Ocean Optics USB 2000+ Spektrometer

Spektrometer sind die Königsklasse der Messgeräte für Lampen, die Privatpersonen gerade noch nutzen können. Sie messen die Intensität des Lichts für sehr kleine Wellenlängenintervalle, so dass die volle Information über die spektrale Verteilung des Lichts vorhanden ist. Sie haben jedoch auch ihre Tücken und müssen richtig bedient werden.

Ablenkung der unterschiedlichen Farben des Lichts durch ein Prisma

Die meisten Menschen haben im Alltag schon einmal Erfahrung mit einem Prisma gemacht: Unter günstigen Bedingungen zaubert ein Glas, das irgendwo im Raum steht, einen Regenbogen an die Wand. Die unterschiedlichen Farben, die im weißen Licht enthalten sind, haben im Glas eine unterschiedliche Ausbreitungsgeschwindigkeit. Daher ist das Glas in der Lage die einzelnen Farben zu trennen und in unterschiedliche Richtungen abzulenken.

Prismen zerlegen das Licht ungefähr proportional zur Frequenz des Lichts. Das Spektrum wirkt im Vergleich zur gewohnteren Darstellung als Funktion der Wellenlänge im roten Bereich gestaucht. Prismen werden heute in modernen Spektrometern nicht mehr eingesetzt, da die Aufspaltung des Lichts für die meisten Anwendungen zu gering und zu wenig flexibel ist.

Die Winkel um den das Licht durch das Prisma abgelenkt wird, hängt von der Form und vom Material ab. Für ein gleichschenkliges Dreieck mit Winkel $\epsilon$ ist der Ablenkwinkel $\delta$ als Funktion der $n(\lambda)$) und des Einfallswinkels $\alpha$: $\delta = \alpha - \epsilon + \sin^{-1}\left[\sin\left(\epsilon\sqrt{n(\lambda)^2-\sin^2(\alpha)}\right)-\cos(\epsilon)\sin(\alpha)\right]$

Ablenkung der unterschiedlichen Farben des Lichts durch ein optisches Gitter

Stattdessen verwendet man optische Gitter zur Aufspaltung des Lichts. Auch das kennen fast alle Menschen aus ihrem Alltag: CDs und DVDs haben ähnlich wie eine Schallplatte feine eingeprägte Rillen. Diese regelmäßige Gitterstruktur aus Gräben bewirken ebenfalls eine Aufspaltung des Lichts, wenn die Gitterstruktur ähnlich groß wie die Wellenlänge des Lichts ist. Da die Wellenlänge des Lichts nur einige hundert Nanometer beträgt, müssen die einzelnen Gitterlinien sehr eng bei einander liegen. Typisch sind 600 bis 2500 Gitterlinien pro Millimeter, was einer Gitterperiode von etwa 1 µm entspricht.

Mit Hilfe einer CD oder DVD kann man auch sehr einfach ein Spektrometer selbst bauen. Man kann das Farbspektrum entweder direkt mit dem bloßen Auge betrachten und sich an den schönen Farben erfreuen oder es mit einer Kamera (z.B. des Smartphones) kombinieren und mit einer passenden Software sogar Messungen durchführen:

• Spektrometer aus einer Kellogg's-Packung und einer CD
• Spektrometer zum Aufsetzen auf ein Smartphone aus einer DVD

Vorteil des optischen Gitters ist, dass das Licht direkt proportional zur Wellenlänge abgelenkt wird und dass man für verschiedene Anwendungszwecke verschiedene Gitter zur Verfügung hat.

Gemäß den Gesetzen der Optik (Maxwellgleichungen) ändert das Licht nachdem es durch ein Gitter entweder in der Intensität oder Phase moduliert wurde, seine Richtung. Die Winkel relativ zur Ausbreitungsrichtung ohne Gitter sind: $\sin(\alpha) = N\cdot{}\lambda{} / p$ mit N: Ordnung, N=0,1,2,3… ; λ: Wellenlänge ; p: Gitterperiode.

