Aynı numune, farklı ölçüm: ölçüm geometrileri

Kısa cevap

Parlak bir yüzeyi iki farklı geometriyle ölçmek farklı sonuç verir, çünkü yüzeye düşen ışığın bir kısmı boyanın içine girmeden, bir ayna gibi yüzeyden geri döner ve geometrinin asıl farkı bu yansımayı ölçüme dahil edip etmemesidir. Küresel bir cihaz parlaklık dahil (SCI) modunda bu yansımayı toplar ve rengi yüzeyden bağımsız ölçer; parlaklık hariç (SCE) modu ya da 45/0 geometrisi onu dışarıda bırakır ve rengi gözün gördüğüne daha yakın ölçer. Aradaki fark koyu renklerde büyür: yüzde 4'lük bir yüzey yansıması beyaz bir numunede neredeyse görünmezken, siyah bir numunede ya da en koyu ten örneğinde on birimden büyük bir renk farkı yaratır.

Cihaz da bir bakış açısıdır

BI-16, bir spektrofotometrenin bir numunenin yansıtmasını dalga boyu dalga boyu nasıl ölçtüğünü anlattı. EN-02, gözle yapılan değerlendirmenin ışığa, çevreye ve bakış açısına bağlı olduğunu gösterdi. Aynı bağımlılık cihaz için de geçerlidir: bir cihaz numuneyi belirli bir yönden aydınlatır ve belirli bir yönden bakar. Bu iki yönün düzenine ölçüm geometrisi denir.

Mat ve düzgün bir yüzeyde geometri pek fark etmez, çünkü böyle bir yüzey ışığı her yöne kabaca eşit dağıtır. Parlak, dokulu ya da efekt pigmentli bir yüzeyde ise yansıyan ışığın yönü önemlidir ve farklı geometriler aynı numuneden farklı sayılar okur. Bir renk değerinin yanına geometrinin yazılması bu yüzden zorunludur: EN-01'deki tolerans şartnamesinin ikinci adımı da buydu.

İki temel düzen: 45/0 ve d/8

Sanayide en yaygın iki geometri 45/0 ile d/8'dir. 45/0 geometrisinde numune yüzeye dik doğrultuya göre 45 derece eğik gelen ışıkla aydınlatılır ve cihaz yüzeye dik doğrultudan bakar. Çoğu cihazda ışık tek bir yönden değil, numunenin çevresinde bir halka boyunca, her yönden 45 derecelik açıyla gelir; böylece dokulu bir yüzeyin ölçümü, numunenin hangi yöne çevrildiğine daha az bağlı olur.

d/8 geometrisinde numune dağınık ışıkla, yani her yönden aydınlatılır ve cihaz dik doğrultudan 8 derece eğik bakar. Dağınık ışık, içi beyaz ve çok yüksek yansıtmalı bir kaplamayla kaplanmış bir kürenin içinde elde edilir.

İki geometri farklı sorulara cevap verir. Bir ölçüm cihazı üreticisinin kataloğu bunu iki kısa cümleyle özetler: 45/0 rengi «gördüğünüz gibi» denetlemek içindir, d/8 ise rengi yüzey parlaklığının ya da dokusunun etkisi olmadan denetlemek içindir.

Parlaklığın payı: yüzde 4

Bir parlak yüzeyin iki ölçüm arasında neden farklı çıktığını anlamak için ışığın yüzeyde ne yaptığına bakmak gerekir. Işık bir boya filmine ya da cilalı bir plastiğe çarptığında bir kısmı hava ile malzeme arasındaki sınırdan hemen geri döner; kalanı malzemenin içine girer, pigmentlerle karşılaşır, bir kısmı soğurulur ve geri kalanı dağılarak yüzeye çıkar. Rengi taşıyan bu ikinci kısımdır. Birinci kısım ise renksizdir, çünkü sınırdan yansıma dalga boyuna neredeyse bağlı değildir.

Bu yüzey yansımasının büyüklüğü malzemenin kırılma indisinden hesaplanır. Kırılma indisi 1,5 dolayında olan tipik bir boya bağlayıcısı ya da plastik için, dik gelen ışığın yüzeyden yansıyan payı, Fresnel bağıntısıyla ((1,5 − 1)/(1,5 + 1))², yani yaklaşık yüzde 4'tür. d/8 geometrisinin 8 derecelik açısında hesap aynı sonucu verir. Pürüzsüz bir yüzeyde bu yüzde 4 tek bir yönde, BI-04'te tanımlanan aynasal yansıma olarak döner; pürüzlü bir yüzeyde ise her yöne dağılır.

