4. Normungsaspekte. Praktische Farbmessung / Farbwissenschaften in der Papiertechnik. 4 Normungsaspekte Praktische Farbmessung

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1 4. Normungsaspekte Praktische Farbmessung / Farbwissenschaften in der Papiertechnik z y x 4 Normungsaspekte Praktische Farbmessung

2 Einflüsse auf die Farbwirkung Übersicht Messgeometrie 0 /45, 45 /0 0 /d, d/8 Lichtart Spektrum Spektralfarben Lichtquellen Normlichtarten Beobachter 2 -Normbeobachter 10 -Normbeobachter Sonstige Auflösung Messbereich Probe 4 Normungsaspekte Praktische Farbmessung 2

3 Einflüsse auf die Farbwirkung Beleuchtung Lichtart Spektrum Spektralfarben Lichtquellen Normlichtarten 4 Normungsaspekte Praktische Farbmessung 3

4 Einfluss der Lichtart Kompaktleuchtstofflampe Osram Dulux EL 12 W ähnlichste Farbtemperatur: 2800 K Farbwiedergabe: R a = 80 Glühlampe 60 W Farbtemperatur: 2800 K Farbwiedergabe: R a = Normungsaspekte Praktische Farbmessung 4

5 Einfluss der Lichtart gedruckte Metacow in Abmusterungskabine Tageslicht Glühlampenlicht siehe auch: und 4 Normungsaspekte Praktische Farbmessung 5

6 Licht Licht ist elektromagnetische Strahlung im sichtbaren Wellenlängenbereich. 4 Normungsaspekte Praktische Farbmessung 6

7 Optisches Spektrum (2) 4 Normungsaspekte Praktische Farbmessung 8 Farben. Heidelberg: Spektrum der Wissenschaft, 2004.

8 Spektrale Beschreibung (1) 4 Normungsaspekte Praktische Farbmessung 9

9 Strahlungsleistung Strahlungsleistung Spektrale Beschreibung (2) Über der Wellenlänge können verschiedene strahlungsphysikalische Größen aufgetragen werden, wie zum Beispiel die Strahlungsleistung. Diese Darstellung wird ebenfalls als Spektrum bezeichnet. Die Wellenlänge wird linear aufgetragen, wie bei der Auffächerung durch ein Beugungsgitter. Durch die spektrale Darstellung der Strahlungsleistung erhält man zusätzlich die Information, welche Wellenlängen wie stark in der Strahlung vorhanden sind. Zwimpfer, M.: Farbe : Licht - Sehen - Empfinden. Bern: Haupt, Leuchtstoffröhre Glühbirne Wellenlänge Wellenlänge 4 Normungsaspekte Praktische Farbmessung 10

10 Strahlungsleistung Die Strahlungsleistung e (Strahlungsfluss, engl.: radiant flux) ist die pro Zeiteinheit dt transportierte Strahlungsenergie dq. Die durch elektromagnetische Strahlung transportierte Energie ist die Strahlungsenergie Q. Die Strahlungsenergie Q fließt von der Strahlungsquelle zum Strahlungsempfänger. Die transportierte Energie ist abhängig von Wellenlänge und Amplitude der betrachteten Strahlung. e dq dt Lampentyp Strahlungsleistung UV VIS IR gesamt Glühlampe (100 W) 0,03 W 9 W 84 W 93W Leuchtstofflampe (36 W) 0,2 W 8 W 15 W 23W Hg-Hochdrucklampe (400 W) 8,5 W 59 W 235 W 300 W 4 Normungsaspekte Praktische Farbmessung 11

11 Lichtquelle Definition Bevor Licht im Auge wahrgenommen wird, muss es erzeugt werden. Die Erzeugung von Licht erfolgt in sogenannten Lichtquellen. Lichtquellen wandeln elektrische Energie in sichtbares Licht. Das Spektrum ist die Größe, welche die optische Strahlung einer Lichtquelle für den Prozess der Farbwahrnehmung am besten charakterisiert. Jede Lichtquelle besitzt ein charakteristisches Spektrum. Lichtquellen werden auch Selbstleuchter genannt. Als Selbstleuchter bezeichnet man auch Licht emittierende Körper. 4 Normungsaspekte Praktische Farbmessung 12

