Wozu dient ein Spektralphotometer und wie funktioniert es?

Aufbau eines Spektralphotometers

Ein Spektralphotometer für farbmetrische Anwendungen ist ein Gerät, das grundsätzlich zwei Hauptfunktionen ausführen kann: Es beleuchtet ein Objekt und quantifiziert die zurückgestrahlte Strahlung in Form von Reflexion oder Transmission.

Dies ist möglich, weil das Spektralphotometer aus zwei grundlegenden Komponenten besteht:

• Einer physikalischen Lichtquelle: Sie besteht aus einer Glühlampe, einer Xenonlampe oder einer LED und dient dazu, das zu messende Material mit neutralem, weißem Licht zu „bestrahlen“.
• Einer Sonde: Ihre Aufgabe besteht darin, das vom beleuchteten Objekt reflektierte oder transmittierte Licht zu erfassen. Die im Gerät enthaltenen optischen und elektronischen Komponenten verarbeiten diesen Lichtanteil, der dem Bediener anschließend in Form von Spektralwerten zur Verfügung gestellt wird.

Die Konzepte der Reflexion und der Transmission sind grundlegend für das Verständnis der Funktionsweise eines Spektralphotometers.

Messung der Reflexion eines Objekts

Die Untersuchung der Reflexion eines Materials ist für die Analyse opaker und halbopaker Materialien wie Lacke, Textilien und Metalle sowie für die Bestimmung ihrer optischen Eigenschaften von Bedeutung.

Bei der Reflexionsmessung erfasst die im Spektralphotometer enthaltene Sonde das von der beleuchteten Oberfläche des Objekts reflektierte Licht. Lichtquelle und Sonde befinden sich dabei auf derselben Seite des Objekts.

Die Reflexionsmessung erfolgt somit, wenn das vom Spektralphotometer erzeugte Licht das zu messende Material nicht vollständig durchdringt, sondern bei der Wechselwirkung mit dem Material Streuungs- und Absorptionsvorgänge hervorruft, die zur Reflexion führen.

Reflexion bezeichnet letztlich den Anteil des ausgestrahlten Lichts, der tatsächlich zur Sonde zurückkehrt. Dieser Anteil kann zwischen 0 % bei maximaler Absorption und Streuung und 100 % bei vollständiger Reflexion liegen. Bei dazwischenliegenden Prozentwerten wird nur ein Teil des Lichts tatsächlich reflektiert, während der verbleibende Anteil vom Objekt selektiv absorbiert oder in andere Richtungen gestreut wird.

Der von der Sonde gemessene Reflexionsanteil wird beim Erfassen des reflektierten Lichts vom Spektralphotometer bestimmt und in Spektralwerte umgewandelt.

Messung der Transmission eines Objekts

Die Transmissionsmessung eignet sich besser für die Bestimmung der optischen Eigenschaften transparenter oder halbtransparenter Objekte wie Glas, transparenter Kunststoff und Flüssigkeiten.

In diesem Fall wird das Licht auf eine Seite des Objekts gerichtet und die Sonde auf der gegenüberliegenden Seite positioniert, um das transmittierte Licht zu erfassen, also den Lichtanteil, der durch das transparente Objekt hindurchtritt.

Bei der Transmission kann das Licht beim Kontakt mit dem Material selektiv absorbiert und in geringem Maße gestreut werden. Obwohl das Hauptziel die Bestimmung der Farbe ist, liefert die Menge des transmittierten Lichts auch Informationen über die Transparenz des Materials.

Die einzige wesentliche Variable bei dieser Art der Messung ist somit das Material selbst.

Funktionsweise des Spektralphotometers

Die Funktionsweise des Spektralphotometers für farbmetrische Anwendungen basiert auf der Messung des Lichts im wahrnehmbaren sichtbaren Bereich zwischen 400 und 700 Nanometern. Dieses Intervall umfasst alle für das menschliche Auge sichtbaren Lichtwellen.

Mithilfe von Monochromatoren, den zentralen Komponenten eines Spektralphotometers, kann das Gerät das vom Material kommende Licht in monochromatische Bestandteile zerlegen und dabei den gesamten Bereich von 400 bis 700 Nanometern abdecken.

Diese Bestandteile werden anschließend von einer Reihe von Fotodioden erfasst, die die Lichtintensität bei jeder Wellenlänge messen.

