicht oder Gluumlhlampenlicht einzelne Spekt-ralfarben Dies macht sich negativ bei der Qualitaumlt der Farbwiedergabe bemerkbar

Die Farbe des emittierten Lichts einer LED laumlsst sich durch additive Farbmischung sehr aumlhnlich zu Sonnenlicht oder auch Gluumlhlampenlicht einstellen Wenn jedoch Objekte mit Licht beleuchtet werden kommt es auch auf die spektrale Zusammensetzung des Lichts an Nehmen wir einen Blumenstrauszlig aus roten Rosen der im Tageslicht steht Im Son-nenlicht sind alle Spektralfarben vorhanden und diese beleuchten die Rosen Die roten Bluumltenblaumltter absorbieren einige spektrale Anteile des Lichts und reflektieren im Wesentlichen rotes Licht welches in das Auge des Betrachters faumlllt Wenn die Rosen von einer anderen Lichtquelle beleuchtet werden in der die roten Spektralanteile zumindest teilweise fehlen koumlnnen diese nicht reflektiert werden und die Farben der Rosen erscheinen unnatuumlrlich

Dies ist von weitreichender Bedeutung fuumlr die Wahl einer geeigneten Lichtquelle da wir einen Kompromiss aus Licht mit guter Farbwieder-gabe und hoher Lichtausbeute schlieszligen muumlssen Licht mit hoher Farbwiedergabe setzt sich aus moumlglichst vielen Spektralfarben zusammen und Lichtquellen mit hoher Lichtausbeute sollten nur Spektralfarben beinhalten fuumlr die das menschliche Auge besonders empfindlich ist In den Auszligenbe-zirken vieler Staumldte werden zur Nachtbeleuchtung der Gehwege haumlufig Natriumdampflampen mit orangefarbenem Licht eingesetzt Die Lichtaus-beute dieser Lampen ist mit etwa 150 lmW auszligerordentlich hoch da das menschliche Auge in diesem Spektralbereich sehr empfindlich ist Diese Beleuchtung ist jedoch ungeeignet um Farben natuumlrlich wiederzugeben Aufgrund des Aufbaus des menschlichen Auges ist es also nicht moumlglich eine Beleuchtung mit sehr hoher Qualitaumlt der Farbwiedergabe bei gleichzeitig sehr hoher Lichtausbeute zu realisieren

Weiszlige LEDs zur Allgemeinbeleuchtung nutzen in der Regel Leuchtstoffe die teilweise qualita-tiv hochwertige Farbwiedergabeeigenschaften besitzen Eine weitere Methode zur Erzeugung von weiszligem Licht ist das Mischen von rotem gruumlnem und blauem Licht (RGB-Verfahren) welches die Grundlage jedes Displays ist Hierbei sind neben weiszligem Licht auch andere Lichtfarben moumlglich ndash die Farbwiedergabeeigenschaften sind allerdings schlecht Fuumlr die Endverbraucher sind in der Regel die Farbwiedergabeeigenschaften von Lichtquellen als Ra-Werte auf der Verpackung angegeben

Organische Licht Emittierende Dioden (OLED) sind eine junge Beleuchtungstechnologie die noch keinen Zugang zum Massenmarkt erhalten hat Die weltweit erste kommerzielle OLED-Leuchte wurde 2008 vertrieben Der fuumlr den Nutzer wesentliche Unterschied zwischen OLEDs und LEDs besteht im Aufbau Der leuchtende Kristall

Bild 2 Spektrale Verteilung einer blauen LED (links) und einer weiszligen LED (rechts) bei der ein Teil des blauen Lichts zu gelbem Licht konvertiert wurde

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PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4 Metrologie fuumlr moderne Lichtquellen

anorganischer LEDs besitzt eine maximale Kan-tenlaumlnge von etwa einem Millimeter Bei OLEDs wird das Licht in groszligflaumlchigen amorphen organi-schen Schichten erzeugt Momentan sind OLEDs mit leuchtenden Flaumlchen von bis zu 20 x 20 cmsup2 erhaumlltlich Das Licht wird aumlhnlich wie bei LEDs durch Ladungstraumlgerrekombination unter Auftre-ten von Elektrolumineszenz erzeugt Dabei ist das Emissionsspektrum der verwendeten organischen Emittermaterialien wesentlich breitbandiger als das einer LED (vgl Bild 3) Daher wird das weiszlige Licht von OLEDs in der Regel durch Verwendung von roten gruumlnen und blauen Emittermaterialien erzeugt ohne dass die Farbwiedergabeeigenschaf-ten sehr stark darunter leiden

2 Entwicklung von (O)LED-Transfer-normalen in der PTB

Eine der Kernaufgaben der PTB ist die Weiter-gabe der gesetzlichen Einheiten Bis zum heuti-gen Tage bieten Transfernormale in Form von speziellen Gluumlhlampen die besten Eigenschaften um als Maszligverkoumlrperung der Einheiten Candela oder Lumen zu dienen Da der Anwender in der Regel jedoch die Substitutionsmethode bei seinen Messungen anwendet um notwendige Korrektu-ren auf ein Minimum zu reduzieren (Gleiches mit Gleichem vergleichen) sind auch Transfernormale auf Basis der LED-Technologie von Interesse

Bereits in den 80er-Jahren des vergangenen Jahr-hunderts wurden LEDs in der PTB kalibriert Diese waren fuumlr Beleuchtungszwecke noch ungeeignet und dienten lediglich als Signallampen Zeitgleich wurden die ersten PTB-LED-Transfernormale entwickelt deren optische Eigenschaften durch thermische Regelung des LED-Chips stabilisiert wurden Die mechanische Ausrichtung der LEDs leistet aufgrund des typischerweise stark gerichteten Abstrahlprofils der LEDs einen groszligen Beitrag auf die Messunsicherheit Daher werden die LEDs seit

2002 in ein rotationssymmetrisches robustes VA-Stahl-Gehaumluse eingebaut welches sich sehr repro-duzierbar ausrichten laumlsst (vgl Bild 4)

Diese Transfernormale werden unter Konstant-Strom-Bedingungen und ndash durch gezieltes Aufhei-zen des LED-Chips durch den Heizwiderstand ndash unter Konstant-Spannung-Bedingungen betrieben Aufgrund der halbleitenden Eigenschaften sinkt mit steigender Temperatur die Betriebsspannung und sowohl der Lichtstrom als auch die Peakwellenlaumlnge des emittierten Lichts veraumlndert sich Die Sollspan-nung wird auf einen Wert festgelegt der unterhalb der Gleichgewichtsspannung durch Eigenerwaumlr-mung im Betrieb ohne Heizwiderstand bei einer Umgebungstemperatur von etwa 35 degC liegt Somit ist auch ein Einsatz der Transfernormale in Laboren ohne Klimatisierung moumlglich

Fuumlr LEDs mit houmlheren Leistungen wurde im Jahr 2011 ein weiterer Prototyp eines Transfernormals vorgestellt (vgl Bild 5) Da die hier verwendeten LEDs eine houmlhere Leistungsaufnahme besitzen werden sie waumlrmer Das reduziert die Lebensdauer und Reproduzierbarkeit der photometrischen

Bild 3 Exemplarische spektrale Verteilung einer weiszligen OLED

Bild 4 Temperaturgeregeltes LED-Transfernormal auf Basis von Kleinleistungs-LEDs mit Lichtstroumlmen von bis zu 10 Lumen

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PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4Das Jahr des Lichtes

Groumlszligen deutlich Daher muumlssen sie gekuumlhlt werden Hierfuumlr kommt bei diesen Normalen ein Peltier-Element zum Einsatz welches geregelt Waumlrme in einen dahinterliegenden Kuumlhlkoumlrper leitet und hierdurch das emittierte Licht stabilisiert Diese Transfernormale zeichnen sich durch ein geringes

Gewicht bei einer Laumlnge von ca 100 mm und einem Durchmesser von etwa 20 mm aus Allerdings ist die Verwendung von LEDs mit sehr hohen Leistun-gen nicht moumlglich da die Abwaumlrme lediglich passiv an den Raum abgegeben wird Eine detaillierte Beschreibung der Eigenschaften dieses Transfer-normals wurde 2012 veroumlffentlicht [2]

Fuumlr die thermische Stabilisierung von LEDs mit sehr hohen Leistungen wurde ein weiteres Trans-fernormal unter Einsatz von Peltier-Elementen Heatpipes und aktivem Kuumlhlsystem in der PTB entwickelt (vgl Bild 6)

Im Rahmen des europaumlischen Forschungspro-jekts OLED100eu wurde in der PTB weiterhin das weltweit erste Transfernormal unter Einsatz einer organischen Leuchtdiode entwickelt (vgl Bild 7) Dieses Normal wurde fuumlr den Einsatz in einer Ulbricht-Kugel konzipiert und in ein mattes Aluminiumgehaumluse eingebaut Eine Besonderheit dieses Normals ist die Stand-Alone-Versorgungs-einheit die ohne Rechner o auml saumlmtliche relevan-ten elektrischen und thermischen Groumlszligen regelt und auf einem USB-Stick speichert

3 LED-Messtechnik in der PTB

Neben LED-Transfernormalen mit guter Reprodu-zierbarkeit ist eine hochentwickelte Messtechnik fuumlr deren Kalibrierung mit minimaler Messunsi-cherheit erforderlich

Die photometrische Beschreibung von LEDs erfolgt durch Angabe ihrer Lichtstaumlrke ILED mit der Einheit Candela und ihrem Lichtstrom ΦLED mit der Einheit Lumen Diese Groumlszligen werden in der PTB unter Verwendung ruumlckgefuumlhrter Photometer bestimmt Hierfuumlr wird die Beleuchtungsstaumlrke ELED unter definierten geometrischen Bedingungen fuumlr alle Abstrahlrichtungen der LED mit einem Goniophotometer gemessen

Fuumlr die Bestimmung der colorimetrischen Werte kommen Spektralradiometer zum Einsatz Hiermit werden spektrale Bestrahlungsstaumlrken gemessen und daraus die abgeleiteten colorime-

Bild 5 Temperaturgeregeltes LED-Transfernormal auf Basis von Hochleistungs-LEDs mit Lichtstroumlmen von bis zu 100 Lumen Im rechten Bild ist die Temperaturverteilung in Grad Celsius waumlhrend des Betriebs abgebildet

Bild 6 Temperaturgeregeltes LED-Transfernormal auf Basis von Houmlchstleistungs-LEDs mit Lichtstroumlmen von bis zu 2500 Lumen

Bild 7 Temperaturgeregeltes OLED-Transfernormal auf Basis kommerziell erhaumlltlicher OLEDs

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PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4 Metrologie fuumlr moderne Lichtquellen

trischen Kenngroumlszligen wie z B die Normfarb-wertanteile (x y) bei weiszligen LEDs die aumlhnlichste Farbtemperatur TN mit der Einheit Kelvin und bei farbigen LEDs die dominante Wellenlaumlnge λdom berechnet Grundlegende Informationen und Definitionen uumlber die photometrischen und colorimetrischen Groumlszligen und deren Messung sind in [3] [4] und [5] zu finden

In Bild 8 ist der Aufbau des LED-Messplatzes an der PTB zu sehen Fuumlr die Bestimmung der Mess-groumlszligen in alle raumlumlichen Abstrahlwinkel wird die LED durch ein Goniophotometer bewegt

Die LED wird in horizontaler Betriebslage zentrisch normal zur Referenzebene des Photo-meterkopfes ausgerichtet Ein Translationstisch ermoumlglicht dabei eine Variation des Abstandes d zwischen Photometer und LED Eine horizontale Rotationsachse (φ-Achse) und eine senkrechte Rotationsachse (ϑ-Achse) die sich an der LED-Spitze im rechten Winkel schneiden erlauben durch Drehung der LED eine Bestimmung der Beleuchtungsstaumlrke ELED in alle Raumrichtungen Beide Rotationsachsen werden waumlhrend der Messung zeitgleich bewegt Hierdurch bewegt sich die relative Position der lichtempfindlichen Emp-faumlngeroumlffnung bezuumlglich des Schnittpunkts beider Drehachsen auf der Oberflaumlche einer virtuellen Kugel entlang einer Spiralbahn von bdquoPol zu Polldquo dieser Kugel

Die Bestimmung des Lichtstroms ΦLED erfolgt analog der Beschreibung in dem Kapitel Kurze Geschichte der Goniophotometrie in der PTB Der wesentliche Unterschied zu goniophotome-trischen Messungen an Gluumlhlampen besteht darin dass bei LED-Messungen die Lichtquelle typischerweise bewegt werden kann ohne dass sich ihre optischen Eigenschaften aumlndernAufgrund des stetig wachsenden Bedarfs an ruumlck-gefuumlhrten Kalibrierungen von High-Power-LEDs sind Masse und Abmessungen der Transfernor-male erheblich gestiegen Daher wurde der Mess-platz 2015 um ein weiteres Goniophotometer fuumlr schwere und groszlige Objekte erweitert (vgl Bild 9)

Neben den photometrischen Empfaumlngern befinden sich auch Einkoppeloptiken fuumlr Spekt-ralradiometer auf dem drehbaren Empfaumlngerka-russell Alle Empfaumlnger lassen sich hiermit auto-matisiert waumlhrend einer Messung zu den LEDs ausrichten Vor jeder LED-Kalibrierung werden die Spektralradiometer bezuumlglich Ihrer spektralen Empfindlichkeit und Wellenlaumlnge kalibriert Die entsprechenden Normallampen befinden sich neben dem Empfaumlngerkarussell (vgl Bild 10) und ermoumlglichen so ebenfalls eine automatisierte Messung

Den spektralen Messungen an LEDs kommt neben der Notwendigkeit fuumlr die Bestimmung colorimetrischer Kennzahlen noch eine beson-dere Bedeutung fuumlr die photometrischen Messun-

Bild 9 Goniophotometer fuumlr photometrische Messungen an Hochleistungs-LEDs

Bild 10 Entladungslampen mit verschiedenen Gasfuumlllungen dienen der Wellenlaumlngenka-librierung der Spektrometer Im Hintergrund ist eine Bestrahlungsstaumlrke-Normal-lampe fuumlr die spektrale Empfindlichkeitskalibrierung zu sehen

Bild 8 Goniophotometer fuumlr photometrische Messungen an Kleinleistungs-LEDs

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PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4Das Jahr des Lichtes

gen zu Wie in der Einleitung erklaumlrt unterscheiden sich die spektralen Verteilungen von LEDs und Gluumlhlampen deutlich voneinander Photometerkoumlpfe bestehen in der Regel aus einer Silizium-Photodiode deren spektrale Empfindlichkeit durch den Einsatz von Glasfiltern moumlglichst gut an den Hellemp-findlichkeitsgrad V(λ) angepasst wird Aufgrund internationaler Standardisierung wird die photo-metrische Empfindlichkeit von Photometerkoumlpfen fast ausschlieszliglich fuumlr Normlichtart A kalibriert In der Praxis werden hierfuumlr Gluumlhlampen mit einer Verteilungstemperatur von 2856 K verwendet Wenn man ein solches Photometer fuumlr Messungen an anderen Gluumlhlampen verwendet sind die spektralen Verteilungen meist so aumlhnlich dass nur geringe oder gar vernachlaumlssigbare Korrekturen aufgrund der spektralen Fehlanpassung also der Abweichung der realen spektralen Empfindlichkeit des Photometers von dem Hellempfindlichkeitsgrad notwendig sind Wenn man ein solches Photometer jedoch bei LEDs insbesondere farbigen LEDs einsetzt koumlnnen die Abweichungen aufgrund der spektralen Fehlan-passung sehr groszlig werden (gt10 fuumlr hochwertige Photometerkoumlpfe sind moumlglich)

Mit Kenntnis der relativen spektralen Verteilung der Leuchtdiode SLED(λ) und der relativen spekt-ralen Empfindlichkeit srel(λ) laumlsst sich die spektrale Fehlanpassung durch folgenden Korrekturfaktor cSpek korrigieren

cV S

s S

V P T

sSpek

LED

rel LED

A

rel

d

d

d=

( ) ( )( ) ( )

( ) ( )( )

intint

intλ λ λ

λ λ λ

λ λ λ

λ

intint ( )P Tλ λ A d

P(λ TA) beschreibt Lichtart A durch das Planck-sche Strahlungsgesetz fuumlr TA = 2856 K

Eine detaillierte Auflistung und Diskussion aller zu beruumlcksichtigenden Details bei Kalibrierungen von LEDs und das dazugehoumlrige Messunsicher-heitsbudget soll an dieser Stelle nicht gegeben werden Interessierte Leser koumlnnen hierfuumlr Infor-mationen in einer fruumlheren Veroumlffentlichung [6] oder in den Ergebnissen eines internationalen Vergleichs von LED-Messungen [7] finden

Fazit und Ausblick

Der Verzicht auf LEDs ist fuumlr Beleuchtungsan-wendungen nicht mehr vorstellbar Durch ihre kontinuierliche Weiterentwicklung erobern LEDs immer weitere Anwendungsfelder (z B Haus-halts- Straszligen- und Automobilbeleuchtung) mit denen der Endkunde in Kontakt kommt Bei diesen Anwendungen sind die Anforderungen an die Lichtquellen vielfaumlltig und fuumlr eine quantitative Beschreibung ihrer Eigenschaften muss auch die Messtechnik entsprechend umfassend und ausge-reift sein

Neben dem allgemeinen Forschungs- und Ent-wicklungsbedarf fuumlr bessere LED-Messverfahren und -geraumlte die die Grundlage ihrer technologi-schen Weiterentwicklung bilden gibt es eine weitere Herausforderung Aufgrund der nahezu unbe-grenzten Moumlglichkeiten eine bestimmte Lichtfarbe durch additive Farbmischung zu erhalten sind LEDs verschiedener Hersteller mit unterschiedlichen Emissionsspektren aber einer nominell gleichen aumlhnlichsten Farbtemperatur erhaumlltlich Dennoch ist teilweise ein Unterschied der Lichtfarbe mit bloszligem Auge erkennbar wenn sich unterschiedliche LEDs nebeneinander befinden

Es ist ungewoumlhnlich dass man ohne technische Hilfsmittel nominell gleiche Lichtfarben faktisch unterscheiden kann Um die Charakterisierung von LEDs soweit zu verbessern dass dies nicht mehr moumlglich ist ist einerseits eine Reduzierung der Messunsicherheit bei der Bestimmung der Normfarbwertanteile (Lichtfarbe) notwendig Andererseits muss man sich bewusst machen dass photometrische und colorimetrische Messverfahren auf rein physikalischen Zusammenhaumlngen basieren Individuelle menschliche Wahrnehmung und Sehen werden bei photometrischen Messungen nicht beruumlcksichtigt ndash diese werden durch Festlegung von exakt definierten Wichtungsfunktionen wie dem Hellempfindlichkeitsgrad fuumlr einen fiktiven Normalbeobachter ausgegrenzt Diese Wichtungs-funktionen koumlnnen gegebenenfalls auch noch optimiert werden um die objektive Beurteilung von Lichtquellen mit physikalischen Messmethoden zu verbessern Somit gibt es auch in Zukunft noch interdisziplinaumlre Herausforderungen fuumlr die Metro-logie moderner Lichtquellen

Literatur

[1] httpwwwnobelprizeorgnobel_prizesphysicslaureates2014 (letzter Aufruf 14102015)

[2] T Gerloff M Lindemann S Shirokov M Taddeo S Pendsa A Sperling Development of a new high-power LED transfer standard CIE Proceed-ings 2012

[3] CIE S 017E 2011 ILV International Lighting Vocabulary httpeilvciecoat (letzter Aufruf 03122015)

[4] CIE 127 2007 (2nd edition) Measurement of LEDs

[5] CIE S 025E 2015 Test Method for LED Lamps LED Luminaires and LED Modules

[6] M Lindemann R Maass Photometry and Colo-rimetry of Reference LEDs by Using a Compact Goniophotometer MAPAN ndash Journal of Metrolo-gy Society of India Vol 24 No 3 2009

[7] wwwbipmorg APMPPR-S3a (Averaged LED Intensity) APMPPR-S3b (Total Luminous Flux of LEDs) APMPPR-S3c (Emitted Colour of LEDs)

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Effektpigmente hellipPTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4

Einleitung

Farbe ist fuumlr Menschen die wohl auffaumllligste sub-jektive Stoffeigenschaft Bereits den Fruumlhmenschen war diese visuelle Qualitaumlt bekannt deren Wahr-nehmung allen Primaten eigen ist So wurde 2008 in Suumldafrika eine ca 100000 Jahre alte steinzeitli-che bdquoMalerwerkstattldquo entdeckt [1] Auch heutzu-tage spielt Farbe in der Gestaltung unserer Umwelt eine wichtige Rolle Jedes Jahr praumlsentiert uns die Mode die neuen Farben der Saison Farben dienen zur Regelung des Verkehrs Ohne bunte Farben waumlre unsere Welt trist und oumlde

Es ist wichtig festzustellen dass Farbe ein physiologischer Sinneseindruck ist wie z B auch Tasten oder Riechen D h Farbe ist keine immanente physikalische Eigenschaft eines Gegenstandes wie z B seine Masse oder Waumlrme-leitfaumlhigkeit Die physiologische Wahrnehmungs-kette ist hierbei folgende Das vom betrachteten Gegenstand reflektierte Licht trifft auf das Auge und loumlst hierbei einen Farbreiz aus Dieser Farbreiz beruht auf der spektralen Zusammensetzung des empfangenen Lichts d h er ist abhaumlngig von der verwendeten Lichtquelle und dem spektralen Reflexionsvermoumlgen des betrachteten Objektes Die Anregung der licht- und farbempfindlichen Zellen in der Netzhaut fuumlhrt zu einer Farbvalenz die uumlber den Sehnerv an das Gehirn weitergeleitet wird Die eigentliche Farbempfindung die wir dann mit einem Gegenstand verknuumlpfen entsteht erst im Gehirn [2] Liegt z B eine Farbfehlsich-tigkeit vor so kann der Farbeindruck des betrof-fenen Menschen auch ein ganz anderer sein Auch viele Tiere mit ihren teilweise erheblich abweichenden visuellen Systemen nehmen Farbe ganz unterschiedlich als wir Menschen wahr Im Folgenden soll mit Farbe immer die Koumlrperfarbe auch Gegenstandsfarbe Objektfarbe bzw Oberflauml-chenfarbe genannt einer nicht selbstleuchtenden Flaumlche bezeichnet werden die durch Reflexion von Licht an einem Koumlrper entsteht

Die genannten Zusammenhaumlnge machen die mathematisch-physikalische Beschreibung von Farbe schwierig und aufwendig da auch die spe-zifischen Eigenarten der menschlichen Wahrneh-

mungskette nachgestellt werden muumlssen Diesem Umstand wird versucht uumlber die verschiedenen Farbmaszligsysteme Rechnung zu tragen welche die Farbe eines Objektes mithilfe von quantifizierba-ren Zahlenwerten kennzeichnen [3]

Generell koumlnnen farbige Flaumlchen je nach Tageszeit und Lichteinfall sehr unterschiedlich wirken Die Aumlnderungen basieren hierbei auf der unterschiedlichen spektralen Zusammenset-zung des Tageslichts und den winkelabhaumlngigen Glanz- und Struktureigenschaften von Oberflauml-chen Ganz besonders deutlich ist dies bei auf dem Interferenzeffekt basierenden Effektpigmenten der Fall Deren visuelles Erscheinungsbild im englischen mit Visual Appearance bezeichnet kann sich bei variierendem Beobachtungswinkel und unterschiedlichen Lichtverhaumlltnissen komplett veraumlndern Man spricht hierbei von sogenannten Flop-Lacken wobei man zwischen Hell-Dunkel-Flop und Farb-Flop unterscheiden kann [4]

Generell kann man sagen dass Farbe und visuelle Effekte einen entscheidenden Anteil am Verkaufserfolg eines Produktes haben denn Farben wecken Emotionen und verschiedene Neuro marketingstudien belegen dass ca 95 aller Kaufentscheidungen emotional gepraumlgt sind [5] Deshalb spielt eine moderne Farbgestaltung unter Nutzung aktueller Effektpigmente im Pro-duktdesign eine entscheidende Rolle denn durch den Einsatz solcher Pigmente kann Gegenstaumlnden eine houmlhere Attraktivitaumlt verliehen werden Daher findet man moderne Effektpigmente heutzutage in vielen teilweise sehr unterschiedlichen Indus-trieprodukten wie z B in Autolackierungen Haumluserfassaden Kosmetikartikeln oder sogar bei Pralineacutes wie dies in Bild 1 zu sehen ist

Pigmente

Als Pigmente aus dem Lateinischen kommend von pigmentum fuumlr bdquoFaumlrbestoff Schminkeldquo bezeichnet man aus Teilchen bestehende im Anwendungs-medium praktisch unloumlsliche Sub stanzen die als Farbmittel oder wegen anderer spezieller physika-lischer und chemischer Eigenschaften als funktio-nale Farbzentren verwendet werden [6]

Effektpigmente Eine Herausforderung fuumlr die optische Messtechnik

Egbert Buhr Alfred Schirmacher Andreas Houmlpe

Dr Egbert Buhr Fachbereich bdquoBildshy und Wellenoptikldquo EshyMail egbertbuhrptbde

Dr Alfred Schirmacher Arbeitsshygruppe bdquoReflexion und Transmissionldquo EshyMail alfredschirmacherptbde

Dr Andreas Houmlpe dagger ehemals Arbeitsgrupshype bdquoReflexion und Transmissionldquo

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PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4Das Jahr des Lichtes

In der Natur vorkommende anorganische Pig-mente sind schon seit praumlhistorischen Zeiten bekannt Schon die Menschen der Steinzeit benutzen mineralische Pigmente fuumlr die ersten Houmlhlenzeichnungen Sie erkannten dass sie mit unterschiedlichen Erdsorten farbig malen konnten Eisenoxidhaltige Erden liefern gelbrote bis braunrote Kalk und Gips weiszlige Mangan-oxide sowie Holz- und Knochenkohle schwarze Farbtoumlne

Aus heutiger industrieller Sicht ist ein Pigment ein fein aufgeteilter und unloumlslicher Feststoff mit der Hauptfunktion das Erscheinungsbild des verwendeten Mediums zu verbessern oder es zu faumlrben Pigmente werden dem Medium immer durch physikalisches Mischen beigegeben dies unterscheidet sie von Farbstoffen die in ihrem Medium loumlslich sind

Pigmente koumlnnen nach den optischen Prin-zipien ihrer Wechselwirkung mit Licht unter-schieden und in verschiedene Klassen eingeteilt werden Wichtige Pigmentklassen sind Weiszlig- Bunt- Schwarz- und Effektpigmente die alle wegen ihrer speziellen farbgebenden Eigenschaf-ten eingesetzt werden Bei den Effektpigmenten

kann in einer ersten vereinfachten Einteilung noch zwischen Metalleffekt- und den sogenannten speziellen Effektpigmenten unterschieden werden

Der Begriff bdquospezielle Effektpigmenteldquo umfasst die Gruppen der Perlglanzpigmente und der all-gemeinen Interferenzpigmente welche insbeson-dere bei aktuellen Pigmententwicklungen nicht scharf abgegrenzt werden koumlnnen Perlglanzpig-mente sind Effektpigmente die aus transparenten Plaumlttchen mit hohem Brechungsindex bestehen Sie erzeugen durch die spezielle Form der Mehr-fachreflexion des transmittierten Lichts an mehre-ren Pigmenten einen perlenaumlhnlichen Effekt bei dem die auftreffende Strahlung verteilt reflektiert wird wodurch der Eindruck einer mit der Tiefe abnehmenden diffusen Helligkeit entsteht Fuumlr das Auge ergibt sich so eine scheinbar dreidimen-sionale Glanzcharakteristik die aus der Tiefe des Objektes zu kommen scheint Interferenzpigmente dagegen sind Effektpigmente deren farbgebende Wirkung ganz oder vorwiegend auf dem Effekt der Vielstrahlinterferenz von Licht an duumlnnen hoch-brechenden Schichten beruht Interferenzpigmente koumlnnen dabei sowohl auf transparenten oder auch nichttransparenten Plaumlttchen basieren

Bild 1 a) Roadster mit ChromaFlairreg-Effektpigmentlackierung b) Verwaltungsgebaumlude in Braunschweig verkleidet mit Alucobondreg-spectra-colours-Verbundplatten c) Effektpigmente im Nagellack d) Pralineacute mit Effektpigmentuumlberzug

a

dc

bb

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Effektpigmente hellipPTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4

Die heute verwendeten Pigmente lassen sich somit grob in fuumlnf verschiedene Klassen einteilen

1) Weiszligpigmente Die Pigmente streuen das ge-samte auftreffende Licht nahezu verlustfrei in alle Richtungen durch diffuse ungerichtete Reflexion

2) Buntpigmente Die Pigmente streuen einen Teil des Lichtes diffus und absorbieren wellenlaumln-genselektiv einen anderen Teil des Lichtes

3) Schwarzpigmente Die Pigmente absorbieren alle Wellenlaumlngen des fuumlr das menschliche Auge sichtbaren Spektralbereiches

4) Metalleffektpigmente Die aus duumlnnen Metall-plaumlttchen vorwiegend Aluminium bestehen-den Metalleffektpigmente sind lichtundurch-laumlssig und reflektieren das gesamte auftreffende Licht durch spekulare gerichtete Reflexion Die Pigmentpartikel wirken dabei wie Mikrospie-gel und fuumlhren bei paralleler Ausrichtung im Anwendungsmedium zu einem spiegelnden Metallglanz dem Metallic-Effekt

5) Spezielle Effektpigmente Perlglanz- bzw Inter-ferenzpigmente deren optische Wirkung auf der Mehrfachreflexion an uumlberwiegend flaumlchig aus-gebildeten und ausgerichteten transparenten semitransparenten oder lichtundurchlaumlssigen Partikeln beruht

Weiszlig- Bunt- und auch Schwarzpigmente weisen typische Durchmesser im Bereich von 100 nm bis zu 1 microm auf Ihre Groumlszlige liegt damit zum Teil im Bereich der Wellenlaumlnge des sichtbaren Lichtes welches den Bereich von 380 nm bis 780 nm uumlberdeckt Einige Schwarzpigmente wie z B Ruszlig-pigmente liegen mit ihren Durchmessern jedoch auch zum Teil auch deutlich darunter Effektpig-mente besitzen dagegen Teilchendurchmesser die zumeist im Bereich von 5 microm bis 100 microm in einigen Faumlllen auch daruumlber liegen Sie sind damit bezuumlglich der mittleren Plaumlttchendurch-messer wesentlich groumlszliger als die Wellenlaumlnge des sichtbaren Lichtes Die Dicke der Plaumlttchen liegt von einigen Ausnahmen abgesehen unter 1 microm ebenso wie die Dicke der Interferenzschichten Demzufolge weisen Effektpigmente in der Regel ein hohes Aspektverhaumlltnis auf (Verhaumlltnis der lateralen Ausdehnung einer Struktur zu ihrer Houmlhe) welches bis zu 200 betragen kann

Interferenzpigmente ndash Wie die Farben entstehen

Die Farbe von Interferenzpigmenten haumlngt von der Schichtdicke der Metalloxidbeschichtung und dem Einstrahlungs- und Betrachtungswinkel ab Beide Parameter bestimmen die effektive optische Weg-

laumlngendifferenz fuumlr das einfallende weiszlige Licht zwischen oberer und unterer Grenzflaumlche und die somit auftretenden Interferenzfarben siehe Bild 3

Interferenzpigmente zeigen somit einen aus-gepraumlgten bdquoFarbflopldquo Die Winkelabhaumlngigkeit der Farbe wird hierbei auch als Goniochromasie bezeichnet Richtig bunt geht es zu wenn ein Interferenzpigment auf einen bereits bunten Untergrund aufgebracht wird Die Transparenz der Pigmente laumlsst die Untergrundfarbe durch-

Bild 2 Schematische Diagramme zum spektralen Verhalten verschiedener Pigmenttypen

Bild 3 Die Schichtdicke der Metalloxidbeschichtung und der kombinierte Einstrahlungs- und Betrachtungswinkel bestimmen die optische Weglaumlnge und somit die sich ergebenden Interferenzfarben in Reflexion und Transmission

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PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4Das Jahr des Lichtes

Bild 5 Die Effekte Spar-kling (1) und Coarseness (2) des Effektpigmentes Xirallicreg Crystal Silver in einer vergroumlszliger-ten Aufnahme auf weiszligem (links) und schwarzem Hinter-grund (rechts)

scheinen im Glanzwinkel wird sie aber von der Interferenzfarbe uumlberstrahlt wie dies in Bild 4 zu sehen ist

Der Effekt eines Helligkeitsunterschiedes unter verschiedenen Betrachtungswinkeln wird als Helligkeitsflop bezeichnet und ist an sich nichts Neues Sind jedoch die einzelnen Pigmentteilchen

aufgrund ihrer planaren Reflexionsoberflaumlchen in gerichteter Beleuchtung direkt beobachtbar was fuumlr mittlere Teilchengroumlszligen von 30 microm und groumlszliger der Fall ist so ergibt dies einen Effekt welcher mit dem Begriff Sparkle (Glitzern Funkeln) bezeichnet wird (Bild 5) Aumlndert sich die Beleuchtung von einer gerichteten Einstrahlung wie es an einem wolkenlosen sonnigen Sommertag der Fall ist hin zu einer diffusen ungerichteten Einstrahlung wie an einem stark bewoumllkten Herbsttag so verschwin-det das Sparkling der Pigmente und verwandelt sich in eine Koumlrnigkeit der Oberflaumlche Dieses optische Phaumlnomen wird als Coarseness (Bild-koumlrnigkeit) bezeichnet und ist unabhaumlngig vom Betrachtungswinkel (Bild 5)

Als neuer Archetypus des Sparkle-Begriffes haben sich in den letzten Jahren die Xirallicreg Pig-mente (High Chroma Chrystal Effect Pigments) der Firma Merck KGaA entwickelt Durch die Beschich-tung von Aluminiumoxidplaumlttchen mit hochbre-chenden Metalloxiden und einer optimierten Dicke und Ebenheit aller am Pigment beteiligten Schich-ten entstehen auszligergewoumlhnlich stark reflektierende Effektpigmente die einen besonders intensiven Sparkle-Effekt aufweisen Man spricht hierbei auch von sogenanntem Living Sparkle welcher sich in einem scheinbaren bdquoTanzenldquo der leuchtenden Punkte in der Probenoberflaumlche bei Veraumlnderung der Beobachtungsgeometrie aumluszligert [7 8]

Generell gilt dass die Farbe von Objekten mit Effektlackierung nicht mehr wie jahrzehntelang uumlblich und ausreichend mit konventionellen Farb-messgeraumlten mit nur einer festen Messgeometrie wie z B in der 45deg 0deg Geometrie (Einstrahlung unter 45deg Reflexionsmessung unter 0deg) bestimmt werden kann Dieser Umstand wird sehr gut durch die Grafik in Bild 6 illustriert Dargestellt sind die winkelabhaumlngig gemessenen Farbkoordinaten von drei verschiedenen keramischen Farbstandards der Farben rot gruumln und blau sowie eines mit dem Effektpigment Viola Fantasy der Firma Merck lackierten Blechs Der Einfallswinkel des Lichts auf die Proben betrug hierbei immer 45deg zur Oberflauml-chennormalen Das von den Proben reflektierte Licht wurde an 26 Positionen in einem 5deg Raster in planaren die Oberflaumlchennormale enthalten-den Messgeometrien im Winkelbereich von ndash70deg bis +70deg aufgenommen Bei den aus absorptiven Pigmenten bestehenden Keramiken zeigt sich eine nur sehr geringe Winkelabhaumlngigkeit der Farbe welche groumlszligtenteils auf unterschiedlicher winkelabhaumlngiger Helligkeit d h den Glanzeigen-schaften der Oberflaumlche beruht Das Effektpigment dagegen zeigt einen extremen winkelabhaumlngigen Farb-Flop (Goniochromasie) welcher einen Farbverlauf von Gruumln uumlber Rot-Gelb hin ins Blau-Violett bietet

Aber auch die neuen Lackfarben aus der Gruppe der Effektlackierungen muumlssen messtechnisch

Bild 4 Merck-Xirallicreg-Solaris-Red-Effektpigmente appliziert auf einem mit Standard-Ab-sorptionspigmenten hellblau lackierten Metallblech In Rich-tung des Glanzwin-kels auf der rechten Seite zeigt sich der langsame Aufbau der winkelabhaumlngigen Interferenzfarbe

1

Bild 6 CIELab Farbkoordinaten einer winkelabhaumlngigen Reflexionsmessung an vier verschiedenen Proben drei Keramiken der Farben rot gruumln blau und eine Effektpigmentlackierung mit Merck Colorstreamreg Viola Fantasy Das untergelegte Farbschema zeigt naumlherungsweise die den Koordinaten entsprechende Farbe

2

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Effektpigmente hellipPTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4

Abbildungsoptik Messungen der ortsaufgeloumlsten Leuchtdichte auf einer Laumlngenskala bis hinab zu 28 microm auf der zu untersuchenden Probe siehe Bild 8

Mit der Zeilenkamera sind Messungen von kompletten Reflexionsspektren im sichtbaren Spektralbereich zwischen 380 nm und 780 nm dem sogenannten V(λ)-Bereich auf einer Zeit-skala von 2 Minuten moumlglich Hieraus lassen sich dann Farbkoordinaten der untersuchten Proben in den unterschiedlichsten Farbraumsystemen berechnen Eine absolute Messung in 114 Win-kelkombinationen (siehe Bild 9) im Polarwinkel-

erfasst und ruumlckgefuumlhrt werden um eine gleich-bleibende Qualitaumlt in der Produktion gewaumlhrleis-ten zu koumlnnen Gerade diese vielfaumlltigen zusaumltz-lichen Eigenschaften stellen die Farbmesstechnik vor neue Herausforderungen

Farbmessung

Bisherige kommerzielle Farbmessgeraumlte charakte-risieren Probenoberflaumlchen fast ausschlieszliglich in den eben schon erwaumlhnten sogenannten in-plane Reflexionsgeometrien Dabei liegen die Richtun-gen des eingestrahlten und des reflektierten Lichts sowie die Oberflaumlchennormale der Probe in einer Ebene Diese Einschraumlnkung entspricht jedoch in keiner Weise der taumlglichen Realitaumlt bei der Oberflaumlchen aus beliebigen Richtungen beleuchtet und betrachtet werden Seitens der Messgeraumlteher-steller und Anwender gibt es daher einen Trend zur erweiterten Charakterisierung bezuumlglich zusaumltzlicher Winkelkombinationen im dreidimen-sionalen Raum Spitzenreiter dieser Entwicklung am Markt ist derzeit ein tragbares Mehrwinkel-Spektralphotometer mit insgesamt 19 verschie-denen Reflexionsgeometrien [9] Hiermit scheint aber auch das Ende dieser Entwicklung im Bereich der portablen handgefuumlhrten Geraumlte erreicht Der Wunsch der Anwender geht aktuell wieder zuruumlck zu einer geringeren Anzahl von Winkelkombi-nationen denn es ist unklar wie man aus dem Mehr an winkelaufgeloumlsten Reflexionsdaten die fuumlr die Charakterisierung der Farbeigenschaften relevanten Informationen gewinnen kann Daher stellt sich die Frage welches sind bdquoguteldquo d h an die Messaufgabe adaptierte optimal geeignete Messgeometrien

Um diese Frage zu beantworten betreibt die AG 424 bdquoReflexion und Transmissionldquo der PTB zwei roboterbasierte Gonioreflektometer die eine winkelaufgeloumlste Reflexionsmessung in beliebi-gen bidirektionalen Geometrien ermoumlglichen [10ndash12] Diese beiden Apparaturen sind in Bild 7 dargestellt

Das Standard-Gonioreflektometer ist hierbei das nationale Normal fuumlr die Messgroumlszlige spektraler Strahldichtefaktor in gerichteten Geometrien Es dient der Realisierung Bewahrung und Weiter-gabe der gerichteten Reflexionsskale in Form von Kalibrierungen Die zweite Apparatur bezeich-net mit dem Acronym ARGon3 (3D Appearance Robot-based Gonioreflectometer) ist ein flexibles Forschungsgeraumlt mit dem experimentelle Unter-suchungen u a im Rahmen des EMRP-Projektes Multidimensional Reflectometry for Industry der EU [13] durchgefuumlhrt werden Im Ver gleich zum Standard-Gonioreflektometer ist dieses Geraumlt mit einer photometrischen Leuchtdichteka-mera und einer Zeilenkamera ausgeruumlstet Die Leuchtdichtekamera erlaubt mit einer speziellen

Bild 7 Die beiden roboter-basierten Gonio-reflektometer der PTB oben Standard-Gonioreflektometer fuumlr Kundenkalibrie-rungen unten ARGon3-Messplatz fuumlr Forschungsanwen-dungen

Bild 8 Visualisierung desSparkling-Effektesvon Xironareg-Volcanic-Sparks-Pigmenten als Falschfarben-darstellung der ortsaufgeloumlsten LeuchtdichteDie bdquoNadelnldquo zeigendie Position derPigmente an

Bild 9 Beispielgeometrien zur Messung der winkelabhaumlngigen Reflexionseigen-schaften Realisiert wurden 4 Einstrah-lungsrichtungen (rote Pfeile) mit jeweils 114 Reflexionswinkeln (schwarze Punkte) im Bereich der Viertel-kugel oberhalb der Probenoberflaumlche

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PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4Das Jahr des Lichtes

bereich 0deg bis 70deg gleichmaumlszligig verteilt uumlber den Viertelraum oberhalb der Probe dauert hierbei ca 4 Stunden [14] Die so erhaltenen Daten bilden die Basis fuumlr kuumlnftige Verbesserungen in der Mess-technik fuumlr Anwender und Hersteller

Im Rahmen des EMRP-Projektes Multidimen-sional Reflectometry for Industry [13] sind damit die winkelabhaumlngigen Reflexionsspektren von insgesamt 66 verschiedenen Effektpigmentproben gemessen worden [15 16] Bei den vier verschie-denen Einstrahlungsrichtungen verbunden mit jeweils 114 Reflexionswinkeln im Bereich der Vier-telkugel oberhalb der Probenoberflaumlche ergeben sich somit uumlber 30000 Reflexionsspektren

Zielsetzung der Untersuchungen ist die Ver-besserung der Metrologie zur Materialcharak-terisierung mit reduzierter Messunsicherheit Dazu werden neue Messvorschriften und neue Standardmessartefakte entwickelt mit denen die Industrie die visuelle Wahrnehmung der von ihr produzierten Oberflaumlchen gezielt charakterisie-ren und kontrollieren kann Solche Messungen sollten einfach auszufuumlhren sein und die Ergeb-nisse muumlssen soweit wie moumlglich mit der visuellen menschlichen Wahrnehmung korrelieren Im europaumlischen und internationalen Rahmen sollen die Ergebnisse in die Normung einflieszligen um die allgemeine Vergleichbarkeit solcher Messungen zu gewaumlhrleisten

Literatur

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[16] A Houmlpe K-O Hauer S Teichert D HuumlnerhoffC Strothkaumlmper Goniochromatic and Sparkleproperties of effect pigmented samples in mul-tidimensional configuration Proc SPIE 9398Measuring Modeling and Reproducing MaterialAppearance 2015 SPIE Proc Vol 9398 Appea-rance 93980O-1ndash7 2015

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Die 50 Sitzung des Internationalen Komitees fuumlr das gesetzliche Messwesen (CIML) fand vom 20 bis 22 Oktober 2015 in Arcachon Frankreich statt Im Vorfeld der CIML-Sitzung fand ein ein-taumlgiges OIML-Seminar uumlber Countries and Econo-mies with Emerging Metrology Systems (CEEMS) statt uumlber das weiter unten berichtet wird

Das CIML ist der Lenkungsausschuss der OIML Es trifft sich jaumlhrlich und besteht aus je einem Repraumlsentanten der Mitgliedstaaten der korrespondierenden Mitglieder und den Vertre-tern internationaler und regionaler Organisa-tionen die als Beobachter teilnehmen koumlnnen Das CIML ist zustaumlndig fuumlr die Vorbereitung und Durchfuumlhrung der Entscheidungen der Konfe-renz die alle vier Jahre stattfindet Es uumlberwacht die Arbeiten der Technischen Komitees und Unterkomitees und des Internationalen Buumlros fuumlr das gesetzliche Messwesen (BIML) in Paris

An der 50 CIML-Sitzung nahmen 144 Teilneh-mer aus 43 Mitgliedstaaten und 13 korrespondie-renden Mitgliedstaaten teil Zur deutschen Dele-gation gehoumlrten neben den o g Autoren auch die Herren Johann Fischer Direktor des Landesamts fuumlr Mess- und Eichwesen Berlin-Brandenburg sowie Prof Olaf Kuumlhn Direktor des Thuumlringer Landesamts fuumlr Verbraucherschutz als Vertreter der Bundeslaumlnder Dr Peter Ulbig Leiter der Abteilung Wissenschaftlich-technische Quer-schnittsaufgaben der PTB und Prof Manfred Kochsiek Vizepraumlsident a D der PTB ehema-liger CIML-Praumlsident und Ehrenmitglied der OIML Frau Dr Anna Cypionka persoumlnliche Referentin des Praumlsidenten der PTB nahm am OIML-Seminar fuumlr CEEMS teil Vertreten waren auch wieder internationale und regionale Orga-nisationen zu denen die OIML Verbindungen unterhaumllt wie das Internationale Buumlro fuumlr Maszlig und Gewicht (BIPM) die GSO-GCC Standardiza-tion Organization (Saudi-Arabien) die Internatio-nal Laboratory Accreditation Cooperation (ILAC) und der Europaumlische Verband der Waagenherstel-ler (CECIP)

Alle Beschluumlsse der 50 CIML-Sitzung koumlnnen auf den Internetseiten der OIML aufgerufen werden [1 2]

Die wichtigsten Entscheidungen und Entwick-lungen werden nachfolgend vorgestellt

1 Personalangelegenheiten

Der Vertrag von Willem Kool als Assistant Director wurde um vier Jahre der Vertrag des BIML-Direk-tors Stephen Patoray um drei Jahre verlaumlngert

2 Einfuumlhrung des PG Workspace im Internet

In seinem Bericht im Zusammenhang mit der Etablierung des neuen Webauftritts der OIML hob der CIML-Praumlsident Peter Mason (UK) die erfolgreiche Einfuumlhrung des Workspace fuumlr Pro-jektgruppen hervor Durch die Online-Arbeit wird erwartet dass die technische Arbeit an neuen bzw zu revidierenden OIML-Dokumenten vereinfacht und insgesamt effizienter wird

3 Revision der technische Richtlinien fuumlr die OIML (B 6 Directives for OIML tech-nical work)

In einem neuen Projekt sollen die in den vergan-genen Jahren revidierten OIML-Richtlinien fuumlr die technische Arbeit erneut uumlberarbeitet werden um u a den Prozess der Entwicklung und Uumlber-arbeitung von OIML-Publikationen noch weiter zu beschleunigen und den neuen internetbasierten Technologien und Arbeitsweisen Rechnung zu tragen

4 Umfassende strukturelle Uumlberarbeitung des OIML Certificate System

Das CIML verabschiedete die Gruumlndung einer Projektgruppe mit der Aufgabe einer substan-ziellen Uumlberarbeitung des OIML-Zertifizierungs-systems das z Zt aus dem Basiszertifizierungs-system und dem MAA3 besteht Urspruumlnglich ausgehend von der Annahme die Akzeptanz des MAA-Zertifizierungssystem muumlsse verstaumlrkt werden eine groumlszligere Verbreitung finden und mehr Messgeraumltearten abdecken erscheint es

Aktuelles aus der OIML (Internationale Organisation fuumlr das Gesetzliche Messwesen)Bericht uumlber die 50 Sitzung des CIML in Arcachon FrankreichSusanne Ludwig Roman Schwartz

INTERNATIONALE ZUSAMMENARBEIT

Susanne Ludwig OIMLshyGeschaumlftsstelle der PTB EshyMail susanneludwigptbde

Dir u Prof Dr Roman Schwartz Vizepraumlsident der PTB deutsches Mitglied im Internashytionalen Komitee fuumlr das Gesetzliche Messwesen (CIML) und CIMLshyVizepraumlsishydent EshyMail romanschwartzptbde

3 Mutual Acceptance Arrangement (Abshykommen zur gegenshyseitigen Anerkennung von Bauartpruumlfungen)

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PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4Internationale Zusammenarbeit

inzwischen sinnvoller und wurde so auch vom CIML beschlossen zum 112017 ein einziges OIML-Zertifizierungssystem einzufuumlhren Eine Projektgruppe (Certification System Project Group = CSPG) unter dem Vorsitz des CIML-Vizepraumlsi-denten Dr Roman Schwartz wurde damit beauf-tragt die notwendigen Dokumente und Prozedu-ren auszuarbeiten

5 OIML-Seminar fuumlr Countries and Economies with Emerging Metrology Systems (CEEMS)

Im Vorfeld der CIML-Sitzung wurde ein eintaumlgiges Seminar zum Thema Developing an OIML Package for Assistance to Countries with Emerging Metro-logy Systems (CEEMS) abgehalten In vier Sitzun-gen diskutierten 125 Teilnehmer aus 49 Laumlndern uumlber Moumlglichkeiten Laumlnder beim Aufbau von nationalen Metrologiesystemen zu unterstuumltzen In der ersten von Frau Dr Cypionka geleiteten Sitzung Capacity Building ging es um die allge-meinen Herausforderungen bei der Gestaltung von Programmen zur Foumlrderung von Handlungs-kompetenzen und Vermittlung von Wissen fuumlr die Metrologie In zwei weiteren Sitzungen wurden unter den Themen Helping CEEMS Improve Regulation in their Markets (Leitung Prof Dr Manfred Kochsiek) und New Ideas ndash Doing Legal Metrology Differently (Leitung Stuart Carstens

Suumldafrika) konkrete inhaltliche Loumlsungsvorschlaumlge vorgestellt und diskutiert Die Ergebnisse wurden in der 50 CIML-Sitzung vorgestellt und fanden ihren Niederschlag in der Resolution Nr 201510 [2] sie sollen auch noch auf den OIML-Webseiten veroumlffentlicht werden [1]

6 OIML-Publikationen

Folgende OIML-Publikationen wurden verabschiedet

R 139-3 Compressed gaseous fuels measuring systems for vehicles Part 3 Test report format

New Recommendation (R 145) Ophthalmic instru-ments mdash Impression and applanation tonometers

Alle OIML-Publikationen stehen im Internet frei zur Verfuumlgung [3]

Gleichzeitig wurde die Revision der folgenden OIML-Publikation beschlossen

Revision of R 79 Labeling requirements for prepackages

Folgende neue Projekte wurden verabschiedet

Revision des OIML-Dokuments B 6-1 Directives for OIML technical work

Bild 1 Teilnehmer der 50 Sitzung des Internationalen Komitees fuumlr Gesetz-liches Messwesen (CIML) in Arcachon Frankreich

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PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4 Aktuelles aus der OIML

TC 8SC 1 Revision R 71 Fixed storage tanks mdash General requirements

TC 8SC 1 Revision R 85 Automatic level gauges for measuring the level of liquid in stationary storage tanks

7 Personalien und Ehrungen

Die von Dr Seiler dem ehemaligen Leiter des Fachbereichs bdquoTechnische Zusammenarbeitldquo der PTB initiierte OIML-Auszeichnung fuumlr bdquoexzel-lente Beitraumlge von Entwicklungslaumlndern zum gesetzlichen Messwesenldquo ging in diesem Jahr an

bull Nam Hyuk Lim Director of Korea Testing Certi-fication und

bull The Metrology Department Saint Lucia Bureau of Standards

Die OIML-Medaille fuumlr besondere Verdienste um die OIML-Arbeit ging an Ngo Quy Viet Vietnam und Cartaxo Reis aus Portugal

8 Termine

Ein Gastgeberland fuumlr die 51 CIML-Sitzung und 15 OIML-Konferenz im Jahr 2016 konnte noch nicht bekannt gegeben werden es wird aber wahr-scheinlich wieder Frankreich sein Weitere OIML-Veranstaltungen und -Termine finden sich auf der OIML-Webseite unter [4]

9 Literatur

[1] httpswwwoimlorgen (letzter Aufruf 19112015)

[2] httpswwwoimlorgenstructurecimlpdf50-ciml-resolutions-englishpdf (letzter Aufruf 19112015)

[3] httpswwwoimlorgenpublicationsrecommen-dationspublication_viewp_type=1ampp_status=1

[4] (letzter Aufruf 19112015)[5] httpswwwoimlorgeneventscalendar

(letzter Aufruf 19112015)

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TECHNOLOGIETRANSFER

E27-Scanner fuumlr UlbrichtkugelnMit dem besonders einfach ohne Umbau einsetzbaren E27-Scanner koumlnnen Anwender und Hersteller die Homogenitaumlt ihrer Ulbricht-kugeln bestimmen und die Ergebnisse zur Berechnung genauerer Lichtstroumlme und zur Dokumentation der Qualitaumlt ihrer Messungen nutzen

Hintergrund

Wie viel Licht eine Lampe insgesamt in alle Richtungen abstrahlt wird durch ihren Lichtstrom ausgedruumlckt Um den fuumlr die Bestimmung der Energieeffizienz von Lampen notwendigen Lichtstrom schnell zu er mitteln setzt die Lampenindustrie Ulbrichtkugeln ein An einer Stange in der Mitte der Ulbrichtkugel befindet sich eine E27-Lampen-fassung in die nacheinander die Lichtstrom-Normallampe und die zu kalibrierende Lampe eingeschraubt werden Das indirekt auf den Mess-kopf fallende Licht erzeugt einen Photostrom der im Idealfall propor-tional zu dem von der Lampe abgestrahlten Lichtstrom ist unabhaumlngig von der Richtung in die das Licht abgestrahlt wird

Dies ist jedoch bei einer ungleichmaumlszligigen Beschichtung der Kugel sowie bei einer im Laufe der Zeit nicht zu verhindernden Verstaubung nicht der Fall Deshalb wird mit einem Kugelscanner die Homogenitaumlt der Kugel regelmaumlszligig vermessen und ein Korrekturfaktor bestimmt der von der jeweiligen Abstrahlcharakteristik der zu untersuchenden Lampe abhaumlngt

Technische Beschreibung

Der Kugelscanner wird einfach in eine E27-Fassung geschraubt und das sonst fuumlr die Lampenversorgung eingesetzte Netzgeraumlt wird durch die Steuereinheit ersetzt Diese uumlbernimmt sowohl die elektrische Versor-gung als auch die Befehlsuumlbermittlung zum Kugelscanner Die Steuer-einheit wird via USB oder RS232 an einen Computer angeschlossen Das mitgelieferte Messprogramm stellt automatisiert alle gewuumlnschten Richtungen ein und speichert die zugehoumlrigen von der Steuereinheit gemessenen Photostroumlme des Photometers

Wirtschaftliche Bedeutungw

Fuumlr Lampenindustrie und Hersteller von Ulbrichtkugeln

bull Genauere Messung des Lichtstroms

bull Bestimmung des Zeitpunkts einer Neubeschichtung

bull Uumlberwachung beim Beschichten

bull Dokumentation des Zustands der Ulbrichtkugel

EntwicklungsstandDer E27-Kugelscanner wurde in der PTB entwickelt Er wird laufend fuumlr Kalibrierungen eingesetzt Die Technologie wurde an die Firma Czibula amp Grundmann transferiert und wird dort mit einer PTB-Lizenz gebaut und vertrieben wwwphoto-metercom

Ansprechpartner

Dr Bernhard SmandekBeauftragter fuumlr TechnologietransferTelefon +49 531 592shy8303Telefax +49 531 592shy69shy8303EshyMail technologietransferptbde

Dr Stefan WinterFachbereich Photometrie und Radiometrie

Abbildung des E27shyKugelscanners Eine stark fokussierende Lampe die computergesteuert in alle Richtungen leuchten kann

Vorteile

bull Schneller Einbau in E27shyFassung

bull Computergesteuertes Abscannen der gesamten Ulbrichtkugel

bull Flexible Messmoumlglichkeiten

bull Fuumlr genauere Lichtstromshymessungen

bull Wichtig fuumlr die Qualitaumltsshysicherung

PTBshyNummer 0172

wwwtechnologietransferptbde

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PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4 Technologieangebote

Ansprechpartner

Dr Bernhard SmandekBeauftragter fuumlr TechnologietransferTelefon +49 531 592shy8303Telefax +49 531 592shy69shy8303EshyMail technologietransferptbde

Dr Stefan WinterArbeitsgruppe Solarzellen

PulsshyzushyCWshyKonverter

Umwandlung gepulster Laser-Strahlung in konstante StrahlungIn weiten Bereichen der optischen Metrologie ist eine Strahlungs-quelle von groszligem Nutzen die sich spektral vom UV-C bis ins mitt-lere IR durchstimmen laumlsst Lediglich Laser mit gepulster Strahlung erfuumlllen diese Anforderung bei ausreichend groszligem Ausgangssignal bisher luumlckenlos Femtosekunden-Lasersysteme waumlren aufgrund ihrer gut automatisierbaren und spektral weiten Durchstimmbarkeit die ideale Strahlungsquelle fuumlr z B radiometrische Anwendungen ndash wenn ihre Strahlung nicht gepulst waumlre

Durch das extreme Puls-Pausen-Verhaumlltnis von 10ndash5 entstehen hohe Spitzenleistungen die wiederum zu Saumlttigungseffekten bei Detek-toren und in der Folge zu nichtlinearem Verhalten fuumlhren koumlnnen Mit dem in der PTB entwickelten Puls-zu-CW-Konverter wird dieses Problem geloumlst

Technische Beschreibung

Bei dieser Methode werden Pulse gepulster Strahlungsquellen ausrei-chend hoher Repetitionsrate in CW-Strahlung umgewandelt Dabei wird jeder Puls in viele kleine Teilpulse aufgeteilt die auf unterschiedlich langen Wegstrecken unterschiedliche Laufzeiten erfahren Am Ausgang des Systems erscheinen sie dann zeitlich gleichmaumlszligig verteilt Realisiert wird dieser Puls-zu-CW-Konverter uumlber ein Glasfaserbuumlndel bei dem jede Einzelglasfaser eine individuell festgelegte Laumlnge besitzt

Mit der Entwicklung des Puls-zu-CW-Konverters wurde das ent-scheidende Manko beim Einsatz leistungsstarker Femtosekunden(fs)-Lasersysteme im Bereich der Metrologie beseitigt und erstmalig gepulste Laserstrahlung in CW-Strahlung umgewandelt Diese Neuentwicklung ermoumlglicht es nun herkoumlmmliche Monochromatorsysteme durch fs-Lasersysteme zu ersetzen die eine bis zu 1000-mal houmlhere spektrale Ausgangsleistung besitzen

Wirtschaftliche Bedeutung

Durch den neuen Puls-zu-CW-Converter koumlnnen in wirtschaftlich bedeutenden Bereichen wie z B der Photovoltaik der Photometrie der UV-Strahlungsmesstechnik und der Reflektometrie die Referenz- und Transfernormale mit einer deutlich reduzierten Messunsicherheit kali-briert werden Hier werden bislang wesentliche Messunsicherheitsan-teile durch zu geringe Strahlungsleistungen aus herkoumlmmlichen Mono-chromatorsystemen verursacht

Entwicklungsstand

Unter DE 10 2010 011 615 B4 wurde fuumlr den CW-Konverter ein Patent erteilt

Vorteile

bull Zeitliche Glaumlttung gepulster Laserstrahlung

bull Keine stoumlrenden Interferenzen

bull Nur minimale Absorption des Messsignals

bull Auch bei kuumlrzeren Wellenshylaumlngen ohne Ulbrichtkugel verwendbar

bull Kontinuierliche Verteilung des Ausgangspulses

bull Pulsvervielfachung

bull Houmlhere Strahlungsleistung

PTBshyNummer 0254

wwwtechnologietransferptbde

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PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4Technologieangebote

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Homogenisierung von Strahlungsquellen und Focal Plane Arrays (FPA)Ein neuartiges Verfahren ermoumlglicht softwaregestuumltzt eine deutlich verbesserte Kalibrierung von Mehrelement-Sensoren (FPA) und bildgebenden Systemen (Kameras) Bei flaumlchigen Strahlungsquellen kann zusaumltzlich eine gezielte Ansteuerung von Flaumlchenelementen zu einer bisher im Allgemeinen nicht erreichbaren Flaumlchenhomogenitaumlt fuumlhren

Technische Beschreibung

Flaumlchenstrahler dienen der Kalibrierung von ortsaufloumlsenden Strah-lungssensoren wobei davon ausgegangen wird dass die Emissionsflaumlche des Strahlers im Wesentlichen homogen bezuumlglich ihrer Strahldichte bzw Strahlungstemperatur ist Um kleine Inhomogenitaumlten eines Flaumlchenstrahlers zu charakterisieren ist es ein gaumlngiges Verfahren die Emissionsflaumlche punktweise mit einem Einzeldetektor abzutasten

Das neue PTB-Verfahren ist wesentlich schneller da es den Mehr-element-Sensor (FPA) das device-under-test selbst nutzt und damit immer ein Gesamtbild der Quelle aufnimmt Werden jetzt weitere Bilder zeilen- oder spaltenversetzt aufgenommen so erlaubt ein mathema-tischer Algorithmus bei nur drei Bildern eine komplette Charakterisie-rung des Sensors aber auch der Quelle

Sind Flaumlchenelemente der Strahlungsquelle einzeln ansteuerbar so ist es sogar moumlglich mittels der ermittelten Korrekturwerte zu Strahlquellen extrem hoher Homogenitaumlt im on-line-Betrieb zu gelangen

Wirtschaftliche Bedeutung

Bildgebende Strahlungssensoren und homogene Strahlungsquellen sind relevant fuumlr die Forschung und Entwicklung fuumlr die Prozesstechnik fuumlr die Charakterisierung der Energieeffizienz von Bauten bei der Ent-wicklung neuer Bauteile mit hoher thermischer Belastung und in vielen weiteren Bereichen Der mathematische Algorithmus ist aber auf unter-schiedliche Arten von Kamerasystemen anwendbar und damit auch fuumlr die Qualitaumltssicherung von CCD-Kameras bis hin zum Konsumguuml-termarkt anwendbar EntwicklungsstandEine deutsche Patenterteilung erfolgte im September 2015 Eine PCT-Anmeldung ist anhaumlngig Kooperations- und Lizenzpartner aus den Bereichen Thermografie Radiometrie und Photometrie zur Umsetzung des Konzeptes werden gesucht

Ansprechpartner

Dr Bernhard SmandekBeauftragter fuumlr TechnologietransferTelefon +49 531 592shy8303Telefax +49 531 592shy69shy8303EshyMail technologietransferptbde

DiplshyIng Berndt GutschwagerArbeitsgruppeInfrarotshyStrahlungsthermometrie

Stahlungsmessplatz der PTB zur Kalibrierung von Temperaturstrahlern und Waumlrmebildkashymeras

Vorteile

bull Schnelle Kalibrierung von Flaumlchensensoren (FPA)

bull Schnelle Kalibrierung von Flaumlchenstrahlern

bull Strahlquellen houmlchster Hoshymogenitaumlt

bull Fuumlr Thermografie und Phoshytometrie

PTBshyNummer 00374

wwwtechnologietransferptbde

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Printed in Germany ISSN 0030-834X

Die fachlichen Aufsaumltze aus dieser Ausgabe der PTB-Mitteilungen sind auch online verfuumlgbar unterdoi 10779531020150499

Die Physikalisch-Technische Bundesanstalt das nationale Metrologieinstitut ist eine wissenschaftlich-technische Bundesoberbehoumlrde im Geschaumlftsbereich des Bundesministeriums fuumlr Wirtschaft und Energie

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Die PTB-Mitteilungen sind metrologisches Fachjournal der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt Braunschweig und Berlin Als Fachjournal veroumlffentlichen die PTB- Mitteilungen wissenschaftliche Fachaufsaumltze zu metrologischen Themen aus den Arbeitsgebieten der PTB Die PTB-Mitteilungen stehen in einer langen Tradition die bis zu den Anfaumlngen der Physikalisch-Technischen Reichsanstalt (gegruumlndet 1887) zuruumlckreicht

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Physikalisch-Technische BundesanstaltBraunschweig und BerlinNationales Metrologieinstitut

Die Physikalisch-Technische Bundesanstalt das nationale Metrologieinstitut ist eine wissenschaftlich-technische Bundesoberbehoumlrde im Geschaumlftsbereich des Bundesministeriums fuumlr Wirtschaft und Energie

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PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4Das Jahr des Lichtes

Anforderungen fuumlr die Ruumlckfuumlhrung photome-trischer Einheiten wie beispielsweise im Solid-State-Lighting-Bereich koumlnnen so erfuumlllt werden

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PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4Das Jahr des Lichtes

1 Eine einleitende Beschreibung von Gluumlhlampen LEDs und OLEDs

Der Einsatz Licht Emittierender Dioden (LED) in der Allgemeinbeleuchtung hat in den vergangenen Jahren erheblich zugenommen Ein entscheiden-der Vorteil der LED gegenuumlber der traditionellen Gluumlhlampe liegt in ihrer uumlberlegenen Lichtaus-beute ηv ndash dem Verhaumlltnis des emittierten Licht-stroms Φv und der aufgenommenen elektrischen Leistung Pel angegeben in LumenWatt

Dieser Vorteil beruht auf den Unterschieden der zugrunde liegenden Technologien der Lichterzeu-gung beider Lampentypen Bei einer (Halogen-)Gluumlhlampe wird der Gluumlhfaden durch elektrischen Strom auf Temperaturen um 3000 K aufgeheizt Obwohl hierbei fast die gesamte elektrische Leis-tung in Strahlung umgewandelt wird ndash Verluste durch thermische Konvektion oder Waumlrmeleitung sind gering ndash kann das menschliche Auge lediglich einen geringen spektralen Anteil der ungefaumlhr 5 der Gesamtstrahlungsleistung ausmacht wahr-nehmen Der Groszligteil der Strahlungsleistung liegt im infraroten Spektralbereich und kann nicht fuumlr Beleuchtungszwecke genutzt werden In Bild 1 ist die spektrale Verteilung einer Gluumlhlampe bei einer Temperatur von 2856 K im Spektralbereich

von 300 nm bis 1200 nm dargestellt Das sichtbare Licht im Spektralbereich zwischen 360 nm und 830 nm ist mit den entsprechenden Spektralfarben hinterlegt Oberhalb 830 nm beginnt der fuumlr das menschliche Auge unsichtbare infrarote Anteil der Strahlung

Der fuumlr photometrische Messungen normativ festgelegte spektrale Hellempfindlichkeitsgrad V(λ) also die Hellempfindlichkeit des Auges eines bdquoNormalbeobachtersldquo ist mit seinem Maximum bei 555 nm schwarz eingezeichnet

Da die Gluumlhlampe eine thermische Strahlungs-quelle ist verschiebt sich mit zunehmender Tem-peratur die Lage des Strahlungsmaximums ent-sprechend des Wienschen Verschiebungsgesetzes zu kuumlrzeren Wellenlaumlngen Um die Lichtausbeute von Gluumlhlampen zu erhoumlhen muumlsste man das Strah-lungsmaximum durch Temperaturerhoumlhung in den kurzwelligeren Bereich des sichtbaren Lichts verschieben Die Maximaltemperatur ist jedoch bei Gluumlhfaumlden aus Wolfram auf etwa 3000 K begrenzt ndash bei houmlheren Temperaturen nimmt die Lebensdauer drastisch ab

Das Funktionsprinzip einer LED-Lichtquelle basiert auf dem Phaumlnomen der Elektrolumines-zenz Der prinzipielle Aufbau einer LED aumlhnelt einer pn-Halbleiterdiode Durch Anlegen einer Gleichspannung rekombinieren Ladungstraumlger in der p-n-Grenzschicht der Leuchtdiode unter Emission von Strahlung Durch gezielte Auswahl der verwendeten Halbleitermaterialien und ihrer Dotierung wird deren Bandluumlcke und somit die Farbe des emittierten Lichtes bestimmt Im Jahr 1992 gelang der Durchbruch in der Entwicklung hocheffizienter blauer LEDs die den Einsatz von LEDs zur Allgemeinbeleuchtung erst ermoumlgli-chen Die zugrunde liegenden Forschungsarbei-ten wurden 2014 mit dem Nobelpreis fuumlr Physik gewuumlrdigt [1]

Eine schmalbandige Lichtemission ist charak-teristisch fuumlr LEDs Dementsprechend verfuumlgt ihr Licht uumlber eine hohe Farbsaumlttigung Durch die Bedeckung des LED-Chips mit breitbandig pho-tolumineszierenden Farbstoffen wird ein Teil der Strahlung in energieaumlrmeres langwelligeres Licht konvertiert und es entstehen Mischfarben wie

Metrologie fuumlr moderne Lichtquellen LEDs und OLEDs Thorsten Gerloff

Thorsten Gerloff Arbeitsgruppe bdquoPhotometrieldquo EshyMail thorstengerloffptbde

Bild 1 Spektrale Verteilung einer Gluumlhlampe und spektraler Hellempfindlichkeitsgrad (V(λ)-Funktion)

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PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4 Metrologie fuumlr moderne Lichtquellen

i Infokasten LED

Lichtausbeute einer Strahlungsquelle ηv

Die Lichtausbeute einer Strahlungsquelle gibt das Verhaumlltnis aus ausgestrahltem Lichtstrom und aufgenommener elektrischer Leistung an Die Einheit ist LumenWatt (lmW) Je houmlher die Lichtausbeute ist umso energieeffizienter ist die Beleuchtung Gluumlhlampen besitzen Lichtausbeuten zwischen 10 und 20 lmW

Lichtstrom Φv

Der Lichtstrom beruumlcksichtigt den Hellempfind-lichkeitsgrad V(λ) des Auges und gibt die in alle Raumrichtungen abgegebene bdquoLichtleistungldquo einer Lampe an Der Lichtstrom enthaumllt keine Information daruumlber wie die Lampe das Licht im Raum verteilt Der Lichtstrom gibt an wie hell ein beleuchteter Raum dem Menschen erscheint

Spektraler Hellempfindlichkeitsgrad V(λ)

Der exakt definierte spektrale Hellempfindlich-keitsgrad V(λ) ist eine Bewertungsfunktion fuumlr elektromagnetische Strahlung Hiermit wird der bdquoHelligkeitseindruck eines menschlichen Durch-schnittsaugesldquo berechnet Dies ermoumlglicht den objektiven Vergleich von Lichtquellen mit physika-lischen Messmethoden Subjektive Wahrnehmun-gen einzelner Menschen koumlnnen damit nicht exakt wiedergegeben werden

Aumlhnlichste Farbtemperatur TN

Es gibt unterschiedliche Farbtemperaturen in der Photometrie Verhaumlltnis- und Verteilungstem-peratur sind nur bei thermischen Strahlern wie der Gluumlhlampe anwendbar Nur die aumlhnlichste Farbtemperatur (englisch Correlated Colour Temperature CCT) laumlsst sich fuumlr Lichtquellen mit beliebiger spektraler Zusammensetzung berech-nen sofern die Normfarbwertanteile aumlhnlich einem thermischen Strahler sind Die aumlhnlichste Farbtemperatur wird in der Einheit Kelvin (K) angegeben Sie gibt an ob das Licht warmweiszlig (ca 3000 K) neutralweiszlig (ca 4500 K) oder tages-lichtweiszlig (gt5500 K) erscheint

Normfarbwertanteile (x y)

Fuumlr die Angabe von Farbe gibt es neben dem spek-tralen Hellempfindlichkeitsgrad V(λ)noch weitere definierte Bewertungsfunktionen Hiermit laumlsst sich die Farbwahrnehmung eines fiktive Normalbeob-achters aus der gemessenen spektralen Verteilung des Lichts durch Angabe von nur zwei Werten (x und y) angeben Diese Werte geben die Koordi-naten auf der Normfarbtafel (s Abbildung) an

Normfarbtafel

Farbwiedergabeindex Ra

Der Farbwiedergabeindex ist eine Kennzahl fuumlr Lichtquellen der bewertet die Qualitaumlt der Farb-wiedergabe Je houmlher der Wert desto besser ist die Farbwiedergabe Der Maximalwert liegt bei 100 Werte zwischen 90 und 100 geben eine ausgezeich-nete Farbwiedergabe an Werte unter 80 sind fuumlr viele Anwendungen nicht ausreichend

Im Folgenden soll ein kleiner Leitfaden gegeben werden der in allgemeinverstaumlndlicher Form die grundlegenden Ideen wichtiger lichttechnischer Groumlszligen erlaumlutern soll Komplexe Details der zugrunde liegenden Normen und Definitionen werden hierbei nicht beruumlcksichtigt

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PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4Das Jahr des Lichtes

Pastellfarbtoumlne oder auch weiszliges LichtIn Bild 2 sind die spektralen Verteilungen einer

LED mit und ohne Leuchtstoff abgebildet In der linken Abbildung erkennt man die schmalbandige blaue Emission des LED-Chips In der rechten Abbildung wird ein Teil dieser Strahlung durch einen Leuchtstoff in laumlngerwelliges Licht konver-tiert und die Mischfarbe erscheint weiszlig

Der Vorteil einer LED gegenuumlber einer Gluumlh-lampe bezuumlglich der Lichtausbeute ist offensicht-lich Es wird ndash von unvermeidbarer thermischer Verlustleistung abgesehen ndash nur Strahlung im sichtbaren Wellenlaumlngenbereich emittiert Daruumlber hinaus ist die Farbe des Lichts von LEDs durch Kombination verschiedener Leuchtstoffe und LEDs nahezu beliebig einstellbar und man ist nicht auf aumlhnlichste Farbtemperaturen von ca 3000 K wie bei der Gluumlhlampe begrenzt

Allerdings gibt es auch Nachteile gegenuumlber dem Licht einer Gluumlhlampe Dem typischen Spektrum einer LED-Lichtquelle fehlen im Gegensatz zu Sonnenlicht oder Gluumlhlampenlicht einzelne Spekt-ralfarben Dies macht sich negativ bei der Qualitaumlt der Farbwiedergabe bemerkbar

Die Farbe des emittierten Lichts einer LED laumlsst sich durch additive Farbmischung sehr aumlhnlich zu Sonnenlicht oder auch Gluumlhlampenlicht einstellen Wenn jedoch Objekte mit Licht beleuchtet werden kommt es auch auf die spektrale Zusammensetzung des Lichts an Nehmen wir einen Blumenstrauszlig aus roten Rosen der im Tageslicht steht Im Son-nenlicht sind alle Spektralfarben vorhanden und diese beleuchten die Rosen Die roten Bluumltenblaumltter absorbieren einige spektrale Anteile des Lichts und reflektieren im Wesentlichen rotes Licht welches in das Auge des Betrachters faumlllt Wenn die Rosen von einer anderen Lichtquelle beleuchtet werden in der die roten Spektralanteile zumindest teilweise fehlen koumlnnen diese nicht reflektiert werden und die Farben der Rosen erscheinen unnatuumlrlich

Dies ist von weitreichender Bedeutung fuumlr die Wahl einer geeigneten Lichtquelle da wir einen Kompromiss aus Licht mit guter Farbwieder-gabe und hoher Lichtausbeute schlieszligen muumlssen Licht mit hoher Farbwiedergabe setzt sich aus moumlglichst vielen Spektralfarben zusammen und Lichtquellen mit hoher Lichtausbeute sollten nur Spektralfarben beinhalten fuumlr die das menschliche Auge besonders empfindlich ist In den Auszligenbe-zirken vieler Staumldte werden zur Nachtbeleuchtung der Gehwege haumlufig Natriumdampflampen mit orangefarbenem Licht eingesetzt Die Lichtaus-beute dieser Lampen ist mit etwa 150 lmW auszligerordentlich hoch da das menschliche Auge in diesem Spektralbereich sehr empfindlich ist Diese Beleuchtung ist jedoch ungeeignet um Farben natuumlrlich wiederzugeben Aufgrund des Aufbaus des menschlichen Auges ist es also nicht moumlglich eine Beleuchtung mit sehr hoher Qualitaumlt der Farbwiedergabe bei gleichzeitig sehr hoher Lichtausbeute zu realisieren

Weiszlige LEDs zur Allgemeinbeleuchtung nutzen in der Regel Leuchtstoffe die teilweise qualita-tiv hochwertige Farbwiedergabeeigenschaften besitzen Eine weitere Methode zur Erzeugung von weiszligem Licht ist das Mischen von rotem gruumlnem und blauem Licht (RGB-Verfahren) welches die Grundlage jedes Displays ist Hierbei sind neben weiszligem Licht auch andere Lichtfarben moumlglich ndash die Farbwiedergabeeigenschaften sind allerdings schlecht Fuumlr die Endverbraucher sind in der Regel die Farbwiedergabeeigenschaften von Lichtquellen als Ra-Werte auf der Verpackung angegeben

Organische Licht Emittierende Dioden (OLED) sind eine junge Beleuchtungstechnologie die noch keinen Zugang zum Massenmarkt erhalten hat Die weltweit erste kommerzielle OLED-Leuchte wurde 2008 vertrieben Der fuumlr den Nutzer wesentliche Unterschied zwischen OLEDs und LEDs besteht im Aufbau Der leuchtende Kristall

Bild 2 Spektrale Verteilung einer blauen LED (links) und einer weiszligen LED (rechts) bei der ein Teil des blauen Lichts zu gelbem Licht konvertiert wurde

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anorganischer LEDs besitzt eine maximale Kan-tenlaumlnge von etwa einem Millimeter Bei OLEDs wird das Licht in groszligflaumlchigen amorphen organi-schen Schichten erzeugt Momentan sind OLEDs mit leuchtenden Flaumlchen von bis zu 20 x 20 cmsup2 erhaumlltlich Das Licht wird aumlhnlich wie bei LEDs durch Ladungstraumlgerrekombination unter Auftre-ten von Elektrolumineszenz erzeugt Dabei ist das Emissionsspektrum der verwendeten organischen Emittermaterialien wesentlich breitbandiger als das einer LED (vgl Bild 3) Daher wird das weiszlige Licht von OLEDs in der Regel durch Verwendung von roten gruumlnen und blauen Emittermaterialien erzeugt ohne dass die Farbwiedergabeeigenschaf-ten sehr stark darunter leiden

2 Entwicklung von (O)LED-Transfer-normalen in der PTB

Eine der Kernaufgaben der PTB ist die Weiter-gabe der gesetzlichen Einheiten Bis zum heuti-gen Tage bieten Transfernormale in Form von speziellen Gluumlhlampen die besten Eigenschaften um als Maszligverkoumlrperung der Einheiten Candela oder Lumen zu dienen Da der Anwender in der Regel jedoch die Substitutionsmethode bei seinen Messungen anwendet um notwendige Korrektu-ren auf ein Minimum zu reduzieren (Gleiches mit Gleichem vergleichen) sind auch Transfernormale auf Basis der LED-Technologie von Interesse

Bereits in den 80er-Jahren des vergangenen Jahr-hunderts wurden LEDs in der PTB kalibriert Diese waren fuumlr Beleuchtungszwecke noch ungeeignet und dienten lediglich als Signallampen Zeitgleich wurden die ersten PTB-LED-Transfernormale entwickelt deren optische Eigenschaften durch thermische Regelung des LED-Chips stabilisiert wurden Die mechanische Ausrichtung der LEDs leistet aufgrund des typischerweise stark gerichteten Abstrahlprofils der LEDs einen groszligen Beitrag auf die Messunsicherheit Daher werden die LEDs seit

2002 in ein rotationssymmetrisches robustes VA-Stahl-Gehaumluse eingebaut welches sich sehr repro-duzierbar ausrichten laumlsst (vgl Bild 4)

Diese Transfernormale werden unter Konstant-Strom-Bedingungen und ndash durch gezieltes Aufhei-zen des LED-Chips durch den Heizwiderstand ndash unter Konstant-Spannung-Bedingungen betrieben Aufgrund der halbleitenden Eigenschaften sinkt mit steigender Temperatur die Betriebsspannung und sowohl der Lichtstrom als auch die Peakwellenlaumlnge des emittierten Lichts veraumlndert sich Die Sollspan-nung wird auf einen Wert festgelegt der unterhalb der Gleichgewichtsspannung durch Eigenerwaumlr-mung im Betrieb ohne Heizwiderstand bei einer Umgebungstemperatur von etwa 35 degC liegt Somit ist auch ein Einsatz der Transfernormale in Laboren ohne Klimatisierung moumlglich

Fuumlr LEDs mit houmlheren Leistungen wurde im Jahr 2011 ein weiterer Prototyp eines Transfernormals vorgestellt (vgl Bild 5) Da die hier verwendeten LEDs eine houmlhere Leistungsaufnahme besitzen werden sie waumlrmer Das reduziert die Lebensdauer und Reproduzierbarkeit der photometrischen

Bild 3 Exemplarische spektrale Verteilung einer weiszligen OLED

Bild 4 Temperaturgeregeltes LED-Transfernormal auf Basis von Kleinleistungs-LEDs mit Lichtstroumlmen von bis zu 10 Lumen

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PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4Das Jahr des Lichtes

Groumlszligen deutlich Daher muumlssen sie gekuumlhlt werden Hierfuumlr kommt bei diesen Normalen ein Peltier-Element zum Einsatz welches geregelt Waumlrme in einen dahinterliegenden Kuumlhlkoumlrper leitet und hierdurch das emittierte Licht stabilisiert Diese Transfernormale zeichnen sich durch ein geringes

Gewicht bei einer Laumlnge von ca 100 mm und einem Durchmesser von etwa 20 mm aus Allerdings ist die Verwendung von LEDs mit sehr hohen Leistun-gen nicht moumlglich da die Abwaumlrme lediglich passiv an den Raum abgegeben wird Eine detaillierte Beschreibung der Eigenschaften dieses Transfer-normals wurde 2012 veroumlffentlicht [2]

Fuumlr die thermische Stabilisierung von LEDs mit sehr hohen Leistungen wurde ein weiteres Trans-fernormal unter Einsatz von Peltier-Elementen Heatpipes und aktivem Kuumlhlsystem in der PTB entwickelt (vgl Bild 6)

Im Rahmen des europaumlischen Forschungspro-jekts OLED100eu wurde in der PTB weiterhin das weltweit erste Transfernormal unter Einsatz einer organischen Leuchtdiode entwickelt (vgl Bild 7) Dieses Normal wurde fuumlr den Einsatz in einer Ulbricht-Kugel konzipiert und in ein mattes Aluminiumgehaumluse eingebaut Eine Besonderheit dieses Normals ist die Stand-Alone-Versorgungs-einheit die ohne Rechner o auml saumlmtliche relevan-ten elektrischen und thermischen Groumlszligen regelt und auf einem USB-Stick speichert

3 LED-Messtechnik in der PTB

Neben LED-Transfernormalen mit guter Reprodu-zierbarkeit ist eine hochentwickelte Messtechnik fuumlr deren Kalibrierung mit minimaler Messunsi-cherheit erforderlich

Die photometrische Beschreibung von LEDs erfolgt durch Angabe ihrer Lichtstaumlrke ILED mit der Einheit Candela und ihrem Lichtstrom ΦLED mit der Einheit Lumen Diese Groumlszligen werden in der PTB unter Verwendung ruumlckgefuumlhrter Photometer bestimmt Hierfuumlr wird die Beleuchtungsstaumlrke ELED unter definierten geometrischen Bedingungen fuumlr alle Abstrahlrichtungen der LED mit einem Goniophotometer gemessen

Fuumlr die Bestimmung der colorimetrischen Werte kommen Spektralradiometer zum Einsatz Hiermit werden spektrale Bestrahlungsstaumlrken gemessen und daraus die abgeleiteten colorime-

Bild 5 Temperaturgeregeltes LED-Transfernormal auf Basis von Hochleistungs-LEDs mit Lichtstroumlmen von bis zu 100 Lumen Im rechten Bild ist die Temperaturverteilung in Grad Celsius waumlhrend des Betriebs abgebildet

Bild 6 Temperaturgeregeltes LED-Transfernormal auf Basis von Houmlchstleistungs-LEDs mit Lichtstroumlmen von bis zu 2500 Lumen

Bild 7 Temperaturgeregeltes OLED-Transfernormal auf Basis kommerziell erhaumlltlicher OLEDs

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PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4 Metrologie fuumlr moderne Lichtquellen

trischen Kenngroumlszligen wie z B die Normfarb-wertanteile (x y) bei weiszligen LEDs die aumlhnlichste Farbtemperatur TN mit der Einheit Kelvin und bei farbigen LEDs die dominante Wellenlaumlnge λdom berechnet Grundlegende Informationen und Definitionen uumlber die photometrischen und colorimetrischen Groumlszligen und deren Messung sind in [3] [4] und [5] zu finden

In Bild 8 ist der Aufbau des LED-Messplatzes an der PTB zu sehen Fuumlr die Bestimmung der Mess-groumlszligen in alle raumlumlichen Abstrahlwinkel wird die LED durch ein Goniophotometer bewegt

Die LED wird in horizontaler Betriebslage zentrisch normal zur Referenzebene des Photo-meterkopfes ausgerichtet Ein Translationstisch ermoumlglicht dabei eine Variation des Abstandes d zwischen Photometer und LED Eine horizontale Rotationsachse (φ-Achse) und eine senkrechte Rotationsachse (ϑ-Achse) die sich an der LED-Spitze im rechten Winkel schneiden erlauben durch Drehung der LED eine Bestimmung der Beleuchtungsstaumlrke ELED in alle Raumrichtungen Beide Rotationsachsen werden waumlhrend der Messung zeitgleich bewegt Hierdurch bewegt sich die relative Position der lichtempfindlichen Emp-faumlngeroumlffnung bezuumlglich des Schnittpunkts beider Drehachsen auf der Oberflaumlche einer virtuellen Kugel entlang einer Spiralbahn von bdquoPol zu Polldquo dieser Kugel

Die Bestimmung des Lichtstroms ΦLED erfolgt analog der Beschreibung in dem Kapitel Kurze Geschichte der Goniophotometrie in der PTB Der wesentliche Unterschied zu goniophotome-trischen Messungen an Gluumlhlampen besteht darin dass bei LED-Messungen die Lichtquelle typischerweise bewegt werden kann ohne dass sich ihre optischen Eigenschaften aumlndernAufgrund des stetig wachsenden Bedarfs an ruumlck-gefuumlhrten Kalibrierungen von High-Power-LEDs sind Masse und Abmessungen der Transfernor-male erheblich gestiegen Daher wurde der Mess-platz 2015 um ein weiteres Goniophotometer fuumlr schwere und groszlige Objekte erweitert (vgl Bild 9)

Neben den photometrischen Empfaumlngern befinden sich auch Einkoppeloptiken fuumlr Spekt-ralradiometer auf dem drehbaren Empfaumlngerka-russell Alle Empfaumlnger lassen sich hiermit auto-matisiert waumlhrend einer Messung zu den LEDs ausrichten Vor jeder LED-Kalibrierung werden die Spektralradiometer bezuumlglich Ihrer spektralen Empfindlichkeit und Wellenlaumlnge kalibriert Die entsprechenden Normallampen befinden sich neben dem Empfaumlngerkarussell (vgl Bild 10) und ermoumlglichen so ebenfalls eine automatisierte Messung

Den spektralen Messungen an LEDs kommt neben der Notwendigkeit fuumlr die Bestimmung colorimetrischer Kennzahlen noch eine beson-dere Bedeutung fuumlr die photometrischen Messun-

Bild 9 Goniophotometer fuumlr photometrische Messungen an Hochleistungs-LEDs

Bild 10 Entladungslampen mit verschiedenen Gasfuumlllungen dienen der Wellenlaumlngenka-librierung der Spektrometer Im Hintergrund ist eine Bestrahlungsstaumlrke-Normal-lampe fuumlr die spektrale Empfindlichkeitskalibrierung zu sehen

Bild 8 Goniophotometer fuumlr photometrische Messungen an Kleinleistungs-LEDs

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PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4Das Jahr des Lichtes

gen zu Wie in der Einleitung erklaumlrt unterscheiden sich die spektralen Verteilungen von LEDs und Gluumlhlampen deutlich voneinander Photometerkoumlpfe bestehen in der Regel aus einer Silizium-Photodiode deren spektrale Empfindlichkeit durch den Einsatz von Glasfiltern moumlglichst gut an den Hellemp-findlichkeitsgrad V(λ) angepasst wird Aufgrund internationaler Standardisierung wird die photo-metrische Empfindlichkeit von Photometerkoumlpfen fast ausschlieszliglich fuumlr Normlichtart A kalibriert In der Praxis werden hierfuumlr Gluumlhlampen mit einer Verteilungstemperatur von 2856 K verwendet Wenn man ein solches Photometer fuumlr Messungen an anderen Gluumlhlampen verwendet sind die spektralen Verteilungen meist so aumlhnlich dass nur geringe oder gar vernachlaumlssigbare Korrekturen aufgrund der spektralen Fehlanpassung also der Abweichung der realen spektralen Empfindlichkeit des Photometers von dem Hellempfindlichkeitsgrad notwendig sind Wenn man ein solches Photometer jedoch bei LEDs insbesondere farbigen LEDs einsetzt koumlnnen die Abweichungen aufgrund der spektralen Fehlan-passung sehr groszlig werden (gt10 fuumlr hochwertige Photometerkoumlpfe sind moumlglich)

Mit Kenntnis der relativen spektralen Verteilung der Leuchtdiode SLED(λ) und der relativen spekt-ralen Empfindlichkeit srel(λ) laumlsst sich die spektrale Fehlanpassung durch folgenden Korrekturfaktor cSpek korrigieren

cV S

s S

V P T

sSpek

LED

rel LED

A

rel

d

d

d=

( ) ( )( ) ( )

( ) ( )( )

intint

intλ λ λ

λ λ λ

λ λ λ

λ

intint ( )P Tλ λ A d

P(λ TA) beschreibt Lichtart A durch das Planck-sche Strahlungsgesetz fuumlr TA = 2856 K

Eine detaillierte Auflistung und Diskussion aller zu beruumlcksichtigenden Details bei Kalibrierungen von LEDs und das dazugehoumlrige Messunsicher-heitsbudget soll an dieser Stelle nicht gegeben werden Interessierte Leser koumlnnen hierfuumlr Infor-mationen in einer fruumlheren Veroumlffentlichung [6] oder in den Ergebnissen eines internationalen Vergleichs von LED-Messungen [7] finden

Fazit und Ausblick

Der Verzicht auf LEDs ist fuumlr Beleuchtungsan-wendungen nicht mehr vorstellbar Durch ihre kontinuierliche Weiterentwicklung erobern LEDs immer weitere Anwendungsfelder (z B Haus-halts- Straszligen- und Automobilbeleuchtung) mit denen der Endkunde in Kontakt kommt Bei diesen Anwendungen sind die Anforderungen an die Lichtquellen vielfaumlltig und fuumlr eine quantitative Beschreibung ihrer Eigenschaften muss auch die Messtechnik entsprechend umfassend und ausge-reift sein

Neben dem allgemeinen Forschungs- und Ent-wicklungsbedarf fuumlr bessere LED-Messverfahren und -geraumlte die die Grundlage ihrer technologi-schen Weiterentwicklung bilden gibt es eine weitere Herausforderung Aufgrund der nahezu unbe-grenzten Moumlglichkeiten eine bestimmte Lichtfarbe durch additive Farbmischung zu erhalten sind LEDs verschiedener Hersteller mit unterschiedlichen Emissionsspektren aber einer nominell gleichen aumlhnlichsten Farbtemperatur erhaumlltlich Dennoch ist teilweise ein Unterschied der Lichtfarbe mit bloszligem Auge erkennbar wenn sich unterschiedliche LEDs nebeneinander befinden

Es ist ungewoumlhnlich dass man ohne technische Hilfsmittel nominell gleiche Lichtfarben faktisch unterscheiden kann Um die Charakterisierung von LEDs soweit zu verbessern dass dies nicht mehr moumlglich ist ist einerseits eine Reduzierung der Messunsicherheit bei der Bestimmung der Normfarbwertanteile (Lichtfarbe) notwendig Andererseits muss man sich bewusst machen dass photometrische und colorimetrische Messverfahren auf rein physikalischen Zusammenhaumlngen basieren Individuelle menschliche Wahrnehmung und Sehen werden bei photometrischen Messungen nicht beruumlcksichtigt ndash diese werden durch Festlegung von exakt definierten Wichtungsfunktionen wie dem Hellempfindlichkeitsgrad fuumlr einen fiktiven Normalbeobachter ausgegrenzt Diese Wichtungs-funktionen koumlnnen gegebenenfalls auch noch optimiert werden um die objektive Beurteilung von Lichtquellen mit physikalischen Messmethoden zu verbessern Somit gibt es auch in Zukunft noch interdisziplinaumlre Herausforderungen fuumlr die Metro-logie moderner Lichtquellen

Literatur

[1] httpwwwnobelprizeorgnobel_prizesphysicslaureates2014 (letzter Aufruf 14102015)

[2] T Gerloff M Lindemann S Shirokov M Taddeo S Pendsa A Sperling Development of a new high-power LED transfer standard CIE Proceed-ings 2012

[3] CIE S 017E 2011 ILV International Lighting Vocabulary httpeilvciecoat (letzter Aufruf 03122015)

[4] CIE 127 2007 (2nd edition) Measurement of LEDs

[5] CIE S 025E 2015 Test Method for LED Lamps LED Luminaires and LED Modules

[6] M Lindemann R Maass Photometry and Colo-rimetry of Reference LEDs by Using a Compact Goniophotometer MAPAN ndash Journal of Metrolo-gy Society of India Vol 24 No 3 2009

[7] wwwbipmorg APMPPR-S3a (Averaged LED Intensity) APMPPR-S3b (Total Luminous Flux of LEDs) APMPPR-S3c (Emitted Colour of LEDs)

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Effektpigmente hellipPTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4

Einleitung

Farbe ist fuumlr Menschen die wohl auffaumllligste sub-jektive Stoffeigenschaft Bereits den Fruumlhmenschen war diese visuelle Qualitaumlt bekannt deren Wahr-nehmung allen Primaten eigen ist So wurde 2008 in Suumldafrika eine ca 100000 Jahre alte steinzeitli-che bdquoMalerwerkstattldquo entdeckt [1] Auch heutzu-tage spielt Farbe in der Gestaltung unserer Umwelt eine wichtige Rolle Jedes Jahr praumlsentiert uns die Mode die neuen Farben der Saison Farben dienen zur Regelung des Verkehrs Ohne bunte Farben waumlre unsere Welt trist und oumlde

Es ist wichtig festzustellen dass Farbe ein physiologischer Sinneseindruck ist wie z B auch Tasten oder Riechen D h Farbe ist keine immanente physikalische Eigenschaft eines Gegenstandes wie z B seine Masse oder Waumlrme-leitfaumlhigkeit Die physiologische Wahrnehmungs-kette ist hierbei folgende Das vom betrachteten Gegenstand reflektierte Licht trifft auf das Auge und loumlst hierbei einen Farbreiz aus Dieser Farbreiz beruht auf der spektralen Zusammensetzung des empfangenen Lichts d h er ist abhaumlngig von der verwendeten Lichtquelle und dem spektralen Reflexionsvermoumlgen des betrachteten Objektes Die Anregung der licht- und farbempfindlichen Zellen in der Netzhaut fuumlhrt zu einer Farbvalenz die uumlber den Sehnerv an das Gehirn weitergeleitet wird Die eigentliche Farbempfindung die wir dann mit einem Gegenstand verknuumlpfen entsteht erst im Gehirn [2] Liegt z B eine Farbfehlsich-tigkeit vor so kann der Farbeindruck des betrof-fenen Menschen auch ein ganz anderer sein Auch viele Tiere mit ihren teilweise erheblich abweichenden visuellen Systemen nehmen Farbe ganz unterschiedlich als wir Menschen wahr Im Folgenden soll mit Farbe immer die Koumlrperfarbe auch Gegenstandsfarbe Objektfarbe bzw Oberflauml-chenfarbe genannt einer nicht selbstleuchtenden Flaumlche bezeichnet werden die durch Reflexion von Licht an einem Koumlrper entsteht

Die genannten Zusammenhaumlnge machen die mathematisch-physikalische Beschreibung von Farbe schwierig und aufwendig da auch die spe-zifischen Eigenarten der menschlichen Wahrneh-

mungskette nachgestellt werden muumlssen Diesem Umstand wird versucht uumlber die verschiedenen Farbmaszligsysteme Rechnung zu tragen welche die Farbe eines Objektes mithilfe von quantifizierba-ren Zahlenwerten kennzeichnen [3]

Generell koumlnnen farbige Flaumlchen je nach Tageszeit und Lichteinfall sehr unterschiedlich wirken Die Aumlnderungen basieren hierbei auf der unterschiedlichen spektralen Zusammenset-zung des Tageslichts und den winkelabhaumlngigen Glanz- und Struktureigenschaften von Oberflauml-chen Ganz besonders deutlich ist dies bei auf dem Interferenzeffekt basierenden Effektpigmenten der Fall Deren visuelles Erscheinungsbild im englischen mit Visual Appearance bezeichnet kann sich bei variierendem Beobachtungswinkel und unterschiedlichen Lichtverhaumlltnissen komplett veraumlndern Man spricht hierbei von sogenannten Flop-Lacken wobei man zwischen Hell-Dunkel-Flop und Farb-Flop unterscheiden kann [4]

Generell kann man sagen dass Farbe und visuelle Effekte einen entscheidenden Anteil am Verkaufserfolg eines Produktes haben denn Farben wecken Emotionen und verschiedene Neuro marketingstudien belegen dass ca 95 aller Kaufentscheidungen emotional gepraumlgt sind [5] Deshalb spielt eine moderne Farbgestaltung unter Nutzung aktueller Effektpigmente im Pro-duktdesign eine entscheidende Rolle denn durch den Einsatz solcher Pigmente kann Gegenstaumlnden eine houmlhere Attraktivitaumlt verliehen werden Daher findet man moderne Effektpigmente heutzutage in vielen teilweise sehr unterschiedlichen Indus-trieprodukten wie z B in Autolackierungen Haumluserfassaden Kosmetikartikeln oder sogar bei Pralineacutes wie dies in Bild 1 zu sehen ist

Pigmente

Als Pigmente aus dem Lateinischen kommend von pigmentum fuumlr bdquoFaumlrbestoff Schminkeldquo bezeichnet man aus Teilchen bestehende im Anwendungs-medium praktisch unloumlsliche Sub stanzen die als Farbmittel oder wegen anderer spezieller physika-lischer und chemischer Eigenschaften als funktio-nale Farbzentren verwendet werden [6]

Effektpigmente Eine Herausforderung fuumlr die optische Messtechnik

Egbert Buhr Alfred Schirmacher Andreas Houmlpe

Dr Egbert Buhr Fachbereich bdquoBildshy und Wellenoptikldquo EshyMail egbertbuhrptbde

Dr Alfred Schirmacher Arbeitsshygruppe bdquoReflexion und Transmissionldquo EshyMail alfredschirmacherptbde

Dr Andreas Houmlpe dagger ehemals Arbeitsgrupshype bdquoReflexion und Transmissionldquo

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PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4Das Jahr des Lichtes

In der Natur vorkommende anorganische Pig-mente sind schon seit praumlhistorischen Zeiten bekannt Schon die Menschen der Steinzeit benutzen mineralische Pigmente fuumlr die ersten Houmlhlenzeichnungen Sie erkannten dass sie mit unterschiedlichen Erdsorten farbig malen konnten Eisenoxidhaltige Erden liefern gelbrote bis braunrote Kalk und Gips weiszlige Mangan-oxide sowie Holz- und Knochenkohle schwarze Farbtoumlne

Aus heutiger industrieller Sicht ist ein Pigment ein fein aufgeteilter und unloumlslicher Feststoff mit der Hauptfunktion das Erscheinungsbild des verwendeten Mediums zu verbessern oder es zu faumlrben Pigmente werden dem Medium immer durch physikalisches Mischen beigegeben dies unterscheidet sie von Farbstoffen die in ihrem Medium loumlslich sind

Pigmente koumlnnen nach den optischen Prin-zipien ihrer Wechselwirkung mit Licht unter-schieden und in verschiedene Klassen eingeteilt werden Wichtige Pigmentklassen sind Weiszlig- Bunt- Schwarz- und Effektpigmente die alle wegen ihrer speziellen farbgebenden Eigenschaf-ten eingesetzt werden Bei den Effektpigmenten

kann in einer ersten vereinfachten Einteilung noch zwischen Metalleffekt- und den sogenannten speziellen Effektpigmenten unterschieden werden

Der Begriff bdquospezielle Effektpigmenteldquo umfasst die Gruppen der Perlglanzpigmente und der all-gemeinen Interferenzpigmente welche insbeson-dere bei aktuellen Pigmententwicklungen nicht scharf abgegrenzt werden koumlnnen Perlglanzpig-mente sind Effektpigmente die aus transparenten Plaumlttchen mit hohem Brechungsindex bestehen Sie erzeugen durch die spezielle Form der Mehr-fachreflexion des transmittierten Lichts an mehre-ren Pigmenten einen perlenaumlhnlichen Effekt bei dem die auftreffende Strahlung verteilt reflektiert wird wodurch der Eindruck einer mit der Tiefe abnehmenden diffusen Helligkeit entsteht Fuumlr das Auge ergibt sich so eine scheinbar dreidimen-sionale Glanzcharakteristik die aus der Tiefe des Objektes zu kommen scheint Interferenzpigmente dagegen sind Effektpigmente deren farbgebende Wirkung ganz oder vorwiegend auf dem Effekt der Vielstrahlinterferenz von Licht an duumlnnen hoch-brechenden Schichten beruht Interferenzpigmente koumlnnen dabei sowohl auf transparenten oder auch nichttransparenten Plaumlttchen basieren

Bild 1 a) Roadster mit ChromaFlairreg-Effektpigmentlackierung b) Verwaltungsgebaumlude in Braunschweig verkleidet mit Alucobondreg-spectra-colours-Verbundplatten c) Effektpigmente im Nagellack d) Pralineacute mit Effektpigmentuumlberzug

a

dc

bb

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Effektpigmente hellipPTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4

Die heute verwendeten Pigmente lassen sich somit grob in fuumlnf verschiedene Klassen einteilen

1) Weiszligpigmente Die Pigmente streuen das ge-samte auftreffende Licht nahezu verlustfrei in alle Richtungen durch diffuse ungerichtete Reflexion

2) Buntpigmente Die Pigmente streuen einen Teil des Lichtes diffus und absorbieren wellenlaumln-genselektiv einen anderen Teil des Lichtes

3) Schwarzpigmente Die Pigmente absorbieren alle Wellenlaumlngen des fuumlr das menschliche Auge sichtbaren Spektralbereiches

4) Metalleffektpigmente Die aus duumlnnen Metall-plaumlttchen vorwiegend Aluminium bestehen-den Metalleffektpigmente sind lichtundurch-laumlssig und reflektieren das gesamte auftreffende Licht durch spekulare gerichtete Reflexion Die Pigmentpartikel wirken dabei wie Mikrospie-gel und fuumlhren bei paralleler Ausrichtung im Anwendungsmedium zu einem spiegelnden Metallglanz dem Metallic-Effekt

5) Spezielle Effektpigmente Perlglanz- bzw Inter-ferenzpigmente deren optische Wirkung auf der Mehrfachreflexion an uumlberwiegend flaumlchig aus-gebildeten und ausgerichteten transparenten semitransparenten oder lichtundurchlaumlssigen Partikeln beruht

Weiszlig- Bunt- und auch Schwarzpigmente weisen typische Durchmesser im Bereich von 100 nm bis zu 1 microm auf Ihre Groumlszlige liegt damit zum Teil im Bereich der Wellenlaumlnge des sichtbaren Lichtes welches den Bereich von 380 nm bis 780 nm uumlberdeckt Einige Schwarzpigmente wie z B Ruszlig-pigmente liegen mit ihren Durchmessern jedoch auch zum Teil auch deutlich darunter Effektpig-mente besitzen dagegen Teilchendurchmesser die zumeist im Bereich von 5 microm bis 100 microm in einigen Faumlllen auch daruumlber liegen Sie sind damit bezuumlglich der mittleren Plaumlttchendurch-messer wesentlich groumlszliger als die Wellenlaumlnge des sichtbaren Lichtes Die Dicke der Plaumlttchen liegt von einigen Ausnahmen abgesehen unter 1 microm ebenso wie die Dicke der Interferenzschichten Demzufolge weisen Effektpigmente in der Regel ein hohes Aspektverhaumlltnis auf (Verhaumlltnis der lateralen Ausdehnung einer Struktur zu ihrer Houmlhe) welches bis zu 200 betragen kann

Interferenzpigmente ndash Wie die Farben entstehen

Die Farbe von Interferenzpigmenten haumlngt von der Schichtdicke der Metalloxidbeschichtung und dem Einstrahlungs- und Betrachtungswinkel ab Beide Parameter bestimmen die effektive optische Weg-

laumlngendifferenz fuumlr das einfallende weiszlige Licht zwischen oberer und unterer Grenzflaumlche und die somit auftretenden Interferenzfarben siehe Bild 3

Interferenzpigmente zeigen somit einen aus-gepraumlgten bdquoFarbflopldquo Die Winkelabhaumlngigkeit der Farbe wird hierbei auch als Goniochromasie bezeichnet Richtig bunt geht es zu wenn ein Interferenzpigment auf einen bereits bunten Untergrund aufgebracht wird Die Transparenz der Pigmente laumlsst die Untergrundfarbe durch-

Bild 2 Schematische Diagramme zum spektralen Verhalten verschiedener Pigmenttypen

Bild 3 Die Schichtdicke der Metalloxidbeschichtung und der kombinierte Einstrahlungs- und Betrachtungswinkel bestimmen die optische Weglaumlnge und somit die sich ergebenden Interferenzfarben in Reflexion und Transmission

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PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4Das Jahr des Lichtes

Bild 5 Die Effekte Spar-kling (1) und Coarseness (2) des Effektpigmentes Xirallicreg Crystal Silver in einer vergroumlszliger-ten Aufnahme auf weiszligem (links) und schwarzem Hinter-grund (rechts)

scheinen im Glanzwinkel wird sie aber von der Interferenzfarbe uumlberstrahlt wie dies in Bild 4 zu sehen ist

Der Effekt eines Helligkeitsunterschiedes unter verschiedenen Betrachtungswinkeln wird als Helligkeitsflop bezeichnet und ist an sich nichts Neues Sind jedoch die einzelnen Pigmentteilchen

aufgrund ihrer planaren Reflexionsoberflaumlchen in gerichteter Beleuchtung direkt beobachtbar was fuumlr mittlere Teilchengroumlszligen von 30 microm und groumlszliger der Fall ist so ergibt dies einen Effekt welcher mit dem Begriff Sparkle (Glitzern Funkeln) bezeichnet wird (Bild 5) Aumlndert sich die Beleuchtung von einer gerichteten Einstrahlung wie es an einem wolkenlosen sonnigen Sommertag der Fall ist hin zu einer diffusen ungerichteten Einstrahlung wie an einem stark bewoumllkten Herbsttag so verschwin-det das Sparkling der Pigmente und verwandelt sich in eine Koumlrnigkeit der Oberflaumlche Dieses optische Phaumlnomen wird als Coarseness (Bild-koumlrnigkeit) bezeichnet und ist unabhaumlngig vom Betrachtungswinkel (Bild 5)

Als neuer Archetypus des Sparkle-Begriffes haben sich in den letzten Jahren die Xirallicreg Pig-mente (High Chroma Chrystal Effect Pigments) der Firma Merck KGaA entwickelt Durch die Beschich-tung von Aluminiumoxidplaumlttchen mit hochbre-chenden Metalloxiden und einer optimierten Dicke und Ebenheit aller am Pigment beteiligten Schich-ten entstehen auszligergewoumlhnlich stark reflektierende Effektpigmente die einen besonders intensiven Sparkle-Effekt aufweisen Man spricht hierbei auch von sogenanntem Living Sparkle welcher sich in einem scheinbaren bdquoTanzenldquo der leuchtenden Punkte in der Probenoberflaumlche bei Veraumlnderung der Beobachtungsgeometrie aumluszligert [7 8]

Generell gilt dass die Farbe von Objekten mit Effektlackierung nicht mehr wie jahrzehntelang uumlblich und ausreichend mit konventionellen Farb-messgeraumlten mit nur einer festen Messgeometrie wie z B in der 45deg 0deg Geometrie (Einstrahlung unter 45deg Reflexionsmessung unter 0deg) bestimmt werden kann Dieser Umstand wird sehr gut durch die Grafik in Bild 6 illustriert Dargestellt sind die winkelabhaumlngig gemessenen Farbkoordinaten von drei verschiedenen keramischen Farbstandards der Farben rot gruumln und blau sowie eines mit dem Effektpigment Viola Fantasy der Firma Merck lackierten Blechs Der Einfallswinkel des Lichts auf die Proben betrug hierbei immer 45deg zur Oberflauml-chennormalen Das von den Proben reflektierte Licht wurde an 26 Positionen in einem 5deg Raster in planaren die Oberflaumlchennormale enthalten-den Messgeometrien im Winkelbereich von ndash70deg bis +70deg aufgenommen Bei den aus absorptiven Pigmenten bestehenden Keramiken zeigt sich eine nur sehr geringe Winkelabhaumlngigkeit der Farbe welche groumlszligtenteils auf unterschiedlicher winkelabhaumlngiger Helligkeit d h den Glanzeigen-schaften der Oberflaumlche beruht Das Effektpigment dagegen zeigt einen extremen winkelabhaumlngigen Farb-Flop (Goniochromasie) welcher einen Farbverlauf von Gruumln uumlber Rot-Gelb hin ins Blau-Violett bietet

Aber auch die neuen Lackfarben aus der Gruppe der Effektlackierungen muumlssen messtechnisch

Bild 4 Merck-Xirallicreg-Solaris-Red-Effektpigmente appliziert auf einem mit Standard-Ab-sorptionspigmenten hellblau lackierten Metallblech In Rich-tung des Glanzwin-kels auf der rechten Seite zeigt sich der langsame Aufbau der winkelabhaumlngigen Interferenzfarbe

1

Bild 6 CIELab Farbkoordinaten einer winkelabhaumlngigen Reflexionsmessung an vier verschiedenen Proben drei Keramiken der Farben rot gruumln blau und eine Effektpigmentlackierung mit Merck Colorstreamreg Viola Fantasy Das untergelegte Farbschema zeigt naumlherungsweise die den Koordinaten entsprechende Farbe

2

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Effektpigmente hellipPTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4

Abbildungsoptik Messungen der ortsaufgeloumlsten Leuchtdichte auf einer Laumlngenskala bis hinab zu 28 microm auf der zu untersuchenden Probe siehe Bild 8

Mit der Zeilenkamera sind Messungen von kompletten Reflexionsspektren im sichtbaren Spektralbereich zwischen 380 nm und 780 nm dem sogenannten V(λ)-Bereich auf einer Zeit-skala von 2 Minuten moumlglich Hieraus lassen sich dann Farbkoordinaten der untersuchten Proben in den unterschiedlichsten Farbraumsystemen berechnen Eine absolute Messung in 114 Win-kelkombinationen (siehe Bild 9) im Polarwinkel-

erfasst und ruumlckgefuumlhrt werden um eine gleich-bleibende Qualitaumlt in der Produktion gewaumlhrleis-ten zu koumlnnen Gerade diese vielfaumlltigen zusaumltz-lichen Eigenschaften stellen die Farbmesstechnik vor neue Herausforderungen

