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Grundlagen Der Farbmessung

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Grundlagen der Farbmessung

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Grundlagen der Farbmessung an Oberflächen

Einleitung •

Farben machen die Welt bunt. Alle Formen , ob von der Natur oder von Men-

schenhand geschaffen, sind immer an ein bestimmtes farbiges Aussehen gebun-

den. Farben haben nicht nur ästhetische, sondern auch kommunikative, symboli-

sche Funktionen: Gebotsschilder im Straßenverkehr sind blau, ein brauner Apfelist sicherlich nicht mehr frisch und purpur steht für die Würde des Königs. Moder-

ne Industrieprodukte sind in der Regel nur dann Markenprodukte, wenn sie wie-

dererkannt werden können. Wichtiges Merkmal ist die Konstanz der produkttypi-

schen Farbe.

Der Begriff "Farbe" wird in der Sprache in unterschiedlicher Bedeutung verwen-

det. Farbe als stoffliche Substanz wird von einem Maler auf eine Leinwand aufge-tragen. Farbe als Eigenschaft eines Gegenstandes wird vom Auge wahrgenom-

men.

Warum Farbmessung?

Die Wahrnehmung von Farben ist ebenso wie die räumliche Wahrnehmung drei-

dimensional. Das bedeutet, dass Farben nur durch drei eindeutige, quantitative

Maßangaben wie z.B. Helligkeit, Buntton und Sättigung beschreibbar sind, es sei

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Zulieferer 1

z.B.

Kunststoffanbauteile

Kaross e

Hersteller

z.B . KFZ

Zulleferer 11z.B

Kunststoffan bautei le iInnenraum .

Zulieferer 111z.B .

Lackherstell er

Karosse

· ............. .1Zu liefe rer LI

z.B.

........... ...L .:Rohstoffliefe rant

: z.8.

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, Granulate I Pigmente I Bindemittel i Lackadditive_ . ________ . ~ . __ .J !_ _____ ____ _ _ _ ' 1 ______ _____ __________ .._., "Lack lieferant i . Granulate

,- -------------._.:Abbildung 1: Produktionskette

Farbmessung reduziert Kosten!

In der Praxis hat man es in der Regel mit unternehmensübergreifenden Verknüp

fungen verschiedenster Industriesparten zu tun , wobei sich' im Rahmen einer Pro

duktionskette eine klare Differenzierung vom Rohstofflieferanten bis zum Auftrag

geber aufzeigen läßt ( Abb .: 1).

Dies verdeutlicht, dass alle involvierten Firmen einer solchen Kette sehr eng

miteinander zusammenarbeiten müssen, vornehmlich im Hinblick auf die Einhal-,tung der abgesprochenen und schriftlich fixierten Toleranz- bzw. Normwerte der

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eine einwandfreie Zusammenarbeit verschiedener Unternehmen muß sein, dassbetriebsinterne Abteilungen gut miteinander kommunizieren. Das Schnittstellen-

prinzip einer Produktionskette lässt sich sinngemäß auch alJlf Einzelunternehmen

übertragen.

Primäres Ziel eines Produktionsbetriebes ist eine beständige, optimale Produkt-qualität bei minimalen Kosten. Also ist es sicherlich nicht in allen Fällen sinnvoll,

eine Farbkontrolle erst in der Warenendkontrolle durchzuführen. In vielen Pro-duktionsprozessen ist es daher angebracht, schon im Wareneingang gezieltFarbkontrollen einzusetzen. Denn treten schon im Wareneingang Farbdifferenzenauf, so bestehen grundsätzlich zwei Regelmechanismen:

1) Finanzielle Regelung mit den Lieferanten

2) Steuerung des eigenen Produktionsprozesses und Ausgleich der Fehlfar-ben durch Korrekturen.

