Was ist ein Spektralphotometer und wie funktioniert es?

Spektrometer oder Spektralphotometer sind wertvolle Instrumente, mit denen Unternehmen die Qualität und Konsistenz der von ihnen hergestellten und verkauften Produkte sicherstellen. Sie können uns sagen, ob das Öl verunreinigt ist oder ob die Früchte reif sind. Sie stellen sicher, dass Ihr Lieblings-Tomatenketchup von Charge zu Charge das gleiche Rot aufweist. Sie geben Auskunft über die Sicherheit und Wirksamkeit der Medikamente, die Sie einnehmen. Sie sind ein wertvolles Instrument, um die Integrität der Unternehmensmarke zu gewährleisten und sicherzustellen, dass Konsistenz und Leistung über ein ganzes Produktlager hinweg intakt bleiben. Um zu verstehen, wie Spektralphotometer funktionieren, müssen wir die Wissenschaft der Spektralphotometrie verstehen.

Die Spektrophotometrie ist die Wissenschaft von der Wechselwirkung zwischen Licht und Materie. Die Objekte, die wir täglich sehen, sind verschiedene Formen von Materie - Feststoffe, Flüssigkeiten und Gase. Es mag Sie überraschen zu erfahren, dass Materie keine Farbe besitzt. Ein Apfel erscheint rot, weil das Licht mit der chemischen Zusammensetzung des Apfels wechselwirkt. Wenn Licht auf Materie trifft, werden einige Wellenlängen absorbiert und einige emittiert. Das emittierte Licht sehen und empfinden wir als "Farbe".

Spektralphotometer ahmen diesen visuellen Beobachtungszustand nach und liefern aussagekräftige und umsetzbare Informationen über die Farbe von Materialien, die es Unternehmen ermöglichen, die Farbgenauigkeit und -konsistenz ihrer Produktpalette und Markenfarben sicherzustellen.

Wie funktioniert also ein Spektralphotometer, und wie können wir es nutzen? Die Wissenschaft, die hinter diesem Instrument steht, ist solide und kann auf verschiedene Weise genutzt werden. Um dies zu verdeutlichen, haben wir Informationen darüber zusammengetragen, wie Spektralphotometer zum Farbmanagement verschiedener Produkte und Technologien beitragen.

Was ist ein Spektralphotometer?

Vielleicht erinnern Sie sich aus dem Chemieunterricht, dass Licht eine Form der elektromagnetischen Strahlung ist, wie Mikrowellen und Gammastrahlen. Wenn wir über das Lichtspektrum sprechen, meinen wir ein Energiespektrum, in dem unterschiedliche Energieniveaus das erzeugen, was wir als andere Farben wahrnehmen. Die Farben des Regenbogens folgen dem Verlauf der sichtbaren Energie, wobei Rot die niedrigste und Violett die höchste ist. Materialien, die das gesamte sichtbare Licht absorbieren, erscheinen schwarz, während diejenigen, die das Gegenteil tun, weiß erscheinen. Dazwischen gibt es Materialien, die bestimmte Lichtenergien aussenden und andere absorbieren, wodurch sie bestimmte Farben aufweisen.

Ein Spektralphotometer ist im Wesentlichen ein geeichter Lichtzähler.

"Spectro" bezieht sich auf die Tatsache, dass das Licht in einzelne Wellenlängen des elektromagnetischen Energiespektrums zerlegt ist. Ein Teil dieser Energie liegt im ultravioletten und sichtbaren Spektrum, das von Spektralphotometern erfasst werden kann, während andere Spektrometer die Infrarotstrahlung messen können.

"Photometer" misst die Lichtintensität bei bestimmten Wellenlängen und ist von 0 bis 100 skaliert. Null entspricht völliger Dunkelheit, und 100 ist perfektes Weiß. Bei einigen Eigenschaften wie der Fluoreszenz kann diese Skala über 100 hinausgehen, so dass die meisten Spektralphotometer 150 oder 200 erreichen können.

Spektralphotometer werden zur Messung der Farbe von Materialien verwendet. Materialien können fest, flüssig, undurchsichtig, lichtdurchlässig oder transparent sein. Je nach Form und Transparenz werden unterschiedliche Methoden zur Messung dieser Materialien verwendet. Undurchsichtige Materialien werden mit Reflexionsspektralphotometern gemessen, die die Menge des von einer Probe reflektierten Lichts messen. Im Gegensatz dazu werden transparente Materialien mit Transmissionsspektralphotometern gemessen, die die Lichtmenge messen, die das Material durchdringt. Unabhängig von der verwendeten Methode haben alle Spektralphotometer die gleiche grundlegende Technologie und den gleichen optischen Aufbau:

• Eine kontrollierte Lichtquelle, um das Material zu beleuchten.
• Eine Linse zur Kollimation des Lichts zum Monochromator.
• Ein Monochromator, der das Licht in seine einzelnen Farbwellenlängen zerlegt.
• Ein Wellenlängenselektor.
• Ein Detektor, der das von der Probe emittierte Licht quantifiziert.
• Eine Anzeige, die Ergebnisse liefert.

