Die Spektraldensitometrie ist ein elektrooptisches Messverfahren, das die ursprünglich getrennt entwickelten und angewendeten Verfahren der Farbmessung und der Farbdichtemessung in sich vereint. Die dafür geschaffene Messgeräteklasse, das Spektraldensitometer, vereint geräte- und anwendungstechnisch die bisherigen Messgeräteklassen Spektralfotometer und Farbdensitometer.
Spektraldensitometer kommen in der Druckindustrie einschließlich Verpackungsdruck sowie Papier- und Druckfarbenindustrie zum Einsatz, um prozesstypische Kenngrößen im Rahmen der Qualitätssicherung in den entsprechenden Produktionsprozessen zu ermitteln.
Verfahrensbeschreibung Spektralmessprinzip Die Spektraldensitometrie bedient sich des Messprinzips der Erfassung des spektralen Remissionsgrads, aus dem sich alle anderen farbmetrischen und densitometrischen Größen berechnen lassen. Das bedeutet, dass der Sensor für den kompletten sichtbaren Bereich des elektromagnetischen Spektrums, also alle Wellenlängen des Lichts empfindlich sein muss. Der Empfindlichkeitsbereich beginnt etwa bei 400 nm (Nanometer) im Violett und reicht über die Farbnuancen Blaugrün, Grün und Gelb bis zum Rot bei 700 nm. Die Empfindlichkeit des Sensors muss nicht physikalisch kontinuierlich realisiert werden, das heißt, es können kleine Lücken zwischen den Banden auftreten, zwischen denen Messwerte interpoliert werden.
Das Gewinnen der spektralen Remissionswerte erfolgt für alle Wellenlängenabschnitte (Banden) gleichzeitig mittels eines Polychromators. Diese Vorrichtung fächert – je nach Hersteller durch ein Beugungsgitter oder durch viele Schmalbandfilter – den gemessenen Lichtstrom in seine spektralen Anteile auf, deren Signalstärken gemessen und in ihrer Gesamtheit als Spektralwertkurve ausgegeben werden.
Gemeinsamkeiten mit und Unterschiede zu Spektralfotometern und Densitometern Allen drei Geräteklassen gemeinsam ist die glanzfreie Messgeometrie von Lichtquelle (gasgefüllte Lampe oder LEDs) via Probe auf Sensor. Sie beträgt 45°/0° oder 0°/45°. Nur bei Spektralfotometern mit diffuser Messgeometrie (Ulbricht-Kugel) für Messungen auf gewölbten oder stark reflektierenden Oberflächen und mit schwenkbarem Probenhalter für die Messung winkelabhängiger Farbveränderungen (Goniospektralfotometer) weichen die Messgeometrien ab; diese Geräte sind für die üblichen Anwendungen in der Druckindustrie jedoch nicht relevant und werden nachfolgend nicht weiter diskutiert.
Um den spektralen Remissionsgrad erfassen zu können, muss ein Spektraldensitometer über einen Spektralmesskopf verfügen, wie er auch in Spektralfotometern zur Anwendung kommt. Damit lässt sich ein Spektraldensitometer grundsätzlich auch als Farbmessgerät einsetzen, sofern es die Funktionsfreischaltung des Herstellers erlaubt.
Doch anders als Spektralfotometer sind Spektraldensitometer genau wie klassische Densitometer zusätzlich mit einem Polarisationsfilter ausgestattet, der ISO-konform für die Messung densitometrischer Größen in den Strahlengang eingeschwenkt werden muss. Erst aus den auf diese Weise gewonnenen spektralen Messdaten können densitometrische Größen berechnet und ausgeben werden. Die spektrale Basismessung führt zu einem weiteren Unterschied der Spektraldensitometer gegenüber klassischen Densitometern. Dieser Unterschied besteht in der exakten Messbarkeit von Sonderfarben – also Druckfarben, die nicht der ISO-Skala 2846-1:2006 (Bogenoffsetdruck und Heatset-Rollenoffsetdruck), 2:2007 (Coldset-Zeitungsoffsetdruck), 3:2002 (Illustrationstiefdruck), 4:2000 (Siebdruck) oder 5:2005 (Flexodruck) entsprechen und somit meistens als Volltonfarben und nicht als Prozessfarben verdruckt werden. Bisherige Densitometer konnten die Volltondichten von Sonderfarben eher „schätzen“ als messen.
Anwendung Messgrößen Spektrale Messgrößen Mit spektralen Messgrößen sind im Anwendungsfall Druck- und Verpackungsindustrie alle die Größen gemeint, die sich – wie oben beschrieben – auf den sichtbaren Bereich des elektromagnetischen Spektrums (Licht) beziehen. Sie dienen der Beschreibung farbmetrischer Phänomene, also der mathematischen Beschreibung des Farbensehens und der Farbwiedergabe in Verbindung mit dem Mehrfarbendruck auf den verschiedenen Bedruckstoffen.
