DE4243885A1 - Verfahren und Anordnung zur Messung von Farbe und Glanz - Google Patents

Verfahren und Anordnung zur Messung von Farbe und Glanz

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Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren gemäß dem Anspruch 1 sowie eine Anordnung gemäß dem Gattungsbegriff des Anspruches 9 zur Messung von Farbe und Glanz einer Probenoberfläche.
Bei der herkömmlichen Farbmessung wird, wie aus Fig. 2 zu ersehen ist, wenigstens ein Teil einer Probenober­ fläche 1 von einer Lichtquelle 2′ unter einem Winkel ε1 zur Senkrechten 1a der Probenoberfläche 1 beleuchtet. Das weit außerhalb des Spiegelwinkels, vorzugsweise senkrecht, von der Probenoberfläche 1 reflektierte Licht wird von einem Farbdetektor 3′ empfangen. In einer nachfolgenden Einrichtung werden aus dem vom Farbdetektor 3′ empfangenen Licht die Normfarbwerte X, Y, Z ermittelt.
Neben der Farbe interessiert jedoch häufig auch der Glanz der Probenoberfläche. Zur Ermittlung des Glanz­ wertes wird bisher ein Glanzmeßgerät gemäß der Fig. 3 verwendet, bei dem mit einer Lichtquelle 2′′ wenigstens ein Teil einer Probenoberfläche 1 unter einem Winkel ε1 zur Senkrechten 1a auf die Probenoberfläche 1 beleuchtet wird. Das weit außerhalb des Spiegelwinkels, vorzugsweise senkrecht, von der Probenoberfläche 1 reflektierte Licht wird von einem ersten Detektor 3′′ empfangen. Ferner gelangt das im Spiegelwinkel ε2 reflektierte Licht zu einem weiteren Detektor 5′′. Das vom ersten Detektor 3′′ und vom weiteren Detektor 5′′ empfangene Licht wird anschließend in entsprechende Helligkeitssignale Y, Yε 2 umgewandelt. Um einen Glanzwert zu erhalten, der mit dem visuellen Urteil möglichst gut übereinstimmt, wird zunächst die Differenz des Helligkeitssignals Yε 2 des weiteren Detek­ tors 5′′ vom Helligkeitssignal Y des ersten Detektors 3′′ gebildet. Anschließend wird von der Differenz (Yε 2-Y) der natürliche Logarithmus gebildet [ln (Yε 2-Y)] und erhält dadurch einen Glanzwert G, der mit dem visuellen Urteil gut übereinstimmt.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, das Verfahren gemäß dem Anspruch 1 und die Anordnung gemäß dem Gat­ tungsbegriff des Anspruches 9 dahingehend weiterzuent­ wickeln, daß eine schnellere und kostengünstigere Mes­ sung von Farbe und Glanz ermöglicht wird.
Die Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale der Ansprüche 1 und 9 gelöst.
Dadurch daß der erste Detektor des Glanzmeßgerätes durch den Farbdetektor gebildet wird, kann einer der drei bisher verwendeten Detektoren (Farbdetektor, er­ ster Detektor und weiterer Detektor) eingespart werden. Bei der Ermittlung der Normfarbwerte während der Farbmessung wird u. a. der Normfarbwert Y bestimmt, der einerseits für die Charakterisierung der Farbe und andererseits als das eine für die Ermittlung des Glanz­ wertes G verwendete Helligkeitssignal zur Verfügung steht und daher nur einmal ermittelt werden muß.
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren bzw. der Anordnung ist es ferner auf einfache Art und Weise möglich, einen an die Empfindlichkeit des menschlichen Auges angepaß­ ten Glanzwert G zu ermitteln. Der bei der Farbmessung ermittelte Normfarbwert Y entspricht bereits einem an die Empfindlichkeit des menschlichen Auges angepaßten Helligkeitssignal. Es ist daher nur noch notwendig, auch das andere, vom weiteren Detektor abgeleitete Hel­ ligkeitssignal an die Empfindlichkeit des menschlichen Auges anzupassen.
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren ist es ferner mög­ lich, die Farb- und Glanzmessung gleichzeitig an einer Stelle bzw. einem Bereich der Probenoberfläche durch­ zuführen. Dies ist besonders dann interessant, wenn eine schnelle Messung, beispielsweise bei feuchten Probenoberflächen, notwendig ist.
