Kolorimetr

Definice

Kolorimetr je precizní vědecký přístroj určený k měření a kvantifikaci barevných vlastností objektů, kapalin nebo prášků tak, jak je vnímá lidské oko. Kombinací řízeného osvětlení, optické filtrace a fotodetekce převádějí kolorimetry subjektivní dojmy z barvy na objektivní, číselná data—obvykle ve formě tristimulusových hodnot v souladu s barevnými standardy CIE (Mezinárodní komise pro osvětlení). Tato schopnost je zásadní jak ve fotometrii (měření viditelného světla), tak v analytické chemii (kvantitativní stanovení barevných analytů v roztoku).

Kolorimetry podporují kontrolu kvality, monitorování procesů, vývoj produktů a plnění předpisů v odvětvích, jako jsou nátěry a barvy, plasty, textil, potraviny a nápoje, farmaceutika a environmentální testování. Jejich konzistentní, opakovatelná měření barev eliminují lidskou zaujatost a zajišťují jednotnost barev napříč výrobními šaržemi.

Moderní kolorimetry napodobují průměrné lidské vnímání barev, jak je definováno standardními funkcemi pozorovatele CIE. Výstupem jsou barevné souřadnice v prostorech jako CIE XYZ nebo CIE LAB, což umožňuje robustní porovnání a statistickou analýzu. Kolorimetry tak překonávají propast mezi vizuálním vnímáním a kvantitativní analýzou a podporují mezinárodní standardy a stopovatelné měření barev.

Základní pojmy

Co je barva?

Barva je psychofyzikální jev vznikající interakcí světla, objektu a lidského pozorovatele. Když světlo z viditelného spektra (380–780 nm) vstoupí do oka, stimuluje tři typy čípků (S, M, L) na sítnici, přičemž každý je citlivý na jiné vlnové délky (modrá, zelená, červená). Mozek tyto signály kombinuje a vytváří vjem barvy.

Barva není vlastností objektů samotných; vzniká tím, jak objekty interagují s dopadajícím světlem (odraz, absorpce, propustnost), spektrálním složením světelného zdroje a percepcí pozorovatele. Proto jsou pro reprodukovatelná barevná data zásadní standardizované měřicí podmínky—definovaný zdroj světla, úhel pozorovatele a geometrie.

CIE barevný prostor z roku 1931 zavedl pojem „standardního pozorovatele“ a funkce pro porovnávání barev, což vedlo k vývoji tristimulusových hodnot (X, Y, Z), které kvantifikují barvu nezávisle na individuálních rozdílech ve vidění.

Tristimulusové hodnoty

Tristimulusové hodnoty tvoří základ kvantitativního měření barev. Odvozené z trichromatické teorie vidění, představují všechny vnímatelné barvy jako směsi tří základních barev. V systému CIE:

• CIE XYZ (1931):
  Tristimulusové hodnoty X, Y a Z se vypočítávají ze spektrálního rozložení vzorku, funkcí pro porovnávání barev standardního pozorovatele a spektrálního výkonu použitého osvětlovače. X přibližně odpovídá červené, Y zelené (a jasu), Z modré.

• Další prostory:
  RGB (zařízení-závislý) a LMS (odpovídající čípkům v oku) se také používají, ale CIE XYZ je standardem pro objektivní měření.

Převod spektrálních dat na tristimulusové hodnoty umožňuje zjednodušit složité informace o barvě na tři čísla pro přesné porovnání a komunikaci. Tyto hodnoty lze dále převádět do prostorů jako CIE LAB pro vnímání uniformity.

Přehled přístroje

Jak kolorimetr funguje?

Kolorimetr kvantifikuje barvu vzorku simulací lidského vnímání za standardizovaných podmínek. Obvykle se skládá z:

• Řízeného zdroje světla (standardizovaný osvětlovač)
• Komory na vzorek
• Sady optických filtrů odpovídajících lidskému vidění
• Fotodetektorů
• Elektroniky pro zpracování signálu a výstup dat

Kroky měření:

1. Osvětlení: Vzorek je osvětlen standardizovaným zdrojem světla (např. denní světlo D65).
2. Interakce: Světlo je vzorkem odraženo, přeneseno nebo pohlceno.
3. Filtrace: Světlo prochází filtry napodobujícími citlivost standardního pozorovatele CIE (X, Y, Z).
4. Detekce: Fotodetektory měří intenzitu světla v každém pásmu.
5. Zpracování: Signály jsou digitalizovány, korigovány a použity pro výpočet tristimulusových hodnot.
6. Výstup: Barevné souřadnice jsou zobrazeny, přeneseny nebo uloženy.

Měřicí geometrie

• 45°/0° (nebo 0°/45°): Typické pro měření povrchových barev, minimalizuje vliv lesku.
• d/8° (integrační koule): Pro texturované/nerovnoměrné povrchy; umožňuje zahrnout/vyloučit zrcadlový odraz.
• Víceúhlové: Pro materiály s barevnou změnou v závislosti na úhlu (efektové pigmenty, metalíza).

Filtry a detektory

• Filtry: Přesně odpovídají funkcím pro porovnávání barev CIE pro přesnost.
• Detektory: Obvykle křemíkové fotodiody; obrazové kolorimetry využívají CCD/CMOS pole.

