Weiße

Weiße ist in mancherlei Hinsicht kein einfach zu erklärender Begriff. Im physikalischen Sinne ist eine weiße Oberfläche eine perfekt diffus reflektierende Oberfläche. Tatsächlich gibt es jedoch keine solche Oberfläche, obwohl einige Substanzen wie Schnee ihr recht nah kommen. Weiße ist jedoch etwas ganz anderes: eine Oberfläche verfügt über eine hohe Weiße, wenn sie als sehr weiß wahrgenommen wird.

Weiße ist daher eine Eigenschaft, die durch die menschliche Wahrnehmung von Weiß definiert wird; damit unterscheidet sie sich von einem tatsächlichen physikalischen Weiß. In der Kartonindustrie genießt eine hohe Weiße den Vorzug vor einer rein weißen oder nahezu weißen Oberfläche.

Wechselwirkung zwischen Licht und Material

Sichtbares Licht ist ein Teil des elektromagnetischen Spektrums. Das Spektrum umfasst Radiowellen und Röntgenstrahlen ebenso wie ultraviolettes und infrarotes Licht. Licht kann durch seine jeweilige Wellenlänge, die in Nanometern (nm) angegeben wird, näher definiert werden. Ein Nanometer ist 1/1.000.000 mm. Licht mit einer Wellenlänge zwischen 400 und 700 nm ist für das menschliche Auge sichtbar.

 

 

 


RefReflexion des Lichts. Klicken zum Vergrößern.

 

Licht von einer lokalen Lichtquelle, beispielsweise einer Wolframlampe, fällt auf das Objekt. Je nach Art des Objekts wird das Licht absorbiert, reflektiert, übertragen oder gestreut. Die Farbwahrnehmung ist eng mit der Absorption bestimmter Wellenlängen des Lichts verbunden. Ein rein weißes Objekt reflektiert das gesamte Licht aller Wellenlängen; ein Prüfmuster mit hoher Weiße reflektiert den größten Teil des Lichts; ein rotes Objekt absorbiert den größten Teil des Lichts und reflektiert nur das Licht im roten Bereich des einfallenden Lichts; ein blaues Objekt absorbiert ebenfalls den größten Teil des Lichts, reflektiert jedoch das blaue Licht aus dem Spektrum des einfallenden Lichts. Ein schwarzes Objekt absorbiert fast das gesamte einfallende Licht.

Die Farbe des Objekts kann anhand seiner spektralen Reflexionskurve betrachtet werden. Das Reflexionsspektrum gibt an, wie viel Licht einer bestimm- ten Wellenlänge reflektiert wird.

Die Abbildungen unten zeigen den Unterschied in der spektralen Empfindlichkeit zwischen einem Karton mit und einem Karton ohne optische Aufheller bei unterschiedlicher Beleuchtung. Bei normalem Tageslicht (links) enthält das einfallende Licht einen relativ hohen Anteil an Strahlung geringer Wellenlänge, die den optischen Aufheller aktiviert, so dass die beiden Prüfmuster verschieden große Lichtmengen im blauen Spektrum reflektieren. Wenn das Licht eher dem einer Wolframlampe entspricht (rechts), lässt der Mangel an Strahlung geringer Wellenlänge die Muster weniger verschieden erscheinen, weil die Reflexion bei größeren Wellenlängen ähnlich ist.

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Übertragung von Licht durch ein transparentes
Objekt.

Eine Übertragung liegt vor, wenn Licht ein Material weitgehend unverändert durchdringen kann. Das Licht wird durch das Objekt übertragen und das Material als transparent bezeichnet. Wird ein Teil des Lichts absorbiert, ist das Objekt weiterhin transparent, erscheint jedoch farbig. Wenn z. B. das blaue Licht absorbiert wird, ist das übertragene Licht gelb, wird rotes Licht absorbiert, ist das übertragene Licht grün und jeweils umgekehrt. Wird das gesamte Licht absorbiert, wird auch kein Licht übertragen und das Objekt ist schwarz und undurchsichtig.

Eine Streuung wird durch die Wechselwirkung zwischen dem Licht und
kleinen Partikeln in einem Material mit einem
anderen Brechungsindex als dem des
umgebenden Materials (normalerweise Luft)
verursacht. Beispiele für Streuung sind
häufig zu beobachten; 

Absorption von Licht durch ein transparentes,
farbiges Objekt.

So sind die blaue Farbe des Himmels und das Weiß von Wolken und Schnee auf Streuung zurückzuführen.

