Wie wird die optische Dichte gemessen?

Bei der Messung der optischen Dichte (OD) wird die in ein Material eintretende Lichtmenge mit der Lichtmenge verglichen, die das Material erfolgreich durchdringt. Diese Messung bildet eine Grundlage für die Charakterisierung von Materialien, insbesondere bei der Beurteilung fester optischer Komponenten wie Neutraldichtefilter (ND-Filter) oder bei der Analyse von Flüssigkeitssuspensionen.

Im Folgenden werden die grundlegenden Prinzipien, die verwendeten Instrumente und das Standardmessverfahren erläutert.

Die Grundgleichung

Die optische Dichte ist ein logarithmisches Verhältnis. Sie gibt die Abschwächung des Lichts an, also wie viel Licht vom Material absorbiert oder gestreut wird.

Die mathematische Definition lautet:

OD = log₁₀(I₀ / I)

Dabei gilt:

• I₀ ist die Intensität des einfallenden Lichts, also des Lichts, das auf die Probe trifft.
• I ist die Intensität des transmittierten Lichts (des Lichts, das auf der anderen Seite austritt).

Da dies auch durch die Transmission (T) ausgedrückt werden kann, wobei T = I / I₀ gilt, wird die Formel häufig wie folgt geschrieben:

OD = log₁₀(1 / T) = -log₁₀(T) 

Verwendete Instrumente

Die Wahl des Instruments hängt davon ab, ob eine feste optische Komponente oder eine flüssige Probe gemessen wird.

• Spektralphotometer: Das gebräuchlichste Messgerät sowohl für Flüssigkeiten in Küvetten als auch für feste optische Filter. Es kann einen breiten Wellenlängenbereich durchlaufen und messen, wie sich die optische Dichte bei verschiedenen Lichtfarben verändert.
• Aufbauten mit Laser und Leistungsmesser: Sie werden häufig zur Prüfung bestimmter optischer Filter mit hoher OD verwendet. Ein Laser liefert bei einer bestimmten Wellenlänge eine hochstabile I₀, und eine empfindliche Fotodiode oder ein thermischer Leistungsmesser misst die transmittierte I.
• Densitometer: Werden typischerweise in der Fotografie und im Druckwesen eingesetzt, um die Dichte halbtransparenter Filme oder reflektierender Oberflächen zu messen.

Der Messprozess

Unabhängig vom jeweiligen Instrument bleibt der allgemeine Arbeitsablauf gleich:

1. Aufwärmphase und Wellenlängenauswahl: Lichtquelle und Detektoren können sich stabilisieren. Die spezifische zu messende Lichtwellenlänge wird ausgewählt, da die optische Dichte stark von der Wellenlänge abhängt.
2. Kalibrierung (Leerwertmessung): Dies ist ein entscheidender Schritt. Das Gerät misst die Lichtintensität ohne eingesetzte Probe, um die Grundlinie für das einfallende Licht ( I₀) zu bestimmen. Bei Flüssigproben erfolgt dies mit einer Küvette, die nur mit dem Lösungsmittel (einer „Leerprobe“) gefüllt ist. Bei der Prüfung fester optischer Komponenten wird die Grundlinie üblicherweise durch den freien Strahlengang bestimmt.
3. Messung: Die optische Komponente oder Probe wird in den Strahlengang gebracht. Der Detektor misst die neue, reduzierte Lichtintensität (I).
4. Berechnung: Das Gerät berechnet das logarithmische Verhältnis von I₀ zu I und gibt den Wert der optischen Dichte aus. Beispielsweise bedeutet eine OD von 1.0, dass 10% des Lichts transmittiert wird, eine OD von 2.0 bedeutet eine Transmission von 1% und eine OD von 3.0 eine Transmission von 0.1%.