Pomiar barw jednorodnych – techniki i oprzyrządowanie

Nasze postrzeganie koloru jest zależne od naszego indywidualnego gustu, na który wpływają takie determinanty jak nastrój, płeć, wiek, ale także zastosowane źródło światła, jasne/ciemne, neutralne/kolorowe środowisko oglądania. Dodatkowym czynnikiem jaki wywołuje trudności w komunikacji odnośnie kolorów jest brak możliwości zapamiętywania konkretnych barw. To wszystko spowodowało konieczność wypracowania standardowych warunków oceny wizualnej kolorów oraz systemów pracy kolorymetrów opartych na spektrofotometrach – urządzeniach pomiarowych, pozwalających opisać każdy kolor za pomocą liczb.

Wystandaryzowane warunki oceny wizualnej

Do kontroli wizualnej barwy (jak również do instrumentalnej) należy określić źródło światła, otoczenie i obserwatora. Kolory dwóch produktów mogą wydawać się zbliżone przy jednym źródle światła (np. światło dzienne), ale przy innym (np. światło fluorescencyjne) już zupełnie różne. W związku z tym dopasowanie lub ewentualne różnice należy zweryfikować w różnych warunkach oświetlenia, które można znaleźć w miejscu sprzedaży lub użytkowania produktu. Międzynarodowe gremium CIE (Commission Internationale de l’Eclairage) znormalizowało powszechnie stosowane źródła światła – standardowe iluminanty. Stanowią one charakterystyki spektralne źródeł oświetlenia symulujące różne typy światła. Powszechnie przyjęto iluminant o symbolu D65 jako standardowe oświetlenie dzienne, najwierniej oddające obserwowane barwy. Inne standardowe źródła światła wystandaryzowane przez CIE przedstawione zostały na fot. 1

Odnośnie wystandaryzowanego otoczenia normy ISO i ASTM definiują otoczenie jako część pola widzenia bezpośrednio otaczającego próbki, jak również otaczające całe pole widzenia, gdy obserwator odwraca wzrok od preparatu. Na podstawie takich specyfikacji powstały kabiny świetlne do wizualnej oceny barwy produktów. Urządzenia te wyposażone są w kilka standardowych źródeł światła (UWAGA! im wyższa klasa przyrządu, tym zainstalowane źródła lepiej odwzorowują spektrum światła rzeczywistego), a ich wewnętrzne powierzchnie powinny odznaczać się neutralną jednolitą barwą. Niektóre źródła specyfikują, że wnętrze kabiny powinny mieć kolor z notacją Munsella N5-N7 i połysk 60° nie większy niż 15 GU.

Obserwator do oceny wizualnej powinien odznaczać się prawidłowym różnicowaniem kolorów i być przeszkolony w zakresie obserwacji i klasyfikowania barw. Zaleca się przeprowadzanie testów wizualnych, aby okresowo sprawdzać widzenie kolorów przez obserwatora, ponieważ może ono zmieniać się w czasie (patrz Przewodnik ASTM E1499). W spektrofotometrach oczy obserwatora zastąpione zostały znormalizowanym receptorem z dwoma różnymi polami widzenia: 2° standardowego obserwatora i 10° standardowego obserwatora (zilustrowane na fot. 2). Obecnie wykorzystuje się głównie funkcje obserwatora 10°, ponieważ oko integruje się na większym obszarze oraz ten typ lepiej koreluje z wrażeniem wizualnym.

Aby mieć pewność, że ocena wizualna barwy w naszym laboratorium prowadzona jest zgodnie z międzynarodowymi normami, a różnicowanie odbywa się w standaryzowanych warunkach warto wyposażyć się w kabinę świetlną. byko-spectra pro – kabina świetlna do oceny barwy firmy BYK Gardner charakteryzuje się najlepszą zgodnością widmową z D65 i najwyższą wiernością odtwarzania barw. Ponadto wyposażona została w aż 7 źródeł światła, by umożliwić ocenę barwy w różnych warunkach oświetlenia. Kabina byko-spectra pro przedstawiona została na fot. 3.

Standaryzowane parametry pomiarowe

W przypadku instrumentalnego pomiaru koloru należy zmierzyć właściwości optyczne produktu. Spektrofotometr mierzy ilość światła odbijanego przez obiekt przy różnych długościach fal w zakresie widzialnym (400 – 700 nm). Krzywa odbicia pokazuje dane widmowe i działa jak „odcisk palca” dla koloru obiektu (fot. 4). Dzięki temu uzyskujemy wartości koloru danego obiektu (dla założonego standardowego illuminantu oraz standardowego obserwatora).