Die Intensität des Lichts nimmt mit zunehmendem N ab. Da die Strahlen in der Nullten (N=0) Ordnung nicht getrennt sind, wird die erste (N=1) Ordnung zur Messung verwendet. Ein Nachteil des Gitters besteht darin, dass die erste Ordnung einer Wellenlänge λ immer mit der zweiten Ordnung der halben Wellenlänge (λ/2) und der dritten Ordnung des dritten Teils der Wellenlänge (λ/3) zusammenfällt: $1\cdot{}\lambda = 2\cdot \lambda/2= 3\cdot \lambda/3$. Die erste Ordnung des Lichts bei 800 nm wird überlagert mit Licht der zweiten Ordnung bei 400 nm und der dritten Ordnung bei 267 nm. Durch spezielle sogenannte geblazte Gitter können aber alle geraden Ordnungen unterdrückt werden.

Ein Polychromator stellt die einfachste Form eines Gitterspektrometers dar. Das Licht wird durch ein Gitter aufgespalten und alle Wellenlängen gleichzeitig mit einem CCD (oder rauscharmer mit einem CMOS) Sensor aufgenommen.

Einfache Polychromatoren sind ab 700 € erhältlich. Eine Firma die mir in verschiedenen Labors häufig begegnet ist, ist “Ocean Optics”. Da das komplette Spektrum in einem Bild aufgenommen wird, sind sie schnell, haben jedoch nur eine sehr begrenzte Dynamik und stark mit Streulicht zu kämpfen. Für ein schnelles Spektrum oder wenn hohe Qualität unwichtig ist, gute Geräte, aber mit der wirklichen Beurteilung von UV-Lampen ungeeignet.

Es gibt verschiedene Aufbauvarianten. Beim Czerny-Turner-Aufbau fällt das Licht durch einen Eintrittsspalt und wird durch einen gekrümmten Spiegel kollimiert (In der vereinfachten Schuloptik würde man das mit einer Linse tun). Das kollimierte Licht fällt auf das Reflektionsgitter und wird in seine Wellenlängen zerlegt. Anschließend wird das Licht durch einen zweiten gekrümmten Spiegel wieder fokussiert, wobei sich für jede Wellenlänge ein eigener Fokuspunkt bildet, dessen Schärfe durch die Breite des Eintrittsspalts und die Brennweite begrenzt ist.

Ein noch stärkere Vereinfachung des Aufbaus ist der vollständige Verzicht auf Spiegel oder Linsen zur Abbildung. Ein konkaves Gitter kann gleichzeitig die Aufspaltung der Wellenlängen als auch die Abbildung von Einfallspalt auf den Detektor vornehmen.

Einfachmonochromatoren sind ähnlich aufgebaut wie Polychromatoren, jedoch befindet sich vor dem Sensor ein Spalt, das Spektrum wird also scannend für jede Wellenlänge einzeln aufgenommen. Somit kann ein hochwertigerer Detektor verwendet werden.

Werden zwei Einfachmonochromatoren hinter einander betrieben, wobei der Austrittsspalt des ersten den Eintrittspalt des zweiten formt, spricht man von einem Doppelmonochromator. Streulicht wird in einem solchen Aufbau drastisch reduziert und auch der Fehler durch optische Harmonische wird durch die Kombination von zwei Gittern reduziert. Bei solch teueren Spektrometern werden auch die übrigen Komponenten mit mehr Sorgfalt ausgewählt. Als Detektoren werden üblicherweise gekühlte Photomultiplier verwendet.

Es gibt freie Software: SpectraGryph und Theremino_Spectrometer_V3.1 (etwas hochscrollen)

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.

Bei einem Spektrometer LR1 Lasertack waren die Spektren auffällig: Viele Lampen schienen nicht-terrestrische UV-Strahlung abzustrahlen. Im Vergleich einer Leuchtstofflampen stellte sich heraus, dass die Quecksilberemissionslinien nicht bei den erwarteten Wellenlängen (297 nm, 313 nm, 331 nm 365 nm, 405 nm, 408 nm, 436 nm, 546 nm und 578 nm) lagen. Im diesem Fall war das gemessene Spektrum 6 nm weit zu kleineren Wellenlängen verschoben.