Ist die Streuung so stark, dass gar kein oder nur sehr wenig Licht gerade durch das Objekt hindurchgeht, ist das Objekt undurchsichtig: es weist eine hohe Opazität auf. Tritt die Streuung bei jeder Wellenlänge in gleicher Stärke auf und liegt keine Absorption vor, sieht das Objekt weiß aus.

 

 

Messbare Eigenschaften


Ein Teil des Lichts wird übertragen, ein Teil
durch Streuung diffus reflektiert.

Opazität(ISO 2471)

Die Opazität eines Prüfmusters entspricht seiner fehlenden Transparenz.

Ein Muster mit einer Opazität von 100 % lässt kein Licht passieren und verdeckt damit alles, was unter ihm liegt.

Ein Muster mit einer gegen null tendierenden Opazität ist nahezu transparent und verbirgt nichts. Diese Norm spezifiziert nach wie vor die Lichtart C statt D65.

 


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Beurteilung der CIE-Weiße

Der Begriff „weiß“ sollte nicht für einen Karton verwendet werden, da „weiß“ eine perfekt diffus reflektierende Oberfläche bezeichnet. Es ist daher sinnvoll, im Zusammenhang mit Karton von einer bestimmten Weiße zu sprechen. Da kein Karton weiß ist, sollte auch kein Karton als weißer als ein anderer Karton beschrieben werden. Ein Karton kann jedoch über eine höhere Weiße verfügen als ein Konkurrenzprodukt. (Tatsächlich halten sich jedoch nur sehr wenige Menschen an diese Sprachregelung, wenn es um Karton geht.)

Zur Beschreibung der Weiße wurden zahlreiche Studien durchgeführt und Formeln vorgeschlagen. Derzeit werden die CIE-Messungen zu Weiße und Farbstich favorisiert (ISO 11475).

Messbare Eigenschaften

CIE-Weiße(ISO 11475)

Die CIE-Gleichungen zu Weiße (W) und Farbstich (T) lauten wie folgt:

W = 2.41L* – 4.45b*(1–0.009(L*–96))–141.4

T = –1.58a*–0.38b*

– 3 < T< 3

40  < W  < 10.6L*– 852

 

Dies ist nicht die übliche Art der Definition von CIE-Weiße, doch sie besitzt mathematische Gültigkeit und dient zur Veranschaulichung, dass der CIE-Weißewert keinen Punkt im L*a*b*-Farbraum angibt, sondern eine Fläche.

Wenn CIE-Weiße und Farbstich spezifiziert sind, bezeichnet das Ergebnis eine Linie im L*a*b*-Farbraum. Diese Überlegungen sind wichtig, um zu verstehen, dass Muster mit denselben Weißewerten nicht unbedingt dieselben Farbeigenschaften aufweisen müssen.

Obwohl ein Anstieg der CIE-Weiße meist mit einem Anstieg der wahrgenommenen Weiße einhergeht, ist die Weiße-Skala eher willkürlich. Die CIE-Lab-Koordinaten können bei der Bestimmung, ob eine Änderung der CIE-Weißewerte einer wesentlichen Änderung der wahrgenommenen Weiße entspricht, sehr hilfreich sein.

Die Betrachtung der obigen Gleichungen ist ebenfalls hilfreich für das Verständnis, weshalb dem Karton optische Aufheller und Farbstoffe zugesetzt werden. Die Farbstoffe und optischen Aufheller geben dem Karton eine bläuliche Farbe. Blau wird mit negativen Werten für b* verbunden. Wie die obige Gleichung zeigt, ist die wahrgenommene Weiße umso höher, je größer der negative b*-Wert ist.

Ein CIE-Weißewert sollte immer mit einem Farbstichwert (T) angegeben werden, obwohl dieser oftmals fehlt. Ein positiver Farbstichwert entspricht einem Grünstich, ein negativer Wert einem Rotstich.

Um die CIE-Weißegleichungen verstehen zu können, muss zunächst das dreidimensionale Farbwertsystem verstanden werden, mit dessen Hilfe Farben zum Zeitpunkt der Entstehung der Gleichungen beschrieben wurden.

Das menschliche Auge enthält zwei Typen von Fotorezeptoren: Stäbchen und Zapfen. Die Stäbchen sind für das Hell-Dunkel-Sehen zuständig, die Zapfen dienen der Farberkennung. Es gibt drei Arten von Zapfen, die gegenüber langen, mittleren und kurzen Wellenlängen empfindlich sind. (Die L-, M- und S-Zapfen werden auch als Rot-, Grün- und Blaurezeptoren bezeichnet; diese Bezeichnung wird jedoch nicht mehr favorisiert.)

