mess:spektrometer_kalibration
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mess:spektrometer_kalibration [2016/01/29 21:23] – [Probleme und Fehlerquellen bei Spektrometern] sarina | mess:spektrometer_kalibration [2021/01/25 14:11] (current) – removed sarina | ||
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- | ====== Probleme und Fehlerquellen bei Spektrometern ====== | ||
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- | Spektrometer für den sichtbaren und angrenzenden UV- und IR-Bereich gibt es in unterschiedlichen Preiskategorien. Günstige Spektrometer fangen bei etwa 700 € an. Nach oben sind praktisch keine Grenzen gesetzt. Günstige Laborspektrometer liegen im Mittleren vierstelligen Bereich, höherwertige Spektrometer im Fünfstelligen. Die günstigen Spektrometer leisten sich manche lampenbegeisterte Terrarianer. Nicht überraschend ist, dass diese Spektrometer Einschränkungen haben. Doch vielen ist nicht bewusst, welche Einschränkungen das sind. Daher sammle ich hier einige Probleme auf die ich zusammen mit den Besitzern verschiedener Spektrometer gestoßen bin. | ||
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- | ===== Wellenlängenkalibration ===== | ||
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- | Das Spektrometer soll die richtige Wellenlänge an der x-Achse anzeigen. Man kann das leicht anhand der Quecksilberlinien, | ||
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- | Bei einem schlecht kalibrierten Spektrometer, | ||
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- | Bei einem Spektrometer, | ||
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- | Wenn eine Lampe mit Quecksilberlinien gemessen wird, kann man das Spektrum nachträglich korrigieren. Wenn man über mehrere Tage festgestellt hat, dass die Wellenlängenverschiebung immer gleich falsch ist (z.B. immer 6 nm zu klein) kann man diese Korrektur auch für andere Lampentypen (LEDs, Sonnenlicht) anwenden. | ||
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- | ===== Wellenlängenauflösung ===== | ||
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- | Für die Berechnung von photometrischen Größen reicht eine Auflösung von 5 nm aus. Auch für einen einfachen visuellen Eindruck von der Form des Spektrums sind 2-5 nm Auflösung völlig ausreichend. Um UV-Spektren zu beurteilen und genau zu sagen ob die UV-Strahlung Vitamin-D-wirksam und gleichzeitig kein zu hohes Verbrennungsrisiko hat sollten es nach Möglichkeit weniger als 1 nm sein. | ||
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- | Je höher die Wellenlängenauflösung sein soll, desto besser muss der Detektor und die Optik des Spektrometers sein. Wenn der Rest des Spektrometers | ||
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- | Wichtig zu wissen ist, dass ein Spektrum völlig anders aussehen kann, wenn das Spektrometer eine hohe oder niedrige Wellenlängenauflösung hat. Bei den Spektren einer Glühbirne, der Sonne oder einer LED ist fast kein Unterschied zu sehen. Aber bei Linienstrahlern wie Metalldampflampen oder Leuchtstofflampen werden die Peaks umso kleiner je schlechter die Auflösung des Spektrometers ist. Die Hersteller von „sonnenähnlichen Vollspektrum Leuchtstofflampen“ nutzen diesen Effekt geschickt für die Werbung. Sie messen das Spektrum einer normalen Leuchtstoffröhre mit einem Spektrometer mit hoher Auflösung. Das Spektrum scheint aus wenigen sehr hohen Peaks zu bestehen und sieht überhaupt nicht sonnenähnlich aus. Ihre eigenen Vollspektrumlampen messen sie dagegen mit einem Spektrometer mit geringer Wellenlängenauflösung. Die Quecksilberpeaks sind dann viel geringer und der breite Untergrund wird besser sichtbar. Das Spektrum sieht plötzlich viel sonnenähnlicher aus. | ||
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- | ===== Kalibration auf absolute Bestrahlungsstärken ===== | ||
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- | Normalerweise sind alle Spektrometer auf die Wellenlänge kalibriert. Eine Kalibration auf absolute Bestrahlungsstärken ist dagegen recht selten und kostet in der Regel einen deutlichen Aufpreis. Für viele wissenschaftliche Anwendungen ist eine Kalibration auf absolute Bestrahlungsstärken nicht notwendig, weil nur in einem sehr engen Spektralbereich gearbeitet wird oder weil nur Transmission und Reflektivität gemessen wird, bei deren Berechnung die absolute Intensität sowieso nicht eingeht. Wenn das Spektrometer an der y-Achse „counts“ anzeigt, handelt es sich in der Regel um ein nicht-kalibriertes Spektrometer. | ||
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- | Das Problem für unsere Anwendung ist: Der Sensor im Spektrometer arbeitet nicht für alle Wellenlängen gleich gut. Vor allem rotes Licht und nahes Infrarot wird weniger gut detektiert. Das Spektrometer misst daher im roten und infraroten weniger Intensität als tatsächlich vorhanden ist. | ||
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- | Sehr eindrucksvoll sieht man das beim Spektrum des Sonnenlichts oder einer Glühbirne, die bei unkalibrierten Spektrometern einen viel zu geringen Rot-Anteil haben. Leider werden solche Spektren selbst von Firmen veröffentlicht, | ||
