Fotometrie

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

Teilgebiete

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

Sie wird beispielsweise in der Photovoltaik oder auch bei der Herstellung von Displays 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

 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 Lichts die Konzentrationen von farbigen Lösungen bestimmt.
Um z.B. die Konzentration einer Lösung zu messen, wird zuerst ein Wellenlängenbereich des Lichtes festgelegt, das von den Molekülen oder Ionen einer Lösung absorbiert wird. Das ausgewählte Licht einer Wellenlänge (monochromatisches Licht) wird z.B. mit Filtern oder einer Spektrallampe erzeugt. Bestrahlt man die Lösung mit monochromatischem Licht, hängt die Absorption von der Konzentration des absorbierenden Stoffes und der Strecke, die das Licht durch die Lösung zurücklegen muss, ab. 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 fünf 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.

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.
• Lichtausbeute (Lumen pro Watt, lm/W)
  Effizienz der Umsetzung von Leistung in Licht.
• Hellempfindlichkeit (dimensionslos)
  
• Ähnlichste Farbtemperatur (Kelvin)

Literatur

• Bergmann Schaefer: Lehrbuch der Experimentalphysik Berlin 1990