4.4 Kalibrierstandards
Kalibrierstandards werden eingesetzt, um eine Eingangsgröße für die bei der Kalibrierung eingesetzte Ausstattung zu erzeugen. Da der Kalibrierstandard ein Signal bekannter Größe liefert, wird die Differenz des Ausgangssignals der Ausstattung in Bezug auf das Signal des Kalibrierstandards bewertet. Mit Hilfe dieser Unterschiede können folglich Korrekturfaktoren für die Kalibrierung berechnet werden, was somit zu absoluten Messwerten führt, sobald das Ausgangssignal mittels dieser Werte korrigiert wurde. Für photometrische und radiometrischer Messgrößen werden verschiedene Kalibrierstandards benötigt:
| Photometrische Größe | Radiometrische Größe |
| Lichtstrom | Strahlungsfluss |
| Leuchtstärke | Strahlstärke |
| Leuchtdichte | Strahldichte |
| Beleuchtungsstärke | Bestrahlungsstärke |
Tab. 1: Photometrische und radiometrische Größen
Gleichwertige photometrische und radiometrische Größen liegen vor, wenn die Mess- und somit die Kalibriergeometrien die gleichen sind. Der einzige Unterschied liegt im radiometrischen bzw. photometrischen Ansprechvermögen des Detektionssystems. D. h, dass die meisten referentiellen Kalibrierstandards für sowohl photometrische als auch radiometrische Kalibrierung herangezogen werden können, sofern die Kalibrierdaten vorliegen. Für äußerst präzise oder annähernde Toleranz in der Kalibrierung werden speziell ausgesuchte Kalibrierstandards benötigt. Für gewöhnlich dienen Kalibrierstandards als Übertragungsstandards, d. h., dass mit diesen Primärstandard-Werte auf eine Arbeitsnormale eines Labors übertragen werden, die wiederum auf ein Testgerät übermittelt wird. Für rückführbare Kalibrierungen bedarf es einer ununterbrochenen Kette an zertifizierten vergleichenden Übertragungen, die auf einen nationalen Primärstandard zurückzuführen sind. Messunsicherheiten in der Kalibrierung gehen auf die Hierarchie der Standards zurück. Da diese Standard-Übertragung hardwaregestützt ist, bedarf es eines sorgfältigen Umgangs und Umsetzung des Kalibrierstandards. In Anwendungen für Bildgebung ist die Einheitlichkeit in Bezug auf Ansprechverhalten und Transmissionsgrad ausschlaggebend. Daher werden Lichtquellen mit einer einheitlichen Lichtfläche zur Bestimmung der Ungleichmäßigkeit eines Linsensystems oder eines Detektionssystems für visuelle Bildgebung benötigt.
Die folgenden Abschnitte bieten Informationen zu:
Quellenbasierte Standards
Jedes Detektions- oder Messsystem für optische Strahlung muss in Bezug auf eine optische Strahlenquelle kalibriert werden. Die Kalibrierung kann dabei auf zwei Arten erfolgen:
- Die Strahlenquelle kann in der gewünschten Größe kalibriert werden, wobei die Bestimmung der Differenz zwischen dem Eingangssignal (erzeugt durch die Quelle) und dem Ausgangssignal (des Detektionssystems) durch die Kalibrierdaten der Quelle erfolgt.
- Die nicht kalibrierte Quelle kann unter stabilen Bedienungen eingesetzt werden, wobei die Kalibrierung durch den Vergleich der Messwerte des Detektionssystems mit denen eines kalibrierten Detektionssystems (Referenzstandard) erfolgt. Hierbei muss der Referenzstandard die gleiche Messgeometrie und das gleiche spektrale Ansprechvermögen wie die zu kalibrierende Einheit aufweisen.
