Ulbrichtkugel erste Schritte

Tom_123

Mitglied
So, nun habe ich mal einen Prototyp gebaut, sieht zwar eher aus wie eine Mozartkugel,
soll aber eine Ulbrichtkugel sein. :D

UK_2.jpg


Der Aufbau ist relativ einfach, deshalb spare ich mir tiefer gehende Erläuterungen.
(bei Bedarf bitte nachfragen)
Durchmesser der Kugel ist 40 cm.

UK_1.jpg


Das Ganze ist innen und außen mit Dispersionsfarbe beschichtet.
Da es mir trotz vier Farbschichten innen und drei außen nicht gelungen ist,
die Kugel lichtdicht zu bekommen, habe ich das Ganze noch mit Alufolie umwickelt.
Die Folie dient hauptsächlich dazu, daß kein Licht eindringen kann.
Der Anteil an Licht der von der Taschenlampe nach außen gelangt,
also nicht reflektiert wird, ist m.M.n.zu vernachlässigen.
Test:
An der hellsten Stelle einer Lampe, die auf 40 cm mit ca. 38 klx gemessen wurde,
dringen noch ca. 15 lx durch die Kugel.


Mit dem Abschatter habe ich lange herumprobiert, als günstigste Lösung hat sich ein geschlossenes Papprohr ergeben.

UK_3.jpg


Test 1: Lampe in der Öffnung kreisen lassen und die Abweichung messen.
Ergebnis: Größte Abweichung 5,5 lx, entspr. 6,85% vom Mittelwert

Test 2: LedLenser P14 jeweils auf Spot und Spill fokussiert gemessen.
Ergebnis: Größte Abweichung 14,7 lx, entspr. 8,6 % vom Mittelwert.

Messfehler.jpg


Als Messgerät dient ein Extech HD 400 Luxmeter mit Datenlogger Funktion.
Sicher nicht das genauste Instrument, da es sich hier aber um ein Hobby handelt,
muß ich die Sache auch im ökonomisch vertretbaren Rahmen halten.

Mit diesem Aufbau habe ich nun mal ein paar Lampen gemessen:

Lampentest.jpg


Daß die Ergebnisse dem ungefähren Lichtstrom [lumen] der Lampen entsprechen, scheint Zufall zu sein.
Meine Zielsetzungen, Laufzeitdiagramme erstellen und meine Lampen vergleichen,
sind somit erstmal halbwegs erreicht.
Ev. werde ich das Verfahren, im Rahmen meiner Möglichkeiten, noch verfeinern.
Deshalb bin ich auch weiterhin für Tips, Hinweise, Kritik und Diskussionen dankbar.

Die ersten Laufzeittests sind in Arbeit, bei den vom mir besprochenen Lampen
werde ich nach und nach die Tests ergänzen.

Ciao
Thomas
 
Zuletzt bearbeitet:

Hmblgrmpf

Mitglied
Thomas,

das sieht schon viel besser aus als meine Kiste.
Ich muss wohl endlich mal mit meiner Kugel loslegen.
Auf eine Beschichtung auf der Innenseite werde ich verzichten.
40cm ist mir aber schon zu groß, 30cm müssen reichen.

Prüf doch bitte mal deine Berchnung des Verhältnisses der Öffnungsflächen zur Kugelinnenfläche.
Das sieht mir nach viel weniger als 8,6% aus.

Stefan
 

Tom_123

Mitglied
Danke für den Kommentar Stefan,

ich sag's mal so, bei den Messfehlern, die sich bei einem solchem Aufbau anhäufen,
kann man die Diskussion 30 cm vs. 40 cm sicher vernachlässigen.
Auf eine Beschichtung würde ich allerdings nicht verzichten,
da diese Styroporkugeln doch sehr lichtdurchlässig sind.

Mit der Berechnung hast Du recht, ich werde wohl alt..seufz.
Ich werd's korrigieren.

Ciao
Thomas
 

Hmblgrmpf

Mitglied
Thomas,
bevor ich meine 30cm Kugel gekauft habe hatte ich nur überschlagsmäßig berechnet, dass ich damit unter 5% Öffnungsfläche bleiben kann.
Nur deshalb ist mir dein Wert sofort als zu hoch aufgefallen.
Was den Platzbedarf angeht ist der Unterschied zwischen 30cm Durchmesser und 40 cm schon recht heftig - ich muss da schon Kompromisse eingehen.

Dass eine Lichtdichte Beschichtung/Verpackung auf der Aussenseite notwenig ist habe ich auch schon festgestellt.
Alufolie aussen um die Kugel schein auch mir die einfachste Lösung zu sein.
Aber bringt wiesse Dispersionsfarbe auf der Innenseite einen Vorteil gegenüber unbeschichtetem sauberem weissem Styropor?

