Wissenwertes über Farbmessung

In der Farben- und Lackindustrie sind Farbmessgeräte bereits seit vielen Jahren im Einsatz, ebenso in der Textil- und Kunststoffindustrie. Die weiterverarbeitenden Industrien entdecken immer mehr den Vorteil von Farbmessgeräten, wenn es um Produktionsüberwachung und Qualitätskontrolle geht.

Farben zu beurteilen ist eine sehr subjektive Angelegenheit; darüber hinaus sieht jeder Mensch nicht jeden Tag Farben mit der gleichen Sensibilität, sondern mal mehr oder weniger differenziert. Der Einsatz von Farbmessgeräten erlaubt eine objektive Kontrolle der Farben. Diese ist insbesondere dann gefordert, wenn mehrere Zulieferer Bauteile gleicher Farbe liefern müssen. Farbmessgeräte gibt es für die verschiedensten Einsatzzwecke und Anforderungen in unterschiedlichen Klassen und Preislagen.

Die nachfolgend aufgeführten Farbmessgeräte erlauben - soweit nicht anders angegeben - sowohl eine Absolut- wie auch eine Differenzmessung für verschiedene farbmetrische Systeme:

Darüber hinaus können Weiß- und Gelbgrad nach ASTM E313-98 und der Metamerie-Index nach DIN 6172 bestimmt werden.

Die meisten Farbmessgeräte können an einen Computer mit Windows Betriebssystem angeschlossen und über diesen gesteuert werden. Der Anschluss erfolgt entweder über die serielle Schnittstelle oder über eine USB- oder Bluetooth-Schnittstelle. Es können nicht nur Farbstandards gespeichert werden, sondern zu diesen jeweils individuelle Pass/Fail-Toleranzen. Dies ist ein besonders wichtig, da es keine für jeden Farbotn gültigen Farbtoleranzen gibt.

Die jeweils akzeptable Toleranzgröße hängt von verschiedenen Faktoren ab. Diese sind z. B. Farbe, Material, Oberflächenbeschaffenheit, aber auch solche wie Einsatzgebiet des farbigen Produkts oder Kundenanforderungen. Jedem, der Farbmesstechnik in der Qualitätskontrolle einsetzt, sei empfohlen, nach visuellen Gesichtspunkten und unter Berücksichtigung seiner eigenen individuellen Anforderungen Pass/Fail-Muster zu bestimmen. Erst danach sollten die Muster gemessen werden. Die sich so ergebenden Farbabstände zum Urmuster bilden die Toleranzen, die im Messgerät hinterlegt werden.

Farbmessung erlaubt eine gleich bleibende Qualität durch objektive Prüfung, auch durch unterschiedliche Mitarbeiter. Der Hauptunterschied zwischen den verschiedenen Geräten ist die Messgeometrie. Einerseits gibt es die Geräte, die die Probe mit diffusem Licht beleuchten und das reflektierte Licht unter einem Winkel von 8° messen und andererseits die, die einen gerichteten Lichtstrahl unter 0°, also senkrecht, auf die Probe bringen und das unter 45° reflektierte Licht messen (oder mittels umgekehrter Winkelanordnung).

Die d:8°-Messgeometrie (diffuse Beleuchtung : 8° Messwinkel in der "Ulbrichtkugel") ist vor allem in der Farben- und Lackbranche am weitesten verbreitet. Diese Messmethode ist besonders dann im Vorteil, wenn es darum geht, Muster unterschiedlicher Oberflächenbeschaffenheit (z. B. Glanzgrad) hinsichtlich des Farbtons zu vergleichen ohne dass die Oberflächeneffekte das Ergebnis der Farbmessung verschieben.

Die 0°:45°-Messgeometrie (0° Beleuchtung : 45° Messwinkel, auch umgekehrt möglich) eignet sich besonders für hochglänzende Oberflächen, für matte Textilmuster und wenn es darauf ankommt, visuell optimale Abstimmungen zu erreichen.

