Spektrometer

Wie funktioniert ein Spektrometer?
Ein Spektrometer ist ein optisches Messgerät zur Ermittlung der Lichtintensität in Abhängigkeit von der Wellenlänge. Das so entstehende Spektrum spiegelt die reflektierte oder absorbierte Lichtmenge eines Objektes dar. Ein Spektrometer besteht aus wenigen Grundelementen wozu eine Lichtquelle, ein Abbildungssystem (Spiegel; Linse) und ein Detektor gehören. Im Zusammenspiel dieser drei Komponenten können Farbspektren von unterschiedlichsten Materialien in verschiedenen Aggregatzuständen und Konsistenzen ermittelt werden.

Was ist der Unterschied zwischen einem Colorimeter und einem Spektrometer?
Colorimeter nutzen die Tristimulus Methode, mit dem Ziel das menschliche Sehvermögen abzubilden. Auf der Netzhaut im Auge des Menschen werden die drei Farben Rot, Grün und Blau über drei verschiedene Zapfentypen aufgenommen. Colorimeter imitieren diese Farbwahrnehmung durch drei Farbsensoren mit unterschiedlicher Empfindlichkeit in den Bereichen Rot, Grün und Blau. Die so ermittelten Farbwerte werden von den Colorimetern als X, Y und Z Werte erfasst und auf dem Display dargestellt. Die Umrechnung von X, Y und Z Koordinaten in gängige Farbräume wie CIELab CIELuv, Yxy oder RGB wird von den meisten Colorimetern automatisch durchgeführt.

Spektrometer funktionieren nach dem identischen Grundprinzip, der wesentliche Unterschied zu Colorimetern liegt jedoch in der Sensitivität und Anzahl der Sensoren. Je nach Qualität des Gerätes werden bei Spektrometern deutlich mehr Sensoren verbaut, so dass die Geräte eine wellenlängenspezifische Empfindlichkeit im geringen Nanometerbereich vorweisen können. So werden nicht nur Farbkoordinaten bestimmt, auch die spektrale Verteilung und Intensität kann sehr viel genauer bestimmt und dargestellt werden. Ebenso können Spektrometer Metamerie nachweisen. Bei diesem Phänomen erscheinen zwei verschiedene Objekte unter einer Lichtquelle gleichfarbig, unter einer zweiten Lichtquelle sind jedoch deutliche Farbunterschiede sichtbar. Häufig sind unterschiedliche spektrale Reflexionseigenschaften der Oberflächen, ausgelöst durch die Verwendung unterschiedlicher Pigmente, die Ursache. Des Weiteren können Spektrometer auch weitere kolorimetrische Indizes wie Weißgrad, Gelbgrad, Opazität, Farbechtheit und verschiedene Farbdifferenzkennzahlten wie deltaEab, deltaEuv, deltaEcmc oder deltaE2000 ermitteln.

Spektrometer werden deshalb vorzugsweise in Forschung und Entwicklung sowie immer dann verwendet, wenn Farben und Farbspektren sehr genau bestimmt werden müssen. Die vom Spektrometer ermittelten Remissionskurven stellen einen für die vermessene Farbe spezifischen Fingerabdruck in Bezug auf Intensität und Wellenlänge dar wodurch die genaue Festlegung des Farbortes möglich ist. Für den Einsatz im Produktionsprozess, der Wareneingangs- und Ausgangskontrolle, sowie in der Qualitätskontrolle reichen Farbvergleichsmessungen mit einer einfachen Darstellung von Farbdifferenzen mittels Colorimetern in der Regel aus.

Reflexionsmessung oder Transmissionsmessung?
In Abhängigkeit davon, ob es sich bei den zu vermessenden Proben um opake, transparente oder transluzente Objekte handelt, muss ein Spektrometer mit entsprechender Funktion und Geometrie ausgewählt werden. Die Standardanwendung stellt die Vermessung von lichtundurchlässigen Proben dar, daher werden die meisten Messungen als Reflexionsmessungen durchgeführt weshalb ein Großteil der Spektrometer standardmäßig mit einer entsprechenden Messgeometrie ausgestattet ist. Für transparente Objekte oder Flüssigkeiten, sind die Standardmessgeometrien wie d/8 oder 45/0 nicht geeignet, daher müssen Spektrometer mit passender Geometrie und Messfunktion ausgewählt werden. Messungen von Durchlichtmengen, also gleichzeitig auch Absorptionsmengen werden insbesondere in der analytischen Chemie durchgeführt.

