Licht im Terrarium

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mess:spektrometer_kalibration [2016/01/29 21:23] – [Probleme und Fehlerquellen bei Spektrometern] sarinamess:spektrometer_kalibration [2020/06/11 13:27] – [Kosinuskorrektur] sarina
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-{{menu>mess}} 
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 ====== Probleme und Fehlerquellen bei Spektrometern ====== ====== Probleme und Fehlerquellen bei Spektrometern ======
  
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 ===== Wellenlängenkalibration ===== ===== Wellenlängenkalibration =====
  
-Das Spektrometer soll die richtige Wellenlänge an der x-Achse anzeigen. Man kann das leicht anhand der Quecksilberlinien, die im Spektrum von Leuchtstofflampen enthalten sind, prüfen. Die Peaks müssen bei 297 nm, 313 nm, 331 nm 365 nm, 405 nm, 408 nm, 436 nm, 546 nm und 578 nm Wellenlänge liegen.+Bei einem Spektrometer LR1 Lasertack waren die Spektren auffällig: Viele Lampen schienen nicht-terrestrische UV-Strahlung abzustrahlen. Im Vergleich einer Leuchtstofflampen stellte sich heraus, dass die Quecksilberemissionslinien nicht bei den erwarteten Wellenlängen (297 nm, 313 nm, 331 nm 365 nm, 405 nm, 408 nm, 436 nm, 546 nm und 578 nm) lagen. Im diesem Fall war das gemessene Spektrum 6 nm weit zu kleineren Wellenlängen verschoben. 
  
 [{{ :photometrie:wellenlaengenkalibration1.png?600 | Spektrum einer UVB-Leuchtstofflampe. Die Emissionslinien des Quecksilbers liegen dort, wo man sie erwartet. Das Spektrometer ist gut wellenlängenkalibriert. }}]{{clear}} [{{ :photometrie:wellenlaengenkalibration1.png?600 | Spektrum einer UVB-Leuchtstofflampe. Die Emissionslinien des Quecksilbers liegen dort, wo man sie erwartet. Das Spektrometer ist gut wellenlängenkalibriert. }}]{{clear}}
  
-Bei einem schlecht kalibrierten Spektrometer, liegen die Emissionslinien nicht da, wo man sie erwartet sondern um einige Nanometer verschoben. Diese Verschiebung muss nicht über den ganzen Wellenlängenbereich konstant sein. Es kann sein, dass das Spektrum im grünen um 6 nm verschoben ist, im UVB aber um 10 nm. Bei einem schlechten Spektrometer wird das Ergebnis noch dazu anders aussehen, je nachdem wie warm das Spektrometer ist. Es kann also sein, dass die Wellenlänge bei der Messung der Leuchtstoffröhre um 6 nm zu klein gemessen wird, bei der anschließenden Messung einer LED aber plötzich 2 nm zu groß.+Diese Verschiebung muss nicht über den ganzen Wellenlängenbereich konstant sein. Es kann sein, dass das Spektrum im grünen um 6 nm verschoben ist, im UVB aber um 10 nm. Bei einem schlechten Spektrometer wird das Ergebnis noch dazu anders aussehen, je nachdem wie warm das Spektrometer ist. Es kann also sein, dass die Wellenlänge bei der Messung der Leuchtstoffröhre um 6 nm zu klein gemessen wird, bei der anschließenden Messung einer LED aber plötzich 2 nm zu groß.
  
