Best in Class Daylight for Color Critical Appraisals
byko-spectra pro - 7 illuminants
Product InfoEs werde Licht!
Technischer Ratgeber zur visuellen Farbbeurteilung
Inhalt
- Farbharmonie bei verschiedenen Lichtverhältnissen
- Standardisierung der visuellen Farbbewertung
- Begriffserklärungen zur Charakterisierung von Licht
- Qualitätsmaßnahmen zur Simulation von CIE Lichtarten durch künstliche Lichtquellen
- Hervorragendes Tageslicht mit byko-spectra pro pro
Farbharmonie unter verschiedenen Beleuchtungsbedingungen
Unifarbe wird unmittelbar mit hoher Qualität in Verbindung gebracht und hat einen wesentlichen Einfluss auf unsere Kaufentscheidung. Dies gilt insbesondere für Mehrkomponentenprodukte, die aus verschiedenen Materialien bestehen und von unterschiedlichen Lieferanten hergestellt werden. Das menschliche Auge ist oft die letzte Beurteilungsinstanz für die Freigabe eines neuen Designs. Daher ist es notwendig die visuellen Abmusterungsbedingungen zu standardisieren, um wiederholbare visuelle Ergebnisse zu gewährleisten. Die wichtigste Farbübereinstimmung ist bei natürlichem Tageslicht. Die CIE definierte zahlreiche standardisierte D-Lichtarten, wobei die Lichtart D65 eine der bedeutendsten ist. Die in einer Lichtkabine verwendeten Lampen müssen die Lichtart D65 so genau wie möglich simulieren. Bisher wurden Fluoreszenzröhren zur Simulation von D65 verwendet. Eine neue, einzigartige Beleuchtungsanordnung ist nun in der Lage beste Qualität (Klasse A) zu erreichen, indem CIE D65 mit einer intelligenten Kombination aus gefilterten Halogenlampen und LEDs simuliert wird.
Standardisierung der visuellen Farbbewertung
Die Farbwahrnehmung hängt von der persönlichen Erfahrung, sowie der Beleuchtung und den Umgebungsbedingungen ab. Aufgrund der äußerst variablen und keineswegs einheitlichen externen Bedingungen ist es notwendig die gängigen Beleuchtungssituationen zu standardisieren. Darüber hinaus sollte die Beleuchtung veränderbar sein, um die so genannte "Metamerie", das heißt die Unterschiede in der Farbanpassung bei veränderten Lichtverhältnissen, zu erkennen und zu vermeiden. Um bequeme Test- und Bewertungsbedingungen zu gewährleisten, legen internationale Normen Prüfverfahren fest, die folgende Komponenten definieren: [1][2][6][7][10][12][13]
Beobachter
Der Beobachter benötigt eine normale Farbwahrnehmung und sollte für die Bewertung von Farben geschult sein. Zur Vermeidung von Augenmüdigkeit muss die Bestimmung der Farbe innerhalb von Sekunden erfolgen. Zusätzlich sind kleine Pausen zwischen den Auswertungen einzuhalten. Die Farbwidergabe ist von Mensch zu Mensch verschieden, daher sollte für die Kommunikation und Dokumentation der Farbe folgende Reihenfolge verwendet werden: Farbton -> Sättigung -> Helligkeit.
Objekt
Die Proben sollten flach und einheitlich in Farbe, Glanz und Oberflächenstruktur sein. Standard und Probe sind ohne Abstand direkt nebeneinander zu positionieren und sollten von Zeit zu Zeit getauscht werden. Die bevorzugte Probengröße liegt bei etwa 10 cm bis 15 cm. Der Betrachtungsabstand zwischen Augen und Probe sollte 50 cm betragen. Dieser Abstand entspricht dem 10°-Standardbeobachter.
Umgebung
Von besonderer Bedeutung für die Farbbeurteilung sind sowohl das Sichtfeld unmittelbar neben dem Produkt als auch das umgebende Sichtfeld, wenn der Betrachter wegblickt, um seine Augen ruhen lassen zu können. Der Innenraum der Lichtkabine ist in mattgrauer Farbe, ebenso wie der Prüfer eine neutrale farbige Kleidung tragen sollte, um störende Farbreflexionen zu vermeiden.
