Dr. Thomas Kantimm, Color Science & Technology, … · lichen Aspekte der Farbmetrik. Angefangen mit den Grundlagen der Farbmetrik werden die erforderlichen Techniken für die messtechnische

ISBN 978-3-86630-823-7

Dr. Thomas Kantimm, Color Science & Technology, BASF Coatings GmbH, Münster„Das Buch gibt einen umfassenden Überblick über die wesent-lichen Aspekte der Farbmetrik. Angefangen mit den Grundlagen der Farbmetrik werden die erforderlichen Techniken für die messtechnische Farbbeurteilung detailliert dargestellt und deren Bedeutung besonders hervorgehoben. Dabei wird nicht aus dem Auge verloren, dass die visuelle Farbabmusterung nach wie vor eine wesentliche Aufgabe des Coloristen ist. Neben der Diskussion von Farbtoleranzen wird ein weiterer Schwerpunkt auf die Farbrezeptierung gelegt. Die für das Ver-ständnis erforderlichen theoretischen Aspekte werden ergänzt durch umfangreiche Informationen zur Chemie und Physik der Pigmente und Effektstoffe sowie deren Verwendung in der Farb-tonausarbeitung.Für den Leser interessant und sehr wertvoll ist, dass Themen, die sonst häufig ein stiefmütterliches Dasein fristen, ebenfalls ausführlich behandelt werden. Insbesondere die vielen Details aus dem täglichen Leben des Coloristen und Farbmetrikers machen das Buch zu einem guten Einstieg für den angehenden Praktiker.Besonders hilfreich wird das Werk aber durch die sehr umfang-reiche Literatursammlung zu jedem Kapitel, die es dem Leser erlaubt, ausgewählte Themen weiter zu vertiefen.“

Ulrich Poth • Autom

otive Coatings Formulation

Tasso Bäurle et al. · Coloristik für Lackanw

endungen

Tasso Bäurle et al.

Coloristik für Lackanwendungen

eBook

Vincentz Network GmbH & Co KG

Tasso Bäurle | Walter Franz | Peter Gabel | Stephan Gauss | Uwe Hempelmann Rainer Henning | Wilhelm Kettler | Hans-Jörg Kremitzl | Gerhard Rösler | Gerhard Wilker


Tasso Bäurle et al.: Coloristik für Lackanwendungen© Copyright 2012 by Vincentz Network, Hannover, GermanyISBN: 9783866308237

Buch_Coloristik.indb 1 21.02.12 12:19

Umschlag: Prof. B. Hill, RWTH-Aachen

Tasso Bäurle et al.Coloristik für LackanwendungenHannover: Vincentz Network, 2012 Farbe und Lack edition

© 2012 Vincentz Network GmbH & Co. KG, Hannover Vincentz Network, Plathnerstr. 4c, 30175 Hannover, GermanyDas Werk einschließlich seiner Einzelbeiträge aus Abbildungen ist urheberrechtlich geschützt. Jede Verwendung außerhalb der engen Grenzen des Urhebergesetzes ist ohne Zustimmung des Verlages unzulässig und strafbar.Dies gilt insbesondere für die Vervielfältigungen, Übersetzungen, Mikroverfilmungen und die Einspeicherung und Verarbeitung in elektronischen Systemen.Die Wiedergabe von Gebrauchtnamen, Warenzeichen und Handelsnamen in diesem Buch berechtigt nicht zu der Annahme, dass solche Namen ohne weiteres von jedermann benutzt werden dürfen. Vielmehr handelt es sich häufig um geschützte, eingetragene Warenzeichen.

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Satz: Danielsen Mediendesign, Hannover, GermanyDruck: Quensen Druck + Verlag GmbH &Co. KG, Hildesheim, Germany ISBN 9783866308237

Bibliographische Information der Deutschen BibliothekDie Deutsche Bibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deut-schen Nationalbibliographie; detaillierte bibliographische Daten sind im Internet über http://dnb.ddb.de abrufbar.


Farbe und Lack edition

Tasso Bäurle | Walter Franz | Peter Gabel | Stephan Gauss | Uwe Hempelmann Rainer Henning | Wilhelm Kettler | Hans-Jörg Kremitzl | Gerhard Rösler | Gerhard Wilker


Tasso Bäurle et al.: Coloristik für Lackanwendungen© Copyright 2012 by Vincentz Network, Hannover, GermanyISBN: 9783866308237



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Auf ein WortWie entstehen Farben, was ist Metamerie, was sagt die Kubelka-Munk-Theorie aus und wie kommt man dann von der Farbvorlage zur Rezeptur. Das Berufsbild des Coloristen in der Farben-, Lack und Kunststoffindustrie erfordert ein hohes Maß an Wissen und dieser Anfor-derung wird weder im Bachelor- und Masterstudium noch in der Technikerausbildung genügend Rechnung getragen.

So entstand die umfassende und praxisorientierte Seminarreihe am Forschungsinstitut für Pigmente und Lacke, in der Branchen übergreifend Coloristik zielge-

richtet und praxisorientiert gelehrt wird. Hier vermitteln Fachleute der Branche genau dieses Grund- und Expertenwissen in verständlicher und anschaulicher Form. Von diesem Wissen profitiert das vorliegende Coloristikbuch, das in einem Buch die wichtigen Themen-gebiete Farbmetrik, Farbmessung und Farbanalyse grundlegend erklärt, ohne sich in den Tiefen der jeweiligen Fachgebiete zu verlieren.

Als Anwendungsgebiet wurde bewusst nur der Lackbereich ausgewählt, der vom Autose-rien- und Reparaturlack über Industrie- und Pulverlacke bis hin zu Holz- und Putzeinfär-bungen reicht.

Oberstes Ziel ist neben der Praxisorientierung eine möglichst anschauliche und verständ-liche Darstellung der Lehrinhalte. Darüber hinaus werden in dem Buch auch aktuelle Themen wie z.B. die neuesten Entwicklungen bei den Effektpigmenten und deren Messung behandelt.

Der Leser hat auf diese Weise ein Fachbuch vor sich, das all das Wissen über Farbe, das ein Colorist oder Lackingenieur auf dem coloristischen Gebiet der Lackindustrie für die tägliche Praxis benötigt, in kompakter und nicht zu wissenschaftlicher und mathematischer Form enthält.

Sie als Leser und Anwender können auch kapitelweise lesen, d.h. einzelne Kapitel können bei Bedarf überschlagen und können später, falls doch erforderlich, nachgelesen werden.

Köln, im Januar 2012

Dr. Tasso Bäurle



Inhaltsverzeichnis 7

Inhaltsverzeichnis

I Grundlagen der Farbmetrik Stephan Gauss ................................................................................................. 15

1 Farbensehen des menschlichen Auges .......................................................................... 151.1 Das menschliche Auge ....................................................................................................... 161.1.1 Optischer Aufbau ............................................................................................................... 161.1.2 Signalverarbeitung und Besonderheiten ....................................................................... 171.2 Sehzellen des menschlichen Auges ................................................................................ 181.2.1 Spektrale Empfindlichkeit der Rezeptoren ................................................................... 191.2.2 Sehfehler und Farbsehschwächen ................................................................................... 211.3 Farbempfindung .................................................................................................................. 211.3.1 Farbgebende Attribute ....................................................................................................... 211.3.2 Farbkonstanz ........................................................................................................................ 21

2 Licht als elektromagnetische Strahlung ........................................................................ 22

3 Mischen von Farben ........................................................................................................... 243.1 Additive Farbmischung...................................................................................................... 243.2 Subtraktive Farbmischung ................................................................................................ 25

4 Wechselwirkung zwischen Licht und Materie .............................................................. 26

5 Normlichtarten und Lichtquellen .................................................................................... 275.1 Normlichtarten .................................................................................................................... 285.2 Lichtquellen .......................................................................................................................... 29

6 Normalbeobachter ............................................................................................................... 31

7 CIE 31-System ..................................................................................................................... 327.1 Berechnung der Normfarbwerte ...................................................................................... 337.2 Normfarbwertanteile ......................................................................................................... 34

8 CIELAB-System ................................................................................................................... 368.1 L*, a*, b*-Koordinaten ....................................................................................................... 388.2 L*, C*, h-Koordinaten ......................................................................................................... 398.3 Farbdifferenzen ................................................................................................................... 398.4 Farbtoleranzen und die MacAdam-Ellipsen .................................................................. 42

9 Metamerie ............................................................................................................................. 449.1 Farbkonstanz ........................................................................................................................ 449.2 Metamerie-Effekt ................................................................................................................. 449.3 Spezieller Metamerie-Index.............................................................................................. 46

II Farbmessung, Farbmessgeräte und visuelle Farbabmusterung ............... 48

1 Grundprinzip der Farbmessung von Körperfarben Gerhard Rösler ....................................................................................................................... 481.1 Analytische und visuelle Farbcharakterisierung ........................................................ 48

