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Grundlagen der Farbmessung
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Grundlagen der Farbmessung an Oberflächen
Einleitung •
Farben machen die Welt bunt. Alle Formen , ob von der Natur oder von Men-
schenhand geschaffen, sind immer an ein bestimmtes farbiges Aussehen gebun-
den. Farben haben nicht nur ästhetische, sondern auch kommunikative, symboli-
sche Funktionen: Gebotsschilder im Straßenverkehr sind blau, ein brauner Apfelist sicherlich nicht mehr frisch und purpur steht für die Würde des Königs. Moder-
ne Industrieprodukte sind in der Regel nur dann Markenprodukte, wenn sie wie-
dererkannt werden können. Wichtiges Merkmal ist die Konstanz der produkttypi-
schen Farbe.
Der Begriff "Farbe" wird in der Sprache in unterschiedlicher Bedeutung verwen-
det. Farbe als stoffliche Substanz wird von einem Maler auf eine Leinwand aufge-tragen. Farbe als Eigenschaft eines Gegenstandes wird vom Auge wahrgenom-
men.
Warum Farbmessung?
Die Wahrnehmung von Farben ist ebenso wie die räumliche Wahrnehmung drei-
dimensional. Das bedeutet, dass Farben nur durch drei eindeutige, quantitative
Maßangaben wie z.B. Helligkeit, Buntton und Sättigung beschreibbar sind, es sei
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Zulieferer 1
z.B.
Kunststoffanbauteile
Kaross e
Hersteller
z.B . KFZ
Zulleferer 11z.B
Kunststoffan bautei le iInnenraum .
•
Zulieferer 111z.B .
Lackherstell er
Karosse
· ............. .1Zu liefe rer LI
z.B.
........... ...L .:Rohstoffliefe rant
: z.8.
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, Granulate I Pigmente I Bindemittel i Lackadditive_ . ________ . ~ . __ .J !_ _____ ____ _ _ _ ' 1 ______ _____ __________ .._., "Lack lieferant i . Granulate
,- -------------._.:Abbildung 1: Produktionskette
Farbmessung reduziert Kosten!
In der Praxis hat man es in der Regel mit unternehmensübergreifenden Verknüp
fungen verschiedenster Industriesparten zu tun , wobei sich' im Rahmen einer Pro
duktionskette eine klare Differenzierung vom Rohstofflieferanten bis zum Auftrag
geber aufzeigen läßt ( Abb .: 1).
Dies verdeutlicht, dass alle involvierten Firmen einer solchen Kette sehr eng
miteinander zusammenarbeiten müssen, vornehmlich im Hinblick auf die Einhal-,tung der abgesprochenen und schriftlich fixierten Toleranz- bzw. Normwerte der
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eine einwandfreie Zusammenarbeit verschiedener Unternehmen muß sein, dassbetriebsinterne Abteilungen gut miteinander kommunizieren. Das Schnittstellen-
prinzip einer Produktionskette lässt sich sinngemäß auch alJlf Einzelunternehmen
übertragen.
Primäres Ziel eines Produktionsbetriebes ist eine beständige, optimale Produkt-qualität bei minimalen Kosten. Also ist es sicherlich nicht in allen Fällen sinnvoll,
eine Farbkontrolle erst in der Warenendkontrolle durchzuführen. In vielen Pro-duktionsprozessen ist es daher angebracht, schon im Wareneingang gezieltFarbkontrollen einzusetzen. Denn treten schon im Wareneingang Farbdifferenzenauf, so bestehen grundsätzlich zwei Regelmechanismen:
1) Finanzielle Regelung mit den Lieferanten
2) Steuerung des eigenen Produktionsprozesses und Ausgleich der Fehlfar-ben durch Korrekturen.