Küresel bir cihaz bu payı ölçüme dahil edebilir ya da dışarıda bırakabilir. Kürenin duvarında, numuneye 8 derecelik bakışın aynasal karşılığına denk gelen yerde bir delik bulunur. Delik kapalıyken, yani oradaki kapak da kürenin geri kalanı gibi beyazken, numune o yönden de aydınlatılır ve aynasal yansıma cihaza ulaşır. Delik açıkken ya da içi karanlık bir tuzakla kapatıldığında, o yönden gelen ışık yoktur ve aynasal yansıma ölçüme girmez.

Parlak ve mat olmak üzere, aynı boyadan yapılmış iki numune düşünelim. SCI modunda ikisi aynı değeri verir: parlak numunenin aynasal yansıması da, mat numunenin dağınık yüzey yansıması da ölçüme girer. SCE modunda ise parlak numunenin yüzde 4'lük yansıması tuzağa gider, mat numunenin dağınık yüzey yansımasının büyük kısmı ise tuzağa değil cihaza ulaşır. Mat numune bu yüzden daha açık ve daha soluk ölçülür. Göz de aynı şeyi görür: aynı boyanın mat hâli, parlak hâlinden daha açık ve daha «kireçli» görünür. 45/0 geometrisi, aynasal yönden uzakta durduğu için tasarımı gereği parlak bir yüzeyin aynasal yansımasını dışarıda bırakır ve bu bakımdan SCE'ye benzer davranır.

Aynı yüzde 4, farklı renklerde

Yüzde 4'lük renksiz bir payın etkisi, rengin kendi yansıtmasına göre değişir. Açık bir renk zaten ışığın çoğunu geri verir; ona yüzde 4 eklemek küçük bir değişikliktir. Koyu bir renk ışığın çok azını geri verir; aynı yüzde 4, onun kendi yansıttığı ışıkla boy ölçüşür. Bunu serinin renkleriyle hesapladık: her rengi pürüzsüz, parlak bir yüzeyin gövde rengi saydık, gövdeye giren ışığı yüzey yansıması kadar azalttık ve CIE 1964 gözlemcisi ile D65 altında SCI ve SCE değerlerini karşılaştırdık:

Beyaz numunede iki mod arasındaki fark ΔE00 1'dir; siyah numunede 13'tür. Koyu lacivert numunede SCI, SCE'ye göre hem çok daha açık hem çok daha soluk bir renk okur. Kartın sorusunun cevabı bu tablodadır: iki geometri, renkten değil yüzeyden gelen ışığı farklı sayar ve bu ışığın ağırlığı koyu renklerde büyür.

Bu, SCI'nin «yanlış» olduğu anlamına gelmez. Bir boyahane, bir reçetenin pigment oranını ayarlarken yüzey parlaklığının değişkenliğinden bağımsız bir değer ister; SCI bunu verir. Bir otomobil üreticisi ise müşterinin parlak bir kapıda göreceği rengi denetlemek ister; SCE ya da 45/0 bunu verir. Sorun, iki modun sonuçlarının karıştırılmasıdır: bir tedarikçi SCI ile, müşteri SCE ile ölçerse, aynı koyu numune için on birimden büyük bir anlaşmazlık, hiçbir üretim hatası olmadan ortaya çıkar.

Morötesi: M0'dan M3'e

Geometrinin yanında ölçümün ikinci koşulu, aydınlatmanın morötesi içeriğidir. DT-15'te tanımlanan optik beyazlatıcılar morötesi ışığı soğurup mavi ışık olarak geri yayar; böyle bir kâğıdın ya da kumaşın ölçülen rengi, cihazın ışığında ne kadar morötesi bulunduğuna bağlıdır. Grafik sanatlarının ölçüm standardı ISO 13655, bu yüzden ölçüm koşullarını morötesi içeriğe göre adlandırır.

Aynı kâğıt, yalnız cihazın ışığındaki morötesi pay değiştiği için mavi ekseninde sekiz birim oynar. Bu fark numunenin kendisinde değil, ölçüm koşuludadır. Beyazlatıcı içermeyen bir kâğıtta aynı üç koşulun aynı sonucu vermesi, farkın kaynağının floresan olduğunu doğrular. Tekstilde de optik beyazlatıcılar yaygın olduğu için, beyaz ve açık renkli kumaşların ölçüm raporunda morötesi koşulunun yazılması gerekir.