Stefan
 

Hiltihome

MF Ehrenmitglied
Hallo,

nur mal eine Idee ins Unreine:

Wie wäre es mit Alufolie auf der Innenseite der Kugel, dann verlässt garantiert kein Licht die Mozartkugel...

Die übliche Haushalts-Alufolie hat eine matte und eine glänzende Schicht.

Ich würde die glänzende Schicht nach innen nehmen und irgendwie diffus machen.
Vielleicht mit einem Scotch-Brite anpressen, ohne zu reiben...


Keine Ahnung, ob das was bringt...



Heinz
 

Investigator

Mitglied
Hallo Heinz,

Keine Ahnung, ob das was bringt...

nein- bringt (außer vielen Nachteilen...) nichts.

Natürlich sollte der Transmissionsgrad der Kugelwandung für sichtbares Licht möglichst gering sein.
Der Transmissionsgrad sollte aber zu Gunsten des Reflektionsgrades klein sein- nicht zu Gunsten des Emissions-/Absortionsgrades.

dann verlässt garantiert kein Licht die Mozartkugel...

Aus den oben genannten Gründen ist die Tatsache daß der Transmissionsgrad der Wandung quasi Null ist kein Kriterium für die Qualität der Oberflächenbehandlung, bzw. Konstruktion der Ullbrichtkugel.


Die perfekte Beschichtung der Innenseite einer Ullbrichtkugel weist folgende Eigenschaften auf:

1) Die Strahlung wird im entsprechenden Wellenlängenintervall vollständig reflektiert. (Reflektionsgrad = 1; Absorptionsgrad = 0)
2) die Strahlung wird extrem diffus reflektiert.

ad 1) Eine mit einer ~10nm dicken Al2O3-Passivierungsschicht überzogene matte (Küchen-)Aluminiumfolie wird im sichtbaren Bereich einen Reflektionsgrad von rund 85% haben. Das können andere simpel zu fertigende Oberflächen deutlich besser.

ad 2) Die Strahlung wird trotz der leichten Mattierung nicht wirklich extrem diffus reflektiert. Das können andere simpel zu fertigende Oberflächen deutlich besser.


Investigator
 

Tom_123

Mitglied
Aber bringt wiesse Dispersionsfarbe auf der Innenseite einen Vorteil gegenüber unbeschichtetem sauberem weissem Styropor?

Ich denke schon.
Zumindest meine Kugel ist nicht homogen, sondern wurden offenbar
aus Styroporkugeln in einer Form zusammengepresst.
Das kann man deutlich sehen wenn man sie gegen das Licht hält.
Mit dem Anstrich erreicht man m.M.n. eine gleichmäßigere Reflektion.
Ob das zu messbar besserer Präzision führt, kann ich nicht sagen.
Ich dachte mir einfach sicher ist sicher.

Ein weiterer Vorteil: Wenn die Kugel mit der Zeit verschmutzt,
streicht man einfach nochmal drüber.
Fängt man dann erst mit dem Streichen an, sind ev. die Meßwerte
nicht mehr mit der "blanken" Kugel vergleichbar.

Wie wäre es mit Alufolie auf der Innenseite der Kugel,..

Ich denke auch eher nicht.
Zusätzlich zu dem, was Investigtor bereits gesagt hat erscheint mir
das knitterfreie Aufbringen von Alufolie auf eine Kugelfläche fast unmöglich.
Man wird zahlreiche Falten, Stöße, usw. bekommen, die dann das einfallende Licht
"zufällig gerichtet" reflektieren.
Und es macht zudem wessentlich mehr Arbeit als mal kurz ein paar Anstriche Farbe aufzubringen.

Ciao
Thomas
 

Investigator

Mitglied
Nur mal so ein Gedanke und höflich als Frage formuliert:

Ist denn die Konstruktion eine Ullbrichtkugel nicht von vornherein ziemlich "suboptimal", wenn man eine nennenswerte Tranmission mit Alufolie kaschieren muss?

Die Frage kommt auf den ersten Blick überheblich und destruktiv rüber. Kann aber durchaus zu fruchtbarem "brainstorming" beitragen...
 

Tom_123

Mitglied
Ist denn die Konstruktion eine Ullbrichtkugel nicht von vornherein ziemlich "suboptimal", wenn man eine nennenswerte Tranmission mit Alufolie kaschieren muss?

Kommt keineswegs überheblich rüber, ich bin für jede Anregung dankbar.

