OM_2 - TU Graz
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Institut für Elektrische Meßtechnik und Meßsignalverarbeitung Übersicht • Allgemeine Übersicht, Licht, Wellen- vs. Teilchenmodell, thermische Strahler, strahlungsoptische (radiometrische) vs. lichttechnische (fotometrische) Größen • Beschreibung radiometrische, fotometrische Größen • Detektoren • Geometrische Optik • Bildgebende Verfahren • Anwendungen • Licht als elektromagnet. Welle, Interferenz, Kohärenz, Laser, Interferometrie, Anemometrie Axel Pinz WS 2016/17 Optische Methoden 2 1 Institut für Elektrische Meßtechnik und Meßsignalverarbeitung Teilchen ! [Hecht] Axel Pinz WS 2016/17 Optische Methoden 2 2 Institut für Elektrische Meßtechnik und Meßsignalverarbeitung [Hecht] Axel Pinz WS 2016/17 Optische Methoden 2 3 Institut für Elektrische Meßtechnik und Meßsignalverarbeitung QED – Quantenelektrodynamik Dualismus Welle-Teilchen Photon ππβ = 0 ππβ = βπ (= βπ) β = 6,626 β 10−34 Ws 2 Ruhemasse Quanten-, Photonenenergie: Plank‘sches Wirkungsquant: de-Broglie Wellenlänge: Impuls: Axel Pinz WS 2016/17 π= β π π= ππβ π = π π = βπ π = β π Optische Methoden 2 4 Institut für Elektrische Meßtechnik und Meßsignalverarbeitung V(λ) – Spektraler Hellempfindlichkeitsgrad für Tagsehen “Relative sensitivity” = V(ο¬) Commission International de l‘Eclairage (CIE) max. bei 555nm ο Strahlungsphysikalische vs. Lichttechnische Größen [Foley et al., “Computer Graphics”] Axel Pinz WS 2016/17 Optische Methoden 2 5 Institut für Elektrische Meßtechnik und Meßsignalverarbeitung Strahlungsphysikalische (radiometrische) – Lichttechnische Größen (fotometrische) [Hoffmann, TB d. Messtechnik] Axel Pinz WS 2016/17 Optische Methoden 2 6 Institut für Elektrische Meßtechnik und Meßsignalverarbeitung Strahlungsenergie (-menge), Strahlungsfluss … πππ ππ‘ Strahlungsenergie Qe Strahlungsfluss π·π = Gesamte von einer Quelle emittierte Energie Gesamte von einer Quelle emittierte Leistung [Qe] = J = Ws [ ο e] = W Index e … „energetisch“ Strahlungsphysikalische/radiometrische Grundgrößen Axel Pinz WS 2016/17 Optische Methoden 2 7 Institut für Elektrische Meßtechnik und Meßsignalverarbeitung … je Wellenlänge ο¬ Spektrale Strahlungsenergie Qeο¬ Spektraler Strahlungsfluss οeο¬ [οeο¬] = W/m [Qeο¬] = J/m = Ws/m Gesamte von einer Quelle emittierte Energie Leistung einer bestimmten Wellenlänge ο¬ Axel Pinz WS 2016/17 Optische Methoden 2 8 Institut für Elektrische Meßtechnik und Meßsignalverarbeitung [Pedrotti et al.] Axel Pinz WS 2016/17 Optische Methoden 2 9 Institut für Elektrische Meßtechnik und Meßsignalverarbeitung Strahlstärke Ie Fluss pro Raumwinkel πΦπ πΌπ = πΩ π [πΌπ ] = π π [Pedrotti et al.] Axel Pinz WS 2016/17 Optische Methoden 2 10 Institut für Elektrische Meßtechnik und Meßsignalverarbeitung Strahldichte Le Strahlstärke der projizierten Quellenfläche (effektive Senderfläche) senkrecht zur Beobachtungsrichtung ππΌπ π2 Φπ πΏπ = = ππ΄1 cos π πΩ ππ΄1 cos π πΏπ π = π π π2 Sonderfall Lambert‘scher Strahler: πΌπ = πΌπ0 cos π ⇒ πΌπ0 πΏπ = = const. π΄1 ο Strahldichte ist unabhängig vom Betrachtungswinkel Sonderfall Kugelstrahler: Ie(ο₯)= const. Axel Pinz WS 2016/17 Optische Methoden 2 11 Institut für Elektrische Meßtechnik und Meßsignalverarbeitung πΌπ = πΌπ0 cos ο₯ [Pedrotti et al.] Axel Pinz WS 2016/17 Optische Methoden 2 12 Institut für Elektrische Meßtechnik und Meßsignalverarbeitung Strahlcharakteristik Richtungsabhängigkeit der Strahlstärke Ie(ο₯): • Kugelstrahler πΌπ = Φπ 4π sr = const. • Lambert- (Cosinus-)strahler πΌπ = πΌπ0 cos