Międzynarodowo znormalizowane systemy kolorów, takie jak szeroko stosowany system CIELab, łączą dane ze standardowego źródła światła, standardowego obserwatora i dane odbicia widmowego w trzech składowych koloru opisujących jasność, odcień i nasycenie koloru. Fot. 5 pokazuje schematycznie system oceny barwy CIELab, w którym każdy kolor stanowi punkt w tej przestrzeni.

Do takiego punktu (koloru) można określić okalającą go przestrzeń, która zawiera odchylenia niezauważalne dla naszych oczu. Ta przestrzeń to nic innego jak tolerancja, jaką określić musimy w naszym systemie kontroli jakości. Jeśli jakiś punkt (kolor) znajdzie się poza tą przestrzenią (tolerancją) będzie to oznaczało, iż nie może pozytywnie przejść kontroli jakości. Tolerancje są ustalane dla każdego składnika koloru lub dla całkowitej różnicy kolorów ΔE*, co obrazuje algorytm poniżej:

System oceny barwy CIELab jest jednym z powszechniejszych systemów w przemyśle. Jednakże na przestrzeni lat, na podstawie wizualnych badań porównawczych opracowano nowe systemy i równania kolorów (przykładowo: ΔECMC – ΔE94 – ΔE99 – ΔE2000). Nowe systemy, bazujące na elipsoidalnych tolerancjach barwy lepiej korelują z ludzkim różnicowaniem koloru. Rozeta barwna przedstawia tolerancję wzroku ludzkiego (fot. 6).

Standardowe geometrie pomiarowe

Międzynarodowe normy specyfikują geometrie pomiaru barwy, które warunkują układ optyczny danego modelu spektrofotometru. W przemyśle stosuje się głównie dwie geometrie: sferyczną (d/8 spin) oraz 45/0. Układy optyczne spektrofotometrów z tymi dwiema geometriami zostały przedstawione na fot. 7.

Pomiar z zastosowaniem obydwu geometrii różni się w odczytach, różnice przedstawione zostały poniżej:

– 45/0 – mierzy kolor tak, jak go widzi ludzkie oko. W przypadku końcowej kontroli jakości jednolitych kolorów zdefiniowano oświetlenie obwodowe pod kątem 45°, umożliwia uzyskanie powtarzalnych wyników na powierzchniach niestrukturalnych i strukturalnych.

– d/8 – mierzy odcień koloru. Jeżeli kolor ma być kontrolowany bez wpływu połysku lub tekstury powierzchni, wymagane jest oświetlenie rozproszone.

Oferowany przez firmę BYK Gardner spektrofotometr spectro2guide (fot. 8) występuje w obydwu geometriach pomiarowych, dzięki czemu jest odpowiedni do każdego typu zadania pomiarowego. Dodatkowymi atutami są:

• wbudowana biblioteka algorytmów systemów barwy, co sprawia, że w prosty sposób możemy przechodzić z systemu CIELab na systemy ważone – dostosowane do tolerancji elipsoidalnych;
• wbudowane algorytmy iluminatów standardowych, dzięki czemu można dokonywać pomiaru w różnych warunkach oświetlenia i kontrolować zmiany koloru;
• wbudowany połyskomierz do kontroli stopnia połysku, który wpływa na postrzeganie barwy;
• wbudowany fluorymetr do oceny zmiany barwy w czasie, po wygaśnięciu energii fluorescencji.

Nowością w ofercie jest stacjonarny spektrofotometr color2view (fot. 9). Urządzenie pozwala na jednoczesny pomiar barwy, połysku (w aż dwóch geometriach pomiarowych: 20 i 60 stopni), a także fluorescencji. Spectro2guide oraz color2view stanowią najwyższą klasę przyrządów pomiarowych, a świadczą o tym najlepsze parametry odtwarzalności i powtarzalności pomiaru. Fakt ten pozwala na tworzenie i pracę ze standardami cyfrowymi i wymianę ich między tymi urządzeniami. Dzięki temu standard tworzony za pomocą spektrofotometru color2view w warunkach stacjonarnej pracy laboratoryjnej może być stosowany podczas pomiarów ręcznym spectro2guide na produkcji.

Autoryzowanym dystrybutorem wszystkich opisanych w artykule urządzeń jest firma PTH Eurotom Sp. z o.o. z siedzibą w Warszawie.

Artykuł został opublikowany w kwartalniku "Świat Przemysłu Kosmetycznego" 3/2023