Tasso Bäurle et al.: Coloristik für Lackanwendungen© Copyright 2012 by Vincentz Network, Hannover, GermanyI


Inhaltsverzeichnis8

1.1.1 Methode A: Dreibereichsverfahren ................................................................................. 481.1.2 Methode B und C: Spektralverfahren mit polychromatischer Beleuchtung .......... 501.1.3 Methode D: Spektralverfahren mit monochromatischer Beleuchtung ................... 501.1.4 Methode E: Bispektralmessung ....................................................................................... 511.1.5 Messbereich, Auflösung und Beleuchtung .................................................................... 511.1.6 Spektrometer, Monochromatoren, Detektoren ............................................................ 53

2 Messgeometrien Gerhard Rösler ....................................................................................................................... 532.1 Kugelgeometrien bei Reflexionsmessungen ................................................................. 562.2 Gerichtete Geometrien bei Reflexionsmessungen ..................................................... 572.3 Messgeometrien für verschiedene Probenarten und -eigenschaften ...................... 582.4 Geometrieempfehlungen für Transmissionsmessungen ........................................... 582.5 Anmerkungen zur Geometrieauswahl ........................................................................... 602.6 Mehrwinkel geometrien ..................................................................................................... 61

3 Messgeometrien für spezielle Effektpigmente Peter Gabel ............................................................................................................................. 613.1 Optische Prinzipien der speziellen Effektpigmente .................................................... 623.2 Messgeometrien für Metalleffektpigmente ................................................................... 633.3 Neue Messgeometrien für spezielle Effektpigmente .................................................. 633.4 Neue Messgeometrien – Anwendungsbeispiele .......................................................... 643.4.1 Weiterführende Entwicklungen mit den neuen Messgeometrien ............................ 66

4 Probenaufbereitung Gerhard Rösler ....................................................................................................................... 67

5 Empfohlene farbmetrische Randbedingungen Gerhard Rösler ....................................................................................................................... 685.1 Kalibrieren des Farbmessgeräts ...................................................................................... 695.2 Umgebungsbedingungen .................................................................................................. 695.3 Schwarzkalibrierung .......................................................................................................... 695.4 Weißkalibrierung ................................................................................................................. 695.5 Kalibrierfunktion ................................................................................................................ 705.6 Kontrollmessung ................................................................................................................. 705.7 Lagerung der Kalibrierstandards ..................................................................................... 705.8 Prüfbericht ............................................................................................................................ 71

6 Einfluss der Oberflächen Gerhard Rösler ....................................................................................................................... 71

7 Sonderfall: Optische Aufheller und Fluoreszenz Gerhard Rösler ....................................................................................................................... 73

8 Fehlermöglichkeiten bei Farbmessungen Stephan Gauss ........................................................................................................................ 748.1 Fehler in der Probenherstellung ...................................................................................... 748.2 Fehler am Messgerät .......................................................................................................... 758.3 Fehler bei der Durchführung der Messung ................................................................... 75

9 Profilierung von Messgeräten und Farbmanagement Gerhard Rösler ....................................................................................................................... 779.1 Farbstandard für Farbmessgeräte-Profil ........................................................................ 779.2 Farbstandardsatz für Messgeräte .................................................................................... 779.3 Geräteherstellergenauigkeit und Profilierung .............................................................. 7810 Berührungslose Farbmessung Gerhard Rösler ....................................................................................................................... 78



III Visuelle Farbabmusterung Gerhard Rösler ................................................................................................. 80

1 Farbensehen und Farbfehlsichtigkeit ............................................................................. 80

2 Farbab musterungskabinen ............................................................................................... 81

3 Farbabmusterung von Effektproben ............................................................................... 823.1 Methode: Probenmodulation ............................................................................................. 833.2 Methode: Beleuchtungsmodulation ................................................................................ 833.3 Methode: Beobachtermodulation ..................................................................................... 843.3.1 Abmusterung von speziellen Effektpigmenten nach der Methode der Beobachtermodulation ................................................................................................ 843.4 Zusammenfassung der visuellen Abmusterung von Effektproben .......................... 85

IV Farbordnungssysteme Wilhelm Kettler ................................................................................................. 86

1 Einführung und Definition ................................................................................................ 86

2 Psychometrische Skalen .................................................................................................... 86

3 Farbskalen ............................................................................................................................ 87

4 Farbnotationssysteme ........................................................................................................ 884.1 CIELAB, CIELUV und DIN99 ........................................................................................... 884.2 Munsell-Farbsystem ........................................................................................................... 884.3 DIN-Farbenkarte ................................................................................................................. 894.4 NCS-Farbsystem .................................................................................................................. 914.5 OSA-UCS-Farbsystem ........................................................................................................ 924.6 RAL-Design-System ............................................................................................................ 93

5 Farbbenamungssysteme und Farbmustersammlungen ............................................. 945.1 RAL-System .......................................................................................................................... 945.2 British Standards Institution (BSI) .................................................................................. 955.3 Pantone-Farbsystem ........................................................................................................... 95

6 Verbindung zwischen Farbordnungssystemen ............................................................ 96

7 Die Qual der Wahl ............................................................................................................... 97

V Instrumentelle Farbdifferenzbewertung Wilhelm Kettler ................................................................................................. 99

1 Einführung ............................................................................................................................ 99

2 Geometrische Struktur von Farbdifferenzmodellen .................................................... 99

3 Farbdifferenzformel CMC(kL : kC) .................................................................................... 101

4 Farbdifferenzformel BFD(kL : kC) ..................................................................................... 102

5 Farbdifferenzformel CIE94 ............................................................................................... 103

6 Farbdifferenzformel CIEDE2000 ..................................................................................... 103

7 Farbenraum DIN99............................................................................................................. 105

8 Parametrische Effekte ........................................................................................................ 107

9 Vergleichende Analysen des Verhaltens moderner Farbdifferenzmodelle ............ 1089.1 Normierung .......................................................................................................................... 1099.2 Helligkeitsskala ................................................................................................................... 109


Inhaltsverzeichnis10

9.3 Chroma- und Buntheitsskala ............................................................................................ 1119.4 Gesamt farbdifferenz ........................................................................................................... 111

10 Bewertung des aktuellen Stands der Farbdifferenzmetrik ........................................ 113

11 Modellerweiterungen für goniochromatische Farbtöne ............................................. 114

VI Definition und Anwendung von Farbtoleranzen Wilhelm Kettler ................................................................................................. 119

1 Toleranz und Akzeptanz .................................................................................................... 1191.1 Euklidischer Farbenraum .................................................................................................. 1191.2 Nicht-euklidischer Farbenraum ....................................................................................... 120

2 Psychophysikalische Messungen .................................................................................... 120

3 Visuelle Farbabmusterung ................................................................................................ 121

4 Statistische Schwellenmessungen .................................................................................. 1224.1 Gaußfunktion: Modell für eine psychometrische Funktion ....................................... 122

5 Experiment zur Festlegung von Farbtoleranzen .......................................................... 123

6 Signifikanz von Farbmessergebnissen ........................................................................... 1296.1 Multivariate Statistik .......................................................................................................... 1306.2 Statistik für 3-dimensionale Farbenräume .................................................................... 1316.3 Prüffehlerellipsoid .............................................................................................................. 132

7 Toleranzen für Uni farbtöne: DIN 6175 T1 ..................................................................... 136

8 Toleranzen für Effektfarbtöne: DIN 6175 T2 ................................................................. 136

VII Pigmentoptik – physikalische Prozesse ..................................................... 140

1 Farbgebende Prozesse Uwe Hempelmann .................................................................................................................. 140

2 Reflexion, Brechung, Beugung, Interferenz Uwe Hempelmann .................................................................................................................. 143

3 Mie-Streuung Uwe Hempelmann .................................................................................................................. 147

4 Kubelka-Munk-Gleichung für deckende Schichten Uwe Hempelmann .................................................................................................................. 153

5 Saunderson-Korrektur: Einfluss der Oberflächen auf die Ergebnisse von Reflexionsmessungen Uwe Hempelmann .................................................................................................................. 156

6 Kubelka-Munk-Gleichung für nichtdeckende Schichten Uwe Hempelmann .................................................................................................................. 161

7 Mehrflusstheorie Wilhelm Kettler ....................................................................................................................... 1627.1 Kritik des Kubelka-Munk-Modells .................................................................................. 1627.2 Strahlungstransportgleichung ......................................................................................... 164

VIII Anwendungen aus der Praxis Uwe Hempelmann ............................................................................................ 170

1 Farbstärke ............................................................................................................................. 170

2 Deckvermögen ..................................................................................................................... 176



IX Charakterisierung von Pigmenten ............................................................. 178

1 Charakterisierung von anorganischen Pigmenten Rainer Henning ...................................................................................................................... 1791.1 Unbuntpigmente: Weiß (P.W. 6) und Schwarz (P.Bl. 7) .............................................. 1791.2 Wichtige Vertreter der anorganischen Buntpigmente ................................................ 1801.2.1 Anorganische Gelb- und Rotpigmente ............................................................................ 1801.3 Anorganische Grün- und Blaupigmente ......................................................................... 182

