Glanzmessung

1 Glanz als Qualitätsmerkmal

Glanzeffekte basieren auf der Wechselwirkung zwischen Licht und den physikalischen Eigenschaften eines Objekts. Zusätzlich wird Glanz auch von den physiologischen Eigenschaften des Beobachters beeinflusst. Der erste Eindruck eines Produkts wird stark von seinen Oberflächeneigenschaften beeinflusst. Homogener und gleichbleibender Glanz ist ein dekoratives Qualitätsmerkmal, welches durch viele Produktionsparameter beeinflusst werden kann.

Das menschliche Auge kann ohne Probleme Unterschiede zwischen 1 und 10 Millionen Helligkeitsunterschieden auflösen. [1] Dennoch ist die visuelle Bewertung unzureichend, da 

• meist keine definierten Abmusterungsbedingungen vorliegen,
• das Urteil von der Tagesform des Prüfers abhängt und
• die visuelle Wahrnehmung zwischen verschiedenen Prüfern variiert.

Um zuverlässige und belastbare Qualitätsaussagen zu bekommen, ist es notwendig Glanz mit objektiven und messbaren Kriterien zu erfassen. Glanzmessgeräte werden in der Industrie sein 1930 verwendet. Besondere Glanzeffekte führten zu der Entwicklung neuer Messsysteme mit verbesserter Übereinstimmung zur visuellen Wahrnehmung [2, 3, 4].

2 Visuelle Wahrnehmung von Glanz

Glanz und Farbe sind visuelle Empfindungen, die bei der Betrachtung einer Oberfläche entstehen. Wir bewerten die Fähigkeit der Oberfläche einfallendes Licht gerichtet in Spiegelrichtung zu reflektieren, z.B. Lichtquellen oder Objekte werden reflektiert. Die Glanzwahrnehmung wird beeinflusst von folgenden Parametern (Abb. 1):

2.1 Oberflächeneigenschaften

• Material (z.B. Lackierungen, Kunststoffe, Metalle)
• Oberflächentopografie (z.B. glatt, rau, strukturiert)
• Transparenzgrad
•  Substrat

2.2 Beleuchtung

Um Glanz beurteilen zu können ist eine direkte Beleuchtung nötig. Diffuse Beleuchtungen erzeugen eine diffuse Reflexion was eine reduzierte Glanzwahrnehmung nach sich zieht. 

2.3 Beobachter

Visuelle Bewertung ist abhängig von dem Sehvermögen (Physiologie) und der Stimmungslage (Psychologie) des Beobachters. Wir bewerten Oberflächen, indem wir mit unserem Auge auf die Oberfläche selbst oder auf die Reflexion einer Lichtquelle fokussieren [5]. Beide Möglichkeiten beschreiben den Gesamteindruck des Erscheinungsbildes:

Wird auf das reflektierte Bild einer Lichtquelle fokussiert (Abb. 2), wird die Abbildungsqualität bewertet [6]. Das reflektierte Bild einer Lichtquelle erscheint brillant oder matt (Spekularer Glanz). Die Kanten des reflektierten Bild können klar oder gestört (Bildschärfe) sein, oder es kann ein erhellter Hof um das reflektierte Bild erscheinen (Trübung / Haze).

Fokussiert man auf die Oberfläche nimmt man die Strukturgrößen und Formen wahr (Abb. 3). Sie werden oft als Hell- Dunkel-Muster wahrgenommen und als Welligkeit, Organe Peel oder Verlaufsstörung bezeichnet. 

Abbildung 1 Reflexion an der Oberfläche

Abbildung 2 Fokus auf das reflektierte Bild

Abbildung 3 Fokus auf die Oberfläche

3 Reflexionsverhalten von Oberflächen

Glanz ist eine subjektive Wahrnehmung und keine physikalische Eigenschaft der Oberfläche. Die gerichtete Reflexion, ein Bestandteil des Glanzgesamteindrucks und beeinflusst von Reflexionseigenschaften der Oberfläche, kann messtechnisch und objektiv erfasst werden.

3.1 Hochglänzende, vollkommen ebene Oberfläche

Im Fall von flachen und hochglänzenden Oberflächen ist das Brechungsgesetz anwendbar:

Einfallswinkel der Beleuchtung = Ausfallswinkel der Reflexion (Abb. 4).