Weitere Ausgestaltungen des Verfahrens sind Gegenstand der Unteransprüche.
Im folgenden wird das erfindungsgemäße Verfahren sowie die Anordnung anhand der Beschreibung und der Zeichnung näher erläutert.
In der Zeichnung zeigen
Fig. 1 eine schematische Darstellung einer er­ findungsgemäßen Anordnung zur Messung von Farbe und Glanz,
Fig. 2 eine schematische Darstellung eines her­ kömmlichen Farbmeßgerätes,
Fig. 3 eine schematische Darstellung eines her­ kömmlichen Glanzmeßgerätes,
Fig. 4 eine mit einem Glanzmeßgerät ermittelte Indikatrix einer Probenoberfläche und
Fig. 5 u. 6 Darstellungen des Glanzwertes im Vergleich zum visuellen Urteil.
Bei der in Fig. 1 dargestellten erfindungsgemäßen Anord­ nung wird mit einer Lichtquelle 2 wenigstens ein Teil einer Probenoberfläche 1 unter einem Winkel ε1 zur Senk­ rechten 1a der Probenoberfläche 1 beleuchtet. Das senk­ recht, d. h. in Richtung der Senkrechten 1a, von der Probenoberfläche 1 reflektierte Licht wird in einem Farbdetektor 3 empfangen. In einer Einrichtung 4 werden auf herkömmliche Art und Weise die Normfarbwerte X, Y, Z ermittelt, die die Oberfläche durch ihren Farbton, die Buntheit und die Helligkeit charakterisieren. Selbstverständlich können in der Einrichtung 4 auch an­ dere Farbwerte ermittelt werden. Bei spektral messenden Farbdetektoren ist ferner eine Farbdichtemessung möglich.
Der Normfarbwert Y entspricht dabei unmittelbar einem an die Empfindlichkeit des menschlichen Auges angepaß­ ten Helligkeitssignal.
Das im Spiegelwinkel ε2 (= ε1) reflektierte Licht wird von einem weiteren Detektor 5 empfangen. Die Umwandlung des in diesem Detektor empfangenen Lichtes in ein an die Empfindlichkeit des menschlichen Auges angepaßtes Helligkeitssignal, kann im wesentlichen auf zwei Arten erfolgen.
Einerseits kann im Strahlengang des reflektierten Lichtes vor dem weiteren Detektor 5 ein sog. V(λ)- Filter angeordnet werden, der an die Empfindlichkeit des weiteren Detektors 5 unter Berücksichtigung der spektralen Verteilung der Lichtquelle 2 angepaßt ist.
Die Intensität des auf den weiteren Detektor 5 fallenden Lichtes entspricht dann unmittelbar dem an die Empfindlichkeit des menschlichen Auges angepaßten Helligkeitssignal.
Andererseits kann die Ermittlung des an die Empfind­ lichkeit des menschlichen Auges angepaßten Hellig­ keitssignals Ye 2 durch folgende Berechnung erfolgen:
Yε 2 = k * E
E entspricht hierbei der Intensität des auf den Detektor 5 fallenden, im Spiegelwinkel reflektierten Lichtes. Dabei kann angenommen werden, daß die spektrale Verteilung des Lichtes dem der Lichtquelle 2 entspricht. Der Faktor k muß für den Detektor 5 einmal auf folgende Art und Weise bestimmt werden:
k = n * Σ [S(λ) * Y(λ) / s(λ)]
Hierbei entspricht s(λ) der spektralen Empfindlichkeit des Detektors 5, Y(λ) der Normspektralwert-Funktion des Auges und S(λ) der spektralen Verteilung des auf den Detektor 5 fallenden Lichtes der Lichtquelle 2. Die Summe wird über den relevanten Wellenlängenbereich ge­ bildet, d. h. z. B. von 400 nm bis 700 nm. Bei dem Faktor n handelt es sich um einen Normierungsfaktor, der bei der Kalibrierung der Anordnung wie folgt be­ stimmt werden kann:
n = YSollweiß/YMeßweiß = ESollweiß/EMeßweiß
Vor der Messung von Farbe und Glanz muß die Anordnung gemäß Fig. 1, d. h. der Farbdetektor 3 und der weitere Detektor 5, kalibriert werden. Hierbei wird zunächst die Schwarzkalibrierung durchgeführt, indem ein Schwarzstandard eingelegt wird, der alles Licht absorbiert. Die Schwarzkalibrierung kann jedoch auch dadurch erfolgen, daß man verhindert, daß Licht an die beiden Detektoren gelangt und man dann das "Rauschen des Detektors" mißt. Das Meßsignal wird für jeden Detektor zur Null-Kalibrierung verwendet.
