Spektrometer für Leuchtmittel

Warum ich ein Spektrometer selbst gebaut habe

Im Lernfeld Beleuchtungstechnik stehen Begriffe wie Farbwiedergabeindex, Farbtemperatur und Lichtfarbe auf dem Plan. Auf dem Datenblatt einer LED steht dann „Ra > 80“ oder „4000 K“, und die Auszubildenden sollen das einfach glauben. Ein Kolorimeter zeigt immerhin eine Zahl, aber nicht, warum zwei Lampen mit derselben Farbtemperatur so unterschiedlich wirken. Fertige Spektrometer kosten schnell mehrere hundert Euro und mehr. Für ein Gerät, das vorne am Pult steht und über den Beamer läuft, war mir das zu viel.

Also habe ich mir eines gebaut: ein Raspberry-Pi-Spektrometer aus einem Taschenspektroskop, einer Kamera und einem 3D-gedruckten Gehäuse. Vom ersten unscharfen Testbild bis zum ersten Einsatz im Unterricht hat es keine Woche gedauert. Seitdem sieht jede und jeder im Raum, was in einer Glühlampe, einer Leuchtstofflampe oder einer LED wirklich steckt. Hier zeige ich dir, wie das Gerät funktioniert, was es kann, was ich beim Bauen gelernt habe und wie du es nachbauen kannst. Software, Druckdateien und Kaufliste gibt es kostenlos.

Spektrometer

LED 4000 K Halogen Leuchtstoff

Probier es oben aus: Die Kurven sind Modellspektren zum Vergleichen. Das echte Gerät misst Spektren von 360 bis 800 nm.

Was das Raspberry-Pi-Spektrometer misst

Halte eine Lampe vor den Lichttunnel, und nach einer Sekunde siehst du ihr Spektrum: wie viel Licht in welcher Wellenlänge steckt, von Violett bei 360 nm bis ins nahe Infrarot bei 800 nm. Die Kurve ist in den echten Spektralfarben eingefärbt, die drei stärksten Spitzen werden mit ihrer Wellenlänge beschriftet. Aus dem gemessenen Spektrum berechnet das Gerät drei Kennwerte:

• Farbwiedergabeindex Ra: Wie natürlich wirken Farben unter dieser Lampe? Berechnet nach CIE 13.3 aus acht Testfarben. 100 ist ideal (Glühlampe, Sonne), gute LEDs liegen über 90.
• R9 (gesättigtes Rot): Der Wert, den Ra verschweigt. Viele günstige LEDs haben ein gutes Ra, aber ein schlechtes R9. Haut, Holz und Lebensmittel wirken dann fahl.
• Farbtemperatur (CCT): Warmweiß, neutralweiß oder tageslichtweiß, in Kelvin.

Alle drei Werte sind als Schätzwert gekennzeichnet, denn das Gerät ist ein Demonstrationsgerät und kein geeichtes Messinstrument. Teile der Kurve, die außerhalb des kalibrierten Bereichs liegen, werden grau gezeichnet und fließen nicht in die Berechnung ein. So sieht man auf einen Blick, worauf man sich verlassen kann.

Alle Funktionen im Überblick

Das Gerät soll im Unterricht einfach laufen: einschalten, Lampe davor, fertig. Deshalb steckt in der Software mehr als die reine Messung.

Bedienung per Touchdisplay

Auf dem 3,5-Zoll-Touchdisplay siehst du oben das Kamerabild des Spektrums, darunter die farbige Kurve mit Wellenlängenraster und den Kennwerten. Statuszeilen zeigen Kalibrierung, Belichtung und die letzte Meldung. Bedient wird alles über sechs große Tasten: Speichern, Kalibrieren, Auto/Manuell, −, + und Beenden. Eine Maus oder Tastatur brauchst du nicht.

