Schwarzmessung neu gedacht

Schwarzzahlen zur objektiven Beurteilung der Schwarztiefe

Hierzu wurden bereits vor vielen Jahren spezielle Farbindizes für die Schwarzmessung von Orion, ehemals Degussa, entwickelt [2], die mittlerweile auch in die Normung eingeflossen sind.

So lassen sich die koloristischen Eigenschaften eines schwarzen Lacksystems nach DIN EN ISO 18314-3 durch die farbtonunabhängige Schwarzzahl M_Y (Blackness), den absoluten Farbtonbeitrag dM (Unterton) sowie die farbtonabhängige Schwarzzahl M_C beschreiben.

Die farbtonunabhängige Schwarzzahl M_Y ist ein Maß für die Schwarztiefe (Gleichung 1). Die farbtonabhängige Schwarzzahl M_C (Gleichung 3) berücksichtigt den absoluten Farbtonbeitrag dM (Gleichung 2). Dieser kann als blauer oder brauner Farbstich wahrgenommen werden. Der berechnete Wert des Untertons dM ist für blaustichige Schwarztöne positiv (dM > 0) und für braunstichige negativ (dM < 0). Dabei sind X, Y, Z die CIE-Normfarbwerte der gemessenen Probe und Xn, Yn und Zn die der idealmattweißen Fläche (Xn = 94,811, Yn = 100,000, Zn = 107,304, bei D65/10°-Bedingungen).

Neben der Verwendung spezieller Indizes zur Beschreibung der Koloristik schwarzer Lacke werden auch besondere Anforderungen an die Qualität und Bauart von Spektralphotometern gelegt, die zur Messung schwarzer Farbtöne geeignet sind. So ist lt. DIN 5033-10: 2022-03 ein Messgerät der 45°c:0° Mess-Geometrie zu bevorzugen, da diese Geometrie am besten mit dem visuellen Eindruck korreliert. Auch kommt der Kalibration des Gerätes eine besondere Rolle zu, da die resultierende Reflexion bei schwarzen Proben nur sehr gering ist.

Wie am Beispiel in Tabelle 1 zu erkennen ist, haben kleine Schwankungen des Y-Normfarbwertes für wenig farbtiefe Proben nur geringe Auswirkungen auf den resultierenden M_Y Wert. Dies ändert sich jedoch bei farbtiefen Proben, da dort der Unterschied auf Grund der logarithmischen Abhängigkeit der Schwarzzahl M_Y vom Y-Normfarbwert, wesentlich größer ist (vergl. Abbildung 1). Daraus resultiert für die Messung des Y-Normfarbwerts eine sehr hohe Anforderung an die Wiederholbarkeit der Messung von ≤ ± 0,0005. Für die Vergleichbarkeit mehrerer Messgeräte untereinander ist eine Abweichung des Y-Normfarbwertes von ≤ ± 0,003 erforderlich.

Hierzu wurden als Prüfmittel verschiedene Orion Pigmente in einem lösemittelhaltigen Lacksystem angerieben und anschließend auf 68x68x1mm große Glasplatten lackiert und BYK-Gardner zur Verfügung gestellt. Bei den Glasplatten handelt es sich um spezielles 1 mm dünnes Mikroskopie-Glas ohne Eigenfarbe. So ergaben sich 6 verschiedene Testplatten (Test 1 - Test 6), die den gesamten „Schwarzraum“ abdecken (niedrigere Schwarztiefe/hohe Schwarztiefe sowie bläulich/bräunlicher Unterton). Das Probenmaterial wurde ebenfalls visuell in einer Lichtkabine unter D65 sowie Streiflicht abgemustert.

1. Wiederholbare Farbmessung bei geringster Reflexion

Wie bereits erläutert, liegt die Reflexion bei sehr farbtiefen schwarzen Lacken bei < 0,5%. Die entsprechenden XYZ Normfarbwerte liegen ebenfalls bei < 0,5. Selbst marginales thermisches Rauschen, von elektronischen Bauteilen, kann dieses geringe Signal verfälschen und das Messergebnis entsprechend beeinflussen. Um das sog. "Signal-Rausch-Verhältnis" zu verbessern, werden die leistungsverstärkten Hochleistungs-LEDs mit mehr Energie über eine längeren Beleuchtungszeit eingesetzt. Die daraus resultierende höhere Lichtintensität führt zu einer Verstärkung des Signals und einem exzellenten Signal-Rausch-Verhältnis.