Bei der anschließenden Weißkalibrierung wird wiederum ein Weißstandard mit bekannten Reflexionswerten eingelegt. Das von diesem Weißstandard reflektierte Licht wird sowohl beim Farbdetektor 3 als auch beim weiteren Detektor 5 zur Ermittlung der Normierungs­ faktoren n verwendet. Hierbei ist:
n = YSollweiß/YMeßweiß
Bei der Weißkalibrierung des Farbdetektors 3 wird das Licht spektral zerlegt. Der Normierungsfaktor n wird dann für jeden Wellenlängenbereich ermittelt.
Für ein besseres Verständnis der weiteren Schritte bei der Glanzwertermittlung wird zunächst auf Fig. 4 verwie­ sen. Bei dieser Darstellung handelt es sich um eine sog. Indikatrix einer Probenoberfläche. Hierbei wurde die Probenoberfläche unter einem Winkel von 45° zur Senkrechten auf die Probenoberfläche beleuchtet und die von der Probenoberfläche reflektierende Lichtintensi­ tät, die dem Reflektometerwert entspricht, unter ver­ schiedenen Winkeln ε2 gemessen. Die sich dadurch erge­ bende Kurve K läßt erkennen, daß das Reflexionsmaximum M etwa im Bereich des Spiegelwinkels, d. h. bei 45° liegt. Es ist weiterhin zu ersehen, daß sich die Kurve selbst bei Winkeln weit außerhalb des Spiegelwinkels nicht einem Reflektometerwert von 0, sondern vielmehr einem Basiswert B annähert.
Versuche bei der Glanzmessung haben gezeigt, daß insbe­ sondere bei matten Proben eine verbesserte Übereinstim­ mung zwischen visuellem Urteil und Meßtechnik erreicht werden kann, wenn bei der Glanzbewertung die Helligkeit der Probenoberfläche, d. h. die Basis B, vom Meßsignal abgezogen wird.
Wendet man diese Erkenntnisse auf die erfindungsgemäße Vorrichtung gemäß Fig. 1 an, so entspricht der Basis B der durch den Farbdetektor 3 ermittelte Normfarbwert Y.
Zur Ermittlung des Glanzwertes, der mit dem visuellen Urteil gut übereinstimmt, wird daher zunächst die Differenz des ermittelten/berechneten Helligkeits­ signales Yε 2 vom Normfarbwert Y berechnet. Um eine möglichst lineare Übereinstimmung zwischen dem durch Messung und Berechnung ermittelten Glanzwert G und dem visuellen Urteil zu erreichen, wird der natürliche Logarithmus über die gebildete Differenz berechnet. Der Glanzwert G ergibt sich somit wie folgt:
G = ln (Yε 2-Y)
Fig. 5 zeigt eine Darstellung, bei der der gemessene und berechnete Glanzwert G gegenüber dem visuellen Urteil aufgetragen ist. Dabei wurden die Helligkeitssignale Y und Yε 2 jeweils durch Messung unter 0° und im Spiegel­ winkel ε2 für verschieden glänzende Probenoberflächen ermittelt. Die Darstellung zeigt, daß die Glanzwerte relativ linear mit dem visuellen Urteil übereinstimmen.
Bei der Farb- und Glanzmessung werden derzeit unter­ schiedliche, in Normen festgelegte Anforderungen an den Beleuchtungsöffnungswinkel des die Probenoberfläche beleuchtenden Strahlenbündels der Lichtquelle 2 gestellt. Während bei der Glanzmessung relativ geringe Beleuchtungsöffnungswinkel, von beispielsweise 2 * 1°, vorgeschrieben sind, wird bei der Farbmessung üblicherweise ein Beleuchtungsöffnungswinkel von 2 * 5° verwendet.