Automatische Belichtung

Eine 100-W-Glühlampe ist um ein Vielfaches heller als eine schwache LED. Die Belichtung regelt sich deshalb selbst zwischen 0,1 Millisekunden und einer Sekunde nach, damit die Kurve weder im Rauschen versinkt noch oben anstößt. Wer es genau wissen will, schaltet auf Manuell und verstellt die Belichtung in Stufen. Wird es zu hell, warnt eine rote Anzeige „ÜBERSTEUERT“.

Geführter Kalibrier-Assistent

Damit ein Spektrometer stimmt, muss es zwei Dinge wissen: welche Bildspalte zu welcher Wellenlänge gehört und wie empfindlich Kamera und Optik bei jeder Wellenlänge sind. Beides erledigt ein Assistent am Touchdisplay. Für die Wellenlängen gibt es zwei Methoden, die du beim Start auswählst. Empfohlen ist die Energiesparlampe:

1. Bildausschnitt: Weißes Licht vor den Spalt halten. Die Software findet das Spektrum im Kamerabild selbst und legt einen Rahmen darum, einzelne Reflexe daneben werden ignoriert.
2. Energiesparlampe: Eine Kompaktleuchtstofflampe leuchtet nicht gleichmäßig, sondern in schmalen Linien mit genau bekannter Wellenlänge: Quecksilber bei 405, 436 und 546 nm, die Leuchtstoffe Terbium bei 488 nm und Europium bei 611 und 709 nm. Der Assistent belichtet einmal kurz und einmal lang, findet alle sechs Linien selbst, ordnet sie zu und zeigt für jede Linie die Abweichung an. Bei meinem Gerät liegen alle auf ± 1 nm.
3. Kontrolle mit Laser (optional): Ein Laserpointer vor dem Spalt zeigt, welche Wellenlänge die neue Achse ihm gibt.
4. Glühlampe als Referenz: Ihr Spektrum folgt dem Planckschen Strahlungsgesetz und ist damit physikalisch bekannt. Der Assistent belichtet zweimal automatisch, kurz für Rot und lang für Blau, setzt beide Messungen zusammen und zeigt die korrigierte Kurve neben der Planck-Kurve.
5. Speichern: Eine Zusammenfassung zeigt alle Werte. Erst jetzt wird gespeichert, die alte Kalibrierung landet automatisch in einem Sicherungsordner.

Ohne Energiesparlampe geht es auch mit einem grünen und einem roten Laserpointer und der Blauspitze einer weißen LED als drittem Punkt im Blauen. Das ist im Blauen auf etwa ± 5 nm genau, und die Wellenlänge der Laser musst du kennen (siehe Stolperstein 6).

Danach startet das Spektrometer mit der neuen Kalibrierung neu. Das Ganze dauert etwa zehn Minuten und muss nur nach einem Umbau wiederholt werden.

Beamer-Ansicht

Steck ein HDMI-Kabel ein, und nach wenigen Sekunden öffnet sich auf dem Beamer eine eigene Full-HD-Ansicht: großes Diagramm mit Wellenlängenraster, farbig gefüllte Kurve, beschriftete Spitzen, das Kamerabild und die Kennwerte Ra, R9 und Farbtemperatur in großer Schrift, lesbar bis in die letzte Reihe. Die Bedienung bleibt auf dem kleinen Display am Gerät. Ziehst du das Kabel ab, schließt sich die Ansicht wieder. Im Klassenraum hat das beim ersten Einsatz auf Anhieb funktioniert.

Messungen auf USB-Stick speichern

Ein Tipp auf Speichern legt das aktuelle Diagramm als Bild auf den eingesteckten USB-Stick, mit Datum, Uhrzeit und den Wellenlängen der Spitzen in der Kopfzeile. So kannst du Spektren verschiedener Lampen sammeln und später auf Arbeitsblättern vergleichen oder in ein Protokoll einbauen.

Startet von selbst

Nach dem Einschalten startet das Spektrometer automatisch im Vollbild. Zusätzlich gibt es eine Verknüpfung auf dem Desktop. Ein Bildschirm, eine Tastatur oder Linux-Kenntnisse sind im Alltag nicht nötig.