Farbmessung

Bisherige kommerzielle Farbmessgeraumlte charakte-risieren Probenoberflaumlchen fast ausschlieszliglich in den eben schon erwaumlhnten sogenannten in-plane Reflexionsgeometrien Dabei liegen die Richtun-gen des eingestrahlten und des reflektierten Lichts sowie die Oberflaumlchennormale der Probe in einer Ebene Diese Einschraumlnkung entspricht jedoch in keiner Weise der taumlglichen Realitaumlt bei der Oberflaumlchen aus beliebigen Richtungen beleuchtet und betrachtet werden Seitens der Messgeraumlteher-steller und Anwender gibt es daher einen Trend zur erweiterten Charakterisierung bezuumlglich zusaumltzlicher Winkelkombinationen im dreidimen-sionalen Raum Spitzenreiter dieser Entwicklung am Markt ist derzeit ein tragbares Mehrwinkel-Spektralphotometer mit insgesamt 19 verschie-denen Reflexionsgeometrien [9] Hiermit scheint aber auch das Ende dieser Entwicklung im Bereich der portablen handgefuumlhrten Geraumlte erreicht Der Wunsch der Anwender geht aktuell wieder zuruumlck zu einer geringeren Anzahl von Winkelkombi-nationen denn es ist unklar wie man aus dem Mehr an winkelaufgeloumlsten Reflexionsdaten die fuumlr die Charakterisierung der Farbeigenschaften relevanten Informationen gewinnen kann Daher stellt sich die Frage welches sind bdquoguteldquo d h an die Messaufgabe adaptierte optimal geeignete Messgeometrien

Um diese Frage zu beantworten betreibt die AG 424 bdquoReflexion und Transmissionldquo der PTB zwei roboterbasierte Gonioreflektometer die eine winkelaufgeloumlste Reflexionsmessung in beliebi-gen bidirektionalen Geometrien ermoumlglichen [10ndash12] Diese beiden Apparaturen sind in Bild 7 dargestellt

Das Standard-Gonioreflektometer ist hierbei das nationale Normal fuumlr die Messgroumlszlige spektraler Strahldichtefaktor in gerichteten Geometrien Es dient der Realisierung Bewahrung und Weiter-gabe der gerichteten Reflexionsskale in Form von Kalibrierungen Die zweite Apparatur bezeich-net mit dem Acronym ARGon3 (3D Appearance Robot-based Gonioreflectometer) ist ein flexibles Forschungsgeraumlt mit dem experimentelle Unter-suchungen u a im Rahmen des EMRP-Projektes Multidimensional Reflectometry for Industry der EU [13] durchgefuumlhrt werden Im Ver gleich zum Standard-Gonioreflektometer ist dieses Geraumlt mit einer photometrischen Leuchtdichteka-mera und einer Zeilenkamera ausgeruumlstet Die Leuchtdichtekamera erlaubt mit einer speziellen

Bild 7 Die beiden roboter-basierten Gonio-reflektometer der PTB oben Standard-Gonioreflektometer fuumlr Kundenkalibrie-rungen unten ARGon3-Messplatz fuumlr Forschungsanwen-dungen

Bild 8 Visualisierung desSparkling-Effektesvon Xironareg-Volcanic-Sparks-Pigmenten als Falschfarben-darstellung der ortsaufgeloumlsten LeuchtdichteDie bdquoNadelnldquo zeigendie Position derPigmente an

Bild 9 Beispielgeometrien zur Messung der winkelabhaumlngigen Reflexionseigen-schaften Realisiert wurden 4 Einstrah-lungsrichtungen (rote Pfeile) mit jeweils 114 Reflexionswinkeln (schwarze Punkte) im Bereich der Viertel-kugel oberhalb der Probenoberflaumlche

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PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4Das Jahr des Lichtes

bereich 0deg bis 70deg gleichmaumlszligig verteilt uumlber den Viertelraum oberhalb der Probe dauert hierbei ca 4 Stunden [14] Die so erhaltenen Daten bilden die Basis fuumlr kuumlnftige Verbesserungen in der Mess-technik fuumlr Anwender und Hersteller

Im Rahmen des EMRP-Projektes Multidimen-sional Reflectometry for Industry [13] sind damit die winkelabhaumlngigen Reflexionsspektren von insgesamt 66 verschiedenen Effektpigmentproben gemessen worden [15 16] Bei den vier verschie-denen Einstrahlungsrichtungen verbunden mit jeweils 114 Reflexionswinkeln im Bereich der Vier-telkugel oberhalb der Probenoberflaumlche ergeben sich somit uumlber 30000 Reflexionsspektren

Zielsetzung der Untersuchungen ist die Ver-besserung der Metrologie zur Materialcharak-terisierung mit reduzierter Messunsicherheit Dazu werden neue Messvorschriften und neue Standardmessartefakte entwickelt mit denen die Industrie die visuelle Wahrnehmung der von ihr produzierten Oberflaumlchen gezielt charakterisie-ren und kontrollieren kann Solche Messungen sollten einfach auszufuumlhren sein und die Ergeb-nisse muumlssen soweit wie moumlglich mit der visuellen menschlichen Wahrnehmung korrelieren Im europaumlischen und internationalen Rahmen sollen die Ergebnisse in die Normung einflieszligen um die allgemeine Vergleichbarkeit solcher Messungen zu gewaumlhrleisten

Literatur

[1] CS Henshilwood et al A 100000-Year-OldOchre-Processing Workshop at Blombos CaveSouth Africa Science Vol 334 No 6053 219ndash2222011

[2] Mark D Fairchild Color Appearance Models2nd Ed John Wiley amp Sons Ltd 2005

[3] Colorimetry Understanding the CIE Systemed by J Schanda Wiley-Interscience NJ 2007

[4] WR Cramer Der richtige Blickwinkel Farbe amp Lack 092006 26ndash30 2006

[5] G Zaltman How Customers Think EssentialInsights into the Mind of the Market HarvardBusiness Review Press 2003

[6] DIN ISO 18451-12015-11 Pigmente Farbstof-fe und Fuumlllstoffe ndash Begriffe ndash Teil 1 AllgemeineBegriffe

[7] WR Cramer Ohne Glimmer aber mit GlanzFarbe amp Lack 042003 132ndash136 2003

[8] WR Cramer Es glitzert wie am SternenhimmelFahrzeug + Karosserie 0412 20ndash22 2012

[9] E Kirchner W Cramer Making sense of measure-ment geometries for multi-angle spectrophotome-ters Color Res Appl Vol 37 No3 186ndash198 2012

[10] D Huumlnerhoff U Grusemann A Houmlpe Newrobot-based gonioreflectometer for measuringspectral diffuse reflection Metrologia 43 S11ndashS162006

[11] A Houmlpe D Huumlnerhoff K-O Hauer Robot-basedgonioreflectometer Industrial Robotics Program-ming Simulation and Applications Low Kin-Huat Ed Pro Literatur-Verlag Mammendorf623ndash632 2007

[12] A Houmlpe T Atamas D Huumlnerhoff S TeichertK-O Hauer ARGon3 ndash bdquo3D Appearance Robot-based Gonioreflectometerrdquo at PTB Rev SciInstrum 83(4) 045102-1ndash045102-8 2012

[13] European Metrology Research Program ProjectIND52 bdquoxD-Reflectldquo Multidimensional Reflecto-metry for Industry wwwxdreflecteu(letzter Aufruf 03122015)

[14] T Atamas K-O Hauer A Houmlpe Appearancemeasurements of goniochromatic colours Predic-ting Perceptions Proceedings of the 3rd Internati-onal Conference on Appearance 149ndash154 2012

[15] A Houmlpe A Koo FM Verdu FB LeloupG Obein et al bdquoMultidimensional reflectometryfor industryrdquo (xD-Reflect) an European researchproject Proc SPIE 9018 Measuring Modelingand Reproducing Material AppearanceSPIE-ISampT Vol 9018 901804-1ndash901804-11 2014

[16] A Houmlpe K-O Hauer S Teichert D HuumlnerhoffC Strothkaumlmper Goniochromatic and Sparkleproperties of effect pigmented samples in mul-tidimensional configuration Proc SPIE 9398Measuring Modeling and Reproducing MaterialAppearance 2015 SPIE Proc Vol 9398 Appea-rance 93980O-1ndash7 2015

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Die 50 Sitzung des Internationalen Komitees fuumlr das gesetzliche Messwesen (CIML) fand vom 20 bis 22 Oktober 2015 in Arcachon Frankreich statt Im Vorfeld der CIML-Sitzung fand ein ein-taumlgiges OIML-Seminar uumlber Countries and Econo-mies with Emerging Metrology Systems (CEEMS) statt uumlber das weiter unten berichtet wird

Das CIML ist der Lenkungsausschuss der OIML Es trifft sich jaumlhrlich und besteht aus je einem Repraumlsentanten der Mitgliedstaaten der korrespondierenden Mitglieder und den Vertre-tern internationaler und regionaler Organisa-tionen die als Beobachter teilnehmen koumlnnen Das CIML ist zustaumlndig fuumlr die Vorbereitung und Durchfuumlhrung der Entscheidungen der Konfe-renz die alle vier Jahre stattfindet Es uumlberwacht die Arbeiten der Technischen Komitees und Unterkomitees und des Internationalen Buumlros fuumlr das gesetzliche Messwesen (BIML) in Paris

An der 50 CIML-Sitzung nahmen 144 Teilneh-mer aus 43 Mitgliedstaaten und 13 korrespondie-renden Mitgliedstaaten teil Zur deutschen Dele-gation gehoumlrten neben den o g Autoren auch die Herren Johann Fischer Direktor des Landesamts fuumlr Mess- und Eichwesen Berlin-Brandenburg sowie Prof Olaf Kuumlhn Direktor des Thuumlringer Landesamts fuumlr Verbraucherschutz als Vertreter der Bundeslaumlnder Dr Peter Ulbig Leiter der Abteilung Wissenschaftlich-technische Quer-schnittsaufgaben der PTB und Prof Manfred Kochsiek Vizepraumlsident a D der PTB ehema-liger CIML-Praumlsident und Ehrenmitglied der OIML Frau Dr Anna Cypionka persoumlnliche Referentin des Praumlsidenten der PTB nahm am OIML-Seminar fuumlr CEEMS teil Vertreten waren auch wieder internationale und regionale Orga-nisationen zu denen die OIML Verbindungen unterhaumllt wie das Internationale Buumlro fuumlr Maszlig und Gewicht (BIPM) die GSO-GCC Standardiza-tion Organization (Saudi-Arabien) die Internatio-nal Laboratory Accreditation Cooperation (ILAC) und der Europaumlische Verband der Waagenherstel-ler (CECIP)

Alle Beschluumlsse der 50 CIML-Sitzung koumlnnen auf den Internetseiten der OIML aufgerufen werden [1 2]

Die wichtigsten Entscheidungen und Entwick-lungen werden nachfolgend vorgestellt

1 Personalangelegenheiten

Der Vertrag von Willem Kool als Assistant Director wurde um vier Jahre der Vertrag des BIML-Direk-tors Stephen Patoray um drei Jahre verlaumlngert

2 Einfuumlhrung des PG Workspace im Internet

In seinem Bericht im Zusammenhang mit der Etablierung des neuen Webauftritts der OIML hob der CIML-Praumlsident Peter Mason (UK) die erfolgreiche Einfuumlhrung des Workspace fuumlr Pro-jektgruppen hervor Durch die Online-Arbeit wird erwartet dass die technische Arbeit an neuen bzw zu revidierenden OIML-Dokumenten vereinfacht und insgesamt effizienter wird

3 Revision der technische Richtlinien fuumlr die OIML (B 6 Directives for OIML tech-nical work)

In einem neuen Projekt sollen die in den vergan-genen Jahren revidierten OIML-Richtlinien fuumlr die technische Arbeit erneut uumlberarbeitet werden um u a den Prozess der Entwicklung und Uumlber-arbeitung von OIML-Publikationen noch weiter zu beschleunigen und den neuen internetbasierten Technologien und Arbeitsweisen Rechnung zu tragen

4 Umfassende strukturelle Uumlberarbeitung des OIML Certificate System

Das CIML verabschiedete die Gruumlndung einer Projektgruppe mit der Aufgabe einer substan-ziellen Uumlberarbeitung des OIML-Zertifizierungs-systems das z Zt aus dem Basiszertifizierungs-system und dem MAA3 besteht Urspruumlnglich ausgehend von der Annahme die Akzeptanz des MAA-Zertifizierungssystem muumlsse verstaumlrkt werden eine groumlszligere Verbreitung finden und mehr Messgeraumltearten abdecken erscheint es

Aktuelles aus der OIML (Internationale Organisation fuumlr das Gesetzliche Messwesen)Bericht uumlber die 50 Sitzung des CIML in Arcachon FrankreichSusanne Ludwig Roman Schwartz

INTERNATIONALE ZUSAMMENARBEIT

Susanne Ludwig OIMLshyGeschaumlftsstelle der PTB EshyMail susanneludwigptbde

Dir u Prof Dr Roman Schwartz Vizepraumlsident der PTB deutsches Mitglied im Internashytionalen Komitee fuumlr das Gesetzliche Messwesen (CIML) und CIMLshyVizepraumlsishydent EshyMail romanschwartzptbde

3 Mutual Acceptance Arrangement (Abshykommen zur gegenshyseitigen Anerkennung von Bauartpruumlfungen)

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PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4Internationale Zusammenarbeit

inzwischen sinnvoller und wurde so auch vom CIML beschlossen zum 112017 ein einziges OIML-Zertifizierungssystem einzufuumlhren Eine Projektgruppe (Certification System Project Group = CSPG) unter dem Vorsitz des CIML-Vizepraumlsi-denten Dr Roman Schwartz wurde damit beauf-tragt die notwendigen Dokumente und Prozedu-ren auszuarbeiten

5 OIML-Seminar fuumlr Countries and Economies with Emerging Metrology Systems (CEEMS)

Im Vorfeld der CIML-Sitzung wurde ein eintaumlgiges Seminar zum Thema Developing an OIML Package for Assistance to Countries with Emerging Metro-logy Systems (CEEMS) abgehalten In vier Sitzun-gen diskutierten 125 Teilnehmer aus 49 Laumlndern uumlber Moumlglichkeiten Laumlnder beim Aufbau von nationalen Metrologiesystemen zu unterstuumltzen In der ersten von Frau Dr Cypionka geleiteten Sitzung Capacity Building ging es um die allge-meinen Herausforderungen bei der Gestaltung von Programmen zur Foumlrderung von Handlungs-kompetenzen und Vermittlung von Wissen fuumlr die Metrologie In zwei weiteren Sitzungen wurden unter den Themen Helping CEEMS Improve Regulation in their Markets (Leitung Prof Dr Manfred Kochsiek) und New Ideas ndash Doing Legal Metrology Differently (Leitung Stuart Carstens

Suumldafrika) konkrete inhaltliche Loumlsungsvorschlaumlge vorgestellt und diskutiert Die Ergebnisse wurden in der 50 CIML-Sitzung vorgestellt und fanden ihren Niederschlag in der Resolution Nr 201510 [2] sie sollen auch noch auf den OIML-Webseiten veroumlffentlicht werden [1]

6 OIML-Publikationen

Folgende OIML-Publikationen wurden verabschiedet

R 139-3 Compressed gaseous fuels measuring systems for vehicles Part 3 Test report format

New Recommendation (R 145) Ophthalmic instru-ments mdash Impression and applanation tonometers

Alle OIML-Publikationen stehen im Internet frei zur Verfuumlgung [3]

Gleichzeitig wurde die Revision der folgenden OIML-Publikation beschlossen

Revision of R 79 Labeling requirements for prepackages

Folgende neue Projekte wurden verabschiedet

Revision des OIML-Dokuments B 6-1 Directives for OIML technical work

Bild 1 Teilnehmer der 50 Sitzung des Internationalen Komitees fuumlr Gesetz-liches Messwesen (CIML) in Arcachon Frankreich

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PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4 Aktuelles aus der OIML

TC 8SC 1 Revision R 71 Fixed storage tanks mdash General requirements

TC 8SC 1 Revision R 85 Automatic level gauges for measuring the level of liquid in stationary storage tanks

7 Personalien und Ehrungen

Die von Dr Seiler dem ehemaligen Leiter des Fachbereichs bdquoTechnische Zusammenarbeitldquo der PTB initiierte OIML-Auszeichnung fuumlr bdquoexzel-lente Beitraumlge von Entwicklungslaumlndern zum gesetzlichen Messwesenldquo ging in diesem Jahr an

bull Nam Hyuk Lim Director of Korea Testing Certi-fication und

bull The Metrology Department Saint Lucia Bureau of Standards

Die OIML-Medaille fuumlr besondere Verdienste um die OIML-Arbeit ging an Ngo Quy Viet Vietnam und Cartaxo Reis aus Portugal

8 Termine

Ein Gastgeberland fuumlr die 51 CIML-Sitzung und 15 OIML-Konferenz im Jahr 2016 konnte noch nicht bekannt gegeben werden es wird aber wahr-scheinlich wieder Frankreich sein Weitere OIML-Veranstaltungen und -Termine finden sich auf der OIML-Webseite unter [4]

9 Literatur

[1] httpswwwoimlorgen (letzter Aufruf 19112015)

[2] httpswwwoimlorgenstructurecimlpdf50-ciml-resolutions-englishpdf (letzter Aufruf 19112015)

[3] httpswwwoimlorgenpublicationsrecommen-dationspublication_viewp_type=1ampp_status=1

[4] (letzter Aufruf 19112015)[5] httpswwwoimlorgeneventscalendar

(letzter Aufruf 19112015)

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TECHNOLOGIETRANSFER

E27-Scanner fuumlr UlbrichtkugelnMit dem besonders einfach ohne Umbau einsetzbaren E27-Scanner koumlnnen Anwender und Hersteller die Homogenitaumlt ihrer Ulbricht-kugeln bestimmen und die Ergebnisse zur Berechnung genauerer Lichtstroumlme und zur Dokumentation der Qualitaumlt ihrer Messungen nutzen

Hintergrund

Wie viel Licht eine Lampe insgesamt in alle Richtungen abstrahlt wird durch ihren Lichtstrom ausgedruumlckt Um den fuumlr die Bestimmung der Energieeffizienz von Lampen notwendigen Lichtstrom schnell zu er mitteln setzt die Lampenindustrie Ulbrichtkugeln ein An einer Stange in der Mitte der Ulbrichtkugel befindet sich eine E27-Lampen-fassung in die nacheinander die Lichtstrom-Normallampe und die zu kalibrierende Lampe eingeschraubt werden Das indirekt auf den Mess-kopf fallende Licht erzeugt einen Photostrom der im Idealfall propor-tional zu dem von der Lampe abgestrahlten Lichtstrom ist unabhaumlngig von der Richtung in die das Licht abgestrahlt wird

Dies ist jedoch bei einer ungleichmaumlszligigen Beschichtung der Kugel sowie bei einer im Laufe der Zeit nicht zu verhindernden Verstaubung nicht der Fall Deshalb wird mit einem Kugelscanner die Homogenitaumlt der Kugel regelmaumlszligig vermessen und ein Korrekturfaktor bestimmt der von der jeweiligen Abstrahlcharakteristik der zu untersuchenden Lampe abhaumlngt

Technische Beschreibung

Der Kugelscanner wird einfach in eine E27-Fassung geschraubt und das sonst fuumlr die Lampenversorgung eingesetzte Netzgeraumlt wird durch die Steuereinheit ersetzt Diese uumlbernimmt sowohl die elektrische Versor-gung als auch die Befehlsuumlbermittlung zum Kugelscanner Die Steuer-einheit wird via USB oder RS232 an einen Computer angeschlossen Das mitgelieferte Messprogramm stellt automatisiert alle gewuumlnschten Richtungen ein und speichert die zugehoumlrigen von der Steuereinheit gemessenen Photostroumlme des Photometers

Wirtschaftliche Bedeutungw

Fuumlr Lampenindustrie und Hersteller von Ulbrichtkugeln

bull Genauere Messung des Lichtstroms

bull Bestimmung des Zeitpunkts einer Neubeschichtung

bull Uumlberwachung beim Beschichten

bull Dokumentation des Zustands der Ulbrichtkugel

EntwicklungsstandDer E27-Kugelscanner wurde in der PTB entwickelt Er wird laufend fuumlr Kalibrierungen eingesetzt Die Technologie wurde an die Firma Czibula amp Grundmann transferiert und wird dort mit einer PTB-Lizenz gebaut und vertrieben wwwphoto-metercom

Ansprechpartner

Dr Bernhard SmandekBeauftragter fuumlr TechnologietransferTelefon +49 531 592shy8303Telefax +49 531 592shy69shy8303EshyMail technologietransferptbde

Dr Stefan WinterFachbereich Photometrie und Radiometrie

Abbildung des E27shyKugelscanners Eine stark fokussierende Lampe die computergesteuert in alle Richtungen leuchten kann

Vorteile

bull Schneller Einbau in E27shyFassung

bull Computergesteuertes Abscannen der gesamten Ulbrichtkugel

bull Flexible Messmoumlglichkeiten

bull Fuumlr genauere Lichtstromshymessungen

bull Wichtig fuumlr die Qualitaumltsshysicherung

PTBshyNummer 0172

wwwtechnologietransferptbde

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PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4 Technologieangebote

Ansprechpartner

Dr Bernhard SmandekBeauftragter fuumlr TechnologietransferTelefon +49 531 592shy8303Telefax +49 531 592shy69shy8303EshyMail technologietransferptbde

Dr Stefan WinterArbeitsgruppe Solarzellen

PulsshyzushyCWshyKonverter

Umwandlung gepulster Laser-Strahlung in konstante StrahlungIn weiten Bereichen der optischen Metrologie ist eine Strahlungs-quelle von groszligem Nutzen die sich spektral vom UV-C bis ins mitt-lere IR durchstimmen laumlsst Lediglich Laser mit gepulster Strahlung erfuumlllen diese Anforderung bei ausreichend groszligem Ausgangssignal bisher luumlckenlos Femtosekunden-Lasersysteme waumlren aufgrund ihrer gut automatisierbaren und spektral weiten Durchstimmbarkeit die ideale Strahlungsquelle fuumlr z B radiometrische Anwendungen ndash wenn ihre Strahlung nicht gepulst waumlre

Durch das extreme Puls-Pausen-Verhaumlltnis von 10ndash5 entstehen hohe Spitzenleistungen die wiederum zu Saumlttigungseffekten bei Detek-toren und in der Folge zu nichtlinearem Verhalten fuumlhren koumlnnen Mit dem in der PTB entwickelten Puls-zu-CW-Konverter wird dieses Problem geloumlst

Technische Beschreibung

Bei dieser Methode werden Pulse gepulster Strahlungsquellen ausrei-chend hoher Repetitionsrate in CW-Strahlung umgewandelt Dabei wird jeder Puls in viele kleine Teilpulse aufgeteilt die auf unterschiedlich langen Wegstrecken unterschiedliche Laufzeiten erfahren Am Ausgang des Systems erscheinen sie dann zeitlich gleichmaumlszligig verteilt Realisiert wird dieser Puls-zu-CW-Konverter uumlber ein Glasfaserbuumlndel bei dem jede Einzelglasfaser eine individuell festgelegte Laumlnge besitzt

Mit der Entwicklung des Puls-zu-CW-Konverters wurde das ent-scheidende Manko beim Einsatz leistungsstarker Femtosekunden(fs)-Lasersysteme im Bereich der Metrologie beseitigt und erstmalig gepulste Laserstrahlung in CW-Strahlung umgewandelt Diese Neuentwicklung ermoumlglicht es nun herkoumlmmliche Monochromatorsysteme durch fs-Lasersysteme zu ersetzen die eine bis zu 1000-mal houmlhere spektrale Ausgangsleistung besitzen

Wirtschaftliche Bedeutung

Durch den neuen Puls-zu-CW-Converter koumlnnen in wirtschaftlich bedeutenden Bereichen wie z B der Photovoltaik der Photometrie der UV-Strahlungsmesstechnik und der Reflektometrie die Referenz- und Transfernormale mit einer deutlich reduzierten Messunsicherheit kali-briert werden Hier werden bislang wesentliche Messunsicherheitsan-teile durch zu geringe Strahlungsleistungen aus herkoumlmmlichen Mono-chromatorsystemen verursacht

Entwicklungsstand

Unter DE 10 2010 011 615 B4 wurde fuumlr den CW-Konverter ein Patent erteilt

Vorteile

bull Zeitliche Glaumlttung gepulster Laserstrahlung

bull Keine stoumlrenden Interferenzen

bull Nur minimale Absorption des Messsignals

bull Auch bei kuumlrzeren Wellenshylaumlngen ohne Ulbrichtkugel verwendbar

bull Kontinuierliche Verteilung des Ausgangspulses

bull Pulsvervielfachung

bull Houmlhere Strahlungsleistung

PTBshyNummer 0254

wwwtechnologietransferptbde

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PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4Technologieangebote

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Homogenisierung von Strahlungsquellen und Focal Plane Arrays (FPA)Ein neuartiges Verfahren ermoumlglicht softwaregestuumltzt eine deutlich verbesserte Kalibrierung von Mehrelement-Sensoren (FPA) und bildgebenden Systemen (Kameras) Bei flaumlchigen Strahlungsquellen kann zusaumltzlich eine gezielte Ansteuerung von Flaumlchenelementen zu einer bisher im Allgemeinen nicht erreichbaren Flaumlchenhomogenitaumlt fuumlhren

Technische Beschreibung

Flaumlchenstrahler dienen der Kalibrierung von ortsaufloumlsenden Strah-lungssensoren wobei davon ausgegangen wird dass die Emissionsflaumlche des Strahlers im Wesentlichen homogen bezuumlglich ihrer Strahldichte bzw Strahlungstemperatur ist Um kleine Inhomogenitaumlten eines Flaumlchenstrahlers zu charakterisieren ist es ein gaumlngiges Verfahren die Emissionsflaumlche punktweise mit einem Einzeldetektor abzutasten

Das neue PTB-Verfahren ist wesentlich schneller da es den Mehr-element-Sensor (FPA) das device-under-test selbst nutzt und damit immer ein Gesamtbild der Quelle aufnimmt Werden jetzt weitere Bilder zeilen- oder spaltenversetzt aufgenommen so erlaubt ein mathema-tischer Algorithmus bei nur drei Bildern eine komplette Charakterisie-rung des Sensors aber auch der Quelle

Sind Flaumlchenelemente der Strahlungsquelle einzeln ansteuerbar so ist es sogar moumlglich mittels der ermittelten Korrekturwerte zu Strahlquellen extrem hoher Homogenitaumlt im on-line-Betrieb zu gelangen

Wirtschaftliche Bedeutung

Bildgebende Strahlungssensoren und homogene Strahlungsquellen sind relevant fuumlr die Forschung und Entwicklung fuumlr die Prozesstechnik fuumlr die Charakterisierung der Energieeffizienz von Bauten bei der Ent-wicklung neuer Bauteile mit hoher thermischer Belastung und in vielen weiteren Bereichen Der mathematische Algorithmus ist aber auf unter-schiedliche Arten von Kamerasystemen anwendbar und damit auch fuumlr die Qualitaumltssicherung von CCD-Kameras bis hin zum Konsumguuml-termarkt anwendbar EntwicklungsstandEine deutsche Patenterteilung erfolgte im September 2015 Eine PCT-Anmeldung ist anhaumlngig Kooperations- und Lizenzpartner aus den Bereichen Thermografie Radiometrie und Photometrie zur Umsetzung des Konzeptes werden gesucht

Ansprechpartner

Dr Bernhard SmandekBeauftragter fuumlr TechnologietransferTelefon +49 531 592shy8303Telefax +49 531 592shy69shy8303EshyMail technologietransferptbde

DiplshyIng Berndt GutschwagerArbeitsgruppeInfrarotshyStrahlungsthermometrie

Stahlungsmessplatz der PTB zur Kalibrierung von Temperaturstrahlern und Waumlrmebildkashymeras

Vorteile

bull Schnelle Kalibrierung von Flaumlchensensoren (FPA)

bull Schnelle Kalibrierung von Flaumlchenstrahlern

bull Strahlquellen houmlchster Hoshymogenitaumlt

bull Fuumlr Thermografie und Phoshytometrie

PTBshyNummer 00374

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Die fachlichen Aufsaumltze aus dieser Ausgabe der PTB-Mitteilungen sind auch online verfuumlgbar unterdoi 10779531020150499

Die Physikalisch-Technische Bundesanstalt das nationale Metrologieinstitut ist eine wissenschaftlich-technische Bundesoberbehoumlrde im Geschaumlftsbereich des Bundesministeriums fuumlr Wirtschaft und Energie

mitteilungen

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Die PTB-Mitteilungen sind metrologisches Fachjournal der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt Braunschweig und Berlin Als Fachjournal veroumlffentlichen die PTB- Mitteilungen wissenschaftliche Fachaufsaumltze zu metrologischen Themen aus den Arbeitsgebieten der PTB Die PTB-Mitteilungen stehen in einer langen Tradition die bis zu den Anfaumlngen der Physikalisch-Technischen Reichsanstalt (gegruumlndet 1887) zuruumlckreicht

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Die Physikalisch-Technische Bundesanstalt das nationale Metrologieinstitut ist eine wissenschaftlich-technische Bundesoberbehoumlrde im Geschaumlftsbereich des Bundesministeriums fuumlr Wirtschaft und Energie

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PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4Das Jahr des Lichtes

1 Eine einleitende Beschreibung von Gluumlhlampen LEDs und OLEDs

Der Einsatz Licht Emittierender Dioden (LED) in der Allgemeinbeleuchtung hat in den vergangenen Jahren erheblich zugenommen Ein entscheiden-der Vorteil der LED gegenuumlber der traditionellen Gluumlhlampe liegt in ihrer uumlberlegenen Lichtaus-beute ηv ndash dem Verhaumlltnis des emittierten Licht-stroms Φv und der aufgenommenen elektrischen Leistung Pel angegeben in LumenWatt

Dieser Vorteil beruht auf den Unterschieden der zugrunde liegenden Technologien der Lichterzeu-gung beider Lampentypen Bei einer (Halogen-)Gluumlhlampe wird der Gluumlhfaden durch elektrischen Strom auf Temperaturen um 3000 K aufgeheizt Obwohl hierbei fast die gesamte elektrische Leis-tung in Strahlung umgewandelt wird ndash Verluste durch thermische Konvektion oder Waumlrmeleitung sind gering ndash kann das menschliche Auge lediglich einen geringen spektralen Anteil der ungefaumlhr 5 der Gesamtstrahlungsleistung ausmacht wahr-nehmen Der Groszligteil der Strahlungsleistung liegt im infraroten Spektralbereich und kann nicht fuumlr Beleuchtungszwecke genutzt werden In Bild 1 ist die spektrale Verteilung einer Gluumlhlampe bei einer Temperatur von 2856 K im Spektralbereich

von 300 nm bis 1200 nm dargestellt Das sichtbare Licht im Spektralbereich zwischen 360 nm und 830 nm ist mit den entsprechenden Spektralfarben hinterlegt Oberhalb 830 nm beginnt der fuumlr das menschliche Auge unsichtbare infrarote Anteil der Strahlung

Der fuumlr photometrische Messungen normativ festgelegte spektrale Hellempfindlichkeitsgrad V(λ) also die Hellempfindlichkeit des Auges eines bdquoNormalbeobachtersldquo ist mit seinem Maximum bei 555 nm schwarz eingezeichnet

Da die Gluumlhlampe eine thermische Strahlungs-quelle ist verschiebt sich mit zunehmender Tem-peratur die Lage des Strahlungsmaximums ent-sprechend des Wienschen Verschiebungsgesetzes zu kuumlrzeren Wellenlaumlngen Um die Lichtausbeute von Gluumlhlampen zu erhoumlhen muumlsste man das Strah-lungsmaximum durch Temperaturerhoumlhung in den kurzwelligeren Bereich des sichtbaren Lichts verschieben Die Maximaltemperatur ist jedoch bei Gluumlhfaumlden aus Wolfram auf etwa 3000 K begrenzt ndash bei houmlheren Temperaturen nimmt die Lebensdauer drastisch ab

Das Funktionsprinzip einer LED-Lichtquelle basiert auf dem Phaumlnomen der Elektrolumines-zenz Der prinzipielle Aufbau einer LED aumlhnelt einer pn-Halbleiterdiode Durch Anlegen einer Gleichspannung rekombinieren Ladungstraumlger in der p-n-Grenzschicht der Leuchtdiode unter Emission von Strahlung Durch gezielte Auswahl der verwendeten Halbleitermaterialien und ihrer Dotierung wird deren Bandluumlcke und somit die Farbe des emittierten Lichtes bestimmt Im Jahr 1992 gelang der Durchbruch in der Entwicklung hocheffizienter blauer LEDs die den Einsatz von LEDs zur Allgemeinbeleuchtung erst ermoumlgli-chen Die zugrunde liegenden Forschungsarbei-ten wurden 2014 mit dem Nobelpreis fuumlr Physik gewuumlrdigt [1]

Eine schmalbandige Lichtemission ist charak-teristisch fuumlr LEDs Dementsprechend verfuumlgt ihr Licht uumlber eine hohe Farbsaumlttigung Durch die Bedeckung des LED-Chips mit breitbandig pho-tolumineszierenden Farbstoffen wird ein Teil der Strahlung in energieaumlrmeres langwelligeres Licht konvertiert und es entstehen Mischfarben wie

Metrologie fuumlr moderne Lichtquellen LEDs und OLEDs Thorsten Gerloff

Thorsten Gerloff Arbeitsgruppe bdquoPhotometrieldquo EshyMail thorstengerloffptbde

Bild 1 Spektrale Verteilung einer Gluumlhlampe und spektraler Hellempfindlichkeitsgrad (V(λ)-Funktion)

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PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4 Metrologie fuumlr moderne Lichtquellen

i Infokasten LED

Lichtausbeute einer Strahlungsquelle ηv

Die Lichtausbeute einer Strahlungsquelle gibt das Verhaumlltnis aus ausgestrahltem Lichtstrom und aufgenommener elektrischer Leistung an Die Einheit ist LumenWatt (lmW) Je houmlher die Lichtausbeute ist umso energieeffizienter ist die Beleuchtung Gluumlhlampen besitzen Lichtausbeuten zwischen 10 und 20 lmW

Lichtstrom Φv

Der Lichtstrom beruumlcksichtigt den Hellempfind-lichkeitsgrad V(λ) des Auges und gibt die in alle Raumrichtungen abgegebene bdquoLichtleistungldquo einer Lampe an Der Lichtstrom enthaumllt keine Information daruumlber wie die Lampe das Licht im Raum verteilt Der Lichtstrom gibt an wie hell ein beleuchteter Raum dem Menschen erscheint

Spektraler Hellempfindlichkeitsgrad V(λ)

Der exakt definierte spektrale Hellempfindlich-keitsgrad V(λ) ist eine Bewertungsfunktion fuumlr elektromagnetische Strahlung Hiermit wird der bdquoHelligkeitseindruck eines menschlichen Durch-schnittsaugesldquo berechnet Dies ermoumlglicht den objektiven Vergleich von Lichtquellen mit physika-lischen Messmethoden Subjektive Wahrnehmun-gen einzelner Menschen koumlnnen damit nicht exakt wiedergegeben werden

Aumlhnlichste Farbtemperatur TN

Es gibt unterschiedliche Farbtemperaturen in der Photometrie Verhaumlltnis- und Verteilungstem-peratur sind nur bei thermischen Strahlern wie der Gluumlhlampe anwendbar Nur die aumlhnlichste Farbtemperatur (englisch Correlated Colour Temperature CCT) laumlsst sich fuumlr Lichtquellen mit beliebiger spektraler Zusammensetzung berech-nen sofern die Normfarbwertanteile aumlhnlich einem thermischen Strahler sind Die aumlhnlichste Farbtemperatur wird in der Einheit Kelvin (K) angegeben Sie gibt an ob das Licht warmweiszlig (ca 3000 K) neutralweiszlig (ca 4500 K) oder tages-lichtweiszlig (gt5500 K) erscheint

Normfarbwertanteile (x y)

Fuumlr die Angabe von Farbe gibt es neben dem spek-tralen Hellempfindlichkeitsgrad V(λ)noch weitere definierte Bewertungsfunktionen Hiermit laumlsst sich die Farbwahrnehmung eines fiktive Normalbeob-achters aus der gemessenen spektralen Verteilung des Lichts durch Angabe von nur zwei Werten (x und y) angeben Diese Werte geben die Koordi-naten auf der Normfarbtafel (s Abbildung) an

Normfarbtafel

Farbwiedergabeindex Ra

Der Farbwiedergabeindex ist eine Kennzahl fuumlr Lichtquellen der bewertet die Qualitaumlt der Farb-wiedergabe Je houmlher der Wert desto besser ist die Farbwiedergabe Der Maximalwert liegt bei 100 Werte zwischen 90 und 100 geben eine ausgezeich-nete Farbwiedergabe an Werte unter 80 sind fuumlr viele Anwendungen nicht ausreichend

Im Folgenden soll ein kleiner Leitfaden gegeben werden der in allgemeinverstaumlndlicher Form die grundlegenden Ideen wichtiger lichttechnischer Groumlszligen erlaumlutern soll Komplexe Details der zugrunde liegenden Normen und Definitionen werden hierbei nicht beruumlcksichtigt

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PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4Das Jahr des Lichtes

Pastellfarbtoumlne oder auch weiszliges LichtIn Bild 2 sind die spektralen Verteilungen einer

LED mit und ohne Leuchtstoff abgebildet In der linken Abbildung erkennt man die schmalbandige blaue Emission des LED-Chips In der rechten Abbildung wird ein Teil dieser Strahlung durch einen Leuchtstoff in laumlngerwelliges Licht konver-tiert und die Mischfarbe erscheint weiszlig

Der Vorteil einer LED gegenuumlber einer Gluumlh-lampe bezuumlglich der Lichtausbeute ist offensicht-lich Es wird ndash von unvermeidbarer thermischer Verlustleistung abgesehen ndash nur Strahlung im sichtbaren Wellenlaumlngenbereich emittiert Daruumlber hinaus ist die Farbe des Lichts von LEDs durch Kombination verschiedener Leuchtstoffe und LEDs nahezu beliebig einstellbar und man ist nicht auf aumlhnlichste Farbtemperaturen von ca 3000 K wie bei der Gluumlhlampe begrenzt

Allerdings gibt es auch Nachteile gegenuumlber dem Licht einer Gluumlhlampe Dem typischen Spektrum einer LED-Lichtquelle fehlen im Gegensatz zu Sonnenlicht oder Gluumlhlampenlicht einzelne Spekt-ralfarben Dies macht sich negativ bei der Qualitaumlt der Farbwiedergabe bemerkbar

Die Farbe des emittierten Lichts einer LED laumlsst sich durch additive Farbmischung sehr aumlhnlich zu Sonnenlicht oder auch Gluumlhlampenlicht einstellen Wenn jedoch Objekte mit Licht beleuchtet werden kommt es auch auf die spektrale Zusammensetzung des Lichts an Nehmen wir einen Blumenstrauszlig aus roten Rosen der im Tageslicht steht Im Son-nenlicht sind alle Spektralfarben vorhanden und diese beleuchten die Rosen Die roten Bluumltenblaumltter absorbieren einige spektrale Anteile des Lichts und reflektieren im Wesentlichen rotes Licht welches in das Auge des Betrachters faumlllt Wenn die Rosen von einer anderen Lichtquelle beleuchtet werden in der die roten Spektralanteile zumindest teilweise fehlen koumlnnen diese nicht reflektiert werden und die Farben der Rosen erscheinen unnatuumlrlich

Dies ist von weitreichender Bedeutung fuumlr die Wahl einer geeigneten Lichtquelle da wir einen Kompromiss aus Licht mit guter Farbwieder-gabe und hoher Lichtausbeute schlieszligen muumlssen Licht mit hoher Farbwiedergabe setzt sich aus moumlglichst vielen Spektralfarben zusammen und Lichtquellen mit hoher Lichtausbeute sollten nur Spektralfarben beinhalten fuumlr die das menschliche Auge besonders empfindlich ist In den Auszligenbe-zirken vieler Staumldte werden zur Nachtbeleuchtung der Gehwege haumlufig Natriumdampflampen mit orangefarbenem Licht eingesetzt Die Lichtaus-beute dieser Lampen ist mit etwa 150 lmW auszligerordentlich hoch da das menschliche Auge in diesem Spektralbereich sehr empfindlich ist Diese Beleuchtung ist jedoch ungeeignet um Farben natuumlrlich wiederzugeben Aufgrund des Aufbaus des menschlichen Auges ist es also nicht moumlglich eine Beleuchtung mit sehr hoher Qualitaumlt der Farbwiedergabe bei gleichzeitig sehr hoher Lichtausbeute zu realisieren

Weiszlige LEDs zur Allgemeinbeleuchtung nutzen in der Regel Leuchtstoffe die teilweise qualita-tiv hochwertige Farbwiedergabeeigenschaften besitzen Eine weitere Methode zur Erzeugung von weiszligem Licht ist das Mischen von rotem gruumlnem und blauem Licht (RGB-Verfahren) welches die Grundlage jedes Displays ist Hierbei sind neben weiszligem Licht auch andere Lichtfarben moumlglich ndash die Farbwiedergabeeigenschaften sind allerdings schlecht Fuumlr die Endverbraucher sind in der Regel die Farbwiedergabeeigenschaften von Lichtquellen als Ra-Werte auf der Verpackung angegeben

Organische Licht Emittierende Dioden (OLED) sind eine junge Beleuchtungstechnologie die noch keinen Zugang zum Massenmarkt erhalten hat Die weltweit erste kommerzielle OLED-Leuchte wurde 2008 vertrieben Der fuumlr den Nutzer wesentliche Unterschied zwischen OLEDs und LEDs besteht im Aufbau Der leuchtende Kristall

Bild 2 Spektrale Verteilung einer blauen LED (links) und einer weiszligen LED (rechts) bei der ein Teil des blauen Lichts zu gelbem Licht konvertiert wurde

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PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4 Metrologie fuumlr moderne Lichtquellen

anorganischer LEDs besitzt eine maximale Kan-tenlaumlnge von etwa einem Millimeter Bei OLEDs wird das Licht in groszligflaumlchigen amorphen organi-schen Schichten erzeugt Momentan sind OLEDs mit leuchtenden Flaumlchen von bis zu 20 x 20 cmsup2 erhaumlltlich Das Licht wird aumlhnlich wie bei LEDs durch Ladungstraumlgerrekombination unter Auftre-ten von Elektrolumineszenz erzeugt Dabei ist das Emissionsspektrum der verwendeten organischen Emittermaterialien wesentlich breitbandiger als das einer LED (vgl Bild 3) Daher wird das weiszlige Licht von OLEDs in der Regel durch Verwendung von roten gruumlnen und blauen Emittermaterialien erzeugt ohne dass die Farbwiedergabeeigenschaf-ten sehr stark darunter leiden

2 Entwicklung von (O)LED-Transfer-normalen in der PTB

Eine der Kernaufgaben der PTB ist die Weiter-gabe der gesetzlichen Einheiten Bis zum heuti-gen Tage bieten Transfernormale in Form von speziellen Gluumlhlampen die besten Eigenschaften um als Maszligverkoumlrperung der Einheiten Candela oder Lumen zu dienen Da der Anwender in der Regel jedoch die Substitutionsmethode bei seinen Messungen anwendet um notwendige Korrektu-ren auf ein Minimum zu reduzieren (Gleiches mit Gleichem vergleichen) sind auch Transfernormale auf Basis der LED-Technologie von Interesse

Bereits in den 80er-Jahren des vergangenen Jahr-hunderts wurden LEDs in der PTB kalibriert Diese waren fuumlr Beleuchtungszwecke noch ungeeignet und dienten lediglich als Signallampen Zeitgleich wurden die ersten PTB-LED-Transfernormale entwickelt deren optische Eigenschaften durch thermische Regelung des LED-Chips stabilisiert wurden Die mechanische Ausrichtung der LEDs leistet aufgrund des typischerweise stark gerichteten Abstrahlprofils der LEDs einen groszligen Beitrag auf die Messunsicherheit Daher werden die LEDs seit

2002 in ein rotationssymmetrisches robustes VA-Stahl-Gehaumluse eingebaut welches sich sehr repro-duzierbar ausrichten laumlsst (vgl Bild 4)

Diese Transfernormale werden unter Konstant-Strom-Bedingungen und ndash durch gezieltes Aufhei-zen des LED-Chips durch den Heizwiderstand ndash unter Konstant-Spannung-Bedingungen betrieben Aufgrund der halbleitenden Eigenschaften sinkt mit steigender Temperatur die Betriebsspannung und sowohl der Lichtstrom als auch die Peakwellenlaumlnge des emittierten Lichts veraumlndert sich Die Sollspan-nung wird auf einen Wert festgelegt der unterhalb der Gleichgewichtsspannung durch Eigenerwaumlr-mung im Betrieb ohne Heizwiderstand bei einer Umgebungstemperatur von etwa 35 degC liegt Somit ist auch ein Einsatz der Transfernormale in Laboren ohne Klimatisierung moumlglich

Fuumlr LEDs mit houmlheren Leistungen wurde im Jahr 2011 ein weiterer Prototyp eines Transfernormals vorgestellt (vgl Bild 5) Da die hier verwendeten LEDs eine houmlhere Leistungsaufnahme besitzen werden sie waumlrmer Das reduziert die Lebensdauer und Reproduzierbarkeit der photometrischen

Bild 3 Exemplarische spektrale Verteilung einer weiszligen OLED

Bild 4 Temperaturgeregeltes LED-Transfernormal auf Basis von Kleinleistungs-LEDs mit Lichtstroumlmen von bis zu 10 Lumen

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PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4Das Jahr des Lichtes

Groumlszligen deutlich Daher muumlssen sie gekuumlhlt werden Hierfuumlr kommt bei diesen Normalen ein Peltier-Element zum Einsatz welches geregelt Waumlrme in einen dahinterliegenden Kuumlhlkoumlrper leitet und hierdurch das emittierte Licht stabilisiert Diese Transfernormale zeichnen sich durch ein geringes

Gewicht bei einer Laumlnge von ca 100 mm und einem Durchmesser von etwa 20 mm aus Allerdings ist die Verwendung von LEDs mit sehr hohen Leistun-gen nicht moumlglich da die Abwaumlrme lediglich passiv an den Raum abgegeben wird Eine detaillierte Beschreibung der Eigenschaften dieses Transfer-normals wurde 2012 veroumlffentlicht [2]

Fuumlr die thermische Stabilisierung von LEDs mit sehr hohen Leistungen wurde ein weiteres Trans-fernormal unter Einsatz von Peltier-Elementen Heatpipes und aktivem Kuumlhlsystem in der PTB entwickelt (vgl Bild 6)

Im Rahmen des europaumlischen Forschungspro-jekts OLED100eu wurde in der PTB weiterhin das weltweit erste Transfernormal unter Einsatz einer organischen Leuchtdiode entwickelt (vgl Bild 7) Dieses Normal wurde fuumlr den Einsatz in einer Ulbricht-Kugel konzipiert und in ein mattes Aluminiumgehaumluse eingebaut Eine Besonderheit dieses Normals ist die Stand-Alone-Versorgungs-einheit die ohne Rechner o auml saumlmtliche relevan-ten elektrischen und thermischen Groumlszligen regelt und auf einem USB-Stick speichert

3 LED-Messtechnik in der PTB

Neben LED-Transfernormalen mit guter Reprodu-zierbarkeit ist eine hochentwickelte Messtechnik fuumlr deren Kalibrierung mit minimaler Messunsi-cherheit erforderlich

Die photometrische Beschreibung von LEDs erfolgt durch Angabe ihrer Lichtstaumlrke ILED mit der Einheit Candela und ihrem Lichtstrom ΦLED mit der Einheit Lumen Diese Groumlszligen werden in der PTB unter Verwendung ruumlckgefuumlhrter Photometer bestimmt Hierfuumlr wird die Beleuchtungsstaumlrke ELED unter definierten geometrischen Bedingungen fuumlr alle Abstrahlrichtungen der LED mit einem Goniophotometer gemessen

Fuumlr die Bestimmung der colorimetrischen Werte kommen Spektralradiometer zum Einsatz Hiermit werden spektrale Bestrahlungsstaumlrken gemessen und daraus die abgeleiteten colorime-

Bild 5 Temperaturgeregeltes LED-Transfernormal auf Basis von Hochleistungs-LEDs mit Lichtstroumlmen von bis zu 100 Lumen Im rechten Bild ist die Temperaturverteilung in Grad Celsius waumlhrend des Betriebs abgebildet

Bild 6 Temperaturgeregeltes LED-Transfernormal auf Basis von Houmlchstleistungs-LEDs mit Lichtstroumlmen von bis zu 2500 Lumen

Bild 7 Temperaturgeregeltes OLED-Transfernormal auf Basis kommerziell erhaumlltlicher OLEDs

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PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4 Metrologie fuumlr moderne Lichtquellen

trischen Kenngroumlszligen wie z B die Normfarb-wertanteile (x y) bei weiszligen LEDs die aumlhnlichste Farbtemperatur TN mit der Einheit Kelvin und bei farbigen LEDs die dominante Wellenlaumlnge λdom berechnet Grundlegende Informationen und Definitionen uumlber die photometrischen und colorimetrischen Groumlszligen und deren Messung sind in [3] [4] und [5] zu finden

In Bild 8 ist der Aufbau des LED-Messplatzes an der PTB zu sehen Fuumlr die Bestimmung der Mess-groumlszligen in alle raumlumlichen Abstrahlwinkel wird die LED durch ein Goniophotometer bewegt

Die LED wird in horizontaler Betriebslage zentrisch normal zur Referenzebene des Photo-meterkopfes ausgerichtet Ein Translationstisch ermoumlglicht dabei eine Variation des Abstandes d zwischen Photometer und LED Eine horizontale Rotationsachse (φ-Achse) und eine senkrechte Rotationsachse (ϑ-Achse) die sich an der LED-Spitze im rechten Winkel schneiden erlauben durch Drehung der LED eine Bestimmung der Beleuchtungsstaumlrke ELED in alle Raumrichtungen Beide Rotationsachsen werden waumlhrend der Messung zeitgleich bewegt Hierdurch bewegt sich die relative Position der lichtempfindlichen Emp-faumlngeroumlffnung bezuumlglich des Schnittpunkts beider Drehachsen auf der Oberflaumlche einer virtuellen Kugel entlang einer Spiralbahn von bdquoPol zu Polldquo dieser Kugel

Die Bestimmung des Lichtstroms ΦLED erfolgt analog der Beschreibung in dem Kapitel Kurze Geschichte der Goniophotometrie in der PTB Der wesentliche Unterschied zu goniophotome-trischen Messungen an Gluumlhlampen besteht darin dass bei LED-Messungen die Lichtquelle typischerweise bewegt werden kann ohne dass sich ihre optischen Eigenschaften aumlndernAufgrund des stetig wachsenden Bedarfs an ruumlck-gefuumlhrten Kalibrierungen von High-Power-LEDs sind Masse und Abmessungen der Transfernor-male erheblich gestiegen Daher wurde der Mess-platz 2015 um ein weiteres Goniophotometer fuumlr schwere und groszlige Objekte erweitert (vgl Bild 9)

Neben den photometrischen Empfaumlngern befinden sich auch Einkoppeloptiken fuumlr Spekt-ralradiometer auf dem drehbaren Empfaumlngerka-russell Alle Empfaumlnger lassen sich hiermit auto-matisiert waumlhrend einer Messung zu den LEDs ausrichten Vor jeder LED-Kalibrierung werden die Spektralradiometer bezuumlglich Ihrer spektralen Empfindlichkeit und Wellenlaumlnge kalibriert Die entsprechenden Normallampen befinden sich neben dem Empfaumlngerkarussell (vgl Bild 10) und ermoumlglichen so ebenfalls eine automatisierte Messung

Den spektralen Messungen an LEDs kommt neben der Notwendigkeit fuumlr die Bestimmung colorimetrischer Kennzahlen noch eine beson-dere Bedeutung fuumlr die photometrischen Messun-

Bild 9 Goniophotometer fuumlr photometrische Messungen an Hochleistungs-LEDs

Bild 10 Entladungslampen mit verschiedenen Gasfuumlllungen dienen der Wellenlaumlngenka-librierung der Spektrometer Im Hintergrund ist eine Bestrahlungsstaumlrke-Normal-lampe fuumlr die spektrale Empfindlichkeitskalibrierung zu sehen

Bild 8 Goniophotometer fuumlr photometrische Messungen an Kleinleistungs-LEDs

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PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4Das Jahr des Lichtes

gen zu Wie in der Einleitung erklaumlrt unterscheiden sich die spektralen Verteilungen von LEDs und Gluumlhlampen deutlich voneinander Photometerkoumlpfe bestehen in der Regel aus einer Silizium-Photodiode deren spektrale Empfindlichkeit durch den Einsatz von Glasfiltern moumlglichst gut an den Hellemp-findlichkeitsgrad V(λ) angepasst wird Aufgrund internationaler Standardisierung wird die photo-metrische Empfindlichkeit von Photometerkoumlpfen fast ausschlieszliglich fuumlr Normlichtart A kalibriert In der Praxis werden hierfuumlr Gluumlhlampen mit einer Verteilungstemperatur von 2856 K verwendet Wenn man ein solches Photometer fuumlr Messungen an anderen Gluumlhlampen verwendet sind die spektralen Verteilungen meist so aumlhnlich dass nur geringe oder gar vernachlaumlssigbare Korrekturen aufgrund der spektralen Fehlanpassung also der Abweichung der realen spektralen Empfindlichkeit des Photometers von dem Hellempfindlichkeitsgrad notwendig sind Wenn man ein solches Photometer jedoch bei LEDs insbesondere farbigen LEDs einsetzt koumlnnen die Abweichungen aufgrund der spektralen Fehlan-passung sehr groszlig werden (gt10 fuumlr hochwertige Photometerkoumlpfe sind moumlglich)

Mit Kenntnis der relativen spektralen Verteilung der Leuchtdiode SLED(λ) und der relativen spekt-ralen Empfindlichkeit srel(λ) laumlsst sich die spektrale Fehlanpassung durch folgenden Korrekturfaktor cSpek korrigieren

cV S

s S

V P T

sSpek

LED

rel LED

A

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d=

( ) ( )( ) ( )

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intint

intλ λ λ

λ λ λ

λ λ λ

λ

intint ( )P Tλ λ A d

P(λ TA) beschreibt Lichtart A durch das Planck-sche Strahlungsgesetz fuumlr TA = 2856 K

Eine detaillierte Auflistung und Diskussion aller zu beruumlcksichtigenden Details bei Kalibrierungen von LEDs und das dazugehoumlrige Messunsicher-heitsbudget soll an dieser Stelle nicht gegeben werden Interessierte Leser koumlnnen hierfuumlr Infor-mationen in einer fruumlheren Veroumlffentlichung [6] oder in den Ergebnissen eines internationalen Vergleichs von LED-Messungen [7] finden

Fazit und Ausblick

Der Verzicht auf LEDs ist fuumlr Beleuchtungsan-wendungen nicht mehr vorstellbar Durch ihre kontinuierliche Weiterentwicklung erobern LEDs immer weitere Anwendungsfelder (z B Haus-halts- Straszligen- und Automobilbeleuchtung) mit denen der Endkunde in Kontakt kommt Bei diesen Anwendungen sind die Anforderungen an die Lichtquellen vielfaumlltig und fuumlr eine quantitative Beschreibung ihrer Eigenschaften muss auch die Messtechnik entsprechend umfassend und ausge-reift sein

Neben dem allgemeinen Forschungs- und Ent-wicklungsbedarf fuumlr bessere LED-Messverfahren und -geraumlte die die Grundlage ihrer technologi-schen Weiterentwicklung bilden gibt es eine weitere Herausforderung Aufgrund der nahezu unbe-grenzten Moumlglichkeiten eine bestimmte Lichtfarbe durch additive Farbmischung zu erhalten sind LEDs verschiedener Hersteller mit unterschiedlichen Emissionsspektren aber einer nominell gleichen aumlhnlichsten Farbtemperatur erhaumlltlich Dennoch ist teilweise ein Unterschied der Lichtfarbe mit bloszligem Auge erkennbar wenn sich unterschiedliche LEDs nebeneinander befinden

Es ist ungewoumlhnlich dass man ohne technische Hilfsmittel nominell gleiche Lichtfarben faktisch unterscheiden kann Um die Charakterisierung von LEDs soweit zu verbessern dass dies nicht mehr moumlglich ist ist einerseits eine Reduzierung der Messunsicherheit bei der Bestimmung der Normfarbwertanteile (Lichtfarbe) notwendig Andererseits muss man sich bewusst machen dass photometrische und colorimetrische Messverfahren auf rein physikalischen Zusammenhaumlngen basieren Individuelle menschliche Wahrnehmung und Sehen werden bei photometrischen Messungen nicht beruumlcksichtigt ndash diese werden durch Festlegung von exakt definierten Wichtungsfunktionen wie dem Hellempfindlichkeitsgrad fuumlr einen fiktiven Normalbeobachter ausgegrenzt Diese Wichtungs-funktionen koumlnnen gegebenenfalls auch noch optimiert werden um die objektive Beurteilung von Lichtquellen mit physikalischen Messmethoden zu verbessern Somit gibt es auch in Zukunft noch interdisziplinaumlre Herausforderungen fuumlr die Metro-logie moderner Lichtquellen

Literatur

[1] httpwwwnobelprizeorgnobel_prizesphysicslaureates2014 (letzter Aufruf 14102015)

[2] T Gerloff M Lindemann S Shirokov M Taddeo S Pendsa A Sperling Development of a new high-power LED transfer standard CIE Proceed-ings 2012

[3] CIE S 017E 2011 ILV International Lighting Vocabulary httpeilvciecoat (letzter Aufruf 03122015)

[4] CIE 127 2007 (2nd edition) Measurement of LEDs

[5] CIE S 025E 2015 Test Method for LED Lamps LED Luminaires and LED Modules

[6] M Lindemann R Maass Photometry and Colo-rimetry of Reference LEDs by Using a Compact Goniophotometer MAPAN ndash Journal of Metrolo-gy Society of India Vol 24 No 3 2009

[7] wwwbipmorg APMPPR-S3a (Averaged LED Intensity) APMPPR-S3b (Total Luminous Flux of LEDs) APMPPR-S3c (Emitted Colour of LEDs)

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Effektpigmente hellipPTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4

Einleitung

Farbe ist fuumlr Menschen die wohl auffaumllligste sub-jektive Stoffeigenschaft Bereits den Fruumlhmenschen war diese visuelle Qualitaumlt bekannt deren Wahr-nehmung allen Primaten eigen ist So wurde 2008 in Suumldafrika eine ca 100000 Jahre alte steinzeitli-che bdquoMalerwerkstattldquo entdeckt [1] Auch heutzu-tage spielt Farbe in der Gestaltung unserer Umwelt eine wichtige Rolle Jedes Jahr praumlsentiert uns die Mode die neuen Farben der Saison Farben dienen zur Regelung des Verkehrs Ohne bunte Farben waumlre unsere Welt trist und oumlde

Es ist wichtig festzustellen dass Farbe ein physiologischer Sinneseindruck ist wie z B auch Tasten oder Riechen D h Farbe ist keine immanente physikalische Eigenschaft eines Gegenstandes wie z B seine Masse oder Waumlrme-leitfaumlhigkeit Die physiologische Wahrnehmungs-kette ist hierbei folgende Das vom betrachteten Gegenstand reflektierte Licht trifft auf das Auge und loumlst hierbei einen Farbreiz aus Dieser Farbreiz beruht auf der spektralen Zusammensetzung des empfangenen Lichts d h er ist abhaumlngig von der verwendeten Lichtquelle und dem spektralen Reflexionsvermoumlgen des betrachteten Objektes Die Anregung der licht- und farbempfindlichen Zellen in der Netzhaut fuumlhrt zu einer Farbvalenz die uumlber den Sehnerv an das Gehirn weitergeleitet wird Die eigentliche Farbempfindung die wir dann mit einem Gegenstand verknuumlpfen entsteht erst im Gehirn [2] Liegt z B eine Farbfehlsich-tigkeit vor so kann der Farbeindruck des betrof-fenen Menschen auch ein ganz anderer sein Auch viele Tiere mit ihren teilweise erheblich abweichenden visuellen Systemen nehmen Farbe ganz unterschiedlich als wir Menschen wahr Im Folgenden soll mit Farbe immer die Koumlrperfarbe auch Gegenstandsfarbe Objektfarbe bzw Oberflauml-chenfarbe genannt einer nicht selbstleuchtenden Flaumlche bezeichnet werden die durch Reflexion von Licht an einem Koumlrper entsteht

Die genannten Zusammenhaumlnge machen die mathematisch-physikalische Beschreibung von Farbe schwierig und aufwendig da auch die spe-zifischen Eigenarten der menschlichen Wahrneh-

mungskette nachgestellt werden muumlssen Diesem Umstand wird versucht uumlber die verschiedenen Farbmaszligsysteme Rechnung zu tragen welche die Farbe eines Objektes mithilfe von quantifizierba-ren Zahlenwerten kennzeichnen [3]

Generell koumlnnen farbige Flaumlchen je nach Tageszeit und Lichteinfall sehr unterschiedlich wirken Die Aumlnderungen basieren hierbei auf der unterschiedlichen spektralen Zusammenset-zung des Tageslichts und den winkelabhaumlngigen Glanz- und Struktureigenschaften von Oberflauml-chen Ganz besonders deutlich ist dies bei auf dem Interferenzeffekt basierenden Effektpigmenten der Fall Deren visuelles Erscheinungsbild im englischen mit Visual Appearance bezeichnet kann sich bei variierendem Beobachtungswinkel und unterschiedlichen Lichtverhaumlltnissen komplett veraumlndern Man spricht hierbei von sogenannten Flop-Lacken wobei man zwischen Hell-Dunkel-Flop und Farb-Flop unterscheiden kann [4]

Generell kann man sagen dass Farbe und visuelle Effekte einen entscheidenden Anteil am Verkaufserfolg eines Produktes haben denn Farben wecken Emotionen und verschiedene Neuro marketingstudien belegen dass ca 95 aller Kaufentscheidungen emotional gepraumlgt sind [5] Deshalb spielt eine moderne Farbgestaltung unter Nutzung aktueller Effektpigmente im Pro-duktdesign eine entscheidende Rolle denn durch den Einsatz solcher Pigmente kann Gegenstaumlnden eine houmlhere Attraktivitaumlt verliehen werden Daher findet man moderne Effektpigmente heutzutage in vielen teilweise sehr unterschiedlichen Indus-trieprodukten wie z B in Autolackierungen Haumluserfassaden Kosmetikartikeln oder sogar bei Pralineacutes wie dies in Bild 1 zu sehen ist

Pigmente

Als Pigmente aus dem Lateinischen kommend von pigmentum fuumlr bdquoFaumlrbestoff Schminkeldquo bezeichnet man aus Teilchen bestehende im Anwendungs-medium praktisch unloumlsliche Sub stanzen die als Farbmittel oder wegen anderer spezieller physika-lischer und chemischer Eigenschaften als funktio-nale Farbzentren verwendet werden [6]

Effektpigmente Eine Herausforderung fuumlr die optische Messtechnik

Egbert Buhr Alfred Schirmacher Andreas Houmlpe

Dr Egbert Buhr Fachbereich bdquoBildshy und Wellenoptikldquo EshyMail egbertbuhrptbde

Dr Alfred Schirmacher Arbeitsshygruppe bdquoReflexion und Transmissionldquo EshyMail alfredschirmacherptbde

Dr Andreas Houmlpe dagger ehemals Arbeitsgrupshype bdquoReflexion und Transmissionldquo

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PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4Das Jahr des Lichtes

In der Natur vorkommende anorganische Pig-mente sind schon seit praumlhistorischen Zeiten bekannt Schon die Menschen der Steinzeit benutzen mineralische Pigmente fuumlr die ersten Houmlhlenzeichnungen Sie erkannten dass sie mit unterschiedlichen Erdsorten farbig malen konnten Eisenoxidhaltige Erden liefern gelbrote bis braunrote Kalk und Gips weiszlige Mangan-oxide sowie Holz- und Knochenkohle schwarze Farbtoumlne

Aus heutiger industrieller Sicht ist ein Pigment ein fein aufgeteilter und unloumlslicher Feststoff mit der Hauptfunktion das Erscheinungsbild des verwendeten Mediums zu verbessern oder es zu faumlrben Pigmente werden dem Medium immer durch physikalisches Mischen beigegeben dies unterscheidet sie von Farbstoffen die in ihrem Medium loumlslich sind

Pigmente koumlnnen nach den optischen Prin-zipien ihrer Wechselwirkung mit Licht unter-schieden und in verschiedene Klassen eingeteilt werden Wichtige Pigmentklassen sind Weiszlig- Bunt- Schwarz- und Effektpigmente die alle wegen ihrer speziellen farbgebenden Eigenschaf-ten eingesetzt werden Bei den Effektpigmenten

kann in einer ersten vereinfachten Einteilung noch zwischen Metalleffekt- und den sogenannten speziellen Effektpigmenten unterschieden werden

Der Begriff bdquospezielle Effektpigmenteldquo umfasst die Gruppen der Perlglanzpigmente und der all-gemeinen Interferenzpigmente welche insbeson-dere bei aktuellen Pigmententwicklungen nicht scharf abgegrenzt werden koumlnnen Perlglanzpig-mente sind Effektpigmente die aus transparenten Plaumlttchen mit hohem Brechungsindex bestehen Sie erzeugen durch die spezielle Form der Mehr-fachreflexion des transmittierten Lichts an mehre-ren Pigmenten einen perlenaumlhnlichen Effekt bei dem die auftreffende Strahlung verteilt reflektiert wird wodurch der Eindruck einer mit der Tiefe abnehmenden diffusen Helligkeit entsteht Fuumlr das Auge ergibt sich so eine scheinbar dreidimen-sionale Glanzcharakteristik die aus der Tiefe des Objektes zu kommen scheint Interferenzpigmente dagegen sind Effektpigmente deren farbgebende Wirkung ganz oder vorwiegend auf dem Effekt der Vielstrahlinterferenz von Licht an duumlnnen hoch-brechenden Schichten beruht Interferenzpigmente koumlnnen dabei sowohl auf transparenten oder auch nichttransparenten Plaumlttchen basieren

Bild 1 a) Roadster mit ChromaFlairreg-Effektpigmentlackierung b) Verwaltungsgebaumlude in Braunschweig verkleidet mit Alucobondreg-spectra-colours-Verbundplatten c) Effektpigmente im Nagellack d) Pralineacute mit Effektpigmentuumlberzug

a

dc

bb

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Effektpigmente hellipPTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4

Die heute verwendeten Pigmente lassen sich somit grob in fuumlnf verschiedene Klassen einteilen

1) Weiszligpigmente Die Pigmente streuen das ge-samte auftreffende Licht nahezu verlustfrei in alle Richtungen durch diffuse ungerichtete Reflexion

2) Buntpigmente Die Pigmente streuen einen Teil des Lichtes diffus und absorbieren wellenlaumln-genselektiv einen anderen Teil des Lichtes

3) Schwarzpigmente Die Pigmente absorbieren alle Wellenlaumlngen des fuumlr das menschliche Auge sichtbaren Spektralbereiches

4) Metalleffektpigmente Die aus duumlnnen Metall-plaumlttchen vorwiegend Aluminium bestehen-den Metalleffektpigmente sind lichtundurch-laumlssig und reflektieren das gesamte auftreffende Licht durch spekulare gerichtete Reflexion Die Pigmentpartikel wirken dabei wie Mikrospie-gel und fuumlhren bei paralleler Ausrichtung im Anwendungsmedium zu einem spiegelnden Metallglanz dem Metallic-Effekt

5) Spezielle Effektpigmente Perlglanz- bzw Inter-ferenzpigmente deren optische Wirkung auf der Mehrfachreflexion an uumlberwiegend flaumlchig aus-gebildeten und ausgerichteten transparenten semitransparenten oder lichtundurchlaumlssigen Partikeln beruht

Weiszlig- Bunt- und auch Schwarzpigmente weisen typische Durchmesser im Bereich von 100 nm bis zu 1 microm auf Ihre Groumlszlige liegt damit zum Teil im Bereich der Wellenlaumlnge des sichtbaren Lichtes welches den Bereich von 380 nm bis 780 nm uumlberdeckt Einige Schwarzpigmente wie z B Ruszlig-pigmente liegen mit ihren Durchmessern jedoch auch zum Teil auch deutlich darunter Effektpig-mente besitzen dagegen Teilchendurchmesser die zumeist im Bereich von 5 microm bis 100 microm in einigen Faumlllen auch daruumlber liegen Sie sind damit bezuumlglich der mittleren Plaumlttchendurch-messer wesentlich groumlszliger als die Wellenlaumlnge des sichtbaren Lichtes Die Dicke der Plaumlttchen liegt von einigen Ausnahmen abgesehen unter 1 microm ebenso wie die Dicke der Interferenzschichten Demzufolge weisen Effektpigmente in der Regel ein hohes Aspektverhaumlltnis auf (Verhaumlltnis der lateralen Ausdehnung einer Struktur zu ihrer Houmlhe) welches bis zu 200 betragen kann

Interferenzpigmente ndash Wie die Farben entstehen

Die Farbe von Interferenzpigmenten haumlngt von der Schichtdicke der Metalloxidbeschichtung und dem Einstrahlungs- und Betrachtungswinkel ab Beide Parameter bestimmen die effektive optische Weg-

laumlngendifferenz fuumlr das einfallende weiszlige Licht zwischen oberer und unterer Grenzflaumlche und die somit auftretenden Interferenzfarben siehe Bild 3

Interferenzpigmente zeigen somit einen aus-gepraumlgten bdquoFarbflopldquo Die Winkelabhaumlngigkeit der Farbe wird hierbei auch als Goniochromasie bezeichnet Richtig bunt geht es zu wenn ein Interferenzpigment auf einen bereits bunten Untergrund aufgebracht wird Die Transparenz der Pigmente laumlsst die Untergrundfarbe durch-

Bild 2 Schematische Diagramme zum spektralen Verhalten verschiedener Pigmenttypen

Bild 3 Die Schichtdicke der Metalloxidbeschichtung und der kombinierte Einstrahlungs- und Betrachtungswinkel bestimmen die optische Weglaumlnge und somit die sich ergebenden Interferenzfarben in Reflexion und Transmission

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PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4Das Jahr des Lichtes

Bild 5 Die Effekte Spar-kling (1) und Coarseness (2) des Effektpigmentes Xirallicreg Crystal Silver in einer vergroumlszliger-ten Aufnahme auf weiszligem (links) und schwarzem Hinter-grund (rechts)

scheinen im Glanzwinkel wird sie aber von der Interferenzfarbe uumlberstrahlt wie dies in Bild 4 zu sehen ist

Der Effekt eines Helligkeitsunterschiedes unter verschiedenen Betrachtungswinkeln wird als Helligkeitsflop bezeichnet und ist an sich nichts Neues Sind jedoch die einzelnen Pigmentteilchen

aufgrund ihrer planaren Reflexionsoberflaumlchen in gerichteter Beleuchtung direkt beobachtbar was fuumlr mittlere Teilchengroumlszligen von 30 microm und groumlszliger der Fall ist so ergibt dies einen Effekt welcher mit dem Begriff Sparkle (Glitzern Funkeln) bezeichnet wird (Bild 5) Aumlndert sich die Beleuchtung von einer gerichteten Einstrahlung wie es an einem wolkenlosen sonnigen Sommertag der Fall ist hin zu einer diffusen ungerichteten Einstrahlung wie an einem stark bewoumllkten Herbsttag so verschwin-det das Sparkling der Pigmente und verwandelt sich in eine Koumlrnigkeit der Oberflaumlche Dieses optische Phaumlnomen wird als Coarseness (Bild-koumlrnigkeit) bezeichnet und ist unabhaumlngig vom Betrachtungswinkel (Bild 5)

Als neuer Archetypus des Sparkle-Begriffes haben sich in den letzten Jahren die Xirallicreg Pig-mente (High Chroma Chrystal Effect Pigments) der Firma Merck KGaA entwickelt Durch die Beschich-tung von Aluminiumoxidplaumlttchen mit hochbre-chenden Metalloxiden und einer optimierten Dicke und Ebenheit aller am Pigment beteiligten Schich-ten entstehen auszligergewoumlhnlich stark reflektierende Effektpigmente die einen besonders intensiven Sparkle-Effekt aufweisen Man spricht hierbei auch von sogenanntem Living Sparkle welcher sich in einem scheinbaren bdquoTanzenldquo der leuchtenden Punkte in der Probenoberflaumlche bei Veraumlnderung der Beobachtungsgeometrie aumluszligert [7 8]

Generell gilt dass die Farbe von Objekten mit Effektlackierung nicht mehr wie jahrzehntelang uumlblich und ausreichend mit konventionellen Farb-messgeraumlten mit nur einer festen Messgeometrie wie z B in der 45deg 0deg Geometrie (Einstrahlung unter 45deg Reflexionsmessung unter 0deg) bestimmt werden kann Dieser Umstand wird sehr gut durch die Grafik in Bild 6 illustriert Dargestellt sind die winkelabhaumlngig gemessenen Farbkoordinaten von drei verschiedenen keramischen Farbstandards der Farben rot gruumln und blau sowie eines mit dem Effektpigment Viola Fantasy der Firma Merck lackierten Blechs Der Einfallswinkel des Lichts auf die Proben betrug hierbei immer 45deg zur Oberflauml-chennormalen Das von den Proben reflektierte Licht wurde an 26 Positionen in einem 5deg Raster in planaren die Oberflaumlchennormale enthalten-den Messgeometrien im Winkelbereich von ndash70deg bis +70deg aufgenommen Bei den aus absorptiven Pigmenten bestehenden Keramiken zeigt sich eine nur sehr geringe Winkelabhaumlngigkeit der Farbe welche groumlszligtenteils auf unterschiedlicher winkelabhaumlngiger Helligkeit d h den Glanzeigen-schaften der Oberflaumlche beruht Das Effektpigment dagegen zeigt einen extremen winkelabhaumlngigen Farb-Flop (Goniochromasie) welcher einen Farbverlauf von Gruumln uumlber Rot-Gelb hin ins Blau-Violett bietet

Aber auch die neuen Lackfarben aus der Gruppe der Effektlackierungen muumlssen messtechnisch

Bild 4 Merck-Xirallicreg-Solaris-Red-Effektpigmente appliziert auf einem mit Standard-Ab-sorptionspigmenten hellblau lackierten Metallblech In Rich-tung des Glanzwin-kels auf der rechten Seite zeigt sich der langsame Aufbau der winkelabhaumlngigen Interferenzfarbe

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Bild 6 CIELab Farbkoordinaten einer winkelabhaumlngigen Reflexionsmessung an vier verschiedenen Proben drei Keramiken der Farben rot gruumln blau und eine Effektpigmentlackierung mit Merck Colorstreamreg Viola Fantasy Das untergelegte Farbschema zeigt naumlherungsweise die den Koordinaten entsprechende Farbe

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Effektpigmente hellipPTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4

Abbildungsoptik Messungen der ortsaufgeloumlsten Leuchtdichte auf einer Laumlngenskala bis hinab zu 28 microm auf der zu untersuchenden Probe siehe Bild 8

Mit der Zeilenkamera sind Messungen von kompletten Reflexionsspektren im sichtbaren Spektralbereich zwischen 380 nm und 780 nm dem sogenannten V(λ)-Bereich auf einer Zeit-skala von 2 Minuten moumlglich Hieraus lassen sich dann Farbkoordinaten der untersuchten Proben in den unterschiedlichsten Farbraumsystemen berechnen Eine absolute Messung in 114 Win-kelkombinationen (siehe Bild 9) im Polarwinkel-

erfasst und ruumlckgefuumlhrt werden um eine gleich-bleibende Qualitaumlt in der Produktion gewaumlhrleis-ten zu koumlnnen Gerade diese vielfaumlltigen zusaumltz-lichen Eigenschaften stellen die Farbmesstechnik vor neue Herausforderungen

Farbmessung

Bisherige kommerzielle Farbmessgeraumlte charakte-risieren Probenoberflaumlchen fast ausschlieszliglich in den eben schon erwaumlhnten sogenannten in-plane Reflexionsgeometrien Dabei liegen die Richtun-gen des eingestrahlten und des reflektierten Lichts sowie die Oberflaumlchennormale der Probe in einer Ebene Diese Einschraumlnkung entspricht jedoch in keiner Weise der taumlglichen Realitaumlt bei der Oberflaumlchen aus beliebigen Richtungen beleuchtet und betrachtet werden Seitens der Messgeraumlteher-steller und Anwender gibt es daher einen Trend zur erweiterten Charakterisierung bezuumlglich zusaumltzlicher Winkelkombinationen im dreidimen-sionalen Raum Spitzenreiter dieser Entwicklung am Markt ist derzeit ein tragbares Mehrwinkel-Spektralphotometer mit insgesamt 19 verschie-denen Reflexionsgeometrien [9] Hiermit scheint aber auch das Ende dieser Entwicklung im Bereich der portablen handgefuumlhrten Geraumlte erreicht Der Wunsch der Anwender geht aktuell wieder zuruumlck zu einer geringeren Anzahl von Winkelkombi-nationen denn es ist unklar wie man aus dem Mehr an winkelaufgeloumlsten Reflexionsdaten die fuumlr die Charakterisierung der Farbeigenschaften relevanten Informationen gewinnen kann Daher stellt sich die Frage welches sind bdquoguteldquo d h an die Messaufgabe adaptierte optimal geeignete Messgeometrien

Um diese Frage zu beantworten betreibt die AG 424 bdquoReflexion und Transmissionldquo der PTB zwei roboterbasierte Gonioreflektometer die eine winkelaufgeloumlste Reflexionsmessung in beliebi-gen bidirektionalen Geometrien ermoumlglichen [10ndash12] Diese beiden Apparaturen sind in Bild 7 dargestellt

Das Standard-Gonioreflektometer ist hierbei das nationale Normal fuumlr die Messgroumlszlige spektraler Strahldichtefaktor in gerichteten Geometrien Es dient der Realisierung Bewahrung und Weiter-gabe der gerichteten Reflexionsskale in Form von Kalibrierungen Die zweite Apparatur bezeich-net mit dem Acronym ARGon3 (3D Appearance Robot-based Gonioreflectometer) ist ein flexibles Forschungsgeraumlt mit dem experimentelle Unter-suchungen u a im Rahmen des EMRP-Projektes Multidimensional Reflectometry for Industry der EU [13] durchgefuumlhrt werden Im Ver gleich zum Standard-Gonioreflektometer ist dieses Geraumlt mit einer photometrischen Leuchtdichteka-mera und einer Zeilenkamera ausgeruumlstet Die Leuchtdichtekamera erlaubt mit einer speziellen

Bild 7 Die beiden roboter-basierten Gonio-reflektometer der PTB oben Standard-Gonioreflektometer fuumlr Kundenkalibrie-rungen unten ARGon3-Messplatz fuumlr Forschungsanwen-dungen

Bild 8 Visualisierung desSparkling-Effektesvon Xironareg-Volcanic-Sparks-Pigmenten als Falschfarben-darstellung der ortsaufgeloumlsten LeuchtdichteDie bdquoNadelnldquo zeigendie Position derPigmente an

Bild 9 Beispielgeometrien zur Messung der winkelabhaumlngigen Reflexionseigen-schaften Realisiert wurden 4 Einstrah-lungsrichtungen (rote Pfeile) mit jeweils 114 Reflexionswinkeln (schwarze Punkte) im Bereich der Viertel-kugel oberhalb der Probenoberflaumlche

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PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4Das Jahr des Lichtes

bereich 0deg bis 70deg gleichmaumlszligig verteilt uumlber den Viertelraum oberhalb der Probe dauert hierbei ca 4 Stunden [14] Die so erhaltenen Daten bilden die Basis fuumlr kuumlnftige Verbesserungen in der Mess-technik fuumlr Anwender und Hersteller

Im Rahmen des EMRP-Projektes Multidimen-sional Reflectometry for Industry [13] sind damit die winkelabhaumlngigen Reflexionsspektren von insgesamt 66 verschiedenen Effektpigmentproben gemessen worden [15 16] Bei den vier verschie-denen Einstrahlungsrichtungen verbunden mit jeweils 114 Reflexionswinkeln im Bereich der Vier-telkugel oberhalb der Probenoberflaumlche ergeben sich somit uumlber 30000 Reflexionsspektren

Zielsetzung der Untersuchungen ist die Ver-besserung der Metrologie zur Materialcharak-terisierung mit reduzierter Messunsicherheit Dazu werden neue Messvorschriften und neue Standardmessartefakte entwickelt mit denen die Industrie die visuelle Wahrnehmung der von ihr produzierten Oberflaumlchen gezielt charakterisie-ren und kontrollieren kann Solche Messungen sollten einfach auszufuumlhren sein und die Ergeb-nisse muumlssen soweit wie moumlglich mit der visuellen menschlichen Wahrnehmung korrelieren Im europaumlischen und internationalen Rahmen sollen die Ergebnisse in die Normung einflieszligen um die allgemeine Vergleichbarkeit solcher Messungen zu gewaumlhrleisten

Literatur

[1] CS Henshilwood et al A 100000-Year-OldOchre-Processing Workshop at Blombos CaveSouth Africa Science Vol 334 No 6053 219ndash2222011

[2] Mark D Fairchild Color Appearance Models2nd Ed John Wiley amp Sons Ltd 2005

[3] Colorimetry Understanding the CIE Systemed by J Schanda Wiley-Interscience NJ 2007

[4] WR Cramer Der richtige Blickwinkel Farbe amp Lack 092006 26ndash30 2006

[5] G Zaltman How Customers Think EssentialInsights into the Mind of the Market HarvardBusiness Review Press 2003

[6] DIN ISO 18451-12015-11 Pigmente Farbstof-fe und Fuumlllstoffe ndash Begriffe ndash Teil 1 AllgemeineBegriffe

[7] WR Cramer Ohne Glimmer aber mit GlanzFarbe amp Lack 042003 132ndash136 2003

[8] WR Cramer Es glitzert wie am SternenhimmelFahrzeug + Karosserie 0412 20ndash22 2012

[9] E Kirchner W Cramer Making sense of measure-ment geometries for multi-angle spectrophotome-ters Color Res Appl Vol 37 No3 186ndash198 2012

[10] D Huumlnerhoff U Grusemann A Houmlpe Newrobot-based gonioreflectometer for measuringspectral diffuse reflection Metrologia 43 S11ndashS162006

[11] A Houmlpe D Huumlnerhoff K-O Hauer Robot-basedgonioreflectometer Industrial Robotics Program-ming Simulation and Applications Low Kin-Huat Ed Pro Literatur-Verlag Mammendorf623ndash632 2007

[12] A Houmlpe T Atamas D Huumlnerhoff S TeichertK-O Hauer ARGon3 ndash bdquo3D Appearance Robot-based Gonioreflectometerrdquo at PTB Rev SciInstrum 83(4) 045102-1ndash045102-8 2012

[13] European Metrology Research Program ProjectIND52 bdquoxD-Reflectldquo Multidimensional Reflecto-metry for Industry wwwxdreflecteu(letzter Aufruf 03122015)

[14] T Atamas K-O Hauer A Houmlpe Appearancemeasurements of goniochromatic colours Predic-ting Perceptions Proceedings of the 3rd Internati-onal Conference on Appearance 149ndash154 2012

[15] A Houmlpe A Koo FM Verdu FB LeloupG Obein et al bdquoMultidimensional reflectometryfor industryrdquo (xD-Reflect) an European researchproject Proc SPIE 9018 Measuring Modelingand Reproducing Material AppearanceSPIE-ISampT Vol 9018 901804-1ndash901804-11 2014

[16] A Houmlpe K-O Hauer S Teichert D HuumlnerhoffC Strothkaumlmper Goniochromatic and Sparkleproperties of effect pigmented samples in mul-tidimensional configuration Proc SPIE 9398Measuring Modeling and Reproducing MaterialAppearance 2015 SPIE Proc Vol 9398 Appea-rance 93980O-1ndash7 2015

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Die 50 Sitzung des Internationalen Komitees fuumlr das gesetzliche Messwesen (CIML) fand vom 20 bis 22 Oktober 2015 in Arcachon Frankreich statt Im Vorfeld der CIML-Sitzung fand ein ein-taumlgiges OIML-Seminar uumlber Countries and Econo-mies with Emerging Metrology Systems (CEEMS) statt uumlber das weiter unten berichtet wird

Das CIML ist der Lenkungsausschuss der OIML Es trifft sich jaumlhrlich und besteht aus je einem Repraumlsentanten der Mitgliedstaaten der korrespondierenden Mitglieder und den Vertre-tern internationaler und regionaler Organisa-tionen die als Beobachter teilnehmen koumlnnen Das CIML ist zustaumlndig fuumlr die Vorbereitung und Durchfuumlhrung der Entscheidungen der Konfe-renz die alle vier Jahre stattfindet Es uumlberwacht die Arbeiten der Technischen Komitees und Unterkomitees und des Internationalen Buumlros fuumlr das gesetzliche Messwesen (BIML) in Paris

An der 50 CIML-Sitzung nahmen 144 Teilneh-mer aus 43 Mitgliedstaaten und 13 korrespondie-renden Mitgliedstaaten teil Zur deutschen Dele-gation gehoumlrten neben den o g Autoren auch die Herren Johann Fischer Direktor des Landesamts fuumlr Mess- und Eichwesen Berlin-Brandenburg sowie Prof Olaf Kuumlhn Direktor des Thuumlringer Landesamts fuumlr Verbraucherschutz als Vertreter der Bundeslaumlnder Dr Peter Ulbig Leiter der Abteilung Wissenschaftlich-technische Quer-schnittsaufgaben der PTB und Prof Manfred Kochsiek Vizepraumlsident a D der PTB ehema-liger CIML-Praumlsident und Ehrenmitglied der OIML Frau Dr Anna Cypionka persoumlnliche Referentin des Praumlsidenten der PTB nahm am OIML-Seminar fuumlr CEEMS teil Vertreten waren auch wieder internationale und regionale Orga-nisationen zu denen die OIML Verbindungen unterhaumllt wie das Internationale Buumlro fuumlr Maszlig und Gewicht (BIPM) die GSO-GCC Standardiza-tion Organization (Saudi-Arabien) die Internatio-nal Laboratory Accreditation Cooperation (ILAC) und der Europaumlische Verband der Waagenherstel-ler (CECIP)

Alle Beschluumlsse der 50 CIML-Sitzung koumlnnen auf den Internetseiten der OIML aufgerufen werden [1 2]

Die wichtigsten Entscheidungen und Entwick-lungen werden nachfolgend vorgestellt

1 Personalangelegenheiten

Der Vertrag von Willem Kool als Assistant Director wurde um vier Jahre der Vertrag des BIML-Direk-tors Stephen Patoray um drei Jahre verlaumlngert

2 Einfuumlhrung des PG Workspace im Internet

In seinem Bericht im Zusammenhang mit der Etablierung des neuen Webauftritts der OIML hob der CIML-Praumlsident Peter Mason (UK) die erfolgreiche Einfuumlhrung des Workspace fuumlr Pro-jektgruppen hervor Durch die Online-Arbeit wird erwartet dass die technische Arbeit an neuen bzw zu revidierenden OIML-Dokumenten vereinfacht und insgesamt effizienter wird

3 Revision der technische Richtlinien fuumlr die OIML (B 6 Directives for OIML tech-nical work)

In einem neuen Projekt sollen die in den vergan-genen Jahren revidierten OIML-Richtlinien fuumlr die technische Arbeit erneut uumlberarbeitet werden um u a den Prozess der Entwicklung und Uumlber-arbeitung von OIML-Publikationen noch weiter zu beschleunigen und den neuen internetbasierten Technologien und Arbeitsweisen Rechnung zu tragen

4 Umfassende strukturelle Uumlberarbeitung des OIML Certificate System

Das CIML verabschiedete die Gruumlndung einer Projektgruppe mit der Aufgabe einer substan-ziellen Uumlberarbeitung des OIML-Zertifizierungs-systems das z Zt aus dem Basiszertifizierungs-system und dem MAA3 besteht Urspruumlnglich ausgehend von der Annahme die Akzeptanz des MAA-Zertifizierungssystem muumlsse verstaumlrkt werden eine groumlszligere Verbreitung finden und mehr Messgeraumltearten abdecken erscheint es

Aktuelles aus der OIML (Internationale Organisation fuumlr das Gesetzliche Messwesen)Bericht uumlber die 50 Sitzung des CIML in Arcachon FrankreichSusanne Ludwig Roman Schwartz

INTERNATIONALE ZUSAMMENARBEIT

Susanne Ludwig OIMLshyGeschaumlftsstelle der PTB EshyMail susanneludwigptbde

Dir u Prof Dr Roman Schwartz Vizepraumlsident der PTB deutsches Mitglied im Internashytionalen Komitee fuumlr das Gesetzliche Messwesen (CIML) und CIMLshyVizepraumlsishydent EshyMail romanschwartzptbde

3 Mutual Acceptance Arrangement (Abshykommen zur gegenshyseitigen Anerkennung von Bauartpruumlfungen)

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PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4Internationale Zusammenarbeit

inzwischen sinnvoller und wurde so auch vom CIML beschlossen zum 112017 ein einziges OIML-Zertifizierungssystem einzufuumlhren Eine Projektgruppe (Certification System Project Group = CSPG) unter dem Vorsitz des CIML-Vizepraumlsi-denten Dr Roman Schwartz wurde damit beauf-tragt die notwendigen Dokumente und Prozedu-ren auszuarbeiten

5 OIML-Seminar fuumlr Countries and Economies with Emerging Metrology Systems (CEEMS)

Im Vorfeld der CIML-Sitzung wurde ein eintaumlgiges Seminar zum Thema Developing an OIML Package for Assistance to Countries with Emerging Metro-logy Systems (CEEMS) abgehalten In vier Sitzun-gen diskutierten 125 Teilnehmer aus 49 Laumlndern uumlber Moumlglichkeiten Laumlnder beim Aufbau von nationalen Metrologiesystemen zu unterstuumltzen In der ersten von Frau Dr Cypionka geleiteten Sitzung Capacity Building ging es um die allge-meinen Herausforderungen bei der Gestaltung von Programmen zur Foumlrderung von Handlungs-kompetenzen und Vermittlung von Wissen fuumlr die Metrologie In zwei weiteren Sitzungen wurden unter den Themen Helping CEEMS Improve Regulation in their Markets (Leitung Prof Dr Manfred Kochsiek) und New Ideas ndash Doing Legal Metrology Differently (Leitung Stuart Carstens

Suumldafrika) konkrete inhaltliche Loumlsungsvorschlaumlge vorgestellt und diskutiert Die Ergebnisse wurden in der 50 CIML-Sitzung vorgestellt und fanden ihren Niederschlag in der Resolution Nr 201510 [2] sie sollen auch noch auf den OIML-Webseiten veroumlffentlicht werden [1]

6 OIML-Publikationen

Folgende OIML-Publikationen wurden verabschiedet

R 139-3 Compressed gaseous fuels measuring systems for vehicles Part 3 Test report format

New Recommendation (R 145) Ophthalmic instru-ments mdash Impression and applanation tonometers

Alle OIML-Publikationen stehen im Internet frei zur Verfuumlgung [3]

Gleichzeitig wurde die Revision der folgenden OIML-Publikation beschlossen

Revision of R 79 Labeling requirements for prepackages

Folgende neue Projekte wurden verabschiedet

Revision des OIML-Dokuments B 6-1 Directives for OIML technical work

Bild 1 Teilnehmer der 50 Sitzung des Internationalen Komitees fuumlr Gesetz-liches Messwesen (CIML) in Arcachon Frankreich

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PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4 Aktuelles aus der OIML

TC 8SC 1 Revision R 71 Fixed storage tanks mdash General requirements

TC 8SC 1 Revision R 85 Automatic level gauges for measuring the level of liquid in stationary storage tanks

7 Personalien und Ehrungen

Die von Dr Seiler dem ehemaligen Leiter des Fachbereichs bdquoTechnische Zusammenarbeitldquo der PTB initiierte OIML-Auszeichnung fuumlr bdquoexzel-lente Beitraumlge von Entwicklungslaumlndern zum gesetzlichen Messwesenldquo ging in diesem Jahr an

bull Nam Hyuk Lim Director of Korea Testing Certi-fication und

bull The Metrology Department Saint Lucia Bureau of Standards

Die OIML-Medaille fuumlr besondere Verdienste um die OIML-Arbeit ging an Ngo Quy Viet Vietnam und Cartaxo Reis aus Portugal

8 Termine

Ein Gastgeberland fuumlr die 51 CIML-Sitzung und 15 OIML-Konferenz im Jahr 2016 konnte noch nicht bekannt gegeben werden es wird aber wahr-scheinlich wieder Frankreich sein Weitere OIML-Veranstaltungen und -Termine finden sich auf der OIML-Webseite unter [4]

9 Literatur

[1] httpswwwoimlorgen (letzter Aufruf 19112015)

[2] httpswwwoimlorgenstructurecimlpdf50-ciml-resolutions-englishpdf (letzter Aufruf 19112015)

[3] httpswwwoimlorgenpublicationsrecommen-dationspublication_viewp_type=1ampp_status=1

[4] (letzter Aufruf 19112015)[5] httpswwwoimlorgeneventscalendar

(letzter Aufruf 19112015)

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TECHNOLOGIETRANSFER

E27-Scanner fuumlr UlbrichtkugelnMit dem besonders einfach ohne Umbau einsetzbaren E27-Scanner koumlnnen Anwender und Hersteller die Homogenitaumlt ihrer Ulbricht-kugeln bestimmen und die Ergebnisse zur Berechnung genauerer Lichtstroumlme und zur Dokumentation der Qualitaumlt ihrer Messungen nutzen

Hintergrund

Wie viel Licht eine Lampe insgesamt in alle Richtungen abstrahlt wird durch ihren Lichtstrom ausgedruumlckt Um den fuumlr die Bestimmung der Energieeffizienz von Lampen notwendigen Lichtstrom schnell zu er mitteln setzt die Lampenindustrie Ulbrichtkugeln ein An einer Stange in der Mitte der Ulbrichtkugel befindet sich eine E27-Lampen-fassung in die nacheinander die Lichtstrom-Normallampe und die zu kalibrierende Lampe eingeschraubt werden Das indirekt auf den Mess-kopf fallende Licht erzeugt einen Photostrom der im Idealfall propor-tional zu dem von der Lampe abgestrahlten Lichtstrom ist unabhaumlngig von der Richtung in die das Licht abgestrahlt wird

Dies ist jedoch bei einer ungleichmaumlszligigen Beschichtung der Kugel sowie bei einer im Laufe der Zeit nicht zu verhindernden Verstaubung nicht der Fall Deshalb wird mit einem Kugelscanner die Homogenitaumlt der Kugel regelmaumlszligig vermessen und ein Korrekturfaktor bestimmt der von der jeweiligen Abstrahlcharakteristik der zu untersuchenden Lampe abhaumlngt

Technische Beschreibung

Der Kugelscanner wird einfach in eine E27-Fassung geschraubt und das sonst fuumlr die Lampenversorgung eingesetzte Netzgeraumlt wird durch die Steuereinheit ersetzt Diese uumlbernimmt sowohl die elektrische Versor-gung als auch die Befehlsuumlbermittlung zum Kugelscanner Die Steuer-einheit wird via USB oder RS232 an einen Computer angeschlossen Das mitgelieferte Messprogramm stellt automatisiert alle gewuumlnschten Richtungen ein und speichert die zugehoumlrigen von der Steuereinheit gemessenen Photostroumlme des Photometers

Wirtschaftliche Bedeutungw

Fuumlr Lampenindustrie und Hersteller von Ulbrichtkugeln

bull Genauere Messung des Lichtstroms

bull Bestimmung des Zeitpunkts einer Neubeschichtung

bull Uumlberwachung beim Beschichten

bull Dokumentation des Zustands der Ulbrichtkugel

EntwicklungsstandDer E27-Kugelscanner wurde in der PTB entwickelt Er wird laufend fuumlr Kalibrierungen eingesetzt Die Technologie wurde an die Firma Czibula amp Grundmann transferiert und wird dort mit einer PTB-Lizenz gebaut und vertrieben wwwphoto-metercom

Ansprechpartner

Dr Bernhard SmandekBeauftragter fuumlr TechnologietransferTelefon +49 531 592shy8303Telefax +49 531 592shy69shy8303EshyMail technologietransferptbde

Dr Stefan WinterFachbereich Photometrie und Radiometrie

Abbildung des E27shyKugelscanners Eine stark fokussierende Lampe die computergesteuert in alle Richtungen leuchten kann

Vorteile

bull Schneller Einbau in E27shyFassung

bull Computergesteuertes Abscannen der gesamten Ulbrichtkugel

bull Flexible Messmoumlglichkeiten

bull Fuumlr genauere Lichtstromshymessungen

bull Wichtig fuumlr die Qualitaumltsshysicherung

PTBshyNummer 0172

wwwtechnologietransferptbde

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PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4 Technologieangebote

Ansprechpartner

Dr Bernhard SmandekBeauftragter fuumlr TechnologietransferTelefon +49 531 592shy8303Telefax +49 531 592shy69shy8303EshyMail technologietransferptbde

Dr Stefan WinterArbeitsgruppe Solarzellen

PulsshyzushyCWshyKonverter

Umwandlung gepulster Laser-Strahlung in konstante StrahlungIn weiten Bereichen der optischen Metrologie ist eine Strahlungs-quelle von groszligem Nutzen die sich spektral vom UV-C bis ins mitt-lere IR durchstimmen laumlsst Lediglich Laser mit gepulster Strahlung erfuumlllen diese Anforderung bei ausreichend groszligem Ausgangssignal bisher luumlckenlos Femtosekunden-Lasersysteme waumlren aufgrund ihrer gut automatisierbaren und spektral weiten Durchstimmbarkeit die ideale Strahlungsquelle fuumlr z B radiometrische Anwendungen ndash wenn ihre Strahlung nicht gepulst waumlre

Durch das extreme Puls-Pausen-Verhaumlltnis von 10ndash5 entstehen hohe Spitzenleistungen die wiederum zu Saumlttigungseffekten bei Detek-toren und in der Folge zu nichtlinearem Verhalten fuumlhren koumlnnen Mit dem in der PTB entwickelten Puls-zu-CW-Konverter wird dieses Problem geloumlst

Technische Beschreibung

Bei dieser Methode werden Pulse gepulster Strahlungsquellen ausrei-chend hoher Repetitionsrate in CW-Strahlung umgewandelt Dabei wird jeder Puls in viele kleine Teilpulse aufgeteilt die auf unterschiedlich langen Wegstrecken unterschiedliche Laufzeiten erfahren Am Ausgang des Systems erscheinen sie dann zeitlich gleichmaumlszligig verteilt Realisiert wird dieser Puls-zu-CW-Konverter uumlber ein Glasfaserbuumlndel bei dem jede Einzelglasfaser eine individuell festgelegte Laumlnge besitzt

Mit der Entwicklung des Puls-zu-CW-Konverters wurde das ent-scheidende Manko beim Einsatz leistungsstarker Femtosekunden(fs)-Lasersysteme im Bereich der Metrologie beseitigt und erstmalig gepulste Laserstrahlung in CW-Strahlung umgewandelt Diese Neuentwicklung ermoumlglicht es nun herkoumlmmliche Monochromatorsysteme durch fs-Lasersysteme zu ersetzen die eine bis zu 1000-mal houmlhere spektrale Ausgangsleistung besitzen

Wirtschaftliche Bedeutung

Durch den neuen Puls-zu-CW-Converter koumlnnen in wirtschaftlich bedeutenden Bereichen wie z B der Photovoltaik der Photometrie der UV-Strahlungsmesstechnik und der Reflektometrie die Referenz- und Transfernormale mit einer deutlich reduzierten Messunsicherheit kali-briert werden Hier werden bislang wesentliche Messunsicherheitsan-teile durch zu geringe Strahlungsleistungen aus herkoumlmmlichen Mono-chromatorsystemen verursacht

Entwicklungsstand

Unter DE 10 2010 011 615 B4 wurde fuumlr den CW-Konverter ein Patent erteilt

Vorteile

bull Zeitliche Glaumlttung gepulster Laserstrahlung

bull Keine stoumlrenden Interferenzen

bull Nur minimale Absorption des Messsignals

bull Auch bei kuumlrzeren Wellenshylaumlngen ohne Ulbrichtkugel verwendbar

bull Kontinuierliche Verteilung des Ausgangspulses

bull Pulsvervielfachung

bull Houmlhere Strahlungsleistung

PTBshyNummer 0254

wwwtechnologietransferptbde

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PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4Technologieangebote

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Homogenisierung von Strahlungsquellen und Focal Plane Arrays (FPA)Ein neuartiges Verfahren ermoumlglicht softwaregestuumltzt eine deutlich verbesserte Kalibrierung von Mehrelement-Sensoren (FPA) und bildgebenden Systemen (Kameras) Bei flaumlchigen Strahlungsquellen kann zusaumltzlich eine gezielte Ansteuerung von Flaumlchenelementen zu einer bisher im Allgemeinen nicht erreichbaren Flaumlchenhomogenitaumlt fuumlhren

Technische Beschreibung

Flaumlchenstrahler dienen der Kalibrierung von ortsaufloumlsenden Strah-lungssensoren wobei davon ausgegangen wird dass die Emissionsflaumlche des Strahlers im Wesentlichen homogen bezuumlglich ihrer Strahldichte bzw Strahlungstemperatur ist Um kleine Inhomogenitaumlten eines Flaumlchenstrahlers zu charakterisieren ist es ein gaumlngiges Verfahren die Emissionsflaumlche punktweise mit einem Einzeldetektor abzutasten

Das neue PTB-Verfahren ist wesentlich schneller da es den Mehr-element-Sensor (FPA) das device-under-test selbst nutzt und damit immer ein Gesamtbild der Quelle aufnimmt Werden jetzt weitere Bilder zeilen- oder spaltenversetzt aufgenommen so erlaubt ein mathema-tischer Algorithmus bei nur drei Bildern eine komplette Charakterisie-rung des Sensors aber auch der Quelle

Sind Flaumlchenelemente der Strahlungsquelle einzeln ansteuerbar so ist es sogar moumlglich mittels der ermittelten Korrekturwerte zu Strahlquellen extrem hoher Homogenitaumlt im on-line-Betrieb zu gelangen

Wirtschaftliche Bedeutung

Bildgebende Strahlungssensoren und homogene Strahlungsquellen sind relevant fuumlr die Forschung und Entwicklung fuumlr die Prozesstechnik fuumlr die Charakterisierung der Energieeffizienz von Bauten bei der Ent-wicklung neuer Bauteile mit hoher thermischer Belastung und in vielen weiteren Bereichen Der mathematische Algorithmus ist aber auf unter-schiedliche Arten von Kamerasystemen anwendbar und damit auch fuumlr die Qualitaumltssicherung von CCD-Kameras bis hin zum Konsumguuml-termarkt anwendbar EntwicklungsstandEine deutsche Patenterteilung erfolgte im September 2015 Eine PCT-Anmeldung ist anhaumlngig Kooperations- und Lizenzpartner aus den Bereichen Thermografie Radiometrie und Photometrie zur Umsetzung des Konzeptes werden gesucht

Ansprechpartner

Dr Bernhard SmandekBeauftragter fuumlr TechnologietransferTelefon +49 531 592shy8303Telefax +49 531 592shy69shy8303EshyMail technologietransferptbde

DiplshyIng Berndt GutschwagerArbeitsgruppeInfrarotshyStrahlungsthermometrie

Stahlungsmessplatz der PTB zur Kalibrierung von Temperaturstrahlern und Waumlrmebildkashymeras

Vorteile

bull Schnelle Kalibrierung von Flaumlchensensoren (FPA)

bull Schnelle Kalibrierung von Flaumlchenstrahlern

bull Strahlquellen houmlchster Hoshymogenitaumlt

bull Fuumlr Thermografie und Phoshytometrie

PTBshyNummer 00374

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Erscheinungsweise und Bezugspreise Die PTB-Mitteilungen erscheinen viermal jaumlhrlich Das Jahresabonnement kostet 3900 Euro das Einzelheft 1200 Euro jeweils zzgl Versandkosten Bezug uumlber den Buchhandel oder den Verlag Abbestellungen muumlssen spaumltestens drei Monate vor Ende eines Kalenderjahres schriftlich beim Verlag erfolgen

Alle Rechte vorbehalten Kein Teil dieser Zeitschrift darf ohne schriftliche Genehmigung des Verlages vervielfaumlltigt oder verbreitet werden Unter dieses Verbot faumlllt insbesondere die gewerbliche Ver-vielfaumlltigung per Kopie die Aufnahme in elektro-nische Datenbanken und die Vervielfaumlltigung auf CD-ROM und in allen anderen elektronischen Datentraumlgern

Printed in Germany ISSN 0030-834X

Die fachlichen Aufsaumltze aus dieser Ausgabe der PTB-Mitteilungen sind auch online verfuumlgbar unterdoi 10779531020150499

Die Physikalisch-Technische Bundesanstalt das nationale Metrologieinstitut ist eine wissenschaftlich-technische Bundesoberbehoumlrde im Geschaumlftsbereich des Bundesministeriums fuumlr Wirtschaft und Energie

mitteilungen

Impressum

Die PTB-Mitteilungen sind metrologisches Fachjournal der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt Braunschweig und Berlin Als Fachjournal veroumlffentlichen die PTB- Mitteilungen wissenschaftliche Fachaufsaumltze zu metrologischen Themen aus den Arbeitsgebieten der PTB Die PTB-Mitteilungen stehen in einer langen Tradition die bis zu den Anfaumlngen der Physikalisch-Technischen Reichsanstalt (gegruumlndet 1887) zuruumlckreicht

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Physikalisch-Technische BundesanstaltBraunschweig und BerlinNationales Metrologieinstitut

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PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4 Metrologie fuumlr moderne Lichtquellen

i Infokasten LED

Lichtausbeute einer Strahlungsquelle ηv

Die Lichtausbeute einer Strahlungsquelle gibt das Verhaumlltnis aus ausgestrahltem Lichtstrom und aufgenommener elektrischer Leistung an Die Einheit ist LumenWatt (lmW) Je houmlher die Lichtausbeute ist umso energieeffizienter ist die Beleuchtung Gluumlhlampen besitzen Lichtausbeuten zwischen 10 und 20 lmW

Lichtstrom Φv

Der Lichtstrom beruumlcksichtigt den Hellempfind-lichkeitsgrad V(λ) des Auges und gibt die in alle Raumrichtungen abgegebene bdquoLichtleistungldquo einer Lampe an Der Lichtstrom enthaumllt keine Information daruumlber wie die Lampe das Licht im Raum verteilt Der Lichtstrom gibt an wie hell ein beleuchteter Raum dem Menschen erscheint

Spektraler Hellempfindlichkeitsgrad V(λ)

Der exakt definierte spektrale Hellempfindlich-keitsgrad V(λ) ist eine Bewertungsfunktion fuumlr elektromagnetische Strahlung Hiermit wird der bdquoHelligkeitseindruck eines menschlichen Durch-schnittsaugesldquo berechnet Dies ermoumlglicht den objektiven Vergleich von Lichtquellen mit physika-lischen Messmethoden Subjektive Wahrnehmun-gen einzelner Menschen koumlnnen damit nicht exakt wiedergegeben werden

Aumlhnlichste Farbtemperatur TN

Es gibt unterschiedliche Farbtemperaturen in der Photometrie Verhaumlltnis- und Verteilungstem-peratur sind nur bei thermischen Strahlern wie der Gluumlhlampe anwendbar Nur die aumlhnlichste Farbtemperatur (englisch Correlated Colour Temperature CCT) laumlsst sich fuumlr Lichtquellen mit beliebiger spektraler Zusammensetzung berech-nen sofern die Normfarbwertanteile aumlhnlich einem thermischen Strahler sind Die aumlhnlichste Farbtemperatur wird in der Einheit Kelvin (K) angegeben Sie gibt an ob das Licht warmweiszlig (ca 3000 K) neutralweiszlig (ca 4500 K) oder tages-lichtweiszlig (gt5500 K) erscheint

Normfarbwertanteile (x y)

Fuumlr die Angabe von Farbe gibt es neben dem spek-tralen Hellempfindlichkeitsgrad V(λ)noch weitere definierte Bewertungsfunktionen Hiermit laumlsst sich die Farbwahrnehmung eines fiktive Normalbeob-achters aus der gemessenen spektralen Verteilung des Lichts durch Angabe von nur zwei Werten (x und y) angeben Diese Werte geben die Koordi-naten auf der Normfarbtafel (s Abbildung) an

Normfarbtafel

Farbwiedergabeindex Ra

Der Farbwiedergabeindex ist eine Kennzahl fuumlr Lichtquellen der bewertet die Qualitaumlt der Farb-wiedergabe Je houmlher der Wert desto besser ist die Farbwiedergabe Der Maximalwert liegt bei 100 Werte zwischen 90 und 100 geben eine ausgezeich-nete Farbwiedergabe an Werte unter 80 sind fuumlr viele Anwendungen nicht ausreichend

Im Folgenden soll ein kleiner Leitfaden gegeben werden der in allgemeinverstaumlndlicher Form die grundlegenden Ideen wichtiger lichttechnischer Groumlszligen erlaumlutern soll Komplexe Details der zugrunde liegenden Normen und Definitionen werden hierbei nicht beruumlcksichtigt

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PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4Das Jahr des Lichtes

Pastellfarbtoumlne oder auch weiszliges LichtIn Bild 2 sind die spektralen Verteilungen einer

LED mit und ohne Leuchtstoff abgebildet In der linken Abbildung erkennt man die schmalbandige blaue Emission des LED-Chips In der rechten Abbildung wird ein Teil dieser Strahlung durch einen Leuchtstoff in laumlngerwelliges Licht konver-tiert und die Mischfarbe erscheint weiszlig

Der Vorteil einer LED gegenuumlber einer Gluumlh-lampe bezuumlglich der Lichtausbeute ist offensicht-lich Es wird ndash von unvermeidbarer thermischer Verlustleistung abgesehen ndash nur Strahlung im sichtbaren Wellenlaumlngenbereich emittiert Daruumlber hinaus ist die Farbe des Lichts von LEDs durch Kombination verschiedener Leuchtstoffe und LEDs nahezu beliebig einstellbar und man ist nicht auf aumlhnlichste Farbtemperaturen von ca 3000 K wie bei der Gluumlhlampe begrenzt

Allerdings gibt es auch Nachteile gegenuumlber dem Licht einer Gluumlhlampe Dem typischen Spektrum einer LED-Lichtquelle fehlen im Gegensatz zu Sonnenlicht oder Gluumlhlampenlicht einzelne Spekt-ralfarben Dies macht sich negativ bei der Qualitaumlt der Farbwiedergabe bemerkbar