Für solche Kalibrierstandards kommt am häufigsten die Wolfram-Halogenlampe zum Einsatz, da ihr Emissionsspektrum dem eines Planck’schen Strahlers (Schwarzkörperstrahler) sehr ähnelt. Weiterhin werden auch andere Quellen verwendet, bei denen optische Strahlung durch die Erhitzung eines Elements bis zum Glühen mittels elektrischen Stroms erzeugt wird. Ausschlaggebend sind hierbei sowohl die Position des Fadens und die Stabilität der Wolfram-Halogenlampe, die eine begrenzte Lebensdauer hat. Aus diesem Grund sollte die Lampe nur in der vom Kalibrierschein vorgegebenen Position in Betrieb genommen werden. Zur Überprüfung festgelegter Kalibrierunsicherheiten der Lampe bedarf es eines regelmäßigen Vergleichs der Lampenleistung mit anderen hausinternen Referenzstandards für Quellen oder mit passenden Detektionssystemen. Bei radiometrischen Anwendungen, bei denen es auf die spektralen Eigenschaften der Quelle ankommt, sollte die Quelle in einem kontrollierten Strombetrieb gemessen werden, sodass die Stabilität der Eigenschaften gewährleistet werden kann. Die Mindestvorgabe für Stabilisierungsstrom ist bei 10 A – 4 A angesetzt. Sind Veränderungen in den spektralen Emissionseigenschaften nicht von entscheidendem Gewicht, können bei photometrischen oder radiometrischen Anwendungen mit Breitband-Detektoren auch Standards zur Stärkenkontrolle verwendet werden. Wird die Wolfram-Halogenlampe als Spotstrahler verwendet, muss die exakte Position des Glühfadens, der während der Kalibrierung der Quelle zum Einsatz kommt, auch bei nachfolgenden Messungen verwendet werden. Bei Kalibrierungen zum Zwecke der Vereinheitlichung für Leuchtdichte, Strahldichte und Bildgebung müssen die Wolfram-Halogenlampen mit einem diffusen Bildschirm ausgestattet oder in eine Ulbrichtkugel platziert werden. Kugelbasierte Standards für Leucht- und Strahldichte weisen eine höhere Einheitlichkeit und eine bessere diffuse Funktion auf.
Abb. 1: Diffuser Bildschirm und Ulbrichtkugel
Zur Kalibrierung von Leuchtdichte- und Strahldichte- Messinstrumenten mit einem begrenzten Sichtfeld, kann ein Bildschirm ausgerichtet für diffuse Transmission am Ausgang der Ulbrichtschen Kugel herangezogen werden. Bei Anwendungen für Bildgebung sind die Einheitlichkeit und die diffuse Funktion gegenwärtig vorhandener Bildschirmmaterialien nicht präzise genug, sodass als Konsequenz die geöffnete Ausgangsöffnung der Ulbrichtkugel verwendet wird. Ist die Stärke der Wolfram-Halogenlampe nicht hoch genug, was besonders im UV-Bereich auftreten kann, werden alternativ Bogenlampen, wie etwa Xenon-Lampen, verwendet. Hierbei gilt jedoch zu beachten, dass eine Steigerung der Stärke Auswirkungen auf die Kalibrierunsicherheit haben kann.
Detektorenbasierte Standards
Kalibrierstandards, basierend auf optischen Strahlquellen, gestalten sich in ihrer Erhaltung und Wartung als sehr aufwendig. Daher bieten sich detektorbasierte Standards als attraktive Alternative an. Darunter weisen besonders Halbleiterdetektoren den Vorteil langlebiger, absoluter und mechanischer Stabilität. Detektorbasierte Standards werden besonders häufig bei monochromatischen Anwendungen der Radiometrie eingesetzt, darunter etwa die Kalibrierung von Laser-Leistungsmessgeräten für Telekommunikationstests. Allerdings müssen bei diesen Standards Aspekte wie Oberflächenreflexion, Polarisation, fälschliche Strahlausrichtung oder -reflexion beachtet werden. Begrenzt sind spektrale Breitband-Detektoren als Kalibrierstandards vorwiegend auf photometrische Anwendungen, bei denen Detektoren mit einem durch Filter korrigierten, präzisen photometrischen Ansprechvermögen vorhanden sind. Die Kalibrierung erfolgt durch den Ausgangssignalvergleich des Referenzdetektors mit dem zu kalibrierenden Gerät. Die gleiche feste optische Strahlquelle wird während des Kalibriervorgangs verwendet. Bei monochromatischen Kalibrierungen bedarf es einer monochromatischen Strahlquelle. Gilt es, das spektrale Ansprechvermögen eines Detektors über seinen gesamten Bandfilter zu messen, dient eine Wolfram-Halogenlampe, ausgestattet mit einem Monochromator, der Erzeugung monochromatischer Strahlung bei allen benötigten Wellenlängen.
Standards für spektrale Bestrahlungsstärke
Wolfram-Halogenlampen sind die treibende Kraft in Bezug auf Standards für spektrale Bestrahlungsstärke. Lampen vom Typ FEL mitsamt Metalldraht zur Halterung des Glühfadens werden für leistungsstarke Anwendungen für blaues und UV-Licht empfohlen.
