Spektralradiometrie mit CIE 250:2022 Grundlegende Messprinzipien und praktische Hinweise

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Nach 38 Jahren schickt CIE 250:2022 seinen Vorgänger CIE 063:1984 in den wohlverdienten Ruhestand. Eine komplette Neufassung für die Spektralradiometrie war längst überfällig.

Im Laufe der knapp vier Jahrzehnte seit der „Technical Report CIE 063:1984 The Spectroradiometric Measurements of Light Sources“ erschien, haben sich die Anforderungen und Anwendungen der Spektralradiometrie stark verändert: Sie sind nicht nur grundlegend anders, sondern vor allem komplexer geworden. Halbleiterbasierte Lichtquellen (LED) dominieren sowohl den Markt für Beleuchtung als auch für Informationsanzeigen, während Glüh- und Leuchtstofflampen an Bedeutung verlieren.

Auch in Bezug auf den abzudeckenden Wellenlängenbereich hat sich das Spektrum der Anwendungen verbreitert. In der CIE 063:1984 lag der Fokus hauptsächlich auf photometrischen Messungen im sichtbaren Licht. Heute sind es zunehmend auch das nahe Infrarot (NIR), wie für die Gesichtserkennung, Eye-Tracking und Lidar, sowie Ultraviolett für Sterilisation von Wasser und Oberflächen oder Lithographie. Auch die in der Spektralradiometrie verwendete Technik hat sich weiterentwickelt. Die Technikauswahl für das Spektralradiometer-Design ist größer. Zudem hat die Digitalisierung die Möglichkeiten der Datenaufnahme, -verarbeitung und -analyse stark erweitert. Schließlich hat sich die Messtechnik selbst weiterentwickelt. Für die Anwender stehen mehr Informationen bereit, die leichter zugänglich sind.

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Kein Update, sondern eine Neufassung

Als die CIE im Rahmen des technischen Komitees TC2-80 mit der Arbeit für den Technical Report Spectroradiometric Measurements of Optical Radiation Sources begann, war das Dokument nicht nur ein Update. Es musste vielmehr eine Neufassung der CIE 063:1984 werden. Das Dokument sollte in Aufbau und Inhalt den Anforderungen der Zeit und einer nahen Zukunft gerecht werden. Weil das neue Dokument die CIE 063:1984 ablöst, musste das technische Komitee eine größtmögliche Kontinuität zur CIE 063:1984 herstellen. Vieles aus dem Dokument ist heute noch relevant wie damals. Deshalb etablierte sich die CIE 063:1984 über Jahrzehnte als ein de facto Standard in der Spektralradiometrie. Viele Anwender stützen bis heute ihre Arbeit auf das Dokument.

Die Autoren der CIE 063:1984 hatten ihrem Dokument diese grundlegende Rolle nicht unbedingt zugedacht. Motiviert wurde die CIE 063:1984 durch teils große Differenzen in den Messergebnissen internationaler radiometrischer Laborvergleiche vor allem bei Leuchtstofflampen. Es erschien ratsam, im Rahmen eines internationalen technischen Komitees der CIE eine geeignete, gemeinsame Messmethodik für die Laborvergleiche festzulegen. Erst in zweiter Linie war die CIE 063:1984 als Grundlagendokument für einen allgemeinen Anwenderkreis bestimmt. In der Zusammenfassung heißt es „Diese Methoden könnten auch als Leitfaden für jeden dienen, der beabsichtigt, neue spektroradiometrische Laboratorien zu errichten. […] Der Bericht ist in erster Linie dazu bestimmt, den in industriellen Messlaboratorien Tätigen zu nützen, obwohl er nicht als Lehrbuch gedacht ist“.