Welche Messgeometrie ist die richtige?
Mit der Messgeometrie wird die Positionierung der Lichtquelle des Messgerätes zur Oberfläche des Messobjektes sowie die Ausrichtung des Sensors zur reflektierenden Oberfläche des Messobjektes festgelegt. Die Auswahl der richtigen oder auch falschen Messgeometrie kann die Messergebnisse erheblich beeinflussen und beim Informationsaustausch zwischen Kunden und Lieferanten zu Interpretationsfehlern führen. Da die Messgeometrie am Spektrometer nachträglich nicht eingestellt oder angepasst werden kann, sollte bereits vor dem Kauf sichergestellt sein, welche Messgeometrie für die entsprechende Anwendung sinnvollerweise zu verwenden ist. Bekannte Messgeometrien sind d/8 und 45/0 für Reflexionsmessungen oder d/0 für Transmissionsmessungen.

Bei der d/8 Messgeometrie, auch Ulbricht Kugel genannt, wird diffuses Licht erzeugt, dadurch wird der Effekt der Beschaffenheit der Oberfläche in Bezug auf Glanz und Rauheit reduziert. Mit dieser Messgeometrie kann man regelrecht in die Farbe hineinschauen. Einige Spektrometer mit dieser Geometrie verfügen auch über optische Glanzfallen (SCI; SCE) um den Glanzeffekt in die Messung einfließen zu lassen oder diesen auszublenden. Die d/8 Geometrie wird beispielsweise bei rauhen Oberflächen oder Textilien verwendet.

Im Gegensatz dazu erzeugt die 45/0 Messgeometrie eine gerichtete Reflektion welche eher der menschlichen Wahrnehmung entspricht. Die 45/0 Messgeometrie ist daher sinnvollerweise dann zu verwenden, wenn der visuelle Eindruck eines Objektes auf den Menschen nachgestellt werden soll. Die DIN 5033 empfiehlt Messungen an glänzenden und lackierten Oberflächen mit einer 45/0 Geometrie durchzuführen.
Daneben gibt es spezielle Spektrometer mit Mehrwinkelgeometrie. Vom Grundprinzip her identisch zu oben genannten Geometrien mit dem Unterschied, dass nicht nur aus einem Winkel, sondern aus mehreren Winkeln gemessen werden kann (z.B. 15°, 25°, 75° und 110°). Diese Geräte werden bei Metallic- und Effektlacken verwendet, da diese Lackierungen in Abhängigkeit vom Betrachtungswinkel stark unterschiedliche Farbwerte erzeugen.

Mit welcher Lichtart sollte gemessen werden?
Die Verwendung verschiedener Lichtarten kann die Wahrnehmung von Farbeindrücken verändern und führt im Falle eines Messgerätes zu unterschiedlichen Messergebnissen. Die CIE hat daher Normlichtarten mit definierter spektraler Emission definiert um Vergleichbarkeit zwischen verschiedenen Geräten und Herstellern zu schaffen. Die Auswahl der Lichtart sollte sich an dem späteren Einsatzbereich des Produktes orientieren. Weit verbreitet ist die Normlichtart D65. D65 simuliert das Tageslicht mit UV-Anteilen bei einer Farbtemperatur von ca. 6500 Kelvin. Die Normlichtart C steht ebenfalls für Tageslicht, allerdings ohne UV-Anteile bei einer Farbtemperatur von ca. 6770 Kelvin. Die Lichtart F11 wird auch als Kaufhauslicht bei 4000 Kelvin bezeichnet und eignet sich dann, wenn Produkte unter künstlichem Licht eingesetzt werden. Neben diesen Lichtarten gibt es viele weitere schmal- bis breitbandig genormte Lichtarten. Die meisten Spektrometer verfügen über eine große Auswahl unterschiedlicher Lichtarten um einen breiten Anwendungsbereich abzudecken.

Was ist bei der Messgenauigkeit zu beachten?
Bei der Auswahl der Genauigkeitsanforderungen sollte auf die Reproduzierbarkeit der Messergebnisse sowie die Vergleichbarkeit unterschiedlicher Spektrometer aus einer Serie geachtet werden. Insbesondere bei Spektrometern ist auch auf die spektrale Auflösung der Messgeräte zu achten. Werden unterschiedliche Gerätemodelle von verschiedenen Herstellern in einem Betrieb verwendet ist eine möglichst hohe Genauigkeit zwischen den verschiedenen Modellen anzustreben, in der Praxis ist dies allerdings selten zu realisieren. Der Idealfall ist daher die Verwendung eines Modells des gleichen Herstellers für eine Anwendung. So können maximale Wiederholgenauigkeiten und Vergleichswerte zwischen den Spektrometern erreicht werden.