Solche Oberflächen werden auch als bildgebend bezeichnet da ungestörte Spiegelbilder beobachtet werden können.

Das einfallende Licht wird an der Oberfläche gerichtet reflektiert, d.h. nur in die Hauptreflexionsrichtung. Die Intensität hängt ab vom Einstrahlwinkel und von den Materialeigenschaften (Brechungsindex).

·        Metalle: hohe Intensität, kaum winkelabhängig

·        Nichtmetalle: geringere Intensität, abhängig vom Einstrahlwinkeln und vom Brechungsindex des Materials

Bei Nichtmetallen dringt ein Teil des eingestrahlten Lichtes in die Schicht ein und wird dort, je nach Farbton an den Pigmenten absorbiert oder diffus gestreut. Das diffuse Streulicht tritt wieder aus der Grenzfläche aus und vermittelt uns den Farbeindruck (Abb. 5). Diese diffuse Komponente wird weitgehend gleichmäßig in alle Richtungen des Raumes verteilt.

3.2 Mittelglänzende Oberfläche

Bei einer rauen Oberfläche wird das Licht nicht nur in die Hauptreflexionsrichtung, sondern auch diffus in andere Richtungen reflektiert (Abb. 6).

Die Abbildungsqualität der Oberfläche, bzw. die Fähigkeit Objekte wiedererkennbar zu spiegeln, ist stark vermindert. Je gleichförmiger das Licht in den Raum verteilt wird, um so geringer ist die Intensität der gerichteten Komponente und umso matter empfinden wir die Oberfläche. Ein Sonderfall auf matten Oberflächen ist der sogenannte „Schimmer-Effekt (sheen)“. Betrachtet man matte Oberflächen unter sehr großen Winkeln um die 80° beginnen diese zunehmend zu glänzen

3.3 Hochglänzende Oberflächen mit Glanzschleier (Reflection-Haze)

ILiegen bei einer hochglänzenden Oberfläche mikroskopisch feine Störungen vor, so kommt es zu Streulicht geringer Intensität neben dem Hauptreflex (Abb. 7). Der überwiegende Anteil wird in die Hauptreflexionsrichtung reflektiert, so dass die Oberfläche hochglänzend und bildgebend erscheint, aber von einem milchig-trüben Schleier überlagert ist

3.4 DOI versus Glanz auf Hochglanzoberflächen

Feine Strukturen nahe dem Auflösungsvermögen des menschlichen Auges (ca. 0.1 mm), also im Bereich von ein paar Mikrometern bis etwa 1mm, beeinflussen die bildgebende Qualität einer Oberfläche. Richard Hunter [2] bezeichnete diese Art Glanz als „Distinctness Of Image“ (DOI) was als Abbildungsschärfe übersetzt werden kann. Sein Einfluss auf die visuelle Wahrnehmung kann als Abbildungsschärfe der reflektierten Kanten beschrieben werden. Glanzmessung ist abhängig von der Lichtintensität und dem Brechungsindex des Materials, wohingegen die DOI Messung relativ ist und besser mit der visuellen wahrgenommenen Brillanz auf Hochglanzoberflächen korreliert. 

Abbildung 4 Reflexion an der Oberfläche

Abbildung 5 Diffuse Streuung durch das Material

Abbildung 6 Mittelglanz - difusse Streuung an der Oberfläche

Abbildung 7 Hochglänzende Oberflächen mit Glanzscheier (Reflection - Haze)

4 Glanzmessung

4.1  Messprinzip

Das Prinzip eines Glanzmessgerätes beruht auf der Messung der gerichteten Komponente der Reflexion (Abb. 8). Dazu wird das reflektierte Licht in einem durch die sog. Apertur-Blende (AP) eingegrenzten Winkelbereich in seiner Intensität gemessen.

Die Oberfläche wird über ein Linsensystem von der Lichtquelle parallel beleuchtet, wobei eine Blende (AP1) für eine definierte Beleuchtungsapertur sorgt (Abb. 9). Ein photo-elektrischer Empfänger misst das durch die Blende AP2 tretende Licht.

Bei der Glanzmessung handelt es sich um eine Relativmessung. Dazu wird die Messung auf einen schwarzen, polierten Glasstandard mit einem definierten Brechungsindex von 1.567 bezogen. Für diesen Standard wird der Messwert = 100 Glanzeinheiten gesetzt (Kalibrierung).

