 Informationsanforderung
Farbmessungen spielen bei der Qualitätskontrolle von Produkten eine immer größer werdende Rolle. Besonders das Prüfen von Farbunterschieden zwischen verschiedenen Referenzmaterialien und den später daraus hergestellten Proben ist für die Abnahme durch den Endkunden sehr wichtig. Die einfachste Methode ist die Untersuchung durch das menschliche Auge in Spezialkabinen. Objektivität und Vergleichspräzisionen können die Ergebnisse beeinflussen. Deshalb werden Geräte zur Farbmessung verwendet, die den Prozess der menschlichen Wahrnehmung von Farben imitieren.
„Denken wir einmal an das „klassische Inselexperiment“ bei dem eine zufällige Ansammlung von verschieden farbigen Kieselsteinen von einem einsamen Schiffbrüchigem klassifiziert wird. Wenn man dabei an die Bezeichnungen der Farben wie z.B. rot, blau, grün, etc. denkt, wäre der erste Schritt die Kieselsteine in farbige und nichtfarbige Steine aufzuteilen. Anders gesagt, die CHROMATISCHEN Steine werden von den ACHROMATISCHEN getrennt. Die achromatischen Steine werden dann nach schwarz/grau/weiß sortiert, d.h. entsprechend ihrer HELLIGKEIT. Die chromatischen Steine werden gemäß ihrer FARBTÖNE als erstes in verschiedene Stapel aufgeteilt (rot, gelb, grün, etc. …). Jeder dieser Steine wird dann wie die achromatischen Steine nach Helligkeit sortiert. Jetzt stellt man fest, dass es immer noch Steine gibt, die sich von den anderen trotz gleichem Farbton und gleicher Helligkeit unterscheiden. Dieser Unterschied beruht darauf, inwieweit die verschiedenen Farben sich im Grauton unterscheiden – grob gesagt, wie viel Farbe sie enthalten. Diese dritte Variable wird CHROMINANZ oder SÄTTIGUNG genannt. Jede Farbe kann nur durch diese drei Eigenschaften, sprich FARBTON; HELLIGKEIT und SÄTTIGUNG, bestimmt werden." (Aus: Multi-channel detector applications. Andor Technology Ltd. Workshop Belfast Oktober 26-29,1992. S.5). Technisch beschrieben würde es wie folgt lauten: Die Farbe ist eine dreidimensionale Größe. Das menschliche Auge unterscheidet zwischen mehr als 1 Million verschiedener Farbarten. Jeder Eindruck einer Farbe entsteht für den Menschen durch die Überlagerung der Beleuchtung, des Reflexionsvermögens/ Transmittanz des Objektes und der Ansprechempfindlichkeit des menschlichen Auges (das Auge verfügt über drei verschiedene Farbrezeptoren (Uvula) mit Rot-, Grün- und Blauempfindlichkeit). Deshalb muss ein Farbmessgerät die spektralen Eigenschaften der Beleuchtung und die des Auges „kennen“. Die zuletzt genannte Eigenschaft ist von Person zu Person verschieden. Dafür wurde im Jahr 1931 eigens ein Standard zur Ansprechempfindlichkeit durch die CIE definiert. Dieser geht zurück auf die Ergebnisse von über 1000 Testpersonen und wird als der „normale Beobachter“ bezeichnet (ein neuer Standard ist zurzeit in Entwicklung).
Der Standard besteht aus drei genormten Empfindlichkeiten wie in Abbildung 1 zu sehen. Sie werden als Werte des Normalbeobachters oder als Funktionen zur Farbabstimmung bezeichnet  .
Abbildung 1: Funktionen für den 2° und 10° Normalbeobachter (erhältlich als Tabellen mit 5nm Schrittweite, siehe auch DIN 5033/2 oder CIE 15.2)
Anhand des Diagramms kann man sagen, dass die Empfindlichkeit der Augen über 700nm vernachlässigt werden kann. Deshalb verwenden einige Farbmessinstrumente nur Bereiche von bis zu 700nm. Die Farbwahrnehmung ist eine subjektive Beobachtung durch den Menschen, daher gestaltet sich die Farbmessung als extrem schwierig. Einflüsse neben den verschiedenen spektralen Empfindlichkeiten der einzelnen Personen sind Alter, psychologisches Wohlbefinden und Umwelteinflüsse.