Die Farbe des emittierten Lichts einer LED laumlsst sich durch additive Farbmischung sehr aumlhnlich zu Sonnenlicht oder auch Gluumlhlampenlicht einstellen Wenn jedoch Objekte mit Licht beleuchtet werden kommt es auch auf die spektrale Zusammensetzung des Lichts an Nehmen wir einen Blumenstrauszlig aus roten Rosen der im Tageslicht steht Im Son-nenlicht sind alle Spektralfarben vorhanden und diese beleuchten die Rosen Die roten Bluumltenblaumltter absorbieren einige spektrale Anteile des Lichts und reflektieren im Wesentlichen rotes Licht welches in das Auge des Betrachters faumlllt Wenn die Rosen von einer anderen Lichtquelle beleuchtet werden in der die roten Spektralanteile zumindest teilweise fehlen koumlnnen diese nicht reflektiert werden und die Farben der Rosen erscheinen unnatuumlrlich

Dies ist von weitreichender Bedeutung fuumlr die Wahl einer geeigneten Lichtquelle da wir einen Kompromiss aus Licht mit guter Farbwieder-gabe und hoher Lichtausbeute schlieszligen muumlssen Licht mit hoher Farbwiedergabe setzt sich aus moumlglichst vielen Spektralfarben zusammen und Lichtquellen mit hoher Lichtausbeute sollten nur Spektralfarben beinhalten fuumlr die das menschliche Auge besonders empfindlich ist In den Auszligenbe-zirken vieler Staumldte werden zur Nachtbeleuchtung der Gehwege haumlufig Natriumdampflampen mit orangefarbenem Licht eingesetzt Die Lichtaus-beute dieser Lampen ist mit etwa 150 lmW auszligerordentlich hoch da das menschliche Auge in diesem Spektralbereich sehr empfindlich ist Diese Beleuchtung ist jedoch ungeeignet um Farben natuumlrlich wiederzugeben Aufgrund des Aufbaus des menschlichen Auges ist es also nicht moumlglich eine Beleuchtung mit sehr hoher Qualitaumlt der Farbwiedergabe bei gleichzeitig sehr hoher Lichtausbeute zu realisieren

Weiszlige LEDs zur Allgemeinbeleuchtung nutzen in der Regel Leuchtstoffe die teilweise qualita-tiv hochwertige Farbwiedergabeeigenschaften besitzen Eine weitere Methode zur Erzeugung von weiszligem Licht ist das Mischen von rotem gruumlnem und blauem Licht (RGB-Verfahren) welches die Grundlage jedes Displays ist Hierbei sind neben weiszligem Licht auch andere Lichtfarben moumlglich ndash die Farbwiedergabeeigenschaften sind allerdings schlecht Fuumlr die Endverbraucher sind in der Regel die Farbwiedergabeeigenschaften von Lichtquellen als Ra-Werte auf der Verpackung angegeben

Organische Licht Emittierende Dioden (OLED) sind eine junge Beleuchtungstechnologie die noch keinen Zugang zum Massenmarkt erhalten hat Die weltweit erste kommerzielle OLED-Leuchte wurde 2008 vertrieben Der fuumlr den Nutzer wesentliche Unterschied zwischen OLEDs und LEDs besteht im Aufbau Der leuchtende Kristall

Bild 2 Spektrale Verteilung einer blauen LED (links) und einer weiszligen LED (rechts) bei der ein Teil des blauen Lichts zu gelbem Licht konvertiert wurde

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PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4 Metrologie fuumlr moderne Lichtquellen

anorganischer LEDs besitzt eine maximale Kan-tenlaumlnge von etwa einem Millimeter Bei OLEDs wird das Licht in groszligflaumlchigen amorphen organi-schen Schichten erzeugt Momentan sind OLEDs mit leuchtenden Flaumlchen von bis zu 20 x 20 cmsup2 erhaumlltlich Das Licht wird aumlhnlich wie bei LEDs durch Ladungstraumlgerrekombination unter Auftre-ten von Elektrolumineszenz erzeugt Dabei ist das Emissionsspektrum der verwendeten organischen Emittermaterialien wesentlich breitbandiger als das einer LED (vgl Bild 3) Daher wird das weiszlige Licht von OLEDs in der Regel durch Verwendung von roten gruumlnen und blauen Emittermaterialien erzeugt ohne dass die Farbwiedergabeeigenschaf-ten sehr stark darunter leiden

2 Entwicklung von (O)LED-Transfer-normalen in der PTB

Eine der Kernaufgaben der PTB ist die Weiter-gabe der gesetzlichen Einheiten Bis zum heuti-gen Tage bieten Transfernormale in Form von speziellen Gluumlhlampen die besten Eigenschaften um als Maszligverkoumlrperung der Einheiten Candela oder Lumen zu dienen Da der Anwender in der Regel jedoch die Substitutionsmethode bei seinen Messungen anwendet um notwendige Korrektu-ren auf ein Minimum zu reduzieren (Gleiches mit Gleichem vergleichen) sind auch Transfernormale auf Basis der LED-Technologie von Interesse

Bereits in den 80er-Jahren des vergangenen Jahr-hunderts wurden LEDs in der PTB kalibriert Diese waren fuumlr Beleuchtungszwecke noch ungeeignet und dienten lediglich als Signallampen Zeitgleich wurden die ersten PTB-LED-Transfernormale entwickelt deren optische Eigenschaften durch thermische Regelung des LED-Chips stabilisiert wurden Die mechanische Ausrichtung der LEDs leistet aufgrund des typischerweise stark gerichteten Abstrahlprofils der LEDs einen groszligen Beitrag auf die Messunsicherheit Daher werden die LEDs seit

2002 in ein rotationssymmetrisches robustes VA-Stahl-Gehaumluse eingebaut welches sich sehr repro-duzierbar ausrichten laumlsst (vgl Bild 4)

Diese Transfernormale werden unter Konstant-Strom-Bedingungen und ndash durch gezieltes Aufhei-zen des LED-Chips durch den Heizwiderstand ndash unter Konstant-Spannung-Bedingungen betrieben Aufgrund der halbleitenden Eigenschaften sinkt mit steigender Temperatur die Betriebsspannung und sowohl der Lichtstrom als auch die Peakwellenlaumlnge des emittierten Lichts veraumlndert sich Die Sollspan-nung wird auf einen Wert festgelegt der unterhalb der Gleichgewichtsspannung durch Eigenerwaumlr-mung im Betrieb ohne Heizwiderstand bei einer Umgebungstemperatur von etwa 35 degC liegt Somit ist auch ein Einsatz der Transfernormale in Laboren ohne Klimatisierung moumlglich

Fuumlr LEDs mit houmlheren Leistungen wurde im Jahr 2011 ein weiterer Prototyp eines Transfernormals vorgestellt (vgl Bild 5) Da die hier verwendeten LEDs eine houmlhere Leistungsaufnahme besitzen werden sie waumlrmer Das reduziert die Lebensdauer und Reproduzierbarkeit der photometrischen

Bild 3 Exemplarische spektrale Verteilung einer weiszligen OLED

Bild 4 Temperaturgeregeltes LED-Transfernormal auf Basis von Kleinleistungs-LEDs mit Lichtstroumlmen von bis zu 10 Lumen

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PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4Das Jahr des Lichtes

Groumlszligen deutlich Daher muumlssen sie gekuumlhlt werden Hierfuumlr kommt bei diesen Normalen ein Peltier-Element zum Einsatz welches geregelt Waumlrme in einen dahinterliegenden Kuumlhlkoumlrper leitet und hierdurch das emittierte Licht stabilisiert Diese Transfernormale zeichnen sich durch ein geringes

Gewicht bei einer Laumlnge von ca 100 mm und einem Durchmesser von etwa 20 mm aus Allerdings ist die Verwendung von LEDs mit sehr hohen Leistun-gen nicht moumlglich da die Abwaumlrme lediglich passiv an den Raum abgegeben wird Eine detaillierte Beschreibung der Eigenschaften dieses Transfer-normals wurde 2012 veroumlffentlicht [2]

Fuumlr die thermische Stabilisierung von LEDs mit sehr hohen Leistungen wurde ein weiteres Trans-fernormal unter Einsatz von Peltier-Elementen Heatpipes und aktivem Kuumlhlsystem in der PTB entwickelt (vgl Bild 6)

Im Rahmen des europaumlischen Forschungspro-jekts OLED100eu wurde in der PTB weiterhin das weltweit erste Transfernormal unter Einsatz einer organischen Leuchtdiode entwickelt (vgl Bild 7) Dieses Normal wurde fuumlr den Einsatz in einer Ulbricht-Kugel konzipiert und in ein mattes Aluminiumgehaumluse eingebaut Eine Besonderheit dieses Normals ist die Stand-Alone-Versorgungs-einheit die ohne Rechner o auml saumlmtliche relevan-ten elektrischen und thermischen Groumlszligen regelt und auf einem USB-Stick speichert

3 LED-Messtechnik in der PTB

Neben LED-Transfernormalen mit guter Reprodu-zierbarkeit ist eine hochentwickelte Messtechnik fuumlr deren Kalibrierung mit minimaler Messunsi-cherheit erforderlich

Die photometrische Beschreibung von LEDs erfolgt durch Angabe ihrer Lichtstaumlrke ILED mit der Einheit Candela und ihrem Lichtstrom ΦLED mit der Einheit Lumen Diese Groumlszligen werden in der PTB unter Verwendung ruumlckgefuumlhrter Photometer bestimmt Hierfuumlr wird die Beleuchtungsstaumlrke ELED unter definierten geometrischen Bedingungen fuumlr alle Abstrahlrichtungen der LED mit einem Goniophotometer gemessen

Fuumlr die Bestimmung der colorimetrischen Werte kommen Spektralradiometer zum Einsatz Hiermit werden spektrale Bestrahlungsstaumlrken gemessen und daraus die abgeleiteten colorime-

Bild 5 Temperaturgeregeltes LED-Transfernormal auf Basis von Hochleistungs-LEDs mit Lichtstroumlmen von bis zu 100 Lumen Im rechten Bild ist die Temperaturverteilung in Grad Celsius waumlhrend des Betriebs abgebildet

Bild 6 Temperaturgeregeltes LED-Transfernormal auf Basis von Houmlchstleistungs-LEDs mit Lichtstroumlmen von bis zu 2500 Lumen

Bild 7 Temperaturgeregeltes OLED-Transfernormal auf Basis kommerziell erhaumlltlicher OLEDs

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PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4 Metrologie fuumlr moderne Lichtquellen

trischen Kenngroumlszligen wie z B die Normfarb-wertanteile (x y) bei weiszligen LEDs die aumlhnlichste Farbtemperatur TN mit der Einheit Kelvin und bei farbigen LEDs die dominante Wellenlaumlnge λdom berechnet Grundlegende Informationen und Definitionen uumlber die photometrischen und colorimetrischen Groumlszligen und deren Messung sind in [3] [4] und [5] zu finden

In Bild 8 ist der Aufbau des LED-Messplatzes an der PTB zu sehen Fuumlr die Bestimmung der Mess-groumlszligen in alle raumlumlichen Abstrahlwinkel wird die LED durch ein Goniophotometer bewegt

Die LED wird in horizontaler Betriebslage zentrisch normal zur Referenzebene des Photo-meterkopfes ausgerichtet Ein Translationstisch ermoumlglicht dabei eine Variation des Abstandes d zwischen Photometer und LED Eine horizontale Rotationsachse (φ-Achse) und eine senkrechte Rotationsachse (ϑ-Achse) die sich an der LED-Spitze im rechten Winkel schneiden erlauben durch Drehung der LED eine Bestimmung der Beleuchtungsstaumlrke ELED in alle Raumrichtungen Beide Rotationsachsen werden waumlhrend der Messung zeitgleich bewegt Hierdurch bewegt sich die relative Position der lichtempfindlichen Emp-faumlngeroumlffnung bezuumlglich des Schnittpunkts beider Drehachsen auf der Oberflaumlche einer virtuellen Kugel entlang einer Spiralbahn von bdquoPol zu Polldquo dieser Kugel

Die Bestimmung des Lichtstroms ΦLED erfolgt analog der Beschreibung in dem Kapitel Kurze Geschichte der Goniophotometrie in der PTB Der wesentliche Unterschied zu goniophotome-trischen Messungen an Gluumlhlampen besteht darin dass bei LED-Messungen die Lichtquelle typischerweise bewegt werden kann ohne dass sich ihre optischen Eigenschaften aumlndernAufgrund des stetig wachsenden Bedarfs an ruumlck-gefuumlhrten Kalibrierungen von High-Power-LEDs sind Masse und Abmessungen der Transfernor-male erheblich gestiegen Daher wurde der Mess-platz 2015 um ein weiteres Goniophotometer fuumlr schwere und groszlige Objekte erweitert (vgl Bild 9)

Neben den photometrischen Empfaumlngern befinden sich auch Einkoppeloptiken fuumlr Spekt-ralradiometer auf dem drehbaren Empfaumlngerka-russell Alle Empfaumlnger lassen sich hiermit auto-matisiert waumlhrend einer Messung zu den LEDs ausrichten Vor jeder LED-Kalibrierung werden die Spektralradiometer bezuumlglich Ihrer spektralen Empfindlichkeit und Wellenlaumlnge kalibriert Die entsprechenden Normallampen befinden sich neben dem Empfaumlngerkarussell (vgl Bild 10) und ermoumlglichen so ebenfalls eine automatisierte Messung

Den spektralen Messungen an LEDs kommt neben der Notwendigkeit fuumlr die Bestimmung colorimetrischer Kennzahlen noch eine beson-dere Bedeutung fuumlr die photometrischen Messun-

Bild 9 Goniophotometer fuumlr photometrische Messungen an Hochleistungs-LEDs

Bild 10 Entladungslampen mit verschiedenen Gasfuumlllungen dienen der Wellenlaumlngenka-librierung der Spektrometer Im Hintergrund ist eine Bestrahlungsstaumlrke-Normal-lampe fuumlr die spektrale Empfindlichkeitskalibrierung zu sehen

Bild 8 Goniophotometer fuumlr photometrische Messungen an Kleinleistungs-LEDs

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PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4Das Jahr des Lichtes

gen zu Wie in der Einleitung erklaumlrt unterscheiden sich die spektralen Verteilungen von LEDs und Gluumlhlampen deutlich voneinander Photometerkoumlpfe bestehen in der Regel aus einer Silizium-Photodiode deren spektrale Empfindlichkeit durch den Einsatz von Glasfiltern moumlglichst gut an den Hellemp-findlichkeitsgrad V(λ) angepasst wird Aufgrund internationaler Standardisierung wird die photo-metrische Empfindlichkeit von Photometerkoumlpfen fast ausschlieszliglich fuumlr Normlichtart A kalibriert In der Praxis werden hierfuumlr Gluumlhlampen mit einer Verteilungstemperatur von 2856 K verwendet Wenn man ein solches Photometer fuumlr Messungen an anderen Gluumlhlampen verwendet sind die spektralen Verteilungen meist so aumlhnlich dass nur geringe oder gar vernachlaumlssigbare Korrekturen aufgrund der spektralen Fehlanpassung also der Abweichung der realen spektralen Empfindlichkeit des Photometers von dem Hellempfindlichkeitsgrad notwendig sind Wenn man ein solches Photometer jedoch bei LEDs insbesondere farbigen LEDs einsetzt koumlnnen die Abweichungen aufgrund der spektralen Fehlan-passung sehr groszlig werden (gt10 fuumlr hochwertige Photometerkoumlpfe sind moumlglich)

Mit Kenntnis der relativen spektralen Verteilung der Leuchtdiode SLED(λ) und der relativen spekt-ralen Empfindlichkeit srel(λ) laumlsst sich die spektrale Fehlanpassung durch folgenden Korrekturfaktor cSpek korrigieren

cV S

s S

V P T

sSpek

LED

rel LED

A

rel

d

d

d=

( ) ( )( ) ( )

( ) ( )( )

intint

intλ λ λ

λ λ λ

λ λ λ

λ

intint ( )P Tλ λ A d

P(λ TA) beschreibt Lichtart A durch das Planck-sche Strahlungsgesetz fuumlr TA = 2856 K

Eine detaillierte Auflistung und Diskussion aller zu beruumlcksichtigenden Details bei Kalibrierungen von LEDs und das dazugehoumlrige Messunsicher-heitsbudget soll an dieser Stelle nicht gegeben werden Interessierte Leser koumlnnen hierfuumlr Infor-mationen in einer fruumlheren Veroumlffentlichung [6] oder in den Ergebnissen eines internationalen Vergleichs von LED-Messungen [7] finden

Fazit und Ausblick

Der Verzicht auf LEDs ist fuumlr Beleuchtungsan-wendungen nicht mehr vorstellbar Durch ihre kontinuierliche Weiterentwicklung erobern LEDs immer weitere Anwendungsfelder (z B Haus-halts- Straszligen- und Automobilbeleuchtung) mit denen der Endkunde in Kontakt kommt Bei diesen Anwendungen sind die Anforderungen an die Lichtquellen vielfaumlltig und fuumlr eine quantitative Beschreibung ihrer Eigenschaften muss auch die Messtechnik entsprechend umfassend und ausge-reift sein

Neben dem allgemeinen Forschungs- und Ent-wicklungsbedarf fuumlr bessere LED-Messverfahren und -geraumlte die die Grundlage ihrer technologi-schen Weiterentwicklung bilden gibt es eine weitere Herausforderung Aufgrund der nahezu unbe-grenzten Moumlglichkeiten eine bestimmte Lichtfarbe durch additive Farbmischung zu erhalten sind LEDs verschiedener Hersteller mit unterschiedlichen Emissionsspektren aber einer nominell gleichen aumlhnlichsten Farbtemperatur erhaumlltlich Dennoch ist teilweise ein Unterschied der Lichtfarbe mit bloszligem Auge erkennbar wenn sich unterschiedliche LEDs nebeneinander befinden

Es ist ungewoumlhnlich dass man ohne technische Hilfsmittel nominell gleiche Lichtfarben faktisch unterscheiden kann Um die Charakterisierung von LEDs soweit zu verbessern dass dies nicht mehr moumlglich ist ist einerseits eine Reduzierung der Messunsicherheit bei der Bestimmung der Normfarbwertanteile (Lichtfarbe) notwendig Andererseits muss man sich bewusst machen dass photometrische und colorimetrische Messverfahren auf rein physikalischen Zusammenhaumlngen basieren Individuelle menschliche Wahrnehmung und Sehen werden bei photometrischen Messungen nicht beruumlcksichtigt ndash diese werden durch Festlegung von exakt definierten Wichtungsfunktionen wie dem Hellempfindlichkeitsgrad fuumlr einen fiktiven Normalbeobachter ausgegrenzt Diese Wichtungs-funktionen koumlnnen gegebenenfalls auch noch optimiert werden um die objektive Beurteilung von Lichtquellen mit physikalischen Messmethoden zu verbessern Somit gibt es auch in Zukunft noch interdisziplinaumlre Herausforderungen fuumlr die Metro-logie moderner Lichtquellen

Literatur

[1] httpwwwnobelprizeorgnobel_prizesphysicslaureates2014 (letzter Aufruf 14102015)

[2] T Gerloff M Lindemann S Shirokov M Taddeo S Pendsa A Sperling Development of a new high-power LED transfer standard CIE Proceed-ings 2012

[3] CIE S 017E 2011 ILV International Lighting Vocabulary httpeilvciecoat (letzter Aufruf 03122015)

[4] CIE 127 2007 (2nd edition) Measurement of LEDs

[5] CIE S 025E 2015 Test Method for LED Lamps LED Luminaires and LED Modules

[6] M Lindemann R Maass Photometry and Colo-rimetry of Reference LEDs by Using a Compact Goniophotometer MAPAN ndash Journal of Metrolo-gy Society of India Vol 24 No 3 2009

[7] wwwbipmorg APMPPR-S3a (Averaged LED Intensity) APMPPR-S3b (Total Luminous Flux of LEDs) APMPPR-S3c (Emitted Colour of LEDs)

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Effektpigmente hellipPTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4

Einleitung

Farbe ist fuumlr Menschen die wohl auffaumllligste sub-jektive Stoffeigenschaft Bereits den Fruumlhmenschen war diese visuelle Qualitaumlt bekannt deren Wahr-nehmung allen Primaten eigen ist So wurde 2008 in Suumldafrika eine ca 100000 Jahre alte steinzeitli-che bdquoMalerwerkstattldquo entdeckt [1] Auch heutzu-tage spielt Farbe in der Gestaltung unserer Umwelt eine wichtige Rolle Jedes Jahr praumlsentiert uns die Mode die neuen Farben der Saison Farben dienen zur Regelung des Verkehrs Ohne bunte Farben waumlre unsere Welt trist und oumlde

Es ist wichtig festzustellen dass Farbe ein physiologischer Sinneseindruck ist wie z B auch Tasten oder Riechen D h Farbe ist keine immanente physikalische Eigenschaft eines Gegenstandes wie z B seine Masse oder Waumlrme-leitfaumlhigkeit Die physiologische Wahrnehmungs-kette ist hierbei folgende Das vom betrachteten Gegenstand reflektierte Licht trifft auf das Auge und loumlst hierbei einen Farbreiz aus Dieser Farbreiz beruht auf der spektralen Zusammensetzung des empfangenen Lichts d h er ist abhaumlngig von der verwendeten Lichtquelle und dem spektralen Reflexionsvermoumlgen des betrachteten Objektes Die Anregung der licht- und farbempfindlichen Zellen in der Netzhaut fuumlhrt zu einer Farbvalenz die uumlber den Sehnerv an das Gehirn weitergeleitet wird Die eigentliche Farbempfindung die wir dann mit einem Gegenstand verknuumlpfen entsteht erst im Gehirn [2] Liegt z B eine Farbfehlsich-tigkeit vor so kann der Farbeindruck des betrof-fenen Menschen auch ein ganz anderer sein Auch viele Tiere mit ihren teilweise erheblich abweichenden visuellen Systemen nehmen Farbe ganz unterschiedlich als wir Menschen wahr Im Folgenden soll mit Farbe immer die Koumlrperfarbe auch Gegenstandsfarbe Objektfarbe bzw Oberflauml-chenfarbe genannt einer nicht selbstleuchtenden Flaumlche bezeichnet werden die durch Reflexion von Licht an einem Koumlrper entsteht

Die genannten Zusammenhaumlnge machen die mathematisch-physikalische Beschreibung von Farbe schwierig und aufwendig da auch die spe-zifischen Eigenarten der menschlichen Wahrneh-

mungskette nachgestellt werden muumlssen Diesem Umstand wird versucht uumlber die verschiedenen Farbmaszligsysteme Rechnung zu tragen welche die Farbe eines Objektes mithilfe von quantifizierba-ren Zahlenwerten kennzeichnen [3]

Generell koumlnnen farbige Flaumlchen je nach Tageszeit und Lichteinfall sehr unterschiedlich wirken Die Aumlnderungen basieren hierbei auf der unterschiedlichen spektralen Zusammenset-zung des Tageslichts und den winkelabhaumlngigen Glanz- und Struktureigenschaften von Oberflauml-chen Ganz besonders deutlich ist dies bei auf dem Interferenzeffekt basierenden Effektpigmenten der Fall Deren visuelles Erscheinungsbild im englischen mit Visual Appearance bezeichnet kann sich bei variierendem Beobachtungswinkel und unterschiedlichen Lichtverhaumlltnissen komplett veraumlndern Man spricht hierbei von sogenannten Flop-Lacken wobei man zwischen Hell-Dunkel-Flop und Farb-Flop unterscheiden kann [4]

Generell kann man sagen dass Farbe und visuelle Effekte einen entscheidenden Anteil am Verkaufserfolg eines Produktes haben denn Farben wecken Emotionen und verschiedene Neuro marketingstudien belegen dass ca 95 aller Kaufentscheidungen emotional gepraumlgt sind [5] Deshalb spielt eine moderne Farbgestaltung unter Nutzung aktueller Effektpigmente im Pro-duktdesign eine entscheidende Rolle denn durch den Einsatz solcher Pigmente kann Gegenstaumlnden eine houmlhere Attraktivitaumlt verliehen werden Daher findet man moderne Effektpigmente heutzutage in vielen teilweise sehr unterschiedlichen Indus-trieprodukten wie z B in Autolackierungen Haumluserfassaden Kosmetikartikeln oder sogar bei Pralineacutes wie dies in Bild 1 zu sehen ist

Pigmente

Als Pigmente aus dem Lateinischen kommend von pigmentum fuumlr bdquoFaumlrbestoff Schminkeldquo bezeichnet man aus Teilchen bestehende im Anwendungs-medium praktisch unloumlsliche Sub stanzen die als Farbmittel oder wegen anderer spezieller physika-lischer und chemischer Eigenschaften als funktio-nale Farbzentren verwendet werden [6]

Effektpigmente Eine Herausforderung fuumlr die optische Messtechnik

Egbert Buhr Alfred Schirmacher Andreas Houmlpe

Dr Egbert Buhr Fachbereich bdquoBildshy und Wellenoptikldquo EshyMail egbertbuhrptbde

Dr Alfred Schirmacher Arbeitsshygruppe bdquoReflexion und Transmissionldquo EshyMail alfredschirmacherptbde

Dr Andreas Houmlpe dagger ehemals Arbeitsgrupshype bdquoReflexion und Transmissionldquo

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PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4Das Jahr des Lichtes

In der Natur vorkommende anorganische Pig-mente sind schon seit praumlhistorischen Zeiten bekannt Schon die Menschen der Steinzeit benutzen mineralische Pigmente fuumlr die ersten Houmlhlenzeichnungen Sie erkannten dass sie mit unterschiedlichen Erdsorten farbig malen konnten Eisenoxidhaltige Erden liefern gelbrote bis braunrote Kalk und Gips weiszlige Mangan-oxide sowie Holz- und Knochenkohle schwarze Farbtoumlne

Aus heutiger industrieller Sicht ist ein Pigment ein fein aufgeteilter und unloumlslicher Feststoff mit der Hauptfunktion das Erscheinungsbild des verwendeten Mediums zu verbessern oder es zu faumlrben Pigmente werden dem Medium immer durch physikalisches Mischen beigegeben dies unterscheidet sie von Farbstoffen die in ihrem Medium loumlslich sind

Pigmente koumlnnen nach den optischen Prin-zipien ihrer Wechselwirkung mit Licht unter-schieden und in verschiedene Klassen eingeteilt werden Wichtige Pigmentklassen sind Weiszlig- Bunt- Schwarz- und Effektpigmente die alle wegen ihrer speziellen farbgebenden Eigenschaf-ten eingesetzt werden Bei den Effektpigmenten

kann in einer ersten vereinfachten Einteilung noch zwischen Metalleffekt- und den sogenannten speziellen Effektpigmenten unterschieden werden

Der Begriff bdquospezielle Effektpigmenteldquo umfasst die Gruppen der Perlglanzpigmente und der all-gemeinen Interferenzpigmente welche insbeson-dere bei aktuellen Pigmententwicklungen nicht scharf abgegrenzt werden koumlnnen Perlglanzpig-mente sind Effektpigmente die aus transparenten Plaumlttchen mit hohem Brechungsindex bestehen Sie erzeugen durch die spezielle Form der Mehr-fachreflexion des transmittierten Lichts an mehre-ren Pigmenten einen perlenaumlhnlichen Effekt bei dem die auftreffende Strahlung verteilt reflektiert wird wodurch der Eindruck einer mit der Tiefe abnehmenden diffusen Helligkeit entsteht Fuumlr das Auge ergibt sich so eine scheinbar dreidimen-sionale Glanzcharakteristik die aus der Tiefe des Objektes zu kommen scheint Interferenzpigmente dagegen sind Effektpigmente deren farbgebende Wirkung ganz oder vorwiegend auf dem Effekt der Vielstrahlinterferenz von Licht an duumlnnen hoch-brechenden Schichten beruht Interferenzpigmente koumlnnen dabei sowohl auf transparenten oder auch nichttransparenten Plaumlttchen basieren

Bild 1 a) Roadster mit ChromaFlairreg-Effektpigmentlackierung b) Verwaltungsgebaumlude in Braunschweig verkleidet mit Alucobondreg-spectra-colours-Verbundplatten c) Effektpigmente im Nagellack d) Pralineacute mit Effektpigmentuumlberzug

a

dc

bb

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Effektpigmente hellipPTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4

Die heute verwendeten Pigmente lassen sich somit grob in fuumlnf verschiedene Klassen einteilen

1) Weiszligpigmente Die Pigmente streuen das ge-samte auftreffende Licht nahezu verlustfrei in alle Richtungen durch diffuse ungerichtete Reflexion

2) Buntpigmente Die Pigmente streuen einen Teil des Lichtes diffus und absorbieren wellenlaumln-genselektiv einen anderen Teil des Lichtes

3) Schwarzpigmente Die Pigmente absorbieren alle Wellenlaumlngen des fuumlr das menschliche Auge sichtbaren Spektralbereiches

4) Metalleffektpigmente Die aus duumlnnen Metall-plaumlttchen vorwiegend Aluminium bestehen-den Metalleffektpigmente sind lichtundurch-laumlssig und reflektieren das gesamte auftreffende Licht durch spekulare gerichtete Reflexion Die Pigmentpartikel wirken dabei wie Mikrospie-gel und fuumlhren bei paralleler Ausrichtung im Anwendungsmedium zu einem spiegelnden Metallglanz dem Metallic-Effekt

5) Spezielle Effektpigmente Perlglanz- bzw Inter-ferenzpigmente deren optische Wirkung auf der Mehrfachreflexion an uumlberwiegend flaumlchig aus-gebildeten und ausgerichteten transparenten semitransparenten oder lichtundurchlaumlssigen Partikeln beruht

Weiszlig- Bunt- und auch Schwarzpigmente weisen typische Durchmesser im Bereich von 100 nm bis zu 1 microm auf Ihre Groumlszlige liegt damit zum Teil im Bereich der Wellenlaumlnge des sichtbaren Lichtes welches den Bereich von 380 nm bis 780 nm uumlberdeckt Einige Schwarzpigmente wie z B Ruszlig-pigmente liegen mit ihren Durchmessern jedoch auch zum Teil auch deutlich darunter Effektpig-mente besitzen dagegen Teilchendurchmesser die zumeist im Bereich von 5 microm bis 100 microm in einigen Faumlllen auch daruumlber liegen Sie sind damit bezuumlglich der mittleren Plaumlttchendurch-messer wesentlich groumlszliger als die Wellenlaumlnge des sichtbaren Lichtes Die Dicke der Plaumlttchen liegt von einigen Ausnahmen abgesehen unter 1 microm ebenso wie die Dicke der Interferenzschichten Demzufolge weisen Effektpigmente in der Regel ein hohes Aspektverhaumlltnis auf (Verhaumlltnis der lateralen Ausdehnung einer Struktur zu ihrer Houmlhe) welches bis zu 200 betragen kann

Interferenzpigmente ndash Wie die Farben entstehen

Die Farbe von Interferenzpigmenten haumlngt von der Schichtdicke der Metalloxidbeschichtung und dem Einstrahlungs- und Betrachtungswinkel ab Beide Parameter bestimmen die effektive optische Weg-

laumlngendifferenz fuumlr das einfallende weiszlige Licht zwischen oberer und unterer Grenzflaumlche und die somit auftretenden Interferenzfarben siehe Bild 3

Interferenzpigmente zeigen somit einen aus-gepraumlgten bdquoFarbflopldquo Die Winkelabhaumlngigkeit der Farbe wird hierbei auch als Goniochromasie bezeichnet Richtig bunt geht es zu wenn ein Interferenzpigment auf einen bereits bunten Untergrund aufgebracht wird Die Transparenz der Pigmente laumlsst die Untergrundfarbe durch-

Bild 2 Schematische Diagramme zum spektralen Verhalten verschiedener Pigmenttypen

Bild 3 Die Schichtdicke der Metalloxidbeschichtung und der kombinierte Einstrahlungs- und Betrachtungswinkel bestimmen die optische Weglaumlnge und somit die sich ergebenden Interferenzfarben in Reflexion und Transmission

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PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4Das Jahr des Lichtes

Bild 5 Die Effekte Spar-kling (1) und Coarseness (2) des Effektpigmentes Xirallicreg Crystal Silver in einer vergroumlszliger-ten Aufnahme auf weiszligem (links) und schwarzem Hinter-grund (rechts)

scheinen im Glanzwinkel wird sie aber von der Interferenzfarbe uumlberstrahlt wie dies in Bild 4 zu sehen ist

Der Effekt eines Helligkeitsunterschiedes unter verschiedenen Betrachtungswinkeln wird als Helligkeitsflop bezeichnet und ist an sich nichts Neues Sind jedoch die einzelnen Pigmentteilchen

aufgrund ihrer planaren Reflexionsoberflaumlchen in gerichteter Beleuchtung direkt beobachtbar was fuumlr mittlere Teilchengroumlszligen von 30 microm und groumlszliger der Fall ist so ergibt dies einen Effekt welcher mit dem Begriff Sparkle (Glitzern Funkeln) bezeichnet wird (Bild 5) Aumlndert sich die Beleuchtung von einer gerichteten Einstrahlung wie es an einem wolkenlosen sonnigen Sommertag der Fall ist hin zu einer diffusen ungerichteten Einstrahlung wie an einem stark bewoumllkten Herbsttag so verschwin-det das Sparkling der Pigmente und verwandelt sich in eine Koumlrnigkeit der Oberflaumlche Dieses optische Phaumlnomen wird als Coarseness (Bild-koumlrnigkeit) bezeichnet und ist unabhaumlngig vom Betrachtungswinkel (Bild 5)

Als neuer Archetypus des Sparkle-Begriffes haben sich in den letzten Jahren die Xirallicreg Pig-mente (High Chroma Chrystal Effect Pigments) der Firma Merck KGaA entwickelt Durch die Beschich-tung von Aluminiumoxidplaumlttchen mit hochbre-chenden Metalloxiden und einer optimierten Dicke und Ebenheit aller am Pigment beteiligten Schich-ten entstehen auszligergewoumlhnlich stark reflektierende Effektpigmente die einen besonders intensiven Sparkle-Effekt aufweisen Man spricht hierbei auch von sogenanntem Living Sparkle welcher sich in einem scheinbaren bdquoTanzenldquo der leuchtenden Punkte in der Probenoberflaumlche bei Veraumlnderung der Beobachtungsgeometrie aumluszligert [7 8]

Generell gilt dass die Farbe von Objekten mit Effektlackierung nicht mehr wie jahrzehntelang uumlblich und ausreichend mit konventionellen Farb-messgeraumlten mit nur einer festen Messgeometrie wie z B in der 45deg 0deg Geometrie (Einstrahlung unter 45deg Reflexionsmessung unter 0deg) bestimmt werden kann Dieser Umstand wird sehr gut durch die Grafik in Bild 6 illustriert Dargestellt sind die winkelabhaumlngig gemessenen Farbkoordinaten von drei verschiedenen keramischen Farbstandards der Farben rot gruumln und blau sowie eines mit dem Effektpigment Viola Fantasy der Firma Merck lackierten Blechs Der Einfallswinkel des Lichts auf die Proben betrug hierbei immer 45deg zur Oberflauml-chennormalen Das von den Proben reflektierte Licht wurde an 26 Positionen in einem 5deg Raster in planaren die Oberflaumlchennormale enthalten-den Messgeometrien im Winkelbereich von ndash70deg bis +70deg aufgenommen Bei den aus absorptiven Pigmenten bestehenden Keramiken zeigt sich eine nur sehr geringe Winkelabhaumlngigkeit der Farbe welche groumlszligtenteils auf unterschiedlicher winkelabhaumlngiger Helligkeit d h den Glanzeigen-schaften der Oberflaumlche beruht Das Effektpigment dagegen zeigt einen extremen winkelabhaumlngigen Farb-Flop (Goniochromasie) welcher einen Farbverlauf von Gruumln uumlber Rot-Gelb hin ins Blau-Violett bietet

Aber auch die neuen Lackfarben aus der Gruppe der Effektlackierungen muumlssen messtechnisch

Bild 4 Merck-Xirallicreg-Solaris-Red-Effektpigmente appliziert auf einem mit Standard-Ab-sorptionspigmenten hellblau lackierten Metallblech In Rich-tung des Glanzwin-kels auf der rechten Seite zeigt sich der langsame Aufbau der winkelabhaumlngigen Interferenzfarbe

1

Bild 6 CIELab Farbkoordinaten einer winkelabhaumlngigen Reflexionsmessung an vier verschiedenen Proben drei Keramiken der Farben rot gruumln blau und eine Effektpigmentlackierung mit Merck Colorstreamreg Viola Fantasy Das untergelegte Farbschema zeigt naumlherungsweise die den Koordinaten entsprechende Farbe

2

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Effektpigmente hellipPTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4

Abbildungsoptik Messungen der ortsaufgeloumlsten Leuchtdichte auf einer Laumlngenskala bis hinab zu 28 microm auf der zu untersuchenden Probe siehe Bild 8

Mit der Zeilenkamera sind Messungen von kompletten Reflexionsspektren im sichtbaren Spektralbereich zwischen 380 nm und 780 nm dem sogenannten V(λ)-Bereich auf einer Zeit-skala von 2 Minuten moumlglich Hieraus lassen sich dann Farbkoordinaten der untersuchten Proben in den unterschiedlichsten Farbraumsystemen berechnen Eine absolute Messung in 114 Win-kelkombinationen (siehe Bild 9) im Polarwinkel-

erfasst und ruumlckgefuumlhrt werden um eine gleich-bleibende Qualitaumlt in der Produktion gewaumlhrleis-ten zu koumlnnen Gerade diese vielfaumlltigen zusaumltz-lichen Eigenschaften stellen die Farbmesstechnik vor neue Herausforderungen

Farbmessung

Bisherige kommerzielle Farbmessgeraumlte charakte-risieren Probenoberflaumlchen fast ausschlieszliglich in den eben schon erwaumlhnten sogenannten in-plane Reflexionsgeometrien Dabei liegen die Richtun-gen des eingestrahlten und des reflektierten Lichts sowie die Oberflaumlchennormale der Probe in einer Ebene Diese Einschraumlnkung entspricht jedoch in keiner Weise der taumlglichen Realitaumlt bei der Oberflaumlchen aus beliebigen Richtungen beleuchtet und betrachtet werden Seitens der Messgeraumlteher-steller und Anwender gibt es daher einen Trend zur erweiterten Charakterisierung bezuumlglich zusaumltzlicher Winkelkombinationen im dreidimen-sionalen Raum Spitzenreiter dieser Entwicklung am Markt ist derzeit ein tragbares Mehrwinkel-Spektralphotometer mit insgesamt 19 verschie-denen Reflexionsgeometrien [9] Hiermit scheint aber auch das Ende dieser Entwicklung im Bereich der portablen handgefuumlhrten Geraumlte erreicht Der Wunsch der Anwender geht aktuell wieder zuruumlck zu einer geringeren Anzahl von Winkelkombi-nationen denn es ist unklar wie man aus dem Mehr an winkelaufgeloumlsten Reflexionsdaten die fuumlr die Charakterisierung der Farbeigenschaften relevanten Informationen gewinnen kann Daher stellt sich die Frage welches sind bdquoguteldquo d h an die Messaufgabe adaptierte optimal geeignete Messgeometrien

Um diese Frage zu beantworten betreibt die AG 424 bdquoReflexion und Transmissionldquo der PTB zwei roboterbasierte Gonioreflektometer die eine winkelaufgeloumlste Reflexionsmessung in beliebi-gen bidirektionalen Geometrien ermoumlglichen [10ndash12] Diese beiden Apparaturen sind in Bild 7 dargestellt

Das Standard-Gonioreflektometer ist hierbei das nationale Normal fuumlr die Messgroumlszlige spektraler Strahldichtefaktor in gerichteten Geometrien Es dient der Realisierung Bewahrung und Weiter-gabe der gerichteten Reflexionsskale in Form von Kalibrierungen Die zweite Apparatur bezeich-net mit dem Acronym ARGon3 (3D Appearance Robot-based Gonioreflectometer) ist ein flexibles Forschungsgeraumlt mit dem experimentelle Unter-suchungen u a im Rahmen des EMRP-Projektes Multidimensional Reflectometry for Industry der EU [13] durchgefuumlhrt werden Im Ver gleich zum Standard-Gonioreflektometer ist dieses Geraumlt mit einer photometrischen Leuchtdichteka-mera und einer Zeilenkamera ausgeruumlstet Die Leuchtdichtekamera erlaubt mit einer speziellen

Bild 7 Die beiden roboter-basierten Gonio-reflektometer der PTB oben Standard-Gonioreflektometer fuumlr Kundenkalibrie-rungen unten ARGon3-Messplatz fuumlr Forschungsanwen-dungen

Bild 8 Visualisierung desSparkling-Effektesvon Xironareg-Volcanic-Sparks-Pigmenten als Falschfarben-darstellung der ortsaufgeloumlsten LeuchtdichteDie bdquoNadelnldquo zeigendie Position derPigmente an

Bild 9 Beispielgeometrien zur Messung der winkelabhaumlngigen Reflexionseigen-schaften Realisiert wurden 4 Einstrah-lungsrichtungen (rote Pfeile) mit jeweils 114 Reflexionswinkeln (schwarze Punkte) im Bereich der Viertel-kugel oberhalb der Probenoberflaumlche

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PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4Das Jahr des Lichtes

bereich 0deg bis 70deg gleichmaumlszligig verteilt uumlber den Viertelraum oberhalb der Probe dauert hierbei ca 4 Stunden [14] Die so erhaltenen Daten bilden die Basis fuumlr kuumlnftige Verbesserungen in der Mess-technik fuumlr Anwender und Hersteller

Im Rahmen des EMRP-Projektes Multidimen-sional Reflectometry for Industry [13] sind damit die winkelabhaumlngigen Reflexionsspektren von insgesamt 66 verschiedenen Effektpigmentproben gemessen worden [15 16] Bei den vier verschie-denen Einstrahlungsrichtungen verbunden mit jeweils 114 Reflexionswinkeln im Bereich der Vier-telkugel oberhalb der Probenoberflaumlche ergeben sich somit uumlber 30000 Reflexionsspektren

Zielsetzung der Untersuchungen ist die Ver-besserung der Metrologie zur Materialcharak-terisierung mit reduzierter Messunsicherheit Dazu werden neue Messvorschriften und neue Standardmessartefakte entwickelt mit denen die Industrie die visuelle Wahrnehmung der von ihr produzierten Oberflaumlchen gezielt charakterisie-ren und kontrollieren kann Solche Messungen sollten einfach auszufuumlhren sein und die Ergeb-nisse muumlssen soweit wie moumlglich mit der visuellen menschlichen Wahrnehmung korrelieren Im europaumlischen und internationalen Rahmen sollen die Ergebnisse in die Normung einflieszligen um die allgemeine Vergleichbarkeit solcher Messungen zu gewaumlhrleisten

Literatur

[1] CS Henshilwood et al A 100000-Year-OldOchre-Processing Workshop at Blombos CaveSouth Africa Science Vol 334 No 6053 219ndash2222011

[2] Mark D Fairchild Color Appearance Models2nd Ed John Wiley amp Sons Ltd 2005

[3] Colorimetry Understanding the CIE Systemed by J Schanda Wiley-Interscience NJ 2007

[4] WR Cramer Der richtige Blickwinkel Farbe amp Lack 092006 26ndash30 2006

[5] G Zaltman How Customers Think EssentialInsights into the Mind of the Market HarvardBusiness Review Press 2003

[6] DIN ISO 18451-12015-11 Pigmente Farbstof-fe und Fuumlllstoffe ndash Begriffe ndash Teil 1 AllgemeineBegriffe

[7] WR Cramer Ohne Glimmer aber mit GlanzFarbe amp Lack 042003 132ndash136 2003

[8] WR Cramer Es glitzert wie am SternenhimmelFahrzeug + Karosserie 0412 20ndash22 2012

[9] E Kirchner W Cramer Making sense of measure-ment geometries for multi-angle spectrophotome-ters Color Res Appl Vol 37 No3 186ndash198 2012

[10] D Huumlnerhoff U Grusemann A Houmlpe Newrobot-based gonioreflectometer for measuringspectral diffuse reflection Metrologia 43 S11ndashS162006

[11] A Houmlpe D Huumlnerhoff K-O Hauer Robot-basedgonioreflectometer Industrial Robotics Program-ming Simulation and Applications Low Kin-Huat Ed Pro Literatur-Verlag Mammendorf623ndash632 2007

[12] A Houmlpe T Atamas D Huumlnerhoff S TeichertK-O Hauer ARGon3 ndash bdquo3D Appearance Robot-based Gonioreflectometerrdquo at PTB Rev SciInstrum 83(4) 045102-1ndash045102-8 2012

[13] European Metrology Research Program ProjectIND52 bdquoxD-Reflectldquo Multidimensional Reflecto-metry for Industry wwwxdreflecteu(letzter Aufruf 03122015)

[14] T Atamas K-O Hauer A Houmlpe Appearancemeasurements of goniochromatic colours Predic-ting Perceptions Proceedings of the 3rd Internati-onal Conference on Appearance 149ndash154 2012

[15] A Houmlpe A Koo FM Verdu FB LeloupG Obein et al bdquoMultidimensional reflectometryfor industryrdquo (xD-Reflect) an European researchproject Proc SPIE 9018 Measuring Modelingand Reproducing Material AppearanceSPIE-ISampT Vol 9018 901804-1ndash901804-11 2014

[16] A Houmlpe K-O Hauer S Teichert D HuumlnerhoffC Strothkaumlmper Goniochromatic and Sparkleproperties of effect pigmented samples in mul-tidimensional configuration Proc SPIE 9398Measuring Modeling and Reproducing MaterialAppearance 2015 SPIE Proc Vol 9398 Appea-rance 93980O-1ndash7 2015

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Die 50 Sitzung des Internationalen Komitees fuumlr das gesetzliche Messwesen (CIML) fand vom 20 bis 22 Oktober 2015 in Arcachon Frankreich statt Im Vorfeld der CIML-Sitzung fand ein ein-taumlgiges OIML-Seminar uumlber Countries and Econo-mies with Emerging Metrology Systems (CEEMS) statt uumlber das weiter unten berichtet wird

Das CIML ist der Lenkungsausschuss der OIML Es trifft sich jaumlhrlich und besteht aus je einem Repraumlsentanten der Mitgliedstaaten der korrespondierenden Mitglieder und den Vertre-tern internationaler und regionaler Organisa-tionen die als Beobachter teilnehmen koumlnnen Das CIML ist zustaumlndig fuumlr die Vorbereitung und Durchfuumlhrung der Entscheidungen der Konfe-renz die alle vier Jahre stattfindet Es uumlberwacht die Arbeiten der Technischen Komitees und Unterkomitees und des Internationalen Buumlros fuumlr das gesetzliche Messwesen (BIML) in Paris

An der 50 CIML-Sitzung nahmen 144 Teilneh-mer aus 43 Mitgliedstaaten und 13 korrespondie-renden Mitgliedstaaten teil Zur deutschen Dele-gation gehoumlrten neben den o g Autoren auch die Herren Johann Fischer Direktor des Landesamts fuumlr Mess- und Eichwesen Berlin-Brandenburg sowie Prof Olaf Kuumlhn Direktor des Thuumlringer Landesamts fuumlr Verbraucherschutz als Vertreter der Bundeslaumlnder Dr Peter Ulbig Leiter der Abteilung Wissenschaftlich-technische Quer-schnittsaufgaben der PTB und Prof Manfred Kochsiek Vizepraumlsident a D der PTB ehema-liger CIML-Praumlsident und Ehrenmitglied der OIML Frau Dr Anna Cypionka persoumlnliche Referentin des Praumlsidenten der PTB nahm am OIML-Seminar fuumlr CEEMS teil Vertreten waren auch wieder internationale und regionale Orga-nisationen zu denen die OIML Verbindungen unterhaumllt wie das Internationale Buumlro fuumlr Maszlig und Gewicht (BIPM) die GSO-GCC Standardiza-tion Organization (Saudi-Arabien) die Internatio-nal Laboratory Accreditation Cooperation (ILAC) und der Europaumlische Verband der Waagenherstel-ler (CECIP)

Alle Beschluumlsse der 50 CIML-Sitzung koumlnnen auf den Internetseiten der OIML aufgerufen werden [1 2]

Die wichtigsten Entscheidungen und Entwick-lungen werden nachfolgend vorgestellt

1 Personalangelegenheiten

Der Vertrag von Willem Kool als Assistant Director wurde um vier Jahre der Vertrag des BIML-Direk-tors Stephen Patoray um drei Jahre verlaumlngert

2 Einfuumlhrung des PG Workspace im Internet

In seinem Bericht im Zusammenhang mit der Etablierung des neuen Webauftritts der OIML hob der CIML-Praumlsident Peter Mason (UK) die erfolgreiche Einfuumlhrung des Workspace fuumlr Pro-jektgruppen hervor Durch die Online-Arbeit wird erwartet dass die technische Arbeit an neuen bzw zu revidierenden OIML-Dokumenten vereinfacht und insgesamt effizienter wird

3 Revision der technische Richtlinien fuumlr die OIML (B 6 Directives for OIML tech-nical work)

In einem neuen Projekt sollen die in den vergan-genen Jahren revidierten OIML-Richtlinien fuumlr die technische Arbeit erneut uumlberarbeitet werden um u a den Prozess der Entwicklung und Uumlber-arbeitung von OIML-Publikationen noch weiter zu beschleunigen und den neuen internetbasierten Technologien und Arbeitsweisen Rechnung zu tragen

4 Umfassende strukturelle Uumlberarbeitung des OIML Certificate System

Das CIML verabschiedete die Gruumlndung einer Projektgruppe mit der Aufgabe einer substan-ziellen Uumlberarbeitung des OIML-Zertifizierungs-systems das z Zt aus dem Basiszertifizierungs-system und dem MAA3 besteht Urspruumlnglich ausgehend von der Annahme die Akzeptanz des MAA-Zertifizierungssystem muumlsse verstaumlrkt werden eine groumlszligere Verbreitung finden und mehr Messgeraumltearten abdecken erscheint es

Aktuelles aus der OIML (Internationale Organisation fuumlr das Gesetzliche Messwesen)Bericht uumlber die 50 Sitzung des CIML in Arcachon FrankreichSusanne Ludwig Roman Schwartz

INTERNATIONALE ZUSAMMENARBEIT

Susanne Ludwig OIMLshyGeschaumlftsstelle der PTB EshyMail susanneludwigptbde

Dir u Prof Dr Roman Schwartz Vizepraumlsident der PTB deutsches Mitglied im Internashytionalen Komitee fuumlr das Gesetzliche Messwesen (CIML) und CIMLshyVizepraumlsishydent EshyMail romanschwartzptbde

3 Mutual Acceptance Arrangement (Abshykommen zur gegenshyseitigen Anerkennung von Bauartpruumlfungen)

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PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4Internationale Zusammenarbeit

inzwischen sinnvoller und wurde so auch vom CIML beschlossen zum 112017 ein einziges OIML-Zertifizierungssystem einzufuumlhren Eine Projektgruppe (Certification System Project Group = CSPG) unter dem Vorsitz des CIML-Vizepraumlsi-denten Dr Roman Schwartz wurde damit beauf-tragt die notwendigen Dokumente und Prozedu-ren auszuarbeiten

5 OIML-Seminar fuumlr Countries and Economies with Emerging Metrology Systems (CEEMS)

Im Vorfeld der CIML-Sitzung wurde ein eintaumlgiges Seminar zum Thema Developing an OIML Package for Assistance to Countries with Emerging Metro-logy Systems (CEEMS) abgehalten In vier Sitzun-gen diskutierten 125 Teilnehmer aus 49 Laumlndern uumlber Moumlglichkeiten Laumlnder beim Aufbau von nationalen Metrologiesystemen zu unterstuumltzen In der ersten von Frau Dr Cypionka geleiteten Sitzung Capacity Building ging es um die allge-meinen Herausforderungen bei der Gestaltung von Programmen zur Foumlrderung von Handlungs-kompetenzen und Vermittlung von Wissen fuumlr die Metrologie In zwei weiteren Sitzungen wurden unter den Themen Helping CEEMS Improve Regulation in their Markets (Leitung Prof Dr Manfred Kochsiek) und New Ideas ndash Doing Legal Metrology Differently (Leitung Stuart Carstens

Suumldafrika) konkrete inhaltliche Loumlsungsvorschlaumlge vorgestellt und diskutiert Die Ergebnisse wurden in der 50 CIML-Sitzung vorgestellt und fanden ihren Niederschlag in der Resolution Nr 201510 [2] sie sollen auch noch auf den OIML-Webseiten veroumlffentlicht werden [1]

6 OIML-Publikationen

Folgende OIML-Publikationen wurden verabschiedet

R 139-3 Compressed gaseous fuels measuring systems for vehicles Part 3 Test report format

New Recommendation (R 145) Ophthalmic instru-ments mdash Impression and applanation tonometers

Alle OIML-Publikationen stehen im Internet frei zur Verfuumlgung [3]

Gleichzeitig wurde die Revision der folgenden OIML-Publikation beschlossen

Revision of R 79 Labeling requirements for prepackages

Folgende neue Projekte wurden verabschiedet

Revision des OIML-Dokuments B 6-1 Directives for OIML technical work

Bild 1 Teilnehmer der 50 Sitzung des Internationalen Komitees fuumlr Gesetz-liches Messwesen (CIML) in Arcachon Frankreich

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PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4 Aktuelles aus der OIML

TC 8SC 1 Revision R 71 Fixed storage tanks mdash General requirements

TC 8SC 1 Revision R 85 Automatic level gauges for measuring the level of liquid in stationary storage tanks

7 Personalien und Ehrungen

Die von Dr Seiler dem ehemaligen Leiter des Fachbereichs bdquoTechnische Zusammenarbeitldquo der PTB initiierte OIML-Auszeichnung fuumlr bdquoexzel-lente Beitraumlge von Entwicklungslaumlndern zum gesetzlichen Messwesenldquo ging in diesem Jahr an

bull Nam Hyuk Lim Director of Korea Testing Certi-fication und

bull The Metrology Department Saint Lucia Bureau of Standards

Die OIML-Medaille fuumlr besondere Verdienste um die OIML-Arbeit ging an Ngo Quy Viet Vietnam und Cartaxo Reis aus Portugal

8 Termine

Ein Gastgeberland fuumlr die 51 CIML-Sitzung und 15 OIML-Konferenz im Jahr 2016 konnte noch nicht bekannt gegeben werden es wird aber wahr-scheinlich wieder Frankreich sein Weitere OIML-Veranstaltungen und -Termine finden sich auf der OIML-Webseite unter [4]

9 Literatur

[1] httpswwwoimlorgen (letzter Aufruf 19112015)

[2] httpswwwoimlorgenstructurecimlpdf50-ciml-resolutions-englishpdf (letzter Aufruf 19112015)

[3] httpswwwoimlorgenpublicationsrecommen-dationspublication_viewp_type=1ampp_status=1

[4] (letzter Aufruf 19112015)[5] httpswwwoimlorgeneventscalendar

(letzter Aufruf 19112015)

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TECHNOLOGIETRANSFER

E27-Scanner fuumlr UlbrichtkugelnMit dem besonders einfach ohne Umbau einsetzbaren E27-Scanner koumlnnen Anwender und Hersteller die Homogenitaumlt ihrer Ulbricht-kugeln bestimmen und die Ergebnisse zur Berechnung genauerer Lichtstroumlme und zur Dokumentation der Qualitaumlt ihrer Messungen nutzen

Hintergrund

Wie viel Licht eine Lampe insgesamt in alle Richtungen abstrahlt wird durch ihren Lichtstrom ausgedruumlckt Um den fuumlr die Bestimmung der Energieeffizienz von Lampen notwendigen Lichtstrom schnell zu er mitteln setzt die Lampenindustrie Ulbrichtkugeln ein An einer Stange in der Mitte der Ulbrichtkugel befindet sich eine E27-Lampen-fassung in die nacheinander die Lichtstrom-Normallampe und die zu kalibrierende Lampe eingeschraubt werden Das indirekt auf den Mess-kopf fallende Licht erzeugt einen Photostrom der im Idealfall propor-tional zu dem von der Lampe abgestrahlten Lichtstrom ist unabhaumlngig von der Richtung in die das Licht abgestrahlt wird

Dies ist jedoch bei einer ungleichmaumlszligigen Beschichtung der Kugel sowie bei einer im Laufe der Zeit nicht zu verhindernden Verstaubung nicht der Fall Deshalb wird mit einem Kugelscanner die Homogenitaumlt der Kugel regelmaumlszligig vermessen und ein Korrekturfaktor bestimmt der von der jeweiligen Abstrahlcharakteristik der zu untersuchenden Lampe abhaumlngt

Technische Beschreibung

Der Kugelscanner wird einfach in eine E27-Fassung geschraubt und das sonst fuumlr die Lampenversorgung eingesetzte Netzgeraumlt wird durch die Steuereinheit ersetzt Diese uumlbernimmt sowohl die elektrische Versor-gung als auch die Befehlsuumlbermittlung zum Kugelscanner Die Steuer-einheit wird via USB oder RS232 an einen Computer angeschlossen Das mitgelieferte Messprogramm stellt automatisiert alle gewuumlnschten Richtungen ein und speichert die zugehoumlrigen von der Steuereinheit gemessenen Photostroumlme des Photometers

Wirtschaftliche Bedeutungw

Fuumlr Lampenindustrie und Hersteller von Ulbrichtkugeln

bull Genauere Messung des Lichtstroms

bull Bestimmung des Zeitpunkts einer Neubeschichtung

bull Uumlberwachung beim Beschichten

bull Dokumentation des Zustands der Ulbrichtkugel

EntwicklungsstandDer E27-Kugelscanner wurde in der PTB entwickelt Er wird laufend fuumlr Kalibrierungen eingesetzt Die Technologie wurde an die Firma Czibula amp Grundmann transferiert und wird dort mit einer PTB-Lizenz gebaut und vertrieben wwwphoto-metercom

Ansprechpartner

Dr Bernhard SmandekBeauftragter fuumlr TechnologietransferTelefon +49 531 592shy8303Telefax +49 531 592shy69shy8303EshyMail technologietransferptbde

Dr Stefan WinterFachbereich Photometrie und Radiometrie

Abbildung des E27shyKugelscanners Eine stark fokussierende Lampe die computergesteuert in alle Richtungen leuchten kann

Vorteile

bull Schneller Einbau in E27shyFassung

bull Computergesteuertes Abscannen der gesamten Ulbrichtkugel

bull Flexible Messmoumlglichkeiten

bull Fuumlr genauere Lichtstromshymessungen

bull Wichtig fuumlr die Qualitaumltsshysicherung

PTBshyNummer 0172

wwwtechnologietransferptbde

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PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4 Technologieangebote

Ansprechpartner

Dr Bernhard SmandekBeauftragter fuumlr TechnologietransferTelefon +49 531 592shy8303Telefax +49 531 592shy69shy8303EshyMail technologietransferptbde

Dr Stefan WinterArbeitsgruppe Solarzellen

PulsshyzushyCWshyKonverter

Umwandlung gepulster Laser-Strahlung in konstante StrahlungIn weiten Bereichen der optischen Metrologie ist eine Strahlungs-quelle von groszligem Nutzen die sich spektral vom UV-C bis ins mitt-lere IR durchstimmen laumlsst Lediglich Laser mit gepulster Strahlung erfuumlllen diese Anforderung bei ausreichend groszligem Ausgangssignal bisher luumlckenlos Femtosekunden-Lasersysteme waumlren aufgrund ihrer gut automatisierbaren und spektral weiten Durchstimmbarkeit die ideale Strahlungsquelle fuumlr z B radiometrische Anwendungen ndash wenn ihre Strahlung nicht gepulst waumlre

Durch das extreme Puls-Pausen-Verhaumlltnis von 10ndash5 entstehen hohe Spitzenleistungen die wiederum zu Saumlttigungseffekten bei Detek-toren und in der Folge zu nichtlinearem Verhalten fuumlhren koumlnnen Mit dem in der PTB entwickelten Puls-zu-CW-Konverter wird dieses Problem geloumlst

Technische Beschreibung

Bei dieser Methode werden Pulse gepulster Strahlungsquellen ausrei-chend hoher Repetitionsrate in CW-Strahlung umgewandelt Dabei wird jeder Puls in viele kleine Teilpulse aufgeteilt die auf unterschiedlich langen Wegstrecken unterschiedliche Laufzeiten erfahren Am Ausgang des Systems erscheinen sie dann zeitlich gleichmaumlszligig verteilt Realisiert wird dieser Puls-zu-CW-Konverter uumlber ein Glasfaserbuumlndel bei dem jede Einzelglasfaser eine individuell festgelegte Laumlnge besitzt

Mit der Entwicklung des Puls-zu-CW-Konverters wurde das ent-scheidende Manko beim Einsatz leistungsstarker Femtosekunden(fs)-Lasersysteme im Bereich der Metrologie beseitigt und erstmalig gepulste Laserstrahlung in CW-Strahlung umgewandelt Diese Neuentwicklung ermoumlglicht es nun herkoumlmmliche Monochromatorsysteme durch fs-Lasersysteme zu ersetzen die eine bis zu 1000-mal houmlhere spektrale Ausgangsleistung besitzen

Wirtschaftliche Bedeutung

Durch den neuen Puls-zu-CW-Converter koumlnnen in wirtschaftlich bedeutenden Bereichen wie z B der Photovoltaik der Photometrie der UV-Strahlungsmesstechnik und der Reflektometrie die Referenz- und Transfernormale mit einer deutlich reduzierten Messunsicherheit kali-briert werden Hier werden bislang wesentliche Messunsicherheitsan-teile durch zu geringe Strahlungsleistungen aus herkoumlmmlichen Mono-chromatorsystemen verursacht

Entwicklungsstand

Unter DE 10 2010 011 615 B4 wurde fuumlr den CW-Konverter ein Patent erteilt

Vorteile

bull Zeitliche Glaumlttung gepulster Laserstrahlung

bull Keine stoumlrenden Interferenzen

bull Nur minimale Absorption des Messsignals

bull Auch bei kuumlrzeren Wellenshylaumlngen ohne Ulbrichtkugel verwendbar

bull Kontinuierliche Verteilung des Ausgangspulses

bull Pulsvervielfachung

bull Houmlhere Strahlungsleistung

PTBshyNummer 0254

wwwtechnologietransferptbde

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Homogenisierung von Strahlungsquellen und Focal Plane Arrays (FPA)Ein neuartiges Verfahren ermoumlglicht softwaregestuumltzt eine deutlich verbesserte Kalibrierung von Mehrelement-Sensoren (FPA) und bildgebenden Systemen (Kameras) Bei flaumlchigen Strahlungsquellen kann zusaumltzlich eine gezielte Ansteuerung von Flaumlchenelementen zu einer bisher im Allgemeinen nicht erreichbaren Flaumlchenhomogenitaumlt fuumlhren

Technische Beschreibung

Flaumlchenstrahler dienen der Kalibrierung von ortsaufloumlsenden Strah-lungssensoren wobei davon ausgegangen wird dass die Emissionsflaumlche des Strahlers im Wesentlichen homogen bezuumlglich ihrer Strahldichte bzw Strahlungstemperatur ist Um kleine Inhomogenitaumlten eines Flaumlchenstrahlers zu charakterisieren ist es ein gaumlngiges Verfahren die Emissionsflaumlche punktweise mit einem Einzeldetektor abzutasten

Das neue PTB-Verfahren ist wesentlich schneller da es den Mehr-element-Sensor (FPA) das device-under-test selbst nutzt und damit immer ein Gesamtbild der Quelle aufnimmt Werden jetzt weitere Bilder zeilen- oder spaltenversetzt aufgenommen so erlaubt ein mathema-tischer Algorithmus bei nur drei Bildern eine komplette Charakterisie-rung des Sensors aber auch der Quelle

Sind Flaumlchenelemente der Strahlungsquelle einzeln ansteuerbar so ist es sogar moumlglich mittels der ermittelten Korrekturwerte zu Strahlquellen extrem hoher Homogenitaumlt im on-line-Betrieb zu gelangen

Wirtschaftliche Bedeutung

Bildgebende Strahlungssensoren und homogene Strahlungsquellen sind relevant fuumlr die Forschung und Entwicklung fuumlr die Prozesstechnik fuumlr die Charakterisierung der Energieeffizienz von Bauten bei der Ent-wicklung neuer Bauteile mit hoher thermischer Belastung und in vielen weiteren Bereichen Der mathematische Algorithmus ist aber auf unter-schiedliche Arten von Kamerasystemen anwendbar und damit auch fuumlr die Qualitaumltssicherung von CCD-Kameras bis hin zum Konsumguuml-termarkt anwendbar EntwicklungsstandEine deutsche Patenterteilung erfolgte im September 2015 Eine PCT-Anmeldung ist anhaumlngig Kooperations- und Lizenzpartner aus den Bereichen Thermografie Radiometrie und Photometrie zur Umsetzung des Konzeptes werden gesucht

Ansprechpartner

Dr Bernhard SmandekBeauftragter fuumlr TechnologietransferTelefon +49 531 592shy8303Telefax +49 531 592shy69shy8303EshyMail technologietransferptbde

DiplshyIng Berndt GutschwagerArbeitsgruppeInfrarotshyStrahlungsthermometrie

Stahlungsmessplatz der PTB zur Kalibrierung von Temperaturstrahlern und Waumlrmebildkashymeras

Vorteile

bull Schnelle Kalibrierung von Flaumlchensensoren (FPA)

bull Schnelle Kalibrierung von Flaumlchenstrahlern

bull Strahlquellen houmlchster Hoshymogenitaumlt

bull Fuumlr Thermografie und Phoshytometrie

PTBshyNummer 00374

wwwtechnologietransferptbde

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Printed in Germany ISSN 0030-834X

Die fachlichen Aufsaumltze aus dieser Ausgabe der PTB-Mitteilungen sind auch online verfuumlgbar unterdoi 10779531020150499

Die Physikalisch-Technische Bundesanstalt das nationale Metrologieinstitut ist eine wissenschaftlich-technische Bundesoberbehoumlrde im Geschaumlftsbereich des Bundesministeriums fuumlr Wirtschaft und Energie

mitteilungen

Impressum

Die PTB-Mitteilungen sind metrologisches Fachjournal der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt Braunschweig und Berlin Als Fachjournal veroumlffentlichen die PTB- Mitteilungen wissenschaftliche Fachaufsaumltze zu metrologischen Themen aus den Arbeitsgebieten der PTB Die PTB-Mitteilungen stehen in einer langen Tradition die bis zu den Anfaumlngen der Physikalisch-Technischen Reichsanstalt (gegruumlndet 1887) zuruumlckreicht

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Physikalisch-Technische BundesanstaltBraunschweig und BerlinNationales Metrologieinstitut

Die Physikalisch-Technische Bundesanstalt das nationale Metrologieinstitut ist eine wissenschaftlich-technische Bundesoberbehoumlrde im Geschaumlftsbereich des Bundesministeriums fuumlr Wirtschaft und Energie

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PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4Das Jahr des Lichtes

Pastellfarbtoumlne oder auch weiszliges LichtIn Bild 2 sind die spektralen Verteilungen einer

LED mit und ohne Leuchtstoff abgebildet In der linken Abbildung erkennt man die schmalbandige blaue Emission des LED-Chips In der rechten Abbildung wird ein Teil dieser Strahlung durch einen Leuchtstoff in laumlngerwelliges Licht konver-tiert und die Mischfarbe erscheint weiszlig

Der Vorteil einer LED gegenuumlber einer Gluumlh-lampe bezuumlglich der Lichtausbeute ist offensicht-lich Es wird ndash von unvermeidbarer thermischer Verlustleistung abgesehen ndash nur Strahlung im sichtbaren Wellenlaumlngenbereich emittiert Daruumlber hinaus ist die Farbe des Lichts von LEDs durch Kombination verschiedener Leuchtstoffe und LEDs nahezu beliebig einstellbar und man ist nicht auf aumlhnlichste Farbtemperaturen von ca 3000 K wie bei der Gluumlhlampe begrenzt

Allerdings gibt es auch Nachteile gegenuumlber dem Licht einer Gluumlhlampe Dem typischen Spektrum einer LED-Lichtquelle fehlen im Gegensatz zu Sonnenlicht oder Gluumlhlampenlicht einzelne Spekt-ralfarben Dies macht sich negativ bei der Qualitaumlt der Farbwiedergabe bemerkbar

Die Farbe des emittierten Lichts einer LED laumlsst sich durch additive Farbmischung sehr aumlhnlich zu Sonnenlicht oder auch Gluumlhlampenlicht einstellen Wenn jedoch Objekte mit Licht beleuchtet werden kommt es auch auf die spektrale Zusammensetzung des Lichts an Nehmen wir einen Blumenstrauszlig aus roten Rosen der im Tageslicht steht Im Son-nenlicht sind alle Spektralfarben vorhanden und diese beleuchten die Rosen Die roten Bluumltenblaumltter absorbieren einige spektrale Anteile des Lichts und reflektieren im Wesentlichen rotes Licht welches in das Auge des Betrachters faumlllt Wenn die Rosen von einer anderen Lichtquelle beleuchtet werden in der die roten Spektralanteile zumindest teilweise fehlen koumlnnen diese nicht reflektiert werden und die Farben der Rosen erscheinen unnatuumlrlich

Dies ist von weitreichender Bedeutung fuumlr die Wahl einer geeigneten Lichtquelle da wir einen Kompromiss aus Licht mit guter Farbwieder-gabe und hoher Lichtausbeute schlieszligen muumlssen Licht mit hoher Farbwiedergabe setzt sich aus moumlglichst vielen Spektralfarben zusammen und Lichtquellen mit hoher Lichtausbeute sollten nur Spektralfarben beinhalten fuumlr die das menschliche Auge besonders empfindlich ist In den Auszligenbe-zirken vieler Staumldte werden zur Nachtbeleuchtung der Gehwege haumlufig Natriumdampflampen mit orangefarbenem Licht eingesetzt Die Lichtaus-beute dieser Lampen ist mit etwa 150 lmW auszligerordentlich hoch da das menschliche Auge in diesem Spektralbereich sehr empfindlich ist Diese Beleuchtung ist jedoch ungeeignet um Farben natuumlrlich wiederzugeben Aufgrund des Aufbaus des menschlichen Auges ist es also nicht moumlglich eine Beleuchtung mit sehr hoher Qualitaumlt der Farbwiedergabe bei gleichzeitig sehr hoher Lichtausbeute zu realisieren

Weiszlige LEDs zur Allgemeinbeleuchtung nutzen in der Regel Leuchtstoffe die teilweise qualita-tiv hochwertige Farbwiedergabeeigenschaften besitzen Eine weitere Methode zur Erzeugung von weiszligem Licht ist das Mischen von rotem gruumlnem und blauem Licht (RGB-Verfahren) welches die Grundlage jedes Displays ist Hierbei sind neben weiszligem Licht auch andere Lichtfarben moumlglich ndash die Farbwiedergabeeigenschaften sind allerdings schlecht Fuumlr die Endverbraucher sind in der Regel die Farbwiedergabeeigenschaften von Lichtquellen als Ra-Werte auf der Verpackung angegeben

Organische Licht Emittierende Dioden (OLED) sind eine junge Beleuchtungstechnologie die noch keinen Zugang zum Massenmarkt erhalten hat Die weltweit erste kommerzielle OLED-Leuchte wurde 2008 vertrieben Der fuumlr den Nutzer wesentliche Unterschied zwischen OLEDs und LEDs besteht im Aufbau Der leuchtende Kristall

Bild 2 Spektrale Verteilung einer blauen LED (links) und einer weiszligen LED (rechts) bei der ein Teil des blauen Lichts zu gelbem Licht konvertiert wurde

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PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4 Metrologie fuumlr moderne Lichtquellen

anorganischer LEDs besitzt eine maximale Kan-tenlaumlnge von etwa einem Millimeter Bei OLEDs wird das Licht in groszligflaumlchigen amorphen organi-schen Schichten erzeugt Momentan sind OLEDs mit leuchtenden Flaumlchen von bis zu 20 x 20 cmsup2 erhaumlltlich Das Licht wird aumlhnlich wie bei LEDs durch Ladungstraumlgerrekombination unter Auftre-ten von Elektrolumineszenz erzeugt Dabei ist das Emissionsspektrum der verwendeten organischen Emittermaterialien wesentlich breitbandiger als das einer LED (vgl Bild 3) Daher wird das weiszlige Licht von OLEDs in der Regel durch Verwendung von roten gruumlnen und blauen Emittermaterialien erzeugt ohne dass die Farbwiedergabeeigenschaf-ten sehr stark darunter leiden

2 Entwicklung von (O)LED-Transfer-normalen in der PTB

Eine der Kernaufgaben der PTB ist die Weiter-gabe der gesetzlichen Einheiten Bis zum heuti-gen Tage bieten Transfernormale in Form von speziellen Gluumlhlampen die besten Eigenschaften um als Maszligverkoumlrperung der Einheiten Candela oder Lumen zu dienen Da der Anwender in der Regel jedoch die Substitutionsmethode bei seinen Messungen anwendet um notwendige Korrektu-ren auf ein Minimum zu reduzieren (Gleiches mit Gleichem vergleichen) sind auch Transfernormale auf Basis der LED-Technologie von Interesse

Bereits in den 80er-Jahren des vergangenen Jahr-hunderts wurden LEDs in der PTB kalibriert Diese waren fuumlr Beleuchtungszwecke noch ungeeignet und dienten lediglich als Signallampen Zeitgleich wurden die ersten PTB-LED-Transfernormale entwickelt deren optische Eigenschaften durch thermische Regelung des LED-Chips stabilisiert wurden Die mechanische Ausrichtung der LEDs leistet aufgrund des typischerweise stark gerichteten Abstrahlprofils der LEDs einen groszligen Beitrag auf die Messunsicherheit Daher werden die LEDs seit

2002 in ein rotationssymmetrisches robustes VA-Stahl-Gehaumluse eingebaut welches sich sehr repro-duzierbar ausrichten laumlsst (vgl Bild 4)

Diese Transfernormale werden unter Konstant-Strom-Bedingungen und ndash durch gezieltes Aufhei-zen des LED-Chips durch den Heizwiderstand ndash unter Konstant-Spannung-Bedingungen betrieben Aufgrund der halbleitenden Eigenschaften sinkt mit steigender Temperatur die Betriebsspannung und sowohl der Lichtstrom als auch die Peakwellenlaumlnge des emittierten Lichts veraumlndert sich Die Sollspan-nung wird auf einen Wert festgelegt der unterhalb der Gleichgewichtsspannung durch Eigenerwaumlr-mung im Betrieb ohne Heizwiderstand bei einer Umgebungstemperatur von etwa 35 degC liegt Somit ist auch ein Einsatz der Transfernormale in Laboren ohne Klimatisierung moumlglich

Fuumlr LEDs mit houmlheren Leistungen wurde im Jahr 2011 ein weiterer Prototyp eines Transfernormals vorgestellt (vgl Bild 5) Da die hier verwendeten LEDs eine houmlhere Leistungsaufnahme besitzen werden sie waumlrmer Das reduziert die Lebensdauer und Reproduzierbarkeit der photometrischen

Bild 3 Exemplarische spektrale Verteilung einer weiszligen OLED

Bild 4 Temperaturgeregeltes LED-Transfernormal auf Basis von Kleinleistungs-LEDs mit Lichtstroumlmen von bis zu 10 Lumen

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PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4Das Jahr des Lichtes

Groumlszligen deutlich Daher muumlssen sie gekuumlhlt werden Hierfuumlr kommt bei diesen Normalen ein Peltier-Element zum Einsatz welches geregelt Waumlrme in einen dahinterliegenden Kuumlhlkoumlrper leitet und hierdurch das emittierte Licht stabilisiert Diese Transfernormale zeichnen sich durch ein geringes

Gewicht bei einer Laumlnge von ca 100 mm und einem Durchmesser von etwa 20 mm aus Allerdings ist die Verwendung von LEDs mit sehr hohen Leistun-gen nicht moumlglich da die Abwaumlrme lediglich passiv an den Raum abgegeben wird Eine detaillierte Beschreibung der Eigenschaften dieses Transfer-normals wurde 2012 veroumlffentlicht [2]

Fuumlr die thermische Stabilisierung von LEDs mit sehr hohen Leistungen wurde ein weiteres Trans-fernormal unter Einsatz von Peltier-Elementen Heatpipes und aktivem Kuumlhlsystem in der PTB entwickelt (vgl Bild 6)

Im Rahmen des europaumlischen Forschungspro-jekts OLED100eu wurde in der PTB weiterhin das weltweit erste Transfernormal unter Einsatz einer organischen Leuchtdiode entwickelt (vgl Bild 7) Dieses Normal wurde fuumlr den Einsatz in einer Ulbricht-Kugel konzipiert und in ein mattes Aluminiumgehaumluse eingebaut Eine Besonderheit dieses Normals ist die Stand-Alone-Versorgungs-einheit die ohne Rechner o auml saumlmtliche relevan-ten elektrischen und thermischen Groumlszligen regelt und auf einem USB-Stick speichert

3 LED-Messtechnik in der PTB

Neben LED-Transfernormalen mit guter Reprodu-zierbarkeit ist eine hochentwickelte Messtechnik fuumlr deren Kalibrierung mit minimaler Messunsi-cherheit erforderlich

Die photometrische Beschreibung von LEDs erfolgt durch Angabe ihrer Lichtstaumlrke ILED mit der Einheit Candela und ihrem Lichtstrom ΦLED mit der Einheit Lumen Diese Groumlszligen werden in der PTB unter Verwendung ruumlckgefuumlhrter Photometer bestimmt Hierfuumlr wird die Beleuchtungsstaumlrke ELED unter definierten geometrischen Bedingungen fuumlr alle Abstrahlrichtungen der LED mit einem Goniophotometer gemessen

Fuumlr die Bestimmung der colorimetrischen Werte kommen Spektralradiometer zum Einsatz Hiermit werden spektrale Bestrahlungsstaumlrken gemessen und daraus die abgeleiteten colorime-

Bild 5 Temperaturgeregeltes LED-Transfernormal auf Basis von Hochleistungs-LEDs mit Lichtstroumlmen von bis zu 100 Lumen Im rechten Bild ist die Temperaturverteilung in Grad Celsius waumlhrend des Betriebs abgebildet

Bild 6 Temperaturgeregeltes LED-Transfernormal auf Basis von Houmlchstleistungs-LEDs mit Lichtstroumlmen von bis zu 2500 Lumen

Bild 7 Temperaturgeregeltes OLED-Transfernormal auf Basis kommerziell erhaumlltlicher OLEDs

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PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4 Metrologie fuumlr moderne Lichtquellen

trischen Kenngroumlszligen wie z B die Normfarb-wertanteile (x y) bei weiszligen LEDs die aumlhnlichste Farbtemperatur TN mit der Einheit Kelvin und bei farbigen LEDs die dominante Wellenlaumlnge λdom berechnet Grundlegende Informationen und Definitionen uumlber die photometrischen und colorimetrischen Groumlszligen und deren Messung sind in [3] [4] und [5] zu finden

In Bild 8 ist der Aufbau des LED-Messplatzes an der PTB zu sehen Fuumlr die Bestimmung der Mess-groumlszligen in alle raumlumlichen Abstrahlwinkel wird die LED durch ein Goniophotometer bewegt

Die LED wird in horizontaler Betriebslage zentrisch normal zur Referenzebene des Photo-meterkopfes ausgerichtet Ein Translationstisch ermoumlglicht dabei eine Variation des Abstandes d zwischen Photometer und LED Eine horizontale Rotationsachse (φ-Achse) und eine senkrechte Rotationsachse (ϑ-Achse) die sich an der LED-Spitze im rechten Winkel schneiden erlauben durch Drehung der LED eine Bestimmung der Beleuchtungsstaumlrke ELED in alle Raumrichtungen Beide Rotationsachsen werden waumlhrend der Messung zeitgleich bewegt Hierdurch bewegt sich die relative Position der lichtempfindlichen Emp-faumlngeroumlffnung bezuumlglich des Schnittpunkts beider Drehachsen auf der Oberflaumlche einer virtuellen Kugel entlang einer Spiralbahn von bdquoPol zu Polldquo dieser Kugel

Die Bestimmung des Lichtstroms ΦLED erfolgt analog der Beschreibung in dem Kapitel Kurze Geschichte der Goniophotometrie in der PTB Der wesentliche Unterschied zu goniophotome-trischen Messungen an Gluumlhlampen besteht darin dass bei LED-Messungen die Lichtquelle typischerweise bewegt werden kann ohne dass sich ihre optischen Eigenschaften aumlndernAufgrund des stetig wachsenden Bedarfs an ruumlck-gefuumlhrten Kalibrierungen von High-Power-LEDs sind Masse und Abmessungen der Transfernor-male erheblich gestiegen Daher wurde der Mess-platz 2015 um ein weiteres Goniophotometer fuumlr schwere und groszlige Objekte erweitert (vgl Bild 9)

Neben den photometrischen Empfaumlngern befinden sich auch Einkoppeloptiken fuumlr Spekt-ralradiometer auf dem drehbaren Empfaumlngerka-russell Alle Empfaumlnger lassen sich hiermit auto-matisiert waumlhrend einer Messung zu den LEDs ausrichten Vor jeder LED-Kalibrierung werden die Spektralradiometer bezuumlglich Ihrer spektralen Empfindlichkeit und Wellenlaumlnge kalibriert Die entsprechenden Normallampen befinden sich neben dem Empfaumlngerkarussell (vgl Bild 10) und ermoumlglichen so ebenfalls eine automatisierte Messung

Den spektralen Messungen an LEDs kommt neben der Notwendigkeit fuumlr die Bestimmung colorimetrischer Kennzahlen noch eine beson-dere Bedeutung fuumlr die photometrischen Messun-

Bild 9 Goniophotometer fuumlr photometrische Messungen an Hochleistungs-LEDs

Bild 10 Entladungslampen mit verschiedenen Gasfuumlllungen dienen der Wellenlaumlngenka-librierung der Spektrometer Im Hintergrund ist eine Bestrahlungsstaumlrke-Normal-lampe fuumlr die spektrale Empfindlichkeitskalibrierung zu sehen

Bild 8 Goniophotometer fuumlr photometrische Messungen an Kleinleistungs-LEDs

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PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4Das Jahr des Lichtes

gen zu Wie in der Einleitung erklaumlrt unterscheiden sich die spektralen Verteilungen von LEDs und Gluumlhlampen deutlich voneinander Photometerkoumlpfe bestehen in der Regel aus einer Silizium-Photodiode deren spektrale Empfindlichkeit durch den Einsatz von Glasfiltern moumlglichst gut an den Hellemp-findlichkeitsgrad V(λ) angepasst wird Aufgrund internationaler Standardisierung wird die photo-metrische Empfindlichkeit von Photometerkoumlpfen fast ausschlieszliglich fuumlr Normlichtart A kalibriert In der Praxis werden hierfuumlr Gluumlhlampen mit einer Verteilungstemperatur von 2856 K verwendet Wenn man ein solches Photometer fuumlr Messungen an anderen Gluumlhlampen verwendet sind die spektralen Verteilungen meist so aumlhnlich dass nur geringe oder gar vernachlaumlssigbare Korrekturen aufgrund der spektralen Fehlanpassung also der Abweichung der realen spektralen Empfindlichkeit des Photometers von dem Hellempfindlichkeitsgrad notwendig sind Wenn man ein solches Photometer jedoch bei LEDs insbesondere farbigen LEDs einsetzt koumlnnen die Abweichungen aufgrund der spektralen Fehlan-passung sehr groszlig werden (gt10 fuumlr hochwertige Photometerkoumlpfe sind moumlglich)

Mit Kenntnis der relativen spektralen Verteilung der Leuchtdiode SLED(λ) und der relativen spekt-ralen Empfindlichkeit srel(λ) laumlsst sich die spektrale Fehlanpassung durch folgenden Korrekturfaktor cSpek korrigieren

cV S

s S

V P T

sSpek

LED

rel LED

A

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( ) ( )( ) ( )

( ) ( )( )

intint

intλ λ λ

λ λ λ

λ λ λ

λ

intint ( )P Tλ λ A d

P(λ TA) beschreibt Lichtart A durch das Planck-sche Strahlungsgesetz fuumlr TA = 2856 K

Eine detaillierte Auflistung und Diskussion aller zu beruumlcksichtigenden Details bei Kalibrierungen von LEDs und das dazugehoumlrige Messunsicher-heitsbudget soll an dieser Stelle nicht gegeben werden Interessierte Leser koumlnnen hierfuumlr Infor-mationen in einer fruumlheren Veroumlffentlichung [6] oder in den Ergebnissen eines internationalen Vergleichs von LED-Messungen [7] finden

Fazit und Ausblick

Der Verzicht auf LEDs ist fuumlr Beleuchtungsan-wendungen nicht mehr vorstellbar Durch ihre kontinuierliche Weiterentwicklung erobern LEDs immer weitere Anwendungsfelder (z B Haus-halts- Straszligen- und Automobilbeleuchtung) mit denen der Endkunde in Kontakt kommt Bei diesen Anwendungen sind die Anforderungen an die Lichtquellen vielfaumlltig und fuumlr eine quantitative Beschreibung ihrer Eigenschaften muss auch die Messtechnik entsprechend umfassend und ausge-reift sein

Neben dem allgemeinen Forschungs- und Ent-wicklungsbedarf fuumlr bessere LED-Messverfahren und -geraumlte die die Grundlage ihrer technologi-schen Weiterentwicklung bilden gibt es eine weitere Herausforderung Aufgrund der nahezu unbe-grenzten Moumlglichkeiten eine bestimmte Lichtfarbe durch additive Farbmischung zu erhalten sind LEDs verschiedener Hersteller mit unterschiedlichen Emissionsspektren aber einer nominell gleichen aumlhnlichsten Farbtemperatur erhaumlltlich Dennoch ist teilweise ein Unterschied der Lichtfarbe mit bloszligem Auge erkennbar wenn sich unterschiedliche LEDs nebeneinander befinden

Es ist ungewoumlhnlich dass man ohne technische Hilfsmittel nominell gleiche Lichtfarben faktisch unterscheiden kann Um die Charakterisierung von LEDs soweit zu verbessern dass dies nicht mehr moumlglich ist ist einerseits eine Reduzierung der Messunsicherheit bei der Bestimmung der Normfarbwertanteile (Lichtfarbe) notwendig Andererseits muss man sich bewusst machen dass photometrische und colorimetrische Messverfahren auf rein physikalischen Zusammenhaumlngen basieren Individuelle menschliche Wahrnehmung und Sehen werden bei photometrischen Messungen nicht beruumlcksichtigt ndash diese werden durch Festlegung von exakt definierten Wichtungsfunktionen wie dem Hellempfindlichkeitsgrad fuumlr einen fiktiven Normalbeobachter ausgegrenzt Diese Wichtungs-funktionen koumlnnen gegebenenfalls auch noch optimiert werden um die objektive Beurteilung von Lichtquellen mit physikalischen Messmethoden zu verbessern Somit gibt es auch in Zukunft noch interdisziplinaumlre Herausforderungen fuumlr die Metro-logie moderner Lichtquellen

Literatur

[1] httpwwwnobelprizeorgnobel_prizesphysicslaureates2014 (letzter Aufruf 14102015)

[2] T Gerloff M Lindemann S Shirokov M Taddeo S Pendsa A Sperling Development of a new high-power LED transfer standard CIE Proceed-ings 2012

[3] CIE S 017E 2011 ILV International Lighting Vocabulary httpeilvciecoat (letzter Aufruf 03122015)

[4] CIE 127 2007 (2nd edition) Measurement of LEDs

[5] CIE S 025E 2015 Test Method for LED Lamps LED Luminaires and LED Modules

[6] M Lindemann R Maass Photometry and Colo-rimetry of Reference LEDs by Using a Compact Goniophotometer MAPAN ndash Journal of Metrolo-gy Society of India Vol 24 No 3 2009

[7] wwwbipmorg APMPPR-S3a (Averaged LED Intensity) APMPPR-S3b (Total Luminous Flux of LEDs) APMPPR-S3c (Emitted Colour of LEDs)

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Effektpigmente hellipPTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4

Einleitung

Farbe ist fuumlr Menschen die wohl auffaumllligste sub-jektive Stoffeigenschaft Bereits den Fruumlhmenschen war diese visuelle Qualitaumlt bekannt deren Wahr-nehmung allen Primaten eigen ist So wurde 2008 in Suumldafrika eine ca 100000 Jahre alte steinzeitli-che bdquoMalerwerkstattldquo entdeckt [1] Auch heutzu-tage spielt Farbe in der Gestaltung unserer Umwelt eine wichtige Rolle Jedes Jahr praumlsentiert uns die Mode die neuen Farben der Saison Farben dienen zur Regelung des Verkehrs Ohne bunte Farben waumlre unsere Welt trist und oumlde

Es ist wichtig festzustellen dass Farbe ein physiologischer Sinneseindruck ist wie z B auch Tasten oder Riechen D h Farbe ist keine immanente physikalische Eigenschaft eines Gegenstandes wie z B seine Masse oder Waumlrme-leitfaumlhigkeit Die physiologische Wahrnehmungs-kette ist hierbei folgende Das vom betrachteten Gegenstand reflektierte Licht trifft auf das Auge und loumlst hierbei einen Farbreiz aus Dieser Farbreiz beruht auf der spektralen Zusammensetzung des empfangenen Lichts d h er ist abhaumlngig von der verwendeten Lichtquelle und dem spektralen Reflexionsvermoumlgen des betrachteten Objektes Die Anregung der licht- und farbempfindlichen Zellen in der Netzhaut fuumlhrt zu einer Farbvalenz die uumlber den Sehnerv an das Gehirn weitergeleitet wird Die eigentliche Farbempfindung die wir dann mit einem Gegenstand verknuumlpfen entsteht erst im Gehirn [2] Liegt z B eine Farbfehlsich-tigkeit vor so kann der Farbeindruck des betrof-fenen Menschen auch ein ganz anderer sein Auch viele Tiere mit ihren teilweise erheblich abweichenden visuellen Systemen nehmen Farbe ganz unterschiedlich als wir Menschen wahr Im Folgenden soll mit Farbe immer die Koumlrperfarbe auch Gegenstandsfarbe Objektfarbe bzw Oberflauml-chenfarbe genannt einer nicht selbstleuchtenden Flaumlche bezeichnet werden die durch Reflexion von Licht an einem Koumlrper entsteht

Die genannten Zusammenhaumlnge machen die mathematisch-physikalische Beschreibung von Farbe schwierig und aufwendig da auch die spe-zifischen Eigenarten der menschlichen Wahrneh-

mungskette nachgestellt werden muumlssen Diesem Umstand wird versucht uumlber die verschiedenen Farbmaszligsysteme Rechnung zu tragen welche die Farbe eines Objektes mithilfe von quantifizierba-ren Zahlenwerten kennzeichnen [3]

Generell koumlnnen farbige Flaumlchen je nach Tageszeit und Lichteinfall sehr unterschiedlich wirken Die Aumlnderungen basieren hierbei auf der unterschiedlichen spektralen Zusammenset-zung des Tageslichts und den winkelabhaumlngigen Glanz- und Struktureigenschaften von Oberflauml-chen Ganz besonders deutlich ist dies bei auf dem Interferenzeffekt basierenden Effektpigmenten der Fall Deren visuelles Erscheinungsbild im englischen mit Visual Appearance bezeichnet kann sich bei variierendem Beobachtungswinkel und unterschiedlichen Lichtverhaumlltnissen komplett veraumlndern Man spricht hierbei von sogenannten Flop-Lacken wobei man zwischen Hell-Dunkel-Flop und Farb-Flop unterscheiden kann [4]

Generell kann man sagen dass Farbe und visuelle Effekte einen entscheidenden Anteil am Verkaufserfolg eines Produktes haben denn Farben wecken Emotionen und verschiedene Neuro marketingstudien belegen dass ca 95 aller Kaufentscheidungen emotional gepraumlgt sind [5] Deshalb spielt eine moderne Farbgestaltung unter Nutzung aktueller Effektpigmente im Pro-duktdesign eine entscheidende Rolle denn durch den Einsatz solcher Pigmente kann Gegenstaumlnden eine houmlhere Attraktivitaumlt verliehen werden Daher findet man moderne Effektpigmente heutzutage in vielen teilweise sehr unterschiedlichen Indus-trieprodukten wie z B in Autolackierungen Haumluserfassaden Kosmetikartikeln oder sogar bei Pralineacutes wie dies in Bild 1 zu sehen ist

Pigmente

Als Pigmente aus dem Lateinischen kommend von pigmentum fuumlr bdquoFaumlrbestoff Schminkeldquo bezeichnet man aus Teilchen bestehende im Anwendungs-medium praktisch unloumlsliche Sub stanzen die als Farbmittel oder wegen anderer spezieller physika-lischer und chemischer Eigenschaften als funktio-nale Farbzentren verwendet werden [6]

Effektpigmente Eine Herausforderung fuumlr die optische Messtechnik

Egbert Buhr Alfred Schirmacher Andreas Houmlpe

Dr Egbert Buhr Fachbereich bdquoBildshy und Wellenoptikldquo EshyMail egbertbuhrptbde

Dr Alfred Schirmacher Arbeitsshygruppe bdquoReflexion und Transmissionldquo EshyMail alfredschirmacherptbde

Dr Andreas Houmlpe dagger ehemals Arbeitsgrupshype bdquoReflexion und Transmissionldquo

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PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4Das Jahr des Lichtes

In der Natur vorkommende anorganische Pig-mente sind schon seit praumlhistorischen Zeiten bekannt Schon die Menschen der Steinzeit benutzen mineralische Pigmente fuumlr die ersten Houmlhlenzeichnungen Sie erkannten dass sie mit unterschiedlichen Erdsorten farbig malen konnten Eisenoxidhaltige Erden liefern gelbrote bis braunrote Kalk und Gips weiszlige Mangan-oxide sowie Holz- und Knochenkohle schwarze Farbtoumlne

Aus heutiger industrieller Sicht ist ein Pigment ein fein aufgeteilter und unloumlslicher Feststoff mit der Hauptfunktion das Erscheinungsbild des verwendeten Mediums zu verbessern oder es zu faumlrben Pigmente werden dem Medium immer durch physikalisches Mischen beigegeben dies unterscheidet sie von Farbstoffen die in ihrem Medium loumlslich sind

Pigmente koumlnnen nach den optischen Prin-zipien ihrer Wechselwirkung mit Licht unter-schieden und in verschiedene Klassen eingeteilt werden Wichtige Pigmentklassen sind Weiszlig- Bunt- Schwarz- und Effektpigmente die alle wegen ihrer speziellen farbgebenden Eigenschaf-ten eingesetzt werden Bei den Effektpigmenten

kann in einer ersten vereinfachten Einteilung noch zwischen Metalleffekt- und den sogenannten speziellen Effektpigmenten unterschieden werden

Der Begriff bdquospezielle Effektpigmenteldquo umfasst die Gruppen der Perlglanzpigmente und der all-gemeinen Interferenzpigmente welche insbeson-dere bei aktuellen Pigmententwicklungen nicht scharf abgegrenzt werden koumlnnen Perlglanzpig-mente sind Effektpigmente die aus transparenten Plaumlttchen mit hohem Brechungsindex bestehen Sie erzeugen durch die spezielle Form der Mehr-fachreflexion des transmittierten Lichts an mehre-ren Pigmenten einen perlenaumlhnlichen Effekt bei dem die auftreffende Strahlung verteilt reflektiert wird wodurch der Eindruck einer mit der Tiefe abnehmenden diffusen Helligkeit entsteht Fuumlr das Auge ergibt sich so eine scheinbar dreidimen-sionale Glanzcharakteristik die aus der Tiefe des Objektes zu kommen scheint Interferenzpigmente dagegen sind Effektpigmente deren farbgebende Wirkung ganz oder vorwiegend auf dem Effekt der Vielstrahlinterferenz von Licht an duumlnnen hoch-brechenden Schichten beruht Interferenzpigmente koumlnnen dabei sowohl auf transparenten oder auch nichttransparenten Plaumlttchen basieren

Bild 1 a) Roadster mit ChromaFlairreg-Effektpigmentlackierung b) Verwaltungsgebaumlude in Braunschweig verkleidet mit Alucobondreg-spectra-colours-Verbundplatten c) Effektpigmente im Nagellack d) Pralineacute mit Effektpigmentuumlberzug

a

dc

bb

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Effektpigmente hellipPTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4

Die heute verwendeten Pigmente lassen sich somit grob in fuumlnf verschiedene Klassen einteilen

1) Weiszligpigmente Die Pigmente streuen das ge-samte auftreffende Licht nahezu verlustfrei in alle Richtungen durch diffuse ungerichtete Reflexion

2) Buntpigmente Die Pigmente streuen einen Teil des Lichtes diffus und absorbieren wellenlaumln-genselektiv einen anderen Teil des Lichtes

3) Schwarzpigmente Die Pigmente absorbieren alle Wellenlaumlngen des fuumlr das menschliche Auge sichtbaren Spektralbereiches

4) Metalleffektpigmente Die aus duumlnnen Metall-plaumlttchen vorwiegend Aluminium bestehen-den Metalleffektpigmente sind lichtundurch-laumlssig und reflektieren das gesamte auftreffende Licht durch spekulare gerichtete Reflexion Die Pigmentpartikel wirken dabei wie Mikrospie-gel und fuumlhren bei paralleler Ausrichtung im Anwendungsmedium zu einem spiegelnden Metallglanz dem Metallic-Effekt

5) Spezielle Effektpigmente Perlglanz- bzw Inter-ferenzpigmente deren optische Wirkung auf der Mehrfachreflexion an uumlberwiegend flaumlchig aus-gebildeten und ausgerichteten transparenten semitransparenten oder lichtundurchlaumlssigen Partikeln beruht

Weiszlig- Bunt- und auch Schwarzpigmente weisen typische Durchmesser im Bereich von 100 nm bis zu 1 microm auf Ihre Groumlszlige liegt damit zum Teil im Bereich der Wellenlaumlnge des sichtbaren Lichtes welches den Bereich von 380 nm bis 780 nm uumlberdeckt Einige Schwarzpigmente wie z B Ruszlig-pigmente liegen mit ihren Durchmessern jedoch auch zum Teil auch deutlich darunter Effektpig-mente besitzen dagegen Teilchendurchmesser die zumeist im Bereich von 5 microm bis 100 microm in einigen Faumlllen auch daruumlber liegen Sie sind damit bezuumlglich der mittleren Plaumlttchendurch-messer wesentlich groumlszliger als die Wellenlaumlnge des sichtbaren Lichtes Die Dicke der Plaumlttchen liegt von einigen Ausnahmen abgesehen unter 1 microm ebenso wie die Dicke der Interferenzschichten Demzufolge weisen Effektpigmente in der Regel ein hohes Aspektverhaumlltnis auf (Verhaumlltnis der lateralen Ausdehnung einer Struktur zu ihrer Houmlhe) welches bis zu 200 betragen kann

Interferenzpigmente ndash Wie die Farben entstehen

Die Farbe von Interferenzpigmenten haumlngt von der Schichtdicke der Metalloxidbeschichtung und dem Einstrahlungs- und Betrachtungswinkel ab Beide Parameter bestimmen die effektive optische Weg-

laumlngendifferenz fuumlr das einfallende weiszlige Licht zwischen oberer und unterer Grenzflaumlche und die somit auftretenden Interferenzfarben siehe Bild 3

Interferenzpigmente zeigen somit einen aus-gepraumlgten bdquoFarbflopldquo Die Winkelabhaumlngigkeit der Farbe wird hierbei auch als Goniochromasie bezeichnet Richtig bunt geht es zu wenn ein Interferenzpigment auf einen bereits bunten Untergrund aufgebracht wird Die Transparenz der Pigmente laumlsst die Untergrundfarbe durch-

Bild 2 Schematische Diagramme zum spektralen Verhalten verschiedener Pigmenttypen

Bild 3 Die Schichtdicke der Metalloxidbeschichtung und der kombinierte Einstrahlungs- und Betrachtungswinkel bestimmen die optische Weglaumlnge und somit die sich ergebenden Interferenzfarben in Reflexion und Transmission

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PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4Das Jahr des Lichtes

Bild 5 Die Effekte Spar-kling (1) und Coarseness (2) des Effektpigmentes Xirallicreg Crystal Silver in einer vergroumlszliger-ten Aufnahme auf weiszligem (links) und schwarzem Hinter-grund (rechts)

scheinen im Glanzwinkel wird sie aber von der Interferenzfarbe uumlberstrahlt wie dies in Bild 4 zu sehen ist

Der Effekt eines Helligkeitsunterschiedes unter verschiedenen Betrachtungswinkeln wird als Helligkeitsflop bezeichnet und ist an sich nichts Neues Sind jedoch die einzelnen Pigmentteilchen

aufgrund ihrer planaren Reflexionsoberflaumlchen in gerichteter Beleuchtung direkt beobachtbar was fuumlr mittlere Teilchengroumlszligen von 30 microm und groumlszliger der Fall ist so ergibt dies einen Effekt welcher mit dem Begriff Sparkle (Glitzern Funkeln) bezeichnet wird (Bild 5) Aumlndert sich die Beleuchtung von einer gerichteten Einstrahlung wie es an einem wolkenlosen sonnigen Sommertag der Fall ist hin zu einer diffusen ungerichteten Einstrahlung wie an einem stark bewoumllkten Herbsttag so verschwin-det das Sparkling der Pigmente und verwandelt sich in eine Koumlrnigkeit der Oberflaumlche Dieses optische Phaumlnomen wird als Coarseness (Bild-koumlrnigkeit) bezeichnet und ist unabhaumlngig vom Betrachtungswinkel (Bild 5)

Als neuer Archetypus des Sparkle-Begriffes haben sich in den letzten Jahren die Xirallicreg Pig-mente (High Chroma Chrystal Effect Pigments) der Firma Merck KGaA entwickelt Durch die Beschich-tung von Aluminiumoxidplaumlttchen mit hochbre-chenden Metalloxiden und einer optimierten Dicke und Ebenheit aller am Pigment beteiligten Schich-ten entstehen auszligergewoumlhnlich stark reflektierende Effektpigmente die einen besonders intensiven Sparkle-Effekt aufweisen Man spricht hierbei auch von sogenanntem Living Sparkle welcher sich in einem scheinbaren bdquoTanzenldquo der leuchtenden Punkte in der Probenoberflaumlche bei Veraumlnderung der Beobachtungsgeometrie aumluszligert [7 8]

Generell gilt dass die Farbe von Objekten mit Effektlackierung nicht mehr wie jahrzehntelang uumlblich und ausreichend mit konventionellen Farb-messgeraumlten mit nur einer festen Messgeometrie wie z B in der 45deg 0deg Geometrie (Einstrahlung unter 45deg Reflexionsmessung unter 0deg) bestimmt werden kann Dieser Umstand wird sehr gut durch die Grafik in Bild 6 illustriert Dargestellt sind die winkelabhaumlngig gemessenen Farbkoordinaten von drei verschiedenen keramischen Farbstandards der Farben rot gruumln und blau sowie eines mit dem Effektpigment Viola Fantasy der Firma Merck lackierten Blechs Der Einfallswinkel des Lichts auf die Proben betrug hierbei immer 45deg zur Oberflauml-chennormalen Das von den Proben reflektierte Licht wurde an 26 Positionen in einem 5deg Raster in planaren die Oberflaumlchennormale enthalten-den Messgeometrien im Winkelbereich von ndash70deg bis +70deg aufgenommen Bei den aus absorptiven Pigmenten bestehenden Keramiken zeigt sich eine nur sehr geringe Winkelabhaumlngigkeit der Farbe welche groumlszligtenteils auf unterschiedlicher winkelabhaumlngiger Helligkeit d h den Glanzeigen-schaften der Oberflaumlche beruht Das Effektpigment dagegen zeigt einen extremen winkelabhaumlngigen Farb-Flop (Goniochromasie) welcher einen Farbverlauf von Gruumln uumlber Rot-Gelb hin ins Blau-Violett bietet

Aber auch die neuen Lackfarben aus der Gruppe der Effektlackierungen muumlssen messtechnisch

Bild 4 Merck-Xirallicreg-Solaris-Red-Effektpigmente appliziert auf einem mit Standard-Ab-sorptionspigmenten hellblau lackierten Metallblech In Rich-tung des Glanzwin-kels auf der rechten Seite zeigt sich der langsame Aufbau der winkelabhaumlngigen Interferenzfarbe

1

Bild 6 CIELab Farbkoordinaten einer winkelabhaumlngigen Reflexionsmessung an vier verschiedenen Proben drei Keramiken der Farben rot gruumln blau und eine Effektpigmentlackierung mit Merck Colorstreamreg Viola Fantasy Das untergelegte Farbschema zeigt naumlherungsweise die den Koordinaten entsprechende Farbe

2

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Effektpigmente hellipPTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4

Abbildungsoptik Messungen der ortsaufgeloumlsten Leuchtdichte auf einer Laumlngenskala bis hinab zu 28 microm auf der zu untersuchenden Probe siehe Bild 8

Mit der Zeilenkamera sind Messungen von kompletten Reflexionsspektren im sichtbaren Spektralbereich zwischen 380 nm und 780 nm dem sogenannten V(λ)-Bereich auf einer Zeit-skala von 2 Minuten moumlglich Hieraus lassen sich dann Farbkoordinaten der untersuchten Proben in den unterschiedlichsten Farbraumsystemen berechnen Eine absolute Messung in 114 Win-kelkombinationen (siehe Bild 9) im Polarwinkel-

erfasst und ruumlckgefuumlhrt werden um eine gleich-bleibende Qualitaumlt in der Produktion gewaumlhrleis-ten zu koumlnnen Gerade diese vielfaumlltigen zusaumltz-lichen Eigenschaften stellen die Farbmesstechnik vor neue Herausforderungen

Farbmessung

Bisherige kommerzielle Farbmessgeraumlte charakte-risieren Probenoberflaumlchen fast ausschlieszliglich in den eben schon erwaumlhnten sogenannten in-plane Reflexionsgeometrien Dabei liegen die Richtun-gen des eingestrahlten und des reflektierten Lichts sowie die Oberflaumlchennormale der Probe in einer Ebene Diese Einschraumlnkung entspricht jedoch in keiner Weise der taumlglichen Realitaumlt bei der Oberflaumlchen aus beliebigen Richtungen beleuchtet und betrachtet werden Seitens der Messgeraumlteher-steller und Anwender gibt es daher einen Trend zur erweiterten Charakterisierung bezuumlglich zusaumltzlicher Winkelkombinationen im dreidimen-sionalen Raum Spitzenreiter dieser Entwicklung am Markt ist derzeit ein tragbares Mehrwinkel-Spektralphotometer mit insgesamt 19 verschie-denen Reflexionsgeometrien [9] Hiermit scheint aber auch das Ende dieser Entwicklung im Bereich der portablen handgefuumlhrten Geraumlte erreicht Der Wunsch der Anwender geht aktuell wieder zuruumlck zu einer geringeren Anzahl von Winkelkombi-nationen denn es ist unklar wie man aus dem Mehr an winkelaufgeloumlsten Reflexionsdaten die fuumlr die Charakterisierung der Farbeigenschaften relevanten Informationen gewinnen kann Daher stellt sich die Frage welches sind bdquoguteldquo d h an die Messaufgabe adaptierte optimal geeignete Messgeometrien

Um diese Frage zu beantworten betreibt die AG 424 bdquoReflexion und Transmissionldquo der PTB zwei roboterbasierte Gonioreflektometer die eine winkelaufgeloumlste Reflexionsmessung in beliebi-gen bidirektionalen Geometrien ermoumlglichen [10ndash12] Diese beiden Apparaturen sind in Bild 7 dargestellt

Das Standard-Gonioreflektometer ist hierbei das nationale Normal fuumlr die Messgroumlszlige spektraler Strahldichtefaktor in gerichteten Geometrien Es dient der Realisierung Bewahrung und Weiter-gabe der gerichteten Reflexionsskale in Form von Kalibrierungen Die zweite Apparatur bezeich-net mit dem Acronym ARGon3 (3D Appearance Robot-based Gonioreflectometer) ist ein flexibles Forschungsgeraumlt mit dem experimentelle Unter-suchungen u a im Rahmen des EMRP-Projektes Multidimensional Reflectometry for Industry der EU [13] durchgefuumlhrt werden Im Ver gleich zum Standard-Gonioreflektometer ist dieses Geraumlt mit einer photometrischen Leuchtdichteka-mera und einer Zeilenkamera ausgeruumlstet Die Leuchtdichtekamera erlaubt mit einer speziellen

Bild 7 Die beiden roboter-basierten Gonio-reflektometer der PTB oben Standard-Gonioreflektometer fuumlr Kundenkalibrie-rungen unten ARGon3-Messplatz fuumlr Forschungsanwen-dungen

Bild 8 Visualisierung desSparkling-Effektesvon Xironareg-Volcanic-Sparks-Pigmenten als Falschfarben-darstellung der ortsaufgeloumlsten LeuchtdichteDie bdquoNadelnldquo zeigendie Position derPigmente an

Bild 9 Beispielgeometrien zur Messung der winkelabhaumlngigen Reflexionseigen-schaften Realisiert wurden 4 Einstrah-lungsrichtungen (rote Pfeile) mit jeweils 114 Reflexionswinkeln (schwarze Punkte) im Bereich der Viertel-kugel oberhalb der Probenoberflaumlche

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PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4Das Jahr des Lichtes

bereich 0deg bis 70deg gleichmaumlszligig verteilt uumlber den Viertelraum oberhalb der Probe dauert hierbei ca 4 Stunden [14] Die so erhaltenen Daten bilden die Basis fuumlr kuumlnftige Verbesserungen in der Mess-technik fuumlr Anwender und Hersteller

Im Rahmen des EMRP-Projektes Multidimen-sional Reflectometry for Industry [13] sind damit die winkelabhaumlngigen Reflexionsspektren von insgesamt 66 verschiedenen Effektpigmentproben gemessen worden [15 16] Bei den vier verschie-denen Einstrahlungsrichtungen verbunden mit jeweils 114 Reflexionswinkeln im Bereich der Vier-telkugel oberhalb der Probenoberflaumlche ergeben sich somit uumlber 30000 Reflexionsspektren

Zielsetzung der Untersuchungen ist die Ver-besserung der Metrologie zur Materialcharak-terisierung mit reduzierter Messunsicherheit Dazu werden neue Messvorschriften und neue Standardmessartefakte entwickelt mit denen die Industrie die visuelle Wahrnehmung der von ihr produzierten Oberflaumlchen gezielt charakterisie-ren und kontrollieren kann Solche Messungen sollten einfach auszufuumlhren sein und die Ergeb-nisse muumlssen soweit wie moumlglich mit der visuellen menschlichen Wahrnehmung korrelieren Im europaumlischen und internationalen Rahmen sollen die Ergebnisse in die Normung einflieszligen um die allgemeine Vergleichbarkeit solcher Messungen zu gewaumlhrleisten

Literatur

[1] CS Henshilwood et al A 100000-Year-OldOchre-Processing Workshop at Blombos CaveSouth Africa Science Vol 334 No 6053 219ndash2222011

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[4] WR Cramer Der richtige Blickwinkel Farbe amp Lack 092006 26ndash30 2006

[5] G Zaltman How Customers Think EssentialInsights into the Mind of the Market HarvardBusiness Review Press 2003

[6] DIN ISO 18451-12015-11 Pigmente Farbstof-fe und Fuumlllstoffe ndash Begriffe ndash Teil 1 AllgemeineBegriffe

[7] WR Cramer Ohne Glimmer aber mit GlanzFarbe amp Lack 042003 132ndash136 2003

[8] WR Cramer Es glitzert wie am SternenhimmelFahrzeug + Karosserie 0412 20ndash22 2012

[9] E Kirchner W Cramer Making sense of measure-ment geometries for multi-angle spectrophotome-ters Color Res Appl Vol 37 No3 186ndash198 2012