Auf diese Weise lässt sich ein präziser Verlauf der Spektralmessungen erstellen, der detaillierte Informationen über die optischen Eigenschaften des Materials liefert.

Da jedoch nicht unendlich viele Sonden eingesetzt werden können, um jede mögliche Wellenlänge zu messen, werden kleine Messintervalle verwendet und mathematische Interpolationen angewandt, um die fehlenden Daten zu schätzen.

Die Messung in kleinen Intervallen innerhalb dieses Bereichs ist entscheidend, um eine ausreichend genaue Darstellung der spektralen Eigenschaften des Materials zu erhalten.

Spektralmessung anhand von Messpunkten und Intervallen

Um eine eindeutige Spektralmessung zu erhalten, beträgt das erforderliche Mindestintervall 20 Nanometer, was 16 Messpunkten entspricht.

Obwohl moderne Spektralphotometer technisch in der Lage sind, das Licht in bis zu 256 Messpunkte zu zerlegen, verwenden Datenverarbeitungsprogramme derzeit üblicherweise 31 Messpunkte mit einem Intervall von 10 Nanometern.

Für farbmetrische Analysen reicht dieser Detaillierungsgrad mit 31 Messpunkten aus, um bei den meisten praktischen Anwendungen präzise und zuverlässige Ergebnisse zu erzielen und ein Gleichgewicht zwischen Genauigkeit und Verarbeitungszeit zu gewährleisten.

Die Verarbeitung einer größeren Anzahl von Messpunkten würde keine wesentlichen Vorteile hinsichtlich der Genauigkeit bieten, sondern lediglich die Verarbeitungszeiten und Betriebskosten erhöhen.

Anwendungsbereiche des Spektralphotometers

Messungen mit einem Spektralphotometer spielen in zahlreichen wissenschaftlichen Disziplinen und spezialisierten Industriezweigen eine grundlegende Rolle. In der Textil- und Bekleidungsindustrie gewährleisten diese Geräte die farbliche Standardisierung von Garnen, Geweben und fertigen Kleidungsstücken und stellen eine gleichmäßige Farbgebung zwischen verschiedenen Chargen sowie die Übereinstimmung mit den Designspezifikationen sicher.

In der Lack- und Beschichtungsindustrie ermöglicht das Spektralphotometer die Qualitätskontrolle von Formulierungen, die Überprüfung der Farbübereinstimmung und die Entwicklung neuer Farbtöne mit höchster Präzision.

Im Bereich der Kunststoffe erleichtert es die Kontrolle der Farbgebung von Polymeren und Verbundwerkstoffen und gewährleistet eine einheitliche visuelle Erscheinung sowie gleichmäßige optische Eigenschaften bei Spritzguss- und Extrusionsverfahren.

Bei Druckfarben und Verpackungen gewährleistet es die Farbtreue im Druck und die Einhaltung der Qualitätsstandards für Verpackungen und Werbematerialien. Im Bereich der Farben für den Einzelhandel unterstützt es die individuelle Formulierung und die präzise Abstimmung der von den Kunden gewünschten Farben.

Die Lederindustrie nutzt diese Technologien zur Kontrolle der Farbgebung während des Gerbens und Färbens. In der Kosmetikindustrie ist das Spektralphotometer hingegen für die Entwicklung und Qualitätskontrolle von Foundations, Lippenstiften, Lidschatten und allen Produkten unverzichtbar, bei denen die Farbgenauigkeit einen entscheidenden Faktor für den kommerziellen Erfolg darstellt.

Spektralphotometer, Spektralkolorimeter und Kolorimeter: eine Klassifizierung der Messgeräte

Es ist daher kein Zufall, dass Geräte für die Spektralmessung anhand der Anzahl ihrer Messpunkte klassifiziert werden.

Ein Spektralphotometer muss mindestens 16 Messpunkte besitzen. Geräte mit weniger Messpunkten werden als Spektralkolorimeter mit durchschnittlich 8 Punkten oder als Kolorimeter mit lediglich 3 Punkten bezeichnet, jeweils einem für die drei Primärfarben Blau, Rot und Grün.

Diese Klassifizierung spiegelt die Genauigkeit und die Fähigkeit der einzelnen Geräte wider, detaillierte Spektraldaten bereitzustellen.

Beleuchtungsprobleme und Lösungen mit dem Spektralphotometer

Ein mögliches Problem des Messgeräts betrifft die darin verbaute Lichtquelle.

