Im Blickpunkt: Farbe

Farbe
Die Reproduktion von Farbe
ist keine leichte Aufgabe und
ohne die Hilfe fortschrittlicher
Farbregelalgorithmen und
hochempfindlicher Instrumente kaum zu bewältigen.
Doch bei diesen Geräten
kommt es nicht nur auf Empfindlichkeit und Reproduzierbarkeit an. Sie müssen auch
unter rauen Bedingungen
mit hohen Feuchtigkeitsgraden, rasch wechselnden Temperaturen und mechanischen
Erschütterungen zuverlässig
funktionieren. Im Zuge der
Papierherstellung hat auch
ein unbeschriebenes Blatt
eine Geschichte.
Farbregelungstechnik für Papierhersteller
I m B l i c k p u n k t : Fa r b e
Die richtige Papierfarbe zu gewährleisten, ist ein wichtiges
Element der Qualitätssicherung für einen Papierhersteller.
Kunden erwarten nicht nur, dass Umschläge und Schreibpapier
immer zueinanderpassen, sondern auch, dass das Papier,
das sie heute kaufen, zu den Umschlägen passt, die sie schon
vor Monaten oder gar Jahren gekauft haben. Nicht selten
müssen unterschiedliche Papiersorten, die mit verschiedenen
Autoren
Anthony Byatt
ABB Ltd.
Dundalk, Irland
Steve Sturm
ABB Automation Technologies
Westerville, OH, USA
Quelle: ABB Review 4/06
28
ET Licht | Fachteil
Maschineneinstellungen produziert wurden, den gleichen
Farbton aufweisen.
lektronikgeschäfte verfügen normalerweise über eine unfangreiche Auswahl an Fernsehgeräten.
Nirgendwo sonst im Konsumgüterbereich kommt so viel leistungsstarke und kostengünstige Elektronik zum Einsatz wie in Farbfernsehgeräten.
E
Und kaum jemand kann sich der
Faszination entziehen, die die Brillanz der Farben auf einem solchen
Bildschirm ausübt. Tritt man jedoch
einen Schritt zurück und betrachtet
die ganze Reihe der angebotenen
Geräte, so wird ein feiner – und
manchmal auch deutlicher – Farb-
Farbe
unterschied zwischen scheinbar
identischen Geräten sichtbar.
Fa r b e i s t n i c h t a b s o l u t
Hinzu kommt,dass Farbe nicht absolut ist. So wird die Farbwahrnehmung unter anderem von der persönlichen Biologie eines Menschen
(manche haben eine Farbschwäche
oder sind gar farbenblind) beeinflusst. Die wahrgenommene Farbe
ist somit das Produkt aus der Leistung der jeweiligen Lichtquelle,dem
Reflexionsvermögen des betrachteten Objekts und der individuellen
Empfindlichkeit des Betrachters.
Wenn es also in einem hochtechnischen Gerät wie einem Farbfernseher, der zudem auf eine möglichst getreue Farbwiedergabe ausgelegt ist, schon so schwierig ist,
eine hohe Farbkonsistenz zu erreichen, ist es bei einem relativ einfachen und scheinbar wenig technischen Produkt wie Papier umso
schwieriger.
Fa r b r e g e l u n g
unabdingbar
Bei der Papierherstellung spielt die
Regelung der Farbe – meist der weissen – eine entscheidende Rolle. Eine
kontinuierliche Veränderung der
Farbe im fertigen Produkt über
einen Fertigungszeitraum von mehreren Stunden mag zwar für den
menschlichen Betrachter nicht erkennbar sein. Doch der Unterschied
in der Farbe wird deutlich, wenn
man jeweils einen Bogen vom Beginn und vom Ende des Produktionslaufs nebeneinander legt. Nicht auszudenken, wenn diese als gegenüberliegende Seiten in einem Buch
enden würden.Optische Eigenschaften von Papier wie Farbe, Helligkeit,
Weisse, Opazität und Glanz sind
mittlerweile zu qualitativen Unterscheidungskriterien für Papierprodukte geworden.
Aus diesem Grund setzen die
Hersteller alles daran,die Farbe ihres
Produkts zuverlässig zu regeln, und
ABB bietet ihnen mit fortschrittlichen Online-Farbsensoren und Software zur Regelung der Zugabe von
Farbmitteln zum Prozess die dazu erforderliche Technologie.
Quantifizierung der
Fa r b e r s c h e i n u n g
Die Farbwahrnehmung erfolgt über
den Reiz roter, grüner und blauer
Sehzellen im Auge (Tristimulus) (Bild
1). Die Beschreibung von Farbe ist
nicht intuitiv und durch das CIE)
L*a*b*- Farbmodell wissenschaftlich
genormt. Die in Wien ansässige CIE
(Commission Internationale de
l’Eclairage) gilt gemeinhin als international anerkannte Standardisierungskörperschaft auf dem Gebiet
der Beleuchtung, Farbe und Farbräume.Es gibt zwar viele Möglichkeiten zur Quantifizierung der Farberscheinung, doch das L*a*b*-System
gehört zu den universellsten Modellen.