2. Schwarzkalibrierung mit "perfekter" Lichtfalle

In Ermangelung perfekt absorbierenden Oberflächen war es in der Vergangenheit gängige Praxis Schwarzglas als Standard für die Nullkalibrierung zu verwenden. Daraus entstand bei der Messung von hochglänzenden Proben jedoch Streulicht, dass unter 0° im Detektor mitgemessen wurde. Zur Kompensation wurde der Streulichtanteil bestimmt und bei den Folgemessungen abgezogen. Als Resultat ergab sich eine limitierende, untere Grenze für den Messbereich, die dem Streulichtanteil entsprach.

Die Optik der Pro Geräte-Familien wurde optimiert, dass bei der Kalibrierung kein messbares Streulicht mehr auftritt. Die Messung der Lichtfalle und des Schwarzglas Standard ergibt Null. Somit wird bei hochglänzenden, tiefschwarzen Proben nur noch die tatsächliche Reflexion der Lackschicht gemessen. Daraus ergeben sich niedrigere Y- und höhere M_Y-Werte, die sowohl mit der physikalischen Realität als auch dem visuellen Eindruck entsprechen. Diese Weiterentwicklung führt dazu, dass nur eine einmalige Schwarz-Kalibrierung mit Lichtfalle während der Produktion des Messgerätes erfolgen muss. Eine Kalibration auf einer Lichtfalle kundenseitig entfällt.

3. Spezieller Kalibriermodus für Schwarz

Zusätzlich zu der für Farbe üblichen Kalibration auf einem Weißstandard erfolgt eine weitere Kalibration für die Messung von farbtiefem Schwarz auf einem dunkelgrauen Kalibrierstandard. Durch den grauen Kalibrierstandard wird die maximale Helligkeit für die Schwarzmessung definiert und der Messbereich für Schwarz entsprechend aufgespreizt. Dies erfolgt werksseitig in der Produktion sowie durch den Kunden anhand der beigelegten Standards für die Schwarzmessung.

Ziel eines jeden Spektralphotometers sollte es sein, so zu messen wie das menschliche Auge sieht. Vergleicht man die Messergebnisse für die farbtonunabhängige Schwarzzahl M_Y und absoluten Farbtonbeitrag dM aus Abbildung 2 mit der visuellen Abmusterung durch Orion in Tabelle 2, korrelieren die Ergebnisse des color2iew Pro sehr gut mit der visuellen Wahrnehmung. Die gemessene Schwarzzahl nimmt von Test 1 zu Test 6 stetig zu, beginnend mit einem M_Y von 230 bis zu einem maximalen M_Y von rund 375. Probe Test 5 und Test 6 weisen mit einem dM von 16,4 und 12,3 einen eindeutig bläulichen Unterton auf, während die Proben Test 1 bis Test 4 in einem bräunlichen bis neutralen Bereich liegen.

Um die Geräteübereinstimmung zu ermitteln, wurden mit drei color2view Pro die von Orion zur Verfügung gestellten Prüfkörper Test 1 - 6 wiederum durch 50 unmittelbar aufeinander folgenden Einzelmessungen im "Jetness-Modus" geprüft. Die Proben wurden hierzu vor der ersten Messung gereinigt, blieben jedoch beim Wechsel zwischen den Messgeräten unverändert, um Schwankungen durch erneute Reinigung auszuschließen. Die exzellente Übereinstimmung aller drei Geräte hinsichtlich der farbtonunabhängigen Schwarzzahl M_Y und dem absoluten Farbtonbeitrag dM, die in Abbildung 4 dargestellt ist, lässt sich nur durch absolut stabile und vergleichbare Werte für den Y-Normfarbwert erzielen. Die Abweichung lag für alle drei getesteten color2view Pro unter dem geforderten Wert Y ≤ ± 0,003.

Fazit

Die Herausforderung, tiefschwarze Farben objektiv, wiederholbar und zuverlässig zu messen, wurde mit den Pro-Modellen von BYK Instruments gemeistert. Die technische Performance ist hervorragend, selbst bei tiefschwarzen Proben mit einer farbtonunabhängige Schwarzzahl MY von nahe 400. Die Pro-Modelle eröffnen völlig neue Perspektiven zur Kontrolle der Farbharmonie jeder Farbe, selbst bei tiefstem Schwarz, mit einer unübertroffenen Genauigkeit, die für eine zuverlässige Qualitätskontrolle erforderlich ist, sowie einer guten Korrelation zur visuellen Wahrnehmung. Dies ermöglicht die sichere Messung aller heute schon verfügbaren sehr farbtiefen Specialty Carbon Black Pigmente von Orion Engineered Carbons als auch zukünftigen wegweisenden Neuentwicklungen im High-Jetness Bereich.