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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bestimmen eines farbmetrischen
Wertes, insbesondere eines Weißgrades,
einer einen optischen Aufheller enthaltenden Materialoberfläche nach
dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Zur
farbmetrischen Bewertung einer Materialoberfläche mittels der Normfarbwerte
X, Y und Z, aus denen sich die Koordinaten L*, a*, b* im Farbraum
CIE 1976 (CIELAB) und der Weißgrad
von Materialoberflächen
ermitteln lassen, werden nach dem derzeitigen Stand der Technik
Remissionsspektren der gegebenen Oberfläche aufgenommen. Diese werden
nach einem gängigen
Standard, beispielsweise der DIN 5033, in Farbkoordinaten der Materialoberfläche überführt. Derartige
Farbkoordinaten sind die oben erwähnten L*, a*, b*-Farbwerte bzw. der Weißgrad unter
einer gegebenen Art der Beleuchtung. Diese wird als Lichtart bezeichnet
und ist teilweise standardisiert. So werden beispielsweise verschiedene
Lichtarten mit charakteristischen spektralen Intensitätsverteilungen
als Lichtart A, B, C, D65 oder F11 bezeichnet.
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Eine
Bestimmung der farbmetrischen Werte für beliebige Lichtquellen ist
jedoch dann aus einem einzigen Remissionsspektrum nicht möglich, wenn die
Materialoberfläche
fluoreszierende Eigenschaften aufweist. Dies ist insbesondere bei
einer Vielzahl von Materialoberflächen bei der Papier- und Textilverarbeitung
der Fall. Die Bestimmung der farbmetrischen Werte ist unter Ver wendung
der derzeit eingesetzten Spektrometer lediglich für die Lichtart
korrekt, bei der das Remissionsspektrum aufgenommen wurde und weicht
für andere
Lichtarten zum Teil erheblich von den tatsächlich wahrgenommenen Farbtönen ab.
Fluoreszierende, optische Aufheller enthaltene Materialoberflächen erscheinen
daher zum Beispiel unter Kaufhausbeleuchtung in einem ganz anderen
Farbton als im hellen Tageslicht auf der Straße. Der bei der einen Lichtart
bestimmte remissionsspektroskopisch bestimmte farbmetrische Wert
ist daher nur für
diese eine Lichtart gültig
und kann bei Vorliegen einer anderen Lichtart nicht verwendet werden.
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Eine
farbmetrisch vollkommen exakte spektroskopische Vermessung einer
mit optischen Aufhellern modifizierten Materialoberfläche ist
nur durch das Aufnehmen bispektral gewonnener Remissionsspektren
möglich.
Dabei wird die Materialoberfläche mit
Licht verschiedener Anregungswellenlängen bestrahlt und zu jeder
Anregungswellenlänge
die dabei erzeugte Remission spektral aufgenommen. Derartige Messungen
erfordern jedoch einen beträchtlichen und
kostspieligen Geräteaufwand,
der im allgemeinen nicht vertretbar in technische Produktionsabläufe und
Gütekontrollen
integriert werden kann.
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Andererseits
ist mit den herkömmlichen,
d.h. nicht bispektral arbeitenden Remissionsspektrometern keine
Justage auf eine andere Lichtart möglich. Derartige Geräte arbeiten üblicherweise
mit einer fest eingebauten Xenon-Lichtquelle,
die mit einer Anordnung von Kantenfiltern so modifiziert werden kann,
dass sich dadurch die Lichtart einer gefilterten Xenon-Lichtquelle
erzeugen lässt.
Diese entspricht mehr oder weniger befriedigend der Lichtart D65.
Andere Lichtarten, wie zum Beispiel die Lichtart F11, können dagegen überhaupt
nicht oder nur mit einem unvertretbar aufwändigen Umrüsten der gesamten Spektrometeranordnung
nachgestellt werden. Die üblichen
Spektrometerkonstruktionen lassen dies grundsätzlich nicht zu.
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Bislang
fehlt demnach ein Verfahren, mit dem sich im Rahmen eines einfachen,
d.h. nicht bispektralen und herkömmlichen
remissionsspektroskopischen Messprozesses unter einer gegebenen Lichtart
farbmetrische Werte einer fluoreszierenden Materialoberfläche bestimmen
lassen, die auch für andere
Lichtarten exakt sind oder die sich in für die anderen Lichtarten exakte
Werte überführen lassen.
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Es
ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein derartiges Verfahren
zum Bestimmen der farbmetrischen Werte einer fluoreszierenden Materialoberfläche anzugeben.
Das Verfahren soll problemlos in Fertigungsprozesse integrierbar
sein und mit einem geringen apparativen und zeitlichen Aufwand unter
Verwendung nur einer Lichtart einen farbmetrischen Wert liefern,
der für
andere Lichtarten gilt oder in einen entsprechenden farbmetrischen
Wert für
die anderen Lichtarten exakt umrechenbar ist.
