Wie weiß ist Weiß? Reflektometrie - Deutschlands nationales Metrologieinstitut

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1 Wie weiß ist Weiß? Reflektometrie - Deutschlands nationales Metrologieinstitut - 1 -

2 Licht, ein Teil des elektromagnetischen Spektrums Der für das menschliche Auge sichtbare Bereich der elektromagnetischen Strahlung erstreckt sich auf den Wellenlängenbereich von etwa 380 nm bis 780 nm und wird als Licht bezeichnet. 380 nm 780 nm Quelle:Wikimedia/Commons Licht erscheint dann als weiß, wenn es alle Farben des sichtbaren Spektrums enthält. Objekte erscheinen dann als weiß, wenn sie mit weißem Licht beleuchtet werden und alle Farben des sichtbaren Spektrums gleichermaßen reflektiert werden

3 Wie sehen wir Farben? Quelle:Wikipedia/Commons Die Netzhaut des menschlichen Auges enthält zwei verschiedene Systeme von Photorezeptoren: sog. Stäbchen (Z) für den Hell-/Dunkel-Kontrast sog. Zapfen für die Farbwahrnehmung: S-Typ (Blaurezeptoren) M-Typ (Grünrezeptoren) L-Typ (Rotrezeptoren) Im sichtbaren Bereich sind diese unterschiedlich empfindlich (siehe nebenstehendes Bild). Empfindlichkeitskurven der Netzhaut des Menschen in Abhängigkeit von der Wellenlänge. Die Kurve für den S-Rezeptor ist um den Faktor 3 überhöht dargestellt. Die menschliche Wahrnehmung von Farbe ist ein subjektiver Sinneseindruck (wie Fühlen, Riechen, usw.) und entsteht als eine Kette physikalisch-physiologischer Prozesse: Objekt (Apfel) Auge (die Netzhaut empfängt das Licht vom Objekt und sendet Signale an das Gehirn) Gehirn (verarbeitet die Signale zu einem Farbeindruck) Mensch Rot Zeichnung Quelle: Wikimedia /Commons - 3 -

4 Was bedeutet weiß? Die Primärfarben der "Additiven Farbmischung" sind Orangerot, Grün und Violettblau. Führt man diese wieder in Form von Lichtkegeln auf einer neutralen Oberfläche zusammen, so addieren sich deren Farben wieder zu weißem Licht. Additive Farbmischung kommt also durch die Addition von Wellenlängenbereichen zustande. In den Schnittpunkten ergeben sich die Sekundärfarben der additiven Farbmischung: Orangerot + Grün = Gelb Orangerot + Violettblau = Magentarot Grün + Violett = Cyanblau Der Farbeindruck einer Fläche im Auge entsteht durch Reflexion des Beleuchtungslichtes (Umgebungslichtes) an dieser Fläche. Weiße Fläche: reflektiert alle einfallende Strahlung des sichtbaren Spektralbereiches vollständig

5 Der weißer als Weiß Effekt Spektrale Reflexion des originalen Stoffes Behandelt mit Fluoreszenzfarbstoffen 380 nm 780 nm 380 nm 780 nm Der gelbliche Farbton von Textil- wie auch Papierfasern entsteht dadurch, dass von ihnen bevorzugt blaues Licht absorbiert wird. Diese Wellenlänge fehlt nun im reflektierten Lichtspektrum und das Objekt erscheint gelblich (Komplementärfarbe). Der Effekt von strahlendem, hellem Weiß liegt an der Zugabe von sog. optischen Aufhellern ( Weißmachern ) in die Produkte, z.b. in Papier, Waschmittel, Textilien, Haarwaschmittel. Optische Aufheller sind chemische Farbstoffe die unter UV-Strahlung fluoreszieren. Sie absorbieren Strahlung im Bereich von ca. 290 nm nm und emittieren im blauen Bereich des sichtbaren Spektrums bei ca. 400 nm nm. Das vom Auge aufgenommene Licht ist die Summe des vom Objekt direkt reflektierten Lichts plus des durch Fluoreszenz erzeugten. Durch den zusätzlichem Blau-Anteil wird der Gelbstich kompensiert und der Weißer als Weiß - Effekt erzeugt

6 - 6 - Reflexion des Lichtes an einer Oberfläche An einer Grenzfläche zwischen zwei Medien mit verschiedenen Brechzahlen ändert Licht seine Ausbreitungsrichtung - man nennt es Reflexion. Prinzipiell unterscheidet man zwischen gerichteter und diffuser Reflexion. In der täglichen Praxis treten beide Phänomene oft in gemischter Form auf. ρ reg θ θ Φ i ρ reg = Φ r Φ i ρ - Reflexionsgrad Φ - Strahlungsleistung ρ diff Φ r Φ i ρ diff = Φ r Φ i Φ r Reguläre (gerichtete, spekulare) Reflexion Diffuse Reflexion Gerichtete Reflexion: An glatten, polierten Oberflächen wird das Licht überwiegend gerichtet reflektiert, wobei der Ausfallswinkel (Reflexionswinkel) gleich dem Einfallswinkel ist (Bild links). Diffuse Reflexion: An rauen Oberflächen oder opaken Materialien mit internen Streuzentren (z.b. Milchglasscheibe) wird das Licht diffus gestreut (Bild rechts).

