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Das Spektralphotometer ist ein optisches Instrument zur Messung der Lichtintensität relativ zur Wellenlänge. Durch das Beleuchten der Messfläche über das gesamte Spektrum (von infrarot bis ultraviolett) des sichtbaren Lichtes werden die Remissionswerte ermittelt.
Ein Spektralphotometer misst entweder die von einem Objekt reflektierte Lichtmenge oder die vom Objekt absorbierte Lichtmenge.
Spektralfotometer können nahezu jede Probe vermessen: Flüssigkeiten, Kunststoffe, Papier, Metall und Stoffe, Lacke, Bildschirme, etc.

Die Messung der absorbierten Lichtmenge (Durchlicht) wird hauptsächlich in der analytischen (Bio-)Chemie eingesetzt, und die Messung der reflektierten Lichtmenge hat ein breites Anwendungsgebiet im Farbmanagement, der Textil-Industrie, sowie bei Lacken und Farbstoffen.

Funktionsweise

Die von der beleuchteten Probe empfangenen Lichtstrahlen werden in ihre Komponenten-Wellenlängen getrennt (z.B über ein Prisma). So wird das Lichts in eine Anzahl schmaler Bänder oder Messkanäle (in der Regel 20 bis 40 Bänder mit etwa 20 bis 10 nm Breite) zerlegt. Das getrennte Licht wird dann auf einen Detektor (z.B. CCD-Array) fokussiert, wo die Intensität jeder Wellenlänge (oder jeder Farbe, wenn sie im sichtbaren Bereich liegt) durch ein Pixel des Arrays gemessen wird. Der CCD wird dann von einem Computer ausgelesen und das Ergebnis ist ein Spektrum, das die Intensität jeder Wellenlänge des Lichts anzeigt.

Messgeometrie

Ein menschlicher Beobachter, der nicht als Farbmetriker arbeitet, ist sich fast nie der Tatsache bewusst, dass seine optische Wahrnehmung immer unter dem Einfluss der „Messgeometrie“ steht: Das Licht ist diffus oder es kommt aus einer bestimmten Richtung, eine oder mehrere Lichtquellen wirken und interferieren miteinander, das Auge schaut unter einem bestimmten Winkel auf das zu prüfende Objekt usw.
Grundsätzlich muss zwischen den Messgeometrien für Reflektions- und Transmissions-Messung unterschieden werden.

In der Praxis haben sich für ReflektionsMessungen 3 Mess-Geometrien durchgesetzt (hauptsächlich zur Qualitätskontrolle von farbigen Erzeugnissen oder der zur Färbung verwendeten Farbmittel).

Winkelgeometrie

Die 45°/0° Messgeometrie (Messung bei 0° und Beleuchtung bei 45° mit zwei um 90° versetzten Lichtquellen entspricht) der DIN 5033 Empfehlung für Messungen an glänzenden Oberflächen (z.B. lackierte Objekte). Auch die umgekehrte Geometrie 0°/45° kann verwendet werden.
Anwendung: Proben mit glatter oder leicht strukturierter Oberfläche; nur bedingt für Metallic.

Spektren mit Winkelgeometrie gemessen

Winkelgeometrie:
Hier wird die Probe gerichtet unter +/-45° beleuchtet und das von der Probe zurückgeworfene Licht (Remission) unter 0°gemessen. Auch die Nutzung nur einer Lichtquelle ist üblich. Ebenso die umgekehrte Anordnung (also unter 0° beleuchtet und unter 45° gemessen).


Kugelgeometrie

Bei der d/8° Geometrie wird die Probe mittels einer von innen weißbeschichteten (z.B. Bariumsulfat, Keramik, etc.) Kugel aus allen Richtungen diffus beleuchtet (sogenannte Ulbricht-Kugel (UK)).
Ein spezielles optisches Element, der (Ab-)Schatter, verhindert dass die Probe direkt angestrahlt wird.
Gemessen wird das von der Probe in nur einer Richtung (Winkel von 8°zur Probensenkrechten) zurückgeworfene Licht.

Viele Instrumente haben eine Glanzfalle eingebaut, die den „Glanz“ wenn nicht verhindern, doch zumindest stark einschränken soll. Dazu gibt es 2 Möglichkeiten:
a) Optisch: die Position von -8° wird mit einem schwarzen absorbierenden Material ausgekleidet, so dass von dieser Position kein Licht auf die Probe fällt.
b) numerisch: mit einer weiteren Lichtquelle wird ein gerichteter Lichtstrahl unter -8°zur Probe gesendet. Aus dem Verhältnis zwischen gerichteter und diffuser Reflexion lässt sich dann die Glanzkomponente berechnen.
Anwendung: Farbvorlagen mit rauer Oberfläche, wie z.B. Textilien oder grob genarbten Kunststoffe.

Spektren mit Kugelgeometrie gemessen

Kugelgeometrie:
Hier wird diffuses Licht innerhalb einer speziell beschichteten Kugel erzeugt. Gemessen wird bei 8° und die Glanzfalle (meist aus schwarzen Materieal) bei -8° ist optional.