12 Lichtquellen Einteilung Leuchtstoffröhre Lumineszenzstrahler sind Lichtquellen, die Licht aus einem Lumineszenzprozess erzeugen. Atome werden durch Stöße angeregt und die Energie in Form von Licht wieder abgegeben. Der Wirkungsgrad von Lumineszenzstrahlern ist mit 40 % bis 99 % vergleichsweise hoch. Bei Lumineszenzstrahlern ist eine gute Farbwiedergabe jedoch nicht gegeben. Bei Temperaturstrahlern wird Licht durch einen glühenden Wolframdraht erzeugt. Neben den erzeugten Licht wird elektrische Energie auch in Wärme gewandelt. Temperaturstrahler gehören nicht zu den energie-effizientesten Leuchtmitteln. Jedoch haben Temperaturstrahler eine hervorragende Farbwiedergabe. 4 Normungsaspekte Praktische Farbmessung 13

13 Technische Lichtquellen: Lampen Lampen sind Selbstleuchter, die meist elektrische Energie in sichtbare, elektromagnetische Strahlung, also Licht, umwandeln. Im Gegensatz dazu sendet eine Leuchte selbst keine Strahlung aus. Neben der Lampe kann eine Leuchte die Fassung, Reflektoren, einen Schirm und elektrische Schaltkreise umfassen. Leuchten können das von Lampen ausgestrahlte Licht in eine zweckmäßige Richtung lenken und spektral verändern. Lampe Leuchte 4 Normungsaspekte Praktische Farbmessung 14

14 (Norm-)Lichtarten (1) Für vergleichbare Farbmessungen sind definierte Referenzen erforderlich. Es wurden Lichtarten mit definierten spektralen Energieverteilungen genormt. Normlichtarten sind keine technischen Lichtquellen. Normlichtarten werden durch Lichtquellen angenähert. Die Begriffe der physikalischen Lichtquelle und der zugehörigen (Norm-)Lichtart müssen fachlich korrekt unterschieden und verwendet werden. Normlichtart Technische Realisierung Tageslicht D65, D50, Xenonlampe Technische Lichtquellen A FL1,, FL12 HP1,, HP5 Glühlampe, Halogenlampe verschiedene Leuchtstofflampen verschiedene Hochdruckdampflampen Quelle: Klein, G. A.: Farbenphysik für industrielle Anwendungen. Heidelberg: Springer Verlag, Normungsaspekte Praktische Farbmessung 15

15 (Norm-)Lichtarten (2) Es existiert keine technische Lichtquelle, mit welcher die Normlichtart D65 für ein mittleres Tageslicht exakt realisiert werden kann. Wolframdrahtlampe, Normlichtart A UV-gefilterte Xenonlampe, Normlichtart D65 Leuchtstofflampe Typ CWF, Normlichtart F2 Dreibandenlampe TL84, Normlichtart F11 Quelle: Klein, G. A.: Farbenphysik für industrielle Anwendungen. Heidelberg: Springer Verlag, Normungsaspekte Praktische Farbmessung 16

16 (Norm-)Lichtarten (3) Zur Farbmessung von Körperfarben muss eine beleuchtende Lichtquelle im Farbmessgerät (meist Spektralfotometer) eingesetzt werden. Verschiedene Industrien setzen unterschiedliche Lichtquellen ein. Automobilindustrie, Textilindustrie und Papierindustrie: vorwiegend Xenon- Blitzlampen ähnlich der Normlichtart D65 Druckindustrie: vorwiegend Glühlampen der Normlichtart A Teilweise kommen auch stabilisierte Halogenlampen zum Einsatz. Für bestimmte Messverfahren muss die Lampe des Messgeräts (häufig Xenonlampen) durch einen Filter der Normlichtart noch angepasst werden. 4 Normungsaspekte Praktische Farbmessung 17