So funktioniert ein Spektrometer

Das Prinzip kennst du vom Regenbogen: Weißes Licht besteht aus vielen Farben, und ein Prisma fächert sie auf. Im Gerät durchläuft das Licht fünf Stationen:

Station	Aufgabe
Lampe	Prüfling vor dem Lichttunnel
Streuscheibe und Spalt	verteilen das Licht gleichmäßig und schneiden einen schmalen Streifen heraus
Taschenspektroskop	ein Geradsicht-Prisma fächert den Streifen in seine Farben auf
Kamera OV9281	fotografiert das Spektrum durch das Okular, monochrom und ohne IR-Sperrfilter
Raspberry Pi 5	wertet die Bildspalten aus, korrigiert, rechnet die Kennwerte und zeigt alles an

Jede Bildspalte entspricht einer Wellenlänge, ihre Helligkeit der Lichtmenge. Damit die Werte stimmen, liest die Software die unverarbeiteten 10-Bit-Rohdaten des Kamerasensors und mittelt über 60 Bildzeilen. Danach rechnet sie die Empfindlichkeit von Kamera und Optik heraus. Warum der Umweg über die Rohdaten nötig ist, steht im nächsten Abschnitt.

Was ich beim Bauen gelernt habe

Das erste Spektrum war nach einem Tag auf dem Display. Bis die Werte stimmten, hat es länger gedauert. Diese sieben Stolpersteine solltest du kennen, wenn du selbst ein Spektrometer baust:

1. Ohne Streuscheibe misst du die Lampenposition

Im ersten Versuch hing das Spektrum davon ab, wo die Lampe stand. Ein Stück Butterbrotpapier vor dem Spalt hat das sofort gelöst. Heute sitzt dort eine gedruckte Spaltkappe mit fester Streuscheibe und Lichttunnel.

2. Der unsichtbare IR-Filter

Das Spektrum endete immer hart bei etwa 650 nm, egal welches Objektiv ich nahm. Mit dem Auge sah ich im Okular aber noch Rot hinter dem roten Laser. Die Ursache: Fast jede Kamera hat einen IR-Sperrfilter, der genau dort abschneidet, oft sogar doppelt, im Objektiv und im Halter auf der Platine. Erst eine Monochrom-Kamera ohne Filter brachte das Rot bis 800 nm zurück. Damit wurde auch die Farbtemperatur kaltweißer LEDs deutlich realistischer.

3. Die Bildverarbeitung der Kamera lügt bei wenig Licht

Bei vierfacher Belichtung müsste jedes Signal viermal so groß werden. In der Praxis wurde es 5- bis 60-mal so groß. Farbkorrektur und Rauschfilter der Kamera drücken schwache Signale fast auf null. Fürs Foto ist das egal, für eine Messung fatal. Die Lösung: die Rohdaten direkt vom Sensor lesen. Danach war die Messung linear.

4. Die Glühlampe ist im Blauen fast dunkel

Eine Glühlampe ist die perfekte Referenz, hat aber im Blauen nur wenige Prozent ihrer Rot-Intensität. Bei einer Belichtung, die Rot nicht übersteuert, bleibt vom Blau kaum Signal. Deshalb misst der Assistent zweimal und setzt beide Messungen zusammen. Eine Kontrollanzeige zeigt, ob beide Messungen zueinander passen.

5. Streulicht und Reflexe

Fällt Licht am Spektroskop vorbei auf die Kamera, taucht im Bild ein heller Fleck neben dem Spektrum auf und verfälscht die Messung. Schwarzes, mattes PETG und ein abgedunkelter Übergang zwischen Spektroskop und Kamera helfen. Die Software erkennt solche Flecken inzwischen und ignoriert sie beim Bildausschnitt.

6. Der grüne Laser war gar nicht grün genug

Grüne Laserpointer haben angeblich fast immer 532 nm. Meiner nicht: Die Linien der Energiesparlampe zeigten, dass er bei etwa 513 nm leuchtet. Wahrscheinlich ist es ein direkter Diodenlaser statt eines frequenzverdoppelten DPSS-Lasers. Mit der falschen Annahme lag die Anzeige im Grün-Gelb bis zu 20 nm daneben, ohne dass es aufgefallen wäre. Lehre: Wellenlängen von Lasern nie ungeprüft glauben, sondern mit einer Linienquelle kontrollieren.

