ColorWorkDesk: So wählen Sie ein Spektralphotometer aus

Reflexion oder Transmission? Das erste Auswahlkriterium für ein Spektralphotometer

Eines der grundlegenden Kriterien bei der Auswahl eines Spektralphotometers ist die Art des zu analysierenden Materials: Ist es transparent oder opak?

Die Entscheidung zwischen Reflexions- und Transmissionsmessungen hängt genau von diesem Aspekt ab.

Weitere Informationen zu diesem Thema finden Sie im Artikel „ColorWorkDesk: Funktionsweise von Spektralphotometern“.

Nicht alle Spektralphotometer bieten jedoch die Möglichkeit, Transmission zu messen. Die meisten Geräte sind vielmehr auf Reflexionsmessungen ausgerichtet.

Die Frage, ob Transmissionsmessungen erforderlich sind oder ausschließlich Reflexionsmessungen durchgeführt werden sollen, stellt daher das erste Kriterium bei der Auswahl eines Spektralphotometers dar.

Wechselwirkung zwischen Licht und Objekt: Wie nehmen wir die Farbe eines Materials wahr?

Um das zweite Auswahlkriterium eines Spektralphotometers, nämlich die Messgeometrie, zu verstehen, ist ein kurzer Überblick darüber erforderlich, wie Licht beim Auftreffen auf ein Objekt mit diesem interagiert.

Licht kann vom Material reflektiert, absorbiert oder transmittiert werden. Menge und Qualität des reflektierten, absorbierten oder transmittierten Lichts hängen von den optischen Eigenschaften des Materials ab, beispielsweise von seiner Zusammensetzung, Oberfläche und Dicke.

In der Farbmetrik sind diese Wechselwirkungen von grundlegender Bedeutung, da sie die wahrgenommene Farbe eines Objekts bestimmen.

Weitere Informationen zu diesem Thema finden Sie im Artikel „Farbmessung mit Spektralphotometern“.

Messgeometrien wurden entwickelt, um reflektiertes oder transmittiertes Licht präzise zu erfassen und zu analysieren. Sie ermöglichen es, die Farbe eines Materials originalgetreu zu quantifizieren und zu reproduzieren, indem die Wechselwirkung zwischen Licht und Material aus unterschiedlichen, genau festgelegten Winkeln gemessen wird.

Messgeometrien spielen daher eine zentrale Rolle bei der Farbmessung, und die Wahl der einen oder anderen Geometrie ist in der Farbmetrik von entscheidender Bedeutung.

Messgeometrien: die beste Wahl bei der Reflexionsmessung

Wenn die Transmissionsmessung zunächst außer Acht gelassen und ausschließlich die Reflexionsmessung betrachtet wird, müssen die verschiedenen verfügbaren Messgeometrien berücksichtigt werden. Diese sind entscheidend dafür, wie das von einem Material reflektierte Licht gemessen wird.

Die Messgeometrie stellt somit, wie bereits erläutert, das zweite Kriterium bei der Auswahl eines Spektralphotometers dar.

Einige der am häufigsten verwendeten Geometrien ermöglichen es, die äußere und die innere Reflexion eines Materials getrennt voneinander zu messen.

Das von einer Oberfläche reflektierte Licht besteht nämlich aus zwei unterschiedlichen Komponenten: in den meisten Fällen aus einer schwachen, sogenannten spiegelnden oder äußeren Komponente und einer inneren Komponente.

Die spiegelnde Reflexion ist der reflektierte Anteil des einfallenden Lichts, das normalerweise weiß ist. Dieses Licht dringt nicht in das Material ein, sondern wird wie bei einem Spiegel in genau definierten Winkeln an der Oberfläche zurückgeworfen.

Diese äußere Komponente wird vom Material in keiner Weise verändert und beeinflusst daher dessen Farbe nicht. Sie bleibt dasselbe weiße Licht wie vor dem Auftreffen auf das Material.

Die spiegelnde Reflexion bestimmt jedoch die Wahrnehmung des Oberflächenglanzes, also ob ein Material glänzend oder matt erscheint.

Für die Entstehung der Materialfarbe ist dagegen die innere Reflexion verantwortlich.

Lichtverhalten und menschliche Wahrnehmung

Bei der Betrachtung glänzender und matter Proben kann die spiegelnde Reflexion die Farbwahrnehmung erschweren, insbesondere wenn das reflektierte Licht unter bestimmten Winkeln direkt in das Auge des Betrachters fällt und dadurch eine präzise Farbbeurteilung beeinträchtigt.

Bediener lösen dieses Problem, indem sie die Probe neigen, um die direkte Reflexion zu reduzieren oder vollständig auszuschließen und den Lichtglanz in eine andere Richtung zu lenken.

Bei matten Materialien ist dieses Problem dagegen nicht von Bedeutung, da das äußere Licht nicht direkt in das Auge reflektiert, sondern gleichmäßig in alle Richtungen gestreut wird.

Messgeometrie 45°/0°

Für die Reflexionsmessung werden unterschiedliche Messgeometrien verwendet.