17 Einflüsse auf die Farbwirkung Beobachter Beobachter 2 -Normbeobachter 10 -Normbeobachter 4 Normungsaspekte Praktische Farbmessung 18

18 Normalbeobachter (1) Der Normalbeobachter (auch Normbeobachter) bestimmt den Betrachtungsfall. Je nachdem, ob der Beobachter eine kleine Fläche (wie eine Münze) oder eine große Fläche (wie ein Poster) betrachtet, wird die Farbe verschieden empfunden. Das liegt daran, dass die lichtempfindlichen Sehzellen (Stäbchen und Zapfen) auf der Netzhaut in einem unregelmäßigen Mosaik angeordnet sind. Die Zapfendichte ist in der Fovea am höchsten und nimmt zur Peripherie hin ab. Die S-Zapfen, M-Zapfen und L-Zapfen sind wiederum nicht gleichmäßig verteilt. Die Farbempfindung ändert sich daher mit dem Betrachtungswinkel. Die höchste Empfindlichkeit besteht bei einem Betrachtungswinkel bis 2. Bei einem Sehwinkel unter 2 fällt das Licht direkt auf die Zapfen der Fovea. 4 Normungsaspekte Praktische Farbmessung 19

19 Gelber Fleck Verteilung der Sinneszellen Welsch, N.; Liebermann, C.C.: Farben. Heidelberg: Spektrum Verlag, Normungsaspekte Praktische Farbmessung 20

20 Normalbeobachter (2) z 2 -Normalbeobachter 10 -Normalbeobachter y x Die verschiedenen Empfindlichkeiten für die zwei Beobachtertypen spiegeln sich in den Normspektralwertkurven wieder. Dies sind die Wirkungsfunktionen, die als Ersatz für die tatsächlichen Zapfenempfindlichkeiten herangezogen werden. 4 Normungsaspekte Praktische Farbmessung 21

21 Einflüsse auf die Farbwirkung Messgeometrie Messgeometrie 0 /45, 45 /0 0 /d, d/8 4 Normungsaspekte Praktische Farbmessung 23

22 Gerichtete und diffuse Reflexion (1) reguläre, gerichtete Reflexion an ebenen Oberflächen: Hier gilt das Reflexionsgesetz. Der Einfallswinkel des einfallenden Lichts entspricht dem Ausfallswinkel des reflektierten Lichts. Einfallswinkel = Ausfallswinkel diffuse, ungerichtete Reflexion an unebenen Oberflächen: Das Reflexionsgesetz gilt auch. Parallele Strahlen des einfallenden Lichts werden an Teilflächen lokal gerichtet reflektiert. Jeder einzelne Strahl erfüllt das Reflexionsgesetz. Insgesamt ist das reflektierte Licht jedoch diffus. Gerichtet einfallendes Licht wird an ebenen Flächen auch gerichtet reflektiert. An unebenen Flächen wird gerichtet einfallendes Licht diffus reflektiert. 4 Normungsaspekte Praktische Farbmessung 24

23 Gerichtete und diffuse Reflexion (2) ideal gerichtet (Spiegel) unvollkommen diffus (satiniertes Aluminium) gemischt ( ) ideal diffus (Glas) Bei gerichteter Reflexion wird auch von Spiegelung gesprochen. Die diffuse Reflexion wird auch als Streuung bezeichnet. In Abhängigkeit von den Richtungen der Beleuchtung und Beobachtung werden unterschiedliche Strahlungsintensitäten detektiert. Der Fachbegriff für die Verteilung der Strahlungsintensität lautet bidirektionale Reflektanzverteilungsfunktion (engl.: bidirectional reflectance distribution function (BRDF)). Weiterführender Link: 4 Normungsaspekte Praktische Farbmessung 25

