Spektrometr

Jak działa spektrometr?
Spektrometr optyczny jest to przyrząd do mierzenia długości fali w widmach optycznych. Uzyskane widmo odzwierciedla ilość światła odbitego lub pochłoniętego przez obiekt. Spektrometr składa się z kilku podstawowych elementów, w tym źródła światła, układu obrazowania (lustro, soczewka) oraz detektora. We wzajemnym oddziaływaniu tych trzech składników można określić widma kolorów dla szerokiej gamy materiałów w różnych stanach skupienia i konsystencji.

Jaka jest różnica między kolorymetrem a spektrometrem?
Kolorymetr jest to urządzenie służące do analizy psychofizycznej pomiaru koloru. Kolorymetr przy pomocy zastosowanych filtrów absorpcji trójchromatycznej izoluje szerokie pasma długości fali. Miernik ten gromadzi dane, które są na bieżąco odczytywane i przetwarzane. Zasadę działania kolorymetru wzorowano na sposobie działania ludzkiego oka. Dlatego kolorymetr wyposażony jest w trzy czujniki dla trzech zakresów barw. Każdy z tych czujników może zareagować tylko na ogólna jasność dlatego przed każdym z nich umieszczono filtry w postaci kolorowych szybek. Szybki te maja barwę zielona, czerwoną i niebieską. Przepuszczają wybrany zakres fal, a resztę osłabiają. Dzięki temu gromadzone są dane dotyczące ilości światła padającej na czujnik co pozwala na zmierzenie siły impulsów i zmienienia ich na postać cyfrową. Wszystko to powoduje, iż kolorymetr jest narzędziem służącym do podstawowej kontroli jakości.

Spektrometry działają na tej samej podstawowej zasadzie, ale główna różnica w stosunku do kolorymetrów polega na czułości i liczbie czujników. W zależności od jakości urządzenia, w urządzeniu jakim jest spektrometr instaluje się znacznie więcej czujników, dzięki czemu urządzenia mogą wykazywać czułość specyficzną dla długości fali w niskim zakresie nanometrów. W ten sposób określane są nie tylko współrzędne kolorów, ale rozkład widmowy i intensywność mogą być określane i wyświetlane znacznie dokładniej. Poza tym spektrometr to urządzenie mogące wykrywać metameryzm. W tym zjawisku dwa różne obiekty wydają się mieć ten sam kolor przy jednym źródle światła, ale wyraźne różnice kolorów są widoczne przy drugim źródle światła. Przyczyna może być to, iż często powierzchnie mają różne właściwości odbicia widmowego wywołane przez użycie różnych pigmentów. Ponadto spektrometr może również określać inne wskaźniki kolorymetryczne, takie jak stopień bieli, stopień zażółcenia, nieprzezroczystość, trwałość koloru i różne parametry różnicy kolorów, takie jak deltaEab, deltaEuv, deltaEcmc lub deltaE2000.

Spektrometr jest to zatem narzędzie, które preferowane będzie w badaniach i rozwoju oraz wszędzie tam, gdzie kolory i widma kolorów muszą być określane bardzo precyzyjnie. Wyznaczone przez spektrometr krzywe remisji stanowią swoisty „odcisk palca” dla mierzonej barwy w zakresie intensywności i długości fali, co umożliwia precyzyjne określenie lokalizacji barwy.

Spektrometr - pomiar odbicia czy pomiar transmisji?
W zależności od tego, czy mierzone próbki są obiektami nieprzezroczystymi, przezroczystymi czy półprzezroczystymi, należy wybrać spektrometr o odpowiedniej funkcji i geometrii. Standardowym zastosowaniem jest pomiar próbek nieprzezroczystych, dlatego większość pomiarów przeprowadzana przez miernik jakim jest spektrometr jest pomiarem odbiciowym. Z tego powodu większość urządzeń jakim jest spektrometr standardowo wyposażona jest w odpowiednią geometrię pomiarową. Standardowe geometrie pomiarowe, takie jak d/8 lub 45/0, nie są odpowiednie dla przezroczystych obiektów lub cieczy, dlatego należy wybrać spektrometr o odpowiedniej geometrii i funkcji pomiarowej. Pomiary wielkości światła przechodzącego, a więc jednocześnie wielkości absorpcji, są przeprowadzane w szczególności w chemii analitycznej.