π πΌπ = πΌπ (π) • Keulencharakteristik (Öffnungswinkel: Abfall von Ie auf 50%) Axel Pinz WS 2016/17 Optische Methoden 2 13 Institut für Elektrische Meßtechnik und Meßsignalverarbeitung Spezifische Ausstrahlung Me Strahlungsflussdichte einer Quelle die den Strahlungsfluss dοe,H vom Flächenelement dA1 in den Halbraum strahlt: πΦπ,π» ππ = ππ΄1 Axel Pinz π [ππ ]= 2 π WS 2016/17 Optische Methoden 2 14 Institut für Elektrische Meßtechnik und Meßsignalverarbeitung Bestrahlungsstärke Ee , Bestrahlung He Strahlungsflussdichte auf einer Empfängerflache dA2: πΦπ πΈπ = ππ΄2 π [πΈπ ]= 2 π über einen Zeitraum: π»π = ∫ πΈπ ππ‘ Axel Pinz ππ [π»π ]= 2 π WS 2016/17 Optische Methoden 2 15 Institut für Elektrische Meßtechnik und Meßsignalverarbeitung [Pedrotti et al.] Axel Pinz WS 2016/17 Optische Methoden 2 16 Institut für Elektrische Meßtechnik und Meßsignalverarbeitung ο Wie misst man strahlungsphysikalische Größen?ο Axel Pinz WS 2016/17 [Pedrotti et al.] Optische Methoden 2 17 Institut für Elektrische Meßtechnik und Meßsignalverarbeitung Strahlungsdetektion • Wechselwirkung Photon/Strahlung ο« Detektor • Photonendetektion, Beispiel Photodiode • Schwarzkörper ο Absorption, Beispiel Bolometer • Immer nur in einem bestimmten Energiebereich! z.B.: π2 πΈππ ππ π1 • Spektrale Empfindlichkeit berücksichtigen! z.B.: π2 π(π)πΈππ ππ ο¨( ο¬) π1 z.B. Quanteneffizienz ο¨(ο¬), z.B. für Silizium Axel Pinz WS 2016/17 Optische Methoden 2 18 Institut für Elektrische Meßtechnik und Meßsignalverarbeitung Beispiel Photodiode BS520E0F von Sharp Im Sperrbetrieb (III. Quadrant): Sperrstrom streng proportional zu Bestrahlungsstärke und Fläche ο Lineare KL (I/Ee) ο πΈπ ∝ πΌ ο π»π ∝ ∫ πΌ ππ‘ [Hoffmann, TB d. MT] Axel Pinz WS 2016/17 Optische Methoden 2 19 Institut für Elektrische Meßtechnik und Meßsignalverarbeitung Beispiel Bolometer a. Absorber Ee ο Erwärmung d. Membran οT b. Widerstandsänderung οR [Hoffmann, TB d. MT] Ee Perfekt schwarze Membran: Spektrale Albedo ρ(ο¬)=0 Axel Pinz WS 2016/17 Allgemein: Eeο¬ο(1-ρ(ο¬)) Optische Methoden 2 20 Institut für Elektrische Meßtechnik und Meßsignalverarbeitung Strahlungsphysikalisch ο Lichttechnisch Viele wellenlängen-abhängige Gewichtungen: ο¨(ο¬), ρ(ο¬), …, V(ο¬) Spektraler Hellempfindlichkeitsgrad für Tagsehen “Relative sensitivity” = V(ο¬) 780ππ ο Lichtstrom π = πΎπ ∫380ππ π(π)πππ ππ [Foley et al., “Computer Graphics”] πΎπ = 683 lm/W … fotometrisches Strahlungsäquivalent Axel Pinz WS 2016/17 Optische Methoden 2 21 Institut für Elektrische Meßtechnik und Meßsignalverarbeitung [Pedrotti et al.] Axel Pinz WS 2016/17 Optische Methoden 2 22 Institut für Elektrische Meßtechnik und Meßsignalverarbeitung Radiometrie ο« Fotometrie Allgemein: Fotometrische Größe, z.B. π, ππ£ , ππ£ππ Index „visible“ für „sichtbares“ Licht Fotometrische Größe = K(ο¬) ο Radiometrische Größe πΎ π = πΎπ π π lm mit πΎπ = 683 W Es gibt die gleiche Berechnung auch für Nachtsehen: lm ′ πΎ′ π = πΎ π π′ π mit πΎ′π = 1699 W Axel Pinz WS 2016/17 Optische Methoden 2 23 Institut für Elektrische Meßtechnik und Meßsignalverarbeitung Nachtsehen Tagsehen 650 [Pedrotti et al.] Axel Pinz WS 2016/17 Optische Methoden 2 24 Institut für Elektrische Meßtechnik und Meßsignalverarbeitung 0,2 Axel Pinz WS 2016/17 [Pedrotti et al.] Optische Methoden 2 25 Institut für Elektrische Meßtechnik und Meßsignalverarbeitung Praxis-Beispiel: 3D-PITOTI Projekt (1) Benötigt der Scanner eine Abdunkelung? Kann unter Tageslicht-Bedingungen gearbeitet werden? • Labor-Anordnung: • Tageslicht (Fenster) • Pico-DLP mit 100 lm