Überblick über die Ursachen und  Möglichkeiten der Reduzierung von Streulicht

1. Kurzbeschreibung

Im folgenden Artikel werden die Ursachen von Streulicht, die Auswirkungen von Streulicht auf die Messgenauigkeit von Spektralradiometern und Möglichkeiten zur Streulichtreduzierung nähergebracht. Dabei wird auf verschiedene Anforderungen der Streulichtunterdrückung welche Applikationsabhängig sind eingegangen.

Hinweis: Im Folgenden wird meinst von Spektralradiometer gesprochen. Dieses stellt ein radiometrisch kalibriertes Spektrometer dar. Ein Spektrometer ist ein relativ messendes Messgerät.

2. Einleitung

Die Frage die zuerst geklärt werden muss ist die folgende: Was ist Streulicht? Streulicht, oder auch Falschlicht genannt, ist ein Signal welches bei einer Spektrometermessung bei spektralen Messpunkten zusätzliches zum eigentlichen Messsignal detektiert wird. Da diese Signale nicht voneinander unterschieden werden können ist die Messung dadurch verfälscht. Die Größe des Streulichts hängt von den Komponenten und vom Aufbau des Spektrometers selbst ab. Die Ursachen sind beispielsweise:

• Streulicht welches am Optischen Gitter entsteht (vor allem bei gerillten Gittern)

• Rückreflexe des Detektorchips (diese haben keine 100% Absorption)

• 0. Ordnung des optischen Beugungsgitters (direkt reflektierter Strahl)

• höhere Ordnungen des optischen Beugungsgitters

• Interreflexionen

• Optisch imperfekte Oberflächen (z.B. Spiegeloberfläche)

• etc.

Ein Beispiel für Streulicht ist in der folgenden Abbildung dargestellt. Eine Halogenlampe wurde mit einem Spektralradiometer und Schott GG475 Kantenfilter vermessen.

Abbildung 1: Halogenmessung gefiltert mit GG475 (lineare Darstellung)

Da der verwendete GG475 Filter das Signal im kurzwelligen Spektralbereich unter 475 nm wesentlich stärker blockt als es die Messdaten zeigen, kann man mit Sicherheit sagen, dass es sich beim detektierten Signal unterhalb der Kante (graue Linie) um Streulicht handelt (Der Level über 0 + Rauschen). Da dies in der linearen Skala nur schwer erkennbar ist, empfiehlt sich die logarithmische Darstellung. Grün ist die ideale Filterfunktion dargestellt.

Abbildung 2: Halogenmessung gefiltert mit GG475 (logarithmische Darstellung)

D.h. bei dieser Messung hat das viele Signal der Halogenlampe oberhalb von 475 nm das wenige Streulicht unterhalb von 475 nm erzeugt. Dieses Streulicht wurde dort als Signal detektiert, dieses ist dann noch mit Rauschen beaufschlagt.

Im Vergleich sind in Abbildung 3 Messdaten eines ähnlichen Messszenario (anstatt GG475 ein OG515 Filter) mit einem wenig auf Streulichtreduzierung optimierten Gerät dargestellt. Es ist klar ersichtlich, dass das Streulichtniveau wesentlich höher liegt und das obwohl eigentlich weniger Streulichtpotenzial da ist, denn ein OG515 lässt weniger Signal als ein GG475 Filter in das Spektrometer eintreten. Somit ist bei diesem Gerät die Messgenauigkeit für diese Art von Messungen, bzw. bei Messungen bei denen Streulicht signifikanten Einfluss auf die abgeleiteten Größen hat (z.B. Farbort) negativ beeinflusst.

Abbildung 3: Halogenmessung gefiltert mit GG475 (logarithmische Darstellung),
wenig auf Streulichtreduzierung optimiertes Spektralradiometer

Abbildung: 4 Messung einer roten LED

D.h. die Größe des Streulichts hängt auch von der Spektralen Verteilung der zu messenden Lichtquelle ab.

