UV-Spektralradiometer und optische Spektrometer

UV-Spektralradiometer und optische Spektrometer erfassen Strahlung wellenlängenaufgelöst. Dadurch lassen sich Spektralverteilung, Peaklage, Bandbreite und spektrale Veränderungen einer UV-Quelle beurteilen. Für absolute Bestrahlungsstärken ist zusätzlich eine radiometrische Kalibrierung der vollständigen Messkette erforderlich. Die Auswahl richtet sich vor allem nach Wellenlängenbereich, spektraler Auflösung, Dynamik, Streulichtverhalten und Messgeometrie.

Das Portfolio umfasst die mobilen UV-Spektralradiometer UVpad und UVpad E sowie das Array-Spektrometer SR900 für Forschung, Entwicklung und Qualitätssicherung. Gebräuchlich sind auch die Schreibweisen Spektroradiometer und der Oberbegriff Spektralmessgerät – gemeint ist dasselbe Gerät.

Alle drei sind absolut kalibriert; die Kalibrierung erfolgt im nach ISO 17025 akkreditierten Labor und ist rückführbar auf die PTB. Die zugehörigen Größen und Einheiten stehen unter radiometrische Größen, die Bereichsgrenzen unter Spektralbereiche und Normen.

Beide Begriffe bezeichnen denselben optischen Aufbau, aber zwei verschiedene Messaufgaben. Der Unterschied liegt nicht in der Optik, sondern in der Kalibrierung und in der Eingangsgeometrie: Ein Spektrometer zerlegt Licht und gibt eine relative Kurve aus. Ein Spektralradiometer ist ein absolut kalibriertes Spektrometer – es liefert die spektrale Bestrahlungsstärke in W/(m²·nm) und daraus mW/cm², Lux oder PPFD.

Wer eine Bestrahlungsstärke oder eine Dosis braucht, braucht ein Spektralradiometer; alles andere misst relativ. Alle Geräte dieser Kategorie sind Spektralradiometer. Für die Messung von Transmission und UVT im Prozess – eine photometrische, keine radiometrische Aufgabe – bietet Opsytec das Prozessphotometer ZPM.

Ein Spektrometer liefert Zählraten – Zahlen, die vom Detektor, von der Integrationszeit, vom Eingangsspalt und vom Lichtleiter abhängen. Sie sagen, wo die Quelle emittiert, nicht wie viel. Erst die Absolutkalibrierung gegen ein Normal ordnet jeder Wellenlänge einen physikalischen Wert zu und macht aus der Kurve eine Messung.

Drei Dinge gehören dazu, und alle drei fehlen bei einem reinen Spektrometer:

• Eine rückführbare Kalibrierung gegen ein Normal, das seinerseits auf ein nationales Institut zurückgeht – bei Opsytec auf die PTB. Ohne sie ist der Wert nicht vergleichbar, auch nicht mit dem eigenen Gerät vom Vorjahr.
• Eine definierte Eingangsoptik. Eine Bestrahlungsstärke ist eine Leistung je Fläche; das Gerät muss also eine bekannte Fläche mit kosinusrichtiger Bewertung erfassen. Ein Lichtleiter ohne Diffusor erfüllt das nicht.
• Streulichtkorrektur. Im UV-C ist das Signal oft um Größenordnungen schwächer als im sichtbaren Bereich. Ohne Korrektur misst man dort vor allem Streulicht aus dem eigenen Gerät.

Ein Breitbandradiometer misst schneller, kostet weniger und ist im Alltag robuster; es gewichtet die Strahlung allerdings mit seiner eigenen spektralen Empfindlichkeit und stimmt nur dann, wenn die Quelle der Kalibrierquelle ähnelt. Für die laufende Überwachung einer bekannten Anlage bleibt es die richtige Wahl – dafür gibt es Breitbandradiometer für Prozess- und Dosisprüfungen.

Sobald die Quelle wechselt, mehrere Wellenlängen getrennt zu bewerten sind oder eine Wirkungsfunktion angewendet werden muss, führt kein Weg am Spektrum vorbei. Die vollständige Gegenüberstellung beider Bauarten samt Fehlerquellen zeigt wann ein Spektralradiometer nötig ist.

Erste Frage: Brauchen Sie einen Absolutwert? Wenn es nur um die Lage des Peaks, die Halbwertsbreite oder den Vergleich zweier Chargen geht, genügt eine relative Messung – dafür reicht ein Spektrometer. Sobald eine Zahl in mW/cm², Lux oder J/cm² herauskommen soll, führt kein Weg an der Absolutkalibrierung vorbei.

Zweite Frage: Welcher Wellenlängenbereich? Reines UV bis 440 nm, UV mit dem Anfang des Sichtbaren bis 480 nm, oder das volle optische Spektrum bis 1.100 nm – danach entscheidet sich das Gerät.

Dritte Frage: Wo wird gemessen? In der geschlossenen Kammer geht kein Kabel nach draußen; dort muss das Gerät autonom messen und speichern. Am Arbeitsplatz oder an der laufenden Anlage ist ein Sensorkopf am Kabel richtig. Auf der optischen Bank zählt der Bereich und die Auflösung, nicht die Baugröße.

Die letzte Zeile ist kein Widerspruch, sondern die häufigste Antwort in der Praxis: Einmal spektral vermessen, danach breitbandig überwachen. Die spektrale Messung bestimmt, wie der Breitbandsensor an dieser Quelle abweicht; danach reicht das schnelle Gerät für die wiederkehrende Kontrolle – solange die Quelle dieselbe bleibt. Wechselt die Lampe, beginnt die Kette von vorn.