Typy kolorimetrů

Tristimulusové kolorimetry

Nejběžnější typ, používají tři nebo více filtrů odpovídajících funkcím standardního pozorovatele CIE. Poskytují rychlé, objektivní výsledky ideální pro kontrolu kvality, třídění barev a konzistenci šarží. Omezením je měření pouze pod jedním osvětlením/podmínkami pozorovatele a neschopnost detekovat metamerii.

Spektrofotometrické kolorimetry

Spektrofotometry měří celé spektrální odrazivosti/prostupnosti vzorku. To umožňuje výpočet barvy při libovolném osvětlení/podmínkách pozorovatele, detekci metamerie a pokročilé aplikace, jako je formulace barev. Jsou přesnější, ale méně přenosné a dražší než základní kolorimetry.

Vizuální kolorimetry

Spoléhají na vizuální srovnání s referenčními standardy (např. Munsellovy tabulky). Nízké náklady a jednoduchost, ale subjektivní a méně opakovatelné, což je činí nevhodnými pro náročnou kontrolu kvality.

Obrazové kolorimetry

Používají kalibrované digitální kamery k zachycení 2D prostorových dat o barvě, čímž umožňují analýzu uniformity barev, rozpoznávání vzorů a detekci vad na velkých plochách. Používají se při testování displejů, automobilových přístrojových deskách a systémech kontroly kvality.

Kolorimetr vs. spektrofotometr vs. fotometr

• Kolorimetry: Rychlé, praktické, nákladově efektivní pro rutinní kontrolu kvality.
• Spektrofotometry: Vynikající pro pokročilou vědu o barvách, formulaci a komplexní analýzu barev.
• Fotometry: Pro měření intenzity světla, nikoli barvy.

Principy měření a zákony

Beer-Lambertův zákon

V analytické chemii Beer-Lambertův zákon popisuje vztah mezi absorbancí světla roztokem a koncentrací absorbující složky:

[ A = -\log_{10}(T) = \varepsilon \cdot c \cdot d ]

Kde:

• ( A ): Absorbance
• ( T ): Transmitance (podíl prošlého světla)
• ( \varepsilon ): Molární absorptivita
• ( c ): Koncentrace
• ( d ): Délka optické dráhy

Kolorimetry měří absorbanci na specifických vlnových délkách za účelem stanovení koncentrace, zejména u barevných roztoků. Zákon platí pro zředěné roztoky s minimálním rozptylem světla.

Aplikace a použití

1. Kontrola kvality ve výrobě

Kolorimetry jsou zásadní pro zajištění konzistence barev v nátěrech, plastech, textilu, keramice, automobilových dílech, obalech a dalších. Umožňují rychlé ověření shody s barevnými standardy, snižují odpad a podporují zachování značky.

2. Analytická chemie

Kolorimetry stanovují koncentrace barevných látek v roztoku (např. kovové ionty, živiny, organické látky) měřením absorbance na zvolené vlnové délce a referenčními kalibračními křivkami. To je základem analýz v environmentálním, klinickém i průmyslovém monitoringu.

3. Potravinářství a nápoje

Používají se k hodnocení vzhledu produktů, třídění surovin a monitoringu procesů (např. barva džusů, omáček nebo obilí), což zajišťuje atraktivitu a splnění standardů.

4. Environmentální testování

Kolorimetry kvantitativně určují znečišťující látky nebo živiny ve vzorcích vody měřením barevných změn po chemické reakci.

5. Farmaceutika

Podporují kontrolu kvality léčiv a pomocných látek ověřováním uniformity barev a správné koncentrace účinných složek.

6. Textil a tisk

Zajišťují shodu barev látek, oděvů a tištěných materiálů; podporují komunikaci barev v rámci globálních dodavatelských řetězců.

7. Vzdělávání a výzkum

Používají se ve výukových laboratořích a ve vědeckém výzkumu vnímání barev, materiálových věd a analytické chemie.

Omezení

• Omezeny na jednu kombinaci osvětlení/pozorovatele (kromě spektrofotometrů)
• Neschopnost detekovat metamerii (kromě spektrofotometrů)
• Méně vhodné pro výrazně texturované, lesklé nebo efektové povrchy (pokud se nepoužívá integrační koule nebo obrazové systémy)
• Vizuální kolorimetry jsou subjektivní a postrádají opakovatelnost

Nejlepší praxe používání

• Pravidelně kalibrovat pomocí certifikovaných standardů
• Standardizovat měřicí geometrii a podmínky
• Konzistentně manipulovat a připravovat vzorky
• Používat vhodné barevné prostory a tolerance pro danou aplikaci
• Dokumentovat a sledovat měření pro zajištění kvality

Závěr

Kolorimetr je nepostradatelný nástroj pro objektivní, standardizované měření barev ve vědě i průmyslu. Ať už jde o zajištění kvality produktů, podporu analytické chemie nebo umožnění výzkumu, kolorimetry poskytují spolehlivá data, která překonávají rozdíl mezi lidským vnímáním a kvantitativní analýzou. Jejich role v moderní výrobě, environmentálním monitoringu a výzkumu stále roste s rostoucí poptávkou po konzistenci a sledovatelnosti barev.