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Wie Farbmessgeräte "sehen"

Wie Farbmessgeräte "sehen"

 

Die richtige Wahl der Messgeometrie

Wenn nach langen betriebsinternen Diskussionen über die Beschaffung eines Farbmessgerätes entschieden wird, beginnt of die Qual der Wahl. Man muss sich nicht nur für einen Anbieter auf dem Markt entscheiden, sondern auch genau das Gerät wählen, das den gestellten Messaufgaben am besten entspricht. Ein erstes Entscheidungskriterium sollte die angestrebte Genauigkeitsklasse sein, wobei die spektrale Auflösung und die Reproduzierbarkeit der Messungen eine entscheidende Rolle spielen. Ein zweiter wichtiger Punkt ist die Messgeometrie.

Sie beeinflusst die Aussage von Messergebnissen wesentlich. Eine Fehlentscheidung würde später zu Problemen in der Beurteilung von Farbabständen führen, da Farbunterschiede in der Kommunikation mit Lieferanten und Abnehmern unterschiedlich interpretiert würden. Die eingesetzte Messgeometrie muss deshalb zwischen allen Beteiligten abgesprochen werden und sollte der jeweiligen Aufgabenstellung entsprechen.

 

Die Messgeometrie lässt sich nicht ausschalten

Die Messgeometrie ist das Bindeglied einerseits zwischen der Lichtquelle des Farbmessgerätes und der zu messenden Probe, andererseits zwischen der Probe und dem aufnehmenden Sensor. Ein menschlicher Beobachter ist sich der Tatsache of nicht bewusst, dass er immer unter dem Einfluss der Messgeometrie steht: Das Licht ist diffus oder gerichtet, es kommt aus einer bestimmten Richtung, das Auge schaut unter einem bestimmten Winkel auf das zu prüfende Objekt usw.

Wie eine Farbe wahrgenommen wird, hängt auch bei Farbmessgeräten von solchen optisch-geometrischen Bedingungen ab. Die Ausführungen der Messgeometrien, die von den verschiedenen Herstellern angeboten werden und in internationalen sowie nationalen Normungen festgelegt sind, unterscheiden sich darin, wie das zu messende Objekt beleuchtet und wie es betrachtet wird. Grundsätzlich muss zwischen den Messgeometrien für Reflektions- und Transmissions-Messung unterschieden werden.

 

Die fünf Geometrien für Reflektions-Messung

Die Messgeometrie 45°:0° arbeitet mit einer gerichteten Beleuchtung. Eine Lichtquelle beleuchtet dabei die Probe aus einem Winkel von 45° zur Senkrechten. Eine wirklich homogene Ausleuchtung der Probe, speziell bei strukturierten Oberflächen, kann nur mittels einer ringförmigen (anularen) Beleuchtung erzielt werden (Messgeometrie 45a:0°). Eine Annäherung an die „Königsklasse“ der 45:0° Messgeometrien kann mit einer zirkularen Beleuchtungseinrichtung, der 45c:0° Messgeometrie, erzielt werden. Bei dieser Variante wird das Licht meist über Lichtleitkabel, die kreisförmig angeordnet sind, punktuell auf die zu messende Probe geleitet. Anzahl und somit der Abstand zwischen den einzelnen Lichtleitern sind massgeblich für die Güte der Ausleuchtung verantwortlich. Für sehr spezielle Anwendungen kann die Probe auch aus 45° direktional mit nur einem Lichtstrahl beleuchtet werden. Die Betrachtung erfolgt senkrecht unter 0°. Diese Geometrie wird als 45x:0° bezeichnet.

Die Messgeometrie 45°a:0° mit anularer Beleuchtung zur Glanz- und Oberflächen abhängigen Messung.

 

Die Messgeometrie d:8° besitzt eine optische Einrichtung, die diffuses Licht erzeugt (Ulbrichtsche Kugel). Das Licht z.B. einer Xenon-Blitzlampe wird in eine Hohlkugel gestrahlt. Das Innere der Kugel ist mit einer weissen, hochreflektierenden Beschichtung (Bariumsulfat, Keramik, Spezialkunststoff) versehen, durch die das Licht vielfältig reflektiert wird. Ein Schatter, ein optisches Bauelement innerhalb der Kugel, verhindert dabei, dass gerichtete Lichtstrahlen direkt das Messobjekt erreichen können. Die Probe wird an eine Öffnung der Kugel angelegt und aus allen Richtungen mit einem ideal diffusen Licht beleuchtet. Materialstrukturen und/oder Glanzunterschiede können den Messwert nicht beeinflussen. Durch eine Öffnung im oberen Teil der Kugel betrachtet der Sensor die Messfläche unter 8° zur Senkrechten. Um Glanzspiegelungen von der Oberfläche der Probe auszuschalten, ist bei vielen Instrumenten eine Glanzfalle eingebaut. Hierbei kann es sich um eine „optische“ Glanzfalle, bei der eine weitere, schwarz ausgekleidete Hohlkammer in der Kugel geöffnet wird, handeln. Bei geöffneter Glanzfalle, die unter -8° zur Betrachtungsöffnung angeordnet ist, wird das sonst an dieser Stelle von der Kugelwandung reflektierte Licht eliminiert und kann die Probe nicht mehr beleuchten. Als ebenbürtige Alternative bietet sich die numerische Glanzkontrolle an, bei der mittels einer weiteren Lichtquelle ein gerichteter Lichtstrahl unter -8° zur Probennormalen das Messobjekt beleuchtet. Aus dem Verhältnis zwischen gerichteter und diffuser Reflexion lässt sich dann die Glanzkomponente berechnen. Das Messverfahren mit Glanzeinschluss wird als di:8° bezeichnet, während für das Verfahren mit Glanzauschluss die Bezeichnung de:8° verwendet wird.