Zuvor wurde erläutert, dass das Material die einzige Variable bei der Farbmessung ist. Tatsächlich können die Spektralmessungen jedoch je nach Art der im Spektralphotometer verwendeten Lichtquelle variieren: LED-, Leuchtstoff- oder Glühlampen. Es liegt auf der Hand, dass weißes und gelbes Licht bei der Beleuchtung desselben Materials unterschiedliche Reflexionen und somit unterschiedliche Farben desselben Objekts erzeugen können.

Dieses Problem lässt sich jedoch lösen, indem relativ gemessen wird: Die Energie der Lichtquelle wird bestimmt und mit der vom Prüfmuster zurückgestrahlten Energie in Beziehung gesetzt.

Diese Technik ermöglicht genaue und konsistente Messungen, unabhängig von der Art der verwendeten Lichtquelle.

Umwandlung der Daten in XYZ-Tristimuluswerte

Obwohl die bisher beschriebenen Messungen einen eindeutigen Wert liefern, besteht ein weiteres Problem darin, dass sie hauptsächlich die Reflexion des Objekts erfassen.

Um die Farbempfindung zu definieren, müssen jedoch auch die Eigenschaften der Lichtquelle und die Wahrnehmungseigenschaften des menschlichen Auges oder der Sonde berücksichtigt werden.

Daher stehen heute sogenannte Tristimuluswerte zur Verfügung, mit denen vorhergesagt und quantifiziert werden kann, welchen Wert die Farbe hinsichtlich der roten, grünen und blauen Energieanteile besitzt.

Wie bereits erwähnt, besteht das letztendliche Ziel eines Spektralphotometers in der Erfassung von Daten. Diese werden automatisch in XYZ-Tristimuluswerte umgewandelt, die die vom menschlichen Auge aufgenommenen Mengen an rotem (X), grünem (Y) und blauem (Z) Licht darstellen.

Abbildung des CIELAB-Farbraums

Die Berechnung der XYZ-Tristimuluswerte kann zwar für die Bestimmung einer Farbe nützlich sein, ermöglicht jedoch keine Beurteilung, die der menschlichen Wahrnehmung vollständig entspricht und Helligkeitsabstufungen sowie die Rot-Grün- und Gelb-Blau-Abstufungen berücksichtigt, also die Farbopponententheorie nach Hering.

Die XYZ-Werte werden daher in den CIELAB-Farbraum umgewandelt. Dort beschreibt die vertikale L-Achse die Helligkeit, die kartesische a-Achse die Rot-Grün-Tendenz und die kartesische b-Achse die Blau-Gelb-Tendenz. Dadurch kann der Bediener genau nachvollziehen, an welcher Stelle des CIELAB-Farbraums sich eine bestimmte Farbe befindet.

Diese detaillierte Abbildung der Farben liefert somit eine äußerst genaue Darstellung der farbmetrischen Eigenschaften des Prüfmusters und ermöglicht außerdem eine objektive und quantitative Bewertung und Gegenüberstellung von Farben.

Die CIELAB-Abbildung ist daher ein grundlegendes Instrument für die Qualitätskontrolle und die Standardisierung von Farben in zahlreichen Industriezweigen.

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ColorWorkDesk-Spektralphotometer: Wir definieren die traditionelle Farbmetrik neu

Das Sortiment an ColorWorkDesk-Spektralphotometern für den stationären und mobilen Einsatz (CWD) stellt einen revolutionären Fortschritt in der Farbmessung dar. Mit diesen modernen Geräten lässt sich die Farbe jedes Materials in jeder Umgebung bewerten, da sie sowohl im Reflexions- als auch im Transmissionsmodus arbeiten können. Diese Vielseitigkeit gewährleistet eine vollständige und präzise Abdeckung der unterschiedlichsten Anforderungen an die Farbmessung.

Die Entscheidung für CWD-Spektralphotometer bedeutet den Einsatz äußerst leistungsfähiger Geräte, die sich nahtlos in moderne digitale Technologien wie Apps, Cloud-Systeme und Server integrieren lassen.

Dieser besondere Vorteil setzt neue Maßstäbe in der Farbmetrik, überwindet mittlerweile veraltete traditionelle Methoden und bietet Schnelligkeit, Präzision und Vollständigkeit bei der Farbmessung.