Photometrie

Mit Photometrie oder Fotometrie (altgr. φῶς phos ‚Licht‘ und μετρεῖν metrein ‚messen‘) werden Messverfahren im Wellenlängenbereich des sichtbaren Lichtes mit Hilfe eines Photometers bezeichnet.

Teilgebiete

Die Photometrie ist ursprünglich ein Teilgebiet der Physik beziehungsweise der Chemie, Astronomie und der Fotografie, inzwischen aber eine reguläre Ingenieurwissenschaft. 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 Photometrie besonders auch in der (bio-)chemischen und medizinischen Analytik Verwendung. Sie erlaubt den qualitativen und quantitativen Nachweis ebenso wie die Verfolgung der Dynamik chemischer Prozesse von strahlungsabsorbierenden chemischen Verbindungen.

Eine Messung der Extinktion über verschiedene Wellenlängen wird als Spektroskopie bezeichnet, z. B. die UV/VIS-Spektroskopie oder die Infrarotspektroskopie. Eine aufgezeichnete Messung bei verschiedenen Wellenlängen wird als Spektrum bezeichnet. Eine UV-Fluoreszenz in einer Probe kann bei ungefiltertem eingestrahltem Licht zu Messfehlern im sichtbaren Bereich der Strahlung führen, weshalb ein Filter, Prisma oder Beugungsgitter zur Begrenzung der Wellenlängenbereiche des eingestrahlten Lichts verwendet werden kann. Ebenso ist von Bedeutung, Strahlungsfunktionen und spektrale Abhängigkeiten von Materialien zu kennen. Aus diesem Grund werden auch spektrale Messungen durchgeführt. Die Verallgemeinerung der Photometrie auf das gesamte elektromagnetische Spektrum (Radio- bis Gammastrahlung) nennt man Radiometrie.

Transmissionsmessungen

Photometrische Messung eines lila Teilchens in einer Lösung

Älteres Photometer für medizinische Zwecke, aber auch in der chemischen Analytik einsetzbar

Absorption und Farbe einer Flüssigkeit oder eines transparenten Festkörpers hängen von der stofflichen Zusammensetzung und der Konzentration ab. Mit der Photometrie werden mithilfe des sichtbaren Lichtes die Konzentrationen von farbigen Lösungen bestimmt. Die Messung wird in einem speziellen Probegefäß, der sogenannten Küvette, durchgeführt.

Bestrahlt man die Lösung eines absorbierenden Stoffes mit Licht, hängt die durchtretende Intensität (benötigt wird ein möglichst linear arbeitender Detektor) von den im Allgemeinen wellenlängenabhängigen Absorptionseigenschaften des Stoffes, der Konzentration und der Länge des Lichtweges in der Lösung ab. Diese Gesetzmäßigkeit wird durch das Lambert-Beersche Gesetz beschrieben. Um dieses Gesetz anzuwenden, wird das in einem schmalen Wellenlängenbereich für verschiedene bekannte und unbekannte Konzentrationen gemessene Intensitätssignal I logarithmisch gegen die Konzentration c aufgetragen. Es entsteht eine Gerade, an der die unbekannten Konzentrationen abgelesen werden können.

Ein Photometer erledigt diese Interpolation rechnerisch: Die Intensitäten werden durch den Achsenabschnitt I(c=0) geteilt (→ Transmissionsgrad) und logarithmiert (→ Extinktion). Die Extinktion ist proportional zur Konzentration.

Sind mehrere absorbierende Spezies in der Lösung vorhanden, so wird ein Wellenlängenbereich gewählt, der von der zu bestimmenden Spezies absorbiert wird, nicht jedoch von anderen Bestandteilen. Manche Substanzen, die keine oder nur geringe Absorption zeigen, können mit chemischen Mitteln in gut absorbierende Substanzen umgewandelt werden. Beispielsweise lässt sich mit Formaldoxim die Konzentration zahlreicher Metallionen photometrisch bestimmen. Licht mit der ausgewählten Wellenlänge wird mit Filtern, Monochromatoren oder Lasern erzeugt.

Reflexionsmessungen

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

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

Bewertung von Lichtquellen

Die photometrische Bewertung von Lichtquellen erfolgt mittels lichttechnischer Größen wie Lichtstärke, Lichtstrom, Beleuchtungsstärke und Leuchtdichte. Dabei wird mittels Hellempfindlichkeitskurven die Empfindlichkeit des menschlichen Auges berücksichtigt. Durch die V-Lambda-Kurven für photopisches und skotopisches Sehen können aus radiometrischen Einheiten photometrische Einheiten berechnet werden. Bezogen auf die Lichtstärke als Basiseinheit der Photometrie sieht deren Definition allerdings keinen Bezug zur spektralen Hellempfindlichkeitsfunktion vor.