Efekt boyalar: tek açı yetmez

MA-10, alüminyum pullu ve sedefli pigmentlerin rengi bakış açısıyla değişen yüzeyler yarattığını anlattı. Böyle bir yüzeyi tek bir geometriyle ölçmek, bir heykeli tek bir fotoğrafla tarif etmeye benzer. Çok açılı spektrofotometreler numuneyi sabit bir açıdan aydınlatır ve yansıyan ışığı aynasal yönden farklı uzaklıklarda toplar.

Otomotivde kullanılan cihazlar çoğunlukla üçten fazla açıyla ölçer. BYK-Gardner'ın aynı kataloğu, efekt boyaların görsel değerlendirmesi için 45 derecelik gün ışığı aydınlatması ve −15, 15, 25, 45, 75 ve 110 derecelik altı bakış açısı sunan bir ışık kabinini tanıtır. Her açıda renk farklı olduğu için tolerans da açıdan açıya değişir; katalog, bu amaçla görsel uyum çalışmalarından türetilmiş renk farkı bağıntılarını, örneğin DIN 6175-2'nin ΔEeff bağıntısını sayar. EN-01'de anılan DIN 6175:2019, bu parçalı standardın yerini almıştır.

Kirchner ve Cramer bu açıların fiziksel anlamını açıklamak için farklı bir bakış önerdi. Açıları kaplamanın yüzeyine göre değil, kaplamanın içindeki pulların yüzeyine göre ifade ettiler. Bu bakışla, örneğin aynasal yönün iki yanında aynı aspeküler açıda duran iki geometrinin, yani 15 derecelik «cis» ve «trans» ölçümlerinin, rengi açıyla çok değişen girişim pigmentlerinde ayrı bilgi taşıdığını, ama metalik ya da mika tabanlı pigmentlerde birbirine çok yakın sonuç verdiğini gösterdiler.

Açıya bağlı renk efekt boyaların tek özelliği değildir. Doğrudan güneş ışığında metalik bir yüzeydeki pullar tek tek parıldar; dağınık ışıkta yüzey tanecikli görünür. Bunlar da ölçülür.

Dokulu yüzeyler ve ölçüm açıklığı

Bir cihazın numuneye baktığı dairenin çapına ölçüm açıklığı denir. Düz renkli bir plakada açıklığın büyüklüğü sonucu pek etkilemez. Dokulu ya da desenli bir yüzeyde ise küçük bir açıklık her seferinde yüzeyin farklı bir parçasını görür.

Bunu bir modelle gösterdik. İki milimetre genişliğinde koyu lacivert ve beyaz karelerden oluşan bir kareli kumaş düşünelim. Kumaşın üzerinde rastgele 400 noktaya dairesel bir açıklık koyduk ve her seferinde açıklığın gördüğü alanın ortalama açıklığını hesapladık. Kumaşın tamamının ortalama L* değeri 73,3'tür. 4 milimetrelik bir açıklıkta tek tek ölçümler 68,6 ile 77,6 arasında dağıldı ve standart sapma 2,2 birimdi. 8 milimetrelik açıklıkta standart sapma 1,3'e, 25 milimetrelik açıklıkta 0,25'e indi.

Küçük açıklıkla aynı kesinliğe ulaşmanın yolu birden fazla ölçümün ortalamasını almaktır. Ortalamanın standart sapması ölçüm sayısının kareköküyle azalır; 4 milimetrelik açıklıkla 25 milimetrelik açıklığın tek ölçümdeki kesinliğine ulaşmak için bu modelde yaklaşık 75 ölçüm gerekir. ASTM E1164, spektrometrik ölçüm şartnamelerinde belirtilmesi gereken parametreleri sayar ve ölçümde kesinlik için uygun numunenin seçilmesini de bu parametreler arasında ele alır. Açıklığın çapı, ölçüm sayısı ve numunenin döndürülüp döndürülmediği bu yüzden ölçüm raporuna yazılır.