Abb. 2: Standardmäßige Kalibrierlampe vom Typ FEL
Kalibrierlampen des Herstellers Osram Sylvania sind für Anwendungen für sichtbare und nahe Infrarot-Strahlung empfehlenswert, da hier eine bestmögliche Langzeitstabilität erforderlich ist. Um als Kalibrierstandard ausgezeichnet zu werden, muss jede Lampe eine Mindesteinbrennzeit von 15 h aufweisen und in dieser Zeit dem protokollierten Einbrennverhalten entsprechen. Die referentielle kalibrierte Wolfram-Lampe bringt einen spektralen Bestrahlungsstärkebereich von 250 nm bis 2500 nm mit sich und deckt dabei viele typische UV-VIS-IR-Anwendungen in der Radiometrie und Photometrie ab. Die Lampe wird normalerweise mit einem Gehäuse geliefert und ist mit Hilfe eines Keramiksockels (oder aus einem anderen Material) befestigt. Somit werden Langzeitstabilität und Schutz sichergestellt. Fadenkreuze können ebenfalls geliefert werden, damit bestmögliche Präzision bei der Messung im Kalibrierlabor erreicht werden kann. Da die Lebensdauer in gewisser Hinsicht begrenzt ist, wird eine Stromversorgung mit ON-/ Off-Funktion empfohlen.
Abb. 3: Spektrale Verteilung der Lampe
Standards für Leuchtdichte
Referenzquellen für Leuchtdichte dienen zur einheitlichen Kalibrierung von photometrischen Messmitteln wie etwa Systeme für Bildgebung, Leistungsmessgeräte für Leuchtdichte und Spotbelichtungsmesser.
Abb. 4: Standard für Leuchtdichte
Die Erstellung des Standards erfolgt rund um die Ulbrichtkugel verschiedener Durchmesser, damit die größtmögliche Einheitlichkeit der diffusen Leuchtdichte an der Ausgangsöffnung, die für solch einen Kalibriervorgang nötig ist, erzielt werden kann. Die Kugel kann mit einer Bariumsulfat- Beschichtung überzogen oder aus optisch diffusem Plastikmaterial hergestellt sein. Hinzu kommt, dass erprobte Wolfram-Lampen für gewöhnlich mitsamt einer Stromversorgung und einem temperaturstabilen photometrischen Referenzdetektor verwendet werden. Mittels Rückkopplungsschleifen wird die Intensität der ausgehenden Leuchtdichte kontrolliert und die Verlängerung der Lebensdauer des Systems unterstützt. Der temperaturstabile photometrische Referenzdetektor hebt sämtliche Umwelt- sowie Temperaturveränderungen in der Kugel, die das Ausgangssignal beeinflussen, auf. Somit wird auch die Anlaufzeit des Systems verringert. Das Layout einer optimalen Kugel weist weniger als ± 0,7 % an Ungleichheit über 90 % der Öffnung auf, was so groß wie 100 mm an Durchmesser sein kann. Bei weniger als ± 5 % an Winkelgleichheit innerhalb von ± 40° ist die Kalibrierung ausgehender Leuchtdichte eines Detektorsystems mit weiten Akzeptanzwinkeln möglich. Ausgehende Leuchtdichte kann von 0,5 cd/m2 bis zu 35000 cd/m² reichen. Andere Standards bieten variable Werte für ausgehende Leuchtdichte, wobei fortschrittlichere Elektronik, mehrere Lampen und Abluftventilatoren von Nöten sind. Um das System als Kalibrierstandard auszuweisen, muss dieses selbst durch eine zuständige Kalibriereinrichtung kalibriert werden. Es gilt ausgehende Leuchtdichte, Einheitlichkeit und Winkelgleichheit zu messen und zu zertifizieren.
Abb. 5: Darstellung einer typischen einheitlichen Leuchtdichteempfindlichkeit
Standards für spektrale Strahldichte
Referenzquellen für Strahldichte dienen der Kalibrierung von Strahldichte-Detektoren und anderen radiometrischen Messmitteln. Die Erstellung des Standards erfolgt rund um die Ulbrichtkugel verschiedener Durchmesser, damit die größtmögliche Einheitlichkeit diffuser Strahldichte an der Ausgangsöffnung, die für derartige Kalibrierungen notwendig ist, erreicht werden kann.
Auch hier sind die Kugeln entweder mit einer Bariumsulfat-Beschichtung überzogen oder mit optisch diffusem Plastikmaterial verarbeitet. Ebenfalls wird das System durch die Verwendung von erprobten Wolfram-Lampen mitsamt einer Stromversorgung und einem temperaturstabilen photometrischen Referenzdetektor komplettiert.