[10] D Huumlnerhoff U Grusemann A Houmlpe Newrobot-based gonioreflectometer for measuringspectral diffuse reflection Metrologia 43 S11ndashS162006

[11] A Houmlpe D Huumlnerhoff K-O Hauer Robot-basedgonioreflectometer Industrial Robotics Program-ming Simulation and Applications Low Kin-Huat Ed Pro Literatur-Verlag Mammendorf623ndash632 2007

[12] A Houmlpe T Atamas D Huumlnerhoff S TeichertK-O Hauer ARGon3 ndash bdquo3D Appearance Robot-based Gonioreflectometerrdquo at PTB Rev SciInstrum 83(4) 045102-1ndash045102-8 2012

[13] European Metrology Research Program ProjectIND52 bdquoxD-Reflectldquo Multidimensional Reflecto-metry for Industry wwwxdreflecteu(letzter Aufruf 03122015)

[14] T Atamas K-O Hauer A Houmlpe Appearancemeasurements of goniochromatic colours Predic-ting Perceptions Proceedings of the 3rd Internati-onal Conference on Appearance 149ndash154 2012

[15] A Houmlpe A Koo FM Verdu FB LeloupG Obein et al bdquoMultidimensional reflectometryfor industryrdquo (xD-Reflect) an European researchproject Proc SPIE 9018 Measuring Modelingand Reproducing Material AppearanceSPIE-ISampT Vol 9018 901804-1ndash901804-11 2014

[16] A Houmlpe K-O Hauer S Teichert D HuumlnerhoffC Strothkaumlmper Goniochromatic and Sparkleproperties of effect pigmented samples in mul-tidimensional configuration Proc SPIE 9398Measuring Modeling and Reproducing MaterialAppearance 2015 SPIE Proc Vol 9398 Appea-rance 93980O-1ndash7 2015

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Die 50 Sitzung des Internationalen Komitees fuumlr das gesetzliche Messwesen (CIML) fand vom 20 bis 22 Oktober 2015 in Arcachon Frankreich statt Im Vorfeld der CIML-Sitzung fand ein ein-taumlgiges OIML-Seminar uumlber Countries and Econo-mies with Emerging Metrology Systems (CEEMS) statt uumlber das weiter unten berichtet wird

Das CIML ist der Lenkungsausschuss der OIML Es trifft sich jaumlhrlich und besteht aus je einem Repraumlsentanten der Mitgliedstaaten der korrespondierenden Mitglieder und den Vertre-tern internationaler und regionaler Organisa-tionen die als Beobachter teilnehmen koumlnnen Das CIML ist zustaumlndig fuumlr die Vorbereitung und Durchfuumlhrung der Entscheidungen der Konfe-renz die alle vier Jahre stattfindet Es uumlberwacht die Arbeiten der Technischen Komitees und Unterkomitees und des Internationalen Buumlros fuumlr das gesetzliche Messwesen (BIML) in Paris

An der 50 CIML-Sitzung nahmen 144 Teilneh-mer aus 43 Mitgliedstaaten und 13 korrespondie-renden Mitgliedstaaten teil Zur deutschen Dele-gation gehoumlrten neben den o g Autoren auch die Herren Johann Fischer Direktor des Landesamts fuumlr Mess- und Eichwesen Berlin-Brandenburg sowie Prof Olaf Kuumlhn Direktor des Thuumlringer Landesamts fuumlr Verbraucherschutz als Vertreter der Bundeslaumlnder Dr Peter Ulbig Leiter der Abteilung Wissenschaftlich-technische Quer-schnittsaufgaben der PTB und Prof Manfred Kochsiek Vizepraumlsident a D der PTB ehema-liger CIML-Praumlsident und Ehrenmitglied der OIML Frau Dr Anna Cypionka persoumlnliche Referentin des Praumlsidenten der PTB nahm am OIML-Seminar fuumlr CEEMS teil Vertreten waren auch wieder internationale und regionale Orga-nisationen zu denen die OIML Verbindungen unterhaumllt wie das Internationale Buumlro fuumlr Maszlig und Gewicht (BIPM) die GSO-GCC Standardiza-tion Organization (Saudi-Arabien) die Internatio-nal Laboratory Accreditation Cooperation (ILAC) und der Europaumlische Verband der Waagenherstel-ler (CECIP)

Alle Beschluumlsse der 50 CIML-Sitzung koumlnnen auf den Internetseiten der OIML aufgerufen werden [1 2]

Die wichtigsten Entscheidungen und Entwick-lungen werden nachfolgend vorgestellt

1 Personalangelegenheiten

Der Vertrag von Willem Kool als Assistant Director wurde um vier Jahre der Vertrag des BIML-Direk-tors Stephen Patoray um drei Jahre verlaumlngert

2 Einfuumlhrung des PG Workspace im Internet

In seinem Bericht im Zusammenhang mit der Etablierung des neuen Webauftritts der OIML hob der CIML-Praumlsident Peter Mason (UK) die erfolgreiche Einfuumlhrung des Workspace fuumlr Pro-jektgruppen hervor Durch die Online-Arbeit wird erwartet dass die technische Arbeit an neuen bzw zu revidierenden OIML-Dokumenten vereinfacht und insgesamt effizienter wird

3 Revision der technische Richtlinien fuumlr die OIML (B 6 Directives for OIML tech-nical work)

In einem neuen Projekt sollen die in den vergan-genen Jahren revidierten OIML-Richtlinien fuumlr die technische Arbeit erneut uumlberarbeitet werden um u a den Prozess der Entwicklung und Uumlber-arbeitung von OIML-Publikationen noch weiter zu beschleunigen und den neuen internetbasierten Technologien und Arbeitsweisen Rechnung zu tragen

4 Umfassende strukturelle Uumlberarbeitung des OIML Certificate System

Das CIML verabschiedete die Gruumlndung einer Projektgruppe mit der Aufgabe einer substan-ziellen Uumlberarbeitung des OIML-Zertifizierungs-systems das z Zt aus dem Basiszertifizierungs-system und dem MAA3 besteht Urspruumlnglich ausgehend von der Annahme die Akzeptanz des MAA-Zertifizierungssystem muumlsse verstaumlrkt werden eine groumlszligere Verbreitung finden und mehr Messgeraumltearten abdecken erscheint es

Aktuelles aus der OIML (Internationale Organisation fuumlr das Gesetzliche Messwesen)Bericht uumlber die 50 Sitzung des CIML in Arcachon FrankreichSusanne Ludwig Roman Schwartz

INTERNATIONALE ZUSAMMENARBEIT

Susanne Ludwig OIMLshyGeschaumlftsstelle der PTB EshyMail susanneludwigptbde

Dir u Prof Dr Roman Schwartz Vizepraumlsident der PTB deutsches Mitglied im Internashytionalen Komitee fuumlr das Gesetzliche Messwesen (CIML) und CIMLshyVizepraumlsishydent EshyMail romanschwartzptbde

3 Mutual Acceptance Arrangement (Abshykommen zur gegenshyseitigen Anerkennung von Bauartpruumlfungen)

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PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4Internationale Zusammenarbeit

inzwischen sinnvoller und wurde so auch vom CIML beschlossen zum 112017 ein einziges OIML-Zertifizierungssystem einzufuumlhren Eine Projektgruppe (Certification System Project Group = CSPG) unter dem Vorsitz des CIML-Vizepraumlsi-denten Dr Roman Schwartz wurde damit beauf-tragt die notwendigen Dokumente und Prozedu-ren auszuarbeiten

5 OIML-Seminar fuumlr Countries and Economies with Emerging Metrology Systems (CEEMS)

Im Vorfeld der CIML-Sitzung wurde ein eintaumlgiges Seminar zum Thema Developing an OIML Package for Assistance to Countries with Emerging Metro-logy Systems (CEEMS) abgehalten In vier Sitzun-gen diskutierten 125 Teilnehmer aus 49 Laumlndern uumlber Moumlglichkeiten Laumlnder beim Aufbau von nationalen Metrologiesystemen zu unterstuumltzen In der ersten von Frau Dr Cypionka geleiteten Sitzung Capacity Building ging es um die allge-meinen Herausforderungen bei der Gestaltung von Programmen zur Foumlrderung von Handlungs-kompetenzen und Vermittlung von Wissen fuumlr die Metrologie In zwei weiteren Sitzungen wurden unter den Themen Helping CEEMS Improve Regulation in their Markets (Leitung Prof Dr Manfred Kochsiek) und New Ideas ndash Doing Legal Metrology Differently (Leitung Stuart Carstens

Suumldafrika) konkrete inhaltliche Loumlsungsvorschlaumlge vorgestellt und diskutiert Die Ergebnisse wurden in der 50 CIML-Sitzung vorgestellt und fanden ihren Niederschlag in der Resolution Nr 201510 [2] sie sollen auch noch auf den OIML-Webseiten veroumlffentlicht werden [1]

6 OIML-Publikationen

Folgende OIML-Publikationen wurden verabschiedet

R 139-3 Compressed gaseous fuels measuring systems for vehicles Part 3 Test report format

New Recommendation (R 145) Ophthalmic instru-ments mdash Impression and applanation tonometers

Alle OIML-Publikationen stehen im Internet frei zur Verfuumlgung [3]

Gleichzeitig wurde die Revision der folgenden OIML-Publikation beschlossen

Revision of R 79 Labeling requirements for prepackages

Folgende neue Projekte wurden verabschiedet

Revision des OIML-Dokuments B 6-1 Directives for OIML technical work

Bild 1 Teilnehmer der 50 Sitzung des Internationalen Komitees fuumlr Gesetz-liches Messwesen (CIML) in Arcachon Frankreich

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PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4 Aktuelles aus der OIML

TC 8SC 1 Revision R 71 Fixed storage tanks mdash General requirements

TC 8SC 1 Revision R 85 Automatic level gauges for measuring the level of liquid in stationary storage tanks

7 Personalien und Ehrungen

Die von Dr Seiler dem ehemaligen Leiter des Fachbereichs bdquoTechnische Zusammenarbeitldquo der PTB initiierte OIML-Auszeichnung fuumlr bdquoexzel-lente Beitraumlge von Entwicklungslaumlndern zum gesetzlichen Messwesenldquo ging in diesem Jahr an

bull Nam Hyuk Lim Director of Korea Testing Certi-fication und

bull The Metrology Department Saint Lucia Bureau of Standards

Die OIML-Medaille fuumlr besondere Verdienste um die OIML-Arbeit ging an Ngo Quy Viet Vietnam und Cartaxo Reis aus Portugal

8 Termine

Ein Gastgeberland fuumlr die 51 CIML-Sitzung und 15 OIML-Konferenz im Jahr 2016 konnte noch nicht bekannt gegeben werden es wird aber wahr-scheinlich wieder Frankreich sein Weitere OIML-Veranstaltungen und -Termine finden sich auf der OIML-Webseite unter [4]

9 Literatur

[1] httpswwwoimlorgen (letzter Aufruf 19112015)

[2] httpswwwoimlorgenstructurecimlpdf50-ciml-resolutions-englishpdf (letzter Aufruf 19112015)

[3] httpswwwoimlorgenpublicationsrecommen-dationspublication_viewp_type=1ampp_status=1

[4] (letzter Aufruf 19112015)[5] httpswwwoimlorgeneventscalendar

(letzter Aufruf 19112015)

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TECHNOLOGIETRANSFER

E27-Scanner fuumlr UlbrichtkugelnMit dem besonders einfach ohne Umbau einsetzbaren E27-Scanner koumlnnen Anwender und Hersteller die Homogenitaumlt ihrer Ulbricht-kugeln bestimmen und die Ergebnisse zur Berechnung genauerer Lichtstroumlme und zur Dokumentation der Qualitaumlt ihrer Messungen nutzen

Hintergrund

Wie viel Licht eine Lampe insgesamt in alle Richtungen abstrahlt wird durch ihren Lichtstrom ausgedruumlckt Um den fuumlr die Bestimmung der Energieeffizienz von Lampen notwendigen Lichtstrom schnell zu er mitteln setzt die Lampenindustrie Ulbrichtkugeln ein An einer Stange in der Mitte der Ulbrichtkugel befindet sich eine E27-Lampen-fassung in die nacheinander die Lichtstrom-Normallampe und die zu kalibrierende Lampe eingeschraubt werden Das indirekt auf den Mess-kopf fallende Licht erzeugt einen Photostrom der im Idealfall propor-tional zu dem von der Lampe abgestrahlten Lichtstrom ist unabhaumlngig von der Richtung in die das Licht abgestrahlt wird

Dies ist jedoch bei einer ungleichmaumlszligigen Beschichtung der Kugel sowie bei einer im Laufe der Zeit nicht zu verhindernden Verstaubung nicht der Fall Deshalb wird mit einem Kugelscanner die Homogenitaumlt der Kugel regelmaumlszligig vermessen und ein Korrekturfaktor bestimmt der von der jeweiligen Abstrahlcharakteristik der zu untersuchenden Lampe abhaumlngt

Technische Beschreibung

Der Kugelscanner wird einfach in eine E27-Fassung geschraubt und das sonst fuumlr die Lampenversorgung eingesetzte Netzgeraumlt wird durch die Steuereinheit ersetzt Diese uumlbernimmt sowohl die elektrische Versor-gung als auch die Befehlsuumlbermittlung zum Kugelscanner Die Steuer-einheit wird via USB oder RS232 an einen Computer angeschlossen Das mitgelieferte Messprogramm stellt automatisiert alle gewuumlnschten Richtungen ein und speichert die zugehoumlrigen von der Steuereinheit gemessenen Photostroumlme des Photometers

Wirtschaftliche Bedeutungw

Fuumlr Lampenindustrie und Hersteller von Ulbrichtkugeln

bull Genauere Messung des Lichtstroms

bull Bestimmung des Zeitpunkts einer Neubeschichtung

bull Uumlberwachung beim Beschichten

bull Dokumentation des Zustands der Ulbrichtkugel

EntwicklungsstandDer E27-Kugelscanner wurde in der PTB entwickelt Er wird laufend fuumlr Kalibrierungen eingesetzt Die Technologie wurde an die Firma Czibula amp Grundmann transferiert und wird dort mit einer PTB-Lizenz gebaut und vertrieben wwwphoto-metercom

Ansprechpartner

Dr Bernhard SmandekBeauftragter fuumlr TechnologietransferTelefon +49 531 592shy8303Telefax +49 531 592shy69shy8303EshyMail technologietransferptbde

Dr Stefan WinterFachbereich Photometrie und Radiometrie

Abbildung des E27shyKugelscanners Eine stark fokussierende Lampe die computergesteuert in alle Richtungen leuchten kann

Vorteile

bull Schneller Einbau in E27shyFassung

bull Computergesteuertes Abscannen der gesamten Ulbrichtkugel

bull Flexible Messmoumlglichkeiten

bull Fuumlr genauere Lichtstromshymessungen

bull Wichtig fuumlr die Qualitaumltsshysicherung

PTBshyNummer 0172

wwwtechnologietransferptbde

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PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4 Technologieangebote

Ansprechpartner

Dr Bernhard SmandekBeauftragter fuumlr TechnologietransferTelefon +49 531 592shy8303Telefax +49 531 592shy69shy8303EshyMail technologietransferptbde

Dr Stefan WinterArbeitsgruppe Solarzellen

PulsshyzushyCWshyKonverter

Umwandlung gepulster Laser-Strahlung in konstante StrahlungIn weiten Bereichen der optischen Metrologie ist eine Strahlungs-quelle von groszligem Nutzen die sich spektral vom UV-C bis ins mitt-lere IR durchstimmen laumlsst Lediglich Laser mit gepulster Strahlung erfuumlllen diese Anforderung bei ausreichend groszligem Ausgangssignal bisher luumlckenlos Femtosekunden-Lasersysteme waumlren aufgrund ihrer gut automatisierbaren und spektral weiten Durchstimmbarkeit die ideale Strahlungsquelle fuumlr z B radiometrische Anwendungen ndash wenn ihre Strahlung nicht gepulst waumlre

Durch das extreme Puls-Pausen-Verhaumlltnis von 10ndash5 entstehen hohe Spitzenleistungen die wiederum zu Saumlttigungseffekten bei Detek-toren und in der Folge zu nichtlinearem Verhalten fuumlhren koumlnnen Mit dem in der PTB entwickelten Puls-zu-CW-Konverter wird dieses Problem geloumlst

Technische Beschreibung

Bei dieser Methode werden Pulse gepulster Strahlungsquellen ausrei-chend hoher Repetitionsrate in CW-Strahlung umgewandelt Dabei wird jeder Puls in viele kleine Teilpulse aufgeteilt die auf unterschiedlich langen Wegstrecken unterschiedliche Laufzeiten erfahren Am Ausgang des Systems erscheinen sie dann zeitlich gleichmaumlszligig verteilt Realisiert wird dieser Puls-zu-CW-Konverter uumlber ein Glasfaserbuumlndel bei dem jede Einzelglasfaser eine individuell festgelegte Laumlnge besitzt

Mit der Entwicklung des Puls-zu-CW-Konverters wurde das ent-scheidende Manko beim Einsatz leistungsstarker Femtosekunden(fs)-Lasersysteme im Bereich der Metrologie beseitigt und erstmalig gepulste Laserstrahlung in CW-Strahlung umgewandelt Diese Neuentwicklung ermoumlglicht es nun herkoumlmmliche Monochromatorsysteme durch fs-Lasersysteme zu ersetzen die eine bis zu 1000-mal houmlhere spektrale Ausgangsleistung besitzen

Wirtschaftliche Bedeutung

Durch den neuen Puls-zu-CW-Converter koumlnnen in wirtschaftlich bedeutenden Bereichen wie z B der Photovoltaik der Photometrie der UV-Strahlungsmesstechnik und der Reflektometrie die Referenz- und Transfernormale mit einer deutlich reduzierten Messunsicherheit kali-briert werden Hier werden bislang wesentliche Messunsicherheitsan-teile durch zu geringe Strahlungsleistungen aus herkoumlmmlichen Mono-chromatorsystemen verursacht

Entwicklungsstand

Unter DE 10 2010 011 615 B4 wurde fuumlr den CW-Konverter ein Patent erteilt

Vorteile

bull Zeitliche Glaumlttung gepulster Laserstrahlung

bull Keine stoumlrenden Interferenzen

bull Nur minimale Absorption des Messsignals

bull Auch bei kuumlrzeren Wellenshylaumlngen ohne Ulbrichtkugel verwendbar

bull Kontinuierliche Verteilung des Ausgangspulses

bull Pulsvervielfachung

bull Houmlhere Strahlungsleistung

PTBshyNummer 0254

wwwtechnologietransferptbde

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PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4Technologieangebote

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Homogenisierung von Strahlungsquellen und Focal Plane Arrays (FPA)Ein neuartiges Verfahren ermoumlglicht softwaregestuumltzt eine deutlich verbesserte Kalibrierung von Mehrelement-Sensoren (FPA) und bildgebenden Systemen (Kameras) Bei flaumlchigen Strahlungsquellen kann zusaumltzlich eine gezielte Ansteuerung von Flaumlchenelementen zu einer bisher im Allgemeinen nicht erreichbaren Flaumlchenhomogenitaumlt fuumlhren

Technische Beschreibung

Flaumlchenstrahler dienen der Kalibrierung von ortsaufloumlsenden Strah-lungssensoren wobei davon ausgegangen wird dass die Emissionsflaumlche des Strahlers im Wesentlichen homogen bezuumlglich ihrer Strahldichte bzw Strahlungstemperatur ist Um kleine Inhomogenitaumlten eines Flaumlchenstrahlers zu charakterisieren ist es ein gaumlngiges Verfahren die Emissionsflaumlche punktweise mit einem Einzeldetektor abzutasten

Das neue PTB-Verfahren ist wesentlich schneller da es den Mehr-element-Sensor (FPA) das device-under-test selbst nutzt und damit immer ein Gesamtbild der Quelle aufnimmt Werden jetzt weitere Bilder zeilen- oder spaltenversetzt aufgenommen so erlaubt ein mathema-tischer Algorithmus bei nur drei Bildern eine komplette Charakterisie-rung des Sensors aber auch der Quelle

Sind Flaumlchenelemente der Strahlungsquelle einzeln ansteuerbar so ist es sogar moumlglich mittels der ermittelten Korrekturwerte zu Strahlquellen extrem hoher Homogenitaumlt im on-line-Betrieb zu gelangen

Wirtschaftliche Bedeutung

Bildgebende Strahlungssensoren und homogene Strahlungsquellen sind relevant fuumlr die Forschung und Entwicklung fuumlr die Prozesstechnik fuumlr die Charakterisierung der Energieeffizienz von Bauten bei der Ent-wicklung neuer Bauteile mit hoher thermischer Belastung und in vielen weiteren Bereichen Der mathematische Algorithmus ist aber auf unter-schiedliche Arten von Kamerasystemen anwendbar und damit auch fuumlr die Qualitaumltssicherung von CCD-Kameras bis hin zum Konsumguuml-termarkt anwendbar EntwicklungsstandEine deutsche Patenterteilung erfolgte im September 2015 Eine PCT-Anmeldung ist anhaumlngig Kooperations- und Lizenzpartner aus den Bereichen Thermografie Radiometrie und Photometrie zur Umsetzung des Konzeptes werden gesucht

Ansprechpartner

Dr Bernhard SmandekBeauftragter fuumlr TechnologietransferTelefon +49 531 592shy8303Telefax +49 531 592shy69shy8303EshyMail technologietransferptbde

DiplshyIng Berndt GutschwagerArbeitsgruppeInfrarotshyStrahlungsthermometrie

Stahlungsmessplatz der PTB zur Kalibrierung von Temperaturstrahlern und Waumlrmebildkashymeras

Vorteile

bull Schnelle Kalibrierung von Flaumlchensensoren (FPA)

bull Schnelle Kalibrierung von Flaumlchenstrahlern

bull Strahlquellen houmlchster Hoshymogenitaumlt

bull Fuumlr Thermografie und Phoshytometrie

PTBshyNummer 00374

wwwtechnologietransferptbde

Verlag Fachverlag NW in der Carl Schuumlnemann Verlag GmbHZweite Schlachtpforte 728195 Bremen Internet wwwschuenemannde E-Mail infoschuenemann-verlagde

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Erscheinungsweise und Bezugspreise Die PTB-Mitteilungen erscheinen viermal jaumlhrlich Das Jahresabonnement kostet 3900 Euro das Einzelheft 1200 Euro jeweils zzgl Versandkosten Bezug uumlber den Buchhandel oder den Verlag Abbestellungen muumlssen spaumltestens drei Monate vor Ende eines Kalenderjahres schriftlich beim Verlag erfolgen

Alle Rechte vorbehalten Kein Teil dieser Zeitschrift darf ohne schriftliche Genehmigung des Verlages vervielfaumlltigt oder verbreitet werden Unter dieses Verbot faumlllt insbesondere die gewerbliche Ver-vielfaumlltigung per Kopie die Aufnahme in elektro-nische Datenbanken und die Vervielfaumlltigung auf CD-ROM und in allen anderen elektronischen Datentraumlgern

Printed in Germany ISSN 0030-834X

Die fachlichen Aufsaumltze aus dieser Ausgabe der PTB-Mitteilungen sind auch online verfuumlgbar unterdoi 10779531020150499

Die Physikalisch-Technische Bundesanstalt das nationale Metrologieinstitut ist eine wissenschaftlich-technische Bundesoberbehoumlrde im Geschaumlftsbereich des Bundesministeriums fuumlr Wirtschaft und Energie

mitteilungen

Impressum

Die PTB-Mitteilungen sind metrologisches Fachjournal der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt Braunschweig und Berlin Als Fachjournal veroumlffentlichen die PTB- Mitteilungen wissenschaftliche Fachaufsaumltze zu metrologischen Themen aus den Arbeitsgebieten der PTB Die PTB-Mitteilungen stehen in einer langen Tradition die bis zu den Anfaumlngen der Physikalisch-Technischen Reichsanstalt (gegruumlndet 1887) zuruumlckreicht

Bundesallee 100 38116 Braunschweig

Presse- und Oumlffentlichkeitsarbeit

Telefon 0531 592-3006 Fax 0531 592-3008 E-Mail presseptbde wwwptbde

Physikalisch-Technische BundesanstaltBraunschweig und BerlinNationales Metrologieinstitut

Die Physikalisch-Technische Bundesanstalt das nationale Metrologieinstitut ist eine wissenschaftlich-technische Bundesoberbehoumlrde im Geschaumlftsbereich des Bundesministeriums fuumlr Wirtschaft und Energie

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PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4 Metrologie fuumlr moderne Lichtquellen

anorganischer LEDs besitzt eine maximale Kan-tenlaumlnge von etwa einem Millimeter Bei OLEDs wird das Licht in groszligflaumlchigen amorphen organi-schen Schichten erzeugt Momentan sind OLEDs mit leuchtenden Flaumlchen von bis zu 20 x 20 cmsup2 erhaumlltlich Das Licht wird aumlhnlich wie bei LEDs durch Ladungstraumlgerrekombination unter Auftre-ten von Elektrolumineszenz erzeugt Dabei ist das Emissionsspektrum der verwendeten organischen Emittermaterialien wesentlich breitbandiger als das einer LED (vgl Bild 3) Daher wird das weiszlige Licht von OLEDs in der Regel durch Verwendung von roten gruumlnen und blauen Emittermaterialien erzeugt ohne dass die Farbwiedergabeeigenschaf-ten sehr stark darunter leiden

2 Entwicklung von (O)LED-Transfer-normalen in der PTB

Eine der Kernaufgaben der PTB ist die Weiter-gabe der gesetzlichen Einheiten Bis zum heuti-gen Tage bieten Transfernormale in Form von speziellen Gluumlhlampen die besten Eigenschaften um als Maszligverkoumlrperung der Einheiten Candela oder Lumen zu dienen Da der Anwender in der Regel jedoch die Substitutionsmethode bei seinen Messungen anwendet um notwendige Korrektu-ren auf ein Minimum zu reduzieren (Gleiches mit Gleichem vergleichen) sind auch Transfernormale auf Basis der LED-Technologie von Interesse

Bereits in den 80er-Jahren des vergangenen Jahr-hunderts wurden LEDs in der PTB kalibriert Diese waren fuumlr Beleuchtungszwecke noch ungeeignet und dienten lediglich als Signallampen Zeitgleich wurden die ersten PTB-LED-Transfernormale entwickelt deren optische Eigenschaften durch thermische Regelung des LED-Chips stabilisiert wurden Die mechanische Ausrichtung der LEDs leistet aufgrund des typischerweise stark gerichteten Abstrahlprofils der LEDs einen groszligen Beitrag auf die Messunsicherheit Daher werden die LEDs seit

2002 in ein rotationssymmetrisches robustes VA-Stahl-Gehaumluse eingebaut welches sich sehr repro-duzierbar ausrichten laumlsst (vgl Bild 4)

Diese Transfernormale werden unter Konstant-Strom-Bedingungen und ndash durch gezieltes Aufhei-zen des LED-Chips durch den Heizwiderstand ndash unter Konstant-Spannung-Bedingungen betrieben Aufgrund der halbleitenden Eigenschaften sinkt mit steigender Temperatur die Betriebsspannung und sowohl der Lichtstrom als auch die Peakwellenlaumlnge des emittierten Lichts veraumlndert sich Die Sollspan-nung wird auf einen Wert festgelegt der unterhalb der Gleichgewichtsspannung durch Eigenerwaumlr-mung im Betrieb ohne Heizwiderstand bei einer Umgebungstemperatur von etwa 35 degC liegt Somit ist auch ein Einsatz der Transfernormale in Laboren ohne Klimatisierung moumlglich

Fuumlr LEDs mit houmlheren Leistungen wurde im Jahr 2011 ein weiterer Prototyp eines Transfernormals vorgestellt (vgl Bild 5) Da die hier verwendeten LEDs eine houmlhere Leistungsaufnahme besitzen werden sie waumlrmer Das reduziert die Lebensdauer und Reproduzierbarkeit der photometrischen

Bild 3 Exemplarische spektrale Verteilung einer weiszligen OLED

Bild 4 Temperaturgeregeltes LED-Transfernormal auf Basis von Kleinleistungs-LEDs mit Lichtstroumlmen von bis zu 10 Lumen

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PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4Das Jahr des Lichtes

Groumlszligen deutlich Daher muumlssen sie gekuumlhlt werden Hierfuumlr kommt bei diesen Normalen ein Peltier-Element zum Einsatz welches geregelt Waumlrme in einen dahinterliegenden Kuumlhlkoumlrper leitet und hierdurch das emittierte Licht stabilisiert Diese Transfernormale zeichnen sich durch ein geringes

Gewicht bei einer Laumlnge von ca 100 mm und einem Durchmesser von etwa 20 mm aus Allerdings ist die Verwendung von LEDs mit sehr hohen Leistun-gen nicht moumlglich da die Abwaumlrme lediglich passiv an den Raum abgegeben wird Eine detaillierte Beschreibung der Eigenschaften dieses Transfer-normals wurde 2012 veroumlffentlicht [2]

Fuumlr die thermische Stabilisierung von LEDs mit sehr hohen Leistungen wurde ein weiteres Trans-fernormal unter Einsatz von Peltier-Elementen Heatpipes und aktivem Kuumlhlsystem in der PTB entwickelt (vgl Bild 6)

Im Rahmen des europaumlischen Forschungspro-jekts OLED100eu wurde in der PTB weiterhin das weltweit erste Transfernormal unter Einsatz einer organischen Leuchtdiode entwickelt (vgl Bild 7) Dieses Normal wurde fuumlr den Einsatz in einer Ulbricht-Kugel konzipiert und in ein mattes Aluminiumgehaumluse eingebaut Eine Besonderheit dieses Normals ist die Stand-Alone-Versorgungs-einheit die ohne Rechner o auml saumlmtliche relevan-ten elektrischen und thermischen Groumlszligen regelt und auf einem USB-Stick speichert

3 LED-Messtechnik in der PTB

Neben LED-Transfernormalen mit guter Reprodu-zierbarkeit ist eine hochentwickelte Messtechnik fuumlr deren Kalibrierung mit minimaler Messunsi-cherheit erforderlich

Die photometrische Beschreibung von LEDs erfolgt durch Angabe ihrer Lichtstaumlrke ILED mit der Einheit Candela und ihrem Lichtstrom ΦLED mit der Einheit Lumen Diese Groumlszligen werden in der PTB unter Verwendung ruumlckgefuumlhrter Photometer bestimmt Hierfuumlr wird die Beleuchtungsstaumlrke ELED unter definierten geometrischen Bedingungen fuumlr alle Abstrahlrichtungen der LED mit einem Goniophotometer gemessen

Fuumlr die Bestimmung der colorimetrischen Werte kommen Spektralradiometer zum Einsatz Hiermit werden spektrale Bestrahlungsstaumlrken gemessen und daraus die abgeleiteten colorime-

Bild 5 Temperaturgeregeltes LED-Transfernormal auf Basis von Hochleistungs-LEDs mit Lichtstroumlmen von bis zu 100 Lumen Im rechten Bild ist die Temperaturverteilung in Grad Celsius waumlhrend des Betriebs abgebildet

Bild 6 Temperaturgeregeltes LED-Transfernormal auf Basis von Houmlchstleistungs-LEDs mit Lichtstroumlmen von bis zu 2500 Lumen

Bild 7 Temperaturgeregeltes OLED-Transfernormal auf Basis kommerziell erhaumlltlicher OLEDs

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PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4 Metrologie fuumlr moderne Lichtquellen

trischen Kenngroumlszligen wie z B die Normfarb-wertanteile (x y) bei weiszligen LEDs die aumlhnlichste Farbtemperatur TN mit der Einheit Kelvin und bei farbigen LEDs die dominante Wellenlaumlnge λdom berechnet Grundlegende Informationen und Definitionen uumlber die photometrischen und colorimetrischen Groumlszligen und deren Messung sind in [3] [4] und [5] zu finden

In Bild 8 ist der Aufbau des LED-Messplatzes an der PTB zu sehen Fuumlr die Bestimmung der Mess-groumlszligen in alle raumlumlichen Abstrahlwinkel wird die LED durch ein Goniophotometer bewegt

Die LED wird in horizontaler Betriebslage zentrisch normal zur Referenzebene des Photo-meterkopfes ausgerichtet Ein Translationstisch ermoumlglicht dabei eine Variation des Abstandes d zwischen Photometer und LED Eine horizontale Rotationsachse (φ-Achse) und eine senkrechte Rotationsachse (ϑ-Achse) die sich an der LED-Spitze im rechten Winkel schneiden erlauben durch Drehung der LED eine Bestimmung der Beleuchtungsstaumlrke ELED in alle Raumrichtungen Beide Rotationsachsen werden waumlhrend der Messung zeitgleich bewegt Hierdurch bewegt sich die relative Position der lichtempfindlichen Emp-faumlngeroumlffnung bezuumlglich des Schnittpunkts beider Drehachsen auf der Oberflaumlche einer virtuellen Kugel entlang einer Spiralbahn von bdquoPol zu Polldquo dieser Kugel

Die Bestimmung des Lichtstroms ΦLED erfolgt analog der Beschreibung in dem Kapitel Kurze Geschichte der Goniophotometrie in der PTB Der wesentliche Unterschied zu goniophotome-trischen Messungen an Gluumlhlampen besteht darin dass bei LED-Messungen die Lichtquelle typischerweise bewegt werden kann ohne dass sich ihre optischen Eigenschaften aumlndernAufgrund des stetig wachsenden Bedarfs an ruumlck-gefuumlhrten Kalibrierungen von High-Power-LEDs sind Masse und Abmessungen der Transfernor-male erheblich gestiegen Daher wurde der Mess-platz 2015 um ein weiteres Goniophotometer fuumlr schwere und groszlige Objekte erweitert (vgl Bild 9)

Neben den photometrischen Empfaumlngern befinden sich auch Einkoppeloptiken fuumlr Spekt-ralradiometer auf dem drehbaren Empfaumlngerka-russell Alle Empfaumlnger lassen sich hiermit auto-matisiert waumlhrend einer Messung zu den LEDs ausrichten Vor jeder LED-Kalibrierung werden die Spektralradiometer bezuumlglich Ihrer spektralen Empfindlichkeit und Wellenlaumlnge kalibriert Die entsprechenden Normallampen befinden sich neben dem Empfaumlngerkarussell (vgl Bild 10) und ermoumlglichen so ebenfalls eine automatisierte Messung

Den spektralen Messungen an LEDs kommt neben der Notwendigkeit fuumlr die Bestimmung colorimetrischer Kennzahlen noch eine beson-dere Bedeutung fuumlr die photometrischen Messun-

Bild 9 Goniophotometer fuumlr photometrische Messungen an Hochleistungs-LEDs

Bild 10 Entladungslampen mit verschiedenen Gasfuumlllungen dienen der Wellenlaumlngenka-librierung der Spektrometer Im Hintergrund ist eine Bestrahlungsstaumlrke-Normal-lampe fuumlr die spektrale Empfindlichkeitskalibrierung zu sehen

Bild 8 Goniophotometer fuumlr photometrische Messungen an Kleinleistungs-LEDs

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PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4Das Jahr des Lichtes

gen zu Wie in der Einleitung erklaumlrt unterscheiden sich die spektralen Verteilungen von LEDs und Gluumlhlampen deutlich voneinander Photometerkoumlpfe bestehen in der Regel aus einer Silizium-Photodiode deren spektrale Empfindlichkeit durch den Einsatz von Glasfiltern moumlglichst gut an den Hellemp-findlichkeitsgrad V(λ) angepasst wird Aufgrund internationaler Standardisierung wird die photo-metrische Empfindlichkeit von Photometerkoumlpfen fast ausschlieszliglich fuumlr Normlichtart A kalibriert In der Praxis werden hierfuumlr Gluumlhlampen mit einer Verteilungstemperatur von 2856 K verwendet Wenn man ein solches Photometer fuumlr Messungen an anderen Gluumlhlampen verwendet sind die spektralen Verteilungen meist so aumlhnlich dass nur geringe oder gar vernachlaumlssigbare Korrekturen aufgrund der spektralen Fehlanpassung also der Abweichung der realen spektralen Empfindlichkeit des Photometers von dem Hellempfindlichkeitsgrad notwendig sind Wenn man ein solches Photometer jedoch bei LEDs insbesondere farbigen LEDs einsetzt koumlnnen die Abweichungen aufgrund der spektralen Fehlan-passung sehr groszlig werden (gt10 fuumlr hochwertige Photometerkoumlpfe sind moumlglich)

Mit Kenntnis der relativen spektralen Verteilung der Leuchtdiode SLED(λ) und der relativen spekt-ralen Empfindlichkeit srel(λ) laumlsst sich die spektrale Fehlanpassung durch folgenden Korrekturfaktor cSpek korrigieren

cV S

s S

V P T

sSpek

LED

rel LED

A

rel

d

d

d=

( ) ( )( ) ( )

( ) ( )( )

intint

intλ λ λ

λ λ λ

λ λ λ

λ

intint ( )P Tλ λ A d

P(λ TA) beschreibt Lichtart A durch das Planck-sche Strahlungsgesetz fuumlr TA = 2856 K

Eine detaillierte Auflistung und Diskussion aller zu beruumlcksichtigenden Details bei Kalibrierungen von LEDs und das dazugehoumlrige Messunsicher-heitsbudget soll an dieser Stelle nicht gegeben werden Interessierte Leser koumlnnen hierfuumlr Infor-mationen in einer fruumlheren Veroumlffentlichung [6] oder in den Ergebnissen eines internationalen Vergleichs von LED-Messungen [7] finden

Fazit und Ausblick

Der Verzicht auf LEDs ist fuumlr Beleuchtungsan-wendungen nicht mehr vorstellbar Durch ihre kontinuierliche Weiterentwicklung erobern LEDs immer weitere Anwendungsfelder (z B Haus-halts- Straszligen- und Automobilbeleuchtung) mit denen der Endkunde in Kontakt kommt Bei diesen Anwendungen sind die Anforderungen an die Lichtquellen vielfaumlltig und fuumlr eine quantitative Beschreibung ihrer Eigenschaften muss auch die Messtechnik entsprechend umfassend und ausge-reift sein

Neben dem allgemeinen Forschungs- und Ent-wicklungsbedarf fuumlr bessere LED-Messverfahren und -geraumlte die die Grundlage ihrer technologi-schen Weiterentwicklung bilden gibt es eine weitere Herausforderung Aufgrund der nahezu unbe-grenzten Moumlglichkeiten eine bestimmte Lichtfarbe durch additive Farbmischung zu erhalten sind LEDs verschiedener Hersteller mit unterschiedlichen Emissionsspektren aber einer nominell gleichen aumlhnlichsten Farbtemperatur erhaumlltlich Dennoch ist teilweise ein Unterschied der Lichtfarbe mit bloszligem Auge erkennbar wenn sich unterschiedliche LEDs nebeneinander befinden

Es ist ungewoumlhnlich dass man ohne technische Hilfsmittel nominell gleiche Lichtfarben faktisch unterscheiden kann Um die Charakterisierung von LEDs soweit zu verbessern dass dies nicht mehr moumlglich ist ist einerseits eine Reduzierung der Messunsicherheit bei der Bestimmung der Normfarbwertanteile (Lichtfarbe) notwendig Andererseits muss man sich bewusst machen dass photometrische und colorimetrische Messverfahren auf rein physikalischen Zusammenhaumlngen basieren Individuelle menschliche Wahrnehmung und Sehen werden bei photometrischen Messungen nicht beruumlcksichtigt ndash diese werden durch Festlegung von exakt definierten Wichtungsfunktionen wie dem Hellempfindlichkeitsgrad fuumlr einen fiktiven Normalbeobachter ausgegrenzt Diese Wichtungs-funktionen koumlnnen gegebenenfalls auch noch optimiert werden um die objektive Beurteilung von Lichtquellen mit physikalischen Messmethoden zu verbessern Somit gibt es auch in Zukunft noch interdisziplinaumlre Herausforderungen fuumlr die Metro-logie moderner Lichtquellen

Literatur

[1] httpwwwnobelprizeorgnobel_prizesphysicslaureates2014 (letzter Aufruf 14102015)

[2] T Gerloff M Lindemann S Shirokov M Taddeo S Pendsa A Sperling Development of a new high-power LED transfer standard CIE Proceed-ings 2012

[3] CIE S 017E 2011 ILV International Lighting Vocabulary httpeilvciecoat (letzter Aufruf 03122015)

[4] CIE 127 2007 (2nd edition) Measurement of LEDs

[5] CIE S 025E 2015 Test Method for LED Lamps LED Luminaires and LED Modules

[6] M Lindemann R Maass Photometry and Colo-rimetry of Reference LEDs by Using a Compact Goniophotometer MAPAN ndash Journal of Metrolo-gy Society of India Vol 24 No 3 2009

[7] wwwbipmorg APMPPR-S3a (Averaged LED Intensity) APMPPR-S3b (Total Luminous Flux of LEDs) APMPPR-S3c (Emitted Colour of LEDs)

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Effektpigmente hellipPTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4

Einleitung

Farbe ist fuumlr Menschen die wohl auffaumllligste sub-jektive Stoffeigenschaft Bereits den Fruumlhmenschen war diese visuelle Qualitaumlt bekannt deren Wahr-nehmung allen Primaten eigen ist So wurde 2008 in Suumldafrika eine ca 100000 Jahre alte steinzeitli-che bdquoMalerwerkstattldquo entdeckt [1] Auch heutzu-tage spielt Farbe in der Gestaltung unserer Umwelt eine wichtige Rolle Jedes Jahr praumlsentiert uns die Mode die neuen Farben der Saison Farben dienen zur Regelung des Verkehrs Ohne bunte Farben waumlre unsere Welt trist und oumlde

Es ist wichtig festzustellen dass Farbe ein physiologischer Sinneseindruck ist wie z B auch Tasten oder Riechen D h Farbe ist keine immanente physikalische Eigenschaft eines Gegenstandes wie z B seine Masse oder Waumlrme-leitfaumlhigkeit Die physiologische Wahrnehmungs-kette ist hierbei folgende Das vom betrachteten Gegenstand reflektierte Licht trifft auf das Auge und loumlst hierbei einen Farbreiz aus Dieser Farbreiz beruht auf der spektralen Zusammensetzung des empfangenen Lichts d h er ist abhaumlngig von der verwendeten Lichtquelle und dem spektralen Reflexionsvermoumlgen des betrachteten Objektes Die Anregung der licht- und farbempfindlichen Zellen in der Netzhaut fuumlhrt zu einer Farbvalenz die uumlber den Sehnerv an das Gehirn weitergeleitet wird Die eigentliche Farbempfindung die wir dann mit einem Gegenstand verknuumlpfen entsteht erst im Gehirn [2] Liegt z B eine Farbfehlsich-tigkeit vor so kann der Farbeindruck des betrof-fenen Menschen auch ein ganz anderer sein Auch viele Tiere mit ihren teilweise erheblich abweichenden visuellen Systemen nehmen Farbe ganz unterschiedlich als wir Menschen wahr Im Folgenden soll mit Farbe immer die Koumlrperfarbe auch Gegenstandsfarbe Objektfarbe bzw Oberflauml-chenfarbe genannt einer nicht selbstleuchtenden Flaumlche bezeichnet werden die durch Reflexion von Licht an einem Koumlrper entsteht

Die genannten Zusammenhaumlnge machen die mathematisch-physikalische Beschreibung von Farbe schwierig und aufwendig da auch die spe-zifischen Eigenarten der menschlichen Wahrneh-

mungskette nachgestellt werden muumlssen Diesem Umstand wird versucht uumlber die verschiedenen Farbmaszligsysteme Rechnung zu tragen welche die Farbe eines Objektes mithilfe von quantifizierba-ren Zahlenwerten kennzeichnen [3]

Generell koumlnnen farbige Flaumlchen je nach Tageszeit und Lichteinfall sehr unterschiedlich wirken Die Aumlnderungen basieren hierbei auf der unterschiedlichen spektralen Zusammenset-zung des Tageslichts und den winkelabhaumlngigen Glanz- und Struktureigenschaften von Oberflauml-chen Ganz besonders deutlich ist dies bei auf dem Interferenzeffekt basierenden Effektpigmenten der Fall Deren visuelles Erscheinungsbild im englischen mit Visual Appearance bezeichnet kann sich bei variierendem Beobachtungswinkel und unterschiedlichen Lichtverhaumlltnissen komplett veraumlndern Man spricht hierbei von sogenannten Flop-Lacken wobei man zwischen Hell-Dunkel-Flop und Farb-Flop unterscheiden kann [4]

Generell kann man sagen dass Farbe und visuelle Effekte einen entscheidenden Anteil am Verkaufserfolg eines Produktes haben denn Farben wecken Emotionen und verschiedene Neuro marketingstudien belegen dass ca 95 aller Kaufentscheidungen emotional gepraumlgt sind [5] Deshalb spielt eine moderne Farbgestaltung unter Nutzung aktueller Effektpigmente im Pro-duktdesign eine entscheidende Rolle denn durch den Einsatz solcher Pigmente kann Gegenstaumlnden eine houmlhere Attraktivitaumlt verliehen werden Daher findet man moderne Effektpigmente heutzutage in vielen teilweise sehr unterschiedlichen Indus-trieprodukten wie z B in Autolackierungen Haumluserfassaden Kosmetikartikeln oder sogar bei Pralineacutes wie dies in Bild 1 zu sehen ist

Pigmente

Als Pigmente aus dem Lateinischen kommend von pigmentum fuumlr bdquoFaumlrbestoff Schminkeldquo bezeichnet man aus Teilchen bestehende im Anwendungs-medium praktisch unloumlsliche Sub stanzen die als Farbmittel oder wegen anderer spezieller physika-lischer und chemischer Eigenschaften als funktio-nale Farbzentren verwendet werden [6]

Effektpigmente Eine Herausforderung fuumlr die optische Messtechnik

Egbert Buhr Alfred Schirmacher Andreas Houmlpe

Dr Egbert Buhr Fachbereich bdquoBildshy und Wellenoptikldquo EshyMail egbertbuhrptbde

Dr Alfred Schirmacher Arbeitsshygruppe bdquoReflexion und Transmissionldquo EshyMail alfredschirmacherptbde

Dr Andreas Houmlpe dagger ehemals Arbeitsgrupshype bdquoReflexion und Transmissionldquo

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PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4Das Jahr des Lichtes

In der Natur vorkommende anorganische Pig-mente sind schon seit praumlhistorischen Zeiten bekannt Schon die Menschen der Steinzeit benutzen mineralische Pigmente fuumlr die ersten Houmlhlenzeichnungen Sie erkannten dass sie mit unterschiedlichen Erdsorten farbig malen konnten Eisenoxidhaltige Erden liefern gelbrote bis braunrote Kalk und Gips weiszlige Mangan-oxide sowie Holz- und Knochenkohle schwarze Farbtoumlne

Aus heutiger industrieller Sicht ist ein Pigment ein fein aufgeteilter und unloumlslicher Feststoff mit der Hauptfunktion das Erscheinungsbild des verwendeten Mediums zu verbessern oder es zu faumlrben Pigmente werden dem Medium immer durch physikalisches Mischen beigegeben dies unterscheidet sie von Farbstoffen die in ihrem Medium loumlslich sind

Pigmente koumlnnen nach den optischen Prin-zipien ihrer Wechselwirkung mit Licht unter-schieden und in verschiedene Klassen eingeteilt werden Wichtige Pigmentklassen sind Weiszlig- Bunt- Schwarz- und Effektpigmente die alle wegen ihrer speziellen farbgebenden Eigenschaf-ten eingesetzt werden Bei den Effektpigmenten

kann in einer ersten vereinfachten Einteilung noch zwischen Metalleffekt- und den sogenannten speziellen Effektpigmenten unterschieden werden

Der Begriff bdquospezielle Effektpigmenteldquo umfasst die Gruppen der Perlglanzpigmente und der all-gemeinen Interferenzpigmente welche insbeson-dere bei aktuellen Pigmententwicklungen nicht scharf abgegrenzt werden koumlnnen Perlglanzpig-mente sind Effektpigmente die aus transparenten Plaumlttchen mit hohem Brechungsindex bestehen Sie erzeugen durch die spezielle Form der Mehr-fachreflexion des transmittierten Lichts an mehre-ren Pigmenten einen perlenaumlhnlichen Effekt bei dem die auftreffende Strahlung verteilt reflektiert wird wodurch der Eindruck einer mit der Tiefe abnehmenden diffusen Helligkeit entsteht Fuumlr das Auge ergibt sich so eine scheinbar dreidimen-sionale Glanzcharakteristik die aus der Tiefe des Objektes zu kommen scheint Interferenzpigmente dagegen sind Effektpigmente deren farbgebende Wirkung ganz oder vorwiegend auf dem Effekt der Vielstrahlinterferenz von Licht an duumlnnen hoch-brechenden Schichten beruht Interferenzpigmente koumlnnen dabei sowohl auf transparenten oder auch nichttransparenten Plaumlttchen basieren

Bild 1 a) Roadster mit ChromaFlairreg-Effektpigmentlackierung b) Verwaltungsgebaumlude in Braunschweig verkleidet mit Alucobondreg-spectra-colours-Verbundplatten c) Effektpigmente im Nagellack d) Pralineacute mit Effektpigmentuumlberzug

a

dc

bb

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Effektpigmente hellipPTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4

Die heute verwendeten Pigmente lassen sich somit grob in fuumlnf verschiedene Klassen einteilen

1) Weiszligpigmente Die Pigmente streuen das ge-samte auftreffende Licht nahezu verlustfrei in alle Richtungen durch diffuse ungerichtete Reflexion

2) Buntpigmente Die Pigmente streuen einen Teil des Lichtes diffus und absorbieren wellenlaumln-genselektiv einen anderen Teil des Lichtes

3) Schwarzpigmente Die Pigmente absorbieren alle Wellenlaumlngen des fuumlr das menschliche Auge sichtbaren Spektralbereiches

4) Metalleffektpigmente Die aus duumlnnen Metall-plaumlttchen vorwiegend Aluminium bestehen-den Metalleffektpigmente sind lichtundurch-laumlssig und reflektieren das gesamte auftreffende Licht durch spekulare gerichtete Reflexion Die Pigmentpartikel wirken dabei wie Mikrospie-gel und fuumlhren bei paralleler Ausrichtung im Anwendungsmedium zu einem spiegelnden Metallglanz dem Metallic-Effekt

5) Spezielle Effektpigmente Perlglanz- bzw Inter-ferenzpigmente deren optische Wirkung auf der Mehrfachreflexion an uumlberwiegend flaumlchig aus-gebildeten und ausgerichteten transparenten semitransparenten oder lichtundurchlaumlssigen Partikeln beruht

Weiszlig- Bunt- und auch Schwarzpigmente weisen typische Durchmesser im Bereich von 100 nm bis zu 1 microm auf Ihre Groumlszlige liegt damit zum Teil im Bereich der Wellenlaumlnge des sichtbaren Lichtes welches den Bereich von 380 nm bis 780 nm uumlberdeckt Einige Schwarzpigmente wie z B Ruszlig-pigmente liegen mit ihren Durchmessern jedoch auch zum Teil auch deutlich darunter Effektpig-mente besitzen dagegen Teilchendurchmesser die zumeist im Bereich von 5 microm bis 100 microm in einigen Faumlllen auch daruumlber liegen Sie sind damit bezuumlglich der mittleren Plaumlttchendurch-messer wesentlich groumlszliger als die Wellenlaumlnge des sichtbaren Lichtes Die Dicke der Plaumlttchen liegt von einigen Ausnahmen abgesehen unter 1 microm ebenso wie die Dicke der Interferenzschichten Demzufolge weisen Effektpigmente in der Regel ein hohes Aspektverhaumlltnis auf (Verhaumlltnis der lateralen Ausdehnung einer Struktur zu ihrer Houmlhe) welches bis zu 200 betragen kann

Interferenzpigmente ndash Wie die Farben entstehen

Die Farbe von Interferenzpigmenten haumlngt von der Schichtdicke der Metalloxidbeschichtung und dem Einstrahlungs- und Betrachtungswinkel ab Beide Parameter bestimmen die effektive optische Weg-

laumlngendifferenz fuumlr das einfallende weiszlige Licht zwischen oberer und unterer Grenzflaumlche und die somit auftretenden Interferenzfarben siehe Bild 3

Interferenzpigmente zeigen somit einen aus-gepraumlgten bdquoFarbflopldquo Die Winkelabhaumlngigkeit der Farbe wird hierbei auch als Goniochromasie bezeichnet Richtig bunt geht es zu wenn ein Interferenzpigment auf einen bereits bunten Untergrund aufgebracht wird Die Transparenz der Pigmente laumlsst die Untergrundfarbe durch-

Bild 2 Schematische Diagramme zum spektralen Verhalten verschiedener Pigmenttypen

Bild 3 Die Schichtdicke der Metalloxidbeschichtung und der kombinierte Einstrahlungs- und Betrachtungswinkel bestimmen die optische Weglaumlnge und somit die sich ergebenden Interferenzfarben in Reflexion und Transmission

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PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4Das Jahr des Lichtes

Bild 5 Die Effekte Spar-kling (1) und Coarseness (2) des Effektpigmentes Xirallicreg Crystal Silver in einer vergroumlszliger-ten Aufnahme auf weiszligem (links) und schwarzem Hinter-grund (rechts)

scheinen im Glanzwinkel wird sie aber von der Interferenzfarbe uumlberstrahlt wie dies in Bild 4 zu sehen ist

Der Effekt eines Helligkeitsunterschiedes unter verschiedenen Betrachtungswinkeln wird als Helligkeitsflop bezeichnet und ist an sich nichts Neues Sind jedoch die einzelnen Pigmentteilchen

aufgrund ihrer planaren Reflexionsoberflaumlchen in gerichteter Beleuchtung direkt beobachtbar was fuumlr mittlere Teilchengroumlszligen von 30 microm und groumlszliger der Fall ist so ergibt dies einen Effekt welcher mit dem Begriff Sparkle (Glitzern Funkeln) bezeichnet wird (Bild 5) Aumlndert sich die Beleuchtung von einer gerichteten Einstrahlung wie es an einem wolkenlosen sonnigen Sommertag der Fall ist hin zu einer diffusen ungerichteten Einstrahlung wie an einem stark bewoumllkten Herbsttag so verschwin-det das Sparkling der Pigmente und verwandelt sich in eine Koumlrnigkeit der Oberflaumlche Dieses optische Phaumlnomen wird als Coarseness (Bild-koumlrnigkeit) bezeichnet und ist unabhaumlngig vom Betrachtungswinkel (Bild 5)

Als neuer Archetypus des Sparkle-Begriffes haben sich in den letzten Jahren die Xirallicreg Pig-mente (High Chroma Chrystal Effect Pigments) der Firma Merck KGaA entwickelt Durch die Beschich-tung von Aluminiumoxidplaumlttchen mit hochbre-chenden Metalloxiden und einer optimierten Dicke und Ebenheit aller am Pigment beteiligten Schich-ten entstehen auszligergewoumlhnlich stark reflektierende Effektpigmente die einen besonders intensiven Sparkle-Effekt aufweisen Man spricht hierbei auch von sogenanntem Living Sparkle welcher sich in einem scheinbaren bdquoTanzenldquo der leuchtenden Punkte in der Probenoberflaumlche bei Veraumlnderung der Beobachtungsgeometrie aumluszligert [7 8]

Generell gilt dass die Farbe von Objekten mit Effektlackierung nicht mehr wie jahrzehntelang uumlblich und ausreichend mit konventionellen Farb-messgeraumlten mit nur einer festen Messgeometrie wie z B in der 45deg 0deg Geometrie (Einstrahlung unter 45deg Reflexionsmessung unter 0deg) bestimmt werden kann Dieser Umstand wird sehr gut durch die Grafik in Bild 6 illustriert Dargestellt sind die winkelabhaumlngig gemessenen Farbkoordinaten von drei verschiedenen keramischen Farbstandards der Farben rot gruumln und blau sowie eines mit dem Effektpigment Viola Fantasy der Firma Merck lackierten Blechs Der Einfallswinkel des Lichts auf die Proben betrug hierbei immer 45deg zur Oberflauml-chennormalen Das von den Proben reflektierte Licht wurde an 26 Positionen in einem 5deg Raster in planaren die Oberflaumlchennormale enthalten-den Messgeometrien im Winkelbereich von ndash70deg bis +70deg aufgenommen Bei den aus absorptiven Pigmenten bestehenden Keramiken zeigt sich eine nur sehr geringe Winkelabhaumlngigkeit der Farbe welche groumlszligtenteils auf unterschiedlicher winkelabhaumlngiger Helligkeit d h den Glanzeigen-schaften der Oberflaumlche beruht Das Effektpigment dagegen zeigt einen extremen winkelabhaumlngigen Farb-Flop (Goniochromasie) welcher einen Farbverlauf von Gruumln uumlber Rot-Gelb hin ins Blau-Violett bietet

Aber auch die neuen Lackfarben aus der Gruppe der Effektlackierungen muumlssen messtechnisch

Bild 4 Merck-Xirallicreg-Solaris-Red-Effektpigmente appliziert auf einem mit Standard-Ab-sorptionspigmenten hellblau lackierten Metallblech In Rich-tung des Glanzwin-kels auf der rechten Seite zeigt sich der langsame Aufbau der winkelabhaumlngigen Interferenzfarbe

1

Bild 6 CIELab Farbkoordinaten einer winkelabhaumlngigen Reflexionsmessung an vier verschiedenen Proben drei Keramiken der Farben rot gruumln blau und eine Effektpigmentlackierung mit Merck Colorstreamreg Viola Fantasy Das untergelegte Farbschema zeigt naumlherungsweise die den Koordinaten entsprechende Farbe

2

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Effektpigmente hellipPTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4

Abbildungsoptik Messungen der ortsaufgeloumlsten Leuchtdichte auf einer Laumlngenskala bis hinab zu 28 microm auf der zu untersuchenden Probe siehe Bild 8

Mit der Zeilenkamera sind Messungen von kompletten Reflexionsspektren im sichtbaren Spektralbereich zwischen 380 nm und 780 nm dem sogenannten V(λ)-Bereich auf einer Zeit-skala von 2 Minuten moumlglich Hieraus lassen sich dann Farbkoordinaten der untersuchten Proben in den unterschiedlichsten Farbraumsystemen berechnen Eine absolute Messung in 114 Win-kelkombinationen (siehe Bild 9) im Polarwinkel-

erfasst und ruumlckgefuumlhrt werden um eine gleich-bleibende Qualitaumlt in der Produktion gewaumlhrleis-ten zu koumlnnen Gerade diese vielfaumlltigen zusaumltz-lichen Eigenschaften stellen die Farbmesstechnik vor neue Herausforderungen

Farbmessung

Bisherige kommerzielle Farbmessgeraumlte charakte-risieren Probenoberflaumlchen fast ausschlieszliglich in den eben schon erwaumlhnten sogenannten in-plane Reflexionsgeometrien Dabei liegen die Richtun-gen des eingestrahlten und des reflektierten Lichts sowie die Oberflaumlchennormale der Probe in einer Ebene Diese Einschraumlnkung entspricht jedoch in keiner Weise der taumlglichen Realitaumlt bei der Oberflaumlchen aus beliebigen Richtungen beleuchtet und betrachtet werden Seitens der Messgeraumlteher-steller und Anwender gibt es daher einen Trend zur erweiterten Charakterisierung bezuumlglich zusaumltzlicher Winkelkombinationen im dreidimen-sionalen Raum Spitzenreiter dieser Entwicklung am Markt ist derzeit ein tragbares Mehrwinkel-Spektralphotometer mit insgesamt 19 verschie-denen Reflexionsgeometrien [9] Hiermit scheint aber auch das Ende dieser Entwicklung im Bereich der portablen handgefuumlhrten Geraumlte erreicht Der Wunsch der Anwender geht aktuell wieder zuruumlck zu einer geringeren Anzahl von Winkelkombi-nationen denn es ist unklar wie man aus dem Mehr an winkelaufgeloumlsten Reflexionsdaten die fuumlr die Charakterisierung der Farbeigenschaften relevanten Informationen gewinnen kann Daher stellt sich die Frage welches sind bdquoguteldquo d h an die Messaufgabe adaptierte optimal geeignete Messgeometrien

Um diese Frage zu beantworten betreibt die AG 424 bdquoReflexion und Transmissionldquo der PTB zwei roboterbasierte Gonioreflektometer die eine winkelaufgeloumlste Reflexionsmessung in beliebi-gen bidirektionalen Geometrien ermoumlglichen [10ndash12] Diese beiden Apparaturen sind in Bild 7 dargestellt

Das Standard-Gonioreflektometer ist hierbei das nationale Normal fuumlr die Messgroumlszlige spektraler Strahldichtefaktor in gerichteten Geometrien Es dient der Realisierung Bewahrung und Weiter-gabe der gerichteten Reflexionsskale in Form von Kalibrierungen Die zweite Apparatur bezeich-net mit dem Acronym ARGon3 (3D Appearance Robot-based Gonioreflectometer) ist ein flexibles Forschungsgeraumlt mit dem experimentelle Unter-suchungen u a im Rahmen des EMRP-Projektes Multidimensional Reflectometry for Industry der EU [13] durchgefuumlhrt werden Im Ver gleich zum Standard-Gonioreflektometer ist dieses Geraumlt mit einer photometrischen Leuchtdichteka-mera und einer Zeilenkamera ausgeruumlstet Die Leuchtdichtekamera erlaubt mit einer speziellen

Bild 7 Die beiden roboter-basierten Gonio-reflektometer der PTB oben Standard-Gonioreflektometer fuumlr Kundenkalibrie-rungen unten ARGon3-Messplatz fuumlr Forschungsanwen-dungen

Bild 8 Visualisierung desSparkling-Effektesvon Xironareg-Volcanic-Sparks-Pigmenten als Falschfarben-darstellung der ortsaufgeloumlsten LeuchtdichteDie bdquoNadelnldquo zeigendie Position derPigmente an

Bild 9 Beispielgeometrien zur Messung der winkelabhaumlngigen Reflexionseigen-schaften Realisiert wurden 4 Einstrah-lungsrichtungen (rote Pfeile) mit jeweils 114 Reflexionswinkeln (schwarze Punkte) im Bereich der Viertel-kugel oberhalb der Probenoberflaumlche

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PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4Das Jahr des Lichtes

bereich 0deg bis 70deg gleichmaumlszligig verteilt uumlber den Viertelraum oberhalb der Probe dauert hierbei ca 4 Stunden [14] Die so erhaltenen Daten bilden die Basis fuumlr kuumlnftige Verbesserungen in der Mess-technik fuumlr Anwender und Hersteller

Im Rahmen des EMRP-Projektes Multidimen-sional Reflectometry for Industry [13] sind damit die winkelabhaumlngigen Reflexionsspektren von insgesamt 66 verschiedenen Effektpigmentproben gemessen worden [15 16] Bei den vier verschie-denen Einstrahlungsrichtungen verbunden mit jeweils 114 Reflexionswinkeln im Bereich der Vier-telkugel oberhalb der Probenoberflaumlche ergeben sich somit uumlber 30000 Reflexionsspektren

Zielsetzung der Untersuchungen ist die Ver-besserung der Metrologie zur Materialcharak-terisierung mit reduzierter Messunsicherheit Dazu werden neue Messvorschriften und neue Standardmessartefakte entwickelt mit denen die Industrie die visuelle Wahrnehmung der von ihr produzierten Oberflaumlchen gezielt charakterisie-ren und kontrollieren kann Solche Messungen sollten einfach auszufuumlhren sein und die Ergeb-nisse muumlssen soweit wie moumlglich mit der visuellen menschlichen Wahrnehmung korrelieren Im europaumlischen und internationalen Rahmen sollen die Ergebnisse in die Normung einflieszligen um die allgemeine Vergleichbarkeit solcher Messungen zu gewaumlhrleisten

Literatur

[1] CS Henshilwood et al A 100000-Year-OldOchre-Processing Workshop at Blombos CaveSouth Africa Science Vol 334 No 6053 219ndash2222011

[2] Mark D Fairchild Color Appearance Models2nd Ed John Wiley amp Sons Ltd 2005

[3] Colorimetry Understanding the CIE Systemed by J Schanda Wiley-Interscience NJ 2007

[4] WR Cramer Der richtige Blickwinkel Farbe amp Lack 092006 26ndash30 2006

[5] G Zaltman How Customers Think EssentialInsights into the Mind of the Market HarvardBusiness Review Press 2003

[6] DIN ISO 18451-12015-11 Pigmente Farbstof-fe und Fuumlllstoffe ndash Begriffe ndash Teil 1 AllgemeineBegriffe

[7] WR Cramer Ohne Glimmer aber mit GlanzFarbe amp Lack 042003 132ndash136 2003

[8] WR Cramer Es glitzert wie am SternenhimmelFahrzeug + Karosserie 0412 20ndash22 2012

[9] E Kirchner W Cramer Making sense of measure-ment geometries for multi-angle spectrophotome-ters Color Res Appl Vol 37 No3 186ndash198 2012

[10] D Huumlnerhoff U Grusemann A Houmlpe Newrobot-based gonioreflectometer for measuringspectral diffuse reflection Metrologia 43 S11ndashS162006

[11] A Houmlpe D Huumlnerhoff K-O Hauer Robot-basedgonioreflectometer Industrial Robotics Program-ming Simulation and Applications Low Kin-Huat Ed Pro Literatur-Verlag Mammendorf623ndash632 2007

[12] A Houmlpe T Atamas D Huumlnerhoff S TeichertK-O Hauer ARGon3 ndash bdquo3D Appearance Robot-based Gonioreflectometerrdquo at PTB Rev SciInstrum 83(4) 045102-1ndash045102-8 2012

[13] European Metrology Research Program ProjectIND52 bdquoxD-Reflectldquo Multidimensional Reflecto-metry for Industry wwwxdreflecteu(letzter Aufruf 03122015)

[14] T Atamas K-O Hauer A Houmlpe Appearancemeasurements of goniochromatic colours Predic-ting Perceptions Proceedings of the 3rd Internati-onal Conference on Appearance 149ndash154 2012

[15] A Houmlpe A Koo FM Verdu FB LeloupG Obein et al bdquoMultidimensional reflectometryfor industryrdquo (xD-Reflect) an European researchproject Proc SPIE 9018 Measuring Modelingand Reproducing Material AppearanceSPIE-ISampT Vol 9018 901804-1ndash901804-11 2014

[16] A Houmlpe K-O Hauer S Teichert D HuumlnerhoffC Strothkaumlmper Goniochromatic and Sparkleproperties of effect pigmented samples in mul-tidimensional configuration Proc SPIE 9398Measuring Modeling and Reproducing MaterialAppearance 2015 SPIE Proc Vol 9398 Appea-rance 93980O-1ndash7 2015

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Die 50 Sitzung des Internationalen Komitees fuumlr das gesetzliche Messwesen (CIML) fand vom 20 bis 22 Oktober 2015 in Arcachon Frankreich statt Im Vorfeld der CIML-Sitzung fand ein ein-taumlgiges OIML-Seminar uumlber Countries and Econo-mies with Emerging Metrology Systems (CEEMS) statt uumlber das weiter unten berichtet wird

Das CIML ist der Lenkungsausschuss der OIML Es trifft sich jaumlhrlich und besteht aus je einem Repraumlsentanten der Mitgliedstaaten der korrespondierenden Mitglieder und den Vertre-tern internationaler und regionaler Organisa-tionen die als Beobachter teilnehmen koumlnnen Das CIML ist zustaumlndig fuumlr die Vorbereitung und Durchfuumlhrung der Entscheidungen der Konfe-renz die alle vier Jahre stattfindet Es uumlberwacht die Arbeiten der Technischen Komitees und Unterkomitees und des Internationalen Buumlros fuumlr das gesetzliche Messwesen (BIML) in Paris

An der 50 CIML-Sitzung nahmen 144 Teilneh-mer aus 43 Mitgliedstaaten und 13 korrespondie-renden Mitgliedstaaten teil Zur deutschen Dele-gation gehoumlrten neben den o g Autoren auch die Herren Johann Fischer Direktor des Landesamts fuumlr Mess- und Eichwesen Berlin-Brandenburg sowie Prof Olaf Kuumlhn Direktor des Thuumlringer Landesamts fuumlr Verbraucherschutz als Vertreter der Bundeslaumlnder Dr Peter Ulbig Leiter der Abteilung Wissenschaftlich-technische Quer-schnittsaufgaben der PTB und Prof Manfred Kochsiek Vizepraumlsident a D der PTB ehema-liger CIML-Praumlsident und Ehrenmitglied der OIML Frau Dr Anna Cypionka persoumlnliche Referentin des Praumlsidenten der PTB nahm am OIML-Seminar fuumlr CEEMS teil Vertreten waren auch wieder internationale und regionale Orga-nisationen zu denen die OIML Verbindungen unterhaumllt wie das Internationale Buumlro fuumlr Maszlig und Gewicht (BIPM) die GSO-GCC Standardiza-tion Organization (Saudi-Arabien) die Internatio-nal Laboratory Accreditation Cooperation (ILAC) und der Europaumlische Verband der Waagenherstel-ler (CECIP)

Alle Beschluumlsse der 50 CIML-Sitzung koumlnnen auf den Internetseiten der OIML aufgerufen werden [1 2]

Die wichtigsten Entscheidungen und Entwick-lungen werden nachfolgend vorgestellt

1 Personalangelegenheiten

Der Vertrag von Willem Kool als Assistant Director wurde um vier Jahre der Vertrag des BIML-Direk-tors Stephen Patoray um drei Jahre verlaumlngert

2 Einfuumlhrung des PG Workspace im Internet

In seinem Bericht im Zusammenhang mit der Etablierung des neuen Webauftritts der OIML hob der CIML-Praumlsident Peter Mason (UK) die erfolgreiche Einfuumlhrung des Workspace fuumlr Pro-jektgruppen hervor Durch die Online-Arbeit wird erwartet dass die technische Arbeit an neuen bzw zu revidierenden OIML-Dokumenten vereinfacht und insgesamt effizienter wird

3 Revision der technische Richtlinien fuumlr die OIML (B 6 Directives for OIML tech-nical work)

In einem neuen Projekt sollen die in den vergan-genen Jahren revidierten OIML-Richtlinien fuumlr die technische Arbeit erneut uumlberarbeitet werden um u a den Prozess der Entwicklung und Uumlber-arbeitung von OIML-Publikationen noch weiter zu beschleunigen und den neuen internetbasierten Technologien und Arbeitsweisen Rechnung zu tragen

4 Umfassende strukturelle Uumlberarbeitung des OIML Certificate System

Das CIML verabschiedete die Gruumlndung einer Projektgruppe mit der Aufgabe einer substan-ziellen Uumlberarbeitung des OIML-Zertifizierungs-systems das z Zt aus dem Basiszertifizierungs-system und dem MAA3 besteht Urspruumlnglich ausgehend von der Annahme die Akzeptanz des MAA-Zertifizierungssystem muumlsse verstaumlrkt werden eine groumlszligere Verbreitung finden und mehr Messgeraumltearten abdecken erscheint es

Aktuelles aus der OIML (Internationale Organisation fuumlr das Gesetzliche Messwesen)Bericht uumlber die 50 Sitzung des CIML in Arcachon FrankreichSusanne Ludwig Roman Schwartz

INTERNATIONALE ZUSAMMENARBEIT

Susanne Ludwig OIMLshyGeschaumlftsstelle der PTB EshyMail susanneludwigptbde

Dir u Prof Dr Roman Schwartz Vizepraumlsident der PTB deutsches Mitglied im Internashytionalen Komitee fuumlr das Gesetzliche Messwesen (CIML) und CIMLshyVizepraumlsishydent EshyMail romanschwartzptbde

3 Mutual Acceptance Arrangement (Abshykommen zur gegenshyseitigen Anerkennung von Bauartpruumlfungen)

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PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4Internationale Zusammenarbeit

inzwischen sinnvoller und wurde so auch vom CIML beschlossen zum 112017 ein einziges OIML-Zertifizierungssystem einzufuumlhren Eine Projektgruppe (Certification System Project Group = CSPG) unter dem Vorsitz des CIML-Vizepraumlsi-denten Dr Roman Schwartz wurde damit beauf-tragt die notwendigen Dokumente und Prozedu-ren auszuarbeiten

5 OIML-Seminar fuumlr Countries and Economies with Emerging Metrology Systems (CEEMS)

Im Vorfeld der CIML-Sitzung wurde ein eintaumlgiges Seminar zum Thema Developing an OIML Package for Assistance to Countries with Emerging Metro-logy Systems (CEEMS) abgehalten In vier Sitzun-gen diskutierten 125 Teilnehmer aus 49 Laumlndern uumlber Moumlglichkeiten Laumlnder beim Aufbau von nationalen Metrologiesystemen zu unterstuumltzen In der ersten von Frau Dr Cypionka geleiteten Sitzung Capacity Building ging es um die allge-meinen Herausforderungen bei der Gestaltung von Programmen zur Foumlrderung von Handlungs-kompetenzen und Vermittlung von Wissen fuumlr die Metrologie In zwei weiteren Sitzungen wurden unter den Themen Helping CEEMS Improve Regulation in their Markets (Leitung Prof Dr Manfred Kochsiek) und New Ideas ndash Doing Legal Metrology Differently (Leitung Stuart Carstens

Suumldafrika) konkrete inhaltliche Loumlsungsvorschlaumlge vorgestellt und diskutiert Die Ergebnisse wurden in der 50 CIML-Sitzung vorgestellt und fanden ihren Niederschlag in der Resolution Nr 201510 [2] sie sollen auch noch auf den OIML-Webseiten veroumlffentlicht werden [1]

6 OIML-Publikationen

Folgende OIML-Publikationen wurden verabschiedet

R 139-3 Compressed gaseous fuels measuring systems for vehicles Part 3 Test report format

New Recommendation (R 145) Ophthalmic instru-ments mdash Impression and applanation tonometers

Alle OIML-Publikationen stehen im Internet frei zur Verfuumlgung [3]

Gleichzeitig wurde die Revision der folgenden OIML-Publikation beschlossen

Revision of R 79 Labeling requirements for prepackages

Folgende neue Projekte wurden verabschiedet

Revision des OIML-Dokuments B 6-1 Directives for OIML technical work

Bild 1 Teilnehmer der 50 Sitzung des Internationalen Komitees fuumlr Gesetz-liches Messwesen (CIML) in Arcachon Frankreich

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PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4 Aktuelles aus der OIML

TC 8SC 1 Revision R 71 Fixed storage tanks mdash General requirements

TC 8SC 1 Revision R 85 Automatic level gauges for measuring the level of liquid in stationary storage tanks

7 Personalien und Ehrungen

Die von Dr Seiler dem ehemaligen Leiter des Fachbereichs bdquoTechnische Zusammenarbeitldquo der PTB initiierte OIML-Auszeichnung fuumlr bdquoexzel-lente Beitraumlge von Entwicklungslaumlndern zum gesetzlichen Messwesenldquo ging in diesem Jahr an

bull Nam Hyuk Lim Director of Korea Testing Certi-fication und

bull The Metrology Department Saint Lucia Bureau of Standards

Die OIML-Medaille fuumlr besondere Verdienste um die OIML-Arbeit ging an Ngo Quy Viet Vietnam und Cartaxo Reis aus Portugal

8 Termine

Ein Gastgeberland fuumlr die 51 CIML-Sitzung und 15 OIML-Konferenz im Jahr 2016 konnte noch nicht bekannt gegeben werden es wird aber wahr-scheinlich wieder Frankreich sein Weitere OIML-Veranstaltungen und -Termine finden sich auf der OIML-Webseite unter [4]

9 Literatur

[1] httpswwwoimlorgen (letzter Aufruf 19112015)

[2] httpswwwoimlorgenstructurecimlpdf50-ciml-resolutions-englishpdf (letzter Aufruf 19112015)

[3] httpswwwoimlorgenpublicationsrecommen-dationspublication_viewp_type=1ampp_status=1

[4] (letzter Aufruf 19112015)[5] httpswwwoimlorgeneventscalendar

(letzter Aufruf 19112015)

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TECHNOLOGIETRANSFER

E27-Scanner fuumlr UlbrichtkugelnMit dem besonders einfach ohne Umbau einsetzbaren E27-Scanner koumlnnen Anwender und Hersteller die Homogenitaumlt ihrer Ulbricht-kugeln bestimmen und die Ergebnisse zur Berechnung genauerer Lichtstroumlme und zur Dokumentation der Qualitaumlt ihrer Messungen nutzen

Hintergrund

Wie viel Licht eine Lampe insgesamt in alle Richtungen abstrahlt wird durch ihren Lichtstrom ausgedruumlckt Um den fuumlr die Bestimmung der Energieeffizienz von Lampen notwendigen Lichtstrom schnell zu er mitteln setzt die Lampenindustrie Ulbrichtkugeln ein An einer Stange in der Mitte der Ulbrichtkugel befindet sich eine E27-Lampen-fassung in die nacheinander die Lichtstrom-Normallampe und die zu kalibrierende Lampe eingeschraubt werden Das indirekt auf den Mess-kopf fallende Licht erzeugt einen Photostrom der im Idealfall propor-tional zu dem von der Lampe abgestrahlten Lichtstrom ist unabhaumlngig von der Richtung in die das Licht abgestrahlt wird

Dies ist jedoch bei einer ungleichmaumlszligigen Beschichtung der Kugel sowie bei einer im Laufe der Zeit nicht zu verhindernden Verstaubung nicht der Fall Deshalb wird mit einem Kugelscanner die Homogenitaumlt der Kugel regelmaumlszligig vermessen und ein Korrekturfaktor bestimmt der von der jeweiligen Abstrahlcharakteristik der zu untersuchenden Lampe abhaumlngt

Technische Beschreibung

Der Kugelscanner wird einfach in eine E27-Fassung geschraubt und das sonst fuumlr die Lampenversorgung eingesetzte Netzgeraumlt wird durch die Steuereinheit ersetzt Diese uumlbernimmt sowohl die elektrische Versor-gung als auch die Befehlsuumlbermittlung zum Kugelscanner Die Steuer-einheit wird via USB oder RS232 an einen Computer angeschlossen Das mitgelieferte Messprogramm stellt automatisiert alle gewuumlnschten Richtungen ein und speichert die zugehoumlrigen von der Steuereinheit gemessenen Photostroumlme des Photometers

Wirtschaftliche Bedeutungw

Fuumlr Lampenindustrie und Hersteller von Ulbrichtkugeln

bull Genauere Messung des Lichtstroms

bull Bestimmung des Zeitpunkts einer Neubeschichtung

bull Uumlberwachung beim Beschichten

bull Dokumentation des Zustands der Ulbrichtkugel

EntwicklungsstandDer E27-Kugelscanner wurde in der PTB entwickelt Er wird laufend fuumlr Kalibrierungen eingesetzt Die Technologie wurde an die Firma Czibula amp Grundmann transferiert und wird dort mit einer PTB-Lizenz gebaut und vertrieben wwwphoto-metercom

Ansprechpartner

Dr Bernhard SmandekBeauftragter fuumlr TechnologietransferTelefon +49 531 592shy8303Telefax +49 531 592shy69shy8303EshyMail technologietransferptbde

Dr Stefan WinterFachbereich Photometrie und Radiometrie

Abbildung des E27shyKugelscanners Eine stark fokussierende Lampe die computergesteuert in alle Richtungen leuchten kann

Vorteile

bull Schneller Einbau in E27shyFassung

bull Computergesteuertes Abscannen der gesamten Ulbrichtkugel

bull Flexible Messmoumlglichkeiten

bull Fuumlr genauere Lichtstromshymessungen

bull Wichtig fuumlr die Qualitaumltsshysicherung

PTBshyNummer 0172

wwwtechnologietransferptbde

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PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4 Technologieangebote

Ansprechpartner

Dr Bernhard SmandekBeauftragter fuumlr TechnologietransferTelefon +49 531 592shy8303Telefax +49 531 592shy69shy8303EshyMail technologietransferptbde

Dr Stefan WinterArbeitsgruppe Solarzellen

PulsshyzushyCWshyKonverter

Umwandlung gepulster Laser-Strahlung in konstante StrahlungIn weiten Bereichen der optischen Metrologie ist eine Strahlungs-quelle von groszligem Nutzen die sich spektral vom UV-C bis ins mitt-lere IR durchstimmen laumlsst Lediglich Laser mit gepulster Strahlung erfuumlllen diese Anforderung bei ausreichend groszligem Ausgangssignal bisher luumlckenlos Femtosekunden-Lasersysteme waumlren aufgrund ihrer gut automatisierbaren und spektral weiten Durchstimmbarkeit die ideale Strahlungsquelle fuumlr z B radiometrische Anwendungen ndash wenn ihre Strahlung nicht gepulst waumlre

Durch das extreme Puls-Pausen-Verhaumlltnis von 10ndash5 entstehen hohe Spitzenleistungen die wiederum zu Saumlttigungseffekten bei Detek-toren und in der Folge zu nichtlinearem Verhalten fuumlhren koumlnnen Mit dem in der PTB entwickelten Puls-zu-CW-Konverter wird dieses Problem geloumlst

Technische Beschreibung

Bei dieser Methode werden Pulse gepulster Strahlungsquellen ausrei-chend hoher Repetitionsrate in CW-Strahlung umgewandelt Dabei wird jeder Puls in viele kleine Teilpulse aufgeteilt die auf unterschiedlich langen Wegstrecken unterschiedliche Laufzeiten erfahren Am Ausgang des Systems erscheinen sie dann zeitlich gleichmaumlszligig verteilt Realisiert wird dieser Puls-zu-CW-Konverter uumlber ein Glasfaserbuumlndel bei dem jede Einzelglasfaser eine individuell festgelegte Laumlnge besitzt

Mit der Entwicklung des Puls-zu-CW-Konverters wurde das ent-scheidende Manko beim Einsatz leistungsstarker Femtosekunden(fs)-Lasersysteme im Bereich der Metrologie beseitigt und erstmalig gepulste Laserstrahlung in CW-Strahlung umgewandelt Diese Neuentwicklung ermoumlglicht es nun herkoumlmmliche Monochromatorsysteme durch fs-Lasersysteme zu ersetzen die eine bis zu 1000-mal houmlhere spektrale Ausgangsleistung besitzen

Wirtschaftliche Bedeutung

Durch den neuen Puls-zu-CW-Converter koumlnnen in wirtschaftlich bedeutenden Bereichen wie z B der Photovoltaik der Photometrie der UV-Strahlungsmesstechnik und der Reflektometrie die Referenz- und Transfernormale mit einer deutlich reduzierten Messunsicherheit kali-briert werden Hier werden bislang wesentliche Messunsicherheitsan-teile durch zu geringe Strahlungsleistungen aus herkoumlmmlichen Mono-chromatorsystemen verursacht

Entwicklungsstand

Unter DE 10 2010 011 615 B4 wurde fuumlr den CW-Konverter ein Patent erteilt

Vorteile

bull Zeitliche Glaumlttung gepulster Laserstrahlung

bull Keine stoumlrenden Interferenzen

bull Nur minimale Absorption des Messsignals

bull Auch bei kuumlrzeren Wellenshylaumlngen ohne Ulbrichtkugel verwendbar

bull Kontinuierliche Verteilung des Ausgangspulses

bull Pulsvervielfachung

bull Houmlhere Strahlungsleistung

PTBshyNummer 0254

wwwtechnologietransferptbde

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PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4Technologieangebote

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Homogenisierung von Strahlungsquellen und Focal Plane Arrays (FPA)Ein neuartiges Verfahren ermoumlglicht softwaregestuumltzt eine deutlich verbesserte Kalibrierung von Mehrelement-Sensoren (FPA) und bildgebenden Systemen (Kameras) Bei flaumlchigen Strahlungsquellen kann zusaumltzlich eine gezielte Ansteuerung von Flaumlchenelementen zu einer bisher im Allgemeinen nicht erreichbaren Flaumlchenhomogenitaumlt fuumlhren

Technische Beschreibung

Flaumlchenstrahler dienen der Kalibrierung von ortsaufloumlsenden Strah-lungssensoren wobei davon ausgegangen wird dass die Emissionsflaumlche des Strahlers im Wesentlichen homogen bezuumlglich ihrer Strahldichte bzw Strahlungstemperatur ist Um kleine Inhomogenitaumlten eines Flaumlchenstrahlers zu charakterisieren ist es ein gaumlngiges Verfahren die Emissionsflaumlche punktweise mit einem Einzeldetektor abzutasten

Das neue PTB-Verfahren ist wesentlich schneller da es den Mehr-element-Sensor (FPA) das device-under-test selbst nutzt und damit immer ein Gesamtbild der Quelle aufnimmt Werden jetzt weitere Bilder zeilen- oder spaltenversetzt aufgenommen so erlaubt ein mathema-tischer Algorithmus bei nur drei Bildern eine komplette Charakterisie-rung des Sensors aber auch der Quelle

Sind Flaumlchenelemente der Strahlungsquelle einzeln ansteuerbar so ist es sogar moumlglich mittels der ermittelten Korrekturwerte zu Strahlquellen extrem hoher Homogenitaumlt im on-line-Betrieb zu gelangen

Wirtschaftliche Bedeutung

Bildgebende Strahlungssensoren und homogene Strahlungsquellen sind relevant fuumlr die Forschung und Entwicklung fuumlr die Prozesstechnik fuumlr die Charakterisierung der Energieeffizienz von Bauten bei der Ent-wicklung neuer Bauteile mit hoher thermischer Belastung und in vielen weiteren Bereichen Der mathematische Algorithmus ist aber auf unter-schiedliche Arten von Kamerasystemen anwendbar und damit auch fuumlr die Qualitaumltssicherung von CCD-Kameras bis hin zum Konsumguuml-termarkt anwendbar EntwicklungsstandEine deutsche Patenterteilung erfolgte im September 2015 Eine PCT-Anmeldung ist anhaumlngig Kooperations- und Lizenzpartner aus den Bereichen Thermografie Radiometrie und Photometrie zur Umsetzung des Konzeptes werden gesucht

Ansprechpartner

Dr Bernhard SmandekBeauftragter fuumlr TechnologietransferTelefon +49 531 592shy8303Telefax +49 531 592shy69shy8303EshyMail technologietransferptbde

DiplshyIng Berndt GutschwagerArbeitsgruppeInfrarotshyStrahlungsthermometrie

Stahlungsmessplatz der PTB zur Kalibrierung von Temperaturstrahlern und Waumlrmebildkashymeras

Vorteile

bull Schnelle Kalibrierung von Flaumlchensensoren (FPA)

bull Schnelle Kalibrierung von Flaumlchenstrahlern

bull Strahlquellen houmlchster Hoshymogenitaumlt

bull Fuumlr Thermografie und Phoshytometrie

PTBshyNummer 00374

wwwtechnologietransferptbde

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Printed in Germany ISSN 0030-834X

Die fachlichen Aufsaumltze aus dieser Ausgabe der PTB-Mitteilungen sind auch online verfuumlgbar unterdoi 10779531020150499

Die Physikalisch-Technische Bundesanstalt das nationale Metrologieinstitut ist eine wissenschaftlich-technische Bundesoberbehoumlrde im Geschaumlftsbereich des Bundesministeriums fuumlr Wirtschaft und Energie

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Die PTB-Mitteilungen sind metrologisches Fachjournal der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt Braunschweig und Berlin Als Fachjournal veroumlffentlichen die PTB- Mitteilungen wissenschaftliche Fachaufsaumltze zu metrologischen Themen aus den Arbeitsgebieten der PTB Die PTB-Mitteilungen stehen in einer langen Tradition die bis zu den Anfaumlngen der Physikalisch-Technischen Reichsanstalt (gegruumlndet 1887) zuruumlckreicht

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Physikalisch-Technische BundesanstaltBraunschweig und BerlinNationales Metrologieinstitut

Die Physikalisch-Technische Bundesanstalt das nationale Metrologieinstitut ist eine wissenschaftlich-technische Bundesoberbehoumlrde im Geschaumlftsbereich des Bundesministeriums fuumlr Wirtschaft und Energie

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PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4Das Jahr des Lichtes

Groumlszligen deutlich Daher muumlssen sie gekuumlhlt werden Hierfuumlr kommt bei diesen Normalen ein Peltier-Element zum Einsatz welches geregelt Waumlrme in einen dahinterliegenden Kuumlhlkoumlrper leitet und hierdurch das emittierte Licht stabilisiert Diese Transfernormale zeichnen sich durch ein geringes

Gewicht bei einer Laumlnge von ca 100 mm und einem Durchmesser von etwa 20 mm aus Allerdings ist die Verwendung von LEDs mit sehr hohen Leistun-gen nicht moumlglich da die Abwaumlrme lediglich passiv an den Raum abgegeben wird Eine detaillierte Beschreibung der Eigenschaften dieses Transfer-normals wurde 2012 veroumlffentlicht [2]

Fuumlr die thermische Stabilisierung von LEDs mit sehr hohen Leistungen wurde ein weiteres Trans-fernormal unter Einsatz von Peltier-Elementen Heatpipes und aktivem Kuumlhlsystem in der PTB entwickelt (vgl Bild 6)

Im Rahmen des europaumlischen Forschungspro-jekts OLED100eu wurde in der PTB weiterhin das weltweit erste Transfernormal unter Einsatz einer organischen Leuchtdiode entwickelt (vgl Bild 7) Dieses Normal wurde fuumlr den Einsatz in einer Ulbricht-Kugel konzipiert und in ein mattes Aluminiumgehaumluse eingebaut Eine Besonderheit dieses Normals ist die Stand-Alone-Versorgungs-einheit die ohne Rechner o auml saumlmtliche relevan-ten elektrischen und thermischen Groumlszligen regelt und auf einem USB-Stick speichert

3 LED-Messtechnik in der PTB

Neben LED-Transfernormalen mit guter Reprodu-zierbarkeit ist eine hochentwickelte Messtechnik fuumlr deren Kalibrierung mit minimaler Messunsi-cherheit erforderlich

Die photometrische Beschreibung von LEDs erfolgt durch Angabe ihrer Lichtstaumlrke ILED mit der Einheit Candela und ihrem Lichtstrom ΦLED mit der Einheit Lumen Diese Groumlszligen werden in der PTB unter Verwendung ruumlckgefuumlhrter Photometer bestimmt Hierfuumlr wird die Beleuchtungsstaumlrke ELED unter definierten geometrischen Bedingungen fuumlr alle Abstrahlrichtungen der LED mit einem Goniophotometer gemessen

Fuumlr die Bestimmung der colorimetrischen Werte kommen Spektralradiometer zum Einsatz Hiermit werden spektrale Bestrahlungsstaumlrken gemessen und daraus die abgeleiteten colorime-

Bild 5 Temperaturgeregeltes LED-Transfernormal auf Basis von Hochleistungs-LEDs mit Lichtstroumlmen von bis zu 100 Lumen Im rechten Bild ist die Temperaturverteilung in Grad Celsius waumlhrend des Betriebs abgebildet

Bild 6 Temperaturgeregeltes LED-Transfernormal auf Basis von Houmlchstleistungs-LEDs mit Lichtstroumlmen von bis zu 2500 Lumen

Bild 7 Temperaturgeregeltes OLED-Transfernormal auf Basis kommerziell erhaumlltlicher OLEDs

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PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4 Metrologie fuumlr moderne Lichtquellen

trischen Kenngroumlszligen wie z B die Normfarb-wertanteile (x y) bei weiszligen LEDs die aumlhnlichste Farbtemperatur TN mit der Einheit Kelvin und bei farbigen LEDs die dominante Wellenlaumlnge λdom berechnet Grundlegende Informationen und Definitionen uumlber die photometrischen und colorimetrischen Groumlszligen und deren Messung sind in [3] [4] und [5] zu finden

In Bild 8 ist der Aufbau des LED-Messplatzes an der PTB zu sehen Fuumlr die Bestimmung der Mess-groumlszligen in alle raumlumlichen Abstrahlwinkel wird die LED durch ein Goniophotometer bewegt

Die LED wird in horizontaler Betriebslage zentrisch normal zur Referenzebene des Photo-meterkopfes ausgerichtet Ein Translationstisch ermoumlglicht dabei eine Variation des Abstandes d zwischen Photometer und LED Eine horizontale Rotationsachse (φ-Achse) und eine senkrechte Rotationsachse (ϑ-Achse) die sich an der LED-Spitze im rechten Winkel schneiden erlauben durch Drehung der LED eine Bestimmung der Beleuchtungsstaumlrke ELED in alle Raumrichtungen Beide Rotationsachsen werden waumlhrend der Messung zeitgleich bewegt Hierdurch bewegt sich die relative Position der lichtempfindlichen Emp-faumlngeroumlffnung bezuumlglich des Schnittpunkts beider Drehachsen auf der Oberflaumlche einer virtuellen Kugel entlang einer Spiralbahn von bdquoPol zu Polldquo dieser Kugel

Die Bestimmung des Lichtstroms ΦLED erfolgt analog der Beschreibung in dem Kapitel Kurze Geschichte der Goniophotometrie in der PTB Der wesentliche Unterschied zu goniophotome-trischen Messungen an Gluumlhlampen besteht darin dass bei LED-Messungen die Lichtquelle typischerweise bewegt werden kann ohne dass sich ihre optischen Eigenschaften aumlndernAufgrund des stetig wachsenden Bedarfs an ruumlck-gefuumlhrten Kalibrierungen von High-Power-LEDs sind Masse und Abmessungen der Transfernor-male erheblich gestiegen Daher wurde der Mess-platz 2015 um ein weiteres Goniophotometer fuumlr schwere und groszlige Objekte erweitert (vgl Bild 9)

Neben den photometrischen Empfaumlngern befinden sich auch Einkoppeloptiken fuumlr Spekt-ralradiometer auf dem drehbaren Empfaumlngerka-russell Alle Empfaumlnger lassen sich hiermit auto-matisiert waumlhrend einer Messung zu den LEDs ausrichten Vor jeder LED-Kalibrierung werden die Spektralradiometer bezuumlglich Ihrer spektralen Empfindlichkeit und Wellenlaumlnge kalibriert Die entsprechenden Normallampen befinden sich neben dem Empfaumlngerkarussell (vgl Bild 10) und ermoumlglichen so ebenfalls eine automatisierte Messung

Den spektralen Messungen an LEDs kommt neben der Notwendigkeit fuumlr die Bestimmung colorimetrischer Kennzahlen noch eine beson-dere Bedeutung fuumlr die photometrischen Messun-

Bild 9 Goniophotometer fuumlr photometrische Messungen an Hochleistungs-LEDs

Bild 10 Entladungslampen mit verschiedenen Gasfuumlllungen dienen der Wellenlaumlngenka-librierung der Spektrometer Im Hintergrund ist eine Bestrahlungsstaumlrke-Normal-lampe fuumlr die spektrale Empfindlichkeitskalibrierung zu sehen

Bild 8 Goniophotometer fuumlr photometrische Messungen an Kleinleistungs-LEDs

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PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4Das Jahr des Lichtes

gen zu Wie in der Einleitung erklaumlrt unterscheiden sich die spektralen Verteilungen von LEDs und Gluumlhlampen deutlich voneinander Photometerkoumlpfe bestehen in der Regel aus einer Silizium-Photodiode deren spektrale Empfindlichkeit durch den Einsatz von Glasfiltern moumlglichst gut an den Hellemp-findlichkeitsgrad V(λ) angepasst wird Aufgrund internationaler Standardisierung wird die photo-metrische Empfindlichkeit von Photometerkoumlpfen fast ausschlieszliglich fuumlr Normlichtart A kalibriert In der Praxis werden hierfuumlr Gluumlhlampen mit einer Verteilungstemperatur von 2856 K verwendet Wenn man ein solches Photometer fuumlr Messungen an anderen Gluumlhlampen verwendet sind die spektralen Verteilungen meist so aumlhnlich dass nur geringe oder gar vernachlaumlssigbare Korrekturen aufgrund der spektralen Fehlanpassung also der Abweichung der realen spektralen Empfindlichkeit des Photometers von dem Hellempfindlichkeitsgrad notwendig sind Wenn man ein solches Photometer jedoch bei LEDs insbesondere farbigen LEDs einsetzt koumlnnen die Abweichungen aufgrund der spektralen Fehlan-passung sehr groszlig werden (gt10 fuumlr hochwertige Photometerkoumlpfe sind moumlglich)

Mit Kenntnis der relativen spektralen Verteilung der Leuchtdiode SLED(λ) und der relativen spekt-ralen Empfindlichkeit srel(λ) laumlsst sich die spektrale Fehlanpassung durch folgenden Korrekturfaktor cSpek korrigieren

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P(λ TA) beschreibt Lichtart A durch das Planck-sche Strahlungsgesetz fuumlr TA = 2856 K

Eine detaillierte Auflistung und Diskussion aller zu beruumlcksichtigenden Details bei Kalibrierungen von LEDs und das dazugehoumlrige Messunsicher-heitsbudget soll an dieser Stelle nicht gegeben werden Interessierte Leser koumlnnen hierfuumlr Infor-mationen in einer fruumlheren Veroumlffentlichung [6] oder in den Ergebnissen eines internationalen Vergleichs von LED-Messungen [7] finden

Fazit und Ausblick

Der Verzicht auf LEDs ist fuumlr Beleuchtungsan-wendungen nicht mehr vorstellbar Durch ihre kontinuierliche Weiterentwicklung erobern LEDs immer weitere Anwendungsfelder (z B Haus-halts- Straszligen- und Automobilbeleuchtung) mit denen der Endkunde in Kontakt kommt Bei diesen Anwendungen sind die Anforderungen an die Lichtquellen vielfaumlltig und fuumlr eine quantitative Beschreibung ihrer Eigenschaften muss auch die Messtechnik entsprechend umfassend und ausge-reift sein

Neben dem allgemeinen Forschungs- und Ent-wicklungsbedarf fuumlr bessere LED-Messverfahren und -geraumlte die die Grundlage ihrer technologi-schen Weiterentwicklung bilden gibt es eine weitere Herausforderung Aufgrund der nahezu unbe-grenzten Moumlglichkeiten eine bestimmte Lichtfarbe durch additive Farbmischung zu erhalten sind LEDs verschiedener Hersteller mit unterschiedlichen Emissionsspektren aber einer nominell gleichen aumlhnlichsten Farbtemperatur erhaumlltlich Dennoch ist teilweise ein Unterschied der Lichtfarbe mit bloszligem Auge erkennbar wenn sich unterschiedliche LEDs nebeneinander befinden

Es ist ungewoumlhnlich dass man ohne technische Hilfsmittel nominell gleiche Lichtfarben faktisch unterscheiden kann Um die Charakterisierung von LEDs soweit zu verbessern dass dies nicht mehr moumlglich ist ist einerseits eine Reduzierung der Messunsicherheit bei der Bestimmung der Normfarbwertanteile (Lichtfarbe) notwendig Andererseits muss man sich bewusst machen dass photometrische und colorimetrische Messverfahren auf rein physikalischen Zusammenhaumlngen basieren Individuelle menschliche Wahrnehmung und Sehen werden bei photometrischen Messungen nicht beruumlcksichtigt ndash diese werden durch Festlegung von exakt definierten Wichtungsfunktionen wie dem Hellempfindlichkeitsgrad fuumlr einen fiktiven Normalbeobachter ausgegrenzt Diese Wichtungs-funktionen koumlnnen gegebenenfalls auch noch optimiert werden um die objektive Beurteilung von Lichtquellen mit physikalischen Messmethoden zu verbessern Somit gibt es auch in Zukunft noch interdisziplinaumlre Herausforderungen fuumlr die Metro-logie moderner Lichtquellen

Literatur

[1] httpwwwnobelprizeorgnobel_prizesphysicslaureates2014 (letzter Aufruf 14102015)

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[4] CIE 127 2007 (2nd edition) Measurement of LEDs

[5] CIE S 025E 2015 Test Method for LED Lamps LED Luminaires and LED Modules

[6] M Lindemann R Maass Photometry and Colo-rimetry of Reference LEDs by Using a Compact Goniophotometer MAPAN ndash Journal of Metrolo-gy Society of India Vol 24 No 3 2009

[7] wwwbipmorg APMPPR-S3a (Averaged LED Intensity) APMPPR-S3b (Total Luminous Flux of LEDs) APMPPR-S3c (Emitted Colour of LEDs)

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Effektpigmente hellipPTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4

Einleitung

Farbe ist fuumlr Menschen die wohl auffaumllligste sub-jektive Stoffeigenschaft Bereits den Fruumlhmenschen war diese visuelle Qualitaumlt bekannt deren Wahr-nehmung allen Primaten eigen ist So wurde 2008 in Suumldafrika eine ca 100000 Jahre alte steinzeitli-che bdquoMalerwerkstattldquo entdeckt [1] Auch heutzu-tage spielt Farbe in der Gestaltung unserer Umwelt eine wichtige Rolle Jedes Jahr praumlsentiert uns die Mode die neuen Farben der Saison Farben dienen zur Regelung des Verkehrs Ohne bunte Farben waumlre unsere Welt trist und oumlde

Es ist wichtig festzustellen dass Farbe ein physiologischer Sinneseindruck ist wie z B auch Tasten oder Riechen D h Farbe ist keine immanente physikalische Eigenschaft eines Gegenstandes wie z B seine Masse oder Waumlrme-leitfaumlhigkeit Die physiologische Wahrnehmungs-kette ist hierbei folgende Das vom betrachteten Gegenstand reflektierte Licht trifft auf das Auge und loumlst hierbei einen Farbreiz aus Dieser Farbreiz beruht auf der spektralen Zusammensetzung des empfangenen Lichts d h er ist abhaumlngig von der verwendeten Lichtquelle und dem spektralen Reflexionsvermoumlgen des betrachteten Objektes Die Anregung der licht- und farbempfindlichen Zellen in der Netzhaut fuumlhrt zu einer Farbvalenz die uumlber den Sehnerv an das Gehirn weitergeleitet wird Die eigentliche Farbempfindung die wir dann mit einem Gegenstand verknuumlpfen entsteht erst im Gehirn [2] Liegt z B eine Farbfehlsich-tigkeit vor so kann der Farbeindruck des betrof-fenen Menschen auch ein ganz anderer sein Auch viele Tiere mit ihren teilweise erheblich abweichenden visuellen Systemen nehmen Farbe ganz unterschiedlich als wir Menschen wahr Im Folgenden soll mit Farbe immer die Koumlrperfarbe auch Gegenstandsfarbe Objektfarbe bzw Oberflauml-chenfarbe genannt einer nicht selbstleuchtenden Flaumlche bezeichnet werden die durch Reflexion von Licht an einem Koumlrper entsteht

Die genannten Zusammenhaumlnge machen die mathematisch-physikalische Beschreibung von Farbe schwierig und aufwendig da auch die spe-zifischen Eigenarten der menschlichen Wahrneh-

mungskette nachgestellt werden muumlssen Diesem Umstand wird versucht uumlber die verschiedenen Farbmaszligsysteme Rechnung zu tragen welche die Farbe eines Objektes mithilfe von quantifizierba-ren Zahlenwerten kennzeichnen [3]

Generell koumlnnen farbige Flaumlchen je nach Tageszeit und Lichteinfall sehr unterschiedlich wirken Die Aumlnderungen basieren hierbei auf der unterschiedlichen spektralen Zusammenset-zung des Tageslichts und den winkelabhaumlngigen Glanz- und Struktureigenschaften von Oberflauml-chen Ganz besonders deutlich ist dies bei auf dem Interferenzeffekt basierenden Effektpigmenten der Fall Deren visuelles Erscheinungsbild im englischen mit Visual Appearance bezeichnet kann sich bei variierendem Beobachtungswinkel und unterschiedlichen Lichtverhaumlltnissen komplett veraumlndern Man spricht hierbei von sogenannten Flop-Lacken wobei man zwischen Hell-Dunkel-Flop und Farb-Flop unterscheiden kann [4]

Generell kann man sagen dass Farbe und visuelle Effekte einen entscheidenden Anteil am Verkaufserfolg eines Produktes haben denn Farben wecken Emotionen und verschiedene Neuro marketingstudien belegen dass ca 95 aller Kaufentscheidungen emotional gepraumlgt sind [5] Deshalb spielt eine moderne Farbgestaltung unter Nutzung aktueller Effektpigmente im Pro-duktdesign eine entscheidende Rolle denn durch den Einsatz solcher Pigmente kann Gegenstaumlnden eine houmlhere Attraktivitaumlt verliehen werden Daher findet man moderne Effektpigmente heutzutage in vielen teilweise sehr unterschiedlichen Indus-trieprodukten wie z B in Autolackierungen Haumluserfassaden Kosmetikartikeln oder sogar bei Pralineacutes wie dies in Bild 1 zu sehen ist

Pigmente

Als Pigmente aus dem Lateinischen kommend von pigmentum fuumlr bdquoFaumlrbestoff Schminkeldquo bezeichnet man aus Teilchen bestehende im Anwendungs-medium praktisch unloumlsliche Sub stanzen die als Farbmittel oder wegen anderer spezieller physika-lischer und chemischer Eigenschaften als funktio-nale Farbzentren verwendet werden [6]

Effektpigmente Eine Herausforderung fuumlr die optische Messtechnik

Egbert Buhr Alfred Schirmacher Andreas Houmlpe

Dr Egbert Buhr Fachbereich bdquoBildshy und Wellenoptikldquo EshyMail egbertbuhrptbde

Dr Alfred Schirmacher Arbeitsshygruppe bdquoReflexion und Transmissionldquo EshyMail alfredschirmacherptbde

Dr Andreas Houmlpe dagger ehemals Arbeitsgrupshype bdquoReflexion und Transmissionldquo

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PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4Das Jahr des Lichtes

In der Natur vorkommende anorganische Pig-mente sind schon seit praumlhistorischen Zeiten bekannt Schon die Menschen der Steinzeit benutzen mineralische Pigmente fuumlr die ersten Houmlhlenzeichnungen Sie erkannten dass sie mit unterschiedlichen Erdsorten farbig malen konnten Eisenoxidhaltige Erden liefern gelbrote bis braunrote Kalk und Gips weiszlige Mangan-oxide sowie Holz- und Knochenkohle schwarze Farbtoumlne

Aus heutiger industrieller Sicht ist ein Pigment ein fein aufgeteilter und unloumlslicher Feststoff mit der Hauptfunktion das Erscheinungsbild des verwendeten Mediums zu verbessern oder es zu faumlrben Pigmente werden dem Medium immer durch physikalisches Mischen beigegeben dies unterscheidet sie von Farbstoffen die in ihrem Medium loumlslich sind

Pigmente koumlnnen nach den optischen Prin-zipien ihrer Wechselwirkung mit Licht unter-schieden und in verschiedene Klassen eingeteilt werden Wichtige Pigmentklassen sind Weiszlig- Bunt- Schwarz- und Effektpigmente die alle wegen ihrer speziellen farbgebenden Eigenschaf-ten eingesetzt werden Bei den Effektpigmenten

kann in einer ersten vereinfachten Einteilung noch zwischen Metalleffekt- und den sogenannten speziellen Effektpigmenten unterschieden werden

Der Begriff bdquospezielle Effektpigmenteldquo umfasst die Gruppen der Perlglanzpigmente und der all-gemeinen Interferenzpigmente welche insbeson-dere bei aktuellen Pigmententwicklungen nicht scharf abgegrenzt werden koumlnnen Perlglanzpig-mente sind Effektpigmente die aus transparenten Plaumlttchen mit hohem Brechungsindex bestehen Sie erzeugen durch die spezielle Form der Mehr-fachreflexion des transmittierten Lichts an mehre-ren Pigmenten einen perlenaumlhnlichen Effekt bei dem die auftreffende Strahlung verteilt reflektiert wird wodurch der Eindruck einer mit der Tiefe abnehmenden diffusen Helligkeit entsteht Fuumlr das Auge ergibt sich so eine scheinbar dreidimen-sionale Glanzcharakteristik die aus der Tiefe des Objektes zu kommen scheint Interferenzpigmente dagegen sind Effektpigmente deren farbgebende Wirkung ganz oder vorwiegend auf dem Effekt der Vielstrahlinterferenz von Licht an duumlnnen hoch-brechenden Schichten beruht Interferenzpigmente koumlnnen dabei sowohl auf transparenten oder auch nichttransparenten Plaumlttchen basieren

Bild 1 a) Roadster mit ChromaFlairreg-Effektpigmentlackierung b) Verwaltungsgebaumlude in Braunschweig verkleidet mit Alucobondreg-spectra-colours-Verbundplatten c) Effektpigmente im Nagellack d) Pralineacute mit Effektpigmentuumlberzug

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Effektpigmente hellipPTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4

Die heute verwendeten Pigmente lassen sich somit grob in fuumlnf verschiedene Klassen einteilen

1) Weiszligpigmente Die Pigmente streuen das ge-samte auftreffende Licht nahezu verlustfrei in alle Richtungen durch diffuse ungerichtete Reflexion

2) Buntpigmente Die Pigmente streuen einen Teil des Lichtes diffus und absorbieren wellenlaumln-genselektiv einen anderen Teil des Lichtes

3) Schwarzpigmente Die Pigmente absorbieren alle Wellenlaumlngen des fuumlr das menschliche Auge sichtbaren Spektralbereiches

4) Metalleffektpigmente Die aus duumlnnen Metall-plaumlttchen vorwiegend Aluminium bestehen-den Metalleffektpigmente sind lichtundurch-laumlssig und reflektieren das gesamte auftreffende Licht durch spekulare gerichtete Reflexion Die Pigmentpartikel wirken dabei wie Mikrospie-gel und fuumlhren bei paralleler Ausrichtung im Anwendungsmedium zu einem spiegelnden Metallglanz dem Metallic-Effekt

5) Spezielle Effektpigmente Perlglanz- bzw Inter-ferenzpigmente deren optische Wirkung auf der Mehrfachreflexion an uumlberwiegend flaumlchig aus-gebildeten und ausgerichteten transparenten semitransparenten oder lichtundurchlaumlssigen Partikeln beruht

Weiszlig- Bunt- und auch Schwarzpigmente weisen typische Durchmesser im Bereich von 100 nm bis zu 1 microm auf Ihre Groumlszlige liegt damit zum Teil im Bereich der Wellenlaumlnge des sichtbaren Lichtes welches den Bereich von 380 nm bis 780 nm uumlberdeckt Einige Schwarzpigmente wie z B Ruszlig-pigmente liegen mit ihren Durchmessern jedoch auch zum Teil auch deutlich darunter Effektpig-mente besitzen dagegen Teilchendurchmesser die zumeist im Bereich von 5 microm bis 100 microm in einigen Faumlllen auch daruumlber liegen Sie sind damit bezuumlglich der mittleren Plaumlttchendurch-messer wesentlich groumlszliger als die Wellenlaumlnge des sichtbaren Lichtes Die Dicke der Plaumlttchen liegt von einigen Ausnahmen abgesehen unter 1 microm ebenso wie die Dicke der Interferenzschichten Demzufolge weisen Effektpigmente in der Regel ein hohes Aspektverhaumlltnis auf (Verhaumlltnis der lateralen Ausdehnung einer Struktur zu ihrer Houmlhe) welches bis zu 200 betragen kann

Interferenzpigmente ndash Wie die Farben entstehen

Die Farbe von Interferenzpigmenten haumlngt von der Schichtdicke der Metalloxidbeschichtung und dem Einstrahlungs- und Betrachtungswinkel ab Beide Parameter bestimmen die effektive optische Weg-

laumlngendifferenz fuumlr das einfallende weiszlige Licht zwischen oberer und unterer Grenzflaumlche und die somit auftretenden Interferenzfarben siehe Bild 3