Spektrometr – geometria pomiaru
Pozycjonowanie źródła światła urządzenia pomiarowego względem powierzchni mierzonego obiektu oraz ustawienie czujnika względem powierzchni odbijającej mierzonego obiektu są określane za pomocą geometrii pomiarowej. Wybór właściwej lub niewłaściwej geometrii pomiarowej może mieć znaczący wpływ na wyniki pomiarów i prowadzić do błędów interpretacyjnych podczas wymiany informacji np. między klientami, a dostawcami. Ponieważ geometrii pomiaru w urządzeniu jakim jest spektrometr nie można później ustawić ani wyregulować, przed zakupem należy upewnić się, która geometria pomiaru jest odpowiednia dla interesującego nas pomiaru. Znane geometrie pomiarowe to d/8 i 45/0 dla pomiarów odbicia lub d/0 dla pomiarów transmisji.

Dzięki geometrii pomiarowej d/8, znanej również jako sfera całkująca, generowane jest światło rozproszone, które zmniejsza efekt tekstury powierzchni pod względem połysku i chropowatości. Dzięki tej geometrii pomiarowej możesz dosłownie zajrzeć w kolor. Niektóre narzędzia typu spektrometr o tej właśnie geometrii mają również optyczne pułapki połysku (SCI; SCE), które umożliwiają uwzględnienie efektu połysku w pomiarze lub jego ukrycie. Geometria d/8 jest używana na przykład do szorstkich powierzchni lub tekstyliów.

Natomiast geometria pomiarowa 45/0 wytwarza kierunkowe odbicie, które bardziej odpowiada ludzkiej percepcji. Geometria pomiarowa 45/0 jest zatem przydatna, gdy ma zostać odtworzone wrażenie wizualne bliższe ludzkiemu postrzeganiu. Norma DIN 5033 zaleca wykonywanie pomiarów na błyszczących i malowanych powierzchniach z geometrią 45/0.
Spektrometr z geometrią wielokątową to urządzenie, którego podstawowa zasada jest identyczna jak w geometriach wspomnianych powyżej, z tą różnicą, że pomiary można wykonywać nie tylko pod jednym kątem, ale pod kilkoma kątami (np. 15°, 25°, 75° i 110°). Ten spektrometr wykorzystywany jest do farb metalicznych i efektowych, ponieważ farby te wytwarzają bardzo różne wartości kolorów w zależności od kąta patrzenia.

Spektrometr – rodzaj zastosowanego światła
Zastosowanie różnych rodzajów światła może zmienić postrzeganie wrażeń kolorystycznych i prowadzi do różnych wyników pomiarów. W związku z tym CIE zdefiniowała standardowe źródła światła o określonej emisji widmowej, aby zapewnić porównywalność urządzeń pomiarowych pochodzących od różnych producentów. Dobór rodzaju światła powinien opierać się na późniejszym obszarze zastosowania produktu. Standardowy oświetlacz D65 jest szeroko rozpowszechniony. D65 symuluje światło dzienne z komponentami UV o temperaturze barwowej ok. 6500 kelwinów. Standardowe światło typu C oznacza również światło dzienne, ale bez składników UV o temperaturze barwowej ok. 6770 kelwinów. Światło typu F11 jest również znane jako oświetlenie domów towarowych o temperaturze 4000 kelwinów i jest odpowiednie, gdy produkty są używane przy sztucznym oświetleniu. Oprócz tych rodzajów światła istnieje wiele innych znormalizowanych rodzajów światła o wąskim i szerokopasmowym paśmie. Większość urządzeń jakim jest spektrometr ma duży wybór różnych rodzajów światła, po to aby zwiększyć zakres zastosowania urządzenia.

Spektrometr – dokładność pomiaru
Przy doborze urządzenia jakim jest spektrometr należy zwrócić uwagę na dokładność pomiaru. Ważna jest powtarzalność wyników pomiarów oraz porównywalność różnych urządzeń typu spektrometr z serii. W przypadku urządzeń typu spektrometr należy zwrócić szczególną uwagę na rozdzielczość widmową którą oferuje urządzenie. Jeśli w firmie używane są różne modele urządzenia typu spektrometr pochodzące od różnych producentów, celem naszym jest osiągnięcie jak największej dokładności między różnymi modelami, ale w praktyce rzadko jest to możliwe. Idealnym rozwiązaniem jest zatem użycie spektrometru z tej samej serii lub pochodzące od jednego producenta. W ten sposób można osiągnąć maksymalną powtarzalność i wartości porównawcze między spektrometrami.