2 Charakterisierung von organischen Pigmenten........................................................... 1822.1 Rotpigmente ......................................................................................................................... 1832.2 Orangepigmente .................................................................................................................. 1862.3 Gelbpigmente ....................................................................................................................... 1882.4 Organische Grünpigmente ................................................................................................ 1902.5 Organische Blaupigmente ................................................................................................. 1912.6 Organische Violettpigmente ............................................................................................. 193

3 Charakterisierung von Aluminiumpigmenten Hans-Jörg Kremitzl ................................................................................................................. 1953.1 Metalliceffekt und seine Ursache .................................................................................... 1963.1.1 Leafing- und Non-Leafing-Eigenschaft ........................................................................... 1963.1.2 Partikelgröße und Partikeldurchmesser ........................................................................ 1973.1.3 Form, Dicke und Topographie der Pigmentpartikel .................................................... 1973.1.3 Orientierung der Pigment partikel im Lacksystem ...................................................... 1983.1.4 Gegenüberstellung unterschiedlicher Pigmenttypen ................................................. 1983.2 Chemische und mechanische Eigenschaften ................................................................ 199

4 Charakterisieren von Perlglanzpigmenten und speziellen Effektpigmenten Peter Gabel und Gerhard Pfaff .............................................................................................. 200

4.1 Herstellung, Eigenschaften und Typen von speziellen Effektpigmenten ............... 2014.1.1 Metalloxid-Pigmente .......................................................................................................... 2024.1.1.1 Titandioxid-Glimmerpigmente ......................................................................................... 2054.1.1.2 Titandioxid-Glimmer-Multischichtpigmente ................................................................ 2084.1.1.3 Eisen(III)-oxid-Glimmerpigmente ................................................................................... 2094.1.1.4 Metalloxid-Kombinations-Glimmerpigmente ............................................................... 2104.1.2 Metalloxid-Aluminiumoxid-Flakes-Pigmente ............................................................... 2124.1.3 Metalloxid-Borosilicat-Flakes-Pigmente ........................................................................ 2134.1.4 Metalloxid-Siliciumdioxid-Flakes-Pigmente ................................................................. 2144.1.5 Metalloxid-Eisenoxid-Flakes-Pigmente .......................................................................... 2164.1.6 Multischicht-Pigmente mit Fabry-Perot-Struktur ........................................................ 2164.1.7 Flüssigkristall-Polymer (cholesterische) Effekt-Pigmente......................................... 2184.1.8 Strukturierte Effektpigmente ........................................................................................... 2194.1.8.1 Holographische Pigmente ................................................................................................. 2194.1.8.2 Diffraktive Pigmente .......................................................................................................... 220

X Farbrezepturberechnung ............................................................................ 223

1 Farbrezepturberechnung von Unifarbtönen Uwe Hempelmann .................................................................................................................. 223

2 Kalibrierung von Farbmitteln Uwe Hempelmann .................................................................................................................. 226

3 Computerunterstützte Korrektur von Farbrezepturen Wilhelm Kettler ....................................................................................................................... 228


Inhaltsverzeichnis12

4 Praktische Farbrezepturberechnung von Effektfarbtönen Wilhelm Kettler ....................................................................................................................... 2324.1 Topologie von Effektpigmenten im Lack ........................................................................ 2354.2 Grenzen der Farbrezepturberechnung ........................................................................... 237

5 Wirtschaftlichkeit der Farbrezepturberechnung Walter Franz ........................................................................................................................... 2385.1 Rückblick .............................................................................................................................. 2385.2 Einsparungspotenzial durch den Einsatz von Farbrezepturberechnung ............... 2395.2.1 Schnelle Machbarkeitsanalyse ........................................................................................ 2395.2.2 Kostengünstige, metameriearme Rezepturen .............................................................. 2395.2.3 Zielsichere Korrekturen im Betrieb ................................................................................ 2395.2.4 Reduzierung von Reklamationen ..................................................................................... 2405.2.5 Rechenalgorithmen zur Kosteneinsparung bei spezifischen Anwendungen ....... 2405.2.6 Zusammenfassung .............................................................................................................. 243

6 Leitlinien zum Formulieren und Nachstellen von Körperfarben Wilhelm Kettler ....................................................................................................................... 2436.1 Mischungsregeln von Pigmenten .................................................................................... 2446.2 Unifarbtöne ........................................................................................................................... 2466.3 Effekt-Farbtöne .................................................................................................................... 2486.4 Deckvermögen und Pigmentierungshöhe ..................................................................... 251

7 Dosierbarkeit von Rezepturen Walter Franz ........................................................................................................................... 252

8 Aufbau von Farbmischsystemen Wilhelm Kettler ....................................................................................................................... 2538.1 Einführung ............................................................................................................................ 2538.2 Alternative Verfahren der Lackproduktion ................................................................... 2548.2.1 Fertigung von OEM Erstlacken ........................................................................................ 2548.2.2 Vorteile von Farbmischsystemen .................................................................................... 2548.2.3 Lack-Mischsysteme ............................................................................................................ 2578.2.4 Universelle Farbmischsysteme ........................................................................................ 2578.3 Coloristische Anforderungen an Farbmischsysteme .................................................. 258

9 Optimierung von Farbmischsystemen Wilhelm Kettler ....................................................................................................................... 2609.1 CIELAB-Landkarten von Farbmisch systemen ............................................................. 2609.2 Färbecharakteristik von Pigmenten ................................................................................ 261

10 Farbgamuts und Grenzen der Farbtonnachstellung Wilhelm Kettler ....................................................................................................................... 263

XI Mikroskopische Analyse von Effektpigmenten Gerhard Wilker ................................................................................................. 269

1 Effektfarben nachstellen .................................................................................................... 2691.1 Anwendung der Lichtmikroskopie ................................................................................. 2701.2 Ausrüstung eines Lichtmikroskops ............................................................................... 270

2 Effektpigmente .................................................................................................................... 2722.1 Überblick ............................................................................................................................... 2722.2 Aluminiumbronzen ............................................................................................................. 2732.3 Perlglanzpigmente auf Glimmerbasis ........................................................................... 2742.4 Sonstige Effektpigmente.................................................................................................... 277



2.4.1 Effektpigmente auf Basis von Aluminium mit Eisenoxid-Beschichtung ................ 2772.4.2 Effektpigmente auf Basis von Aluminiumoxid-Plättchen .......................................... 2782.4.3 Effektpigmente auf Basis von Siliciumdioxid-Plättchen ............................................. 2802.4.4 Optimierte Perlglanzpigmente mit Titandioxid-Beschichtung ................................. 2812.4.5 Multischicht pigmente mit Fabry-Perot-Struktur (OVIP) ............................................ 2812.4.6 Wismutoxidchlorid-Pigmente ........................................................................................... 282

3 Anwendungsbeispiele ........................................................................................................ 2823.1 Orientierung von Effekt pigmenten in Lacken .............................................................. 2833.2 Mischung von Effekt pigmenten ....................................................................................... 2833.3 Pigmentierte Klarlacke ..................................................................................................... 2843.4 Effektlacke im Kombination mit lichtstreuenden Pigmenten ................................... 2843.5 Einsatz von Polarisator und Analysator (polarisiertes Licht) .................................... 286

4 Systematik der Farbtonnachstellung von Effektlackierungen .................................. 2864.1 Einflussfaktoren beim Nachstellen von Effektlacken ................................................. 2874.2 Rezeptiersystem und systematische Vorgehensweise ............................................... 2874.3 Erstellung von Eichtafeln .................................................................................................. 2874.4 Optionen und Anwenden des Rezeptiersystems ......................................................... 2884.5 Vorgehensweise bei einer Farbton nachstellung .......................................................... 289

Lebensläufe .................................................................................................................. 295

Index ............................................................................................................................. 299

Bezugsquellen .............................................................................................................. 309

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15Farbensehen des menschlichen Auges

I Grundlagen der Farbmetrik

Stephan Gauss

1 Farbensehen des menschlichen AugesIn der deutschen Sprache hat der Begriff Farbe mehrfache Bedeutung, deshalb werden zu Beginn einige Begriffe genauer beschrieben: So gibt es Farbe als Beschreibung einer Sinnesempfindung, man kann auch in den Laden gehen und „Farbe“ kaufen. In diesem Fall wird der Begriff für eine Anstrichdispersion, einen Lack oder eine Druckfarbe verwen-det. In einer weiteren Stufe sind noch die Materialien, die die Farbe (z.B. im Lack) erzeugen, zu unterscheiden. Dies sind die Pigmente (unlöslich im (Lack-) Medium) und Farbstoffe (löslich im Medium).

