Nanomania

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Wie wichtig ist die Auflösung bei der Wahl eines Spektralphotometers?

Dank der Entwicklung in der Mikroelektronik sind über die Jahre Farbmessgeräte immer kleiner, komfortabler und leistungsstärker geworden. Wer sich heute für ein Farbmessgerät interessiert, hat die Wahl zwischen zahlreichen Modellen und Anbietern – und damit auch die Qual. Nach welchen Kriterien soll die Entscheidung fallen? Am transparentesten erscheinen noch der Preis und die Ausstattungsmerkmale: Anzahl darstellbare Farbräume, Größe und Handlichkeit des Geräts, Zubehör usw. Doch wie steht es mit der Genauigkeit, und hier beginnt die Verwirrung bereits.

Wichtiger als die Auflösung…

Ein Spektralphotometer miss das Spektrum einer Farbe oder besser: die spektrale Reflektion bzw. Transmission der zu messenden Probe im sichtbaren Bereich. Ist die Genauigkeit deshalb also nur vom Spektralsensor abhängig? Das ist jedoch nur die eine Hälfte der Wahrheit. Auch die Art und Konstanz der Beleuchtung, die Einhaltung von Öffnungswinkeln der optischen Bauelementen oder der Mess-Geometrie (z.B. Verhältnis der freien Öffnungen zur Gesamtfläche bei der Kugel-Geometrie) haben einen erheblichen Einfluss auf Genauigkeit und vor allem auf die Übereinstimmung der Messgeräte zu- und untereinander . Die Qualität jeder dieser Komponenten ist jedoch nur schwer in Zahlen zu fassen und lässt sich in Prospekten kaum beschreiben.

Die Leistung des Sensors hingegen lässt sich dagegen gut in Zahlen ausdrücken. Vor allem die spektrale Auflösung wird häufig als alleiniges Qualitätsmerkmal schlechthin hervorgehoben. Zu Unrecht: Eine höhere spektrale Auflösung führt bei sonst identischen Messgeräten nicht automatisch auch zu besseren Ergebnissen. Nur bietet kein Hersteller das gleiche Messgerät mit unterschiedlichen Sensoren an. Es müssen also immer die Geräte als Ganzes verglichen werden.

… ist die Reproduzierbarkeit der Messung

Gemessen wird die spektrale Reflexion der Probe, also der Prozentsatz der reflektierten Strahlung bei verschiedenen Wellenlängen. Die Genauigkeit, mit der diese Spektralkurve erfasst wird, ist ein Mass für die Genauigkeit der Farbmessung. Jeder Punkt der Kurve hat zwei Koordinaten: seine Wellenlänge in nm und sein Reflexionsgrad in Prozenten (Abb. rechts). Wichtig ist, dass beide Werte genau und vor allem wiederholgenau erfasst werden. Die spektrale Auflösung (an wie vielen Punkten gemessen wird) ist wichtig, aber nicht so wichtig, wie die Genauigkeit, mit der die Punkte erfasst werden. Was nützt eine hohe Auflösung, wenn sich die Wellenlängen von Messung zu Messung verschieben oder die Reflexionsgradwerte im Zehntelprozent-Bereich schwanken?

Erst wenn diese Parameter mit hoher Genauigkeit erfasst werden, wird auch die Auflösung wichtig. Zudem hängt die benötigte Auflösung von der Steilheit der Kurve ab. 10nm reichen in der Reflexions-Körperfarbmessung völlig - selbst mit 20nm wäre eine Farbrezepturberechnungen möglich.

Für die Bewertung von Lichtquellen bietet Konica Minolta Spektralradiometer mit einer Auflösung von 0,Xnm an, das das diskontinuierliche Spektrum von Fluoreszenzlampen, anderen Entladungslampen mit schmalbandigen Emmisionslinien oder von LED’s gemessen werden kann. Solcher Art schmalbandiger Spektralverteilungen kommen allerdings als reflektierende Körperfarben nicht vor.

Stimmt die Halbwertbandbreite des Monochromators?

Der Monochromator zerlegt das von der Probe reflektierte Licht in seine Spektralanteile, der nachgeschaltete Sensor verwandelt es anschliessend in elektrische Signale. Der Monochromator ist also für die spektrale Auflösung zuständig, der Sensor bestimmt die Genauigkeit der Signalerfassung, also der Reflexionsgrade. Die Anzahl Sensoren hinter dem Monochromator bestimmt die spektrale Auflösung, die dann im Prospekt zu finden ist. Aber erreicht der Monochromator diese Auflösung auch? Das lässt sich an der so genannten Halbwertbreite feststellen, die angibt, wie „sauber“ bzw. "verschmiert" die Wellenlängen vom Monochromator aufgelöst werde. Sie sollte in der gleichen Grössenordnung liegen wie die Auflösung des Sensors. 2nm Auflösung des Sensors bringen wenig, wenn der vorgeschaltete Monochromator nur 10nm schafft. Das wäre, als sollte ein normales Autogetriebe die Kraft eines Formel-1-Motors umsetzen.

Das Rauschen im Walde…

…mag beruhigend auf die Seele wirken. Wenn jedoch die photoelektrischen Sensoren rauschen, führt dies leicht zu Nervosität. Dieses Phänomen ist hinreichend aus der Digitalfotografie bekannt. Wird die Anzahl von Pixeln bei gleicher Grundfläche des Sensors erhöht sich zwar die Auflösung, aber es verringert sich zwangsläufig die Grösse jedes einzelnen CCD Elementes. Je geringer die Fläche jedes Elementes aber ist desto geringer wird auch die Aufnahmefähigkeit für Lichtteilchen und das elektronische Rauschen erhöht sich. Bei niedrigen Reflexionsgraden – also bei dunklen Materialien – kann dieses Hintergrundrauschen sowohl die Messwerte als auch die Reproduzierfähigkeit negativ beeinflussen ( Bei einer Digitalkamera erscheinen dort, wo es eigentlich schwarz sein sollte, farbige Schattierungen). Manchmal behilft man sich damit, mehrere Elemente miteinander zu koppeln. Dann allerdings wird aus der ursprünglichen Auflösung von z.B. 2 nm eine Ausgabe der Messwerte von 10 nm – der Anfangs augenscheinliche Vorteil der hohen Auflösung hat sich somit selbst „aufgelöst“.

Andere Grössen…

….haben in der Praxis allerdings häufig einen erheblich grösseren Einfluss auf Genauigkeit und Reproduzierbarkeit. Die Genauigkeit einer Messung wird bei Einsatz neuester und hochwertiger Geräte-Technologie eher von Farb- und Oberflächenschwankungen der Probe oder von Applikationsproblemen an kleinen oder stark gekrümmten Flächen beeinflusst, als von der Auflösung. Qualität lässt sich hier nicht in blossen Zahlen ausdrücken. Erst ein Praxistest mit realen Prüfmustern bringt die wahre Qualität eines Farbmessgerätes ans Licht.