Interferenzpigmente zeigen somit einen aus-gepraumlgten bdquoFarbflopldquo Die Winkelabhaumlngigkeit der Farbe wird hierbei auch als Goniochromasie bezeichnet Richtig bunt geht es zu wenn ein Interferenzpigment auf einen bereits bunten Untergrund aufgebracht wird Die Transparenz der Pigmente laumlsst die Untergrundfarbe durch-

Bild 2 Schematische Diagramme zum spektralen Verhalten verschiedener Pigmenttypen

Bild 3 Die Schichtdicke der Metalloxidbeschichtung und der kombinierte Einstrahlungs- und Betrachtungswinkel bestimmen die optische Weglaumlnge und somit die sich ergebenden Interferenzfarben in Reflexion und Transmission

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PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4Das Jahr des Lichtes

Bild 5 Die Effekte Spar-kling (1) und Coarseness (2) des Effektpigmentes Xirallicreg Crystal Silver in einer vergroumlszliger-ten Aufnahme auf weiszligem (links) und schwarzem Hinter-grund (rechts)

scheinen im Glanzwinkel wird sie aber von der Interferenzfarbe uumlberstrahlt wie dies in Bild 4 zu sehen ist

Der Effekt eines Helligkeitsunterschiedes unter verschiedenen Betrachtungswinkeln wird als Helligkeitsflop bezeichnet und ist an sich nichts Neues Sind jedoch die einzelnen Pigmentteilchen

aufgrund ihrer planaren Reflexionsoberflaumlchen in gerichteter Beleuchtung direkt beobachtbar was fuumlr mittlere Teilchengroumlszligen von 30 microm und groumlszliger der Fall ist so ergibt dies einen Effekt welcher mit dem Begriff Sparkle (Glitzern Funkeln) bezeichnet wird (Bild 5) Aumlndert sich die Beleuchtung von einer gerichteten Einstrahlung wie es an einem wolkenlosen sonnigen Sommertag der Fall ist hin zu einer diffusen ungerichteten Einstrahlung wie an einem stark bewoumllkten Herbsttag so verschwin-det das Sparkling der Pigmente und verwandelt sich in eine Koumlrnigkeit der Oberflaumlche Dieses optische Phaumlnomen wird als Coarseness (Bild-koumlrnigkeit) bezeichnet und ist unabhaumlngig vom Betrachtungswinkel (Bild 5)

Als neuer Archetypus des Sparkle-Begriffes haben sich in den letzten Jahren die Xirallicreg Pig-mente (High Chroma Chrystal Effect Pigments) der Firma Merck KGaA entwickelt Durch die Beschich-tung von Aluminiumoxidplaumlttchen mit hochbre-chenden Metalloxiden und einer optimierten Dicke und Ebenheit aller am Pigment beteiligten Schich-ten entstehen auszligergewoumlhnlich stark reflektierende Effektpigmente die einen besonders intensiven Sparkle-Effekt aufweisen Man spricht hierbei auch von sogenanntem Living Sparkle welcher sich in einem scheinbaren bdquoTanzenldquo der leuchtenden Punkte in der Probenoberflaumlche bei Veraumlnderung der Beobachtungsgeometrie aumluszligert [7 8]

Generell gilt dass die Farbe von Objekten mit Effektlackierung nicht mehr wie jahrzehntelang uumlblich und ausreichend mit konventionellen Farb-messgeraumlten mit nur einer festen Messgeometrie wie z B in der 45deg 0deg Geometrie (Einstrahlung unter 45deg Reflexionsmessung unter 0deg) bestimmt werden kann Dieser Umstand wird sehr gut durch die Grafik in Bild 6 illustriert Dargestellt sind die winkelabhaumlngig gemessenen Farbkoordinaten von drei verschiedenen keramischen Farbstandards der Farben rot gruumln und blau sowie eines mit dem Effektpigment Viola Fantasy der Firma Merck lackierten Blechs Der Einfallswinkel des Lichts auf die Proben betrug hierbei immer 45deg zur Oberflauml-chennormalen Das von den Proben reflektierte Licht wurde an 26 Positionen in einem 5deg Raster in planaren die Oberflaumlchennormale enthalten-den Messgeometrien im Winkelbereich von ndash70deg bis +70deg aufgenommen Bei den aus absorptiven Pigmenten bestehenden Keramiken zeigt sich eine nur sehr geringe Winkelabhaumlngigkeit der Farbe welche groumlszligtenteils auf unterschiedlicher winkelabhaumlngiger Helligkeit d h den Glanzeigen-schaften der Oberflaumlche beruht Das Effektpigment dagegen zeigt einen extremen winkelabhaumlngigen Farb-Flop (Goniochromasie) welcher einen Farbverlauf von Gruumln uumlber Rot-Gelb hin ins Blau-Violett bietet

Aber auch die neuen Lackfarben aus der Gruppe der Effektlackierungen muumlssen messtechnisch

Bild 4 Merck-Xirallicreg-Solaris-Red-Effektpigmente appliziert auf einem mit Standard-Ab-sorptionspigmenten hellblau lackierten Metallblech In Rich-tung des Glanzwin-kels auf der rechten Seite zeigt sich der langsame Aufbau der winkelabhaumlngigen Interferenzfarbe

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Bild 6 CIELab Farbkoordinaten einer winkelabhaumlngigen Reflexionsmessung an vier verschiedenen Proben drei Keramiken der Farben rot gruumln blau und eine Effektpigmentlackierung mit Merck Colorstreamreg Viola Fantasy Das untergelegte Farbschema zeigt naumlherungsweise die den Koordinaten entsprechende Farbe

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Effektpigmente hellipPTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4

Abbildungsoptik Messungen der ortsaufgeloumlsten Leuchtdichte auf einer Laumlngenskala bis hinab zu 28 microm auf der zu untersuchenden Probe siehe Bild 8

Mit der Zeilenkamera sind Messungen von kompletten Reflexionsspektren im sichtbaren Spektralbereich zwischen 380 nm und 780 nm dem sogenannten V(λ)-Bereich auf einer Zeit-skala von 2 Minuten moumlglich Hieraus lassen sich dann Farbkoordinaten der untersuchten Proben in den unterschiedlichsten Farbraumsystemen berechnen Eine absolute Messung in 114 Win-kelkombinationen (siehe Bild 9) im Polarwinkel-

erfasst und ruumlckgefuumlhrt werden um eine gleich-bleibende Qualitaumlt in der Produktion gewaumlhrleis-ten zu koumlnnen Gerade diese vielfaumlltigen zusaumltz-lichen Eigenschaften stellen die Farbmesstechnik vor neue Herausforderungen

Farbmessung

Bisherige kommerzielle Farbmessgeraumlte charakte-risieren Probenoberflaumlchen fast ausschlieszliglich in den eben schon erwaumlhnten sogenannten in-plane Reflexionsgeometrien Dabei liegen die Richtun-gen des eingestrahlten und des reflektierten Lichts sowie die Oberflaumlchennormale der Probe in einer Ebene Diese Einschraumlnkung entspricht jedoch in keiner Weise der taumlglichen Realitaumlt bei der Oberflaumlchen aus beliebigen Richtungen beleuchtet und betrachtet werden Seitens der Messgeraumlteher-steller und Anwender gibt es daher einen Trend zur erweiterten Charakterisierung bezuumlglich zusaumltzlicher Winkelkombinationen im dreidimen-sionalen Raum Spitzenreiter dieser Entwicklung am Markt ist derzeit ein tragbares Mehrwinkel-Spektralphotometer mit insgesamt 19 verschie-denen Reflexionsgeometrien [9] Hiermit scheint aber auch das Ende dieser Entwicklung im Bereich der portablen handgefuumlhrten Geraumlte erreicht Der Wunsch der Anwender geht aktuell wieder zuruumlck zu einer geringeren Anzahl von Winkelkombi-nationen denn es ist unklar wie man aus dem Mehr an winkelaufgeloumlsten Reflexionsdaten die fuumlr die Charakterisierung der Farbeigenschaften relevanten Informationen gewinnen kann Daher stellt sich die Frage welches sind bdquoguteldquo d h an die Messaufgabe adaptierte optimal geeignete Messgeometrien

Um diese Frage zu beantworten betreibt die AG 424 bdquoReflexion und Transmissionldquo der PTB zwei roboterbasierte Gonioreflektometer die eine winkelaufgeloumlste Reflexionsmessung in beliebi-gen bidirektionalen Geometrien ermoumlglichen [10ndash12] Diese beiden Apparaturen sind in Bild 7 dargestellt

Das Standard-Gonioreflektometer ist hierbei das nationale Normal fuumlr die Messgroumlszlige spektraler Strahldichtefaktor in gerichteten Geometrien Es dient der Realisierung Bewahrung und Weiter-gabe der gerichteten Reflexionsskale in Form von Kalibrierungen Die zweite Apparatur bezeich-net mit dem Acronym ARGon3 (3D Appearance Robot-based Gonioreflectometer) ist ein flexibles Forschungsgeraumlt mit dem experimentelle Unter-suchungen u a im Rahmen des EMRP-Projektes Multidimensional Reflectometry for Industry der EU [13] durchgefuumlhrt werden Im Ver gleich zum Standard-Gonioreflektometer ist dieses Geraumlt mit einer photometrischen Leuchtdichteka-mera und einer Zeilenkamera ausgeruumlstet Die Leuchtdichtekamera erlaubt mit einer speziellen

Bild 7 Die beiden roboter-basierten Gonio-reflektometer der PTB oben Standard-Gonioreflektometer fuumlr Kundenkalibrie-rungen unten ARGon3-Messplatz fuumlr Forschungsanwen-dungen

Bild 8 Visualisierung desSparkling-Effektesvon Xironareg-Volcanic-Sparks-Pigmenten als Falschfarben-darstellung der ortsaufgeloumlsten LeuchtdichteDie bdquoNadelnldquo zeigendie Position derPigmente an

Bild 9 Beispielgeometrien zur Messung der winkelabhaumlngigen Reflexionseigen-schaften Realisiert wurden 4 Einstrah-lungsrichtungen (rote Pfeile) mit jeweils 114 Reflexionswinkeln (schwarze Punkte) im Bereich der Viertel-kugel oberhalb der Probenoberflaumlche

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PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4Das Jahr des Lichtes

bereich 0deg bis 70deg gleichmaumlszligig verteilt uumlber den Viertelraum oberhalb der Probe dauert hierbei ca 4 Stunden [14] Die so erhaltenen Daten bilden die Basis fuumlr kuumlnftige Verbesserungen in der Mess-technik fuumlr Anwender und Hersteller

Im Rahmen des EMRP-Projektes Multidimen-sional Reflectometry for Industry [13] sind damit die winkelabhaumlngigen Reflexionsspektren von insgesamt 66 verschiedenen Effektpigmentproben gemessen worden [15 16] Bei den vier verschie-denen Einstrahlungsrichtungen verbunden mit jeweils 114 Reflexionswinkeln im Bereich der Vier-telkugel oberhalb der Probenoberflaumlche ergeben sich somit uumlber 30000 Reflexionsspektren

Zielsetzung der Untersuchungen ist die Ver-besserung der Metrologie zur Materialcharak-terisierung mit reduzierter Messunsicherheit Dazu werden neue Messvorschriften und neue Standardmessartefakte entwickelt mit denen die Industrie die visuelle Wahrnehmung der von ihr produzierten Oberflaumlchen gezielt charakterisie-ren und kontrollieren kann Solche Messungen sollten einfach auszufuumlhren sein und die Ergeb-nisse muumlssen soweit wie moumlglich mit der visuellen menschlichen Wahrnehmung korrelieren Im europaumlischen und internationalen Rahmen sollen die Ergebnisse in die Normung einflieszligen um die allgemeine Vergleichbarkeit solcher Messungen zu gewaumlhrleisten

Literatur

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[5] G Zaltman How Customers Think EssentialInsights into the Mind of the Market HarvardBusiness Review Press 2003

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[7] WR Cramer Ohne Glimmer aber mit GlanzFarbe amp Lack 042003 132ndash136 2003

[8] WR Cramer Es glitzert wie am SternenhimmelFahrzeug + Karosserie 0412 20ndash22 2012

[9] E Kirchner W Cramer Making sense of measure-ment geometries for multi-angle spectrophotome-ters Color Res Appl Vol 37 No3 186ndash198 2012

[10] D Huumlnerhoff U Grusemann A Houmlpe Newrobot-based gonioreflectometer for measuringspectral diffuse reflection Metrologia 43 S11ndashS162006

[11] A Houmlpe D Huumlnerhoff K-O Hauer Robot-basedgonioreflectometer Industrial Robotics Program-ming Simulation and Applications Low Kin-Huat Ed Pro Literatur-Verlag Mammendorf623ndash632 2007

[12] A Houmlpe T Atamas D Huumlnerhoff S TeichertK-O Hauer ARGon3 ndash bdquo3D Appearance Robot-based Gonioreflectometerrdquo at PTB Rev SciInstrum 83(4) 045102-1ndash045102-8 2012

[13] European Metrology Research Program ProjectIND52 bdquoxD-Reflectldquo Multidimensional Reflecto-metry for Industry wwwxdreflecteu(letzter Aufruf 03122015)

[14] T Atamas K-O Hauer A Houmlpe Appearancemeasurements of goniochromatic colours Predic-ting Perceptions Proceedings of the 3rd Internati-onal Conference on Appearance 149ndash154 2012

[15] A Houmlpe A Koo FM Verdu FB LeloupG Obein et al bdquoMultidimensional reflectometryfor industryrdquo (xD-Reflect) an European researchproject Proc SPIE 9018 Measuring Modelingand Reproducing Material AppearanceSPIE-ISampT Vol 9018 901804-1ndash901804-11 2014

[16] A Houmlpe K-O Hauer S Teichert D HuumlnerhoffC Strothkaumlmper Goniochromatic and Sparkleproperties of effect pigmented samples in mul-tidimensional configuration Proc SPIE 9398Measuring Modeling and Reproducing MaterialAppearance 2015 SPIE Proc Vol 9398 Appea-rance 93980O-1ndash7 2015

45

Die 50 Sitzung des Internationalen Komitees fuumlr das gesetzliche Messwesen (CIML) fand vom 20 bis 22 Oktober 2015 in Arcachon Frankreich statt Im Vorfeld der CIML-Sitzung fand ein ein-taumlgiges OIML-Seminar uumlber Countries and Econo-mies with Emerging Metrology Systems (CEEMS) statt uumlber das weiter unten berichtet wird

Das CIML ist der Lenkungsausschuss der OIML Es trifft sich jaumlhrlich und besteht aus je einem Repraumlsentanten der Mitgliedstaaten der korrespondierenden Mitglieder und den Vertre-tern internationaler und regionaler Organisa-tionen die als Beobachter teilnehmen koumlnnen Das CIML ist zustaumlndig fuumlr die Vorbereitung und Durchfuumlhrung der Entscheidungen der Konfe-renz die alle vier Jahre stattfindet Es uumlberwacht die Arbeiten der Technischen Komitees und Unterkomitees und des Internationalen Buumlros fuumlr das gesetzliche Messwesen (BIML) in Paris

An der 50 CIML-Sitzung nahmen 144 Teilneh-mer aus 43 Mitgliedstaaten und 13 korrespondie-renden Mitgliedstaaten teil Zur deutschen Dele-gation gehoumlrten neben den o g Autoren auch die Herren Johann Fischer Direktor des Landesamts fuumlr Mess- und Eichwesen Berlin-Brandenburg sowie Prof Olaf Kuumlhn Direktor des Thuumlringer Landesamts fuumlr Verbraucherschutz als Vertreter der Bundeslaumlnder Dr Peter Ulbig Leiter der Abteilung Wissenschaftlich-technische Quer-schnittsaufgaben der PTB und Prof Manfred Kochsiek Vizepraumlsident a D der PTB ehema-liger CIML-Praumlsident und Ehrenmitglied der OIML Frau Dr Anna Cypionka persoumlnliche Referentin des Praumlsidenten der PTB nahm am OIML-Seminar fuumlr CEEMS teil Vertreten waren auch wieder internationale und regionale Orga-nisationen zu denen die OIML Verbindungen unterhaumllt wie das Internationale Buumlro fuumlr Maszlig und Gewicht (BIPM) die GSO-GCC Standardiza-tion Organization (Saudi-Arabien) die Internatio-nal Laboratory Accreditation Cooperation (ILAC) und der Europaumlische Verband der Waagenherstel-ler (CECIP)

Alle Beschluumlsse der 50 CIML-Sitzung koumlnnen auf den Internetseiten der OIML aufgerufen werden [1 2]

Die wichtigsten Entscheidungen und Entwick-lungen werden nachfolgend vorgestellt

1 Personalangelegenheiten

Der Vertrag von Willem Kool als Assistant Director wurde um vier Jahre der Vertrag des BIML-Direk-tors Stephen Patoray um drei Jahre verlaumlngert

2 Einfuumlhrung des PG Workspace im Internet

In seinem Bericht im Zusammenhang mit der Etablierung des neuen Webauftritts der OIML hob der CIML-Praumlsident Peter Mason (UK) die erfolgreiche Einfuumlhrung des Workspace fuumlr Pro-jektgruppen hervor Durch die Online-Arbeit wird erwartet dass die technische Arbeit an neuen bzw zu revidierenden OIML-Dokumenten vereinfacht und insgesamt effizienter wird

3 Revision der technische Richtlinien fuumlr die OIML (B 6 Directives for OIML tech-nical work)

In einem neuen Projekt sollen die in den vergan-genen Jahren revidierten OIML-Richtlinien fuumlr die technische Arbeit erneut uumlberarbeitet werden um u a den Prozess der Entwicklung und Uumlber-arbeitung von OIML-Publikationen noch weiter zu beschleunigen und den neuen internetbasierten Technologien und Arbeitsweisen Rechnung zu tragen

4 Umfassende strukturelle Uumlberarbeitung des OIML Certificate System

Das CIML verabschiedete die Gruumlndung einer Projektgruppe mit der Aufgabe einer substan-ziellen Uumlberarbeitung des OIML-Zertifizierungs-systems das z Zt aus dem Basiszertifizierungs-system und dem MAA3 besteht Urspruumlnglich ausgehend von der Annahme die Akzeptanz des MAA-Zertifizierungssystem muumlsse verstaumlrkt werden eine groumlszligere Verbreitung finden und mehr Messgeraumltearten abdecken erscheint es

Aktuelles aus der OIML (Internationale Organisation fuumlr das Gesetzliche Messwesen)Bericht uumlber die 50 Sitzung des CIML in Arcachon FrankreichSusanne Ludwig Roman Schwartz

INTERNATIONALE ZUSAMMENARBEIT

Susanne Ludwig OIMLshyGeschaumlftsstelle der PTB EshyMail susanneludwigptbde

Dir u Prof Dr Roman Schwartz Vizepraumlsident der PTB deutsches Mitglied im Internashytionalen Komitee fuumlr das Gesetzliche Messwesen (CIML) und CIMLshyVizepraumlsishydent EshyMail romanschwartzptbde

3 Mutual Acceptance Arrangement (Abshykommen zur gegenshyseitigen Anerkennung von Bauartpruumlfungen)

46

PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4Internationale Zusammenarbeit

inzwischen sinnvoller und wurde so auch vom CIML beschlossen zum 112017 ein einziges OIML-Zertifizierungssystem einzufuumlhren Eine Projektgruppe (Certification System Project Group = CSPG) unter dem Vorsitz des CIML-Vizepraumlsi-denten Dr Roman Schwartz wurde damit beauf-tragt die notwendigen Dokumente und Prozedu-ren auszuarbeiten

5 OIML-Seminar fuumlr Countries and Economies with Emerging Metrology Systems (CEEMS)

Im Vorfeld der CIML-Sitzung wurde ein eintaumlgiges Seminar zum Thema Developing an OIML Package for Assistance to Countries with Emerging Metro-logy Systems (CEEMS) abgehalten In vier Sitzun-gen diskutierten 125 Teilnehmer aus 49 Laumlndern uumlber Moumlglichkeiten Laumlnder beim Aufbau von nationalen Metrologiesystemen zu unterstuumltzen In der ersten von Frau Dr Cypionka geleiteten Sitzung Capacity Building ging es um die allge-meinen Herausforderungen bei der Gestaltung von Programmen zur Foumlrderung von Handlungs-kompetenzen und Vermittlung von Wissen fuumlr die Metrologie In zwei weiteren Sitzungen wurden unter den Themen Helping CEEMS Improve Regulation in their Markets (Leitung Prof Dr Manfred Kochsiek) und New Ideas ndash Doing Legal Metrology Differently (Leitung Stuart Carstens

Suumldafrika) konkrete inhaltliche Loumlsungsvorschlaumlge vorgestellt und diskutiert Die Ergebnisse wurden in der 50 CIML-Sitzung vorgestellt und fanden ihren Niederschlag in der Resolution Nr 201510 [2] sie sollen auch noch auf den OIML-Webseiten veroumlffentlicht werden [1]

6 OIML-Publikationen

Folgende OIML-Publikationen wurden verabschiedet

R 139-3 Compressed gaseous fuels measuring systems for vehicles Part 3 Test report format

New Recommendation (R 145) Ophthalmic instru-ments mdash Impression and applanation tonometers

Alle OIML-Publikationen stehen im Internet frei zur Verfuumlgung [3]

Gleichzeitig wurde die Revision der folgenden OIML-Publikation beschlossen

Revision of R 79 Labeling requirements for prepackages

Folgende neue Projekte wurden verabschiedet

Revision des OIML-Dokuments B 6-1 Directives for OIML technical work

Bild 1 Teilnehmer der 50 Sitzung des Internationalen Komitees fuumlr Gesetz-liches Messwesen (CIML) in Arcachon Frankreich

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PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4 Aktuelles aus der OIML

TC 8SC 1 Revision R 71 Fixed storage tanks mdash General requirements

TC 8SC 1 Revision R 85 Automatic level gauges for measuring the level of liquid in stationary storage tanks

7 Personalien und Ehrungen

Die von Dr Seiler dem ehemaligen Leiter des Fachbereichs bdquoTechnische Zusammenarbeitldquo der PTB initiierte OIML-Auszeichnung fuumlr bdquoexzel-lente Beitraumlge von Entwicklungslaumlndern zum gesetzlichen Messwesenldquo ging in diesem Jahr an

bull Nam Hyuk Lim Director of Korea Testing Certi-fication und

bull The Metrology Department Saint Lucia Bureau of Standards

Die OIML-Medaille fuumlr besondere Verdienste um die OIML-Arbeit ging an Ngo Quy Viet Vietnam und Cartaxo Reis aus Portugal

8 Termine

Ein Gastgeberland fuumlr die 51 CIML-Sitzung und 15 OIML-Konferenz im Jahr 2016 konnte noch nicht bekannt gegeben werden es wird aber wahr-scheinlich wieder Frankreich sein Weitere OIML-Veranstaltungen und -Termine finden sich auf der OIML-Webseite unter [4]

9 Literatur

[1] httpswwwoimlorgen (letzter Aufruf 19112015)

[2] httpswwwoimlorgenstructurecimlpdf50-ciml-resolutions-englishpdf (letzter Aufruf 19112015)

[3] httpswwwoimlorgenpublicationsrecommen-dationspublication_viewp_type=1ampp_status=1

[4] (letzter Aufruf 19112015)[5] httpswwwoimlorgeneventscalendar

(letzter Aufruf 19112015)

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TECHNOLOGIETRANSFER

E27-Scanner fuumlr UlbrichtkugelnMit dem besonders einfach ohne Umbau einsetzbaren E27-Scanner koumlnnen Anwender und Hersteller die Homogenitaumlt ihrer Ulbricht-kugeln bestimmen und die Ergebnisse zur Berechnung genauerer Lichtstroumlme und zur Dokumentation der Qualitaumlt ihrer Messungen nutzen

Hintergrund

Wie viel Licht eine Lampe insgesamt in alle Richtungen abstrahlt wird durch ihren Lichtstrom ausgedruumlckt Um den fuumlr die Bestimmung der Energieeffizienz von Lampen notwendigen Lichtstrom schnell zu er mitteln setzt die Lampenindustrie Ulbrichtkugeln ein An einer Stange in der Mitte der Ulbrichtkugel befindet sich eine E27-Lampen-fassung in die nacheinander die Lichtstrom-Normallampe und die zu kalibrierende Lampe eingeschraubt werden Das indirekt auf den Mess-kopf fallende Licht erzeugt einen Photostrom der im Idealfall propor-tional zu dem von der Lampe abgestrahlten Lichtstrom ist unabhaumlngig von der Richtung in die das Licht abgestrahlt wird

Dies ist jedoch bei einer ungleichmaumlszligigen Beschichtung der Kugel sowie bei einer im Laufe der Zeit nicht zu verhindernden Verstaubung nicht der Fall Deshalb wird mit einem Kugelscanner die Homogenitaumlt der Kugel regelmaumlszligig vermessen und ein Korrekturfaktor bestimmt der von der jeweiligen Abstrahlcharakteristik der zu untersuchenden Lampe abhaumlngt

Technische Beschreibung

Der Kugelscanner wird einfach in eine E27-Fassung geschraubt und das sonst fuumlr die Lampenversorgung eingesetzte Netzgeraumlt wird durch die Steuereinheit ersetzt Diese uumlbernimmt sowohl die elektrische Versor-gung als auch die Befehlsuumlbermittlung zum Kugelscanner Die Steuer-einheit wird via USB oder RS232 an einen Computer angeschlossen Das mitgelieferte Messprogramm stellt automatisiert alle gewuumlnschten Richtungen ein und speichert die zugehoumlrigen von der Steuereinheit gemessenen Photostroumlme des Photometers

Wirtschaftliche Bedeutungw

Fuumlr Lampenindustrie und Hersteller von Ulbrichtkugeln

bull Genauere Messung des Lichtstroms

bull Bestimmung des Zeitpunkts einer Neubeschichtung

bull Uumlberwachung beim Beschichten

bull Dokumentation des Zustands der Ulbrichtkugel

EntwicklungsstandDer E27-Kugelscanner wurde in der PTB entwickelt Er wird laufend fuumlr Kalibrierungen eingesetzt Die Technologie wurde an die Firma Czibula amp Grundmann transferiert und wird dort mit einer PTB-Lizenz gebaut und vertrieben wwwphoto-metercom

Ansprechpartner

Dr Bernhard SmandekBeauftragter fuumlr TechnologietransferTelefon +49 531 592shy8303Telefax +49 531 592shy69shy8303EshyMail technologietransferptbde

Dr Stefan WinterFachbereich Photometrie und Radiometrie

Abbildung des E27shyKugelscanners Eine stark fokussierende Lampe die computergesteuert in alle Richtungen leuchten kann

Vorteile

bull Schneller Einbau in E27shyFassung

bull Computergesteuertes Abscannen der gesamten Ulbrichtkugel

bull Flexible Messmoumlglichkeiten

bull Fuumlr genauere Lichtstromshymessungen

bull Wichtig fuumlr die Qualitaumltsshysicherung

PTBshyNummer 0172

wwwtechnologietransferptbde

49

PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4 Technologieangebote

Ansprechpartner

Dr Bernhard SmandekBeauftragter fuumlr TechnologietransferTelefon +49 531 592shy8303Telefax +49 531 592shy69shy8303EshyMail technologietransferptbde

Dr Stefan WinterArbeitsgruppe Solarzellen

PulsshyzushyCWshyKonverter

Umwandlung gepulster Laser-Strahlung in konstante StrahlungIn weiten Bereichen der optischen Metrologie ist eine Strahlungs-quelle von groszligem Nutzen die sich spektral vom UV-C bis ins mitt-lere IR durchstimmen laumlsst Lediglich Laser mit gepulster Strahlung erfuumlllen diese Anforderung bei ausreichend groszligem Ausgangssignal bisher luumlckenlos Femtosekunden-Lasersysteme waumlren aufgrund ihrer gut automatisierbaren und spektral weiten Durchstimmbarkeit die ideale Strahlungsquelle fuumlr z B radiometrische Anwendungen ndash wenn ihre Strahlung nicht gepulst waumlre

Durch das extreme Puls-Pausen-Verhaumlltnis von 10ndash5 entstehen hohe Spitzenleistungen die wiederum zu Saumlttigungseffekten bei Detek-toren und in der Folge zu nichtlinearem Verhalten fuumlhren koumlnnen Mit dem in der PTB entwickelten Puls-zu-CW-Konverter wird dieses Problem geloumlst

Technische Beschreibung

Bei dieser Methode werden Pulse gepulster Strahlungsquellen ausrei-chend hoher Repetitionsrate in CW-Strahlung umgewandelt Dabei wird jeder Puls in viele kleine Teilpulse aufgeteilt die auf unterschiedlich langen Wegstrecken unterschiedliche Laufzeiten erfahren Am Ausgang des Systems erscheinen sie dann zeitlich gleichmaumlszligig verteilt Realisiert wird dieser Puls-zu-CW-Konverter uumlber ein Glasfaserbuumlndel bei dem jede Einzelglasfaser eine individuell festgelegte Laumlnge besitzt

Mit der Entwicklung des Puls-zu-CW-Konverters wurde das ent-scheidende Manko beim Einsatz leistungsstarker Femtosekunden(fs)-Lasersysteme im Bereich der Metrologie beseitigt und erstmalig gepulste Laserstrahlung in CW-Strahlung umgewandelt Diese Neuentwicklung ermoumlglicht es nun herkoumlmmliche Monochromatorsysteme durch fs-Lasersysteme zu ersetzen die eine bis zu 1000-mal houmlhere spektrale Ausgangsleistung besitzen

Wirtschaftliche Bedeutung

Durch den neuen Puls-zu-CW-Converter koumlnnen in wirtschaftlich bedeutenden Bereichen wie z B der Photovoltaik der Photometrie der UV-Strahlungsmesstechnik und der Reflektometrie die Referenz- und Transfernormale mit einer deutlich reduzierten Messunsicherheit kali-briert werden Hier werden bislang wesentliche Messunsicherheitsan-teile durch zu geringe Strahlungsleistungen aus herkoumlmmlichen Mono-chromatorsystemen verursacht

Entwicklungsstand

Unter DE 10 2010 011 615 B4 wurde fuumlr den CW-Konverter ein Patent erteilt

Vorteile

bull Zeitliche Glaumlttung gepulster Laserstrahlung

bull Keine stoumlrenden Interferenzen

bull Nur minimale Absorption des Messsignals

bull Auch bei kuumlrzeren Wellenshylaumlngen ohne Ulbrichtkugel verwendbar

bull Kontinuierliche Verteilung des Ausgangspulses

bull Pulsvervielfachung

bull Houmlhere Strahlungsleistung

PTBshyNummer 0254

wwwtechnologietransferptbde

50

PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4Technologieangebote

50

Homogenisierung von Strahlungsquellen und Focal Plane Arrays (FPA)Ein neuartiges Verfahren ermoumlglicht softwaregestuumltzt eine deutlich verbesserte Kalibrierung von Mehrelement-Sensoren (FPA) und bildgebenden Systemen (Kameras) Bei flaumlchigen Strahlungsquellen kann zusaumltzlich eine gezielte Ansteuerung von Flaumlchenelementen zu einer bisher im Allgemeinen nicht erreichbaren Flaumlchenhomogenitaumlt fuumlhren

Technische Beschreibung

Flaumlchenstrahler dienen der Kalibrierung von ortsaufloumlsenden Strah-lungssensoren wobei davon ausgegangen wird dass die Emissionsflaumlche des Strahlers im Wesentlichen homogen bezuumlglich ihrer Strahldichte bzw Strahlungstemperatur ist Um kleine Inhomogenitaumlten eines Flaumlchenstrahlers zu charakterisieren ist es ein gaumlngiges Verfahren die Emissionsflaumlche punktweise mit einem Einzeldetektor abzutasten

Das neue PTB-Verfahren ist wesentlich schneller da es den Mehr-element-Sensor (FPA) das device-under-test selbst nutzt und damit immer ein Gesamtbild der Quelle aufnimmt Werden jetzt weitere Bilder zeilen- oder spaltenversetzt aufgenommen so erlaubt ein mathema-tischer Algorithmus bei nur drei Bildern eine komplette Charakterisie-rung des Sensors aber auch der Quelle

Sind Flaumlchenelemente der Strahlungsquelle einzeln ansteuerbar so ist es sogar moumlglich mittels der ermittelten Korrekturwerte zu Strahlquellen extrem hoher Homogenitaumlt im on-line-Betrieb zu gelangen

Wirtschaftliche Bedeutung

Bildgebende Strahlungssensoren und homogene Strahlungsquellen sind relevant fuumlr die Forschung und Entwicklung fuumlr die Prozesstechnik fuumlr die Charakterisierung der Energieeffizienz von Bauten bei der Ent-wicklung neuer Bauteile mit hoher thermischer Belastung und in vielen weiteren Bereichen Der mathematische Algorithmus ist aber auf unter-schiedliche Arten von Kamerasystemen anwendbar und damit auch fuumlr die Qualitaumltssicherung von CCD-Kameras bis hin zum Konsumguuml-termarkt anwendbar EntwicklungsstandEine deutsche Patenterteilung erfolgte im September 2015 Eine PCT-Anmeldung ist anhaumlngig Kooperations- und Lizenzpartner aus den Bereichen Thermografie Radiometrie und Photometrie zur Umsetzung des Konzeptes werden gesucht

Ansprechpartner

Dr Bernhard SmandekBeauftragter fuumlr TechnologietransferTelefon +49 531 592shy8303Telefax +49 531 592shy69shy8303EshyMail technologietransferptbde

DiplshyIng Berndt GutschwagerArbeitsgruppeInfrarotshyStrahlungsthermometrie

Stahlungsmessplatz der PTB zur Kalibrierung von Temperaturstrahlern und Waumlrmebildkashymeras

Vorteile

bull Schnelle Kalibrierung von Flaumlchensensoren (FPA)

bull Schnelle Kalibrierung von Flaumlchenstrahlern

bull Strahlquellen houmlchster Hoshymogenitaumlt

bull Fuumlr Thermografie und Phoshytometrie

PTBshyNummer 00374

wwwtechnologietransferptbde

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Die fachlichen Aufsaumltze aus dieser Ausgabe der PTB-Mitteilungen sind auch online verfuumlgbar unterdoi 10779531020150499

Die Physikalisch-Technische Bundesanstalt das nationale Metrologieinstitut ist eine wissenschaftlich-technische Bundesoberbehoumlrde im Geschaumlftsbereich des Bundesministeriums fuumlr Wirtschaft und Energie

mitteilungen

Impressum

Die PTB-Mitteilungen sind metrologisches Fachjournal der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt Braunschweig und Berlin Als Fachjournal veroumlffentlichen die PTB- Mitteilungen wissenschaftliche Fachaufsaumltze zu metrologischen Themen aus den Arbeitsgebieten der PTB Die PTB-Mitteilungen stehen in einer langen Tradition die bis zu den Anfaumlngen der Physikalisch-Technischen Reichsanstalt (gegruumlndet 1887) zuruumlckreicht

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Physikalisch-Technische BundesanstaltBraunschweig und BerlinNationales Metrologieinstitut

Die Physikalisch-Technische Bundesanstalt das nationale Metrologieinstitut ist eine wissenschaftlich-technische Bundesoberbehoumlrde im Geschaumlftsbereich des Bundesministeriums fuumlr Wirtschaft und Energie

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015

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PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4 Metrologie fuumlr moderne Lichtquellen

trischen Kenngroumlszligen wie z B die Normfarb-wertanteile (x y) bei weiszligen LEDs die aumlhnlichste Farbtemperatur TN mit der Einheit Kelvin und bei farbigen LEDs die dominante Wellenlaumlnge λdom berechnet Grundlegende Informationen und Definitionen uumlber die photometrischen und colorimetrischen Groumlszligen und deren Messung sind in [3] [4] und [5] zu finden

In Bild 8 ist der Aufbau des LED-Messplatzes an der PTB zu sehen Fuumlr die Bestimmung der Mess-groumlszligen in alle raumlumlichen Abstrahlwinkel wird die LED durch ein Goniophotometer bewegt

Die LED wird in horizontaler Betriebslage zentrisch normal zur Referenzebene des Photo-meterkopfes ausgerichtet Ein Translationstisch ermoumlglicht dabei eine Variation des Abstandes d zwischen Photometer und LED Eine horizontale Rotationsachse (φ-Achse) und eine senkrechte Rotationsachse (ϑ-Achse) die sich an der LED-Spitze im rechten Winkel schneiden erlauben durch Drehung der LED eine Bestimmung der Beleuchtungsstaumlrke ELED in alle Raumrichtungen Beide Rotationsachsen werden waumlhrend der Messung zeitgleich bewegt Hierdurch bewegt sich die relative Position der lichtempfindlichen Emp-faumlngeroumlffnung bezuumlglich des Schnittpunkts beider Drehachsen auf der Oberflaumlche einer virtuellen Kugel entlang einer Spiralbahn von bdquoPol zu Polldquo dieser Kugel

Die Bestimmung des Lichtstroms ΦLED erfolgt analog der Beschreibung in dem Kapitel Kurze Geschichte der Goniophotometrie in der PTB Der wesentliche Unterschied zu goniophotome-trischen Messungen an Gluumlhlampen besteht darin dass bei LED-Messungen die Lichtquelle typischerweise bewegt werden kann ohne dass sich ihre optischen Eigenschaften aumlndernAufgrund des stetig wachsenden Bedarfs an ruumlck-gefuumlhrten Kalibrierungen von High-Power-LEDs sind Masse und Abmessungen der Transfernor-male erheblich gestiegen Daher wurde der Mess-platz 2015 um ein weiteres Goniophotometer fuumlr schwere und groszlige Objekte erweitert (vgl Bild 9)

Neben den photometrischen Empfaumlngern befinden sich auch Einkoppeloptiken fuumlr Spekt-ralradiometer auf dem drehbaren Empfaumlngerka-russell Alle Empfaumlnger lassen sich hiermit auto-matisiert waumlhrend einer Messung zu den LEDs ausrichten Vor jeder LED-Kalibrierung werden die Spektralradiometer bezuumlglich Ihrer spektralen Empfindlichkeit und Wellenlaumlnge kalibriert Die entsprechenden Normallampen befinden sich neben dem Empfaumlngerkarussell (vgl Bild 10) und ermoumlglichen so ebenfalls eine automatisierte Messung

Den spektralen Messungen an LEDs kommt neben der Notwendigkeit fuumlr die Bestimmung colorimetrischer Kennzahlen noch eine beson-dere Bedeutung fuumlr die photometrischen Messun-

Bild 9 Goniophotometer fuumlr photometrische Messungen an Hochleistungs-LEDs

Bild 10 Entladungslampen mit verschiedenen Gasfuumlllungen dienen der Wellenlaumlngenka-librierung der Spektrometer Im Hintergrund ist eine Bestrahlungsstaumlrke-Normal-lampe fuumlr die spektrale Empfindlichkeitskalibrierung zu sehen

Bild 8 Goniophotometer fuumlr photometrische Messungen an Kleinleistungs-LEDs

38

PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4Das Jahr des Lichtes

gen zu Wie in der Einleitung erklaumlrt unterscheiden sich die spektralen Verteilungen von LEDs und Gluumlhlampen deutlich voneinander Photometerkoumlpfe bestehen in der Regel aus einer Silizium-Photodiode deren spektrale Empfindlichkeit durch den Einsatz von Glasfiltern moumlglichst gut an den Hellemp-findlichkeitsgrad V(λ) angepasst wird Aufgrund internationaler Standardisierung wird die photo-metrische Empfindlichkeit von Photometerkoumlpfen fast ausschlieszliglich fuumlr Normlichtart A kalibriert In der Praxis werden hierfuumlr Gluumlhlampen mit einer Verteilungstemperatur von 2856 K verwendet Wenn man ein solches Photometer fuumlr Messungen an anderen Gluumlhlampen verwendet sind die spektralen Verteilungen meist so aumlhnlich dass nur geringe oder gar vernachlaumlssigbare Korrekturen aufgrund der spektralen Fehlanpassung also der Abweichung der realen spektralen Empfindlichkeit des Photometers von dem Hellempfindlichkeitsgrad notwendig sind Wenn man ein solches Photometer jedoch bei LEDs insbesondere farbigen LEDs einsetzt koumlnnen die Abweichungen aufgrund der spektralen Fehlan-passung sehr groszlig werden (gt10 fuumlr hochwertige Photometerkoumlpfe sind moumlglich)

Mit Kenntnis der relativen spektralen Verteilung der Leuchtdiode SLED(λ) und der relativen spekt-ralen Empfindlichkeit srel(λ) laumlsst sich die spektrale Fehlanpassung durch folgenden Korrekturfaktor cSpek korrigieren

cV S

s S

V P T

sSpek

LED

rel LED

A

rel

d

d

d=

( ) ( )( ) ( )

( ) ( )( )

intint

intλ λ λ

λ λ λ

λ λ λ

λ

intint ( )P Tλ λ A d

P(λ TA) beschreibt Lichtart A durch das Planck-sche Strahlungsgesetz fuumlr TA = 2856 K

Eine detaillierte Auflistung und Diskussion aller zu beruumlcksichtigenden Details bei Kalibrierungen von LEDs und das dazugehoumlrige Messunsicher-heitsbudget soll an dieser Stelle nicht gegeben werden Interessierte Leser koumlnnen hierfuumlr Infor-mationen in einer fruumlheren Veroumlffentlichung [6] oder in den Ergebnissen eines internationalen Vergleichs von LED-Messungen [7] finden

Fazit und Ausblick

Der Verzicht auf LEDs ist fuumlr Beleuchtungsan-wendungen nicht mehr vorstellbar Durch ihre kontinuierliche Weiterentwicklung erobern LEDs immer weitere Anwendungsfelder (z B Haus-halts- Straszligen- und Automobilbeleuchtung) mit denen der Endkunde in Kontakt kommt Bei diesen Anwendungen sind die Anforderungen an die Lichtquellen vielfaumlltig und fuumlr eine quantitative Beschreibung ihrer Eigenschaften muss auch die Messtechnik entsprechend umfassend und ausge-reift sein

Neben dem allgemeinen Forschungs- und Ent-wicklungsbedarf fuumlr bessere LED-Messverfahren und -geraumlte die die Grundlage ihrer technologi-schen Weiterentwicklung bilden gibt es eine weitere Herausforderung Aufgrund der nahezu unbe-grenzten Moumlglichkeiten eine bestimmte Lichtfarbe durch additive Farbmischung zu erhalten sind LEDs verschiedener Hersteller mit unterschiedlichen Emissionsspektren aber einer nominell gleichen aumlhnlichsten Farbtemperatur erhaumlltlich Dennoch ist teilweise ein Unterschied der Lichtfarbe mit bloszligem Auge erkennbar wenn sich unterschiedliche LEDs nebeneinander befinden

Es ist ungewoumlhnlich dass man ohne technische Hilfsmittel nominell gleiche Lichtfarben faktisch unterscheiden kann Um die Charakterisierung von LEDs soweit zu verbessern dass dies nicht mehr moumlglich ist ist einerseits eine Reduzierung der Messunsicherheit bei der Bestimmung der Normfarbwertanteile (Lichtfarbe) notwendig Andererseits muss man sich bewusst machen dass photometrische und colorimetrische Messverfahren auf rein physikalischen Zusammenhaumlngen basieren Individuelle menschliche Wahrnehmung und Sehen werden bei photometrischen Messungen nicht beruumlcksichtigt ndash diese werden durch Festlegung von exakt definierten Wichtungsfunktionen wie dem Hellempfindlichkeitsgrad fuumlr einen fiktiven Normalbeobachter ausgegrenzt Diese Wichtungs-funktionen koumlnnen gegebenenfalls auch noch optimiert werden um die objektive Beurteilung von Lichtquellen mit physikalischen Messmethoden zu verbessern Somit gibt es auch in Zukunft noch interdisziplinaumlre Herausforderungen fuumlr die Metro-logie moderner Lichtquellen

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39

Effektpigmente hellipPTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4

Einleitung

Farbe ist fuumlr Menschen die wohl auffaumllligste sub-jektive Stoffeigenschaft Bereits den Fruumlhmenschen war diese visuelle Qualitaumlt bekannt deren Wahr-nehmung allen Primaten eigen ist So wurde 2008 in Suumldafrika eine ca 100000 Jahre alte steinzeitli-che bdquoMalerwerkstattldquo entdeckt [1] Auch heutzu-tage spielt Farbe in der Gestaltung unserer Umwelt eine wichtige Rolle Jedes Jahr praumlsentiert uns die Mode die neuen Farben der Saison Farben dienen zur Regelung des Verkehrs Ohne bunte Farben waumlre unsere Welt trist und oumlde

Es ist wichtig festzustellen dass Farbe ein physiologischer Sinneseindruck ist wie z B auch Tasten oder Riechen D h Farbe ist keine immanente physikalische Eigenschaft eines Gegenstandes wie z B seine Masse oder Waumlrme-leitfaumlhigkeit Die physiologische Wahrnehmungs-kette ist hierbei folgende Das vom betrachteten Gegenstand reflektierte Licht trifft auf das Auge und loumlst hierbei einen Farbreiz aus Dieser Farbreiz beruht auf der spektralen Zusammensetzung des empfangenen Lichts d h er ist abhaumlngig von der verwendeten Lichtquelle und dem spektralen Reflexionsvermoumlgen des betrachteten Objektes Die Anregung der licht- und farbempfindlichen Zellen in der Netzhaut fuumlhrt zu einer Farbvalenz die uumlber den Sehnerv an das Gehirn weitergeleitet wird Die eigentliche Farbempfindung die wir dann mit einem Gegenstand verknuumlpfen entsteht erst im Gehirn [2] Liegt z B eine Farbfehlsich-tigkeit vor so kann der Farbeindruck des betrof-fenen Menschen auch ein ganz anderer sein Auch viele Tiere mit ihren teilweise erheblich abweichenden visuellen Systemen nehmen Farbe ganz unterschiedlich als wir Menschen wahr Im Folgenden soll mit Farbe immer die Koumlrperfarbe auch Gegenstandsfarbe Objektfarbe bzw Oberflauml-chenfarbe genannt einer nicht selbstleuchtenden Flaumlche bezeichnet werden die durch Reflexion von Licht an einem Koumlrper entsteht

Die genannten Zusammenhaumlnge machen die mathematisch-physikalische Beschreibung von Farbe schwierig und aufwendig da auch die spe-zifischen Eigenarten der menschlichen Wahrneh-

mungskette nachgestellt werden muumlssen Diesem Umstand wird versucht uumlber die verschiedenen Farbmaszligsysteme Rechnung zu tragen welche die Farbe eines Objektes mithilfe von quantifizierba-ren Zahlenwerten kennzeichnen [3]

Generell koumlnnen farbige Flaumlchen je nach Tageszeit und Lichteinfall sehr unterschiedlich wirken Die Aumlnderungen basieren hierbei auf der unterschiedlichen spektralen Zusammenset-zung des Tageslichts und den winkelabhaumlngigen Glanz- und Struktureigenschaften von Oberflauml-chen Ganz besonders deutlich ist dies bei auf dem Interferenzeffekt basierenden Effektpigmenten der Fall Deren visuelles Erscheinungsbild im englischen mit Visual Appearance bezeichnet kann sich bei variierendem Beobachtungswinkel und unterschiedlichen Lichtverhaumlltnissen komplett veraumlndern Man spricht hierbei von sogenannten Flop-Lacken wobei man zwischen Hell-Dunkel-Flop und Farb-Flop unterscheiden kann [4]

Generell kann man sagen dass Farbe und visuelle Effekte einen entscheidenden Anteil am Verkaufserfolg eines Produktes haben denn Farben wecken Emotionen und verschiedene Neuro marketingstudien belegen dass ca 95 aller Kaufentscheidungen emotional gepraumlgt sind [5] Deshalb spielt eine moderne Farbgestaltung unter Nutzung aktueller Effektpigmente im Pro-duktdesign eine entscheidende Rolle denn durch den Einsatz solcher Pigmente kann Gegenstaumlnden eine houmlhere Attraktivitaumlt verliehen werden Daher findet man moderne Effektpigmente heutzutage in vielen teilweise sehr unterschiedlichen Indus-trieprodukten wie z B in Autolackierungen Haumluserfassaden Kosmetikartikeln oder sogar bei Pralineacutes wie dies in Bild 1 zu sehen ist

Pigmente

Als Pigmente aus dem Lateinischen kommend von pigmentum fuumlr bdquoFaumlrbestoff Schminkeldquo bezeichnet man aus Teilchen bestehende im Anwendungs-medium praktisch unloumlsliche Sub stanzen die als Farbmittel oder wegen anderer spezieller physika-lischer und chemischer Eigenschaften als funktio-nale Farbzentren verwendet werden [6]

Effektpigmente Eine Herausforderung fuumlr die optische Messtechnik

Egbert Buhr Alfred Schirmacher Andreas Houmlpe

Dr Egbert Buhr Fachbereich bdquoBildshy und Wellenoptikldquo EshyMail egbertbuhrptbde

Dr Alfred Schirmacher Arbeitsshygruppe bdquoReflexion und Transmissionldquo EshyMail alfredschirmacherptbde

Dr Andreas Houmlpe dagger ehemals Arbeitsgrupshype bdquoReflexion und Transmissionldquo

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PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4Das Jahr des Lichtes

In der Natur vorkommende anorganische Pig-mente sind schon seit praumlhistorischen Zeiten bekannt Schon die Menschen der Steinzeit benutzen mineralische Pigmente fuumlr die ersten Houmlhlenzeichnungen Sie erkannten dass sie mit unterschiedlichen Erdsorten farbig malen konnten Eisenoxidhaltige Erden liefern gelbrote bis braunrote Kalk und Gips weiszlige Mangan-oxide sowie Holz- und Knochenkohle schwarze Farbtoumlne

Aus heutiger industrieller Sicht ist ein Pigment ein fein aufgeteilter und unloumlslicher Feststoff mit der Hauptfunktion das Erscheinungsbild des verwendeten Mediums zu verbessern oder es zu faumlrben Pigmente werden dem Medium immer durch physikalisches Mischen beigegeben dies unterscheidet sie von Farbstoffen die in ihrem Medium loumlslich sind

Pigmente koumlnnen nach den optischen Prin-zipien ihrer Wechselwirkung mit Licht unter-schieden und in verschiedene Klassen eingeteilt werden Wichtige Pigmentklassen sind Weiszlig- Bunt- Schwarz- und Effektpigmente die alle wegen ihrer speziellen farbgebenden Eigenschaf-ten eingesetzt werden Bei den Effektpigmenten

kann in einer ersten vereinfachten Einteilung noch zwischen Metalleffekt- und den sogenannten speziellen Effektpigmenten unterschieden werden

Der Begriff bdquospezielle Effektpigmenteldquo umfasst die Gruppen der Perlglanzpigmente und der all-gemeinen Interferenzpigmente welche insbeson-dere bei aktuellen Pigmententwicklungen nicht scharf abgegrenzt werden koumlnnen Perlglanzpig-mente sind Effektpigmente die aus transparenten Plaumlttchen mit hohem Brechungsindex bestehen Sie erzeugen durch die spezielle Form der Mehr-fachreflexion des transmittierten Lichts an mehre-ren Pigmenten einen perlenaumlhnlichen Effekt bei dem die auftreffende Strahlung verteilt reflektiert wird wodurch der Eindruck einer mit der Tiefe abnehmenden diffusen Helligkeit entsteht Fuumlr das Auge ergibt sich so eine scheinbar dreidimen-sionale Glanzcharakteristik die aus der Tiefe des Objektes zu kommen scheint Interferenzpigmente dagegen sind Effektpigmente deren farbgebende Wirkung ganz oder vorwiegend auf dem Effekt der Vielstrahlinterferenz von Licht an duumlnnen hoch-brechenden Schichten beruht Interferenzpigmente koumlnnen dabei sowohl auf transparenten oder auch nichttransparenten Plaumlttchen basieren

Bild 1 a) Roadster mit ChromaFlairreg-Effektpigmentlackierung b) Verwaltungsgebaumlude in Braunschweig verkleidet mit Alucobondreg-spectra-colours-Verbundplatten c) Effektpigmente im Nagellack d) Pralineacute mit Effektpigmentuumlberzug

a

dc

bb

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Effektpigmente hellipPTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4

Die heute verwendeten Pigmente lassen sich somit grob in fuumlnf verschiedene Klassen einteilen

1) Weiszligpigmente Die Pigmente streuen das ge-samte auftreffende Licht nahezu verlustfrei in alle Richtungen durch diffuse ungerichtete Reflexion

2) Buntpigmente Die Pigmente streuen einen Teil des Lichtes diffus und absorbieren wellenlaumln-genselektiv einen anderen Teil des Lichtes

3) Schwarzpigmente Die Pigmente absorbieren alle Wellenlaumlngen des fuumlr das menschliche Auge sichtbaren Spektralbereiches

4) Metalleffektpigmente Die aus duumlnnen Metall-plaumlttchen vorwiegend Aluminium bestehen-den Metalleffektpigmente sind lichtundurch-laumlssig und reflektieren das gesamte auftreffende Licht durch spekulare gerichtete Reflexion Die Pigmentpartikel wirken dabei wie Mikrospie-gel und fuumlhren bei paralleler Ausrichtung im Anwendungsmedium zu einem spiegelnden Metallglanz dem Metallic-Effekt

5) Spezielle Effektpigmente Perlglanz- bzw Inter-ferenzpigmente deren optische Wirkung auf der Mehrfachreflexion an uumlberwiegend flaumlchig aus-gebildeten und ausgerichteten transparenten semitransparenten oder lichtundurchlaumlssigen Partikeln beruht

Weiszlig- Bunt- und auch Schwarzpigmente weisen typische Durchmesser im Bereich von 100 nm bis zu 1 microm auf Ihre Groumlszlige liegt damit zum Teil im Bereich der Wellenlaumlnge des sichtbaren Lichtes welches den Bereich von 380 nm bis 780 nm uumlberdeckt Einige Schwarzpigmente wie z B Ruszlig-pigmente liegen mit ihren Durchmessern jedoch auch zum Teil auch deutlich darunter Effektpig-mente besitzen dagegen Teilchendurchmesser die zumeist im Bereich von 5 microm bis 100 microm in einigen Faumlllen auch daruumlber liegen Sie sind damit bezuumlglich der mittleren Plaumlttchendurch-messer wesentlich groumlszliger als die Wellenlaumlnge des sichtbaren Lichtes Die Dicke der Plaumlttchen liegt von einigen Ausnahmen abgesehen unter 1 microm ebenso wie die Dicke der Interferenzschichten Demzufolge weisen Effektpigmente in der Regel ein hohes Aspektverhaumlltnis auf (Verhaumlltnis der lateralen Ausdehnung einer Struktur zu ihrer Houmlhe) welches bis zu 200 betragen kann

Interferenzpigmente ndash Wie die Farben entstehen

Die Farbe von Interferenzpigmenten haumlngt von der Schichtdicke der Metalloxidbeschichtung und dem Einstrahlungs- und Betrachtungswinkel ab Beide Parameter bestimmen die effektive optische Weg-

laumlngendifferenz fuumlr das einfallende weiszlige Licht zwischen oberer und unterer Grenzflaumlche und die somit auftretenden Interferenzfarben siehe Bild 3

Interferenzpigmente zeigen somit einen aus-gepraumlgten bdquoFarbflopldquo Die Winkelabhaumlngigkeit der Farbe wird hierbei auch als Goniochromasie bezeichnet Richtig bunt geht es zu wenn ein Interferenzpigment auf einen bereits bunten Untergrund aufgebracht wird Die Transparenz der Pigmente laumlsst die Untergrundfarbe durch-

Bild 2 Schematische Diagramme zum spektralen Verhalten verschiedener Pigmenttypen

Bild 3 Die Schichtdicke der Metalloxidbeschichtung und der kombinierte Einstrahlungs- und Betrachtungswinkel bestimmen die optische Weglaumlnge und somit die sich ergebenden Interferenzfarben in Reflexion und Transmission

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PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4Das Jahr des Lichtes

Bild 5 Die Effekte Spar-kling (1) und Coarseness (2) des Effektpigmentes Xirallicreg Crystal Silver in einer vergroumlszliger-ten Aufnahme auf weiszligem (links) und schwarzem Hinter-grund (rechts)

scheinen im Glanzwinkel wird sie aber von der Interferenzfarbe uumlberstrahlt wie dies in Bild 4 zu sehen ist

Der Effekt eines Helligkeitsunterschiedes unter verschiedenen Betrachtungswinkeln wird als Helligkeitsflop bezeichnet und ist an sich nichts Neues Sind jedoch die einzelnen Pigmentteilchen

aufgrund ihrer planaren Reflexionsoberflaumlchen in gerichteter Beleuchtung direkt beobachtbar was fuumlr mittlere Teilchengroumlszligen von 30 microm und groumlszliger der Fall ist so ergibt dies einen Effekt welcher mit dem Begriff Sparkle (Glitzern Funkeln) bezeichnet wird (Bild 5) Aumlndert sich die Beleuchtung von einer gerichteten Einstrahlung wie es an einem wolkenlosen sonnigen Sommertag der Fall ist hin zu einer diffusen ungerichteten Einstrahlung wie an einem stark bewoumllkten Herbsttag so verschwin-det das Sparkling der Pigmente und verwandelt sich in eine Koumlrnigkeit der Oberflaumlche Dieses optische Phaumlnomen wird als Coarseness (Bild-koumlrnigkeit) bezeichnet und ist unabhaumlngig vom Betrachtungswinkel (Bild 5)

Als neuer Archetypus des Sparkle-Begriffes haben sich in den letzten Jahren die Xirallicreg Pig-mente (High Chroma Chrystal Effect Pigments) der Firma Merck KGaA entwickelt Durch die Beschich-tung von Aluminiumoxidplaumlttchen mit hochbre-chenden Metalloxiden und einer optimierten Dicke und Ebenheit aller am Pigment beteiligten Schich-ten entstehen auszligergewoumlhnlich stark reflektierende Effektpigmente die einen besonders intensiven Sparkle-Effekt aufweisen Man spricht hierbei auch von sogenanntem Living Sparkle welcher sich in einem scheinbaren bdquoTanzenldquo der leuchtenden Punkte in der Probenoberflaumlche bei Veraumlnderung der Beobachtungsgeometrie aumluszligert [7 8]

Generell gilt dass die Farbe von Objekten mit Effektlackierung nicht mehr wie jahrzehntelang uumlblich und ausreichend mit konventionellen Farb-messgeraumlten mit nur einer festen Messgeometrie wie z B in der 45deg 0deg Geometrie (Einstrahlung unter 45deg Reflexionsmessung unter 0deg) bestimmt werden kann Dieser Umstand wird sehr gut durch die Grafik in Bild 6 illustriert Dargestellt sind die winkelabhaumlngig gemessenen Farbkoordinaten von drei verschiedenen keramischen Farbstandards der Farben rot gruumln und blau sowie eines mit dem Effektpigment Viola Fantasy der Firma Merck lackierten Blechs Der Einfallswinkel des Lichts auf die Proben betrug hierbei immer 45deg zur Oberflauml-chennormalen Das von den Proben reflektierte Licht wurde an 26 Positionen in einem 5deg Raster in planaren die Oberflaumlchennormale enthalten-den Messgeometrien im Winkelbereich von ndash70deg bis +70deg aufgenommen Bei den aus absorptiven Pigmenten bestehenden Keramiken zeigt sich eine nur sehr geringe Winkelabhaumlngigkeit der Farbe welche groumlszligtenteils auf unterschiedlicher winkelabhaumlngiger Helligkeit d h den Glanzeigen-schaften der Oberflaumlche beruht Das Effektpigment dagegen zeigt einen extremen winkelabhaumlngigen Farb-Flop (Goniochromasie) welcher einen Farbverlauf von Gruumln uumlber Rot-Gelb hin ins Blau-Violett bietet

Aber auch die neuen Lackfarben aus der Gruppe der Effektlackierungen muumlssen messtechnisch

Bild 4 Merck-Xirallicreg-Solaris-Red-Effektpigmente appliziert auf einem mit Standard-Ab-sorptionspigmenten hellblau lackierten Metallblech In Rich-tung des Glanzwin-kels auf der rechten Seite zeigt sich der langsame Aufbau der winkelabhaumlngigen Interferenzfarbe

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Bild 6 CIELab Farbkoordinaten einer winkelabhaumlngigen Reflexionsmessung an vier verschiedenen Proben drei Keramiken der Farben rot gruumln blau und eine Effektpigmentlackierung mit Merck Colorstreamreg Viola Fantasy Das untergelegte Farbschema zeigt naumlherungsweise die den Koordinaten entsprechende Farbe

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Effektpigmente hellipPTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4

Abbildungsoptik Messungen der ortsaufgeloumlsten Leuchtdichte auf einer Laumlngenskala bis hinab zu 28 microm auf der zu untersuchenden Probe siehe Bild 8

Mit der Zeilenkamera sind Messungen von kompletten Reflexionsspektren im sichtbaren Spektralbereich zwischen 380 nm und 780 nm dem sogenannten V(λ)-Bereich auf einer Zeit-skala von 2 Minuten moumlglich Hieraus lassen sich dann Farbkoordinaten der untersuchten Proben in den unterschiedlichsten Farbraumsystemen berechnen Eine absolute Messung in 114 Win-kelkombinationen (siehe Bild 9) im Polarwinkel-

erfasst und ruumlckgefuumlhrt werden um eine gleich-bleibende Qualitaumlt in der Produktion gewaumlhrleis-ten zu koumlnnen Gerade diese vielfaumlltigen zusaumltz-lichen Eigenschaften stellen die Farbmesstechnik vor neue Herausforderungen

Farbmessung

Bisherige kommerzielle Farbmessgeraumlte charakte-risieren Probenoberflaumlchen fast ausschlieszliglich in den eben schon erwaumlhnten sogenannten in-plane Reflexionsgeometrien Dabei liegen die Richtun-gen des eingestrahlten und des reflektierten Lichts sowie die Oberflaumlchennormale der Probe in einer Ebene Diese Einschraumlnkung entspricht jedoch in keiner Weise der taumlglichen Realitaumlt bei der Oberflaumlchen aus beliebigen Richtungen beleuchtet und betrachtet werden Seitens der Messgeraumlteher-steller und Anwender gibt es daher einen Trend zur erweiterten Charakterisierung bezuumlglich zusaumltzlicher Winkelkombinationen im dreidimen-sionalen Raum Spitzenreiter dieser Entwicklung am Markt ist derzeit ein tragbares Mehrwinkel-Spektralphotometer mit insgesamt 19 verschie-denen Reflexionsgeometrien [9] Hiermit scheint aber auch das Ende dieser Entwicklung im Bereich der portablen handgefuumlhrten Geraumlte erreicht Der Wunsch der Anwender geht aktuell wieder zuruumlck zu einer geringeren Anzahl von Winkelkombi-nationen denn es ist unklar wie man aus dem Mehr an winkelaufgeloumlsten Reflexionsdaten die fuumlr die Charakterisierung der Farbeigenschaften relevanten Informationen gewinnen kann Daher stellt sich die Frage welches sind bdquoguteldquo d h an die Messaufgabe adaptierte optimal geeignete Messgeometrien

Um diese Frage zu beantworten betreibt die AG 424 bdquoReflexion und Transmissionldquo der PTB zwei roboterbasierte Gonioreflektometer die eine winkelaufgeloumlste Reflexionsmessung in beliebi-gen bidirektionalen Geometrien ermoumlglichen [10ndash12] Diese beiden Apparaturen sind in Bild 7 dargestellt

Das Standard-Gonioreflektometer ist hierbei das nationale Normal fuumlr die Messgroumlszlige spektraler Strahldichtefaktor in gerichteten Geometrien Es dient der Realisierung Bewahrung und Weiter-gabe der gerichteten Reflexionsskale in Form von Kalibrierungen Die zweite Apparatur bezeich-net mit dem Acronym ARGon3 (3D Appearance Robot-based Gonioreflectometer) ist ein flexibles Forschungsgeraumlt mit dem experimentelle Unter-suchungen u a im Rahmen des EMRP-Projektes Multidimensional Reflectometry for Industry der EU [13] durchgefuumlhrt werden Im Ver gleich zum Standard-Gonioreflektometer ist dieses Geraumlt mit einer photometrischen Leuchtdichteka-mera und einer Zeilenkamera ausgeruumlstet Die Leuchtdichtekamera erlaubt mit einer speziellen

Bild 7 Die beiden roboter-basierten Gonio-reflektometer der PTB oben Standard-Gonioreflektometer fuumlr Kundenkalibrie-rungen unten ARGon3-Messplatz fuumlr Forschungsanwen-dungen

Bild 8 Visualisierung desSparkling-Effektesvon Xironareg-Volcanic-Sparks-Pigmenten als Falschfarben-darstellung der ortsaufgeloumlsten LeuchtdichteDie bdquoNadelnldquo zeigendie Position derPigmente an

Bild 9 Beispielgeometrien zur Messung der winkelabhaumlngigen Reflexionseigen-schaften Realisiert wurden 4 Einstrah-lungsrichtungen (rote Pfeile) mit jeweils 114 Reflexionswinkeln (schwarze Punkte) im Bereich der Viertel-kugel oberhalb der Probenoberflaumlche

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PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4Das Jahr des Lichtes

bereich 0deg bis 70deg gleichmaumlszligig verteilt uumlber den Viertelraum oberhalb der Probe dauert hierbei ca 4 Stunden [14] Die so erhaltenen Daten bilden die Basis fuumlr kuumlnftige Verbesserungen in der Mess-technik fuumlr Anwender und Hersteller

Im Rahmen des EMRP-Projektes Multidimen-sional Reflectometry for Industry [13] sind damit die winkelabhaumlngigen Reflexionsspektren von insgesamt 66 verschiedenen Effektpigmentproben gemessen worden [15 16] Bei den vier verschie-denen Einstrahlungsrichtungen verbunden mit jeweils 114 Reflexionswinkeln im Bereich der Vier-telkugel oberhalb der Probenoberflaumlche ergeben sich somit uumlber 30000 Reflexionsspektren

Zielsetzung der Untersuchungen ist die Ver-besserung der Metrologie zur Materialcharak-terisierung mit reduzierter Messunsicherheit Dazu werden neue Messvorschriften und neue Standardmessartefakte entwickelt mit denen die Industrie die visuelle Wahrnehmung der von ihr produzierten Oberflaumlchen gezielt charakterisie-ren und kontrollieren kann Solche Messungen sollten einfach auszufuumlhren sein und die Ergeb-nisse muumlssen soweit wie moumlglich mit der visuellen menschlichen Wahrnehmung korrelieren Im europaumlischen und internationalen Rahmen sollen die Ergebnisse in die Normung einflieszligen um die allgemeine Vergleichbarkeit solcher Messungen zu gewaumlhrleisten

Literatur

[1] CS Henshilwood et al A 100000-Year-OldOchre-Processing Workshop at Blombos CaveSouth Africa Science Vol 334 No 6053 219ndash2222011

[2] Mark D Fairchild Color Appearance Models2nd Ed John Wiley amp Sons Ltd 2005

[3] Colorimetry Understanding the CIE Systemed by J Schanda Wiley-Interscience NJ 2007

[4] WR Cramer Der richtige Blickwinkel Farbe amp Lack 092006 26ndash30 2006

[5] G Zaltman How Customers Think EssentialInsights into the Mind of the Market HarvardBusiness Review Press 2003

[6] DIN ISO 18451-12015-11 Pigmente Farbstof-fe und Fuumlllstoffe ndash Begriffe ndash Teil 1 AllgemeineBegriffe

[7] WR Cramer Ohne Glimmer aber mit GlanzFarbe amp Lack 042003 132ndash136 2003

[8] WR Cramer Es glitzert wie am SternenhimmelFahrzeug + Karosserie 0412 20ndash22 2012

[9] E Kirchner W Cramer Making sense of measure-ment geometries for multi-angle spectrophotome-ters Color Res Appl Vol 37 No3 186ndash198 2012

[10] D Huumlnerhoff U Grusemann A Houmlpe Newrobot-based gonioreflectometer for measuringspectral diffuse reflection Metrologia 43 S11ndashS162006

[11] A Houmlpe D Huumlnerhoff K-O Hauer Robot-basedgonioreflectometer Industrial Robotics Program-ming Simulation and Applications Low Kin-Huat Ed Pro Literatur-Verlag Mammendorf623ndash632 2007

[12] A Houmlpe T Atamas D Huumlnerhoff S TeichertK-O Hauer ARGon3 ndash bdquo3D Appearance Robot-based Gonioreflectometerrdquo at PTB Rev SciInstrum 83(4) 045102-1ndash045102-8 2012

[13] European Metrology Research Program ProjectIND52 bdquoxD-Reflectldquo Multidimensional Reflecto-metry for Industry wwwxdreflecteu(letzter Aufruf 03122015)

[14] T Atamas K-O Hauer A Houmlpe Appearancemeasurements of goniochromatic colours Predic-ting Perceptions Proceedings of the 3rd Internati-onal Conference on Appearance 149ndash154 2012

[15] A Houmlpe A Koo FM Verdu FB LeloupG Obein et al bdquoMultidimensional reflectometryfor industryrdquo (xD-Reflect) an European researchproject Proc SPIE 9018 Measuring Modelingand Reproducing Material AppearanceSPIE-ISampT Vol 9018 901804-1ndash901804-11 2014

[16] A Houmlpe K-O Hauer S Teichert D HuumlnerhoffC Strothkaumlmper Goniochromatic and Sparkleproperties of effect pigmented samples in mul-tidimensional configuration Proc SPIE 9398Measuring Modeling and Reproducing MaterialAppearance 2015 SPIE Proc Vol 9398 Appea-rance 93980O-1ndash7 2015

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Die 50 Sitzung des Internationalen Komitees fuumlr das gesetzliche Messwesen (CIML) fand vom 20 bis 22 Oktober 2015 in Arcachon Frankreich statt Im Vorfeld der CIML-Sitzung fand ein ein-taumlgiges OIML-Seminar uumlber Countries and Econo-mies with Emerging Metrology Systems (CEEMS) statt uumlber das weiter unten berichtet wird

Das CIML ist der Lenkungsausschuss der OIML Es trifft sich jaumlhrlich und besteht aus je einem Repraumlsentanten der Mitgliedstaaten der korrespondierenden Mitglieder und den Vertre-tern internationaler und regionaler Organisa-tionen die als Beobachter teilnehmen koumlnnen Das CIML ist zustaumlndig fuumlr die Vorbereitung und Durchfuumlhrung der Entscheidungen der Konfe-renz die alle vier Jahre stattfindet Es uumlberwacht die Arbeiten der Technischen Komitees und Unterkomitees und des Internationalen Buumlros fuumlr das gesetzliche Messwesen (BIML) in Paris

An der 50 CIML-Sitzung nahmen 144 Teilneh-mer aus 43 Mitgliedstaaten und 13 korrespondie-renden Mitgliedstaaten teil Zur deutschen Dele-gation gehoumlrten neben den o g Autoren auch die Herren Johann Fischer Direktor des Landesamts fuumlr Mess- und Eichwesen Berlin-Brandenburg sowie Prof Olaf Kuumlhn Direktor des Thuumlringer Landesamts fuumlr Verbraucherschutz als Vertreter der Bundeslaumlnder Dr Peter Ulbig Leiter der Abteilung Wissenschaftlich-technische Quer-schnittsaufgaben der PTB und Prof Manfred Kochsiek Vizepraumlsident a D der PTB ehema-liger CIML-Praumlsident und Ehrenmitglied der OIML Frau Dr Anna Cypionka persoumlnliche Referentin des Praumlsidenten der PTB nahm am OIML-Seminar fuumlr CEEMS teil Vertreten waren auch wieder internationale und regionale Orga-nisationen zu denen die OIML Verbindungen unterhaumllt wie das Internationale Buumlro fuumlr Maszlig und Gewicht (BIPM) die GSO-GCC Standardiza-tion Organization (Saudi-Arabien) die Internatio-nal Laboratory Accreditation Cooperation (ILAC) und der Europaumlische Verband der Waagenherstel-ler (CECIP)

Alle Beschluumlsse der 50 CIML-Sitzung koumlnnen auf den Internetseiten der OIML aufgerufen werden [1 2]

Die wichtigsten Entscheidungen und Entwick-lungen werden nachfolgend vorgestellt

1 Personalangelegenheiten

Der Vertrag von Willem Kool als Assistant Director wurde um vier Jahre der Vertrag des BIML-Direk-tors Stephen Patoray um drei Jahre verlaumlngert

2 Einfuumlhrung des PG Workspace im Internet

In seinem Bericht im Zusammenhang mit der Etablierung des neuen Webauftritts der OIML hob der CIML-Praumlsident Peter Mason (UK) die erfolgreiche Einfuumlhrung des Workspace fuumlr Pro-jektgruppen hervor Durch die Online-Arbeit wird erwartet dass die technische Arbeit an neuen bzw zu revidierenden OIML-Dokumenten vereinfacht und insgesamt effizienter wird

3 Revision der technische Richtlinien fuumlr die OIML (B 6 Directives for OIML tech-nical work)

In einem neuen Projekt sollen die in den vergan-genen Jahren revidierten OIML-Richtlinien fuumlr die technische Arbeit erneut uumlberarbeitet werden um u a den Prozess der Entwicklung und Uumlber-arbeitung von OIML-Publikationen noch weiter zu beschleunigen und den neuen internetbasierten Technologien und Arbeitsweisen Rechnung zu tragen

4 Umfassende strukturelle Uumlberarbeitung des OIML Certificate System

Das CIML verabschiedete die Gruumlndung einer Projektgruppe mit der Aufgabe einer substan-ziellen Uumlberarbeitung des OIML-Zertifizierungs-systems das z Zt aus dem Basiszertifizierungs-system und dem MAA3 besteht Urspruumlnglich ausgehend von der Annahme die Akzeptanz des MAA-Zertifizierungssystem muumlsse verstaumlrkt werden eine groumlszligere Verbreitung finden und mehr Messgeraumltearten abdecken erscheint es

Aktuelles aus der OIML (Internationale Organisation fuumlr das Gesetzliche Messwesen)Bericht uumlber die 50 Sitzung des CIML in Arcachon FrankreichSusanne Ludwig Roman Schwartz

INTERNATIONALE ZUSAMMENARBEIT

Susanne Ludwig OIMLshyGeschaumlftsstelle der PTB EshyMail susanneludwigptbde

Dir u Prof Dr Roman Schwartz Vizepraumlsident der PTB deutsches Mitglied im Internashytionalen Komitee fuumlr das Gesetzliche Messwesen (CIML) und CIMLshyVizepraumlsishydent EshyMail romanschwartzptbde

3 Mutual Acceptance Arrangement (Abshykommen zur gegenshyseitigen Anerkennung von Bauartpruumlfungen)

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PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4Internationale Zusammenarbeit

inzwischen sinnvoller und wurde so auch vom CIML beschlossen zum 112017 ein einziges OIML-Zertifizierungssystem einzufuumlhren Eine Projektgruppe (Certification System Project Group = CSPG) unter dem Vorsitz des CIML-Vizepraumlsi-denten Dr Roman Schwartz wurde damit beauf-tragt die notwendigen Dokumente und Prozedu-ren auszuarbeiten

5 OIML-Seminar fuumlr Countries and Economies with Emerging Metrology Systems (CEEMS)

Im Vorfeld der CIML-Sitzung wurde ein eintaumlgiges Seminar zum Thema Developing an OIML Package for Assistance to Countries with Emerging Metro-logy Systems (CEEMS) abgehalten In vier Sitzun-gen diskutierten 125 Teilnehmer aus 49 Laumlndern uumlber Moumlglichkeiten Laumlnder beim Aufbau von nationalen Metrologiesystemen zu unterstuumltzen In der ersten von Frau Dr Cypionka geleiteten Sitzung Capacity Building ging es um die allge-meinen Herausforderungen bei der Gestaltung von Programmen zur Foumlrderung von Handlungs-kompetenzen und Vermittlung von Wissen fuumlr die Metrologie In zwei weiteren Sitzungen wurden unter den Themen Helping CEEMS Improve Regulation in their Markets (Leitung Prof Dr Manfred Kochsiek) und New Ideas ndash Doing Legal Metrology Differently (Leitung Stuart Carstens

Suumldafrika) konkrete inhaltliche Loumlsungsvorschlaumlge vorgestellt und diskutiert Die Ergebnisse wurden in der 50 CIML-Sitzung vorgestellt und fanden ihren Niederschlag in der Resolution Nr 201510 [2] sie sollen auch noch auf den OIML-Webseiten veroumlffentlicht werden [1]

6 OIML-Publikationen

Folgende OIML-Publikationen wurden verabschiedet

R 139-3 Compressed gaseous fuels measuring systems for vehicles Part 3 Test report format

New Recommendation (R 145) Ophthalmic instru-ments mdash Impression and applanation tonometers

Alle OIML-Publikationen stehen im Internet frei zur Verfuumlgung [3]

Gleichzeitig wurde die Revision der folgenden OIML-Publikation beschlossen

Revision of R 79 Labeling requirements for prepackages

Folgende neue Projekte wurden verabschiedet

Revision des OIML-Dokuments B 6-1 Directives for OIML technical work

Bild 1 Teilnehmer der 50 Sitzung des Internationalen Komitees fuumlr Gesetz-liches Messwesen (CIML) in Arcachon Frankreich

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PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4 Aktuelles aus der OIML

TC 8SC 1 Revision R 71 Fixed storage tanks mdash General requirements

TC 8SC 1 Revision R 85 Automatic level gauges for measuring the level of liquid in stationary storage tanks

7 Personalien und Ehrungen

Die von Dr Seiler dem ehemaligen Leiter des Fachbereichs bdquoTechnische Zusammenarbeitldquo der PTB initiierte OIML-Auszeichnung fuumlr bdquoexzel-lente Beitraumlge von Entwicklungslaumlndern zum gesetzlichen Messwesenldquo ging in diesem Jahr an

bull Nam Hyuk Lim Director of Korea Testing Certi-fication und

bull The Metrology Department Saint Lucia Bureau of Standards

Die OIML-Medaille fuumlr besondere Verdienste um die OIML-Arbeit ging an Ngo Quy Viet Vietnam und Cartaxo Reis aus Portugal

8 Termine

Ein Gastgeberland fuumlr die 51 CIML-Sitzung und 15 OIML-Konferenz im Jahr 2016 konnte noch nicht bekannt gegeben werden es wird aber wahr-scheinlich wieder Frankreich sein Weitere OIML-Veranstaltungen und -Termine finden sich auf der OIML-Webseite unter [4]

9 Literatur

[1] httpswwwoimlorgen (letzter Aufruf 19112015)

[2] httpswwwoimlorgenstructurecimlpdf50-ciml-resolutions-englishpdf (letzter Aufruf 19112015)

[3] httpswwwoimlorgenpublicationsrecommen-dationspublication_viewp_type=1ampp_status=1

[4] (letzter Aufruf 19112015)[5] httpswwwoimlorgeneventscalendar

(letzter Aufruf 19112015)

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TECHNOLOGIETRANSFER

E27-Scanner fuumlr UlbrichtkugelnMit dem besonders einfach ohne Umbau einsetzbaren E27-Scanner koumlnnen Anwender und Hersteller die Homogenitaumlt ihrer Ulbricht-kugeln bestimmen und die Ergebnisse zur Berechnung genauerer Lichtstroumlme und zur Dokumentation der Qualitaumlt ihrer Messungen nutzen

Hintergrund

Wie viel Licht eine Lampe insgesamt in alle Richtungen abstrahlt wird durch ihren Lichtstrom ausgedruumlckt Um den fuumlr die Bestimmung der Energieeffizienz von Lampen notwendigen Lichtstrom schnell zu er mitteln setzt die Lampenindustrie Ulbrichtkugeln ein An einer Stange in der Mitte der Ulbrichtkugel befindet sich eine E27-Lampen-fassung in die nacheinander die Lichtstrom-Normallampe und die zu kalibrierende Lampe eingeschraubt werden Das indirekt auf den Mess-kopf fallende Licht erzeugt einen Photostrom der im Idealfall propor-tional zu dem von der Lampe abgestrahlten Lichtstrom ist unabhaumlngig von der Richtung in die das Licht abgestrahlt wird

Dies ist jedoch bei einer ungleichmaumlszligigen Beschichtung der Kugel sowie bei einer im Laufe der Zeit nicht zu verhindernden Verstaubung nicht der Fall Deshalb wird mit einem Kugelscanner die Homogenitaumlt der Kugel regelmaumlszligig vermessen und ein Korrekturfaktor bestimmt der von der jeweiligen Abstrahlcharakteristik der zu untersuchenden Lampe abhaumlngt

Technische Beschreibung

Der Kugelscanner wird einfach in eine E27-Fassung geschraubt und das sonst fuumlr die Lampenversorgung eingesetzte Netzgeraumlt wird durch die Steuereinheit ersetzt Diese uumlbernimmt sowohl die elektrische Versor-gung als auch die Befehlsuumlbermittlung zum Kugelscanner Die Steuer-einheit wird via USB oder RS232 an einen Computer angeschlossen Das mitgelieferte Messprogramm stellt automatisiert alle gewuumlnschten Richtungen ein und speichert die zugehoumlrigen von der Steuereinheit gemessenen Photostroumlme des Photometers

Wirtschaftliche Bedeutungw

Fuumlr Lampenindustrie und Hersteller von Ulbrichtkugeln

bull Genauere Messung des Lichtstroms

bull Bestimmung des Zeitpunkts einer Neubeschichtung

bull Uumlberwachung beim Beschichten

bull Dokumentation des Zustands der Ulbrichtkugel

EntwicklungsstandDer E27-Kugelscanner wurde in der PTB entwickelt Er wird laufend fuumlr Kalibrierungen eingesetzt Die Technologie wurde an die Firma Czibula amp Grundmann transferiert und wird dort mit einer PTB-Lizenz gebaut und vertrieben wwwphoto-metercom

Ansprechpartner

Dr Bernhard SmandekBeauftragter fuumlr TechnologietransferTelefon +49 531 592shy8303Telefax +49 531 592shy69shy8303EshyMail technologietransferptbde

Dr Stefan WinterFachbereich Photometrie und Radiometrie

Abbildung des E27shyKugelscanners Eine stark fokussierende Lampe die computergesteuert in alle Richtungen leuchten kann

Vorteile

bull Schneller Einbau in E27shyFassung

bull Computergesteuertes Abscannen der gesamten Ulbrichtkugel

bull Flexible Messmoumlglichkeiten

bull Fuumlr genauere Lichtstromshymessungen

bull Wichtig fuumlr die Qualitaumltsshysicherung

PTBshyNummer 0172

wwwtechnologietransferptbde

49

PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4 Technologieangebote

Ansprechpartner

Dr Bernhard SmandekBeauftragter fuumlr TechnologietransferTelefon +49 531 592shy8303Telefax +49 531 592shy69shy8303EshyMail technologietransferptbde

Dr Stefan WinterArbeitsgruppe Solarzellen

PulsshyzushyCWshyKonverter

Umwandlung gepulster Laser-Strahlung in konstante StrahlungIn weiten Bereichen der optischen Metrologie ist eine Strahlungs-quelle von groszligem Nutzen die sich spektral vom UV-C bis ins mitt-lere IR durchstimmen laumlsst Lediglich Laser mit gepulster Strahlung erfuumlllen diese Anforderung bei ausreichend groszligem Ausgangssignal bisher luumlckenlos Femtosekunden-Lasersysteme waumlren aufgrund ihrer gut automatisierbaren und spektral weiten Durchstimmbarkeit die ideale Strahlungsquelle fuumlr z B radiometrische Anwendungen ndash wenn ihre Strahlung nicht gepulst waumlre

Durch das extreme Puls-Pausen-Verhaumlltnis von 10ndash5 entstehen hohe Spitzenleistungen die wiederum zu Saumlttigungseffekten bei Detek-toren und in der Folge zu nichtlinearem Verhalten fuumlhren koumlnnen Mit dem in der PTB entwickelten Puls-zu-CW-Konverter wird dieses Problem geloumlst

Technische Beschreibung

Bei dieser Methode werden Pulse gepulster Strahlungsquellen ausrei-chend hoher Repetitionsrate in CW-Strahlung umgewandelt Dabei wird jeder Puls in viele kleine Teilpulse aufgeteilt die auf unterschiedlich langen Wegstrecken unterschiedliche Laufzeiten erfahren Am Ausgang des Systems erscheinen sie dann zeitlich gleichmaumlszligig verteilt Realisiert wird dieser Puls-zu-CW-Konverter uumlber ein Glasfaserbuumlndel bei dem jede Einzelglasfaser eine individuell festgelegte Laumlnge besitzt

Mit der Entwicklung des Puls-zu-CW-Konverters wurde das ent-scheidende Manko beim Einsatz leistungsstarker Femtosekunden(fs)-Lasersysteme im Bereich der Metrologie beseitigt und erstmalig gepulste Laserstrahlung in CW-Strahlung umgewandelt Diese Neuentwicklung ermoumlglicht es nun herkoumlmmliche Monochromatorsysteme durch fs-Lasersysteme zu ersetzen die eine bis zu 1000-mal houmlhere spektrale Ausgangsleistung besitzen

Wirtschaftliche Bedeutung

Durch den neuen Puls-zu-CW-Converter koumlnnen in wirtschaftlich bedeutenden Bereichen wie z B der Photovoltaik der Photometrie der UV-Strahlungsmesstechnik und der Reflektometrie die Referenz- und Transfernormale mit einer deutlich reduzierten Messunsicherheit kali-briert werden Hier werden bislang wesentliche Messunsicherheitsan-teile durch zu geringe Strahlungsleistungen aus herkoumlmmlichen Mono-chromatorsystemen verursacht

Entwicklungsstand

Unter DE 10 2010 011 615 B4 wurde fuumlr den CW-Konverter ein Patent erteilt

Vorteile

bull Zeitliche Glaumlttung gepulster Laserstrahlung

bull Keine stoumlrenden Interferenzen

bull Nur minimale Absorption des Messsignals

bull Auch bei kuumlrzeren Wellenshylaumlngen ohne Ulbrichtkugel verwendbar

bull Kontinuierliche Verteilung des Ausgangspulses

bull Pulsvervielfachung

bull Houmlhere Strahlungsleistung

PTBshyNummer 0254

wwwtechnologietransferptbde

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PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4Technologieangebote

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Homogenisierung von Strahlungsquellen und Focal Plane Arrays (FPA)Ein neuartiges Verfahren ermoumlglicht softwaregestuumltzt eine deutlich verbesserte Kalibrierung von Mehrelement-Sensoren (FPA) und bildgebenden Systemen (Kameras) Bei flaumlchigen Strahlungsquellen kann zusaumltzlich eine gezielte Ansteuerung von Flaumlchenelementen zu einer bisher im Allgemeinen nicht erreichbaren Flaumlchenhomogenitaumlt fuumlhren

Technische Beschreibung

Flaumlchenstrahler dienen der Kalibrierung von ortsaufloumlsenden Strah-lungssensoren wobei davon ausgegangen wird dass die Emissionsflaumlche des Strahlers im Wesentlichen homogen bezuumlglich ihrer Strahldichte bzw Strahlungstemperatur ist Um kleine Inhomogenitaumlten eines Flaumlchenstrahlers zu charakterisieren ist es ein gaumlngiges Verfahren die Emissionsflaumlche punktweise mit einem Einzeldetektor abzutasten

Das neue PTB-Verfahren ist wesentlich schneller da es den Mehr-element-Sensor (FPA) das device-under-test selbst nutzt und damit immer ein Gesamtbild der Quelle aufnimmt Werden jetzt weitere Bilder zeilen- oder spaltenversetzt aufgenommen so erlaubt ein mathema-tischer Algorithmus bei nur drei Bildern eine komplette Charakterisie-rung des Sensors aber auch der Quelle

Sind Flaumlchenelemente der Strahlungsquelle einzeln ansteuerbar so ist es sogar moumlglich mittels der ermittelten Korrekturwerte zu Strahlquellen extrem hoher Homogenitaumlt im on-line-Betrieb zu gelangen

Wirtschaftliche Bedeutung

Bildgebende Strahlungssensoren und homogene Strahlungsquellen sind relevant fuumlr die Forschung und Entwicklung fuumlr die Prozesstechnik fuumlr die Charakterisierung der Energieeffizienz von Bauten bei der Ent-wicklung neuer Bauteile mit hoher thermischer Belastung und in vielen weiteren Bereichen Der mathematische Algorithmus ist aber auf unter-schiedliche Arten von Kamerasystemen anwendbar und damit auch fuumlr die Qualitaumltssicherung von CCD-Kameras bis hin zum Konsumguuml-termarkt anwendbar EntwicklungsstandEine deutsche Patenterteilung erfolgte im September 2015 Eine PCT-Anmeldung ist anhaumlngig Kooperations- und Lizenzpartner aus den Bereichen Thermografie Radiometrie und Photometrie zur Umsetzung des Konzeptes werden gesucht

Ansprechpartner

Dr Bernhard SmandekBeauftragter fuumlr TechnologietransferTelefon +49 531 592shy8303Telefax +49 531 592shy69shy8303EshyMail technologietransferptbde

DiplshyIng Berndt GutschwagerArbeitsgruppeInfrarotshyStrahlungsthermometrie

Stahlungsmessplatz der PTB zur Kalibrierung von Temperaturstrahlern und Waumlrmebildkashymeras

Vorteile

bull Schnelle Kalibrierung von Flaumlchensensoren (FPA)

bull Schnelle Kalibrierung von Flaumlchenstrahlern

bull Strahlquellen houmlchster Hoshymogenitaumlt

bull Fuumlr Thermografie und Phoshytometrie

PTBshyNummer 00374

wwwtechnologietransferptbde

Verlag Fachverlag NW in der Carl Schuumlnemann Verlag GmbHZweite Schlachtpforte 728195 Bremen Internet wwwschuenemannde E-Mail infoschuenemann-verlagde

Herausgeber Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB) Braunschweig und Berlin Postanschrift Postfach 33 45 38023 Braunschweig Lieferanschrift Bundesallee 100 38116 Braunschweig

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Alle Rechte vorbehalten Kein Teil dieser Zeitschrift darf ohne schriftliche Genehmigung des Verlages vervielfaumlltigt oder verbreitet werden Unter dieses Verbot faumlllt insbesondere die gewerbliche Ver-vielfaumlltigung per Kopie die Aufnahme in elektro-nische Datenbanken und die Vervielfaumlltigung auf CD-ROM und in allen anderen elektronischen Datentraumlgern

Printed in Germany ISSN 0030-834X

Die fachlichen Aufsaumltze aus dieser Ausgabe der PTB-Mitteilungen sind auch online verfuumlgbar unterdoi 10779531020150499

Die Physikalisch-Technische Bundesanstalt das nationale Metrologieinstitut ist eine wissenschaftlich-technische Bundesoberbehoumlrde im Geschaumlftsbereich des Bundesministeriums fuumlr Wirtschaft und Energie

mitteilungen

Impressum

Die PTB-Mitteilungen sind metrologisches Fachjournal der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt Braunschweig und Berlin Als Fachjournal veroumlffentlichen die PTB- Mitteilungen wissenschaftliche Fachaufsaumltze zu metrologischen Themen aus den Arbeitsgebieten der PTB Die PTB-Mitteilungen stehen in einer langen Tradition die bis zu den Anfaumlngen der Physikalisch-Technischen Reichsanstalt (gegruumlndet 1887) zuruumlckreicht

Bundesallee 100 38116 Braunschweig

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Physikalisch-Technische BundesanstaltBraunschweig und BerlinNationales Metrologieinstitut

Die Physikalisch-Technische Bundesanstalt das nationale Metrologieinstitut ist eine wissenschaftlich-technische Bundesoberbehoumlrde im Geschaumlftsbereich des Bundesministeriums fuumlr Wirtschaft und Energie

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PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4Das Jahr des Lichtes

gen zu Wie in der Einleitung erklaumlrt unterscheiden sich die spektralen Verteilungen von LEDs und Gluumlhlampen deutlich voneinander Photometerkoumlpfe bestehen in der Regel aus einer Silizium-Photodiode deren spektrale Empfindlichkeit durch den Einsatz von Glasfiltern moumlglichst gut an den Hellemp-findlichkeitsgrad V(λ) angepasst wird Aufgrund internationaler Standardisierung wird die photo-metrische Empfindlichkeit von Photometerkoumlpfen fast ausschlieszliglich fuumlr Normlichtart A kalibriert In der Praxis werden hierfuumlr Gluumlhlampen mit einer Verteilungstemperatur von 2856 K verwendet Wenn man ein solches Photometer fuumlr Messungen an anderen Gluumlhlampen verwendet sind die spektralen Verteilungen meist so aumlhnlich dass nur geringe oder gar vernachlaumlssigbare Korrekturen aufgrund der spektralen Fehlanpassung also der Abweichung der realen spektralen Empfindlichkeit des Photometers von dem Hellempfindlichkeitsgrad notwendig sind Wenn man ein solches Photometer jedoch bei LEDs insbesondere farbigen LEDs einsetzt koumlnnen die Abweichungen aufgrund der spektralen Fehlan-passung sehr groszlig werden (gt10 fuumlr hochwertige Photometerkoumlpfe sind moumlglich)

Mit Kenntnis der relativen spektralen Verteilung der Leuchtdiode SLED(λ) und der relativen spekt-ralen Empfindlichkeit srel(λ) laumlsst sich die spektrale Fehlanpassung durch folgenden Korrekturfaktor cSpek korrigieren

cV S

s S

V P T

sSpek

LED

rel LED

A

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d=

( ) ( )( ) ( )

( ) ( )( )

intint

intλ λ λ

λ λ λ

λ λ λ

λ

intint ( )P Tλ λ A d

P(λ TA) beschreibt Lichtart A durch das Planck-sche Strahlungsgesetz fuumlr TA = 2856 K

Eine detaillierte Auflistung und Diskussion aller zu beruumlcksichtigenden Details bei Kalibrierungen von LEDs und das dazugehoumlrige Messunsicher-heitsbudget soll an dieser Stelle nicht gegeben werden Interessierte Leser koumlnnen hierfuumlr Infor-mationen in einer fruumlheren Veroumlffentlichung [6] oder in den Ergebnissen eines internationalen Vergleichs von LED-Messungen [7] finden

Fazit und Ausblick

Der Verzicht auf LEDs ist fuumlr Beleuchtungsan-wendungen nicht mehr vorstellbar Durch ihre kontinuierliche Weiterentwicklung erobern LEDs immer weitere Anwendungsfelder (z B Haus-halts- Straszligen- und Automobilbeleuchtung) mit denen der Endkunde in Kontakt kommt Bei diesen Anwendungen sind die Anforderungen an die Lichtquellen vielfaumlltig und fuumlr eine quantitative Beschreibung ihrer Eigenschaften muss auch die Messtechnik entsprechend umfassend und ausge-reift sein

Neben dem allgemeinen Forschungs- und Ent-wicklungsbedarf fuumlr bessere LED-Messverfahren und -geraumlte die die Grundlage ihrer technologi-schen Weiterentwicklung bilden gibt es eine weitere Herausforderung Aufgrund der nahezu unbe-grenzten Moumlglichkeiten eine bestimmte Lichtfarbe durch additive Farbmischung zu erhalten sind LEDs verschiedener Hersteller mit unterschiedlichen Emissionsspektren aber einer nominell gleichen aumlhnlichsten Farbtemperatur erhaumlltlich Dennoch ist teilweise ein Unterschied der Lichtfarbe mit bloszligem Auge erkennbar wenn sich unterschiedliche LEDs nebeneinander befinden

Es ist ungewoumlhnlich dass man ohne technische Hilfsmittel nominell gleiche Lichtfarben faktisch unterscheiden kann Um die Charakterisierung von LEDs soweit zu verbessern dass dies nicht mehr moumlglich ist ist einerseits eine Reduzierung der Messunsicherheit bei der Bestimmung der Normfarbwertanteile (Lichtfarbe) notwendig Andererseits muss man sich bewusst machen dass photometrische und colorimetrische Messverfahren auf rein physikalischen Zusammenhaumlngen basieren Individuelle menschliche Wahrnehmung und Sehen werden bei photometrischen Messungen nicht beruumlcksichtigt ndash diese werden durch Festlegung von exakt definierten Wichtungsfunktionen wie dem Hellempfindlichkeitsgrad fuumlr einen fiktiven Normalbeobachter ausgegrenzt Diese Wichtungs-funktionen koumlnnen gegebenenfalls auch noch optimiert werden um die objektive Beurteilung von Lichtquellen mit physikalischen Messmethoden zu verbessern Somit gibt es auch in Zukunft noch interdisziplinaumlre Herausforderungen fuumlr die Metro-logie moderner Lichtquellen

Literatur

[1] httpwwwnobelprizeorgnobel_prizesphysicslaureates2014 (letzter Aufruf 14102015)

[2] T Gerloff M Lindemann S Shirokov M Taddeo S Pendsa A Sperling Development of a new high-power LED transfer standard CIE Proceed-ings 2012

[3] CIE S 017E 2011 ILV International Lighting Vocabulary httpeilvciecoat (letzter Aufruf 03122015)

[4] CIE 127 2007 (2nd edition) Measurement of LEDs

[5] CIE S 025E 2015 Test Method for LED Lamps LED Luminaires and LED Modules

[6] M Lindemann R Maass Photometry and Colo-rimetry of Reference LEDs by Using a Compact Goniophotometer MAPAN ndash Journal of Metrolo-gy Society of India Vol 24 No 3 2009

[7] wwwbipmorg APMPPR-S3a (Averaged LED Intensity) APMPPR-S3b (Total Luminous Flux of LEDs) APMPPR-S3c (Emitted Colour of LEDs)

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Effektpigmente hellipPTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4

Einleitung

Farbe ist fuumlr Menschen die wohl auffaumllligste sub-jektive Stoffeigenschaft Bereits den Fruumlhmenschen war diese visuelle Qualitaumlt bekannt deren Wahr-nehmung allen Primaten eigen ist So wurde 2008 in Suumldafrika eine ca 100000 Jahre alte steinzeitli-che bdquoMalerwerkstattldquo entdeckt [1] Auch heutzu-tage spielt Farbe in der Gestaltung unserer Umwelt eine wichtige Rolle Jedes Jahr praumlsentiert uns die Mode die neuen Farben der Saison Farben dienen zur Regelung des Verkehrs Ohne bunte Farben waumlre unsere Welt trist und oumlde

Es ist wichtig festzustellen dass Farbe ein physiologischer Sinneseindruck ist wie z B auch Tasten oder Riechen D h Farbe ist keine immanente physikalische Eigenschaft eines Gegenstandes wie z B seine Masse oder Waumlrme-leitfaumlhigkeit Die physiologische Wahrnehmungs-kette ist hierbei folgende Das vom betrachteten Gegenstand reflektierte Licht trifft auf das Auge und loumlst hierbei einen Farbreiz aus Dieser Farbreiz beruht auf der spektralen Zusammensetzung des empfangenen Lichts d h er ist abhaumlngig von der verwendeten Lichtquelle und dem spektralen Reflexionsvermoumlgen des betrachteten Objektes Die Anregung der licht- und farbempfindlichen Zellen in der Netzhaut fuumlhrt zu einer Farbvalenz die uumlber den Sehnerv an das Gehirn weitergeleitet wird Die eigentliche Farbempfindung die wir dann mit einem Gegenstand verknuumlpfen entsteht erst im Gehirn [2] Liegt z B eine Farbfehlsich-tigkeit vor so kann der Farbeindruck des betrof-fenen Menschen auch ein ganz anderer sein Auch viele Tiere mit ihren teilweise erheblich abweichenden visuellen Systemen nehmen Farbe ganz unterschiedlich als wir Menschen wahr Im Folgenden soll mit Farbe immer die Koumlrperfarbe auch Gegenstandsfarbe Objektfarbe bzw Oberflauml-chenfarbe genannt einer nicht selbstleuchtenden Flaumlche bezeichnet werden die durch Reflexion von Licht an einem Koumlrper entsteht

Die genannten Zusammenhaumlnge machen die mathematisch-physikalische Beschreibung von Farbe schwierig und aufwendig da auch die spe-zifischen Eigenarten der menschlichen Wahrneh-

mungskette nachgestellt werden muumlssen Diesem Umstand wird versucht uumlber die verschiedenen Farbmaszligsysteme Rechnung zu tragen welche die Farbe eines Objektes mithilfe von quantifizierba-ren Zahlenwerten kennzeichnen [3]

Generell koumlnnen farbige Flaumlchen je nach Tageszeit und Lichteinfall sehr unterschiedlich wirken Die Aumlnderungen basieren hierbei auf der unterschiedlichen spektralen Zusammenset-zung des Tageslichts und den winkelabhaumlngigen Glanz- und Struktureigenschaften von Oberflauml-chen Ganz besonders deutlich ist dies bei auf dem Interferenzeffekt basierenden Effektpigmenten der Fall Deren visuelles Erscheinungsbild im englischen mit Visual Appearance bezeichnet kann sich bei variierendem Beobachtungswinkel und unterschiedlichen Lichtverhaumlltnissen komplett veraumlndern Man spricht hierbei von sogenannten Flop-Lacken wobei man zwischen Hell-Dunkel-Flop und Farb-Flop unterscheiden kann [4]

Generell kann man sagen dass Farbe und visuelle Effekte einen entscheidenden Anteil am Verkaufserfolg eines Produktes haben denn Farben wecken Emotionen und verschiedene Neuro marketingstudien belegen dass ca 95 aller Kaufentscheidungen emotional gepraumlgt sind [5] Deshalb spielt eine moderne Farbgestaltung unter Nutzung aktueller Effektpigmente im Pro-duktdesign eine entscheidende Rolle denn durch den Einsatz solcher Pigmente kann Gegenstaumlnden eine houmlhere Attraktivitaumlt verliehen werden Daher findet man moderne Effektpigmente heutzutage in vielen teilweise sehr unterschiedlichen Indus-trieprodukten wie z B in Autolackierungen Haumluserfassaden Kosmetikartikeln oder sogar bei Pralineacutes wie dies in Bild 1 zu sehen ist

Pigmente

Als Pigmente aus dem Lateinischen kommend von pigmentum fuumlr bdquoFaumlrbestoff Schminkeldquo bezeichnet man aus Teilchen bestehende im Anwendungs-medium praktisch unloumlsliche Sub stanzen die als Farbmittel oder wegen anderer spezieller physika-lischer und chemischer Eigenschaften als funktio-nale Farbzentren verwendet werden [6]

Effektpigmente Eine Herausforderung fuumlr die optische Messtechnik

Egbert Buhr Alfred Schirmacher Andreas Houmlpe

Dr Egbert Buhr Fachbereich bdquoBildshy und Wellenoptikldquo EshyMail egbertbuhrptbde

Dr Alfred Schirmacher Arbeitsshygruppe bdquoReflexion und Transmissionldquo EshyMail alfredschirmacherptbde

Dr Andreas Houmlpe dagger ehemals Arbeitsgrupshype bdquoReflexion und Transmissionldquo

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PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4Das Jahr des Lichtes

In der Natur vorkommende anorganische Pig-mente sind schon seit praumlhistorischen Zeiten bekannt Schon die Menschen der Steinzeit benutzen mineralische Pigmente fuumlr die ersten Houmlhlenzeichnungen Sie erkannten dass sie mit unterschiedlichen Erdsorten farbig malen konnten Eisenoxidhaltige Erden liefern gelbrote bis braunrote Kalk und Gips weiszlige Mangan-oxide sowie Holz- und Knochenkohle schwarze Farbtoumlne

Aus heutiger industrieller Sicht ist ein Pigment ein fein aufgeteilter und unloumlslicher Feststoff mit der Hauptfunktion das Erscheinungsbild des verwendeten Mediums zu verbessern oder es zu faumlrben Pigmente werden dem Medium immer durch physikalisches Mischen beigegeben dies unterscheidet sie von Farbstoffen die in ihrem Medium loumlslich sind

Pigmente koumlnnen nach den optischen Prin-zipien ihrer Wechselwirkung mit Licht unter-schieden und in verschiedene Klassen eingeteilt werden Wichtige Pigmentklassen sind Weiszlig- Bunt- Schwarz- und Effektpigmente die alle wegen ihrer speziellen farbgebenden Eigenschaf-ten eingesetzt werden Bei den Effektpigmenten

kann in einer ersten vereinfachten Einteilung noch zwischen Metalleffekt- und den sogenannten speziellen Effektpigmenten unterschieden werden

Der Begriff bdquospezielle Effektpigmenteldquo umfasst die Gruppen der Perlglanzpigmente und der all-gemeinen Interferenzpigmente welche insbeson-dere bei aktuellen Pigmententwicklungen nicht scharf abgegrenzt werden koumlnnen Perlglanzpig-mente sind Effektpigmente die aus transparenten Plaumlttchen mit hohem Brechungsindex bestehen Sie erzeugen durch die spezielle Form der Mehr-fachreflexion des transmittierten Lichts an mehre-ren Pigmenten einen perlenaumlhnlichen Effekt bei dem die auftreffende Strahlung verteilt reflektiert wird wodurch der Eindruck einer mit der Tiefe abnehmenden diffusen Helligkeit entsteht Fuumlr das Auge ergibt sich so eine scheinbar dreidimen-sionale Glanzcharakteristik die aus der Tiefe des Objektes zu kommen scheint Interferenzpigmente dagegen sind Effektpigmente deren farbgebende Wirkung ganz oder vorwiegend auf dem Effekt der Vielstrahlinterferenz von Licht an duumlnnen hoch-brechenden Schichten beruht Interferenzpigmente koumlnnen dabei sowohl auf transparenten oder auch nichttransparenten Plaumlttchen basieren

Bild 1 a) Roadster mit ChromaFlairreg-Effektpigmentlackierung b) Verwaltungsgebaumlude in Braunschweig verkleidet mit Alucobondreg-spectra-colours-Verbundplatten c) Effektpigmente im Nagellack d) Pralineacute mit Effektpigmentuumlberzug

a

dc

bb

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Effektpigmente hellipPTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4

Die heute verwendeten Pigmente lassen sich somit grob in fuumlnf verschiedene Klassen einteilen

1) Weiszligpigmente Die Pigmente streuen das ge-samte auftreffende Licht nahezu verlustfrei in alle Richtungen durch diffuse ungerichtete Reflexion

2) Buntpigmente Die Pigmente streuen einen Teil des Lichtes diffus und absorbieren wellenlaumln-genselektiv einen anderen Teil des Lichtes

3) Schwarzpigmente Die Pigmente absorbieren alle Wellenlaumlngen des fuumlr das menschliche Auge sichtbaren Spektralbereiches

4) Metalleffektpigmente Die aus duumlnnen Metall-plaumlttchen vorwiegend Aluminium bestehen-den Metalleffektpigmente sind lichtundurch-laumlssig und reflektieren das gesamte auftreffende Licht durch spekulare gerichtete Reflexion Die Pigmentpartikel wirken dabei wie Mikrospie-gel und fuumlhren bei paralleler Ausrichtung im Anwendungsmedium zu einem spiegelnden Metallglanz dem Metallic-Effekt

5) Spezielle Effektpigmente Perlglanz- bzw Inter-ferenzpigmente deren optische Wirkung auf der Mehrfachreflexion an uumlberwiegend flaumlchig aus-gebildeten und ausgerichteten transparenten semitransparenten oder lichtundurchlaumlssigen Partikeln beruht

Weiszlig- Bunt- und auch Schwarzpigmente weisen typische Durchmesser im Bereich von 100 nm bis zu 1 microm auf Ihre Groumlszlige liegt damit zum Teil im Bereich der Wellenlaumlnge des sichtbaren Lichtes welches den Bereich von 380 nm bis 780 nm uumlberdeckt Einige Schwarzpigmente wie z B Ruszlig-pigmente liegen mit ihren Durchmessern jedoch auch zum Teil auch deutlich darunter Effektpig-mente besitzen dagegen Teilchendurchmesser die zumeist im Bereich von 5 microm bis 100 microm in einigen Faumlllen auch daruumlber liegen Sie sind damit bezuumlglich der mittleren Plaumlttchendurch-messer wesentlich groumlszliger als die Wellenlaumlnge des sichtbaren Lichtes Die Dicke der Plaumlttchen liegt von einigen Ausnahmen abgesehen unter 1 microm ebenso wie die Dicke der Interferenzschichten Demzufolge weisen Effektpigmente in der Regel ein hohes Aspektverhaumlltnis auf (Verhaumlltnis der lateralen Ausdehnung einer Struktur zu ihrer Houmlhe) welches bis zu 200 betragen kann

Interferenzpigmente ndash Wie die Farben entstehen

Die Farbe von Interferenzpigmenten haumlngt von der Schichtdicke der Metalloxidbeschichtung und dem Einstrahlungs- und Betrachtungswinkel ab Beide Parameter bestimmen die effektive optische Weg-

laumlngendifferenz fuumlr das einfallende weiszlige Licht zwischen oberer und unterer Grenzflaumlche und die somit auftretenden Interferenzfarben siehe Bild 3

Interferenzpigmente zeigen somit einen aus-gepraumlgten bdquoFarbflopldquo Die Winkelabhaumlngigkeit der Farbe wird hierbei auch als Goniochromasie bezeichnet Richtig bunt geht es zu wenn ein Interferenzpigment auf einen bereits bunten Untergrund aufgebracht wird Die Transparenz der Pigmente laumlsst die Untergrundfarbe durch-

Bild 2 Schematische Diagramme zum spektralen Verhalten verschiedener Pigmenttypen

Bild 3 Die Schichtdicke der Metalloxidbeschichtung und der kombinierte Einstrahlungs- und Betrachtungswinkel bestimmen die optische Weglaumlnge und somit die sich ergebenden Interferenzfarben in Reflexion und Transmission

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PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4Das Jahr des Lichtes

Bild 5 Die Effekte Spar-kling (1) und Coarseness (2) des Effektpigmentes Xirallicreg Crystal Silver in einer vergroumlszliger-ten Aufnahme auf weiszligem (links) und schwarzem Hinter-grund (rechts)

scheinen im Glanzwinkel wird sie aber von der Interferenzfarbe uumlberstrahlt wie dies in Bild 4 zu sehen ist

Der Effekt eines Helligkeitsunterschiedes unter verschiedenen Betrachtungswinkeln wird als Helligkeitsflop bezeichnet und ist an sich nichts Neues Sind jedoch die einzelnen Pigmentteilchen

aufgrund ihrer planaren Reflexionsoberflaumlchen in gerichteter Beleuchtung direkt beobachtbar was fuumlr mittlere Teilchengroumlszligen von 30 microm und groumlszliger der Fall ist so ergibt dies einen Effekt welcher mit dem Begriff Sparkle (Glitzern Funkeln) bezeichnet wird (Bild 5) Aumlndert sich die Beleuchtung von einer gerichteten Einstrahlung wie es an einem wolkenlosen sonnigen Sommertag der Fall ist hin zu einer diffusen ungerichteten Einstrahlung wie an einem stark bewoumllkten Herbsttag so verschwin-det das Sparkling der Pigmente und verwandelt sich in eine Koumlrnigkeit der Oberflaumlche Dieses optische Phaumlnomen wird als Coarseness (Bild-koumlrnigkeit) bezeichnet und ist unabhaumlngig vom Betrachtungswinkel (Bild 5)