7. Die Glühlampe ist nicht so heiß, wie man denkt

Die ganze Empfindlichkeitskorrektur hängt an der Temperatur der Glühlampe, und die steht auf keiner Packung. Üblich sind 2850 bis 2950 K. Damit zeigte mein Gerät eine 5500-K-LED bei fast 30 000 K an. Die Lösung: zwei Lampen mit bekannter Farbtemperatur gegenmessen, hier die Energiesparlampe (2700 K) und eine LED (5500 K). Beide stimmen nur dann gleichzeitig, wenn man für meine 200-W-Glühlampe etwa 2060 K annimmt. Mit diesem Wert treffen beide auf rund 2 %. Außerdem wichtig: Rollo zu bei der Glühlampen-Messung. Tageslicht vom Fenster hat die Korrektur beim ersten Versuch komplett verdorben.

Spektren im Vergleich: Glühlampe, LED und Leuchtstofflampe

Genau hier wird es im Unterricht spannend, denn die Kurven erzählen die Technik der Lampe:

• Glühlampe: eine glatte Kurve, die zum Roten hin stetig ansteigt. So sieht ein heißer Glühdraht aus. Alle Farben sind vorhanden, deshalb ist Ra nahezu 100.
• Weiße LED: eine scharfe blaue Spitze um 450 nm und ein breiter Buckel im Gelb-Grün. Die blaue LED regt einen Leuchtstoff an, der das Gelb erzeugt. Dazwischen liegt eine Lücke im Cyan. Je kälter die LED, desto höher die blaue Spitze und desto weniger Rot. Gemessen: LED 5000 K mit Ra 90, R9 56, 4990 K; LED 8500 K mit Ra 95, R9 80, 8440 K.
• Leuchtstofflampe: statt einer glatten Kurve einzelne schmale Linien, vor allem die des Quecksilbers und der Leuchtstoffe. Genau diese Lücken zwischen den Linien erklären, warum Farben unter alten Leuchtstoffröhren oft blass wirken. Meine Energiesparlampe (warmweiß, 2700 K) misst das Gerät mit 2660 K und Ra 84.

Lass deine Klasse zuerst schätzen, welche Lampe „besser“ ist, und dann messen. Die Diskussion danach ist meist lehrreicher als jedes Tafelbild.

Bonus: Tageslicht

Hältst du das Gerät ins Tageslicht, zeigt es ein breites Spektrum mit ein paar schmalen Einbrüchen. Die bei etwa 687 und 760 nm passen zu den Absorptionsbanden des Sauerstoffs in der Luft: Das Sonnenlicht hat auf dem Weg durch die Atmosphäre genau diese Wellenlängen verloren. Ein schöner Anlass, im Unterricht über Absorptionslinien zu sprechen.

Wie genau misst das Spektrometer?

Für Vergleiche im Unterricht reicht es sehr gut. Ein geeichtes Messgerät ist es aber nicht. Das sind meine Werte nach der Kalibrierung:

Lichtquelle	Nennwert	gemessen	Ra
Energiesparlampe Philips Genie 18 W, warmweiß	2700 K	2660 K	84
LED-Lampe	5500 K	5510 K	79
Wellenlängen (6 Linien der Energiesparlampe)	405–709 nm	± 1,1 nm	–

Ehrlich gesagt: Die Wellenlängen sind dank der Energiesparlampe auf etwa 1 nm genau, unterhalb von 405 und oberhalb von 710 nm wird allerdings hochgerechnet. Die größte Unsicherheit ist die Temperatur der Referenz-Glühlampe. Ich habe sie an zwei Lampen mit bekannter Farbtemperatur abgeglichen (siehe Stolperstein 7). Trotzdem gilt: Es ist ein Demonstrationsgerät, Absolutwerte solltest du als „ca.“ lesen. Achte auf den Winkel: Viele LED-Leuchten strahlen je nach Richtung etwas anderes Licht ab, die Farbtemperatur kann sich beim Drehen der Lampe um mehrere tausend Kelvin ändern. Richte Lampen deshalb immer gleich auf den Lichttunnel aus.