CIE Farbräume
Die 1931 gegründete CIE Commission Internationale de I‘Éclairage, Internationale Beleuchtungskommission, ist für die Überwachung und Prüfung aller Fortschritte in der Quantifizierung (Festlegung von international anerkannten Werten) von Farbe verantwortlich.
Genormte Farbmaßsysteme sind die Grundlage der modernen Farbkommunikation. Sie machen es möglich, die drei Attribute einer Farbe Buntton – Helligkeit – Sättigung mit Zahlenwerten zu beschreiben. Mit diesen Werten kann jeder Farbe ein Farbort im jeweiligen Farbraum zugewiesen werden.Die CIE definiert: Lichtquellen als Lichtarten, Objekte als Spektraldaten, Beobachter durch Beobachterfunktionen.Farbräume sind ein mathematisches Konstrukt.Alle sichtbaren, für den Menschen wahrnehmbaren Farben haben einen Platz, genannt Farbort in dreidimensionalen unbegrenzten Farbräumen.Die Farbräume können mit Farbstoffen und Pigmenten in der Realität nur bis zur bestehenden Grenze ausgefärbt werden. Alle tatsächlich ausgefärbten, pysikalische Farbmuster der Farbsysteme bilden einen begrenzten Farbraum. Alle Farben, die außerhalb dieser Grenze liegen können nicht als Farbmuster dargestellt werden.

Der L*a*b* Farbraum von 1976
Der L*a*b* Farbraum, auch CIELAB-System genannt, ist auch heute noch das am häufigsten verwendete System für die Farbmessung. Es wurde 1976 als ein gleichabständiger Farbraum von der CIE definiert und ist durch die dreidimensionale Darstellung leichter zu verstehen als die Auftragung von xy-Koordinaten in das Schuhsohlendiagramm.
Genau genommen ist das CIELAB-System nicht gleichabständig, aber es bietet eine gute Übereinstimmung von empfundenen und gemessenen Farbabständen. Der einfache Aufbau des Farbraums durch drei voneinander unabhängige Farbwerte überzeugt bis heute und lässt genaueren, aber teilweise weitaus komplizierten Systemen wenig Chancen.
Der Farbraum wird durch die senkrechte L*-Achse, die ein Maß für die Helligkeit der Farbe ist, und die dazu rechtwinklig angeordneten Achsen a* und b*, aufgespannt. Die Enden der Achsen symbolisieren die sechs Grundfarben Rot, Grün, Blau, Gelb, Schwarz und Weiß. Die a*-Achse reicht von ihrem positiven Strang über den Nullpunkt bis zu ihrem negativen Strang von Rot bis Grün, die b*-Achse entsprechend von Gelb bis Blau. Die L*-Achse beginnt bei 0 mit Schwarz und geht dann bis 100 was für ein idealisiertes Weiß steht.
a* und b* spannen also die Farbebene auf, die in der Mitte unbunt ist (je nach Helligkeit weiß, Grau oder Schwarz). Nach außen hin gibt es keine Abgrenzung. Je mehr sich die Werte von a* und b* von Null unterscheiden (also sowohl in positiver als auch in negativer Richtung), desto größer ist die Buntheit der Farbe. Die Darstellung eines geometrischen Körpers, des Farbkörpers, bezieht sich immer auf bestimmte Vorgaben. So zeigt die Abbildung des RAL Design Farbkörpers die in diesem System realisierten Farben.

Der L*C*h* Farbraum
Der Farbraum, der durch die rechtwinklig aufeinander stehenden Achsen L*, a* und b* aufgespannt wird, kann auch auf eine alternative Art beschrieben werden. In der Mathematik gibt es neben rechtwinkligen Koordinatensystemen, den so genannten kartesischen, auch die Zylinderkoordinatensysteme. So können auch der Farbraum und die Punkte in diesem Raum, also die Farben, mit Zylinderkoordinaten beschrieben werden. Die senkrechte Ausrichtung ist hierbei ebenfalls die Helligkeitsachse L*, identisch mit L* aus dem L*a*b* Farbraum. Die waagerechte Ausdehnung des Raumes wird über den Vektor C* und den Winkel h* beschrieben, die – wenn nur die Ebene betrachtet wird – auch als Polarkoordinaten bezeichnet werden. Die Länge des Vektors C*, der von der Achse L* ausgeht, entspricht dem Abstand der Farbe von der neutralen Grauachse im Zentrum des Zylinders. Der Winkel h* beschreibt die Lage des Vektors C* in der Ebene, die sich um 360° um die senkrechte L*-Achse ausdehnt.

