Farbmessung

Kolorimetrie ist immer eine spektrale Messung

Im Spektrum elektromagnetischer Wellen kann das menschliche Auge sichtbare Lichtenergie im Wellenlängenbereich von ca. 380 nm bis 780 nm verarbeiten. Neben der Wahrnehmung von Hell und Dunkel (Leuchtkraft) gibt es im Auge sensorische Zellen für drei Farbreize: blau, grün und rot. Der numerische Farbreiz wird mit standardisierten Verfahren durch Werte bestimmt, die den sichtbaren Wellenlängen zugeordnet sind. Diese Werte simulieren, welcher Reiz in einem definierten „menschlichen Standardauge“ unter ebenso standardisierten Bedingungen erzeugt würde. Durch Verknüpfung dieser drei Stimuli mit den optischen Eigenschaften der Probenoberfläche entsteht im menschlichen Wahrnehmungsapparat der Farbeindruck. Die objektive Messung von Farben (Farbmetrik, Kolorimetrie) dient zur Beschreibung der Farbwirkung (Chromatizität) von Proben mittels objektiver Zahlen, also unabhängig von dem subjektiven Farbeindruck eines Beobachters.

Entstehung von Farben

Entstehung des Farbeindrucks

Der Farbeindruck, den ein Beobachter von einer Probe erhält, hängt vom Zusammenwirken dreier Faktoren ab.

1. Lichtquelle

Verschiedene Lichtquellen (z. B. Tageslicht, Glühlampe) besitzen in ihrem Lichtspektrum unterschiedliche Energieverteilungen (Farbe und Intensität) und erzeugen so eine unterschiedliche Beleuchtung der Probe.

2. Probe

Die Zusammensetzung der Probe bestimmt, welche Anteile des von der Lichtquelle einfallenden Lichts absorbiert, transmittiert oder reflektiert werden. Auf diese Weise verändert die Probe die spektrale Zusammensetzung des reflektierten bzw. transmittierten Lichtes, das schließlich zum Auge des Beobachters gelangt.

3. Beobachter

Weil von Mensch zu Mensch die Empfindlichkeit der drei Lichtrezeptortypen in der Netzhaut variiert, haben auch normalsichtige Beobachter einen individuell geringfügig unterschiedlichen Farbeindruck. Um ein objektives Maß der spektralen Veränderung durch die Probe (d. h. die „Farbwirkung“ der Probe) zu erhalten, müssen die Einflüsse von Lichtquelle und individuellem Beobachter bestimmt werden.

Zu diesem Zweck wurden international einige typische „Normlichtarten“ und zwei „Normbeobachter“ definiert. Entsprechend sollten alle berechneten Farbwerte als Referenz auf diese Faktoren und basierend auf deren standardisierter Ableitung berechnet werden. Aus diesem Grund müssen für objektive Farbwerte immer die zu ihrer Berechnung herangezogene Normlichtart und der Normbeobachter mit angegeben werden. Dies geschieht in der Regel über eine entsprechende Einstellung in der Gerätesoftware.
Tristimuluswert
Die Tristimuluswerte x, y und z

Das Auge besitzt drei Arten von Farbrezeptoren (Zäpfchen) in der Netzhaut. Sie unterscheiden sich in ihrer spektralen Empfindlichkeit. Während eine Art von Zäpfchen auf Rot-Orange (x) besonders empfindlich reagiert, gilt dies beim zweiten Zäpfchentyp für Grün (y) und beim dritten für Blau (z).

Darauf aufbauend wurde ein standardisiertes menschliches „Normalauge“ mit definierten spektralen Empfindlichkeiten (Normspektralwert-Funktionen) dreier Rezeptoren für einen definierten Beobachtungswinkel festgeschrieben. Im Jahr 1931 erfolgte diese Definition für den CIE 2°-Normbeobachter und 1964 für den heute meist verwendeten 10°-Normbeobachter. Diese allgemein anerkannte Definition der Farbreize bildet die Grundlage der meisten anderen Farbkoordinatensysteme. Durch geeignete Transformationen ergeben sich aus den Tristimuluswerten abgeleitete Farbkoordinaten (z. B. CIE Lab, Hunter Lab, CIE LCh). Sie können die vom Menschen wahrgenommenen Farben und Farbunterschiede besser darstellen, als es mit xyz-Koordinaten möglich wäre.
Unter standardisierter Beleuchtung
Stimuliert eine größere, nicht glänzende, gleichförmig gefärbte Oberfläche in einer neutralen Umgebung
Beobachtet in einem Raumwinkel von 2°
In 3 Rezeptoren mit normierter spektraler Empfindlichkeit
Die Tristimuluswerte x, y und z
Beobachter

