Konica Minolta

Europe

Giving Shape to Ideas

The Way Colourimeters "See"

W jaki sposób mierniki widzą kolor?

 

Odpowiedni wybór geometrii pomiarowej

Po długich rozważaniach w twojej firmie zapadła nareszcie decyzja o zakupie miernika koloru. Ale teraz trzeba wybrać odpowiedni model urządzenia, a to może nie być łatwe. Nie chodzi tylko o wybór dostawcy, lecz przede wszystkim o rodzaj instrumentu, który najlepiej sprosta postawionym zadaniom pomiarowym. Wstępnym kryterium wyboru powinna być dokładność, gdzie główną rolę gra powtarzalność, zgodność międzyinstrumentowa i rozdzielczość widmowa. Kolejnym parametrem jest geometria pomiarowa, ponieważ od niej zależą wskazywane wyniki pomiarowe, a na podstawie liczbowych porównań różnic kolorów dział kontroli jakości ma podejmować decyzje o zatwierdzeniu lub odrzuceniu danego koloru produktu. Jeśli decyzje byłyby podejmowane niezgodnie z oceną wizualną lub sposobem oceny stosowanym u klientów i dostawców, mogłoby to prowadzić do błędów, nieporozumień, a w konsekwencji do strat. Właśnie dlatego geometria pomiarowa powinna być uzgodniona pomiędzy wszystkimi partnerami i odpowiednia do planowanego zastosowania.

 

Geometrii pomiarowej nie da się pominąć

Geometria pomiarowa, czyli budowa układu optycznego, jest z jednej strony łącznikiem pomiędzy źródłem światła i próbką, a z drugiej strony pomiędzy próbką i detektorem. Człowiek patrzący na próbkę może nie być świadomy faktu, że na jego wrażenie wizualne stale wpływa geometria oświetlenia i obserwacji przedmiotu: światło może być skierowane, rozproszone lub mieszane, może padać z konkretnego kierunku, a oko spogląda na powierzchnię próbki także pod określonym kątem.

To, jak ostatecznie kolor jest postrzegany, zależy od wymienionych warunków optycznych i geometrycznych. Dotyczy to także instrumentów pomiarowych: różne konstrukcje układów optycznych są zdefiniowane przez międzynarodowe normy i różnią się sposobem oświetlenia próbki i jej obserwacji przez detektor. Można wyróżnić dwie główne grupy geometrii: do pomiaru światła odbitego oraz przepuszczonego przez próbkę.

 

Pięć geometrii do pomiarów światła odbitego

Geometria 45°:0° używa oświetlenia skierowanego. Źródło światła jest tak umieszczone, aby wiązka oświetlająca tworzyła kąt 45° z kierunkiem prostopadłym do powierzchni próbki, a detektor jest ustawiony prostopadle do powierzchni. Równomierne oświetlenie próbki, zwłaszcza jeśli jest ona chropowata lub strukturalna, można osiągnąć jedynie stosując dookólne oświetlenie: pod kątem 45° ale z wielu kierunków, na przykład przy zastosowaniu kilku wiązek światłowodów (oznaczenie 45°a:0°). O jakości oświetlenia, a w efekcie o powtarzalności pomiarów, decyduje liczba kierunków oświetlenia. Aby zapewnić idealnie równomierne oświetlenie należy zastosować oświetlenie pierścieniowe 45°c:0°. W tym przypadku wiązka oświetlająca przepuszczana jest przez wąską pierścieniową szczelinę i przybiera kształt powierzchni stożka, skupiając się na powierzchni próbki w miejscu pomiaru. W bardzo specjalnych zastosowaniach może być przydatne oświetlenie z jednego kierunku – oznaczenie takiej geometrii to 45°x:0°.

