Die Farbmessung mit Spektralphotometern

Farbatlanten: die ersten Versuche zur Klassifizierung von Farben

Bei den ersten Untersuchungen zur Farbe, die zu einer anfänglichen Klassifizierung führten, spielten Farbatlanten eine zentrale Rolle, beispielsweise das Munsell-System und das NCS. Diese umfangreichen Sammlungen von Farbvariationen katalogisieren Farben nach Helligkeit, Farbton und Sättigung.

Im Laufe der Zeit zeigten sich jedoch verschiedene Einschränkungen bei ihrer Verwendung, da sie das Problem der subjektiven menschlichen Wahrnehmung nicht vollständig lösten und sich bald als ungeeignet erwiesen, um den zunehmend spezifischen Anforderungen an Farbkontrolle und Farbrezeptierung im industriellen Bereich gerecht zu werden.

Dadurch wuchs die Notwendigkeit, Farbe mit Instrumenten zu messen, die sich auf objektive farbmetrische Skalen beziehen.

Lichtarten: die erste Konstante bei der Farbmessung

Nach der Wellentheorie, mit der sich makroskopische lichtbezogene Phänomene erklären lassen, besteht Licht aus elektromagnetischen Wellen, die anhand ihrer Wellenlänge klassifiziert werden können.

Von allen existierenden elektromagnetischen Wellen kann das menschliche Auge nur diejenigen mit Wellenlängen zwischen 400 und 700 nm wahrnehmen. Die Bewertung der Energie jeder monochromatischen Lichtquelle innerhalb dieses Bereichs bildet das sichtbare Farbspektrum.

Die unterschiedlichen Frequenzen kennzeichnen verschiedene Farben: Am einen Ende entsprechen die höchsten Frequenzen dem Violett, am anderen Ende die niedrigsten Frequenzen dem Rot.

Jede natürliche oder künstliche Lichtart — Tageslicht, Glühlampen, Leuchtstofflampen oder LEDs — besitzt eine konstante charakteristische Energieverteilung, die im sichtbaren Spektrum erfasst und quantifiziert und somit in einer allgemein gültigen Tabelle systematisiert werden kann.

Das Auge: die zweite Konstante bei der Farbmessung

Um Farbe objektiv zu messen, darf nur das berücksichtigt werden, was das Auge wahrnimmt. Die anschließende Verarbeitung der optischen Signale im Gehirn, die für die Subjektivität verantwortlich ist, wird dabei außer Acht gelassen.

Das Auge stellt daher ein grundlegendes Element der Farbmessung dar.

Das menschliche Auge quantifiziert das wahrgenommene Licht mithilfe von zwei Rezeptortypen:

• Stäbchen: Sie sind über einen großen Teil der Netzhaut verteilt und erfassen Veränderungen der allgemeinen Lichtenergie im Auge, können jedoch keine Farbunterschiede unterscheiden — sie ermöglichen das Schwarz-Weiß-Sehen.
• Zapfen: Sie befinden sich in der Fovea, einem deutlich kleineren Bereich nahezu in der Mitte der Netzhaut, und reagieren auf bestimmte Veränderungen der Farbintensität. Es gibt drei verschiedene Zapfentypen, die jeweils für Veränderungen von Blau, Grün und Rot empfindlich sind.

Die wahrgenommenen Farben sind somit eine additive Kombination dieser drei Farbkomponenten.

Das Auge reguliert über die Iris, eine echte Blende, die sich öffnen und schließen kann, die einfallende Energiemenge, um optimale Sehbedingungen zu erreichen.

Wenn die Umgebung ausreichend Lichtenergie erzeugt, bündelt der durch den Irisdurchmesser im Verhältnis zum Abstand von der Netzhaut gebildete Sehwinkel einen großen Teil der Energie auf der Fovea und damit auf den Zapfen. In diesem Fall werden Objekte farbig wahrgenommen.

Nachdem der optimale Bereich des Sehwinkels — 2° bis 10° — bestimmt wurde, kann für jede monochromatische Lichtquelle im Spektrum die Empfindlichkeit des Auges gegenüber den drei Komponenten Blau, Grün und Rot berechnet werden.

Im Durchschnitt kann diese Reaktion auf wahrgenommene Farben als konstant betrachtet werden. Daher lassen sich die entsprechenden Empfindlichkeitswerte berechnen und in einer Tabelle darstellen.

Die Materie: die einzige Variable des Farbsystems

Materie kann Licht absorbieren, transmittieren oder reflektieren und es innerhalb und außerhalb des Materials in unterschiedliche Richtungen streuen. Darüber hinaus kann sie bestimmte monochromatische Lichtanteile selektiv absorbieren, die von einer Lichtquelle normalerweise mit vergleichbaren Energieniveaus und in kombinierter Form ausgestrahlt werden.

Wenn ein Objekt das gesamte Licht absorbiert, wird es als schwarz wahrgenommen. Reflektiert es dagegen das gesamte Licht, werden sämtliche monochromatischen Komponenten zu einem ausgeglichenen und neutralen Gesamtbild kombiniert, sodass das Objekt weiß erscheint — als neutrales Licht. Wenn ein Teil oder das gesamte Licht das Objekt durchdringt, nehmen wir eine mehr oder weniger ausgeprägte Transparenz wahr.