Wie funktioniert ein Spektralphotometer?

Das Verfahren beginnt mit einer kontrollierten Lichtquelle, die die untersuchte Probe beleuchtet. Im Falle der Reflexion wird bei der Wechselwirkung dieses Lichts mit der Probe ein Teil absorbiert oder emittiert. Das emittierte Licht gelangt zum Detektor, wird analysiert, quantifiziert und in Form von Industriestandard-Farbskalen und -Indizes dargestellt. Zu den häufig verwendeten Farbskalen gehören Hunter L,a,b, CIELAB, L,C,h und dE Color Difference. Branchenverbände definieren in der Regel spezifische Metriken für bestimmte Produkte, wie z. B. die Indizes für Tomaten und Kaffee. Die vereinfachte Rechnung sieht wie folgt aus:

Dabei ist R der Reflexionskoeffizient. Alle Terme werden über das sichtbare Spektrum von 400 bis 700 nm ausgewertet.

Im Falle der Transmission wird das Licht, wenn es mit der Probe in Wechselwirkung tritt, entweder absorbiert, reflektiert oder übertragen. Das durchgelassene Licht wird algorithmisch in relevante Farbskalen und Indizes umgewandelt. Beispiele sind APHA (American Public Health Association) für die Analyse von Wasserfarben und Reinheit, ASTM D1500 für die Farbanalyse in der Petrochemie, Speiseölindizes für Lebensmittel und Farbanalysen von Getränken. Die vereinfachte Rechnung sieht wie folgt aus: . Dabei ist T der Transmissionskoeffizient. Alle Terme werden über das sichtbare Spektrum von 400 bis 700 nm ausgewertet.

Die Software zeigt die Ergebnisse der Farbanalyse als Spektraldaten, Spektralkurven oder Farbdiagramme an.

Spektralphotometer Geometrie

Die Spektralphotometergeometrie definiert die Anordnung der Lichtquelle, der Probenebene und des Detektors. Die Wahl der richtigen Geometrie hängt von Ihrer beabsichtigten Anwendung ab:

Diffuse (kugelförmige) Geometrie

Verwendet eine weiß beschichtete Kugel zur diffusen Beleuchtung der Probe mit 8° (d/8°) spiegelnder Betrachtung. Ein Gerät mit diffuser Kugel kann mit oder ohne Spiegelung messen.

• Specular Included Messungen negieren Oberflächenunterschiede und liefern Werte, die Farbänderungen entsprechen.
• Bei der Messung ohne Spiegelung wird die spiegelnde Reflexion auf glatten Oberflächen negiert und nur die diffuse Reflexion gemessen.

Diese Geometrie ist ideal für Anwendungen wie die Farbrezeptierung von Beschichtungen, Tinten und Druckstempeln, die auf verschiedene Medien wie Textilien, Fahrzeuglacke und Druckmedien aufgetragen werden, bei denen es wichtig ist, die Auswirkungen der Oberflächenbeschaffenheit (Textur und Glanz) auf die gemessene Farbe zu beseitigen und ausschließlich die Farbänderungen zu betrachten.

Gerichtete Geometrie

Bei der gerichteten 45°/0°-Geometrie erfolgt die Beleuchtung in einem Winkel von 45° und die Messung bei 0°. Bei der inversen 0°/45°-Geometrie erfolgt die Beleuchtung im Winkel von 0° und die Messung im Winkel von 45°. Für die meisten Anwendungen werden diese beiden Geometrien als gleichbedeutend angesehen.

Beide schließen die spiegelnde Reflexion bei der Messung aus (specular excluded). Dies führt zu Messungen, die visuellen Veränderungen im Erscheinungsbild der Probe entsprechen, die entweder auf Veränderungen der Pigmentfarbe oder der Oberflächenstruktur zurückzuführen sind, und entspricht eher dem, wie das menschliche Auge Farbe "sieht". Diese Geometrien eignen sich am besten für die End-of-Line-Farbqualitätskontrolle.

Mehrwinkelspektralphotometer

Dieses Spektralphotometer betrachtet die Farbe einer Probe aus verschiedenen Winkeln. Es misst spezielle Effektpigmente, die ihre Farbe je nach Betrachtungs- und Beleuchtungswinkel ändern und häufig in Autolacken und Kosmetikprodukten wie Nagellack verwendet werden.

Wozu dient ein Spektralphotometer?