Denn eine Überschreitung der vereinbarten Farbtoleranz in der Endkontrolle, alsonach dem eigentlichen Produktionsprozess, hat eine enorme Kostensteigerungzur Folge. Diese Güter müssen nachgearbeitet oder preisreduziert angeboten

oder gar verworfen werden. Je nach Produkt kann der Schritt in die "Schrottkiste"

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Neben der sinnvollen Farbmessung im Waren eingang ist die Produktionsüberwachung unumgänglich. Denn durch die unterschiedlichen Prozessvariablen wie

z.B. Erhitzen , Strecken, Mahlen, Walzen , Trocknen, Vermischen usw. wird geradehier das Aussehen der Produkte entschieden geprägt. Eine hier eingesetzte

Farbmessung hilft eindeutig, Prozessabläufe zu optimieren und dadurch Kostendeutlich zu reduzieren (Abb. : 3). Dank modernster optischer und elektronischer

Baugruppen ist Farbmesstechnik heute verständlich, einfach, bedienbar und vorallem erschwinglich geworden. Jedoch sollte der interessierte Anwender die nun

nachfolgenden theoretischen Überlegungen beherrschen, um Farbmesstechnik

optimal für sich und seine Aufgaben anwenden zu können.

Grundlagen der objektiven Farbmessung

Bereits 1931 wurden auf internationaler Ebene die Grundlagen der Farbmessung

durch Normierung der Lichtquellen (Normlichtarten), eines Normalbeobachtersund eines Farbkennzeichnungssystems als CIE-Farbsystem definiert ( CIE =

Commission Internationale d'Eclairage ). Um aber mit dem CIE-Fa'rbsystem ar

beiten zu können, sind einige Definitionen erforderlich, die nachfolgend erläutert

werden .

Farbempfindung

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~

Das menschliche Auge

Das menschliche Auge ist ein hochsensibles und komplexes Sinnesorgan. Es

kann ca. eine Million Farbnuancen unterscheiden, und beilliJ direkten Farb

vergleich zwischen einem Referenzmuster und einer Probe erkennt es selbst

kleinste Farbabweichungen. Für die visuelle Farbbewertung ist das Auge jedoch

nur sehr bedingt geeignet, da es sich durch ändernde Umgebungsbedingungen

und den psychischen Zustand des Bewerters sehr leicht täuschen lässt. Hinzu

I I I2,0 I 210

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-- 2 ~ B e o b a c h t e r - - IO'-Beobachter I I

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über der Pupille, befinden sich nur farbempfindliche Zäpfchen, die nach außen

mehr und mehr durch Stäbchen ersetzt werden. Dadurch ändert sich das Farbem

pfinden mit zunehmender Größe der zu bewertenden Fläahe. Aufgrund dieser

Farbreizänderung bei der Betrachtung unterschiedlich großer Farbflächen wurde

1931 ein 2°-Normal beobachter und 1964 ein 10°- Normalbeobachter in der DIN

5033 standardisiert. Der 2°-Normal beobachter bewertet eine Farbfläche in der

Größe einer Geldmünze im Leseabstand von ca. 50cm Entfernung und der 10°Normalbeobachter etwa eine Postkartengröße in der gleichen Entfernung. Zur

Unterscheidung der Messwerte zwischen 2°_ und 10°-Normal beobachter werden

die 10°- Werte mit einem Index (10) versehen.

Der Einfluss der Lichtquelle auf das Farbempfinden

Die Eigenschaft und die Farbtemperatur der Lichtquelle spielen bei der Farbbeur

teilung ebenfalls eine wichtige Rolle. Eine rote, gelbe oder blaue Lichtquelle ist

sicher für eine Farbbewertung ungeeignet, da diese Lichtquellen immer nur einen

Teil der wahrnehmbaren Strahlung aussenden und der beleuchtete Körper wie

derum auch nur diesen Teil wieder reflektieren kann. Die Farbtemperatur hat wie

derum einen Einfluss auf die Weiße der Lichtquelle. Die Normlichtart A wurde be

reits 1931 definiert und entspricht der spektralen Strahlungsfunktion einer 100W

Glühlampe mit einer Farbtemperatur von ca. 2800 Kelvin. Die Normlichart eweist

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Reflektionen an der Probe

Fällt Licht auf eine Probe, so wird ein Teil der auftreffenden Lichtenergie sofort an•der Oberfläche reflektiert (Oberflächenreflexion oder Glanzeindruck). Diese Ober-

flächenreflexion kann als Maß für den Glanzeindruck dieser Oberfläche dienen .