Ein Beispiel aus dem täglichen Arbeiten in der Farben- und Lackindustrie ist die Frage „Hat der heute produzierte Ansatz dieselbe Farbe wie das Standardmuster?“ Sie zeigt diese Mehrfachbedeutung auf. In dem vorliegenden Buch wird darauf eingegangen, aus dem menschlichen Farbempfinden verwertbare Zahlen zu erhalten.

Die englische Sprache differenziert hier genauer in dem eigentlichen Begriff Farbe als Farbempfindung = Colour und Farbe als Anstrichmittel = paint, dye sowie colourant für Farbmittel = Pigmente und Farbstoffe (siehe Kapitel IX). Letztere werden beispielsweise nach ihrem „Color Index CI“ sortiert, was somit einem Farbmittel-Index entsprechen würde.

Wenn der Begriff Farbe beschrieben werden soll, müssen wir unterscheiden zwischen den physikalischen Vorgängen, die zu unserer Sinnesreizung im Auge führen und der subjek-tiven, personenbezogenen Auswertung der Sinnesreizung im Auge und danach folgend im Gehirn, siehe Tabelle I.1.

Der mehr biophysikalische Teil in der linken Spalte der Tabelle I.1 wird in diesem Kapitel in den Kapiteln I.1.1 und I.1.2 näher beschrieben. Auf den rechten Part der Tabelle I.1 der Farbempfindung wird in Kapitel I.1.3 eingegangen.

Es ist wichtig zu verstehen, dass diese Farbe nur in der Sinnesvorstellung eines Menschen existiert, mehrere Personen also die Farbe eines Gegenstandes unterschiedlich beschreiben werden. Dies ist auch der Hintergrund, dass in der kommerziellen Welt in vielen Bereichen Farbdifferenzen zu einem gemeinsam vereinbarten Standardmuster bewertet werden und nicht die Farbe an sich. Dieses muss verständlicherweise farblich nahe am aktuell zu bewertenden Muster sein. Über die Bewertung dieser dann nur noch kleinen Farbdifferenz verständigen sich Personen gewöhnlich leichter. Man nennt diese Farben auch bezogene Farben (related colours).

Die DIN 5033 (Teil 1) [1] definiert den Begriff Farbe recht trocken als:

Farbe ist der durch das Auge ver-mittelte Sinneseindruck, durch

Tabelle I.1: Subjektives und objektives Farbempfinden

Extern, objektiv subjektiv

Physikalische Reizung, Farbreiz (φ)

Farbempfinden

Farbmetrik, Spektrum farbgebende Empfindungen

Tasso Bäurle et al.: Coloristik für Lackanwendungen© Copyright 2012 by Vincentz Network, Hannover, GermanyI


I Grundlagen der Farbmetrik16

den sich zwei aneinandergrenzende, strukturlose Teile des Gesichtsfeldes bei einäugiger Beobachtung mit unbewegtem Auge allein unterscheiden lassen.

Farbe als Sinnesempfindung

In diesem Buch wird der Begriff Farbe nun für die Sinnesempfindung des Gehirns, die mit einer Eigenschaft eines Gegenstandes verbunden ist, verwendet. Diese Empfindung wird neben der direkten Eigenschaft des Gegenstandes auch durch viele andere Dinge beeinflusst. So ist die jeweilige Sinnesempfindung von Mensch zu Mensch unterschiedlich. Weiterhin beeinflussen auch das Umfeld oder der persönliche körperliche Zustand unsere Farbempfindung: man denke z.B. an das Sprichwort, „etwas durch eine rosafarbene Brille zu sehen“.

Um die Farbe eines Gegenstandes (Körperfarbe) empfinden zu können, muss dieser von einer Lichtquelle beleuchtet sein. Alternativ kann auch die Farbe einer Lichtquelle (Leuchtfarbe) beobachtet werden. Für den Farbreiz an sich und die damit verbundene Farbwahrnehmung sind beide Wege gleichwertig. Unsere Farbempfindung ist somit das Zusammenspielen der drei Dinge

• Lichtquelle • farbiger Gegenstand • Detektor (Auge + Gehirn)

Dies ist in Abbildung I.1 dargestellt.

1.1 Das menschliche AugeFür den Menschen ist das Auge das wichtigste Sinnesorgan [2, 3]. Von ihm stammen die meis-ten Signale, die in unserem Gehirn verarbeitet werden. Aufgrund der hohen Bedeutung hat es auch mehrere Schutzmechanismen. So sitzt es geschützt durch die Knochen von Nasen-, Joch-und Stirnbein in der Augenhöhle. Staub und Dreck werden durch die Wimpern und im Notfall durch den Lidschlussreflex von Auge abgehalten. Die Tränenflüssigkeit reinigt laufend die Oberfläche. Abbildung I.2 zeigt eine Darstellung unseres menschlichen Auges.

1.1.1 Optischer Aufbau

Das Licht gelangt durch die Hornhaut und die Linse in den flüssigkeitsgefüllten Glaskörper. Dabei ist vor der gel-artigen Linse eine Art Blende (die Iris). Sie ermöglicht die Adaptation,

Abbildung I.1: Der Farbeindruck eines Gegenstandes entsteht durch das Zusammenspielen einer Lichtquelle, des betrachteten Gegenstandes und dem menschlichen Auge mit der Reizverarbeitung im Gehirn Quelle: Clariant Produkte (Deutschland) GmbH



also die erste Anpassung an unterschiedliche Lichthelligkeiten. Im Vergleich mit einer Foto-kamera kann die Iris drei Blendenstufen realisieren. Dies entspricht einem Korrekturfaktor von 1 : 8; was übrigens nicht vollständig den geometrischen Verhältnissen von 2 bis 8 mm Durchmesser für die Pupille (= optische Öffnung, Apertur) entspricht (Stiles-Crawford-Effekt). Der Ringmuskel um die Linse ermöglicht, wie bei einem Teleobjektiv, das Einstellen auf verschiedene Brennweiten. So kugelt sie sich für nahe Objekte ab und wird dünner, um auf ferne Objekte zu fokussieren.

Auf der Rückseite des Glaskörpers ist die Netzhaut mit den Zellen, die für die Signalverarbei-tung der Sinnesreizungen verantwortlich sind. Ihr Aufbau ist in Abbildung I.3 dargestellt.

1.1.2 Signalverarbeitung und Besonderheiten

Die Netzhaut überzieht den größten Teil der Rückseite des Glaskörpers. Sie ist allerdings alles andere als gleichmäßig strukturiert [6]. Farbsehen ist lediglich in einem Bereich von 40° um die optische Achse möglich, für größere Winkel gibt es nur monochromatisches Hell/Dunkel-Sehen. Für kleiner werdende Winkel nehmen das Farbsehvermögen und das

Abbildung I.2: Das menschliche Auge Quelle: Klett Verlag [4]

Abbildung 1.3: Die menschliche Netzhaut mit der Anordnung der Stäbchen und Zapfen. Der Licht-einfall durch den Glaskörper käme von unten. [5] Quelle: Cornelsen Verlag



Auflösungsvermögen zu. Nahe der optischen Achse liegt auf der Netzhaut die sogenannte Sehgrube (Fovea), hier kann am schärfsten gesehen werden. Sie hat ungefähr einen Öff-nungswinkel von 2°. Ein Teil der Sehgrube ist der gelbe Fleck (Macula), die Pigmente in diesem Bereich sollen einen weiteren Schutz der Sehzellen vor starkem Lichteinfall darstel-len. Erstaunlicherweise sitzt diese Sehgrube nicht direkt auf der optischen Achse sondern um 4° versetzt. Auf der anderen Seite, um 10° versetzt, gibt es eine weitere Besonderheit des menschlichen Auges. Am sogenannten blinden Fleck werden alle Nervenstränge der Netzhaut nach außen geführt, so dass hier keine Sinneszellen liegen.

Stäbchen und Zapfen

In der Netzhaut gibt es grundsätzlich zwei Arten von Sehzellen (Rezeptoren), die Stäb-chen (rods) und die Zapfen (cones). Ihre Namen leiten sich von der jeweiligen Bauform der sensitiven Bereiche dieser Zellen ab. Die beiden Arten sind nicht gleichmäßig über die Netzhaut verteilt, beispielsweise sind im gelben Fleck ausschließlich Zapfen in relativ dichter Anordnung vorhanden. Für die Bereiche mit größerem Abstand von der Sehachse nimmt der Anteil der Stäbchen zu. Außerhalb von 40°-Öffnungswinkel sind dann nur noch Stäbchen zu finden. Zusätzlich zu dieser Variation nimmt nach außen auch die Dichte der Sinneszellen insgesamt ab und in einer zweiten Stufe verändert sich auch noch die Dichte der Verschaltung dieser Sinneszellen mit dem Gehirn. Während im gelben Fleck jede Sinneszelle (hier Zapfen) mit einer Nervenfaser direkt mit dem Sehzentrum im Gehirn verbunden ist, werden weiter außerhalb immer mehr Sinneszellen auf eine Nervenfaser zusammengeschaltet. Im Außenbereich der Netzhaut sind dann über hundert Stäbchen und Zapfen an eine Nervenfaser angebunden. So gibt es für die ca. 6 Millionen Zapfen und die ca. 100 Millionen Stäbchen im menschlichen Auge nur ca. 1 Million Nervenfasern. Neben den bisher beschriebenen Lichtsinneszellen (Photorezeptoren) und den Nervenfasern gibt es in der Netzhaut noch weitere Zellen zur Verarbeitung der elektrischen Signale und feine Blutgefäße zur Versorgung.