Denn eine Überschreitung der vereinbarten Farbtoleranz in der Endkontrolle, alsonach dem eigentlichen Produktionsprozess, hat eine enorme Kostensteigerungzur Folge. Diese Güter müssen nachgearbeitet oder preisreduziert angeboten
oder gar verworfen werden. Je nach Produkt kann der Schritt in die "Schrottkiste"
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Neben der sinnvollen Farbmessung im Waren eingang ist die Produktionsüberwachung unumgänglich. Denn durch die unterschiedlichen Prozessvariablen wie
z.B. Erhitzen , Strecken, Mahlen, Walzen , Trocknen, Vermischen usw. wird geradehier das Aussehen der Produkte entschieden geprägt. Eine hier eingesetzte
Farbmessung hilft eindeutig, Prozessabläufe zu optimieren und dadurch Kostendeutlich zu reduzieren (Abb. : 3). Dank modernster optischer und elektronischer
Baugruppen ist Farbmesstechnik heute verständlich, einfach, bedienbar und vorallem erschwinglich geworden. Jedoch sollte der interessierte Anwender die nun
nachfolgenden theoretischen Überlegungen beherrschen, um Farbmesstechnik
optimal für sich und seine Aufgaben anwenden zu können.
Grundlagen der objektiven Farbmessung
Bereits 1931 wurden auf internationaler Ebene die Grundlagen der Farbmessung
durch Normierung der Lichtquellen (Normlichtarten), eines Normalbeobachtersund eines Farbkennzeichnungssystems als CIE-Farbsystem definiert ( CIE =
Commission Internationale d'Eclairage ). Um aber mit dem CIE-Fa'rbsystem ar
beiten zu können, sind einige Definitionen erforderlich, die nachfolgend erläutert
werden .
Farbempfindung
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~
Das menschliche Auge
Das menschliche Auge ist ein hochsensibles und komplexes Sinnesorgan. Es
kann ca. eine Million Farbnuancen unterscheiden, und beilliJ direkten Farb
vergleich zwischen einem Referenzmuster und einer Probe erkennt es selbst
kleinste Farbabweichungen. Für die visuelle Farbbewertung ist das Auge jedoch
nur sehr bedingt geeignet, da es sich durch ändernde Umgebungsbedingungen
und den psychischen Zustand des Bewerters sehr leicht täuschen lässt. Hinzu
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über der Pupille, befinden sich nur farbempfindliche Zäpfchen, die nach außen
mehr und mehr durch Stäbchen ersetzt werden. Dadurch ändert sich das Farbem
pfinden mit zunehmender Größe der zu bewertenden Fläahe. Aufgrund dieser
Farbreizänderung bei der Betrachtung unterschiedlich großer Farbflächen wurde
1931 ein 2°-Normal beobachter und 1964 ein 10°- Normalbeobachter in der DIN
5033 standardisiert. Der 2°-Normal beobachter bewertet eine Farbfläche in der
Größe einer Geldmünze im Leseabstand von ca. 50cm Entfernung und der 10°Normalbeobachter etwa eine Postkartengröße in der gleichen Entfernung. Zur
Unterscheidung der Messwerte zwischen 2°_ und 10°-Normal beobachter werden
die 10°- Werte mit einem Index (10) versehen.
Der Einfluss der Lichtquelle auf das Farbempfinden
Die Eigenschaft und die Farbtemperatur der Lichtquelle spielen bei der Farbbeur
teilung ebenfalls eine wichtige Rolle. Eine rote, gelbe oder blaue Lichtquelle ist
sicher für eine Farbbewertung ungeeignet, da diese Lichtquellen immer nur einen
Teil der wahrnehmbaren Strahlung aussenden und der beleuchtete Körper wie
derum auch nur diesen Teil wieder reflektieren kann. Die Farbtemperatur hat wie
derum einen Einfluss auf die Weiße der Lichtquelle. Die Normlichtart A wurde be
reits 1931 definiert und entspricht der spektralen Strahlungsfunktion einer 100W
Glühlampe mit einer Farbtemperatur von ca. 2800 Kelvin. Die Normlichart eweist
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Reflektionen an der Probe
Fällt Licht auf eine Probe, so wird ein Teil der auftreffenden Lichtenergie sofort an•der Oberfläche reflektiert (Oberflächenreflexion oder Glanzeindruck). Diese Ober-
flächenreflexion kann als Maß für den Glanzeindruck dieser Oberfläche dienen .