Die drei Parameter des Modells
repräsentieren die Helligkeit der
Farbe (Wert L*, wobei L* = 0 Schwarz
und L* = 100 Weiss entspricht),ihre Position zwischen Magenta und Grün
(Wert a*, wobei negative Werte für
Grün und positive für Magenta stehen) und ihre Position zwischen Gelb
und Blau (Wert b*, wobei negative
Werte für Blau und positive für Gelb
stehen).
Trifft Licht auf eine Oberfläche,
kann es reflektiert, absorbiert oder
gestreut werden.Glatte Oberflächen
reflektieren das Licht, während es
von rauen Oberflächen diffus gestreut wird. Eine Oberfläche, die
sämtliche Wellenlängen gleich diffus reflektiert, erscheint weiss und
eine Oberfläche, die alle Wellenlängen gleichermassen absorbiert, erscheint schwarz. Neben dieser diffusen Reflexion ist auch eine spiegelnde Reflexion (wie bei einem
Spiegel) möglich. Ein guter Spiegel
reflektiert zwar alle Wellenlängen
gleichermassen, erscheint aber aufgrund seiner glatten Oberfläche
nicht weiss.Ebenso kann ein schwarzes Objekt Licht reflektieren,wenn es
eine glatte Oberfläche besitzt.
Dies ist der Einsatzbereich der
vom ABB Quality Control Center of
Excellence produzierten OnlineFarbregelung. Das Kompetenzzentrum gehört zur Business Unit Paper
mit Sitz in Dundalk, Irland, und ist
auf die Online-Messung von Papiereigenschaften und die Implementierung komplexer Regelungen zur automatischen Optimierung dieser Ei-
a
b
Bild 1 Der L*a*b*-Farbraum
a) Spektrale Absorption in den drei Zapfenarten und
den Stäbchen (gestrichelte Linie) auf der menschlichen Netzhaut. (Quelle: Wikipedia-Enzyklopädie)
b) Darstellung des L*a*b*-Farbraums. Die L*-Achse
bestimmt die Helligkeit von Schwarz bis Weiss.
genschaften spezialisiert. Die Farbmessung ist ein wichtiges OnlineElement, das in 40% aller verkauften
Qualitätsleitsysteme eingesetzt wird.
Moderne Messgeräte
In den vergangenen 15 Jahren haben
sich die von Qualitätsprüflaboren
eingesetzten Farbmessgeräte extrem weiterentwickelt. Nahezu alle
hochwertigen Instrumente messen
die Reflexionsspektren der Proben,
die dem Sensor ausgesetzt werden.
Dazu sind generell eine stabile Lichtquelle und ein komplexes optisches
System zur Aufnahme der reflektierten Energie erforderlich.
Laborfarbmessgeräte werden
von Technikern bedient. Sie prüfen
ET Licht | Fachteil
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Farbe
Online-Messgeräten von ABB. Diese
müssen in der Lage sein, 365 Tage im
Jahr rund um die Uhr bei Temperaturen von 60 °C und 100 % Luftfeuchtigkeit zu arbeiten. Nicht selten verschwindet das gesamte System bei
der Bewegung über die Papierbahn
in einer Wolke aus Wasserdampf.
Und alle paar Stunden wird das Instrument für einige Minuten in einer
plötzlich um 15 °C kälteren Umgebung geprüft und kalibriert. Darüber hinaus sind Belastungen von bis
zu 4 g (Erdbeschleunigung) in jede
Richtung keine Seltenheit, und Erschütterungen von 5 bis 500 Hz mit
umgerechnet 2 g müssen toleriert
werden.
Die Stösse «in jede Richtung»
sind in etwa so, als wenn man den
Labortechniker kopfüber aus einer
Höhe von 390 mm auf einen gefliesten Boden fallen lassen und dann
noch zuverlässige Messungen verlangen würde!
Bild 2 Welche Farbe enthält dieses Bild? Siehe Bild 3
D e r L a n d - E ff e k t
die Kalibrierung, wählen die erforderlichen Farbkoordinaten, richten
Proben ein und erfassen farbmetrische Daten. Dies geschieht etwa
stündlich in einer günstigen Laborumgebung,wobei die Instrumente –
und auch die Techniker – kaum Erschütterungen oder Stössen ausgesetzt sind.