Adım adım: bir ölçüm koşulunu belgelemek

1. Geometriyi seçin ve yazın: yüzeyi gözün gördüğü gibi denetleyecekseniz 45/0 ya da d/8 SCE, reçete ve boya oranı için d/8 SCI; efekt boyalarda çok açılı bir cihaz ve açıların listesi.
2. Morötesi koşulunu yazın: optik beyazlatıcı içerebilecek kâğıt, kumaş ve plastiklerde M0, M1 ya da M2'den hangisinin kullanıldığını belirtin.
3. Işığı ve gözlemciyi yazın: hesapta hangi aydınlatıcının ve 2 ya da 10 derecelik hangi gözlemcinin kullanıldığını belirtin; BI-17'de anlatıldığı gibi, CIELAB değerleri bu iki seçime bağlıdır.
4. Açıklığı ve ölçüm sayısını yazın: dokulu yüzeylerde açıklığın çapını, kaç noktada ölçüldüğünü ve numunenin döndürülüp döndürülmediğini kaydedin.
5. Numune hazırlığını yazın: saydam ya da ince malzemelerde kaç kat üst üste konduğunu ve arkaya hangi zeminin yerleştirildiğini belirtin.
6. Karşılaştırmayı aynı koşulda yapın: iki ölçüm arasındaki farkı yalnız aynı geometri, aynı morötesi koşulu ve aynı açıklıkla alınmış değerler arasında hesaplayın; farklı koşullardaki değerleri bir katsayıyla birbirine çevirmeye çalışmayın.

Örnek — dört tende aynı yüzde 4

Aynı hesabı serinin dört ten örneği için tekrarladık. Her ten rengini parlak bir yüzeyin, örneğin ten rengi cilalı bir plastik parçanın ya da parlak bir yüz protezinin gövde rengi saydık:

İki mod arasındaki fark en açık tende 1,6, en koyu tende 10,3 birimdir. En koyu tende SCI, SCE'nin neredeyse iki katı açıklık ve yarısı kadar kroma okur: yüzeyin renksiz yansıması, tenin kendi rengini sulandırır. Bir üretici ten rengi ürünlerinin toleransını, EN-01'de gördüğümüz gibi ΔE00 2 olarak koyar ama bir tedarikçi SCI, öbürü SCE ile ölçerse, en açık tonda iki ölçüm tolerans içinde kalırken en koyu tonda aynı numune için beş katı büyük bir anlaşmazlık doğar. Yani geometrinin belgelenmemesi, yalnız herhangi bir koyu renkte değil, özellikle koyu ten tonlarına yönelik ürünlerde kalite kontrolü bozar.

Bu hesap, ten renginin cihazla nasıl ölçüleceği hakkında da bir şey söyler. BI-16'da anlatıldığı gibi ten rengi de spektrofotometreyle ölçülür ve derinin yüzeyi de az ya da çok parlaktır. Ölçüm modunun ve geometrinin yazılmadığı iki ten ölçümü, özellikle koyu tenlerde, birbiriyle karşılaştırılamaz.

Sık yapılan yanlış

Özet

1. Ölçüm geometrisi aydınlatma ve gözlem yönlerinin düzenidir; 45/0 rengi göze yakın, d/8 ise yüzeyden bağımsız ölçmek için kullanılır. Küresel cihazların SCI modu aynasal yansımayı dahil eder, SCE modu bir parlaklık tuzağıyla dışarıda bırakır.
2. Yüzeyden renksiz dönen yaklaşık yüzde 4'lük pay koyu renklerde büyük fark yaratır: SCI ile SCE arasındaki fark beyazda ΔE00 1, siyahta 13, en koyu ten örneğinde 10 birimdir. Morötesi koşulu da optik beyazlatıcılı malzemelerde sonucu değiştirir.
3. Efekt boyalar birden çok aspeküler açıda ölçülür ve ışıltı ile taneciklilik ayrıca değerlendirilir; dokulu yüzeylerde açıklık büyüklüğü ve ölçüm sayısı kesinliği belirler. Geometri, morötesi koşulu, ışık, gözlemci ve açıklık her ölçümle birlikte yazılır.