Geometria pomiarowa 45°c:0° - pierścieniowe oświetlenie skierowane

Symbol d:8° oznacza geometrię, w której próbka oświetlona jest w sposób rozproszony przy zastosowaniu tzw. kuli Ulbrichta – pustej sfery, której wewnętrzna powierzchnia pokryta jest białą substancją o bardzo wysokim stopniu odbicia i rozproszenia światła – może to być siarczan baru, ceramika bądź specjalne sztuczne tworzywo. Wiązka światła, na przykład z ksenonowej lampy błyskowej kierowana jest nie bezpośrednio na próbkę, lecz do wnętrza kuli, gdzie ulega wielokrotnemu odbiciu i rozproszeniu. Wewnątrz sfery umieszczona jest dodatkowa przesłona, nie dopuszczająca skierowanych promieni światła z lampy do otworu w kuli, do którego przyłożona jest próbka. Tak więc próbka jest oświetlona tylko światłem niemal idealnie rozproszonym w kuli. Natomiast detektor ‘patrzy’ na próbkę przez otwór w przeciwległej części kuli, odchylony pod kątem 8° względem prostopadłej do powierzchni próbki. W takich warunkach połysk i struktura powierzchni próbki nie mają wpływu na wynik pomiaru koloru. Aby uniknąć skierowanego (lustrzanego) odbicia światła na powierzchni próbek z połyskiem, wiele instrumentów wyposażonych jest w tzw. pułapkę świetlną. Może to być fizyczna pułapka świetlna, czyli otwór w kuli z przyłożoną wyczernioną wnęką. Pułapka powinna być ustawiona także pod kątem 8° ale po przeciwnej stronie niż detektor względem kierunku prostopadłego do powierzchni próbki. Wówczas pułapka wytłumia białe światło, które mogłoby zostać odbite od próbki i wpłynąć na wynik pomiaru. Alternatywą dla fizycznej pułapki świetlnej jest numeryczna kontrola połysku. W tym rozwiązaniu stosowana jest dodatkowa lampa błyskowa, która oświetla próbkę w sposób skierowany. Z porównania pomiarów wykonanych przy oświetleniu skierowanym i rozproszonym można obliczyć intensywność składnika lustrzanego (związanego z połyskiem próbki) i stąd odjąć go od wyniku pomiaru bez pułapki świetlnej. Geometria pomiarowa uwzględniająca składową skierowaną oznaczana jest jako di:8°, natomiast z wytłumieniem składowej skierowanej de:8°.

Inna odmiana geometrii sferycznej to d:0°, powszechnie stosowana w przemyśle papierniczym. Podobnie jak w d:8°, próbka jest oświetlona światłem rozproszonym, jednak detektor ustawiony jest prostopadle do jej powierzchni. Otwór w kuli, w którym umieszczony jest detektor, jednocześnie pełni rolę pułapki świetlnej, stąd wyniki pomiarów są zbliżone do wyników z geometrii de:8°

Geometria sferyczna d:8°; opcja z pułapką świetlną (de:8°) lub bez (di:8°):

Specjalne materiały, takie jak lakiery metaliczne i perłowe nie mogą być wystarczająco dokładnie opisane ani pomiarami w geometriach sferycznych, ani 45°:0°. Związane jest to z silną zależnością odbicia światła od kąta oświetlenia takich materiałów. W takich przypadkach niezbędne jest wykonanie pomiarów pod kilkoma kątami, przy oświetleniu pod kątem 45°. Kąt obserwacji jest oznaczony jako „as” (away of specular). Praktycznym standardem jest stosowanie kątów 45°:as25°, 45°:as45° oraz 45°:as75°. W niektórych przypadkach przydatne są dodatkowe kombinacje kątów, np. 45°:as15° lub 45°:as110°.

Warto wiedzieć, że sposoby oświetlenia i obserwacji (kierunek biegu światła) można ze sobą zamienić bez wpływu na wynik pomiaru. Dlatego np. geometrie d:8° i 8°:d lub 45°:0° i 0°:45°są równoważne.