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Die
Aufgabe wird mit einem Verfahren zum Bestimmen eines farbmetrischen
Wertes einer einen optischen Aufheller enthaltenden Materialoberfläche mit
den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Die Unteransprüche enthalten
zweckmäßige bzw.
vorteilhafte Ausführungsformen
des erfindungsgemäßen Verfahrens.
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Das
Verfahren zeichnet sich durch folgende Verfahrensschritte aus:
Ein
Proben-Remissions-Spektrum der Materialoberfläche wird bei der ersten Lichtart
aufgenommen. Hierzu kann eine herkömmliche, bei der ersten Lichtart
arbeitende Spektrometeranordnung verwendet werden.
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Das
Proben-Remissions-Spektrum wird in einen Proben-Fluoreszenz-Anteil
und einen Proben-Reflexions-Anteil für die erste Lichtart separiert.
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Der
dabei erhaltene Proben-Fluoreszenz-Anteil unter der für die Messung
eingesetzten ersten Lichtart, zum Beispiel der üblicherweise verwendeten Lichtart
Xe(Filter) einer Xenon-Lampe mit einem Kantenfilter zum Abgleich
des UV-Anteils auf das
mittlere Tageslicht der Lichtart D65, wird über einen empirisch ermittelten
Fluoreszenzfaktor bzw. einer Fluoreszenzfunktion in den Proben-Fluoreszenz-Anteil
unter der zweiten Lichtart, für
die die Farbkoordinaten bzw. der Weißgrad ermittelt werden soll,
umgerechnet.
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Der
empirische Fluoreszenzfaktor bzw. die Fluoreszenzfunktion für die zweite
Lichtart wird aus dem Quotienten der aus bispektralen Spektren gewonnenen
Fluoreszenzspektren für
diese zweite Lichtart und dem Fluoreszenzspektrum für die erste Lichtart,
beispielsweise Xe(Filter), ermittelt.
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Der
empirische Fluoreszenzfaktor liefert für Lichtarten, für die sich
die Form des Fluoreszenzspektrums des Aufhellers nicht oder nur
geringfügig unterscheidet,
zum Beispiel für
die Normlichtarten A, B, C und D65, bereits gute Übereinstimmungen.
Bei Lichtarten mit einer deutlichen spektralen Linienstruktur, beispielsweise
der Lichtart F11, ist dagegen die wellenlängenabhängige empirische Fluoreszenzfunktion
zu verwenden. Bei derartigen Lichtarten unterscheiden sich die Proben-Fluoreszenz-Anteile nicht
nur in den Intensitätsbeträgen, sondern
auch in der Form des Spektrums.
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Die
Fluoreszenzfunktionen von der ersten Lichtart (z.B. Xe(Filter))
in die zweite Lichtart (z.B. A, B, C, F11) unterscheiden sich für die üblicherweise
in der Textil- bzw. Papierindustrie verwendeten optischen Aufheller
nicht oder nur geringfügig.
Es reicht deswegen weitgehend aus, die Fluoreszenzfunktionen für die gewünschten
Lichtarten aus bispektralen Messungen für unterschiedliche Aufheller
in Form eines Mittelwertes zu bestimmen und zu tabellieren. Für Aufheller,
deren Fluoreszenzfunktion zu deutlich vom Mittelwert abweicht, sind
deren Fluoreszenzfunktionen gesondert zu behandeln und in einer
eigenen Klasse zusammen zu fassen.
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Der
so erhaltene numerische Proben-Fluoreszenz-Anteil der zweiten Lichtart
wird mit dem zuvor erhaltenen Proben-Reflexions-Anteil zu einem numerischen
Proben-Remissions-Spektrum der zweiten Lichtart zusammengeführt. Aus
diesem numerischen Remissions-Spektrum wird nun der farbmetrische
Wert der Materialoberfläche
bei der zweiten Lichtart ermittelt.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren
geht dabei von der Erkenntnis aus, dass der Farbwert fluoreszierender
Materialoberflächen
maßgeblich
durch den Fluoreszenzanteil des gemessenen Remissionsspektrums beeinflusst
wird. Der Fluoreszenzanteil hängt
jedoch wie beschrieben von der jeweils vorliegenden Lichtart ab.
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Grundgedanke
des Verfahrens ist es nun, den von der Lichtart abhängigen Proben-Fluoreszenz-Anteil
der Probe aus dem unter der ersten Lichtart gemessenen Proben-Remissions-Spektrum
zu separieren und mit Hilfe einer empirischen Fluoreszenzfunktion
in den Proben-Fluoreszenz-Anteil der Probe für die jeweils zweite Lichtart
umzurechnen.
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Die
Bestimmung der benötigten
empirischen Fluoreszenzfunktion ist über eine bispektrale Messung
möglich.
