Spektralphotometer. Was ist das, wie funktioniert es und wofür wird es verwendet?

Das Wort „Spektralphotometer“ taucht in vielen Branchen auf – von der Laborchemie bis hin zur Qualitätskontrolle in der Lackindustrie. Das Problem besteht darin, dass sich hinter derselben Bezeichnung Geräte verbergen, die nach völlig unterschiedlichen Prinzipien arbeiten und für unterschiedliche Zwecke eingesetzt werden. Dieser Artikel behandelt Spektralphotometer zur Farbmessung, also Geräte zur Messung von Farben mittels spektraler Reflexion, die in der industriellen Produktion verwendet werden.

Was ist ein Spektralphotometer?

Ein Spektralphotometer ist ein Messgerät, das misst, wie eine Probe Licht abhängig von dessen Wellenlänge absorbiert oder reflektiert. Das Ergebnis ist eine spektrale Reflexionskurve – eine einzigartige „Farbsignatur“ der Probe, auf deren Grundlage Farbkoordinaten in kolorimetrischen Farbräumen (CIELab, CIELCh, XYZ und andere) berechnet werden.

Vereinfacht gesagt beantwortet ein Spektralphotometer die Frage: „Wie würde diese Farbe im Auge eines Beobachters unter einer bestimmten Beleuchtung aussehen?“ – und drückt diese Antwort in Zahlen aus.

Spektralphotometer zur Farbmessung vs. Labor-Spektralphotometer. Ein wichtiger Unterschied

Im Internet findet man unter derselben Bezeichnung zwei Kategorien von Geräten:

Wenn Sie ein Gerät zur Farbkontrolle in der industriellen Produktion suchen, ist dieser Artikel genau das Richtige für Sie. Wenn Sie hingegen ein Spektralphotometer für chemische Analysen (DNA, Enzyme, Konzentrationen) benötigen, handelt es sich um eine völlig andere Gerätekategorie.

Wie funktioniert ein Spektralphotometer zur Farbmessung?

Das Funktionsprinzip basiert auf der Messung der spektralen Reflexion: Das Gerät beleuchtet die Probe und erfasst, wie viel Licht von ihrer Oberfläche bei jeder Wellenlänge des sichtbaren Bereichs (360–780 nm) in 10-nm-Schritten reflektiert wird.

Schritt für Schritt: Was passiert im Inneren?

1. Die Lichtquelle beleuchtet die Probe mit einem standardisierten Lichtstrahl.
2. Eine Ulbricht-Kugel (d/8°-Geometrie) oder ein 45°/0°-System streut bzw. richtet das Licht gleichmäßig auf die Probe.
3. Ein Beugungsgitter zerlegt das reflektierte Licht in einzelne Wellenlängen.
4. Ein CMOS-Sensor erfasst die Reflexionsintensität bei jeder Wellenlänge von 360 bis 780 nm in 10-nm-Schritten.
5. Die Software verarbeitet die Reflexionskurve zu Farbkoordinaten (L*, a*, b*) und berechnet die ΔE-Abweichung im Vergleich zum Referenzmuster.

Die gesamte Messung dauert etwa 1 Sekunde.

Kalibrierung vor der Messung

Vor jeder Messreihe führt das Spektralphotometer eine Kalibrierung mit einer weißen und einer schwarzen Referenzplatte durch. Die weiße Platte (Keramik) definiert etwa 100 % Reflexion, die schwarze den Nullpunkt (Lichtfalle). Ohne Kalibrierung sind die Ergebnisse durch thermischen Drift und die Alterung der Lichtquelle fehlerbehaftet. Spektralphotometer von 3Color® (z. B. die SFXn-Serie) verwenden eine intelligente automatische Kalibrierung. Das Gerät erkennt die Bedingungen selbstständig und erinnert an die notwendige Kalibrierung, sobald ein Temperaturgrenzwert oder eine bestimmte Anzahl von Messungen überschritten wurde.

Messgeometrie: d/8° vs. 45°/0°

Die Geometrie beschreibt die Anordnung der Lichtquelle und des Detektors relativ zur Probe. Sie ist der wichtigste Parameter bei der Auswahl eines Spektralphotometers. Eine falsche Wahl der Geometrie führt zu Ergebnissen, die mit denen des Labors des Kunden oder Lieferanten nicht vergleichbar sind.