Um vergleichbare Messergebnisse zu erhalten, wurde der optische Messaufbau eines Glanzmessgerät und deren Handhabung in internationalen Normen definiert: ISO 2813, ASTM D523, JIS Z 8741 and DIN 67530 [7, 8, 9, 10].

Die Normen beschreiben folgende Themenbereiche:

• Optik (Ein- und Abstrahlwinkel, Blendenaparturwinkel, Beleuchtungsart, Empfängerempfindlichkeit)
•  Kalibrierung des Gerätes
•  Durchführung der Messung
• Anwendungsbereich und Beschaffenheit der Oberfläche

4.2 Auswahl der Messgeometrie

Die Messergebnisse sind stark von der Auswahl des Beleuchtungswinkel abhängig. Im Fall von Lackierungen, Kunststoffen und ähnlichen Produkten wird ein Teil des Lichts an der Oberfläche reflektiert und ein weiterer Teil dringt in das Material ein. Je größer der Beleuchtungswinkel ist, desto größer ist der Anteil des reflektierten Lichts. Um eine gute Differenzierbarkeit in dem gesamten Bereich von hoch- bis zu niederglänzenden Oberflächen zu erreichen wurden drei Mess-Geometrien definiert (Abb. 10):

• 20°   Hochglanzobeflächen

• 60°   Mittelglanzoberflächen

• 85°   Niederglanzoberflächen

Diese drei Geometrien, in internationalen Normen definiert, ermöglichen eine klare Differenzierung über den gesamten Messbereich von matt bis hochglänzend. Werden visuelle Bewertungen unterschiedlicher Glanzniveaus durchgeführt, wird ein einzelner Winkel wie z.B. 60° nicht ausreichen, um eine gute Korrelation zum visuellen zu erreichen. Daher sehen internationale Normen Messungen mit unterschiedlichen Einfallswinkeln vor. Die 60° Geometrie wird verwendet, um die meisten Proben miteinander zu vergleichen und um zu bestimmen, ob die 20° oder 85° besser geeignet wäre. Für Glanzwerte größer 70 GE gemessen mit 60°-Geometrie ist die 20° Geometrie zu bevorzugen. Erscheint eine matte Probe unter sehr flachen Winkeln wieder glänzend wird die 85° gewählt. In diesem Fall sind die Glanzwerte für 60° im Normalfall unter 10 Glanzeinheiten.

In einer Studie wurden 13 Proben visuell bewertet, von matt bis hochglänzend gereiht und mit den drei definierten Geometrien vermessen. In den steilen Bereichen der Kurven kann zwischen den Proben klar unterschieden werden, wobei in den flachen Stellen die Geometrien nicht länger mit dem visuellen Eindruck übereinstimmen (Abb. 11).

Zusätzlich haben sich Industriespezifische Geometrien etabliert:

• 45° Keramik und Kunststoffanwendungen (ASTM C346, -D2457, JIS Z8741)

• 75° Vinylverkleidungen und Papierindustrie (ASTM D2457, - D3679, JIS Z8741, Tappi T480)

Abbildung 8 Messung der gerichteten Komponente

Abbildung 9 Prinzip eines Glanzmessgerätes

Abbildung 10 Standardisierte Glanz-Geometrien

Abbildung 11 Glanzmesswerte in Abhängigkeit der Messgeometrie

5 Glanzmessung von Spezialanwendungen

5.1 Glanzmessung von transparenten Folien oder Tafeln

Neben der Transparenz benötigen hochqualitative Folien definierte Glanzeigenschaften unabhängig davon, ob sie für brillante glänzende Verpackungen oder als Anti-Reflex-Folien für LCD-Bildschirme verwendet werden. Für die Glanzmessung, wie in den internationalen Standards beschrieben, trifft Licht unter einem definierten Winkel auf eine Probe und wird in der Reflexion wieder detektiert. Bei transparenten Materialien durchdringt ein Teil des Lichts die Oberfläche. Das transmittierte Licht wird an der Rückseite des Materials wieder partiell reflektiert und ein Teil davon in Richtung Sensor gelenkt (Abb. 12).