Mehrwinkelgeometrie

Ein Mehrwinkel-Spektralphotometer nimmt die Farbmessung so vor, als würden sich Probe „drehen“, um Farben aus verschiedenen Winkeln zu messen. Es wird dasselbe Prinzip wie bei der „einfachen“ Winkelgeometire genutzt, nur das eben aus mehreren Beobachtungswinkeln (üblich sind 15°, 25°, 45°, 75°, 110°) eine Messreihe erstellt wird. Es handelt sich hier um ein sehr Zeitaufwändiges Verfahren und die Geräte sind teuer.

Bei Metall- und Effektlacken im industriellen Umfeld werden heute gerne (winkelabhängige) „goniochromatischen Farben“ verwendet. Diese beruhen auf einem Interferenzeffekt, und daher liegt im Gegensatz zu “normalen“ absorptiven Farben eine starke Winkelabhängigkeit des Farbeindruckes vor. Zur Bewertung der goniochromatischen Effekte haben sich z.B. die Beobachtungswinkel 25°, 45°, 70° (bzw. 75°) und 110° bewährt.
Anwendung: Metallic- und Perlglanzlacke.


 

remittieren = zurücksenden (vermindern, nachlasen)

reflektieren = zurückwerfen, spiegeln


 

Begriffe & Formeln

Reflexion

Die Lichtreflexion ist entweder spiegelnd oder diffus (mit Bildverlust), je nach Art der Grenzfläche.

Bei glatten (also gegenüber der Wellenlänge kleinen Rauigkeitsstrukturen) Oberflächen gilt das Reflexionsgesetz: der Ausfallswinkel (auch Reflexionswinkel) genau so groß wie der Einfallswinkel; es liegt der Fall der gerichteten Reflexion vor.
An rauen Oberflächen werden Wellen oder (je nach Betrachtungsweise) Strahlung diffus gestreut und in diesem Fall gilt näherungsweise das Lambertsche Strahlungsgesetz.

Mit „Reflexion“ wird das spiegelnde „Abprallen“ eines Lichtstrahls an einer Oberfläche ohne Einfluss der in einem Körper enthaltenen färbenden Substanzen hinsichtlich Absorption und Streuung. Als Reflektoren werden in der Physik bzw. Astronomie bestimmte Spiegel bezeichnet!
Diese Unterscheidung zwischen farbprägender Remission und oberflächlicher Reflexion ist in der Farbmetrik entscheidend.

Reflexionsgrad

Der Reflexionsgrad ρ gibt an, welcher Teil des auf ein Objekt fallendes Lichts zurückgeworfen wird:
ρ = (reflektierte Strahlungsleistung / einfallende Strahlungsleistung).

Der Begriff schließt die gerichtete (Einfallswinkel = Ausfallswinkel) als auch die diffuse Reflektion mit ein.

Remission

Der Begriff „Remission“ ist nach per Definition das von einem Körper zurückgeworfene Licht, das mit den Farbmitteln im Körper in Wechselwirkung stand und eben daher auch farbig sein kann.

Remissionsgrad

Der Remissionsgrad β (auch Leuchtdichtefaktor) beschreibt, das Verhältnis der Strahldichte des Objekts zur Strahldichte einer vollkommen weißen, reflektierenden Fläche; d.h. die Bezugsgröße ist hier nicht mehr die einfallende Strahlungsleistung:
β = (Strahldichte des Objekts / Strahldichte der weißen Fläche).

Allerdings kann der Remissionsgrad oft von einem je nach der verwendeten Messgeometrie sowie der Oberflächenglätte der Probe abhängigen Glanzanteil, also von Reflexion überlagert sein. Dieser Anteil lässt sich meistens nur rechnerisch eliminieren.

Transparenz

Transparenz (Lat.: trans (= (hin)durch) und (ap)parere (= sich zeigen, scheinen)) bezeichnet in der Optik die Fähigkeit von Materie, Licht (elektromagnetische Wellen) hindurchzulassen (Transmission).

Die Transparenz einer Kunststoffprobe steht in direktem Zusammenhang mit der fehlenden (oder sehr geringen) Streuung in einer Probe. In diesem Fall absorbieren die Farbmittel und/oder die Polymer selektiv einen Anteil des Spektrums, wodurch die wahrgenommene Farbe entsteht. Anstatt jedoch das restliche Licht zu streuen, lässt die Probe dieses restliche Licht durch, was zu Transparenz führt.

In Kunststoffen werden zwei Arten von Farbstoffen verwendet: Pigmente, die in der Polymermatrix dispergiert sind, und Farbstoffe, die in der Polymermatrix selbst löslich sind. Lösliche Farbstoffe absorbieren nur Licht, sie streuen kein Licht, was zu transparenten Proben führt.
Ein Beispiel hierfür ist die Verwendung eines roten Farbstoffs zur Einfärbung von Rücklichtgläsern aus Lexan*-Polycarbonat (PC). In diesem Beispiel absorbiert der rote Farbstoff selektiv alles bis auf das rote Licht, das er durch die Rücklichtlinse gelangt.