Der Grund warum bei der Messung dieser LED überhaupt ein Signallevel neben dem LED Peak angezeigt wird liegt nicht unbedingt am Streulicht sondern am Rauschen des Spektrometers. Denn ein 1 Count Rauschen bei einem 16Bit ADC bedeutet eine Dynamik von 1:65536. Dies entspricht also diesem Level von 6E-4. D.h. bei einen Spektralradiometer ist die prinzipiell erreichbare Dynamik einer Messung von der Auflösung des ADC und des Signal zu Rauschverhältnis limitiert. Idealerweise ist das Streulichtlevel unterhalb der ADC Auflösung.

Nun kann man die berechnete Frage stellen: Wann ist Streulicht messtechnisch relevant? Darauf gibt es leider keine pauschale Antwort. Denn dies ist von der Applikation und demnach von der Anforderung an die Messung abhängig. Im Folgenden werden zwei Richtlinien aufgestellt an denen man sich grundsätzlich orientieren kann:

• Je größer die Dynamik einer Messung, desto wichtiger ist eine gute Streulichtunterdrückung. Dies ist insbesondere wichtig, wenn Teile des Spektrums ausgewertet werden in denen wenig Signal vorhanden ist. Denn relativ gesehen ist dieses geringe Signal stärker von Streulicht beeinflusst als stark ausgesteuertes Signal.

• Je komplexer eine Lichtquelle in der spektralen Verteilung ist, desto wichtiger ist eine gute Streulichtunterdrückung. Monochrome Lichtquellen wie Laser und einfarbige LEDs sind beispielsweise wesentlich unkritischer (da ihre spektral gesehene schmale Verteilung nur wenig Streulicht erzeugt) als breitbandige Lichtquellen wie die Sonne, Halogenlampen oder weiße LEDs (dieser erzeugen wesentlich mehr Streulicht).

Schlussendlich stellt Streulicht eine Messunsicherheit dar und muss gemäß CIE S025 oder CIE 198 in die Messunsicherheitsberechnung mit einfließen. Da die Größe des Streulichts von der spektralen Verteilung und des Spektrometer-Aufbaus abhängt, muss diese Berechnung zudem individuell für das Spektralradiometer und die Messaufgabe durchgeführt werden.

Info: Diese Berechnungen benötigen einige Spezifikationen und Charakterisierungen der Spektralradiometer, zudem sind die Modelle zur Messunsicherheitsberechnung in der Spektralradiometrie beliebig komplex. Die Gigahertz-Optik GmbH bietet ihnen hier einen guten Partner zur schnellen Lösung ihrer Anforderungen.

3. Möglichkeiten der Streulichtunterdrückung

Es gibt mehrere Möglichkeiten das Streulicht in einem Spektralradiometer zu reduzieren. Im folgenden Kapitel werden einige Möglichkeiten näher erläutert.

3.1 Optisches Design

Ganz entscheidend ist die Basis des Spektralradiometers, also eine gut und sauber entwickelte Spektrometer-Einheit. Heutzutage werden diese üblicherweise mittels optischen Simulationen optimiert da die Komplexität der optischen Strahlengänge anders kaum überblickt und gemäß den hohen Ansprüchen optimiert werden kann. Es muss z.B. die Abbildungsschärfe optimiert werden, die 0. Ordnung geblockt und höhere Ordnungen müssen geschickt aus dem Strahlengang in Richtung Detektor entfernt werden.

Neben diesem sehr wichtigen Design ist auch die Auswahl der verwendeten optischen Komponenten entscheidend. Denn beispielsweise die Qualität der Spiegelbeschichtung ist maßgebend für den Anteil an diffus reflektierter Strahlung und demnach entstehenden Streulicht. Auch die Qualität des optischen Gitters ist entscheidend für die Größe des entstehenden Streulichts.

Info: Gigahertz-Optik betreibt seit vielen Jahren eigene Spektrometer-Entwicklungen und optimiert die Spektrometer-Einheiten mittels ZEMAX. Zudem durchläuft jede Einheit einen langen Entwicklungs- und Qualifizierungsprozess bei dem alle optischen Elemente und Eigenschaften getestet und optimiert werden.

3.2 Mathematische Korrektur (Streulichtmatrix)

Bedingt durch die Möglichkeit von durchstimmbaren Lasern (Optisch Parametrischer Oszillator (OPO)) können Spektrometer bei beliebigen Wellenlängen untersucht und charakterisiert werden. Demnach können sogenannte L ine Spread Function (LSF) ermittelt werden welche zusammen von allen Wellenlängen eine Charakterisierungsmatrix Signal Distribution Function (SDF) des Spektrometers darstellen. D.h. es können messtechnisch Daten ermittelt werden welche das Gerät und dessen Streulichteigenschaften wellenlängenabhängig charakterisieren.