Wird die Oberflächenreflexion diffus gestreut, ist der Glanzeindruck dieser Ober

fläche matt. Eine gerichtete Oberflächenreflexion erweckt den Eindruck einer

glänzenden, hochglänzenden oder gar spiegelglänzenden Oberfläche. Diese

Oberflächenreflexion beträgt in der Regel ca. 4% der auftreffenden Lichtenergie.

Objektives Erfassen des Glanzvermögens (DIN 67530) erfolgt mit Glanzmessge

räten oder sog. Reflektometern (siehe Dr. Lange Anwendungsbericht Nr.7)

Der verbleibende Anteil des Lichtstrahls dringt in die Oberfläche ein und wird an

den dort plazierten Farbmitteln oder farbigen Pigmenten durch Absorption und /

oder Streuung umgewandelt in farbige Lichtstrahlung, die gestreut, diffus, wiederaus dem Körper austritt und ihm sein farbiges Aussehen verleiht.

Farbeindruck

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1

1

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11

Die Methoden der Farbmessung

Die Farbbewertungen unterscheiden sich grundsätzlich in die drei Methoden:

•- Gleichheitsverfahren

- Dreibereichsverfahren

- Spektralverfahren

Das Gleichheitsverfahren

Beim Gleichheitsverfahren wird die zu bewertende Probe mit einer Farbreferenz

visuell, d.h. mit dem Auge, auf Farbgleichheit bewertet. Entscheidende Nachteile

der visuellen Farbbewertung nach dem Gleichheitsverfahren sind u.a. der

Einfluss durch die subjektive Bewertung ( Farbenfehlsichtigkeit des Bewerters

oder ungünstige, schwankende Lichtverhältnisse ) und die Schwierigkeiten beider Zuordnung, wenn Farbtonabweichungen durch Rot- oder Grünstich zwischen

dem Produkt und der Farbvergleichsskala vorliegen. Letzteres wird zwar in den

Normen ausdrücklich unterbunden durch den Hinweis, dass nur sol che 'Produkte

nach diesen Methoden bewertet werden dürfen, die im Farbton der Farbvorlage

ähnlich sind, Dies wird jedoch in der Praxis häufig (gerne) übersehen, da der

Ausdruck "ähnlich" auch sehr dehnbar ist.

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Lichtleitkabel

Probenöffnung

o tik

... . . ~ l 1 0 ~ - - 7 0 ~ ~ ~ ~ o

Anzeigendisplay

•L* a*

73.6 1.4

Rechnerelektronik

b*

3.9

B e d i e n t a s t a t u r 4 ~ - - -

Abbildung 8: Prinzip 3 - Filter Farbdifferenzmessgerät

Das Spektralverfahren

Das Spektralverfahren untergliedert sich in einen spektralphotometrischen und in

einen farbmetrischen Teil. Der spektralfotometrische Teil dient zur Aufnahme der

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der Reflexionsgrad der Probe ß( A} in 1 Onm- oder 20nm -Schrittweite gemessen.

Aus der Normlichtart S(A}, den Normspektralwertfunktionenx :; (A), YA) bzw. ; (A)

•und den gemessenen Reflexionsgraden ß( A} werden die Normfarbwerte X, Y und

Z nach den Gleichungen (4) bis (6) berechnet (vgl. DIN 5033 Teil 4).

720

X = k * f S ( ) ' ß ( ) * dA (4),l,=380

720

Y = k * f S(A)*Y(A)*ß(A)* dA (5),1,=380

720

Z = k * f S(A)* ' ß(A)* dA (6)..t=380

Der Faktor k (Gleichung (7}) dient zur Normierung des Normfarbwertes.Yfür

Idealweiß . Dadurch ist der Normfarbwert Yn für alle Normlichtart- und Normalbe

obachterkombinationen immer gleich 100.