Transmissionsgrad

Der Transmissionsgrad τ (oder T) gibt an, welcher Teil des auf ein Objekt fallendes Lichts durch dieses hindurchtritt:
τ = (transmittierte Strahlungsleistung (I) / einfallende Strahlungsleistung (I(0))).

Opazität

Opazität (Lat.: opacitas (= Trübung, Beschattung)) bezeichnet mangelnde Durchsichtigkeit bzw. mangelnde Durchlässigkeit für Licht und gilt allgemein als das Gegenteil von Transparenz.

Die Opazität von z.B. einer Kunststoffprobe ist das direkte Ergebnis von Absorption und Streuung. Pigmente und Polymere haben unterschiedliche Fähigkeiten, Licht selektiv zu absorbieren und zu streuen. Wenn die Fähigkeit eines bestimmten Pigments und/oder Polymers, Licht selektiv zu absorbieren und zu streuen, groß genug ist, erzeugt dieses Pigment oder Polymer Opazität in einer Kunststoffprobe. Diese Streuung zusammen mit der selektiven Absorption des Pigments bestimmt die Farbe und die Opazität eines Kunststoffobjekts.

Opazitätsgrad

Opazität ist der Kehrwert der Transmission T:
O = 1/T = I(0)/I mit einfallenden Lichtstrom I(0) und dem transmittierten Lichtstrom I (alos dem "hinter" der Probe).

Transluzenz

Transluzente Objekte lassen etwas Licht durch sie hindurch. Materialien wie Milchglas und einige Kunststoffe werden als transluzent bezeichnet. Wenn Licht auf transluzente Materialien trifft, geht nur ein Teil des Lichts (wie bei z.B. Milchglas: durch die raue Oberfläche wird das Licht Wellenlängen unabhängig gestreut) durch sie hindurch. Das Licht durchdringt die Materialien nicht direkt. es wechselt mehrmals die Richtung und wird beim Durchlaufen gestreut. Daher können wir nicht klar durch sie hindurchsehen und Objekte auf der anderen Seite erscheinen unscharf und diffus.

Bei lichtundurchlässigen Materialien wie Metall und Holz, spricht man hingegen von Opazität.

Die Transluzenz eines Materials resultiert aus einer Kombination von Absorption, Streuung und Transparenz. Der Beitrag jedes dieser Attribute in Kombination bestimmt die wahrgenommene Farbe und die Menge dieser Farbe, die durch die Probe geht. Viele Kunststoffprodukte fallen in diese Transluzenzgruppe. Offensichtlich hängt die wahrgenommene Transluzenz eines Harzes in einer Anwendung stark von der Bauteildicke und der Stärke der Lichtquellen ab, die die Anwendung beleuchten.

Es ist wichtig zu beachten, dass die vom Auge wahrgenommene Transluzenz oder Opazität bei der Messung mit einem Farbmessgerät nicht in jedem Fall erfasst bzw. interpretiert werden kann.

Absorption

Absorption (interne)

Die selektive Absorption im sichtbaren Bereich ist die eine Art, wie Farbmittel ihre spezifischen Farben entwickeln. Betrachten Sie zum Beispiel ein Farbmittel, das selektiv alle Wellenlängen des weißen Lichts mit Ausnahme des Rotanteils im Bereich von 600 bis 700 nm absorbiert. Dieser Farbstoff überträgt und/oder streut dann das restliche rote Licht, das ihn als roten Farbstoff klassifiziert.

Ein Farbstoff, der die Rot-, Orange-, Gelb-, Blau-, Indigo- und Violettanteile des weißen Lichts absorbiert, würde als grüner Farbstoff erscheinen. Das Licht, das ein Objekt beleuchtet, muss die Wellenlängen enthalten, die das Farbmittel durchlässt oder streut, um seine Eigenfarbe zu entwickeln. Wenn beispielsweise das Licht, das einen roten Apfel beleuchtet, kein rotes Licht enthält, erscheint der Apfel für den Betrachter schwarz.

Absorptionsgrad

Der Absorptionsgrad α gibt an, welcher Teil des auf ein Objekt fallendes Lichts durch dieses aufgenommen wird:
α = (absorbierte Strahlungsleistung / einfallende Strahlungsleistung).

Streuung

Streuung (interne)

Interne Streuung ist die zweite Art der Wirkung von Pigmenten bei der Einarbeitung in z.B. Kunststoffe. Nach der selektiven Absorption von Licht streuen die Pigmente das restliche Farblicht, senden es aus der Probe heraus und geben der Probe so ihre wahrgenommene Farbe. Die Streuung kann zur Opazität beitragen.

Beispiel: absorbieren „rote“ Pigmentteilchen die blauen, violetten, grünen, gelben und orangen Wellenlängen und reflektieren und streuen die roten Wellenlängen zurück aus dem Objekt, so wirkt das Objekt rote.

Beachten Sie, dass der Spiegelanteil der Oberflächenreflexion noch alle Wellenlängen des einfallenden Lichts enthalten kann.