Spektrometr - wykorzystanie
Kluczowy aspekt, który należy wyjaśnić przed zakupem urządzenia jakim jest spektrometr, dotyczy podstawowych wartości referencyjnych, które są wykorzystywane do późniejszych pomiarów porównawczych. Czy chodzi o pomiary wewnętrzne, w których niezawodność i jakość procesu mają być sprawdzane na podstawie specjalnie zdefiniowanych standardów kolorystycznych? A może należy wziąć pod uwagę zewnętrzne specyfikacje klienta lub dostawcy? Jeśli konieczne jest przestrzeganie specyfikacji zewnętrznych, strony muszą najpierw wyjaśnić, jakie urządzenia pomiarowe mają być używane i które parametry są ważne. Szczególnie ważne jest wcześniejsze uzgodnienie parametrów pomiaru (przestrzeń barw, geometria pomiaru, apertura pomiarowa, rodzaj światła, SCI, SCE, spin, Spex), w przeciwnym razie zmierzone wartości nie będą mogły być porównywane.

Spektrometr - współrzędne przestrzeni kolorów lub map kolorów?
W niektórych zastosowaniach do pomiarów porównawczych wykorzystywane są wartości kolorów ze znormalizowanych systemów kolorów lub katalogów kolorów. Znane katalogi kolorów to np. RAL, NCS, DIN czy Pantone. Korzystając z tych katalogów, można przeprowadzać kontrole wizualne w procesie produkcji i kontroli jakości. Wizualne porównanie kart kolorów z farbami drukarskimi, barwnikami lub kolorowymi powłokami jest często obarczone błędem, ponieważ nie można tego sprawdzić obiektywnie i w tych samych warunkach. Urządzenia do pomiaru kolorów np. spektrometr mogą zapewnić powtarzalność i obiektywność, ponieważ przechowywane cyfrowo katalogi kolorów można porównywać z dostarczonymi przez klienta próbkami kolorów w określonych warunkach.
Oprócz kart kolorów, w wielu zastosowaniach przemysłowych do określania kolorów za pomocą urządzenia jakim jest spektrometr wykorzystywane są przestrzenie barw, takie jak przestrzeń barw CIELab lub RGB. Przestrzenie kolorów to geometrycznie zdefiniowane, trójwymiarowe ciała, w których każdy kolor jest zdefiniowany za pomocą 3 współrzędnych w kierunkach X, Y i Z. Podając współrzędne przestrzenne odpowiedniej przestrzeni kolorów, można bardzo dokładnie określić kolory i precyzyjnie określić odległości między kolorami. Ponieważ przestrzenie kolorów, w przeciwieństwie do katalogów kolorów, mogą odwzorowywać wszystkie dostrzegalne kolory i są używane nie tylko w kilku branżach, a zatem mogą być używane uniwersalnie, użycie przestrzeni kolorów jest często bardziej porównywalne i niezależne.

Spektrometr – materiał pomiarowy
Jeśli chcemy zastosować spektrometr najpierw musimy sobie odpowiedzieć na pytanie jaki rodzaj materiału będziemy badać. Czy chodzi o powierzchnie gładkie, płaskie czy twarde? Czy określać będziemy kolory cieczy lub drobnych proszków? Czy są to grube granulki czy lepkie pasty? Dla wszystkich tych konsystencji znajdziemy odpowiedni spektrometr.

Spektrometr – parametry fizyczne urządzenia
W zależności od zamierzonego zastosowania ważny jest również dobór odpowiedniej konstrukcji z ergonomicznego punktu widzenia. W przypadku niektórych urządzeń typu spektrometr wyświetlacz montowany jest na górze, w innych z przodu, a czujniki są instalowane wewnątrz obudowy. Istnieją także narzędzia typu spektrometr z czujnikami zewnętrznymi. Możemy również zakupić spektrometr z wbudowana kamerą. Spektrometr z wbudowana kamerą pozwala znaleźć właściwy punkt pomiarowy podczas ustawiania urządzenia pomiarowego na mierzonym obiekcie. Szczególnie w przypadku małych obiektów i małych otworów funkcja ta pomaga w prawidłowym ustawieniu urządzenia w celu „trafienia” w punkt pomiarowy.

Dla użytkownika wykonującego pomiary w pozycji siedzącej, sensownym będzie użycie urządzenia typu spektrometr z wyświetlaczem skierowanym do góry. Urządzenia te najczęściej ustawia się w orientacji poziomej, co umożliwia stabilne oparcie na mierzonym obiekcie. Spektrometr o konstrukcji pionowej zwykle ma wyświetlacz skierowany w stronę użytkownika. Możliwa powierzchnia styku jest również zwykle mniejsza. Ta konstrukcja jest bardziej odpowiednia do pomiarów mobilnych, gdzie ze względu na niedostępne punkty pomiarowe pomiary można również wykonywać nad głową na małych obszarach pomiarowych bezpośrednio w procesie produkcji lub w terenie.