Aus bispektralen Remissionsspektren können die Proben-Fluoreszenz-Anteile
für beliebige Lichtarten,
bei denen das Emissionsspektrum bekannt ist, ermittelt werden. Die
entsprechenden empirischen Fluoreszenzfunktionen für die Umrechnung des
Fluoreszenzanteils von der ersten in die zweite Lichtart ergibt
sich dabei aus dem Quotienten der bispektral ermittelten Proben-Fluoreszenz-Anteile.
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Er
wird mit dem Reflexionsspektrum der Materialoberfläche numerisch
zusammengefügt.
Das so erhaltene Remissionsspektrum bildet gleichsam ein für die jeweils
zweite Lichtart simuliertes Remissionsspektrum, aus dem sich der
farbmetrische Wert der fluoreszierenden Materialoberfläche für die zweite Lichtart
bestimmen lässt.
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Ein
wesentlicher Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht darin,
dass auf eine konventionelle remissionsspektroskopische Anordnung mit
einer für
eine Lichtart kalibrierten Lichtquelle zurückgegriffen werden kann. Die
aufwändige
bispektrale Messung von Remissionsspektren der Materialoberfläche vollständig entfällt. Die
Anpassung der Remissionsspektren von der ersten auf die zweite Lichtart
erfolgt ausschließlich
durch die empirischen Fluoreszenzfunktionen. Diese müssen grundsätzlich nur
einmal bestimmt werden und liegen danach tabelliert, als Zahlenwerte,
Funktionsvorschriften oder Standards vor, auf die jederzeit zurück gegriffen
werden kann. Es lässt
sich somit ein farbmetrischer Wert der fluoreszierenden Materialoberfläche für eine beliebige
Lichtart dadurch bestimmen, indem das Remissionsspektrum für die erste
Lichtart bestimmt und in einer entsprechend Weise an die zweite
Lichtart angepasst wird.
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Zweckmäßigerweise
wird bei dem Bestimmen der empirischen Fluoreszenzfunktion eine
bispektrale Fluoreszenzcharakteristik einer Probe des optischen
Aufhellers aufgenommen. Aus dieser Datenmenge wird das erste und
das zweite Fluoreszenzspektrum des Aufhellers bei der ersten und
der zweiten Lichtart abgeleitet. Die empirische Fluoreszenzfunktion
zwischen den Werten des ersten und des zweiten Fluoreszenzspektrums
wird dabei als Verhältnis
zwischen dem ersten und zweiten Fluoreszenzspektrum ermittelt.
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Die
bispektrale Messung muss dabei nur einmal, zweckmäßigerweise
als Teil einer Spezifikation des optischen Aufhellers im Rahmen
einer Erfassung technologischer Kenngrößen des Materials oder dergleichen
Standardisierungen, erfolgen. Deren Resultate, die empirischen Fluoreszenzfunktionen,
lassen sich für
jede beliebige herkömmliche
Messung von Remissionsspektren nutzen und ermöglichen es, aus konventionellen
Remissionsspektren exakte farbmetrische Werte für mit diesen optischen fluoreszierenden
Aufhellern behandelten Materialflächen zu gewinnen.
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Bei
dem Separieren des Proben-Remissions-Spektrums erfolgt das Abseparieren
des von der Lichtart unabhängigen,
in der Regel von Nuancierfarbstoffen bestimmten Proben-Reflexions-Anteils mit
folgenden Schritten:
Es wird ein erstes Farbstoff-Reflexions-Spektrum
des Nuancierfarbstoffes der Materialoberfläche bei einer niedrigen Konzentration
aufgenommen. Zusätzlich dazu
wird ein zweites Farbstoff-Reflexions-Spektrum bei einer höheren Konzentration
aufgenommen. Aus beiden Farbstoff-Reflexions-Spektren wird ein Farbstoffspektrum
interpoliert und an das Proben-Remissions-Spektrum angepasst.
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Bei
dieser Vorgehensweise wird berücksichtigt,
dass die Konzentration des Farbstoffes innerhalb der Materialoberfläche die
Form des Remissionsspektrums der Probe beeinflusst, wobei gewisse Kenngrößen des
Spektrums, insbesondere spektrale Positionen und Werte von Absorptionsminima,
konzentrationsabhängig
verschoben sein können. Über die
Interpolation werden diese Änderungen
im Spektrum erfasst und berücksichtigt.
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Das
Separieren des Proben-Fluoreszenz-Anteils erfolgt zweckmäßigerweise
durch ein Anpassen eines eine Absorption im ultravioletten Spektralbereich
und eine Fluoreszenz im sichtbaren Spektralbereich beschreibenden
empirischen Funktionensatzes für übliche optische
Aufheller. Dadurch lassen sich die Charakteristika fluoreszierender
Aufheller, insbesondere deren Absorption im UV-Bereich und deren
gesteigerte Emission im sichtbaren Spektralbereich, sehr gut empirisch
erfassen.