Die CIE 250:2022 ist von Beginn als Grundlagendokument der CIE zur Spektralradiometrie und für einen potentiell größeren Kreis von Anwendern konzipiert worden. Der veränderte Anspruch zeigt sich in der Zusammenfassung: „Dieser technische Bericht enthält grundlegende Messprinzipien und praktische Hinweise zur Spektralradiometrie optischer Strahlungsquellen im Wellenlängenbereich von 200 nm bis 2.500 nm sowie einen detaillierten Überblick über physikalische Effekte, die für die Abschätzung der Messunsicherheit relevant sind. Weitere Einzelheiten zu Messprinzipien, die in diesem Dokument nicht behandelt werden, sind in CIE 214:2014 zu finden […]“. Entsprechend dem erweiterten Anspruch ist die CIE 250:2022 deutlich umfangreicher als die CIE 063:1984. Auf knapp 100 Seiten in modernem Schriftsatz, mit 61 Gleichungen und 41 Abbildungen bietet sie deutlich mehr Inhalt als der Vorgänger auf seinen 66 Schreibmaschinen-Seiten. Wie CIE 063:1984 ist CIE 250:2022 ein Technical Report und ein technischer Leitfaden, der physikalische Zusammenhänge und messtechnische Methoden beschreibt und gegebenenfalls empfiehlt. Sie sind nicht normativ fest. Wie beim Vorgänger ist davon auszugehen, dass CIE 250:2022 in vieler Hinsicht einen normähnlichen Status erlangen wird. Künftig werden sich viele Dokumente der CIE und anderer Organisationen auf das Dokument beziehen.

Ein Blick in die CIE 250:2022

CIE 250:2022 gliedert sich in drei Abschnitte. Zu Beginn werden unter „Measurement of spectroradiometric quantities“ (14 Seiten) grundlegende Messprinzipien, Mess­größen, dazugehörige Messgeometrien sowie Grundsätzliches zu Referenzquellen für die Spektralradiometerkalibrierung beschrieben. Daran schließt sich der längste Abschnitt des Dokuments zu „Measurement uncertainty contributions“ an (54 Seiten). Hier werden 20 grundlegende physikalische und technische Aspekte spektralradiometrischer Messungen in unterschiedlicher Detailtiefe diskutiert.

Die Diskussion soll Anwendern dabei helfen, ein tieferes physikalisch-technisches Verständnis ihrer eigenen spektralradiometrischen Messanwendungen zu erlangen, und sie so auch in die Lage versetzen, verlässlich die zunehmend auch normativ geforderten Messunsicherheiten für ihre Anwendung zu bestimmen. Abschließend folgen ein kurzer Abschnitt zur allgemeinen Struktur spektraler Verteilungen (2 Seiten), ein Anhang mit Kapiteln zum grundsätzlichen Aufbau von Spektralradiometern (1 Seite), einer Diskussion der spektralen Eigenschaften gängiger Strahlungsquellen (7 Seiten), sowie typischen Defekten von Beugungsgittern (1 Seite). Für viele Anwender wird ein kurzer Satz am Ende der Zusammenfassung der CIE 250:2022 der wichtigste sein: „Dieses Dokument annulliert und ersetzt CIE 063-1984.“ Mit diesem Satz schickt die CIE CIE 063:1984 in den Ruhestand.

Seit Erscheinen von CIE 250:2022 ist das alte Dokument nicht mehr offiziell verfügbar. Die CIE hat deshalb großes Augenmerk darauf gelegt, negative Konsequenzen für Anwender durch die Abkündigung zu minimieren. Im Sinne der Kontinuität finden sich in CIE 250:2022 alle relevanten Inhalte der CIE 063:1984 wieder. Das erfolgt im Text des Dokuments selbst und nur in Ausnahmefällen in Form von Referenzen auf andere Dokumente. Beziehen sich Anwender beispielsweise im Rahmen einer Akkreditierung als Prüflabor explizit auf bestimmte Abschnitte oder Textstellen der CIE 063:1984, finden sie in Einzelfällen möglicherweise nicht immer eine direkte Entsprechung in der CIE 250:2022. Sie müssen gegebenenfalls geeignete Referenzen in CIE 250:2022 oder seinen Referenzen neu finden. Die Chancen stehen sehr gut, denn die CIE hat mit CIE 250:2022 nicht nur einen würdigen Nachfolger für die CIE 063:1984, sondern ein umfassendes und zeitgemäßes Grundlagendokument zur Spektralradiometrie vorgelegt. (heh)

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