Mittels Rückkopplungsschleifen wird die Intensität der ausgehenden Leuchtdichte kontrolliert und trägt zur Verlängerung der Lebensdauer des Systems bei. Der temperaturstabile photometrische Referenzdetektor hebt sämtliche Umwelt- sowie Temperaturveränderungen in der Kugel, die das Ausgangssignal beeinflussen, auf. Somit wird auch die Anlaufzeit des Systems verringert. Das Layout einer optimalen Kugel weist weniger als ± 0,7 % an Ungleichheit über 90 % der Öffnung auf, was einem 100 mm großen Durchmesser entsprechen kann. Bei weniger als ± 5 % an Winkelgleichheit innerhalb von ± 40° ist die Kalibrierung ausgehender Leuchtdichte eines Detektorsystems mit weiten Akzeptanzwinkeln möglich. Andere Standards bieten variable Werte für ausgehende Strahldichte, wobei ausgefeiltere Elektronik, mehrere Lampen und Abluftventilatoren notwendig sind.
Um das System als Kalibrierstandard festzulegen, bedarf es einer Kalibrierung durch eine zuständige Kalibriereinrichtung. Auch hier gilt es, ausgehende Strahldichte, Einheitlichkeit und Winkelgleichheit zu messen und zu zertifizieren.
Abb. 6: Darstellung einer spektralen Strahldichte Plot
Standards für spektrales Ansprechvermögen
Fotodioden aus Silizium werden weltweit als spektrale Referenzstandards von nationalen und privaten Kalibrierlaboratorien herangezogen, da sie eine Langzeitstabilität und eine breite spektrale Reichweite haben.
Abb. 7: Detektor-Kalibrierstandard
Diese Fotodioden, die wirksame Flächen von bis zu 100 mm2 aufweisen, werden in Maschinengehäusen zum Schutz und genauen Befestigung des Detektors in einem Kalibrieraufbau angebracht. Fadenkreuze werden hierfür ebenfalls verwendet. Manche Gehäuse weisen einen integralen Temperatursensor zur Überwachung thermischer Eigenschaften während der Testläufe. Um bestmögliche Messunsicherheit zu gewährleisten, werden Temperaturstabilisatoren mitsamt Kühlmänteln eingesetzt, damit eine Arbeitstemperatur innerhalb von ± 0,5 °C gewahrt wird. UV-verstärkte metrische Geräte bieten eine spektrale Reichweite von 250 nm bis > 1100 nm. Eine zertifizierte Kalibrierung durch eine akkreditierte rückführbare Kalibriereinrichtung ist zur Qualifizierung eines Geräts als Referenzstandard notwendig.
Abb. 8: Diagramm eines typischen spektralen Ansprechvermögens eines phototermischen Detektors
Standards für Reflexionsgrad
Optisch diffuse Weißstandards für den Reflexionsgrad, die auf rückführbare Weise für den Reflexionsgrad über einen Spektralbereich von 250 nm bis 2500 nm kalibriert sind, werden zur Kalibrierung von diesbezüglichen Messgeräten, optischen Distanzmesssystemen, Densitometer, Spektrophotometer und anderen optischen und bildgebenden Systemen verwendet. Die Qualifizierung eines Standards für Reflexionsgrad umfasst Licht- und Temperaturstabilität sowie Lebensdauer in Annäherung an den Lambertschen diffusen Reflexionsgrad und an bis zu 98 % des spektral neutralen Reflexionsgrads über den betreffenden Spektralbereich. Heutzutage werden Reflexionsstandards aus PTFE-Material benutzt; dieses liegt in verschiedenen Formen und Stärken vor. Für hohe Reflexionsgrade gibt es Referenzmaterialen für Weiß-, Schwarz- und Grautöne bei verschiedenen Reflexionswerten.
Zur Qualitätserhaltung eines kalibrierten Standards wird dieser für gewöhnlich in ein Schutzgehäuse mit abnehmbarem Deckel angebracht, sodass das Material bei Nichtgebrauch sauber und abgedeckt ist.
Abb. 9: Optisch diffus reflektierte Reflexionsstandards
Kalibrierstandards angepasst an die Geometrie
Bei anspruchsvollen Messaufgaben wird die Art der Kalibrierlampe immer wichtiger. Z. B. sollte für die Messung des Gesamtlichtstroms von LEDs in einer Ulbrichtkugel das System ähnlich der Strahlungsverteilung der LED kalibriert werden. Es lautet der Grundsatz „Gleiches mit Gleichem vergleichen”. Werden mit einem System typischerweise LEDs vermessen, welche nur in den Halbraum abstrahlen, so sollte dies auch für die Kalibrierlampe gelten. D. h., für diese Art der Kalibrierung sollten 2π Standards verwendet werden.