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Als
erste Lichtart wird zweckmäßigerweise eine
angenäherte
Lichtart D65, insbesondere als eine mit einem Kantenfilter modifizierte
Xenon-Beleuchtung, an gewendet. Eine derartige Lichtart bildet einen
Quasistandard für
remissionsspektroskopische Anordnungen und die darin enthaltenen
Lichtquellen. Daher erscheint es nützlich, die genannten empirischen
Fluoreszenzfunktionen in Hinblick auf die Transformation zwischen
D65 bzw. gefiltertem Xenon-Licht und den jeweils anderen Lichtarten
zu ermitteln.
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Im
Zusammenhang damit erscheint es unter gewissen Bedingungen zweckmäßig, den
optischen Aufheller auf eine Fluoreszenzaktivität innerhalb verschiedener ultravioletter
Spektralbereiche, insbesondere im UV-A bzw. UV-B-Bereich, zu testen.
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Ein
derartiger Test kann in einfacher Weise durch einer Vergleichsanregung
der Aufhellerprobe unter Verwendung eines zuschaltbaren Kantenfilters ausgeführt werden,
wobei die Fluoreszenzaktivität
in Abhängigkeit
vom zugeschalteten bzw. nicht zugeschalteten Kantenfilter registriert
wird.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren
soll nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen
näher erläutert werden.
Zur Verdeutlichung dienen die beigefügten Figuren. Es werden für gleiche
oder gleich wirkende Verfahrensschritte und Bestandteile die selben
Bezugszeichen verwendet.
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Es
zeigt:
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1 eine
remissionsspektroskopische Anordnung zur Ermittlung eines Proben-Remissions-Spektrums
in einer schematischen Darstellung,
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2 einen
generellen Ablaufplan zum Ausführen
des erfindungsgemäßen Verfahrens,
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3a eine
beispielhafte Darstellung einer bispektralen Remission eines optischen
Aufhellers,
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3b einen
vergrößerten Ausschnitt
aus 3a mit einer Darstellung der bispektralen Fluoreszenzcharakteristik
des Aufhellers,
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4a eine
Darstellung beispielhafter Lichtarten in einer absoluten und einer
auf die Helligkeit der Lichtquelle normierten Auftragung,
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4b eine
Darstellung der bispektralen Fluoreszenzcharakteristik in einer
Auftragung in Form von Höhenlinien,
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5a eine
Darstellung einzelner Komponenten zur Separation des Proben-Remissions-Spektrums,
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5b einen
beispielhaften separierten Proben-Fluoreszenz-Anteil mit einer Darstellung
des empirischen Funktionensatzes,
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6a bis 6c verschiedene
Remissions-Spektren mit einer Darstellung der Anteile der Fluoreszenz
des Aufheller und der Absorption des Farbstoffes,
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7a beispielhafte
Fluoreszenzfunktionen für
verschiedene Lichtarten,
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7b über Fluoreszenzfunktionen
angepasste Fluoreszenzwerte für
einzelne Lichtarten,
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8 beispielhafte
numerische Proben-Remissions-Spektren bei verschiedenen Lichtarten.
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1 zeigt
eine beispielhafte remissionsspektroskopische Anordnung 1 zur
Aufnahme des Proben-Remissions-Spektrums PR für die erste definierte Lichtart.
Eine Lichtquelle 2 mit einem definierten und im wesentlichen
nicht veränderbaren
Strahlungsspektrum, das im wesentlichen einem Tageslichtspektrum
D65 mit einer Farbtemperatur von 6500 K entspricht und in der Praxis üblicherweise durch
eine Xenonlampe mit einem durch einen Kantenfilter abgeglichenen
UV-Anteil realisiert wird, ist in einem definierten Abstand zu einer
Materialoberfläche 3 angeordnet.
Die Materialoberfläche
enthält
einen optischen Aufheller und Nuancierfarbstoffe. Die Materialoberfläche kann
ein textiles Gewebe oder auch ein Papierwerkstoff sein. Sie fluoresziert
im sichtbaren Spektralbereich und absorbiert im ultravioletten und
sichtbaren Licht.
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Zur
Aufnahme des Remissionsspektrums werden die diffus reflektierten
Anteile des eingestrahlten Lichtes erfasst. Das von der Lichtquelle emittierte
Licht 4 trifft bei der hier dargestellten Konfiguration
im wesentlichen senkrecht auf die Materialoberfläche auf. Das diffus reflektierte
Streulicht 5 wird unter einem zweckmäßigen Winkel gegenüber der Probennormalen
von einer Detektoranordnung 7 erfasst. Die Daten über die
von der Detektoranordnung erfasste wellenlängenabhängige Intensitätsverteilung
im Streulicht bilden dann das von der Detektoranordnung erfasste
Proben-Remissions-Spektrum PR der Materialoberfläche. Das Proben-Remissions-Spektrum
bildet den Ausgangspunkt für
die folgenden Verfahrensschritte.
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2 zeigt
einen grundlegenden erfindungsgemäßen Ablaufplan zur Bestimmung
des farbmetrischen Wertes der Materialoberfläche für eine beliebige Lichtart.