7 Diffuse Reflexion Lambertsches Gesetz Lambertsches Gesetz: die Strahlstärke* I einer von einer Fläche A ausgesandten Strahlung nimmt mit flacher werdenden Winkel θ ab (lambertsches Kosinusgesetz): I(θ) = A cos(θ) L A: Flächenelement θ: Ausstrahlungswinkel (Betrachtungswinkel) L: Strahldichte der Lichtquelle A θ I n cosθ I n Ein lambertscher Strahler liegt vor, wenn die Strahldichte L der Lichtquelle orts- und richtungs- unabhängig ist. ρ Eine lambertsche Fläche ( ideal mattweißer Körper, perfectly reflecting diffusor (PRD)) ist eine Fläche, die unabhängig von der Bestrahlungsrichtung die eingestrahlte Leistung gemäß dem lambertschen Gesetz reflektiert. Ein lambertscher Strahler und eine lambertsche Fläche erscheinen daher unter allen Betrachtungswinkeln gleich hell: L = I(θ)/(A cos(θ)) L θ L L L(θ) L *Die Strahlstärke (W/sr) gibt an, welche Lichtleistung in einen Raumwinkel abgestrahlt wird. Die Strahldichte (W/m 2 ) gibt an, welche Lichtleistung von einer Fläche eines Strahlers ausgesandt wird

8 Wie werden Weiß und andere Farben bestimmt? Mit der Messung diffus reflektierter Strahlung befasst sich Reflektometrie. Die Methoden der Reflektometrie ermöglichen es mit Hilfe von Standards eine in der jeweiligen Industriebranche gebräuchliche Skala für die Farbmessung festzulegen. Damit Weiß und auch andere Farben genau spezifiziert und vergleichbar werden könnten, gibt es weltweit anerkannte Standards (Normale), die für viele industrielle Bereiche bindend sind. Standards (Normale) für Weiß, Grau und Farben werden in der PTB kalibriert. Für viele Industriebranchen und Endverbraucher ist die Spezifizierung des Begriffes Weiß sehr wichtig und stellt ein Qualitätssiegel dar. Aus Weiß kann im Auge auch Grau werden - der neutrale Farbton, der entsteht, wenn die drei Farbrezeptoren im Auge zwar mit gleicher aber nicht maximaler Intensität gereizt werden. Weiß-, Grau- und Farbstandards - 8 -

9 Reflektometrie an der PTB Wer braucht reflektometrische Messungen und Skalen? Zuckerindustrie (Weißgrad) Papier-, Textilindustrie Automobil- Druck- und Farbindustrie Fluoreszierendes Papier Zuckerstandards Hersteller von Spektrophotometern, Farbmessgeräten, etc. Forschungsinstitute, Universitäten Effektpigment Farbstandards Ausländische nationale Metrologieinstitute (NMI) ohne eigene absolute Reflexionsskala Farbstandards für Farbmessgeräte Standard: Spectralon - 9 -

10 Messprinzip in der Reflektometrie Probe Detektor Detektor Spektrale Analyse (Gitter) Lampe Prinzip der absoluten Reflexionskalibrierung: Die Probe wird mittels einer Lampe polychromatisch bestrahlt. Das von der Probe reflektierte Licht wird durch einen Monochromator spektral zerlegt und analysiert. Ein Detektor und eine geeignete Auswerteelektronik messen das Spektrum der reflektierten Strahlung. Das Reflexionsspektrum der Probe wird mit dem Spektrum des absoluten mattweißen Körpers verglichen, wenn er unter denselben Bedingungen gemessen würde. Die Messungen können in verschiedenen Reflexionsgeometrien durchgeführt werden

11 Reflektometrische Standards Ein idealer mattweißer Körper (ein perfekt reflektierender Diffusor, PRD) wäre ein Normal für diffuse Reflexion. Definitionsgemäß reflektiert er die auf ihn auftreffende Strahlung: verlustfrei, vollständig diffus, mit einer lambertschen Richtungscharakteristik. Weiße Standardreflexionsmaterialien Ein idealer mattweißer Körper ist technisch (noch) nicht realisierbar, deshalb wird er durch das Messprinzip im Rahmen einer Absolutmessung dargestellt. Die Realisierung erfolgt mit physikalischen Methoden, d.h. durch die Messapparatur selbst. Durch radiometrische Messungen werden die Reflexionseigenschaften einiger geeigneter Substanzen bestimmt, die näherungsweise dem ideal mattweißem Körper entsprechen. Diese Substanzen sind Standardreflexionsnormale und dienen als Transfernormale für die Industrie. Für den alltäglichen Gebrauch in der Industrie werden (möglichst verschleißfreie) Arbeitsnormale benutzt, die wiederum auf die Transfernormale rückgeführt sind.

