Spektrometer

In vielen Prüfszenarien reicht die Erkennung der anliegenden Farbinformation als Punkt in einem Normfarbraum nicht aus. Stattdessen sind detaillierte spektrale Informationen gefragt. Während ein gemessener Farbwert nur den Gesamteindruck des geprüften Objekts widerspiegelt, enthält ein gemessenes Spektrum Informationen über den spektralen Aufbau des aufgenommenen Lichtreizes.

Für eine Vielzahl von Anwendungsfeldern ist die Messung eines Spektrums zwingend notwendig. Lichtquellen, etwa beim Prüfen von LEDs, werden auf diese Weise auf ihre Maßhaltigkeit geprüft. Nur mit genauem Blick darauf, auf welcher Wellenlänge eine LED mit welcher Intensität strahlt, kann im Fertigungsprozess die Einhaltung der Spezifikation sichergestellt werden.

Auch Oberflächenveredelungen wie Lackierungen müssen teilweise spektral geprüft werden: Während zwei Objekte im Licht der Leuchtstoffröhren einer Fertigungshalle noch identisch aussehen mögen, erscheinen sie unter Sonnenlicht plötzlich in verschiedenen Schattierungen - ein Phänomen, das als Metamerie bezeichnet wird. Hintergrund ist der unterschiedliche spektrale Aufbau der Farbeindrücke der beiden Objekte. Während sich die Reflexionen der einzelnen Wellenlängenbereiche im Licht der Leuchtstoffröhren noch zur selben Summe addieren, reflektieren sie das Sonnenlicht in unterschiedlicher Weise - der Eindruck der Farbabweichung entsteht. Um dieses Problem schon in der Fertigung lösen zu können, muss bereits dort der spektrale Aufbau des reflektierten Lichts geprüft werden, nicht nur der Gesamteindruck.

Spektrale Information und Farbwert

Aus dem Farbeindruck selbst lassen sich nur sehr begrenzt Aussagen über den spektralen Aufbau einer Lichtquelle treffen. Die folgende Grafik zeigt den Grund am Beispiel zweier üblicher Lichtquellen: Der Sonne und einer Leuchtstoffröhre. Das abgebildete Sonnenspektrum ist nur ein kleiner Ausschnitt, unser Stern strahlt noch weit in in den Infrarot-Bereich hinein. Die gezeigte Linie entspricht einer Messung an der Erdoberfläche. Einige Frequenzbereiche werden schon in der Atmosphäre reflektiert oder absorbiert, so dass insb. im ultravioletten Bereich weit weniger ankommt als in 100km Höhe messbar wäre. Die an der Erdoberfläche gemessenen Emissionen der Sonne sind im gesamten für den Menschen sichtbaren Bereich beinahe gleich intensiv. Vermutlich haben sich unsere Augen gerade deshalb evolutionär so entwickelt, dass gerade dieser Frequenzbereich von uns als Licht wahrgenommen wird. 

Das zweite Spektrum zeigt die Emissionen einer handelsüblichen Leuchtstoffröhre. Wie man sehen kann, strahlt eine Leuchtstoffröhre nur in einem sehr engen Frequenzband, dort jedoch recht stark. Außerhalb der beiden Peaks bei 550nm und 610nm leuchtet sie praktisch überhaupt nicht.

Dennoch wirkt der Farbeindruck dieser beiden denkbar unterschiedlichen Lichtquellen für das menschliche Auge praktisch identisch!

Zwar können wir Menschen uns auch unter dem Licht einer Leuchtstoffröhre gut zurecht finden. Es gibt aber viele Bereiche, in denen dieser Unterschied von großer Bedeutung ist.

So sind zum Beispiel Pflanzen für optimales Wachstum nicht nur auf Licht als Energiequelle für photosynthetische Prozesse angewiesen. Strahlung im ultravioletten und infraroten Bereich reguliert zusätzlich auch den Hormonhaushalt der Pflanze und hat auf diese Weise Auswirkung auf ihr Wachstumsverhalten.

Soll also aus verfügbaren Lichtquellen diejenige ausgewählt werden, die optimal für die Beleuchtung von Pflanzen geeignet ist, dann hilft ein Farbwert dabei nicht weiter. Stattdessen müssen die Spektren der Lichtquellen mit dem der durch die Atmosphäre gefilterten Sonne verglichen werden.

Wie funktioniert ein Spektrometer?

Ein Spektrometer gibt Auskunft über die Intensitäten einzelner Wellenlängen-Bereiche. Der zu messende Lichtreiz besteht jedoch aus lauter sich überlagernden Lichtstrahlen, die womöglich auch noch in unterschiedlichste Richtungen reflektiert werden.. Zunächst müssen diese Strahlen also parallelisiert werden. Dazu wird, im Bild unten illustriert, eine Linse verwendet.

Nach dem Weg durch die Linse sind die Lichtstrahlen nun zwar parallel zueinander, einzelne Strahlen unterschiedlicher Wellenlängen sind jedoch noch immer überlagert. Deshalb wird der Strahl nun durch ein optisches Gitter oder auch Beugungsgitter geführt. Ein optisches Gitter kann man sich tatsächlich wie ein Gitter vorstellen, jedoch sind die Abmessungen äußerst klein: die Breite der Schlitze betragen meist nur wenige µm.