Die Uvula sind auf der Hornhaut verschieden dicht verteilt. Dadurch werden die Farben auf unterschiedliche Art und Weise hinsichtlich des beleuchteten Bereichs wahrgenommen. Die Kurven des Diagramms in Abbildung 1 stellen die Datensätze für einen engen (2°) und einen breiteren Sichtwinkel (10°) dar. Die Ansprechempfindlichkeit ändert sich nur leicht bei größeren Winkeln.
Farbmessgeräte können in zwei Kategorien geteilt werden – Instrumente auf Filter- oder Spektrometerbasis. Filterinstrumente verwenden 3 verschiedene Spezialfilter deren Transmissionseigenschaften so genau wie möglich an die drei Funktionen eines Normalbeobachters angepasst sind. Geräte zur spektralen Messung verwenden Spektrometer und verfügen dadurch über viel mehr Detektoren welche die Empfindlichkeiten in das Vis Spektrum leiten. Die Eigenschaften eines Normalbeobachters werden als Berechnungsgrundlage verwendet, da die Berechungen somit genauer sind. Mit getSpec COLOR finden Sie ein solches Gerät bei getSpec.com. Das Messobjekt wird mittels interner Lichtquelle beleuchtet und das Signal, welches von der Oberfläche empfangen wird, wird anhand eines Spektrometers gemessen.
Das menschliche Auge erhält auf drei verschiedene Arten einen Farbeindruck: als Reflexion z.B. Autokarosserie (A), als Transmission z.B. farbiges Fenster einer Kirche (B) sowie als Emission z.B. Farbe einer Lichtquelle z.B. LED (C). Geräte zur spektralen Messung für A werden als Spektrocolorimeter, für B als Spektrophotometer und für C als Spektroradiometer bezeichnet (siehe auch Abbildung: 2).
Abbildung 2: Verschiedene Farbeindrücke (physikalische Begriffe sind A - Reflexionsspektroskopie,
B – Transmissionsspektroskopie, C – Emissionsspektroskopie
Abbildung 3 zeigt die Lichtquelle durch die ein Objekt beleuchtet wird, welches vom menschlichen Auge beobachtet wird. Das Beleuchtungsspektrum wird vom Objekt zurückgesandt und anhand seines spektralen Reflexionsverhaltens gemessen. Das Auge empfängt dieses Signal und verarbeitet es anhand seiner eigenen drei Empfindlichkeitskurven. Dadurch entsteht der Farbeindruck des Objektes, welcher durch die Tristimuluswerte X.Y und Z bestimmt wird.
Abbildung 3: Objekt mit Lichtquelle und Beobachter
Der physikalische Wert Farbe ist ein dreidimensionaler Wert. Folgendes Schema zeigt das prinzipielle Verfahren zur Berechnung dieses Wertes:
Abbildung 4: Verfahren zur Farbberechnung (siehe auch DIN 5033/2 und /3), bei einem rein weißem, matten Körper ist *k die Normierung des Tristiumuluswertes so dass Y gleich 100 ist
Die Tristimuluswerte X, Y und Z treffen keine Aussage hinsichtlich Helligkeit, Farbton und Farbsättigung (siehe Anfang des Kapitels). Deshalb werden sie in andere Farbsysteme umgewandelt. Da die wahrgenommenen Farben nur von den relativen Amplituden X, Y und Z abhängig sind, werden die Farbwertanteile x und z wie in Abbildung 4 definiert. Hinzu kommt z = Z/(X+Y+Z).
Die beiden Werte x und y beinhalten keine Informationen über die Intensität, deshalb werden sie durch Y ergänzt. Das Tripel xyY wird oft verwendet, um einen Farbeindruck zu charakterisieren.