Den Ausgangspunkt bildet die bereits in 1 dargestellte,
hier mit dem Bezugszeichen 8 gekennzeichnete Aufnahme des
Proben-Remissions-Spektrums
bei der ersten Lichtart, die bei der überwiegenden Zahl der Anwendungen
die Lichtart Xe(Filter) ist. In einem Schritt 9 wird auf
den Daten des Proben-Remissions-Spektrums eine numerische Separation
ausgeführt.
Bei dieser wird aus den Daten des Proben-Remissions-Spektrums ein
Proben-Reflexions-Anteil
PRA in einer Separation 10 und ein Proben-Fluoreszenz-Anteil
PFA in einer Separation 11 abgeleitet.
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Der
Proben-Reflexions-Anteil beinhaltet dabei die von der Fluoreszenz,
d.h. von den unterschiedlichen ultravioletten Anteilen der Beleuchtung und
damit von der Lichtart unabhängigen
Anteile des Proben-Remissions-Spektrums und beschreibt insbesondere
den Einfluss der Farb- bzw. Nuancierstoffe in der Materialoberfläche auf
den Farbeindruck der Probe bzw. deren Farbwert. Dieser Einfluss
macht sich durch eine Absorption der Materialprobe im sichtbaren
Spektralbereich bemerkbar.
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Der
Proben-Fluoreszenz-Anteil PFA beinhaltet den Einfluss der fluoreszierenden
Stoffe in der Materialoberfläche,
d.h. des oder der darin enthaltenen optischen Aufheller, auf das
Proben-Remissions-Spektrum. Im Unterschied zum Proben-Reflexions-Anteil
ist dessen Intensitätsverteilung
und dessen Lage im gemessenen Remissionsspektrum durch die jeweilige
Lichtart bestimmt. Dies ergibt sich daraus, dass die bei unterschiedlichen
Lichtarten verschiedenen ultravioletten Anteile im Spektrum der Beleuchtung
zu einer davon abhängigen
Fluoreszenzaktivität
des Aufhellers in der Materialprobe führen. Der Farbeindruck der
Materialprobe weicht dadurch bei einer anderen Lichtart zum Teil außerordentlich
stark vom gemessenen farbmetrischen Wert bei der ersten Lichtart
ab.
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In
einem Umrechnungsschritt 12 wird daher der separierte Proben-Fluoreszenz-Anteil
der ersten Lichtart, beispielsweise des modifizierten Xenon-Lichtes Xe(Filter)
in ein Fluoreszenz-Spektrum für
die zweite Lichtart, beispielsweise die Lichtart A, B, C oder F11,
umgerechnet. Das dabei erzeugte numerische Fluoreszenzspektrum wird
in einem Verfahrensschritt 13 mit dem vorher separierten
Proben-Reflexions-Anteil numerisch zusammengefügt. Dabei entsteht ein numerisches
Remissions-Spektrum für
die zweite Lichtart. Aus diesem numerischen Remissions-Spektrum
kann nunmehr der farbmetrische Wert der Materialoberfläche, insbesondere
deren Weißgrad,
für die
zweite Lichtart im Verfahrensschritt 14 bestimmt werden.
Dies geschieht in der üblichen
Weise durch eine Faltung des Spektrums mit standardisierten Normlichtfunktionen
zum Gewinnen der Farbkoordinaten X, Y, Z bzw. L*, a*, b*. Als Resultat
liegen dann in einem letzten Verfahrensschritt 14a die
Farbkoordinaten der Materialoberfläche für die zweite Lichtart vor,
während
die Materialoberfläche bei
der ersten Lichtart vermessen worden ist.
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Zur
Transformation des Proben-Fluoreszenz-Anteils von der ersten Lichtart
in den numerischen Fluoreszenz-Anteil der zweiten Lichtart wird eine
empirische Fluoreszenzfunktion ermittelt, die für den in der Materialprobe
enthaltenen optischen Aufheller gültig ist. Deren Bestimmung
ist prinzipiell nur einmal erforderlich. Sie kann also als ein empirischer Korrekturparameter
des Aufhellers aufgefasst werden, der in geeigneter Form, beispielsweise
als ein tabellierter Wertevorrat oder als Fitfunktion vorgegeben
sein kann.
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Eine
Bestimmung einer noch unbekannten empirischen Fluoreszenzfunktion,
beispielsweise für einen
optischen Aufheller mit noch unbekannten Eigenschaften, soll im
Folgenden erläutert
werden. Hierbei wird auf das Erfassen einer bispektralen Fluoreszenzcharakteristik
des Aufhellers zurückgegriffen.
Der Aufheller wird hierzu zweckmäßigerweise auf
ein weißes,
nicht fluoreszierendes Substrat, beispielsweise ein nicht gefärbtes Gewebe
oder Papier, aufgebracht und in einer bispektralen spektroskopischen
Vorrichtung vermessen, wobei dessen Remission aufgenommen wird.