Während der Passage durch Gitter werden die Lichtstrahlen gebeugt. Die Stärke der Beugung ist bei Licht teilweise wellenlängenabhängig: Je größer die Wellenlänge, desto stärker die Beugung. Dadurch wird der Lichtstrahl am optischen Gitter also nach Wellenlänge aufgefächert.

Der resultierende Strahl hat jedoch weiterhin einen zweidimensionalen Querschnitt. Weil die am Ende wartenden Sensorzeilen tatsächlich Zeilen, also eher linienförmig sind, muss nun eine zweite Linse den kreisförmigen Strahl so bündeln, dass möglichst das gesamte Licht auf den Sensor fällt.

Der Sensor besteht aus einer Reihe einzelner Zellen. Da ein nach Wellenlänge aufgefächerter Lichtstrahl auf den Sensor trifft, erreichen jeweils nur bestimmte Wellenlängen die einzelnen Zellen. Die Zellen selbst zählen nun einfach die auftreffenden Photonen, und am Ausgang der Sensorzeile wird ein elektrisches Signal ausgeliefert, dass die jeweils gemessene Intensität pro Zelle ausgibt.

Es gibt jedoch Spektrometer als elektrisches Bauteil und Spektrometer als fertiges Gerät. Diese Illustration beschreibt nur die Funktionsweise des Bauteils. Die dort herauskommenden analogen Signale müssen aber noch in digitale Informationen umgewandelt werden, um mit ihnen rechnen zu können. Und ein Spektrometer als Gerät soll ja auch benutzt werde, d.h. die Nutzer/-innen müssen Einstellungen vornehmen und speichern, Spektren filtern und Endergebnisse über die Spektrometer-Ausgänge auslesen können.

Im Falle von Inline-Spektrometern wie dem Spektralwerk gibt es zusätzlich auch Schaltausgänge, mit denen in laufenden Prozessen Steuerungsfunktionen übernommen werden können, um etwa beim Erkennen eines Fehlers in der Fertigung das jeweilige Objekt automatisiert erkennen und aussortieren zu können. Dazu müssen Spektren auf dem Gerät zuvor eingelernt und mit bestimmten Toleranzräumen versehen werden, um in der Fertigung später akzeptable Ergebnisse und Produktionsfehler automatisch unterscheidbar zu machen.

Was ist ein Inline-Spektrometer?

Viele Spektrometer auf dem Markt sind die für Nutzung in Laboren und ähnlichen Umgebungen konzipiert worden. Dort sitzt eine Person mit dem Testobjekt an einem Tisch und liest mehr oder weniger manuell das spektrale Resultat ab, das vom Spektrometer ausgegeben wird. Zwar liegt das Messergebnis meist schon in digitaler Form vor und wird ggf. über USB oder andere Schnittstellen an einen Computer übertragen. Dort kann es dann weiter analysiert werden. Auch kann bei Labor-Spektrometern der Schritt der Übertragung und Weiterverarbeitung teilweise automatisiert werden, sobald das Messergebnis im Computer angekommen ist. In den meisten Fällen bleibt der Prozess insgesamt jedoch weitgehend manuell: Es bleibt bei einer Person, die per Hand dem Spektrometer ein neues Testobjekt zuführt und anschließend wieder weg legt. 

In der automatisiert arbeitenden Fertigungstechnik ist das nur noch selten möglich. Die Wirtschaftlichkeit erfordert einfach zu hohe Durchsätze. Deshalb soll hier sowohl die Erfassung als auch die daraus abzuleitende Handlung automatisch erfolgen: Sensor und Aktor bilden in ihrer Zusammenarbeit einen Regelkreis. Inline-Spektrometer wie Spektralwerk sind Spektrometer, die in dieser Form in der Fertigung eingesetzt werden können. Solche Spektrometer haben meist eigene programmierbare Schaltausgänge, im Falle des Spektralwerks 8 Stück, die mit den Aktoren verbunden werden. Inline-Spektrometer erfassen also auch nicht nur das konkrete Spektrum, sondern steuern nach zuvor konfigurierten Regeln auch die mit ihnen verbundenen Aktoren. Fällt das gemessene Testobjekt nicht in den definierten Toleranzbereich, wird es auf diese Weise automatisch aussortiert.

Inline-Spektrometer müssen meist auch höhere Samplingraten schaffen. Bei Labor-Geräten ist eine Messung pro Sekunde häufig ausreichen, Inline-Spektrometer wie Spektralwerk dagegen sampeln meist im Kilohertz-Bereich, d.h. sie messen und verarbeiten Tausende von Eindrücken pro Sekunde und schalten die Ausgänge ebenfalls so schnell.

Spektralwerk Spektrometer

Spektrometer der Spektralwerk-Reihe wurden speziell für solche industriellen Einsatzszenarien entwickelt. Mit Außenmaßen von 60x50x50mm und IP65-geschütztem Gehäuse eignen sie sich ideal für die Inline-Klassifikation anhand spektraler Informationen.

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