Abbildung 5: LSF eines Spektralradiometers gemessen mit einem OPO

Abbildung 6: LSF Matrix Darstellung

Mit Hilfe dieser Daten und den Messdaten der aktuellen Messung kann gemäß der mathematischen Streulichtkorrekturmethoden gemäß (Zong et al., 2006) oder (Nevas et al., 2012) anschließend eine mathematische Korrektur erfolgen. D.h. die mathematische Streulichtkorrektur muss auf jede Messung angewendet werden. Deshalb ist eine gute Softwareumsetzung zwingend erforderlich. Zudem muss der Hersteller einen OPO besitzen um die Messdaten sauber, in feinen Schritten d.h. ohne Annahmen, ermitteln zu können. Ein weiterer Faktor ist entscheidend. Das Spektralradiometer an sich muss stabil sein (zeitlich), damit die ermittelte Streulichtmatrix für lange Zeit korrekt angewendet werden kann. Ist dies der Fall, lässt sich folgendes für die Qualität der mathematischen Streulichtkorrektur sagen. Das Streulichtniveau kann um etwa 1 bis 2 Größenordnungen reduziert werden, wie folgendes Beispiel zeigt:

Abbildung 7: mathematische Streulichtkorrektur angewendet auf eine weiße LED Messung (rot korrigiert, blau nicht korrigiert)

Info: Die Methode von (Nevas et al., 2012) führt auch gleichzeitig eine optische Bandbreitenkorrektur durch. Alternativ kann aber auch die Methode von (Zong et al., 2006) verwendet werden und mit der optischen Bandbreitenkorrektur von CIE 214 kombiniert werden. Gigahertz-Optik bietet beide Herangehensweisen an.

Die Methode hat jedoch eine Einschränkung, die LSF Funktionen müssen für eine optimale Streulichtreduzierung im ganzen Sensitivitätsbereich (spektral) des Detektors gemessen werden (d.h. das Spektralradiometer sollte auch diesen Messbereich abdecken). Also bei Silizium von etwa 200 nm bis 1100 nm. Werden oder können nicht alle Funktionen gemessen werden, so kann auch nur ein Teil des Streulichts korrigiert werden!

Info: Gigahertz-Optik bietet Streulichtmatrizen für die High-End Spektrometer der BTS2048 Serie als Standardoptionen an. Die Applikation der Mathematik ist in der S-BTS2048 Software aber auch in der S-SDK-BTS2048 vollständig umgesetzt. Die Charakterisierungsdaten als auch Kalibrierdaten der Streulichtkorrektur sind im Gerät komfortabel für den Benutzer abgespeichert. D.h. keinerlei Zusatz Handling vom Nutzer wird benötigt.

3.3 Optische Filterung

Es gibt einen relativ einfachen Weg der Streulichtkorrektur im UV Bereich mit Hilfe eines Kantenfilters z.B. Schott GG435. Hierbei wird bei der Kalibrierung eine Messung mittels eines GG435 durchgeführt und das Streulichtlevel (siehe typisch Abbildung 1 Halogenmessung gefiltert mit GG475) bestimmt. Dieses Level wird von den Rohdaten abgezogen und aus den resultierenden Daten die Kalibrierung berechnet. Diese Methode ist jedoch eingeschränkt, da wie gezeigt wurde, je nach Lichtquelle (bzw. spektraler Verteilung der Lichtquelle) das Streulichtlevel ein anders ist. D.h. diese Methode ermöglicht es zwar streulichtreduziert zu kalibrieren, die Messungen sind aber dennoch Streulicht behaftet!