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Die 3a und 3b zeigen
beispielhafte bispektrale Remissionen einer Aufhellerprobe in einer Übersichtsdarstellung
und einem vergrößerten Ausschnitt.
Bei den Darstellungen ist die Remission in willkürlichen Einheiten in Abhängigkeit
von der Anregungswellenlänge
und der von der Aufhellerprobe remittierten Wellenlänge aufgetragen.
Es ist zu erkennen, dass die normale Reflexion der Aufhellerprobe
entlang der Diagonalen in der x-y-Ebene der Darstellung zu einem
Maximum in der Remission in Form eines bispektralen Remissionsmaximums
PR führt.
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Die
Fluoreszenz der Aufhellerprobe zeigt sich in der bispektralen Remission
in Form eines deutlichen Abfalls der bispektralen Remission PR in Form
eines Diagonal-Peaks bei kleineren Anregungswellenlängen und
im Auftauchen eines bispektralen Fluoreszenzmaxmums bzw. Peaks PF
neben der Diagonalen. In 3b ist
dieses Fluoreszenzmaximum PF vergrößert dargestellt. In diesem
Fall wird durch ultraviolettes Licht im Bereich von ca. 300 bis 450
nm eine Fluoreszenz im wesentlichem im Bereich von 400 bis 500,
teilweise bis 700 nm erzeugt.
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Die
so ermittelten bispektralen Daten bilden die größtmögliche, spektroskopisch erfassbare
Datenmenge. Sie sind demzufolge dazu geeignet, durch geeignete Skalierungen
in den Intensitäten
der Anregungswellenlängen
und durch Summierungen in der Remission in Abhängigkeit von der remittierten
Wellenlänge
den Einfluss prinzipiell jeder beliebigen Lichtart auf die Fluoreszenz
des optischen Aufhellers empirisch zu simulieren. Dabei können die
Veränderungen
im Fluoreszenzverhalten des optischen Aufhellers bei unterschiedlichen
Lichtarten ermittelt und miteinander verglichen werden. Davon ausgehend lassen
sich nunmehr die empirischen Fluoreszenzfunktionen ermitteln.
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Als
Beispiel sei nachfolgend das Ermitteln der empirischen Fluoreszenzfunktion
eFF11(λ)
näher beschrieben,
mit der das Fluoreszenzspektrum des optischen Aufhellers bei der
Lichtart Xe(Filter) in das Fluoreszenzspektrum des Aufhellers bei
der Lichtart F11 gewonnen wird.
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Die
Fluoreszenzspektren FXe(Filter)(λ) und FF11(λ)
seien bereits aus der bispektralen Fluoreszenzcharakteristik gewonnen.
Die empirische Fluoreszenzfunktion eFF11(λ) ergibt
sich dann auf eine besonders einfache Weise durch ei ne Quotientenbildung
für jeden
spektralen Intensitätswert
an jeder Wellenlänge: eFF11(λ) = FF11(λ)/FXe(Filter)(λ)
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Es
ist einsichtig, dass sich auf diese Weise im Prinzip eine umfangreiche
Menge beliebiger Fluoreszenzfunktionen für das Fluoreszenzverhalten
des Aufhellers zwischen beliebigen Lichtarten ermitteln lässt. Zweckmäßigerweise,
vor allem deswegen, weil die derzeit gebräuchlichen konventionellen Remissionsspektrometer
mit einer gefilterten Xenon-Quelle und demnach mit der Lichtart
Xe(Filter) betrieben werden, werden die Fluoreszenzfunktionen auf
die Lichtart Xe(Filter) bezogen. Die Fluoreszenzfunktionen eFLichtart(λ)
bilden demnach einen Funktionsvorrat eFA(λ), eFB(λ),
eFc(λ),
..., eFF11(λ), ..., wobei A, B, C, ...,
F11, ... die jeweiligen Lichtarten bedeuten, in die von der Lichtart
Xe(Filter) umzurechnen ist. Jede der Fluoreszenzfunktionen eFLichtart(λ)
ist dabei für
den jeweils vorliegenden optischen Aufheller prinzipiell charakteristisch.
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4a zeigt
im Zusammenhang damit die spektralen Verläufe der Lichtarten A, D65 und
F11 in einer unnormierten Darstellung links und in einer auf die
Helligkeit der Lichtquelle normierten Darstellung rechts.
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Die
hier gezeigten Kurven bilden die Grundlage für die genannte Ableitung der
lichtartabhängigen
Fluoreszenz aus den bispektralen Daten gemäß 3a und 3b. 4b schließlich zeigt
eine andere Darstellung der bispektralen Fluoreszenzcharakteristik
gemäß 3b in
Form von Niveaulinien auf einer durch die Anregungswellenlängen und
die remittierte Wellenlängen
gebildeten zweidimensionalen Fläche.