Wie bereits oben ausgeführt:
Die Transmision von innen nach außen liegt im Promille-Bereich
und kann m.M.n. zu vernachlässigt werden.(siehe Test oben)

Worauf es mir ankam war eine Trasmision von außen nach innen zu verhindern,
Sodaß Verfälschungen bei Messungen in unterschiedlichen Lichverhältnissen
möglichst gering gehalten werden.
(z.B. beim Ausschalten der Raumbeleuchtung während der Messung)
Da wir es außen mit erheblich größeren Lichströmen zu tun haben,
(z.B. Tageslicht) wollte ich sicher gehen.

Prinzipiell hast Du natürlich recht, es gibt sicher bessere Materialien
für einen solchen Aufbau.
Ich bin hier auch schon am Nachdenken.
 

Rantanplan

Mitglied
Das Verhältnis von Reflexion/Absorption/Transmission sollte ja an einer Kugel immer gleich sein, sodass dieser Fehler zu vernachlässigen ist, besonders wenn man nur die Ergebnisse an einer Kugel vergleicht. Fremdlicht von aussen durch eine äußere Schicht zu blocken, sehe ich als konstruktiv einfache Lösung ... ob nun Alufolie oder eine hinreichend dicke Farbschicht. Wichtiger als der "Lichtverlust" durch Transmission ist doch die Reflexionscharakteristik der inneren Oberfläche, weniger hinsichtlich hohen Reflexiongrad, als vielmehr einer ideal diffusen Strahlung. In einer "richtigen" Ulbrichtkugel wird ja auch nur relativ zu einer Referenzlichtquelle gemessen, deren Werte genau genug bekannt sind.

Vielleicht sollte man mal die wichtigsten Anforderungspunkte aus praktischer Sicht zusammentragen:

1. möglichst geringer Einfluss der Beamcharakteristik auf die Messwerte
2. möglichst geringer Einfluss von Ausrichtungsfehlern der zu testenden Lampe
3. möglichst geringer Einfluss der Umgebung (Licht, Temperatur, ...)
4. möglichst geringer Einfluss der Lichteigenschaften (spektrale Verteilung, ....)
5. Reproduzierbarkeit der Ergebnisse, aber das ist ja immer wichtig.
6. bei überschaubaren Budget die Punkte 1-5 möglichst gut unter einen Hut zu bringen :D.

1. und 2. hängen in erster Linie von der (über die Oberfläche konstanten) Güte der diffusen Reflexion ab, nicht von einem möglicht hohen Reflektionsgrad. Punkt 3. Umgebungslicht lässt sich durch eine aussenliegende Schicht aus Folie oder Farbe eliminieren und 4. ist eine Frage der Messtechnik, die zugunsten des Budgets wohl vernachlässigt werden muss ...
 

Investigator

Mitglied
Hallo,

idealerweise soll die Leuchtdichte jedes Punktes der Innenseite der Ullbrichtkugel gleich sein- unabhängig von der Charakteristik der Lichtquelle.

Eine gleichmäßige Leuchtdichte ergiebt sich aus möglichst hohem Reflektionsgrad und möglichst diffuser Reflektion!
Ein hoher Reflektionsgrad stellt sicher, daß Lichtstrahlen auch durch mehrmalige Reflektion nicht zu viel Energie verlieren.
Insofern ist ein hoher Reflektionsgrad eine Grundvoraussetzung für eine gleichmäßige Lichtverteilung.

Fremdlicht von aussen durch eine äußere Schicht zu blocken, sehe ich als konstruktiv einfache Lösung ...

Fremdlicht von außen bedeutet: die Reflektor-Beschichtung der Kugel weist eine nennenswerte Transmission auf und ist aus diesem Grunde ungeeignet für die Konstruktion einer Ulbrichtkugel.

Eine durchdachte Beschichtung der Innenflächen mit maximalem Reflektionsgrad macht eine Kaschierung der Außenfläche komplett überflüssig.
Die vermeintliche Sinnhaftigkeit einer äußeren Kaschierung ist ein klares Indiz für eine "suboptimale" Innenbeschichtung.


Investigator
 

Rantanplan

Mitglied
[...]
Ein hoher Reflektionsgrad stellt sicher, daß Lichtstrahlen auch durch mehrmalige Reflektion nicht zu viel Energie verlieren.
[...]
Ok, stimmt natürlich ... den Punkt hatte ich bei meinem Gedankengang etwas vernachlässigt.

Aber praktisch sind wir noch nicht weiter ... was ist denn dann die geeignete Wahl der Innenbeschichtung (aus Sicht des Hobbybastlers)? Weisse Dispersionfarbe wird ja aufgrund ihrer guten diffusen Abstrahlungscharakteristik empfohlen, aber wenn mehrere Lagen anscheinend nicht helfen ... was dann :confused:
 

Investigator

Mitglied
Hallo Rantaplan,

die kugel die Thomas hier vorgestellt hat ist mit das beste, was mir im Internet bisher über den Weg gelaufen ist.