Spektrum einer UVB-Leuchtstofflampe. Die Emissionslinien des Quecksilbers liegen bei 6 nm kürzeren Wellenlängen als man erwartet. Das Spektrometer ist schlecht wellenlängenkalibriert. Es zeigt die Wellenlänge 6 nm kleiner als, als sie tatsächlich ist.

Diese Verschiebung muss nicht über den ganzen Wellenlängenbereich konstant sein. Es kann sein, dass das Spektrum im grünen um 6 nm verschoben ist, im UVB aber um 10 nm. Bei einem schlechten Spektrometer wird das Ergebnis noch dazu anders aussehen, je nachdem wie warm das Spektrometer ist. Es kann also sein, dass die Wellenlänge bei der Messung der Leuchtstoffröhre um 6 nm zu klein gemessen wird, bei der anschließenden Messung einer LED aber plötzich 2 nm zu groß.

Spektrum einer Leuchtstofflampe. Die Emissionslinien des Quecksilbers liegen dort, wo man sie erwartet. Das Spektrometer ist gut wellenlängenkalibriert.

Bei einem Spektrometer, das nicht auf die Wellenlänge kalibriert ist, sind alle Berechnungen aus dem Spektrum (effektive Bestrahlungsstärken, Farbtemperatur, Farbwiedergabe) falsch. Besonders aufpassen muss man auch, wenn man beurteilen will, ob eine Lampe „nicht-terrestrische“ UVB-Strahlung abgibt. Diese Strahlung unterhalb von 290 nm ist sehr aggressiv und kommt im natürlichen Sonnenlicht nicht vor. Mit einem schlecht kalibrierten Spektrometer kann man leicht denken, eine Lampe wäre gefährlich oder ungefährlich obwohl es sich nur um einen Messfehler handelt.

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.

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.

Je höher die Wellenlängenauflösung sein soll, desto besser muss der Detektor und die Optik des Spektrometers sein. Wenn der Rest des Spektrometers nicht so toll ist, sollte man auch die Auflösung gering wählen, weil man sonst nur verrauschte Messergebnisse erhält.

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.

Spektrum einer Leuchtstoffröhre mit hoher Wellenlängenauflösung.

Spektrum einer Leuchtstoffröhre mit geringer Wellenlängenauflösung.

Spektrum einer Quecksilberdampflampe mit hoher Wellenlängenauflösung.

Spektrum einer Quecksilberdampflampe mit geringer Wellenlängenauflösung.

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.

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.

Sehr eindrucksvoll sieht man das beim Spektrum des Sonnenlichts oder einer Glühbirne, die bei unkalibrierten Spektrometern einen viel zu geringen Rot-Anteil haben. Leider habe ich solche Spektren selbst von Firmen veröffentlicht gesehen, die ihr Geld mit der Entwicklung und dem Verkauf von Lampen verdienen. Es also eigentlich besser wissen sollten um sinnvolle Produkte zu entwickeln.

Spektrum des Sonnenlichts, aufgenommen mit kalibriertem und unkalibriertem Spektromter. Das unkalibrierte Spektrometer sieht weniger Licht im roten und infraroten Spektralbereich

Spektrum einer Glühbirne aufgenommen mit einem unkalibrierten Spektrometer.

Spektrum der selben Glühbirne aufgenommen mit einem kalibrierten Spektrometer: Jetzt wird der Rot- und Infrarotanteil sichtbar.

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.

Bei einem Spektrometer, das nicht auf absolute Bestrahlungsstärke kalibriert ist sind alle Berechnungen aus dem Spektrum (effektive Bestrahlungsstärken, Farbtemperatur, Farbwiedergabe) falsch. Berechnet man den Farbort einer Leuchtstofflampe erhält man meist eine grünstichige Farbe, weil der Sensor in diesem Bereich empfindlicher ist. Auch im UVB und UVC sinkt die Empfindlichkeit des Detektors, so dass die Menge der UV-Strahlung falsch eingeschätzt wird.

