Spektrometer

Hvordan fungerer et spektrometer?
Et spektrometer er en optisk måleanordning til at bestemme lysintensiteten som funktion af bølgelængden. Det resulterende spektrum afspejler mængden af lys, der reflekteres eller absorberes af et objekt. Et spektrometer består af nogle få grundlæggende elementer, herunder en lyskilde, et billeddannelsessystem (spejl, linse) og en detektor. I samspillet mellem disse tre komponenter kan farvespektre bestemmes for en lang række materialer i forskellige aggregeringstilstande og konsistenser.

Hvad er forskellen mellem et kolorimeter og et spektrometer ?
Kolorimetre bruger tristimulus-metoden med det formål at kortlægge menneskets syn. De tre farver rød, grøn og blå optages på nethinden i det menneskelige øje via tre forskellige typer kegler. Kolorimetre efterligner denne opfattelse af farve ved hjælp af tre farvesensorer med forskellige følsomheder i områderne rød, grøn og blå. Farveværdierne bestemt på denne måde registreres af kolorimetrene som X-, Y- og Z-værdier og vises på displayet. De fleste kolorimetre konverterer automatisk X-, Y- og Z-koordinater til almindelige farverum såsom CIELab CIELuv, Yxy eller RGB.

Spektrometre arbejder efter det samme grundlæggende princip, men den største forskel til kolorimetre er i følsomhed og antal sensorer. Afhængig af apparatets kvalitet installeres væsentligt flere sensorer i spektrometre, så apparaterne kan demonstrere bølgelængdespecifik følsomhed i det lave nanometerområde. På denne måde bestemmes ikke kun farvekoordinater, men også spektralfordelingen og intensiteten kan bestemmes og vises meget mere præcist. Ligeledes kan spektrometre detektere metamerisme. I dette fænomen har to forskellige objekter samme farve under én lyskilde, men tydelige farveforskelle er synlige under en anden lyskilde. Forskellige spektrale reflektionsegenskaber af overfladerne, udløst af brugen af forskellige pigmenter, er ofte årsagen. Ydermere kan spektrometre også bestemme andre kolorimetriske indekser såsom hvidhed, gulhed, opacitet, farveægthed og forskellige farveforskelle parametre såsom deltaEab, deltaEuv, deltaEcmc eller deltaE2000.

Spektrometre bruges derfor fortrinsvis i forskning og udvikling og bruges når farver og farvespektre skal bestemmes meget præcist. Remissionskurverne bestemt af spektrometeret repræsenterer et specifikt fingeraftryk for den målte farve med hensyn til intensitet og bølgelængde, hvilket gør det muligt præcist at bestemme farveplaceringen. Farvesammenligningsmålinger med en simpel visning af farveforskelle ved hjælp af kolorimetre er normalt tilstrækkelige til brug i produktionsprocessen, ind- og udgående vareinspektion og kvalitetskontrol.

Refleksionsmåling eller transmissionsmåling?
Afhængigt af om prøverne, der skal måles, er uigennemsigtige, transparente eller gennemskinnelige objekter, skal et spektrometer kan vælges med passende funktion og geometri. Standardapplikationen er måling af uigennemsigtige prøver, så de fleste målinger udføres som reflektionsmålinger, hvorfor størstedelen af spektrometre er udstyret med en tilsvarende målegeometri som standard. Standardmålegeometrierne såsom d/8 eller 45/0 egner sig ikke til transparente genstande eller væsker, så der skal vælges spektrometre med passende geometri og målefunktion. Målinger af transmitterede lysmængder, dvs. samtidig også absorptionsmængder, udføres især i analytisk kemi.

Hvilken målegeometri er den rigtige?
Målegeometrien bestemmer placeringen af måleapparatets lyskilde til overfladen af måleobjektet samt justeringen af sensoren til den reflekterende overflade af måleobjektet. Valg af den rigtige eller forkerte målegeometri kan have stor betydning for måleresultaterne og føre til fortolkningsfejl, når der udveksles information mellem kunder og leverandører. Da målegeometrien på spektrometret ikke kan indstilles eller justeres senere, bør det sikres, hvilken målegeometri der giver mening for den pågældende applikation. Velkendte målegeometrier er d/8 og 45/0 for reflektionsmålinger eller d/0 for transmissionsmålinger.

Med d/8 målegeometrien, også kendt som den integrerende sfære, diffus der genereres lys, hvilket skaber effekten af overfladens tekstur i form af glans og ruhed. Med denne målegeometri kan du bogstaveligt talt se på farven. Nogle spektrometre med denne geometri har også optiske glansfælder (SCI; SCE) for at inkludere glanseffekten i målingen eller for at skjule den. D/8-geometrien bruges f.eks. med ru overflader eller tekstiler.

Derimod genererer 45/0-målegeometrien en rettet refleksion, som i højere grad svarer til menneskelig perception. 45/0 målegeometrien er derfor nyttig, når det visuelle indtryk af et objekt på mennesker skal genskabes. DIN 5033 anbefaler at udføre målinger på blanke og malede overflader med en 45/0 geometri.
Der findes også specielle spektrometre med flervinkelgeometri. Grundprincippet er identisk med de ovenfor nævnte geometrier med den forskel, at målinger ikke kun kan tages fra én vinkel, men fra flere vinkler (f.eks. 15°, 25°, 75° og 110°). Disse enheder bruges til metallisk og effektmaling, fordi disse malinger producerer meget forskellige farveværdier afhængigt af synsvinklen.