So kompliziert dies auf den ersten Blick scheint, umso logischer sind die den mathematischen Termen h*, L* und C* zugeordneten Attribute Buntton, Helligkeit und Buntheit. Die möglichen Bunttöne begegnen uns sehr häufig in der Darstellung eines Farbkreises. Damit verliert der Begriff Bunttonwinkel schnell seinen mathematischen Schrecken. Vereinbarungsgemäß ist 0° bzw. 360° Rot (+a), 90° Gelb (+b), 180° Grün (-a) und 270° Blau (-b). Die Helligkeit L* nimmt von unten nach oben hin zu und kann Werte von 0 bis 100 annehmen – zumindest theoretisch. Die Buntheit C* kann je nach Buntton, abhängig von Licht und Farbstoffen bzw. Pigmenten verschiedene Maximalwerte annehmen, eine Abgrenzung gibt es hier nicht.

Das RAL Design System ist eine Ausfärbung der Koordinaten h*L*C* und ein Blick in den Farbatlas lässt die Zusammenhänge sofort klar werden.
Die Abkürzungen h* L* C* beruhen auf den englischen Begriffen für Buntton, Helligkeit und Buntheit: Hue, Lightness und Chroma.
Lab ohne CIE oder * Kennzeichnung beschreiben das Hunter Lab.
Der Hunter Lab-Farbraum wurde 1948 von R. S. Hunter entwickelt. Er ist dem L*a*b* der CIE ähnlich aber nicht identisch und wird in manchen Bereichen immer noch verwendet.

Der Farbraum xyY – die Normfarbtafel
Die Normfarbtafel, auch bekannt als „Schuhsohle“, wird sehr oft verwendet und abgebildet und dient zur Definition von Farbvorgaben und Farbereichen, vor allem in DIN-Vorschriften. Dabei ist es die am wenigsten anschauliche Art, Farben zu definieren.

In einem Diagramm werden die Normfarbwertanteile x und y als Koordinaten eingetragen. Wird das für alle sichtbaren Farben gemacht, hat die Belegung des Diagramms die typische Schuhsohlenform. In deren Mitte ist der Punkt, der einer gleichmäßigen Anregung aller drei Zapfenarten entspricht und keine Farbigkeit widerspiegelt. Zu den Rändern hin werden die Farben intensiver, auf dem Schuhsohlenrand sind sie am kräftigsten. Auf dem gekrümmten Kurvenzug finden sich auch die Spektralfarben (sozusagen sortenreine Farben), weshalb der „Rand“ auch Spektralfarbenzug genannt wird. Die Verbindung der beiden Enden wird Purpurgerade genannt, spektrale Farben gibt es hier nicht.

Woher kommen aber die Normfarbwertanteile?
Die Normfarbwerte X, Y und Z ergeben sich aus dem Zusammenwirken des von einem farbigen Objekt reflektierten Lichts mit den drei farbempfindlichen Zapfenarten des menschlichen Auges. In der Farbmetrik spiegelt das Dreibereichsverfahren genau diesen Prozess wieder, die Aufgabe der Zapfen wird hier durch entsprechende Filter übernommen.

X, Y, Z sind ein Maß für die Reizung der rot-, grün-, blauempfindlichen Zapfen.
X, Y, Z geben den Rot-, Grün-, Blauanteil des vom Objekt reflektierten farbigen Lichts wider.
Die Normfarbwertanteile ergeben sich als Verhältnis eines Normfarbwertes zur Summe aller drei Normfarbwerte:

In der zweidimensionalen Auftragung von x und y können alle Farben beschrieben werden, jedoch gibt es hier keine Unterscheidung nach unterschiedlichen Helligkeiten. Da die Grünempfindlichkeit des Auges mit der Hellempfindlichkeit nahezu parallel ist, wird Y auch als Maß für die Helligkeit verwendet. Somit ist die Darstellung aller möglichen Farben in einer xyY Anordnung möglich, die aber selten verwendet wird.
Bei der Definition von Farben reicht die Angabe von x- und y-Werten bzw. der Eintrag von Punkten oder Bereichen in die Schuhsohle nicht aus. Zusätzlich ist eine Angabe über die Helligkeit, also die Größenordnung von Y notwendig.

CMC Farbtoleranzraum
Die nach dem Colour Measurement Committee in Großbrittanien benannte Formel führt zu einer spezifischen Gewichtung einzelner Differenzen vor Berechnung des Gesamtfarbabstandes. Dabei kann das Verhältnis der Gewichtung von Helligkeit und Buntheit zueinander frei gewählt werden. Beispiel Textilindustrie: Verhältnis 2:1. Der Farbabstand wird in diesem Fall mit dE CMC (2:1) bezeichnet.

