Profesionální kontrola barevnosti – nezbytný krok k prosperitě

Autor: Stanislav Šulla

Náš svět je jedna obrovská barevná paleta a barvy jsou výrazným symbolem moderní doby. Kromě toho, že činí náš život zajímavějším a krásnějším, plní důležitou úlohu klíčového marketingového elementu. Barvy k nám promlouvají a dnes více než kdy jindy silně ovlivňují naše rozhodování ve chvíli, kdy se nacházíme v roli kupujícího. Tím, že přitahují pozornost zákazníka k nabízenému produktu a zároveň evokují širokou škálu emocí, barvy mají schopnost prodávat. V současném světě průmysloví designéři popouštějí uzdu své představivosti a vylepšují a akcentují vzhled, formu, obsah a dokonce i chuť téměř veškerého konzumního zboží prostřednictvím cíleného použití odstínů a barevných kombinací. Výrobci jsou si velmi dobře vědomi skutečnosti, že správně vytvořené a věrně reprodukované barvy jsou kupujícími přijímány coby přidaná hodnota, která sama o sobě zvyšuje prodejní ukazatele. To platí pro téměř jakoukoliv barevnou komoditu, od těch nejjednodušších, jako je přitažlivý obal či povrchový nátěr, přes barevně sladěné plastové či textilní doplňky, až po složité systémy jako je třeba automobil. Sestává-li produkt z mnoha barevně kritických částí vyráběných různými dodavateli z různorodých materiálů a za použití nejrůznějších technologií, stojí kvalitáři před další nemalou výzvou. Musejí hledat důkladnější a přesnější prostředky pro kvantifikování barevné informace během výrobního procesu. Během uplynulých let nároky a očekávání související s barevnou kvalitou výrazně vzrostly. Týká se to jak harmonického sladění vyráběných komponent, tak i jejich barevné přesnosti a krátkodobé i dlouhodobé reprodukovatelnosti. Přísné dodržování barevných parametrů v rámci přípustných a pouhým okem nepostřehnutelných odchylek se v celé řadě průmyslových odvětvích stalo nejdůležitějším kvalitativním kritériem. Je nasnadě, že v rámci tohoto trendu se čistě vizuální posuzování a kontrola barevnosti staly nedostatečnými.

Část populace je přesvědčena, že lidské oko je produktem dlouhé, po celé věky trvající evoluce. Stoupenci víry se naopak přiklánějí k názoru, že oko je darem božím, jenž s počátkem stvoření světa dostal biblický Adam do vínku. Ať už to byl v historickém kontextu pračlověk či děti ráje, pro naše předky nebylo nikdy životně důležitou potřebou používat zrak pro absolutní určování barev. Ano, lidský zrak má výlučnou a mimořádnou schopnost rozlišit miliony barevných odstínů. Nicméně nebyli jsme obdařeni schopností barvy v matematickém smyslu kvantifikovat, či pouhým pohledem vyčíslit jejich rozdíl. Jakmile je oko konfrontováno s nutností určit barevnou odchylku, neobejde se bez podpůrných prostředků. Pouze objektivně a opakovatelně měřící zařízení nám umožňuje jednoznačně definovat parametry požadovaného barevného odstínu a udržet jej v nezměněné podobě v mezích úzkých tolerancí v cyklicky se opakujícím výrobním procesu. Přísné používání profesionálních koloristických nástrojů a řešení v každodenní praxi je nejen nutnou podmínkou pro realizaci a dodržení zamýšleného barevného podání, nýbrž i vstupní branou k efektivní, bezkonfliktní a neztrátové komunikaci mezi tvůrci barevných trendů, výrobci barevně kritických produktů a jejich spotřebiteli.

Fenomén zvaný barva není ve skutečnosti fyzikální veličinou, nýbrž fyziologicko-psychologickým jevem, jenž vzniká v lidském mozku ve chvíli, kdy viditelné světlo modifikované jeho vzájemným působením s pozorovaným hmotným objektem dopadne na sítnici oka a způsobí tak nervový vzruch. Naše oči jsou schopny detekovat pouze úzkou část elektromagnetického spektra. Obecně platí, že průměrný pozorovatel začíná rozeznávat světlo fialové v krátkovlnné oblasti okolo 400 nm, přičemž lidské vidění končí červenou v blízkosti 700 nm. V těchto mezích se nacházejí všechny odstíny duhy. Měření barev je založeno na matematickém modelu barevného vidění lidského oka. Ten byl experimentálně vytvořen Mezinárodní komisí pro osvětlení CIE ve 30. letech minulého století a je založen na teorii aditivního trichromatického mísení světla a na premise, dle níž pro jednoznačné stanovení barevného odstínu je nutno popsat simultánní působení tří spektrálních atributů:

– energetické distribuce použitého osvětlení

– interakce světla s měřeným objektem ve formě naměřené remisní křivky a

– charakteristiky fotoreceptorů nacházejících se na oční sítnici. Integrální počet těchto tří komponent v rámci viditelného spektra se pak stal základním kamenem pro vědeckou interpretaci a standardizaci celé dnešní koloristiky.