Hvilken slags lys skal måles?
Anvendelse af forskellige typer lys kan ændre opfattelsen af farveindtryk og bl.a. tilfældet med en måleanordning, fører til forskellige måleresultater. CIE har derfor defineret standard lyskilder med en defineret spektral emission for at skabe sammenlignelighed mellem forskellige enheder og producenter. Valget af lystype bør baseres på produktets senere anvendelsesområde. Standard lyskilden D65 er udbredt. D65 simulerer dagslys med UV-komponenter ved en farvetemperatur på omkring 6500 Kelvin. Standard lystype C står også for dagslys, dog uden UV-komponenter ved en farvetemperatur på cirka 6770 Kelvin. Lystypen F11 er også kendt som stormagasinlampe på 4000 Kelvin og er velegnet, når produkter anvendes under kunstigt lys. Ud over disse lystyper er der mange andre smalle til bredbåndsstandardiserede lystyper. De fleste spektrometre har et stort udvalg af forskellige typer lys til at dække en lang række anvendelser.

Hvad skal man overveje, når man måler nøjagtighed?
Hvornår Ved valg af nøjagtighedskravene skal der lægges vægt på reproducerbarheden af måleresultaterne og sammenligneligheden af forskellige spektrometre fra en serie. Især ved spektrometre skal man også være opmærksom på måleapparaternes spektrale opløsning. Anvendes forskellige enhedsmodeller fra forskellige producenter i en virksomhed, tilstræbes det at opnå en så høj nøjagtighed som muligt mellem de forskellige modeller, men det kan sjældent opnås i praksis. Det ideelle tilfælde er derfor at bruge en model fra samme producent til en applikation. På denne måde kan maksimal repeterbarhed og sammenligningsværdier mellem spektrometrene opnås.

Handler det om interne kvalitetstjek eller eksterne specifikationer?
som bruges til senere sammenligningsmålinger. Handler det om interne målinger, hvor processikkerhed og kvalitet skal kontrolleres ud fra særligt definerede farvestandarder? Eller skal eksterne specifikationer fra en kunde eller leverandør tages i betragtning? Hvis eksterne specifikationer skal overholdes, skal parterne først afklare, hvilke måleapparater der skal anvendes, og hvilke parametre der er vigtige. Det er især vigtigt at nå til enighed om måleparametrene (farverum, målegeometri, måleblænde, lystype, SCI, SCE, spin, Spex) på forhånd, ellers kan de målte værdier ikke sammenlignes. Ideelt set bør begge brugere bruge identiske måleenheder fra én producent.

Bruger du koordinater for et farverum eller farvekort?
I nogle applikationer, farve værdier fra standardiserede farvesystemer bruges til sammenligningsmålinger eller farvekataloger. Kendte farvekataloger er f.eks. RAL, NCS, DIN eller Pantone. Ved hjælp af disse farvekataloger kan der udføres visuelle kontroller i produktionsprocessen og kvalitetskontrol. Den visuelle sammenligning af farvekort med trykfarver, farvestoffer eller farvede belægninger er ofte behæftet med fejl, da den ikke kan kontrolleres objektivt og under samme betingelser. Farvemåleapparater kan give reproducerbarhed og objektivitet, da digitalt lagrede farvekataloger kan sammenlignes med kundens farveprøver under definerede forhold. Ud over farvekort bruges farverum såsom CIELab eller RGB farverum i mange industrielle applikationer til at bestemme farver ved hjælp af spektrometre. Farverummene er geometrisk definerede, tredimensionelle legemer, hvor hver farve er defineret via 3 koordinater i X-, Y- og Z-retningerne. Ved at angive de rumlige koordinater for det tilsvarende farverum kan farver bestemmes meget præcist og farveafstande kan bestemmes præcist. Da farverum i modsætning til farvekataloger kan kortlægge alle mærkbare farver og ikke kun bruges i få brancher og derfor kan bruges universelt, er brugen af farverum ofte mere sammenlignelig og uafhængig.

Hvilken rolle spiller testprøven?
Handler det om glatte, jævne eller faste overflader? Har du brug for at bestemme farver på væsker eller fine pulvere? Er det groft granulat eller tyktflydende pasta? Der er egnede spektrometre til alle disse konsistenser. Så snart det ikke er et spørgsmål om faste stoffer, kræves der sædvanligvis kuvetter, hvori de flydende, pulverformige eller pastaagtige testmaterialer fyldes. Materialer af de mest varierede konsistenser kan måles og testes med spektrometre.

Hvilket design skal spektrometeret have?
Afhængigt af applikationen er det også vigtigt at vælge et passende design ud fra et ergonomisk synspunkt. Med nogle spektrometre er displayet monteret på toppen, med andre farvemåleapparater aflæses det på fronten og sensorerne monteres internt i et hus. Der findes også spektrometre med eksterne sensorer. Nogle spektrometre har indbyggede kameraer til at finde det rigtige målepunkt, når man placerer måleapparatet på måleobjektet. Især ved små genstande og små åbninger hjælper denne funktion med den korrekte placering af apparatet for at "ramme" målepunktet.

Hvis brugeren for eksempel skal udføre mange målinger i siddende stilling, giver det mening at bruge et spektrometer med displayet opad. Disse enheder skal for det meste placeres i vandret orientering, hvilket muliggør en stabil støtte på måleobjektet. Spektrometrene med lodret design har normalt et display, der peger i retning af brugeren. Den mulige kontaktflade er også normalt mindre. Dette design er mere velegnet til mobile målinger, hvor målinger også kan tages overhead på små måleområder på grund af utilgængelige målepunkter direkte i produktionen eller i marken.