Einführung

Die Antworten auf lichtmesstechnische Fragen


Verschiedene Lichtmessgeräte und ihre Funktion

  • Radiometer
    messen strahlungsphysikalische Größen, z. B. in Watt, Watt/cm², Joule etc. 
  • Photometer
    messen lichttechnische Größen, z. B. in Lux, Candela, Candela/m² etc. 
  • Lichtmessgeräte
    mit spezifischer Bewertung Beispielweise entsprechend UVA, UVB oder gemäß den Wirkungsspektren, z. B. bei der Phototherapie 
  • Dosismessgeräte
    für z. B. UV-Aushärteprozesse
  • Laser-Leistungsmessgeräte 
  • Spektroradiometer
    messen die spektrale Verteilung

Die klassischen, allgemein bekannten und üblichen Systeme sind Radiometer, Photometer und Spektroradiometer. 

Das Interessante einer lichttechnischen Bewertung liegt aber oft nicht in der Messung der strahlungsphysikalischen Größen Watt oder Joule, wozu das erwähnte Radiometer dient, sondern in der Berücksichtigung spezifischer Wirkungsfunktionen.

Der bekannteste Vertreter dieser Art von Lichtmessgeräten ist das Photometer, oft auch Luxmeter genannt, welches das ankommende Licht entsprechend der spektralen Empfangscharakteristik des menschlichen Auges bewertet. Aber diese Charakteristik unterscheidet sich bei Tag bzw. in der Nacht, sodass dieses gegebenenfalls messtechnisch durch entsprechende Filter zu berücksichtigen ist.

So gibt es zahlreiche Wirkungsfunktionen des Lichtes, die man messtechnisch erfassen und kontrollieren möchte, z. B. den Teil des UV-Lichtes, der bräunt (UVA) oder der Sonnenbrand verursacht (UVB) oder zur Bindehautentzündung führt (UVC). 

Die technisch aufwändigste Art der Vermessung von Licht ist die Aufnahme eines Spektrums mit Hilfe eines Spektroradiometers. Hat man ein derartiges Spektrum aufgenommen und kennt man z. B. die interessierenden Wirkungsfunktionen, so können mathematisch daraus die jeweiligen Messgrößen mit optimaler Genauigkeit bestimmt werden. 

Die oft zu Fehlmessungen führende Problematik, dass ein optischer Filter dem idealen Transmissionsverlauf nur annährend entspricht – insbesondere beim Vergleich unterschiedlicher Lampentypen, entfällt bei einer spektralen Messung.
 

Typische Anwendungen der Lichtmesstechnik:

  • UVA- oder UVB-Strahlung in Solarien
  • Phototherapie
  • Speziallampen zur Behandlung von Neugeborenen mit Gelbsucht
  • Photo- und Biolumineszenz
  • Photosynthese
  • Lichtstabilität von Arzneimittelverpackungen
  • Wasserentkeimung
  • Photolackbelichtung im Produktionsprozess
  • Dosismessung bei UV-Aushärte- oder Trocknungsanlagen
  • Lichtstärke von LEDs
  • Bildschirmhelligkeit
  • Energie von Blitzlampen
  • Laser-Leistung bzw. Laser-Energie
  • Unterwassermessungen 

Grundlagen

Strahlungsphysikalische Größen (radiometrisch)

  Lichttechnische Größen (photometrisch) 

Strahlungsleistung, Strahlungsfluss

Beinhalten die gesamte in Strahlungsform auftretende LeistungW (Watt)Lichtstromlm (Lumen)

Strahlungsenergie/Strahlungsmenge

Strahlungsleistung × ZeitWs = J (Joule)Lichtmengelm × s

Empfängerseitige Größen

   

Auf Empfängerfläche einfallende Strahlungsleistung

W/m2 oder W/cm2Beleuchtungsstärkelm/m2 oder Lux

Bestrahlungsstärke × Zeit

W × s oder /m2 ____ m2BelichtungLux × s

oder Energiedichte

(W/m2) × s oder J/m2 

Senderseitige Größen

    

Strahlstärke

Strahlungsleistung pro RaumwinkelW/srLichtstärkelm/sr = cd (Candela)

Strahldichte

Strahlungsleistung pro Senderfläche und Raumwinkel(W/m2) × srLeuchtdichtecd/m2

Spezifische Ausstrahlung

Strahlungsleistung pro SenderflächeW/m2Spezifische Lichtausstrahlunglm/m2

 

Die angegebenen strahlungsphysikalischen Größen lassen die spektrale Verteilung der Strahlung unberücksichtigt.
Größen, die diese berücksichtigen, heißen "spektrale Größen" und werden auf die Einheit nm bezogen. 
 