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Die
empirische Fluoreszenzfunktion eFLichtart(λ) wird auf
den Proben-Fluoreszenz-Anteil
des Proben-Remissions-Spektrums angewendet. Insbesondere wird der
Proben-Fluoreszenzanteil mit der Fluoreszenzfunktion eF multipliziert.
Als eine Voraussetzung dafür
ist der Proben-Fluoreszenz-Anteil abzuseparieren.
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Eine
beispielhafte Vorgehensweise zum Abseparieren des Proben-Fluoreszenz-Anteils ist in den 5a bis 6c gezeigt.
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5a verdeutlicht
das Prinzip der Separierung des Proben-Remissions-Spektrums. Grundsätzlich kann
das Remissions-Spektrum der Materialprobe als eine Überlagerung
einer sich über
den gesamten visuellen Teil des Spektrums erstreckenden Farbstoff-Absorption
und einer Fluoreszenz mit einem im Vergleich zur Farbstoff-Absorption
ausgeprägten
Fluoreszenzmaximum aufgefasst werden. Zusätzlich dazu ist die Absorption
des optischen Aufhellers im ultravioletten Spektralbereich zu berücksichtigen,
die Energie aus dem ultravioletten Teil des Spektrums in den sichtbaren
Teil des Remissions-Spektrums verschiebt.
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Die
UV-Absorption des Aufhellers wird bei diesem Beispiel durch empirische
Absorptionskurven UV1 und UV2 angepasst, die Fluoreszenz des Aufhellers
kann durch eine Überlagerung
verschiedener empirischer Fluoreszenzkurven F1 bis F4 beschrieben
werden. In der Regel werden hierzu Gaußsche Glockenkurven mit einer
Reihe zweckmäßiger Parameter,
insbesondere zweckmäßig gewählter Positionen
von Maxima, Halbwertsbreiten und Kurvenvorzeichen mit einem zweckmäßigen Satz
von Faktoren linear kombiniert.
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Für die von
der Lichtart unabhängige
Absorption des oder der Nuancierfarbstoffe werden Absorptionsfunktionen
A1 bzw. A2 angewendet. Die genaue Anpassung der Absorptionsfunktionen
erfolgt über
eine interpolierende Anpassung.
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Hierzu
wird ein erstes Farbstoff-Reflexions-Spektrum einer Farbstoffprobe
mit einer niedrigen Farbstoffkonzentration c(1) und ein zweites Farbstoff-Reflexions-Spektrum
einer Farbstoffprobe mit einer höheren
Farbstoffkonzentration c(2) aufgenommen. Der zu approximierende
Proben-Reflexions-Anteil befindet sich zwischen den Farbstoff-Reflexions-Spektren
und wird zwischen beiden Spektren unter Verwendung der Kurven A1
bzw. A2 angenähert.
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5b zeigt
einen beispielhaften Proben-Fluoreszenz-Anteil. Die obere Kurve
zeigt in Form von Messpunkten die aus dem Proben-Remissions-Spektrum
separierten Messwerte des Proben-Fluoreszenz-Anteils und den Funktionenfit
aus den Linearkombinationen der Fluoreszenzfunktionen F1 bis F4
bzw. den Absorptionskurven UV1 und UV2. Die Fluoreszenz und die
UV-Absorption ist darunter noch einmal getrennt dargestellt.
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Die 6a bis 6c zeigen
verschiedene Remissions-Spektren. 6a zeigt
ein Remissionsspektrum des optischen Aufhellers, 6b die
Kombination zwischen Aufheller und Farbstoff, 6c zeigt
ein reines Farbstoff-Spektrum. Es ist zu erkennen, dass sich der
Einfluss des Aufhellers in einer UV-Absorption und einem Fluoreszenzmaximum zeigt,
während
der Einfluss des Farbstoffes im wesentlichen nur durch eine Absorption
im sichtbaren Spektralbereich gekennzeichnet ist. Anhand dieser Charakteristika
ist die beschriebene Separation des Proben-Remissions-Spektrums
möglich.
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7a zeigt
eine Reihe beispielhafter empirischer Fluoreszenzfunktionen eF(λ) zum Umrechnen
der Proben-Fluoreszenz-Anteile von der Lichtart Xe(Filter) in eine
jeweils bezeichnete andere Lichtart. Der für die Fluoreszenz interessante
Teil des Spektralbereiches ist durch eine gestrichelte Box markiert. Die
hier dargestellten Fluoreszenzfunktionen sind wellenlängenabhängig. Die
durchgezogenen Linien zeigen dabei den Mittelwert der jeweiligen
Fluoreszenzfunktion für
eine Reihe unterschiedlicher optischer Aufheller. Die entlang der
Linien verlaufenden Punkte zeigen der Verlauf der Fluoreszenzfunktion für den am
weitesten von dem Mittelwert abweichenden Aufheller aus der Gesamtheit
der gemessenen Aufheller.