 

Trzy geometrie do pomiarów światła przepuszczonego

Oprócz pomiarów w odbiciu, wiele stacjonarnych spektrofotometrów z geometrią sferyczną pozwala też na pomiar światła przepuszczonego przez przeźroczystą lub prześwitującą próbkę. Aby wykonać pomiar w przeźroczu, próbkę należy umieścić w komorze urządzenia, położonej pomiędzy otworem wyjściowym kuli Ulbrichta obiektywem detektora. Ponadto należy zakryć otwór pomiaru światła odbitego białą płytką kalibracyjną. Wówczas detektor „widzi” próbkę na tle białej płytki. Pomiar obejmuje całkowitą transmisję próbki: zarówno składową rozproszoną, jak i wiązkę światła przepuszczoną w sposób skierowany bez rozproszenia. Taka geometria pomiarowa oznaczana jest jako di:180°. Gdy zakryjemy otwór pomiaru światła odbitego pułapką świetlną, składowa skierowana zostanie wytłumiona – uzyskamy geometrię de:180°.

Do specjalnych zastosowań może być wymagana geometria z pomiarem tylko skierowanej składowej 0°:180°. Jednak tego typu instrumenty nie potrafią mierzyć w innych geometriach ani w odbiciu.

Geometria pomiarowa d:180° do pomiarów cieczy i ciał stałych w przeźroczu.

 

Jaka geometria jest najlepsza?

Rodzaj geometrii, jaki powinien być użyty zależy od informacji, jakie potrzebujesz uzyskać na podstawie pomiaru. Jeśli pomiar ma wiernie odzwierciedlać wrażenie wizualne przy porównywaniu próbki i wzorca, wynik pomiaru powinien być zależny od ich stopnia połysku, gdyż połysk ma zawsze wpływ na postrzeganie barw. W takim przypadku należy wybrać geometrię z wykluczeniem składowej lustrzanej: 45°a:0°, de:8° lub d:0°. Jeśli dodatkowo próbka i wzorzec różnią się nie tylko połyskiem, ale i strukturą powierzchni, zdecydowanie zalecana jest geometria 45°c:0°. Wówczas wyniki porównań instrumentalnych będą zgodne z wynikami porównań wizualnych.

Z drugiej strony, jeśli chcesz sprawdzić powtarzalność zabarwienia materiału, z którego wykonany jest przedmiot, bez względu na jego połysk użyj geometrii di:8° - wówczas mierzone jest całe światło odbite od próbki. Należy wyjaśnić, że absorpcja, czyli zabarwienie światła przez barwniki i pigmenty następuje dopiero we wnętrzu próbki – zabarwione światło odbijane jest z objętości materiału. Natomiast niezależnie od tego czy próbka jest błyszcząca czy matowa, zawsze około 4% światła jest odbijane od powierzchni próbki. Co więcej, światło odbite od powierzchni nie jest zabarwione – ma ten sam kolor, co oświetlenie, najczęściej białe. Tak, więc odbicie od powierzchni „rozbiela” i rozjaśnia postrzeganą barwę. Jest to szczególnie zauważalne dla próbek matowych. Stąd pomiar całego światła odbitego w geometrii di:8° jest niezależny od połysku i może służyć do oceny pigmentacji materiału. Ten sposób pomiaru jest rekomendowany do użycia w systemach komputerowego dobierania barw, czyli obliczania receptur kompozycji pigmentów dających w mieszaninie określony kolor docelowy.

 

Skonsultuj się z ekspertami Konica Minolta

Konica Minolta, jako producent szerokiej gamy najwyższej klasy kolorymetrów i spektrofotometrów zapewnia rozwiązania dokładnie dopasowane do twoich potrzeb. Aby podjąć właściwą decyzję, skontaktuj się z naszymi ekspertami – wspólnie wybierzemy optymalny sprzęt i akcesoria.

 

Zapamiętaj

Geometria pomiarowa 45°c:0° - pierścieniowe oświetlenie skierowane, idealne do porównywania próbek o różnym połysku i różnej strukturze.

Geometria sferyczna d:8°; opcja z pułapką świetlną (de:8°) lub bez (di:8°): instrumenty d:8°zazwyczaj mogą mierzyć w obu trybach.

Geometria pomiarowa d:180° do pomiarów cieczy i ciał stałych w przeźroczu. Di:180° do pomiaru całkowitej transmisji lub de:180° do pomiaru tylko transmisji rozproszonej.