Als neuer Archetypus des Sparkle-Begriffes haben sich in den letzten Jahren die Xirallicreg Pig-mente (High Chroma Chrystal Effect Pigments) der Firma Merck KGaA entwickelt Durch die Beschich-tung von Aluminiumoxidplaumlttchen mit hochbre-chenden Metalloxiden und einer optimierten Dicke und Ebenheit aller am Pigment beteiligten Schich-ten entstehen auszligergewoumlhnlich stark reflektierende Effektpigmente die einen besonders intensiven Sparkle-Effekt aufweisen Man spricht hierbei auch von sogenanntem Living Sparkle welcher sich in einem scheinbaren bdquoTanzenldquo der leuchtenden Punkte in der Probenoberflaumlche bei Veraumlnderung der Beobachtungsgeometrie aumluszligert [7 8]

Generell gilt dass die Farbe von Objekten mit Effektlackierung nicht mehr wie jahrzehntelang uumlblich und ausreichend mit konventionellen Farb-messgeraumlten mit nur einer festen Messgeometrie wie z B in der 45deg 0deg Geometrie (Einstrahlung unter 45deg Reflexionsmessung unter 0deg) bestimmt werden kann Dieser Umstand wird sehr gut durch die Grafik in Bild 6 illustriert Dargestellt sind die winkelabhaumlngig gemessenen Farbkoordinaten von drei verschiedenen keramischen Farbstandards der Farben rot gruumln und blau sowie eines mit dem Effektpigment Viola Fantasy der Firma Merck lackierten Blechs Der Einfallswinkel des Lichts auf die Proben betrug hierbei immer 45deg zur Oberflauml-chennormalen Das von den Proben reflektierte Licht wurde an 26 Positionen in einem 5deg Raster in planaren die Oberflaumlchennormale enthalten-den Messgeometrien im Winkelbereich von ndash70deg bis +70deg aufgenommen Bei den aus absorptiven Pigmenten bestehenden Keramiken zeigt sich eine nur sehr geringe Winkelabhaumlngigkeit der Farbe welche groumlszligtenteils auf unterschiedlicher winkelabhaumlngiger Helligkeit d h den Glanzeigen-schaften der Oberflaumlche beruht Das Effektpigment dagegen zeigt einen extremen winkelabhaumlngigen Farb-Flop (Goniochromasie) welcher einen Farbverlauf von Gruumln uumlber Rot-Gelb hin ins Blau-Violett bietet

Aber auch die neuen Lackfarben aus der Gruppe der Effektlackierungen muumlssen messtechnisch

Bild 4 Merck-Xirallicreg-Solaris-Red-Effektpigmente appliziert auf einem mit Standard-Ab-sorptionspigmenten hellblau lackierten Metallblech In Rich-tung des Glanzwin-kels auf der rechten Seite zeigt sich der langsame Aufbau der winkelabhaumlngigen Interferenzfarbe

1

Bild 6 CIELab Farbkoordinaten einer winkelabhaumlngigen Reflexionsmessung an vier verschiedenen Proben drei Keramiken der Farben rot gruumln blau und eine Effektpigmentlackierung mit Merck Colorstreamreg Viola Fantasy Das untergelegte Farbschema zeigt naumlherungsweise die den Koordinaten entsprechende Farbe

2

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Effektpigmente hellipPTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4

Abbildungsoptik Messungen der ortsaufgeloumlsten Leuchtdichte auf einer Laumlngenskala bis hinab zu 28 microm auf der zu untersuchenden Probe siehe Bild 8

Mit der Zeilenkamera sind Messungen von kompletten Reflexionsspektren im sichtbaren Spektralbereich zwischen 380 nm und 780 nm dem sogenannten V(λ)-Bereich auf einer Zeit-skala von 2 Minuten moumlglich Hieraus lassen sich dann Farbkoordinaten der untersuchten Proben in den unterschiedlichsten Farbraumsystemen berechnen Eine absolute Messung in 114 Win-kelkombinationen (siehe Bild 9) im Polarwinkel-

erfasst und ruumlckgefuumlhrt werden um eine gleich-bleibende Qualitaumlt in der Produktion gewaumlhrleis-ten zu koumlnnen Gerade diese vielfaumlltigen zusaumltz-lichen Eigenschaften stellen die Farbmesstechnik vor neue Herausforderungen

Farbmessung

Bisherige kommerzielle Farbmessgeraumlte charakte-risieren Probenoberflaumlchen fast ausschlieszliglich in den eben schon erwaumlhnten sogenannten in-plane Reflexionsgeometrien Dabei liegen die Richtun-gen des eingestrahlten und des reflektierten Lichts sowie die Oberflaumlchennormale der Probe in einer Ebene Diese Einschraumlnkung entspricht jedoch in keiner Weise der taumlglichen Realitaumlt bei der Oberflaumlchen aus beliebigen Richtungen beleuchtet und betrachtet werden Seitens der Messgeraumlteher-steller und Anwender gibt es daher einen Trend zur erweiterten Charakterisierung bezuumlglich zusaumltzlicher Winkelkombinationen im dreidimen-sionalen Raum Spitzenreiter dieser Entwicklung am Markt ist derzeit ein tragbares Mehrwinkel-Spektralphotometer mit insgesamt 19 verschie-denen Reflexionsgeometrien [9] Hiermit scheint aber auch das Ende dieser Entwicklung im Bereich der portablen handgefuumlhrten Geraumlte erreicht Der Wunsch der Anwender geht aktuell wieder zuruumlck zu einer geringeren Anzahl von Winkelkombi-nationen denn es ist unklar wie man aus dem Mehr an winkelaufgeloumlsten Reflexionsdaten die fuumlr die Charakterisierung der Farbeigenschaften relevanten Informationen gewinnen kann Daher stellt sich die Frage welches sind bdquoguteldquo d h an die Messaufgabe adaptierte optimal geeignete Messgeometrien

Um diese Frage zu beantworten betreibt die AG 424 bdquoReflexion und Transmissionldquo der PTB zwei roboterbasierte Gonioreflektometer die eine winkelaufgeloumlste Reflexionsmessung in beliebi-gen bidirektionalen Geometrien ermoumlglichen [10ndash12] Diese beiden Apparaturen sind in Bild 7 dargestellt

Das Standard-Gonioreflektometer ist hierbei das nationale Normal fuumlr die Messgroumlszlige spektraler Strahldichtefaktor in gerichteten Geometrien Es dient der Realisierung Bewahrung und Weiter-gabe der gerichteten Reflexionsskale in Form von Kalibrierungen Die zweite Apparatur bezeich-net mit dem Acronym ARGon3 (3D Appearance Robot-based Gonioreflectometer) ist ein flexibles Forschungsgeraumlt mit dem experimentelle Unter-suchungen u a im Rahmen des EMRP-Projektes Multidimensional Reflectometry for Industry der EU [13] durchgefuumlhrt werden Im Ver gleich zum Standard-Gonioreflektometer ist dieses Geraumlt mit einer photometrischen Leuchtdichteka-mera und einer Zeilenkamera ausgeruumlstet Die Leuchtdichtekamera erlaubt mit einer speziellen

Bild 7 Die beiden roboter-basierten Gonio-reflektometer der PTB oben Standard-Gonioreflektometer fuumlr Kundenkalibrie-rungen unten ARGon3-Messplatz fuumlr Forschungsanwen-dungen

Bild 8 Visualisierung desSparkling-Effektesvon Xironareg-Volcanic-Sparks-Pigmenten als Falschfarben-darstellung der ortsaufgeloumlsten LeuchtdichteDie bdquoNadelnldquo zeigendie Position derPigmente an

Bild 9 Beispielgeometrien zur Messung der winkelabhaumlngigen Reflexionseigen-schaften Realisiert wurden 4 Einstrah-lungsrichtungen (rote Pfeile) mit jeweils 114 Reflexionswinkeln (schwarze Punkte) im Bereich der Viertel-kugel oberhalb der Probenoberflaumlche

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PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4Das Jahr des Lichtes

bereich 0deg bis 70deg gleichmaumlszligig verteilt uumlber den Viertelraum oberhalb der Probe dauert hierbei ca 4 Stunden [14] Die so erhaltenen Daten bilden die Basis fuumlr kuumlnftige Verbesserungen in der Mess-technik fuumlr Anwender und Hersteller

Im Rahmen des EMRP-Projektes Multidimen-sional Reflectometry for Industry [13] sind damit die winkelabhaumlngigen Reflexionsspektren von insgesamt 66 verschiedenen Effektpigmentproben gemessen worden [15 16] Bei den vier verschie-denen Einstrahlungsrichtungen verbunden mit jeweils 114 Reflexionswinkeln im Bereich der Vier-telkugel oberhalb der Probenoberflaumlche ergeben sich somit uumlber 30000 Reflexionsspektren

Zielsetzung der Untersuchungen ist die Ver-besserung der Metrologie zur Materialcharak-terisierung mit reduzierter Messunsicherheit Dazu werden neue Messvorschriften und neue Standardmessartefakte entwickelt mit denen die Industrie die visuelle Wahrnehmung der von ihr produzierten Oberflaumlchen gezielt charakterisie-ren und kontrollieren kann Solche Messungen sollten einfach auszufuumlhren sein und die Ergeb-nisse muumlssen soweit wie moumlglich mit der visuellen menschlichen Wahrnehmung korrelieren Im europaumlischen und internationalen Rahmen sollen die Ergebnisse in die Normung einflieszligen um die allgemeine Vergleichbarkeit solcher Messungen zu gewaumlhrleisten

Literatur

[1] CS Henshilwood et al A 100000-Year-OldOchre-Processing Workshop at Blombos CaveSouth Africa Science Vol 334 No 6053 219ndash2222011

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[3] Colorimetry Understanding the CIE Systemed by J Schanda Wiley-Interscience NJ 2007

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[5] G Zaltman How Customers Think EssentialInsights into the Mind of the Market HarvardBusiness Review Press 2003

[6] DIN ISO 18451-12015-11 Pigmente Farbstof-fe und Fuumlllstoffe ndash Begriffe ndash Teil 1 AllgemeineBegriffe

[7] WR Cramer Ohne Glimmer aber mit GlanzFarbe amp Lack 042003 132ndash136 2003

[8] WR Cramer Es glitzert wie am SternenhimmelFahrzeug + Karosserie 0412 20ndash22 2012

[9] E Kirchner W Cramer Making sense of measure-ment geometries for multi-angle spectrophotome-ters Color Res Appl Vol 37 No3 186ndash198 2012

[10] D Huumlnerhoff U Grusemann A Houmlpe Newrobot-based gonioreflectometer for measuringspectral diffuse reflection Metrologia 43 S11ndashS162006

[11] A Houmlpe D Huumlnerhoff K-O Hauer Robot-basedgonioreflectometer Industrial Robotics Program-ming Simulation and Applications Low Kin-Huat Ed Pro Literatur-Verlag Mammendorf623ndash632 2007

[12] A Houmlpe T Atamas D Huumlnerhoff S TeichertK-O Hauer ARGon3 ndash bdquo3D Appearance Robot-based Gonioreflectometerrdquo at PTB Rev SciInstrum 83(4) 045102-1ndash045102-8 2012

[13] European Metrology Research Program ProjectIND52 bdquoxD-Reflectldquo Multidimensional Reflecto-metry for Industry wwwxdreflecteu(letzter Aufruf 03122015)

[14] T Atamas K-O Hauer A Houmlpe Appearancemeasurements of goniochromatic colours Predic-ting Perceptions Proceedings of the 3rd Internati-onal Conference on Appearance 149ndash154 2012

[15] A Houmlpe A Koo FM Verdu FB LeloupG Obein et al bdquoMultidimensional reflectometryfor industryrdquo (xD-Reflect) an European researchproject Proc SPIE 9018 Measuring Modelingand Reproducing Material AppearanceSPIE-ISampT Vol 9018 901804-1ndash901804-11 2014

[16] A Houmlpe K-O Hauer S Teichert D HuumlnerhoffC Strothkaumlmper Goniochromatic and Sparkleproperties of effect pigmented samples in mul-tidimensional configuration Proc SPIE 9398Measuring Modeling and Reproducing MaterialAppearance 2015 SPIE Proc Vol 9398 Appea-rance 93980O-1ndash7 2015

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Die 50 Sitzung des Internationalen Komitees fuumlr das gesetzliche Messwesen (CIML) fand vom 20 bis 22 Oktober 2015 in Arcachon Frankreich statt Im Vorfeld der CIML-Sitzung fand ein ein-taumlgiges OIML-Seminar uumlber Countries and Econo-mies with Emerging Metrology Systems (CEEMS) statt uumlber das weiter unten berichtet wird

Das CIML ist der Lenkungsausschuss der OIML Es trifft sich jaumlhrlich und besteht aus je einem Repraumlsentanten der Mitgliedstaaten der korrespondierenden Mitglieder und den Vertre-tern internationaler und regionaler Organisa-tionen die als Beobachter teilnehmen koumlnnen Das CIML ist zustaumlndig fuumlr die Vorbereitung und Durchfuumlhrung der Entscheidungen der Konfe-renz die alle vier Jahre stattfindet Es uumlberwacht die Arbeiten der Technischen Komitees und Unterkomitees und des Internationalen Buumlros fuumlr das gesetzliche Messwesen (BIML) in Paris

An der 50 CIML-Sitzung nahmen 144 Teilneh-mer aus 43 Mitgliedstaaten und 13 korrespondie-renden Mitgliedstaaten teil Zur deutschen Dele-gation gehoumlrten neben den o g Autoren auch die Herren Johann Fischer Direktor des Landesamts fuumlr Mess- und Eichwesen Berlin-Brandenburg sowie Prof Olaf Kuumlhn Direktor des Thuumlringer Landesamts fuumlr Verbraucherschutz als Vertreter der Bundeslaumlnder Dr Peter Ulbig Leiter der Abteilung Wissenschaftlich-technische Quer-schnittsaufgaben der PTB und Prof Manfred Kochsiek Vizepraumlsident a D der PTB ehema-liger CIML-Praumlsident und Ehrenmitglied der OIML Frau Dr Anna Cypionka persoumlnliche Referentin des Praumlsidenten der PTB nahm am OIML-Seminar fuumlr CEEMS teil Vertreten waren auch wieder internationale und regionale Orga-nisationen zu denen die OIML Verbindungen unterhaumllt wie das Internationale Buumlro fuumlr Maszlig und Gewicht (BIPM) die GSO-GCC Standardiza-tion Organization (Saudi-Arabien) die Internatio-nal Laboratory Accreditation Cooperation (ILAC) und der Europaumlische Verband der Waagenherstel-ler (CECIP)

Alle Beschluumlsse der 50 CIML-Sitzung koumlnnen auf den Internetseiten der OIML aufgerufen werden [1 2]

Die wichtigsten Entscheidungen und Entwick-lungen werden nachfolgend vorgestellt

1 Personalangelegenheiten

Der Vertrag von Willem Kool als Assistant Director wurde um vier Jahre der Vertrag des BIML-Direk-tors Stephen Patoray um drei Jahre verlaumlngert

2 Einfuumlhrung des PG Workspace im Internet

In seinem Bericht im Zusammenhang mit der Etablierung des neuen Webauftritts der OIML hob der CIML-Praumlsident Peter Mason (UK) die erfolgreiche Einfuumlhrung des Workspace fuumlr Pro-jektgruppen hervor Durch die Online-Arbeit wird erwartet dass die technische Arbeit an neuen bzw zu revidierenden OIML-Dokumenten vereinfacht und insgesamt effizienter wird

3 Revision der technische Richtlinien fuumlr die OIML (B 6 Directives for OIML tech-nical work)

In einem neuen Projekt sollen die in den vergan-genen Jahren revidierten OIML-Richtlinien fuumlr die technische Arbeit erneut uumlberarbeitet werden um u a den Prozess der Entwicklung und Uumlber-arbeitung von OIML-Publikationen noch weiter zu beschleunigen und den neuen internetbasierten Technologien und Arbeitsweisen Rechnung zu tragen

4 Umfassende strukturelle Uumlberarbeitung des OIML Certificate System

Das CIML verabschiedete die Gruumlndung einer Projektgruppe mit der Aufgabe einer substan-ziellen Uumlberarbeitung des OIML-Zertifizierungs-systems das z Zt aus dem Basiszertifizierungs-system und dem MAA3 besteht Urspruumlnglich ausgehend von der Annahme die Akzeptanz des MAA-Zertifizierungssystem muumlsse verstaumlrkt werden eine groumlszligere Verbreitung finden und mehr Messgeraumltearten abdecken erscheint es

Aktuelles aus der OIML (Internationale Organisation fuumlr das Gesetzliche Messwesen)Bericht uumlber die 50 Sitzung des CIML in Arcachon FrankreichSusanne Ludwig Roman Schwartz

INTERNATIONALE ZUSAMMENARBEIT

Susanne Ludwig OIMLshyGeschaumlftsstelle der PTB EshyMail susanneludwigptbde

Dir u Prof Dr Roman Schwartz Vizepraumlsident der PTB deutsches Mitglied im Internashytionalen Komitee fuumlr das Gesetzliche Messwesen (CIML) und CIMLshyVizepraumlsishydent EshyMail romanschwartzptbde

3 Mutual Acceptance Arrangement (Abshykommen zur gegenshyseitigen Anerkennung von Bauartpruumlfungen)

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PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4Internationale Zusammenarbeit

inzwischen sinnvoller und wurde so auch vom CIML beschlossen zum 112017 ein einziges OIML-Zertifizierungssystem einzufuumlhren Eine Projektgruppe (Certification System Project Group = CSPG) unter dem Vorsitz des CIML-Vizepraumlsi-denten Dr Roman Schwartz wurde damit beauf-tragt die notwendigen Dokumente und Prozedu-ren auszuarbeiten

5 OIML-Seminar fuumlr Countries and Economies with Emerging Metrology Systems (CEEMS)

Im Vorfeld der CIML-Sitzung wurde ein eintaumlgiges Seminar zum Thema Developing an OIML Package for Assistance to Countries with Emerging Metro-logy Systems (CEEMS) abgehalten In vier Sitzun-gen diskutierten 125 Teilnehmer aus 49 Laumlndern uumlber Moumlglichkeiten Laumlnder beim Aufbau von nationalen Metrologiesystemen zu unterstuumltzen In der ersten von Frau Dr Cypionka geleiteten Sitzung Capacity Building ging es um die allge-meinen Herausforderungen bei der Gestaltung von Programmen zur Foumlrderung von Handlungs-kompetenzen und Vermittlung von Wissen fuumlr die Metrologie In zwei weiteren Sitzungen wurden unter den Themen Helping CEEMS Improve Regulation in their Markets (Leitung Prof Dr Manfred Kochsiek) und New Ideas ndash Doing Legal Metrology Differently (Leitung Stuart Carstens

Suumldafrika) konkrete inhaltliche Loumlsungsvorschlaumlge vorgestellt und diskutiert Die Ergebnisse wurden in der 50 CIML-Sitzung vorgestellt und fanden ihren Niederschlag in der Resolution Nr 201510 [2] sie sollen auch noch auf den OIML-Webseiten veroumlffentlicht werden [1]

6 OIML-Publikationen

Folgende OIML-Publikationen wurden verabschiedet

R 139-3 Compressed gaseous fuels measuring systems for vehicles Part 3 Test report format

New Recommendation (R 145) Ophthalmic instru-ments mdash Impression and applanation tonometers

Alle OIML-Publikationen stehen im Internet frei zur Verfuumlgung [3]

Gleichzeitig wurde die Revision der folgenden OIML-Publikation beschlossen

Revision of R 79 Labeling requirements for prepackages

Folgende neue Projekte wurden verabschiedet

Revision des OIML-Dokuments B 6-1 Directives for OIML technical work

Bild 1 Teilnehmer der 50 Sitzung des Internationalen Komitees fuumlr Gesetz-liches Messwesen (CIML) in Arcachon Frankreich

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PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4 Aktuelles aus der OIML

TC 8SC 1 Revision R 71 Fixed storage tanks mdash General requirements

TC 8SC 1 Revision R 85 Automatic level gauges for measuring the level of liquid in stationary storage tanks

7 Personalien und Ehrungen

Die von Dr Seiler dem ehemaligen Leiter des Fachbereichs bdquoTechnische Zusammenarbeitldquo der PTB initiierte OIML-Auszeichnung fuumlr bdquoexzel-lente Beitraumlge von Entwicklungslaumlndern zum gesetzlichen Messwesenldquo ging in diesem Jahr an

bull Nam Hyuk Lim Director of Korea Testing Certi-fication und

bull The Metrology Department Saint Lucia Bureau of Standards

Die OIML-Medaille fuumlr besondere Verdienste um die OIML-Arbeit ging an Ngo Quy Viet Vietnam und Cartaxo Reis aus Portugal

8 Termine

Ein Gastgeberland fuumlr die 51 CIML-Sitzung und 15 OIML-Konferenz im Jahr 2016 konnte noch nicht bekannt gegeben werden es wird aber wahr-scheinlich wieder Frankreich sein Weitere OIML-Veranstaltungen und -Termine finden sich auf der OIML-Webseite unter [4]

9 Literatur

[1] httpswwwoimlorgen (letzter Aufruf 19112015)

[2] httpswwwoimlorgenstructurecimlpdf50-ciml-resolutions-englishpdf (letzter Aufruf 19112015)

[3] httpswwwoimlorgenpublicationsrecommen-dationspublication_viewp_type=1ampp_status=1

[4] (letzter Aufruf 19112015)[5] httpswwwoimlorgeneventscalendar

(letzter Aufruf 19112015)

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TECHNOLOGIETRANSFER

E27-Scanner fuumlr UlbrichtkugelnMit dem besonders einfach ohne Umbau einsetzbaren E27-Scanner koumlnnen Anwender und Hersteller die Homogenitaumlt ihrer Ulbricht-kugeln bestimmen und die Ergebnisse zur Berechnung genauerer Lichtstroumlme und zur Dokumentation der Qualitaumlt ihrer Messungen nutzen

Hintergrund

Wie viel Licht eine Lampe insgesamt in alle Richtungen abstrahlt wird durch ihren Lichtstrom ausgedruumlckt Um den fuumlr die Bestimmung der Energieeffizienz von Lampen notwendigen Lichtstrom schnell zu er mitteln setzt die Lampenindustrie Ulbrichtkugeln ein An einer Stange in der Mitte der Ulbrichtkugel befindet sich eine E27-Lampen-fassung in die nacheinander die Lichtstrom-Normallampe und die zu kalibrierende Lampe eingeschraubt werden Das indirekt auf den Mess-kopf fallende Licht erzeugt einen Photostrom der im Idealfall propor-tional zu dem von der Lampe abgestrahlten Lichtstrom ist unabhaumlngig von der Richtung in die das Licht abgestrahlt wird

Dies ist jedoch bei einer ungleichmaumlszligigen Beschichtung der Kugel sowie bei einer im Laufe der Zeit nicht zu verhindernden Verstaubung nicht der Fall Deshalb wird mit einem Kugelscanner die Homogenitaumlt der Kugel regelmaumlszligig vermessen und ein Korrekturfaktor bestimmt der von der jeweiligen Abstrahlcharakteristik der zu untersuchenden Lampe abhaumlngt

Technische Beschreibung

Der Kugelscanner wird einfach in eine E27-Fassung geschraubt und das sonst fuumlr die Lampenversorgung eingesetzte Netzgeraumlt wird durch die Steuereinheit ersetzt Diese uumlbernimmt sowohl die elektrische Versor-gung als auch die Befehlsuumlbermittlung zum Kugelscanner Die Steuer-einheit wird via USB oder RS232 an einen Computer angeschlossen Das mitgelieferte Messprogramm stellt automatisiert alle gewuumlnschten Richtungen ein und speichert die zugehoumlrigen von der Steuereinheit gemessenen Photostroumlme des Photometers

Wirtschaftliche Bedeutungw

Fuumlr Lampenindustrie und Hersteller von Ulbrichtkugeln

bull Genauere Messung des Lichtstroms

bull Bestimmung des Zeitpunkts einer Neubeschichtung

bull Uumlberwachung beim Beschichten

bull Dokumentation des Zustands der Ulbrichtkugel

EntwicklungsstandDer E27-Kugelscanner wurde in der PTB entwickelt Er wird laufend fuumlr Kalibrierungen eingesetzt Die Technologie wurde an die Firma Czibula amp Grundmann transferiert und wird dort mit einer PTB-Lizenz gebaut und vertrieben wwwphoto-metercom

Ansprechpartner

Dr Bernhard SmandekBeauftragter fuumlr TechnologietransferTelefon +49 531 592shy8303Telefax +49 531 592shy69shy8303EshyMail technologietransferptbde

Dr Stefan WinterFachbereich Photometrie und Radiometrie

Abbildung des E27shyKugelscanners Eine stark fokussierende Lampe die computergesteuert in alle Richtungen leuchten kann

Vorteile

bull Schneller Einbau in E27shyFassung

bull Computergesteuertes Abscannen der gesamten Ulbrichtkugel

bull Flexible Messmoumlglichkeiten

bull Fuumlr genauere Lichtstromshymessungen

bull Wichtig fuumlr die Qualitaumltsshysicherung

PTBshyNummer 0172

wwwtechnologietransferptbde

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PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4 Technologieangebote

Ansprechpartner

Dr Bernhard SmandekBeauftragter fuumlr TechnologietransferTelefon +49 531 592shy8303Telefax +49 531 592shy69shy8303EshyMail technologietransferptbde

Dr Stefan WinterArbeitsgruppe Solarzellen

PulsshyzushyCWshyKonverter

Umwandlung gepulster Laser-Strahlung in konstante StrahlungIn weiten Bereichen der optischen Metrologie ist eine Strahlungs-quelle von groszligem Nutzen die sich spektral vom UV-C bis ins mitt-lere IR durchstimmen laumlsst Lediglich Laser mit gepulster Strahlung erfuumlllen diese Anforderung bei ausreichend groszligem Ausgangssignal bisher luumlckenlos Femtosekunden-Lasersysteme waumlren aufgrund ihrer gut automatisierbaren und spektral weiten Durchstimmbarkeit die ideale Strahlungsquelle fuumlr z B radiometrische Anwendungen ndash wenn ihre Strahlung nicht gepulst waumlre

Durch das extreme Puls-Pausen-Verhaumlltnis von 10ndash5 entstehen hohe Spitzenleistungen die wiederum zu Saumlttigungseffekten bei Detek-toren und in der Folge zu nichtlinearem Verhalten fuumlhren koumlnnen Mit dem in der PTB entwickelten Puls-zu-CW-Konverter wird dieses Problem geloumlst

Technische Beschreibung

Bei dieser Methode werden Pulse gepulster Strahlungsquellen ausrei-chend hoher Repetitionsrate in CW-Strahlung umgewandelt Dabei wird jeder Puls in viele kleine Teilpulse aufgeteilt die auf unterschiedlich langen Wegstrecken unterschiedliche Laufzeiten erfahren Am Ausgang des Systems erscheinen sie dann zeitlich gleichmaumlszligig verteilt Realisiert wird dieser Puls-zu-CW-Konverter uumlber ein Glasfaserbuumlndel bei dem jede Einzelglasfaser eine individuell festgelegte Laumlnge besitzt

Mit der Entwicklung des Puls-zu-CW-Konverters wurde das ent-scheidende Manko beim Einsatz leistungsstarker Femtosekunden(fs)-Lasersysteme im Bereich der Metrologie beseitigt und erstmalig gepulste Laserstrahlung in CW-Strahlung umgewandelt Diese Neuentwicklung ermoumlglicht es nun herkoumlmmliche Monochromatorsysteme durch fs-Lasersysteme zu ersetzen die eine bis zu 1000-mal houmlhere spektrale Ausgangsleistung besitzen

Wirtschaftliche Bedeutung

Durch den neuen Puls-zu-CW-Converter koumlnnen in wirtschaftlich bedeutenden Bereichen wie z B der Photovoltaik der Photometrie der UV-Strahlungsmesstechnik und der Reflektometrie die Referenz- und Transfernormale mit einer deutlich reduzierten Messunsicherheit kali-briert werden Hier werden bislang wesentliche Messunsicherheitsan-teile durch zu geringe Strahlungsleistungen aus herkoumlmmlichen Mono-chromatorsystemen verursacht

Entwicklungsstand

Unter DE 10 2010 011 615 B4 wurde fuumlr den CW-Konverter ein Patent erteilt

Vorteile

bull Zeitliche Glaumlttung gepulster Laserstrahlung

bull Keine stoumlrenden Interferenzen

bull Nur minimale Absorption des Messsignals

bull Auch bei kuumlrzeren Wellenshylaumlngen ohne Ulbrichtkugel verwendbar

bull Kontinuierliche Verteilung des Ausgangspulses

bull Pulsvervielfachung

bull Houmlhere Strahlungsleistung

PTBshyNummer 0254

wwwtechnologietransferptbde

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PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4Technologieangebote

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Homogenisierung von Strahlungsquellen und Focal Plane Arrays (FPA)Ein neuartiges Verfahren ermoumlglicht softwaregestuumltzt eine deutlich verbesserte Kalibrierung von Mehrelement-Sensoren (FPA) und bildgebenden Systemen (Kameras) Bei flaumlchigen Strahlungsquellen kann zusaumltzlich eine gezielte Ansteuerung von Flaumlchenelementen zu einer bisher im Allgemeinen nicht erreichbaren Flaumlchenhomogenitaumlt fuumlhren

Technische Beschreibung

Flaumlchenstrahler dienen der Kalibrierung von ortsaufloumlsenden Strah-lungssensoren wobei davon ausgegangen wird dass die Emissionsflaumlche des Strahlers im Wesentlichen homogen bezuumlglich ihrer Strahldichte bzw Strahlungstemperatur ist Um kleine Inhomogenitaumlten eines Flaumlchenstrahlers zu charakterisieren ist es ein gaumlngiges Verfahren die Emissionsflaumlche punktweise mit einem Einzeldetektor abzutasten

Das neue PTB-Verfahren ist wesentlich schneller da es den Mehr-element-Sensor (FPA) das device-under-test selbst nutzt und damit immer ein Gesamtbild der Quelle aufnimmt Werden jetzt weitere Bilder zeilen- oder spaltenversetzt aufgenommen so erlaubt ein mathema-tischer Algorithmus bei nur drei Bildern eine komplette Charakterisie-rung des Sensors aber auch der Quelle

Sind Flaumlchenelemente der Strahlungsquelle einzeln ansteuerbar so ist es sogar moumlglich mittels der ermittelten Korrekturwerte zu Strahlquellen extrem hoher Homogenitaumlt im on-line-Betrieb zu gelangen

Wirtschaftliche Bedeutung

Bildgebende Strahlungssensoren und homogene Strahlungsquellen sind relevant fuumlr die Forschung und Entwicklung fuumlr die Prozesstechnik fuumlr die Charakterisierung der Energieeffizienz von Bauten bei der Ent-wicklung neuer Bauteile mit hoher thermischer Belastung und in vielen weiteren Bereichen Der mathematische Algorithmus ist aber auf unter-schiedliche Arten von Kamerasystemen anwendbar und damit auch fuumlr die Qualitaumltssicherung von CCD-Kameras bis hin zum Konsumguuml-termarkt anwendbar EntwicklungsstandEine deutsche Patenterteilung erfolgte im September 2015 Eine PCT-Anmeldung ist anhaumlngig Kooperations- und Lizenzpartner aus den Bereichen Thermografie Radiometrie und Photometrie zur Umsetzung des Konzeptes werden gesucht

Ansprechpartner

Dr Bernhard SmandekBeauftragter fuumlr TechnologietransferTelefon +49 531 592shy8303Telefax +49 531 592shy69shy8303EshyMail technologietransferptbde

DiplshyIng Berndt GutschwagerArbeitsgruppeInfrarotshyStrahlungsthermometrie

Stahlungsmessplatz der PTB zur Kalibrierung von Temperaturstrahlern und Waumlrmebildkashymeras

Vorteile

bull Schnelle Kalibrierung von Flaumlchensensoren (FPA)

bull Schnelle Kalibrierung von Flaumlchenstrahlern

bull Strahlquellen houmlchster Hoshymogenitaumlt

bull Fuumlr Thermografie und Phoshytometrie

PTBshyNummer 00374

wwwtechnologietransferptbde

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Die fachlichen Aufsaumltze aus dieser Ausgabe der PTB-Mitteilungen sind auch online verfuumlgbar unterdoi 10779531020150499

Die Physikalisch-Technische Bundesanstalt das nationale Metrologieinstitut ist eine wissenschaftlich-technische Bundesoberbehoumlrde im Geschaumlftsbereich des Bundesministeriums fuumlr Wirtschaft und Energie

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Impressum

Die PTB-Mitteilungen sind metrologisches Fachjournal der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt Braunschweig und Berlin Als Fachjournal veroumlffentlichen die PTB- Mitteilungen wissenschaftliche Fachaufsaumltze zu metrologischen Themen aus den Arbeitsgebieten der PTB Die PTB-Mitteilungen stehen in einer langen Tradition die bis zu den Anfaumlngen der Physikalisch-Technischen Reichsanstalt (gegruumlndet 1887) zuruumlckreicht

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Physikalisch-Technische BundesanstaltBraunschweig und BerlinNationales Metrologieinstitut

Die Physikalisch-Technische Bundesanstalt das nationale Metrologieinstitut ist eine wissenschaftlich-technische Bundesoberbehoumlrde im Geschaumlftsbereich des Bundesministeriums fuumlr Wirtschaft und Energie

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Effektpigmente hellipPTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4

Einleitung

Farbe ist fuumlr Menschen die wohl auffaumllligste sub-jektive Stoffeigenschaft Bereits den Fruumlhmenschen war diese visuelle Qualitaumlt bekannt deren Wahr-nehmung allen Primaten eigen ist So wurde 2008 in Suumldafrika eine ca 100000 Jahre alte steinzeitli-che bdquoMalerwerkstattldquo entdeckt [1] Auch heutzu-tage spielt Farbe in der Gestaltung unserer Umwelt eine wichtige Rolle Jedes Jahr praumlsentiert uns die Mode die neuen Farben der Saison Farben dienen zur Regelung des Verkehrs Ohne bunte Farben waumlre unsere Welt trist und oumlde

Es ist wichtig festzustellen dass Farbe ein physiologischer Sinneseindruck ist wie z B auch Tasten oder Riechen D h Farbe ist keine immanente physikalische Eigenschaft eines Gegenstandes wie z B seine Masse oder Waumlrme-leitfaumlhigkeit Die physiologische Wahrnehmungs-kette ist hierbei folgende Das vom betrachteten Gegenstand reflektierte Licht trifft auf das Auge und loumlst hierbei einen Farbreiz aus Dieser Farbreiz beruht auf der spektralen Zusammensetzung des empfangenen Lichts d h er ist abhaumlngig von der verwendeten Lichtquelle und dem spektralen Reflexionsvermoumlgen des betrachteten Objektes Die Anregung der licht- und farbempfindlichen Zellen in der Netzhaut fuumlhrt zu einer Farbvalenz die uumlber den Sehnerv an das Gehirn weitergeleitet wird Die eigentliche Farbempfindung die wir dann mit einem Gegenstand verknuumlpfen entsteht erst im Gehirn [2] Liegt z B eine Farbfehlsich-tigkeit vor so kann der Farbeindruck des betrof-fenen Menschen auch ein ganz anderer sein Auch viele Tiere mit ihren teilweise erheblich abweichenden visuellen Systemen nehmen Farbe ganz unterschiedlich als wir Menschen wahr Im Folgenden soll mit Farbe immer die Koumlrperfarbe auch Gegenstandsfarbe Objektfarbe bzw Oberflauml-chenfarbe genannt einer nicht selbstleuchtenden Flaumlche bezeichnet werden die durch Reflexion von Licht an einem Koumlrper entsteht

Die genannten Zusammenhaumlnge machen die mathematisch-physikalische Beschreibung von Farbe schwierig und aufwendig da auch die spe-zifischen Eigenarten der menschlichen Wahrneh-

mungskette nachgestellt werden muumlssen Diesem Umstand wird versucht uumlber die verschiedenen Farbmaszligsysteme Rechnung zu tragen welche die Farbe eines Objektes mithilfe von quantifizierba-ren Zahlenwerten kennzeichnen [3]

Generell koumlnnen farbige Flaumlchen je nach Tageszeit und Lichteinfall sehr unterschiedlich wirken Die Aumlnderungen basieren hierbei auf der unterschiedlichen spektralen Zusammenset-zung des Tageslichts und den winkelabhaumlngigen Glanz- und Struktureigenschaften von Oberflauml-chen Ganz besonders deutlich ist dies bei auf dem Interferenzeffekt basierenden Effektpigmenten der Fall Deren visuelles Erscheinungsbild im englischen mit Visual Appearance bezeichnet kann sich bei variierendem Beobachtungswinkel und unterschiedlichen Lichtverhaumlltnissen komplett veraumlndern Man spricht hierbei von sogenannten Flop-Lacken wobei man zwischen Hell-Dunkel-Flop und Farb-Flop unterscheiden kann [4]

Generell kann man sagen dass Farbe und visuelle Effekte einen entscheidenden Anteil am Verkaufserfolg eines Produktes haben denn Farben wecken Emotionen und verschiedene Neuro marketingstudien belegen dass ca 95 aller Kaufentscheidungen emotional gepraumlgt sind [5] Deshalb spielt eine moderne Farbgestaltung unter Nutzung aktueller Effektpigmente im Pro-duktdesign eine entscheidende Rolle denn durch den Einsatz solcher Pigmente kann Gegenstaumlnden eine houmlhere Attraktivitaumlt verliehen werden Daher findet man moderne Effektpigmente heutzutage in vielen teilweise sehr unterschiedlichen Indus-trieprodukten wie z B in Autolackierungen Haumluserfassaden Kosmetikartikeln oder sogar bei Pralineacutes wie dies in Bild 1 zu sehen ist

Pigmente

Als Pigmente aus dem Lateinischen kommend von pigmentum fuumlr bdquoFaumlrbestoff Schminkeldquo bezeichnet man aus Teilchen bestehende im Anwendungs-medium praktisch unloumlsliche Sub stanzen die als Farbmittel oder wegen anderer spezieller physika-lischer und chemischer Eigenschaften als funktio-nale Farbzentren verwendet werden [6]

Effektpigmente Eine Herausforderung fuumlr die optische Messtechnik

Egbert Buhr Alfred Schirmacher Andreas Houmlpe

Dr Egbert Buhr Fachbereich bdquoBildshy und Wellenoptikldquo EshyMail egbertbuhrptbde

Dr Alfred Schirmacher Arbeitsshygruppe bdquoReflexion und Transmissionldquo EshyMail alfredschirmacherptbde

Dr Andreas Houmlpe dagger ehemals Arbeitsgrupshype bdquoReflexion und Transmissionldquo

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PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4Das Jahr des Lichtes

In der Natur vorkommende anorganische Pig-mente sind schon seit praumlhistorischen Zeiten bekannt Schon die Menschen der Steinzeit benutzen mineralische Pigmente fuumlr die ersten Houmlhlenzeichnungen Sie erkannten dass sie mit unterschiedlichen Erdsorten farbig malen konnten Eisenoxidhaltige Erden liefern gelbrote bis braunrote Kalk und Gips weiszlige Mangan-oxide sowie Holz- und Knochenkohle schwarze Farbtoumlne

Aus heutiger industrieller Sicht ist ein Pigment ein fein aufgeteilter und unloumlslicher Feststoff mit der Hauptfunktion das Erscheinungsbild des verwendeten Mediums zu verbessern oder es zu faumlrben Pigmente werden dem Medium immer durch physikalisches Mischen beigegeben dies unterscheidet sie von Farbstoffen die in ihrem Medium loumlslich sind

Pigmente koumlnnen nach den optischen Prin-zipien ihrer Wechselwirkung mit Licht unter-schieden und in verschiedene Klassen eingeteilt werden Wichtige Pigmentklassen sind Weiszlig- Bunt- Schwarz- und Effektpigmente die alle wegen ihrer speziellen farbgebenden Eigenschaf-ten eingesetzt werden Bei den Effektpigmenten

kann in einer ersten vereinfachten Einteilung noch zwischen Metalleffekt- und den sogenannten speziellen Effektpigmenten unterschieden werden

Der Begriff bdquospezielle Effektpigmenteldquo umfasst die Gruppen der Perlglanzpigmente und der all-gemeinen Interferenzpigmente welche insbeson-dere bei aktuellen Pigmententwicklungen nicht scharf abgegrenzt werden koumlnnen Perlglanzpig-mente sind Effektpigmente die aus transparenten Plaumlttchen mit hohem Brechungsindex bestehen Sie erzeugen durch die spezielle Form der Mehr-fachreflexion des transmittierten Lichts an mehre-ren Pigmenten einen perlenaumlhnlichen Effekt bei dem die auftreffende Strahlung verteilt reflektiert wird wodurch der Eindruck einer mit der Tiefe abnehmenden diffusen Helligkeit entsteht Fuumlr das Auge ergibt sich so eine scheinbar dreidimen-sionale Glanzcharakteristik die aus der Tiefe des Objektes zu kommen scheint Interferenzpigmente dagegen sind Effektpigmente deren farbgebende Wirkung ganz oder vorwiegend auf dem Effekt der Vielstrahlinterferenz von Licht an duumlnnen hoch-brechenden Schichten beruht Interferenzpigmente koumlnnen dabei sowohl auf transparenten oder auch nichttransparenten Plaumlttchen basieren

Bild 1 a) Roadster mit ChromaFlairreg-Effektpigmentlackierung b) Verwaltungsgebaumlude in Braunschweig verkleidet mit Alucobondreg-spectra-colours-Verbundplatten c) Effektpigmente im Nagellack d) Pralineacute mit Effektpigmentuumlberzug

a

dc

bb

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Effektpigmente hellipPTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4

Die heute verwendeten Pigmente lassen sich somit grob in fuumlnf verschiedene Klassen einteilen

1) Weiszligpigmente Die Pigmente streuen das ge-samte auftreffende Licht nahezu verlustfrei in alle Richtungen durch diffuse ungerichtete Reflexion

2) Buntpigmente Die Pigmente streuen einen Teil des Lichtes diffus und absorbieren wellenlaumln-genselektiv einen anderen Teil des Lichtes

3) Schwarzpigmente Die Pigmente absorbieren alle Wellenlaumlngen des fuumlr das menschliche Auge sichtbaren Spektralbereiches

4) Metalleffektpigmente Die aus duumlnnen Metall-plaumlttchen vorwiegend Aluminium bestehen-den Metalleffektpigmente sind lichtundurch-laumlssig und reflektieren das gesamte auftreffende Licht durch spekulare gerichtete Reflexion Die Pigmentpartikel wirken dabei wie Mikrospie-gel und fuumlhren bei paralleler Ausrichtung im Anwendungsmedium zu einem spiegelnden Metallglanz dem Metallic-Effekt

5) Spezielle Effektpigmente Perlglanz- bzw Inter-ferenzpigmente deren optische Wirkung auf der Mehrfachreflexion an uumlberwiegend flaumlchig aus-gebildeten und ausgerichteten transparenten semitransparenten oder lichtundurchlaumlssigen Partikeln beruht

Weiszlig- Bunt- und auch Schwarzpigmente weisen typische Durchmesser im Bereich von 100 nm bis zu 1 microm auf Ihre Groumlszlige liegt damit zum Teil im Bereich der Wellenlaumlnge des sichtbaren Lichtes welches den Bereich von 380 nm bis 780 nm uumlberdeckt Einige Schwarzpigmente wie z B Ruszlig-pigmente liegen mit ihren Durchmessern jedoch auch zum Teil auch deutlich darunter Effektpig-mente besitzen dagegen Teilchendurchmesser die zumeist im Bereich von 5 microm bis 100 microm in einigen Faumlllen auch daruumlber liegen Sie sind damit bezuumlglich der mittleren Plaumlttchendurch-messer wesentlich groumlszliger als die Wellenlaumlnge des sichtbaren Lichtes Die Dicke der Plaumlttchen liegt von einigen Ausnahmen abgesehen unter 1 microm ebenso wie die Dicke der Interferenzschichten Demzufolge weisen Effektpigmente in der Regel ein hohes Aspektverhaumlltnis auf (Verhaumlltnis der lateralen Ausdehnung einer Struktur zu ihrer Houmlhe) welches bis zu 200 betragen kann

Interferenzpigmente ndash Wie die Farben entstehen

Die Farbe von Interferenzpigmenten haumlngt von der Schichtdicke der Metalloxidbeschichtung und dem Einstrahlungs- und Betrachtungswinkel ab Beide Parameter bestimmen die effektive optische Weg-

laumlngendifferenz fuumlr das einfallende weiszlige Licht zwischen oberer und unterer Grenzflaumlche und die somit auftretenden Interferenzfarben siehe Bild 3

Interferenzpigmente zeigen somit einen aus-gepraumlgten bdquoFarbflopldquo Die Winkelabhaumlngigkeit der Farbe wird hierbei auch als Goniochromasie bezeichnet Richtig bunt geht es zu wenn ein Interferenzpigment auf einen bereits bunten Untergrund aufgebracht wird Die Transparenz der Pigmente laumlsst die Untergrundfarbe durch-

Bild 2 Schematische Diagramme zum spektralen Verhalten verschiedener Pigmenttypen

Bild 3 Die Schichtdicke der Metalloxidbeschichtung und der kombinierte Einstrahlungs- und Betrachtungswinkel bestimmen die optische Weglaumlnge und somit die sich ergebenden Interferenzfarben in Reflexion und Transmission

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PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4Das Jahr des Lichtes

Bild 5 Die Effekte Spar-kling (1) und Coarseness (2) des Effektpigmentes Xirallicreg Crystal Silver in einer vergroumlszliger-ten Aufnahme auf weiszligem (links) und schwarzem Hinter-grund (rechts)

scheinen im Glanzwinkel wird sie aber von der Interferenzfarbe uumlberstrahlt wie dies in Bild 4 zu sehen ist

Der Effekt eines Helligkeitsunterschiedes unter verschiedenen Betrachtungswinkeln wird als Helligkeitsflop bezeichnet und ist an sich nichts Neues Sind jedoch die einzelnen Pigmentteilchen

aufgrund ihrer planaren Reflexionsoberflaumlchen in gerichteter Beleuchtung direkt beobachtbar was fuumlr mittlere Teilchengroumlszligen von 30 microm und groumlszliger der Fall ist so ergibt dies einen Effekt welcher mit dem Begriff Sparkle (Glitzern Funkeln) bezeichnet wird (Bild 5) Aumlndert sich die Beleuchtung von einer gerichteten Einstrahlung wie es an einem wolkenlosen sonnigen Sommertag der Fall ist hin zu einer diffusen ungerichteten Einstrahlung wie an einem stark bewoumllkten Herbsttag so verschwin-det das Sparkling der Pigmente und verwandelt sich in eine Koumlrnigkeit der Oberflaumlche Dieses optische Phaumlnomen wird als Coarseness (Bild-koumlrnigkeit) bezeichnet und ist unabhaumlngig vom Betrachtungswinkel (Bild 5)

Als neuer Archetypus des Sparkle-Begriffes haben sich in den letzten Jahren die Xirallicreg Pig-mente (High Chroma Chrystal Effect Pigments) der Firma Merck KGaA entwickelt Durch die Beschich-tung von Aluminiumoxidplaumlttchen mit hochbre-chenden Metalloxiden und einer optimierten Dicke und Ebenheit aller am Pigment beteiligten Schich-ten entstehen auszligergewoumlhnlich stark reflektierende Effektpigmente die einen besonders intensiven Sparkle-Effekt aufweisen Man spricht hierbei auch von sogenanntem Living Sparkle welcher sich in einem scheinbaren bdquoTanzenldquo der leuchtenden Punkte in der Probenoberflaumlche bei Veraumlnderung der Beobachtungsgeometrie aumluszligert [7 8]

Generell gilt dass die Farbe von Objekten mit Effektlackierung nicht mehr wie jahrzehntelang uumlblich und ausreichend mit konventionellen Farb-messgeraumlten mit nur einer festen Messgeometrie wie z B in der 45deg 0deg Geometrie (Einstrahlung unter 45deg Reflexionsmessung unter 0deg) bestimmt werden kann Dieser Umstand wird sehr gut durch die Grafik in Bild 6 illustriert Dargestellt sind die winkelabhaumlngig gemessenen Farbkoordinaten von drei verschiedenen keramischen Farbstandards der Farben rot gruumln und blau sowie eines mit dem Effektpigment Viola Fantasy der Firma Merck lackierten Blechs Der Einfallswinkel des Lichts auf die Proben betrug hierbei immer 45deg zur Oberflauml-chennormalen Das von den Proben reflektierte Licht wurde an 26 Positionen in einem 5deg Raster in planaren die Oberflaumlchennormale enthalten-den Messgeometrien im Winkelbereich von ndash70deg bis +70deg aufgenommen Bei den aus absorptiven Pigmenten bestehenden Keramiken zeigt sich eine nur sehr geringe Winkelabhaumlngigkeit der Farbe welche groumlszligtenteils auf unterschiedlicher winkelabhaumlngiger Helligkeit d h den Glanzeigen-schaften der Oberflaumlche beruht Das Effektpigment dagegen zeigt einen extremen winkelabhaumlngigen Farb-Flop (Goniochromasie) welcher einen Farbverlauf von Gruumln uumlber Rot-Gelb hin ins Blau-Violett bietet

Aber auch die neuen Lackfarben aus der Gruppe der Effektlackierungen muumlssen messtechnisch

Bild 4 Merck-Xirallicreg-Solaris-Red-Effektpigmente appliziert auf einem mit Standard-Ab-sorptionspigmenten hellblau lackierten Metallblech In Rich-tung des Glanzwin-kels auf der rechten Seite zeigt sich der langsame Aufbau der winkelabhaumlngigen Interferenzfarbe

1

Bild 6 CIELab Farbkoordinaten einer winkelabhaumlngigen Reflexionsmessung an vier verschiedenen Proben drei Keramiken der Farben rot gruumln blau und eine Effektpigmentlackierung mit Merck Colorstreamreg Viola Fantasy Das untergelegte Farbschema zeigt naumlherungsweise die den Koordinaten entsprechende Farbe

2

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Effektpigmente hellipPTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4

Abbildungsoptik Messungen der ortsaufgeloumlsten Leuchtdichte auf einer Laumlngenskala bis hinab zu 28 microm auf der zu untersuchenden Probe siehe Bild 8

Mit der Zeilenkamera sind Messungen von kompletten Reflexionsspektren im sichtbaren Spektralbereich zwischen 380 nm und 780 nm dem sogenannten V(λ)-Bereich auf einer Zeit-skala von 2 Minuten moumlglich Hieraus lassen sich dann Farbkoordinaten der untersuchten Proben in den unterschiedlichsten Farbraumsystemen berechnen Eine absolute Messung in 114 Win-kelkombinationen (siehe Bild 9) im Polarwinkel-

erfasst und ruumlckgefuumlhrt werden um eine gleich-bleibende Qualitaumlt in der Produktion gewaumlhrleis-ten zu koumlnnen Gerade diese vielfaumlltigen zusaumltz-lichen Eigenschaften stellen die Farbmesstechnik vor neue Herausforderungen

Farbmessung

Bisherige kommerzielle Farbmessgeraumlte charakte-risieren Probenoberflaumlchen fast ausschlieszliglich in den eben schon erwaumlhnten sogenannten in-plane Reflexionsgeometrien Dabei liegen die Richtun-gen des eingestrahlten und des reflektierten Lichts sowie die Oberflaumlchennormale der Probe in einer Ebene Diese Einschraumlnkung entspricht jedoch in keiner Weise der taumlglichen Realitaumlt bei der Oberflaumlchen aus beliebigen Richtungen beleuchtet und betrachtet werden Seitens der Messgeraumlteher-steller und Anwender gibt es daher einen Trend zur erweiterten Charakterisierung bezuumlglich zusaumltzlicher Winkelkombinationen im dreidimen-sionalen Raum Spitzenreiter dieser Entwicklung am Markt ist derzeit ein tragbares Mehrwinkel-Spektralphotometer mit insgesamt 19 verschie-denen Reflexionsgeometrien [9] Hiermit scheint aber auch das Ende dieser Entwicklung im Bereich der portablen handgefuumlhrten Geraumlte erreicht Der Wunsch der Anwender geht aktuell wieder zuruumlck zu einer geringeren Anzahl von Winkelkombi-nationen denn es ist unklar wie man aus dem Mehr an winkelaufgeloumlsten Reflexionsdaten die fuumlr die Charakterisierung der Farbeigenschaften relevanten Informationen gewinnen kann Daher stellt sich die Frage welches sind bdquoguteldquo d h an die Messaufgabe adaptierte optimal geeignete Messgeometrien

Um diese Frage zu beantworten betreibt die AG 424 bdquoReflexion und Transmissionldquo der PTB zwei roboterbasierte Gonioreflektometer die eine winkelaufgeloumlste Reflexionsmessung in beliebi-gen bidirektionalen Geometrien ermoumlglichen [10ndash12] Diese beiden Apparaturen sind in Bild 7 dargestellt

Das Standard-Gonioreflektometer ist hierbei das nationale Normal fuumlr die Messgroumlszlige spektraler Strahldichtefaktor in gerichteten Geometrien Es dient der Realisierung Bewahrung und Weiter-gabe der gerichteten Reflexionsskale in Form von Kalibrierungen Die zweite Apparatur bezeich-net mit dem Acronym ARGon3 (3D Appearance Robot-based Gonioreflectometer) ist ein flexibles Forschungsgeraumlt mit dem experimentelle Unter-suchungen u a im Rahmen des EMRP-Projektes Multidimensional Reflectometry for Industry der EU [13] durchgefuumlhrt werden Im Ver gleich zum Standard-Gonioreflektometer ist dieses Geraumlt mit einer photometrischen Leuchtdichteka-mera und einer Zeilenkamera ausgeruumlstet Die Leuchtdichtekamera erlaubt mit einer speziellen

Bild 7 Die beiden roboter-basierten Gonio-reflektometer der PTB oben Standard-Gonioreflektometer fuumlr Kundenkalibrie-rungen unten ARGon3-Messplatz fuumlr Forschungsanwen-dungen

Bild 8 Visualisierung desSparkling-Effektesvon Xironareg-Volcanic-Sparks-Pigmenten als Falschfarben-darstellung der ortsaufgeloumlsten LeuchtdichteDie bdquoNadelnldquo zeigendie Position derPigmente an

Bild 9 Beispielgeometrien zur Messung der winkelabhaumlngigen Reflexionseigen-schaften Realisiert wurden 4 Einstrah-lungsrichtungen (rote Pfeile) mit jeweils 114 Reflexionswinkeln (schwarze Punkte) im Bereich der Viertel-kugel oberhalb der Probenoberflaumlche

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PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4Das Jahr des Lichtes

bereich 0deg bis 70deg gleichmaumlszligig verteilt uumlber den Viertelraum oberhalb der Probe dauert hierbei ca 4 Stunden [14] Die so erhaltenen Daten bilden die Basis fuumlr kuumlnftige Verbesserungen in der Mess-technik fuumlr Anwender und Hersteller

Im Rahmen des EMRP-Projektes Multidimen-sional Reflectometry for Industry [13] sind damit die winkelabhaumlngigen Reflexionsspektren von insgesamt 66 verschiedenen Effektpigmentproben gemessen worden [15 16] Bei den vier verschie-denen Einstrahlungsrichtungen verbunden mit jeweils 114 Reflexionswinkeln im Bereich der Vier-telkugel oberhalb der Probenoberflaumlche ergeben sich somit uumlber 30000 Reflexionsspektren

Zielsetzung der Untersuchungen ist die Ver-besserung der Metrologie zur Materialcharak-terisierung mit reduzierter Messunsicherheit Dazu werden neue Messvorschriften und neue Standardmessartefakte entwickelt mit denen die Industrie die visuelle Wahrnehmung der von ihr produzierten Oberflaumlchen gezielt charakterisie-ren und kontrollieren kann Solche Messungen sollten einfach auszufuumlhren sein und die Ergeb-nisse muumlssen soweit wie moumlglich mit der visuellen menschlichen Wahrnehmung korrelieren Im europaumlischen und internationalen Rahmen sollen die Ergebnisse in die Normung einflieszligen um die allgemeine Vergleichbarkeit solcher Messungen zu gewaumlhrleisten

Literatur

[1] CS Henshilwood et al A 100000-Year-OldOchre-Processing Workshop at Blombos CaveSouth Africa Science Vol 334 No 6053 219ndash2222011

[2] Mark D Fairchild Color Appearance Models2nd Ed John Wiley amp Sons Ltd 2005

[3] Colorimetry Understanding the CIE Systemed by J Schanda Wiley-Interscience NJ 2007

[4] WR Cramer Der richtige Blickwinkel Farbe amp Lack 092006 26ndash30 2006

[5] G Zaltman How Customers Think EssentialInsights into the Mind of the Market HarvardBusiness Review Press 2003

[6] DIN ISO 18451-12015-11 Pigmente Farbstof-fe und Fuumlllstoffe ndash Begriffe ndash Teil 1 AllgemeineBegriffe

[7] WR Cramer Ohne Glimmer aber mit GlanzFarbe amp Lack 042003 132ndash136 2003

[8] WR Cramer Es glitzert wie am SternenhimmelFahrzeug + Karosserie 0412 20ndash22 2012

[9] E Kirchner W Cramer Making sense of measure-ment geometries for multi-angle spectrophotome-ters Color Res Appl Vol 37 No3 186ndash198 2012

[10] D Huumlnerhoff U Grusemann A Houmlpe Newrobot-based gonioreflectometer for measuringspectral diffuse reflection Metrologia 43 S11ndashS162006

[11] A Houmlpe D Huumlnerhoff K-O Hauer Robot-basedgonioreflectometer Industrial Robotics Program-ming Simulation and Applications Low Kin-Huat Ed Pro Literatur-Verlag Mammendorf623ndash632 2007

[12] A Houmlpe T Atamas D Huumlnerhoff S TeichertK-O Hauer ARGon3 ndash bdquo3D Appearance Robot-based Gonioreflectometerrdquo at PTB Rev SciInstrum 83(4) 045102-1ndash045102-8 2012

[13] European Metrology Research Program ProjectIND52 bdquoxD-Reflectldquo Multidimensional Reflecto-metry for Industry wwwxdreflecteu(letzter Aufruf 03122015)

[14] T Atamas K-O Hauer A Houmlpe Appearancemeasurements of goniochromatic colours Predic-ting Perceptions Proceedings of the 3rd Internati-onal Conference on Appearance 149ndash154 2012

[15] A Houmlpe A Koo FM Verdu FB LeloupG Obein et al bdquoMultidimensional reflectometryfor industryrdquo (xD-Reflect) an European researchproject Proc SPIE 9018 Measuring Modelingand Reproducing Material AppearanceSPIE-ISampT Vol 9018 901804-1ndash901804-11 2014

[16] A Houmlpe K-O Hauer S Teichert D HuumlnerhoffC Strothkaumlmper Goniochromatic and Sparkleproperties of effect pigmented samples in mul-tidimensional configuration Proc SPIE 9398Measuring Modeling and Reproducing MaterialAppearance 2015 SPIE Proc Vol 9398 Appea-rance 93980O-1ndash7 2015

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Die 50 Sitzung des Internationalen Komitees fuumlr das gesetzliche Messwesen (CIML) fand vom 20 bis 22 Oktober 2015 in Arcachon Frankreich statt Im Vorfeld der CIML-Sitzung fand ein ein-taumlgiges OIML-Seminar uumlber Countries and Econo-mies with Emerging Metrology Systems (CEEMS) statt uumlber das weiter unten berichtet wird

Das CIML ist der Lenkungsausschuss der OIML Es trifft sich jaumlhrlich und besteht aus je einem Repraumlsentanten der Mitgliedstaaten der korrespondierenden Mitglieder und den Vertre-tern internationaler und regionaler Organisa-tionen die als Beobachter teilnehmen koumlnnen Das CIML ist zustaumlndig fuumlr die Vorbereitung und Durchfuumlhrung der Entscheidungen der Konfe-renz die alle vier Jahre stattfindet Es uumlberwacht die Arbeiten der Technischen Komitees und Unterkomitees und des Internationalen Buumlros fuumlr das gesetzliche Messwesen (BIML) in Paris

An der 50 CIML-Sitzung nahmen 144 Teilneh-mer aus 43 Mitgliedstaaten und 13 korrespondie-renden Mitgliedstaaten teil Zur deutschen Dele-gation gehoumlrten neben den o g Autoren auch die Herren Johann Fischer Direktor des Landesamts fuumlr Mess- und Eichwesen Berlin-Brandenburg sowie Prof Olaf Kuumlhn Direktor des Thuumlringer Landesamts fuumlr Verbraucherschutz als Vertreter der Bundeslaumlnder Dr Peter Ulbig Leiter der Abteilung Wissenschaftlich-technische Quer-schnittsaufgaben der PTB und Prof Manfred Kochsiek Vizepraumlsident a D der PTB ehema-liger CIML-Praumlsident und Ehrenmitglied der OIML Frau Dr Anna Cypionka persoumlnliche Referentin des Praumlsidenten der PTB nahm am OIML-Seminar fuumlr CEEMS teil Vertreten waren auch wieder internationale und regionale Orga-nisationen zu denen die OIML Verbindungen unterhaumllt wie das Internationale Buumlro fuumlr Maszlig und Gewicht (BIPM) die GSO-GCC Standardiza-tion Organization (Saudi-Arabien) die Internatio-nal Laboratory Accreditation Cooperation (ILAC) und der Europaumlische Verband der Waagenherstel-ler (CECIP)

Alle Beschluumlsse der 50 CIML-Sitzung koumlnnen auf den Internetseiten der OIML aufgerufen werden [1 2]

Die wichtigsten Entscheidungen und Entwick-lungen werden nachfolgend vorgestellt

1 Personalangelegenheiten

Der Vertrag von Willem Kool als Assistant Director wurde um vier Jahre der Vertrag des BIML-Direk-tors Stephen Patoray um drei Jahre verlaumlngert

2 Einfuumlhrung des PG Workspace im Internet

In seinem Bericht im Zusammenhang mit der Etablierung des neuen Webauftritts der OIML hob der CIML-Praumlsident Peter Mason (UK) die erfolgreiche Einfuumlhrung des Workspace fuumlr Pro-jektgruppen hervor Durch die Online-Arbeit wird erwartet dass die technische Arbeit an neuen bzw zu revidierenden OIML-Dokumenten vereinfacht und insgesamt effizienter wird

3 Revision der technische Richtlinien fuumlr die OIML (B 6 Directives for OIML tech-nical work)

In einem neuen Projekt sollen die in den vergan-genen Jahren revidierten OIML-Richtlinien fuumlr die technische Arbeit erneut uumlberarbeitet werden um u a den Prozess der Entwicklung und Uumlber-arbeitung von OIML-Publikationen noch weiter zu beschleunigen und den neuen internetbasierten Technologien und Arbeitsweisen Rechnung zu tragen

4 Umfassende strukturelle Uumlberarbeitung des OIML Certificate System

Das CIML verabschiedete die Gruumlndung einer Projektgruppe mit der Aufgabe einer substan-ziellen Uumlberarbeitung des OIML-Zertifizierungs-systems das z Zt aus dem Basiszertifizierungs-system und dem MAA3 besteht Urspruumlnglich ausgehend von der Annahme die Akzeptanz des MAA-Zertifizierungssystem muumlsse verstaumlrkt werden eine groumlszligere Verbreitung finden und mehr Messgeraumltearten abdecken erscheint es

Aktuelles aus der OIML (Internationale Organisation fuumlr das Gesetzliche Messwesen)Bericht uumlber die 50 Sitzung des CIML in Arcachon FrankreichSusanne Ludwig Roman Schwartz

INTERNATIONALE ZUSAMMENARBEIT

Susanne Ludwig OIMLshyGeschaumlftsstelle der PTB EshyMail susanneludwigptbde

Dir u Prof Dr Roman Schwartz Vizepraumlsident der PTB deutsches Mitglied im Internashytionalen Komitee fuumlr das Gesetzliche Messwesen (CIML) und CIMLshyVizepraumlsishydent EshyMail romanschwartzptbde

3 Mutual Acceptance Arrangement (Abshykommen zur gegenshyseitigen Anerkennung von Bauartpruumlfungen)

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PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4Internationale Zusammenarbeit

inzwischen sinnvoller und wurde so auch vom CIML beschlossen zum 112017 ein einziges OIML-Zertifizierungssystem einzufuumlhren Eine Projektgruppe (Certification System Project Group = CSPG) unter dem Vorsitz des CIML-Vizepraumlsi-denten Dr Roman Schwartz wurde damit beauf-tragt die notwendigen Dokumente und Prozedu-ren auszuarbeiten

5 OIML-Seminar fuumlr Countries and Economies with Emerging Metrology Systems (CEEMS)

Im Vorfeld der CIML-Sitzung wurde ein eintaumlgiges Seminar zum Thema Developing an OIML Package for Assistance to Countries with Emerging Metro-logy Systems (CEEMS) abgehalten In vier Sitzun-gen diskutierten 125 Teilnehmer aus 49 Laumlndern uumlber Moumlglichkeiten Laumlnder beim Aufbau von nationalen Metrologiesystemen zu unterstuumltzen In der ersten von Frau Dr Cypionka geleiteten Sitzung Capacity Building ging es um die allge-meinen Herausforderungen bei der Gestaltung von Programmen zur Foumlrderung von Handlungs-kompetenzen und Vermittlung von Wissen fuumlr die Metrologie In zwei weiteren Sitzungen wurden unter den Themen Helping CEEMS Improve Regulation in their Markets (Leitung Prof Dr Manfred Kochsiek) und New Ideas ndash Doing Legal Metrology Differently (Leitung Stuart Carstens

Suumldafrika) konkrete inhaltliche Loumlsungsvorschlaumlge vorgestellt und diskutiert Die Ergebnisse wurden in der 50 CIML-Sitzung vorgestellt und fanden ihren Niederschlag in der Resolution Nr 201510 [2] sie sollen auch noch auf den OIML-Webseiten veroumlffentlicht werden [1]

6 OIML-Publikationen

Folgende OIML-Publikationen wurden verabschiedet

R 139-3 Compressed gaseous fuels measuring systems for vehicles Part 3 Test report format

New Recommendation (R 145) Ophthalmic instru-ments mdash Impression and applanation tonometers

Alle OIML-Publikationen stehen im Internet frei zur Verfuumlgung [3]

Gleichzeitig wurde die Revision der folgenden OIML-Publikation beschlossen

Revision of R 79 Labeling requirements for prepackages

Folgende neue Projekte wurden verabschiedet

Revision des OIML-Dokuments B 6-1 Directives for OIML technical work

Bild 1 Teilnehmer der 50 Sitzung des Internationalen Komitees fuumlr Gesetz-liches Messwesen (CIML) in Arcachon Frankreich

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PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4 Aktuelles aus der OIML

TC 8SC 1 Revision R 71 Fixed storage tanks mdash General requirements

TC 8SC 1 Revision R 85 Automatic level gauges for measuring the level of liquid in stationary storage tanks

7 Personalien und Ehrungen

Die von Dr Seiler dem ehemaligen Leiter des Fachbereichs bdquoTechnische Zusammenarbeitldquo der PTB initiierte OIML-Auszeichnung fuumlr bdquoexzel-lente Beitraumlge von Entwicklungslaumlndern zum gesetzlichen Messwesenldquo ging in diesem Jahr an

bull Nam Hyuk Lim Director of Korea Testing Certi-fication und

bull The Metrology Department Saint Lucia Bureau of Standards

Die OIML-Medaille fuumlr besondere Verdienste um die OIML-Arbeit ging an Ngo Quy Viet Vietnam und Cartaxo Reis aus Portugal

8 Termine

Ein Gastgeberland fuumlr die 51 CIML-Sitzung und 15 OIML-Konferenz im Jahr 2016 konnte noch nicht bekannt gegeben werden es wird aber wahr-scheinlich wieder Frankreich sein Weitere OIML-Veranstaltungen und -Termine finden sich auf der OIML-Webseite unter [4]

9 Literatur

[1] httpswwwoimlorgen (letzter Aufruf 19112015)

[2] httpswwwoimlorgenstructurecimlpdf50-ciml-resolutions-englishpdf (letzter Aufruf 19112015)

[3] httpswwwoimlorgenpublicationsrecommen-dationspublication_viewp_type=1ampp_status=1

[4] (letzter Aufruf 19112015)[5] httpswwwoimlorgeneventscalendar

(letzter Aufruf 19112015)

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TECHNOLOGIETRANSFER

E27-Scanner fuumlr UlbrichtkugelnMit dem besonders einfach ohne Umbau einsetzbaren E27-Scanner koumlnnen Anwender und Hersteller die Homogenitaumlt ihrer Ulbricht-kugeln bestimmen und die Ergebnisse zur Berechnung genauerer Lichtstroumlme und zur Dokumentation der Qualitaumlt ihrer Messungen nutzen

Hintergrund

Wie viel Licht eine Lampe insgesamt in alle Richtungen abstrahlt wird durch ihren Lichtstrom ausgedruumlckt Um den fuumlr die Bestimmung der Energieeffizienz von Lampen notwendigen Lichtstrom schnell zu er mitteln setzt die Lampenindustrie Ulbrichtkugeln ein An einer Stange in der Mitte der Ulbrichtkugel befindet sich eine E27-Lampen-fassung in die nacheinander die Lichtstrom-Normallampe und die zu kalibrierende Lampe eingeschraubt werden Das indirekt auf den Mess-kopf fallende Licht erzeugt einen Photostrom der im Idealfall propor-tional zu dem von der Lampe abgestrahlten Lichtstrom ist unabhaumlngig von der Richtung in die das Licht abgestrahlt wird

Dies ist jedoch bei einer ungleichmaumlszligigen Beschichtung der Kugel sowie bei einer im Laufe der Zeit nicht zu verhindernden Verstaubung nicht der Fall Deshalb wird mit einem Kugelscanner die Homogenitaumlt der Kugel regelmaumlszligig vermessen und ein Korrekturfaktor bestimmt der von der jeweiligen Abstrahlcharakteristik der zu untersuchenden Lampe abhaumlngt

Technische Beschreibung

Der Kugelscanner wird einfach in eine E27-Fassung geschraubt und das sonst fuumlr die Lampenversorgung eingesetzte Netzgeraumlt wird durch die Steuereinheit ersetzt Diese uumlbernimmt sowohl die elektrische Versor-gung als auch die Befehlsuumlbermittlung zum Kugelscanner Die Steuer-einheit wird via USB oder RS232 an einen Computer angeschlossen Das mitgelieferte Messprogramm stellt automatisiert alle gewuumlnschten Richtungen ein und speichert die zugehoumlrigen von der Steuereinheit gemessenen Photostroumlme des Photometers

Wirtschaftliche Bedeutungw

Fuumlr Lampenindustrie und Hersteller von Ulbrichtkugeln

bull Genauere Messung des Lichtstroms

bull Bestimmung des Zeitpunkts einer Neubeschichtung

bull Uumlberwachung beim Beschichten

bull Dokumentation des Zustands der Ulbrichtkugel

EntwicklungsstandDer E27-Kugelscanner wurde in der PTB entwickelt Er wird laufend fuumlr Kalibrierungen eingesetzt Die Technologie wurde an die Firma Czibula amp Grundmann transferiert und wird dort mit einer PTB-Lizenz gebaut und vertrieben wwwphoto-metercom

Ansprechpartner

Dr Bernhard SmandekBeauftragter fuumlr TechnologietransferTelefon +49 531 592shy8303Telefax +49 531 592shy69shy8303EshyMail technologietransferptbde

Dr Stefan WinterFachbereich Photometrie und Radiometrie

Abbildung des E27shyKugelscanners Eine stark fokussierende Lampe die computergesteuert in alle Richtungen leuchten kann

Vorteile

bull Schneller Einbau in E27shyFassung

bull Computergesteuertes Abscannen der gesamten Ulbrichtkugel

bull Flexible Messmoumlglichkeiten

bull Fuumlr genauere Lichtstromshymessungen

bull Wichtig fuumlr die Qualitaumltsshysicherung

PTBshyNummer 0172

wwwtechnologietransferptbde

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PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4 Technologieangebote

Ansprechpartner

Dr Bernhard SmandekBeauftragter fuumlr TechnologietransferTelefon +49 531 592shy8303Telefax +49 531 592shy69shy8303EshyMail technologietransferptbde

Dr Stefan WinterArbeitsgruppe Solarzellen

PulsshyzushyCWshyKonverter

Umwandlung gepulster Laser-Strahlung in konstante StrahlungIn weiten Bereichen der optischen Metrologie ist eine Strahlungs-quelle von groszligem Nutzen die sich spektral vom UV-C bis ins mitt-lere IR durchstimmen laumlsst Lediglich Laser mit gepulster Strahlung erfuumlllen diese Anforderung bei ausreichend groszligem Ausgangssignal bisher luumlckenlos Femtosekunden-Lasersysteme waumlren aufgrund ihrer gut automatisierbaren und spektral weiten Durchstimmbarkeit die ideale Strahlungsquelle fuumlr z B radiometrische Anwendungen ndash wenn ihre Strahlung nicht gepulst waumlre

Durch das extreme Puls-Pausen-Verhaumlltnis von 10ndash5 entstehen hohe Spitzenleistungen die wiederum zu Saumlttigungseffekten bei Detek-toren und in der Folge zu nichtlinearem Verhalten fuumlhren koumlnnen Mit dem in der PTB entwickelten Puls-zu-CW-Konverter wird dieses Problem geloumlst

Technische Beschreibung

Bei dieser Methode werden Pulse gepulster Strahlungsquellen ausrei-chend hoher Repetitionsrate in CW-Strahlung umgewandelt Dabei wird jeder Puls in viele kleine Teilpulse aufgeteilt die auf unterschiedlich langen Wegstrecken unterschiedliche Laufzeiten erfahren Am Ausgang des Systems erscheinen sie dann zeitlich gleichmaumlszligig verteilt Realisiert wird dieser Puls-zu-CW-Konverter uumlber ein Glasfaserbuumlndel bei dem jede Einzelglasfaser eine individuell festgelegte Laumlnge besitzt

Mit der Entwicklung des Puls-zu-CW-Konverters wurde das ent-scheidende Manko beim Einsatz leistungsstarker Femtosekunden(fs)-Lasersysteme im Bereich der Metrologie beseitigt und erstmalig gepulste Laserstrahlung in CW-Strahlung umgewandelt Diese Neuentwicklung ermoumlglicht es nun herkoumlmmliche Monochromatorsysteme durch fs-Lasersysteme zu ersetzen die eine bis zu 1000-mal houmlhere spektrale Ausgangsleistung besitzen

Wirtschaftliche Bedeutung

Durch den neuen Puls-zu-CW-Converter koumlnnen in wirtschaftlich bedeutenden Bereichen wie z B der Photovoltaik der Photometrie der UV-Strahlungsmesstechnik und der Reflektometrie die Referenz- und Transfernormale mit einer deutlich reduzierten Messunsicherheit kali-briert werden Hier werden bislang wesentliche Messunsicherheitsan-teile durch zu geringe Strahlungsleistungen aus herkoumlmmlichen Mono-chromatorsystemen verursacht

Entwicklungsstand

Unter DE 10 2010 011 615 B4 wurde fuumlr den CW-Konverter ein Patent erteilt

Vorteile

bull Zeitliche Glaumlttung gepulster Laserstrahlung

bull Keine stoumlrenden Interferenzen

bull Nur minimale Absorption des Messsignals

bull Auch bei kuumlrzeren Wellenshylaumlngen ohne Ulbrichtkugel verwendbar

bull Kontinuierliche Verteilung des Ausgangspulses

bull Pulsvervielfachung

bull Houmlhere Strahlungsleistung

PTBshyNummer 0254

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PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4Technologieangebote

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Homogenisierung von Strahlungsquellen und Focal Plane Arrays (FPA)Ein neuartiges Verfahren ermoumlglicht softwaregestuumltzt eine deutlich verbesserte Kalibrierung von Mehrelement-Sensoren (FPA) und bildgebenden Systemen (Kameras) Bei flaumlchigen Strahlungsquellen kann zusaumltzlich eine gezielte Ansteuerung von Flaumlchenelementen zu einer bisher im Allgemeinen nicht erreichbaren Flaumlchenhomogenitaumlt fuumlhren

Technische Beschreibung

Flaumlchenstrahler dienen der Kalibrierung von ortsaufloumlsenden Strah-lungssensoren wobei davon ausgegangen wird dass die Emissionsflaumlche des Strahlers im Wesentlichen homogen bezuumlglich ihrer Strahldichte bzw Strahlungstemperatur ist Um kleine Inhomogenitaumlten eines Flaumlchenstrahlers zu charakterisieren ist es ein gaumlngiges Verfahren die Emissionsflaumlche punktweise mit einem Einzeldetektor abzutasten

Das neue PTB-Verfahren ist wesentlich schneller da es den Mehr-element-Sensor (FPA) das device-under-test selbst nutzt und damit immer ein Gesamtbild der Quelle aufnimmt Werden jetzt weitere Bilder zeilen- oder spaltenversetzt aufgenommen so erlaubt ein mathema-tischer Algorithmus bei nur drei Bildern eine komplette Charakterisie-rung des Sensors aber auch der Quelle

Sind Flaumlchenelemente der Strahlungsquelle einzeln ansteuerbar so ist es sogar moumlglich mittels der ermittelten Korrekturwerte zu Strahlquellen extrem hoher Homogenitaumlt im on-line-Betrieb zu gelangen

Wirtschaftliche Bedeutung

Bildgebende Strahlungssensoren und homogene Strahlungsquellen sind relevant fuumlr die Forschung und Entwicklung fuumlr die Prozesstechnik fuumlr die Charakterisierung der Energieeffizienz von Bauten bei der Ent-wicklung neuer Bauteile mit hoher thermischer Belastung und in vielen weiteren Bereichen Der mathematische Algorithmus ist aber auf unter-schiedliche Arten von Kamerasystemen anwendbar und damit auch fuumlr die Qualitaumltssicherung von CCD-Kameras bis hin zum Konsumguuml-termarkt anwendbar EntwicklungsstandEine deutsche Patenterteilung erfolgte im September 2015 Eine PCT-Anmeldung ist anhaumlngig Kooperations- und Lizenzpartner aus den Bereichen Thermografie Radiometrie und Photometrie zur Umsetzung des Konzeptes werden gesucht

Ansprechpartner

Dr Bernhard SmandekBeauftragter fuumlr TechnologietransferTelefon +49 531 592shy8303Telefax +49 531 592shy69shy8303EshyMail technologietransferptbde

DiplshyIng Berndt GutschwagerArbeitsgruppeInfrarotshyStrahlungsthermometrie

Stahlungsmessplatz der PTB zur Kalibrierung von Temperaturstrahlern und Waumlrmebildkashymeras

Vorteile

bull Schnelle Kalibrierung von Flaumlchensensoren (FPA)

bull Schnelle Kalibrierung von Flaumlchenstrahlern

bull Strahlquellen houmlchster Hoshymogenitaumlt

bull Fuumlr Thermografie und Phoshytometrie

PTBshyNummer 00374

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Verlag Fachverlag NW in der Carl Schuumlnemann Verlag GmbHZweite Schlachtpforte 728195 Bremen Internet wwwschuenemannde E-Mail infoschuenemann-verlagde

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Erscheinungsweise und Bezugspreise Die PTB-Mitteilungen erscheinen viermal jaumlhrlich Das Jahresabonnement kostet 3900 Euro das Einzelheft 1200 Euro jeweils zzgl Versandkosten Bezug uumlber den Buchhandel oder den Verlag Abbestellungen muumlssen spaumltestens drei Monate vor Ende eines Kalenderjahres schriftlich beim Verlag erfolgen

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Printed in Germany ISSN 0030-834X

Die fachlichen Aufsaumltze aus dieser Ausgabe der PTB-Mitteilungen sind auch online verfuumlgbar unterdoi 10779531020150499

Die Physikalisch-Technische Bundesanstalt das nationale Metrologieinstitut ist eine wissenschaftlich-technische Bundesoberbehoumlrde im Geschaumlftsbereich des Bundesministeriums fuumlr Wirtschaft und Energie

mitteilungen

Impressum

Die PTB-Mitteilungen sind metrologisches Fachjournal der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt Braunschweig und Berlin Als Fachjournal veroumlffentlichen die PTB- Mitteilungen wissenschaftliche Fachaufsaumltze zu metrologischen Themen aus den Arbeitsgebieten der PTB Die PTB-Mitteilungen stehen in einer langen Tradition die bis zu den Anfaumlngen der Physikalisch-Technischen Reichsanstalt (gegruumlndet 1887) zuruumlckreicht

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Physikalisch-Technische BundesanstaltBraunschweig und BerlinNationales Metrologieinstitut

Die Physikalisch-Technische Bundesanstalt das nationale Metrologieinstitut ist eine wissenschaftlich-technische Bundesoberbehoumlrde im Geschaumlftsbereich des Bundesministeriums fuumlr Wirtschaft und Energie

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PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4Das Jahr des Lichtes

In der Natur vorkommende anorganische Pig-mente sind schon seit praumlhistorischen Zeiten bekannt Schon die Menschen der Steinzeit benutzen mineralische Pigmente fuumlr die ersten Houmlhlenzeichnungen Sie erkannten dass sie mit unterschiedlichen Erdsorten farbig malen konnten Eisenoxidhaltige Erden liefern gelbrote bis braunrote Kalk und Gips weiszlige Mangan-oxide sowie Holz- und Knochenkohle schwarze Farbtoumlne

Aus heutiger industrieller Sicht ist ein Pigment ein fein aufgeteilter und unloumlslicher Feststoff mit der Hauptfunktion das Erscheinungsbild des verwendeten Mediums zu verbessern oder es zu faumlrben Pigmente werden dem Medium immer durch physikalisches Mischen beigegeben dies unterscheidet sie von Farbstoffen die in ihrem Medium loumlslich sind

Pigmente koumlnnen nach den optischen Prin-zipien ihrer Wechselwirkung mit Licht unter-schieden und in verschiedene Klassen eingeteilt werden Wichtige Pigmentklassen sind Weiszlig- Bunt- Schwarz- und Effektpigmente die alle wegen ihrer speziellen farbgebenden Eigenschaf-ten eingesetzt werden Bei den Effektpigmenten

kann in einer ersten vereinfachten Einteilung noch zwischen Metalleffekt- und den sogenannten speziellen Effektpigmenten unterschieden werden

Der Begriff bdquospezielle Effektpigmenteldquo umfasst die Gruppen der Perlglanzpigmente und der all-gemeinen Interferenzpigmente welche insbeson-dere bei aktuellen Pigmententwicklungen nicht scharf abgegrenzt werden koumlnnen Perlglanzpig-mente sind Effektpigmente die aus transparenten Plaumlttchen mit hohem Brechungsindex bestehen Sie erzeugen durch die spezielle Form der Mehr-fachreflexion des transmittierten Lichts an mehre-ren Pigmenten einen perlenaumlhnlichen Effekt bei dem die auftreffende Strahlung verteilt reflektiert wird wodurch der Eindruck einer mit der Tiefe abnehmenden diffusen Helligkeit entsteht Fuumlr das Auge ergibt sich so eine scheinbar dreidimen-sionale Glanzcharakteristik die aus der Tiefe des Objektes zu kommen scheint Interferenzpigmente dagegen sind Effektpigmente deren farbgebende Wirkung ganz oder vorwiegend auf dem Effekt der Vielstrahlinterferenz von Licht an duumlnnen hoch-brechenden Schichten beruht Interferenzpigmente koumlnnen dabei sowohl auf transparenten oder auch nichttransparenten Plaumlttchen basieren

Bild 1 a) Roadster mit ChromaFlairreg-Effektpigmentlackierung b) Verwaltungsgebaumlude in Braunschweig verkleidet mit Alucobondreg-spectra-colours-Verbundplatten c) Effektpigmente im Nagellack d) Pralineacute mit Effektpigmentuumlberzug

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Effektpigmente hellipPTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4

Die heute verwendeten Pigmente lassen sich somit grob in fuumlnf verschiedene Klassen einteilen

1) Weiszligpigmente Die Pigmente streuen das ge-samte auftreffende Licht nahezu verlustfrei in alle Richtungen durch diffuse ungerichtete Reflexion

2) Buntpigmente Die Pigmente streuen einen Teil des Lichtes diffus und absorbieren wellenlaumln-genselektiv einen anderen Teil des Lichtes

3) Schwarzpigmente Die Pigmente absorbieren alle Wellenlaumlngen des fuumlr das menschliche Auge sichtbaren Spektralbereiches

4) Metalleffektpigmente Die aus duumlnnen Metall-plaumlttchen vorwiegend Aluminium bestehen-den Metalleffektpigmente sind lichtundurch-laumlssig und reflektieren das gesamte auftreffende Licht durch spekulare gerichtete Reflexion Die Pigmentpartikel wirken dabei wie Mikrospie-gel und fuumlhren bei paralleler Ausrichtung im Anwendungsmedium zu einem spiegelnden Metallglanz dem Metallic-Effekt

5) Spezielle Effektpigmente Perlglanz- bzw Inter-ferenzpigmente deren optische Wirkung auf der Mehrfachreflexion an uumlberwiegend flaumlchig aus-gebildeten und ausgerichteten transparenten semitransparenten oder lichtundurchlaumlssigen Partikeln beruht

Weiszlig- Bunt- und auch Schwarzpigmente weisen typische Durchmesser im Bereich von 100 nm bis zu 1 microm auf Ihre Groumlszlige liegt damit zum Teil im Bereich der Wellenlaumlnge des sichtbaren Lichtes welches den Bereich von 380 nm bis 780 nm uumlberdeckt Einige Schwarzpigmente wie z B Ruszlig-pigmente liegen mit ihren Durchmessern jedoch auch zum Teil auch deutlich darunter Effektpig-mente besitzen dagegen Teilchendurchmesser die zumeist im Bereich von 5 microm bis 100 microm in einigen Faumlllen auch daruumlber liegen Sie sind damit bezuumlglich der mittleren Plaumlttchendurch-messer wesentlich groumlszliger als die Wellenlaumlnge des sichtbaren Lichtes Die Dicke der Plaumlttchen liegt von einigen Ausnahmen abgesehen unter 1 microm ebenso wie die Dicke der Interferenzschichten Demzufolge weisen Effektpigmente in der Regel ein hohes Aspektverhaumlltnis auf (Verhaumlltnis der lateralen Ausdehnung einer Struktur zu ihrer Houmlhe) welches bis zu 200 betragen kann

Interferenzpigmente ndash Wie die Farben entstehen

Die Farbe von Interferenzpigmenten haumlngt von der Schichtdicke der Metalloxidbeschichtung und dem Einstrahlungs- und Betrachtungswinkel ab Beide Parameter bestimmen die effektive optische Weg-

laumlngendifferenz fuumlr das einfallende weiszlige Licht zwischen oberer und unterer Grenzflaumlche und die somit auftretenden Interferenzfarben siehe Bild 3

Interferenzpigmente zeigen somit einen aus-gepraumlgten bdquoFarbflopldquo Die Winkelabhaumlngigkeit der Farbe wird hierbei auch als Goniochromasie bezeichnet Richtig bunt geht es zu wenn ein Interferenzpigment auf einen bereits bunten Untergrund aufgebracht wird Die Transparenz der Pigmente laumlsst die Untergrundfarbe durch-

Bild 2 Schematische Diagramme zum spektralen Verhalten verschiedener Pigmenttypen

Bild 3 Die Schichtdicke der Metalloxidbeschichtung und der kombinierte Einstrahlungs- und Betrachtungswinkel bestimmen die optische Weglaumlnge und somit die sich ergebenden Interferenzfarben in Reflexion und Transmission

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PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4Das Jahr des Lichtes

Bild 5 Die Effekte Spar-kling (1) und Coarseness (2) des Effektpigmentes Xirallicreg Crystal Silver in einer vergroumlszliger-ten Aufnahme auf weiszligem (links) und schwarzem Hinter-grund (rechts)

scheinen im Glanzwinkel wird sie aber von der Interferenzfarbe uumlberstrahlt wie dies in Bild 4 zu sehen ist

Der Effekt eines Helligkeitsunterschiedes unter verschiedenen Betrachtungswinkeln wird als Helligkeitsflop bezeichnet und ist an sich nichts Neues Sind jedoch die einzelnen Pigmentteilchen

aufgrund ihrer planaren Reflexionsoberflaumlchen in gerichteter Beleuchtung direkt beobachtbar was fuumlr mittlere Teilchengroumlszligen von 30 microm und groumlszliger der Fall ist so ergibt dies einen Effekt welcher mit dem Begriff Sparkle (Glitzern Funkeln) bezeichnet wird (Bild 5) Aumlndert sich die Beleuchtung von einer gerichteten Einstrahlung wie es an einem wolkenlosen sonnigen Sommertag der Fall ist hin zu einer diffusen ungerichteten Einstrahlung wie an einem stark bewoumllkten Herbsttag so verschwin-det das Sparkling der Pigmente und verwandelt sich in eine Koumlrnigkeit der Oberflaumlche Dieses optische Phaumlnomen wird als Coarseness (Bild-koumlrnigkeit) bezeichnet und ist unabhaumlngig vom Betrachtungswinkel (Bild 5)

Als neuer Archetypus des Sparkle-Begriffes haben sich in den letzten Jahren die Xirallicreg Pig-mente (High Chroma Chrystal Effect Pigments) der Firma Merck KGaA entwickelt Durch die Beschich-tung von Aluminiumoxidplaumlttchen mit hochbre-chenden Metalloxiden und einer optimierten Dicke und Ebenheit aller am Pigment beteiligten Schich-ten entstehen auszligergewoumlhnlich stark reflektierende Effektpigmente die einen besonders intensiven Sparkle-Effekt aufweisen Man spricht hierbei auch von sogenanntem Living Sparkle welcher sich in einem scheinbaren bdquoTanzenldquo der leuchtenden Punkte in der Probenoberflaumlche bei Veraumlnderung der Beobachtungsgeometrie aumluszligert [7 8]

Generell gilt dass die Farbe von Objekten mit Effektlackierung nicht mehr wie jahrzehntelang uumlblich und ausreichend mit konventionellen Farb-messgeraumlten mit nur einer festen Messgeometrie wie z B in der 45deg 0deg Geometrie (Einstrahlung unter 45deg Reflexionsmessung unter 0deg) bestimmt werden kann Dieser Umstand wird sehr gut durch die Grafik in Bild 6 illustriert Dargestellt sind die winkelabhaumlngig gemessenen Farbkoordinaten von drei verschiedenen keramischen Farbstandards der Farben rot gruumln und blau sowie eines mit dem Effektpigment Viola Fantasy der Firma Merck lackierten Blechs Der Einfallswinkel des Lichts auf die Proben betrug hierbei immer 45deg zur Oberflauml-chennormalen Das von den Proben reflektierte Licht wurde an 26 Positionen in einem 5deg Raster in planaren die Oberflaumlchennormale enthalten-den Messgeometrien im Winkelbereich von ndash70deg bis +70deg aufgenommen Bei den aus absorptiven Pigmenten bestehenden Keramiken zeigt sich eine nur sehr geringe Winkelabhaumlngigkeit der Farbe welche groumlszligtenteils auf unterschiedlicher winkelabhaumlngiger Helligkeit d h den Glanzeigen-schaften der Oberflaumlche beruht Das Effektpigment dagegen zeigt einen extremen winkelabhaumlngigen Farb-Flop (Goniochromasie) welcher einen Farbverlauf von Gruumln uumlber Rot-Gelb hin ins Blau-Violett bietet

Aber auch die neuen Lackfarben aus der Gruppe der Effektlackierungen muumlssen messtechnisch

Bild 4 Merck-Xirallicreg-Solaris-Red-Effektpigmente appliziert auf einem mit Standard-Ab-sorptionspigmenten hellblau lackierten Metallblech In Rich-tung des Glanzwin-kels auf der rechten Seite zeigt sich der langsame Aufbau der winkelabhaumlngigen Interferenzfarbe

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Bild 6 CIELab Farbkoordinaten einer winkelabhaumlngigen Reflexionsmessung an vier verschiedenen Proben drei Keramiken der Farben rot gruumln blau und eine Effektpigmentlackierung mit Merck Colorstreamreg Viola Fantasy Das untergelegte Farbschema zeigt naumlherungsweise die den Koordinaten entsprechende Farbe

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Effektpigmente hellipPTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4

Abbildungsoptik Messungen der ortsaufgeloumlsten Leuchtdichte auf einer Laumlngenskala bis hinab zu 28 microm auf der zu untersuchenden Probe siehe Bild 8

Mit der Zeilenkamera sind Messungen von kompletten Reflexionsspektren im sichtbaren Spektralbereich zwischen 380 nm und 780 nm dem sogenannten V(λ)-Bereich auf einer Zeit-skala von 2 Minuten moumlglich Hieraus lassen sich dann Farbkoordinaten der untersuchten Proben in den unterschiedlichsten Farbraumsystemen berechnen Eine absolute Messung in 114 Win-kelkombinationen (siehe Bild 9) im Polarwinkel-

erfasst und ruumlckgefuumlhrt werden um eine gleich-bleibende Qualitaumlt in der Produktion gewaumlhrleis-ten zu koumlnnen Gerade diese vielfaumlltigen zusaumltz-lichen Eigenschaften stellen die Farbmesstechnik vor neue Herausforderungen

Farbmessung

Bisherige kommerzielle Farbmessgeraumlte charakte-risieren Probenoberflaumlchen fast ausschlieszliglich in den eben schon erwaumlhnten sogenannten in-plane Reflexionsgeometrien Dabei liegen die Richtun-gen des eingestrahlten und des reflektierten Lichts sowie die Oberflaumlchennormale der Probe in einer Ebene Diese Einschraumlnkung entspricht jedoch in keiner Weise der taumlglichen Realitaumlt bei der Oberflaumlchen aus beliebigen Richtungen beleuchtet und betrachtet werden Seitens der Messgeraumlteher-steller und Anwender gibt es daher einen Trend zur erweiterten Charakterisierung bezuumlglich zusaumltzlicher Winkelkombinationen im dreidimen-sionalen Raum Spitzenreiter dieser Entwicklung am Markt ist derzeit ein tragbares Mehrwinkel-Spektralphotometer mit insgesamt 19 verschie-denen Reflexionsgeometrien [9] Hiermit scheint aber auch das Ende dieser Entwicklung im Bereich der portablen handgefuumlhrten Geraumlte erreicht Der Wunsch der Anwender geht aktuell wieder zuruumlck zu einer geringeren Anzahl von Winkelkombi-nationen denn es ist unklar wie man aus dem Mehr an winkelaufgeloumlsten Reflexionsdaten die fuumlr die Charakterisierung der Farbeigenschaften relevanten Informationen gewinnen kann Daher stellt sich die Frage welches sind bdquoguteldquo d h an die Messaufgabe adaptierte optimal geeignete Messgeometrien

Um diese Frage zu beantworten betreibt die AG 424 bdquoReflexion und Transmissionldquo der PTB zwei roboterbasierte Gonioreflektometer die eine winkelaufgeloumlste Reflexionsmessung in beliebi-gen bidirektionalen Geometrien ermoumlglichen [10ndash12] Diese beiden Apparaturen sind in Bild 7 dargestellt

Das Standard-Gonioreflektometer ist hierbei das nationale Normal fuumlr die Messgroumlszlige spektraler Strahldichtefaktor in gerichteten Geometrien Es dient der Realisierung Bewahrung und Weiter-gabe der gerichteten Reflexionsskale in Form von Kalibrierungen Die zweite Apparatur bezeich-net mit dem Acronym ARGon3 (3D Appearance Robot-based Gonioreflectometer) ist ein flexibles Forschungsgeraumlt mit dem experimentelle Unter-suchungen u a im Rahmen des EMRP-Projektes Multidimensional Reflectometry for Industry der EU [13] durchgefuumlhrt werden Im Ver gleich zum Standard-Gonioreflektometer ist dieses Geraumlt mit einer photometrischen Leuchtdichteka-mera und einer Zeilenkamera ausgeruumlstet Die Leuchtdichtekamera erlaubt mit einer speziellen

Bild 7 Die beiden roboter-basierten Gonio-reflektometer der PTB oben Standard-Gonioreflektometer fuumlr Kundenkalibrie-rungen unten ARGon3-Messplatz fuumlr Forschungsanwen-dungen

Bild 8 Visualisierung desSparkling-Effektesvon Xironareg-Volcanic-Sparks-Pigmenten als Falschfarben-darstellung der ortsaufgeloumlsten LeuchtdichteDie bdquoNadelnldquo zeigendie Position derPigmente an

Bild 9 Beispielgeometrien zur Messung der winkelabhaumlngigen Reflexionseigen-schaften Realisiert wurden 4 Einstrah-lungsrichtungen (rote Pfeile) mit jeweils 114 Reflexionswinkeln (schwarze Punkte) im Bereich der Viertel-kugel oberhalb der Probenoberflaumlche

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PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4Das Jahr des Lichtes

bereich 0deg bis 70deg gleichmaumlszligig verteilt uumlber den Viertelraum oberhalb der Probe dauert hierbei ca 4 Stunden [14] Die so erhaltenen Daten bilden die Basis fuumlr kuumlnftige Verbesserungen in der Mess-technik fuumlr Anwender und Hersteller

Im Rahmen des EMRP-Projektes Multidimen-sional Reflectometry for Industry [13] sind damit die winkelabhaumlngigen Reflexionsspektren von insgesamt 66 verschiedenen Effektpigmentproben gemessen worden [15 16] Bei den vier verschie-denen Einstrahlungsrichtungen verbunden mit jeweils 114 Reflexionswinkeln im Bereich der Vier-telkugel oberhalb der Probenoberflaumlche ergeben sich somit uumlber 30000 Reflexionsspektren

Zielsetzung der Untersuchungen ist die Ver-besserung der Metrologie zur Materialcharak-terisierung mit reduzierter Messunsicherheit Dazu werden neue Messvorschriften und neue Standardmessartefakte entwickelt mit denen die Industrie die visuelle Wahrnehmung der von ihr produzierten Oberflaumlchen gezielt charakterisie-ren und kontrollieren kann Solche Messungen sollten einfach auszufuumlhren sein und die Ergeb-nisse muumlssen soweit wie moumlglich mit der visuellen menschlichen Wahrnehmung korrelieren Im europaumlischen und internationalen Rahmen sollen die Ergebnisse in die Normung einflieszligen um die allgemeine Vergleichbarkeit solcher Messungen zu gewaumlhrleisten

Literatur

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[7] WR Cramer Ohne Glimmer aber mit GlanzFarbe amp Lack 042003 132ndash136 2003

[8] WR Cramer Es glitzert wie am SternenhimmelFahrzeug + Karosserie 0412 20ndash22 2012

[9] E Kirchner W Cramer Making sense of measure-ment geometries for multi-angle spectrophotome-ters Color Res Appl Vol 37 No3 186ndash198 2012

[10] D Huumlnerhoff U Grusemann A Houmlpe Newrobot-based gonioreflectometer for measuringspectral diffuse reflection Metrologia 43 S11ndashS162006

[11] A Houmlpe D Huumlnerhoff K-O Hauer Robot-basedgonioreflectometer Industrial Robotics Program-ming Simulation and Applications Low Kin-Huat Ed Pro Literatur-Verlag Mammendorf623ndash632 2007

[12] A Houmlpe T Atamas D Huumlnerhoff S TeichertK-O Hauer ARGon3 ndash bdquo3D Appearance Robot-based Gonioreflectometerrdquo at PTB Rev SciInstrum 83(4) 045102-1ndash045102-8 2012

[13] European Metrology Research Program ProjectIND52 bdquoxD-Reflectldquo Multidimensional Reflecto-metry for Industry wwwxdreflecteu(letzter Aufruf 03122015)

[14] T Atamas K-O Hauer A Houmlpe Appearancemeasurements of goniochromatic colours Predic-ting Perceptions Proceedings of the 3rd Internati-onal Conference on Appearance 149ndash154 2012

[15] A Houmlpe A Koo FM Verdu FB LeloupG Obein et al bdquoMultidimensional reflectometryfor industryrdquo (xD-Reflect) an European researchproject Proc SPIE 9018 Measuring Modelingand Reproducing Material AppearanceSPIE-ISampT Vol 9018 901804-1ndash901804-11 2014

[16] A Houmlpe K-O Hauer S Teichert D HuumlnerhoffC Strothkaumlmper Goniochromatic and Sparkleproperties of effect pigmented samples in mul-tidimensional configuration Proc SPIE 9398Measuring Modeling and Reproducing MaterialAppearance 2015 SPIE Proc Vol 9398 Appea-rance 93980O-1ndash7 2015

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Die 50 Sitzung des Internationalen Komitees fuumlr das gesetzliche Messwesen (CIML) fand vom 20 bis 22 Oktober 2015 in Arcachon Frankreich statt Im Vorfeld der CIML-Sitzung fand ein ein-taumlgiges OIML-Seminar uumlber Countries and Econo-mies with Emerging Metrology Systems (CEEMS) statt uumlber das weiter unten berichtet wird

Das CIML ist der Lenkungsausschuss der OIML Es trifft sich jaumlhrlich und besteht aus je einem Repraumlsentanten der Mitgliedstaaten der korrespondierenden Mitglieder und den Vertre-tern internationaler und regionaler Organisa-tionen die als Beobachter teilnehmen koumlnnen Das CIML ist zustaumlndig fuumlr die Vorbereitung und Durchfuumlhrung der Entscheidungen der Konfe-renz die alle vier Jahre stattfindet Es uumlberwacht die Arbeiten der Technischen Komitees und Unterkomitees und des Internationalen Buumlros fuumlr das gesetzliche Messwesen (BIML) in Paris

An der 50 CIML-Sitzung nahmen 144 Teilneh-mer aus 43 Mitgliedstaaten und 13 korrespondie-renden Mitgliedstaaten teil Zur deutschen Dele-gation gehoumlrten neben den o g Autoren auch die Herren Johann Fischer Direktor des Landesamts fuumlr Mess- und Eichwesen Berlin-Brandenburg sowie Prof Olaf Kuumlhn Direktor des Thuumlringer Landesamts fuumlr Verbraucherschutz als Vertreter der Bundeslaumlnder Dr Peter Ulbig Leiter der Abteilung Wissenschaftlich-technische Quer-schnittsaufgaben der PTB und Prof Manfred Kochsiek Vizepraumlsident a D der PTB ehema-liger CIML-Praumlsident und Ehrenmitglied der OIML Frau Dr Anna Cypionka persoumlnliche Referentin des Praumlsidenten der PTB nahm am OIML-Seminar fuumlr CEEMS teil Vertreten waren auch wieder internationale und regionale Orga-nisationen zu denen die OIML Verbindungen unterhaumllt wie das Internationale Buumlro fuumlr Maszlig und Gewicht (BIPM) die GSO-GCC Standardiza-tion Organization (Saudi-Arabien) die Internatio-nal Laboratory Accreditation Cooperation (ILAC) und der Europaumlische Verband der Waagenherstel-ler (CECIP)

Alle Beschluumlsse der 50 CIML-Sitzung koumlnnen auf den Internetseiten der OIML aufgerufen werden [1 2]

Die wichtigsten Entscheidungen und Entwick-lungen werden nachfolgend vorgestellt

1 Personalangelegenheiten

Der Vertrag von Willem Kool als Assistant Director wurde um vier Jahre der Vertrag des BIML-Direk-tors Stephen Patoray um drei Jahre verlaumlngert

2 Einfuumlhrung des PG Workspace im Internet

In seinem Bericht im Zusammenhang mit der Etablierung des neuen Webauftritts der OIML hob der CIML-Praumlsident Peter Mason (UK) die erfolgreiche Einfuumlhrung des Workspace fuumlr Pro-jektgruppen hervor Durch die Online-Arbeit wird erwartet dass die technische Arbeit an neuen bzw zu revidierenden OIML-Dokumenten vereinfacht und insgesamt effizienter wird

3 Revision der technische Richtlinien fuumlr die OIML (B 6 Directives for OIML tech-nical work)

In einem neuen Projekt sollen die in den vergan-genen Jahren revidierten OIML-Richtlinien fuumlr die technische Arbeit erneut uumlberarbeitet werden um u a den Prozess der Entwicklung und Uumlber-arbeitung von OIML-Publikationen noch weiter zu beschleunigen und den neuen internetbasierten Technologien und Arbeitsweisen Rechnung zu tragen

4 Umfassende strukturelle Uumlberarbeitung des OIML Certificate System

Das CIML verabschiedete die Gruumlndung einer Projektgruppe mit der Aufgabe einer substan-ziellen Uumlberarbeitung des OIML-Zertifizierungs-systems das z Zt aus dem Basiszertifizierungs-system und dem MAA3 besteht Urspruumlnglich ausgehend von der Annahme die Akzeptanz des MAA-Zertifizierungssystem muumlsse verstaumlrkt werden eine groumlszligere Verbreitung finden und mehr Messgeraumltearten abdecken erscheint es

Aktuelles aus der OIML (Internationale Organisation fuumlr das Gesetzliche Messwesen)Bericht uumlber die 50 Sitzung des CIML in Arcachon FrankreichSusanne Ludwig Roman Schwartz

INTERNATIONALE ZUSAMMENARBEIT

Susanne Ludwig OIMLshyGeschaumlftsstelle der PTB EshyMail susanneludwigptbde

Dir u Prof Dr Roman Schwartz Vizepraumlsident der PTB deutsches Mitglied im Internashytionalen Komitee fuumlr das Gesetzliche Messwesen (CIML) und CIMLshyVizepraumlsishydent EshyMail romanschwartzptbde

3 Mutual Acceptance Arrangement (Abshykommen zur gegenshyseitigen Anerkennung von Bauartpruumlfungen)

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PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4Internationale Zusammenarbeit

inzwischen sinnvoller und wurde so auch vom CIML beschlossen zum 112017 ein einziges OIML-Zertifizierungssystem einzufuumlhren Eine Projektgruppe (Certification System Project Group = CSPG) unter dem Vorsitz des CIML-Vizepraumlsi-denten Dr Roman Schwartz wurde damit beauf-tragt die notwendigen Dokumente und Prozedu-ren auszuarbeiten

5 OIML-Seminar fuumlr Countries and Economies with Emerging Metrology Systems (CEEMS)

Im Vorfeld der CIML-Sitzung wurde ein eintaumlgiges Seminar zum Thema Developing an OIML Package for Assistance to Countries with Emerging Metro-logy Systems (CEEMS) abgehalten In vier Sitzun-gen diskutierten 125 Teilnehmer aus 49 Laumlndern uumlber Moumlglichkeiten Laumlnder beim Aufbau von nationalen Metrologiesystemen zu unterstuumltzen In der ersten von Frau Dr Cypionka geleiteten Sitzung Capacity Building ging es um die allge-meinen Herausforderungen bei der Gestaltung von Programmen zur Foumlrderung von Handlungs-kompetenzen und Vermittlung von Wissen fuumlr die Metrologie In zwei weiteren Sitzungen wurden unter den Themen Helping CEEMS Improve Regulation in their Markets (Leitung Prof Dr Manfred Kochsiek) und New Ideas ndash Doing Legal Metrology Differently (Leitung Stuart Carstens

Suumldafrika) konkrete inhaltliche Loumlsungsvorschlaumlge vorgestellt und diskutiert Die Ergebnisse wurden in der 50 CIML-Sitzung vorgestellt und fanden ihren Niederschlag in der Resolution Nr 201510 [2] sie sollen auch noch auf den OIML-Webseiten veroumlffentlicht werden [1]

6 OIML-Publikationen

Folgende OIML-Publikationen wurden verabschiedet

R 139-3 Compressed gaseous fuels measuring systems for vehicles Part 3 Test report format

New Recommendation (R 145) Ophthalmic instru-ments mdash Impression and applanation tonometers

Alle OIML-Publikationen stehen im Internet frei zur Verfuumlgung [3]

Gleichzeitig wurde die Revision der folgenden OIML-Publikation beschlossen

Revision of R 79 Labeling requirements for prepackages

Folgende neue Projekte wurden verabschiedet

Revision des OIML-Dokuments B 6-1 Directives for OIML technical work

Bild 1 Teilnehmer der 50 Sitzung des Internationalen Komitees fuumlr Gesetz-liches Messwesen (CIML) in Arcachon Frankreich

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PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4 Aktuelles aus der OIML

TC 8SC 1 Revision R 71 Fixed storage tanks mdash General requirements

TC 8SC 1 Revision R 85 Automatic level gauges for measuring the level of liquid in stationary storage tanks

7 Personalien und Ehrungen

Die von Dr Seiler dem ehemaligen Leiter des Fachbereichs bdquoTechnische Zusammenarbeitldquo der PTB initiierte OIML-Auszeichnung fuumlr bdquoexzel-lente Beitraumlge von Entwicklungslaumlndern zum gesetzlichen Messwesenldquo ging in diesem Jahr an

bull Nam Hyuk Lim Director of Korea Testing Certi-fication und

bull The Metrology Department Saint Lucia Bureau of Standards

Die OIML-Medaille fuumlr besondere Verdienste um die OIML-Arbeit ging an Ngo Quy Viet Vietnam und Cartaxo Reis aus Portugal

8 Termine

Ein Gastgeberland fuumlr die 51 CIML-Sitzung und 15 OIML-Konferenz im Jahr 2016 konnte noch nicht bekannt gegeben werden es wird aber wahr-scheinlich wieder Frankreich sein Weitere OIML-Veranstaltungen und -Termine finden sich auf der OIML-Webseite unter [4]

9 Literatur

[1] httpswwwoimlorgen (letzter Aufruf 19112015)

[2] httpswwwoimlorgenstructurecimlpdf50-ciml-resolutions-englishpdf (letzter Aufruf 19112015)

[3] httpswwwoimlorgenpublicationsrecommen-dationspublication_viewp_type=1ampp_status=1

[4] (letzter Aufruf 19112015)[5] httpswwwoimlorgeneventscalendar

(letzter Aufruf 19112015)

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TECHNOLOGIETRANSFER

E27-Scanner fuumlr UlbrichtkugelnMit dem besonders einfach ohne Umbau einsetzbaren E27-Scanner koumlnnen Anwender und Hersteller die Homogenitaumlt ihrer Ulbricht-kugeln bestimmen und die Ergebnisse zur Berechnung genauerer Lichtstroumlme und zur Dokumentation der Qualitaumlt ihrer Messungen nutzen

Hintergrund

Wie viel Licht eine Lampe insgesamt in alle Richtungen abstrahlt wird durch ihren Lichtstrom ausgedruumlckt Um den fuumlr die Bestimmung der Energieeffizienz von Lampen notwendigen Lichtstrom schnell zu er mitteln setzt die Lampenindustrie Ulbrichtkugeln ein An einer Stange in der Mitte der Ulbrichtkugel befindet sich eine E27-Lampen-fassung in die nacheinander die Lichtstrom-Normallampe und die zu kalibrierende Lampe eingeschraubt werden Das indirekt auf den Mess-kopf fallende Licht erzeugt einen Photostrom der im Idealfall propor-tional zu dem von der Lampe abgestrahlten Lichtstrom ist unabhaumlngig von der Richtung in die das Licht abgestrahlt wird

Dies ist jedoch bei einer ungleichmaumlszligigen Beschichtung der Kugel sowie bei einer im Laufe der Zeit nicht zu verhindernden Verstaubung nicht der Fall Deshalb wird mit einem Kugelscanner die Homogenitaumlt der Kugel regelmaumlszligig vermessen und ein Korrekturfaktor bestimmt der von der jeweiligen Abstrahlcharakteristik der zu untersuchenden Lampe abhaumlngt

