Neue Ulbricht-Kugel und Spektrometer

Eine Integrationskugel (auch sphärische Integrator genannt) mit einem Spektrometer ist ein Laborgerät zur Messung des Lichtstroms einer Lichtquelle. Dank der Kalibrierung des gesamten Geräts sind die Messwerte hochpräzise. Wir verwenden sie hauptsächlich, um die Richtigkeit der angegebenen Werte, insbesondere des Lichtstroms (Lumen), zu bestätigen. Gleichzeitig dient sie uns auch für Weiterentwicklungen, beispielsweise für die Entwicklung neuer Optiken. So können wir die Unterschiede zwischen verschiedenen TIR-Optiken präzise messen und die beste auswählen oder entwickeln und verifizieren.

Warum ist die Lichtstrommessung so kompliziert?

Von allen Messgrößen ist der Lichtstrom am schwierigsten zu messen. Während sich Spannung und Stromstärke mit einer Genauigkeit von Millivolt bzw. Milliampere oder darunter recht einfach messen lassen, liegt die Genauigkeit der Lichtstrommessung unter Laborbedingungen „nur“ bei ±2 % bis ±5 %. Dies ist auf zahlreiche Einflussgrößen zurückzuführen (Reflektivität der Kugelinnenseite, Kalibrierunsicherheit des Bezugsnormals der PTB, Messgeometrie, Streulicht). Hinzu kommt, dass das menschliche Auge unterschiedliche Wellenlängen unterschiedlich stark wahrnimmt. Daher muss die Messung in photometrische Werte (Lumen) umgerechnet werden, und jede Ungenauigkeit im Spektrum beeinflusst das Ergebnis.

Die genaue Messung des Lichtstroms ist daher sehr anspruchsvoll und erfordert hochwertige Laborausrüstung. Gängige Geräte für Endverbraucher weisen Messungenauigkeiten von bis zu 20 % auf und sind daher für unsere Ansprüche unbrauchbar. Eine genaue Lichtstrommessung kann entweder mit einem Goniometer oder einem sphärischen Integrator (Ulbrichtkugel) erfolgen. Es gibt mehrere Hersteller ähnlicher Geräte, in der Regel mindestens einen auf jedem Kontinent. Nach einer internen Auswahl entschieden wir uns schließlich für den 50 cm sphärischen Integrator der deutschen Firma Gigahertz-Optik. Ausschlaggebend waren die größere Vielseitigkeit des Geräts, die umfangreiche Software, die einfache Lieferung und der zukünftige Service.

Technologie und Messverfahren

Das Messgerät (Spektrometer) funktioniert üblicherweise so, dass der Lichtstrahl ein Beugungsgitter durchläuft und in einzelne Wellenlängen zerlegt wird, die auf das Detektorarray treffen. Die Detektoren sind prinzipiell unkalibriert und reagieren unterschiedlich auf das Signal. Daher müssen sie stets kalibriert werden. Der BiTec-Sensor im Messgerät BTS256-LED enthält ein Detektorarray und eine Fotodiode. Diese trägt zur höheren Genauigkeit des Spektrometers bei, da sie hochlinear und stabil ist.

Das Spektrometer verfügt über einen USB-Anschluss für die Verbindung mit einem Computer und der zugehörigen Messsoftware, mit der alle Messungen durchgeführt werden. Der gesamte Messvorgang ist etwas aufwendiger und erfordert die Einhaltung der vorgegebenen Schritte. Zunächst wird die Kalibrierlampe eingeschaltet, die Korrektur berechnet und anschließend die eigentliche Messung durchgeführt – dies dauert in der Regel 1–3 Sekunden. Die Software kann sowohl spektrometrische Werte (Spektrum), photometrische (Lichtstrom) als auch kolorimetrische (CCT, duv, CRI und weitere Indizes) anzeigen.

Parameter

• Optische Auflösung: 5 nm
• Datenauflösung: 1 nm
• Max. Messbereich (50-cm-Kugel): 1,2–120.000 lm
• Kalibrierung: ± 5 % für den Lichtstrom