OceanOptics zeigen auf Ihrer Webseite das Spektrum einer Lampe mit drei verschiedenen unkalibrierten Spektrometern [859Deep uv that won't break the bank: High-sensitivity maya2000 pro spectrometers. (n.d.). from http://www.oceanoptics.com/products/maya.asp]. Weil die drei Spektrometer für unterschiedliche Wellenlängenbereiche gedacht sind, haben sie unterschiedliche Detektoren mit unterschiedlichen Empfindlichkeiten. Die drei Spektren wirken, als wären sie von völlig unterschiedlichen Lampen weil fast keine Gemeinsamkeiten vorhanden sind. So drastisch können die Effekte sein, die durch die Empfindlichkeit des Detektors verursacht werden.

Das folgende Bild erreichte mich mit der Anfrage, warum das Spektrometer so viel mehr UV-Strahlung misst als ein Solarmeter UV-Index Messgerät: Die gemessene hohe UV-Strahlung von ca. y = 130 zwischen x = 295 nm und x = 305 nm ist keine echte UV-Strahlung sondern Dunkelrauschen des Detektors. Beide Kurvenbündel müssten durch die Korrektur des Dunkelspektrums nach unten verschoben werden und würden dann im UV-Index-Wellenlängenbereich (300 - 315 nm) sehr gut aufeinander liegen, was auch dem gleichen Solarmeter-Messwert von 1.0 entspricht.

Obere Messkurven: Sonnenlicht, Solarmeter UV-Index 1.0; Untere Messkurven Leuchtstofflampen, Solarmeter UV-Index 1.0 - beide Messkurven OHNE Abzug eines Dunkelspektrums

Der Detektor im Spektrometer sendet auch dann ein elektrisches Signal, wenn kein Licht vorhanden ist. Diesen Fehler kennen einige vielleicht vom Fotografieren: Verwendet man eine hohe Belichtungszeit für Nachtfotos, sind die dunklen Stellen auf dem Bild nicht völlig dunkel sondern grau und grieselig. Insbesondere in der Astrofotografie betreiben die Fotografen einen hohen Aufwand, dieses Dunkelrauschen durch Kühlen der Kamera zu reduzieren.

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, könnte auf die Idee kommen, dass viele Lampen und auch die Sonne einen gewissen Anteil an UVC-Strahlung abstrahlen. Wenn sie dann tatsächlich einmal auf eine Lampe stoßen, die UVC abstrahlt, kann es passieren, dass die UVC-Strahlung wegen des hohen Dunkelrauschens ungefährlich wirkt obwohl sie das natürlich nicht ist.

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.

Platzhalter

Strahlung, die senkrecht auf eine Fläche fällt ist intensiver als Strahlung, die 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.

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, wo nur wenig Licht senkrecht auf den Eingang des Messgeräts fällt und viel Licht schräg auf das Messgerät auftrifft, wird der Messwert daher zu klein sein.

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.

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, die zu mehr als der Hälfte nicht direkt von der Sonne sondern vom Himmel kommt. Ein UV-Spektrum des Sonnenlichts aufzunehmen ist für ein Spektrometer daher eine ganz besondere Herausforderung. Um die Zuverlässigkeit von UV-Messstationen abzuschätzen wurde im Juli 1991 der erste Europäische Vergleich von Spektrometern in Panorama, Griechenland, durchgeführt [677Gardiner, B. G., & Kirsch, P. J. (1992). European intercomparison of ultraviolet spectrometers, panorama, greece, 3-12 july 1991 No. 38Brussels, Belgium: Commission of the European Communities, Directorate General for Science Research, and Development.]. Sechs Spektrometer von wissenschaftlichen Instituten¹⁾ nahmen gleichzeitig Sonnenspektren auf. Im Bereich unter 400nm wichen die einzelnen Spektrometer teilweise um 20% voneinander ab.

[859] Deep uv that won't break the bank: High-sensitivity maya2000 pro spectrometers. (n.d.). from http://www.oceanoptics.com/products/maya.asp
[677] Gardiner, B. G., & Kirsch, P. J. (1992). European intercomparison of ultraviolet spectrometers, panorama, greece, 3-12 july 1991 No. 38Brussels, Belgium: Commission of the European Communities, Directorate General for Science Research, and Development.
[749] Erb, W. (Ed.). (1989). Leitfaden der spektroradiometrie Vol. 6. Springer.
[1195] Konjhodžić, Đ. Stray light correction for array spectroradiometers Application NoteInstrument Systems.