 [{{ :photometrie:wellenlaengenkalibration0.png?600 |Spektrum einer Leuchtstofflampe. Die Emissionslinien des Quecksilbers liegen bei 6 nm kürzeren Wellenlängen als man erwartet. Das Spektrometer ist schlecht wellenlängenkalibriert. Es zeigt die Wellenlänge 6 nm kleiner als, als sie tatsächlich ist}}]{{clear}} [{{ :photometrie:wellenlaengenkalibration0.png?600 |Spektrum einer Leuchtstofflampe. Die Emissionslinien des Quecksilbers liegen bei 6 nm kürzeren Wellenlängen als man erwartet. Das Spektrometer ist schlecht wellenlängenkalibriert. Es zeigt die Wellenlänge 6 nm kleiner als, als sie tatsächlich ist}}]{{clear}}
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 Wichtig zu wissen ist, dass ein Spektrum völlig anders aussehen kann, wenn das Spektrometer eine hohe oder niedrige Wellenlängenauflösung hat. Bei den Spektren einer Glühbirne, der Sonne oder einer LED ist fast kein Unterschied zu sehen. Aber bei Linienstrahlern wie Metalldampflampen oder Leuchtstofflampen werden die Peaks umso kleiner je schlechter die Auflösung des Spektrometers ist. Die Hersteller von „sonnenähnlichen Vollspektrum Leuchtstofflampen“ nutzen diesen Effekt geschickt für die Werbung. Sie messen das Spektrum einer normalen Leuchtstoffröhre mit einem Spektrometer mit hoher Auflösung. Das Spektrum scheint aus wenigen sehr hohen Peaks zu bestehen und sieht überhaupt nicht sonnenähnlich aus. Ihre eigenen Vollspektrumlampen messen sie dagegen mit einem Spektrometer mit geringer Wellenlängenauflösung. Die Quecksilberpeaks sind dann viel geringer und der breite Untergrund wird besser sichtbar. Das Spektrum sieht plötzlich viel sonnenähnlicher aus. Wichtig zu wissen ist, dass ein Spektrum völlig anders aussehen kann, wenn das Spektrometer eine hohe oder niedrige Wellenlängenauflösung hat. Bei den Spektren einer Glühbirne, der Sonne oder einer LED ist fast kein Unterschied zu sehen. Aber bei Linienstrahlern wie Metalldampflampen oder Leuchtstofflampen werden die Peaks umso kleiner je schlechter die Auflösung des Spektrometers ist. Die Hersteller von „sonnenähnlichen Vollspektrum Leuchtstofflampen“ nutzen diesen Effekt geschickt für die Werbung. Sie messen das Spektrum einer normalen Leuchtstoffröhre mit einem Spektrometer mit hoher Auflösung. Das Spektrum scheint aus wenigen sehr hohen Peaks zu bestehen und sieht überhaupt nicht sonnenähnlich aus. Ihre eigenen Vollspektrumlampen messen sie dagegen mit einem Spektrometer mit geringer Wellenlängenauflösung. Die Quecksilberpeaks sind dann viel geringer und der breite Untergrund wird besser sichtbar. Das Spektrum sieht plötzlich viel sonnenähnlicher aus.
  
-[{{:photometrie:fl_high.png?300|Spektrum einer Leuchtstoffröhre mit hoher Wellenlängenauflösung.}}][{{:photometrie:fl_low.png?300|Spektrum einer Leuchtstoffröhre mit geringer Wellenlängenauflösung.}}]+[{{:photometrie:fl_high.png?400|Spektrum einer Leuchtstoffröhre mit hoher Wellenlängenauflösung.}}] [{{:photometrie:fl_low.png?400|Spektrum einer Leuchtstoffröhre mit geringer Wellenlängenauflösung.}}] 
  
-[{{:photometrie:hql_high.png?300|Spektrum einer Quecksilberdampflampe mit hoher Wellenlängenauflösung.}}][{{:photometrie:hql_low.png?300|Spektrum einer Quecksilberdampflampe mit geringer Wellenlängenauflösung.}}]+[{{:photometrie:hql_high.png?400|Spektrum einer Quecksilberdampflampe mit hoher Wellenlängenauflösung.}}] [{{:photometrie:hql_low.png?400|Spektrum einer Quecksilberdampflampe mit geringer Wellenlängenauflösung.}}] 
  
 ===== Kalibration auf absolute Bestrahlungsstärken ===== ===== Kalibration auf absolute Bestrahlungsstärken =====
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 Das Problem für unsere Anwendung ist: Der Sensor im Spektrometer arbeitet nicht für alle Wellenlängen gleich gut. Vor allem rotes Licht und nahes Infrarot wird weniger gut detektiert. Das Spektrometer misst daher im roten und infraroten weniger Intensität als tatsächlich vorhanden ist. Das Problem für unsere Anwendung ist: Der Sensor im Spektrometer arbeitet nicht für alle Wellenlängen gleich gut. Vor allem rotes Licht und nahes Infrarot wird weniger gut detektiert. Das Spektrometer misst daher im roten und infraroten weniger Intensität als tatsächlich vorhanden ist.
  
-Sehr eindrucksvoll sieht man das beim Spektrum des Sonnenlichts oder einer Glühbirne, die bei unkalibrierten Spektrometern einen viel zu geringen Rot-Anteil haben. Leider werden solche Spektren selbst von Firmen veröffentlicht, die ihr Geld mit der Entwicklung und dem Verkauf von Lampen verdienen.+Sehr eindrucksvoll sieht man das beim Spektrum des Sonnenlichts oder einer Glühbirne, die bei unkalibrierten Spektrometern einen viel zu geringen Rot-Anteil haben. Leider habe ich solche Spektren selbst von Firmen veröffentlicht gesehen, die ihr Geld mit der Entwicklung und dem Verkauf von Lampen verdienen. Es also eigentlich besser wissen sollten um sinnvolle Produkte zu entwickeln.
  