Kugelgeometrie d:8°; wahlweise mit (de:8°) oder ohne (di:8°) Glanzfalle: Die d:8°-Geometrie bietet beide Möglichkeiten.

 

Effekt-Materialen, wie z.B. Metalleffekt-Lackierungen, können aufgrund ihrer Abhängigkeit von Beleuchtungs- und Betrachtungswinkel weder mit den Kugelgeometrien di:8° oder de:8° noch mit der 45°:0° Messgeometrie ausreichend charakterisiert werden. Hierfür sind Messungen unter mehreren Winkeln erforderlich, bei der die Probe unter 45° beleuchtet wird. Die Betrachtungswinkel werden dann als „Winkel vom Glanz“ mit dem Kürzel „as“ bezeichnet. Als de-facto- Standard werden heute die Winkel 45°:as25°, 45°:as45° und 45°:as75° verwendet. In manchen Fällen sind zusätzliche Winkelkombinationen wie z.B. 45°:as15° oder 45°:as110° erforderlich.

Eine grundsätzliche Anmerkung zu den Messgeometrien: In der Praxis können Beleuchtungsrichtung und Betrachtungsrichtung ausgetauscht werden, ohne dass dies einen Einfluss auf das Messergebnis nimmt. So sind d:8° und 8°:d oder 45°:0° und 0°:45° gleichwertig.

 

Die drei Geometrien für Transmissions-Messungen…

In vielen Fällen erlauben Tischgeräte mit Kugelgeometrie neben der Reflektionsmessung auch Messungen an transparenten Materialien. Hierzu wird das zu messende Material in der Transmissionskammer des Messgerätes, die sich zwischen der Lichtaustrittsöffnung der Kugel und der Lichteintrittsöffnung des Sensors befindet, in den Strahlengang eingebracht. Wird die Messöffnung für Reflektionsmessungen nun durch eine weisse Fläche – meistens wird der Kalibrierstandard hiefür verwendet – ergibt sich die Transmissionsgeometrie di:180°. Hierbei wird die Totaltransmission, bestehend aus diffusem und gerichtetem Anteil, gemessen. Wird hingegen eine „Lichtfalle“ an der Messöffnung angebracht, wird nur die diffuse Transmission bewertet und die Messgeometrie erhält die Bezeichnung de:180°.

Für spezielle Messaufgaben sind auch spezielle Messgeräte mit der Geometrie 0°:180° erhältlich, bei der nur der gerichtete Anteil der Transmission gemessen wird. Diese Instrumente können allerdings nicht als „Kombigeräte“ auch für Reflektionsmessungen eingesetzt werden.

Die Messgeometrie d:180° zur Transmissionsmessung flüssiger oder fester Proben. Als di:180° zur Messung der Totaltransmission oder als de:180° zur Messung nur der diffusen Transmission.

 

Welche Messgeometrie ist die beste?

Die Art der verwendeten Messgeometrien ergibt sich aus der gewünschten Aussage des Messresultats. Wenn die Messung dem visuellen Eindruck entsprechen soll, muss das Messergebnis oberflächen- und glanzabhängig sein. Das Auge sieht ja auch immer den Gesamteindruck von Farbe und Oberfläche. Messgeometrien mit Glanzausschluss führen hier zum gewünschten Ergebnis, da sie aufgrund ihrer optischen Konstruktion Glanz- und Oberflächen abhängige Messergebnisse liefern.

Die technische Lösung sieht in diesem Fall so aus: Einstrahlung unter einem Winkel von 45°, Messung unter dem Winkel von 0°; Verwendung mit einer Kugelgeometrie mit diffuser Beleuchtung und Messung unter Glanzausschluss (de:8°oder d:0°).

Wenn man jedoch unabhängig von der jeweiligen Oberfläche in das Material hineinschauen und z.B. Änderungen der Farbmittel und/oder deren Konzentration erkenne möchte, muss die Gesamtreflexion des Materials erfasst werden. Die Oberflächenreflexion stellt hier eine konstante Grösse dar (bei Lack und Kunststoff rund 4% der Gesamtreflexion). Sein Wert bleibt bei allen Variationen der Oberfläche gleich und beeinflusst das Messergebnis nicht. Technische Lösung: Hier ist ein Messgerät mit Kugelgeometrie und Messung „mit Glanzeinschluss* gefragt (falls eine Glanzfalle vorhanden ist, muss diese geschlossen sein). So wird die Gesamtreflexion der Probe erfasst, unabhängig von Glanz und Struktur. Dieses Verfahren wird auch für die Ermittlung von Farbrezepturen empfohlen.

 

Individuelle Beratung durch Konica Minolta

Als kompetenter Hersteller von Farbmessgeräten bietet Konica Minolta eine grosse Auswahl von Spektralphotometern und Dreibereichs-Farbmessgeräten. Die Vielzahl der möglichen Messaufgaben erfordert massgeschneiderte Problemlösungen. Eine persönliche, individuelle Beratung erleichtert die richtige Entscheidung dabei wesentlich.