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Dokumentenidentifikation DE102007008850A1 08.11.2007
Titel Verfahren zum Bestimmen eines farbmetrischen Wertes, insbesondere eines Weißgrades, einer einen optischen Aufheller enthaltenden Materialoberfläche
Anmelder Axiphos GmbH, 79540 Lörrach, DE;
Textilforschungsinstitut Thüringen-Vogtland e.V., 07973 Greiz, DE
Erfinder Neudeck, Andreas, Dr. rer. nat. habil., 08468 Reichenbach, DE;
Mensak, Brigitte, Dipl.-Ing., 07973 Greiz, DE;
Puebla, Claudio, Dr. rer. nat., 79540 Lörrach, DE;
Günther, Bernd, Dipl.-Ing., 14129 Berlin, DE;
Steckert, Carsten, Dr.-Ing., 12353 Berlin, DE
Vertreter Meissner, Bolte & Partner GbR, 07545 Gera
DE-Anmeldedatum 23.02.2007
DE-Aktenzeichen 102007008850
Offenlegungstag 08.11.2007
Veröffentlichungstag im Patentblatt 08.11.2007
IPC-Hauptklasse G01J 3/46(2006.01)A, F, I, 20070223, B, H, DE
IPC-Nebenklasse G01N 21/64(2006.01)A, L, I, 20070223, B, H, DE   
Zusammenfassung Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bestimmen eines farbmetrischen Wertes, insbesondere eines Weißgrades, einer einen optischen Aufheller enthaltenden Materialoberfläche. Das Verfahren ist durch folgende Verfahrensschritte gekennzeichnet:
- Bestimmen einer empirischen Fluoreszenzfunktion zwischen einem ersten Fluoreszenzspektrum des optischen Aufhellers bei einer ersten Lichtart und einem zweiten Fluoreszenzspektrum des optischen Aufhellers bei einer zweiten Lichtart,
- Aufnahme eines Proben-Remissions-Spektrums der Materialoberfläche bei der ersten Lichtart,
- Separieren des Proben-Remissions-Spektrums in einen Proben-Fluoreszenz-Anteil und einen Proben-Reflexions-Anteil der ersten Lichtart,
- Umrechnen des Proben-Fluoreszenz-Anteils über die empirische Fluoreszenzfunktion in einen numerischen Proben-Fluoreszenz-Anteil der zweiten Lichtart,
- Vereinigen des numerischen Proben-Fluoreszenz-Anteils der zweiten Lichtart mit dem Proben-Reflexions-Anteil zu einem numerischen Proben-Remissions-Spektrum der zweiten Lichtart,
- Ermitteln des farbmetrischen Wertes für die zweite Lichtart aus dem numerischen Proben-Remissions-Spektrum der zweiten Lichtart.

Beschreibung[de]

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.

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.

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 Verwendung 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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

Das Proben-Remissions-Spektrum wird in einen Proben-Fluoreszenz-Anteil und einen Proben-Reflexions-Anteil für die erste Lichtart separiert.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

Als erste Lichtart wird zweckmäßigerweise eine angenäherte Lichtart D65, insbesondere als eine mit einem Kantenfilter modifizierte Xenon-Beleuchtung, angewendet. 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.

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.

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.

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.

Es zeigt:

1 eine remissionsspektroskopische Anordnung zur Ermittlung eines Proben-Remissions-Spektrums in einer schematischen Darstellung,

2 einen generellen Ablaufplan zum Ausführen des erfindungsgemäßen Verfahrens,

3a eine beispielhafte Darstellung einer bispektralen Remission eines optischen Aufhellers,

3b einen vergrößerten Ausschnitt aus 3a mit einer Darstellung der bispektralen Fluoreszenzcharakteristik des Aufhellers,

4a eine Darstellung beispielhafter Lichtarten in einer absoluten und einer auf die Helligkeit der Lichtquelle normierten Auftragung,

4b eine Darstellung der bispektralen Fluoreszenzcharakteristik in einer Auftragung in Form von Höhenlinien,

5a eine Darstellung einzelner Komponenten zur Separation des Proben-Remissions-Spektrums,

5b einen beispielhaften separierten Proben-Fluoreszenz-Anteil mit einer Darstellung des empirischen Funktionensatzes,

6a bis 6c verschiedene Remissions-Spektren mit einer Darstellung der Anteile der Fluoreszenz des Aufheller und der Absorption des Farbstoffes,

7a beispielhafte Fluoreszenzfunktionen für verschiedene Lichtarten,

7b über Fluoreszenzfunktionen angepasste Fluoreszenzwerte für einzelne Lichtarten,

8 beispielhafte numerische Proben-Remissions-Spektren bei verschiedenen Lichtarten.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

Als Beispiel sei nachfolgend das Ermitteln der empirischen Fluoreszenzfunktion eFF11(&lgr;) 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.

Die Fluoreszenzspektren FXe(Filter)(&lgr;) und FF11(&lgr;) seien bereits aus der bispektralen Fluoreszenzcharakteristik gewonnen. Die empirische Fluoreszenzfunktion eFF11(&lgr;) ergibt sich dann auf eine besonders einfache Weise durch eine Quotientenbildung für jeden spektralen Intensitätswert an jeder Wellenlänge: eFF11(&lgr;) = FF11(&lgr;)/FXe(Filter)(&lgr;)

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(&lgr;) bilden demnach einen Funktionsvorrat eFA(&lgr;), eFB(&lgr;), eFc(&lgr;), ..., eFF11(&lgr;), ..., wobei A, B, C, ..., F11, ... die jeweiligen Lichtarten bedeuten, in die von der Lichtart Xe(Filter) umzurechnen ist. Jede der Fluoreszenzfunktionen eFLichtart(&lgr;) ist dabei für den jeweils vorliegenden optischen Aufheller prinzipiell charakteristisch.