 [{{  :photometrie:absolutebestrahlungsstaerke_sonne.png?600  |  Spektrum des Sonnenlichts, aufgenommen mit kalibriertem und unkalibriertem Spektromter. Das unkalibrierte Spektrometer sieht weniger Licht im roten und infraroten Spektralbereich  }}]{{clear}} [{{  :photometrie:absolutebestrahlungsstaerke_sonne.png?600  |  Spektrum des Sonnenlichts, aufgenommen mit kalibriertem und unkalibriertem Spektromter. Das unkalibrierte Spektrometer sieht weniger Licht im roten und infraroten Spektralbereich  }}]{{clear}}
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 Bei einem Spektrometer, das nicht auf absolute Bestrahlungsstärke kalibriert ist sind alle Berechnungen aus dem Spektrum (effektive Bestrahlungsstärken, Farbtemperatur, Farbwiedergabe) falsch. Berechnet man den Farbort einer Leuchtstofflampe erhält man meist eine grünstichige Farbe, weil der Sensor in diesem Bereich empfindlicher ist. Auch im UVB und UVC sinkt die Empfindlichkeit des Detektors, so dass die Menge der UV-Strahlung  falsch eingeschätzt wird. Bei einem Spektrometer, das nicht auf absolute Bestrahlungsstärke kalibriert ist sind alle Berechnungen aus dem Spektrum (effektive Bestrahlungsstärken, Farbtemperatur, Farbwiedergabe) falsch. Berechnet man den Farbort einer Leuchtstofflampe erhält man meist eine grünstichige Farbe, weil der Sensor in diesem Bereich empfindlicher ist. Auch im UVB und UVC sinkt die Empfindlichkeit des Detektors, so dass die Menge der UV-Strahlung  falsch eingeschätzt wird.
  
-OceanOptics zeigen auf Ihrer Webseite das Spektrum einer Lampe mit drei verschiedenen unkalibrierten Spektrometern {{wikindx>859}}. Weil die drei Spektrometer für unterschiedliche Wellenlängenbereiche gedacht sind, haben sie unterschiedliche Detektoren mit unterschiedlichen Empfindlichkeiten. Die drei Spektren wirken, als wären sie von völlig unterschiedlichen Lampen weil fast keine Gemeinsamkeiten vorhanden sind. So drastisch können die Effekte sein, die durch die Empfindlichkeit des Detektors verursacht werden.+OceanOptics zeigen auf Ihrer Webseite das Spektrum einer Lampe mit drei verschiedenen unkalibrierten Spektrometern {{wkx>859}}. Weil die drei Spektrometer für unterschiedliche Wellenlängenbereiche gedacht sind, haben sie unterschiedliche Detektoren mit unterschiedlichen Empfindlichkeiten. Die drei Spektren wirken, als wären sie von völlig unterschiedlichen Lampen weil fast keine Gemeinsamkeiten vorhanden sind. So drastisch können die Effekte sein, die durch die Empfindlichkeit des Detektors verursacht werden.
  
 ===== Dunkelkalibration ===== ===== Dunkelkalibration =====
 +
 +Das folgende Bild erreichte mich mit der Anfrage, warum das Spektrometer so viel mehr UV-Strahlung misst als ein Solarmeter UV-Index Messgerät: Die gemessene hohe UV-Strahlung von ca. y = 130 zwischen x = 295 nm und x = 305 nm ist keine echte UV-Strahlung sondern Dunkelrauschen des Detektors. Beide Kurvenbündel müssten durch die Korrektur des Dunkelspektrums nach unten verschoben werden und würden dann im UV-Index-Wellenlängenbereich (300 - 315 nm) sehr gut aufeinander liegen, was auch dem gleichen Solarmeter-Messwert von 1.0 entspricht.
 +
 +[{{:mess:dunkelrauschen2.png?600|Obere Messkurven: Sonnenlicht, Solarmeter UV-Index 1.0; Untere Messkurven Leuchtstofflampen, Solarmeter UV-Index 1.0 - beide Messkurven OHNE Abzug eines Dunkelspektrums}}]
  