Kendini sına

1. (Kolay) 45/0 ve d/8 geometrilerinde numune nasıl aydınlatılır ve nereden bakılır?
2. (Kolay) Bir küresel cihaz SCE modunda aynasal yansımayı nasıl dışarıda bırakır?
3. (Orta) Parlak bir yüzeyi iki farklı geometriyle ölçmek neden farklı sonuç verir?
4. (Orta) Optik beyazlatıcı içeren bir kâğıt neden M0, M1 ve M2 koşullarında farklı b* değerleri verir, beyazlatıcısız bir kâğıt neden vermez?
5. (Zor) Yüzde 4'lük yüzey yansıması neden beyaz bir numunede ΔE00 1, siyah bir numunede 13 birimlik fark yaratır?
6. (Zor) Kareli bir kumaşta 4 milimetrelik açıklıkla ölçüm yapan bir laboratuvar, 25 milimetrelik açıklığın kesinliğine nasıl yaklaşabilir?

Cevaplar

1. 45/0'da numune 45 derece eğik gelen, çoğunlukla bir halka boyunca her yönden gelen ışıkla aydınlatılır ve dik doğrultudan ölçülür; d/8'de bir bütünleştirici küre içinde her yönden dağınık ışıkla aydınlatılır ve dik doğrultudan 8 derece eğik bakılır. Bkz. "İki temel düzen".
2. Kürenin duvarında, 8 derecelik bakışın aynasal karşılığına denk gelen yerdeki delik açık bırakılır ya da karanlık bir tuzakla kapatılır; o yönden ışık gelmediği için aynasal yansıma cihaza ulaşmaz. Bkz. "Parlaklığın payı".
3. Çünkü yüzeyden renksiz dönen aynasal yansımayı bir geometri ölçüme katar, öbürü dışarıda bırakır; SCI parlak yüzeyi mat yüzeyle aynı okurken SCE ve 45/0 parlak yüzeyi daha koyu ve daha doygun okur. Fark koyu renklerde büyür. Bkz. "Aynı yüzde 4, farklı renklerde".
4. Çünkü optik beyazlatıcı morötesi ışığı soğurup mavi ışık olarak yayar ve yaydığı ışık, cihazın aydınlatmasındaki morötesi miktarına bağlıdır; beyazlatıcısız kâğıtta morötesi ışık görünür ışığa dönüşmediği için koşul sonucu değiştirmez. Bkz. "Morötesi: M0'dan M3'e".
5. Çünkü beyaz numune ışığın çoğunu zaten yansıtır ve yüzde 4 onun yansıttığının küçük bir kesridir; siyah numune ise yüzde 1'in altında yansıtır ve yüzde 4 onun kendi yansıttığından birkaç kat büyüktür. Açıklık algısı yansıtmanın oranına duyarlı olduğu için koyu renkte değişim çok daha büyük görünür. Bkz. "Aynı yüzde 4".
6. Birden fazla noktada ölçüp ortalamasını alarak; ortalamanın standart sapması ölçüm sayısının kareköküyle azalır ve modelde 4 milimetrelik açıklıkla yaklaşık 75 ölçüm, 25 milimetrelik tek ölçümün kesinliğine ulaşır. Bkz. "Dokulu yüzeyler ve ölçüm açıklığı".

Kaynaklar

• BYK-Gardner, «QC Solutions for Coatings», katalog, 2018.
• Konica Minolta Sensing Americas, «Specular Component Included (SCI) vs. Specular Component Excluded (SCE)», sensing.konicaminolta.us.
• Betz, M., «Sphere Spectrophotometers and Specular Component», proofing.de, 15 Mayıs 2021.
• International Color Consortium, «ISO 13655 Measurement Conditions: What they are and where they apply», color.org etkinlik sunumu.
• ASTM E2194-14(2021), «Standard Test Method for Multiangle Color Measurement of Metal Flake Pigmented Materials».
• Kirchner, E. ve Cramer, W., «Making sense of measurement geometries for multi-angle spectrophotometers», Color Research & Application 37(3): 186–198, 2012.
• ASTM E1164, «Standard Practice for Obtaining Spectrometric Data for Object-Color Evaluation».

Sonraki adım

EN-04 ölçümden tedarik zincirine geçiyor: bir renk standardının spektral veriyle paylaşılmasını, fiziksel standartların yaşlanmasını, cihazlar arası uyumu, tedarikçi puanlamayı ve aynı rengin kumaş, plastik, metal, kâğıt ve deri gibi farklı malzemelerde eşleştirilmesini anlatıyor ve fiziksel renk standartlarının neden belirli aralıklarla yenilenmesi gerektiğini soruyor. Açıya bağlı rengin kaynağı olan pulların ve ince katmanların fiziği MA-10'da anlatılıyor.