Technische Beschreibung

Der Kugelscanner wird einfach in eine E27-Fassung geschraubt und das sonst fuumlr die Lampenversorgung eingesetzte Netzgeraumlt wird durch die Steuereinheit ersetzt Diese uumlbernimmt sowohl die elektrische Versor-gung als auch die Befehlsuumlbermittlung zum Kugelscanner Die Steuer-einheit wird via USB oder RS232 an einen Computer angeschlossen Das mitgelieferte Messprogramm stellt automatisiert alle gewuumlnschten Richtungen ein und speichert die zugehoumlrigen von der Steuereinheit gemessenen Photostroumlme des Photometers

Wirtschaftliche Bedeutungw

Fuumlr Lampenindustrie und Hersteller von Ulbrichtkugeln

bull Genauere Messung des Lichtstroms

bull Bestimmung des Zeitpunkts einer Neubeschichtung

bull Uumlberwachung beim Beschichten

bull Dokumentation des Zustands der Ulbrichtkugel

EntwicklungsstandDer E27-Kugelscanner wurde in der PTB entwickelt Er wird laufend fuumlr Kalibrierungen eingesetzt Die Technologie wurde an die Firma Czibula amp Grundmann transferiert und wird dort mit einer PTB-Lizenz gebaut und vertrieben wwwphoto-metercom

Ansprechpartner

Dr Bernhard SmandekBeauftragter fuumlr TechnologietransferTelefon +49 531 592shy8303Telefax +49 531 592shy69shy8303EshyMail technologietransferptbde

Dr Stefan WinterFachbereich Photometrie und Radiometrie

Abbildung des E27shyKugelscanners Eine stark fokussierende Lampe die computergesteuert in alle Richtungen leuchten kann

Vorteile

bull Schneller Einbau in E27shyFassung

bull Computergesteuertes Abscannen der gesamten Ulbrichtkugel

bull Flexible Messmoumlglichkeiten

bull Fuumlr genauere Lichtstromshymessungen

bull Wichtig fuumlr die Qualitaumltsshysicherung

PTBshyNummer 0172

wwwtechnologietransferptbde

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PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4 Technologieangebote

Ansprechpartner

Dr Bernhard SmandekBeauftragter fuumlr TechnologietransferTelefon +49 531 592shy8303Telefax +49 531 592shy69shy8303EshyMail technologietransferptbde

Dr Stefan WinterArbeitsgruppe Solarzellen

PulsshyzushyCWshyKonverter

Umwandlung gepulster Laser-Strahlung in konstante StrahlungIn weiten Bereichen der optischen Metrologie ist eine Strahlungs-quelle von groszligem Nutzen die sich spektral vom UV-C bis ins mitt-lere IR durchstimmen laumlsst Lediglich Laser mit gepulster Strahlung erfuumlllen diese Anforderung bei ausreichend groszligem Ausgangssignal bisher luumlckenlos Femtosekunden-Lasersysteme waumlren aufgrund ihrer gut automatisierbaren und spektral weiten Durchstimmbarkeit die ideale Strahlungsquelle fuumlr z B radiometrische Anwendungen ndash wenn ihre Strahlung nicht gepulst waumlre

Durch das extreme Puls-Pausen-Verhaumlltnis von 10ndash5 entstehen hohe Spitzenleistungen die wiederum zu Saumlttigungseffekten bei Detek-toren und in der Folge zu nichtlinearem Verhalten fuumlhren koumlnnen Mit dem in der PTB entwickelten Puls-zu-CW-Konverter wird dieses Problem geloumlst

Technische Beschreibung

Bei dieser Methode werden Pulse gepulster Strahlungsquellen ausrei-chend hoher Repetitionsrate in CW-Strahlung umgewandelt Dabei wird jeder Puls in viele kleine Teilpulse aufgeteilt die auf unterschiedlich langen Wegstrecken unterschiedliche Laufzeiten erfahren Am Ausgang des Systems erscheinen sie dann zeitlich gleichmaumlszligig verteilt Realisiert wird dieser Puls-zu-CW-Konverter uumlber ein Glasfaserbuumlndel bei dem jede Einzelglasfaser eine individuell festgelegte Laumlnge besitzt

Mit der Entwicklung des Puls-zu-CW-Konverters wurde das ent-scheidende Manko beim Einsatz leistungsstarker Femtosekunden(fs)-Lasersysteme im Bereich der Metrologie beseitigt und erstmalig gepulste Laserstrahlung in CW-Strahlung umgewandelt Diese Neuentwicklung ermoumlglicht es nun herkoumlmmliche Monochromatorsysteme durch fs-Lasersysteme zu ersetzen die eine bis zu 1000-mal houmlhere spektrale Ausgangsleistung besitzen

Wirtschaftliche Bedeutung

Durch den neuen Puls-zu-CW-Converter koumlnnen in wirtschaftlich bedeutenden Bereichen wie z B der Photovoltaik der Photometrie der UV-Strahlungsmesstechnik und der Reflektometrie die Referenz- und Transfernormale mit einer deutlich reduzierten Messunsicherheit kali-briert werden Hier werden bislang wesentliche Messunsicherheitsan-teile durch zu geringe Strahlungsleistungen aus herkoumlmmlichen Mono-chromatorsystemen verursacht

Entwicklungsstand

Unter DE 10 2010 011 615 B4 wurde fuumlr den CW-Konverter ein Patent erteilt

Vorteile

bull Zeitliche Glaumlttung gepulster Laserstrahlung

bull Keine stoumlrenden Interferenzen

bull Nur minimale Absorption des Messsignals

bull Auch bei kuumlrzeren Wellenshylaumlngen ohne Ulbrichtkugel verwendbar

bull Kontinuierliche Verteilung des Ausgangspulses

bull Pulsvervielfachung

bull Houmlhere Strahlungsleistung

PTBshyNummer 0254

wwwtechnologietransferptbde

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PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4Technologieangebote

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Homogenisierung von Strahlungsquellen und Focal Plane Arrays (FPA)Ein neuartiges Verfahren ermoumlglicht softwaregestuumltzt eine deutlich verbesserte Kalibrierung von Mehrelement-Sensoren (FPA) und bildgebenden Systemen (Kameras) Bei flaumlchigen Strahlungsquellen kann zusaumltzlich eine gezielte Ansteuerung von Flaumlchenelementen zu einer bisher im Allgemeinen nicht erreichbaren Flaumlchenhomogenitaumlt fuumlhren

Technische Beschreibung

Flaumlchenstrahler dienen der Kalibrierung von ortsaufloumlsenden Strah-lungssensoren wobei davon ausgegangen wird dass die Emissionsflaumlche des Strahlers im Wesentlichen homogen bezuumlglich ihrer Strahldichte bzw Strahlungstemperatur ist Um kleine Inhomogenitaumlten eines Flaumlchenstrahlers zu charakterisieren ist es ein gaumlngiges Verfahren die Emissionsflaumlche punktweise mit einem Einzeldetektor abzutasten

Das neue PTB-Verfahren ist wesentlich schneller da es den Mehr-element-Sensor (FPA) das device-under-test selbst nutzt und damit immer ein Gesamtbild der Quelle aufnimmt Werden jetzt weitere Bilder zeilen- oder spaltenversetzt aufgenommen so erlaubt ein mathema-tischer Algorithmus bei nur drei Bildern eine komplette Charakterisie-rung des Sensors aber auch der Quelle

Sind Flaumlchenelemente der Strahlungsquelle einzeln ansteuerbar so ist es sogar moumlglich mittels der ermittelten Korrekturwerte zu Strahlquellen extrem hoher Homogenitaumlt im on-line-Betrieb zu gelangen

Wirtschaftliche Bedeutung

Bildgebende Strahlungssensoren und homogene Strahlungsquellen sind relevant fuumlr die Forschung und Entwicklung fuumlr die Prozesstechnik fuumlr die Charakterisierung der Energieeffizienz von Bauten bei der Ent-wicklung neuer Bauteile mit hoher thermischer Belastung und in vielen weiteren Bereichen Der mathematische Algorithmus ist aber auf unter-schiedliche Arten von Kamerasystemen anwendbar und damit auch fuumlr die Qualitaumltssicherung von CCD-Kameras bis hin zum Konsumguuml-termarkt anwendbar EntwicklungsstandEine deutsche Patenterteilung erfolgte im September 2015 Eine PCT-Anmeldung ist anhaumlngig Kooperations- und Lizenzpartner aus den Bereichen Thermografie Radiometrie und Photometrie zur Umsetzung des Konzeptes werden gesucht

Ansprechpartner

Dr Bernhard SmandekBeauftragter fuumlr TechnologietransferTelefon +49 531 592shy8303Telefax +49 531 592shy69shy8303EshyMail technologietransferptbde

DiplshyIng Berndt GutschwagerArbeitsgruppeInfrarotshyStrahlungsthermometrie

Stahlungsmessplatz der PTB zur Kalibrierung von Temperaturstrahlern und Waumlrmebildkashymeras

Vorteile

bull Schnelle Kalibrierung von Flaumlchensensoren (FPA)

bull Schnelle Kalibrierung von Flaumlchenstrahlern

bull Strahlquellen houmlchster Hoshymogenitaumlt

bull Fuumlr Thermografie und Phoshytometrie

PTBshyNummer 00374

wwwtechnologietransferptbde

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Printed in Germany ISSN 0030-834X

Die fachlichen Aufsaumltze aus dieser Ausgabe der PTB-Mitteilungen sind auch online verfuumlgbar unterdoi 10779531020150499

Die Physikalisch-Technische Bundesanstalt das nationale Metrologieinstitut ist eine wissenschaftlich-technische Bundesoberbehoumlrde im Geschaumlftsbereich des Bundesministeriums fuumlr Wirtschaft und Energie

mitteilungen

Impressum

Die PTB-Mitteilungen sind metrologisches Fachjournal der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt Braunschweig und Berlin Als Fachjournal veroumlffentlichen die PTB- Mitteilungen wissenschaftliche Fachaufsaumltze zu metrologischen Themen aus den Arbeitsgebieten der PTB Die PTB-Mitteilungen stehen in einer langen Tradition die bis zu den Anfaumlngen der Physikalisch-Technischen Reichsanstalt (gegruumlndet 1887) zuruumlckreicht

Bundesallee 100 38116 Braunschweig

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Telefon 0531 592-3006 Fax 0531 592-3008 E-Mail presseptbde wwwptbde

Physikalisch-Technische BundesanstaltBraunschweig und BerlinNationales Metrologieinstitut

Die Physikalisch-Technische Bundesanstalt das nationale Metrologieinstitut ist eine wissenschaftlich-technische Bundesoberbehoumlrde im Geschaumlftsbereich des Bundesministeriums fuumlr Wirtschaft und Energie

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Effektpigmente hellipPTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4

Die heute verwendeten Pigmente lassen sich somit grob in fuumlnf verschiedene Klassen einteilen

1) Weiszligpigmente Die Pigmente streuen das ge-samte auftreffende Licht nahezu verlustfrei in alle Richtungen durch diffuse ungerichtete Reflexion

2) Buntpigmente Die Pigmente streuen einen Teil des Lichtes diffus und absorbieren wellenlaumln-genselektiv einen anderen Teil des Lichtes

3) Schwarzpigmente Die Pigmente absorbieren alle Wellenlaumlngen des fuumlr das menschliche Auge sichtbaren Spektralbereiches

4) Metalleffektpigmente Die aus duumlnnen Metall-plaumlttchen vorwiegend Aluminium bestehen-den Metalleffektpigmente sind lichtundurch-laumlssig und reflektieren das gesamte auftreffende Licht durch spekulare gerichtete Reflexion Die Pigmentpartikel wirken dabei wie Mikrospie-gel und fuumlhren bei paralleler Ausrichtung im Anwendungsmedium zu einem spiegelnden Metallglanz dem Metallic-Effekt

5) Spezielle Effektpigmente Perlglanz- bzw Inter-ferenzpigmente deren optische Wirkung auf der Mehrfachreflexion an uumlberwiegend flaumlchig aus-gebildeten und ausgerichteten transparenten semitransparenten oder lichtundurchlaumlssigen Partikeln beruht

Weiszlig- Bunt- und auch Schwarzpigmente weisen typische Durchmesser im Bereich von 100 nm bis zu 1 microm auf Ihre Groumlszlige liegt damit zum Teil im Bereich der Wellenlaumlnge des sichtbaren Lichtes welches den Bereich von 380 nm bis 780 nm uumlberdeckt Einige Schwarzpigmente wie z B Ruszlig-pigmente liegen mit ihren Durchmessern jedoch auch zum Teil auch deutlich darunter Effektpig-mente besitzen dagegen Teilchendurchmesser die zumeist im Bereich von 5 microm bis 100 microm in einigen Faumlllen auch daruumlber liegen Sie sind damit bezuumlglich der mittleren Plaumlttchendurch-messer wesentlich groumlszliger als die Wellenlaumlnge des sichtbaren Lichtes Die Dicke der Plaumlttchen liegt von einigen Ausnahmen abgesehen unter 1 microm ebenso wie die Dicke der Interferenzschichten Demzufolge weisen Effektpigmente in der Regel ein hohes Aspektverhaumlltnis auf (Verhaumlltnis der lateralen Ausdehnung einer Struktur zu ihrer Houmlhe) welches bis zu 200 betragen kann

Interferenzpigmente ndash Wie die Farben entstehen

Die Farbe von Interferenzpigmenten haumlngt von der Schichtdicke der Metalloxidbeschichtung und dem Einstrahlungs- und Betrachtungswinkel ab Beide Parameter bestimmen die effektive optische Weg-

laumlngendifferenz fuumlr das einfallende weiszlige Licht zwischen oberer und unterer Grenzflaumlche und die somit auftretenden Interferenzfarben siehe Bild 3

Interferenzpigmente zeigen somit einen aus-gepraumlgten bdquoFarbflopldquo Die Winkelabhaumlngigkeit der Farbe wird hierbei auch als Goniochromasie bezeichnet Richtig bunt geht es zu wenn ein Interferenzpigment auf einen bereits bunten Untergrund aufgebracht wird Die Transparenz der Pigmente laumlsst die Untergrundfarbe durch-

Bild 2 Schematische Diagramme zum spektralen Verhalten verschiedener Pigmenttypen

Bild 3 Die Schichtdicke der Metalloxidbeschichtung und der kombinierte Einstrahlungs- und Betrachtungswinkel bestimmen die optische Weglaumlnge und somit die sich ergebenden Interferenzfarben in Reflexion und Transmission

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PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4Das Jahr des Lichtes

Bild 5 Die Effekte Spar-kling (1) und Coarseness (2) des Effektpigmentes Xirallicreg Crystal Silver in einer vergroumlszliger-ten Aufnahme auf weiszligem (links) und schwarzem Hinter-grund (rechts)

scheinen im Glanzwinkel wird sie aber von der Interferenzfarbe uumlberstrahlt wie dies in Bild 4 zu sehen ist

Der Effekt eines Helligkeitsunterschiedes unter verschiedenen Betrachtungswinkeln wird als Helligkeitsflop bezeichnet und ist an sich nichts Neues Sind jedoch die einzelnen Pigmentteilchen

aufgrund ihrer planaren Reflexionsoberflaumlchen in gerichteter Beleuchtung direkt beobachtbar was fuumlr mittlere Teilchengroumlszligen von 30 microm und groumlszliger der Fall ist so ergibt dies einen Effekt welcher mit dem Begriff Sparkle (Glitzern Funkeln) bezeichnet wird (Bild 5) Aumlndert sich die Beleuchtung von einer gerichteten Einstrahlung wie es an einem wolkenlosen sonnigen Sommertag der Fall ist hin zu einer diffusen ungerichteten Einstrahlung wie an einem stark bewoumllkten Herbsttag so verschwin-det das Sparkling der Pigmente und verwandelt sich in eine Koumlrnigkeit der Oberflaumlche Dieses optische Phaumlnomen wird als Coarseness (Bild-koumlrnigkeit) bezeichnet und ist unabhaumlngig vom Betrachtungswinkel (Bild 5)

Als neuer Archetypus des Sparkle-Begriffes haben sich in den letzten Jahren die Xirallicreg Pig-mente (High Chroma Chrystal Effect Pigments) der Firma Merck KGaA entwickelt Durch die Beschich-tung von Aluminiumoxidplaumlttchen mit hochbre-chenden Metalloxiden und einer optimierten Dicke und Ebenheit aller am Pigment beteiligten Schich-ten entstehen auszligergewoumlhnlich stark reflektierende Effektpigmente die einen besonders intensiven Sparkle-Effekt aufweisen Man spricht hierbei auch von sogenanntem Living Sparkle welcher sich in einem scheinbaren bdquoTanzenldquo der leuchtenden Punkte in der Probenoberflaumlche bei Veraumlnderung der Beobachtungsgeometrie aumluszligert [7 8]

Generell gilt dass die Farbe von Objekten mit Effektlackierung nicht mehr wie jahrzehntelang uumlblich und ausreichend mit konventionellen Farb-messgeraumlten mit nur einer festen Messgeometrie wie z B in der 45deg 0deg Geometrie (Einstrahlung unter 45deg Reflexionsmessung unter 0deg) bestimmt werden kann Dieser Umstand wird sehr gut durch die Grafik in Bild 6 illustriert Dargestellt sind die winkelabhaumlngig gemessenen Farbkoordinaten von drei verschiedenen keramischen Farbstandards der Farben rot gruumln und blau sowie eines mit dem Effektpigment Viola Fantasy der Firma Merck lackierten Blechs Der Einfallswinkel des Lichts auf die Proben betrug hierbei immer 45deg zur Oberflauml-chennormalen Das von den Proben reflektierte Licht wurde an 26 Positionen in einem 5deg Raster in planaren die Oberflaumlchennormale enthalten-den Messgeometrien im Winkelbereich von ndash70deg bis +70deg aufgenommen Bei den aus absorptiven Pigmenten bestehenden Keramiken zeigt sich eine nur sehr geringe Winkelabhaumlngigkeit der Farbe welche groumlszligtenteils auf unterschiedlicher winkelabhaumlngiger Helligkeit d h den Glanzeigen-schaften der Oberflaumlche beruht Das Effektpigment dagegen zeigt einen extremen winkelabhaumlngigen Farb-Flop (Goniochromasie) welcher einen Farbverlauf von Gruumln uumlber Rot-Gelb hin ins Blau-Violett bietet

Aber auch die neuen Lackfarben aus der Gruppe der Effektlackierungen muumlssen messtechnisch

Bild 4 Merck-Xirallicreg-Solaris-Red-Effektpigmente appliziert auf einem mit Standard-Ab-sorptionspigmenten hellblau lackierten Metallblech In Rich-tung des Glanzwin-kels auf der rechten Seite zeigt sich der langsame Aufbau der winkelabhaumlngigen Interferenzfarbe

1

Bild 6 CIELab Farbkoordinaten einer winkelabhaumlngigen Reflexionsmessung an vier verschiedenen Proben drei Keramiken der Farben rot gruumln blau und eine Effektpigmentlackierung mit Merck Colorstreamreg Viola Fantasy Das untergelegte Farbschema zeigt naumlherungsweise die den Koordinaten entsprechende Farbe

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Effektpigmente hellipPTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4

Abbildungsoptik Messungen der ortsaufgeloumlsten Leuchtdichte auf einer Laumlngenskala bis hinab zu 28 microm auf der zu untersuchenden Probe siehe Bild 8

Mit der Zeilenkamera sind Messungen von kompletten Reflexionsspektren im sichtbaren Spektralbereich zwischen 380 nm und 780 nm dem sogenannten V(λ)-Bereich auf einer Zeit-skala von 2 Minuten moumlglich Hieraus lassen sich dann Farbkoordinaten der untersuchten Proben in den unterschiedlichsten Farbraumsystemen berechnen Eine absolute Messung in 114 Win-kelkombinationen (siehe Bild 9) im Polarwinkel-

erfasst und ruumlckgefuumlhrt werden um eine gleich-bleibende Qualitaumlt in der Produktion gewaumlhrleis-ten zu koumlnnen Gerade diese vielfaumlltigen zusaumltz-lichen Eigenschaften stellen die Farbmesstechnik vor neue Herausforderungen

Farbmessung

Bisherige kommerzielle Farbmessgeraumlte charakte-risieren Probenoberflaumlchen fast ausschlieszliglich in den eben schon erwaumlhnten sogenannten in-plane Reflexionsgeometrien Dabei liegen die Richtun-gen des eingestrahlten und des reflektierten Lichts sowie die Oberflaumlchennormale der Probe in einer Ebene Diese Einschraumlnkung entspricht jedoch in keiner Weise der taumlglichen Realitaumlt bei der Oberflaumlchen aus beliebigen Richtungen beleuchtet und betrachtet werden Seitens der Messgeraumlteher-steller und Anwender gibt es daher einen Trend zur erweiterten Charakterisierung bezuumlglich zusaumltzlicher Winkelkombinationen im dreidimen-sionalen Raum Spitzenreiter dieser Entwicklung am Markt ist derzeit ein tragbares Mehrwinkel-Spektralphotometer mit insgesamt 19 verschie-denen Reflexionsgeometrien [9] Hiermit scheint aber auch das Ende dieser Entwicklung im Bereich der portablen handgefuumlhrten Geraumlte erreicht Der Wunsch der Anwender geht aktuell wieder zuruumlck zu einer geringeren Anzahl von Winkelkombi-nationen denn es ist unklar wie man aus dem Mehr an winkelaufgeloumlsten Reflexionsdaten die fuumlr die Charakterisierung der Farbeigenschaften relevanten Informationen gewinnen kann Daher stellt sich die Frage welches sind bdquoguteldquo d h an die Messaufgabe adaptierte optimal geeignete Messgeometrien

Um diese Frage zu beantworten betreibt die AG 424 bdquoReflexion und Transmissionldquo der PTB zwei roboterbasierte Gonioreflektometer die eine winkelaufgeloumlste Reflexionsmessung in beliebi-gen bidirektionalen Geometrien ermoumlglichen [10ndash12] Diese beiden Apparaturen sind in Bild 7 dargestellt

Das Standard-Gonioreflektometer ist hierbei das nationale Normal fuumlr die Messgroumlszlige spektraler Strahldichtefaktor in gerichteten Geometrien Es dient der Realisierung Bewahrung und Weiter-gabe der gerichteten Reflexionsskale in Form von Kalibrierungen Die zweite Apparatur bezeich-net mit dem Acronym ARGon3 (3D Appearance Robot-based Gonioreflectometer) ist ein flexibles Forschungsgeraumlt mit dem experimentelle Unter-suchungen u a im Rahmen des EMRP-Projektes Multidimensional Reflectometry for Industry der EU [13] durchgefuumlhrt werden Im Ver gleich zum Standard-Gonioreflektometer ist dieses Geraumlt mit einer photometrischen Leuchtdichteka-mera und einer Zeilenkamera ausgeruumlstet Die Leuchtdichtekamera erlaubt mit einer speziellen

Bild 7 Die beiden roboter-basierten Gonio-reflektometer der PTB oben Standard-Gonioreflektometer fuumlr Kundenkalibrie-rungen unten ARGon3-Messplatz fuumlr Forschungsanwen-dungen

Bild 8 Visualisierung desSparkling-Effektesvon Xironareg-Volcanic-Sparks-Pigmenten als Falschfarben-darstellung der ortsaufgeloumlsten LeuchtdichteDie bdquoNadelnldquo zeigendie Position derPigmente an

Bild 9 Beispielgeometrien zur Messung der winkelabhaumlngigen Reflexionseigen-schaften Realisiert wurden 4 Einstrah-lungsrichtungen (rote Pfeile) mit jeweils 114 Reflexionswinkeln (schwarze Punkte) im Bereich der Viertel-kugel oberhalb der Probenoberflaumlche

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PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4Das Jahr des Lichtes

bereich 0deg bis 70deg gleichmaumlszligig verteilt uumlber den Viertelraum oberhalb der Probe dauert hierbei ca 4 Stunden [14] Die so erhaltenen Daten bilden die Basis fuumlr kuumlnftige Verbesserungen in der Mess-technik fuumlr Anwender und Hersteller

Im Rahmen des EMRP-Projektes Multidimen-sional Reflectometry for Industry [13] sind damit die winkelabhaumlngigen Reflexionsspektren von insgesamt 66 verschiedenen Effektpigmentproben gemessen worden [15 16] Bei den vier verschie-denen Einstrahlungsrichtungen verbunden mit jeweils 114 Reflexionswinkeln im Bereich der Vier-telkugel oberhalb der Probenoberflaumlche ergeben sich somit uumlber 30000 Reflexionsspektren

Zielsetzung der Untersuchungen ist die Ver-besserung der Metrologie zur Materialcharak-terisierung mit reduzierter Messunsicherheit Dazu werden neue Messvorschriften und neue Standardmessartefakte entwickelt mit denen die Industrie die visuelle Wahrnehmung der von ihr produzierten Oberflaumlchen gezielt charakterisie-ren und kontrollieren kann Solche Messungen sollten einfach auszufuumlhren sein und die Ergeb-nisse muumlssen soweit wie moumlglich mit der visuellen menschlichen Wahrnehmung korrelieren Im europaumlischen und internationalen Rahmen sollen die Ergebnisse in die Normung einflieszligen um die allgemeine Vergleichbarkeit solcher Messungen zu gewaumlhrleisten

Literatur

[1] CS Henshilwood et al A 100000-Year-OldOchre-Processing Workshop at Blombos CaveSouth Africa Science Vol 334 No 6053 219ndash2222011

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[3] Colorimetry Understanding the CIE Systemed by J Schanda Wiley-Interscience NJ 2007

[4] WR Cramer Der richtige Blickwinkel Farbe amp Lack 092006 26ndash30 2006

[5] G Zaltman How Customers Think EssentialInsights into the Mind of the Market HarvardBusiness Review Press 2003

[6] DIN ISO 18451-12015-11 Pigmente Farbstof-fe und Fuumlllstoffe ndash Begriffe ndash Teil 1 AllgemeineBegriffe

[7] WR Cramer Ohne Glimmer aber mit GlanzFarbe amp Lack 042003 132ndash136 2003

[8] WR Cramer Es glitzert wie am SternenhimmelFahrzeug + Karosserie 0412 20ndash22 2012

[9] E Kirchner W Cramer Making sense of measure-ment geometries for multi-angle spectrophotome-ters Color Res Appl Vol 37 No3 186ndash198 2012

[10] D Huumlnerhoff U Grusemann A Houmlpe Newrobot-based gonioreflectometer for measuringspectral diffuse reflection Metrologia 43 S11ndashS162006

[11] A Houmlpe D Huumlnerhoff K-O Hauer Robot-basedgonioreflectometer Industrial Robotics Program-ming Simulation and Applications Low Kin-Huat Ed Pro Literatur-Verlag Mammendorf623ndash632 2007

[12] A Houmlpe T Atamas D Huumlnerhoff S TeichertK-O Hauer ARGon3 ndash bdquo3D Appearance Robot-based Gonioreflectometerrdquo at PTB Rev SciInstrum 83(4) 045102-1ndash045102-8 2012

[13] European Metrology Research Program ProjectIND52 bdquoxD-Reflectldquo Multidimensional Reflecto-metry for Industry wwwxdreflecteu(letzter Aufruf 03122015)

[14] T Atamas K-O Hauer A Houmlpe Appearancemeasurements of goniochromatic colours Predic-ting Perceptions Proceedings of the 3rd Internati-onal Conference on Appearance 149ndash154 2012

[15] A Houmlpe A Koo FM Verdu FB LeloupG Obein et al bdquoMultidimensional reflectometryfor industryrdquo (xD-Reflect) an European researchproject Proc SPIE 9018 Measuring Modelingand Reproducing Material AppearanceSPIE-ISampT Vol 9018 901804-1ndash901804-11 2014

[16] A Houmlpe K-O Hauer S Teichert D HuumlnerhoffC Strothkaumlmper Goniochromatic and Sparkleproperties of effect pigmented samples in mul-tidimensional configuration Proc SPIE 9398Measuring Modeling and Reproducing MaterialAppearance 2015 SPIE Proc Vol 9398 Appea-rance 93980O-1ndash7 2015

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Die 50 Sitzung des Internationalen Komitees fuumlr das gesetzliche Messwesen (CIML) fand vom 20 bis 22 Oktober 2015 in Arcachon Frankreich statt Im Vorfeld der CIML-Sitzung fand ein ein-taumlgiges OIML-Seminar uumlber Countries and Econo-mies with Emerging Metrology Systems (CEEMS) statt uumlber das weiter unten berichtet wird

Das CIML ist der Lenkungsausschuss der OIML Es trifft sich jaumlhrlich und besteht aus je einem Repraumlsentanten der Mitgliedstaaten der korrespondierenden Mitglieder und den Vertre-tern internationaler und regionaler Organisa-tionen die als Beobachter teilnehmen koumlnnen Das CIML ist zustaumlndig fuumlr die Vorbereitung und Durchfuumlhrung der Entscheidungen der Konfe-renz die alle vier Jahre stattfindet Es uumlberwacht die Arbeiten der Technischen Komitees und Unterkomitees und des Internationalen Buumlros fuumlr das gesetzliche Messwesen (BIML) in Paris

An der 50 CIML-Sitzung nahmen 144 Teilneh-mer aus 43 Mitgliedstaaten und 13 korrespondie-renden Mitgliedstaaten teil Zur deutschen Dele-gation gehoumlrten neben den o g Autoren auch die Herren Johann Fischer Direktor des Landesamts fuumlr Mess- und Eichwesen Berlin-Brandenburg sowie Prof Olaf Kuumlhn Direktor des Thuumlringer Landesamts fuumlr Verbraucherschutz als Vertreter der Bundeslaumlnder Dr Peter Ulbig Leiter der Abteilung Wissenschaftlich-technische Quer-schnittsaufgaben der PTB und Prof Manfred Kochsiek Vizepraumlsident a D der PTB ehema-liger CIML-Praumlsident und Ehrenmitglied der OIML Frau Dr Anna Cypionka persoumlnliche Referentin des Praumlsidenten der PTB nahm am OIML-Seminar fuumlr CEEMS teil Vertreten waren auch wieder internationale und regionale Orga-nisationen zu denen die OIML Verbindungen unterhaumllt wie das Internationale Buumlro fuumlr Maszlig und Gewicht (BIPM) die GSO-GCC Standardiza-tion Organization (Saudi-Arabien) die Internatio-nal Laboratory Accreditation Cooperation (ILAC) und der Europaumlische Verband der Waagenherstel-ler (CECIP)

Alle Beschluumlsse der 50 CIML-Sitzung koumlnnen auf den Internetseiten der OIML aufgerufen werden [1 2]

Die wichtigsten Entscheidungen und Entwick-lungen werden nachfolgend vorgestellt

1 Personalangelegenheiten

Der Vertrag von Willem Kool als Assistant Director wurde um vier Jahre der Vertrag des BIML-Direk-tors Stephen Patoray um drei Jahre verlaumlngert

2 Einfuumlhrung des PG Workspace im Internet

In seinem Bericht im Zusammenhang mit der Etablierung des neuen Webauftritts der OIML hob der CIML-Praumlsident Peter Mason (UK) die erfolgreiche Einfuumlhrung des Workspace fuumlr Pro-jektgruppen hervor Durch die Online-Arbeit wird erwartet dass die technische Arbeit an neuen bzw zu revidierenden OIML-Dokumenten vereinfacht und insgesamt effizienter wird

3 Revision der technische Richtlinien fuumlr die OIML (B 6 Directives for OIML tech-nical work)

In einem neuen Projekt sollen die in den vergan-genen Jahren revidierten OIML-Richtlinien fuumlr die technische Arbeit erneut uumlberarbeitet werden um u a den Prozess der Entwicklung und Uumlber-arbeitung von OIML-Publikationen noch weiter zu beschleunigen und den neuen internetbasierten Technologien und Arbeitsweisen Rechnung zu tragen

4 Umfassende strukturelle Uumlberarbeitung des OIML Certificate System

Das CIML verabschiedete die Gruumlndung einer Projektgruppe mit der Aufgabe einer substan-ziellen Uumlberarbeitung des OIML-Zertifizierungs-systems das z Zt aus dem Basiszertifizierungs-system und dem MAA3 besteht Urspruumlnglich ausgehend von der Annahme die Akzeptanz des MAA-Zertifizierungssystem muumlsse verstaumlrkt werden eine groumlszligere Verbreitung finden und mehr Messgeraumltearten abdecken erscheint es

Aktuelles aus der OIML (Internationale Organisation fuumlr das Gesetzliche Messwesen)Bericht uumlber die 50 Sitzung des CIML in Arcachon FrankreichSusanne Ludwig Roman Schwartz

INTERNATIONALE ZUSAMMENARBEIT

Susanne Ludwig OIMLshyGeschaumlftsstelle der PTB EshyMail susanneludwigptbde

Dir u Prof Dr Roman Schwartz Vizepraumlsident der PTB deutsches Mitglied im Internashytionalen Komitee fuumlr das Gesetzliche Messwesen (CIML) und CIMLshyVizepraumlsishydent EshyMail romanschwartzptbde

3 Mutual Acceptance Arrangement (Abshykommen zur gegenshyseitigen Anerkennung von Bauartpruumlfungen)

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PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4Internationale Zusammenarbeit

inzwischen sinnvoller und wurde so auch vom CIML beschlossen zum 112017 ein einziges OIML-Zertifizierungssystem einzufuumlhren Eine Projektgruppe (Certification System Project Group = CSPG) unter dem Vorsitz des CIML-Vizepraumlsi-denten Dr Roman Schwartz wurde damit beauf-tragt die notwendigen Dokumente und Prozedu-ren auszuarbeiten

5 OIML-Seminar fuumlr Countries and Economies with Emerging Metrology Systems (CEEMS)

Im Vorfeld der CIML-Sitzung wurde ein eintaumlgiges Seminar zum Thema Developing an OIML Package for Assistance to Countries with Emerging Metro-logy Systems (CEEMS) abgehalten In vier Sitzun-gen diskutierten 125 Teilnehmer aus 49 Laumlndern uumlber Moumlglichkeiten Laumlnder beim Aufbau von nationalen Metrologiesystemen zu unterstuumltzen In der ersten von Frau Dr Cypionka geleiteten Sitzung Capacity Building ging es um die allge-meinen Herausforderungen bei der Gestaltung von Programmen zur Foumlrderung von Handlungs-kompetenzen und Vermittlung von Wissen fuumlr die Metrologie In zwei weiteren Sitzungen wurden unter den Themen Helping CEEMS Improve Regulation in their Markets (Leitung Prof Dr Manfred Kochsiek) und New Ideas ndash Doing Legal Metrology Differently (Leitung Stuart Carstens

Suumldafrika) konkrete inhaltliche Loumlsungsvorschlaumlge vorgestellt und diskutiert Die Ergebnisse wurden in der 50 CIML-Sitzung vorgestellt und fanden ihren Niederschlag in der Resolution Nr 201510 [2] sie sollen auch noch auf den OIML-Webseiten veroumlffentlicht werden [1]

6 OIML-Publikationen

Folgende OIML-Publikationen wurden verabschiedet

R 139-3 Compressed gaseous fuels measuring systems for vehicles Part 3 Test report format

New Recommendation (R 145) Ophthalmic instru-ments mdash Impression and applanation tonometers

Alle OIML-Publikationen stehen im Internet frei zur Verfuumlgung [3]

Gleichzeitig wurde die Revision der folgenden OIML-Publikation beschlossen

Revision of R 79 Labeling requirements for prepackages

Folgende neue Projekte wurden verabschiedet

Revision des OIML-Dokuments B 6-1 Directives for OIML technical work

Bild 1 Teilnehmer der 50 Sitzung des Internationalen Komitees fuumlr Gesetz-liches Messwesen (CIML) in Arcachon Frankreich

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PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4 Aktuelles aus der OIML

TC 8SC 1 Revision R 71 Fixed storage tanks mdash General requirements

TC 8SC 1 Revision R 85 Automatic level gauges for measuring the level of liquid in stationary storage tanks

7 Personalien und Ehrungen

Die von Dr Seiler dem ehemaligen Leiter des Fachbereichs bdquoTechnische Zusammenarbeitldquo der PTB initiierte OIML-Auszeichnung fuumlr bdquoexzel-lente Beitraumlge von Entwicklungslaumlndern zum gesetzlichen Messwesenldquo ging in diesem Jahr an

bull Nam Hyuk Lim Director of Korea Testing Certi-fication und

bull The Metrology Department Saint Lucia Bureau of Standards

Die OIML-Medaille fuumlr besondere Verdienste um die OIML-Arbeit ging an Ngo Quy Viet Vietnam und Cartaxo Reis aus Portugal

8 Termine

Ein Gastgeberland fuumlr die 51 CIML-Sitzung und 15 OIML-Konferenz im Jahr 2016 konnte noch nicht bekannt gegeben werden es wird aber wahr-scheinlich wieder Frankreich sein Weitere OIML-Veranstaltungen und -Termine finden sich auf der OIML-Webseite unter [4]

9 Literatur

[1] httpswwwoimlorgen (letzter Aufruf 19112015)

[2] httpswwwoimlorgenstructurecimlpdf50-ciml-resolutions-englishpdf (letzter Aufruf 19112015)

[3] httpswwwoimlorgenpublicationsrecommen-dationspublication_viewp_type=1ampp_status=1

[4] (letzter Aufruf 19112015)[5] httpswwwoimlorgeneventscalendar

(letzter Aufruf 19112015)

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TECHNOLOGIETRANSFER

E27-Scanner fuumlr UlbrichtkugelnMit dem besonders einfach ohne Umbau einsetzbaren E27-Scanner koumlnnen Anwender und Hersteller die Homogenitaumlt ihrer Ulbricht-kugeln bestimmen und die Ergebnisse zur Berechnung genauerer Lichtstroumlme und zur Dokumentation der Qualitaumlt ihrer Messungen nutzen

Hintergrund

Wie viel Licht eine Lampe insgesamt in alle Richtungen abstrahlt wird durch ihren Lichtstrom ausgedruumlckt Um den fuumlr die Bestimmung der Energieeffizienz von Lampen notwendigen Lichtstrom schnell zu er mitteln setzt die Lampenindustrie Ulbrichtkugeln ein An einer Stange in der Mitte der Ulbrichtkugel befindet sich eine E27-Lampen-fassung in die nacheinander die Lichtstrom-Normallampe und die zu kalibrierende Lampe eingeschraubt werden Das indirekt auf den Mess-kopf fallende Licht erzeugt einen Photostrom der im Idealfall propor-tional zu dem von der Lampe abgestrahlten Lichtstrom ist unabhaumlngig von der Richtung in die das Licht abgestrahlt wird

Dies ist jedoch bei einer ungleichmaumlszligigen Beschichtung der Kugel sowie bei einer im Laufe der Zeit nicht zu verhindernden Verstaubung nicht der Fall Deshalb wird mit einem Kugelscanner die Homogenitaumlt der Kugel regelmaumlszligig vermessen und ein Korrekturfaktor bestimmt der von der jeweiligen Abstrahlcharakteristik der zu untersuchenden Lampe abhaumlngt

Technische Beschreibung

Der Kugelscanner wird einfach in eine E27-Fassung geschraubt und das sonst fuumlr die Lampenversorgung eingesetzte Netzgeraumlt wird durch die Steuereinheit ersetzt Diese uumlbernimmt sowohl die elektrische Versor-gung als auch die Befehlsuumlbermittlung zum Kugelscanner Die Steuer-einheit wird via USB oder RS232 an einen Computer angeschlossen Das mitgelieferte Messprogramm stellt automatisiert alle gewuumlnschten Richtungen ein und speichert die zugehoumlrigen von der Steuereinheit gemessenen Photostroumlme des Photometers

Wirtschaftliche Bedeutungw

Fuumlr Lampenindustrie und Hersteller von Ulbrichtkugeln

bull Genauere Messung des Lichtstroms

bull Bestimmung des Zeitpunkts einer Neubeschichtung

bull Uumlberwachung beim Beschichten

bull Dokumentation des Zustands der Ulbrichtkugel

EntwicklungsstandDer E27-Kugelscanner wurde in der PTB entwickelt Er wird laufend fuumlr Kalibrierungen eingesetzt Die Technologie wurde an die Firma Czibula amp Grundmann transferiert und wird dort mit einer PTB-Lizenz gebaut und vertrieben wwwphoto-metercom

Ansprechpartner

Dr Bernhard SmandekBeauftragter fuumlr TechnologietransferTelefon +49 531 592shy8303Telefax +49 531 592shy69shy8303EshyMail technologietransferptbde

Dr Stefan WinterFachbereich Photometrie und Radiometrie

Abbildung des E27shyKugelscanners Eine stark fokussierende Lampe die computergesteuert in alle Richtungen leuchten kann

Vorteile

bull Schneller Einbau in E27shyFassung

bull Computergesteuertes Abscannen der gesamten Ulbrichtkugel

bull Flexible Messmoumlglichkeiten

bull Fuumlr genauere Lichtstromshymessungen

bull Wichtig fuumlr die Qualitaumltsshysicherung

PTBshyNummer 0172

wwwtechnologietransferptbde

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PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4 Technologieangebote

Ansprechpartner

Dr Bernhard SmandekBeauftragter fuumlr TechnologietransferTelefon +49 531 592shy8303Telefax +49 531 592shy69shy8303EshyMail technologietransferptbde

Dr Stefan WinterArbeitsgruppe Solarzellen

PulsshyzushyCWshyKonverter

Umwandlung gepulster Laser-Strahlung in konstante StrahlungIn weiten Bereichen der optischen Metrologie ist eine Strahlungs-quelle von groszligem Nutzen die sich spektral vom UV-C bis ins mitt-lere IR durchstimmen laumlsst Lediglich Laser mit gepulster Strahlung erfuumlllen diese Anforderung bei ausreichend groszligem Ausgangssignal bisher luumlckenlos Femtosekunden-Lasersysteme waumlren aufgrund ihrer gut automatisierbaren und spektral weiten Durchstimmbarkeit die ideale Strahlungsquelle fuumlr z B radiometrische Anwendungen ndash wenn ihre Strahlung nicht gepulst waumlre

Durch das extreme Puls-Pausen-Verhaumlltnis von 10ndash5 entstehen hohe Spitzenleistungen die wiederum zu Saumlttigungseffekten bei Detek-toren und in der Folge zu nichtlinearem Verhalten fuumlhren koumlnnen Mit dem in der PTB entwickelten Puls-zu-CW-Konverter wird dieses Problem geloumlst

Technische Beschreibung

Bei dieser Methode werden Pulse gepulster Strahlungsquellen ausrei-chend hoher Repetitionsrate in CW-Strahlung umgewandelt Dabei wird jeder Puls in viele kleine Teilpulse aufgeteilt die auf unterschiedlich langen Wegstrecken unterschiedliche Laufzeiten erfahren Am Ausgang des Systems erscheinen sie dann zeitlich gleichmaumlszligig verteilt Realisiert wird dieser Puls-zu-CW-Konverter uumlber ein Glasfaserbuumlndel bei dem jede Einzelglasfaser eine individuell festgelegte Laumlnge besitzt

Mit der Entwicklung des Puls-zu-CW-Konverters wurde das ent-scheidende Manko beim Einsatz leistungsstarker Femtosekunden(fs)-Lasersysteme im Bereich der Metrologie beseitigt und erstmalig gepulste Laserstrahlung in CW-Strahlung umgewandelt Diese Neuentwicklung ermoumlglicht es nun herkoumlmmliche Monochromatorsysteme durch fs-Lasersysteme zu ersetzen die eine bis zu 1000-mal houmlhere spektrale Ausgangsleistung besitzen

Wirtschaftliche Bedeutung

Durch den neuen Puls-zu-CW-Converter koumlnnen in wirtschaftlich bedeutenden Bereichen wie z B der Photovoltaik der Photometrie der UV-Strahlungsmesstechnik und der Reflektometrie die Referenz- und Transfernormale mit einer deutlich reduzierten Messunsicherheit kali-briert werden Hier werden bislang wesentliche Messunsicherheitsan-teile durch zu geringe Strahlungsleistungen aus herkoumlmmlichen Mono-chromatorsystemen verursacht

Entwicklungsstand

Unter DE 10 2010 011 615 B4 wurde fuumlr den CW-Konverter ein Patent erteilt

Vorteile

bull Zeitliche Glaumlttung gepulster Laserstrahlung

bull Keine stoumlrenden Interferenzen

bull Nur minimale Absorption des Messsignals

bull Auch bei kuumlrzeren Wellenshylaumlngen ohne Ulbrichtkugel verwendbar

bull Kontinuierliche Verteilung des Ausgangspulses

bull Pulsvervielfachung

bull Houmlhere Strahlungsleistung

PTBshyNummer 0254

wwwtechnologietransferptbde

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PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4Technologieangebote

50

Homogenisierung von Strahlungsquellen und Focal Plane Arrays (FPA)Ein neuartiges Verfahren ermoumlglicht softwaregestuumltzt eine deutlich verbesserte Kalibrierung von Mehrelement-Sensoren (FPA) und bildgebenden Systemen (Kameras) Bei flaumlchigen Strahlungsquellen kann zusaumltzlich eine gezielte Ansteuerung von Flaumlchenelementen zu einer bisher im Allgemeinen nicht erreichbaren Flaumlchenhomogenitaumlt fuumlhren

Technische Beschreibung

Flaumlchenstrahler dienen der Kalibrierung von ortsaufloumlsenden Strah-lungssensoren wobei davon ausgegangen wird dass die Emissionsflaumlche des Strahlers im Wesentlichen homogen bezuumlglich ihrer Strahldichte bzw Strahlungstemperatur ist Um kleine Inhomogenitaumlten eines Flaumlchenstrahlers zu charakterisieren ist es ein gaumlngiges Verfahren die Emissionsflaumlche punktweise mit einem Einzeldetektor abzutasten

Das neue PTB-Verfahren ist wesentlich schneller da es den Mehr-element-Sensor (FPA) das device-under-test selbst nutzt und damit immer ein Gesamtbild der Quelle aufnimmt Werden jetzt weitere Bilder zeilen- oder spaltenversetzt aufgenommen so erlaubt ein mathema-tischer Algorithmus bei nur drei Bildern eine komplette Charakterisie-rung des Sensors aber auch der Quelle

Sind Flaumlchenelemente der Strahlungsquelle einzeln ansteuerbar so ist es sogar moumlglich mittels der ermittelten Korrekturwerte zu Strahlquellen extrem hoher Homogenitaumlt im on-line-Betrieb zu gelangen

Wirtschaftliche Bedeutung

Bildgebende Strahlungssensoren und homogene Strahlungsquellen sind relevant fuumlr die Forschung und Entwicklung fuumlr die Prozesstechnik fuumlr die Charakterisierung der Energieeffizienz von Bauten bei der Ent-wicklung neuer Bauteile mit hoher thermischer Belastung und in vielen weiteren Bereichen Der mathematische Algorithmus ist aber auf unter-schiedliche Arten von Kamerasystemen anwendbar und damit auch fuumlr die Qualitaumltssicherung von CCD-Kameras bis hin zum Konsumguuml-termarkt anwendbar EntwicklungsstandEine deutsche Patenterteilung erfolgte im September 2015 Eine PCT-Anmeldung ist anhaumlngig Kooperations- und Lizenzpartner aus den Bereichen Thermografie Radiometrie und Photometrie zur Umsetzung des Konzeptes werden gesucht

Ansprechpartner

Dr Bernhard SmandekBeauftragter fuumlr TechnologietransferTelefon +49 531 592shy8303Telefax +49 531 592shy69shy8303EshyMail technologietransferptbde

DiplshyIng Berndt GutschwagerArbeitsgruppeInfrarotshyStrahlungsthermometrie

Stahlungsmessplatz der PTB zur Kalibrierung von Temperaturstrahlern und Waumlrmebildkashymeras

Vorteile

bull Schnelle Kalibrierung von Flaumlchensensoren (FPA)

bull Schnelle Kalibrierung von Flaumlchenstrahlern

bull Strahlquellen houmlchster Hoshymogenitaumlt

bull Fuumlr Thermografie und Phoshytometrie

PTBshyNummer 00374

wwwtechnologietransferptbde

Verlag Fachverlag NW in der Carl Schuumlnemann Verlag GmbHZweite Schlachtpforte 728195 Bremen Internet wwwschuenemannde E-Mail infoschuenemann-verlagde

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Alle Rechte vorbehalten Kein Teil dieser Zeitschrift darf ohne schriftliche Genehmigung des Verlages vervielfaumlltigt oder verbreitet werden Unter dieses Verbot faumlllt insbesondere die gewerbliche Ver-vielfaumlltigung per Kopie die Aufnahme in elektro-nische Datenbanken und die Vervielfaumlltigung auf CD-ROM und in allen anderen elektronischen Datentraumlgern

Printed in Germany ISSN 0030-834X

Die fachlichen Aufsaumltze aus dieser Ausgabe der PTB-Mitteilungen sind auch online verfuumlgbar unterdoi 10779531020150499

Die Physikalisch-Technische Bundesanstalt das nationale Metrologieinstitut ist eine wissenschaftlich-technische Bundesoberbehoumlrde im Geschaumlftsbereich des Bundesministeriums fuumlr Wirtschaft und Energie

mitteilungen

Impressum

Die PTB-Mitteilungen sind metrologisches Fachjournal der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt Braunschweig und Berlin Als Fachjournal veroumlffentlichen die PTB- Mitteilungen wissenschaftliche Fachaufsaumltze zu metrologischen Themen aus den Arbeitsgebieten der PTB Die PTB-Mitteilungen stehen in einer langen Tradition die bis zu den Anfaumlngen der Physikalisch-Technischen Reichsanstalt (gegruumlndet 1887) zuruumlckreicht

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Physikalisch-Technische BundesanstaltBraunschweig und BerlinNationales Metrologieinstitut

Die Physikalisch-Technische Bundesanstalt das nationale Metrologieinstitut ist eine wissenschaftlich-technische Bundesoberbehoumlrde im Geschaumlftsbereich des Bundesministeriums fuumlr Wirtschaft und Energie

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PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4Das Jahr des Lichtes

Bild 5 Die Effekte Spar-kling (1) und Coarseness (2) des Effektpigmentes Xirallicreg Crystal Silver in einer vergroumlszliger-ten Aufnahme auf weiszligem (links) und schwarzem Hinter-grund (rechts)

scheinen im Glanzwinkel wird sie aber von der Interferenzfarbe uumlberstrahlt wie dies in Bild 4 zu sehen ist

Der Effekt eines Helligkeitsunterschiedes unter verschiedenen Betrachtungswinkeln wird als Helligkeitsflop bezeichnet und ist an sich nichts Neues Sind jedoch die einzelnen Pigmentteilchen

aufgrund ihrer planaren Reflexionsoberflaumlchen in gerichteter Beleuchtung direkt beobachtbar was fuumlr mittlere Teilchengroumlszligen von 30 microm und groumlszliger der Fall ist so ergibt dies einen Effekt welcher mit dem Begriff Sparkle (Glitzern Funkeln) bezeichnet wird (Bild 5) Aumlndert sich die Beleuchtung von einer gerichteten Einstrahlung wie es an einem wolkenlosen sonnigen Sommertag der Fall ist hin zu einer diffusen ungerichteten Einstrahlung wie an einem stark bewoumllkten Herbsttag so verschwin-det das Sparkling der Pigmente und verwandelt sich in eine Koumlrnigkeit der Oberflaumlche Dieses optische Phaumlnomen wird als Coarseness (Bild-koumlrnigkeit) bezeichnet und ist unabhaumlngig vom Betrachtungswinkel (Bild 5)

Als neuer Archetypus des Sparkle-Begriffes haben sich in den letzten Jahren die Xirallicreg Pig-mente (High Chroma Chrystal Effect Pigments) der Firma Merck KGaA entwickelt Durch die Beschich-tung von Aluminiumoxidplaumlttchen mit hochbre-chenden Metalloxiden und einer optimierten Dicke und Ebenheit aller am Pigment beteiligten Schich-ten entstehen auszligergewoumlhnlich stark reflektierende Effektpigmente die einen besonders intensiven Sparkle-Effekt aufweisen Man spricht hierbei auch von sogenanntem Living Sparkle welcher sich in einem scheinbaren bdquoTanzenldquo der leuchtenden Punkte in der Probenoberflaumlche bei Veraumlnderung der Beobachtungsgeometrie aumluszligert [7 8]

Generell gilt dass die Farbe von Objekten mit Effektlackierung nicht mehr wie jahrzehntelang uumlblich und ausreichend mit konventionellen Farb-messgeraumlten mit nur einer festen Messgeometrie wie z B in der 45deg 0deg Geometrie (Einstrahlung unter 45deg Reflexionsmessung unter 0deg) bestimmt werden kann Dieser Umstand wird sehr gut durch die Grafik in Bild 6 illustriert Dargestellt sind die winkelabhaumlngig gemessenen Farbkoordinaten von drei verschiedenen keramischen Farbstandards der Farben rot gruumln und blau sowie eines mit dem Effektpigment Viola Fantasy der Firma Merck lackierten Blechs Der Einfallswinkel des Lichts auf die Proben betrug hierbei immer 45deg zur Oberflauml-chennormalen Das von den Proben reflektierte Licht wurde an 26 Positionen in einem 5deg Raster in planaren die Oberflaumlchennormale enthalten-den Messgeometrien im Winkelbereich von ndash70deg bis +70deg aufgenommen Bei den aus absorptiven Pigmenten bestehenden Keramiken zeigt sich eine nur sehr geringe Winkelabhaumlngigkeit der Farbe welche groumlszligtenteils auf unterschiedlicher winkelabhaumlngiger Helligkeit d h den Glanzeigen-schaften der Oberflaumlche beruht Das Effektpigment dagegen zeigt einen extremen winkelabhaumlngigen Farb-Flop (Goniochromasie) welcher einen Farbverlauf von Gruumln uumlber Rot-Gelb hin ins Blau-Violett bietet

Aber auch die neuen Lackfarben aus der Gruppe der Effektlackierungen muumlssen messtechnisch

Bild 4 Merck-Xirallicreg-Solaris-Red-Effektpigmente appliziert auf einem mit Standard-Ab-sorptionspigmenten hellblau lackierten Metallblech In Rich-tung des Glanzwin-kels auf der rechten Seite zeigt sich der langsame Aufbau der winkelabhaumlngigen Interferenzfarbe

1

Bild 6 CIELab Farbkoordinaten einer winkelabhaumlngigen Reflexionsmessung an vier verschiedenen Proben drei Keramiken der Farben rot gruumln blau und eine Effektpigmentlackierung mit Merck Colorstreamreg Viola Fantasy Das untergelegte Farbschema zeigt naumlherungsweise die den Koordinaten entsprechende Farbe

2

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Effektpigmente hellipPTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4

Abbildungsoptik Messungen der ortsaufgeloumlsten Leuchtdichte auf einer Laumlngenskala bis hinab zu 28 microm auf der zu untersuchenden Probe siehe Bild 8

Mit der Zeilenkamera sind Messungen von kompletten Reflexionsspektren im sichtbaren Spektralbereich zwischen 380 nm und 780 nm dem sogenannten V(λ)-Bereich auf einer Zeit-skala von 2 Minuten moumlglich Hieraus lassen sich dann Farbkoordinaten der untersuchten Proben in den unterschiedlichsten Farbraumsystemen berechnen Eine absolute Messung in 114 Win-kelkombinationen (siehe Bild 9) im Polarwinkel-

erfasst und ruumlckgefuumlhrt werden um eine gleich-bleibende Qualitaumlt in der Produktion gewaumlhrleis-ten zu koumlnnen Gerade diese vielfaumlltigen zusaumltz-lichen Eigenschaften stellen die Farbmesstechnik vor neue Herausforderungen

Farbmessung

Bisherige kommerzielle Farbmessgeraumlte charakte-risieren Probenoberflaumlchen fast ausschlieszliglich in den eben schon erwaumlhnten sogenannten in-plane Reflexionsgeometrien Dabei liegen die Richtun-gen des eingestrahlten und des reflektierten Lichts sowie die Oberflaumlchennormale der Probe in einer Ebene Diese Einschraumlnkung entspricht jedoch in keiner Weise der taumlglichen Realitaumlt bei der Oberflaumlchen aus beliebigen Richtungen beleuchtet und betrachtet werden Seitens der Messgeraumlteher-steller und Anwender gibt es daher einen Trend zur erweiterten Charakterisierung bezuumlglich zusaumltzlicher Winkelkombinationen im dreidimen-sionalen Raum Spitzenreiter dieser Entwicklung am Markt ist derzeit ein tragbares Mehrwinkel-Spektralphotometer mit insgesamt 19 verschie-denen Reflexionsgeometrien [9] Hiermit scheint aber auch das Ende dieser Entwicklung im Bereich der portablen handgefuumlhrten Geraumlte erreicht Der Wunsch der Anwender geht aktuell wieder zuruumlck zu einer geringeren Anzahl von Winkelkombi-nationen denn es ist unklar wie man aus dem Mehr an winkelaufgeloumlsten Reflexionsdaten die fuumlr die Charakterisierung der Farbeigenschaften relevanten Informationen gewinnen kann Daher stellt sich die Frage welches sind bdquoguteldquo d h an die Messaufgabe adaptierte optimal geeignete Messgeometrien

Um diese Frage zu beantworten betreibt die AG 424 bdquoReflexion und Transmissionldquo der PTB zwei roboterbasierte Gonioreflektometer die eine winkelaufgeloumlste Reflexionsmessung in beliebi-gen bidirektionalen Geometrien ermoumlglichen [10ndash12] Diese beiden Apparaturen sind in Bild 7 dargestellt

Das Standard-Gonioreflektometer ist hierbei das nationale Normal fuumlr die Messgroumlszlige spektraler Strahldichtefaktor in gerichteten Geometrien Es dient der Realisierung Bewahrung und Weiter-gabe der gerichteten Reflexionsskale in Form von Kalibrierungen Die zweite Apparatur bezeich-net mit dem Acronym ARGon3 (3D Appearance Robot-based Gonioreflectometer) ist ein flexibles Forschungsgeraumlt mit dem experimentelle Unter-suchungen u a im Rahmen des EMRP-Projektes Multidimensional Reflectometry for Industry der EU [13] durchgefuumlhrt werden Im Ver gleich zum Standard-Gonioreflektometer ist dieses Geraumlt mit einer photometrischen Leuchtdichteka-mera und einer Zeilenkamera ausgeruumlstet Die Leuchtdichtekamera erlaubt mit einer speziellen

Bild 7 Die beiden roboter-basierten Gonio-reflektometer der PTB oben Standard-Gonioreflektometer fuumlr Kundenkalibrie-rungen unten ARGon3-Messplatz fuumlr Forschungsanwen-dungen

Bild 8 Visualisierung desSparkling-Effektesvon Xironareg-Volcanic-Sparks-Pigmenten als Falschfarben-darstellung der ortsaufgeloumlsten LeuchtdichteDie bdquoNadelnldquo zeigendie Position derPigmente an

Bild 9 Beispielgeometrien zur Messung der winkelabhaumlngigen Reflexionseigen-schaften Realisiert wurden 4 Einstrah-lungsrichtungen (rote Pfeile) mit jeweils 114 Reflexionswinkeln (schwarze Punkte) im Bereich der Viertel-kugel oberhalb der Probenoberflaumlche

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PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4Das Jahr des Lichtes

bereich 0deg bis 70deg gleichmaumlszligig verteilt uumlber den Viertelraum oberhalb der Probe dauert hierbei ca 4 Stunden [14] Die so erhaltenen Daten bilden die Basis fuumlr kuumlnftige Verbesserungen in der Mess-technik fuumlr Anwender und Hersteller

Im Rahmen des EMRP-Projektes Multidimen-sional Reflectometry for Industry [13] sind damit die winkelabhaumlngigen Reflexionsspektren von insgesamt 66 verschiedenen Effektpigmentproben gemessen worden [15 16] Bei den vier verschie-denen Einstrahlungsrichtungen verbunden mit jeweils 114 Reflexionswinkeln im Bereich der Vier-telkugel oberhalb der Probenoberflaumlche ergeben sich somit uumlber 30000 Reflexionsspektren

Zielsetzung der Untersuchungen ist die Ver-besserung der Metrologie zur Materialcharak-terisierung mit reduzierter Messunsicherheit Dazu werden neue Messvorschriften und neue Standardmessartefakte entwickelt mit denen die Industrie die visuelle Wahrnehmung der von ihr produzierten Oberflaumlchen gezielt charakterisie-ren und kontrollieren kann Solche Messungen sollten einfach auszufuumlhren sein und die Ergeb-nisse muumlssen soweit wie moumlglich mit der visuellen menschlichen Wahrnehmung korrelieren Im europaumlischen und internationalen Rahmen sollen die Ergebnisse in die Normung einflieszligen um die allgemeine Vergleichbarkeit solcher Messungen zu gewaumlhrleisten

Literatur

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[4] WR Cramer Der richtige Blickwinkel Farbe amp Lack 092006 26ndash30 2006

[5] G Zaltman How Customers Think EssentialInsights into the Mind of the Market HarvardBusiness Review Press 2003

[6] DIN ISO 18451-12015-11 Pigmente Farbstof-fe und Fuumlllstoffe ndash Begriffe ndash Teil 1 AllgemeineBegriffe

[7] WR Cramer Ohne Glimmer aber mit GlanzFarbe amp Lack 042003 132ndash136 2003

[8] WR Cramer Es glitzert wie am SternenhimmelFahrzeug + Karosserie 0412 20ndash22 2012

[9] E Kirchner W Cramer Making sense of measure-ment geometries for multi-angle spectrophotome-ters Color Res Appl Vol 37 No3 186ndash198 2012

[10] D Huumlnerhoff U Grusemann A Houmlpe Newrobot-based gonioreflectometer for measuringspectral diffuse reflection Metrologia 43 S11ndashS162006

[11] A Houmlpe D Huumlnerhoff K-O Hauer Robot-basedgonioreflectometer Industrial Robotics Program-ming Simulation and Applications Low Kin-Huat Ed Pro Literatur-Verlag Mammendorf623ndash632 2007

[12] A Houmlpe T Atamas D Huumlnerhoff S TeichertK-O Hauer ARGon3 ndash bdquo3D Appearance Robot-based Gonioreflectometerrdquo at PTB Rev SciInstrum 83(4) 045102-1ndash045102-8 2012

[13] European Metrology Research Program ProjectIND52 bdquoxD-Reflectldquo Multidimensional Reflecto-metry for Industry wwwxdreflecteu(letzter Aufruf 03122015)

[14] T Atamas K-O Hauer A Houmlpe Appearancemeasurements of goniochromatic colours Predic-ting Perceptions Proceedings of the 3rd Internati-onal Conference on Appearance 149ndash154 2012

[15] A Houmlpe A Koo FM Verdu FB LeloupG Obein et al bdquoMultidimensional reflectometryfor industryrdquo (xD-Reflect) an European researchproject Proc SPIE 9018 Measuring Modelingand Reproducing Material AppearanceSPIE-ISampT Vol 9018 901804-1ndash901804-11 2014

[16] A Houmlpe K-O Hauer S Teichert D HuumlnerhoffC Strothkaumlmper Goniochromatic and Sparkleproperties of effect pigmented samples in mul-tidimensional configuration Proc SPIE 9398Measuring Modeling and Reproducing MaterialAppearance 2015 SPIE Proc Vol 9398 Appea-rance 93980O-1ndash7 2015

45

Die 50 Sitzung des Internationalen Komitees fuumlr das gesetzliche Messwesen (CIML) fand vom 20 bis 22 Oktober 2015 in Arcachon Frankreich statt Im Vorfeld der CIML-Sitzung fand ein ein-taumlgiges OIML-Seminar uumlber Countries and Econo-mies with Emerging Metrology Systems (CEEMS) statt uumlber das weiter unten berichtet wird

Das CIML ist der Lenkungsausschuss der OIML Es trifft sich jaumlhrlich und besteht aus je einem Repraumlsentanten der Mitgliedstaaten der korrespondierenden Mitglieder und den Vertre-tern internationaler und regionaler Organisa-tionen die als Beobachter teilnehmen koumlnnen Das CIML ist zustaumlndig fuumlr die Vorbereitung und Durchfuumlhrung der Entscheidungen der Konfe-renz die alle vier Jahre stattfindet Es uumlberwacht die Arbeiten der Technischen Komitees und Unterkomitees und des Internationalen Buumlros fuumlr das gesetzliche Messwesen (BIML) in Paris

An der 50 CIML-Sitzung nahmen 144 Teilneh-mer aus 43 Mitgliedstaaten und 13 korrespondie-renden Mitgliedstaaten teil Zur deutschen Dele-gation gehoumlrten neben den o g Autoren auch die Herren Johann Fischer Direktor des Landesamts fuumlr Mess- und Eichwesen Berlin-Brandenburg sowie Prof Olaf Kuumlhn Direktor des Thuumlringer Landesamts fuumlr Verbraucherschutz als Vertreter der Bundeslaumlnder Dr Peter Ulbig Leiter der Abteilung Wissenschaftlich-technische Quer-schnittsaufgaben der PTB und Prof Manfred Kochsiek Vizepraumlsident a D der PTB ehema-liger CIML-Praumlsident und Ehrenmitglied der OIML Frau Dr Anna Cypionka persoumlnliche Referentin des Praumlsidenten der PTB nahm am OIML-Seminar fuumlr CEEMS teil Vertreten waren auch wieder internationale und regionale Orga-nisationen zu denen die OIML Verbindungen unterhaumllt wie das Internationale Buumlro fuumlr Maszlig und Gewicht (BIPM) die GSO-GCC Standardiza-tion Organization (Saudi-Arabien) die Internatio-nal Laboratory Accreditation Cooperation (ILAC) und der Europaumlische Verband der Waagenherstel-ler (CECIP)

Alle Beschluumlsse der 50 CIML-Sitzung koumlnnen auf den Internetseiten der OIML aufgerufen werden [1 2]

Die wichtigsten Entscheidungen und Entwick-lungen werden nachfolgend vorgestellt

1 Personalangelegenheiten

Der Vertrag von Willem Kool als Assistant Director wurde um vier Jahre der Vertrag des BIML-Direk-tors Stephen Patoray um drei Jahre verlaumlngert

2 Einfuumlhrung des PG Workspace im Internet

In seinem Bericht im Zusammenhang mit der Etablierung des neuen Webauftritts der OIML hob der CIML-Praumlsident Peter Mason (UK) die erfolgreiche Einfuumlhrung des Workspace fuumlr Pro-jektgruppen hervor Durch die Online-Arbeit wird erwartet dass die technische Arbeit an neuen bzw zu revidierenden OIML-Dokumenten vereinfacht und insgesamt effizienter wird

3 Revision der technische Richtlinien fuumlr die OIML (B 6 Directives for OIML tech-nical work)

In einem neuen Projekt sollen die in den vergan-genen Jahren revidierten OIML-Richtlinien fuumlr die technische Arbeit erneut uumlberarbeitet werden um u a den Prozess der Entwicklung und Uumlber-arbeitung von OIML-Publikationen noch weiter zu beschleunigen und den neuen internetbasierten Technologien und Arbeitsweisen Rechnung zu tragen

4 Umfassende strukturelle Uumlberarbeitung des OIML Certificate System

Das CIML verabschiedete die Gruumlndung einer Projektgruppe mit der Aufgabe einer substan-ziellen Uumlberarbeitung des OIML-Zertifizierungs-systems das z Zt aus dem Basiszertifizierungs-system und dem MAA3 besteht Urspruumlnglich ausgehend von der Annahme die Akzeptanz des MAA-Zertifizierungssystem muumlsse verstaumlrkt werden eine groumlszligere Verbreitung finden und mehr Messgeraumltearten abdecken erscheint es

Aktuelles aus der OIML (Internationale Organisation fuumlr das Gesetzliche Messwesen)Bericht uumlber die 50 Sitzung des CIML in Arcachon FrankreichSusanne Ludwig Roman Schwartz

INTERNATIONALE ZUSAMMENARBEIT

Susanne Ludwig OIMLshyGeschaumlftsstelle der PTB EshyMail susanneludwigptbde

Dir u Prof Dr Roman Schwartz Vizepraumlsident der PTB deutsches Mitglied im Internashytionalen Komitee fuumlr das Gesetzliche Messwesen (CIML) und CIMLshyVizepraumlsishydent EshyMail romanschwartzptbde

3 Mutual Acceptance Arrangement (Abshykommen zur gegenshyseitigen Anerkennung von Bauartpruumlfungen)

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PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4Internationale Zusammenarbeit

inzwischen sinnvoller und wurde so auch vom CIML beschlossen zum 112017 ein einziges OIML-Zertifizierungssystem einzufuumlhren Eine Projektgruppe (Certification System Project Group = CSPG) unter dem Vorsitz des CIML-Vizepraumlsi-denten Dr Roman Schwartz wurde damit beauf-tragt die notwendigen Dokumente und Prozedu-ren auszuarbeiten

5 OIML-Seminar fuumlr Countries and Economies with Emerging Metrology Systems (CEEMS)

Im Vorfeld der CIML-Sitzung wurde ein eintaumlgiges Seminar zum Thema Developing an OIML Package for Assistance to Countries with Emerging Metro-logy Systems (CEEMS) abgehalten In vier Sitzun-gen diskutierten 125 Teilnehmer aus 49 Laumlndern uumlber Moumlglichkeiten Laumlnder beim Aufbau von nationalen Metrologiesystemen zu unterstuumltzen In der ersten von Frau Dr Cypionka geleiteten Sitzung Capacity Building ging es um die allge-meinen Herausforderungen bei der Gestaltung von Programmen zur Foumlrderung von Handlungs-kompetenzen und Vermittlung von Wissen fuumlr die Metrologie In zwei weiteren Sitzungen wurden unter den Themen Helping CEEMS Improve Regulation in their Markets (Leitung Prof Dr Manfred Kochsiek) und New Ideas ndash Doing Legal Metrology Differently (Leitung Stuart Carstens

Suumldafrika) konkrete inhaltliche Loumlsungsvorschlaumlge vorgestellt und diskutiert Die Ergebnisse wurden in der 50 CIML-Sitzung vorgestellt und fanden ihren Niederschlag in der Resolution Nr 201510 [2] sie sollen auch noch auf den OIML-Webseiten veroumlffentlicht werden [1]

6 OIML-Publikationen

Folgende OIML-Publikationen wurden verabschiedet

R 139-3 Compressed gaseous fuels measuring systems for vehicles Part 3 Test report format

New Recommendation (R 145) Ophthalmic instru-ments mdash Impression and applanation tonometers

Alle OIML-Publikationen stehen im Internet frei zur Verfuumlgung [3]

Gleichzeitig wurde die Revision der folgenden OIML-Publikation beschlossen

Revision of R 79 Labeling requirements for prepackages

Folgende neue Projekte wurden verabschiedet

Revision des OIML-Dokuments B 6-1 Directives for OIML technical work

Bild 1 Teilnehmer der 50 Sitzung des Internationalen Komitees fuumlr Gesetz-liches Messwesen (CIML) in Arcachon Frankreich

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PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4 Aktuelles aus der OIML

TC 8SC 1 Revision R 71 Fixed storage tanks mdash General requirements

TC 8SC 1 Revision R 85 Automatic level gauges for measuring the level of liquid in stationary storage tanks

7 Personalien und Ehrungen

Die von Dr Seiler dem ehemaligen Leiter des Fachbereichs bdquoTechnische Zusammenarbeitldquo der PTB initiierte OIML-Auszeichnung fuumlr bdquoexzel-lente Beitraumlge von Entwicklungslaumlndern zum gesetzlichen Messwesenldquo ging in diesem Jahr an

bull Nam Hyuk Lim Director of Korea Testing Certi-fication und

bull The Metrology Department Saint Lucia Bureau of Standards

Die OIML-Medaille fuumlr besondere Verdienste um die OIML-Arbeit ging an Ngo Quy Viet Vietnam und Cartaxo Reis aus Portugal

8 Termine

Ein Gastgeberland fuumlr die 51 CIML-Sitzung und 15 OIML-Konferenz im Jahr 2016 konnte noch nicht bekannt gegeben werden es wird aber wahr-scheinlich wieder Frankreich sein Weitere OIML-Veranstaltungen und -Termine finden sich auf der OIML-Webseite unter [4]

9 Literatur

[1] httpswwwoimlorgen (letzter Aufruf 19112015)

[2] httpswwwoimlorgenstructurecimlpdf50-ciml-resolutions-englishpdf (letzter Aufruf 19112015)

[3] httpswwwoimlorgenpublicationsrecommen-dationspublication_viewp_type=1ampp_status=1

[4] (letzter Aufruf 19112015)[5] httpswwwoimlorgeneventscalendar

(letzter Aufruf 19112015)

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TECHNOLOGIETRANSFER

E27-Scanner fuumlr UlbrichtkugelnMit dem besonders einfach ohne Umbau einsetzbaren E27-Scanner koumlnnen Anwender und Hersteller die Homogenitaumlt ihrer Ulbricht-kugeln bestimmen und die Ergebnisse zur Berechnung genauerer Lichtstroumlme und zur Dokumentation der Qualitaumlt ihrer Messungen nutzen

Hintergrund

Wie viel Licht eine Lampe insgesamt in alle Richtungen abstrahlt wird durch ihren Lichtstrom ausgedruumlckt Um den fuumlr die Bestimmung der Energieeffizienz von Lampen notwendigen Lichtstrom schnell zu er mitteln setzt die Lampenindustrie Ulbrichtkugeln ein An einer Stange in der Mitte der Ulbrichtkugel befindet sich eine E27-Lampen-fassung in die nacheinander die Lichtstrom-Normallampe und die zu kalibrierende Lampe eingeschraubt werden Das indirekt auf den Mess-kopf fallende Licht erzeugt einen Photostrom der im Idealfall propor-tional zu dem von der Lampe abgestrahlten Lichtstrom ist unabhaumlngig von der Richtung in die das Licht abgestrahlt wird

Dies ist jedoch bei einer ungleichmaumlszligigen Beschichtung der Kugel sowie bei einer im Laufe der Zeit nicht zu verhindernden Verstaubung nicht der Fall Deshalb wird mit einem Kugelscanner die Homogenitaumlt der Kugel regelmaumlszligig vermessen und ein Korrekturfaktor bestimmt der von der jeweiligen Abstrahlcharakteristik der zu untersuchenden Lampe abhaumlngt

Technische Beschreibung

Der Kugelscanner wird einfach in eine E27-Fassung geschraubt und das sonst fuumlr die Lampenversorgung eingesetzte Netzgeraumlt wird durch die Steuereinheit ersetzt Diese uumlbernimmt sowohl die elektrische Versor-gung als auch die Befehlsuumlbermittlung zum Kugelscanner Die Steuer-einheit wird via USB oder RS232 an einen Computer angeschlossen Das mitgelieferte Messprogramm stellt automatisiert alle gewuumlnschten Richtungen ein und speichert die zugehoumlrigen von der Steuereinheit gemessenen Photostroumlme des Photometers

Wirtschaftliche Bedeutungw

Fuumlr Lampenindustrie und Hersteller von Ulbrichtkugeln

bull Genauere Messung des Lichtstroms

bull Bestimmung des Zeitpunkts einer Neubeschichtung

bull Uumlberwachung beim Beschichten

bull Dokumentation des Zustands der Ulbrichtkugel

EntwicklungsstandDer E27-Kugelscanner wurde in der PTB entwickelt Er wird laufend fuumlr Kalibrierungen eingesetzt Die Technologie wurde an die Firma Czibula amp Grundmann transferiert und wird dort mit einer PTB-Lizenz gebaut und vertrieben wwwphoto-metercom

Ansprechpartner

Dr Bernhard SmandekBeauftragter fuumlr TechnologietransferTelefon +49 531 592shy8303Telefax +49 531 592shy69shy8303EshyMail technologietransferptbde

Dr Stefan WinterFachbereich Photometrie und Radiometrie

Abbildung des E27shyKugelscanners Eine stark fokussierende Lampe die computergesteuert in alle Richtungen leuchten kann

Vorteile

bull Schneller Einbau in E27shyFassung

bull Computergesteuertes Abscannen der gesamten Ulbrichtkugel

bull Flexible Messmoumlglichkeiten

bull Fuumlr genauere Lichtstromshymessungen

bull Wichtig fuumlr die Qualitaumltsshysicherung

PTBshyNummer 0172

wwwtechnologietransferptbde

49

PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4 Technologieangebote

Ansprechpartner

Dr Bernhard SmandekBeauftragter fuumlr TechnologietransferTelefon +49 531 592shy8303Telefax +49 531 592shy69shy8303EshyMail technologietransferptbde

Dr Stefan WinterArbeitsgruppe Solarzellen

PulsshyzushyCWshyKonverter

Umwandlung gepulster Laser-Strahlung in konstante StrahlungIn weiten Bereichen der optischen Metrologie ist eine Strahlungs-quelle von groszligem Nutzen die sich spektral vom UV-C bis ins mitt-lere IR durchstimmen laumlsst Lediglich Laser mit gepulster Strahlung erfuumlllen diese Anforderung bei ausreichend groszligem Ausgangssignal bisher luumlckenlos Femtosekunden-Lasersysteme waumlren aufgrund ihrer gut automatisierbaren und spektral weiten Durchstimmbarkeit die ideale Strahlungsquelle fuumlr z B radiometrische Anwendungen ndash wenn ihre Strahlung nicht gepulst waumlre

Durch das extreme Puls-Pausen-Verhaumlltnis von 10ndash5 entstehen hohe Spitzenleistungen die wiederum zu Saumlttigungseffekten bei Detek-toren und in der Folge zu nichtlinearem Verhalten fuumlhren koumlnnen Mit dem in der PTB entwickelten Puls-zu-CW-Konverter wird dieses Problem geloumlst

Technische Beschreibung

Bei dieser Methode werden Pulse gepulster Strahlungsquellen ausrei-chend hoher Repetitionsrate in CW-Strahlung umgewandelt Dabei wird jeder Puls in viele kleine Teilpulse aufgeteilt die auf unterschiedlich langen Wegstrecken unterschiedliche Laufzeiten erfahren Am Ausgang des Systems erscheinen sie dann zeitlich gleichmaumlszligig verteilt Realisiert wird dieser Puls-zu-CW-Konverter uumlber ein Glasfaserbuumlndel bei dem jede Einzelglasfaser eine individuell festgelegte Laumlnge besitzt

Mit der Entwicklung des Puls-zu-CW-Konverters wurde das ent-scheidende Manko beim Einsatz leistungsstarker Femtosekunden(fs)-Lasersysteme im Bereich der Metrologie beseitigt und erstmalig gepulste Laserstrahlung in CW-Strahlung umgewandelt Diese Neuentwicklung ermoumlglicht es nun herkoumlmmliche Monochromatorsysteme durch fs-Lasersysteme zu ersetzen die eine bis zu 1000-mal houmlhere spektrale Ausgangsleistung besitzen

Wirtschaftliche Bedeutung

Durch den neuen Puls-zu-CW-Converter koumlnnen in wirtschaftlich bedeutenden Bereichen wie z B der Photovoltaik der Photometrie der UV-Strahlungsmesstechnik und der Reflektometrie die Referenz- und Transfernormale mit einer deutlich reduzierten Messunsicherheit kali-briert werden Hier werden bislang wesentliche Messunsicherheitsan-teile durch zu geringe Strahlungsleistungen aus herkoumlmmlichen Mono-chromatorsystemen verursacht

Entwicklungsstand

Unter DE 10 2010 011 615 B4 wurde fuumlr den CW-Konverter ein Patent erteilt

Vorteile

bull Zeitliche Glaumlttung gepulster Laserstrahlung

bull Keine stoumlrenden Interferenzen

bull Nur minimale Absorption des Messsignals

bull Auch bei kuumlrzeren Wellenshylaumlngen ohne Ulbrichtkugel verwendbar

bull Kontinuierliche Verteilung des Ausgangspulses

bull Pulsvervielfachung

bull Houmlhere Strahlungsleistung

PTBshyNummer 0254

wwwtechnologietransferptbde

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PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4Technologieangebote

50

Homogenisierung von Strahlungsquellen und Focal Plane Arrays (FPA)Ein neuartiges Verfahren ermoumlglicht softwaregestuumltzt eine deutlich verbesserte Kalibrierung von Mehrelement-Sensoren (FPA) und bildgebenden Systemen (Kameras) Bei flaumlchigen Strahlungsquellen kann zusaumltzlich eine gezielte Ansteuerung von Flaumlchenelementen zu einer bisher im Allgemeinen nicht erreichbaren Flaumlchenhomogenitaumlt fuumlhren

Technische Beschreibung

Flaumlchenstrahler dienen der Kalibrierung von ortsaufloumlsenden Strah-lungssensoren wobei davon ausgegangen wird dass die Emissionsflaumlche des Strahlers im Wesentlichen homogen bezuumlglich ihrer Strahldichte bzw Strahlungstemperatur ist Um kleine Inhomogenitaumlten eines Flaumlchenstrahlers zu charakterisieren ist es ein gaumlngiges Verfahren die Emissionsflaumlche punktweise mit einem Einzeldetektor abzutasten

Das neue PTB-Verfahren ist wesentlich schneller da es den Mehr-element-Sensor (FPA) das device-under-test selbst nutzt und damit immer ein Gesamtbild der Quelle aufnimmt Werden jetzt weitere Bilder zeilen- oder spaltenversetzt aufgenommen so erlaubt ein mathema-tischer Algorithmus bei nur drei Bildern eine komplette Charakterisie-rung des Sensors aber auch der Quelle

Sind Flaumlchenelemente der Strahlungsquelle einzeln ansteuerbar so ist es sogar moumlglich mittels der ermittelten Korrekturwerte zu Strahlquellen extrem hoher Homogenitaumlt im on-line-Betrieb zu gelangen

Wirtschaftliche Bedeutung

Bildgebende Strahlungssensoren und homogene Strahlungsquellen sind relevant fuumlr die Forschung und Entwicklung fuumlr die Prozesstechnik fuumlr die Charakterisierung der Energieeffizienz von Bauten bei der Ent-wicklung neuer Bauteile mit hoher thermischer Belastung und in vielen weiteren Bereichen Der mathematische Algorithmus ist aber auf unter-schiedliche Arten von Kamerasystemen anwendbar und damit auch fuumlr die Qualitaumltssicherung von CCD-Kameras bis hin zum Konsumguuml-termarkt anwendbar EntwicklungsstandEine deutsche Patenterteilung erfolgte im September 2015 Eine PCT-Anmeldung ist anhaumlngig Kooperations- und Lizenzpartner aus den Bereichen Thermografie Radiometrie und Photometrie zur Umsetzung des Konzeptes werden gesucht

Ansprechpartner

Dr Bernhard SmandekBeauftragter fuumlr TechnologietransferTelefon +49 531 592shy8303Telefax +49 531 592shy69shy8303EshyMail technologietransferptbde

DiplshyIng Berndt GutschwagerArbeitsgruppeInfrarotshyStrahlungsthermometrie

Stahlungsmessplatz der PTB zur Kalibrierung von Temperaturstrahlern und Waumlrmebildkashymeras

Vorteile

bull Schnelle Kalibrierung von Flaumlchensensoren (FPA)

bull Schnelle Kalibrierung von Flaumlchenstrahlern

bull Strahlquellen houmlchster Hoshymogenitaumlt

bull Fuumlr Thermografie und Phoshytometrie

PTBshyNummer 00374

wwwtechnologietransferptbde

Verlag Fachverlag NW in der Carl Schuumlnemann Verlag GmbHZweite Schlachtpforte 728195 Bremen Internet wwwschuenemannde E-Mail infoschuenemann-verlagde

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Printed in Germany ISSN 0030-834X

Die fachlichen Aufsaumltze aus dieser Ausgabe der PTB-Mitteilungen sind auch online verfuumlgbar unterdoi 10779531020150499

Die Physikalisch-Technische Bundesanstalt das nationale Metrologieinstitut ist eine wissenschaftlich-technische Bundesoberbehoumlrde im Geschaumlftsbereich des Bundesministeriums fuumlr Wirtschaft und Energie

mitteilungen

Impressum

Die PTB-Mitteilungen sind metrologisches Fachjournal der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt Braunschweig und Berlin Als Fachjournal veroumlffentlichen die PTB- Mitteilungen wissenschaftliche Fachaufsaumltze zu metrologischen Themen aus den Arbeitsgebieten der PTB Die PTB-Mitteilungen stehen in einer langen Tradition die bis zu den Anfaumlngen der Physikalisch-Technischen Reichsanstalt (gegruumlndet 1887) zuruumlckreicht

Bundesallee 100 38116 Braunschweig

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Physikalisch-Technische BundesanstaltBraunschweig und BerlinNationales Metrologieinstitut

Die Physikalisch-Technische Bundesanstalt das nationale Metrologieinstitut ist eine wissenschaftlich-technische Bundesoberbehoumlrde im Geschaumlftsbereich des Bundesministeriums fuumlr Wirtschaft und Energie

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Effektpigmente hellipPTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4

Abbildungsoptik Messungen der ortsaufgeloumlsten Leuchtdichte auf einer Laumlngenskala bis hinab zu 28 microm auf der zu untersuchenden Probe siehe Bild 8

Mit der Zeilenkamera sind Messungen von kompletten Reflexionsspektren im sichtbaren Spektralbereich zwischen 380 nm und 780 nm dem sogenannten V(λ)-Bereich auf einer Zeit-skala von 2 Minuten moumlglich Hieraus lassen sich dann Farbkoordinaten der untersuchten Proben in den unterschiedlichsten Farbraumsystemen berechnen Eine absolute Messung in 114 Win-kelkombinationen (siehe Bild 9) im Polarwinkel-

erfasst und ruumlckgefuumlhrt werden um eine gleich-bleibende Qualitaumlt in der Produktion gewaumlhrleis-ten zu koumlnnen Gerade diese vielfaumlltigen zusaumltz-lichen Eigenschaften stellen die Farbmesstechnik vor neue Herausforderungen

Farbmessung

Bisherige kommerzielle Farbmessgeraumlte charakte-risieren Probenoberflaumlchen fast ausschlieszliglich in den eben schon erwaumlhnten sogenannten in-plane Reflexionsgeometrien Dabei liegen die Richtun-gen des eingestrahlten und des reflektierten Lichts sowie die Oberflaumlchennormale der Probe in einer Ebene Diese Einschraumlnkung entspricht jedoch in keiner Weise der taumlglichen Realitaumlt bei der Oberflaumlchen aus beliebigen Richtungen beleuchtet und betrachtet werden Seitens der Messgeraumlteher-steller und Anwender gibt es daher einen Trend zur erweiterten Charakterisierung bezuumlglich zusaumltzlicher Winkelkombinationen im dreidimen-sionalen Raum Spitzenreiter dieser Entwicklung am Markt ist derzeit ein tragbares Mehrwinkel-Spektralphotometer mit insgesamt 19 verschie-denen Reflexionsgeometrien [9] Hiermit scheint aber auch das Ende dieser Entwicklung im Bereich der portablen handgefuumlhrten Geraumlte erreicht Der Wunsch der Anwender geht aktuell wieder zuruumlck zu einer geringeren Anzahl von Winkelkombi-nationen denn es ist unklar wie man aus dem Mehr an winkelaufgeloumlsten Reflexionsdaten die fuumlr die Charakterisierung der Farbeigenschaften relevanten Informationen gewinnen kann Daher stellt sich die Frage welches sind bdquoguteldquo d h an die Messaufgabe adaptierte optimal geeignete Messgeometrien

Um diese Frage zu beantworten betreibt die AG 424 bdquoReflexion und Transmissionldquo der PTB zwei roboterbasierte Gonioreflektometer die eine winkelaufgeloumlste Reflexionsmessung in beliebi-gen bidirektionalen Geometrien ermoumlglichen [10ndash12] Diese beiden Apparaturen sind in Bild 7 dargestellt

Das Standard-Gonioreflektometer ist hierbei das nationale Normal fuumlr die Messgroumlszlige spektraler Strahldichtefaktor in gerichteten Geometrien Es dient der Realisierung Bewahrung und Weiter-gabe der gerichteten Reflexionsskale in Form von Kalibrierungen Die zweite Apparatur bezeich-net mit dem Acronym ARGon3 (3D Appearance Robot-based Gonioreflectometer) ist ein flexibles Forschungsgeraumlt mit dem experimentelle Unter-suchungen u a im Rahmen des EMRP-Projektes Multidimensional Reflectometry for Industry der EU [13] durchgefuumlhrt werden Im Ver gleich zum Standard-Gonioreflektometer ist dieses Geraumlt mit einer photometrischen Leuchtdichteka-mera und einer Zeilenkamera ausgeruumlstet Die Leuchtdichtekamera erlaubt mit einer speziellen

Bild 7 Die beiden roboter-basierten Gonio-reflektometer der PTB oben Standard-Gonioreflektometer fuumlr Kundenkalibrie-rungen unten ARGon3-Messplatz fuumlr Forschungsanwen-dungen

Bild 8 Visualisierung desSparkling-Effektesvon Xironareg-Volcanic-Sparks-Pigmenten als Falschfarben-darstellung der ortsaufgeloumlsten LeuchtdichteDie bdquoNadelnldquo zeigendie Position derPigmente an

Bild 9 Beispielgeometrien zur Messung der winkelabhaumlngigen Reflexionseigen-schaften Realisiert wurden 4 Einstrah-lungsrichtungen (rote Pfeile) mit jeweils 114 Reflexionswinkeln (schwarze Punkte) im Bereich der Viertel-kugel oberhalb der Probenoberflaumlche

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PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4Das Jahr des Lichtes

bereich 0deg bis 70deg gleichmaumlszligig verteilt uumlber den Viertelraum oberhalb der Probe dauert hierbei ca 4 Stunden [14] Die so erhaltenen Daten bilden die Basis fuumlr kuumlnftige Verbesserungen in der Mess-technik fuumlr Anwender und Hersteller

Im Rahmen des EMRP-Projektes Multidimen-sional Reflectometry for Industry [13] sind damit die winkelabhaumlngigen Reflexionsspektren von insgesamt 66 verschiedenen Effektpigmentproben gemessen worden [15 16] Bei den vier verschie-denen Einstrahlungsrichtungen verbunden mit jeweils 114 Reflexionswinkeln im Bereich der Vier-telkugel oberhalb der Probenoberflaumlche ergeben sich somit uumlber 30000 Reflexionsspektren

Zielsetzung der Untersuchungen ist die Ver-besserung der Metrologie zur Materialcharak-terisierung mit reduzierter Messunsicherheit Dazu werden neue Messvorschriften und neue Standardmessartefakte entwickelt mit denen die Industrie die visuelle Wahrnehmung der von ihr produzierten Oberflaumlchen gezielt charakterisie-ren und kontrollieren kann Solche Messungen sollten einfach auszufuumlhren sein und die Ergeb-nisse muumlssen soweit wie moumlglich mit der visuellen menschlichen Wahrnehmung korrelieren Im europaumlischen und internationalen Rahmen sollen die Ergebnisse in die Normung einflieszligen um die allgemeine Vergleichbarkeit solcher Messungen zu gewaumlhrleisten

Literatur

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[10] D Huumlnerhoff U Grusemann A Houmlpe Newrobot-based gonioreflectometer for measuringspectral diffuse reflection Metrologia 43 S11ndashS162006

[11] A Houmlpe D Huumlnerhoff K-O Hauer Robot-basedgonioreflectometer Industrial Robotics Program-ming Simulation and Applications Low Kin-Huat Ed Pro Literatur-Verlag Mammendorf623ndash632 2007

[12] A Houmlpe T Atamas D Huumlnerhoff S TeichertK-O Hauer ARGon3 ndash bdquo3D Appearance Robot-based Gonioreflectometerrdquo at PTB Rev SciInstrum 83(4) 045102-1ndash045102-8 2012

[13] European Metrology Research Program ProjectIND52 bdquoxD-Reflectldquo Multidimensional Reflecto-metry for Industry wwwxdreflecteu(letzter Aufruf 03122015)

[14] T Atamas K-O Hauer A Houmlpe Appearancemeasurements of goniochromatic colours Predic-ting Perceptions Proceedings of the 3rd Internati-onal Conference on Appearance 149ndash154 2012

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[16] A Houmlpe K-O Hauer S Teichert D HuumlnerhoffC Strothkaumlmper Goniochromatic and Sparkleproperties of effect pigmented samples in mul-tidimensional configuration Proc SPIE 9398Measuring Modeling and Reproducing MaterialAppearance 2015 SPIE Proc Vol 9398 Appea-rance 93980O-1ndash7 2015

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Die 50 Sitzung des Internationalen Komitees fuumlr das gesetzliche Messwesen (CIML) fand vom 20 bis 22 Oktober 2015 in Arcachon Frankreich statt Im Vorfeld der CIML-Sitzung fand ein ein-taumlgiges OIML-Seminar uumlber Countries and Econo-mies with Emerging Metrology Systems (CEEMS) statt uumlber das weiter unten berichtet wird

Das CIML ist der Lenkungsausschuss der OIML Es trifft sich jaumlhrlich und besteht aus je einem Repraumlsentanten der Mitgliedstaaten der korrespondierenden Mitglieder und den Vertre-tern internationaler und regionaler Organisa-tionen die als Beobachter teilnehmen koumlnnen Das CIML ist zustaumlndig fuumlr die Vorbereitung und Durchfuumlhrung der Entscheidungen der Konfe-renz die alle vier Jahre stattfindet Es uumlberwacht die Arbeiten der Technischen Komitees und Unterkomitees und des Internationalen Buumlros fuumlr das gesetzliche Messwesen (BIML) in Paris

An der 50 CIML-Sitzung nahmen 144 Teilneh-mer aus 43 Mitgliedstaaten und 13 korrespondie-renden Mitgliedstaaten teil Zur deutschen Dele-gation gehoumlrten neben den o g Autoren auch die Herren Johann Fischer Direktor des Landesamts fuumlr Mess- und Eichwesen Berlin-Brandenburg sowie Prof Olaf Kuumlhn Direktor des Thuumlringer Landesamts fuumlr Verbraucherschutz als Vertreter der Bundeslaumlnder Dr Peter Ulbig Leiter der Abteilung Wissenschaftlich-technische Quer-schnittsaufgaben der PTB und Prof Manfred Kochsiek Vizepraumlsident a D der PTB ehema-liger CIML-Praumlsident und Ehrenmitglied der OIML Frau Dr Anna Cypionka persoumlnliche Referentin des Praumlsidenten der PTB nahm am OIML-Seminar fuumlr CEEMS teil Vertreten waren auch wieder internationale und regionale Orga-nisationen zu denen die OIML Verbindungen unterhaumllt wie das Internationale Buumlro fuumlr Maszlig und Gewicht (BIPM) die GSO-GCC Standardiza-tion Organization (Saudi-Arabien) die Internatio-nal Laboratory Accreditation Cooperation (ILAC) und der Europaumlische Verband der Waagenherstel-ler (CECIP)

Alle Beschluumlsse der 50 CIML-Sitzung koumlnnen auf den Internetseiten der OIML aufgerufen werden [1 2]

Die wichtigsten Entscheidungen und Entwick-lungen werden nachfolgend vorgestellt

1 Personalangelegenheiten

Der Vertrag von Willem Kool als Assistant Director wurde um vier Jahre der Vertrag des BIML-Direk-tors Stephen Patoray um drei Jahre verlaumlngert

2 Einfuumlhrung des PG Workspace im Internet

In seinem Bericht im Zusammenhang mit der Etablierung des neuen Webauftritts der OIML hob der CIML-Praumlsident Peter Mason (UK) die erfolgreiche Einfuumlhrung des Workspace fuumlr Pro-jektgruppen hervor Durch die Online-Arbeit wird erwartet dass die technische Arbeit an neuen bzw zu revidierenden OIML-Dokumenten vereinfacht und insgesamt effizienter wird

3 Revision der technische Richtlinien fuumlr die OIML (B 6 Directives for OIML tech-nical work)

In einem neuen Projekt sollen die in den vergan-genen Jahren revidierten OIML-Richtlinien fuumlr die technische Arbeit erneut uumlberarbeitet werden um u a den Prozess der Entwicklung und Uumlber-arbeitung von OIML-Publikationen noch weiter zu beschleunigen und den neuen internetbasierten Technologien und Arbeitsweisen Rechnung zu tragen

4 Umfassende strukturelle Uumlberarbeitung des OIML Certificate System

Das CIML verabschiedete die Gruumlndung einer Projektgruppe mit der Aufgabe einer substan-ziellen Uumlberarbeitung des OIML-Zertifizierungs-systems das z Zt aus dem Basiszertifizierungs-system und dem MAA3 besteht Urspruumlnglich ausgehend von der Annahme die Akzeptanz des MAA-Zertifizierungssystem muumlsse verstaumlrkt werden eine groumlszligere Verbreitung finden und mehr Messgeraumltearten abdecken erscheint es

Aktuelles aus der OIML (Internationale Organisation fuumlr das Gesetzliche Messwesen)Bericht uumlber die 50 Sitzung des CIML in Arcachon FrankreichSusanne Ludwig Roman Schwartz

INTERNATIONALE ZUSAMMENARBEIT

Susanne Ludwig OIMLshyGeschaumlftsstelle der PTB EshyMail susanneludwigptbde

Dir u Prof Dr Roman Schwartz Vizepraumlsident der PTB deutsches Mitglied im Internashytionalen Komitee fuumlr das Gesetzliche Messwesen (CIML) und CIMLshyVizepraumlsishydent EshyMail romanschwartzptbde

3 Mutual Acceptance Arrangement (Abshykommen zur gegenshyseitigen Anerkennung von Bauartpruumlfungen)

46

PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4Internationale Zusammenarbeit

inzwischen sinnvoller und wurde so auch vom CIML beschlossen zum 112017 ein einziges OIML-Zertifizierungssystem einzufuumlhren Eine Projektgruppe (Certification System Project Group = CSPG) unter dem Vorsitz des CIML-Vizepraumlsi-denten Dr Roman Schwartz wurde damit beauf-tragt die notwendigen Dokumente und Prozedu-ren auszuarbeiten

5 OIML-Seminar fuumlr Countries and Economies with Emerging Metrology Systems (CEEMS)

Im Vorfeld der CIML-Sitzung wurde ein eintaumlgiges Seminar zum Thema Developing an OIML Package for Assistance to Countries with Emerging Metro-logy Systems (CEEMS) abgehalten In vier Sitzun-gen diskutierten 125 Teilnehmer aus 49 Laumlndern uumlber Moumlglichkeiten Laumlnder beim Aufbau von nationalen Metrologiesystemen zu unterstuumltzen In der ersten von Frau Dr Cypionka geleiteten Sitzung Capacity Building ging es um die allge-meinen Herausforderungen bei der Gestaltung von Programmen zur Foumlrderung von Handlungs-kompetenzen und Vermittlung von Wissen fuumlr die Metrologie In zwei weiteren Sitzungen wurden unter den Themen Helping CEEMS Improve Regulation in their Markets (Leitung Prof Dr Manfred Kochsiek) und New Ideas ndash Doing Legal Metrology Differently (Leitung Stuart Carstens

Suumldafrika) konkrete inhaltliche Loumlsungsvorschlaumlge vorgestellt und diskutiert Die Ergebnisse wurden in der 50 CIML-Sitzung vorgestellt und fanden ihren Niederschlag in der Resolution Nr 201510 [2] sie sollen auch noch auf den OIML-Webseiten veroumlffentlicht werden [1]

6 OIML-Publikationen

Folgende OIML-Publikationen wurden verabschiedet

R 139-3 Compressed gaseous fuels measuring systems for vehicles Part 3 Test report format

New Recommendation (R 145) Ophthalmic instru-ments mdash Impression and applanation tonometers

Alle OIML-Publikationen stehen im Internet frei zur Verfuumlgung [3]

Gleichzeitig wurde die Revision der folgenden OIML-Publikation beschlossen

Revision of R 79 Labeling requirements for prepackages

Folgende neue Projekte wurden verabschiedet

Revision des OIML-Dokuments B 6-1 Directives for OIML technical work

Bild 1 Teilnehmer der 50 Sitzung des Internationalen Komitees fuumlr Gesetz-liches Messwesen (CIML) in Arcachon Frankreich

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PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4 Aktuelles aus der OIML

TC 8SC 1 Revision R 71 Fixed storage tanks mdash General requirements

TC 8SC 1 Revision R 85 Automatic level gauges for measuring the level of liquid in stationary storage tanks

7 Personalien und Ehrungen

Die von Dr Seiler dem ehemaligen Leiter des Fachbereichs bdquoTechnische Zusammenarbeitldquo der PTB initiierte OIML-Auszeichnung fuumlr bdquoexzel-lente Beitraumlge von Entwicklungslaumlndern zum gesetzlichen Messwesenldquo ging in diesem Jahr an

bull Nam Hyuk Lim Director of Korea Testing Certi-fication und

bull The Metrology Department Saint Lucia Bureau of Standards

Die OIML-Medaille fuumlr besondere Verdienste um die OIML-Arbeit ging an Ngo Quy Viet Vietnam und Cartaxo Reis aus Portugal

8 Termine

Ein Gastgeberland fuumlr die 51 CIML-Sitzung und 15 OIML-Konferenz im Jahr 2016 konnte noch nicht bekannt gegeben werden es wird aber wahr-scheinlich wieder Frankreich sein Weitere OIML-Veranstaltungen und -Termine finden sich auf der OIML-Webseite unter [4]

9 Literatur

[1] httpswwwoimlorgen (letzter Aufruf 19112015)

[2] httpswwwoimlorgenstructurecimlpdf50-ciml-resolutions-englishpdf (letzter Aufruf 19112015)

[3] httpswwwoimlorgenpublicationsrecommen-dationspublication_viewp_type=1ampp_status=1

[4] (letzter Aufruf 19112015)[5] httpswwwoimlorgeneventscalendar

(letzter Aufruf 19112015)

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TECHNOLOGIETRANSFER

E27-Scanner fuumlr UlbrichtkugelnMit dem besonders einfach ohne Umbau einsetzbaren E27-Scanner koumlnnen Anwender und Hersteller die Homogenitaumlt ihrer Ulbricht-kugeln bestimmen und die Ergebnisse zur Berechnung genauerer Lichtstroumlme und zur Dokumentation der Qualitaumlt ihrer Messungen nutzen

Hintergrund

Wie viel Licht eine Lampe insgesamt in alle Richtungen abstrahlt wird durch ihren Lichtstrom ausgedruumlckt Um den fuumlr die Bestimmung der Energieeffizienz von Lampen notwendigen Lichtstrom schnell zu er mitteln setzt die Lampenindustrie Ulbrichtkugeln ein An einer Stange in der Mitte der Ulbrichtkugel befindet sich eine E27-Lampen-fassung in die nacheinander die Lichtstrom-Normallampe und die zu kalibrierende Lampe eingeschraubt werden Das indirekt auf den Mess-kopf fallende Licht erzeugt einen Photostrom der im Idealfall propor-tional zu dem von der Lampe abgestrahlten Lichtstrom ist unabhaumlngig von der Richtung in die das Licht abgestrahlt wird

Dies ist jedoch bei einer ungleichmaumlszligigen Beschichtung der Kugel sowie bei einer im Laufe der Zeit nicht zu verhindernden Verstaubung nicht der Fall Deshalb wird mit einem Kugelscanner die Homogenitaumlt der Kugel regelmaumlszligig vermessen und ein Korrekturfaktor bestimmt der von der jeweiligen Abstrahlcharakteristik der zu untersuchenden Lampe abhaumlngt

Technische Beschreibung

Der Kugelscanner wird einfach in eine E27-Fassung geschraubt und das sonst fuumlr die Lampenversorgung eingesetzte Netzgeraumlt wird durch die Steuereinheit ersetzt Diese uumlbernimmt sowohl die elektrische Versor-gung als auch die Befehlsuumlbermittlung zum Kugelscanner Die Steuer-einheit wird via USB oder RS232 an einen Computer angeschlossen Das mitgelieferte Messprogramm stellt automatisiert alle gewuumlnschten Richtungen ein und speichert die zugehoumlrigen von der Steuereinheit gemessenen Photostroumlme des Photometers

Wirtschaftliche Bedeutungw

Fuumlr Lampenindustrie und Hersteller von Ulbrichtkugeln

bull Genauere Messung des Lichtstroms

bull Bestimmung des Zeitpunkts einer Neubeschichtung

bull Uumlberwachung beim Beschichten

bull Dokumentation des Zustands der Ulbrichtkugel

EntwicklungsstandDer E27-Kugelscanner wurde in der PTB entwickelt Er wird laufend fuumlr Kalibrierungen eingesetzt Die Technologie wurde an die Firma Czibula amp Grundmann transferiert und wird dort mit einer PTB-Lizenz gebaut und vertrieben wwwphoto-metercom

Ansprechpartner

Dr Bernhard SmandekBeauftragter fuumlr TechnologietransferTelefon +49 531 592shy8303Telefax +49 531 592shy69shy8303EshyMail technologietransferptbde

Dr Stefan WinterFachbereich Photometrie und Radiometrie

Abbildung des E27shyKugelscanners Eine stark fokussierende Lampe die computergesteuert in alle Richtungen leuchten kann

Vorteile

bull Schneller Einbau in E27shyFassung

bull Computergesteuertes Abscannen der gesamten Ulbrichtkugel

bull Flexible Messmoumlglichkeiten

bull Fuumlr genauere Lichtstromshymessungen

bull Wichtig fuumlr die Qualitaumltsshysicherung

PTBshyNummer 0172

wwwtechnologietransferptbde

49

PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4 Technologieangebote

Ansprechpartner

Dr Bernhard SmandekBeauftragter fuumlr TechnologietransferTelefon +49 531 592shy8303Telefax +49 531 592shy69shy8303EshyMail technologietransferptbde

Dr Stefan WinterArbeitsgruppe Solarzellen

PulsshyzushyCWshyKonverter

Umwandlung gepulster Laser-Strahlung in konstante StrahlungIn weiten Bereichen der optischen Metrologie ist eine Strahlungs-quelle von groszligem Nutzen die sich spektral vom UV-C bis ins mitt-lere IR durchstimmen laumlsst Lediglich Laser mit gepulster Strahlung erfuumlllen diese Anforderung bei ausreichend groszligem Ausgangssignal bisher luumlckenlos Femtosekunden-Lasersysteme waumlren aufgrund ihrer gut automatisierbaren und spektral weiten Durchstimmbarkeit die ideale Strahlungsquelle fuumlr z B radiometrische Anwendungen ndash wenn ihre Strahlung nicht gepulst waumlre

Durch das extreme Puls-Pausen-Verhaumlltnis von 10ndash5 entstehen hohe Spitzenleistungen die wiederum zu Saumlttigungseffekten bei Detek-toren und in der Folge zu nichtlinearem Verhalten fuumlhren koumlnnen Mit dem in der PTB entwickelten Puls-zu-CW-Konverter wird dieses Problem geloumlst

Technische Beschreibung

Bei dieser Methode werden Pulse gepulster Strahlungsquellen ausrei-chend hoher Repetitionsrate in CW-Strahlung umgewandelt Dabei wird jeder Puls in viele kleine Teilpulse aufgeteilt die auf unterschiedlich langen Wegstrecken unterschiedliche Laufzeiten erfahren Am Ausgang des Systems erscheinen sie dann zeitlich gleichmaumlszligig verteilt Realisiert wird dieser Puls-zu-CW-Konverter uumlber ein Glasfaserbuumlndel bei dem jede Einzelglasfaser eine individuell festgelegte Laumlnge besitzt

Mit der Entwicklung des Puls-zu-CW-Konverters wurde das ent-scheidende Manko beim Einsatz leistungsstarker Femtosekunden(fs)-Lasersysteme im Bereich der Metrologie beseitigt und erstmalig gepulste Laserstrahlung in CW-Strahlung umgewandelt Diese Neuentwicklung ermoumlglicht es nun herkoumlmmliche Monochromatorsysteme durch fs-Lasersysteme zu ersetzen die eine bis zu 1000-mal houmlhere spektrale Ausgangsleistung besitzen

Wirtschaftliche Bedeutung

Durch den neuen Puls-zu-CW-Converter koumlnnen in wirtschaftlich bedeutenden Bereichen wie z B der Photovoltaik der Photometrie der UV-Strahlungsmesstechnik und der Reflektometrie die Referenz- und Transfernormale mit einer deutlich reduzierten Messunsicherheit kali-briert werden Hier werden bislang wesentliche Messunsicherheitsan-teile durch zu geringe Strahlungsleistungen aus herkoumlmmlichen Mono-chromatorsystemen verursacht

Entwicklungsstand

Unter DE 10 2010 011 615 B4 wurde fuumlr den CW-Konverter ein Patent erteilt

Vorteile

bull Zeitliche Glaumlttung gepulster Laserstrahlung

bull Keine stoumlrenden Interferenzen

bull Nur minimale Absorption des Messsignals

bull Auch bei kuumlrzeren Wellenshylaumlngen ohne Ulbrichtkugel verwendbar

bull Kontinuierliche Verteilung des Ausgangspulses

bull Pulsvervielfachung

bull Houmlhere Strahlungsleistung

PTBshyNummer 0254

wwwtechnologietransferptbde

50

PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4Technologieangebote

50

Homogenisierung von Strahlungsquellen und Focal Plane Arrays (FPA)Ein neuartiges Verfahren ermoumlglicht softwaregestuumltzt eine deutlich verbesserte Kalibrierung von Mehrelement-Sensoren (FPA) und bildgebenden Systemen (Kameras) Bei flaumlchigen Strahlungsquellen kann zusaumltzlich eine gezielte Ansteuerung von Flaumlchenelementen zu einer bisher im Allgemeinen nicht erreichbaren Flaumlchenhomogenitaumlt fuumlhren

Technische Beschreibung

Flaumlchenstrahler dienen der Kalibrierung von ortsaufloumlsenden Strah-lungssensoren wobei davon ausgegangen wird dass die Emissionsflaumlche des Strahlers im Wesentlichen homogen bezuumlglich ihrer Strahldichte bzw Strahlungstemperatur ist Um kleine Inhomogenitaumlten eines Flaumlchenstrahlers zu charakterisieren ist es ein gaumlngiges Verfahren die Emissionsflaumlche punktweise mit einem Einzeldetektor abzutasten

Das neue PTB-Verfahren ist wesentlich schneller da es den Mehr-element-Sensor (FPA) das device-under-test selbst nutzt und damit immer ein Gesamtbild der Quelle aufnimmt Werden jetzt weitere Bilder zeilen- oder spaltenversetzt aufgenommen so erlaubt ein mathema-tischer Algorithmus bei nur drei Bildern eine komplette Charakterisie-rung des Sensors aber auch der Quelle

Sind Flaumlchenelemente der Strahlungsquelle einzeln ansteuerbar so ist es sogar moumlglich mittels der ermittelten Korrekturwerte zu Strahlquellen extrem hoher Homogenitaumlt im on-line-Betrieb zu gelangen

Wirtschaftliche Bedeutung

Bildgebende Strahlungssensoren und homogene Strahlungsquellen sind relevant fuumlr die Forschung und Entwicklung fuumlr die Prozesstechnik fuumlr die Charakterisierung der Energieeffizienz von Bauten bei der Ent-wicklung neuer Bauteile mit hoher thermischer Belastung und in vielen weiteren Bereichen Der mathematische Algorithmus ist aber auf unter-schiedliche Arten von Kamerasystemen anwendbar und damit auch fuumlr die Qualitaumltssicherung von CCD-Kameras bis hin zum Konsumguuml-termarkt anwendbar EntwicklungsstandEine deutsche Patenterteilung erfolgte im September 2015 Eine PCT-Anmeldung ist anhaumlngig Kooperations- und Lizenzpartner aus den Bereichen Thermografie Radiometrie und Photometrie zur Umsetzung des Konzeptes werden gesucht