 Der Detektor im Spektrometer sendet auch dann ein elektrisches Signal, wenn kein Licht vorhanden ist. Diesen Fehler kennen einige vielleicht vom Fotografieren: Verwendet man eine hohe Belichtungszeit für Nachtfotos, sind die dunklen Stellen auf dem Bild nicht völlig dunkel sondern grau und grieselig. Insbesondere in der Astrofotografie betreiben die Fotografen einen hohen Aufwand, dieses Dunkelrauschen durch Kühlen der Kamera zu reduzieren. Der Detektor im Spektrometer sendet auch dann ein elektrisches Signal, wenn kein Licht vorhanden ist. Diesen Fehler kennen einige vielleicht vom Fotografieren: Verwendet man eine hohe Belichtungszeit für Nachtfotos, sind die dunklen Stellen auf dem Bild nicht völlig dunkel sondern grau und grieselig. Insbesondere in der Astrofotografie betreiben die Fotografen einen hohen Aufwand, dieses Dunkelrauschen durch Kühlen der Kamera zu reduzieren.
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 ===== Signal-zu-Rausch-Verhältnis ===== ===== Signal-zu-Rausch-Verhältnis =====
  
 +//Platzhalter//
 ===== Kosinuskorrektur ===== ===== Kosinuskorrektur =====
  
-Strahlung, die senkrecht auf eine Fläche fällt ist intensiver als Strahlung, dass schräg auf die Fläche fällt. Diese Alltagserfahrung kennt jeder, der sein Gesicht der Sonne zuwendet, die Ausrichtung von Pflanzenblättern zur Sonne beobachtet oder die Installation von Solarzellen beobachtet. Messgeräte sollten sich an dieses einfache Kosinus-Gesetz halten. Sie tun es aber oft nicht, weil die Strahlung nicht direkt auf den Detektor fällt, sondern im Fall eines Spektrometers erst durch eine Glasfaser geführt wird, gefiltert oder durch Blenden abgeschattet wird. Es ist daher oft etwas Aufwand nötig, bis ein Messgerät eine gute Kosinuskorrektur hat.+Strahlung, die senkrecht auf eine Fläche fällt ist intensiver als Strahlung, die schräg auf die Fläche fällt. Diese Alltagserfahrung kennt jeder, der sein Gesicht der Sonne zuwendet, die Ausrichtung von Pflanzenblättern zur Sonne beobachtet oder die Installation von Solarzellen beobachtet. Messgeräte sollten sich an dieses einfache Kosinus-Gesetz halten. Sie tun es aber oft nicht, weil die Strahlung nicht direkt auf den Detektor fällt, sondern im Fall eines Spektrometers erst durch eine Glasfaser geführt wird, gefiltert oder durch Blenden abgeschattet wird. Es ist daher oft etwas Aufwand nötig, bis ein Messgerät eine gute Kosinuskorrektur hat.
  
 Messfehler verursacht eine schlechte Kosinuskorrektur immer dann, wenn Licht aus verschiedenen Richtungen auf den Eingang des Messgeräts fällt. Bei Punktlichtquellen mit kleinem Reflektor und wenn das Messgerät immer direkt zur Lampe zeigt, wird man keinen großen Fehler erwarten. Mit einer solchen Lampe kann man die Kosinuskorrektur auch überprüfen. Das Messgerät sollte einen relativ großen Abstand zur Lampe haben, dann neigt man es langsam um 90° in beide Richtungen und beobachtet wie der Messwert kleiner wird. Aufgetragen über den Winkel sollte der Messwert einer Kosinus-Funktion folgen. Wenn die Kurve schneller abfällt unterschätzt das Messgerät seitlich auftreffende Strahlung. Bei einer ausgedehnten Leuchtstoffröhre, wo nur wenig Licht senkrecht auf den Eingang des Messgeräts fällt und viel Licht schräg auf das Messgerät auftrifft, wird der Messwert daher zu klein sein. Messfehler verursacht eine schlechte Kosinuskorrektur immer dann, wenn Licht aus verschiedenen Richtungen auf den Eingang des Messgeräts fällt. Bei Punktlichtquellen mit kleinem Reflektor und wenn das Messgerät immer direkt zur Lampe zeigt, wird man keinen großen Fehler erwarten. Mit einer solchen Lampe kann man die Kosinuskorrektur auch überprüfen. Das Messgerät sollte einen relativ großen Abstand zur Lampe haben, dann neigt man es langsam um 90° in beide Richtungen und beobachtet wie der Messwert kleiner wird. Aufgetragen über den Winkel sollte der Messwert einer Kosinus-Funktion folgen. Wenn die Kurve schneller abfällt unterschätzt das Messgerät seitlich auftreffende Strahlung. Bei einer ausgedehnten Leuchtstoffröhre, wo nur wenig Licht senkrecht auf den Eingang des Messgeräts fällt und viel Licht schräg auf das Messgerät auftrifft, wird der Messwert daher zu klein sein.
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 Bei der Messung eines Spektrums spielt die absolute Intensität nur eine geringe Rolle, so dass man denken könnte, dass die Kosinuskorrektur bei einem Spektrometer eine untergeordnete Rolle spielt. Man misst das Spektrum mit dem Spektrometer und anschließend die absolute Bestrahlungsstärke mit einem Radiometer, das besser kosinuskorrigiert ist. Für Lampen ist das tastächlich so möglich. Bei der Messung eines Spektrums spielt die absolute Intensität nur eine geringe Rolle, so dass man denken könnte, dass die Kosinuskorrektur bei einem Spektrometer eine untergeordnete Rolle spielt. Man misst das Spektrum mit dem Spektrometer und anschließend die absolute Bestrahlungsstärke mit einem Radiometer, das besser kosinuskorrigiert ist. Für Lampen ist das tastächlich so möglich.
  