Aber praktisch sind wir noch nicht weiter ...

Es ist aber vermutlich so, daß es einige Bastler gibt, die ebenfalls über das Thema nachgedacht haben/nachdenken und an Ulbrichtkugeln basteln.

Und da wir alle ein wenig eitel sind ist es wahrscheinlich, daß nicht jeder alles sagt, was ihm zum Thema einfällt ;-)

Oder man könnte es auch positiv ausdrücken: Wenn sich z.B. meine Beschichtung in der Praxis bewährt hat, werde ich hier verifizierte Tips geben können. Das ist besser, als "Theorien" mitteilen.
Ich habe keine Ahnung ob es Leute gibt, die hier schon praxisbewährte Verfahren Jenseits von Dispersionsfarbe (sicher nicht die schlechteste Idee) zum Besten geben können.

Dieser thread wird noch ein paar Wochen laufen u. reifen denke ich.
Wir sollten als ein Volk von Tüftlern u. gut ausgebildeten Handwerkern locker schlagen können, was bisher so in einschlägigen us-amerikanischen Foren aufgetaucht ist! :glgl:

Investigator
 

Energie

Mitglied
Lichtdicht sollte die Kugel schon sein.
Die sonstigen Fehler sind wohl nicht so entscheidend, vorausgesetzt, sie haben bei verschiedenen Messobjekten gleiche Größe und Richtung.

Interessanter scheint mir die Herstellung einer Referenzlichtquelle zu sein, mit der dann die Grundjustage des Gesamtaufbaus erfolgt.

Led-tech.de benutzt benutzt offensichtlich eine Ulbrichtkugel zur Kontrolle der gelieferten Leds.
Der Bezug einer individuell vermessenen Led ist laut Aussage eines Mitarbeiters möglich.

Zu Vermeidung von thermischen Einflüssen beträgt die Messdauer nur einige Millisekunden.
Erforderlich wären somit zusätzlich eine genaue Konstantstromquelle, ein elektronischer Kurzzeitschalter und ausreichend schnelle Mess- und Aufzeichnungsmöglichkeiten.
 

Investigator

Mitglied
Hallo,

Zu Vermeidung von thermischen Einflüssen beträgt die Messdauer nur einige Millisekunden.

uns interesiert ja eigentlich mehr, was Taschenlampen in der Praxis bringen. Und da muss die thermische Komponente wirksam sein.

Einzelne LED ohne Kühlkörper können eben nur kurz gepulst werden.
Das ist schlicht eine technische Notwendigkeit, weil sonst die LED hopps gehen würden.

Wir messen mit Kühlkörpern versehene LED, deren Wärmeenergie mehr oder weniger effizient abgeführt wird und können uns die Milisekunden sparen.

Investigator
 

Investigator

Mitglied
Hallo,

wenns unbedingt ne Referenz braucht, die man thermisch bestens entkoppeln kann, warum dann nicht mit einem 532nm-Laser?

Beispiel: 5mW 532nm-Laser; 683/1000*5 = 3,4 Candela / 12,566 sr = 0,271765lm :steirer:


Investigator
 

Winston

Mitglied
... was ist denn dann die geeignete Wahl der Innenbeschichtung (aus Sicht des Hobbybastlers)? Weisse Dispersionfarbe wird ja aufgrund ihrer guten diffusen Abstrahlungscharakteristik empfohlen, aber wenn mehrere Lagen anscheinend nicht helfen ... was dann :confused:
Hallo,

nur ein bißchen Brainstorming:
Zur Steigerung der Reflektion könnte man noch einen guten Löffel voll extra Titandioxid in die Farbe mischen. Ein besseres Pigment wird man für diesen Zweck kaum finden.

Latexfarbe wäre auch einen Versuch wert, um die Sache von innen lichtdicht zu machen; evtl. Latexfarbe mit dem gesunden Extra an Titandioxid :irre:

Muß man alles nicht gleich an der Kugel ausprobieren - Blatt Papier reicht zum testen.

Viele Grüße
Winston

Achja: Eine Teilchengröße von etwa 500 Nanometern dürfte optimal sein, falls verschiedene Sorten von Titandioxid angeboten werden.
 

grinsekatz

Mitglied
Hallo,

wie wäre es, wenn man die erste Farbschicht einfach Schwarz oder Dunkelgrau streicht? ich gehe stark davon aus, daß es dann auf jeden Fall lichtdicht ist. Anschließend trägt man halt mehrere Schichten Weiß auf.

Viele Grüße
Alex