Einzelaufnahmen für das Gesamtbild

Aus diesem Aufbau des menschlichen Auges ergibt sich, dass bevorzugt nur mit dem 0,02 % großen Teil der Netzhaut im gelben Fleck gesehen wird. Neuere Untersuchungen zeigen, dass das menschliche Auge nicht wie eine Kamera arbeitet und auf der Netzhaut ein Abbild des betrachteten Gegenstandes entsteht, sondern kleine Augenbewegungen sorgen statt-dessen immer wieder für das Fokussieren des gelben Fleckes auf neue Punkte. Aus diesen Einzelaufnahmen, aufgenommen alle Sekundenbruchteile, wird vom Gehirn ein ruhiges Bild zusammengesetzt. Unser Blick „ruht“ also nicht auf dem Gegenstand, er wird aus vielen kleinen Einzelaufnahmen zusammengesetzt.

1.2 Sehzellen des menschlichen AugesIn den Sehzellen lösen die elektromagnetischen Wellen (des sichtbaren Wellenlängenbe-reiches) eine chemische Reaktion aus, die zu einem elektrischen Signal führt, das über die Nervenstränge an das Sehzentrum im Gehirn geleitet wird (Farbreiz). Sie haben ungefähr 2 µm Durchmesser und sind etwa 40 µm lang. In der Netzhaut sind sie unerwarteterweise so angeordnet, dass der Lichtstrahl von der Linse erst durch die gesamte Zelle hindurchtreten muss, bis er an den lichtempfindlichen Bereich kommt. Daher laufen alle Nervenstränge auch auf der Innenseite der Netzhaut am Glaskörper zum blinden Fleck und von dort zum Gehirn. Eine skizzierte Darstellung des Aufbaus unserer Stäbchen und Zapfen ist in Abbil-dung I.4 zu sehen.



Beide Arten der Sinneszellen, die Stäbchen und die Zapfen, besitzen unterschiedliche Funktionen. Die Stäbchen vermitteln keinen Farbeindruck, sondern sind für unser Hell/Dunkel-Empfinden bei geringer Beleuchtung zuständig (skoptisches Sehen). Ihre Anre-gung ist auch noch bei Lichtintensitäten deutlich unter 0,1 cd/cm2 möglich und erlaubt das Sehen in der Nacht. Bereits ein einzelnes Photon löst einen Reiz aus. Steigt die Lichtinten-sität wird die Reizung der Stäbchen reduziert und die Zapfen-Rezeptoren beginnen zu reagieren. Diese sind um ca. zwei Größenordnungen weniger sensitiv und sind für das Sehen bei Tageslicht zuständig. Mit der Reizung der Zapfen beginnt auch unser Farbsehen (photopisches Sehen). Hintergrund ist das Vorhandensein von drei verschiedenen Arten von Zapfen, die in verschiedenen Bereichen des sichtbaren Spektrums empfindlich sind. Die in den äußeren Bereichen der Zapfen (und auch der Stäbchen) vorhandenen photosensitiven Proteinmoleküle (Opsine) haben unterschiedliche Empfindlichkeitsmaxima. Die Reizver-arbeitung dieser drei verschiedenen Typen erfolgt jeweils getrennt. Die unterschiedliche Reizung der drei Zapfentypen erzeugt im Gehirn den Farbeindruck.

1.2.1 Spektrale Empfindlichkeit der Rezeptoren

Mit Hilfe von Mikrospektrometern konnte ab 1960 die spektrale Empfindlichkeit der Stäb-chen und der drei verschiedenen Zapfen direkt vermessen werden. Die Zapfen werden nach ihrem Empfindlichkeitsbereich als kurzwellige (S, short), mittlere (M, medium) und lang-wellige (L, long) benannt. Auch die Bezeichnungen R (Rot), G (Grün) und B (Blau) kommen in der Literatur vor. Die Maxima ihrer Empfindlichkeiten liegen bei 420 nm (S), 530 nm (M) und 560 nm (L). In Abbildung I.5 sind die relativen spektralen Empfindlichkeiten aufge-tragen, wobei als Normierung die Gesamtempfindlichkeit der Sehgrube (Fovea) verwendet wurde. Bei diesen grundlegenden Daten, die später auch in die farbmetrischen Berechnun-gen eingehen (siehe Kapitel I.7), ist zu beachten, dass sie lediglich auf der recht kleinen Anzahl von 17 Probanden in den 1920er Jahren ermittelt wurden [7, 8]. Diese Personen waren unter 30 Jahren, um die danach einsetzende Gelbfärbung der Augenlinse sowie die eben-falls altersbedingte Makuladegeneration soweit wie möglich auszuschließen. Damit wird verständlich, dass die Augen jedes Menschen anders sind und somit auch unsere Farbemp-findung immer subjektiv ist. Die hier dargestellten Augenempfindlichkeiten stellen also nur eine Art Mittelwert für einen mehr oder weniger kleinen Personenkreis dar ((farb)normal-sichtiger Beobachter). Neuere Tests sollen diese Datensätze auf eine breitere Basis stellen.

Helligkeit und Farbigkeit empfinden

Abbildung I.5 zeigt die drei Empfindungsbereiche, die sich zu großen Teilen überlappen. Dies ist kein Nachteil, sondern ermöglicht erst unser Farbsehen. Die eingehenden Reize

Abbildung I.4: Stäbchen (a) und Zapfen (b) im menschlichen Auge. Der Lichteinfall durch den Glaskörper käme von links. Quelle: Clariant Produkte (Deutschland) GmbH



der Sehzellen müssen zwischen Lichtintensität und Wellen-länge differenziert werden. Ein starkes Signal der L-Zelle kann beispielsweise durch eine hohe Lichtintensität bei 500 nm her-vorgerufen werden oder durch eine geringe Intensität bei 560 nm. Für eine einzelne Wel-lenlänge ist das Signalverhältnis der drei Zapfentypen fest vorge-geben. Durch die Signalverarbei-tung kann nun aus den absoluten Signalhöhen die Information der Lichtintensität und aus den Ver-hältnissen der Signale die jewei-lige spektrale Zusammensetzung des Lichtes bestimmt werden. So kann man Helligkeit und Farbe getrennt empfinden. Die Details der menschlichen Signalverar-beitung beim Sehen können bei-spielsweise bei Kaiser oder Lee

[3, 9] nachgelesen werden. Nach aktuellem Verständnis werden aus den drei Zapfen und den Stäbchen drei Signaltypen (Para-meterpaare) erzeugt, die an das Gehirn geleitet werden. Das Tri-pel der drei Farbreize wird als Farbvalenz bezeichnet, mathe-matisch kann sie als Vektor dar-gestellt werden.

Zu beachten ist auch dass die An zahl der S-, M- und L-Zapfen in unserer Netzhaut sehr unter-schiedlich ist, sie also kein festes

Muster auf der Netzhaut bilden, vergleichbar den roten, grünen und blauen Leuchtpunkten auf einem Fernsehbildschirm. Aktuell wird von einer Häufigkeitsverteilung von 1 : 3 : 6 für die S, M und L-Rezeptoren ausgegangen [10]. Ein Grund für die geringe Anzahl an kurzwel-ligen Zapfen könnte die chromatische Aberration unserer Linse sein. Da ihr Brennpunkt wellenlängenabhängig ist, kann nicht das ganze sichtbare Spektrum präzise auf die Netz-haut fokussiert werden. Das Auge wird auf die beiden M- und L-Zapfen optimiert sein, deren Maxima näher beieinander liegen und die S-Zapfen werden ein unscharfes Bild erhalten. Dafür ist dann kein fein verteiltes Netzwerk für diesen Wellenlängenbereich nötig.

Neben den Zapfen gibt es die Stäbchen, die bei geringeren Lichtintensitäten Signale sen-den. Ihr lichtempfindliches Pigment, das Rhodopsin, absorbiert vor allem im blau-grünen Bereich des Spektrums. Diese Empfindlichkeitskurve ist in Abbildung I.6 dargestellt. Da der Farbreiz der Stäbchen nicht zwischen hoher Lichtintensität in einem unempfindlichen Bereich (z.B. oberhalb 600 nm) und geringer Intensität im sensitiven Bereich um das Maxi-

Abbildung 1.5: Empfindlichkeit der drei Zapfentypen S (blau), M (grün) und L (rot) in Abhängigkeit von der Wellen-länge. Die beiden Typen M und L überlappen sich größten-teils und haben ihre maximale Empfindlichkeit bei 540 nm (M) und 650 nm (L).

