Vermessung von Leuchtmitteln Ab in die Kugel

Wer Leuchtmittel entwickelt - seien es LED-Module, Gühlampen oder »Energiesparlampen« - sollte auf die Lichtqualität, aber auch auf die richtungsabhängige Strahlungsleistung achten. Das Messinstrument der Wahl ist die Ulbrichtkugel - umso erstaunlicher ist es, dass nur wenige Entwicklungslabore über solch ein Messgerät verfügen.

Natürlich ist profundes Know-how erforderlich, um aus einer Ulbrichtkugel und dem zugehörigen Detektor relevante Messdaten zu erhalten. Neben den reinen Gerätekosten erfordern diese Messungen also spezialisiertes Personal. Dies begründet das Geschäftsmodell von Lichtlaboren, die solche Vermessungen als Auftragsdienstleister ausführen.
Wächst die Produktpalette jedoch, wird es zunehmend unpraktisch, jede Ausführung extern prüfen zu lassen - immerhin sind die Lichtlabor-Dienstleister auch meist nur mit einem Satz Instrumente ausgestattet. Da rückt die Einrichtung eines eigenen Lichtlabors in den Bereich des Realistischen.

Was macht die Kugel?

Grundsätzlich gibt es zwei Arten von Ulbrichtkugeln: eine, bei der die zu vermessende Lichtquelle außerhalb ist, und eine, bei der sie im Zentrum der Kugel sitzt. Bei ersterer Variante wird das Licht durch eine Lichteintrittsöffnung in die Hohlkugel eingekoppelt. Generell handelt es sich um eine Hohlkugel, deren Innenbeschichtung aus möglichst gut diffus reflektierenden Materialien besteht. Oft kommt Bariumsulfat (BaSO4) zum Einsatz. Die besten Reflexionseigenschaften über einen weiten Wellenlängenbereich werden jedoch mit optischem PTFE (Polytetrafluorethylen, Teflon) erreicht. Bei Infrarotstrahlung größer 700 nm kommt Gold als Beschichtung der sandgestrahlten Innenoberfläche zum Einsatz.
Die Durchmesser der Öffnung(en) müssen deutlich kleiner als der Innendurchmesser der Kugel sein, sodass nur solches Licht in die Austrittsebene gelangt, das zuvor vielfach an der inneren Oberfläche reflektiert worden ist. Die Fläche aller Öffnungen sollte im Allgemeinen 5% der Gesamtfläche der Kugel nicht überschreiten. Ist das gegeben, so ist die in der Kugel gestreute Strahlung nahezu ideal diffus, sie erfüllt das Lambertsche Gesetz.
Die Vorrichtung ermöglicht einerseits, die Leistung oder den Gesamt-Lichtstrom verschiedener Lichtquellen zu untersuchen, ohne dass deren Richtcharakteristik die Messungen verfälscht. Dabei können auch Laser- und Infrarot-Strahlungsquellen charakterisiert werden. Andererseits bietet die erzeugte diffuse Strahlung die Möglichkeit, ein fotometrisches Normal beziehungsweise eine Referenz-Strahlungsquelle zu schaffen, um die Eigenschaften verschiedener optischer Detektoren miteinander zu vergleichen.