Ein innovativerer Weg zur optimalen Streulichtunterdrückung speziell im kritischen UV-Bereich ist ein kombinierter Ansatz von Spektralradiometer und integrierten optischen Filtern. Damit kann prinzipiell ein Doppelmonochromator in einem Array Spektralradiometer umgesetzt werden. Der zweite Monochromator-Teil wird dabei durch die erwähnten optischen Filter (Bandpassfilter, Kantenfilter) realisiert. Die Filter blocken große Teile des Spektrums, so dass dieses Signal gar nicht erst in das Spektrometer eintreten und Streulicht erzeugen kann. Idealerweise müssen für einen größeren Spektralbereich verschiedene Filter eingesetzt werden um ein optimales Ergebnis in Sachen Streulichtreduzierung zu erzielen. Hierfür sind ein integriertes schnelles Filterrad, viel Knowhow über Filtertechnologie und eine leistungsfähige Software nötig da einige Einzelmessungen intelligent zu einer Gesamtmessung zusammengesetzt werden. Denn um den Anwendern ein Benutzerfreundliches System zu bieten muss dies alles automatisch von der Software umgesetzt werden.

Info: Die Gigahertz-Optik GmbH hat mit Hilfe dieser Technologie eines der am besten optimierten UV-Spektralradiometer entwickelt welches in Sachen Streulichtreduzierung der Leistung eines echten Doppelmonochromators nahe kommt, das BTS2048-UV-S.

Abbildung 8: Vergleich des BTS2048-UV-S mit einem Doppelmonochromator.
Die Sonnenkannte kann bis zu 10E-5 aufgelöst werden.
Dies bei einer Messzeit von 3 s im Vergleich zu 90 s des Doppelmonochromators.

4. Anforderung an die Streulichtunterdrückung abhängig von der Applikation

Je nach Applikation sind die Anforderungen an die Güte der Streulichtunterdrückung unterschiedlich. Denn wie die vorherigen Kapitel zeigen ist eine gute Streulichtunterdrückung mit Aufwand und demnach auch Kosten verbunden. Deshalb sollte der Aufwand für die Applikation genau der Anforderung entsprechen. Im folgenden Kapiteln wird dies für einige Applikationen erläutert.

4.1 Messung von LEDs (z.B. Binning)

Für die Vermessung von einfarbigen LEDs im VIS Bereich ist für normale Applikationen eine ordentliche Streulichtunterdrückung mittels gutem optischen Design, wie es hochwertige Spektralradiometer standardmäßig aufweisen sollten, ausreichend. Auch für die Vermessung von weißen LEDs kann dies ausreichend sein wenn eine Genauigkeit im Farbort von ±0,0020 ausreichend ist. Messungen von weißen LEDs mit und ohne mathematische Streulichtkorrektur zeigen, dass die Genauigkeit im Farbort noch um etwa 0,0005 durch die Korrektur verbessert werden kann. D.h. ist diese Präzision nötig kann die Option mathematische Streulichtkorrektur eine gute Wahl sein.

4.2 Messung von UV LEDs

Für die Vermessung von UV LEDs werden oftmals Spektralradiometer eingesetzt welche eigentlich für den VIS Bereich optimiert wurden. Deshalb ist deren Streulichtunterdrückung um UV Bereich meist nicht optimal und es sind größere Messunsicherheiten zu erwarten. Demnach empfiehlt es sich zumindest eine mathematische Streulichtkorrektur anzuwenden. Besser wäre es direkt ein Spektralradiometer zu wählen welches speziell für den UV Bereich entwickelt wurde.

Info: Oftmals ist auch die Empfindlichkeit von einem reinen VIS Gerät im UV nicht optimal wodurch die Messunsicherheit nochmals erhöht wird. Gigahertz-Optik bietet mit dem BTS2048-VL-TEC und mathematischer Streulichtkorrektur ein sehr gutes All Zweck Messgerät an welches auch im UV eine gute Empfindlichkeit und Streulichtunterdrückung aufweist. Dieses ergänzt sich für hochwertige UV Messungen mit dem BTS2048-UV und BTS2048-UV-S.

4.3 Allgemeinbeleuchtung

Vor Labor- und Fertigungsmessungen gelten die gleichen Argumente wie in Kapitel 4.4 erwähnt. Für Handmessgeräte sind jedoch andere Maßstäbe anzusetzen. Denn diese sind zwecks der Handlichkeit klein bis sehr klein gehalten wodurch das optische Design in Sachen Streulichtunterdrückung eine Herausforderung darstellt. Minispektrometer welche in Messgeräte im Mobiltelefon Format eingesetzt werden zeigen meist Streulicht im linearen Bereich und sind deshalb für präzise Farbmessungen nicht geeignet. Sie eignen sich aber für schnelle Kontrollmessungen vor Ort, d.h. die Anforderung ist eine andere. Hochwertige Handmessgeräte weisen vollwertige Spektrometer-Einheiten auf welche mit Laborgeräte durchaus mithalten können und präzise Messergebnisse vor Ort ermöglichen. Diese hochwertigen Handmessgeräte sollten auch temperaturkorrigiert sein und reproduzierbare und stabile Ergebnisse zu liefern!