Wichtige Umrechnungsfaktoren

1 cd/m2 = 0,2919 fL (foot-lamberts)

1 fl = 3,426 cd/m2

1 Lux = 0,0929 fc (foot-candles)

1 fc = 10,764 Lux


Systemzusammenstellung

Gezielt ein geeignetes System zusammenstellen

Entscheidend bei einem Lichtmessgerät ist die richtige Messkopfkombination mit entsprechender Kalibrierung. Beides muss der jeweiligen Aufgabenstellung gerecht werden. 

Hier zeigt sich der entscheidende Vorteil eines modularen Aufbaus – und die damit einhergehende Flexibilität hinsichtlich unterschiedlichster Anwendungsbereiche. Die folgende Darstellung erleichtert Ihnen die Auswahl der einzelnen Komponenten zu einem kompletten Lichtmesssystem.

Erläuterungen

Die Eingangsoptik eines Lichtmessgeräts bestimmt die räumliche Empfangscharakteristik des verwendeten Messkopfes, welche in einem direkten Zusammenhang zu der Einheit steht, in der gemessen werden soll (siehe „Kalibrierungen“). Die Eingangsoptik definiert letztlich auch die Messgeometrie, unter der die Messung durchgeführt wird. 

Dabei ist zu klären, ob die Lichtverhältnisse z. B. am Ort des Messkopfes, also Bestrahlungsstärke oder Beleuchtungsstärke, gemessen werden sollen, ob es sich um eine „Punkt“-Lichtquelle oder eine ausgedehnte Lichtquelle handelt, für die z. B. ein Cosinus-Diffusor erforderlich ist, usw. 

Auch bei schwer zugänglichen Messorten oder bei extrem hohen Temperaturen in UV-Belichtungsanlagen bieten wir Ihnen geeignete Lösungen an. 

Die Filter des jeweils benutzten Messkopfes definieren die spektrale Empfangscharakteristik des verwendeten Messkopfes, welche durch die jeweilige Anwendung und deren Fragestellung eindeutig vorgegeben ist. Wir bieten Ihnen hier eine breite Palette der unterschiedlichsten Filter an, was insbesondere in den Wirkungsfunktionen deutlich wird. Bei diesem Punkt kommt auch die Modularität des hier vorgestellten Lichtmesstechnikprogramms deutlich zum Tragen, da durch einfachsten Filtertausch – alle haben dasselbe Gewinde – sofort eine neue Fragestellung messtechnisch angegangen werden kann. 

Die Detektoren unterscheiden sich zunächst in ihrem spektralen Erfassungsbereich und in ihrer Empfindlichkeit, wonach der jeweilige Typ auszuwählen ist. Nahezu alle Detektoren erhalten Sie auch in einer Unterwasserausführung.

Die Anzeigeeinheiten, Modell ILT-1700 und ILT-1400, werden ausführlich unter Radiometer/Photometer beschrieben.
 

Eingangsoptiken:

z. B.:

  • Cosinus-Diffusoren für Beleuchtungs- und Bestrahlungsstärkemessungen
  • Optiken für Leucht- und Strahldichtemessungen
  • Laserstrahlabschwächer
  • LED-Adapter zu Messung in Candela oder W/sr
  • Ulbrichtkugel, z. B. zur Messung der Gesamtstrahlung bei LEDs
  • Linsen-Assembly für Empfindlichkeitserhöhungen
  • Umgebungslichtabschirmungen
  • Faseroptiken für schwer zugängliche Stellen
  • „RAMP“-Sonde für Messungen bei Temperaturen bis zu 350 °C
  • „PIN“-Sonde für hohe Intensitäten, speziell im UV
     