12 Kalibrierung von Reflexionsstandards: Ulbrichtkugeln Die Reflexionseigenschaften des Reflexionsstandards werden nach der so genannten Korte-Schmidt Methode bestimmt: Der Weißstandard wird im Zentrum einer Ulbrichtkugel (engl. Integrating Sphere ) montiert mit der Oberfläche in der Äquatorialebene der Kugel Der Weißstandard wird aus allen Richtungen über die Kugelhälfte I mit konstanter Strahldichte bestrahlt (mittels der Lampe L und Kugelhälfte II) Der ideal mattweiße Körper montiert in der Kugelmitte würde die gleiche Strahldichte besitzen wie die Wand der ihn bestrahlenden Halbkugel I Die Messung der Strahldichte dieser Halbkugel ist daher der Messung der vom ideal mattweißen Körper reflektierten Strahldichte gleichwertig L r (λ) directional reflected (0 ) radiance, sample measurement Strahldichte der Probe L r (λ) P L B I II In der Messung wird der Strahldichtefaktor bestimmt: L r PRD directional reflected radiance, wall measurement Strahldichte der Wand = Strahldichte des ideal mattweißen Körpers L r PRD β λ = ( ) L λ ( ) r PRD r L

13 Kalibrierung von Reflexionsstandards: Ulbrichtkugeln Hemisphärisch/gerichtet (halbräumlich/gerichtet) auflösende Methode: Ulbrichtkugel (engl. Integrating Sphere ): Homogene diffuse Innenbeschichtung aus Bariumsulfat (BaSO 4 ) für Wellenlängen zwischen 250 nm und 2400 nm, oder aus Gold für Wellenlängen oberhalb von 2400 nm. Räumlich-integrierende Methode: Bestrahlung aus dem Halbraum.

14 Kalibrierung von Reflexionsstandards: Gonioreflektometer Räumlich-auflösende Methode: (nahezu) beliebige Einfalls- und Ausfallswinkel! 5-Achsen Industrieroboter als Probenhalter Drehkranz, Ø = 1,6 m, Ausleger als Lampenträger Wellenlängenbereich: 250 nm 1700 nm Spektrale Aussonderung im Detektionsarm mit Monochromator Winkelbereich bei der Messung: φ = 0 360, θ = 0 90, θ = 0 85 i, r i r

15 Messgröße Strahldichtefaktor und Messgeometrien Strahldichtefaktor β: Verhältnis der Strahldichte (bzw. Leuchtdichte) des Materials zur Strahldichte (bzw. Leuchtdichte) des vollkommen mattweißen Materials bei Reflexion, das in gleicher Weise bestrahlt (bzw. beleuchtet) wird. ( ) L λ β(λ) = L r PRD r Von der CIE, der internationalen Beleuchtungskommission, werden derzeit drei Geometrien für die Messung des Strahldichtefaktors empfohlen: β 45/0 β 0/45 β d/0 diffuse Einstrahlung aus dem Halbraum Reflexionswinkel 0 Einstrahlungswinkel 45 Reflexionswinkel 0 Absolut mattweißer Körper: β = 1 Für reale Körper: (immer, unabhängig von der Wellenlänge und dem Einstrahlungs- und Reflexionswinkel) β kann auch > 1 werden! Einstrahlungswinkel 0 Reflexionswinkel 45 Strahldichtefaktor β(θ i ) 1,1 1,0 0,9 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 45/0 gepresstes BaSO4 poliertes Opalglas Einstrahlungswinkel [ ]

16 Reflektometrie ist noch mehr... Reflektometrische Methoden ermöglichen es, das visuelle Aussehen von Objekten (engl. Appearance) umfassend zu messen und zu beschreiben. Eigenschaften wie Farbe, Glanz, Transparenz, Milchigkeit, Welligkeit, Textur sollen so gut wie möglich durch Modelle und Kennzahlen beschrieben werden. Die Aktivitäten im Bereich der modernen Reflektometrie umfassen: Messung der kompletten Reflexionsindikatrix (alle Ein- und Ausfallswinkel) für Standardreferenzmaterialien (Weiß-, Grau-, Farbstandards) sowie auch für moderne funktionale Oberflächen (z.b. Metalliclacke, Effektpigmente, texturierte Oberflächen), unterschiedliche Beleuchtungsbedingungen werden berücksichtigt, Die Ergebnisse können mit Hilfe moderner elektronischen Mittel (CCD-Zeilenkamera, Photometriekamera) umfangreicher aufgenommen und danach modelliert werden. Beispiele: Effektpigmentlacke und texturierte Oberflächen

17 Weiterführende Literatur Mehr Informationen unter: Andere Quellen: - eine didaktische Seite über Physik (u. a. Elektromagnetische Wellen, Licht, Farben und Farbmischung...) (u.a. kleine Farbenlehre, Quantenmechanische Grundlagen von Farbigkeit, Farbstoffe, der schwarze Körper...)

18 Kontakt Photo: Wächtergruppe von Friedrich-Wilhelm Voswinkel (1982) am Eingang der PTB, Braunschweig Physikalisch-Technische Bundesanstalt PTB Bundesallee Braunschweig Abteilung 4 - Optik, Sekretariat: Tel.: (05 31) Abteilung4@ptb.de