Beleuchtung
Die Beleuchtungsstärke an der Stelle der Farbtonbestimmung muss je nach der jeweiligen internationalen Norm zwischen 1000 lx und 5000 lx liegen. In der Regel wird eine Streuscheibe verwendet, um direkte Reflexionen zu vermeiden und eine gleichmäßige Lichtverteilung über das gesamte Prüffeld sicherzustellen.
Begriffserklärungen zur Charakterisierung von Licht
Licht ist elektromagnetische Strahlung in einem bestimmten Teil des elektromagnetischen Spektrums. Normalerweise ist mit dem Wort „Licht“ der Bereich des Lichts gemeint, der für das menschliche Auge sichtbar ist, nämlich in einem Wellenlängenbereich von 400nm bis 700nm. Zur Charakterisierung des von einer Lichtquelle emittierten Lichts werden folgende Begriffe verwendet: Farbtemperatur (CT) und korrelierte Farbtemperatur (CCT), Farbwiedergabeindex (CRI Ra), sowie spektrale Leistungsverteilung (SPD) und Metamerie Index (MIVIS).
Farbtemperatur (CT) und korrelierte Farbtemperatur (CCT)
Das Konzept der Farbtemperatur basiert auf der Tatsache, dass sich die Farbe eines Objektes beim Erwärmen, aufgrund einer Veränderung der emittierten Strahlung, verändert bzw. wechselt. Gemäß ISO/CIE 10526:1991 (E) ist eine Farbtemperatur TC definiert als "Die Temperatur eines Planckschen Strahlers, dessen Strahlungsquelle die gleichen Farbkoordinaten wie die eines bestimmten Reizes aufweist".
Vereinfacht ausgedrückt, ist die Farbtemperatur die Temperatur, welche die Farbeigenschaften des sichtbaren Lichts beschreibt, bezogen auf die Temperatur eines Planckschen Schwarzkörpers. In Abbildung 1 ist der CIE x,y Farbraum dargestellt. Die schwarze Linie in der Grafik zeigt Farbkoordinaten von Schwarzkörper-Lichtquellen verschiedener Temperaturen. [8] [11] [12] [13]
Abbildung 2: Planck‘scher Kurvenzug innerhalb des CIE x,y Farbraums
Die Farbtemperatur wird üblicherweise in Kelvin (K) angegeben. Kelvin ist ein Maß für die absolute Temperatur (0° = -273K). Farbtemperaturen über 5000K sind als kühle Farben definiert, wie beispielsweise Farben von bläulichem Weiß, wobei niedrigere Farbtemperaturen (2700K – 3000K) als warme Farben bezeichnet werden, worunter Gelb- und Rottöne fallen. Die meisten natürlichen Lichtquellen, wie Sonne und Sterne, liegen sehr nahe am Planck’schen Kurvenzug. Für die Beschreibung von Quellen, die Licht emittieren, welches nicht genau dem Schwarzkörperstrahler entspricht, wird der Begriff der Korrelierten Farbtemperatur verwendet. Gemäß ISO/CIE 10526: 1991 (E) ist eine korrelierte Farbtemperatur Tcp definiert als „Die Temperatur eines Planck‘schen Strahlers, dessen wahrgenommene Farbe der eines gegebenen Reizes bei gleicher Helligkeit und unter bestimmten Betrachtungsbedingungen am nächsten kommt.“ [1] [2][8] [13] [12]
Spektrale Energieverteilung
Farbe und Farbtemperatur sind keine eindeutigen Parameter zur Beschreibung einer Lichtquelle. Zwei Lichtquellen mit den gleichen Farbwerten x,y und Farbtemperaturen können trotzdem unterschiedliche spektrale Eigenschaften aufweisen und somit einen anderen Farbeindruck erzeugen. Die präziseste Art und Weise eine Lichtquelle oder eine Lichtart zu bestimmen, ist daher über ihre spezifische spektrale Energieverteilungskurve (kurz: SPD Kurve, spectral power distribution curve). [1][2][8][6][10][12][13]
Die Kurve zeigt den von der Lichtquelle emittierten Strahlungsfluss bei verschiedenen Wellenlängen über das sichtbare Spektrum (Energiemenge [E(λ)]). Die mathematische Formulierung für die spektrale Energie lautet:
Formel 1:
Berechnung der Spektralenergie
Mit
E (λ) als spektrale Leistung/ Energie,
Φ als Strahlungsfluss,
A als die Fläche, über die der Strahlungsfluss integriert wird,
λ als die Wellenlänge.
