Jednolity odcień koloru poszczególnych elementów wyrobu finalnego odgrywa znaczącą rolę w przypadku wielu produktów. Jest to trudne do osiągnięcia wówczas, gdy poszczególne części jednego wyrobu produkowane są w różnych oddziałach jednej lub wielu firm – poddostawców. Dodatkowo postrzeganie barwy uwarunkowane jest czynnikami zewnętrznymi, jak kolor otoczenia, struktura powierzchni, jasność i połysk. Na zdefiniowanie barwy mają wpływ następujące trzy składowe: źródło światła, obserwator oraz próbka. Na podstawie tych elementów powstały systemy barw, służące do numerycznego zapisu danego koloru. Systemy te stanowią narzędzie do określania, analizy i dokumentacji barwy i jej różnic.
Źródło światła
Postrzeganie barw przez oko ludzkie zależy od oświetlenia, chociaż barwa jako własność fizyczna materiału, jest od oświetlenia niezależna. Z tego względu należy definiować źródło światła. Użyte do pomiaru barwy źródło światła musi wykazywać ciągłość energii w całym paśmie spektralnym widzenia (od 400 do 700 nm). CIE (Commission Internationale de I’Eclairage – Międzynarodowa Komisja Oświetleniowa) definiuje źródło światła przez ilość emitowanej energii przy każdej długości fali (względny spektralny rozkład energii).
Najważniejszymi znormalizowanymi rodzajami światła są:
- światło dzienne D65, C
- światło żarowe A
- światło świetlówek F2 , F11
Obserwator
Obserwator jest ważnym elementem systemu określania barwy. Światło odbite od barwnego przedmiotu trafia do ludzkiego oka, przechodzi przez soczewkę i pada na siatkówkę. Tam znajdują się trzy różne receptory światłoczułe: jeden z nich reaguje na światło czerwone, drugi na zielone, a trzeci na światło niebieskie. Ich łączne działanie sprawia, że w mózgu powstaje odczucie barwy. Aby określić stopień czułości receptorów, CIE dokonała w latach 1931-1964 systematycznego testowania ludzkiego wzroku. Na podstawie osiągniętych wyników ustalono dwa normatywne kąty obserwacji: 2° i 10°; odpowiadają one mniejszemu i większemu polu widzenia.Przy obserwacji przedmiotu sygnał wizualny z oka jest rezultatem całkowania na dużej powierzchni. Ten fakt odzwierciedla najbardziej sytuacja obserwatora znormalizowanego 10°.
Obiekt
Źródło światła i obserwator zostali określeni normatywnie przez CIE i ich krzywe spektralne zapamiętane w spektrofotometrach do pomiaru barwy. Jedynymi zmiennymi pozostałymi do określenia są optyczne właściwości przedmiotu. Urządzenia do pomiaru barwy mierzą światło odbite od powierzchni przedmiotu. Zjawisko odbicia dotyczy wszystkich długości fali w całym widmie widzialnym, a uzyskane wyniki pomiarów zwane są danymi spektralnymi reflektancji. Przykładowo, czarny przedmiot nie wykaże odbicia światła w całym paśmie widma widzialnego (0% reflektancji), natomiast powierzchnia idealnie biała odbije całe światło (100% reflektancji). Wszystkie inne barwy odbijają światło tylko w określonych strefach spektrum. Stąd każda barwa ma specyficzną krzywą spektralną porównywalną ze wzorem odcisków palców.
Systemy barw
Systemy barw są kombinacją informacji pochodzących od trzech elementów:
- źródła światła
- obserwatora
- obiektu
Systemy te stanowią narzędzie do określania, analizy i dokumentacji barw i jej różnic. System barw zalecany przez CIE to system o nazwie CIELab. Jest to układ współrzędnych prostokątnych i składa się z dwóch osi, a* i b*, które usytuowane są względem siebie pod kątem prostym i definiują tonację barwy. Trzecia oś oznacza jasność L*. Jest ona prostopadła do płaszczyzny a* b*. W systemie tym można określić każdą barwę poprzez współrzędne L*, a*, b*. Alternatywnie używa się współrzędnych L*, C*, h°. C* ( = chroma) oznacza nasycenie barwy natomiast kąt hº jest innym oznaczeniem faktycznego odcienia barwy (kąt tonacji barwy). By wytwarzać zawsze jednakowy kolor, trzeba ustalić wzorzec (standard) i porównywać z nim bieżącą produkcję – typowa sytuacja na linii klient/dostawca. Porównuje się tu i ustala oraz zapisuje różnice barwy a nie ich wartości bezwzględne. Zazwyczaj całkowita odchyłka barwy ΔE* stanowi o zgodności barw.
ΔE* = [(ΔL*)² + (Δa*)² + (Δb*)²]½
Dwie pary próbek mogą wykazywać te same wartości ΔE*, jednak wizualnie okażą się różne.