Obr. 1 Princip barevného vidění

Vytvořený model byl v průběhu následujících dekád soustavně vylepšován, aby v polovině 70. let nabyl za použití teorie komplementárních barev současné podoby třech barevných kanálů s červeným odstínem ležícím proti zelenému, žlutým odstínem proti modrému a konečně bílým proti černému. V matematické řeči to znamenalo přetavení původního málo intuitivního modelu CIE XYZ v mnohem srozumitelnější model CIE L*a*b*, představující trojosý prostor s počátkem v nepestrém bodě, jenž každému jeho místu přiřazuje barevné souřadnice a popisuje tak danou barvu v jejím odstínu, jasu a chromatické sytosti.

Obr. 2 Barevný prostor

Na jakém principu vlastně pracují zařízení pro měření barevnosti zvané spektrofotometry? Jejich měrná hlavice vyšle definovaný světelný paprsek na měřený objekt, přičemž jím odražená či jím propuštěná část světla je zachycena fotosenzorem a jeho spektrum je analyzováno jako funkce vlnové délky. Výsledkem měření je remisní nebo transmisní spektrální křivka. Jelikož je pro každý barevný odstín jedinečná, jako je pro každého jedince daktyloskopicky jedinečným jeho otisk prstu, lze tuto charakteristiku výborně použít pro specifikaci, identifikaci i výpočet receptury naměřené barvy. Zároveň je základem pro stanovení všech běžně používaných kolorimetrických parametrů, jako jsou již zmíněné barevné souřadnice L*a*b* nebo barevná síla, opacita, index metamerie či stupně běli a žluti. Díky zabudovanému mikroprocesoru a displeji, případně prostřednictvím softwarové aplikace, jsou veškeré výsledky během okamžiku operátorovi k dispozici.

Obr. 3 Princip měření spektrofotometru

V průmyslových aplikacích obvykle nepotřebujeme znát absolutní hodnoty příslušného odstínu. Pro účely kontroly barevné kvality je mnohem zajímavější barevná diference mezi odběratelem předepsanou barevnou referencí a výrobcem realizovaným produktem. Pomocí Pythagorovy věty kalkuluje měřicí systém barevnou odchylku ∆E* (delta E) z po sobě naměřených souřadnic standardu a vzorku jako nejkratší spojnici těchto dvou bodů v barevném CIE L*a*b* prostoru:

Interakce světla s měřeným objektem probíhá nejrůznějším způsobem. V závislosti na materiálových vlastnostech měřeného vzorku dochází k jeho odrazu, difrakci, lomu, průchodu, pohlcování i rozptylu.

Obr. 4 Absorpce a rozptyl světla

Všechny tyto procesy jsou spektrální a probíhají tedy v rámci viditelného spektra selektivně v závislosti na vlnové délce, přičemž na vzorek dopadající či jím procházející bílé světlo se v důsledku pigmentace v něm obsažené mění na světlo barevné. Zároveň pak index lomu a povrchová textura vzorku určují formu a směr rozptylu světla a ovlivňují tak celkový vizuální vjem pozorovatele ve smyslu nejen barevnosti, ale i lesku, matu, zákalu apod. Lidský zrak není schopen aspekty pigmentace a vzhledu od sebe oddělit. Když posuzujeme dva barevně podobné vzorky s různou mírou lesku, nejsme s to jednoznačně okem vyhodnotit, zda se jejich odstíny liší primárně kvůli rozdílné pigmentaci nebo zda je jejich barevná odchylka způsobena rozdílnou povrchovou úpravou, či snad každý vidíme poněkud jinak v důsledku kombinace obojího. Pro úspěšné objektivní změření je v takovéto situaci nutno zvolit spektrofotometr se správnou konstrukcí měrné hlavice. Vybírat je možno ze tří základních měrných geometrií. Každý typ je specificky uzpůsoben pro jiné zadání, přičemž z jednotlivých typových označení vyplývá způsob a směr, jakým si dané zařízení na měřený objekt svítí, jakož i úhel, pod nímž přístroj „vidí“ odražené světlo.

