Spektralphotometer

Das Spektralphotometer ist ein optisches Instrument zur Messung der Lichtintensität relativ zur Wellenlänge. Durch das Beleuchten der Messfläche über das Spektrum von ultraviolett bis infrarot (360 bis 780nm) des sichtbaren Lichtes werden die Remissionswerte ermittelt.
Basierend auf der Messgeometrie misst ein Spektralphotometer 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, im Druck 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 Messgeometrien für Reflexions- und Transmissions-Messung unterschieden werden.

In der Praxis haben sich für Reflexionsmessungen 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-Farbtöne.

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 „Oberflächenglanz“ 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 genarbte Kunststoffe.

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 würde sich die 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 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.

Die Unterscheidung zwischen farbprägender Remission und oberflächlicher Reflexion ist in der Farbmetrik von zentraler Bedeutung.

remittieren = zurücksenden (vermindern, nachlasen)
reflektieren = zurückwerfen, spiegeln

Anwendungen

Die Kugelgeometrie 8°/d ohne Glanzfalle ist weitgehend unempfindlich gegen unterschiedliche Oberflächenstrukturen, Glanzstörungen, Kratzer und Unebenheiten. Sie ist daher auf dem Textilgebiet optimal. Sie kann es auch z.B. bei matten (Bauten-) Dispersionsfarben sein.

Andererseits „sieht“ die 8°/d- Kugelgeometrie ohne Glanzfalle keine Effekte des Glanzes auf die farbige Erscheinung eine Probe. Eine deckend eingefärbte Kunststoff-Folie, einmal hochglänzend und einmal mittels sandgestrahlter Prägeplatte matt verpresst sollte bei dieser Messgeometrie für beide Oberflächenarten die gleichen Messwerte liefern.

Die 45°/0°- Winkelgeometrie jedoch nimmt die Farbe von Oberflächen etwa wie „das Auge“ wahr! Das kann von Vorteil sein bei der Farb-Rezeptierung von Druckfarben.

Beispiel

Es könnte sein, dass das farblich identische, aber in der Oberflächenstruktur leicht unterschiedliche Probe/Standard-Pärchen mit der 45°/0° Winkelgeometrie ein Delta E = 2 zeigt und dass per Zufall eine 0°/d- Kugelgeometrie den gleichen Delta-E-Wert liefert. Dann hat man Glück gehabt, weil zufällig die Glanzindikatrix völlig in das offene Loch der Glanzfalle gerät und somit wie die 45°/0°-Geometrie die Oberflächenreflexion total ausschaltet. Aber oft tut sie das nicht, dann wird das Delta-E der Kugelgeometrie kleiner sein. Im Extrem bei geschlossener, d.h. unwirksamer Glanzfalle = normale Kugelbedingungen, wäre in unserem Beispiel das Delta-E sogar gleich Null.

Die Kugelgeometrie misst insofern die Wahrheit, als sie die farbliche Identität von Probe und Standard bescheinigt.
Verglichen mit dem visuellen Befund misst aber die 45/0°-Winkelgeometrie die Wahrheit, weil der Beobachter nicht vom Glanz abstrahieren kann und die weniger glänzende Probe heller und vielleicht ungesättigter sieht.

In der farbmetrischen Qualitätskontrolle von Farbmitteln aller Art, will man nicht von kleinen Verlaufsstörungen, Orangenschaleneffekten etc. gestört werden und bevorzugt die Kugelgeometrie ohne Glanzfalle. (4% Glanz werden rechnerisch abgezogen).

Die Kugelgeometrie ohne Glanzfalle(!) ist die geeignet, wenn man gewissermaßen in die Probe "hineinsehen" will und Glanzunterschiede und Unebenheiten bei der Messung zu ignorieren sind.
Wenn jedoch die gesamte farbliche "Erscheinung" beurteilt werden soll (z.B. in Druckereien) bevorzugt man die 45/0°- Winkelgeometrie.

Vergleichsgenauigkeit

Professionelle Spektrometer müssen hohen Anforderungen genügen. Mit der Vergleichsgenauigkeit der Farbmessgeräte, selbst bei gleichem Hersteller und Typ, steht es nicht immer zum Besten. Das ist nicht weiter schlimm, wenn im Betrieb nur ein Spektralphotometer verwendet wird. Stehen in einem Betrieb mehrere Farbmessgeräte und Rechner, die auf dieselben Datensätze zugreifen (müssen), so müssen die Geräte bei der Messung identischer Standardmuster praktisch so genau übereinstimmende Messwerte liefern, wie wenn an einem Gerät mehrere Messungen gemacht werden, d.h. man fordert, dass die Vergleichsgenauigkeit etwa der Wiederholgenauigkeit entspricht. Das ist ein kaum zu erreichendes Ideal – aber es ist je nach Ansprüchen und Möglichkeiten des Gerätherstellers anzustreben!

Langzeitkonstanz des Farbmessgerätes

Da man sich darauf verlassen können muss, dass das Messgerät jederzeit eine nachzustellende Farbvorlage "mit den gleichen Augen sieht", mit denen es die Eichfärbungen gesehen hat, ist das Messgerät mit anderen farbigen unveränderlichen Dauerstandards mindestens wöchentlich einmal zu prüfen, ob es an diesen Standards die gleichen Reflexions- bzw. Farbmesswerte findet.

Sind die Abweichungen der Ist- von den Sollwerten zu groß und kann der alte Zustand vom Kundendienst nicht wieder hergestellt werden, müssen die Eichfärbungen neu vermessen und die optischen Daten neu berechnet werden.