Das xy Diagramm hat die Form einer Zunge, die einzelnen Wellenlängen (Spektralfarbenzug) und die so genannten Purpurlinien sind ihre Grenzen.
Abbildung 5: XY Diagramm
Das Ziel der Farbmesstheorie während der letzten Jahrzehnte war es, Systeme zu entwickeln, die sehr gut an die Wahrnehmung des menschlichen Auges angepasst sind. Eines der am meisten verwendeten Systeme ist L*a*b* bei dem sichtbare Farbunterschiede (DE*) in einem 3D Raum mit ungefähr den gleichen Werten reflektiert werden. Die Unterscheidung zwischen Werten mit Sternchen (z:B. Y) und Werten ohne Sternchen (z.B. Y) wurde in Abbildung 5 aus Gründen der Einfachheit nicht mit dargestellt. Das L*a*b* System ist besser an die subjektive Farbwahrnehmung des menschlichen Auges angepasst als ein xyY System.
Wie bereits oben erwähnt ist die Hauptaufgabe der Farbmessung das Vergleichen von Farben. Der geometrische Abstand von dreidimensionalen Referenz- und Probenfarbwerten (DE*) wird für den einfacheren Umgang mit Messergebnissen verwendet.
Farbmessung von lichtundurchlässigen Oberflächen
Farbmessung (Messungen der spektralen Reflexion)
Der Farbeindruck eines lichtundurchlässigen Körpers ist das Ergebnis der Lichtstreuung der Farbpigmente an der Oberfläche und die daraus folgende diffuse Reflexion des gestreuten Lichts. Dieser Prozess wird Remission genannt. Das reflektierte Licht wird durch die Beleuchtung und die beleuchtete Oberfläche (siehe Abbildung 2 und 3) beeinflusst. Normal reflektiertes Licht beinhaltet keine Farbinformation über die reflektierende Oberfläche.
Die Messgeometrie, insbesondere die Beleuchtungsart, hat einen signifikanten Einfluss auf die Messungen. Für die Farbmessungen kommen zwei genormte Farbmessungen zum Einsatz. Das Hauptkriterium für die Auswahl der geeigneten Geometrie für eine Anwendung ist die Beschaffenheit der Probenoberfläche. Weiche Oberflächen, z.B. Plastik oder Lacke benötigen eine direkte Beleuchtung mit einem Winkel von 45° entsprechend der Messrichtung. Hier wird eine symmetrische, kreisförmige Anordnung um die senkrechte Messachse herum bevorzugt. Diese Anordnung vermeidet, dass durch glänzende Reflexionen das Messergebnis beeinflusst wird (normale Reflexionen beinhalten keine Farbinformationen). Raue Oberflächen, wie z.B. von Textilien oder Mauerwerk benötigen eine diffuse Beleuchtung die durch eine Lampe in der Ulbrichtkugel erreicht werden kann. In diesem Fall können zwei verschiedene Messungen angewandt werden: mit oder ohne Glanz. Für Messungen ohne Glanz wird eine spezielle Glanzfalle verwendet. Die Detektion der Reflexion erfolgt bei beiden Fällen direkt. In der nachfolgenden Abbildung sind Schemen zu beiden Messgeometrien dargestellt:
Abbildung 6: Beide Geometrien für Reflexionsmessungen von Deckfarben
Links: gerichtete 45° Beleuchtung und 0° Messung (vorzugsweise symmetrische Beleuchtung) (45°/ 0°)
Rechts: diffuse Beleuchtung durch eine Ulbrichtkugel und 8° Messung (d/8°)
Die Lichtquelle und der Detektor können ausgetauscht werden (Helmholtz Reproduzierbarkeit). Das gilt allerdings nur für Proben ohne Fluoreszenzeigenschaften. Die Messgeometrie ist in der Spezifikation zur Beleuchtung sowie in der Spezifikation zur Beobachtungsweise beschrieben (gemäß ASTM und CIE).
Das getSpec COLOR verfügt über eine 45°/ 0° Messgeometrie. Sein Messsensor wird direkt auf das zu messende Objekt platziert.