Indem Materie bestimmte monochromatische Lichtanteile stärker absorbiert als andere, erzeugt sie das physikalische Phänomen, das wir als Farbe wahrnehmen.

Damit ist das Material, aus dem das Objekt besteht, die einzige Variable des Farbsystems. Es absorbiert, reflektiert oder transmittiert Lichtstrahlen in unterschiedlichen prozentualen Anteilen und erzeugt dadurch die wahrgenommene Farbe.

Aus numerischer Sicht kann quantifiziert werden, welcher Anteil des einfallenden weißen Lichts von einem Körper oder Objekt wieder abgegeben wird, wodurch ein charakteristischer Farbabdruck entsteht.

Das Spektralphotometer: die verschiedenen Messmethoden

Um objektive Zahlenwerte zu erhalten, die die Farbe eines Objekts beschreiben, muss die Wechselwirkung der drei Elemente Auge, Licht und Materie berücksichtigt werden, um ein allgemein anerkanntes System zu schaffen.

Auf dieser Grundlage wurden Tabellen erstellt, die für jeden Nanometer des Spektrums die relative Energiemenge jeder natürlichen oder künstlichen Lichtart angeben.

Darüber hinaus wurden Tabellen entwickelt, die die durchschnittliche Empfindlichkeit des Auges gegenüber den drei wahrgenommenen Farbenergien für jeden Nanometer des Spektrums und für die beiden Sehwinkel von 2° und 10° festlegen.

Da das Material des Objekts die einzige verbleibende Variable ist, lässt sich ausgehend von diesem Material die entsprechende Farbe bestimmen.

Vom Objekt auszugehen bedeutet jedoch, ein Instrument wie das Spektralphotometer einzusetzen, das messen kann, wie ein Material und seine spezifischen Eigenschaften mit Licht interagieren.

Durch die Zerlegung des Lichts in verschiedene Wellenlängen innerhalb des sichtbaren Spektrums kann das Instrument die Intensität jeder einzelnen Komponente messen. Die Daten werden mithilfe von Fotodioden erfasst, sodass auch bei kleinen Wellenlängenintervallen präzise Messungen möglich sind.

Die Quantifizierung der wieder abgegebenen Intensitäten erfolgt, indem das auf das Material auftreffende Licht zerlegt und gemessen wird, anschließend das vom Material reflektierte oder transmittierte Licht analysiert wird und diese beiden Messungen für jeden Messpunkt miteinander in Beziehung gesetzt werden.

Das Verhältnis zwischen dem von der Lichtquelle ausgestrahlten und dem von der Sonde erfassten Licht erzeugt somit für jeden betrachteten Punkt zwischen 400 und 700 nm einen charakteristischen Farbabdruck.

Wie bereits erwähnt, kann das Spektralphotometer in zwei unterschiedlichen Modi arbeiten:

• Im Reflexionsmodus: Er wird eingesetzt, wenn das Licht das Objekt nicht durchdringt. Das Licht trifft auf das Objekt und wird reflektiert. Der reflektierte Anteil des Lichtstrahls wird von der Sonde des Spektralphotometers erfasst und gemessen.
• Im Transmissionsmodus: Er wird für transparente Objekte verwendet, bei denen das Licht das Objekt durchdringt und von einer auf der gegenüberliegenden Seite positionierten Sonde gemessen wird. Die Differenz zwischen der ursprünglichen und der gemessenen Energie liefert außerdem Informationen über den Transparenzgrad des Objekts und darüber, wie viel Energie beim Durchtritt absorbiert wurde.

Möchten Sie mehr darüber erfahren, wie ein Spektralphotometer funktioniert? Lesen Sie auch „Wozu dient ein Spektralphotometer und wie funktioniert es?“

ColorWorkDesk-Spektralphotometer: wenn Innovation die Tradition übertrifft

Der Einsatz der mobilen und Tisch-Spektralphotometer von CWD ermöglicht die Farbmessung an jedem Material und unter allen Bedingungen.

Die Möglichkeit, mit diesen innovativen Instrumenten sowohl im Reflexions- als auch im Transmissionsmodus zu arbeiten, gewährleistet eine vollständige Abdeckung aller Anforderungen an die Farbmessung.

Die Entscheidung für CWD-Spektralphotometer bedeutet den Einsatz äußerst leistungsfähiger Instrumente, die mit den heute verfügbaren digitalen Technologien wie Apps, Cloud-Systemen und Servern verbunden werden können.

Dieser Mehrwert macht in der Farbmetrik einen entscheidenden Unterschied und ermöglicht es, veraltete Methoden hinter sich zu lassen, indem Schnelligkeit, Präzision und Vollständigkeit bei der Farbmessung geboten werden.

Möchten Sie herausfinden, welches Spektralphotometer für Ihre Anforderungen am besten geeignet ist? Lesen Sie auch „So wählen Sie ein Spektralphotometer aus“