Wird die Oberflächenreflexion diffus gestreut, ist der Glanzeindruck dieser Ober
fläche matt. Eine gerichtete Oberflächenreflexion erweckt den Eindruck einer
glänzenden, hochglänzenden oder gar spiegelglänzenden Oberfläche. Diese
Oberflächenreflexion beträgt in der Regel ca. 4% der auftreffenden Lichtenergie.
Objektives Erfassen des Glanzvermögens (DIN 67530) erfolgt mit Glanzmessge
räten oder sog. Reflektometern (siehe Dr. Lange Anwendungsbericht Nr.7)
Der verbleibende Anteil des Lichtstrahls dringt in die Oberfläche ein und wird an
den dort plazierten Farbmitteln oder farbigen Pigmenten durch Absorption und /
oder Streuung umgewandelt in farbige Lichtstrahlung, die gestreut, diffus, wiederaus dem Körper austritt und ihm sein farbiges Aussehen verleiht.
Farbeindruck
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1
1
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11
Die Methoden der Farbmessung
Die Farbbewertungen unterscheiden sich grundsätzlich in die drei Methoden:
•- Gleichheitsverfahren
- Dreibereichsverfahren
- Spektralverfahren
Das Gleichheitsverfahren
Beim Gleichheitsverfahren wird die zu bewertende Probe mit einer Farbreferenz
visuell, d.h. mit dem Auge, auf Farbgleichheit bewertet. Entscheidende Nachteile
der visuellen Farbbewertung nach dem Gleichheitsverfahren sind u.a. der
Einfluss durch die subjektive Bewertung ( Farbenfehlsichtigkeit des Bewerters
oder ungünstige, schwankende Lichtverhältnisse ) und die Schwierigkeiten beider Zuordnung, wenn Farbtonabweichungen durch Rot- oder Grünstich zwischen
dem Produkt und der Farbvergleichsskala vorliegen. Letzteres wird zwar in den
Normen ausdrücklich unterbunden durch den Hinweis, dass nur sol che 'Produkte
nach diesen Methoden bewertet werden dürfen, die im Farbton der Farbvorlage
ähnlich sind, Dies wird jedoch in der Praxis häufig (gerne) übersehen, da der
Ausdruck "ähnlich" auch sehr dehnbar ist.
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Lichtleitkabel
Probenöffnung
o tik
... . . ~ l 1 0 ~ - - 7 0 ~ ~ ~ ~ o
•
Anzeigendisplay
•L* a*
73.6 1.4
Rechnerelektronik
b*
3.9
B e d i e n t a s t a t u r 4 ~ - - -
Abbildung 8: Prinzip 3 - Filter Farbdifferenzmessgerät
Das Spektralverfahren
Das Spektralverfahren untergliedert sich in einen spektralphotometrischen und in
einen farbmetrischen Teil. Der spektralfotometrische Teil dient zur Aufnahme der
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der Reflexionsgrad der Probe ß( A} in 1 Onm- oder 20nm -Schrittweite gemessen.
Aus der Normlichtart S(A}, den Normspektralwertfunktionenx :; (A), YA) bzw. ; (A)
•und den gemessenen Reflexionsgraden ß( A} werden die Normfarbwerte X, Y und
Z nach den Gleichungen (4) bis (6) berechnet (vgl. DIN 5033 Teil 4).
720
X = k * f S ( ) ' ß ( ) * dA (4),l,=380
720
Y = k * f S(A)*Y(A)*ß(A)* dA (5),1,=380
720
Z = k * f S(A)* ' ß(A)* dA (6)..t=380
Der Faktor k (Gleichung (7}) dient zur Normierung des Normfarbwertes.Yfür
Idealweiß . Dadurch ist der Normfarbwert Yn für alle Normlichtart- und Normalbe
obachterkombinationen immer gleich 100.