Das Spektrometer im Unterricht einsetzen

Ich setze das Gerät im Lernfeld Beleuchtungstechnik der Elektroniker für Betriebstechnik ein. Den ersten Live-Einsatz hatte es in einer meiner Klassen, mit Beamer und mehreren Lampen. So kann eine Stunde aussehen:

1. Einstieg: Zwei LED-Lampen mit gleicher Farbtemperatur nebeneinander. Warum wirken sie trotzdem verschieden?
2. Messen: Glühlampe, LED warmweiß, LED kaltweiß und, falls vorhanden, eine Leuchtstofflampe nacheinander vor das Gerät, immer gleich ausgerichtet. Die Spektren gehen auf den USB-Stick.
3. Vergleichen: Spitzen, Lücken und Kennwerte gegenüberstellen und mit dem Datenblatt abgleichen.
4. Einordnen: Kolorimeter oder Spektrometer? Was sagen Ra und R9, was nicht? Welche Lampe passt in welchen Raum?

Passend dazu findest du auf meiner Seite weiteres Material für die gewerblich-technische Ausbildung, zum Beispiel den Regelkreis-Simulator und die Kurse.

Spektrometer selber bauen: so gehst du vor

Du brauchst keinen Elektronik-Abschluss, aber etwas Erfahrung mit dem Raspberry Pi und einem 3D-Drucker hilft. Rechne mit einem Nachmittag für Druck und Aufbau und einer Stunde für Software und Kalibrierung.

1. Teile besorgen: Alles steht in der Kaufliste unten, Materialkosten rund 290 € ohne Display.
2. Teile drucken: Grundplatte, Halter für Spektroskop, Kamera und Raspberry Pi, Spaltkappe und Lichttunnel in schwarzem, mattem PETG und die Gewindeeinsätze mit dem Lötkolben einschmelzen. Ausnahme Spaltkappe: Sie ist zugleich die Streuscheibe und muss aus weißem PLA auf einer glatten, unstrukturierten Druckplatte mit einer ersten Schicht von 0,1 mm gedruckt werden, sonst lässt sie das Licht nicht gleichmäßig durch. Die Druckdateien gibt es als 3MF, die Konstruktion als Fusion-360-Datei zum Anpassen.
3. Raspberry Pi OS installieren: 64 Bit mit Desktop (Trixie oder Bookworm) auf die microSD-Karte schreiben.
4. Software installieren: Drei Befehle im Terminal, das Installationsskript richtet den Rest ein: Pakete, Kamera, Display, Autostart und Beamer-Ansicht.
5. Kalibrieren: Taste „Kalibrieren“ tippen und dem Assistenten folgen.

git clone https://github.com/kleiner009/spektrometer.git
cd spektrometer
./install.sh
sudo reboot

Kaufliste

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Laserpointer rot 650 nm	optional, nur Klasse 1 oder 2	8	Amazon*
Glühlampe 100 bis 200 W, klar, E27	Referenz für die Empfindlichkeit, ohne Dimmer; Temperatur mit einer bekannten Lampe abgleichen	5 bis 10	Amazon*
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Häufige Fragen

Kolorimeter oder Spektrometer: Was ist der Unterschied?

Ein Kolorimeter misst mit drei Farbsensoren und gibt direkt Farbtemperatur oder Farbort aus. Ein Spektrometer zerlegt das Licht in alle Wellenlängen und zeigt die ganze Kurve. Erst damit lassen sich Farbwiedergabeindex und R9 berechnen, und man sieht, warum eine Lampe so wirkt, wie sie wirkt.

Was bedeutet R9 und warum ist er wichtig?

