Messen 1 Grundlagen - Jutta Bock

TEIL 1
Messtechnik-
Grundlagen
Densitometer, Colorimeter
oder Spektralfotometer?
Was wofür und warum?
Farbe spielt in allen
Bereichen der Reproduktion
eine wesentliche
Rolle. Umso
erstaunlicher, dass viele
davon reden, aber
nur wenige wissen,
wovon sie reden. Die
Artikelserie
„Messtechnik-Grundlagen“
soll Basis für
ein kritischeres Farbverständnis
sein und
helfen, in der Praxis
professioneller zu
agieren.
Messprinzip des Spektralfotometers.
Für die Farbmessung benötigen wir wie
beim Farbensehen eine Lichtquelle, ein
Objekt und einen Betrachter. Der Betrachter,
der beim menschlichen Farbensehen
über das Auge und das Gehirn Licht empfängt
und auswertet, wird bei der Farbmessung
durch Lichtleiter, Filter, Dioden,
mathematische Umrechnungen usw. ersetzt.
Densitometer
Das zurzeit noch am häufigsten eingesetzte
Messverfahren im konventionellen
Druck ist die Densitometrie. Die Druckkontrolle
erfolgt in der Regel mit einem
Densitometer auf dem Druckkontrollstreifen.
Auch die Kalibrierung von Digitalproofsystemen
kann über Densitometer
erfolgen.
Mit Hilfe von Densitometern ist es möglich,
die Farbgebung von Andruck und
Auflagendruck objektiv abzustimmen und
vor allem durch regelmäßiges Messen
während des Auflagendrucks Farbschwankungen
in einer viel engeren Toleranz
zu halten, als das ausschließlich bei
visueller Kontrolle möglich ist.
Messprinzip des Densitometers.
Messprinzip des Densitometers
Von einer stabilisierten Lichtquelle fällt
das Licht durch eine Optik gebündelt auf
die bedruckte Fläche. Je nach Farbschichtdicke
und Pigmentierung der Farbe wird
ein Teil des Lichtes absorbiert. Der nicht
absorbierte Lichtanteil durchdringt die
durchscheinende (lasierende) Farbschicht
und wird abgeschwächt. Der verbleibende
Rest wird von der Bedruckstoffoberfläche
remittiert, d. h. diffus reflektiert
oder gestreut. Von dem Streulicht
durchläuft nochmals ein Teil die Farbschicht
und wird weiter abgeschwächt.
Ein Linsensystem fängt die Lichtstrahlen
auf, die aus der Farbschicht kommen und
leitet sie auf einen Empfänger (Fotodiode).
Die von der Fotodiode empfangene
Lichtmenge wird in elektrische Energie
umgewandelt. Die Elektronik vergleicht
den Messstrom mit einem Referenzwert
(Remission eines Absolutweiß). Die Differenz
ist die Grundlage für die Errechnung
des Absorptionsverhaltens der gemessenen
Farbschicht. Auf dem Display des
Densitometers erscheint die gemessene
Farbdichte.
Filter im Densitometer
Farbfilter im Strahlengang des Densitometers
begrenzen das Licht auf die für die
jeweilige Druckfarbe relevanten Wellenbereiche.
Der Farbfilter für die Druckfarbe
Cyan ist Rot, für Magenta Grün und für
Gelb Blau, also immer komplementär
(gegenfarbig). Schwarz wird mit einem Visualfilter
(Breitbandfilter) bewertet, der
dem spektralen Hellempfindlichkeitsgrad
des menschlichen Auges angepasst ist.
Wahlweise wird die Dichte Schwarz auch
aus den Werten der Filter Cyan, Magenta
und Gelb errechnet.
In manchen Densitometern sind Polarisationsfilter
in den Strahlengang geschaltet.
Sie verhindern größere Messwertdifferenzen
zwischen trockener und nasser
Druckfarbe.
Kalibrierung des Densitometers
Zur Grundkalibrierung (allgemeine Eichung
des Messinstrumentes) dienen
vom Hersteller mitgelieferte Standards.
Das sind Keramikplatten oder Drucke. Die
Kalibrierung des Densitometers während
der Anwendung erfolgt auf dem jeweiligen
Bedruckstoff. Damit werden Einflüsse
der Papierfärbung und -oberfläche bei der
Bewertung der aufgedruckten Farbschichtdicke
ausgeschlossen.