Eine der gebräuchlichsten ist die 45°/0°-Geometrie. Dabei wird das Licht in einem Winkel von 45° auf die Probe gerichtet, während der auf der Oberfläche angeordnete Sensor das senkrecht zur Oberfläche reflektierte Licht misst.

Auf diese Weise wird die äußere Reflexion im gegenüberliegenden 45°-Winkel ausgeschlossen, wodurch der Einfluss der spiegelnden Reflexion minimiert wird und Ergebnisse erzielt werden, die mit der menschlichen Farbwahrnehmung übereinstimmen.

Diese Geometrie wird für ebene Materialien wie Druckfarben und Drucke auf Papierbögen verwendet, ist jedoch für andere Materialien mit unregelmäßigeren Oberflächen weniger geeignet.

Messgeometrie d/8° und Ulbricht-Kugel

Bei Materialien mit unregelmäßiger Oberfläche, beispielsweise einer geprägten Oberfläche, bei der die äußere Reflexion nicht gleichmäßig, sondern unvorhersehbar ist, wird vorzugsweise die Messgeometrie d/8° verwendet.

Um das Problem der Unvorhersehbarkeit einer unregelmäßigen Oberfläche zu lösen, muss direktes Licht vermieden werden. Hierfür wird eine Lampe eingesetzt, die das Innere einer Ulbricht-Kugel beleuchtet.

Diese aus weißem Material gefertigte Kugel verteilt das Licht möglichst gleichmäßig um die Probe herum.

Dadurch erhält die Probe Licht aus allen Richtungen, sodass auch bei einer unregelmäßigen Oberfläche eine ausreichend zuverlässige Messung möglich ist.

Die Sonde wird in diesem Fall in einem Winkel von 8° zur Senkrechten positioniert und erfasst dadurch sowohl die innere als auch die spiegelnde Reflexion.

Dies wird dadurch gewährleistet, dass die diffuse Beleuchtung im gesamten Inneren der Kugel auch den dem Beleuchtungsbereich gegenüberliegenden 8°-Winkel abdeckt, in dem die äußere Reflexion zurückgeworfen wird.

Diese Geometrie misst somit die gesamte Reflexion — innere und äußere Reflexion — und ermöglicht eine umfassendere Beurteilung des Materials, auch wenn die menschliche Wahrnehmung davon abweichen kann.

Messung glänzender und matter Materialien: Unterschiede zwischen 45°/0° und d/8°

Bei Farbvergleichen mit unterschiedlichen Geometrien ergeben sich trotz unterschiedlicher Absolutwerte normalerweise visuell recht übereinstimmende Ergebnisse. Beim Vergleich von Materialien mit derselben Farbe, aber unterschiedlichem Oberflächenzustand — glänzend oder matt — liefern die Geometrien 45°/0° und d/8° dagegen unterschiedliche visuelle Ergebnisse.

Die 45°/0°-Geometrie, die der menschlichen Wahrnehmung entspricht, lässt das matte Material heller als das glänzende erscheinen, während die d/8°-Geometrie das Gegenteil zeigt und das glänzende Material aufgrund der spiegelnden Reflexion als heller bewertet.

Einerseits wird somit das Problem geprägter Oberflächen gelöst, andererseits entsteht diese Abweichung hinsichtlich des Oberflächenglanzes. Da dieses Problem jedoch bekannt ist, lassen sich Fehler vermeiden.

Es ist möglich, die Ergebnisse der beiden Geometrien miteinander in Einklang zu bringen, indem bei der d/8°-Geometrie die Funktion zur Einbeziehung oder zum Ausschluss der spiegelnden Reflexion verwendet wird.

Hierfür befindet sich an der Kugel eine Klappe, die geöffnet und geschlossen werden kann. Sie ist gegenüber der Sonde positioniert und ermöglicht beide Messarten.

Beim Öffnen der Klappe entsteht eine Öffnung in der Kugel, durch die die Beleuchtung im gegenüberliegenden 8°-Winkel entfällt. Dadurch wird keine äußere Reflexion zurückgeworfen. Dieses Verfahren gleicht die Messung an und macht sie der Messung mit der 45°/0°-Geometrie ähnlicher.

Mehrwinkelmessungen und Interferenzmaterialien

Für inhomogene Materialien wie metallisierte Materialien oder Materialien mit Interferenzeffekten gibt es Geräte, die bei der Messung gleichzeitig mehrere Messgeometrien verwenden. In diesen Fällen spricht man von Mehrwinkelgeräten.

Dadurch kann die Farbe gleichzeitig aus unterschiedlichen Winkeln gemessen werden. Es entsteht eine Reihe von Spektren, die getrennt voneinander analysiert werden können und teilweise diffuse sowie teilweise nicht diffuse Reaktionen zeigen.

Für die Messung eines metallisierten Materials wird beispielsweise keine Ulbricht-Kugel verwendet, da diese nur ein einziges Spektrum liefern würde. Stattdessen werden mindestens fünf Messungen mit direkter Beleuchtung aus ebenso vielen unterschiedlichen Winkeln durchgeführt, wobei eine davon der 45°/0°-Geometrie entspricht. Dadurch stehen fünf verschiedene, getrennt analysierbare Spektren zur Verfügung.