Die Normfarbwerte X, Y und Z bilden dieBasis der Farbmetrik. Da diese aber keine

k =

100720

f S(A) * Y(A) * dA

(7)

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Metamerieindex

Der Metamerieindex beschreibt einen Farbabstand zwischen'zwei Proben, derdurch einen Lichtartenwechsel entsteht. Das heisst, zwei zu betrachtende Probensehen z.B. unter Normlichtart 065 vollkommen gleichaus und weisen bei einemWechsel nach Normlichtart A einen deutlich sichtbaren Farbabstand auf. Hier

spricht man auch von metameren Proben. Der Metamerieindex ist, neben demermittelten Farbabstand zweier Proben, ein zusätzliches Merkmal für die Güte derÜbereinstimmung. Je kleiner der Metamerieindex, desto besser ist die Überein

stimmung der Proben.

'H O n ~ f i k d " , Ü I ~ s Sk .. h ...><'e...... I

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Bei strukturieten Proben ist es sinnvoll , die zirkulare Beleuchtung zu wählen .· Bei

ein- oder zweiseitig gerichteter Beleuchtung können, je nach Struktur der Probe,

Schatten entstehen, die zu einer Fehlbewertung führen . •

Die Beobachtung des reflektierten Lichtes findet mit gerichteter Beobachtung

unter 0°, also senkrecht zur Probenoberfläche, statt. Bei hochglänzenden Ober

flächen findet eine Messung unter Ausschluss der gerichteten Reflektion ( Glanz)

statt.

Beleuchtung

0 /OOBeobachtung

/ 45°

Probenkörper

Abbildung 12: 45°10° - Messgeometrie

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(ll

Die Farbmetrik und genormte Farbsysteme

Die Messtechnik dient also zur Ermittlung der Reflexionsgrade R380 bis R720

(Spektralverfahren) bzw. der Reflexionsgrade Rx, Ry und Rz. (Dreibereichs- oder

Filterverfahren). Sind diese bekannt, kann erst mit der eigentlichen Farbmetrik

begonnen werden. Die Normfarbwerte X, Y und Z werden entsprechend den auf

geführten Gleichungen und Beispielen berechnet. Sie bilden die Basis der Farb

metrik. So wie die Lehre der Geometrie das Verhältnis eines Punktes im dreidimensionalen kartesischen Raum beschreibt, so beschreibt die Farbmetrik einen

Farbort im Farbraum der realen Farben. Da aber die Normfarbwerte X,Y und Z

keine direkte Information über Helligkeit, Buntton oder Farbsättigung der Probe

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x(8) y =

X + Y +ZY

(9)=X + Y + Z

Trägt man die Normfarbwertanteile x und y für alle realen Körperfarben in ein Dia

gramm, so erhält man eine graphische Darstellung, die durch einen sog. Spektral

farbenzug begrenzt wird (Abb. 14 ). In einer Ebene des Farbraumes sind nur

Farbarten gleicher Helligkeit darzustellen. Farbarten verschiedener Helligkeiten

liegen folglich mit ihren Farborten in verschiedenen Farbtafelebenen. In der Praxis werden jedoch Farbarten mit unterschiedlichen Helligkeiten in eine Farbtafel

ebene eingezeichnet und der Helligkeitswert zahlenmäßig angegeben. Zur gra

phischen Darstellung der drei Größen Helligkeit, Buntton und Sättigung einer

Farbvalenz wäre eine räumliche Darstellung notwendig.

Grundsätzlich muss bei der graphischen Darstellung der Farben der bei der Mes-

sung bzw. Berechnung verwendete Normalbeobachter berücksichtigt werden, da (sich der Kurvenzug und der Farbort der Lichtquelle zwischen 2° und 10° Normal

beobachter unterscheiden.

L*a*b* - Farbenraum

Anschaulicher als das Normvalenz-System ist der L*a*b*-Farbenraum ( Abb .1 5 ).

