Diffuse Reflexion messen

July 21, 2021

Mark Ivker

Die meisten Objekte streuen Licht in alle Richtungen. Wie können wir diese Streuungen alle “einfangen“?

Trifft Licht auf einen Spiegel, wird es im gleichen Winkel reflektiert, den der einfallende Strahl hat. In der Optik bezeichnet man dies als gerichtete Reflexion. Die meisten Objekte reflektieren oder streuen aber zusätzlich Licht in andere Richtungen. Dies wird als diffuse Reflexion bezeichnet. Tatsächlich dominiert die diffuse Komponente in der Regel. Die Objekte werden als matt bezeichnet. Bei einer idealen matten Oberfläche, variiert die Strahlungsstärke als Kosinus des Betrachtungswinkels gemäß dem Lambertschen Gesetz.

Selbst Spiegel können eine kleinen Bruchteil des einfallenden Lichts diffus reflektieren. Umgekehrt wird bei einigen scheinbar matten Objekten ein erheblicher Anteil in die spiegelnde Richtung reflektiert.

Es ist recht einfach, die Reflexion in der der spiegelnden Richtung zu messen, da wir den Abstrahlwinkel kennen. Die diffuse Reflexion zu messen, ist ungleich schwieriger. Hier muss in das Licht in allen möglichen Abstrahlwinkeln gemessen werden. Diese Art der Messung wird in der Regel mit einer Ulbrichtkugel durchgeführt. Eine Ulbrichtkugel besteht aus einer sphärischen Kammer mit einer stark reflektierenden Lambertschen Fläche und möglichst kleinen Öffnungen, um das Licht einfallen und austreten zu lassen.

Ulbrichtkugeln

Ulbrichtkugeln lassen sich für ganz unterschiedliche Messungen nutzen. Ophir bietet sie in vielfältigen Konfigurationen an, abgestimmt auf die jeweilige Anwendung. Zur Messung der diffusen Reflexion eignen sich die Ulbrichtkugeln der IS6-Familie mit dem Zusatz „C“. Diese 4-Port Ulbrichtkugeln sind in drei Varianten für UV, Vis, oder IR erhältlich. Sie bieten zwei Anschlüsse mit 25,4 mm (1“) und einen mit 63,5 mm (2,5“). Die Ulbrichtkugeln werden mit kollimierten Licht kalibriert, das durch einen der kleineren Eingänge auf der „äquatorialen“ Ebene einfällt und auf einen PTFE-Plug im gegenüberliegenden größeren Anschluss trifft. Der Detektor befindet sich am verbleibenden Port auf der äquatorialen“ Ebene.

Um die diffuse Reflexion zu messen, muss das Objekt direkten Kontakt mit dem 63,5 mm-Port haben. Ist das Objekt kleiner als der Durchmesser des Port, sollten eine zusätzliche Verkleinerung für den Port verwendet werden (z.B. P/N 7Z08305A). Die zu messende Oberfläche wird von kleineren Port auf der gegenüberliegenden Seite der Kugel angestrahlt.

Abb 1: Messung mit einer Ulbrichtkugel

Um die spiegelnde Komponente in die Messungen einzubeziehen, sollten der einfallende Strahl einen leichten Winkel aufweisen (6° sollten ausreichen). Anderenfalls könnte die spiegelnde Komponente direkt aus der Eingangsöffnung wieder austreten. Sofern nur der diffuse Teil der Strahlung gemessen werden soll oder die spiegelnde Komponente vernachlässigt werden kann, sollte ein Einfallswinkel von null Grad verwendet werden.

Bei allen Messungen gilt es, sehr umsichtig zu sein. Obgleich alle Ulbrichtkugeln kalibriert sind, verändert eine Probe mit geringer Reflexion die Empfindlichkeit der Ulbrichtkugel merklich (bekannt als Substitutionsfehler). Um eine Probe präzise zu messen, sollte zunächst eine Referenzmessung mit einem Objekt bekannter Reflexion durchgeführt werden. Haben die Referenz und die Probe eine ähnliche Reflexion, genügt es, die beiden Messergebnisse direkt zu vergleichen.

Dabei ist R_ref die Reflexion der bekannten Referenz und die Ms sind die Messungen der Probe und der Referenz.

Weisen Referenz und Probe eine unterschiedliche Reflexion auf, sollte eine etwas aufwendigere Technik angewendet werden Substitutionsfehler zu vermeiden.

Messen Sie zunächst die Referenz und führen Sie dann den verwendeten Lichtstrahl auf einen bestimmten Punkt in der Wand der Ulbrichtkugel. Anschließend wird die Referenz mit dem tatsächlichen Objekt ersetzt (möglichst ohne die Ulbrichtkugel zu verändern). Zusätzliche Messungen, die die Beleuchtung der gleichen Stelle an der Innenseite der Kugel aufzeichnen, werden durchgeführt.

Die Reflexion des zu messenden Objekts entspricht dann:

R_ref ist die Reflexion der bekannten Referenz und die Ms stehen für die oben beschriebenen Messungen. M_wall,samp bezeichnet die Messung mit Beleuchtung an der Wand der Kugel während das Objekt am Eingang befestigt wird. Tatsächlich wird durch die Beleuchtung der Wand der Kugel und der daraus resultierenden Messung während des Tauschs der Referenz mit der Probe der Substitutionsfehler ermittelt.

Beachtet man den sorgsamen Messaufbau, stellen Ulbrichtkugeln tatsächlich einen einfachen Weg dar, um diffuse Reflexion zu messen.