Die Ergebnisse der Farbmessung hängen sehr stark von der Messgeometrie ab z.B. Blendendurchmesser von Lichtquelle und Detektor. Daher werden auch von verschiedenen Messgeräten unterschiedliche Messergebnisse erreicht, insbesondere wenn sie von verschiedenen Herstellern sind. Hauptkriterium eines Instruments ist also die Vergleichsmöglichkeit mit anderen Geräten. Wie schon im Hauptkapitel erwähnt, hängt der Farbeindruck eines Objektes von dem Beleuchtungsspektrum und dem Beobachter ab. Um vergleichbare Messergebnisse zu erlangen, sind Beobachter (siehe Abbildung 1) und Lichtquelle (z.B. Tageslicht oder das Licht einer Glühlampe – siehe Abbildung 7) genormt. Jedes Messergebnis muss die zugehörigen Messbedingungen berücksichtigen.
Es ist nicht möglich ein ideal genormtes Beleuchtungsspektrum für Messungen zu erreichen. Wenn aber das spezielle Beleuchtungsspektrum eines Messgerätes bekannt ist, kann es mathematisch in genormte Eigenschaften konvertiert werden. Die Berechnung der Farbwerte erfolgt dann gemäß dem Schema in Abbildung 4. Zusätzlich ist zu erwähnen, dass das gemessene Spektrum Phi (Lambda) Produkt des Standardbeleuchtungsspektrum S Lambda, welches nur als Referenz für die Farbwertanteile genutzt werden sollte, und des spektralen Reflexionskoeffizienten (spektrale Beleuchtungstärke der Probe R Lambda) ist.
Die spektrale Beleuchtungsstärke der Probe wird durch das Verhältnis gemessenes Probenspektrum zu gemessenem Weißstandardspektrum des bekannten spektralen Reflexionsvermögens bestimmt. Deshalb ist keine Beleuchtung durch eine Standardbeleuchtung notwendig.
I sample(l?) ist das gemessene Probenspektrum
Iref(l?) ist das gemessene Weißstandardspektrum
Es ist zwingend notwendig, dass während der Messungen (Messung des Standards und der Probe) das Beleuchtungsspektrum des Instruments konstant bleibt. Es kann beliebig verteilt werden, jedoch müssen sämtliche Teile in einem sichtbaren Bereich von 380 bis 760 nm oder zumindest von 400 bis 700 nm eingeschlossen sein. Die besten Ergebnisse werden bei einer homogenen Verteilung im gesamten Spektrum aufgrund der gleichgroßen Dynamiken erzielt.
Abbildung 7 zeigt zwei verschiedene genormte Beleuchtungen, welche oft zur Anwendung kommen. Verschiedene andere Spektren, wie z.B. Tageslicht von anderen Farbtemperaturen, künstliches Licht, etc. sind vordefiniert (siehe DIN 5033/7).
Abbildung 7: Normspektrum D65 (Tageslicht mit Farbtemperatur von 6500K) und A (Glühlampe)
Zwei Proben mit unterschiedlichen Reflexions- bzw. Transmissionspektren, die die gleichen Farbwerte bei der gleichen Lichtquelle aufweisen, haben meistens unterschiedliche Farbwerte unter verschiedenen Beleuchtungen. Dieser Effekt wird Metamerie genannt. Der entsprechende Wert dazu wird als Metamerieindex bezeichnet. Er beschreibt den Farbabstand von Proben, die unter einer bestimmten Beleuchtung gemessen werden, zur Referenzbeleuchtung bei der der Farbabstand Null beträgt.
Jedes Instrument zur Farbmessung wird mit mindestens einem Referenzstandard geliefert. Mittels dieses Standards, der so genannte Weißstandard, können Messungen, die von Normungsinstituten gemacht wurden, zurückverfolgt werden. Er wird zur Kalibrierung eines Instruments vor den Messungen genutzt, um das Beleuchtungsspektrum Iref( l ) des Instruments festzustellen.
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