Abbildung I.6: Spektrale Empfindlichkeit der menschlichen Stäbchen. Ihre maximale Sensibilität liegt mit 498 nm zwischen denen der S- und der M-Zapfen



mum bei 507 nm herum unterscheiden kann, kann der Mensch bei geringen Helligkeiten keine Farbunterscheidungen erkennen („Nachts sind alle Katzen grau“). Im Übergangsbe-reich von Stäbchen-Sehen zum Zapfen-Sehen (Dämmerung) sorgt allerdings die größere Empfindlichkeit der Stäbchen im Blau-Bereich für eine gefühlte größere Helligkeit blauer Gegenstände als bei vollem Tageslicht (Purkinje-Effekt).

1.2.2 Sehfehler und Farbsehschwächen

Neben den Veränderungen des Sehvermögens im Verlaufe des Lebens (Gelbfärbung der Linse und Rückgang ihrer Elastizität) haben ca. 8 % der männlichen Bevölkerung und ca. 0,5 % der Frauen eine angeborene Fehlsichtigkeit. Hier sind die Empfindlichkeiten der ver-schiedenen Zapfen anders oder sogar gar nicht vorhanden. Solche Farbfehlsichtigkeit (Far-benblindheit) kann durch spezielle Tafeln mit Verwechslungsfarben – bekannt sind hier die Ishihara-Tafeln – oder mit Hilfe eines Anomaloskops untersucht werden. Bei letzterem Gerät versucht der Proband mit Hilfe der additiven Farbmischung (siehe Kapitel I.3.1) eine vorgegebene Referenzfarbe durch drei Grundfarben nachzustellen.

1.3 Farbempfindung

1.3.1 Farbgebende Attribute

Wie eine Farbe bezeichnet wird, und welche Empfindungen man mit diesem Buntton hat, ist vor allem kulturhistorisch begründet. Vor diesem Hintergrund wird verständlich, dass verschiedene Kulturkreise unterschiedliche Empfindungen mit verschiedenen Bunttönen haben.

Bereits in den Jahren um 1850 beschrieben Grassmann und Helmholtz für die menschliche Farbempfindung drei unterschiedliche, eigenständige Merkmale (Dreifarben-Theorie, tri-chromatisches Modell)1. Dies war ungefähr 100 Jahre vor der experimentellen Bestätigung der Existenz von drei Zapfentypen. Einige Jahre später (1878) veröffentlichte Hering seine Gegenfarbentheorie, wonach die Farbempfindung auf den Farbpaaren Rot/Grün und Blau/Gelb, sowie auf Schwarz und Weiß basiert. Auch dies wurde inzwischen als Teil der mensch-lichen Signalverarbeitung experimentell bestätigt.

Die Beschreibung einer Farbempfindung beruht auf drei grundlegenden Merkmalen:

• Helligkeit (brightness) oder wichtiger die relative Helligkeit (lightness)• Buntton (hue oder auch shade)• Buntheit (chroma) oder Farbigkeit (chromatic) bzw. Sättigung (saturation)

Eine aktuelle Definition der Begriffe ist in DIN 5033 Teil 1 [1] beschrieben.

Die Buntheit ist ein Maß, wie stark sich der farbige Reiz von dem einer unbunten gleich hellen Fläche unterscheidet. Wie bei der Helligkeit bewertet das menschliche Auge eine relative Sinnesreizung. Sie ist eine Art relative Farbigkeit. Daraus folgt naheliegend der Begriff der (Farb-)Sättigung, er ist das Verhältnis von Buntheit zur relativen Helligkeit.

1.3.2 Farbkonstanz

Das menschliche Gehirn setzt die eingehenden Farbreize nicht direkt in einen Farbein-druck um, sondern die Beobachtungsverhältnisse werden automatisch berücksichtigt. Die Farbsignale an sich gelangen also nicht in unser Bewusstsein.

In unserem Farbensehen gibt es das Konzept der Farbkonstanz. Unsere visuelle Bewertung eines Bunttons berücksichtigt dabei die Helligkeit der Umgebung. In direktem Sonnenlicht

1 Die Grundidee dazu stammte bereits 1807 von Thomas Young



herrscht eine um mehrere Größenordnungen höhere Beleuchtungsstärke als z.B. in einem Innenraum. Die eingehenden Signalreize müssten außen also zu einer Überstrahlung des Objektes führen und der Gegenstand würde nur noch weiß erscheinen. Die Kombination aus Auge und Gehirn erkennt also, dass der unterschiedliche Sinnesreiz, beispielsweise eines grünen Apfels, an der Beleuchtung und nicht an einer Farbänderung des Apfels begründet ist. Mit Hilfe der Farbkonstanz wird die Helligkeit einer Probe durch die Helligkeit seiner Umgebung oder einer Referenzprobe bestimmt, siehe Kapitel I.1 (bezogene Farben, related colours) und der Farbeindruck entsteht entsprechend. Ein plastisches Beispiel ist unser Ein-druck vom Mond. Steht er am Nachmittag am Himmel, so erscheint er blassgelb gegenüber dem sonstigen Himmelsblau, einige Stunden später bei Dunkelheit erstrahlt er in kräftigem Gelb, obwohl seine Beleuchtung durch die Sonne sich in dieser kurzen Zeit kaum verändert hat. Dass man bei dunklem Nachthimmel gleichzeitig auch noch zusätzlich die Details der Mondoberfläche erkennen kann, ist ein weiterer besonderer Effekt.

2 Licht als elektromagnetische StrahlungLicht, wie es mit dem menschlichen Auge wahrgenommen wird, ist eine elektromagne-tische Strahlung. In Abbildung I.7 sind die verschiedenen Bereiche (Wellenlängen bzw. Frequenzen) der elektromagnetischen Strahlung in einer logarithmischen Skala darge-stellt. Einige Anwendungsbereiche von elektromagnetischer Strahlung unterschiedlicher Wellenlänge sind dort aufgelistet. Für das menschliche Auge ist nur der sehr kleine Bereich von 370 bis 760 nm (1 nm = 10-9 m) wahrnehmbar. Andere Wellenlängen können vom Men-schen nicht wahrgenommen werden. Für die Farbmessung wurde der Bereich international genormt auf 400 bis 700 nm festgelegt, da außerhalb dieses Bereiches die Empfindlichkeit des menschlichen Auges sehr gering ist.

Die Menge der Strahlung (relative Strahlungsleistung) S (λ) ist bei jeder Wellenlänge normalerweise unterschiedlich, dies führt zu verschiedenen Farbeindrücken. In der Farb-metrik wird gewöhnlich die relative Strahlungsleistung bezogen auf einen Referenzpunkt, gewöhnlich bei 560 nm, angegeben. Umgekehrt hatte Newton bereits 1766 mit seinem Prismaexperiment aufgezeigt (siehe Abbildung I.8), dass weißes (Sonnen-)Licht aus Licht

Abbildung I.7: Wellenlängen und Frequenzbereiche elektromagnetischer Strahlung in logarithmischer Darstellung Quelle: Clariant Produkte (Deutschland) GmbH


23Licht als elektromagnetische Strahlung

verschiedener Farben zusammengesetzt ist. Es gibt also keine Wellenlänge für weißes Licht. Licht unterschiedlicher Wellenlänge erzeugt beim Menschen unterschiedliche Far-beindrücke. So erscheint Licht mit überwiegender Intensität bei 450 bis 490 nm Blau, sol-ches bei Wellenlängen von 490 bis 560 nm als Grün und solches bei Wellenlängen oberhalb 630 nm Rot. Die angrenzenden Wellenlängenbereiche werden Ultraviolett (UV, <400 nm) bzw. Infrarot (IR, >700 nm) genannt.

Die elektromagnetische Strahlung selber hat natürlich keine Eigenfarbe, es ist die mensch-liche Sinneswahrnehmung, die aus den verschiedenen Strahlungsverteilungen eine Farb-vorstellung im Gehirn erzeugt. Die jeweilige Strahlungsverteilung, ausgesandt von einem Gegenstand, ist der Informations-träger der Farbe dieses Gegen-standes.