Die der Erfindung zugrundeliegenden Versuche haben nun gezeigt, daß es für die Beurteilung des Glanzes im Hin­ blick auf eine möglichst gute Übereinstimmung mit dem visuellen Urteil nicht auf den Beleuchtungs­ öffnungswinkel der Lichtquelle ankommt. Während in Fig. 5 die Messungen mit einem Öffnungswinkel von 2 * 1° erfolgten, sind in Fig. 6 die gemessenen und berechneten Glanzwerte gegenüber dem visuellen Urteil bei einem Beleuchtungsöffnungswinkel von 2 * 5° aufgetragen. Hierbei ist deutlich zu erkennen, daß auch bei einem Beleuchtungsöffnungswinkel von 2 * 5°, im Rahmen der Meßgenauigkeit, eine gute, geradlinige Übereinstimmung von ermitteltem Glanzwert und visuellem Urteil erreicht wird.
Der Meßöffnungswinkel des weiteren Detektors 5 kann beliebig gewählt werden und muß nicht mit dem Beleuchtungsöffnungswinkel übereinstimmen. Zweckmäßig beträgt der Meßöffnungswinkel des weiteren Detektors 5 weniger als 2 * 2°. Zweckmäßigerweise wird man sich an die in Normen festgelegten Meßöffnungswinkel halten, der für Papier beispielsweise 2 * 1° beträgt.
Indem der weitere Detektor 5 einen bestimmten Meßöffnungswinkel hat, wird er das Maximum der Indikatrix einer Probenoberfläche auch dann erfassen, wenn dieses nicht exakt im Spiegelwinkel liegt.
Unter Berücksichtigung der obigen Überlegungen ergibt sich somit folgender zweckmäßiger Aufbau der erfindungsgemäßen Anordnung:
Es wird eine Lichtquelle 2 mit einem Beleuchtungsöffnungswinkel von maximal 2 * 7,5°, insbesondere 2 * 5°, parallel zur Einstrahlebene verwendet. Die Probenoberfläche wird unter einem Winkel ε1 von 45° zur Senkrechten 1a der Probenoberfläche beleuchtet. Der Farbdetektor 3 wird senkrecht über der Probenoberfläche 1, d. h. unter einem Winkel von 0° zur Senkrechten 1a angeordnet, während der weitere Detektor 5 im Spiegelwinkel ε2 = 45° vorzusehen ist. Die Signale des Farbdetektors 3 sowie des weiteren Detektors 5 werden zweckmäßig einer Auswerteeinrichtung 6 zugeführt, die, beispielsweise unter Verwendung eines geeigneten Computerprogrammes, die Normfarbwerte X, Y, Z und den Glanzwert G ermittelt.
Das oben beschriebene erfindungsgemäße Verfahren ermög­ licht gegenüber den herkömmlichen Verfahren insbesondere eine schnellere Messung von Farbe und Glanz einer Probenoberfläche, indem der bei der Ermittlung der Farbe erhaltene Normfarbwert Y gleichzeitig bei der Ermittlung des Glanzwertes verwendet wird.

Claims (11)

1. Verfahren zur Messung von Farbe und Glanz einer Probenoberfläche (1), wobei
  • a) zur Farbmessung
    • a1) wenigstens ein Teil der Probenoberfläche (1) unter einem Winkel (ε1) zur Senkrechten (1a) auf die Probenoberfläche beleuchtet wird,
    • a2) das weit außerhalb des Spiegelwinkels, vor­ zugsweise senkrecht, von der Probenoberflä­ che (1) reflektierte Licht von einem Farbdetektor 3′ empfangen wird und
    • a3) das vom Farbdetektor 3′ empfangene Licht wenigstens zur Ermittlung der Normfarb­ werte X, Y, Z ausgewertet wird;
  • b) und zur Glanzmessung
    • b1) wenigstens ein Teil der Probenoberfläche (1) unter einem Winkel ε1 zur Senkrechten 1a auf die Probenoberfläche beleuchtet wird,
    • b2) das von der Probenoberfläche (1) weit außer­ halb des Spiegelwinkels, vorzugsweise senk­ recht, reflektierte Licht von einem ersten Detektor (3′′) empfangen wird,
    • b3) das von der Probenoberfläche (1) im Spiegel­ winkel ε2 reflektierte Licht von einem weite­ ren Detektor (5′′) empfangen wird,
    • b4) das vom ersten und weiteren Detektor empfan­ gene Licht in entsprechende Helligkeits­ signale (Y und Yε 2) umgewandelt wird und
    • b5) zur Ermittlung des Glanzwertes (G) der Pro­ benoberfläche (1) die Differenz der Hellig­ keitssignale des ersten und weiteren Detek­ tors (3′′, 5′′) logarithmiert wird,