a) Měrná geometrie 0°/45° nebo 45°/0°

Přístroje této konstrukce nezahrnují do měření efekty zrcadlení vznikající na samém povrchu měřeného vzorku. Jsou hojně používány tam, kde je třeba simulovat směrovost pozorování typickou pro lidské oko. Pro lepší pochopení – hodnotíme-li vizuálně barevnost vysoce lesklého vzorku, snadno najdeme úhel pohledu, při kterém se dopadající světlo zrcadlově odráží přímo do našeho oka. To je nejen nepříjemné, ale především značně nevýhodné pro posouzení barevnosti, a proto se snažíme leskovou komponentu z pozorování dalekosáhle odstranit pomocí vhodnějšího natočení vzorku. Ideální polohy je dosaženo, jakmile odkloníme úhel pohledu od úhlu dopadu světla o 45°. Spektrofotometry s touto konfigurací měrné hlavice vidí barevnou informaci a odchylky mezi standardem a vzorkem do značné míry shodně s lidským okem a jsou proto přednostně používány pro kontrolu kvality.

b) Kulová (difúzní) měrná geometrie d/8°

Tyto přístroje osvětlují vzorek difuzně a odražené světlo měří pod úhlem 8° od kolmice. Difuzního osvitu je dosaženo posvícením do duté, ideálně bílé koule, v níž se paprsky světla nejprve mnohočetně odrazí od jejích stěn, než konečně projdou měrným otvorem a dopadnou ze všech směrů na povrch vzorku. Srovnáváme-li dva plastové vzorky o stejné pigmentaci, přičemž jeden je matný a druhý se vyznačuje vysokým leskem, jeví se oku – a stejně tak výše zmíněnému přístroji vybavenému mířenou geometrií – jako dva odlišné odstíny. V důsledku odlišných povrchových vlastností totiž lesklý vzorek vypadá mnohem tmavší ve srovnání s matnou variantou. Budeme-li poměřovat tytéž vzorky spektrofotometrem s kulovou geometrií při zahrnutí leskové komponenty do měření, bude se naměřené barevná odchylka mezi nimi blížit nule. I když každá z obou povrchových modifikací směrově a tvarově odráží dopadající světlo jinak, odražený signál je zachycen uvnitř koule a řádně promíchán ještě předtím, než jej zachytí senzor umístěný pod úhlem 8° od kolmice procházející středem měrného otvoru. Výsledkem je, že kulový spektrofotometr zcela ignoruje rozdíly v povrchových texturách obou vzorků a vidí v důsledku jejich shodné pigmentace v obou případech shodný odstín. Z tohoto důvodu jsou za účelem recepturování, a to jak v oblasti nátěrářské, plastařské či textilní, upřednostňovány přístroje s kulovou geometrií. Výhodou této konstrukce je možnost použití tzv. leskové pasti, tedy otvoru, kterým lze světelnou energii odraženou zrcadlově od povrchu měřeného vzorku volitelně z měření vyloučit. Výsledky obdržené v takovémto režimu velmi dobře korelují s měřeními pocházejícími z geometrií mířené. V praxi to znamená, že operátor má možnost nejprve vyhodnotit data s vyloučeným leskem a zjistit, zda vzorky vykazují barevnou odchylku. Pokud ano, následné měření se zahrnutou leskovou komponentou mu poslouží jako základ pro patřičné zkorigování odstínu úpravou dané receptury.

Obr. 6 Kulová měrná geometrie

c) Víceúhlová měrná geometrie

Výrobci zboží nejvyšší třídy se v dnešní době snaží dát svým produktům punc exkluzivity použitím speciálních efektových barev, obsahujících metalické, perleťové a interferenční pigmenty. Takto zušlechtěné povrchy se vyznačují podmanivějším vzhledem, který ovšem ani mířená ani kulová geometrie nedokáží v plném rozsahu charakterizovat. Tradičním způsobem naměřená koloristická data bohužel nekorelují s vizuálním vjemem a nemohou tak spolehlivě posloužit jako vodítko při kontrole kvality výrobního procesu či dodaných dílů. Jelikož vzorky se zvláštními efekty mění svou barvu a vzhled v závislosti na úhlu pohledu, je nutno použít při jejich měření a vyhodnocování zařízení s víceúhlovou geometrií. Při nejběžnější konfiguraci takovýchto systémů dochází k osvitu měřeného objektu pod úhlem 45° od kolmice, zatímco pozorovací úhly jsou umístěny ve stejné rovině, aspekulárně odkloněny od směru totální reflexe o -15°, 15°, 25°, 45°, 75° a 110°.