Als Spektrum wird die Inten-sitätsverteilung der Strahlung über den Wellenlängenbereich bezeichnet. Der Kurvenverlauf selber wird auch als Remissi-onskurve oder Reflexions-kurve R(λ) bezeichnet. In der Praxis wird nur noch der Begriff Reflexionskurve verwendet. Auf den Begriff Reflexion wird in den Kapiteln I.4 und VII.2 näher ein-gegangen. In Abbildung I.9 sind exemplarisch die Intensitätsver-teilungen für blaue (Abbildung I.9b) und gelbe (I.9c) Farbtöne dar-gestellt. Die Farbverteilung eines Regenbogens oder des Prisma-Experimentes von Newton ent-steht, indem ein Intensitätsberg durch den sichtbaren Wellenlän-genbereich geschoben wird und

Abbildung I.8: Ein Prisma fächert weißes Licht in seine Bestandteile, Licht unterschiedlicher Farben und Wellenlängen, auf (Newton 1766). Alternativ zu einem Glasprisma kann auch ein Beugungsgitter diese Auffächerung erreichen. Quelle: Clariant Produkte (Deutschland) GmbH

Abbildung I.9: Spektren von Ideal-Weiß (a), Blau (b) und Gelb (c). Violett (d) entsteht durch das Mischen von Blau und Rot. Die Darstellung als Balkendiagram symbolisiert die farb metrische Messung der Strahlungsleistung mit einzelnen Stützstellen. Eine Messung z.B. alle 20 nm ergibt 16 Stützstellen im Bereich von 400 bis 700 nm. Quelle: Datacolor AG



dadurch der Farbverlauf von Blau über Grün, Gelb zu Rot entsteht. Der Buntton jeder dieser Farben wird umso reiner, je schärfer oder steiler dieser Intensitätsberg ist. Theoretisch lässt sich ein Spektrum erzeugen, das nur aus einer scharfen, rechteckigen Verteilung mit einem Intensitätssprung von 0 % auf 100 % bei einer Wellenlänge oder einem Wellenlängenbereich besteht, solche (theoretischen) Farben nennt man Ideal- und Optimalfarben.

Eine konstante Intensitätsverteilung von 400 bis 700 nm würde einen unbunten Farbein-druck bewirken und je nach Niveau ein ideales Weiß, ideales Grau oder Schwarz darstellen (Abbildung I.9a).

Farben entstehen nicht nur aus einem einzelnen Intensitätsberg, sondern das Spektrum kann einen beliebigen Verlauf der Strahlungsintensität besitzen. Auf diese Weise entstehen weitere Farben neben den Regenbogenfarben. Violett ist nicht im Regenbogen enthalten, es entsteht bei einem Spektrum, das Intensitätsmaxima im blauen und im roten Bereich besitzt. In Abbildung I.9d ist exemplarisch ein Beispiel für eine solche Strahlungsvertei-lung, einer Farbmischung aus Blau und Rot, dargestellt. Diese Intensitätsverteilung ergibt ein Violett. Die beiden verschiedenen Methoden Farben zu mischen, werden im nächsten Kapitel I.3 beschrieben.

3 Mischen von FarbenBeim praktischen Arbeiten mit Farben ist das Mischen dieser ein wichtiger Punkt, denn die kommerziell erhältlichen Farbmittel (Pigmente und Farbstoffe) enthalten nicht alle wahrnehmbare Farben. Die technischen Hintergründe zur Nachstellung von Farbvorlagen (Rezepturberechnung) werden in Kapitel X detailliert beschrieben, in diesem Kapitel wird auf die Grundlagen eingegangen.

3.1 Additive FarbmischungEs gibt zwei prinzipielle Arten der Farbmischung. Bei der additiven Farbmischung ergän-zen sich verschiedene Farbtöne, um schließlich Weiß zu ergeben. Dies ist schematisch in Abbildung I.9 dargestellt. Die praktische Anwendung dieser Art der Farbmischung ist am einfachsten an jedem Fernsehgerät zu erfahren. Der Bildschirm setzt sich aus Farbpunk-ten (Pixeln) der Farben Rot, Grün und Blau zusammen. Durch Variieren der Intensität

der 3 Leuchtpunkte kann für den Betrachter jede Farbe erzeugt werden. Rot und Grün ergibt auf diese Weise einen gelben Farb eindruck. Die additive Farb-mischung beschreibt somit das Mischen von Lichtfarben. Haben alle drei Farbpunkte die glei che Intensität, entsteht Weiß. Die drei Farben Rot (R), Grün (G) und Blau (B) werden auch als Grundfarben bzw. Primärvalen-zen (engl.: primaries) der additi-ven Farbmischung bezeichnet. Als Komplementärfarben wird ein Paar zweier Farben genannt, das sich zu Weiß ergänzt (siehe auch 1. Grassmannsches Gesetz).

Abbildung I.10: Bei der additiven Farbmischung ergibt die Überlagerung aller drei Grundfarben Weiß. Additive Farbmischung tritt vor allem beim Mischen von Lichtfarben auf. Quelle: Clariant Produkte (Deutschland) GmbH


25Mischen von Farben

3.2 Subtraktive FarbmischungAls Kind hat man beim Mischen von Farben im Farbmalkasten allerdings eine andere Erfah-rung gemacht: Wird Rot und Grün vermischt, entsteht ein Graubraun und eben kein Gelb, wie oben beschrieben. Das Mischen von Farbkörpern/ Farbmitteln erfolgt nach den Regeln der subtraktiven Farbmischung. Die rote Farbe eines Pigmentes entsteht, indem blaue und grüne Wellenlängen absorbiert werden, Grün, indem rote und blaue Wellenlängenbereiche absorbiert werden. Werden also entsprechende Farbkörper gemischt, wird demnach nahezu im gesamten Spektrum absorbiert und nur ein „Schmuddelgrau“ verbleibt. Der Begriff „sub-traktiv“ ist etwas irreführend, besser wäre es von der „additiven Wirkung der Absorption der verwendeten Farbmittel“ zu sprechen.

Als Grundfarben (Primärvalenzen) der subtraktiven Farbmischung werden die speziell in der Druckindustrie wichtigen Farbtöne Cyan (C), Magenta (M) und Gelb (Y) definiert. Ihre Addition ergibt in Summe Schwarz. Abbildung I.11 zeigt exemplarisch die subtraktive Mischung von Cyan und Gelb. In dieser Darstellung ist außerdem ein wichtiger Punkt dieser Art der Farbmischung zu erkennen. Subtraktiv gemischte Farben ergeben in der Summe vorwiegend Spektren geringerer Intensität (dunklere Farbtöne) und auch flacheren Flanken, was eine geringere Reinheit (und Brillanz) der Mischfarbe im Vergleich zu den Ausgangsfarben darstellt.

Beide Arten der Farbmischung können gleichzeitig auftreten. So können Farbbilder gedruckt werden, indem mehrere Farben übereinander (subtraktive Mischung) oder einzelne Farb-punkte nebeneinander gedruckt werden. Der Prozess der Farbentstehung im menschlichen Gehirn muss also getrennt werden von der verwendeten Technik der Farbherstellung in der Produktion. In der technischen Farbkommunikation haben die durch die jeweiligen Grund-farben aufgespannten Farbräume RGB/sRGB und CMYK eine wichtige Rolle. Diese sind zu unterscheiden von den allgemeinen Farbräumen wie sie in Kapitel V besprochen werden.

Abbildung I.11: Werden Farbkörper von Cyan und Gelb gemischt, erhält man über subtraktive Farbmischung Grün (a). Das Spektrum (b) veranschaulicht das Entstehen der grünen Reflexionskurve aus den beiden Reflexionskurven von Cyan und Gelb. Quelle: Clariant Produkte (Deutschland) GmbH



4 Wechselwirkung zwischen Licht und MaterieTrifft ein Lichtstrahl auf Materie, kann es zu verschiedenen Wechselwirkungen kommen, die Einfluss auch die Lichtfarbe je nach Art der Materie haben, siehe Kapitel VII.

Transmission: Falls der Lichtstrahl unverändert durch die Materie treten kann, sie durch-dringt, spricht man von Transmission. Die Materie wird transparent genannt. Ist diese Materie auch farblos, wird der Lichtstrahl mit der gleichen Intensitätsverteilung (Spektrum) hindurchtreten. Lediglich an der Vorder- und Rückseite (Grenzfläche Materie <-> Luft bzw. Vakuum) wird ein kleiner Anteil reflektiert.

Reflexion: Der reflektierte Anteil ist abhängig von der Differenz der Lichtgeschwindigkeit innerhalb dieser beiden Materialien. Der Brechungsindex beschreibt das Verhältnis dieser Geschwindigkeit im Vergleich zur Lichtgeschwindigkeit in Luft, bzw. genauer in Vakuum. Für normales Glas beträgt der Brechungsindex 1,5 und die Oberflächenreflexion an solchen Grenzen zur Luft ist ungefähr 4 %. Diese Art der Reflexion tritt an allen Grenzflächen von Materialien mit unterschiedlichem Brechungsindex – und damit auch unterschiedlicher Lichtgeschwindigkeit – auf, siehe Abbildung I.12.