Eigenschaften wie Farbwiedergabeindex, Farbtemperatur und Lichtfarbe dienen gleichfalls der photometrischen Bewertung von Lichtquellen. Daneben stellen vor allem Abstrahlcharakteristik sowie Wirkungsgrade von Leuchten, Leuchtmitteln und Leuchtdioden eine zweckmäßige Bewertungsgröße dar.

Astronomie

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

Die Breitbandphotometrie

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, U-B oder B-V, die oft als Farben-Helligkeits-Diagramm aufgetragen werden (siehe auch Farbindex).

In der Schmalbandphotometrie

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.

Photometrische Größen

Die folgenden photometrischen Größen sind aus den zugehörigen radiometrischen Größen abgeleitet. Der Unterschied besteht darin, dass in der Photometrie die Empfindlichkeit des Betrachters mit einbezogen wird, indem die radiometrischen Größen mit der spektralen Hellempfindlichkeitskurve multipliziert werden. Ein konventionsgemäß an die Größen angehängter Index _v (in nicht kursiver Schrift) für „visuell“ steht dabei für den Bezug auf sichtbares Licht, also typischerweise den Bereich des Spektrums von 380 bis 780 nm.

Größe	Symbol	SI-Einheit (Zeichen)	Beschreibung	radiometrische Entsprechung	Symbol
Lichtstrom	${\mathit {\Phi }}_{\mathrm {v} }$	Lumen (lm)	Strahlungsleistung einer Lichtquelle, gewichtet mit der Empfindlichkeitskurve	Strahlungsleistung (Strahlungsfluss)	${\mathit {\Phi }}\,$
Lichtmenge	$Q_{\mathrm {v} }$	Lumensekunde (lms)	Strahlungsenergie einer Lichtquelle, gewichtet mit der Empfindlichkeitskurve	Strahlungsenergie (Strahlungsmenge)	$Q\,$
Lichtstärke	$I_{\mathrm {v} }$	Candela (cd)	Lichtstrom pro Raumwinkel, gemessen in großer Entfernung von der Lichtquelle; 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 $4\pi$, dem vollen Raumwinkel	Strahlungsintensität (Strahlungsstärke, Strahlstärke)	$I\,$
Beleuchtungsstärke	$E_{\mathrm {v} }$	Lux (lx)	Lichtstrom pro beleuchteter Fläche; gibt an, wie intensiv die Fläche beleuchtet wird	Bestrahlungsstärke (Strahlungsstromdichte)	$E\,$
Spezifische Lichtausstrahlung	$M_{\mathrm {v} }$	Lux (lx)	emittierter Lichtstrom, bezogen auf die Größe der Licht abstrahlenden Fläche	Spezifische Ausstrahlung	$M\,$
Leuchtdichte	$L_{\mathrm {v} }$	Candela pro Quadratmeter (cd/m²)	Lichtstärke einer Lichtquelle, bezogen auf deren projizierte Fläche (senkrecht zur Betrachtungsrichtung); diese Größe nimmt der Mensch als Helligkeit einer Licht abstrahlenden Fläche wahr	Strahldichte	$L\,$

Weitere Größen und Werte:

• Belichtung H_v (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.

• Lichtausbeute $\textstyle \eta$ (Lumen pro Watt, lm/W)

Effizienz der Umsetzung von Leistung in Lichtstrom.

• Hellempfindlichkeit (dimensionslos)
• Ähnlichste Farbtemperatur (Kelvin)= Eigentliche Messung der Temperatur

Historisches

Die Visuelle Photometrie ist Vorläufer der heutigen Photometrie.

Literatur

• Lange, Zdeněk: Photometrische Analyse. Verlag Chemie, Weinheim 1980, ISBN 3-527-25853-1.
• Noboru Ohta, Alan R. Robertson: Colorimetry: Fundamentals and Applications, Wiley-IS&T Series, West Sussex 2006, ISBN 978-0-470-09473-0.
• DIN 5032-1: Lichtmessung – Teil 1: Photometrische Verfahren. Beuth Verlag, Berlin 1999.

Weblinks

• Physikalisch Technische Bundesanstalt – Arbeitsgruppe 4.12 – Photometrie
• Einführung in die Photometrie – Zahlenmäßige Beschreibung von Licht
• Photometrie Applet – Veranschaulichung photometrischer Größen