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Es
zeigt sich somit, dass die empirischen Fluoreszenzfunktionen eF(λ) überraschenderweise innerhalb
gewisser, für
die Bestimmung des Farbwertes unerheblicher Toleranzen im wesentlichen
deckungsgleiche Verläufe
aufweisen. Es können
also für
optische Aufheller im wesentlichen einer Substanzklasse allgemeingültige empirische
Fluoreszenzfunktionen angegeben und verwendet werden.
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Außerdem sind
weitere Vereinfachungen möglich.
So zeigt beispielsweise die empirische Fluoreszenzfunktion für die Lichtart
Xe einen im relevanten Spektralbereich abgesehen von vereinzelten Schwankungen
im wesentlichen konstanten Verlauf. Im Rahmen einer erforderlichen
Messgenauigkeit kann auch ein im wesentlichen konstanter Verlauf
für die
Fluoreszenzfunktionen für
die Lichtarten D65 bzw. C angenommen werden. In diesem Falle werden
die Fluoreszenzfunktionen zu von den Wellenlängen unabhängigen Fluoreszenzfaktoren.
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Als
Resultat hat sich außerdem
gezeigt, verschiedene Aufheller, die eine mit Licht im UV-A-Bereich
aktivierbare Fluoreszenz besitzen empirische Fluoreszenzfunktionen
eF(λ) aufweisen,
deren Werte eine deutlich abgesonderte Klasse im Vergleich zu Aufhellern
bilden, die eine im UV-B-Bereich aktivierbare Fluoreszenz zeigen.
Innerhalb der jeweiligen Klasse von Aufhellern nehmen die Fluoreszenzfunktionen
eF(λ) in
jedem Fall eine für
die jeweilige Lichtart charakteristische Gestalt an.
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Mit
den empirischen Fluoreszenzfunktionen kann der aus dem Proben-Remissions-Spektrum
separierte Proben-Fluoreszenz-Anteil PFA unter der ersten Lichtart,
beispielsweise Xe(Kantenfilter) in jede beliebige andere Lichtart
mit folgenden Beziehungen überführt werden: PFALichtart(λ) = PFAXe(Kantenfilter)(λ)·eFLichtart bzw. PFALichtart(λ) = PFAXe(Kantenfilter)(λ)·eFLichtart(λ)
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7b zeigt
einige über
die empirischen Fluoreszenzfunktionen angepasste Fluoreszenzwerte
für verschiedene
Lichtarten im Vergleich mit aus bispektralen Daten ermittelten Proben-Fluoreszenz-Anteilen.
Die durchgezogenen Kurven entsprechen berechneten Fluoreszenzwerten
unter Verwendung der empirischen Fluoreszenzfunktionen unter Verwendung
einer Ausgangslichtart Xe(Filter). Es zeigt sich, dass sich eine
sehr gute Übereinstimmung zwischen
herkömmlich
ermittelten und angepassten und bispektral ermittelten Fluoreszenzwerten
erreichen lässt.
-
8 zeigt
beispielhafte berechnete numerische Proben-Remissions-Spektren in
Abhängigkeit von
der jeweiligen Lichtart Xe, D65, Xe(Filter) und F11. Das zugrunde
liegende Proben-Remissions-Spektrum wurde mit einer gefilterten
Xenon-Lichtquelle, also bei der Lichtart Xe(Filter) aufgenommen.
Die numerischen Remissionsspektren wurden durch die oben erwähnten Verfahrensschritte
unter Verwendung der empirischen Fluoreszenzfunktionen ermittelt.
Die hier gezeigten numerischen Remissionsspektren können nun
zum Bestimmen farbmetrischer Werte herangezogen werden.
-
Das
erfindungsgemäße Verfahren
wurde anhand eines Ausführungsbeispieles
näher erläutert. Weitere
Ausführungsformen
ergeben sich aus den Unteransprüchen
oder können
im Rahmen fachmännischen
Handelns vorgenommen werden, ohne den Bereich des erfindungsgemäßen Grundgedankens zu
verlassen.
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- 1
- remissionsspektroskopische
Anordnung
- 2
- Lichtquelle
- 3
- Materialoberfläche
- 4
- Licht
- 5
- Streulicht
- 7
- Detektoranordnung
- 8
- Aufnahme
Proben-Remissions-Spektrum
- 9
- Separation
Proben-Remissions-Spektrum
- 10
- Separation
Proben-Reflexions-Anteil
- 11
- Separation
Proben-Fluoreszenz-Anteil
- 12
- Umrechnungsschritt
- 13
- Zusammenfügen mit
Proben-Reflexions-Anteil
- A1,
A2
- Absorptionsfunktionen
- PF
- bispektrales
Fluoreszenzmaximum
- PR
- bispektrales
Remissionsmaximum
- eF(λ)
- empirische
Fluoreszenzfunktion
- F1,
F2, F3, F4
- empirische
Fluoreszenzkurven
- PR
- Proben-Remissions-Spektrum
- UV1,
UV2
- empirische
Absorptionskurven im UV-Bereich