Densitometrische Messwerte
Ein Densitometer misst lediglich Farbdichten
lasierender Farben.
Die Farbdichte ist eine logarithmische
Zahl und auf das menschliche Wahrnehmungsvermögen
für Licht angepasst. Der
Mensch beurteilt nämlich optische und
akustische Reize in einem logarithmischen
Maßstab. Das bedeutet, würde
man eine Lichtintensität verdoppeln, würde
der Mensch das nicht als Verdopplung
wahrnehmen, sondern wesentlich geringer.
Je öfter die Lichtintensität gesteigert
wird, desto weniger wird der Zuwachs
wahrgenommen.
Da der Farbort und die Pigmentkonzentration
einer Skalenfarbe in einem
bestimmten Rahmen normiert
ist, bleibt als einzige Variable
zur Beeinflussung der Farbdichte
die Farbschichtdicke.
Somit sind die Farbdichte ein
relatives Maß für die Farbschichtdicke
im Druck.
Das Densitometer liefert durch
Umrechnung der Farbdichten zudem
Werte wie die Rasterdichte,
Farbschichtdicke, Flächendeckung
(Rastertonwert), Tonwertzunahme,
Druckkontrast und Farbannahme.
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PRINT & PRODUKTION 4/02

Grenzen der Densitometrie
Densitometer sind grundsätzlich farbenblind.
Sie liefern ein relatives Maß für die
Farbschichtdicke, aber nicht für die optische
Erscheinung einer Farbe. Gleiche
Farbdichten ergeben nicht zwingend den
gleichen optischen Eindruck. Von Farbproofs
können deshalb keine Sollwerte
für das Einstellen von Druckfarbe auf Papier
abgenommen werden. Es können nur
die Dichten der Skalenfarben C, M und Y
ermittelt und regelmäßig kontrolliert werden.
Auch Graufelder (Graubalance) und
Sonderfarben lassen sich nicht objektiv
bewerten.
Farbmessung
Bei der Farbmessung (nicht zu verwechseln
mit der Dichtemessung des Densitometers)
ist es möglich, den optischen Eindruck
einer Farbe durch 3 unabhängige
(Norm-) Farbmaßzahlen (XYZ) eindeutig
festzulegen. Die Farbe steht somit in Beziehung
zu dem gewählten dreidimensionalen
Farbsystem. Farbabstände lassen
sich zahlenmäßig bestimmen und auch
visuell gleich beurteilen.
In der Farbmetrik hat jede Farbe ein eigenes
Erscheinungsbild, das über die Attribute
Farbton, Buntheit und Helligkeit genau
definiert wird.
Der Farbton (Hue) beschreibt, wie wir eine
Farbe empfinden – Rot, Blau, Grün usw.
Über die Buntheit (Chroma) definieren
wir, ob wir eine Farbe matt und blass oder
kräftig und brillant empfinden.
Durch den Vergleich von Helligkeitswerten
(Lightness) lässt sich eine Farbe als
hell oder dunkel beschreiben.
Spektralfotometer
Während die Densitometrie ein rein auf
den Reproduktionsprozess bezogenes
Messverfahren darstellt, ist die Spektralfotometrie
ein offenes und prozessunabhängiges
Verfahren, das objektive Werte
liefert. Die spektralfotometrische Messung
kommt überall dort zur Anwendung,
wo Farbtöne eindeutig auf ihre Zusammensetzung
hin beschrieben werden
müssen.
Spektralkurve eines gemessenen Objekts.
Ein Spektralfotometer misst Farbe, indem
es Licht, das von einem Objekt reflektiert
wird, in verschiedene Wellenlängen filtert,
bewertet und aufzeichnet. Das Messgerät
erhält Zahlenwerte, die das reflektierte
Licht und somit die Farbe eindeutig
charakterisieren. Die Werte ergeben die
Spektraldaten, die als Spektralkurve dargestellt
werden können.
Ein Spektralfotometer misst das Licht an
einer großen Anzahl von Punkten im gesamten
Spektrum des sichtbaren Lichts.
Hieraus resultiert eine spektrale Verteilungskurve
(Remissionskurve). Jede Remissionskurve
einer Farbprobe ist einzigartig
wie ein Fingerabdruck.
Spektralfotometrische
Messwerte
Das Spektralfotometer dient der verfahrensneutralen
Farbbewertung zur Qualitätskontrolle
über den gesamten Produktionsprozess.
