Fotometrie


Fotometrie

Mit Fotometrie oder Photometrie (zu altgr. φωσ „Licht“ sowie „messen“) werden Messverfahren im Wellenlängenbereich des sichtbaren Lichtes bezeichnet.

Inhaltsverzeichnis

Teilgebiete

Die Fotometrie ist ursprünglich ein Teilgebiet der Physik beziehungsweise der Astronomie und der Photographie, inzwischen aber eine reguläre Ingenieurswissenschaft.

Sie wird beispielsweise in der Photovoltaik oder auch bei der Herstellung von Anzeigen für die industrielle Messtechnik zur Qualitätssicherung und Qualitätskontrolle ständig weiterentwickelt.

Für die Entwicklung von Optischen Technologien wie der Lasertechnik gehört sie wie die verwandte Kolorimetrie ebenfalls zum Handwerkszeug.

Darüber hinaus findet die Fotometrie besonders auch in der (bio-)chemischen Analytik Verwendung. Sie erlaubt den qualitativen und quantitativen Nachweis ebenso wie die Verfolgung der Dynamik chemischer Prozesse von strahlungsabsorbierenden chemischen Verbindungen.

Die Verallgemeinerung der Fotometrie auf das gesamte elektromagnetische Spektrum (Radio- bis Gammastrahlung) nennt man Radiometrie.

Transmissionsmessungen

Fotometrische Messung an einer Flüssigkeits-Küvette

Absorption und Farbe einer Flüssigkeit oder eines transparenten Festkörpers hängen von der stofflichen Zusammensetzung und der Konzentration ab. Mit der Fotometrie werden mithilfe des sichtbaren Lichtes die Konzentrationen von farbigen Lösungen bestimmt.

Um z. B. die Konzentration einer Lösung zu messen, wird zuerst derjenige Wellenlängenbereich des Lichtes ermittelt, der von den Molekülen oder Ionen in dieser Lösung absorbiert wird. Das ausgewählte Licht einer Wellenlänge (monochromatisches Licht) wird z.B. mit Filtern oder mit Hilfe von Monochromatoren (Prismen, Beugungsgitter) erzeugt.

Bestrahlt man die Lösung eines absorbierenden Stoffes mit monochromatischem Licht, hängt die Absorption von der Konzentration des absorbierenden Stoffes und der Strecke ab, die das Licht durch die Lösung zurücklegen muss. Das transmittierte Licht wird gemessen. Um den Transmissionsgrad in Abhängigkeit von der Konzentration darzustellen, wird die Transmission in die Extinktion umgerechnet:

Die Extinktion E ist der negative dekadische Logarithmus des Transmissionsgrades T:

E = − lg(T)

Trägt man die Extinktion gegen die Konzentration auf, so entsteht eine Gerade. Man kann so Lösungen mit unbekannten Konzentrationen messen und die Konzentration der Lösung bestimmen.

Reflexionsmessungen

Fotometrische Untersuchungen betreffen hier vorrangig die Farbbewertung von Oberflächen zur Qualitätssicherung bei der Farbgebung. Es werden kalibrierte, mittels Filtern bei mehreren Wellenlängen messende Fotosensoren eingesetzt.

Aus der möglicherweise wellenlängenabhängigen diffusen Reflexion kann auch auf die Oberflächenstruktur geschlossen werden (z. B. DRIFTS).

Bewertung von Lichtquellen

Die fotometrische Bewertung von Lichtquellen bezieht sich auf ihre auf die Hellempfindlichkeitskurve des Auges bezogenen Eigenschaften wie Farbwiedergabeindex, Lichtstrom, Farbtemperatur und Leuchtstärke.

Auch die Abstrahlcharakteristik von Leuchten und Leuchtmitteln (z. B. Leuchtdioden) fällt darunter.

Astronomie

In der Astronomie gibt es weitere fotometrische Systeme, die sich nicht an der Empfindlichkeitskurve des Auges anlehnen, sondern an physikalischen Eigenschaften der Sternspektren.

Die Breitbandfotometrie misst die Stärke der Strahlung über einen weiten Wellenlängenbereich. Die gebräuchlichsten Verfahren messen durch drei oder vier Filter (UBV: Ultraviolet, Blue, Visual, oder uvby: ultraviolet, violet, blue, yellow) und bestimmen hieraus die Parameter eines Sterns (Spektraltyp). Die Magnitudendifferenzen der einzelnen Filtermessungen werden als Farben bezeichnet, z. B. U-B oder B-V, die oft als Farben-Helligkeits-Diagramm aufgetragen werden (siehe auch Farbindex).

In der Schmalbandfotometrie werden nur Bereiche einzelner Spektrallinien gemessen, um deren Stärken zu bestimmen, ohne ein Spektrum aufzunehmen, was weit aufwändiger wäre. Dies funktioniert jedoch nur bei starken Absorptionslinien und Linienemissionsspektren ohne (starken) kontinuierlichen Anteil wie zum Beispiel die Spektren planetarischer Nebel.

Die Astronomie benutzt aus historischen Gründen als Einheit die Magnitude.

Fotometrische Größen

Die folgenden sechs fotometrischen Größen sind aus den zugehörigen radiometrischen Größen abgeleitet. Der Unterschied besteht darin, dass in der Fotometrie die Empfindlichkeit des Betrachters mit einbezogen wird, indem die radiometrischen Größen mit der spektralen Hellempfindlichkeitskurve multipliziert werden.

Größe SI-Einheit (Zeichen) Bemerkung radiometrische Entsprechung
Lichtmenge Lumen·Sekunde (lm·s) Strahlungsenergie
Lichtstrom Lumen (lm) Strahlungsleistung einer Lichtquelle, gewichtet mit der Empfindlichkeitskurve Strahlungsleistung
Lichtstärke Candela (cd) Lichtstrom pro Raumwinkel; gibt an, wie intensiv eine Lichtquelle in eine bestimmte Richtung leuchtet. Für eine räumlich isotrop strahlende Lichtquelle ist der Lichtstrom gleich der Lichtstärke multipliziert mit , dem vollen Raumwinkel Strahlstärke
Beleuchtungsstärke Lux (lx) Lichtstrom pro Fläche; gibt an, wie hell eine Fläche beleuchtet wird Bestrahlungsstärke
Spezifische Lichtausstrahlung Lux (lx) Gibt an wieviel Lichtstrom von einer Fläche emittiert wird Spezifische Ausstrahlung
Leuchtdichte Candela pro Quadratmeter (cd/m²) Diese Größe nimmt der Mensch als Helligkeit wahr Strahldichte
Größen-Beziehung Diagramm   (volle Seite)


Weitere Größen und Werte:

  • Belichtung (Lux mal Sekunde, lx·s), das Produkt aus Beleuchtungsstärke und Zeit
Mit zunehmender Beleuchtungsstärke sinkt die benötigte Zeit, um eine gleich bleibende Belichtung zu erhalten.
Effizienz der Umsetzung von Leistung in Licht.

Literatur

  • Bergmann Schaefer: Lehrbuch der Experimentalphysik Berlin 1990

Weblinks


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