R9 bewertet, wie gut eine Lampe gesättigtes Rot wiedergibt. Im allgemeinen Ra ist er nicht enthalten. Viele LEDs erreichen Ra 80, haben aber ein R9 nahe null. Haut, Fleisch, Holz und rote Produkte wirken dann stumpf.

Warum hat eine weiße LED eine blaue Spitze?

Fast alle weißen LEDs sind blaue LEDs mit einem gelben Leuchtstoff. Ein Teil des Blaus kommt direkt durch, der Rest wird in Gelb und Grün umgewandelt. Beides zusammen wirkt weiß. Im Spektrum sieht man deshalb die scharfe blaue Spitze um 450 nm und den breiten Leuchtstoff-Buckel.

Warum ändert sich die Farbtemperatur, wenn ich die Lampe drehe?

Bei vielen LED-Leuchten mischt sich das blaue Licht der LED-Chips erst in der Streuscheibe mit dem gelben Licht des Leuchtstoffs. Je nach Richtung überwiegt das eine oder das andere. Bei meiner 8500-K-Leuchte schwankte die Anzeige je nach Winkel zwischen etwa 8500 und über 13 000 K. Für Vergleiche deshalb alle Lampen gleich ausrichten, am besten frontal auf den Lichttunnel.

Warum eine Monochrom-Kamera?

Farbkameras haben Farbfilter vor jedem Pixel. An den Übergängen zwischen Blau, Grün und Rot entstehen dadurch Buckel in der Empfindlichkeit. Fast alle haben außerdem einen IR-Sperrfilter, der das Spektrum bei etwa 650 nm abschneidet. Eine Monochrom-Kamera ohne Filter misst glatt bis über 780 nm.

Warum kalibriert man mit einer Energiesparlampe?

Weil ihre Linien von Natur aus feste Wellenlängen haben: Quecksilber leuchtet immer bei 436 und 546 nm, Europium immer bei 611 nm. Das ist genauer als jeder Laserpointer, dessen Wellenlänge man nur vom Aufkleber kennt. Eine Energiesparlampe enthält allerdings etwas Quecksilber: Bei Bruch lüften und die Scherben nicht mit dem Staubsauger aufnehmen.

Brauche ich wirklich eine Glühlampe?

Für die Empfindlichkeitskorrektur ja, weil ihr Spektrum physikalisch bekannt ist. Für die Wellenlängen nimmst du eine Energiesparlampe, für die Messungen danach brauchst du beides nicht. Klare Glühlampen gibt es weiterhin als Restposten oder Speziallampen.

Wie sicher sind die Laser im Klassenraum?

Verwende nur Laserpointer der Klasse 1 oder 2 (unter 1 mW) und richte sie nie in Augen oder auf spiegelnde Flächen. Seit der Kalibrierung mit der Energiesparlampe sind sie nur noch optional, und die Lernenden brauchen sie nicht.

Was kostet der Nachbau?

Die Materialkosten liegen bei rund 290 Euro ohne Display, je nachdem, was du schon hast. Den größten Anteil hat das Raspberry-Pi-Set mit Netzteil und Speicherkarte, danach Spektroskop und Kamera. Software und Druckdateien sind kostenlos.

Läuft das auch auf einem älteren Raspberry Pi?

Entwickelt und getestet ist es auf dem Raspberry Pi 5 mit Raspberry Pi OS Trixie. Ein Pi 4 sollte grundsätzlich funktionieren, mit anderem Kamerakabel und langsamerer Anzeige, ist aber nicht getestet.

Kann ich die Halter an andere Teile anpassen?

Ja. Die Konstruktion liegt als Fusion-360-Datei bei, zum Beispiel für eine andere Kamera oder ein anderes Spektroskop. Danach muss das Gerät neu kalibriert werden.

Du hast eine Frage, einen Verbesserungsvorschlag oder hast das Spektrometer nachgebaut? Schreib mir, ich freue mich über Rückmeldungen und Fotos von deinem Aufbau.

Die Software basiert auf PySpectrometer2 von Les Wright (Apache 2.0) und wurde für dieses Projekt stark erweitert. Open Source unter Apache 2.0.