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- | Wenn ein solcher Fehler vorliegt, muss man extrem vorsichtig sein, das Spektrum einer Lampe mit den Sonnenspektrum zu vergleichen. Eine LED beispielsweise strahlt nur wenig rotes Licht und kein Infrarot ab. Das Sonnenlicht enthält hingegen viel rotes Licht und viel Infrarot. Mit einem solchen unkalibrierten Spektrometer wird das Spektrum einer LED und der Sonne sehr ähnlich aussehen obwohl in Wahrheit sehr große Unterschiede im roten Bereich bestehen. | ||
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- | Bei einem Spektrometer, | ||
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- | OceanOptics zeigen auf Ihrer Webseite das Spektrum einer Lampe mit drei verschiedenen unkalibrierten Spektrometern {{wikindx> | ||
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- | ===== Dunkelkalibration ===== | ||
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- | Der Detektor im Spektrometer sendet auch dann ein elektrisches Signal, wenn kein Licht vorhanden ist. Diesen Fehler kennen einige vielleicht vom Fotografieren: | ||
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- | Im Spektrometer gibt es das gleiche Problem. Daher fällt das Spektrum nie auf Intensität = 0 ab, auch wenn eigentlich kein Licht vorhanden ist. Kein Licht ist bei den meisten Lampen im UVC-Bereich vorhanden. Wer das nicht weiß und das Dunkelrauschen nicht berücksichtigt, | ||
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- | Wenn das Dunkelrauschen sich über die Zeit nicht ändert, kann man es sehr leicht herauskalibrieren. Dazu nimmt man zuerst ein Dunkelspektrum auf, bei dem die Eingangsöffnung des Spektrometers mit einer Kappe oder einem Stück schwarzer Pappe zugedeckt wird. Anschließend misst man das Spektrum der Lampe und zieht das Dunkelspektrum von dieser Messung ab. In der Spektrometersoftware ist so etwas oft eingebaut und man muss am Anfang der Messung nur einmal kurz ein Dunkelspektrum aufnehmen, das daraufhin automatisch immer abgezogen wird. Wenn man keine solche Software hat, kann man das Dunkelspektrum auch in Excel oder einem anderen Programm abziehen. Das funktioniert jedoch nur, wenn das Spektrometer sich über die Zeit nicht ändert. Sonst kann es passieren, das nach Abzug des Dunkelspektrum noch ein Rest übrig bleibt oder im anderen Fall negative Messwerte entstehen. | ||
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- | ===== Signal-zu-Rausch-Verhältnis ===== | ||
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- | ===== Kosinuskorrektur ===== | ||
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- | Strahlung, die senkrecht auf eine Fläche fällt ist intensiver als Strahlung, dass schräg auf die Fläche fällt. Diese Alltagserfahrung kennt jeder, der sein Gesicht der Sonne zuwendet, die Ausrichtung von Pflanzenblättern zur Sonne beobachtet oder die Installation von Solarzellen beobachtet. Messgeräte sollten sich an dieses einfache Kosinus-Gesetz halten. Sie tun es aber oft nicht, weil die Strahlung nicht direkt auf den Detektor fällt, sondern im Fall eines Spektrometers erst durch eine Glasfaser geführt wird, gefiltert oder durch Blenden abgeschattet wird. Es ist daher oft etwas Aufwand nötig, bis ein Messgerät eine gute Kosinuskorrektur hat. | ||
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- | Messfehler verursacht eine schlechte Kosinuskorrektur immer dann, wenn Licht aus verschiedenen Richtungen auf den Eingang des Messgeräts fällt. Bei Punktlichtquellen mit kleinem Reflektor und wenn das Messgerät immer direkt zur Lampe zeigt, wird man keinen großen Fehler erwarten. Mit einer solchen Lampe kann man die Kosinuskorrektur auch überprüfen. Das Messgerät sollte einen relativ großen Abstand zur Lampe haben, dann neigt man es langsam um 90° in beide Richtungen und beobachtet wie der Messwert kleiner wird. Aufgetragen über den Winkel sollte der Messwert einer Kosinus-Funktion folgen. Wenn die Kurve schneller abfällt unterschätzt das Messgerät seitlich auftreffende Strahlung. Bei einer ausgedehnten Leuchtstoffröhre, | ||
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- | Bei der Messung eines Spektrums spielt die absolute Intensität nur eine geringe Rolle, so dass man denken könnte, dass die Kosinuskorrektur bei einem Spektrometer eine untergeordnete Rolle spielt. Man misst das Spektrum mit dem Spektrometer und anschließend die absolute Bestrahlungsstärke mit einem Radiometer, das besser kosinuskorrigiert ist. Für Lampen ist das tastächlich so möglich. | ||
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- | Problematisch ist die Kosinuskorrektur wenn gleichzeitig Licht mit unterschiedlicher spektraler Zusammensetzung aus unterschiedlichen Richtungen auf den Spektrometereingang fällt. Das ist der Fall, wen das Lichtspektrum direkt im Terrarium mit mehreren Lampen gemessen wird. Es ist aber auch der Fall, wenn das Sonnenspektrum gemessen wird: Hier kommt gelbliches Licht von der Sonne und bläuliches Licht vom gesamten Himmel. Ganz besonders stark ist der Unterschied bei der UVB-Strahlung, | ||
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- | ===== Literatur ===== | ||
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mess/spektrometer_kalibration.1454099020.txt.gz · Last modified: 2019/02/16 09:24 (external edit)