dadurch gekennzeichnet,
  • c) daß als erster Detektor für die Glanzmessung der Farbdetektor (3) verwendet wird,
  • d) daß das eine für die Ermittlung des Glanz­ wertes G verwendete Helligkeitssignal (Y) durch den Normfarbwert Y des Farbdetektors (3) gebil­ det wird und
  • e) daß das andere für die Ermittlung des Glanz­ wertes verwendete Helligkeitssignal (Yε 2) gleichfalls an die Empfindlichkeit des menschlichen Auges angepaßt ist.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sowohl bei der Farb- als auch bei der Glanzmes­ sung der gleiche Beleuchtungsöffnungswinkel des die Probenoberfläche (1) beleuchtenden Strahlenbündels verwendet wird.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Beleuchtungsöffnungswinkel maximal 2 * 7,5°, insbesondere 2 * 5°, parallel zur Einstrahlebene beträgt.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Farbdetektor (3) und der weitere Detektor (5) vor den Messungen kali­ briert wird.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Winkel, unter dem die Probenoberfläche (1) beleuchtet wird, 45° zur Senkrechten (1a) der Probenoberfläche beträgt.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Umwandlung des vom weiteren Detektor (5) empfangenen Lichtes in ein der Empfindlichkeit des menschlichen Auges angepaßtes Helligkeitssignal Ye 2 rechnerisch erfolgt.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Anpassung des Helligkeitssignals Yε 2 an die Empfindlichkeit des menschlichen Auges durch Filterung des im Spiegelwinkel reflektierten Lichtes erfolgt.
8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der weitere Detektor (5) einen Meßöffnungswinkel von maximal 2 * 2° aufweist.
9. Anordnung zur Messung von Farbe und Glanz einer Probenoberfläche (1), enthaltend
  • a) ein Farbmeßgerät mit
    • a1) einer Lichtquelle (2′) zur Beleuchtung wenig­ stens eines Teils der Probenoberfläche (1) unter einem Winkel ε1 zur Senkrechten (1a) auf die Probenoberfläche,
    • a2) einem Farbdetektor (3′) zum Empfang des weit außerhalb des Spiegelwinkels vorzugsweise senkrecht von der Probenoberfläche (1) re­ flektierten Lichtes und
    • a3) einer Einrichtung zur Ermittlung der Normfarbwerte X, Y, Z aus dem vom Farbdetektor (3′) empfangenen Licht,
  • b) ein Glanzmeßgerät mit
    • b1) einer Lichtquelle (2′′) zur Beleuchtung wenig­ stens eines Teils der Probenoberfläche (1) unter einem Winkel ε1 zur Senkrechten (1a) auf die Probenoberfläche,
    • b2) einem ersten Detektor (3′′) zum Empfang des weit außerhalb des Spiegelwinkels, vorzugsweise senkrecht, von der Probenober­ fläche (1) reflektierten Lichtes,
    • b3) einem weiteren Detektor (5′′) zum Empfang des im Spiegelwinkel reflektierten Lichtes und
    • b4) einer Einrichtung zur Ermittlung des Glanz­ wertes mit
      • b41) einer Einrichtung zur Umwandlung des vom ersten und weiteren Detektor (3′′, 5′′) empfangenen Lichtes in ein ent­ sprechendes Helligkeitssignal (Y, Yε 2) und
      • b42) einer Schaltung zur Logarithmierung der Differenz der Helligkeitssignale des ersten und weiteren Detektors (3′′, 5′′),
dadurch gekennzeichnet,
  • c) daß der erste Detektor des Glanzmeßgerätes durch den Farbdetektor (3) gebildet wird,
  • d) daß die Einrichtung zur Ermittlung der Normfarbwerte und die Einrichtung zur Ermittlung des Glanzwertes zur Übermittlung des einen für die Ermittlung des Glanzwertes G verwendeten, durch den Normfarbwert Y gebildeten Helligkeits­ signal miteinander in Verbindung stehen, und
  • e) daß eine Einrichtung zum Anpassen des ande­ ren für die Ermittlung des Glanzes verwendeten Helligkeitssignales an die Empfindlichkeit des menschlichen Auges vorgesehen ist.
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