Geht es um interne Qualitätsprüfungen oder externe Vorgaben?
Ein maßgeblicher Aspekt, welcher vor dem Kauf eines Spektrometers geklärt werden muss, bezieht sich auf die zugrundeliegenden Referenzwerte welche für spätere Vergleichsmessungen herangezogen werden. Geht es um betriebsinterne Messungen, bei denen die Prozesssicherheit und Qualität auf Grundlage eigens definierter Farbstandards überprüft werden soll? Oder müssen externe Vorgaben eines Kunden oder Lieferanten berücksichtigt werden? Sind externe Vorgaben zu beachten, bedarf es vorab einer Klärung zwischen den Parteien, welche Messgeräte verwendet werden sollen und welche Parameter wichtig sind. Dabei ist besonders zu berücksichtigen, vorab eine Einigung bezüglich der Messparameter (Farbraum, Messgeometrie, Messöffnung, Lichtart, SCI, SCE, Spin, Spex) zu erzielen, andernfalls ist die Vergleichbarkeit der Messwerte nicht gegeben. Idealerweise werden von beiden Anwendern identische Messgeräte eines Herstellers verwendet.

Koordinaten eines Farbraumes oder Farbkarten verwenden?
Bei manchen Anwendungen werden für Vergleichsmessungen Farbwerte aus genormten Farbsystemen oder Farbkatalogen herangezogen. Bekannte Farbkataloge sind z.B. RAL, NCS, DIN oder Pantone. Anhand dieser Farbkataloge können im Produktionsprozess und der Qualitätskontrolle visuelle Prüfungen durchgeführt werden. Der visuelle Vergleich von Farbkarten mit Druckfarben, Einfärbungen oder farbigen Beschichtungen ist häufig fehlerbehaftet, da nicht objektiv und unter gleichbleibenden Bedingungen geprüft werden kann. Reproduzierbarkeit und Objektivität können Farbmessgeräte liefern, da digital gespeicherte Farbkataloge unter definierten Bedingungen mit kundenseitigen Farbmustern abgeglichen werden können.
Neben Farbkarten werden in vielen industriellen Anwendungsbereichen Farbräume wie der CIELab oder RGB Farbraum zur Bestimmung von Farben mittels Spektrometer herangezogen. Die Farbräume sind geometrisch definierte, dreidimensionale Körper bei denen jede Farbe über 3 Koordinaten in X-,Y- und Z-Richtung definiert ist. Durch Angabe der Raumkoordinaten des entsprechenden Farbraums können Farben sehr exakt bestimmt und Farbabstände präzise ermittelt werden. Da Farbräume im Gegensatz zu Farbkatalogen alle wahrnehmbaren Farben abbilden können und nicht nur in einigen wenigen Industrien verwendet werden und damit universell einsetzbar sind, ist die Verwendung von Farbräumen häufig vergleichbarer und unabhängiger.

Welche Rolle spielt der Prüfkörper?
Geht es um glatte, ebene oder feste Oberflächen? Müssen Farben von Flüssigkeiten oder feinem Pulvern ermittelt werden? Sind es grobe Granulate oder zähflüssige Pasten? Für alle diese Konsistenzen gibt es passende Spektrometer. Sobald es sich nicht um Festkörper handelt werden zumeist Küvetten benötigt in welche die flüssigen, pulvrigen oder pastösen Prüfmaterialien eingefüllt werden. So können mit Spektrometern Materialien unterschiedlichster Konsistenzen vermessen und geprüft werden.

Welche Bauform sollte das Spektrometer haben?
In Abhängigkeit vom Einsatzzweck gilt es auch aus ergonomischen Gesichtspunkten eine geeignete Bauform auszuwählen. Bei einigen Spektrometern ist das Display auf der Oberseite angebracht, bei anderen Farbmessgeräten wird auf der Vorderseite abgelesen und die Sensorik ist intern in einem Gehäuse verbaut. Daneben gibt es auch Spektrometer mit externer Sensorik. Einige Spektrometer verfügen über eingebaute Kameras um bei der Positionierung des Messgerätes auf dem Messobjekt den richtigen Messpunkt zu finden. Insbesondere bei kleinen Objekten und kleinen Aperturen hilf diese Funktion bei der korrekten Positionierung des Gerätes um die Messstelle zu „treffen“.

Sollte der Anwender z.B. viele Messungen in sitzender Position durchführen, ist die Verwendung eines Spektrometers mit nach oben ausgerichtetem Display sinnvoll. Diese Geräte sind meist in horizontaler Ausrichtung zu positionieren wodurch eine stabile Auflage auf dem Messobjekt möglich ist. Die Spektrometer mit vertikaler Bauform haben zumeist ein Display welches in Richtung des Anwenders zeigt. Auch die mögliche Auflagefläche ist in der Regel kleiner. Diese Bauform eignet sich mehr für mobile Messungen, wo aufgrund von unzugänglicheren Messstellen direkt in der Produktion oder im Feld auch über Kopf auf kleinen Messflächen gemessen werden kann.