Das L*a*b*-System (u.a. DIN 6174 [2]) ist ein dem subjektiven Farbempfinden

angepasstes Farbsystem. Ein großer Vorteil des CIE-L*a*b*-Systems besteht

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L* L1b

• L1L*+ b*

C*

- a * / "0/ + a *

-b*

Abbildung 15: CIE -L*a*b* - System nach D IN 6174

Die L , a*, b* - Werte werden aus den Normfarbwerten nach Gleichung (10) bis

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Farbabstand t.E*

Der Farbabstand t.E* berechnet sich aus den Differenzen öer L*,a*,b* - Werte

zweier Farben nach DIN 6174.

t:,E* =J(

t.L

*)'+ (t.a

*)'+ (t.b *)

'mit

M* = Lp *-LB*

t.a* = ap * - aB*

t.b* =bp * bp*

(15)

(16)

(17)

(18)

Für unbunte Farben und für leicht farbstichige Grautöne vermittelt die (11Aufspaltung in die Beiträge t.L*,t.a* und t.b* sofort die Richtung des tatsächlichen

Farbunterschiedes. Es gilt nahezu:

t.L* positiv Probe ist heller als Bezug

negativ Probe ist dunkler als Bezug

t. a* positiv Probe ist röter als Bezugnegativ Probe ist grüner als Bezug

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veranschaulicht und wird in DIN 55981 und ISO 787 - 25 für nahezu unbunte Far

ben verwendet.

Für bunte Farben definiert DIN 6174 eine Aufspaltung des G ~ s a m t f a r b a b s t a n d e s E * nach Helligkeit,Buntheit und Buntton.

mit s=-1 , wenn a*pb*s>a*sb*p und s=1 sonst.

mit ~ C * . b = Buntheitsbeitrag oder Sättigungsunterschied

und ~ H * a b = Bunttonbeitrag oder Farbtonunterschied.

~ C * a b positiv

negativ

Probe ist brillanter,klarer als Bezug

Probe ist stumpfer, trüber als Bezug

(19)

(20)

(21)

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Modifizierter Farbabstand L\E*'4

Praktische Industrieanwendungen zeigen, dass akzeptierte und nicht-akzeptierte

Farbabstände nach L\E* einen gleichen Zahlenwert z.B L\E "'ab = 1 aufweisen. So

wird beispielsweise bei stark gesättigten Farbtönen ein L\E*ab = 1 viel eher ak

zeptiert als bei unbunten oder pastell Farbtönen. Ebenso wird bei brillanten Far

ben für eine Buntheitsabweichung ( Sättigung) L\C*ab vielfach eine deutlich grös

sere Toleranz zugelassen als für eine gleichgroße Bunttonabweichung L\H*.b . Für

die Praxis wäre eine Farbabstandsformel mit einem einheit lichenToleranzwert

L\E* ideal. Aus diesem GrUnde sind Modifikationen der CIE - Formel erarbeitet

worden, die die vorhandenen Abhängigkeiten von Farbe und Richtung eines

Farbunterschiedes berücksichtigen.

Eine Empfehlung der CIE ist die Verwendung der Farbabstandsformel L\E*94. Hier

werden die Komponenten L\C*'b ,L\H*ab und L\L* der CIE - L*a*b* Formel durch

Zusatzfaktoren modifiziert.

mit S = Konstanten für ausgleichende Gewichtung der inneren

(22)

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Sonderfarbmetrik

In einigen Bereichen der Industrie werden überwiegend weiße Produkte

hergestellt. Für die unterschiedlichsten Anwendungsfälle aus Papier, Textil

Chemie usw. wurden Weißgradformeln aufgestellt um in einer einzigen Kennzahl

die Weiße der Produkte auszudrücken. Die gängigsten Weißgradformeln sind

nachfolgend aufgeführt.