Filter:

z. B.:

  • radiometrische Filter für eine nahezu konstante spektrale Empfindlichkeit von 400 bis 1000 nm und Messungen z. B. in W, W/cm², W/sr etc.
  • photometrische Filter, entsprechend der Augen-empfindlichkeit bei Tag bzw. bei Nacht, für Messungen z. B. in Lux, Candela/m² etc.
  • UVA-, UVB-Filter
  • Filter für spezifische Wirkungsfunktionen, z. B. bei:
    – Phototherapie
    – Keimabtötung
    – Aktinischer UV-Gefährdung
    – Photosynthese
    – „Photoresist“-Anlagen
    – UV-Trocknungsanlagen
  • Schmalbandfilter
  • Breitbandfilter
  • Kantenfilter
  • Neutraldichtefilter zur Abschwächung
     

Detektoren:

z. B.:

  • Si-Detektoren für 190 bis 1100 nm mit unterschiedlichen, aktiven Flächen
  • „High-Gain“ Si-Detektor mit extrem hoher Empfindlichkeit
  • „Solar-Blind“-Fotodiode für 185–320 nm
  • „UV-VIS“-Fotodiode mit guter IR-Unterdrückung
  • GaAsP-Detektoren für 250–675 nm
  • InGaAs-Detektoren für 850–1700 nm
  • Thermopiles für 200 nm–4,2 µm bzw.  200 nm–40 µm
  • Wasserdichte
  • Detetkoren
     

Kalibrierungen:

z. B.:

  • Strahlungsleistung in Watt
  • Lichtstrom in Lumen
  • Strahlstärke in W/sr
  • Lichtstärke in Candela = Lumen/sr
  • Strahldichte in W/m²/sr
  • Leuchtdichte in Candela/m² = 0,29 fL
  • Bestrahlungsstärke in W/cm²
  • Beleuchtungsstärke in Lux = 0,0929 fc
  • Bestrahlung (Dosis) in J/cm²
  • Belichtung in Lux-Sekunden
  • Spektrale Empfindlichkeitscharakteristik
     

Radiometer:

  • Modell ILT-1400
  • Modell ILT-1700
  • PC-Anschluss über USB und RS-232 möglich

Anwendungsbasierte Systemvorschläge

Damit Sie schneller und besser ein System zusammenstellen können, das optimal Ihre Anforderungen erfüllt, listen wir Ihnen hier die gängigsten Kombinationen auf. Dabei beziehen sich die Angaben zum Dynamikbereich auf die Anzeigeeinheit ILT-1700.
 

Universal-Radiometer/Photometer-System Modell 1715 

Diese Kombination besteht aus der Anzeigeeinheit Modell ILT-1700, einem Si-Detektor mit 0,33 cm² empfindlicher Fläche (SED 033), einem radiometrischen (F) und einem photometrischen (Y) Filter, einem Weitwinkel-Quarzdiffusor (W) und einer Kalibrierung für direkte Ablesung in W/cm² oder J/cm² und Lux oder Lux-Sekunden.

Der Dynamikbereich beträgt 1 nW/cm²–150 mW/cm² sowie 1 mLux–750 kLux.

Anwendungserweiterungen sind einfach möglich, z. B. erschließt der Optikzusatz „R“ Strahl- und Leuchtdichtemessungen an Flächenstrahlern.
 

„Blitzlampen“-Photometer

Dieses Lichtmessgerät dient zur Bestimmung der Lichtstärke in Candela. Es besteht aus der Anzeigeeinheit ILT-1700 und dem Si-Detektorkopf SED033/Y/L30 mit photometrischem Filter (Y) sowie einer empfindlichkeitserhöhenden Linse (L30), die speziell für Blitzlampenmessungen konzipiert wurde. Die Blitzlänge kann im Bereich von 6 µs bis 10 ms variieren.
 