SCI und SCE: Was bedeuten sie?

SCI (Specular Component Included): Messung mit eingeschlossener spiegelnder Komponente. Dabei wird die Farbe unabhängig vom Oberflächenglanz gemessen. Ideal für Vergleiche zwischen Laboren, wenn die Proben unterschiedliche Oberflächenstrukturen aufweisen.

SCE (Specular Component Excluded): Messung mit ausgeschlossener spiegelnder Komponente. Sie entspricht dem visuellen Eindruck: Eine matte und eine glänzende Probe mit derselben Pigmentfarbe werden unterschiedlich gemessen – genau wie es das menschliche Auge wahrnimmt.

Sphärische Spektralphotometer (d/8°) führen beide Messmodi gleichzeitig in einer einzigen Messung durch. Das ist ein wichtiger Vorteil gegenüber der 45°/0°-Geometrie, die ausschließlich im SCE-Modus misst.

Was misst ein Spektralphotometer zur Farbmessung?

Ein Spektralphotometer zur Farbmessung misst die spektrale Reflexion (0–200 %) im Bereich von 360–780 nm. Auf dieser Grundlage berechnet es Dutzende von Farb- und optischen Parametern:

Farbkoordinaten

• CIELab (L, a, b*):** der am häufigsten verwendete Industriestandard
• CIELCh (L, C, h°):** Farbe im System Helligkeit/Sättigung/Farbton
• CIEXYZ: CIE-Tristimuluswerte, Grundlage aller Farbräume
• HunterLab: älterer Farbraum, der in einigen Branchen verwendet wird (Papier, Kunststoffe)
• Yxy: Luminanz und Chromatizität
• RGB: Kanalwerte für digitale Anwendungen

Farbunterschied (ΔE)

ΔE (Delta E) ist ein Maß für den Farbunterschied zwischen einer Probe und einem Referenzmuster. Je niedriger der ΔE-Wert, desto ähnlicher sind die Farben. In der Qualitätskontrolle gelten zulässige Toleranzen:

Mehr über den Farbunterschied erfahren Sie im speziellen Artikel zur Farbmessung.

Kolorimetrische Indizes

• Weißgrad (Whiteness Index), ASTM E313, CIE, ISO 2470, Hunter: Bewertung des Weißgrades von Papier, Kunststoffen und Textilien
• Gelbindex (Yellowness Index), ASTM D1925, ASTM E313: Alterung von Materialien, Qualitätsbewertung von Kunststoffen
• Farbstärke (Color Strength): Qualitätskontrolle von Pigmenten und Farbkonzentraten
• Schwärze (Blackness My, dM): Tiefe des Schwarztons in der Druck- und Textilindustrie
• Metamerie: Bewertung, ob zwei Farben unter unterschiedlichen Lichtquellen gleich aussehen
• Optische Dichte CMYK: für Druckindustrie und Offsetdruck
• Hiding Power: Deckkraft von Lack- und Farbbeschichtungen

Optische Eigenschaften

• Spektrale Reflexion [%] bei jeder Wellenlänge von 360–780 nm
• Transmission (T-Modus) für transparente Proben: Folien, Glas, Flüssigkeiten
• Munsell: Umrechnung in die traditionelle Munsell-Farbskala

Wie verwendet man ein Spektralphotometer Schritt für Schritt?

Vorbereitung der Messung:

1. Schalten Sie das Gerät ein und warten Sie mindestens 5 Minuten, bis sich die Lichtquelle thermisch stabilisiert hat.
2. Führen Sie eine Kalibrierung mit der weißen und schwarzen Referenzplatte durch (im Lieferumfang des Geräts enthalten).
3. Wählen Sie den Beobachterwinkel: 2° (kleine Proben, Laboranwendungen) oder 10° (Produktion, visuelle Qualitätskontrolle).
4. Wählen Sie das Normlicht: D65 (Standard-Tageslicht, am häufigsten verwendet), D50 (Grafik, Druckindustrie), A (Glühlampe), F2/F11 (Leuchtstofflampen).
5. Wählen Sie je nach Bedarf den SCI- oder SCE-Modus.
6. Wählen Sie die ΔE-Formel entsprechend den Kundenanforderungen oder der jeweiligen Industrienorm aus.