Weißgrad nach Berger

Ws = Ry + 3( Rz - Rx}

Whiteness Index

WI =3*(1 ,242 Z - Y}

Gelbwert

(23)

(24)

Um die Vergilbung eines weissen Produktes zu beschreiben, ~ i r d der.Gelbwert

( DIN6167 ) oder Yellowness Index ( ASTM 0 1925) berechnet:

aeX - beZG = ~ = - - - = - - - = -

y

Die Faktoren a,b sind der Tabelle zu entnehmen:

, ,

(25)

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Hierin bedeuten:

Ro der Reflexionsfaktor eines Probenblattes über einer vollkommen schwarzen

Unterlage

R. . der Reflexionsfaktor des gleichen Probenblattes auf einem Stapel von Blättern

des gleichen Papiers gelegt, der dick genug ist, um kein Licht hindurchtreten

zu lassen.

Die Transparenz Tin % ist ein Maß für die Lichtdurchlässigkeit eines Papieres

( DIN53147). Sie wird mit den nach DIN 53145 ermittelten Reflexionsfaktoren wie

folgt ermittelt:

T = (!?w - 8.,,)[ 10000 - 8.,,]R,.W )

Hierin bedeuten:

(27)

Ro Reflexionsfaktor in % des einzelnen Blattes über einer vollkommen schwarzen

Unterlage

Rw Reflexionsfaktor in % des einzelnen Blattes über einer weissen Unterlage

R(W) Reflexionsfaktor in % der weissen Unterlage

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, ~

Normen und Literatur

DIN 5033

DIN 6172

DIN 6174

DIN 53146

DIN 53147

DIN 53236

DIN 6167

ASTM 1925

Loos, Hansl

Möller Kemsa,

Jürgen

Schröder, Uwe

Farbmessung Teil 1-8.•

Metamerie- Index von Probenpaaren bei Lichtartenwechsel

Farbmetrische Bestimmung von Farbabständen bei Körperfar

ben nach der CIE - LAB - Formel.

Prüfung von Papier und Pappe; Bestimmung der Opazität

Prüfung von Papier und Pappe; Bestimmung der Transparenz

Prüfung von Farbmitteln; Mess und Auswertebedingungen zur

Bestimmung von Farbunterschieden bei Anstrichen, ähnlichen

Beschichtungen und Kunststoffen

Bestimmung des Gelbwertes bei Kunststoffen

Farbmessung, Verlag Beruf + Schule 1989.

Farbmessung an transparenten Flüssigkeiten,

SÖFW Nr. 15/1991.

Einbindung von Farb- und Glanzmesssystemen

in ein Qualitätsmanagementsystem, Welt der Farben 1/1995

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Lab-SYSTEM

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CIE 1976 L* a* b* (CIELAB)

L* = 116 Y* - 16

a* = 500 (X * - Y*)

b* = 200 (y* - Z*)

wobei X* =\j /Xn für X/Xn > 0,008856

bzw. X* = 7,787 (X/Xn) + 0,138 für X/Xn ~ 0,008856

Berechnung von Y* und Z* analog X*

Farbdifferenz

I':, E* = V I':,L*)2 + (l':,a*)2 + (l':,b*)2

(Weiß)

L=100

gelb

+b

HUNTER Lab

L = 10-y"{

17,5 (1,02X-Y)a=

-y"{b = 7,0 (Y -0,847 Z)

-y"{

- - - - a--.,,, JIC.--+ a- ----.""

BYK-Labotron Messtechnik AGLausitzer Str. . 0-8192 Geretsried'ß!5'

(0 81 71) 493-0Illi 527 851 . [fu] (0 81 71) 493-40

blau

-b

L=O

(Schwarz)

Xn, Yn, Zn sind die Normfarbwerte einer vollkommen

mattweißen Fläche für die Lichtart und den Normalbeobachter, auf den sich die Normfarbwerte X, Y, Zbeziehen.

Lichtart/Beobachter

Al2° 109,85 100,00 35,58

C/2° 98,07 100,00 118,22

D65 /2° 95,05 100,00 108,90

Xn Yn Zn

Al l 0° 111,14 100,00 35,20

C/l0° 97,28 ' 100,00 116,14

Dssl10° 94,81 100,00 107,34