Alle Farben lassen sich korrekt
und sicher regeln. Tonwertzunahmen
werden auch bei Sonderfarben exakt erfasst.
Bedruckstoffänderungen, Farbverschmutzungen
und Metamerie können
erkannt werden. Ändern sich die Lichtverhältnisse
und damit der Farbton, kann das
über das Spektralfotometer nachgestellt
werden. Das Spektralfotometer kann
Farbwerte für verschiedene Lichtverhältnisse
berechnen.
Es liefert nach entsprechender Umrechnung
aus den Ausgangswerten CIE XYZ u.
a. folgende Maßzahlen CIE xyY, CIE
L*a*b*, CIE L*C*h, CIE L*u*v*, Farbabstandsmaße
(Delta E*94, CMC). Die
Messwerte stimmen weitestgehend mit
dem visuellen Empfinden überein.
Auch Dichtewerte und die daraus resultierenden
Maßzahlen sowie der Weißgrad
des Bedruckstoffes können mit dem
Spektralfotometer erfasst werden.
Colorimeter
Colorimeter unterscheiden sich von Spektralfotometern
für den Laien kaum. In beiden
wird das von einem Körper (Vorlage,
Bildschirm usw.) reflektierte oder remittierte
Licht von einem Sensor erfasst. Die
Abbildung des CIE L*a*b*-Farbraums.
Relative spektrale Strahlungsverteilung von Tageslicht
(Normlichtart D65/10°).
Lichtanteile werden durch 3 Filter (Rot,
Grün und Blau) bewertet, die in ihrer Empfindlichkeit
den Rezeptoren im Auge entsprechen.
Die daraus errechneten Farbmaßzahlen
sind ebenfalls die gleichen,
nämlich L*a*b*- bzw. L*C*h-Werte nach
CIE-Norm. (Commission Internationale de
l’Eclairage = Internationale Beleuchtungskommission).
Unterschiede gibt es dagegen bei der Datenverarbeitung,
d. h. bei der Umwandlung
der optischen Signale in Farbwerte.
Im Spektralfotometer zerlegt statt Filter
ein Monochromator das Licht spektral
in kleine Wellenlängenbereiche
(meist 10 bis 20 nm). Gemessen
wird die Strahlungsintensität des
reflektierten Lichtes, welches vom
gemessenen Körper remittiert. Die
Remissionswerte werden in Farbwerte
bei einer zuvor definierten
Lichtart umgerechnet.
...und in der Praxis?
Die Filter des Colorimeters sollten
möglichst genau an die Empfindlichkeit
des menschlichen Auges
angepasst sein. Die absolute Genauigkeit
hängt überwiegend von
der Filterqualität ab und ist generell
ungenauer als beim Spektralfotometer.
Aufgrund prinzipieller und konstruktiver
Unterschiede eignet sich
der Einsatz eines Colorimeters in
der Vorlagenmessung ausschließlich
beim Vergleichen von Farbdifferenzwerten
von einem Vorlagentyp.
Mit anderen Worten, Farbwerte
von Ausdrucken unterschiedlicher
Drucksysteme sollten nicht
mit einem Colorimeter gemessen und verglichen
werden.
Auch wenn die genannten Eigenschaften
gewisse Einschränkungen mit sich bringen
– für die Monitormessung ist der Einsatz
von Colorimetern gang und gäbe, da
jeder Monitor für sich betrachtet wird. Zudem
ist das Colorimeter wesentlich preisgünstiger
als das Spektralfotometer.
Messabweichungen
Alle Messgeräte weisen mit der Zeit
Schwankungen auf. Um so lange wie
möglich gleich bleibende Messergebnisse
von einem Messgerät zu erhalten,
sollten die Geräte 1-mal im Jahr zur Inspektion,
womit die Langzeitstabilität
merklich verbessert werden kann.
Misst man eine Farbe mit unterschiedlichen
Messgeräten, erhält man grundsätzlich
erheblich voneinander abweichende
Messresultate. Vergleichbare
Messwerte würden sich nur erreichen lassen,
wenn das Messverfahren (Dreifilter
oder Spektral), die Messgeometrie und
die Normalbeobachterfunktionen übereinstimmen.
Abbildung des CIE xyY-Farbraums.
Soweit zu der Theorie. In der nächsten
Ausgabe der PRINT dreht sich alles um
den praktischen Einsatz von Densitometern
und Spektralfotometern zur Kontrolle
von Proof und Druck.
y
Jutta Bock
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