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.

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.

Die empirische Fluoreszenzfunktion eFLichtart(&lgr;) 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.

Eine beispielhafte Vorgehensweise zum Abseparieren des Proben-Fluoreszenz-Anteils ist in den 5a bis 6c gezeigt.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

7a zeigt eine Reihe beispielhafter empirischer Fluoreszenzfunktionen eF(&lgr;) 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.

Es zeigt sich somit, dass die empirischen Fluoreszenzfunktionen eF(&lgr;) 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.

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.

Als Resultat hat sich außerdem gezeigt, verschiedene Aufheller, die eine mit Licht im UV-A-Bereich aktivierbare Fluoreszenz besitzen empirische Fluoreszenzfunktionen eF(&lgr;) 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(&lgr;) in jedem Fall eine für die jeweilige Lichtart charakteristische Gestalt an.

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(&lgr;) = PFAXe(Kantenfilter)(&lgr;)·eFLichtart bzw. PFALichtart(&lgr;) = PFAXe(Kantenfilter)(&lgr;)·eFLichtart(&lgr;)

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.

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(&lgr;)
empirische Fluoreszenzfunktion
F1, F2, F3, F4
empirische Fluoreszenzkurven
PR
Proben-Remissions-Spektrum
UV1, UV2
empirische Absorptionskurven im UV-Bereich


Anspruch[de]
Verfahren zum Bestimmen eines farbmetrischen Wertes, insbesondere eines Weißgrades, einer einen optischen Aufheller enthaltenden Materialoberfläche,

gekennzeichnet durch

folgende Verfahrensschritte:

– Empirisches Bestimmen einer Fluoreszenzfunktion zwischen einem ersten Fluoreszenzspektrum des optischen Aufhellers bei einer ersten Lichtart und einem zweiten Fluoreszenzspektrum des optischen Aufhellers bei einer zweiten Lichtart,

– Aufnahme eines Proben-Remissions-Spektrums der Materialoberfläche bei der ersten Lichtart,

– Separieren des Proben-Remissions-Spektrums in einen Proben-Fluoreszenz-Anteil und einen Proben-Reflexions-Anteil der ersten Lichtart,

– Umrechnen des Proben-Fluoreszenzanteils über die empirische Fluoreszenzfunktion in einen numerischen Proben-Fluoreszenz-Anteil der zweiten Lichtart,

– Vereinigen des numerischen Proben-Fluoreszenz-Anteils der zweiten Lichtart mit dem Proben-Reflexions-Anteil zu einem numerischen Proben-Remissions-Spektrum der zweiten Lichtart,

– Ermitteln des farbmetrischen Wertes für die zweite Lichtart aus dem numerischen Proben-Remissions-Spektrum der zweiten Lichtart.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass bei dem Bestimmen der empirischen Fluoreszenzfunktion eine bispektrale Fluoreszenzcharakteristik einer Probe des optischen Aufhellers aufgenommen wird, wobei aus der bispektralen Fluoreszenzcharakteristik das erste Fluoreszenzspektrum und das zweite Fluoreszenzspektrum abgeleitet werden und die empirische Fluoreszenzfunktion als Verhältnis zwischen den Werten des ersten und des zweiten Fluoreszenzspektrums ermittelt wird. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2,

dadurch gekennzeichnet, dass

bei dem Separieren des Proben-Remissions-Spektrums ein Abseparieren eines lichtartunabhängigen Proben-Reflexionsanteils mit folgenden Schritten erfolgt:

– Aufnehmen eines ersten Farbstoff-Reflexions-Spektrums eines Nuancierfarbstoffes der Materialoberfläche bei einer niedrigen Konzentration,

– Aufnehmen eines zweiten Farbstoff-Reflexions-Spektrums des Nuancierfarbstoffes bei einer höheren Konzentration,

– Interpolieren eines Farbstoff-Spektrums aus dem ersten und dem zweiten Farbstoff-Reflexions-Spektrum und Anpassen an das Proben-Remissions-Spektrum.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Separieren des Proben-Fluoreszenz-Anteils durch ein Anpassen eines eine Absorption im ultravioletten Spektralbereich und eine Fluoreszenz im sichtbaren Spektralbereich beschreibenden empirischen Funktionensatzes für übliche optische Aufheller ausgeführt wird. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als erste Lichtart eine angenäherte Lichtart D65, insbesondere in Form durch eine mit einem UV-Kantenfilter modifizierte Xenon-Beleuchtung, angewendet wird. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass zum empirischen Ermitteln der wellenlängenabhängigen Fluoreszenzfunktion ein Test des in der Materialoberfläche enthaltenen optischen Aufhellers auf eine Aktivität innerhalb verschiedener ultravioletter Spektralbereiche, insbesondere in einem UV-A bzw. UV-B-Bereich, ausgeführt wird. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass zum Ausführen des Tests der optische Aufheller durch eine Vergleichsanregung unter Verwendung eines zuschaltbaren Kantenfilters angeregt und dessen Fluoreszenzaktivität in Abhängigkeit vom zugeschalteten bzw. nicht zugeschalteten Kantenfilter registriert wird.






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