Normbeobachter

Damit die Art der menschlichen Wahrnehmung kontrolliert in ein Messergebnis einfließen kann, war es notwendig, einen Standard für das menschliche Sehen zu definieren. Dieses normierte Sehen wurde in den sogenannten CIE-Normalbeobachtern definiert.
Der Normalbeobachter zeichnet sich erstens dadurch aus, dass er Farben ohne jegliche Störungen wahrnimmt. Außerdem hat die CIE berücksichtigt, dass der Mensch Farben besonders exakt wahrnimmt, wenn das Licht im Auge auf den Bereich der Fovea centralis (Sehgrube) auftrifft.

Da dieser Bereich bei einem genormten Betrachtungsabstand von einer Farbprobe um ca. 2° von der optischen Achse des Auges abweicht, wurde festgelegt, dass der Betrachtungswinkel des Normbeobachters genau diese 2° betragen soll. Daraus ergab sich bereits 1931 die Definition des sogenannten CIE 1931 2°-Normbeobachters.

Weiter entfernte Objekte sieht das Auge jedoch unter einem anderen Betrachtungswinkel. Um diesen Umständen ebenfalls gerecht zu werden, definierte man 1964 einen weiteren Norm-Betrachtungswinkel, den CIE 1964 10°-Normbeobachter.
Lichtquelle
Normlichtart

Weil die Farbe von Objekten unter dem Licht unterschiedlicher Lichtquellen verschieden aussieht, muss die Art der Lichtquelle immer angegeben werden. Um die Beleuchtungsbedingungen bei der Farbbestimmung eindeutig zu definieren, muss die spektrale Zusammensetzung der Lichtquelle bekannt sein.
Bei absoluten spektralen Messungen muss die reale Lichtquelle eine der definierten Normlichtarten physikalisch nachbilden. Bei den häufigeren relativen spektralen Messungen (in Relation zu einem Weißstandard) muss eine der Normlichtquellen als definierte spektrale Energieverteilungskurve in die Farbberechnung einbezogen werden. Die errechneten Farbkoordinaten geben dann die Farbreize an, die bei der eingestellten Beleuchtung von der Probe erzeugt werden würden.

1931 wurden von der CIE die ersten typischen Lichtquellen normativ definiert, u. a. die Normlichtarten A und C. Im Jahr 1964 kamen die bis heute gebräuchlichsten Normlichtarten für Tageslicht bei verschiedenen Farbtemperaturen hinzu: D55, D65, D75 usw.

Normlichtart A = normiertes Glühlampenlicht (2.856 K)
Normlichtart C = mittleres Tageslicht, ohne UV-Anteil (6.750 K)
Normlichtart C = mittleres Tageslicht, mit UV-Anteil (6.500 K)
Die Normlichtarten D65 und D75 werden sehr häufig verwendet. Sie entsprechen der spektralen Zusammensetzung des mittleren Tageslichtes (Farbtemperatur 6.500 K) bzw. der eines sonnigen Tages bei blauem Himmel (7.500 K) und berücksichtigen den entsprechenden UV-Anteil dieses Lichts.

Heute verwendet man meist die Normlichtart D65 in Kombination mit dem CIE 1964 10°-Normbeobachter. In der entsprechenden Software entspricht dies oft der Standardeinstellung für Farbberechnungen aus spektralen Daten.

Bei Farbberechnungen aus einer spektralen Messung muss der zugrunde liegende Normbeobachter immer mit angegeben werden. Üblicherweise geschieht dies über eine Softwareeinstellung.
Geometrie

Normgeometrien

Bei der Messung und Beurteilung von Farbproben spielt die Messgeometrie eine sehr wichtige Rolle. Infolge der Struktur- und Oberflächenbeschaffenheit der Proben wird die auffallende Strahlung in verschiedenen Richtungen spektral unterschiedlich reflektiert oder transmittiert. Einfalls- und Öffnungswinkel des beleuchtenden Strahlenbündels sowie Richtung und Öffnungswinkel der vom Detektor erfassten Strahlung beeinflussen daher auch das Ergebnis der Farbmessung.

Die CIE empfiehlt für die Farbmessung vier Messgeometrien, darunter die 0°/45°- und die 45°/0°-Geometrie.