Häufig wird die relative Spektralenergie durch das Verhältnis der Spektralenergie bei einer gegebenen Wellenlänge [E(λ)] zur Spektralenergie einer Referenz-Wellenlänge [E(λ0] ausgedrückt.
Formel 2:
Berechnung der relative Spektralenergie
Die SPD-Kurve wird deshalb bei einer Wellenlänge von 560 nm normiert (siehe Formel 3), sodass die Berechnung unabhängig von der absoluten Beleuchtungsstärke ist.
Formel 3:
Mathematische Normierung einer
spektralen Energieverteilungskurve
3.3 Farbwiedergabeindex− CRI
Der Farbwiedergabeindex ist ein quantitatives Maß für eine Lichtquelle und beschreibt die Fähigkeit Farben von Objekten im Vergleich zu einer idealen oder natürlichen Lichtquelle wiederzugeben. Der Begriff CRI, Color Rendering Index, wird häufig auf handelsüblichen Beleuchtungsprodukten verwendet. Richtig definiert sollte es Ra – allgemeiner Farbwiedergabeindex – oder Ri – spezieller Farbwiedergabeindex – heißen, entsprechend der zu bewertenden Testfarbproben.
Der CRI wird berechnet, indem die Farbwiedergabe der Testlichtquelle mit der einer definierten Lichtquelle verglichen wird. Für Testlichtquellen unter 5000 K wird ein Schwarzkörperstrahler als definierte Vergleichsquelle eingesetzt. Tageslicht (D-Leuchtmittel) dient zum Vergleich für Testlichtquellen über 5000 K. Die Berechnung von Ri und Ra ist im technischen Bericht der CIE 13.3-1995 ausführlich erläutert. [4] Die Prüfmethode verwendet einen Satz von acht Ra oder 14 Ri CIE-1974 Farbproben aus einer frühen Auflage des Munsell-Farbsystems. Die ersten acht Proben sind mäßig gesättigt, umfassen den Farbtonkreis und weisen eine annähernd gleiche Helligkeit auf. Die restlichen sechs Proben liefern zusätzliche Informationen über die Farbwiedergabeeigenschaften der Lichtquelle.
3.4 Metamerie Index
Die CIE-Veröffentlichung 51.2 beschreibt eine Methode zur Bewertung der Qualität von Tageslichtquellen. Für den sichtbaren Bereich werden fünf theoretische Proben-Paaren verwendet, wobei jedes Paar aus einer Standard- und einer Metamer-Probe mit MIVIS = 0 für die Standartlichtart D65 besteht. Je höher die Abweichung zwischen dem MIVIS der Standartlichtart und dem MIVIS der tageslichtähnlichen Lichtquelle, desto geringer ist die Qualität der Lichtquelle. [5][13][12]
In Anlehnung an MIVIS für den sichtbaren Bereich legte die CIE auch MIUV für den Fluoreszenzbereich fest, welcher aus drei theoretischen metameren Proben-Paaren besteht. Die Formeln für MIVIS und MIUV lauten wie folgt:
Formel 4:
Berechnung der Metamerie Indizes MIVIS und MIUV
Dabei sind ΔEi und ΔEj L*a*b* (L*u*v*) Farbunterschiede zwischen dem i-ten und j-ten Paar von Metameren.
