Photometrie

Mit Photometrie oder Fotometrie (zu altgr. φῶς „Licht“ sowie μετρεῖν „messen“) werden Messverfahren im Wellenlängenbereich des ultravioletten und 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 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 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.

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

Transmissionsmessungen

Photometrische Messung eines grünen 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.

Bestrahlt man die Lösung eines absorbierenden Stoffes mit Licht, hängt die Absorption von den Transmissionseigenschaften des Stoffes, der Konzentration und der Länge des Lichtweges in der Lösung ab. Diese Gesetzmäßigkeit wird durch das Lambert-Beersche Gesetz beschrieben und ist im allgemeinen wellenlängenabhängig. 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 Extinktionen bei einer Wellenlänge gegen die Konzentrationen auf, so entsteht eine Gerade. Das Verhältnis zweier Konzentrationen ist dabei gleich dem Verhältnis der entsprechenden Extinktionen:

${c_1 \over c_2} = {E_1 \over E_2}$

Man kann so die Extinktion der Lösung mit der unbekannten Konzentrationen messen und daraus die Konzentration der Lösung berechnen:

${c_1} = {{E_1 \cdot c_2} \over E_2}$

Um die Konzentration einer Lösung zu messen, wird ein Wellenlängenbereich gewählt, der von den zu bestimmenden Molekülen oder Ionen 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 bezieht sich auf ihre auf die Hellempfindlichkeitskurve des Auges bezogenen Eigenschaften wie Farbwiedergabeindex, Lichtstrom, Farbtemperatur und Leuchtkraft.

Auch die Abstrahlcharakteristik von Leuchten und Leuchtmitteln (so bei Leuchtdioden) fällt darunter.

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	Φv	Lumen (lm)	Strahlungsleistung einer Lichtquelle, gewichtet mit der Empfindlichkeitskurve	Strahlungsleistung (Strahlungsfluss)	$\mathit{\Phi} \,$
Lichtmenge	Qv	Lumensekunde (lms)	Strahlungsenergie einer Lichtquelle, gewichtet mit der Empfindlichkeitskurve	Strahlungsenergie (Strahlungsmenge)	$Q \,$
Lichtstärke	Iv	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 4π, dem vollen Raumwinkel	Strahlungsintensität (Strahlungsstärke, Strahlstärke)	$I \,$
Beleuchtungsstärke	Ev	Lux (lx)	Lichtstrom pro beleuchteter Fläche; gibt an, wie intensiv die Fläche beleuchtet wird	Bestrahlungsstärke (Strahlungsstromdichte)	$E \,$
Spezifische Lichtausstrahlung	Mv	Lux (lx)	emittierter Lichtstrom, bezogen auf die Größe der Licht abstrahlenden Fläche	Spezifische Ausstrahlung	$M \,$
Leuchtdichte	Lv	Candela pro Quadratmeter (cd/m²)	Lichtstärke einer Lichtquelle, bezogen auf deren Fläche; 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)

Literatur

• Bergmann, Schaefer: Lehrbuch der Experimentalphysik. Berlin 1990.
• Lange, Zdeněk: Photometrische Analyse. Verlag Chemie, Weinheim 1980, ISBN 3-527-25853-1.

Weblinks

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