Obr. 7 Víceúhlová měrná geometrie

Konstrukční aspekty moderních spektrofotometrů používaných napříč průmyslovými odvětvími v mnoha ohledech určují oblast jejich použití. Stolní přístroje představují primární volbu pro centrální laboratoře specializované na analýzu barev a hloubkové testování vstupních surovin. Jsou rovněž často používány ve výzkumných projektech se speciálními úkoly, jako jsou například měření translucentních vzorků na jejich propustnost a zákal či kontrola stupně běli opticky zjasněných materiálů. Jejich robustní konstrukce, velký rozměr měrné koule a adekvátně velký měrný otvor se snadno zaměnitelnými clonkami či komora pro měření v průsvitu poskytují uživatelům bezkonkurenční pracovní pohodlí a univerzálnost nejvyšší úrovně. Díky jejich nepřekonatelné mezipřístrojové shodě, nejvyšší přesnosti a mimořádné krátkodobé opakovatelnosti i dlouhodobé stabilitě měření garantují tato zařízení spolehlivé sdílení a výměnu barevných dat v rámci globálních odběratelsko-dodavatelských řetězců.

Obr. 8 Stolní spektrální fotometr

Přenosné spektrofotometry představují praktická a cenově vyvážená řešení určená pro přesné měření barevnosti v reálném čase v jakémkoliv stádiu výrobního procesu. Tyto plně autonomní přístroje se vyznačují lehkou, ergonomickou a zároveň odolnou konstrukcí, která obsahuje měrnou hlavici a výkonný mikroprocesor, který okamžitě vyhodnocuje naměřená data a zobrazuje jak absolutní, tak i relativní výsledky na dostatečně velkém a dobře čitelném LCD displeji. Jejich vnitřní důmyslně strukturovaná databáze dokáže uložit tisíce spektrálních charakteristik barevných standardů i vzorků včetně jejich tolerančních kritérií. Přístroje jsou vybaveny rozhraním pro jejich připojení k počítači umožňujícím obousměrný přenos dat. V závislosti na modelu jsou dostupné všechny tři hlavní měrné geometrie (0°/45°, d/8° a víceúhlová). V nabídce je široký sortiment doplňků pro zafixování přesné pozice měření vzorků různých velikostí, tvarů a skupenství. S jejich pomocí lze snadno a reprodukovatelně měřit prášky, granuláty, pasty a dokonce i roztoky.

Obr. 9 Přenosný spektrální fotometr

Funkčnost výše zmíněných zařízení je možno výrazně rozšířit jejich propojením se softwarovými aplikacemi. Informační dálnice zvaná internet stojí za decentralizací výrobních procesů, takže v rámci neustále košatících dodavatelských řetězců je pro rychlou, bezztrátovou a nekonfliktní komunikaci naměřených barevných dat využití digitálních technologií naprosto nezbytné. Dílčí řešení jsou dostupná v modulární podobě počínaje pracovní stanicí pro jednoduchou barevnou identifikaci, přes pracoviště kontroly kvality až po plně vybavenou barevnou kuchyni. Vše pak lze postupně a plánovitě propojovat do síťových prostředí za využití centrálních serverů a dosáhnout tak simultánní globální součinnosti.

Profesionální barevný management založený na výše popsaných principech a na použití představených zařízení a pomůcek je praktickou metodou zaručující mimořádně efektivní a rychlou návratnost investic. Pokud je promyšleně a řádně implementován, umožní každému výrobci barevně kritických produktů v krátké době dosáhnout maximální konkurenční výhody. K hlavním jeho přínosům patří:

– Integrace důsledné a precizní kontroly barevnosti do každodenního provozu

– Vymýcení běžných barevných chyb způsobených nedostatečným vizuálním posuzováním

– Dosažení perfektní barevné komunikace a barevné harmonie mezi jednotlivými pracovišti a dodavateli

– Snížení výrobních nákladů eliminací odpadu a ušetření času nutného na opravné zakázky

– Generování dat pro analyzování dosahovaných výsledků a jejich protokolování odpovídající standardizačním požadavkům

– Celkové zlepšení kvality a získání lepší kontroly nad finančními toky

Budete-li se chtít o spektrálních fotometrech dozvědět více, kontaktujte nás prosím. www.anamet.cz