Die Normfarbwerte X, Y und Z bilden dieBasis der Farbmetrik. Da diese aber keine
k =
100720
f S(A) * Y(A) * dA
(7)
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Metamerieindex
Der Metamerieindex beschreibt einen Farbabstand zwischen'zwei Proben, derdurch einen Lichtartenwechsel entsteht. Das heisst, zwei zu betrachtende Probensehen z.B. unter Normlichtart 065 vollkommen gleichaus und weisen bei einemWechsel nach Normlichtart A einen deutlich sichtbaren Farbabstand auf. Hier
spricht man auch von metameren Proben. Der Metamerieindex ist, neben demermittelten Farbabstand zweier Proben, ein zusätzliches Merkmal für die Güte derÜbereinstimmung. Je kleiner der Metamerieindex, desto besser ist die Überein
stimmung der Proben.
'H O n ~ f i k d " , Ü I ~ s Sk .. h ...><'e...... I
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Bei strukturieten Proben ist es sinnvoll , die zirkulare Beleuchtung zu wählen .· Bei
ein- oder zweiseitig gerichteter Beleuchtung können, je nach Struktur der Probe,
Schatten entstehen, die zu einer Fehlbewertung führen . •
Die Beobachtung des reflektierten Lichtes findet mit gerichteter Beobachtung
unter 0°, also senkrecht zur Probenoberfläche, statt. Bei hochglänzenden Ober
flächen findet eine Messung unter Ausschluss der gerichteten Reflektion ( Glanz)
statt.
Beleuchtung
0 /OOBeobachtung
/ 45°
Probenkörper
Abbildung 12: 45°10° - Messgeometrie
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(ll
Die Farbmetrik und genormte Farbsysteme
Die Messtechnik dient also zur Ermittlung der Reflexionsgrade R380 bis R720
(Spektralverfahren) bzw. der Reflexionsgrade Rx, Ry und Rz. (Dreibereichs- oder
Filterverfahren). Sind diese bekannt, kann erst mit der eigentlichen Farbmetrik
begonnen werden. Die Normfarbwerte X, Y und Z werden entsprechend den auf
geführten Gleichungen und Beispielen berechnet. Sie bilden die Basis der Farb
metrik. So wie die Lehre der Geometrie das Verhältnis eines Punktes im dreidimensionalen kartesischen Raum beschreibt, so beschreibt die Farbmetrik einen
Farbort im Farbraum der realen Farben. Da aber die Normfarbwerte X,Y und Z
keine direkte Information über Helligkeit, Buntton oder Farbsättigung der Probe
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x(8) y =
X + Y +ZY
(9)=X + Y + Z
Trägt man die Normfarbwertanteile x und y für alle realen Körperfarben in ein Dia
gramm, so erhält man eine graphische Darstellung, die durch einen sog. Spektral
farbenzug begrenzt wird (Abb. 14 ). In einer Ebene des Farbraumes sind nur
Farbarten gleicher Helligkeit darzustellen. Farbarten verschiedener Helligkeiten
liegen folglich mit ihren Farborten in verschiedenen Farbtafelebenen. In der Praxis werden jedoch Farbarten mit unterschiedlichen Helligkeiten in eine Farbtafel
ebene eingezeichnet und der Helligkeitswert zahlenmäßig angegeben. Zur gra
phischen Darstellung der drei Größen Helligkeit, Buntton und Sättigung einer
Farbvalenz wäre eine räumliche Darstellung notwendig.
Grundsätzlich muss bei der graphischen Darstellung der Farben der bei der Mes-
sung bzw. Berechnung verwendete Normalbeobachter berücksichtigt werden, da (sich der Kurvenzug und der Farbort der Lichtquelle zwischen 2° und 10° Normal
beobachter unterscheiden.
L*a*b* - Farbenraum
Anschaulicher als das Normvalenz-System ist der L*a*b*-Farbenraum ( Abb .1 5 ).