Do ustalenia rzeczywistych odchyłek barwy należy przeanalizować składowe ΔL*, Δa*, Δb*, lub ΔL*, ΔC*, ΔH*. Różnice są obliczane i interpretowane jak następuje:
Δ = wartości próbki minus wartości wzorca
Klient i dostawca muszą się porozumieć co do dopuszczalnej różnicy barwy. Uzgodnione wartości i tolerancje zależą zarówno od wymagań klienta, jak również od możliwości technicznych dostawcy.
Przyrządy do pomiaru barw
W przemyśle stosowane są dwa rodzaje geometrii pomiarów: geometria 45/0 i geometria sferyczna (d/8).
Barwa, jak ją widzi oko
W przyrządach o geometrii 45/0 zastosowano oświetlenie kierunkowe cyrkularne pod kątem 45°, a pomiar reflektancji (natężenia światła odbitego) odbywa się pionowo nad próbką, czyli pod kątem 0° do normalnej. Oświetlenie cyrkularne jest konieczne do uzyskania powtarzalności wyniku pomiaru oraz uniknięcia zależności wyniku od kierunku pomiaru na strefach silnie fakturowanych lub o wzorze powierzchni noszącym cechy kierunku. Za pomocą tej geometrii barwa zostanie oceniona tak, jak w normalnych warunkach wzorcowania wizualnego. Gdy czytamy, na przykład czasopismo wydrukowane na papierze o wysokim połysku, trzymamy je tak, aby odbicie źródła światła nie oślepiało nas. Jeżeli porównujemy przedmiot o wysokim połysku z próbką, która wykazuje tę samą pigmentację, lecz jest matowa lub strukturalna, nasze oko postrzega przedmiot o wysokim połysku jako ciemniejszy, a jego barwy jako bardziej nasycone. Właśnie taki rezultat da pomiar przyrządem o geometrii 45/0.
Różnice w połysku/strukturze powierzchni odczytywane są przez przyrząd jako różnice barwy
Geometria 45/0 jest wrażliwa na połysk i ogólnie zgodna z wrażeniem wizualnym człowieka. Cechy te są bardzo istotne w następujących zastosowaniach:
- porównywanie różnych serii w procesie produkcji
- stała wizualnie barwa przy produkcji, gdy następuje montaż wielu części o różnym pochodzeniu (materiale wykonania)
Kontrola fizycznej tonacji barwy
W geometrii sferycznej d/8 próbka oświetlona jest światłem rozproszonym (dyfuzyjnie – stąd litera d w oznaczeniu), za pomocą kuli pokrytej bielą. Przesłona we wnętrzu kuli sprawia, że światło nie pada bezpośrednio na powierzchnię próbki. Pomiar następuje pod kątem 8°. Przyrządy o takiej geometrii występują w dwóch wariantach, zależnie od ich konstrukcji i przeznaczenia: spin oraz spex. Wariant „spin” (od angielskiego „specular included”) oznacza, iż mierzone jest całkowite światło odbite od próbki: odbicie dyfuzyjne (barwa) + odbicie kierunkowe (połysk). Efektem takiej geometrii pomiaru jest uniezależnienie odczytu barwy od połysku. Wynik pomiaru barwy jest niezależny od tego, czy powierzchnia próbki jest połyskliwa, czy matowa, czy też o wyraźnej strukturze.
Różnice w połysku lub strukturze powierzchni nie wpływają na różnice odczytu barwy
Geometria pomiaru typu „spin” nadaje się do następujących zastosowań:
- badanie mocy barwy w zależności od czasu dyspersji
- test wpływu warunków klimatycznych na pigment
- recepturowanie farb
W układzie „spex” (specular excluded) pułapka połysku pochłania ukierunkowane światło odbite od próbki (połysk = składowa zwierciadlana ). W tej konfiguracji symulowany jest odczyt barwy zgodny z oceną wizualną, podobnie do geometrii 45/0. Dla powierzchni matowych i o połysku średnim występują jednak znaczące odchyłki w odczytach między 45/0 a geometrią sferyczną d/8 typu „spex”, ponieważ pułapka połysku niecałkowicie eliminuje komponentę połysku.
Wychodząc naprzeciw potrzebom standaryzowania wzorców i prowadzania jednolitej produkcji należy stosować przyrządy do pomiaru barwy – spektrofotometry, spełniające wymogi i założenia znormalizowanych systemów barw, akceptowanych na forum międzynarodowym. Produkty firmy BYK-Gardner stanowią rodzinę przenośnych spektrofotometrów barwy – spectro-guide, o parametrach i dokładności stacjonarnych urządzeń laboratoryjnych. Urządzenia te zyskały światową renomę dzięki najwyższej powtarzalności i odtwarzalności pomiarów, doskonałej zgodności międzyprzyrządowej oraz stabilności pracy w różnej temperaturze otoczenia (szczególnie ważne przy wysokich temperaturach na halach produkcyjnych).