Eine ähnliche Präzision, Zuverlässigkeit und Bedienerfreundlichkeit erwarten Kunden auch von den
W i e w i r Fa r b e n s e h e n
Die Netzhaut des menschlichen Auges besitzt drei Arten von farbempfindlichen
Zellen (sog. Zapfen), die jeweils für einen bestimmten Wellenlängenbereich
«zuständig» sind. Die Spitzen dieser Bereiche liegen bei etwa 440, 544 und 580 nm
(für blaues, grünes und rotes Licht). Die einzelnen Bereiche überlappen sich stark
(Bild 1a), sodass die Netzhaut auf sämtliche Frequenzen zwischen 400 und 700 nm
reagiert.
Ein einzelner Zapfen reagiert nur auf die Intensität des Reizes. Er kann weder
die genaue Wellenlänge des einfallenden Lichts bestimmen noch zwischen monochromatischem Licht (mit einer Wellenlänge) und polychromatischem Licht (mit
einer Kombination aus verschiedenen Wellenlängen) unterscheiden. Hier liegt ein
bedeutender Unterschied zum Hören. Das Gehör ist sehr wohl in der Lage, mit
beträchtlicher Genauigkeit zwischen verschiedenen Wellenlängen zu unterscheiden. So kann ein geschulter Hörer sogar die einzelnen Noten eines Akkordes
bestimmen.
Trotzdem ist der Mensch in der Lage, eine breite Palette von Farben zu sehen. Dies
liegt daran, dass in der Hirnrinde (der Bereich des Gehirns, der für das Sehen
zuständig ist) die Signale der drei Zapfenarten kombiniert werden, wobei jede
Kombination als ein anderer Farbton interpretiert wird.
Im Gegensatz zu diesen wahrgenommenen Farben stellt der L*a*b*-Farbraum die
wirkliche Farbe eines Objektes dar, wobei L* die Helligkeit und a* und b* die Position
zwischen Magenta und Grün bzw. zwischen Gelb und Blau wiedergibt (Bild 1b) .
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ET Licht | Fachteil
Rot ist nicht gleich Rot.Dies zeigt sich
am sogenannten Land-Effekt, der
1977 vom Erfinder der Polaroid-Kamera, Edwin Land, beschrieben
wurde. Für den Menschen besitzen
die meisten Objekte unabhängig
von der Art der Beleuchtung (Tageslicht, künstliches Licht usw.) eine
konstante Farbe. So bleibt Gras, das
bei intensivem Sonnenlicht grün erscheint, trotz der unterschiedlichen
Intensität und spektralen Zusammensetzung der Lichtquelle auch bei
Nacht unter einer Strassenlaterne
grün. Nach Land nehmen wir die
Farbe eines Objekts wahr, indem wir
den dreifarbigen optischen Reiz
(Tristimulus, Bild 2) mit dem benachbarter Objekte vergleichen.
In Bild 2 sind mehrere Farben
sichtbar,oder? Tatsächlich handelt es
sich hier um ein monochromes Bild
aus Rottönen mit einem überlagerten Schwarz-Weiss-Bild. Die einzig
«echte» Farbe in diesem Bild ist Rot,
doch das Gehirn ergänzt weitere Farben, einschliesslich verschiedener
Grün- und Brauntöne (am besten betrachtet man das Bild bei leicht gelbem, künstlichem Licht).
Land demonstrierte diesen Effekt, indem er zwei Fotos eines Mo-
Eine Marke
der Gruppe
Design und Technik vereint
Bild 3 Die Schritte zur Erstellung von Bild 2.
tivs Bild 3a auf einem transparenten Schwarz-Weiss-Film
aufnahm, wobei er einmal
einen roten 3b und einmal
einen grünen Filter 3c vor die
Linse setzte. Dann legte er
beide Bilder mithilfe zweier
Projektoren übereinander.Vor
den Projektor mit dem mit
einem Rotfilter aufgenommenen Bild setzte er einen roten
Filter (3d) und liess das mit
einem Grünfilter aufgenommene Bild schwarzweiss (3e).
Die daraus resultierende Projektion ist in 3f dargestellt. Obwohl keines der beiden Bilder
die Farbe Grün enthält,
scheint die Farbe in der resultierenden Darstellung sichtbar zu sein. Der Farbeindruck
lässt sich durch Verändern der
Intensitäten der Projektoren
zueinander variieren (3g),
wobei die Wahrnehmung der
Bilder davon abhängt, bei welchem Licht sie betrachtet werden. Heute lässt sich dieses Experiment mithilfe der Funktionen zum Mischen von Farbkanälen in Bildbearbeitungssoftware wie Adobe Photoshop (wie hier geschehen) viel
einfacher nachstellen.
Der Land-Effekt ist ein interessantes Beispiel dafür, wie
leicht das Gehirn getäuscht werden kann und Farben «sieht»,
die nicht da sind.Dies wiederum
unterstreicht die Bedeutung
eines absoluten Systems zur
Messung von Farben.
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