Grundlage aller dieser spektralen Messungen ist das messtechnische Erfassen des spektralen Remissionsgrads (siehe 1.1). Im entsprechenden Messmodus „Farbmetrik“ verhält sich ein Spektraldensitometer wie die früheren Spektralfotometer. Das bedeutet, dass der im Spektraldensitometer vorhandene Polarisationsfilter nicht in den Strahlengang geschwenkt wird.
Aus dem gemessenen spektralen Remissionsgrad lassen sich alle anderen farbmetrischen Größen berechnen, das heißt, sie werden nicht als Messgrößen direkt erfasst, sondern indirekt aus dem spektralen Remissionsgrad über bekannte Formeln berechnet und dann vom Messgerät-Display oder der damit verbundenen Software auf einem PC ausgegeben. Sowohl beim Messvorgang als auch bei den anschließenden Berechnungen werden die standardisierten Rahmenbedingungen der CIE im Messgerät simuliert. Diese Rahmenbedingungen sind
die „beleuchtende Lichtart“ – in der Druckindustrie wird die Normlichtart D50 (künstliches Tageslicht mit einer ähnlichsten Farbtemperatur von 5000 Kelvin) gefordert; der „Normalbeobachter“ – in der Druckindustrie gilt der 2°-Gesichtsfeldwinkel.
Die prozesstypischen farbmetrischen Kenngrößen der genannten Branchen sind die CIE-Farbmaßzahlen 1931 (XYZ und xyY), die CIE-Farbmaßzahlen 1976 (L*a*b* und L*u*v*, Farbkreis, Farbabstände ΔE, LCh), weitere CIE- und DIN-Farbabstandsformeln (zum Beispiel Lab99, ΔE94, ΔE2000, ΔE99, ΔEcmc), der Metamerie-Index (bedingt gleiche Farben bei Lichtartwechsel) sowie optische Papierkenngrößen (Weiß- und Gelbgrad).
Farbmessungen an Auflagendruckexemplaren werden an den Volltonfeldern des mitgedruckten Druckkontrollstreifens, an größeren Volltonflächen oder an beliebiger aussagekräftiger Stelle in den gedruckten Fotos und Grafiken durchgeführt. Farbmetrische Messungen verlangen vor Messbeginn die Kalibrierung auf Absolutweiß. Das dafür erforderliche Weißnormal in Form einer Keramikkachel mit bekanntem CIELAB-Farbort gehört zum Lieferumfang eines Spektraldensitometers.
miniatur|Farbdisplayfotos eines Spektraldensitometers (Techkon SpectroDens): oben Farbmetrik-Modus (ISO 13655:2009 „M0“, spektraler Remissionsgrad), unten Densitometrie-Modus (ISO 13655:2009 „M3“ modifiziert, spektrale Volltondichte einer Sonderfarbe).
Densitometrische Messgrößen Densitometrische Messgrößen, auch als dichtebasierte Messgrößen bezeichnet, werden ausschließlich in Verbindung mit drucktechnischen Prozessen erfasst. Denn die im Auflicht gemessene Farbdichte ist ein indirektes Maß für die Schichtdicke von Druckfarben auf dem Bedruckstoff. In der früheren Farbdensitometer-Geräteklasse wurde die Luther-Bedingung ausschließlich durch die selektiven Empfindlichkeiten der Sensoren in Abstimmung auf die Filter erfüllt: Rot-, Grün- und Blaufilter für die Buntfarben Cyan, Magenta und Yellow sowie der „Vis“-Filter (Charakteristik entspricht der Hellempfindlichkeitskurve) für die unbunte Zeichnungsfarbe Key (Schwarz).
Heute wird in den Spektraldensitometern von denselben Sensoren, die den spektralen Remissionsgrad bei der Farbmessung erfassen, auch bei der Bestimmung der densitometrischen Größen der gesamte sichtbare Bereich des elektromagnetischen Spektrums abgetastet. Herstellerabhängig können dabei sowohl physikalische Filter in den Strahlengang eingeschwenkt als auch virtuelle, das heißt mathematisch simulierte Filter gesetzt werden. Zusätzlich verlangt die standardkonforme Dichtemessung die Verwendung eines Polarisationsfilters, der die Glanzunterschiede zwischen noch nassen und bereits getrockneten Druckfarbenschichten unterdrückt. Auf diese Weise werden unabhängig von der Zeitnähe zum Druckvorgang die Messungen vergleichbar gemacht.