0°/45°-Messgeometrie:
Beleuchtung der Probe unter 0°, Messung unter 45°

45°/0°-Messgeometrie:
Beleuchtung der Probe unter 45°, Messung unter 0°

Bei der 45°/0°-Geometrie wird die spiegelnd reflektierte Komponente bewusst ausgeschaltet, um eine Verfälschung des Messergebnisses durch Glanzlicht zu vermeiden. Oberflächen mit einer bevorzugten Strukturausrichtung können jedoch bei verschiedener Lage relativ zum einfallenden Licht unterschiedliche Ergebnisse liefern. In solchen Fällen muss eine Geometrie mit diffuser Beleuchtung oder Beobachtung gewählt werden.

Die CIE empfiehlt für die Kolorimetrie vier Messgeometrien, darunter die 0°/d- und die d/0°-Geometrie.
In diesem Zusammenhang steht das d für die Beobachtung des von der Probe diffus gestreuten Lichts über die Wand einer Ulbricht-Kugel bzw. die diffuse Beleuchtung der Probe durch eine Ulbricht-Kugel.

0°/d-Messgeometrie:
Beleuchtung der Probe unter 0°, Messung an der Kugel

d/0°-Messgeometrie:
diffuse Beleuchtung der Probe, Messung unter 0°

Gemäß CIE-Definition darf bei senkrechter Beleuchtung oder Beobachtung der Probe die Achse des Strahlenbündels maximal 10° gegen die Flächennormale geneigt sein.

Dies ermöglicht die d/8°-Messgeometrie. Sie bietet besondere Vorteile bei der Messung glänzender oder strukturierter Proben. Die Beobachtung der diffus beleuchteten Probe unter einem Winkel von 8° ermöglicht, den Einfluss der spiegelnd reflektierten Komponente glänzender Proben durch Einsetzen einer Strahlenfalle in die Ulbricht-Kugel auszuschalten.

d/8°-Messgeometrie:
diffuse Beleuchtung der Probe, Messung unter 8°
Farbraum

CIE Lab-Farbraum

Neben dem CIE-Farbdreieck wird in der Praxis meistens das von Judd und Hunter entwickelte und 1976 normierte, nahezu empfindungsgemäße L*a*b*-System angewendet. In diesem System gibt der L*-Wert die Lage auf der Hell-Dunkel-Achse an, der a*-Wert die Lage auf der Rot/Grün-Achse und der b*-Wert die Lage auf der Blau/Gelb-Achse). Die L*-, a*- und b*-Koordinaten stehen in direkter Korrelation mit den Tristimuluswerten x, y und z.

CIE-Farbdreieck

Die drei Tristimuluswerte x, y und z bilden ein Farbkoordinatensystem. Um die einzelnen Farben anschaulich darstellen zu können, werden die normierten roten und grünen Farbanteile x und y in ein ebenes Koordinatensystem projiziert (wegen seiner Form oft „Schuhsohle“ genannt).

Diese xy-Darstellung ist unabhängig von der Helligkeit der Färbung und stellt alle in diesem System produzierbaren Objektfarben dar. Darüber hinaus lassen sich hier auch die Wellenlängen der Farben ablesen, die einen monochromatischen Farbreiz auslösen. Im unteren Bereich verläuft die sogenannte Purple Line. Sie bildet die Violetttöne zwischen Rot und Blau ab.

Ein Defizit der xy-Chromatizitätswerte ist jedoch, dass die Farbabstände in diesem Koordinatensystem nicht den physiologischen, vom Beobachter empfundenen Farbunterschieden entsprechen.

Weitere Farbräume

In dem Bemühen, empfindungsgemäße Farbdifferenzen korrekt in messbaren Farbkoordinaten widerzuspiegeln, wurden und werden sowohl die Farbkoordinatensysteme als auch die Algorithmen zur Bestimmung von Farbunterschieden beständig weiterentwickelt. Aktuelle Formeln zur Bestimmung von Farbdifferenzen (z. B. Delta E cmc, Delta E 2000) berücksichtigen neueste Erkenntnisse der Physiologie des Farbsehens.

Die in der Praxis am häufigsten verwendeten Farbkoordinaten sind nach wie vor die des 1976 CIE Lab-Systems. Einige Definitionen in bestimmten ISO- oder ASTM-Normen bedingen jedoch gelegentlich bei der Berechnung bestimmter Parameter die Verwendung anderer Farbsysteme.