Axel Pinz WS 2016/17 Optische Methoden 2 26 Institut für Elektrische Meßtechnik und Meßsignalverarbeitung Praxis-Beispiel: 3D-PITOTI Projekt (2) Benötigt der Scanner eine Abdunkelung? Kann unter Tageslicht-Bedingungen gearbeitet werden? • Tageslicht: • • • • • Solarkonstante gerade ausserhalb der Atmosphäre: Ee = 1355 W/m2 Erdoberfläche, Sonne im Zenith: Ee = 1120 W/m2 Wikipedia: Evis,Tageslicht = [1 … 100.000 lx] Mitteleuropa, Mittag: Sommer: Evis = 70.000 lx Winter: Evis = 6.000 lx Im Schatten (kein direktes Sonnenlicht), Sommer: Evis = 10.000 lx [Bergmann, Schäfer, Experimentalphysik] • W/m2 ο« lx ? οΌ (ο KmV(λ)) • DLP mit 100 ANSI Lumen ο« lx ? οΌ (lx = lm/m2) ~20 × 15cm = 0,03 π2 βΉ 100lm /0,03π2 = 3.000 lx οΌ Axel Pinz WS 2016/17 Optische Methoden 2 27 Institut für Elektrische Meßtechnik und Meßsignalverarbeitung Praxis-Beispiel: 3D-PITOTI Projekt (3) Benötigt der Scanner eine Abdunkelung? ο Nein ! Kann unter Tageslicht-Bedingungen gearbeitet werden? ο Ja ! Tageslicht + DLP - = Tageslicht Axel Pinz WS 2016/17 Optische Methoden 2 28 Institut für Elektrische Meßtechnik und Meßsignalverarbeitung Praxis-Beispiel: 3D-PITOTI Projekt (4) Stand Okt. 2014: Statt DLP-Projektor ο High-power LEDs Custom Illumination, 220 LEDs, up to 165.000lx !! ο Direktes Sonnenlicht möglich! Tageslicht + LED-Beleuchtung - = Tageslicht Axel Pinz WS 2016/17 Optische Methoden 2 29 Institut für Elektrische Meßtechnik und Meßsignalverarbeitung ο Wie misst man lichttechnische Größen?ο Axel Pinz WS 2016/17 [Pedrotti et al.] Optische Methoden 2 30 Institut für Elektrische Meßtechnik und Meßsignalverarbeitung Beleuchtungsstärke ο Luxmeter πΈ= πΦ ππ΄ Bekannte Empfängerfläche A Si-Photodiode, Farbfilter mit V(ο¬)-Charakteristik ο πΈ ∝ πΌ Luxmeter im EMT-Bildmesslabor Axel Pinz WS 2016/17 Optische Methoden 2 31 Institut für Elektrische Meßtechnik und Meßsignalverarbeitung Lichtstrom ο Fotometerkugel nach Ulbricht „Ulbrichtkugel“ Indirekter, gesamter im Inneren der Kugel erzeugter Lichtstrom: πΈπππ = ππΆπ Ck … Kugelkonstante Kalibrierung d. Kugelkonstanten [Hoffmann, TB d. MT] Axel Pinz WS 2016/17 Optische Methoden 2 32 Institut für Elektrische Meßtechnik und Meßsignalverarbeitung Zum Abschluss Strahlungsphysikalische Si-Einheiten W W/sr W/m2 ο« ο« ο« ο« Lichttechnische Größen lm … Lumen cd … Candela = lm/sr lx … Lux = lm/m2 Lichttechnische Si-Basiseinheit: Candela Und noch ein Gewicht … Axel Pinz WS 2016/17 Optische Methoden 2 33 Institut für Elektrische Meßtechnik und Meßsignalverarbeitung “Responsivity” – Relative spektrale Antwort “cutoff wavelength” [Jähne et al.] [5] Rieke, G. H., (1994). Detection of Light: From the Ultraviolet to the Submillimeter. Cambridge University Press Einfach: π π = π(π) ππ U … Spannung am Detektor Axel Pinz Vollständig: π π, π = π(π,π) ππ (π) f … Abtastfrequenz WS 2016/17 Optische Methoden 2 34 Institut für Elektrische Meßtechnik und Meßsignalverarbeitung Detektoren • Photonen-Detektoren • Innerer Photoeffekt • Valenz ο Leitungsband • Thermische Detektoren • Alles wird absorbiert ο οT π(π)πππΊ π π = βπ βπ ππβ = … Photonenenergie ο¬ π … Ladung des Elektrons πΊ … “photoconductive gain” π π = πππππ −ππππβπ‘ πππ = π πππ ≈ ππππ π‘ Photonen-Detektor Thermischer Detektor Axel Pinz WS 2016/17 Optische Methoden 2 35 Institut für Elektrische Meßtechnik und Meßsignalverarbeitung Optische Methoden in der Messtechnik 2VO 438.041 WS Axel Pinz 2LU 438.019 WS Christoph Feichtenhofer, Thomas Höll Vorbesprechung 13.10, 16:00, SR EMT Axel Pinz WS 2016/17 Optische Methoden 2 36