Das L*a*b*-System (u.a. DIN 6174 [2]) ist ein dem subjektiven Farbempfinden
angepasstes Farbsystem. Ein großer Vorteil des CIE-L*a*b*-Systems besteht
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L* L1b
• L1L*+ b*
C*
- a * / "0/ + a *
-b*
Abbildung 15: CIE -L*a*b* - System nach D IN 6174
Die L , a*, b* - Werte werden aus den Normfarbwerten nach Gleichung (10) bis
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Farbabstand t.E*
Der Farbabstand t.E* berechnet sich aus den Differenzen öer L*,a*,b* - Werte
zweier Farben nach DIN 6174.
t:,E* =J(
t.L
*)'+ (t.a
*)'+ (t.b *)
'mit
M* = Lp *-LB*
t.a* = ap * - aB*
t.b* =bp * bp*
(15)
(16)
(17)
(18)
Für unbunte Farben und für leicht farbstichige Grautöne vermittelt die (11Aufspaltung in die Beiträge t.L*,t.a* und t.b* sofort die Richtung des tatsächlichen
Farbunterschiedes. Es gilt nahezu:
t.L* positiv Probe ist heller als Bezug
negativ Probe ist dunkler als Bezug
t. a* positiv Probe ist röter als Bezugnegativ Probe ist grüner als Bezug
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veranschaulicht und wird in DIN 55981 und ISO 787 - 25 für nahezu unbunte Far
ben verwendet.
Für bunte Farben definiert DIN 6174 eine Aufspaltung des G ~ s a m t f a r b a b s t a n d e s E * nach Helligkeit,Buntheit und Buntton.
mit s=-1 , wenn a*pb*s>a*sb*p und s=1 sonst.
mit ~ C * . b = Buntheitsbeitrag oder Sättigungsunterschied
und ~ H * a b = Bunttonbeitrag oder Farbtonunterschied.
~ C * a b positiv
negativ
Probe ist brillanter,klarer als Bezug
Probe ist stumpfer, trüber als Bezug
(19)
(20)
(21)
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Modifizierter Farbabstand L\E*'4
Praktische Industrieanwendungen zeigen, dass akzeptierte und nicht-akzeptierte
Farbabstände nach L\E* einen gleichen Zahlenwert z.B L\E "'ab = 1 aufweisen. So
wird beispielsweise bei stark gesättigten Farbtönen ein L\E*ab = 1 viel eher ak
zeptiert als bei unbunten oder pastell Farbtönen. Ebenso wird bei brillanten Far
ben für eine Buntheitsabweichung ( Sättigung) L\C*ab vielfach eine deutlich grös
sere Toleranz zugelassen als für eine gleichgroße Bunttonabweichung L\H*.b . Für
die Praxis wäre eine Farbabstandsformel mit einem einheit lichenToleranzwert
L\E* ideal. Aus diesem GrUnde sind Modifikationen der CIE - Formel erarbeitet
worden, die die vorhandenen Abhängigkeiten von Farbe und Richtung eines
Farbunterschiedes berücksichtigen.
Eine Empfehlung der CIE ist die Verwendung der Farbabstandsformel L\E*94. Hier
werden die Komponenten L\C*'b ,L\H*ab und L\L* der CIE - L*a*b* Formel durch
Zusatzfaktoren modifiziert.
mit S = Konstanten für ausgleichende Gewichtung der inneren
(22)
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Sonderfarbmetrik
In einigen Bereichen der Industrie werden überwiegend weiße Produkte
hergestellt. Für die unterschiedlichsten Anwendungsfälle aus Papier, Textil
Chemie usw. wurden Weißgradformeln aufgestellt um in einer einzigen Kennzahl
die Weiße der Produkte auszudrücken. Die gängigsten Weißgradformeln sind
nachfolgend aufgeführt.