Abhängig von diesem Verhältnis kann der Toleranzbereich eine Kugel (1:1) oder ein Ellisoid sein (ab 1,1:1), mit steigendem Verhältnis vergrößert sich entsprechend die Streckung der Kugel. Das Verhältnis L:c wird auch Commercial Factor genannt (cf). Vorteil von dE CMC: Festlegung eines Toleranzwertes für alle Farbbereiche!

Farbabstandsberechnungen

Die Berechnung des Farbabstandes dE über L*a*b* oder h*L*C* führt zu Größen, die nicht immer mit der visuellen Bewertung übereinstimmen. Das liegt daran, dass diese Farbräume nur näherungsweise gleichabständig sind. Die Forderung nach Gleichabständigeit ist die Vorgabe, die Farben so anzuordnen, dass gleich große visuelle Farbunterschiede auch gleich großen mathematischen Werten für den Farbabstand entsprechen.

Um die berechneten Farbunterschiede den menschlichen Empfindungen anzugleichen, wurden verschiedene Formeln entwickelt. Die bekannteste ist die so genannte CMC-Formel.

Farbtoleranzen

• Farbtoleranzwerte an Hand visueller Kriterien festlegen
• Wahrnehmung der Farbdifferenz vor allem beim Buntton, dann bei der Buntheit und schließlich bei der Helligkeit
• Nicht für alle Farben die gleiche Toleranz festlegen
• Gesamttoleranz dE, besser aber Einzeltoleranzen für dL*, da* und db* festlegen
• Toleranzen, die kleiner als die visuell erkennbaren Differenzen oder die Messgeräteübereinstimmung sind, machen keinen Sinn!

Verfahren zur Vereinbarung von Farbtoleranzen
Um erlaubte Farbdifferenzen zwischen Hersteller und Abnehmer zu vereinbaren, wurden Verfahren entwickelt und in Normen und Fachberichten veröffentlicht. Der DIN-Fachbericht 49 ist ein praktischer und leicht verständlicher Ratgeber bei der Vereinbarung von Farbtoleranzen, der allen am Prozess beteiligten zu empfehlen ist.

Der DIN-Fachbericht 49 beschreibt in 8 Kapiteln folgende Themen mit Hinweisen auf die entsprechenden DIN Normen:

• Visuelle Farbabmusterung mit natürlichem und künstlichem Tageslicht unter Beschreibung der notwendigen Lichtarten, Beobachtungsgeometrie und Beleuchtungsgeometrie, der Beleuchtungsbedingungen und der Seheigenschaften des Beobachters.
• Anwendung von Farbmesstechnik unter Beschreibung der Probeneigenschaften, der Beleuchtungsgeometrien und Messgeometrien und der Besonderheiten von Proben wie z.B. Metallics, Fluoreszenz und Thermochromie.
• Erklärung des CIELAB Farbsystems und der CIELAB-Formel unter Hinweisen auf die DIN 5033 und DIN 6174 sowie der CIELAB Farbabstandsformel ΔE*ab
• Signifikanz von Farbabständen, also die Prüfung ob ein gemessener oder abgemusterter Farbabstand tatsächlich vorliegt oder durch Verfahrensfehler verursacht wurde.
• Toleranzfindung und Toleranzvereinbarung auf Basis der Tatsache, dass das menschliche Auge Farbdifferenzen im unbunten Farbbereich besser erkennen kann als im gesättigten Bereich.
• Prüfung der Farbe von Farbmitteln unter Einbeziehung relevanter Rohstoffe wie Pigmente von Druckfarben, Buntpigmente, Weißpgimente, Schwarzpigmente, Metalliclackierungen und Perlglanzpgimente sowie Verfahren dafür unter Bezugnahme auf Literatur und DIN Normen.
• Anwenderspezifische Fragen zu den Themen Lacke und Dispersionsfarben, Druckfarben, Kunststoffe, Textilien mit Hinweisen auf entsprechende Literatur.

Der DIN-Fachbericht 49 bietet einen praxisbezogenen Einstieg in die Farbqualitätsprüfung mit praktischem Bezug und Hinweisen auf begleitende Literatur und notwendige DIN-Normen.
Erhältlich ist der DIN-Fachbericht 49 beim Beuth-Verlag unter www.beuth.de

Für Fragen dazu sind wir gerne da:
Torso-Verlag e.K., Telefon 09342-9339-70
Weiteres Informationsmaterial dazu finden Sie auf unseren TORSO^®-Farbmetrikplakaten oder in unserem TORSO^®-Farbmetrik-Schulungsmaterial.