Info: Gigahertz-Optik bietet mit der MSC15 Serie ein korrigiertes Minispektrometer an welches den Anforderungen an ein Low-Budget Gerät mehr als gerecht wird. Zudem wird das Handmessgerätportfolio durch die hochwertigen BTS256-E und BTS256-EF ergänzt welche eine gute Streulichtunterdrückung mit vielen weiteren Features wie Wi-Fi, Flicker-Bestimmung, etc. abrunden.

4.4 Sonnenmessung

Bei Sonnenmessungen muss klar unterschieden werden was analysiert werden soll. Sind nur Informationen aus dem VIS und NIR interessant gelten die Argumente aus Kapitel 4.4. Ist jedoch der UV Bereich relevant so muss auf die Geräte von Kapitel 4.5 verwiesen werden. Speziell die Ermittlung von UV-Index, Erythema, Blue-Light Hazard, Ozon, etc. benötigt hochwertige UV optimierte Spektralradiometer. VIS Allzweckgeräte stoßen hier an die Grenzen ihrer möglichen Streulichtunterdrückung. Dies hat unter anderem die Veröffentlichung von (Egli et al., 2016) gezeigt. Zudem müssen die Geräte temperaturstabilisiert und Wetterfest sein, da oftmals längere Messsequenzen benötigt werden.

Info: Mit dem BTS2048-UV-S-WP und dem BTS2048-VL-TEC-WP bietet Gigahertz-Optik ein Duo an welches vom tiefen UV bis hin zum NIR hochwertige Messergebnisse liefert.

4.5 Strahlenschutz/Arbeitsschutz

Für diese Art von Messungen gelten die gleichen Argumente wie in Kapitel 4.4. Es ist eine sehr gute Streulichtunterdrückung notwendig um keine falschen Ergebnisse speziell bei der Erythem-und ICNIPR-Bewertung zu erhalten.

5. Zusammenfassung

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass der Einfluss von Streulicht auf die Messunsicherheit nicht unerheblich ist. Die Art der Streulichtunterdrückung sollte demnach spezifisch für die jeweilige Applikation und deren Anforderung ausgewählt werden. So benötigen Messungen im UV Bereich noch weitreichendere Streulichtunterdrückungsmaßnahmen wie im VIS Bereich. Die Größe des Streulichteinflusses ist eine Gerätespezifikation und muss vom Hersteller charakterisiert werden. Zudem ist das Streulicht auch von der spektralen Verteilung der Lichtquelle abhängig.

Für den Anwender ist demnach ein Partner mit jahrelangem Knowhow, kompetenter Beratung und stimmigen Produktportfolio sowie den messtechnischen Mitteln wie beispielsweise einem durchstimmbaren Laser (OPO) und einem akkreditierten Kalibrierlabor von Vorteil.

6. Literatur

Egli L, Gröbner J, Hülsen G, Bachmann L, Blumthaler M, Dubard J, Khazova M, Kift R, Hoogendijk K, Serrano A, Smedley A and Vilaplana J M 2016 Quality assessment of solar UV irradiance measured with array spectroradiometers Atmos. Meas. Tech. 9 1553-67

Nevas S, Wübbeler G, Sperling A, Elster C and Teuber A 2012 Simultaneous correction of bandpass and stray-light effects in array spectroradiometer data Metrologia 49 S43

Zong Y, Brown S W, Johnson B C, Lykke K R and Ohno Y 2006 Simple spectral stray light correction method for array spectroradiometers Appl. Opt. 45 1111-9

CIE 127, Measurement of LEDS

CIE 198, Determination of Measurement Uncertainties in Photometry

CIE 214, Effect of Instrumental Bandpass Function

CIE S025, Test Method for LED Lamps, LED Luminaires and LED Modules