Absorption: Elektromagnetische Wellen (Licht), die durch einen Körper dringen, kön-nen dort auch absorbiert werden. Dies kann teilweise oder vollständig geschehen. Wird das eindringende Licht vollständig absorbiert, wird das Material auch opak genannt. Die Absorption des Lichtes ist abhängig von der elektronischen Struktur des Materials. Die elek-tromagnetischen Wellen können die Elektronen je nach ihrer Bindung anregen oder nicht. Daher werden verschiedene Wellenlängen des Lichtes unterschiedlich stark absorbiert. Die Abhängigkeit der Absorption eines transparenten Materials von seiner Schichtdicke hat bereits 1760 Lambert entwickelt. Die Absorption eines solchen Materials von der Kon-zentration des absorbierenden Materials wird von Beers Gesetz beschrieben. Das Lambert-Beer’sche Gesetz wird in Kapitel VII beschrieben.

Streuung: Der Lichtstrahl kann an Materie auch gestreut werden. Das heißt, der Lichtstrahl geht in eine andere Richtung, behält jedoch seine ursprüngliche Wellenlänge. Durch diese Wechselwirkung werden auch Anteile des Lichtes wieder zurückgestreut (= remittiert).

Der Lichtstrahl kann dabei auch mehrfach gestreut werden. Dies alles passiert in einem nur wenige Mikrometer tiefen Bereich unter der Oberfläche eines massiven Materials. Dieser Streuprozess ist verantwortlich für die weiße Farbe von Milch, der Wolken oder von weißen Pigmenten. Auch das Blau des Himmels ist eine Folge der Streuung des Lichtes an den Luftmolekülen. Ebenso spielt der Brechungsindex für diese Wech-selwirkung eine entscheidende Rolle. Die Streuung ist umso größer je größer die Brechungs-indexunterschied zwischen den beiden Materialien ist, wenn der Lichtstrahl auf diese Grenzfläche trifft. Auch die Teilchengröße

Abbildung I.12: An der Grenzfläche von Luft (bzw. Vakuum) und Glas wird Licht teilweise reflektiert, aber zum größten Teil zur Senkrechten der Grenzfläche hin gebrochen Quelle: Clariant Produkte (Deutschland) GmbH


27Normlichtarten und Lichtquellen

beeinflusst das Streuverhalten. Besitzt das Teilchen die gleiche Länge/Größe wie die Lichtwelle, so ist der Streueffekt am größ-ten. Relativ große aber auch ganz kleine Teilchen streuen weniger

[13]. Bei der Pigmentherstellung und -weiterverarbeitung kann die Teilchengröße beeinflusst werden, um eher streuende und damit mehr deckende Schichten, oder in die andere Richtung mehr transparente Schichten z.B. für Druckanwendungen zu erzie-len. Durch die Veränderung der Größe der Pigmentteilchen kann also sowohl das Deckvermögen als auch der Buntton beeinflusst werden. Pigmenthersteller liefern daher unter einem Color Indexverschiedene Pigmente mit un-terschiedlichem Deckvermögen und unterschiedlichem Buntton, siehe Kapitel IX, Seite 176. Aus demselben Grund ergeben auch Pigmente desselben Index von verschiedenen Herstellern ver-schiedene Farbtöne in der Anwen-dung.

Ein Material kann je nach Stärke seines Streueffektes transparent, transluzent oder opak sein. Bei letzterem geht kein Licht mehr durch das Material. Die Abbildung I.14 fasst die verschiedenen Wechselwirkungen zwischen Licht und Materie zusammen.

5 Normlichtarten und LichtquellenJedem ist bewusst, dass der Farbeindruck eines Gegenstandes abhängig von seiner Beleuch-tung ist. Auf der einen Seite kann der Einfluss der Strahlungsmenge, die in das Auge kommt, durch die „menschliche Blende“, die Pupille, in einem weiten Bereich korrigiert werden. Allerdings verschwindet die Farbempfindung bei zu geringer Strahlungsintensität (Nachtsehen), beziehungsweise bei zu hoher Intensität wird man geblendet und hat auch wieder keinen Farbeindruck. Andererseits ist bekannt, dass der Farbeindruck auch von der Art der Beleuchtungsquelle abhängig ist. Ein Gegenstand erzeugt bei Sonnenuntergang einen anderen Farbeindruck als bei vollem Sonnenlicht am Mittag, die Glühlampe macht einen anderen Farbeindruck als Sonnenlicht. Von einer farbigen Beleuchtung des Objektes ganz zu schweigen. Bei einer Farbbewertung, sowohl visuell als auch farbmetrisch, muss also die verwendete Beleuchtungsart mit angegeben werden (siehe DIN 6174). Dies gilt, weil man verschiedene Beleuchtungslichtarten als Weiß bezeichnet. Hintergrund dazu ist, dass

Abbildung I.14: Wechselwirkungsarten, wenn Licht auf Ma terie trifft. Der Absorptionseffekt wird durch den Ko effi zi-enten K(λ), der Streueffekt mit dem Koeffizienten S(λ) beschrieben. Siehe Kapitel VII. Quelle: Clariant Produkte (Deutschland) GmbH

Abbildung I.13: Beziehung zwischen dem Streueffekt eines Pigments und seiner Korngröße. Hat es die Größe der Wellenlänge ist der Streueffekt am größten Quelle: nach L. Gall



das Spektrum, das diese verschiedenen Lichtquellen aussenden, unterschiedlich ist, die menschliche Farbempfindung aber jedes Mal Weiß ergibt. Das Phänomen Metamerie, das damit verbunden ist, wird in Kapitel I.9 genauer dargestellt.

5.1 NormlichtartenDie CIE (Internationale Beleuchtungskommission) hat zur Standardisierung der Beleuch-tung Normlichtarten (standard illuminants) definiert. Diese stellen vorgegebene spek-trale Strahlungsverteilungen dar, unabhängig davon, ob es dazu auch reale technische Lichtquellen (light sources, siehe nächster Abschnitt) gibt. 1931 und 1964 wurden die ersten Normlichtarten festgelegt. Damals waren auch Strahlungsverteilungen nach Art natürliche Lichtquellen festgelegt. So war die Lichtart B das direkte Sonnenlicht und Lichtart C das durchschnittliche Tageslicht.

In der Zwischenzeit hat sich die CIE für die Normlichtarten vor allem auf theoretische Strah-lungsverteilungen eines sogenannten schwarzen Strahlers konzentriert. Der schwarze Strahler wird in der Physik auch Planckscher Strahler genannt, und er gibt ein kontinu-ierliches Spektrum, ohne Spitzen oder Lücken, ab. Die Beziehung zwischen der Temperatur und der Strahlungsleistung für jede Wellenlänge wird im Planckschen Strahlungsgesetz beschrieben. Das Spektrum eines idealen schwarzen Strahlers ist also mit seiner Tempera-tur direkt verbunden, wir haben eine Farbtemperatur, wobei die Temperatur in Kelvin (K), der absoluten Temperaturskala, angegeben wird. Für die Temperatur in Kelvin muss 273 der Temperatur in Celsius hinzuaddiert werden.

Für die Normlichtarten werden die Strahlungsverteilungen S(λ) (spectral power distri-bution) – Verteilung der Leistung über die Wellenlängen – als relative Werte dargestellt. Normiert wird dabei auf den Wert bei 560 nm. Das bedeutet, vergleicht man verschiedene Strahlungsverteilungen schneiden sich diese Kurven alle bei 560 nm. In Abbildung I.15 sind die relativen Strahlungsverteilungen S(λ) für schwarze Strahler mit 2856 K, 5000 K, 6500 K und 10.000 K im Bereich von 400 bis 700 nm dargestellt. Man erkennt deutlich den Anstieg des kurzwelligen, blauen Anteils bei Erhöhung der Farbtemperatur.

In der aktuellen Fassung des CIE-Reports 15 [11] bzw. ISO-Norm 11664 Teil 2 [12] hat die CIE die Normlichtarten A, D65 und D50 auf Basis schwarzer Strahler festgelegt. Die genauen Strahlungsverteilungen sind dort tabellarisch aufgelistet und sind in Abbildung I.16

dargestellt. Normlichtarten sind übrigens für den Bereich von 300 bis 780 nm festgelegt, also breiter als der Empfindlichkeits-bereich des menschlichen Auges. Dadurch können u.a. auch Effekte im UV-Bereich, die in den sicht-baren Bereich hineinwirken (Flu-oreszenz, optische Aufhellung), normiert untersucht werden. Die Normlichtart A stellt dabei eine Glühlampe mit 2856 K als Tem-peratur der Glühwendel dar. Die Normlichtart D65 beschreibt das mittlere Tageslicht auf der Erde. Die Sonne hat ca. 5800°K Ober-flächentemperatur, Einflüsse der

Abbildung I.15: Strahlungsverteilungen von schwarzen Strahlern (Planckschen Strahlern) bei vier verschiedenen Farbtemperaturen Quelle: Clariant Produkte (Deutschland) GmbH


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Dr. Thomas Kantimm, Color Science & Technology, … · lichen Aspekte der Farbmetrik. Angefangen mit den Grundlagen der Farbmetrik werden die erforderlichen Techniken für die messtechnische