 


CIE-Normfarbtafel (1931) - XYZ-Farbraum. Klicken zum Vergrößern.

 

In einer Reihe von Experimenten wurde verschiedenen Teilnehmern reines Licht gezeigt, also Licht in einem definierten engen Wellenlängenbereich. Die Teilnehmer mussten dann die Farbe abgleichen, die ihnen durch Filterung des Lichts dreier Lampen gezeigt wurde, wobei jede Lampe einen Zapfentyp stimulierte. Dank dieser Experimente konnte beschrieben werden, wie Licht einer bestimmten Wellenlänge diese drei Rezeptoren stimuliert.

Diese Farbabgleichfunktionen können zusammen mit einem Reflexionsspektrum verwendet werden, um die Farbwerte X, Y und Z zu berechnen, die sich auf die spektrale Empfindlichkeit der L-, M- bzw. S-Zapfen beziehen.

Aus den X, Y und Z-Werten ergibt sich eine dreidimensionale Farbdarstellung.

Die dritte Achse ist einfach die Y-Achse, die normalerweise als vertikale Achse dargestellt wird.

In weiteren Wahrnehmungsversuchen wurde gezeigt, dass sich die wahrgenommene Weiße entlang einer Linie zwischen den x- und y-Koordinaten der Lichtart, bezeichnet als xn und yn, und dem Rand des Farbraums bei einer Wellenlänge von 425 nm erhöhte.

W = Y + 800 (xn – x) + 1700 (yn – y)

Diese Gleichung gibt lediglich an, dass sich die wahrgenommene Weiße erhöht, wenn sich das Muster entlang der beschriebenen Linie bewegt. Da diese Linie den Zusatz einer violetten Farbe zu einem neutralen Muster beschreibt, kann der Zusatz violetter Farbstoffe die wahrgenommene Weiße erhöhen. Die Gleichung hat eine Reihe von Randbedingungen und sollte immer von einem Farbstichwert begleitet sein.

Die Skala für CIE-Weiße ist recht willkürlich. Die Änderung um eine Einheit ist nicht mit einer bestimmten wahrgenommenen Veränderung der Weiße verbunden. Man sollte bedenken, dass eine ganze Reihe von Mustern mit ganz unterschiedlichem Aussehen denselben CIE-Weißewert und sogar übereinstimmende CIE-Weiße- und Farbstichwerte aufweisen kann.

Ein rein weißes Muster hat eine Weiße von 100. Muster mit einer CIE-Weiße über 100 vermitteln somit einen Eindruck größerer Weiße als ein rein weißes Muster.

Zusammenfassung

Die Weiße hängt in hohem Maße von den verwendeten Rohstoffen ab. Wird Karton aus Fasern mit geringer Weiße hergestellt, werden diese oft mit Lagen weißer chemischer Fasern, einem weißem Pigmentstrich oder einer Kombination aus beidem überzogen.

 


L*a*b*-Farbraum. Klicken zum Vergrößern.

 

Farbe und Farbton

Bei der Messung von Farbeigenschaften muss die verwendete Lichtart spezifiziert werden. Zum Zeitpunkt der Entstehung dieses Handbuchs ist es üblich, bei der Messung optischer Eigenschaften eines Kartons die Lichtart D65 zu verwenden. D65 ist gleichbedeutend mit diffusem, also inkohärentem Licht mit einer Farbtemperatur von 6500 Kelvin. Viele grafische Normen spezifizieren D50, eine diffuse Lichtart mit einer Farbtemperatur von 5000 Kelvin. Diese beiden Lichtarten sind sich relativ ähnlich, D65 enthält jedoch wesentlich mehr ultraviolettes Licht als D50.

Messbare Eigenschaften
L*a*b*-Koordinaten (ISO 5631-2)
Das L*a*b*-Koordinatensystem ist ein dreidimensionales System zur Beschreibung von Farben. Dieses System ist sehr nützlich für die Unterscheidung verschiedener Kartonmuster. Das Koordinatensystem wurde im Hinblick darauf konzipiert, dass eine Einheit im Koordinatensystem einer wahrnehmbaren Farbänderung entspricht. Bei Messungen an zwei Prüfmustern unter denselben Beleuchtungsbedingungen geben die Koordinaten einen eindeutigen Farbunterschied zwischen den beiden Mustern an. Bei der Messung desselben Musters unter verschiedenen Beleuchtungsbedingungen können die Abweichungen im Aussehen des Prüfmusters, die sich aus der unterschiedlichen Beleuchtung ergeben, in Zahlenwerten ausgedrückt werden, die der menschlichen Farbwahrnehmung entsprechen

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