Messung des Referenzmusters:

1. Platzieren Sie das Referenzmuster (Standard) auf der Messöffnung. Die Probe muss die Apertur vollständig abdecken.
2. Drücken Sie die Messtaste. Das Ergebnis erscheint innerhalb von ca. 1 Sekunde.
3. Speichern Sie das Referenzmuster im Gerätespeicher oder in der Musterbibliothek der Software.

Messung der Probe:

1. Platzieren Sie die Probe (Produktionscharge) an derselben Stelle auf dem Gerät wie zuvor das Referenzmuster.
2. Führen Sie die Messung durch. Das Gerät vergleicht die Probe automatisch mit dem
3. Referenzmuster und zeigt den ΔE-Wert an.
   Wenn ΔE < Toleranz: Charge akzeptiert. Wenn ΔE > Toleranz: Abweichung zur weiteren Analyse.

Für zuverlässige Ergebnisse sollte die Messung 3–5 Mal wiederholt und der Mittelwert gebildet werden (besonders wichtig bei inhomogenen Proben).

Häufige Fehler bei der Messung

Messblenden: Auswahl der richtigen Größe

Die Spektralphotometer der 3Color®-SFXn-Serie verfügen über austauschbare Messblenden. Die Wahl der richtigen Größe ist entscheidend für die Zuverlässigkeit der Messung:

Allgemeine Regel: Die Messblende sollte für die jeweilige Probe so groß wie möglich gewählt werden. Ein zu kleines Messfeld verstärkt Inhomogenitäten der Textur und erhöht die Streuung der Messergebnisse.

Anwendungen von Spektralphotometern in der Industrie

Farben und Lacke

Kontrolle der Farbe von Lackbeschichtungen – von der Pigmentrezeptur bis zur Freigabe der fertigen Produktionscharge. Das Spektralphotometer ermöglicht das Rezeptieren (Computer Color Matching), also die Berechnung einer Pigmentrezeptur auf Basis der Messung eines Referenzmusters. Wichtige Parameter: ΔE*00, Metamerie-Index, Farbstärke, Hiding Power. Empfohlene Geometrie: d/8° (SFXn) für Rezeptierung und Labor, 45°/0° (SFXnc) zur visuellen Beurteilung des Beschichtungsbildes.

Kunststoffe

Bewertung der Farbe von Granulat, Spritzgussteilen und fertigen Bauteilen – besonders wichtig in der Automobil- und Verpackungsindustrie. Das Spektralphotometer erkennt Farbabweichungen, die durch unterschiedliche Pigmentchargen, Änderungen der Spritztemperatur oder UV-Alterung des Materials entstehen. Typische Toleranz für sichtbare Bauteile: ΔE*ab < 0,5. Empfohlene Geometrie: d/8° SCI.

Textilien und Bekleidung

Kontrolle der Farbübereinstimmung von Stoff-, Garn- und Fadenchargen mit dem Referenzmuster. In der Textilindustrie werden die Formeln ΔECMC oder ΔE94 sowie Metamerieberichte verwendet (Bewertung der Farbe unter den Normlichtarten D65, A und F11). Die kleine Apertur 1×3 mm (SFXne) ermöglicht die Messung einzelner Fäden oder schmaler Stoffstreifen.

Druckindustrie und Printing

Überprüfung der Druckfarben im Vergleich zum ICC-Profil. Die 45°/0°-Geometrie (SFXnc) entspricht dem visuellen Eindruck des Betrachters. Die Messung der optischen Dichte von CMYK sowie der CIELab-Koordinaten ermöglicht die Einhaltung von ΔE < 2 zwischen verschiedenen Druckaufträgen. Normen: ISO 12647-2 (Offsetdruck), ISO 12647-3 (Zeitungsdruck).

Kosmetik und Pharmazie

Bewertung der Farbe von Cremes, Pudern, Lippenstiften und Wirkstoffen. Wichtig sind sowohl die Farbe des Produkts selbst als auch dessen Verhalten unter unterschiedlichen Beleuchtungsbedingungen (Metamerie). Das Spektralphotometer ermöglicht die Definition und Einhaltung von Farbstandards zwischen Produktionschargen.

Keramik, Glas und Emaille

Kontrolle der Farbe von Glasuren, Emaille und Gebrauchsglas. Transmissionsmessung (T-Modus) für transparente oder transluzente Proben. Die d/8°-Geometrie eliminiert den Einfluss von Glanzeffekten auf das Farbmessergebnis.