Weißgrad nach Berger
Ws = Ry + 3( Rz - Rx}
Whiteness Index
WI =3*(1 ,242 Z - Y}
Gelbwert
(23)
(24)
Um die Vergilbung eines weissen Produktes zu beschreiben, ~ i r d der.Gelbwert
( DIN6167 ) oder Yellowness Index ( ASTM 0 1925) berechnet:
aeX - beZG = ~ = - - - = - - - = -
y
Die Faktoren a,b sind der Tabelle zu entnehmen:
, ,
(25)
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Hierin bedeuten:
Ro der Reflexionsfaktor eines Probenblattes über einer vollkommen schwarzen
Unterlage
R. . der Reflexionsfaktor des gleichen Probenblattes auf einem Stapel von Blättern
des gleichen Papiers gelegt, der dick genug ist, um kein Licht hindurchtreten
zu lassen.
Die Transparenz Tin % ist ein Maß für die Lichtdurchlässigkeit eines Papieres
( DIN53147). Sie wird mit den nach DIN 53145 ermittelten Reflexionsfaktoren wie
folgt ermittelt:
T = (!?w - 8.,,)[ 10000 - 8.,,]R,.W )
Hierin bedeuten:
(27)
Ro Reflexionsfaktor in % des einzelnen Blattes über einer vollkommen schwarzen
Unterlage
Rw Reflexionsfaktor in % des einzelnen Blattes über einer weissen Unterlage
R(W) Reflexionsfaktor in % der weissen Unterlage
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, ~
Normen und Literatur
DIN 5033
DIN 6172
DIN 6174
DIN 53146
DIN 53147
DIN 53236
DIN 6167
ASTM 1925
Loos, Hansl
Möller Kemsa,
Jürgen
Schröder, Uwe
Farbmessung Teil 1-8.•
Metamerie- Index von Probenpaaren bei Lichtartenwechsel
Farbmetrische Bestimmung von Farbabständen bei Körperfar
ben nach der CIE - LAB - Formel.
Prüfung von Papier und Pappe; Bestimmung der Opazität
Prüfung von Papier und Pappe; Bestimmung der Transparenz
Prüfung von Farbmitteln; Mess und Auswertebedingungen zur
Bestimmung von Farbunterschieden bei Anstrichen, ähnlichen
Beschichtungen und Kunststoffen
Bestimmung des Gelbwertes bei Kunststoffen
Farbmessung, Verlag Beruf + Schule 1989.
Farbmessung an transparenten Flüssigkeiten,
SÖFW Nr. 15/1991.
Einbindung von Farb- und Glanzmesssystemen
in ein Qualitätsmanagementsystem, Welt der Farben 1/1995
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•
Lab-SYSTEM
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CIE 1976 L* a* b* (CIELAB)
L* = 116 Y* - 16
a* = 500 (X * - Y*)
b* = 200 (y* - Z*)
wobei X* =\j /Xn für X/Xn > 0,008856
bzw. X* = 7,787 (X/Xn) + 0,138 für X/Xn ~ 0,008856
Berechnung von Y* und Z* analog X*
Farbdifferenz
I':, E* = V I':,L*)2 + (l':,a*)2 + (l':,b*)2
(Weiß)
L=100
gelb
+b
HUNTER Lab
L = 10-y"{
17,5 (1,02X-Y)a=
-y"{b = 7,0 (Y -0,847 Z)
-y"{
- - - - a--.,,, JIC.--+ a- ----.""
BYK-Labotron Messtechnik AGLausitzer Str. . 0-8192 Geretsried'ß!5'
(0 81 71) 493-0Illi 527 851 . [fu] (0 81 71) 493-40
blau
-b
L=O
(Schwarz)
Xn, Yn, Zn sind die Normfarbwerte einer vollkommen
mattweißen Fläche für die Lichtart und den Normalbeobachter, auf den sich die Normfarbwerte X, Y, Zbeziehen.
Lichtart/Beobachter
Al2° 109,85 100,00 35,58
C/2° 98,07 100,00 118,22
D65 /2° 95,05 100,00 108,90
Xn Yn Zn
Al l 0° 111,14 100,00 35,20
C/l0° 97,28 ' 100,00 116,14
Dssl10° 94,81 100,00 107,34