Die zusätzliche Reflexion an der Rückseite ist abhängig von dem benutzten Untergrund und hat einen signifikanten Einfluss auf die Messergebnisse. Um diesen Einfluss zu minimieren, wird empfohlen einen schwarzen und matten Hintergrund zu verwenden wie z.B. einen schwarzen Fotokarton. Um über längere Zeit vergleichbare Messergebnisse zu bekommen ist es essenziell immer denselben Hintergrund in gleichbleibender Qualität benutzten zu können

Zusätzlich kann es bei sehr dünnen Proben zur Herausforderung werden eine komplett ebene Fläche unterhalb des Glanzmessgeräts zu erzeugen. Oft wird auch eine Vakuumplatte benutzt, um sicher zu stellen das keine Luftbläschen oder Falten Auswirkungen auf die Glanzmessung haben.

5.2 Glanzmessung auf matten und strukturierten Oberflächen

Das Interior Design von z.B. Automobilen ist immer wichtiger für die Kaufentscheidung. Eine große Herausforderung ist es ein „Gefühl“ der Wertigkeit zu erzeugen und gleichzeitig die Kosten zu minimieren. Daher wird eine Vielzahl von Materialien verwendet, die aufeinander abgestimmt sein müssen. Als Startpunkt dienen Masterstandardplatten mit normalerweise einem glatten und mehreren strukturierten Bereichen. Diese werden den Zulieferern zur Verfügung gestellt und stellen das Ziel dar, das es mit den aktuellen Produktionsteilen zu erreichen gilt. Um ein einheitliches Erscheinungsbild zwischen verschiedenen Materialien zu gewährleisten, werden sehr enge Toleranzen spezifiziert. Anstelle mit absoluten Messwerten zu arbeiten, basiert die Qualitätskontrolle des Zulieferers in der Kontrolle der Abweichungen zu dem abgeleiteten Freigabemuster. Diese Prozedur verhindert Fehler durch die Reproduzierbarkeit, da der Glanz nur relativ auf der gleichen Art Material mit der gleichen Oberfläche gemessen wird. So ist es möglich einen Unterschied von 0.3 Glanzeinheiten von Teil zu Teil als signifikant zu betrachten

Typische Toleranzen: 60° Glanz: < 5 GU +/- 0.3 bis 0.5T

BYK-Gardners micro-gloss S Geräte mit verbesserter technischer Performance unter 60° für matte Proben in dem Bereich von 0 – 20 Glanzeinheiten ermöglichen eine Qualitätskontrolle mit solch engen Spezifikationen. Durch patentierte Kalibrierverfahren und der exzellenten Temperaturstabilität der Messergebnisse kann eine exzellente Wiederholbarkeit von +/-0.1 garantiert werden

5.3 Gloss measurement of large surface areas 

Für Produkte mit großen Oberflächen ist Homogenität ein wichtiges Qualitätsmerkmal. Typische Applikationen, um Glanzvariationen zu bewerten sind Vinylverkleidungen und Laminatböden. Für diese Anwendung besitzt das Glanzmessgerät von BYK-Gardner den sogenannten Dauermessmodus. Dieser ermöglicht kontinuierliche Messungen mit einem einstellbaren Zeitintervall, während das Messgerät über die Oberfläche bewegt wird. Der Benutzer kann auf dem Display direkt die Glanzmesswerte jeder Einzelmessung ablesen. Nach dem Abscannen der Oberfläche bietet das micro-gloss statistische Werte an wie z.B. den Mittelwert oder Min-/Max-Werte, um die Homogenität bewerten zu können.

Abbildung 12 Lichtverteilung auf einer gekrümmten Oberfläche

6 Limitierungen der Glanzmessung

6.1 Glanzmessung auf gekrümmten Oberflächen

Klassische Glanzmessgeräte sind grundsätzlich für die Messung von ebenen Flächen gedacht. Konkave oder konvexe Krümmungen ändern die Richtung der Reflexion analog zu optischen Linsen oder Spiegeln (Abb. 13) und verfälschen dadurch das Messergebnis der Glanzmessung. Einige Produkte haben leichte Krümmungen, die eine vergleichende Messung mit angepassten Toleranzen ermöglichen. Bereits in den 1970er Jahren wurden Untersuchungen durchgeführt wo die Abweichungen für Radien von ca. 50 – 80 cm [11] unterhalb ca. 5% liegen. Diese Abweichungen hängen vom verwendeten Material, dem Glanzgrad und der verwendeten Geometrie ab. Je höher der Glanzgrad, desto größer der Effekt der Krümmung. Verkippung hat ebenfalls einen erheblichen Einfluss was durch die Verwendung einer Positionierhilfe minimiert werden kann.