Die Klassifizierung von MIVIS und MIUV erfolgt gemäß folgender Tabelle.
| Kategorie | CIELAB | CIEUV |
|---|---|---|
| A | < 0,25 | < 0,32 |
| B | 0,25 to 0,5 | 0,32 to 0,65 |
| C | 0,5 to 1,0 | 0,65 to 1,3 |
| D | 1,0 to 2,0 | 1,3 to 2,6 |
| E | > 2,0 | > 2,6 |
Die Herausforderung besteht darin, einen D65-Simulator zu entwickeln, der der Lichtart CIE D65 so nahe wie möglich kommt, da es gegenwärtig keine D65 Lichtquellen gibt. Die Qualität eines Simulators wird mit dem Metamerie-Index MIVIS entsprechend der Qualitätsklassen A bis E objektiv bewertet, wobei die Kategorie A für die genaueste Simulation steht.
4 Qualitätsmaßnahmen zur Simulation von CIE Lichtarten durch künstliche Lichtquellen
4.1 Definition der Begriffe Lichtquelle und Lichtart
Bei der Betrachtung von Lichtquellen und Lichtarten ist es wichtig den Unterschied zwischen diesen beiden Begriffen zu verstehen. Nach Billmeyer und Saltzmann ist eine Lichtquelle definiert als „physisch realisierbares Licht, dessen spektrale Energieverteilung experimentell ermittelt werden kann“. Eine Lichtart hingegen ist beschrieben als „Licht, das durch eine relative spektrale Energieverteilung bestimmt ist, welche als Quelle physikalisch umgesetzt werden kann oder auch nicht.“
4.2 Standard illuminants
Die CIE (Commission Internationale de l’Éclairage) legte eine Reihe von SPD Kurven fest, um Referenz-Spektren für farbmetrische Anwendungen bereitzustellen, sogenannte CIE Normlichtarten.
4.2.1 CIE Normlichtart A
Die Normlichtart A wurde 1931 vom CIE eingeführt und entspricht einer konventionellen Wolfram Glühlampe. Die relative Spektralenergie (SPD) gleicht der eines Planck‘schen Strahlers bei einer Temperatur von ca. 2856 K. Um die Normlichtart A in einer Lichtkabine zu simulieren, werden konventionelle Glühbirnen oder heutzutage auch Quarzhalogenlampen (CT ≈ 3000 K) verwendet.
Abbildung 2:
CIE Normlichtart A und ihre Simulation mit Halogenglühlampen in der byko-spectra pro
4.2.2 CIE Normlichtart F-Serie
CIE definierte zwölf Arten von Leuchtstoffröhren, F1 bis F12, welche in drei Gruppen unterteilt sind. Die Unterschiede bestehen in der Bandbreite und dem Wellenlängenmaximum ihrer Emissionsspitzen. Dadurch werden unterschiedliche Farbwiedergabeindizes und Farbtemperaturen erreicht.
| Gruppen | Lichtarten | Farbtemperatur Tc | CRI Ra |
|---|---|---|---|
| Normgruppe | F1 – F6 | 2500 – 7000 K | 60 - 80 |
| Breitbandgruppe | F7 – F9 | 2500 – 7000 K | ≈ 80 |
| Drei Schmalband Gruppe | F10 – F12 | 2500 – 7000 K | 80 - 95 |
Von diesen zwölf Arten werden F2 und F11 in der Industrie am häufigsten eingesetzt. F2-Lichtarten, auch „CWF“ (cool white fluorescent) genannt, haben eine CT von ca. 4000 K und einen CRI Ra ≈ 60. F11-Lichtarten, bekannt unter dem Namen TL84, haben eine CT von ungefähr 4000 K und einen CRI Ra > 85. Zur Simulation der Normlichtarten der F-Serie in einer Lichtkabine werden handelsübliche Leuchtstoffröhren verwendet. [11] [16] [17]
Abbildung 3:
CIE Lichtarten F2 und F11 und ihre Simulation mit Leuchtstoffröhren in der byko-spectra pro
4.2.3 CIE Normlichtart D65
Im Jahr 1964 definierte die CIE eine Reihe von Tageslichtarten durch zahlreiche Messungen von realem Tageslicht (siehe Tabelle 3). Aus 622 Messungen wurden die theoretischen SPD Kurven des Tageslichts in einem Wellenlängenbereich von 330 nm bis 700 nm ermittelt. Die CIE Normlichtart D65 ist der wohl wichtigste Industriestandard für Tageslicht bei 6508 K, welches einem durchschnittlichen Tageslicht zur Mittagszeit in West und Nord Europa entspricht. Dabei umfasst es sowohl direktes Sonnenlicht als auch das von einem klaren Himmel gestreutes Licht mit UV-Anteil.