Barwa-połysk-fluorescencja
Urządzenie spectro2guide zachowuje atut poprzedniej generacji – wbudowany połyskomierz 60°, a także pozwala na detekcję i pomiar fluorescencji. Jednoczesna kontrola barwy i połysku ma duże znaczenie gdyż wygląd przedmiotów wyznaczają najczęściej oba te parametry. Dwa identyczne detale o tej samej fizycznie barwie lecz różnym połysku będą dawać różne wrażenia kolorystyczne: detal o wyższym połysku wyda się w swej barwie ciemniejszy i bardziej nasycony. Spektrofotometry marki BYK Gardner to jedyne na rynku przyrządy pozwalające na jednoczesny pomiar koloru i połysku, wskazujący w jasny sposób źródło różnicy wyglądu. Spectro2guide jest także jedynym spektrofotometrem z wbudowanym fluorymetrem. Jednoczesny pomiar zarówno barwy jak i fluorescencji pozwala określić nie tylko aktualne parametry wizualne powłoki ale także uzyskać informację o ich stabilności względem czasu. Dodatkowo urządzenie wyposażone jest w stację dokującą z wbudowanym standardem, co umożliwia automatyczną kalibrację oraz modem WiFi do transmisji danych. Bardzo ważnym aspektem w tworzeniu drugiej generacji tych urządzeń było dostosowanie spectro2guide do pracy z oprogramowaniem smart-chart, które jest kompatybilne ze wszystkimi miernikami firmy BYK Gardner.
Geometrie pomiaru barwy
Rozpatrując pomiary barwy należy rozróżnić dwie geometrie: geometria 45/0 i geometria sferyczna d/8. Spektrofotometry mierzące w geometrii 45/0 pozwalają na odczyty wartości barwy w taki sposób jak widzi ją oko ludzkie. W przyrządach tych zastosowano oświetlenie kierunkowe cyrkularne pod kątem 45°, a pomiar reflektancji (natężenia światła odbitego) odbywa się pionowo nad próbką, czyli pod kątem 0° do normalnej. Geometria 45/0 jest wrażliwa na połysk i ogólnie zgodna z wrażeniem wizualnym człowieka. Różnice w połysku/strukturze powierzchni odczytywane są przez przyrząd jako różnice barwy. Cechy te są bardzo istotne w następujących zastosowaniach:
- porównywanie różnych serii w procesie produkcji,
- stała wizualnie barwa przy produkcji, gdy następuje montaż wielu części o różnym pochodzeniu (materiale wykonania).
Druga z geometrii – d/8 pozwala na kontrolę fizycznej tonacji barwy. W geometrii sferycznej d/8 próbka oświetlona jest światłem rozproszonym (dyfuzyjnie – stąd litera d w oznaczeniu), za pomocą kuli pokrytej bielą. Przesłona we wnętrzu kuli sprawia, że światło nie pada bezpośrednio na powierzchnię próbki, a pomiar następuje pod kątem 8°. Przyrządy o takiej geometrii występują w dwóch wariantach, zależnie od ich konstrukcji i przeznaczenia: spin oraz spex. Wariant „spin” (ang. specular included) oznacza, iż mierzone jest całkowite światło odbite od próbki: odbicie dyfuzyjne (barwa) + odbicie kierunkowe (połysk). Efektem takiej geometrii pomiaru jest uniezależnienie odczytu barwy od połysku. Wynik pomiaru barwy jest niezależny od tego, czy powierzchnia próbki jest połyskliwa, matowa, czy też o wyraźnej strukturze. Geometria pomiaru typu „spin” nadaje się do następujących zastosowań:
- badanie mocy barwy w zależności od czasu dyspersji
- test wpływu warunków klimatycznych na pigment
- recepturowanie farb
W układzie „spex” (ang. specular excluded) pułapka połysku pochłania ukierunkowane światło odbite od próbki (połysk = składowa zwierciadlana). W tej konfiguracji symulowany jest odczyt barwy zgodny z oceną wizualną, podobnie do geometrii 45/0. Dla powierzchni matowych i o połysku średnim występują jednak pewne odchylenia w odczytach między 45/0 a geometrią sferyczną d/8 typu „spex”, ponieważ pułapka połysku niecałkowicie eliminuje komponentę połysku.
Do tej pory spektrofotometry serii spectro-guide dostępne były w wariantach 45/0 oraz d/8 spin, do pomiaru w tych dwóch geometriach. Najnowszym urządzeniem w ofercie firmy BYK Gardner jest druga generacja spektrofotometrów jednokątowych – spectro2guide. Innowacją wprowadzoną w tej generacji jest kolejna geometria pomiaru d/8 spin i spex, pozwalająca na pomiar koloru zarówno z uwzględnieniem struktury i połysku powierzchni jak i kontrolę fizycznej tonacji barwy.