Solares UV-Radiometer

Der kritische Punkt bei der Vermessung der UV-Strahlung von der Sonne liegt darin, dass der energetisch weitaus größte Strahlungsanteil im Sichtbaren und Infraroten liegt. International Light löst die messtechnische Unterdrückung dieser „ungewollten“ Strahlung durch eine spezielle Messkopf-Filterkombination, die eine erstaunliche VIS/IR-Unterdrückung von 10E9:1 ergibt.
 

Photosynthese-Radiometer

Diese Modelle dienen photobiologischen Untersuchungen des Pflanzenwachstums abhängig vom Lichteinfall. 

Spektralbereich: 410–770 nm
Dynamikbereich: 2 × 10E-10 – 4 × 10E-1 µEinstein/s/cm²
 

Phototherapie-Radiometer

Bestehend aus einer Anzeigeeinheit, dem Detektorkopf SED-033/UVA/W für die Messung der UVA-Strahlung, z. B. in Bräunungsstudios (Bereich: 315–390 nm), alternativ dem Detektorkopf SED-240/UVB-1/W für die Messung der UVB-Strahlung, z. B. bei der Psoriasis- oder Schuppenflechtenbehandlung (Bereich: 265–332 nm), oder asl weitere Alternative der Detektorkopf SED/BR/W, dessen spektrale Empfindlichkeit der Photo-Oxidation des Bilirubins bei Gelbsuchtpatienten angepasst ist (Bereich: 410–485 nm).
 

Radiometer für aktinische UV-Gefährdung

Die ACGIH (American Conference of Government and Industrial Hygienist) hat einige den Menschen gefährdende UV-Bereiche definiert, deren Verwendung von dem NIOSH (National Institute of Occupational Safety and Health) empfohlen wird. Mit den nach diesen Definitionen entsprechend konzipierten Messköpfen können die empfohlenen Schwellwerte überwacht werden, z. B. für die UV-aktinische Strahlung (190–400 nm) für den „Blauschaden“-Bereich (410–510 nm) und für den Bereich der Hautschädigung z. B. durch Sonnenbrand (292–302 nm).
 

Radiometer für Entkeimungsanlagen

Zur Abtötung von Krankheitserregern und Mikroorganismen sind auch durch die DIN bestimmte Spektralbereiche (250–310 nm) mit spezifischer Gewichtung festgelegt worden. Mit entsprechenden Messköpfen wird eine ausrechende Entkeimung sichergestellt.
 

„Photoresist“-Radiometer

Besteht aus einer Anzeigeeinheit und z. B. dem Photoresist-Detektor XRL-140A für 320–475 nm, alternativ XRL-140B für 326–401 nm, einer Kalibrierung für eine Direktanzeige in W/cm² bzw. J/cm² sowie einem Transportkoffer. Der sehr flache Detektorkopf (Höhe 12,5 mm) kann in der Regel sehr leicht in den Photolackbelichtungsanlagen installiert werden. 

Darüber hinaus ist ein superdünner, lediglich 2 mm dicker UV-Sensor „Super Slim“ für 260–400 nm entwickelt worden, der bei allen Anlagen mit sehr dünnen Profilen eingesetzt werden kann.

Der Dynamikbereich beträgt 3 × 10E-9 W/cm² bis 1 W/cm².

Bei der in diesem Anwendungsbereich oft gewünschten Dosismessung bieten die Anzeigeeinheiten den entscheidenden Vorteil, das während laufender Integration die Bereiche umgeschaltet werden können.
 

Dosismessgeräte für UV-Trocknungs- und Aushärteanlagen

Versionen:    

  • 205–345 nm
  • 250–400 nm
  • 275–475 nm
  • 315–390 nm
  • 395–470 nm
     

Die Detaildiagnose liefert:

  • Gesamt-UV-Dosis in mJ/cm²
  • Maximal aufgetretene Bestrahlungsstärke in W/cm²
  • Grafische Darstellung des Bestrahlungsstärkeprofils
  • Vergleich zum Referenzprofil
     

LED-Messungen

Dafür stehen einerseits die Ulbrichtkugel zur Bestimmung des gesamten Strahlungsfußes in Watt oder der „Mean Spherical Candle Power“ zur Verfügung, andererseits spezielle LED-Adapter, um die nach vorn gerichtete Strahlintensität in W/sr oder Candela zu bestimmen.