Spezielle Anforderungen an eine Kalibriereinrichtung der CFT

Viele der oben genannten Eigenschaften eines idealen schwarzen Strahlers sind nach genaueren Überlegungen jedoch nicht immer erforderlich. Die genauen Anforderungen an eine ideale Kalibriereinrichtung für den speziellen experimentellen Aufbau der CFT-Maschine lassen sich wie folgt zusammenfassen:

1.

Gro\3e Apertur: Um eine Infrarotkamera mit einem ausgedehnten Detektorarray (CCD) zu kalibrieren, mu\3 sichergestellt sein, da\3 innerhalb des gesamten Kamerabildes nur die strahlende Fläche des Kalibrierkörpers abgebildet wird. Wie in Abschnitt 3.2.2 gezeigt wurde (Abb. 3.6), werden Objekte, die au\3erhalb des Öffnungswinkels der Kamera liegen, unscharf auf den CCD-Chip abgebildet, wenn sie nahe bei der Kamera sind. Dies gilt auch für den Rand der Kalibrierquelle. Die Oberfläche des schwarzen Strahlers mu\3 daher so gro\3 sein, da\3 keine Temperaturverfälschungen durch Gegenstände unbekannter Temperatur zu erwarten sind. Im Falle der Radiance 1 Kamera mu\3 die Kalibrierfläche, bei einem Abstand von 50cm, einen Durchmesser von mindestens 10cm haben (Abb. 3.6).

2.

Homogene Temperatur: Wenn die Temperatur im Inneren des Kalibrierkörpers gemessen wird, mu\3 sichergestellt sein, da\3 die Temperatur der Fläche, die die Kamera sieht, dieser Temperatur entspricht und über den gesamten Bildausschnitt homogen ist. In Abschnitt 3.2.1 wurde hergeleitet, da\3 nur unter dieser Bedingung ein schwarzer Strahler bei unscharfer Abbildung die gleiche Bestrahlungsstärke auf dem Detektor verursacht, wie bei scharfer Abbildung.

4.

Genauigkeit der Temperaturmessung: Die Genauigkeit der Temperaturmessung geht linear in den Fehler der Kalibrierung ein. Die gesamte Temperaturkalibrierung ist nur so genau, wie die Temperatur der Kalibrierkörper bestimmt werden kann.

3.

Hohe Emissivität: Um den Fehler durch reflektierte Strahlung vernachlässigbar zu machen, mu\3 die Restreflektivität der Kalibriereinrichtung minimiert werden. Um bei einer möglichen Reflexion der vom Detektor emittierten Temperaturstrahlung bei 77K eine Genauigkeit der Kalibrierung von K zu erreichen, mu\3 mindestens 0.999 sein. Eine zu kleine Emissivität führt schnell zu gro\3en Fehlern.

Neben diesen, teilweise recht hohen Anforderungen, ergeben sich einige Vereinfachungen durch die experimentelle Anordnung:

1.

Temperaturkontrolle: Bei dem zu untersuchenden Objekt handelt es sich um die Wasseroberfläche. Die Temperatur des Wasserkörpers weicht nur um wenige Grad von der Umgebungstemperatur ab und ändert seine Temperatur nur geringfügig mit der Zeit. Die genaueste Kalibrierung erhält man daher für eine Temperatur in der Nähe der Umgebungstemperatur und zwei weitere Temperaturen jeweils oberhalb und unterhalb der Umgebungstemperatur. Eine Anordnung, die Temperaturänderungen relativ zur Umgebungstemperatur erzeugt, regelt den Offset automatisch. Strahlungsverluste, wie sie bei hei\3en Kalibrierquellen auftreten, werden damit vermieden.

Da exakt drei Temperaturen benötigt werden, die immer bei der Umgebungstemperatur und um die gleiche Temperaturdifferenz oberhalb und unterhalb davon liegen, können diese im voraus festgelegt werden. Verwendet man drei verschiedene Kalibrierkörper, anstatt einen schwarzen Körper auf verschiedene Temperaturen zu bringen, erspart dies eine komplizierte Regelelektronik. Die Kalibrierkörper können eine hohe Wärmekapazität haben, da ihre Temperatur nicht schnell geändert werden mu\3. Damit wird es einfach, die Temperatur konstant zu halten. Es ist somit nicht notwendig, die Temperatur aufwendig zu regeln. Eine grobe Einstellung genügt, wenn die tatsächliche Temperatur genau gemessen werden kann.

2.

Geometrische Anordnung: Für eine feste geometrische Anordnung der Infrarotkamera kann die Winkelverteilung der Emission des Kalibrierkörpers von der eines idealen schwarzen Strahlers abweichen. Es mu\3 nur sichergestellt werden, da\3 unter dem Winkel der Kamerablickrichtung, die Strahldichte der Kalibrierfläche der eines schwarzen Strahlers entspricht. Unter anderen Winkeln mu\3 die Emission der Oberfläche nicht exakt bekannt sein. Dieses Vorwissen kann dazu benutzt werden, den Aufbau für einen bestimmten Winkel zu optimieren.