Wodurch unterscheiden sich die Messgeräte in unserem Angebot?

Das ist eine der häufigsten Fragen. Die kurze Antwort lautet: Ein Spektralphotometer misst die Reflexionskurve, ein Kolorimeter misst nur die Tristimuluswerte. Genau das entscheidet über den Funktionsumfang und die Messgenauigkeit.

Einen ausführlichen Vergleich zwischen Kolorimeter und Spektralphotometer finden Sie im Artikel: Kolorimeter vs. Spektralphotometer.

Wie liest man die Spezifikation eines Spektralphotometers?

Beim Kauf eines Spektralphotometers ist es wichtig, die wichtigsten Parameter im Produktdatenblatt zu verstehen:

Häufig gestellte Fragen

Was ist ein Spektralphotometer?

Ein Spektralphotometer ist ein Messgerät, das die spektrale Reflexion einer Probe im sichtbaren Bereich (360–780 nm) misst. Auf Basis der Spektraldaten berechnet es Farbkoordinaten (CIELab, CIELCh), den Farbunterschied ΔE sowie kolorimetrische Indizes (Weißgrad, Gelbindex, Farbstärke). In der Industrie dient es der objektiven, numerischen Farbkontrolle.

Wie funktioniert ein Spektralphotometer zur Farbmessung?

Das Spektralphotometer beleuchtet die Probe mit einer standardisierten Lichtquelle (LED + Xenonlampe) und registriert anschließend, wie viel Licht bei jeder Wellenlänge von 360 bis 780 nm von der Oberfläche reflektiert wird. Ein Beugungsgitter zerlegt das reflektierte Licht in seine Spektralkomponenten. Die Software verarbeitet die Ergebnisse und berechnet Farbkoordinaten sowie den ΔE-Wert im Vergleich zum Referenzmuster.

Was misst ein Spektralphotometer?

Ein Spektralphotometer zur Farbmessung misst: die spektrale Reflexion [%] bei jeder Wellenlänge, Farbkoordinaten (L*, a*, b*, C*, h°), Farbunterschiede ΔE (ΔEab, ΔE00, ΔECMC, ΔE94), Weiß-, Gelb- und Schwarzindizes, Farbstärke, optische Dichte CMYK sowie die Bewertung der Metamerie.

Was ist der Unterschied zwischen einem Spektralphotometer und einem Kolorimeter?

Ein Spektralphotometer misst die vollständige Reflexionskurve (40+ Messpunkte), wodurch Metamerieanalysen, die Änderung des Illuminanten ohne erneute Messung sowie die Farbrezeptierung möglich sind. Ein Kolorimeter misst lediglich die XYZ-Tristimuluswerte über RGB-Filter. Es ist einfacher und günstiger, liefert jedoch keine Spektraldaten. Empfehlung: Spektralphotometer für Labor und anspruchsvolle Qualitätskontrolle, Kolorimeter für einfache Farbkontrollen in der Produktion.

Was ist Delta E (ΔE)?

Delta E (ΔE) ist ein Zahlenwert, der den Farbunterschied zwischen einer Probe und einem Referenzmuster beschreibt. Je kleiner der ΔE-Wert, desto ähnlicher sind die Farben. Allgemein gilt: ΔE < 1 ist mit bloßem Auge nicht wahrnehmbar, ΔE 1–2 ist kaum sichtbar, ΔE > 3 deutlich erkennbar. In der Lackindustrie wird häufig eine Toleranz von ΔE*00 < 0,5 verwendet.

Wie verwendet man ein Spektralphotometer?

1. Schalten Sie das Gerät ein und warten Sie 5 Minuten auf die Stabilisierung.
2. Führen Sie eine Kalibrierung mit der weißen und schwarzen Referenzplatte durch.
3. Wählen Sie den Beobachter (2° oder 10°), den Illuminanten (D65, D50, A) und die ΔE-Formel aus.
4. Messen Sie das Referenzmuster und speichern Sie es im Gerätespeicher.
5. Messen Sie die Produktionsproben. Das Gerät zeigt den ΔE-Wert automatisch an.
6. Akzeptieren Sie Chargen mit ΔE innerhalb der Toleranz und weisen Sie Chargen mit höheren Werten zurück oder analysieren Sie diese weiter.