Spektralphotometer sind vielseitiger einsetzbar, als Sie vielleicht denken. Forschung, Produktentwicklung, Qualitätskontrolle und Diagnose können alle von den Daten eines Spektralphotometers profitieren. Hier sind einige konkrete Beispiele für den Einsatz dieser leistungsstarken Geräte:

• Getränke: Farbe kann bei vielen Getränken, von Erfrischungsgetränken und Säften bis hin zu Spirituosen und Bier, die Qualität anzeigen, und eine einheitliche Farbe ist entscheidend, um das Vertrauen der Kunden zu gewinnen.
• Pharmazeutika: Die Farbe einer Pille ist ein wesentlicher Bestandteil der Identifizierung. Sie hat zwar keinen Einfluss auf die Funktion, aber sie sagt den Menschen, was sie einnehmen. Für andere pharmazeutische Produkte, wie z. B. flüssige Inhaltsstoffe, gelten strenge Normen, von denen einige Farbe und Transparenz betreffen. Die Spektralphotometrie hilft, Markenfarben sicherzustellen und gefälschte Medikamente zu erkennen.
• Bauprodukte: Wenn ein Bauunternehmer ein Haus mit nicht zusammenpassenden Teilen von Vinylverkleidungen baut, wird der Kunde wahrscheinlich nicht mit dem Ergebnis zufrieden sein. Wenn es um das Aussehen geht, ist die Farbe entscheidend. Viele Materialien spiegeln auch Veränderungen der Eigenschaften in ihrer Farbe wider. Eloxiertes Metall beispielsweise verwendet eine natürliche Oxidschicht, um seine Widerstandsfähigkeit und Haftfähigkeit zu erhöhen. Eine Farbanalyse kann bestätigen, dass jedes hergestellte Teil diese Verbesserungen widerspiegelt.
• Chemikalien: Chemikalien müssen sauber, farblich einheitlich und frei von Verunreinigungen sein, damit sie einwandfrei funktionieren und Ihr Kunde ihnen vertraut. Die Farbe ist entscheidend für die Klassifizierung vieler chemischer Produkte und die Identifizierung ihrer Zusammensetzung.
• Lebensmittel: In der Lebensmittelproduktion wird die Spektralphotometrie in vielfältiger Weise eingesetzt. Von der Bewertung des Reifegrads von Früchten bis hin zur Bestimmung des geeigneten Backkontrasts von Brot und Brötchen bietet die Farbanalyse zahlreiche Anwendungsmöglichkeiten im Lebensmittelbereich.

Dies sind nur einige Beispiele, aber Spektralphotometer sind in verschiedenen Branchen und Anwendungen zu finden, auch außerhalb der Produktion, z. B. in der wichtigen biologischen Forschung. Andere Anwendungen umfassen das Marketing für Marken, die die ansprechendsten Farben für ihr Publikum finden oder die Konsistenz von Materialien verbessern müssen.

Gemeinsame Kategorien von Spektralphotometern

Abgesehen von der Farbmessung sind Spektralphotometer in verschiedenen Formen und Größen erhältlich, um den Anforderungen Ihres Unternehmens gerecht zu werden. Einige gängige Kategorien von Spektralphotometern sind:

Tisch-Spektralphotometer

Benchtop-Spektralphotometer sind ideal für die Arbeit im Labor. Die berührungslose Richtungsgeometrie bietet eine einzigartige Messmethode, die den Kontakt mit Ihren Proben vermeidet und so die Zeit für die Probenvorbereitung und -reinigung reduziert. Tischgeräte bieten ein Höchstmaß an Präzision und Kontrolle.

Tragbare Spektralphotometer

Portable Spektralphotometer können überall Proben messen, vom Lager bis zur Produktion. Sie sind robust genug, um mitgenommen zu werden, und bequem zu bedienen, wann immer Sie sie brauchen. Mit modernster Software können die tragbaren Modelle Proben verarbeiten, überwachen, analysieren und Ergebnisse ausgeben.

In-Line-Spektralphotometer

Ein Inline- oder In-Prozess-Spektralphotometer wird in Ihrem Prozess installiert, um während eines Produktionslaufs konstante Farbmessdaten zu liefern. Während Ihr Produkt die Produktion durchläuft, liefern Inline-Modelle kontinuierliche Farbdaten in Echtzeit und informieren die Bediener über Farbabweichungen, die korrigiert werden können, bevor ein Fehler auftritt.

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HunterLab-Spektralphotometer können das Erscheinungsbild und die Konsistenz von Produkten verbessern, die Kundenwahrnehmung verbessern und das Vertrauen in Ihre Marke stärken. Sie können auch Ihre Produktionsprozesse rationalisieren und Ihnen helfen, konstant Qualitätsprodukte zu liefern.

HunterLab liefert seit über 70 Jahren hochwertige Farbmess- und Testlösungen. Wir führen eine Reihe von Spektralphotometern für Proben aller Größen und Arten. Wenden Sie sich noch heute an die Fachleute von HunterLab, um zu erfahren, wie unsere Spektralphotometer Ihre Arbeit unterstützen können!