HELIOS A-Serie Homogene Lichtquellen

HELIOS-Plus Ulbrichtkugel-Lichtquellen von Labsphere

Die HELIOS‑Plus‑Serie von Labsphere umfasst Ulbrichtkugel‑basierte, gleichmäßig strahlende Lichtquellen, die als stabile, kalibrierte Normale für Leuchtdichte und spektrale Strahldichte dienen. Die HELIOS‑Plus‑A‑Serie liefert zusätzlich einen spektralen Ausgang, der gezielt auf ein definiertes Luftmassen‑ (Albedo‑) Spektrum abgestimmt ist.

Die offene Austrittsöffnung einer intern beleuchteten Integrationskugel fungiert als homogene Lichtquelle. Das Strahlungsfeld der Kugel ist sowohl räumlich als auch winkelmäßig gleichmäßig. Es kann für Flat‑Field‑Korrekturen sowie zur Übertragung einer absoluten Leuchtdichte- oder spektralen Strahldichte‑Kalibrierung auf Kameras, multispektrale und hyperspektrale Bildgeber, Kleinsatellitenkameras und Erdbeobachtungssysteme verwendet werden.

Theorie der homogenen Lichtquelle

Eine intern beleuchtete Ulbrichtkugel vereinfacht Kalibrier‑ und Verzerrungskorrekturen von Kameras und Bildsensoren erheblich. Ein gleichmäßiges Bestrahlungs- oder Strahldichtefeld zu erzeugen, ist sonst technisch anspruchsvoll – mit einer Ulbrichtkugel jedoch einfach.

Das einfallende Licht wird an der diffus reflektierenden (lambertschen) Kugelwand in alle Richtungen gleichmäßig reflektiert. Die hochreflektierende Beschichtung (typisch 96–99 %) sorgt für viele Mehrfachreflexionen und führt zu einer nahezu perfekten Gleichmäßigkeit der Strahldichte über die gesamte Innenfläche. Die offene Austrittsöffnung ist die eigentliche „gleichmäßige Lichtquelle“.

Die Beleuchtung kann sowohl durch im Inneren platzierte Lampen oder LEDs als auch durch externe Quellen erfolgen, die über seitliche Ports in die Kugel einspeisen.

Eine Ulbrichtkugel als Lichtquelle dient gleichzeitig als Quelle gleichmäßiger Strahldichte (Radiance) und Bestrahlungsstärke (Irradiance). Befindet sich eine Kamera mit auf die Austrittsöffnung fokussiertem Objektiv im Strahlengang, sammelt sie defokussiertes Licht der gegenüberliegenden Kugelwand und nimmt ein homogenes Strahldichtefeld wahr. Ohne abbildende Optik erzeugt die Kugel direkt auf der Sensorfläche ein homogenes, diffuses Bestrahlungsfeld. In der Nahfeld‑Ebene nimmt die Homogenität zwar ab, stellt sich aber im Fernfeld wieder her.

Sonnenlicht‑ und Luftmassen‑Spektren

Die Sonne emittiert optische Strahlung, die einem Schwarzkörper mit etwa 5800 K entspricht. Im Vakuum des Weltraums bleibt dieses Spektrum unverändert. Das Sonnenspektrum vor dem Durchgang durch die Erdatmosphäre wird als Air Mass 0 (AM0) bezeichnet.

Die Luftmasse ist ein Maß für die relative Weglänge des Sonnenlichts durch die Atmosphäre bei einem gegebenen Zenitwinkel im Vergleich zum senkrechten Durchgang. Bei Sonnenstand im Zenit (0 °) ist die Luftmasse minimal.

Atmosphärische Gase verändern das AM0‑Spektrum und erzeugen charakteristische Absorptionsbanden, besonders im Infraroten (z. B. H₂O und CO₂). Im sichtbaren Bereich schwächen Wolken, Niederschlag sowie Staub und Aerosole die Strahlung. Etwa 75 % der extraterrestrischen Strahlung erreichen die Erdoberfläche. Die spektrale Energieverteilung beträgt im Mittel ca. 5 % UV, 43 % sichtbar und 52 % infrarot.

Zur Beschreibung der Sonneneinstrahlung werden radiometrische Einheiten wie Watt pro Quadratmeter verwendet. Für photometrische Angaben entspricht die Beleuchtungsstärke bei klarem Himmel etwa 100 kLux. Spektralradiometrisch wird die Einstrahlung in Watt pro Quadratmeter pro Nanometer angegeben.

Das Sonnenlichtspektrum bei senkrechtem Einfall wird als AM1 bezeichnet. Mit zunehmendem Zenitwinkel steigt die Luftmasse und damit auch die atmosphärische Absorption. Für viele Standorte der Nordhalbkugel ergibt sich ein mittlerer Jahres‑Zenitwinkel von 48,2 °, entsprechend AM1.5. Internationale Normen verwenden vor allem AM1.5G (Globalstrahlung) als Referenz für die Vergleichbarkeit von Messungen. Ein „Sonnenequivalent“ wird mit 1000 W/m² definiert. Das Spektrum AM1.5D beschreibt nur die Direktstrahlung ohne diffuse Anteile.

Erzeugung eines Sonnenspektrums mit HELIOS‑A‑Serie

Die HELIOS‑Plus‑A‑Serie erzeugt ein AM‑Sonnenspektrum, indem das rötliche Spektrum von Wolfram‑Halogenlampen mit blau‑reichen Lichtquellen in einer Integrationskugel kombiniert wird. Neben Xenon‑Lampen kommen in dieser Serie auch moderne elektrodenlose Plasmaquellen zum Einsatz, die durch hohe Lebensdauer, hohe Lichtleistung und exzellente radiometrische Stabilität überzeugen.

Die Kugeln der HELIOS‑A‑Serie haben Durchmesser von 12 ″ und 20 ″ (mit Spectraflect‑Beschichtung) sowie 11,5 ″ (mit Spectralon‑Option). Die Kugelstrahldichte lässt sich über einen weiten Dynamikbereich einstellen – von Albedo 0 (AM0) bis hin zu Beleuchtungsstärken im Nachtsichtbereich.

Damit eignet sich die HELIOS‑Plus‑A‑Serie optimal für die Kalibrierung spektraler Bildgeber, die Simulation solarer Spektren und die präzise radiometrische Charakterisierung von Erdbeobachtungsinstrumenten.