Lichtquellen und deren Darstellung von niedrigen und hohen Beleuchtungsstärken für die Kalibrierung von Photometern

Die Realisierung der SI-Basiseinheiten ist eine der Hauptaufgaben der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt (PTB). Die Einheit der Lichtstärke wird dabei mit Normallampen dargestellt und bewahrt. Eine davon abgeleitete essenzielle Messgröße ist die photometrische Empfindlichkeit von Detektoren (Photometern). Diese wird für die Weitergabe der Lichtstärke mithilfe von Substitutionsverfahren benötigt. Ein Photometerkopf besteht typischerweise aus einer Silizium-Photodiode, welche das auftreffende Licht erfasst und in einen elektrischen Strom umwandelt. Über einen integrierten V(λ)-Filter, bestehend aus mehreren Schichten Farbglas, wird dabei die relative spektrale Empfindlichkeit des Detektors an die des menschlichen Auges (eines Normbeobachters) angepasst. Die Komponenten eines Photometers sind häufig thermostatisiert, da dadurch die Abhängigkeit von der Umgebungstemperatur erheblich verringert wird. Mithilfe eines Beleuchtungsstärke-Photometers lässt sich die Beleuchtungsstärke auf dessen Referenzebene bestimmen. Mit dem dazugehörigen Abstand zur Lichtquelle kann daraus über das photometrische Entfernungsgesetz die Lichtstärke ermittelt werden. Häufig haben Photometer ein zugehöriges Anzeigegerät, das den Photostrom in Ampere oder eine Beleuchtungsstärke in Lux anzeigt. Die Kalibrierung solcher Photometer ist eine der Aufgaben der Arbeitsgruppe 4.12 Lichtstärkeneinheit der PTB. Um ein Photometerkopf zu kalibrieren, kann eine photometrische Empfindlichkeit in A/lx angeben werden, die beschreibt, wie viel Photostromstärke pro Beleuchtungsstärke erzeugt wird. Alternativ können auch die Anzeigewerte bei bestimmten Beleuchtungsstärken im Kalibrierschein angeben werden. Dabei wird meist eine große Spannweite an zu berichtenden Beleuchtungsstärken angefragt, damit in der Anwendung zwischen diesen Werten interpoliert werden kann, um ebenfalls eine photometrische Empfindlichkeit in Skalenteile pro Beleuchtungsstärke für das Gerät zu bestimmen. Das reguläre Leistungsangebot der PTB deckt dabei die Kalibrierung von Photometern bei Beleuchtungsstärken von 1 mlx bis 10 klx bezogen auf Glühlampenlicht ab. Die Erzeugung dieser unterschiedlichen Beleuchtungsstärken kann nur mit einer passenden Auswahl von Lichtquellen realisiert werden. Daneben gibt es weitere Aspekte, die bei den Lichtquellen zu beachten sind: Stabilität der Lichtquelle, Homogenität der räumlichen Lichtverteilung und die ausgestrahlte Lichtart (d.h. relative Spektralverteilung). In diesem Tagungsbeitrag werden unterschiedliche Typen und Arten von Glühlampen betrachtet und auf die genannten Eigenschaften untersucht. In Zukunft soll in der PTB eine Lichtquelle basierend auf freistrahlenden Hochleistungs-LEDs eingesetzt werden, die für die Kalibrierung über einen großen Dynamikbereich mit Beleuchtungsstärken bis 10 klx oder höher verwendet werden kann. Dazu werden in diesem Beitrag erste Ansätze gezeigt, sowie Vorteile und Herausforderungen der Kalibrierverfahren bei Einsatz solcher LED erörtert.