24 Gerichtete und diffuse Reflexion (3) An ideal glatten Oberflächen ist die reine Spiegelreflexion zu beobachten. Mit zunehmender Rauigkeit nimmt der diffus reflektierte Anteil zu. Das an der Oberfläche reflektierte Spiegelbild wird unschärfer. Für computergenerierte Bilder bestehen Berechnungsalgorithmen. Die bilden den Einfluss der Rauigkeit auf das Reflexionsverhalten ab. a) b) fotorealistisch Computergrafiken: Oberflächenreflexion an einer a) glatten und b) rauen Oberfläche Heidrich, W.: High-quality Shading and Lighting for Hardware-accelerated Rendering. Universität Erlangen-Nürnberg, Technische Fakultät, Normungsaspekte Praktische Farbmessung 26

25 Messgeometrie (1) Die Probenoberfläche hat bei der Farbmessung einen großen Einfluss. Berger-Schunn, A.: Praktische Farbmessung, Göttingen: Muster-Schmidt 1991 ideal diffuse Reflexion einer matten Probe Probe deutlich gerichtete Reflexion einer glänzenden Probe Deshalb werden durch Normen unterschiedliche Messgeometrien vorgegeben. 4 Normungsaspekte Praktische Farbmessung 27

26 Messgeometrie (2) Gerichtete Messgeometrie: Beleuchtung gerichtet In der 45 /0 -Kombination wird nur die diffuse Reflexion gemessen. Aufgrund des Gesetzes der Reziprozität gilt das Gleiche gilt auch für die inverse 0 /45 -Geometrie. Gerichtete Spiegelreflexion wird im Allgemeinen nicht mitgemessen. Durch die zirkuläre Beleuchtung einer Ringspiegeloptik wird die Anisotropie der Probe unwirksam. Diffuse Messgeometrie: Beleuchtung gerichtet Diffuse Anordnungen werden bei strukturierten Proben verwendet. Gemessen wird die gesamte oder nur die diffuse Reflexion. Die gerichtete Reflexion lässt sich bei der 8 /d-anordnung durch eine Glanzfalle eliminieren. Eine Glanzfalle ist ein stationärer schwarzer Fleck oder einer Klappe zu einem schwarzen Raum. Quelle: 4 Normungsaspekte Praktische Farbmessung 28

27 Einflüsse auf die Farbwirkung Sonstige Auflösung und Messbereich Sonstige Auflösung Messbereich Probe 4 Normungsaspekte Praktische Farbmessung 29

28 Messtechnische Auflösung spektraler Größen (1) Die Messgeräte, welche spektrale Größen detektieren, müssen immer über einen gewissen Wellenlängenbereich interpolieren. Übliche Schrittweiten für die Messung sind 1 nm, 5 nm, 10 nm oder 20 nm. Es ist exakter, die Verläufe der spektralen Größen nicht mit einer Kurve darzustellen, sondern durch einen Treppenverlauf. 10 nm 4 Normungsaspekte Praktische Farbmessung 30

29 Messtechnische Auflösung spektraler Größen (2) Beispiel zur spektralen Auflösung in Wellenlängenintervallen von 10 nm A D50 D65 F11 (TL84) F2 A (Glühlampe) 4 Normungsaspekte Praktische Farbmessung 31 D50 (neutrales Tageslicht) D65 (mittleres Tageslicht) F11 (Dreibandenlampe TL84) F2 (Leuchtstofflampe CWF) 380nm 400nm 420nm 440nm 460nm 480nm 500nm 520nm 540nm 560nm 580nm 600nm 620nm 640nm 660nm 680nm 700nm 720nm