| Lichtart | Farbtemperatur [K] | Allgemeine Bezeichnung |
|---|---|---|
| D50 | 5003 | Warmes Tageslicht bei Sonnenaufgang und -untergang |
| D55 | 5504 | Tageslicht am Vormittag oder Nachmittag |
| D65 | 6504 | Tageslicht zur Mittagszeit |
| D75 | 7500 | Bewölktes Tageslicht |
Um Tageslicht zu simulieren, können verschiedene Arten von Lampen in kommerziell verfügbaren Lichtkabinen /Leuchtkästen zur visuellen Abmusterung verwendet werden. Ein Probenpaar kann sehr unterschiedlich aussehen, abhängig davon wie gut eine künstliche Lichtquelle eine CIE Normlichtart nachbildet. Im folgenden Beispiel wird ein Probenpaar in Lichtkabine 1 mit Neonröhren (mit einer CT von ca. 6500K und einem CRI Ra von ca. 96) beurteilt. Die Tageslicht Simulation simuliert CIE Normlichtart D65 in etwa mit einem CIE MIVIS Güteklasse B (siehe Abbildung 4). Der visuelle Unterschied ist unter diesen Abmusterungsbedingungen signifikant.
Abbildung 4:
Tageslichtsimulation mit Leuchtstoffröhre
Als nächstes wird das Probenpaar in Lichtkabine 2, der byko-spectra pro, beurteilt. Dabei werden Halogenlampen mit einem speziell entwickelten Blaufilter und einer LED-Zeile kombiniert. Diese Kombination simuliert die CIE Normlichtart D65 hervorragend (CIE MIVIS Güteklasse A) ohne jegliche Spitzenausschläge (siehe blaue Kurve in Abbildung 5). Unter diesen Beobachtungsbedingungen ist ein nur kleiner Unterschied beim Probenpaar wahrnehmbar, was der Betrachtung unter natürlichem Tageslicht draußen entspricht. Abbildung
Abbildung 5:
Tageslichtsimulation im Zusammenspiel mit gefilterten Halogenlampen mit und ohne LEDs
5 Hervorragendes Tageslicht mit byko sprectra pro
BYK-Gardner’s neue Lichtkabine byko-spectra pro bewältigt die Herausforderung natürliches Tageslicht im Labor zu erzeugen. Durch die intelligente Kombination aus gefilterten Halogenlampen mit einer LED-Zeile ist eine hervorragende, nach CIE geprüfte Tageslichtsimulation garantiert.
Die eingebauten Sensoren in der Lichtkabine kontrollieren zudem ständig die Lampenleistung und passen die Spannung automatisch an, womit die Stabilität des Beleuchtungssystems gewährleistet ist. Zur Kontrolle des Lampenzustandes und Signalisierung eines Lampenaustausches werden die tatsächliche Farbtemperatur, die Lichtintensität und die Lampenbetriebszeit auf dem Display der Lichtkabine angezeigt. Die Lebensdauer von Tageslicht der Kategorie A ist auf 600 Stunden verlängert worden, um die Wartungsintervalle zu reduzieren.
Je nach Produktanwendung muss Farbe unter unterschiedlichen Lichtarten beurteilt werden. Die für Metamerie ausgelegte Lichtkabine byko-spectra pro bietet zwei Arten von Tageslicht der Klasse A (D65 und D75), eine Glühlampenbeleuchtung (A), drei Leuchtstoff Lichtarten (CWF, TL84, U30) und UV-Licht zur Farbdifferenz-Beurteilung an.
