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Optische Messtechnik

Messgeräte und -systeme zur Bewertung optischer Strahlungsgrößen

Das Labor für optische Strahlung besitzt zur Messung optischer Strahlungsgrößen gemäß OStrV die erforderlichen Messsysteme. Durch eigene Kalibrierstandards sind alle Messungen rückführbar auf PTB-Standard.

Spektralradiometer

Das Spektralverfahren ist ein grundlegendes Verfahren, bei dem mit Hilfe eines Spektralradiometers die spektrale Bestrahlungsstärke bzw. die spektrale Strahldichte in Abhängigkeit von der Wellenlänge gemessen wird. Für einen Vergleich mit Grenzwerten müssen die Rohdaten mit den Wirkungsspektren bewertet werden.

Spektralradiometer Schematischer Aufbau eines Spektralradiometers, © BAuA

Bei den Spektralradiometern sind zwei Ausführungen zu unterscheiden. Befindet sich am Ausgang ein Detektor, z. B. eine Diode oder ein hochempfindlicher Photomultiplier, erfolgt eine schrittweise Abtastung der Wellenlänge. Soll ein definierter Spektralbereich in kurzer Zeit erfasst werden, wird ein Spektrometer mit einem Photodioden- oder CCD-Array benötigt.

Doppelmonochromator

Bei diesem Gerätetyp wird ein vorgegebener Spektralbereich in diskreten Schritten abgetastet. Ein Spektralradiometer kann als Einfach-Monochromator oder als Doppelmonochromator ausgeführt sein. Beim Doppelmonochromator ist ein zweiter Monochromator nachgeschaltet.

Doppelmonochromator © BAuA

Ein wesentlicher Unterschied zwischen diesen beiden Ausführungen liegt in der Streulichtunterdrückung. Streulicht ist der Strahlungsanteil, der als Falschlicht von außerhalb der Messung gelegenen Wellenlängenbereichen stammt. Während bei einem Einfachmonochromator die Streulichtunterdrückung bei 10-4 (entspricht einem Signal-Rausch-Verhältnis von 104) liegt, ist sie beim Doppelmonochromator mit 10-8 deutlich besser. Insbesondere bei Messungen im UV-Bereich mit geringen Strahlungsanteilen im UV- und hohen Anteilen im sichtbaren und IR-Bereich, ist zur Unterdrückung der Falschlichtanteile die Verwendung eines Doppelmonochromators zu empfehlen. Bei Verwendung eines Einfachmonochromators können die Falschlichtanteile zu einer Überbewertung der Exposition führen.

Vorteile:

  • Messungen mit hoher Präzision bei zeitlich nicht veränderlichen Bestrahlungsstärken
  • genaue Gewichtung bei Bewertung mit Wirkungsspektren

Nachteile:

  • lange Messzeit
  • nicht geeignet für Messung von Quellen mit zeitveränderlichen Bestrahlungsstärken

Spektralradiometer mit Array-Detektor

Bei diesem Gerätetyp ist in einem Spektrometer in der Regel ein Gitter fest positioniert. Die Strahlung wird breitbandig auf ein Feld von Detektoren (z. B. auf einem Fotodioden- oder CCD-Array) abgebildet. Dabei ist jeder Detektor einer bestimmten Wellenlänge zugeordnet.

Spektralradiometer mit Array-Detektor © BAuA

Da bei dem Spektralradiometertyp keine mechanische Abtastbewegung erforderlich ist, kann in sehr kurzer Zeit (Millisekunden) ein komplettes Spektrum aufgenommen werden. Somit ist das Messgerät geeignet für die Messung von Quellen mit zeitveränderlichen Bestrahlungsstärken.

Vorteile:

  • schnelles Verfahren
  • geeignet zur Bewertung von Quellen mit zeitveränderlichen Bestrahlungsstärken
  • kompaktes System

Nachteile:

  • eingeschränkte Messempfindlichkeit
  • höhere Falschlichtanteile im Vergleich zum Doppelmonochromator
  • je kleiner die Systeme, desto höher die Messunsicherheiten

Integralradiometer

Im Gegensatz zum Spektralverfahren wird beim Integralverfahren ein Messergebnis für einen Spektralbereich ermittelt und direkt angezeigt. Die Anpassung an einen definierten Spektralbereich oder an eine Bewertungsfunktion wird durch die Auswahl von geeigneten Filtern und einen Detektor mit selektiver spektraler Empfindlichkeit erreicht. Diese Anpassung ist insbesondere bei der Nachbildung von steilen Wirkungskurven schwierig und kann mit einem erhöhten Messfehler verbunden sein.

Integralmessgerät zur Bewertung der erythemwirksamen Strahlung © BAuA

Die Messgeräte können stationär ausgeführt oder als Personendosimeter am Körper getragen werden.

Vorteile:

  • direkte Anzeige des Messergebnisses
  • Bewertung von Quellen mit zeitveränderlichen Strahlungsgrößen
  • kompaktes Messgerät mit leichter Handhabung
  • Batteriebetrieb möglich
  • kostengünstiger als Spektralmessgeräte

Nachteil:

  • Bewertungsfunktionen kann ungenau nachgebildet sein

Kalibrierstandards

Bei der Kalibrierung wird mit dem zu kalibrierenden Messgerät eine Referenzquelle (Kalibrierstandard) vermessen. Die Messdaten werden mit den Sollwerten der Referenzquelle verglichen. So lassen sich Abweichungen bestimmen und gegebenenfalls Korrekturen durchführen. Eine gute Kalibrierung eines Messgerätes ist eine Voraussetzung für eine genaue Messung.

Kalibrierlampe © Fotoagentur FOX

Die Kalibrierung sollte in regelmäßigen Abständen wiederholt werden, um den Qualitätsstandard zu erhalten. Die Gültigkeitsdauer der Kalibrierung ist im Kalibrierzeugnis festgehalten.