30 Messtechnische Auflösung spektraler Größen (3) Die meisten Messgeräte geben nur das interpolierte Spektrum aus. Über Schnittstellen können die gemessenen Daten ausgelesen werden. Weiterhin unterscheiden sich die Messbereiche spektral arbeitender Geräte. Je nach Gerät und Hersteller sind unterschiedliche Messbereiche realisiert. GretagMacbeth SpectroScan: 380 nm 730 nm GretagMacbeth Eye-One: 380 nm 730 nm Konika Minolta CM2006d: 360 nm 740 nm Techkon SpectroDens: 400 nm 700 nm Die Wahl des Messbereiches hat im Allgemeinen nur einen geringen Einfluss auf die Genauigkeit des Messergebnisses. Durch technische Toleranzen in den Bauteilen (Optik, Filter, Sensor) sind die Streuungen zwischen verschiedenen Messgeräten erheblich (unterschiedlicher aber auch gleicher Gerätetyp). Wichtig: Zur Verringerung der Messunsicherheit werden daher in der industriellen Praxis neben dem Farbort (CIELab-Wert) und der Farbtoleranz (DE) auch noch das zu verwendende Messgerät vereinbart. 4 Normungsaspekte Praktische Farbmessung 32

31 Einflüsse auf die Farbwirkung Sonstige Probe 4 Normungsaspekte Praktische Farbmessung 33

32 Einfluss der Probe Die Probe hat einen sehr großen Einfluss auf die gemessene Farbe. Der Einfluss der Probe soll ja schließlich bestimmt werden. An dieser Vorlesung soll nur ein kurzer Einblick in die komplexen Vorgänge der so genannten Lichttransformation gegeben werden. Ausführlicher wird der Themenkomplex der Lichttransformation in der Vorlesung Farbwiedergabe in den Medien behandelt. 4 Normungsaspekte Praktische Farbmessung 34

33 Reflexion und Transmission (1) Trifft Licht auf eine Oberfläche, wie zum Beispiel eine Glasplatte, so werden Teile der Strahlung reflektiert. Der Quotient der Strahlungsleistungen der reflektierten und auftreffenden Strahlung wird als der äußere spektrale Reflexionsgrad r() bezeichnet. Teile des Spektrums können aber auch durch das Medium hindurch gelassen, also transmittiert, werden. Der sogenannte äußere spektrale Transmissionsgrad t() ergibt sich als Quotient der Strahlungsleistungen der transmittierten und einfallenden Strahlung. r R E t E () : Strahlungsleistung des einfallenden Lichts R () : Strahlungsleistung des reflektierten Lichts T () : Strahlungsleistung des transmittierten Lichts T E 4 Normungsaspekte Praktische Farbmessung 36

34 Reflexion und Transmission (2) Beispiel: Reflexionsgrad: r R E Transmissionsgrad: t T E 4 Normungsaspekte Praktische Farbmessung 37

35 Transmission transparent (durchlassend) Beispiele: transluzent (durchscheinend) opak (undurchdringlich) Zwimpfer, M.: Farbe : Licht - Sehen - Empfinden. Bern: Haupt, Normungsaspekte Praktische Farbmessung 41

36 Reflexion und Transmission (3) Reflexion ideal gerichtet (Spiegel) unvollkommen diffus (satiniertes Aluminium) gemischt ( schicht) ideal diffus (Glasplatte) Transmission ideal gerichtet (Klarglas) unvollkommen diffus (Mattglas) gemischt (Kunststofffolie) ideal diffus (Opalglas) 4 Normungsaspekte Praktische Farbmessung 42

37 Einflüsse auf die Farbwirkung Zusammenfassung Messgeometrie 0 /45, 45 /0 0 /d, d/8 Lichtart Spektrum Spektralfarben Lichtquellen Normlichtarten Beobachter 2 -Normbeobachter 10 -Normbeobachter Sonstige Auflösung Messbereich Probe 4 Normungsaspekte Praktische Farbmessung 43

38 Praktische Farbmessung Vorlesung im SS 2013 Prof. Dr.-Ing. E. Dörsam Technische Universität Darmstadt Fachgebiet Druckmaschinen und Druckverfahren Magdalenenstr Darmstadt 4 Normungsaspekte Praktische Farbmessung