Messung von Lichtstrom und Strahlungsleistung

In den meisten Anwendungsfällen ist die integrierende Wirkung von Bedeutung, um 4π- (»Rundumstrahler«) beziehungsweise 2π-Strahler (Halbraum) hinsichtlich des Lichtstromes (Kugelfotometer) oder der Strahlungsleistung von Laserdioden zu vermessen. Weitere Instrumente sind neben der Kugel der Empfänger (beispielsweise eine gefilterte Fotodiode) sowie die Anzeigekonsole beziehungsweise der PC.
Soll die Ulbrichtkugel zur Lichtstrommessung dienen, muss ein bekanntes Lichtstromnormal zur Kalibrierung des Kugelfotometers verwendet werden, das ähnliche Eigenschaften wie der Prüfling aufweist, um die Messunsicherheit zu verbessern. Für das Kugel-foto-meter fordert die DIN 5032 einen Reflexionsgrad der Kugelfarbe von 80%; die in Europa relevante EN 13032-1 erweitert den Bereich auf 75% bis 85%. Hier gilt es, Kompromisse zu schließen: Erhöht man den Reflexionsgrad, so wird zwar die Durchmischung besser, jedoch verschlechtert sich die wellenlängenabhängige Anpassung, aber auch die Langzeitstabilität, da die Oberfläche schmutzempfindlicher wird.
Möglich ist der Einsatz der Ulbrichtkugel als Vorsatz vor einer Foto-diode (Detektor) als Abschwächer, wobei Abschwächungen von 100 bis zu 10 000 erreicht werden. Die Ulbrichtkugel hat in diesem Fall einen Lichteinlass, dessen Apertur die zu messende Strahlung mit guter Cosinus-Charakteristik (Lambertsche Verteilung) aufnimmt. Somit ist der Einsatz als Beleuchtungsstärkemesskopf empfohlen, da eine winkeltreue Bewertung des einfallenden Lichts erfolgt.
Der Durchmesser der Ulbrichtkugel als Lichtempfänger beträgt wenige Zentimeter im Fall der Vermessung von Laserdioden und bis zu drei Meter zum Vermessen von Leuchtröhren oder Langfeldleuchten.

Selbst leuchten, selbst prüfen

Wie erwähnt, »fremdeln« viele Leuchtmittel- und Leuchten-anbieter mit dieser Art optischer Messtechnik. Sein eigenes LED-Kompetenzzentrum hat jedoch der Anbieter von LED-Leuchtmitteln LEDeXCHANGE aufgebaut. Das Unternehmen arbeitet inzwischen mit zwei Ulbrichtkugeln von GL Optic, einer »GLS 2000« mit 2 m Innendurchmesser und einer »GLS 1100« mit 110 cm Durchmesser.

Die neuere GLS 2000 dient für viele lichttechnische Messungen (Bild 1). Durch ihre Größe bietet sie genügend Platz, um komplette Lampen ein-zubringen und die spektrale Leistung des gesamten Produkts zu überprüfen. Das Unternehmen plant, darin seine LED-Tubes und LED-High-Bays zu vermessen. Zur Ausstattung gehören eine Hilfslichtquelle zur Kompensation der Selbstabsorption, eine seitliche Messöffnung zur Bestimmung des Lichtstromes in der 2π-Konfiguration für frontemittierende Lichtquellen und ein einstellbarer Probenhalter 
im Zentrum der Kugel, um den Lichtstrom in der 4π-Konfiguration für die in alle Richtungen emittierende Lichtquellen zu messen. Die GLS 2000 wartet mit einer Eichung für LED-Messungen gemäß CIE 127:2007 auf. Im Mittelpunkt der Messungen stehen die Bestimmung von Lichtstrom (lm) und spektraler Strahlungsleistung (mW). Mit einem Spektralbereich von 240 nm bis 2600 nm erlaubt sie die Absolutmessung des Lichtstroms und dessen spektraler Verteilung.
Das System vermisst den Absolutwert und diverse radio- und fotometrische Parameter gleichzeitig. Dazu gehören die Bestimmung von Farbkoordinaten, Farbtemperatur (CCT) und Farbwiedergabeindex (CRI) gemäß CIE-Standards. Die Software »SpectroSoft Pro« erlaubt über die Messung der grundlegenden Parameter hinaus die automatische Bestimmung vieler weiterer lichttechnischer Größen wie Tristimulus-Wert, Chromatizitätskoordinaten, dominante Wellenlänge, Peakwellenlänge (in nm) oder Halbwertsbreite der Spektrallinien.