-Problematisch ist die Kosinuskorrektur wenn gleichzeitig Licht mit unterschiedlicher spektraler Zusammensetzung aus unterschiedlichen Richtungen auf den Spektrometereingang fällt. Das ist der Fall, wen das Lichtspektrum direkt im Terrarium mit mehreren Lampen gemessen wird. Es ist aber auch der Fall, wenn das Sonnenspektrum gemessen wird: Hier kommt gelbliches Licht von der Sonne und bläuliches Licht vom gesamten Himmel. Ganz besonders stark ist der Unterschied bei der UVB-Strahlung, die zu mehr als der Hälfte nicht direkt von der Sonne sondern vom Himmel kommt. Ein UV-Spektrum des Sonnenlichts aufzunehmen ist für ein Spektrometer daher eine ganz besondere Herausforderung. Um die Zuverlässigkeit von UV-Messstationen abzuschätzen wurde im Juli 1991 der erste Europäische Vergleich von Spektrometern in Panorama, Griechenland, durchgeführt {{wikindx>677}}. Sechs Spektrometer von wissenschaftlichen Instituten((Institut für Medizinische Physik, Österreich; Universitat für Bodenkultur, Österreich; Institut d'Aeronomie Spatiale de Belgique, Belgien; University of Reading, Großbritannien; University of Thessaloniki, Griechenland; University of Tromso, Norwegen)) nahmen gleichzeitig Sonnenspektren auf. Im Bereich unter 400nm wichen die einzelnen Spektrometer teilweise um 20% voneinander ab.+Problematisch ist die Kosinuskorrektur wenn gleichzeitig Licht mit unterschiedlicher spektraler Zusammensetzung aus unterschiedlichen Richtungen auf den Spektrometereingang fällt. Das ist der Fall, wen das Lichtspektrum direkt im Terrarium mit mehreren Lampen gemessen wird. Es ist aber auch der Fall, wenn das Sonnenspektrum gemessen wird: Hier kommt gelbliches Licht von der Sonne und bläuliches Licht vom gesamten Himmel. Ganz besonders stark ist der Unterschied bei der UVB-Strahlung, die zu mehr als der Hälfte nicht direkt von der Sonne sondern vom Himmel kommt. Ein UV-Spektrum des Sonnenlichts aufzunehmen ist für ein Spektrometer daher eine ganz besondere Herausforderung. Um die Zuverlässigkeit von UV-Messstationen abzuschätzen wurde im Juli 1991 der erste Europäische Vergleich von Spektrometern in Panorama, Griechenland, durchgeführt {{wkx>677}}. Sechs Spektrometer von wissenschaftlichen Instituten((Institut für Medizinische Physik, Österreich; Universitat für Bodenkultur, Österreich; Institut d'Aeronomie Spatiale de Belgique, Belgien; University of Reading, Großbritannien; University of Thessaloniki, Griechenland; University of Tromso, Norwegen)) nahmen gleichzeitig Sonnenspektren auf. Im Bereich unter 400nm wichen die einzelnen Spektrometer teilweise um 20% voneinander ab.
  
 ===== Literatur ===== ===== Literatur =====
  
-{{wikindxbib}}+{{wkxbib}}
  
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