Im Messmodus „Densitometrie“ wird also der spektrale Remissionsgrad mit eingeschwenktem Polarisationsfilter erfasst. Wie schon im Farbmetrik-Messmodus schließt sich die rein mathematische Ermittelung der verwandten Kenngrößen an – hier allerdings der dichtebasierten: die Farbdichten, wahlweise nach Status E (Europa) oder T (Amerika), der Tonwert, wahlweise nach Murray-Davies oder Yule-Nielsen sowie die entsprechenden Differenzen (Tonwertzunahme), der Druckkontrast, die Buntfarbenbalance (Grau-, Farbbalance), die Farbannahme (nach Preucil, Ritz und/oder Brunner), die Werte für das Schieben und Doublieren, das „Dichtespektrum“ und somit die tatsächlichen Volltondichten von Sonderfarben.
Die Messbarkeit des Dichtespektrums ist ein Alleinstellungsmerkmal der Spektraldensitometer. Weil Dichten durch dekadisches Logarithmieren des Verhältnisses von remittiertem zu eingestrahltem Lichtstrom berechnet werden, wird im Spektraldensitometer der spektrale Remissionsgrad dieser Rechenoperation unterzogen. Denn der spektrale Remissionsgrad ist nichts anderes als die Verteilung der Lichtstromverhältnisse über der Wellenlänge, und das Dichtespektrum erscheint als gespiegelte Kurve des spektralen Remissionsgrades. Auf diese Weise wird hier eine Kurve berechnet, die der Dichtewerteverteilung im sichtbaren Spektrum entspricht. Diese spektrale Dichtekurve ist in der Praxis besonders bei der Messung von Sonderfarben unverzichtbar. Dabei entspricht das Kurvenmaximum in dem gemessenen Dichtespektrum der tatsächlichen Volltondichte der Sonderfarbe. An diesem Kurvenpunkt, der einer bestimmten Wellenlänge zugeordnet ist, setzt das Messgerät einen virtuellen Filter.
Dieses Funktionsmerkmal unterscheidet die Spektraldensitometer von den früheren Farbdensitometern. Bei der Messung an Sonderfarben schwenkten diese Geräte denjenigen Farbfilter in den Strahlengang ein, der der Komplementärfarbe der zu messenden Sonderfarbe am nächsten kam. Beispiel: Für die Messung an einem Grün wurde der Rotfilter benutzt. Da der Rotfilter in seiner spektralen Charakteristik normalerweise auf die Messung des Cyan (Blaugrün) abgestimmt ist, muss die damit gemessene Grün-Dichte logischerweise stark fehlerbehaftet sein. Dieses Manko kann nunmehr durch den Einsatz eines Spektraldensitometers überwunden werden. Sonderfarben werden vorrangig im Verpackungsdruck gedruckt, aber auch in Form der „Hausfarben“ an Werbedrucksachen.
Densitometrische Messungen an Auflagendruckexemplaren werden in den dafür vorgesehenen Feldern des mitgedruckten Druckkontrollstreifens sowie an aussagekräftigen Stellen im Sujet durchgeführt. Neben Volltonfeldern vorhanden sind Rasterfelder für Vierteltöne (zum Beispiel 40 %) und Dreivierteltöne (zum Beispiel 70 % oder 80 %), Zusammendruck-Volltonfelder für die Farbannahme der nacheinander gedruckten Farben, Zusammendruck-Rasterfelder für die Graubalance sowie Vertikal- und Horizontal-Linienfelder für das Detektieren von Schiebe- und Doubliererscheinungen. Densitometrische Messungen verlangen vor Messbeginn eine Kalibrierung auf das Weiß des Bedruckstoffs.
Gerätetechnische Lösungen Handmessgeräte für Einzelmessungen Die am weitesten verbreitete Messgeräteform ist das Handmessgerät. Es sollte gegen die äußeren Einflüsse im Drucksaal (Papierstaub, Puder, Herunterfallen) robust genug sein. Vor Messbeginn muss die Messaufgabe (das heißt die auszugebende Kenngröße) menügeführt ausgewählt werden. Je nachdem, ob es sich dabei um eine farbmetrische oder densitometrische Größe handelt, muss das Aus- und Einschwenken des Polarisationsfilters berücksichtigt werden. Hierbei verhalten sich die Geräte der verschiedenen Anbieter unterschiedlich; so kann zum Beispiel beim SpectroDens diese erforderliche Prozedur automatisch ausgelöst werden, sodass diesbezüglich Anwendungsfehler ausgeschlossen sind. Danach erfolgt gegebenenfalls die Kalibrierung auf das Weißnormal oder das Bedruckstoffweiß.