Ein Spektrometer zerlegt Licht in seine Wellenlängen und misst die Intensität jeder einzelnen. Zunächst wird die Eintrittsoptik bestrahlt. Ein dispersives Element – ein Prisma oder ein Gitter – trennt die Wellenlängen räumlich; Photodioden oder CCD-Zeilen detektieren sie anschließend. Aus dem Spektrum lassen sich Rückschlüsse auf Lampe, LED oder Probe ziehen.

Der am häufigsten verwendete Aufbau ist das Czerny-Turner-Spektrometer: zwei Spiegel und ein Gitter, so angeordnet, dass optische Aberrationen klein und die spektrale Auflösung groß werden. Die Bauform ist kompakt genug für mobile Geräte und kleine Laborplätze.

Drei Bauarten sind zu unterscheiden.

Array-Spektrometer verwenden eine Zeile von Detektoren, üblicherweise CCD oder CMOS, die das ganze Spektrum gleichzeitig erfassen. Das macht die Messung schnell und kommt ohne bewegliche Teile aus. Alle Opsytec-Spektralradiometer arbeiten so.

Monochromatoren verfügen über einen Spalt und ein drehbares Gitter und lassen jeweils eine Wellenlänge durch. Sie messen sehr präzise und rein, brauchen dafür aber Zeit – jede Wellenlänge einzeln. Typisch für Forschung und Qualitätskontrolle, wo es auf die Wellenlängenselektion ankommt.

Doppelmonochromatoren schalten zwei Monochromatoren in Serie. Das senkt das Streulicht weiter und wird überall dort gebraucht, wo sehr schwache Signale neben starken liegen – im UV-Bereich und in der hochgenauen Labormesstechnik.

Aus einem einzigen Spektrum lassen sich mehrere Größen ableiten:

• Beleuchtungsstärke – die photometrisch bewertete Lichtintensität
• Ähnlichste Farbtemperatur (CCT) – beschreibt, wie „warm“ oder „kalt“ das Licht wirkt
• Farbwiedergabeindizes – wie genau eine Lichtquelle Farben wiedergibt
• Farbkoordinaten nach CIE – der Farbort im Normfarbraum
• Spektrale Verteilung – wie sich die Energie über das Spektrum verteilt
• Peak- und dominante Wellenlänge – wo die höchste beziehungsweise die optisch bestimmende Energie liegt

Ein Breitbandradiometer liefert davon eine einzige Zahl.

Was die einzelnen Größen bedeuten, steht unter farbmetrische Größen; Formelzeichen, Einheit und Definition aller optischen Größen im Glossar optischer Größen.

Der Begriff Spektrometer trägt weit über die Lichtmesstechnik hinaus. Drei Gerätearten tauchen bei einer Suche regelmäßig mit auf und messen etwas ganz anderes:

Massenspektrometer trennen Ionen nach ihrem Verhältnis von Masse zu Ladung. Sie identifizieren kleinste Substanzmengen und stehen in der chemischen Analytik, der Biochemie, der Umweltanalytik und der Pharmaindustrie.

Atomabsorptionsspektrometer messen, wie verdampfte Metallatome Licht absorbieren, und bestimmen daraus Metallkonzentrationen in Lösungen – Umweltanalytik, Toxikologie, Werkstoffkunde, besonders bei Schwermetallen.

Spektralphotometer, oft UV-Vis-Spektrometer genannt, messen die Absorption oder Transmission einer Probe und bestimmen daraus Konzentrationen. Verbreitet in der klinischen Diagnostik, der Wasseranalytik und der Lebensmittelüberwachung. Für Transmission und UVT im Prozess bietet Opsytec das Prozessphotometer ZPM.

Ein Spektralradiometer misst dagegen die spektrale Bestrahlungsstärke absolut kalibriert. Seine Einkoppeloptik ist ein Diffusor, meist über einen Lichtleiter angeschlossen – etwa beim Spektralradiometer SR900.

Was unterscheidet ein Spektrometer von einem Spektralradiometer?
Ein Spektrometer liefert relative Werte; ein Spektralradiometer ist absolut kalibriert und liefert die spektrale Bestrahlungsstärke. Alle Geräte dieser Kategorie sind Spektralradiometer.

Welchen Wellenlängenbereich und welche Auflösung brauche ich?
Der Bereich muss die Emission und mögliche Nebenbänder vollständig erfassen – reines UV bis 440 nm, UV mit dem Anfang des Sichtbaren bis 480 nm oder das volle optische Spektrum bis 1.100 nm. Die Auflösung entscheidet, ob nahe beieinanderliegende Peaks oder schmale Linien noch getrennt werden.

Welche Messfehler entstehen bei Array-Spektrometern?
Vor allem Streulicht: Anteile starker Wellenlängen erscheinen dort, wo sie nicht hingehören. Im UV-C ist das Signal oft um Größenordnungen schwächer als im sichtbaren Bereich – ohne Streulichtkorrektur misst man dort vor allem das Streulicht des eigenen Geräts. Hinzu kommen Dunkelstrom, Nichtlinearität und Temperaturgang.

Welche Größen lassen sich aus einem Spektrum berechnen?
Aus der spektralen Bestrahlungsstärke folgen durch Integration und Gewichtung nahezu beliebige Kenngrößen: Bestrahlungsstärke je Spektralbereich, UV-Dosis, Beleuchtungsstärke über V(λ), PPFD sowie wirkungsgewichtete Werte etwa nach IEC 62471. Genau darin liegt der Vorteil gegenüber Breitbandradiometer für Prozess- und Dosisprüfungen.

Passenden Sensor finden: Der UV-Sensor-Finder schlägt nach Anwendung, Wellenlänge und Bauform die drei passendsten UV-Sensoren und Messgeräte vor – mit Kennwerten, Systempartner und Begründung.