Fraunhofer-Institut für Optronik, Systemtechnik und Bildauswertung IOSB

Goniometrische Bildaufnahmen von »Living Sparkle«

Goniometrische Bildaufnahmen von »Living Sparkle«

Effektpigmente in farbigen Lacken


Effektpigmente können faszinierende optische Effekte auf Oberflächen von festen Objekten erzeugen. Sie bestehen aus kleinen Flocken aus Metall, Glimmer, Polymer oder anderen Materialien und sind in die Lackschicht eingebettet. Basierend auf optischen Reflexions- und Interferenzeffekten durch unterschiedliche Beleuchtungs- und Betrachtungswinkel können sie auch zu Veränderungen von Farbe, Textur und Glanz führen. Je nach Konzentration der Pigmente in der Beschichtung erscheint der Lack mehr oder weniger homogener bzw. funkelnder. Aufgrund der Effektpigmenteigenschaften kann dies zum sogenannten Flop-Effekt führen, bei dem die dominante Farbe komplett wechselt, oder zum lebendigen Glitzereffekt, bei dem einzelne auffällige Flocken im Dunkeln, aber auch bei anderen Helligkeitsbedingungen zu funkeln scheinen. Diese Effekte werden unter anderem für funktionale Zwecke wie den Sicherheitsdruck und für viele dekorative Anwendungen wie Kunststoffe, Kosmetika, Druckerzeugnisse, Beschichtungen, Autolacke und noch in anderen Anwendungen wie z.B. in Lebensmitteln eingesetzt.

 

Automatisiertes Goniometer am Fraunhofer-IOSB für die Messungen, © IOSB. (BRDF.mov)

 

Aufgabe


Die quantitative Bewertung von Effektpigmentoberflächen erfordert einen methodischen Ansatz. Bislang gibt es keine allgemein akzeptierte Normung, die von einem wissenschaftlichen Gremium oder einer Organisation definiert wurde. Dennoch gibt es einige Vorschläge und Empfehlungen, und erste Geräte zur Messung der optischen Eigenschaften von Effektpigmenten in Schichten wurden von Herstellern optischer Messgeräte vorgestellt.


Angesichts der vielfältigen optischen Effekte müssen viele verschiedene Aspekte berücksichtigt und Fragen geklärt werden:

  • Beleuchtungs- und Beobachtungswinkel: feste Winkelpaare oder Bewegung, Winkelbereich

  • Definition der Lichtquelle (Spektrum, Lichtintensität, diffuse oder gerichtete Beleuchtung)

  • Spezifikation des optischen Detektors (Einzelsensor, digitale RGB-Kamera oder Spektrometer, spektrale Empfindlichkeit und Auflösung, Anzahl der Pixel und Dynamikbereich, optische Vergrößerung, Betrachtungsfläche, Schärfe und Tiefenschärfe bei schräger Betrachtung etc.)

  • Analyse, Verarbeitung und Darstellung der Messdaten, Definition von charakteristischen und signifikanten Parametern und Größen (Dichte, Stärke, Anzahl, Farbe des Funkelns, Körnigkeit, Sichtbarkeitsbereich, etc.


Das Fraunhofer-IOSB wurde gebeten, einen großen Hersteller von Effektpigmenten dabei zu unterstützen, geeignete Parameter zu finden und verschiedene Versuchsbedingungen zu testen, um das Aussehen von Effektpigmenten in Lacken zu erfassen.

 

Objekt mit Effektpigment Beschichtung.

 

Projekt


Die technischen Voraussetzungen am Fraunhofer-IOSB sind sowohl für umfangreiche optische Untersuchungen als auch für die Grundlagenforschung zu den optischen Eigenschaften der Reflexion und des Erscheinungsbildes von Proben hervorragend. Ziel des Projekts war es, den lebendigen Glitzereffekt so gut wie möglich einzufangen. Um dies zu erreichen, musste ein Messaufbau konzipiert und erstellt werden, der eine anschließende Bildauswertung ermöglicht, die alle physikalischen und statistischen Eigenschaften der oben genannten Pigmente liefert. Die Winkelabhängigkeiten wurden mit Hilfe eines roboterbasierten automatischen Goniometers untersucht. Dadurch konnten die Lichtquelle und der Detektor getrennt und unabhängig voneinander um die Messprobe herumbewegt werden und decken einen weiten Winkelbereich ab. Für die Testmessungen wurden mehrere Digitalkameras mit unterschiedlichen Pixelzahlen, Detektorgrößen, Dynamikumfang und Empfindlichkeit verwendet. RGB-Kameras wurden mit einem Detektionssystem bestehend aus einer Monochrom-Kamera und einem elektrisch schaltbaren RGB-Filter verglichen. Zusätzlich wurde auf einer optischen Bank der Einfluss unterschiedlicher Divergenzwinkel auf das Erscheinungsbild der Beschichtung getestet. Da die beobachteten Flocken so klein sind (nur wenige Mikrometer Durchmesser), ist die Detektionseinheit sehr empfindlich gegen optische Aberrationen wie Defokussierung, sphärische und chromatische Aberration. Im Laufe der Messungen wurden in den Bildern einige Mängel der Kameras festgestellt. Deshalb war der Einsatz hochwertiger optischer Komponenten sowie die sorgfältige Justierung während der Messungen entscheidend.

 

Bild einer Beschichtung mit Effektpigmenten mit lebendigem Glitzereffekt, © Merck.

 

Ergebnis


Mehrere Proben mit lebendigem Glitzereffekt wurden unter verschiedenen Bedingungen gemessen. Nach dem Vergleich und der Auswertung verschiedener Messparameter wurde ein Aufbau bestehend aus einer Wolframlampe mit Breitbandspektrum, einem elektrisch schaltbaren RGB-Filter und einer monochromatischen Kamera für die Aufnahme hochwertiger Bilder zur späteren Bildauswertung empfohlen. Die Linearität der gewählten Kamera in Bezug auf Belichtungszeit und Lichtintensität wurde überprüft. Während der Testreihe mit unterschiedlichen Beleuchtungs- und Beobachtungswinkeln zeigte sich, dass der Dynamikumfang der Kamera in manchen Situationen nicht ausreicht. Aus diesem Grund mussten die Belichtungszeiten der Kamera angepasst werden, um Sättigung zu vermeiden um und einen optimalen Dynamikumfang auch bei sehr kleinen Neigungswinkeln zu gewährleisten. Zur Rauschunterdrückung und Kalibrierung können außerdem mehrere Messungen mit einem weißen Referenzpanel durchgeführt werden.