Ansprechpartner

Dr Bernhard SmandekBeauftragter fuumlr TechnologietransferTelefon +49 531 592shy8303Telefax +49 531 592shy69shy8303EshyMail technologietransferptbde

DiplshyIng Berndt GutschwagerArbeitsgruppeInfrarotshyStrahlungsthermometrie

Stahlungsmessplatz der PTB zur Kalibrierung von Temperaturstrahlern und Waumlrmebildkashymeras

Vorteile

bull Schnelle Kalibrierung von Flaumlchensensoren (FPA)

bull Schnelle Kalibrierung von Flaumlchenstrahlern

bull Strahlquellen houmlchster Hoshymogenitaumlt

bull Fuumlr Thermografie und Phoshytometrie

PTBshyNummer 00374

wwwtechnologietransferptbde

Verlag Fachverlag NW in der Carl Schuumlnemann Verlag GmbHZweite Schlachtpforte 728195 Bremen Internet wwwschuenemannde E-Mail infoschuenemann-verlagde

Herausgeber Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB) Braunschweig und Berlin Postanschrift Postfach 33 45 38023 Braunschweig Lieferanschrift Bundesallee 100 38116 Braunschweig

Redaktion Layout Presse- und Oumlffentlichkeitsarbeit PTBSabine Siems Dr Dr Jens Simon (verantwortlich) Prof Dr Stefan Kuumlck (wissenschaftlicher Redakteur)Telefon (05 31) 592-82 02 Telefax (05 31) 592-30 08 E-Mail sabinesiemsptbde

Leser- und Abonnement-Service Karin Drewes Telefon (0421) 369 03-56Telefax (0421) 369 03-63E-Mail drewesschuenemann-verlagde

Anzeigenservice Karin Drewes Telefon (0421) 369 03-56Telefax (0421) 369 03-63E-Mail drewesschuenemann-verlagde

Erscheinungsweise und Bezugspreise Die PTB-Mitteilungen erscheinen viermal jaumlhrlich Das Jahresabonnement kostet 3900 Euro das Einzelheft 1200 Euro jeweils zzgl Versandkosten Bezug uumlber den Buchhandel oder den Verlag Abbestellungen muumlssen spaumltestens drei Monate vor Ende eines Kalenderjahres schriftlich beim Verlag erfolgen

Alle Rechte vorbehalten Kein Teil dieser Zeitschrift darf ohne schriftliche Genehmigung des Verlages vervielfaumlltigt oder verbreitet werden Unter dieses Verbot faumlllt insbesondere die gewerbliche Ver-vielfaumlltigung per Kopie die Aufnahme in elektro-nische Datenbanken und die Vervielfaumlltigung auf CD-ROM und in allen anderen elektronischen Datentraumlgern

Printed in Germany ISSN 0030-834X

Die fachlichen Aufsaumltze aus dieser Ausgabe der PTB-Mitteilungen sind auch online verfuumlgbar unterdoi 10779531020150499

Die Physikalisch-Technische Bundesanstalt das nationale Metrologieinstitut ist eine wissenschaftlich-technische Bundesoberbehoumlrde im Geschaumlftsbereich des Bundesministeriums fuumlr Wirtschaft und Energie

mitteilungen

Impressum

Die PTB-Mitteilungen sind metrologisches Fachjournal der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt Braunschweig und Berlin Als Fachjournal veroumlffentlichen die PTB- Mitteilungen wissenschaftliche Fachaufsaumltze zu metrologischen Themen aus den Arbeitsgebieten der PTB Die PTB-Mitteilungen stehen in einer langen Tradition die bis zu den Anfaumlngen der Physikalisch-Technischen Reichsanstalt (gegruumlndet 1887) zuruumlckreicht

Bundesallee 100 38116 Braunschweig

Presse- und Oumlffentlichkeitsarbeit

Telefon 0531 592-3006 Fax 0531 592-3008 E-Mail presseptbde wwwptbde

Physikalisch-Technische BundesanstaltBraunschweig und BerlinNationales Metrologieinstitut

Die Physikalisch-Technische Bundesanstalt das nationale Metrologieinstitut ist eine wissenschaftlich-technische Bundesoberbehoumlrde im Geschaumlftsbereich des Bundesministeriums fuumlr Wirtschaft und Energie

Phy

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PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4Das Jahr des Lichtes

bereich 0deg bis 70deg gleichmaumlszligig verteilt uumlber den Viertelraum oberhalb der Probe dauert hierbei ca 4 Stunden [14] Die so erhaltenen Daten bilden die Basis fuumlr kuumlnftige Verbesserungen in der Mess-technik fuumlr Anwender und Hersteller

Im Rahmen des EMRP-Projektes Multidimen-sional Reflectometry for Industry [13] sind damit die winkelabhaumlngigen Reflexionsspektren von insgesamt 66 verschiedenen Effektpigmentproben gemessen worden [15 16] Bei den vier verschie-denen Einstrahlungsrichtungen verbunden mit jeweils 114 Reflexionswinkeln im Bereich der Vier-telkugel oberhalb der Probenoberflaumlche ergeben sich somit uumlber 30000 Reflexionsspektren

Zielsetzung der Untersuchungen ist die Ver-besserung der Metrologie zur Materialcharak-terisierung mit reduzierter Messunsicherheit Dazu werden neue Messvorschriften und neue Standardmessartefakte entwickelt mit denen die Industrie die visuelle Wahrnehmung der von ihr produzierten Oberflaumlchen gezielt charakterisie-ren und kontrollieren kann Solche Messungen sollten einfach auszufuumlhren sein und die Ergeb-nisse muumlssen soweit wie moumlglich mit der visuellen menschlichen Wahrnehmung korrelieren Im europaumlischen und internationalen Rahmen sollen die Ergebnisse in die Normung einflieszligen um die allgemeine Vergleichbarkeit solcher Messungen zu gewaumlhrleisten

Literatur

[1] CS Henshilwood et al A 100000-Year-OldOchre-Processing Workshop at Blombos CaveSouth Africa Science Vol 334 No 6053 219ndash2222011

[2] Mark D Fairchild Color Appearance Models2nd Ed John Wiley amp Sons Ltd 2005

[3] Colorimetry Understanding the CIE Systemed by J Schanda Wiley-Interscience NJ 2007

[4] WR Cramer Der richtige Blickwinkel Farbe amp Lack 092006 26ndash30 2006

[5] G Zaltman How Customers Think EssentialInsights into the Mind of the Market HarvardBusiness Review Press 2003

[6] DIN ISO 18451-12015-11 Pigmente Farbstof-fe und Fuumlllstoffe ndash Begriffe ndash Teil 1 AllgemeineBegriffe

[7] WR Cramer Ohne Glimmer aber mit GlanzFarbe amp Lack 042003 132ndash136 2003

[8] WR Cramer Es glitzert wie am SternenhimmelFahrzeug + Karosserie 0412 20ndash22 2012

[9] E Kirchner W Cramer Making sense of measure-ment geometries for multi-angle spectrophotome-ters Color Res Appl Vol 37 No3 186ndash198 2012

[10] D Huumlnerhoff U Grusemann A Houmlpe Newrobot-based gonioreflectometer for measuringspectral diffuse reflection Metrologia 43 S11ndashS162006

[11] A Houmlpe D Huumlnerhoff K-O Hauer Robot-basedgonioreflectometer Industrial Robotics Program-ming Simulation and Applications Low Kin-Huat Ed Pro Literatur-Verlag Mammendorf623ndash632 2007

[12] A Houmlpe T Atamas D Huumlnerhoff S TeichertK-O Hauer ARGon3 ndash bdquo3D Appearance Robot-based Gonioreflectometerrdquo at PTB Rev SciInstrum 83(4) 045102-1ndash045102-8 2012

[13] European Metrology Research Program ProjectIND52 bdquoxD-Reflectldquo Multidimensional Reflecto-metry for Industry wwwxdreflecteu(letzter Aufruf 03122015)

[14] T Atamas K-O Hauer A Houmlpe Appearancemeasurements of goniochromatic colours Predic-ting Perceptions Proceedings of the 3rd Internati-onal Conference on Appearance 149ndash154 2012

[15] A Houmlpe A Koo FM Verdu FB LeloupG Obein et al bdquoMultidimensional reflectometryfor industryrdquo (xD-Reflect) an European researchproject Proc SPIE 9018 Measuring Modelingand Reproducing Material AppearanceSPIE-ISampT Vol 9018 901804-1ndash901804-11 2014

[16] A Houmlpe K-O Hauer S Teichert D HuumlnerhoffC Strothkaumlmper Goniochromatic and Sparkleproperties of effect pigmented samples in mul-tidimensional configuration Proc SPIE 9398Measuring Modeling and Reproducing MaterialAppearance 2015 SPIE Proc Vol 9398 Appea-rance 93980O-1ndash7 2015

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Die 50 Sitzung des Internationalen Komitees fuumlr das gesetzliche Messwesen (CIML) fand vom 20 bis 22 Oktober 2015 in Arcachon Frankreich statt Im Vorfeld der CIML-Sitzung fand ein ein-taumlgiges OIML-Seminar uumlber Countries and Econo-mies with Emerging Metrology Systems (CEEMS) statt uumlber das weiter unten berichtet wird

Das CIML ist der Lenkungsausschuss der OIML Es trifft sich jaumlhrlich und besteht aus je einem Repraumlsentanten der Mitgliedstaaten der korrespondierenden Mitglieder und den Vertre-tern internationaler und regionaler Organisa-tionen die als Beobachter teilnehmen koumlnnen Das CIML ist zustaumlndig fuumlr die Vorbereitung und Durchfuumlhrung der Entscheidungen der Konfe-renz die alle vier Jahre stattfindet Es uumlberwacht die Arbeiten der Technischen Komitees und Unterkomitees und des Internationalen Buumlros fuumlr das gesetzliche Messwesen (BIML) in Paris

An der 50 CIML-Sitzung nahmen 144 Teilneh-mer aus 43 Mitgliedstaaten und 13 korrespondie-renden Mitgliedstaaten teil Zur deutschen Dele-gation gehoumlrten neben den o g Autoren auch die Herren Johann Fischer Direktor des Landesamts fuumlr Mess- und Eichwesen Berlin-Brandenburg sowie Prof Olaf Kuumlhn Direktor des Thuumlringer Landesamts fuumlr Verbraucherschutz als Vertreter der Bundeslaumlnder Dr Peter Ulbig Leiter der Abteilung Wissenschaftlich-technische Quer-schnittsaufgaben der PTB und Prof Manfred Kochsiek Vizepraumlsident a D der PTB ehema-liger CIML-Praumlsident und Ehrenmitglied der OIML Frau Dr Anna Cypionka persoumlnliche Referentin des Praumlsidenten der PTB nahm am OIML-Seminar fuumlr CEEMS teil Vertreten waren auch wieder internationale und regionale Orga-nisationen zu denen die OIML Verbindungen unterhaumllt wie das Internationale Buumlro fuumlr Maszlig und Gewicht (BIPM) die GSO-GCC Standardiza-tion Organization (Saudi-Arabien) die Internatio-nal Laboratory Accreditation Cooperation (ILAC) und der Europaumlische Verband der Waagenherstel-ler (CECIP)

Alle Beschluumlsse der 50 CIML-Sitzung koumlnnen auf den Internetseiten der OIML aufgerufen werden [1 2]

Die wichtigsten Entscheidungen und Entwick-lungen werden nachfolgend vorgestellt

1 Personalangelegenheiten

Der Vertrag von Willem Kool als Assistant Director wurde um vier Jahre der Vertrag des BIML-Direk-tors Stephen Patoray um drei Jahre verlaumlngert

2 Einfuumlhrung des PG Workspace im Internet

In seinem Bericht im Zusammenhang mit der Etablierung des neuen Webauftritts der OIML hob der CIML-Praumlsident Peter Mason (UK) die erfolgreiche Einfuumlhrung des Workspace fuumlr Pro-jektgruppen hervor Durch die Online-Arbeit wird erwartet dass die technische Arbeit an neuen bzw zu revidierenden OIML-Dokumenten vereinfacht und insgesamt effizienter wird

3 Revision der technische Richtlinien fuumlr die OIML (B 6 Directives for OIML tech-nical work)

In einem neuen Projekt sollen die in den vergan-genen Jahren revidierten OIML-Richtlinien fuumlr die technische Arbeit erneut uumlberarbeitet werden um u a den Prozess der Entwicklung und Uumlber-arbeitung von OIML-Publikationen noch weiter zu beschleunigen und den neuen internetbasierten Technologien und Arbeitsweisen Rechnung zu tragen

4 Umfassende strukturelle Uumlberarbeitung des OIML Certificate System

Das CIML verabschiedete die Gruumlndung einer Projektgruppe mit der Aufgabe einer substan-ziellen Uumlberarbeitung des OIML-Zertifizierungs-systems das z Zt aus dem Basiszertifizierungs-system und dem MAA3 besteht Urspruumlnglich ausgehend von der Annahme die Akzeptanz des MAA-Zertifizierungssystem muumlsse verstaumlrkt werden eine groumlszligere Verbreitung finden und mehr Messgeraumltearten abdecken erscheint es

Aktuelles aus der OIML (Internationale Organisation fuumlr das Gesetzliche Messwesen)Bericht uumlber die 50 Sitzung des CIML in Arcachon FrankreichSusanne Ludwig Roman Schwartz

INTERNATIONALE ZUSAMMENARBEIT

Susanne Ludwig OIMLshyGeschaumlftsstelle der PTB EshyMail susanneludwigptbde

Dir u Prof Dr Roman Schwartz Vizepraumlsident der PTB deutsches Mitglied im Internashytionalen Komitee fuumlr das Gesetzliche Messwesen (CIML) und CIMLshyVizepraumlsishydent EshyMail romanschwartzptbde

3 Mutual Acceptance Arrangement (Abshykommen zur gegenshyseitigen Anerkennung von Bauartpruumlfungen)

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PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4Internationale Zusammenarbeit

inzwischen sinnvoller und wurde so auch vom CIML beschlossen zum 112017 ein einziges OIML-Zertifizierungssystem einzufuumlhren Eine Projektgruppe (Certification System Project Group = CSPG) unter dem Vorsitz des CIML-Vizepraumlsi-denten Dr Roman Schwartz wurde damit beauf-tragt die notwendigen Dokumente und Prozedu-ren auszuarbeiten

5 OIML-Seminar fuumlr Countries and Economies with Emerging Metrology Systems (CEEMS)

Im Vorfeld der CIML-Sitzung wurde ein eintaumlgiges Seminar zum Thema Developing an OIML Package for Assistance to Countries with Emerging Metro-logy Systems (CEEMS) abgehalten In vier Sitzun-gen diskutierten 125 Teilnehmer aus 49 Laumlndern uumlber Moumlglichkeiten Laumlnder beim Aufbau von nationalen Metrologiesystemen zu unterstuumltzen In der ersten von Frau Dr Cypionka geleiteten Sitzung Capacity Building ging es um die allge-meinen Herausforderungen bei der Gestaltung von Programmen zur Foumlrderung von Handlungs-kompetenzen und Vermittlung von Wissen fuumlr die Metrologie In zwei weiteren Sitzungen wurden unter den Themen Helping CEEMS Improve Regulation in their Markets (Leitung Prof Dr Manfred Kochsiek) und New Ideas ndash Doing Legal Metrology Differently (Leitung Stuart Carstens

Suumldafrika) konkrete inhaltliche Loumlsungsvorschlaumlge vorgestellt und diskutiert Die Ergebnisse wurden in der 50 CIML-Sitzung vorgestellt und fanden ihren Niederschlag in der Resolution Nr 201510 [2] sie sollen auch noch auf den OIML-Webseiten veroumlffentlicht werden [1]

6 OIML-Publikationen

Folgende OIML-Publikationen wurden verabschiedet

R 139-3 Compressed gaseous fuels measuring systems for vehicles Part 3 Test report format

New Recommendation (R 145) Ophthalmic instru-ments mdash Impression and applanation tonometers

Alle OIML-Publikationen stehen im Internet frei zur Verfuumlgung [3]

Gleichzeitig wurde die Revision der folgenden OIML-Publikation beschlossen

Revision of R 79 Labeling requirements for prepackages

Folgende neue Projekte wurden verabschiedet

Revision des OIML-Dokuments B 6-1 Directives for OIML technical work

Bild 1 Teilnehmer der 50 Sitzung des Internationalen Komitees fuumlr Gesetz-liches Messwesen (CIML) in Arcachon Frankreich

47

PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4 Aktuelles aus der OIML

TC 8SC 1 Revision R 71 Fixed storage tanks mdash General requirements

TC 8SC 1 Revision R 85 Automatic level gauges for measuring the level of liquid in stationary storage tanks

7 Personalien und Ehrungen

Die von Dr Seiler dem ehemaligen Leiter des Fachbereichs bdquoTechnische Zusammenarbeitldquo der PTB initiierte OIML-Auszeichnung fuumlr bdquoexzel-lente Beitraumlge von Entwicklungslaumlndern zum gesetzlichen Messwesenldquo ging in diesem Jahr an

bull Nam Hyuk Lim Director of Korea Testing Certi-fication und

bull The Metrology Department Saint Lucia Bureau of Standards

Die OIML-Medaille fuumlr besondere Verdienste um die OIML-Arbeit ging an Ngo Quy Viet Vietnam und Cartaxo Reis aus Portugal

8 Termine

Ein Gastgeberland fuumlr die 51 CIML-Sitzung und 15 OIML-Konferenz im Jahr 2016 konnte noch nicht bekannt gegeben werden es wird aber wahr-scheinlich wieder Frankreich sein Weitere OIML-Veranstaltungen und -Termine finden sich auf der OIML-Webseite unter [4]

9 Literatur

[1] httpswwwoimlorgen (letzter Aufruf 19112015)

[2] httpswwwoimlorgenstructurecimlpdf50-ciml-resolutions-englishpdf (letzter Aufruf 19112015)

[3] httpswwwoimlorgenpublicationsrecommen-dationspublication_viewp_type=1ampp_status=1

[4] (letzter Aufruf 19112015)[5] httpswwwoimlorgeneventscalendar

(letzter Aufruf 19112015)

48

TECHNOLOGIETRANSFER

E27-Scanner fuumlr UlbrichtkugelnMit dem besonders einfach ohne Umbau einsetzbaren E27-Scanner koumlnnen Anwender und Hersteller die Homogenitaumlt ihrer Ulbricht-kugeln bestimmen und die Ergebnisse zur Berechnung genauerer Lichtstroumlme und zur Dokumentation der Qualitaumlt ihrer Messungen nutzen

Hintergrund

Wie viel Licht eine Lampe insgesamt in alle Richtungen abstrahlt wird durch ihren Lichtstrom ausgedruumlckt Um den fuumlr die Bestimmung der Energieeffizienz von Lampen notwendigen Lichtstrom schnell zu er mitteln setzt die Lampenindustrie Ulbrichtkugeln ein An einer Stange in der Mitte der Ulbrichtkugel befindet sich eine E27-Lampen-fassung in die nacheinander die Lichtstrom-Normallampe und die zu kalibrierende Lampe eingeschraubt werden Das indirekt auf den Mess-kopf fallende Licht erzeugt einen Photostrom der im Idealfall propor-tional zu dem von der Lampe abgestrahlten Lichtstrom ist unabhaumlngig von der Richtung in die das Licht abgestrahlt wird

Dies ist jedoch bei einer ungleichmaumlszligigen Beschichtung der Kugel sowie bei einer im Laufe der Zeit nicht zu verhindernden Verstaubung nicht der Fall Deshalb wird mit einem Kugelscanner die Homogenitaumlt der Kugel regelmaumlszligig vermessen und ein Korrekturfaktor bestimmt der von der jeweiligen Abstrahlcharakteristik der zu untersuchenden Lampe abhaumlngt

Technische Beschreibung

Der Kugelscanner wird einfach in eine E27-Fassung geschraubt und das sonst fuumlr die Lampenversorgung eingesetzte Netzgeraumlt wird durch die Steuereinheit ersetzt Diese uumlbernimmt sowohl die elektrische Versor-gung als auch die Befehlsuumlbermittlung zum Kugelscanner Die Steuer-einheit wird via USB oder RS232 an einen Computer angeschlossen Das mitgelieferte Messprogramm stellt automatisiert alle gewuumlnschten Richtungen ein und speichert die zugehoumlrigen von der Steuereinheit gemessenen Photostroumlme des Photometers

Wirtschaftliche Bedeutungw

Fuumlr Lampenindustrie und Hersteller von Ulbrichtkugeln

bull Genauere Messung des Lichtstroms

bull Bestimmung des Zeitpunkts einer Neubeschichtung

bull Uumlberwachung beim Beschichten

bull Dokumentation des Zustands der Ulbrichtkugel

EntwicklungsstandDer E27-Kugelscanner wurde in der PTB entwickelt Er wird laufend fuumlr Kalibrierungen eingesetzt Die Technologie wurde an die Firma Czibula amp Grundmann transferiert und wird dort mit einer PTB-Lizenz gebaut und vertrieben wwwphoto-metercom

Ansprechpartner

Dr Bernhard SmandekBeauftragter fuumlr TechnologietransferTelefon +49 531 592shy8303Telefax +49 531 592shy69shy8303EshyMail technologietransferptbde

Dr Stefan WinterFachbereich Photometrie und Radiometrie

Abbildung des E27shyKugelscanners Eine stark fokussierende Lampe die computergesteuert in alle Richtungen leuchten kann

Vorteile

bull Schneller Einbau in E27shyFassung

bull Computergesteuertes Abscannen der gesamten Ulbrichtkugel

bull Flexible Messmoumlglichkeiten

bull Fuumlr genauere Lichtstromshymessungen

bull Wichtig fuumlr die Qualitaumltsshysicherung

PTBshyNummer 0172

wwwtechnologietransferptbde

49

PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4 Technologieangebote

Ansprechpartner

Dr Bernhard SmandekBeauftragter fuumlr TechnologietransferTelefon +49 531 592shy8303Telefax +49 531 592shy69shy8303EshyMail technologietransferptbde

Dr Stefan WinterArbeitsgruppe Solarzellen

PulsshyzushyCWshyKonverter

Umwandlung gepulster Laser-Strahlung in konstante StrahlungIn weiten Bereichen der optischen Metrologie ist eine Strahlungs-quelle von groszligem Nutzen die sich spektral vom UV-C bis ins mitt-lere IR durchstimmen laumlsst Lediglich Laser mit gepulster Strahlung erfuumlllen diese Anforderung bei ausreichend groszligem Ausgangssignal bisher luumlckenlos Femtosekunden-Lasersysteme waumlren aufgrund ihrer gut automatisierbaren und spektral weiten Durchstimmbarkeit die ideale Strahlungsquelle fuumlr z B radiometrische Anwendungen ndash wenn ihre Strahlung nicht gepulst waumlre

Durch das extreme Puls-Pausen-Verhaumlltnis von 10ndash5 entstehen hohe Spitzenleistungen die wiederum zu Saumlttigungseffekten bei Detek-toren und in der Folge zu nichtlinearem Verhalten fuumlhren koumlnnen Mit dem in der PTB entwickelten Puls-zu-CW-Konverter wird dieses Problem geloumlst

Technische Beschreibung

Bei dieser Methode werden Pulse gepulster Strahlungsquellen ausrei-chend hoher Repetitionsrate in CW-Strahlung umgewandelt Dabei wird jeder Puls in viele kleine Teilpulse aufgeteilt die auf unterschiedlich langen Wegstrecken unterschiedliche Laufzeiten erfahren Am Ausgang des Systems erscheinen sie dann zeitlich gleichmaumlszligig verteilt Realisiert wird dieser Puls-zu-CW-Konverter uumlber ein Glasfaserbuumlndel bei dem jede Einzelglasfaser eine individuell festgelegte Laumlnge besitzt

Mit der Entwicklung des Puls-zu-CW-Konverters wurde das ent-scheidende Manko beim Einsatz leistungsstarker Femtosekunden(fs)-Lasersysteme im Bereich der Metrologie beseitigt und erstmalig gepulste Laserstrahlung in CW-Strahlung umgewandelt Diese Neuentwicklung ermoumlglicht es nun herkoumlmmliche Monochromatorsysteme durch fs-Lasersysteme zu ersetzen die eine bis zu 1000-mal houmlhere spektrale Ausgangsleistung besitzen

Wirtschaftliche Bedeutung

Durch den neuen Puls-zu-CW-Converter koumlnnen in wirtschaftlich bedeutenden Bereichen wie z B der Photovoltaik der Photometrie der UV-Strahlungsmesstechnik und der Reflektometrie die Referenz- und Transfernormale mit einer deutlich reduzierten Messunsicherheit kali-briert werden Hier werden bislang wesentliche Messunsicherheitsan-teile durch zu geringe Strahlungsleistungen aus herkoumlmmlichen Mono-chromatorsystemen verursacht

Entwicklungsstand

Unter DE 10 2010 011 615 B4 wurde fuumlr den CW-Konverter ein Patent erteilt

Vorteile

bull Zeitliche Glaumlttung gepulster Laserstrahlung

bull Keine stoumlrenden Interferenzen

bull Nur minimale Absorption des Messsignals

bull Auch bei kuumlrzeren Wellenshylaumlngen ohne Ulbrichtkugel verwendbar

bull Kontinuierliche Verteilung des Ausgangspulses

bull Pulsvervielfachung

bull Houmlhere Strahlungsleistung

PTBshyNummer 0254

wwwtechnologietransferptbde

50

PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4Technologieangebote

50

Homogenisierung von Strahlungsquellen und Focal Plane Arrays (FPA)Ein neuartiges Verfahren ermoumlglicht softwaregestuumltzt eine deutlich verbesserte Kalibrierung von Mehrelement-Sensoren (FPA) und bildgebenden Systemen (Kameras) Bei flaumlchigen Strahlungsquellen kann zusaumltzlich eine gezielte Ansteuerung von Flaumlchenelementen zu einer bisher im Allgemeinen nicht erreichbaren Flaumlchenhomogenitaumlt fuumlhren

Technische Beschreibung

Flaumlchenstrahler dienen der Kalibrierung von ortsaufloumlsenden Strah-lungssensoren wobei davon ausgegangen wird dass die Emissionsflaumlche des Strahlers im Wesentlichen homogen bezuumlglich ihrer Strahldichte bzw Strahlungstemperatur ist Um kleine Inhomogenitaumlten eines Flaumlchenstrahlers zu charakterisieren ist es ein gaumlngiges Verfahren die Emissionsflaumlche punktweise mit einem Einzeldetektor abzutasten

Das neue PTB-Verfahren ist wesentlich schneller da es den Mehr-element-Sensor (FPA) das device-under-test selbst nutzt und damit immer ein Gesamtbild der Quelle aufnimmt Werden jetzt weitere Bilder zeilen- oder spaltenversetzt aufgenommen so erlaubt ein mathema-tischer Algorithmus bei nur drei Bildern eine komplette Charakterisie-rung des Sensors aber auch der Quelle

Sind Flaumlchenelemente der Strahlungsquelle einzeln ansteuerbar so ist es sogar moumlglich mittels der ermittelten Korrekturwerte zu Strahlquellen extrem hoher Homogenitaumlt im on-line-Betrieb zu gelangen

Wirtschaftliche Bedeutung

Bildgebende Strahlungssensoren und homogene Strahlungsquellen sind relevant fuumlr die Forschung und Entwicklung fuumlr die Prozesstechnik fuumlr die Charakterisierung der Energieeffizienz von Bauten bei der Ent-wicklung neuer Bauteile mit hoher thermischer Belastung und in vielen weiteren Bereichen Der mathematische Algorithmus ist aber auf unter-schiedliche Arten von Kamerasystemen anwendbar und damit auch fuumlr die Qualitaumltssicherung von CCD-Kameras bis hin zum Konsumguuml-termarkt anwendbar EntwicklungsstandEine deutsche Patenterteilung erfolgte im September 2015 Eine PCT-Anmeldung ist anhaumlngig Kooperations- und Lizenzpartner aus den Bereichen Thermografie Radiometrie und Photometrie zur Umsetzung des Konzeptes werden gesucht

Ansprechpartner

Dr Bernhard SmandekBeauftragter fuumlr TechnologietransferTelefon +49 531 592shy8303Telefax +49 531 592shy69shy8303EshyMail technologietransferptbde

DiplshyIng Berndt GutschwagerArbeitsgruppeInfrarotshyStrahlungsthermometrie

Stahlungsmessplatz der PTB zur Kalibrierung von Temperaturstrahlern und Waumlrmebildkashymeras

Vorteile

bull Schnelle Kalibrierung von Flaumlchensensoren (FPA)

bull Schnelle Kalibrierung von Flaumlchenstrahlern

bull Strahlquellen houmlchster Hoshymogenitaumlt

bull Fuumlr Thermografie und Phoshytometrie

PTBshyNummer 00374

wwwtechnologietransferptbde

Verlag Fachverlag NW in der Carl Schuumlnemann Verlag GmbHZweite Schlachtpforte 728195 Bremen Internet wwwschuenemannde E-Mail infoschuenemann-verlagde

Herausgeber Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB) Braunschweig und Berlin Postanschrift Postfach 33 45 38023 Braunschweig Lieferanschrift Bundesallee 100 38116 Braunschweig

Redaktion Layout Presse- und Oumlffentlichkeitsarbeit PTBSabine Siems Dr Dr Jens Simon (verantwortlich) Prof Dr Stefan Kuumlck (wissenschaftlicher Redakteur)Telefon (05 31) 592-82 02 Telefax (05 31) 592-30 08 E-Mail sabinesiemsptbde

Leser- und Abonnement-Service Karin Drewes Telefon (0421) 369 03-56Telefax (0421) 369 03-63E-Mail drewesschuenemann-verlagde

Anzeigenservice Karin Drewes Telefon (0421) 369 03-56Telefax (0421) 369 03-63E-Mail drewesschuenemann-verlagde

Erscheinungsweise und Bezugspreise Die PTB-Mitteilungen erscheinen viermal jaumlhrlich Das Jahresabonnement kostet 3900 Euro das Einzelheft 1200 Euro jeweils zzgl Versandkosten Bezug uumlber den Buchhandel oder den Verlag Abbestellungen muumlssen spaumltestens drei Monate vor Ende eines Kalenderjahres schriftlich beim Verlag erfolgen

Alle Rechte vorbehalten Kein Teil dieser Zeitschrift darf ohne schriftliche Genehmigung des Verlages vervielfaumlltigt oder verbreitet werden Unter dieses Verbot faumlllt insbesondere die gewerbliche Ver-vielfaumlltigung per Kopie die Aufnahme in elektro-nische Datenbanken und die Vervielfaumlltigung auf CD-ROM und in allen anderen elektronischen Datentraumlgern

Printed in Germany ISSN 0030-834X

Die fachlichen Aufsaumltze aus dieser Ausgabe der PTB-Mitteilungen sind auch online verfuumlgbar unterdoi 10779531020150499

Die Physikalisch-Technische Bundesanstalt das nationale Metrologieinstitut ist eine wissenschaftlich-technische Bundesoberbehoumlrde im Geschaumlftsbereich des Bundesministeriums fuumlr Wirtschaft und Energie

mitteilungen

Impressum

Die PTB-Mitteilungen sind metrologisches Fachjournal der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt Braunschweig und Berlin Als Fachjournal veroumlffentlichen die PTB- Mitteilungen wissenschaftliche Fachaufsaumltze zu metrologischen Themen aus den Arbeitsgebieten der PTB Die PTB-Mitteilungen stehen in einer langen Tradition die bis zu den Anfaumlngen der Physikalisch-Technischen Reichsanstalt (gegruumlndet 1887) zuruumlckreicht

Bundesallee 100 38116 Braunschweig

Presse- und Oumlffentlichkeitsarbeit

Telefon 0531 592-3006 Fax 0531 592-3008 E-Mail presseptbde wwwptbde

Physikalisch-Technische BundesanstaltBraunschweig und BerlinNationales Metrologieinstitut

Die Physikalisch-Technische Bundesanstalt das nationale Metrologieinstitut ist eine wissenschaftlich-technische Bundesoberbehoumlrde im Geschaumlftsbereich des Bundesministeriums fuumlr Wirtschaft und Energie

Phy

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Die 50 Sitzung des Internationalen Komitees fuumlr das gesetzliche Messwesen (CIML) fand vom 20 bis 22 Oktober 2015 in Arcachon Frankreich statt Im Vorfeld der CIML-Sitzung fand ein ein-taumlgiges OIML-Seminar uumlber Countries and Econo-mies with Emerging Metrology Systems (CEEMS) statt uumlber das weiter unten berichtet wird

Das CIML ist der Lenkungsausschuss der OIML Es trifft sich jaumlhrlich und besteht aus je einem Repraumlsentanten der Mitgliedstaaten der korrespondierenden Mitglieder und den Vertre-tern internationaler und regionaler Organisa-tionen die als Beobachter teilnehmen koumlnnen Das CIML ist zustaumlndig fuumlr die Vorbereitung und Durchfuumlhrung der Entscheidungen der Konfe-renz die alle vier Jahre stattfindet Es uumlberwacht die Arbeiten der Technischen Komitees und Unterkomitees und des Internationalen Buumlros fuumlr das gesetzliche Messwesen (BIML) in Paris

An der 50 CIML-Sitzung nahmen 144 Teilneh-mer aus 43 Mitgliedstaaten und 13 korrespondie-renden Mitgliedstaaten teil Zur deutschen Dele-gation gehoumlrten neben den o g Autoren auch die Herren Johann Fischer Direktor des Landesamts fuumlr Mess- und Eichwesen Berlin-Brandenburg sowie Prof Olaf Kuumlhn Direktor des Thuumlringer Landesamts fuumlr Verbraucherschutz als Vertreter der Bundeslaumlnder Dr Peter Ulbig Leiter der Abteilung Wissenschaftlich-technische Quer-schnittsaufgaben der PTB und Prof Manfred Kochsiek Vizepraumlsident a D der PTB ehema-liger CIML-Praumlsident und Ehrenmitglied der OIML Frau Dr Anna Cypionka persoumlnliche Referentin des Praumlsidenten der PTB nahm am OIML-Seminar fuumlr CEEMS teil Vertreten waren auch wieder internationale und regionale Orga-nisationen zu denen die OIML Verbindungen unterhaumllt wie das Internationale Buumlro fuumlr Maszlig und Gewicht (BIPM) die GSO-GCC Standardiza-tion Organization (Saudi-Arabien) die Internatio-nal Laboratory Accreditation Cooperation (ILAC) und der Europaumlische Verband der Waagenherstel-ler (CECIP)

Alle Beschluumlsse der 50 CIML-Sitzung koumlnnen auf den Internetseiten der OIML aufgerufen werden [1 2]

Die wichtigsten Entscheidungen und Entwick-lungen werden nachfolgend vorgestellt

1 Personalangelegenheiten

Der Vertrag von Willem Kool als Assistant Director wurde um vier Jahre der Vertrag des BIML-Direk-tors Stephen Patoray um drei Jahre verlaumlngert

2 Einfuumlhrung des PG Workspace im Internet

In seinem Bericht im Zusammenhang mit der Etablierung des neuen Webauftritts der OIML hob der CIML-Praumlsident Peter Mason (UK) die erfolgreiche Einfuumlhrung des Workspace fuumlr Pro-jektgruppen hervor Durch die Online-Arbeit wird erwartet dass die technische Arbeit an neuen bzw zu revidierenden OIML-Dokumenten vereinfacht und insgesamt effizienter wird

3 Revision der technische Richtlinien fuumlr die OIML (B 6 Directives for OIML tech-nical work)

In einem neuen Projekt sollen die in den vergan-genen Jahren revidierten OIML-Richtlinien fuumlr die technische Arbeit erneut uumlberarbeitet werden um u a den Prozess der Entwicklung und Uumlber-arbeitung von OIML-Publikationen noch weiter zu beschleunigen und den neuen internetbasierten Technologien und Arbeitsweisen Rechnung zu tragen

4 Umfassende strukturelle Uumlberarbeitung des OIML Certificate System

Das CIML verabschiedete die Gruumlndung einer Projektgruppe mit der Aufgabe einer substan-ziellen Uumlberarbeitung des OIML-Zertifizierungs-systems das z Zt aus dem Basiszertifizierungs-system und dem MAA3 besteht Urspruumlnglich ausgehend von der Annahme die Akzeptanz des MAA-Zertifizierungssystem muumlsse verstaumlrkt werden eine groumlszligere Verbreitung finden und mehr Messgeraumltearten abdecken erscheint es

Aktuelles aus der OIML (Internationale Organisation fuumlr das Gesetzliche Messwesen)Bericht uumlber die 50 Sitzung des CIML in Arcachon FrankreichSusanne Ludwig Roman Schwartz

INTERNATIONALE ZUSAMMENARBEIT

Susanne Ludwig OIMLshyGeschaumlftsstelle der PTB EshyMail susanneludwigptbde

Dir u Prof Dr Roman Schwartz Vizepraumlsident der PTB deutsches Mitglied im Internashytionalen Komitee fuumlr das Gesetzliche Messwesen (CIML) und CIMLshyVizepraumlsishydent EshyMail romanschwartzptbde

3 Mutual Acceptance Arrangement (Abshykommen zur gegenshyseitigen Anerkennung von Bauartpruumlfungen)

46

PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4Internationale Zusammenarbeit

inzwischen sinnvoller und wurde so auch vom CIML beschlossen zum 112017 ein einziges OIML-Zertifizierungssystem einzufuumlhren Eine Projektgruppe (Certification System Project Group = CSPG) unter dem Vorsitz des CIML-Vizepraumlsi-denten Dr Roman Schwartz wurde damit beauf-tragt die notwendigen Dokumente und Prozedu-ren auszuarbeiten

5 OIML-Seminar fuumlr Countries and Economies with Emerging Metrology Systems (CEEMS)

Im Vorfeld der CIML-Sitzung wurde ein eintaumlgiges Seminar zum Thema Developing an OIML Package for Assistance to Countries with Emerging Metro-logy Systems (CEEMS) abgehalten In vier Sitzun-gen diskutierten 125 Teilnehmer aus 49 Laumlndern uumlber Moumlglichkeiten Laumlnder beim Aufbau von nationalen Metrologiesystemen zu unterstuumltzen In der ersten von Frau Dr Cypionka geleiteten Sitzung Capacity Building ging es um die allge-meinen Herausforderungen bei der Gestaltung von Programmen zur Foumlrderung von Handlungs-kompetenzen und Vermittlung von Wissen fuumlr die Metrologie In zwei weiteren Sitzungen wurden unter den Themen Helping CEEMS Improve Regulation in their Markets (Leitung Prof Dr Manfred Kochsiek) und New Ideas ndash Doing Legal Metrology Differently (Leitung Stuart Carstens

Suumldafrika) konkrete inhaltliche Loumlsungsvorschlaumlge vorgestellt und diskutiert Die Ergebnisse wurden in der 50 CIML-Sitzung vorgestellt und fanden ihren Niederschlag in der Resolution Nr 201510 [2] sie sollen auch noch auf den OIML-Webseiten veroumlffentlicht werden [1]

6 OIML-Publikationen

Folgende OIML-Publikationen wurden verabschiedet

R 139-3 Compressed gaseous fuels measuring systems for vehicles Part 3 Test report format

New Recommendation (R 145) Ophthalmic instru-ments mdash Impression and applanation tonometers

Alle OIML-Publikationen stehen im Internet frei zur Verfuumlgung [3]

Gleichzeitig wurde die Revision der folgenden OIML-Publikation beschlossen

Revision of R 79 Labeling requirements for prepackages

Folgende neue Projekte wurden verabschiedet

Revision des OIML-Dokuments B 6-1 Directives for OIML technical work

Bild 1 Teilnehmer der 50 Sitzung des Internationalen Komitees fuumlr Gesetz-liches Messwesen (CIML) in Arcachon Frankreich

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PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4 Aktuelles aus der OIML

TC 8SC 1 Revision R 71 Fixed storage tanks mdash General requirements

TC 8SC 1 Revision R 85 Automatic level gauges for measuring the level of liquid in stationary storage tanks

7 Personalien und Ehrungen

Die von Dr Seiler dem ehemaligen Leiter des Fachbereichs bdquoTechnische Zusammenarbeitldquo der PTB initiierte OIML-Auszeichnung fuumlr bdquoexzel-lente Beitraumlge von Entwicklungslaumlndern zum gesetzlichen Messwesenldquo ging in diesem Jahr an

bull Nam Hyuk Lim Director of Korea Testing Certi-fication und

bull The Metrology Department Saint Lucia Bureau of Standards

Die OIML-Medaille fuumlr besondere Verdienste um die OIML-Arbeit ging an Ngo Quy Viet Vietnam und Cartaxo Reis aus Portugal

8 Termine

Ein Gastgeberland fuumlr die 51 CIML-Sitzung und 15 OIML-Konferenz im Jahr 2016 konnte noch nicht bekannt gegeben werden es wird aber wahr-scheinlich wieder Frankreich sein Weitere OIML-Veranstaltungen und -Termine finden sich auf der OIML-Webseite unter [4]

9 Literatur

[1] httpswwwoimlorgen (letzter Aufruf 19112015)

[2] httpswwwoimlorgenstructurecimlpdf50-ciml-resolutions-englishpdf (letzter Aufruf 19112015)

[3] httpswwwoimlorgenpublicationsrecommen-dationspublication_viewp_type=1ampp_status=1

[4] (letzter Aufruf 19112015)[5] httpswwwoimlorgeneventscalendar

(letzter Aufruf 19112015)

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TECHNOLOGIETRANSFER

E27-Scanner fuumlr UlbrichtkugelnMit dem besonders einfach ohne Umbau einsetzbaren E27-Scanner koumlnnen Anwender und Hersteller die Homogenitaumlt ihrer Ulbricht-kugeln bestimmen und die Ergebnisse zur Berechnung genauerer Lichtstroumlme und zur Dokumentation der Qualitaumlt ihrer Messungen nutzen

Hintergrund

Wie viel Licht eine Lampe insgesamt in alle Richtungen abstrahlt wird durch ihren Lichtstrom ausgedruumlckt Um den fuumlr die Bestimmung der Energieeffizienz von Lampen notwendigen Lichtstrom schnell zu er mitteln setzt die Lampenindustrie Ulbrichtkugeln ein An einer Stange in der Mitte der Ulbrichtkugel befindet sich eine E27-Lampen-fassung in die nacheinander die Lichtstrom-Normallampe und die zu kalibrierende Lampe eingeschraubt werden Das indirekt auf den Mess-kopf fallende Licht erzeugt einen Photostrom der im Idealfall propor-tional zu dem von der Lampe abgestrahlten Lichtstrom ist unabhaumlngig von der Richtung in die das Licht abgestrahlt wird

Dies ist jedoch bei einer ungleichmaumlszligigen Beschichtung der Kugel sowie bei einer im Laufe der Zeit nicht zu verhindernden Verstaubung nicht der Fall Deshalb wird mit einem Kugelscanner die Homogenitaumlt der Kugel regelmaumlszligig vermessen und ein Korrekturfaktor bestimmt der von der jeweiligen Abstrahlcharakteristik der zu untersuchenden Lampe abhaumlngt

Technische Beschreibung

Der Kugelscanner wird einfach in eine E27-Fassung geschraubt und das sonst fuumlr die Lampenversorgung eingesetzte Netzgeraumlt wird durch die Steuereinheit ersetzt Diese uumlbernimmt sowohl die elektrische Versor-gung als auch die Befehlsuumlbermittlung zum Kugelscanner Die Steuer-einheit wird via USB oder RS232 an einen Computer angeschlossen Das mitgelieferte Messprogramm stellt automatisiert alle gewuumlnschten Richtungen ein und speichert die zugehoumlrigen von der Steuereinheit gemessenen Photostroumlme des Photometers

Wirtschaftliche Bedeutungw

Fuumlr Lampenindustrie und Hersteller von Ulbrichtkugeln

bull Genauere Messung des Lichtstroms

bull Bestimmung des Zeitpunkts einer Neubeschichtung

bull Uumlberwachung beim Beschichten

bull Dokumentation des Zustands der Ulbrichtkugel

EntwicklungsstandDer E27-Kugelscanner wurde in der PTB entwickelt Er wird laufend fuumlr Kalibrierungen eingesetzt Die Technologie wurde an die Firma Czibula amp Grundmann transferiert und wird dort mit einer PTB-Lizenz gebaut und vertrieben wwwphoto-metercom

Ansprechpartner

Dr Bernhard SmandekBeauftragter fuumlr TechnologietransferTelefon +49 531 592shy8303Telefax +49 531 592shy69shy8303EshyMail technologietransferptbde

Dr Stefan WinterFachbereich Photometrie und Radiometrie

Abbildung des E27shyKugelscanners Eine stark fokussierende Lampe die computergesteuert in alle Richtungen leuchten kann

Vorteile

bull Schneller Einbau in E27shyFassung

bull Computergesteuertes Abscannen der gesamten Ulbrichtkugel

bull Flexible Messmoumlglichkeiten

bull Fuumlr genauere Lichtstromshymessungen

bull Wichtig fuumlr die Qualitaumltsshysicherung

PTBshyNummer 0172

wwwtechnologietransferptbde

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PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4 Technologieangebote

Ansprechpartner

Dr Bernhard SmandekBeauftragter fuumlr TechnologietransferTelefon +49 531 592shy8303Telefax +49 531 592shy69shy8303EshyMail technologietransferptbde

Dr Stefan WinterArbeitsgruppe Solarzellen

PulsshyzushyCWshyKonverter

Umwandlung gepulster Laser-Strahlung in konstante StrahlungIn weiten Bereichen der optischen Metrologie ist eine Strahlungs-quelle von groszligem Nutzen die sich spektral vom UV-C bis ins mitt-lere IR durchstimmen laumlsst Lediglich Laser mit gepulster Strahlung erfuumlllen diese Anforderung bei ausreichend groszligem Ausgangssignal bisher luumlckenlos Femtosekunden-Lasersysteme waumlren aufgrund ihrer gut automatisierbaren und spektral weiten Durchstimmbarkeit die ideale Strahlungsquelle fuumlr z B radiometrische Anwendungen ndash wenn ihre Strahlung nicht gepulst waumlre

Durch das extreme Puls-Pausen-Verhaumlltnis von 10ndash5 entstehen hohe Spitzenleistungen die wiederum zu Saumlttigungseffekten bei Detek-toren und in der Folge zu nichtlinearem Verhalten fuumlhren koumlnnen Mit dem in der PTB entwickelten Puls-zu-CW-Konverter wird dieses Problem geloumlst

Technische Beschreibung

Bei dieser Methode werden Pulse gepulster Strahlungsquellen ausrei-chend hoher Repetitionsrate in CW-Strahlung umgewandelt Dabei wird jeder Puls in viele kleine Teilpulse aufgeteilt die auf unterschiedlich langen Wegstrecken unterschiedliche Laufzeiten erfahren Am Ausgang des Systems erscheinen sie dann zeitlich gleichmaumlszligig verteilt Realisiert wird dieser Puls-zu-CW-Konverter uumlber ein Glasfaserbuumlndel bei dem jede Einzelglasfaser eine individuell festgelegte Laumlnge besitzt

Mit der Entwicklung des Puls-zu-CW-Konverters wurde das ent-scheidende Manko beim Einsatz leistungsstarker Femtosekunden(fs)-Lasersysteme im Bereich der Metrologie beseitigt und erstmalig gepulste Laserstrahlung in CW-Strahlung umgewandelt Diese Neuentwicklung ermoumlglicht es nun herkoumlmmliche Monochromatorsysteme durch fs-Lasersysteme zu ersetzen die eine bis zu 1000-mal houmlhere spektrale Ausgangsleistung besitzen

Wirtschaftliche Bedeutung

Durch den neuen Puls-zu-CW-Converter koumlnnen in wirtschaftlich bedeutenden Bereichen wie z B der Photovoltaik der Photometrie der UV-Strahlungsmesstechnik und der Reflektometrie die Referenz- und Transfernormale mit einer deutlich reduzierten Messunsicherheit kali-briert werden Hier werden bislang wesentliche Messunsicherheitsan-teile durch zu geringe Strahlungsleistungen aus herkoumlmmlichen Mono-chromatorsystemen verursacht

Entwicklungsstand

Unter DE 10 2010 011 615 B4 wurde fuumlr den CW-Konverter ein Patent erteilt

Vorteile

bull Zeitliche Glaumlttung gepulster Laserstrahlung

bull Keine stoumlrenden Interferenzen

bull Nur minimale Absorption des Messsignals

bull Auch bei kuumlrzeren Wellenshylaumlngen ohne Ulbrichtkugel verwendbar

bull Kontinuierliche Verteilung des Ausgangspulses

bull Pulsvervielfachung

bull Houmlhere Strahlungsleistung

PTBshyNummer 0254

wwwtechnologietransferptbde

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PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4Technologieangebote

50

Homogenisierung von Strahlungsquellen und Focal Plane Arrays (FPA)Ein neuartiges Verfahren ermoumlglicht softwaregestuumltzt eine deutlich verbesserte Kalibrierung von Mehrelement-Sensoren (FPA) und bildgebenden Systemen (Kameras) Bei flaumlchigen Strahlungsquellen kann zusaumltzlich eine gezielte Ansteuerung von Flaumlchenelementen zu einer bisher im Allgemeinen nicht erreichbaren Flaumlchenhomogenitaumlt fuumlhren

Technische Beschreibung

Flaumlchenstrahler dienen der Kalibrierung von ortsaufloumlsenden Strah-lungssensoren wobei davon ausgegangen wird dass die Emissionsflaumlche des Strahlers im Wesentlichen homogen bezuumlglich ihrer Strahldichte bzw Strahlungstemperatur ist Um kleine Inhomogenitaumlten eines Flaumlchenstrahlers zu charakterisieren ist es ein gaumlngiges Verfahren die Emissionsflaumlche punktweise mit einem Einzeldetektor abzutasten

Das neue PTB-Verfahren ist wesentlich schneller da es den Mehr-element-Sensor (FPA) das device-under-test selbst nutzt und damit immer ein Gesamtbild der Quelle aufnimmt Werden jetzt weitere Bilder zeilen- oder spaltenversetzt aufgenommen so erlaubt ein mathema-tischer Algorithmus bei nur drei Bildern eine komplette Charakterisie-rung des Sensors aber auch der Quelle

Sind Flaumlchenelemente der Strahlungsquelle einzeln ansteuerbar so ist es sogar moumlglich mittels der ermittelten Korrekturwerte zu Strahlquellen extrem hoher Homogenitaumlt im on-line-Betrieb zu gelangen

Wirtschaftliche Bedeutung

Bildgebende Strahlungssensoren und homogene Strahlungsquellen sind relevant fuumlr die Forschung und Entwicklung fuumlr die Prozesstechnik fuumlr die Charakterisierung der Energieeffizienz von Bauten bei der Ent-wicklung neuer Bauteile mit hoher thermischer Belastung und in vielen weiteren Bereichen Der mathematische Algorithmus ist aber auf unter-schiedliche Arten von Kamerasystemen anwendbar und damit auch fuumlr die Qualitaumltssicherung von CCD-Kameras bis hin zum Konsumguuml-termarkt anwendbar EntwicklungsstandEine deutsche Patenterteilung erfolgte im September 2015 Eine PCT-Anmeldung ist anhaumlngig Kooperations- und Lizenzpartner aus den Bereichen Thermografie Radiometrie und Photometrie zur Umsetzung des Konzeptes werden gesucht

Ansprechpartner

Dr Bernhard SmandekBeauftragter fuumlr TechnologietransferTelefon +49 531 592shy8303Telefax +49 531 592shy69shy8303EshyMail technologietransferptbde

DiplshyIng Berndt GutschwagerArbeitsgruppeInfrarotshyStrahlungsthermometrie

Stahlungsmessplatz der PTB zur Kalibrierung von Temperaturstrahlern und Waumlrmebildkashymeras

Vorteile

bull Schnelle Kalibrierung von Flaumlchensensoren (FPA)

bull Schnelle Kalibrierung von Flaumlchenstrahlern

bull Strahlquellen houmlchster Hoshymogenitaumlt

bull Fuumlr Thermografie und Phoshytometrie

PTBshyNummer 00374

wwwtechnologietransferptbde

Verlag Fachverlag NW in der Carl Schuumlnemann Verlag GmbHZweite Schlachtpforte 728195 Bremen Internet wwwschuenemannde E-Mail infoschuenemann-verlagde

Herausgeber Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB) Braunschweig und Berlin Postanschrift Postfach 33 45 38023 Braunschweig Lieferanschrift Bundesallee 100 38116 Braunschweig

Redaktion Layout Presse- und Oumlffentlichkeitsarbeit PTBSabine Siems Dr Dr Jens Simon (verantwortlich) Prof Dr Stefan Kuumlck (wissenschaftlicher Redakteur)Telefon (05 31) 592-82 02 Telefax (05 31) 592-30 08 E-Mail sabinesiemsptbde

Leser- und Abonnement-Service Karin Drewes Telefon (0421) 369 03-56Telefax (0421) 369 03-63E-Mail drewesschuenemann-verlagde

Anzeigenservice Karin Drewes Telefon (0421) 369 03-56Telefax (0421) 369 03-63E-Mail drewesschuenemann-verlagde

Erscheinungsweise und Bezugspreise Die PTB-Mitteilungen erscheinen viermal jaumlhrlich Das Jahresabonnement kostet 3900 Euro das Einzelheft 1200 Euro jeweils zzgl Versandkosten Bezug uumlber den Buchhandel oder den Verlag Abbestellungen muumlssen spaumltestens drei Monate vor Ende eines Kalenderjahres schriftlich beim Verlag erfolgen

Alle Rechte vorbehalten Kein Teil dieser Zeitschrift darf ohne schriftliche Genehmigung des Verlages vervielfaumlltigt oder verbreitet werden Unter dieses Verbot faumlllt insbesondere die gewerbliche Ver-vielfaumlltigung per Kopie die Aufnahme in elektro-nische Datenbanken und die Vervielfaumlltigung auf CD-ROM und in allen anderen elektronischen Datentraumlgern

Printed in Germany ISSN 0030-834X

Die fachlichen Aufsaumltze aus dieser Ausgabe der PTB-Mitteilungen sind auch online verfuumlgbar unterdoi 10779531020150499

Die Physikalisch-Technische Bundesanstalt das nationale Metrologieinstitut ist eine wissenschaftlich-technische Bundesoberbehoumlrde im Geschaumlftsbereich des Bundesministeriums fuumlr Wirtschaft und Energie

mitteilungen

Impressum

Die PTB-Mitteilungen sind metrologisches Fachjournal der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt Braunschweig und Berlin Als Fachjournal veroumlffentlichen die PTB- Mitteilungen wissenschaftliche Fachaufsaumltze zu metrologischen Themen aus den Arbeitsgebieten der PTB Die PTB-Mitteilungen stehen in einer langen Tradition die bis zu den Anfaumlngen der Physikalisch-Technischen Reichsanstalt (gegruumlndet 1887) zuruumlckreicht

Bundesallee 100 38116 Braunschweig

Presse- und Oumlffentlichkeitsarbeit

Telefon 0531 592-3006 Fax 0531 592-3008 E-Mail presseptbde wwwptbde

Physikalisch-Technische BundesanstaltBraunschweig und BerlinNationales Metrologieinstitut

Die Physikalisch-Technische Bundesanstalt das nationale Metrologieinstitut ist eine wissenschaftlich-technische Bundesoberbehoumlrde im Geschaumlftsbereich des Bundesministeriums fuumlr Wirtschaft und Energie

Phy

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PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4Internationale Zusammenarbeit

inzwischen sinnvoller und wurde so auch vom CIML beschlossen zum 112017 ein einziges OIML-Zertifizierungssystem einzufuumlhren Eine Projektgruppe (Certification System Project Group = CSPG) unter dem Vorsitz des CIML-Vizepraumlsi-denten Dr Roman Schwartz wurde damit beauf-tragt die notwendigen Dokumente und Prozedu-ren auszuarbeiten

5 OIML-Seminar fuumlr Countries and Economies with Emerging Metrology Systems (CEEMS)

Im Vorfeld der CIML-Sitzung wurde ein eintaumlgiges Seminar zum Thema Developing an OIML Package for Assistance to Countries with Emerging Metro-logy Systems (CEEMS) abgehalten In vier Sitzun-gen diskutierten 125 Teilnehmer aus 49 Laumlndern uumlber Moumlglichkeiten Laumlnder beim Aufbau von nationalen Metrologiesystemen zu unterstuumltzen In der ersten von Frau Dr Cypionka geleiteten Sitzung Capacity Building ging es um die allge-meinen Herausforderungen bei der Gestaltung von Programmen zur Foumlrderung von Handlungs-kompetenzen und Vermittlung von Wissen fuumlr die Metrologie In zwei weiteren Sitzungen wurden unter den Themen Helping CEEMS Improve Regulation in their Markets (Leitung Prof Dr Manfred Kochsiek) und New Ideas ndash Doing Legal Metrology Differently (Leitung Stuart Carstens

Suumldafrika) konkrete inhaltliche Loumlsungsvorschlaumlge vorgestellt und diskutiert Die Ergebnisse wurden in der 50 CIML-Sitzung vorgestellt und fanden ihren Niederschlag in der Resolution Nr 201510 [2] sie sollen auch noch auf den OIML-Webseiten veroumlffentlicht werden [1]

6 OIML-Publikationen

Folgende OIML-Publikationen wurden verabschiedet

R 139-3 Compressed gaseous fuels measuring systems for vehicles Part 3 Test report format

New Recommendation (R 145) Ophthalmic instru-ments mdash Impression and applanation tonometers

Alle OIML-Publikationen stehen im Internet frei zur Verfuumlgung [3]

Gleichzeitig wurde die Revision der folgenden OIML-Publikation beschlossen

Revision of R 79 Labeling requirements for prepackages

Folgende neue Projekte wurden verabschiedet

Revision des OIML-Dokuments B 6-1 Directives for OIML technical work

Bild 1 Teilnehmer der 50 Sitzung des Internationalen Komitees fuumlr Gesetz-liches Messwesen (CIML) in Arcachon Frankreich

47

PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4 Aktuelles aus der OIML

TC 8SC 1 Revision R 71 Fixed storage tanks mdash General requirements

TC 8SC 1 Revision R 85 Automatic level gauges for measuring the level of liquid in stationary storage tanks

7 Personalien und Ehrungen

Die von Dr Seiler dem ehemaligen Leiter des Fachbereichs bdquoTechnische Zusammenarbeitldquo der PTB initiierte OIML-Auszeichnung fuumlr bdquoexzel-lente Beitraumlge von Entwicklungslaumlndern zum gesetzlichen Messwesenldquo ging in diesem Jahr an

bull Nam Hyuk Lim Director of Korea Testing Certi-fication und

bull The Metrology Department Saint Lucia Bureau of Standards

Die OIML-Medaille fuumlr besondere Verdienste um die OIML-Arbeit ging an Ngo Quy Viet Vietnam und Cartaxo Reis aus Portugal

8 Termine

Ein Gastgeberland fuumlr die 51 CIML-Sitzung und 15 OIML-Konferenz im Jahr 2016 konnte noch nicht bekannt gegeben werden es wird aber wahr-scheinlich wieder Frankreich sein Weitere OIML-Veranstaltungen und -Termine finden sich auf der OIML-Webseite unter [4]

9 Literatur

[1] httpswwwoimlorgen (letzter Aufruf 19112015)

[2] httpswwwoimlorgenstructurecimlpdf50-ciml-resolutions-englishpdf (letzter Aufruf 19112015)

[3] httpswwwoimlorgenpublicationsrecommen-dationspublication_viewp_type=1ampp_status=1

[4] (letzter Aufruf 19112015)[5] httpswwwoimlorgeneventscalendar

(letzter Aufruf 19112015)

48

TECHNOLOGIETRANSFER

E27-Scanner fuumlr UlbrichtkugelnMit dem besonders einfach ohne Umbau einsetzbaren E27-Scanner koumlnnen Anwender und Hersteller die Homogenitaumlt ihrer Ulbricht-kugeln bestimmen und die Ergebnisse zur Berechnung genauerer Lichtstroumlme und zur Dokumentation der Qualitaumlt ihrer Messungen nutzen

Hintergrund

Wie viel Licht eine Lampe insgesamt in alle Richtungen abstrahlt wird durch ihren Lichtstrom ausgedruumlckt Um den fuumlr die Bestimmung der Energieeffizienz von Lampen notwendigen Lichtstrom schnell zu er mitteln setzt die Lampenindustrie Ulbrichtkugeln ein An einer Stange in der Mitte der Ulbrichtkugel befindet sich eine E27-Lampen-fassung in die nacheinander die Lichtstrom-Normallampe und die zu kalibrierende Lampe eingeschraubt werden Das indirekt auf den Mess-kopf fallende Licht erzeugt einen Photostrom der im Idealfall propor-tional zu dem von der Lampe abgestrahlten Lichtstrom ist unabhaumlngig von der Richtung in die das Licht abgestrahlt wird

Dies ist jedoch bei einer ungleichmaumlszligigen Beschichtung der Kugel sowie bei einer im Laufe der Zeit nicht zu verhindernden Verstaubung nicht der Fall Deshalb wird mit einem Kugelscanner die Homogenitaumlt der Kugel regelmaumlszligig vermessen und ein Korrekturfaktor bestimmt der von der jeweiligen Abstrahlcharakteristik der zu untersuchenden Lampe abhaumlngt

Technische Beschreibung

Der Kugelscanner wird einfach in eine E27-Fassung geschraubt und das sonst fuumlr die Lampenversorgung eingesetzte Netzgeraumlt wird durch die Steuereinheit ersetzt Diese uumlbernimmt sowohl die elektrische Versor-gung als auch die Befehlsuumlbermittlung zum Kugelscanner Die Steuer-einheit wird via USB oder RS232 an einen Computer angeschlossen Das mitgelieferte Messprogramm stellt automatisiert alle gewuumlnschten Richtungen ein und speichert die zugehoumlrigen von der Steuereinheit gemessenen Photostroumlme des Photometers

Wirtschaftliche Bedeutungw

Fuumlr Lampenindustrie und Hersteller von Ulbrichtkugeln

bull Genauere Messung des Lichtstroms

bull Bestimmung des Zeitpunkts einer Neubeschichtung

bull Uumlberwachung beim Beschichten

bull Dokumentation des Zustands der Ulbrichtkugel

EntwicklungsstandDer E27-Kugelscanner wurde in der PTB entwickelt Er wird laufend fuumlr Kalibrierungen eingesetzt Die Technologie wurde an die Firma Czibula amp Grundmann transferiert und wird dort mit einer PTB-Lizenz gebaut und vertrieben wwwphoto-metercom

Ansprechpartner

Dr Bernhard SmandekBeauftragter fuumlr TechnologietransferTelefon +49 531 592shy8303Telefax +49 531 592shy69shy8303EshyMail technologietransferptbde

Dr Stefan WinterFachbereich Photometrie und Radiometrie

Abbildung des E27shyKugelscanners Eine stark fokussierende Lampe die computergesteuert in alle Richtungen leuchten kann

Vorteile

bull Schneller Einbau in E27shyFassung

bull Computergesteuertes Abscannen der gesamten Ulbrichtkugel

bull Flexible Messmoumlglichkeiten

bull Fuumlr genauere Lichtstromshymessungen

bull Wichtig fuumlr die Qualitaumltsshysicherung

PTBshyNummer 0172

wwwtechnologietransferptbde

49

PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4 Technologieangebote

Ansprechpartner

Dr Bernhard SmandekBeauftragter fuumlr TechnologietransferTelefon +49 531 592shy8303Telefax +49 531 592shy69shy8303EshyMail technologietransferptbde

Dr Stefan WinterArbeitsgruppe Solarzellen

PulsshyzushyCWshyKonverter

Umwandlung gepulster Laser-Strahlung in konstante StrahlungIn weiten Bereichen der optischen Metrologie ist eine Strahlungs-quelle von groszligem Nutzen die sich spektral vom UV-C bis ins mitt-lere IR durchstimmen laumlsst Lediglich Laser mit gepulster Strahlung erfuumlllen diese Anforderung bei ausreichend groszligem Ausgangssignal bisher luumlckenlos Femtosekunden-Lasersysteme waumlren aufgrund ihrer gut automatisierbaren und spektral weiten Durchstimmbarkeit die ideale Strahlungsquelle fuumlr z B radiometrische Anwendungen ndash wenn ihre Strahlung nicht gepulst waumlre

Durch das extreme Puls-Pausen-Verhaumlltnis von 10ndash5 entstehen hohe Spitzenleistungen die wiederum zu Saumlttigungseffekten bei Detek-toren und in der Folge zu nichtlinearem Verhalten fuumlhren koumlnnen Mit dem in der PTB entwickelten Puls-zu-CW-Konverter wird dieses Problem geloumlst

Technische Beschreibung

Bei dieser Methode werden Pulse gepulster Strahlungsquellen ausrei-chend hoher Repetitionsrate in CW-Strahlung umgewandelt Dabei wird jeder Puls in viele kleine Teilpulse aufgeteilt die auf unterschiedlich langen Wegstrecken unterschiedliche Laufzeiten erfahren Am Ausgang des Systems erscheinen sie dann zeitlich gleichmaumlszligig verteilt Realisiert wird dieser Puls-zu-CW-Konverter uumlber ein Glasfaserbuumlndel bei dem jede Einzelglasfaser eine individuell festgelegte Laumlnge besitzt

Mit der Entwicklung des Puls-zu-CW-Konverters wurde das ent-scheidende Manko beim Einsatz leistungsstarker Femtosekunden(fs)-Lasersysteme im Bereich der Metrologie beseitigt und erstmalig gepulste Laserstrahlung in CW-Strahlung umgewandelt Diese Neuentwicklung ermoumlglicht es nun herkoumlmmliche Monochromatorsysteme durch fs-Lasersysteme zu ersetzen die eine bis zu 1000-mal houmlhere spektrale Ausgangsleistung besitzen

Wirtschaftliche Bedeutung

Durch den neuen Puls-zu-CW-Converter koumlnnen in wirtschaftlich bedeutenden Bereichen wie z B der Photovoltaik der Photometrie der UV-Strahlungsmesstechnik und der Reflektometrie die Referenz- und Transfernormale mit einer deutlich reduzierten Messunsicherheit kali-briert werden Hier werden bislang wesentliche Messunsicherheitsan-teile durch zu geringe Strahlungsleistungen aus herkoumlmmlichen Mono-chromatorsystemen verursacht

Entwicklungsstand

Unter DE 10 2010 011 615 B4 wurde fuumlr den CW-Konverter ein Patent erteilt

Vorteile

bull Zeitliche Glaumlttung gepulster Laserstrahlung

bull Keine stoumlrenden Interferenzen

bull Nur minimale Absorption des Messsignals

bull Auch bei kuumlrzeren Wellenshylaumlngen ohne Ulbrichtkugel verwendbar

bull Kontinuierliche Verteilung des Ausgangspulses

bull Pulsvervielfachung

bull Houmlhere Strahlungsleistung

PTBshyNummer 0254

wwwtechnologietransferptbde

50

PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4Technologieangebote

50

Homogenisierung von Strahlungsquellen und Focal Plane Arrays (FPA)Ein neuartiges Verfahren ermoumlglicht softwaregestuumltzt eine deutlich verbesserte Kalibrierung von Mehrelement-Sensoren (FPA) und bildgebenden Systemen (Kameras) Bei flaumlchigen Strahlungsquellen kann zusaumltzlich eine gezielte Ansteuerung von Flaumlchenelementen zu einer bisher im Allgemeinen nicht erreichbaren Flaumlchenhomogenitaumlt fuumlhren

Technische Beschreibung

Flaumlchenstrahler dienen der Kalibrierung von ortsaufloumlsenden Strah-lungssensoren wobei davon ausgegangen wird dass die Emissionsflaumlche des Strahlers im Wesentlichen homogen bezuumlglich ihrer Strahldichte bzw Strahlungstemperatur ist Um kleine Inhomogenitaumlten eines Flaumlchenstrahlers zu charakterisieren ist es ein gaumlngiges Verfahren die Emissionsflaumlche punktweise mit einem Einzeldetektor abzutasten

Das neue PTB-Verfahren ist wesentlich schneller da es den Mehr-element-Sensor (FPA) das device-under-test selbst nutzt und damit immer ein Gesamtbild der Quelle aufnimmt Werden jetzt weitere Bilder zeilen- oder spaltenversetzt aufgenommen so erlaubt ein mathema-tischer Algorithmus bei nur drei Bildern eine komplette Charakterisie-rung des Sensors aber auch der Quelle

Sind Flaumlchenelemente der Strahlungsquelle einzeln ansteuerbar so ist es sogar moumlglich mittels der ermittelten Korrekturwerte zu Strahlquellen extrem hoher Homogenitaumlt im on-line-Betrieb zu gelangen

Wirtschaftliche Bedeutung

Bildgebende Strahlungssensoren und homogene Strahlungsquellen sind relevant fuumlr die Forschung und Entwicklung fuumlr die Prozesstechnik fuumlr die Charakterisierung der Energieeffizienz von Bauten bei der Ent-wicklung neuer Bauteile mit hoher thermischer Belastung und in vielen weiteren Bereichen Der mathematische Algorithmus ist aber auf unter-schiedliche Arten von Kamerasystemen anwendbar und damit auch fuumlr die Qualitaumltssicherung von CCD-Kameras bis hin zum Konsumguuml-termarkt anwendbar EntwicklungsstandEine deutsche Patenterteilung erfolgte im September 2015 Eine PCT-Anmeldung ist anhaumlngig Kooperations- und Lizenzpartner aus den Bereichen Thermografie Radiometrie und Photometrie zur Umsetzung des Konzeptes werden gesucht

Ansprechpartner

Dr Bernhard SmandekBeauftragter fuumlr TechnologietransferTelefon +49 531 592shy8303Telefax +49 531 592shy69shy8303EshyMail technologietransferptbde

DiplshyIng Berndt GutschwagerArbeitsgruppeInfrarotshyStrahlungsthermometrie

Stahlungsmessplatz der PTB zur Kalibrierung von Temperaturstrahlern und Waumlrmebildkashymeras

Vorteile

bull Schnelle Kalibrierung von Flaumlchensensoren (FPA)

bull Schnelle Kalibrierung von Flaumlchenstrahlern

bull Strahlquellen houmlchster Hoshymogenitaumlt

bull Fuumlr Thermografie und Phoshytometrie

PTBshyNummer 00374

wwwtechnologietransferptbde

Verlag Fachverlag NW in der Carl Schuumlnemann Verlag GmbHZweite Schlachtpforte 728195 Bremen Internet wwwschuenemannde E-Mail infoschuenemann-verlagde

Herausgeber Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB) Braunschweig und Berlin Postanschrift Postfach 33 45 38023 Braunschweig Lieferanschrift Bundesallee 100 38116 Braunschweig

Redaktion Layout Presse- und Oumlffentlichkeitsarbeit PTBSabine Siems Dr Dr Jens Simon (verantwortlich) Prof Dr Stefan Kuumlck (wissenschaftlicher Redakteur)Telefon (05 31) 592-82 02 Telefax (05 31) 592-30 08 E-Mail sabinesiemsptbde

Leser- und Abonnement-Service Karin Drewes Telefon (0421) 369 03-56Telefax (0421) 369 03-63E-Mail drewesschuenemann-verlagde

Anzeigenservice Karin Drewes Telefon (0421) 369 03-56Telefax (0421) 369 03-63E-Mail drewesschuenemann-verlagde

Erscheinungsweise und Bezugspreise Die PTB-Mitteilungen erscheinen viermal jaumlhrlich Das Jahresabonnement kostet 3900 Euro das Einzelheft 1200 Euro jeweils zzgl Versandkosten Bezug uumlber den Buchhandel oder den Verlag Abbestellungen muumlssen spaumltestens drei Monate vor Ende eines Kalenderjahres schriftlich beim Verlag erfolgen

Alle Rechte vorbehalten Kein Teil dieser Zeitschrift darf ohne schriftliche Genehmigung des Verlages vervielfaumlltigt oder verbreitet werden Unter dieses Verbot faumlllt insbesondere die gewerbliche Ver-vielfaumlltigung per Kopie die Aufnahme in elektro-nische Datenbanken und die Vervielfaumlltigung auf CD-ROM und in allen anderen elektronischen Datentraumlgern

Printed in Germany ISSN 0030-834X

Die fachlichen Aufsaumltze aus dieser Ausgabe der PTB-Mitteilungen sind auch online verfuumlgbar unterdoi 10779531020150499

Die Physikalisch-Technische Bundesanstalt das nationale Metrologieinstitut ist eine wissenschaftlich-technische Bundesoberbehoumlrde im Geschaumlftsbereich des Bundesministeriums fuumlr Wirtschaft und Energie

mitteilungen

Impressum

Die PTB-Mitteilungen sind metrologisches Fachjournal der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt Braunschweig und Berlin Als Fachjournal veroumlffentlichen die PTB- Mitteilungen wissenschaftliche Fachaufsaumltze zu metrologischen Themen aus den Arbeitsgebieten der PTB Die PTB-Mitteilungen stehen in einer langen Tradition die bis zu den Anfaumlngen der Physikalisch-Technischen Reichsanstalt (gegruumlndet 1887) zuruumlckreicht

Bundesallee 100 38116 Braunschweig

Presse- und Oumlffentlichkeitsarbeit

Telefon 0531 592-3006 Fax 0531 592-3008 E-Mail presseptbde wwwptbde

Physikalisch-Technische BundesanstaltBraunschweig und BerlinNationales Metrologieinstitut

Die Physikalisch-Technische Bundesanstalt das nationale Metrologieinstitut ist eine wissenschaftlich-technische Bundesoberbehoumlrde im Geschaumlftsbereich des Bundesministeriums fuumlr Wirtschaft und Energie

Phy

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PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4 Aktuelles aus der OIML

TC 8SC 1 Revision R 71 Fixed storage tanks mdash General requirements

TC 8SC 1 Revision R 85 Automatic level gauges for measuring the level of liquid in stationary storage tanks

7 Personalien und Ehrungen

Die von Dr Seiler dem ehemaligen Leiter des Fachbereichs bdquoTechnische Zusammenarbeitldquo der PTB initiierte OIML-Auszeichnung fuumlr bdquoexzel-lente Beitraumlge von Entwicklungslaumlndern zum gesetzlichen Messwesenldquo ging in diesem Jahr an

bull Nam Hyuk Lim Director of Korea Testing Certi-fication und

bull The Metrology Department Saint Lucia Bureau of Standards

Die OIML-Medaille fuumlr besondere Verdienste um die OIML-Arbeit ging an Ngo Quy Viet Vietnam und Cartaxo Reis aus Portugal

8 Termine

Ein Gastgeberland fuumlr die 51 CIML-Sitzung und 15 OIML-Konferenz im Jahr 2016 konnte noch nicht bekannt gegeben werden es wird aber wahr-scheinlich wieder Frankreich sein Weitere OIML-Veranstaltungen und -Termine finden sich auf der OIML-Webseite unter [4]

9 Literatur

[1] httpswwwoimlorgen (letzter Aufruf 19112015)

[2] httpswwwoimlorgenstructurecimlpdf50-ciml-resolutions-englishpdf (letzter Aufruf 19112015)

[3] httpswwwoimlorgenpublicationsrecommen-dationspublication_viewp_type=1ampp_status=1

[4] (letzter Aufruf 19112015)[5] httpswwwoimlorgeneventscalendar

(letzter Aufruf 19112015)

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TECHNOLOGIETRANSFER

E27-Scanner fuumlr UlbrichtkugelnMit dem besonders einfach ohne Umbau einsetzbaren E27-Scanner koumlnnen Anwender und Hersteller die Homogenitaumlt ihrer Ulbricht-kugeln bestimmen und die Ergebnisse zur Berechnung genauerer Lichtstroumlme und zur Dokumentation der Qualitaumlt ihrer Messungen nutzen

Hintergrund

Wie viel Licht eine Lampe insgesamt in alle Richtungen abstrahlt wird durch ihren Lichtstrom ausgedruumlckt Um den fuumlr die Bestimmung der Energieeffizienz von Lampen notwendigen Lichtstrom schnell zu er mitteln setzt die Lampenindustrie Ulbrichtkugeln ein An einer Stange in der Mitte der Ulbrichtkugel befindet sich eine E27-Lampen-fassung in die nacheinander die Lichtstrom-Normallampe und die zu kalibrierende Lampe eingeschraubt werden Das indirekt auf den Mess-kopf fallende Licht erzeugt einen Photostrom der im Idealfall propor-tional zu dem von der Lampe abgestrahlten Lichtstrom ist unabhaumlngig von der Richtung in die das Licht abgestrahlt wird

Dies ist jedoch bei einer ungleichmaumlszligigen Beschichtung der Kugel sowie bei einer im Laufe der Zeit nicht zu verhindernden Verstaubung nicht der Fall Deshalb wird mit einem Kugelscanner die Homogenitaumlt der Kugel regelmaumlszligig vermessen und ein Korrekturfaktor bestimmt der von der jeweiligen Abstrahlcharakteristik der zu untersuchenden Lampe abhaumlngt

Technische Beschreibung

Der Kugelscanner wird einfach in eine E27-Fassung geschraubt und das sonst fuumlr die Lampenversorgung eingesetzte Netzgeraumlt wird durch die Steuereinheit ersetzt Diese uumlbernimmt sowohl die elektrische Versor-gung als auch die Befehlsuumlbermittlung zum Kugelscanner Die Steuer-einheit wird via USB oder RS232 an einen Computer angeschlossen Das mitgelieferte Messprogramm stellt automatisiert alle gewuumlnschten Richtungen ein und speichert die zugehoumlrigen von der Steuereinheit gemessenen Photostroumlme des Photometers

Wirtschaftliche Bedeutungw

Fuumlr Lampenindustrie und Hersteller von Ulbrichtkugeln

bull Genauere Messung des Lichtstroms

bull Bestimmung des Zeitpunkts einer Neubeschichtung

bull Uumlberwachung beim Beschichten

bull Dokumentation des Zustands der Ulbrichtkugel

EntwicklungsstandDer E27-Kugelscanner wurde in der PTB entwickelt Er wird laufend fuumlr Kalibrierungen eingesetzt Die Technologie wurde an die Firma Czibula amp Grundmann transferiert und wird dort mit einer PTB-Lizenz gebaut und vertrieben wwwphoto-metercom

Ansprechpartner

Dr Bernhard SmandekBeauftragter fuumlr TechnologietransferTelefon +49 531 592shy8303Telefax +49 531 592shy69shy8303EshyMail technologietransferptbde

Dr Stefan WinterFachbereich Photometrie und Radiometrie

Abbildung des E27shyKugelscanners Eine stark fokussierende Lampe die computergesteuert in alle Richtungen leuchten kann

Vorteile

bull Schneller Einbau in E27shyFassung

bull Computergesteuertes Abscannen der gesamten Ulbrichtkugel

bull Flexible Messmoumlglichkeiten

bull Fuumlr genauere Lichtstromshymessungen

bull Wichtig fuumlr die Qualitaumltsshysicherung

PTBshyNummer 0172

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PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4 Technologieangebote

Ansprechpartner

Dr Bernhard SmandekBeauftragter fuumlr TechnologietransferTelefon +49 531 592shy8303Telefax +49 531 592shy69shy8303EshyMail technologietransferptbde

Dr Stefan WinterArbeitsgruppe Solarzellen

PulsshyzushyCWshyKonverter

Umwandlung gepulster Laser-Strahlung in konstante StrahlungIn weiten Bereichen der optischen Metrologie ist eine Strahlungs-quelle von groszligem Nutzen die sich spektral vom UV-C bis ins mitt-lere IR durchstimmen laumlsst Lediglich Laser mit gepulster Strahlung erfuumlllen diese Anforderung bei ausreichend groszligem Ausgangssignal bisher luumlckenlos Femtosekunden-Lasersysteme waumlren aufgrund ihrer gut automatisierbaren und spektral weiten Durchstimmbarkeit die ideale Strahlungsquelle fuumlr z B radiometrische Anwendungen ndash wenn ihre Strahlung nicht gepulst waumlre

Durch das extreme Puls-Pausen-Verhaumlltnis von 10ndash5 entstehen hohe Spitzenleistungen die wiederum zu Saumlttigungseffekten bei Detek-toren und in der Folge zu nichtlinearem Verhalten fuumlhren koumlnnen Mit dem in der PTB entwickelten Puls-zu-CW-Konverter wird dieses Problem geloumlst

Technische Beschreibung

Bei dieser Methode werden Pulse gepulster Strahlungsquellen ausrei-chend hoher Repetitionsrate in CW-Strahlung umgewandelt Dabei wird jeder Puls in viele kleine Teilpulse aufgeteilt die auf unterschiedlich langen Wegstrecken unterschiedliche Laufzeiten erfahren Am Ausgang des Systems erscheinen sie dann zeitlich gleichmaumlszligig verteilt Realisiert wird dieser Puls-zu-CW-Konverter uumlber ein Glasfaserbuumlndel bei dem jede Einzelglasfaser eine individuell festgelegte Laumlnge besitzt

Mit der Entwicklung des Puls-zu-CW-Konverters wurde das ent-scheidende Manko beim Einsatz leistungsstarker Femtosekunden(fs)-Lasersysteme im Bereich der Metrologie beseitigt und erstmalig gepulste Laserstrahlung in CW-Strahlung umgewandelt Diese Neuentwicklung ermoumlglicht es nun herkoumlmmliche Monochromatorsysteme durch fs-Lasersysteme zu ersetzen die eine bis zu 1000-mal houmlhere spektrale Ausgangsleistung besitzen

Wirtschaftliche Bedeutung

Durch den neuen Puls-zu-CW-Converter koumlnnen in wirtschaftlich bedeutenden Bereichen wie z B der Photovoltaik der Photometrie der UV-Strahlungsmesstechnik und der Reflektometrie die Referenz- und Transfernormale mit einer deutlich reduzierten Messunsicherheit kali-briert werden Hier werden bislang wesentliche Messunsicherheitsan-teile durch zu geringe Strahlungsleistungen aus herkoumlmmlichen Mono-chromatorsystemen verursacht

Entwicklungsstand

Unter DE 10 2010 011 615 B4 wurde fuumlr den CW-Konverter ein Patent erteilt

Vorteile

bull Zeitliche Glaumlttung gepulster Laserstrahlung

bull Keine stoumlrenden Interferenzen

bull Nur minimale Absorption des Messsignals

bull Auch bei kuumlrzeren Wellenshylaumlngen ohne Ulbrichtkugel verwendbar

bull Kontinuierliche Verteilung des Ausgangspulses

bull Pulsvervielfachung

bull Houmlhere Strahlungsleistung

PTBshyNummer 0254

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Homogenisierung von Strahlungsquellen und Focal Plane Arrays (FPA)Ein neuartiges Verfahren ermoumlglicht softwaregestuumltzt eine deutlich verbesserte Kalibrierung von Mehrelement-Sensoren (FPA) und bildgebenden Systemen (Kameras) Bei flaumlchigen Strahlungsquellen kann zusaumltzlich eine gezielte Ansteuerung von Flaumlchenelementen zu einer bisher im Allgemeinen nicht erreichbaren Flaumlchenhomogenitaumlt fuumlhren

Technische Beschreibung

Flaumlchenstrahler dienen der Kalibrierung von ortsaufloumlsenden Strah-lungssensoren wobei davon ausgegangen wird dass die Emissionsflaumlche des Strahlers im Wesentlichen homogen bezuumlglich ihrer Strahldichte bzw Strahlungstemperatur ist Um kleine Inhomogenitaumlten eines Flaumlchenstrahlers zu charakterisieren ist es ein gaumlngiges Verfahren die Emissionsflaumlche punktweise mit einem Einzeldetektor abzutasten

Das neue PTB-Verfahren ist wesentlich schneller da es den Mehr-element-Sensor (FPA) das device-under-test selbst nutzt und damit immer ein Gesamtbild der Quelle aufnimmt Werden jetzt weitere Bilder zeilen- oder spaltenversetzt aufgenommen so erlaubt ein mathema-tischer Algorithmus bei nur drei Bildern eine komplette Charakterisie-rung des Sensors aber auch der Quelle

Sind Flaumlchenelemente der Strahlungsquelle einzeln ansteuerbar so ist es sogar moumlglich mittels der ermittelten Korrekturwerte zu Strahlquellen extrem hoher Homogenitaumlt im on-line-Betrieb zu gelangen

Wirtschaftliche Bedeutung

Bildgebende Strahlungssensoren und homogene Strahlungsquellen sind relevant fuumlr die Forschung und Entwicklung fuumlr die Prozesstechnik fuumlr die Charakterisierung der Energieeffizienz von Bauten bei der Ent-wicklung neuer Bauteile mit hoher thermischer Belastung und in vielen weiteren Bereichen Der mathematische Algorithmus ist aber auf unter-schiedliche Arten von Kamerasystemen anwendbar und damit auch fuumlr die Qualitaumltssicherung von CCD-Kameras bis hin zum Konsumguuml-termarkt anwendbar EntwicklungsstandEine deutsche Patenterteilung erfolgte im September 2015 Eine PCT-Anmeldung ist anhaumlngig Kooperations- und Lizenzpartner aus den Bereichen Thermografie Radiometrie und Photometrie zur Umsetzung des Konzeptes werden gesucht

Ansprechpartner

Dr Bernhard SmandekBeauftragter fuumlr TechnologietransferTelefon +49 531 592shy8303Telefax +49 531 592shy69shy8303EshyMail technologietransferptbde

DiplshyIng Berndt GutschwagerArbeitsgruppeInfrarotshyStrahlungsthermometrie

Stahlungsmessplatz der PTB zur Kalibrierung von Temperaturstrahlern und Waumlrmebildkashymeras

Vorteile

bull Schnelle Kalibrierung von Flaumlchensensoren (FPA)

bull Schnelle Kalibrierung von Flaumlchenstrahlern

bull Strahlquellen houmlchster Hoshymogenitaumlt

bull Fuumlr Thermografie und Phoshytometrie

PTBshyNummer 00374

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Verlag Fachverlag NW in der Carl Schuumlnemann Verlag GmbHZweite Schlachtpforte 728195 Bremen Internet wwwschuenemannde E-Mail infoschuenemann-verlagde

Herausgeber Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB) Braunschweig und Berlin Postanschrift Postfach 33 45 38023 Braunschweig Lieferanschrift Bundesallee 100 38116 Braunschweig

Redaktion Layout Presse- und Oumlffentlichkeitsarbeit PTBSabine Siems Dr Dr Jens Simon (verantwortlich) Prof Dr Stefan Kuumlck (wissenschaftlicher Redakteur)Telefon (05 31) 592-82 02 Telefax (05 31) 592-30 08 E-Mail sabinesiemsptbde

Leser- und Abonnement-Service Karin Drewes Telefon (0421) 369 03-56Telefax (0421) 369 03-63E-Mail drewesschuenemann-verlagde

Anzeigenservice Karin Drewes Telefon (0421) 369 03-56Telefax (0421) 369 03-63E-Mail drewesschuenemann-verlagde

Erscheinungsweise und Bezugspreise Die PTB-Mitteilungen erscheinen viermal jaumlhrlich Das Jahresabonnement kostet 3900 Euro das Einzelheft 1200 Euro jeweils zzgl Versandkosten Bezug uumlber den Buchhandel oder den Verlag Abbestellungen muumlssen spaumltestens drei Monate vor Ende eines Kalenderjahres schriftlich beim Verlag erfolgen

Alle Rechte vorbehalten Kein Teil dieser Zeitschrift darf ohne schriftliche Genehmigung des Verlages vervielfaumlltigt oder verbreitet werden Unter dieses Verbot faumlllt insbesondere die gewerbliche Ver-vielfaumlltigung per Kopie die Aufnahme in elektro-nische Datenbanken und die Vervielfaumlltigung auf CD-ROM und in allen anderen elektronischen Datentraumlgern

Printed in Germany ISSN 0030-834X

Die fachlichen Aufsaumltze aus dieser Ausgabe der PTB-Mitteilungen sind auch online verfuumlgbar unterdoi 10779531020150499

Die Physikalisch-Technische Bundesanstalt das nationale Metrologieinstitut ist eine wissenschaftlich-technische Bundesoberbehoumlrde im Geschaumlftsbereich des Bundesministeriums fuumlr Wirtschaft und Energie

mitteilungen

Impressum

Die PTB-Mitteilungen sind metrologisches Fachjournal der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt Braunschweig und Berlin Als Fachjournal veroumlffentlichen die PTB- Mitteilungen wissenschaftliche Fachaufsaumltze zu metrologischen Themen aus den Arbeitsgebieten der PTB Die PTB-Mitteilungen stehen in einer langen Tradition die bis zu den Anfaumlngen der Physikalisch-Technischen Reichsanstalt (gegruumlndet 1887) zuruumlckreicht

Bundesallee 100 38116 Braunschweig

Presse- und Oumlffentlichkeitsarbeit

Telefon 0531 592-3006 Fax 0531 592-3008 E-Mail presseptbde wwwptbde

Physikalisch-Technische BundesanstaltBraunschweig und BerlinNationales Metrologieinstitut

Die Physikalisch-Technische Bundesanstalt das nationale Metrologieinstitut ist eine wissenschaftlich-technische Bundesoberbehoumlrde im Geschaumlftsbereich des Bundesministeriums fuumlr Wirtschaft und Energie

Phy

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TECHNOLOGIETRANSFER

E27-Scanner fuumlr UlbrichtkugelnMit dem besonders einfach ohne Umbau einsetzbaren E27-Scanner koumlnnen Anwender und Hersteller die Homogenitaumlt ihrer Ulbricht-kugeln bestimmen und die Ergebnisse zur Berechnung genauerer Lichtstroumlme und zur Dokumentation der Qualitaumlt ihrer Messungen nutzen

Hintergrund

Wie viel Licht eine Lampe insgesamt in alle Richtungen abstrahlt wird durch ihren Lichtstrom ausgedruumlckt Um den fuumlr die Bestimmung der Energieeffizienz von Lampen notwendigen Lichtstrom schnell zu er mitteln setzt die Lampenindustrie Ulbrichtkugeln ein An einer Stange in der Mitte der Ulbrichtkugel befindet sich eine E27-Lampen-fassung in die nacheinander die Lichtstrom-Normallampe und die zu kalibrierende Lampe eingeschraubt werden Das indirekt auf den Mess-kopf fallende Licht erzeugt einen Photostrom der im Idealfall propor-tional zu dem von der Lampe abgestrahlten Lichtstrom ist unabhaumlngig von der Richtung in die das Licht abgestrahlt wird

Dies ist jedoch bei einer ungleichmaumlszligigen Beschichtung der Kugel sowie bei einer im Laufe der Zeit nicht zu verhindernden Verstaubung nicht der Fall Deshalb wird mit einem Kugelscanner die Homogenitaumlt der Kugel regelmaumlszligig vermessen und ein Korrekturfaktor bestimmt der von der jeweiligen Abstrahlcharakteristik der zu untersuchenden Lampe abhaumlngt

Technische Beschreibung

Der Kugelscanner wird einfach in eine E27-Fassung geschraubt und das sonst fuumlr die Lampenversorgung eingesetzte Netzgeraumlt wird durch die Steuereinheit ersetzt Diese uumlbernimmt sowohl die elektrische Versor-gung als auch die Befehlsuumlbermittlung zum Kugelscanner Die Steuer-einheit wird via USB oder RS232 an einen Computer angeschlossen Das mitgelieferte Messprogramm stellt automatisiert alle gewuumlnschten Richtungen ein und speichert die zugehoumlrigen von der Steuereinheit gemessenen Photostroumlme des Photometers

Wirtschaftliche Bedeutungw

Fuumlr Lampenindustrie und Hersteller von Ulbrichtkugeln

bull Genauere Messung des Lichtstroms

bull Bestimmung des Zeitpunkts einer Neubeschichtung

bull Uumlberwachung beim Beschichten

bull Dokumentation des Zustands der Ulbrichtkugel

EntwicklungsstandDer E27-Kugelscanner wurde in der PTB entwickelt Er wird laufend fuumlr Kalibrierungen eingesetzt Die Technologie wurde an die Firma Czibula amp Grundmann transferiert und wird dort mit einer PTB-Lizenz gebaut und vertrieben wwwphoto-metercom

Ansprechpartner

Dr Bernhard SmandekBeauftragter fuumlr TechnologietransferTelefon +49 531 592shy8303Telefax +49 531 592shy69shy8303EshyMail technologietransferptbde

Dr Stefan WinterFachbereich Photometrie und Radiometrie

Abbildung des E27shyKugelscanners Eine stark fokussierende Lampe die computergesteuert in alle Richtungen leuchten kann

Vorteile

bull Schneller Einbau in E27shyFassung

bull Computergesteuertes Abscannen der gesamten Ulbrichtkugel

bull Flexible Messmoumlglichkeiten

bull Fuumlr genauere Lichtstromshymessungen

bull Wichtig fuumlr die Qualitaumltsshysicherung

PTBshyNummer 0172

wwwtechnologietransferptbde

49

PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4 Technologieangebote

Ansprechpartner

Dr Bernhard SmandekBeauftragter fuumlr TechnologietransferTelefon +49 531 592shy8303Telefax +49 531 592shy69shy8303EshyMail technologietransferptbde

Dr Stefan WinterArbeitsgruppe Solarzellen

PulsshyzushyCWshyKonverter

Umwandlung gepulster Laser-Strahlung in konstante StrahlungIn weiten Bereichen der optischen Metrologie ist eine Strahlungs-quelle von groszligem Nutzen die sich spektral vom UV-C bis ins mitt-lere IR durchstimmen laumlsst Lediglich Laser mit gepulster Strahlung erfuumlllen diese Anforderung bei ausreichend groszligem Ausgangssignal bisher luumlckenlos Femtosekunden-Lasersysteme waumlren aufgrund ihrer gut automatisierbaren und spektral weiten Durchstimmbarkeit die ideale Strahlungsquelle fuumlr z B radiometrische Anwendungen ndash wenn ihre Strahlung nicht gepulst waumlre

Durch das extreme Puls-Pausen-Verhaumlltnis von 10ndash5 entstehen hohe Spitzenleistungen die wiederum zu Saumlttigungseffekten bei Detek-toren und in der Folge zu nichtlinearem Verhalten fuumlhren koumlnnen Mit dem in der PTB entwickelten Puls-zu-CW-Konverter wird dieses Problem geloumlst

Technische Beschreibung

Bei dieser Methode werden Pulse gepulster Strahlungsquellen ausrei-chend hoher Repetitionsrate in CW-Strahlung umgewandelt Dabei wird jeder Puls in viele kleine Teilpulse aufgeteilt die auf unterschiedlich langen Wegstrecken unterschiedliche Laufzeiten erfahren Am Ausgang des Systems erscheinen sie dann zeitlich gleichmaumlszligig verteilt Realisiert wird dieser Puls-zu-CW-Konverter uumlber ein Glasfaserbuumlndel bei dem jede Einzelglasfaser eine individuell festgelegte Laumlnge besitzt

Mit der Entwicklung des Puls-zu-CW-Konverters wurde das ent-scheidende Manko beim Einsatz leistungsstarker Femtosekunden(fs)-Lasersysteme im Bereich der Metrologie beseitigt und erstmalig gepulste Laserstrahlung in CW-Strahlung umgewandelt Diese Neuentwicklung ermoumlglicht es nun herkoumlmmliche Monochromatorsysteme durch fs-Lasersysteme zu ersetzen die eine bis zu 1000-mal houmlhere spektrale Ausgangsleistung besitzen

Wirtschaftliche Bedeutung

Durch den neuen Puls-zu-CW-Converter koumlnnen in wirtschaftlich bedeutenden Bereichen wie z B der Photovoltaik der Photometrie der UV-Strahlungsmesstechnik und der Reflektometrie die Referenz- und Transfernormale mit einer deutlich reduzierten Messunsicherheit kali-briert werden Hier werden bislang wesentliche Messunsicherheitsan-teile durch zu geringe Strahlungsleistungen aus herkoumlmmlichen Mono-chromatorsystemen verursacht

Entwicklungsstand

Unter DE 10 2010 011 615 B4 wurde fuumlr den CW-Konverter ein Patent erteilt

Vorteile

bull Zeitliche Glaumlttung gepulster Laserstrahlung

bull Keine stoumlrenden Interferenzen

bull Nur minimale Absorption des Messsignals

bull Auch bei kuumlrzeren Wellenshylaumlngen ohne Ulbrichtkugel verwendbar

bull Kontinuierliche Verteilung des Ausgangspulses

bull Pulsvervielfachung

bull Houmlhere Strahlungsleistung

PTBshyNummer 0254

wwwtechnologietransferptbde

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PTB-Mitteilungen 125 (2015) Heft 4Technologieangebote

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Homogenisierung von Strahlungsquellen und Focal Plane Arrays (FPA)Ein neuartiges Verfahren ermoumlglicht softwaregestuumltzt eine deutlich verbesserte Kalibrierung von Mehrelement-Sensoren (FPA) und bildgebenden Systemen (Kameras) Bei flaumlchigen Strahlungsquellen kann zusaumltzlich eine gezielte Ansteuerung von Flaumlchenelementen zu einer bisher im Allgemeinen nicht erreichbaren Flaumlchenhomogenitaumlt fuumlhren

Technische Beschreibung

Flaumlchenstrahler dienen der Kalibrierung von ortsaufloumlsenden Strah-lungssensoren wobei davon ausgegangen wird dass die Emissionsflaumlche des Strahlers im Wesentlichen homogen bezuumlglich ihrer Strahldichte bzw Strahlungstemperatur ist Um kleine Inhomogenitaumlten eines Flaumlchenstrahlers zu charakterisieren ist es ein gaumlngiges Verfahren die Emissionsflaumlche punktweise mit einem Einzeldetektor abzutasten

Das neue PTB-Verfahren ist wesentlich schneller da es den Mehr-element-Sensor (FPA) das device-under-test selbst nutzt und damit immer ein Gesamtbild der Quelle aufnimmt Werden jetzt weitere Bilder zeilen- oder spaltenversetzt aufgenommen so erlaubt ein mathema-tischer Algorithmus bei nur drei Bildern eine komplette Charakterisie-rung des Sensors aber auch der Quelle

Sind Flaumlchenelemente der Strahlungsquelle einzeln ansteuerbar so ist es sogar moumlglich mittels der ermittelten Korrekturwerte zu Strahlquellen extrem hoher Homogenitaumlt im on-line-Betrieb zu gelangen

Wirtschaftliche Bedeutung

Bildgebende Strahlungssensoren und homogene Strahlungsquellen sind relevant fuumlr die Forschung und Entwicklung fuumlr die Prozesstechnik fuumlr die Charakterisierung der Energieeffizienz von Bauten bei der Ent-wicklung neuer Bauteile mit hoher thermischer Belastung und in vielen weiteren Bereichen Der mathematische Algorithmus ist aber auf unter-schiedliche Arten von Kamerasystemen anwendbar und damit auch fuumlr die Qualitaumltssicherung von CCD-Kameras bis hin zum Konsumguuml-termarkt anwendbar EntwicklungsstandEine deutsche Patenterteilung erfolgte im September 2015 Eine PCT-Anmeldung ist anhaumlngig Kooperations- und Lizenzpartner aus den Bereichen Thermografie Radiometrie und Photometrie zur Umsetzung des Konzeptes werden gesucht

Ansprechpartner

Dr Bernhard SmandekBeauftragter fuumlr TechnologietransferTelefon +49 531 592shy8303Telefax +49 531 592shy69shy8303EshyMail technologietransferptbde

DiplshyIng Berndt GutschwagerArbeitsgruppeInfrarotshyStrahlungsthermometrie

Stahlungsmessplatz der PTB zur Kalibrierung von Temperaturstrahlern und Waumlrmebildkashymeras

Vorteile

bull Schnelle Kalibrierung von Flaumlchensensoren (FPA)

bull Schnelle Kalibrierung von Flaumlchenstrahlern

bull Strahlquellen houmlchster Hoshymogenitaumlt

bull Fuumlr Thermografie und Phoshytometrie

PTBshyNummer 00374

wwwtechnologietransferptbde

Verlag Fachverlag NW in der Carl Schuumlnemann Verlag GmbHZweite Schlachtpforte 728195 Bremen Internet wwwschuenemannde E-Mail infoschuenemann-verlagde

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PulsshyzushyCWshyKonverter

Umwandlung gepulster Laser-Strahlung in konstante StrahlungIn weiten Bereichen der optischen Metrologie ist eine Strahlungs-quelle von groszligem Nutzen die sich spektral vom UV-C bis ins mitt-lere IR durchstimmen laumlsst Lediglich Laser mit gepulster Strahlung erfuumlllen diese Anforderung bei ausreichend groszligem Ausgangssignal bisher luumlckenlos Femtosekunden-Lasersysteme waumlren aufgrund ihrer gut automatisierbaren und spektral weiten Durchstimmbarkeit die ideale Strahlungsquelle fuumlr z B radiometrische Anwendungen ndash wenn ihre Strahlung nicht gepulst waumlre

Durch das extreme Puls-Pausen-Verhaumlltnis von 10ndash5 entstehen hohe Spitzenleistungen die wiederum zu Saumlttigungseffekten bei Detek-toren und in der Folge zu nichtlinearem Verhalten fuumlhren koumlnnen Mit dem in der PTB entwickelten Puls-zu-CW-Konverter wird dieses Problem geloumlst

Technische Beschreibung

Bei dieser Methode werden Pulse gepulster Strahlungsquellen ausrei-chend hoher Repetitionsrate in CW-Strahlung umgewandelt Dabei wird jeder Puls in viele kleine Teilpulse aufgeteilt die auf unterschiedlich langen Wegstrecken unterschiedliche Laufzeiten erfahren Am Ausgang des Systems erscheinen sie dann zeitlich gleichmaumlszligig verteilt Realisiert wird dieser Puls-zu-CW-Konverter uumlber ein Glasfaserbuumlndel bei dem jede Einzelglasfaser eine individuell festgelegte Laumlnge besitzt

Mit der Entwicklung des Puls-zu-CW-Konverters wurde das ent-scheidende Manko beim Einsatz leistungsstarker Femtosekunden(fs)-Lasersysteme im Bereich der Metrologie beseitigt und erstmalig gepulste Laserstrahlung in CW-Strahlung umgewandelt Diese Neuentwicklung ermoumlglicht es nun herkoumlmmliche Monochromatorsysteme durch fs-Lasersysteme zu ersetzen die eine bis zu 1000-mal houmlhere spektrale Ausgangsleistung besitzen

Wirtschaftliche Bedeutung

Durch den neuen Puls-zu-CW-Converter koumlnnen in wirtschaftlich bedeutenden Bereichen wie z B der Photovoltaik der Photometrie der UV-Strahlungsmesstechnik und der Reflektometrie die Referenz- und Transfernormale mit einer deutlich reduzierten Messunsicherheit kali-briert werden Hier werden bislang wesentliche Messunsicherheitsan-teile durch zu geringe Strahlungsleistungen aus herkoumlmmlichen Mono-chromatorsystemen verursacht

Entwicklungsstand

Unter DE 10 2010 011 615 B4 wurde fuumlr den CW-Konverter ein Patent erteilt

Vorteile

bull Zeitliche Glaumlttung gepulster Laserstrahlung

bull Keine stoumlrenden Interferenzen

bull Nur minimale Absorption des Messsignals

bull Auch bei kuumlrzeren Wellenshylaumlngen ohne Ulbrichtkugel verwendbar

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Homogenisierung von Strahlungsquellen und Focal Plane Arrays (FPA)Ein neuartiges Verfahren ermoumlglicht softwaregestuumltzt eine deutlich verbesserte Kalibrierung von Mehrelement-Sensoren (FPA) und bildgebenden Systemen (Kameras) Bei flaumlchigen Strahlungsquellen kann zusaumltzlich eine gezielte Ansteuerung von Flaumlchenelementen zu einer bisher im Allgemeinen nicht erreichbaren Flaumlchenhomogenitaumlt fuumlhren

Technische Beschreibung

Flaumlchenstrahler dienen der Kalibrierung von ortsaufloumlsenden Strah-lungssensoren wobei davon ausgegangen wird dass die Emissionsflaumlche des Strahlers im Wesentlichen homogen bezuumlglich ihrer Strahldichte bzw Strahlungstemperatur ist Um kleine Inhomogenitaumlten eines Flaumlchenstrahlers zu charakterisieren ist es ein gaumlngiges Verfahren die Emissionsflaumlche punktweise mit einem Einzeldetektor abzutasten

Das neue PTB-Verfahren ist wesentlich schneller da es den Mehr-element-Sensor (FPA) das device-under-test selbst nutzt und damit immer ein Gesamtbild der Quelle aufnimmt Werden jetzt weitere Bilder zeilen- oder spaltenversetzt aufgenommen so erlaubt ein mathema-tischer Algorithmus bei nur drei Bildern eine komplette Charakterisie-rung des Sensors aber auch der Quelle

Sind Flaumlchenelemente der Strahlungsquelle einzeln ansteuerbar so ist es sogar moumlglich mittels der ermittelten Korrekturwerte zu Strahlquellen extrem hoher Homogenitaumlt im on-line-Betrieb zu gelangen

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Bildgebende Strahlungssensoren und homogene Strahlungsquellen sind relevant fuumlr die Forschung und Entwicklung fuumlr die Prozesstechnik fuumlr die Charakterisierung der Energieeffizienz von Bauten bei der Ent-wicklung neuer Bauteile mit hoher thermischer Belastung und in vielen weiteren Bereichen Der mathematische Algorithmus ist aber auf unter-schiedliche Arten von Kamerasystemen anwendbar und damit auch fuumlr die Qualitaumltssicherung von CCD-Kameras bis hin zum Konsumguuml-termarkt anwendbar EntwicklungsstandEine deutsche Patenterteilung erfolgte im September 2015 Eine PCT-Anmeldung ist anhaumlngig Kooperations- und Lizenzpartner aus den Bereichen Thermografie Radiometrie und Photometrie zur Umsetzung des Konzeptes werden gesucht

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Homogenisierung von Strahlungsquellen und Focal Plane Arrays (FPA)Ein neuartiges Verfahren ermoumlglicht softwaregestuumltzt eine deutlich verbesserte Kalibrierung von Mehrelement-Sensoren (FPA) und bildgebenden Systemen (Kameras) Bei flaumlchigen Strahlungsquellen kann zusaumltzlich eine gezielte Ansteuerung von Flaumlchenelementen zu einer bisher im Allgemeinen nicht erreichbaren Flaumlchenhomogenitaumlt fuumlhren

Technische Beschreibung

Flaumlchenstrahler dienen der Kalibrierung von ortsaufloumlsenden Strah-lungssensoren wobei davon ausgegangen wird dass die Emissionsflaumlche des Strahlers im Wesentlichen homogen bezuumlglich ihrer Strahldichte bzw Strahlungstemperatur ist Um kleine Inhomogenitaumlten eines Flaumlchenstrahlers zu charakterisieren ist es ein gaumlngiges Verfahren die Emissionsflaumlche punktweise mit einem Einzeldetektor abzutasten

Das neue PTB-Verfahren ist wesentlich schneller da es den Mehr-element-Sensor (FPA) das device-under-test selbst nutzt und damit immer ein Gesamtbild der Quelle aufnimmt Werden jetzt weitere Bilder zeilen- oder spaltenversetzt aufgenommen so erlaubt ein mathema-tischer Algorithmus bei nur drei Bildern eine komplette Charakterisie-rung des Sensors aber auch der Quelle

Sind Flaumlchenelemente der Strahlungsquelle einzeln ansteuerbar so ist es sogar moumlglich mittels der ermittelten Korrekturwerte zu Strahlquellen extrem hoher Homogenitaumlt im on-line-Betrieb zu gelangen

Wirtschaftliche Bedeutung

Bildgebende Strahlungssensoren und homogene Strahlungsquellen sind relevant fuumlr die Forschung und Entwicklung fuumlr die Prozesstechnik fuumlr die Charakterisierung der Energieeffizienz von Bauten bei der Ent-wicklung neuer Bauteile mit hoher thermischer Belastung und in vielen weiteren Bereichen Der mathematische Algorithmus ist aber auf unter-schiedliche Arten von Kamerasystemen anwendbar und damit auch fuumlr die Qualitaumltssicherung von CCD-Kameras bis hin zum Konsumguuml-termarkt anwendbar EntwicklungsstandEine deutsche Patenterteilung erfolgte im September 2015 Eine PCT-Anmeldung ist anhaumlngig Kooperations- und Lizenzpartner aus den Bereichen Thermografie Radiometrie und Photometrie zur Umsetzung des Konzeptes werden gesucht

Ansprechpartner

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Stahlungsmessplatz der PTB zur Kalibrierung von Temperaturstrahlern und Waumlrmebildkashymeras

Vorteile

bull Schnelle Kalibrierung von Flaumlchensensoren (FPA)

bull Schnelle Kalibrierung von Flaumlchenstrahlern

bull Strahlquellen houmlchster Hoshymogenitaumlt

bull Fuumlr Thermografie und Phoshytometrie

PTBshyNummer 00374

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Verlag Fachverlag NW in der Carl Schuumlnemann Verlag GmbHZweite Schlachtpforte 728195 Bremen Internet wwwschuenemannde E-Mail infoschuenemann-verlagde

Herausgeber Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB) Braunschweig und Berlin Postanschrift Postfach 33 45 38023 Braunschweig Lieferanschrift Bundesallee 100 38116 Braunschweig

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Erscheinungsweise und Bezugspreise Die PTB-Mitteilungen erscheinen viermal jaumlhrlich Das Jahresabonnement kostet 3900 Euro das Einzelheft 1200 Euro jeweils zzgl Versandkosten Bezug uumlber den Buchhandel oder den Verlag Abbestellungen muumlssen spaumltestens drei Monate vor Ende eines Kalenderjahres schriftlich beim Verlag erfolgen

Alle Rechte vorbehalten Kein Teil dieser Zeitschrift darf ohne schriftliche Genehmigung des Verlages vervielfaumlltigt oder verbreitet werden Unter dieses Verbot faumlllt insbesondere die gewerbliche Ver-vielfaumlltigung per Kopie die Aufnahme in elektro-nische Datenbanken und die Vervielfaumlltigung auf CD-ROM und in allen anderen elektronischen Datentraumlgern

Printed in Germany ISSN 0030-834X

Die fachlichen Aufsaumltze aus dieser Ausgabe der PTB-Mitteilungen sind auch online verfuumlgbar unterdoi 10779531020150499

Die Physikalisch-Technische Bundesanstalt das nationale Metrologieinstitut ist eine wissenschaftlich-technische Bundesoberbehoumlrde im Geschaumlftsbereich des Bundesministeriums fuumlr Wirtschaft und Energie

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Impressum

Die PTB-Mitteilungen sind metrologisches Fachjournal der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt Braunschweig und Berlin Als Fachjournal veroumlffentlichen die PTB- Mitteilungen wissenschaftliche Fachaufsaumltze zu metrologischen Themen aus den Arbeitsgebieten der PTB Die PTB-Mitteilungen stehen in einer langen Tradition die bis zu den Anfaumlngen der Physikalisch-Technischen Reichsanstalt (gegruumlndet 1887) zuruumlckreicht

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Telefon 0531 592-3006 Fax 0531 592-3008 E-Mail presseptbde wwwptbde

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Die Physikalisch-Technische Bundesanstalt das nationale Metrologieinstitut ist eine wissenschaftlich-technische Bundesoberbehoumlrde im Geschaumlftsbereich des Bundesministeriums fuumlr Wirtschaft und Energie

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