6.2 Strukturierte Oberflächen

Reflexion und Glanz basieren auf der Interaktion von Licht mit den physikalischen Eigenschaften der Probenoberfläche. Die Intensität hängt von dem Material und dem verwendeten Beleuchtungswinkel ab. Die Messergebnisse eines konventionellen Glanzmessgeräts werden auf die Menge des von einem schwarzen, polierten Glasstandard mit definierten Brechungsindex reflektierten Lichts bezogen. Die klassische Glanzmessung berücksichtigt nicht den Effekt von Struktur oder den komplexen Glanzeigenschaften von 3D-Oberflächen. 

Der neue spectro2profiler von BYK-Gardner [13] verwendet eine photometrische Stereotechnik zur Abschätzung der Oberflächenkrümmung um eine 3D-Topografie der Oberfläche erstellen. Die Oberflächennormale werden durch die Kombination von Bilddaten mehrerer Beleuchtungsrichtungen berechnet. Durch den unterschiedlichen Schattenwurf kann auf Oberflächenkrümmungen rückgeschlossen und ein Höhenprofil der Probe erstellt werden.

6.3 Räumliche Glanzverteilung

Schattenwurf und dem Detektor verborgene Bereiche können bei der gerichteten Glanzmessung die Messwerte verfälschen. Die Glanzwahrnehmung hängt nicht nur von der Gesamtintensität des reflektierten Lichts ab, sondern auch von dem Kontrast zwischen Glanzpunkten und diffus reflektierenden Bereichen. Ein konventionelles Glanzmessgerät ist nicht in der Lage komplexes Reflexionsverhalten wie räumlich verteilte Reflexionen zu erfassen mit z.B. hochreflektierende Hügel und niedrig reflektierenden Tälern wie sie bei lederähnlichen Strukturen vorkommen können. 

Die kamerabasierte Messtechnologie des neuen spectro2profiler [13] ermöglicht eine Erfassung der räumlichen Verteilung der Reflektivität. Eine senkrechte Beleuchtung und Detektion verhindern Schattenwurf, nicht sichtbare Bereiche und perspektivische Verzerrungen, um eine der Orientierung unabhängige Messung zu ermöglichen (Abb. 14). Die Kamera erfasst 2d Reflektivität-Bilder für eine detaillierte Analyse der Verteilung der Reflektivität auf der Oberfläche.

Um das gesamte Erscheinungsbild eines Objekts erfassen zu können, ist es notwendig die an und für sich voneinander unabhängige Oberflächenstruktur und Reflektivität parallel zu messen, da beide bei der visuellen Gesamtbeurteilung in Kombination wahrgenommen werden. Unsere Augen sind nur in der Lage 2d Informationen zu erfassen. Erst das menschliche Gehirn rekonstruiert aus Schattenwurf und Reflexionen ein 3-dimensionales Objekt. Das bedeutet im Umkehrschluss, dass die visuell wahrgenommene Tiefe von Strukturen von den Reflexionseigenschaften der Hügel und Täler abhängt. Die Verwendung des gleichen Kamera- Linsensystem zur Bestimmung der 3d-Topographie- und 2d-Reflektivitäts-Daten mit Hilfe des spectro2profiler ermöglicht es beide Informationen zu kombinieren. Dadurch kann die Reflexion der Hügel und Täler separiert werden. Die Differenz zwischen der Reflexion der Hügel und Täler beschreibt den Kontrast und die wahrgenommene Tiefe der strukturierten Oberfläche

Abbildung 13 Lichtverteilung auf einer gekrümmten Oberfläche

Abbildung 14 Aufbau einer räumlich auflösenden Reflexionsmessung

7 Zusammenfassung

Die visuelle Wahrnehmung von Glanz ist wie bei Farbe mehrdimensional. Seit vielen Jahren werden Glanzmessgeräte verwendet, um die gerichtete Reflexion im Labor und in der QS zu messen. Um die gesamte visuelle Erscheinung charakterisieren zu können ist es nötig zusätzliche Parameter wie z.B. Haze und die Verlaufsstruktur zu messen. BYK-Gardner bietet eine Reihe an Appearance Messgeräten an, die es ermöglichen objektiv den gerichteten Glanz, Haze und Orange Peel sowohl im Labor als auch im Feld zu bestimmen.