Diese Technik ist insbesondere für die Beurteilung von Metallic-Lacken nützlich, die vor allem in der Automobilindustrie eingesetzt werden.

Bei Interferenzmaterialien, bei denen sich die Farbigkeit mit verändertem Betrachtungswinkel ändert, erfolgt die Beurteilung dagegen aus zehn Winkeln. Diese Bewertung ist wesentlich schwieriger, sodass bislang noch kein allgemeingültiges Verfahren zur Beurteilung dieser Messwerte existiert.

Diese Geometrie wird hauptsächlich für besondere Lacke verwendet, bei denen die Pigmente in unterschiedlichen Schichten angeordnet sind, um einen Farbwechseleffekt zu erzeugen.

Während bei der klassischen Farbrezeptierung somit die Ulbricht-Kugel und nur selten die 45°/0°-Geometrie verwendet wird, kommt die Mehrwinkelmessung vor allem bei der Farbqualitätskontrolle zum Einsatz. Alternativ kann in einer Datenbank die spektrale Referenz gesucht werden, die einer Messung aus einem einzelnen Winkel am nächsten kommt. Anschließend werden geringe Korrekturen vorgenommen, um die übrigen Winkel anzupassen.

Möchten Sie mehr über die Methoden der Farbrezeptierung in der Farbmetrik erfahren? Lesen Sie auch „ColorWorkDesk: Farbrezeptierung“.

Mobile oder Tisch-Spektralphotometer: eine betriebliche Entscheidung

Der letzte Faktor bei der Auswahl eines Spektralphotometers ist die Entscheidung zwischen einem mobilen Gerät und einem Tischgerät.

Mobile Spektralphotometer eignen sich besser für Arbeiten vor Ort und arbeiten ausschließlich im Reflexionsmodus, während Tischgeräte eine höhere Präzision für umfassende Laboranalysen bieten.

Ein vollständiges Bild davon, wie ein Spektralphotometer ausgewählt werden sollte, ergibt sich somit durch die Beantwortung einiger Fragen:

• Muss ich Transmission messen? Dann sollte vorzugsweise ein Tisch-Spektralphotometer gewählt werden. Wenn keine Transmissionsmessung erforderlich ist, kann dagegen ein einfacheres Gerät wie ein mobiles Spektralphotometer verwendet werden.
• Muss ich Reflexion messen? In diesem Fall spielt es keine Rolle, ob ein Tischgerät oder ein mobiles Spektralphotometer verwendet wird, da alle Modelle grundsätzlich über unterschiedliche Geometrien verfügen können. Dennoch muss geprüft werden, welche Messgeometrie für die jeweiligen Messungen am besten geeignet ist. In der Druckfarbenindustrie wird beispielsweise die 45°/0°-Geometrie verwendet.
• Arbeite ich mit Lacken, Kunststoffen oder Materialien mit unregelmäßigen Oberflächen? Dann werden eine Ulbricht-Kugel und die Messgeometrie d/8° verwendet.
• Muss ich Bewertungen hinsichtlich Mattheit und Glanz durchführen? Dann sollte ein Gerät gewählt werden, bei dem die spiegelnde Reflexion nach Bedarf einbezogen oder ausgeschlossen werden kann.

Zusammenfassend hängt die Auswahl eines Spektralphotometers von verschiedenen Faktoren ab, darunter die Notwendigkeit einer Transmissionsmessung, die für die jeweilige Materialart am besten geeignete Messgeometrie und die Möglichkeit, die spiegelnde Reflexion einzubeziehen oder auszuschließen.

Auch die Frage, ob je nach Arbeitsbedingungen ein mobiles Gerät oder ein Tischgerät erforderlich ist, muss berücksichtigt werden.

Die richtige Auswahl des Spektralphotometers gewährleistet eine präzise Messung der Farbe und der optischen Eigenschaften der Materialien.

ColorWorkDesk-Spektralphotometer: Innovation bei der Farbmessung

Die Produktlinie der mobilen und Tisch-Spektralphotometer ColorWorkDesk (CWD) leitet eine neue Ära der Farbmetrik ein.

Diese modernen Instrumente ermöglichen eine präzise Farbbeurteilung für jede Materialart und unter allen Bedingungen, da sie sowohl Reflexions- als auch Transmissionsmessungen durchführen können.

Diese Vielseitigkeit gewährleistet, dass die Anforderungen an die Farbmessung unabhängig vom jeweiligen Einsatzbereich vollständig und präzise erfüllt werden.

Die Entscheidung für CWD-Spektralphotometer bedeutet den Einsatz äußerst leistungsfähiger Geräte, die vollständig in moderne digitale Technologien wie Apps, Cloud-Systeme und Server integriert sind. Diese Eigenschaft unterscheidet sie deutlich von mittlerweile überholten traditionellen Methoden und ermöglicht eine schnellere, präzisere und detailliertere Farbmessung.