Da gestreutes Licht bei der Bewertung von Unifarben von zentraler Bedeutung ist, wird das Licht mittels Streuscheiben verteilt, um eine gleichmäßige Beleuchtung über das gesamte Prüffeld zu gewährleisten. In Übereinstimmung mit internationalen Normen bestehen die Innenwände zum Schutz vor externen Einflüssen aus einem matten, hellen Grau.
Neben der technischen Leistungsfähigkeit einer Lichtkabine spielt auch eine effiziente und komfortable Bedienung für den Anwender eine wichtige Rolle. Das große Farbdisplay ermöglicht nicht nur das Ändern von Lichtarten, sondern auch eine einfache Menübedienung. Die im Lieferumfang enthaltene Fernbedienung erlaubt das Bedienen der Lampen aus einer Entfernung von bis zu zehn Meter. Ein sogenannter Sequenzmodus durchläuft automatisch eine vordefinierte Reihenfolge der Lichtarten um eine volle Konzentration auf die Abmusterung zu ermöglichen.
Abbildung 6:
byko-spectra pro Lichtkabine
Die byko-spectra pro ist als Lichtkabine und als Leuchtkasten erhältlich. Die Leuchtkästen können entweder als Set oder als Verbund mehrerer Einzelkomponenten an der Decke angebracht werden. Dadurch ist es möglich einen kompletten Raum auszustatten um die Farbharmonie von Systemkomponenten oder Endprodukten, wie ganzen Fahrzeugen, zu bewerten. Sowohl Lichtkabinen als auch Leuchtkästen der byko-spectra pro Familie erfüllen die die Beleuchtungsanforderungen der Güteklasse A und sorgen so für die notwendige Genauigkeit bei der visuellen Farbbeurteilung.
Abbildung 7:
byko-spectra pro Leuchtkasten
Weitere Informationen erhalten Sie bei: BYK-Gardner GmbH . PF 970 . 82534 Geretsried . Deutschland . Fax +49 8171 3493-140 . T kostenlos 0 800 gardner (0800 4273637) . www.byk.com/instruments
Author
Tinka Zavcer
BYK-Gardner GmbH, June 2019
Normen
- DIN EN ISO 3668:2001-12: Paints and varnishes – Visual comparison of the colour of paints
- ASTM D 1729: 1982: Standard Practice for Visual Appraisal of Colors and Color Differences of Diffusely-Illuminated Opaque Materials
- ISO/CIE 10526:1991: CIE Standard Colorimetric Illuminants
- CIE 13.3 – 1995: Method of Measuring and Specifying Colour Rendering Properties of Light sources
- CIE 51.2 – 1999: A Method for Assessing The Quality of Daylight Simulators for Colorimetry
- CIE 15:2004, 3rd edition: Colorimetry
- CIE DS 014-1.2/E:2004: Colorimetry – Part 1: CIE Standard Colorimetric Observers
- CIE DS 014-2.2/E:2004: Colorimetry – Part 2: CIE Standard Illuminants
- CIE S 014-3/E:2011: Colorimetry – Part 3: CIE Tristimulus Values
- DIN 6173 – 2: 1983-12: Colour matching: lighting conditions for average artificial light
- CIE 192:2010: Practical daylight sources for colorimetry
- SAE J361TM – 04/2017: Surface Vehicle Recommended Practice: Procedure of Visual Evaluation of Interior and Exterior Automotive Trim, Chapter 4.1.3
Literatur
- Yuk Ming Lam, John H Xin, Kwan Moon Sin: Study of the influence of various D65 simulators on colour matching, Color. Technol., 117, 2001
- Roy S. Burns: “Billmeyer and Saltzman’s Principles of Color Technology”, Third Edition, 2000 by John Wiley and Son’s, Inc.
- Wyszecki & Stiles: “Color Science – Concepts and Methods, Quantitative Data and Formulae”, Second Edition, 1982 by John Wiley and Sons, Inc.
- Wout van Bommel, Abdo Rouhana: “Lighting Hardware”, Philips, released September 2011
- Wout van Bommel, Abdo Rouhana: “The science of lighting – A guide about the nature and behavior of light”, Published by Philips Lighting University, 2016
Other ALTANA divisions
A member of
