Methode zur Verbesserung des Inter-Instrument- Agreements von Industriefarbsensoren

Transkript

1 Methode zur Verbesserung des Inter-Instrument- Agreements von Industriefrbsensoren Gundolf Geske *, Ansgr Wego * * Silicnn Technologies GmbH Jochim-Jungius-Str Rostock info@silicnn.com 1. Einleitung Eine wichtige Forderung n Industriesensoren ist Ihre gegenseitige Austuschbrkeit. In der Frbsensorik wird die Austuschbrkeit bisher durch erheblich schwnkende Buteilprmetern erschwert. Insbesondere die häufig zur Objektbeleuchtung eingesetzten Weißlicht-LEDs ber uch die optischen Filter der Dreibereichsfotoempfänger unterliegen merklichen Herstellungsschwnkungen. Die Folge ist, dss die gemessenen Frbwerte zwischen den Sensoren nicht vergleichbr sind und dher ein Austusch oft nicht möglich ist. Die Signluswertung bei Frbsensoren ist 3-dimensionl. Dher ist ein einfcher punktueller Abgleich etw mittels Potentiometer nicht möglich. Die Frbinformtion muss über den gesmten Frbrum 3-dimensionl korrigiert werden. Der Beitrg beschreibt eine wirksme numerische Korrekturmethode, die prktisch nwendbr und in kompkten Industriefrbsensoren uch umsetzbr ist. 2. Frbe und Fehler Die Beurteilung, ob und wie strk eine Frbe bweicht ist zwr eine subjektive Empfindung. Diese knn jedoch im Lb-Frbrum (siehe Abbildung 1) quntifiziert werden. Der Lb-Frbrum enthält die Frbinformtion in der b Ebene und die Helligkeit in der L-Achse. Frbbweichungen werden ls Vektoren mit 3 Dimensionen drgestellt, deren Beträge ls so gennnte ΔE-Werte (delt error) ngegeben werden. Tbelle 1 gibt die Deutung dieser Frbbstände wieder. Industrielle Frbsensorik benötigt oft kein bsolutes Frbkoordintensystem. Es reicht us, wenn einml getechte Frben wiedererknnt werden. Frbwertübertrgungen z.b. in einem Multisensorsystem von einem Sensor zum nderen setzen jedoch vorus, dß lle Geräte recht gut übereinstimmen, um die Sensoren kostensprend und schnell uf Bsis eines Mstergerätes einzutechen. Verhindern tun dies in erster Linie die Streuungen der Weißlicht LED, deren spektrle Kennlinie in Abbildung 2 drgestellt ist. Im Gegenstz zu nderen

2 Tbelle 1: Deutung von Frbbständen Frbbweichung ΔE Bewertung <1 sehr kleine Frbbweichung, wird vom menschlichen Auge nicht whrgenommen 1..2 kleine Frbbweichung, wird nur durch geschultes Auge whrgenommen 2..3,5 mittlere Frbbweichung, wird durch nicht-geschultes Auge whrgenommen 3,5...5 deutliche Frbbweichung >5 strke Frbbweichung Abbildung 1: Drstellung des Lb Frbrumes, : rotgrün-achse; b: gelb-blu- Achse; L-Helligkeit Kennlinien von Beleuchtungsmitteln ist ds Spektrum recht zerklüftet. Die LED strhlt primär ein kurzwelliges blues Licht (c. 45 nm) b, welches in der LED durch eine Lumineszenzkonverterschicht in lngwelliges gelbes Licht gewndelt wird, ds zudem uch recht breitbndig ist [3]. Die Mischung des bluen und gelben Lichts ergibt ein weißes Licht (Abbildung 1, b-achse), welches jedoch herstellungsbedingt in seinem Frbton, ber uch in der Helligkeit schwnkt. Diese Schwnkungen werden von einigen Herstellern ngegeben (Abbildung 4). Der Weißton knn so z.b. um die Strhlungskennlinie des schwrzen Strhlers herum liegen und einer erheblichen Streubreite der Frbtempertur zwischen 45K und 1K entsprechen. Durch herstellerseitige Selektion der LEDs knn diese zwr strk eingeschränkt werden, ws jedoch A D65 C LED nm Abbildung 2: normierte spektrle Verteilung eine Glühbirne (A), der beknnten Normlichtrten D65 und C und einer Weißlicht LED Abbildung 3: Normspektrlwertfunktionen [1], die ngenähert in einem Frbsensorprimärelement umgesetzt sind

3 Abweichung Abbildung 4: Ktegorisierung der Streuungen von Weißlicht-LEDs [2] trotzdem noch weit über dem Tolernzempfinden des menschlichen Auges liegt. Weitere herstellungsbedingte Schwnkungen können sich in den Kennlinien des Frbsensorselementes befinden (Abbildung 3). Zwr werden Vritionen der Dunkelströme der Fotodioden, welche uch temperturbhängig sind, durch Chopperung der Beleuchtungsquelle und Differenzbildung im Sensorknl vollständig eliminiert. Schwnkungen in der Lichtempfindlichkeit ob die Ursche im Hlbleiter oder in den Frbfiltern zu finden ist können jedoch nicht kompensiert werden. Prmeterstreuungen in der weiterverrbeitenden Signlelektronik Trnsimpednzwndler, Verstärker und ADC gehen ebenflls in die Gesmtstreuung des Gerätes ein RAL-Frbe Abbildung 5: Drstellung der Abweichung zweier Frbsensoren im Lb-Frbrum nhnd von einer Teilmenge von Frbwerten eines Frbfächers (RAL-Clssic) * b* L* DE

4 3. Frbbweichungen in der Untersuchung Die Auswirkung der beschriebenen Streuungen uf die Frbwerte wurde ermittelt, indem Frbwerte für 64 usgewählte Frben von RAL-Frbkrten mit zwei Sensoren ufgenommen und deren Frbbstände berechnet wurden (Abbildung 5). Bei einer mittleren Streuung von 4,9 und einem Mximum von 9,15 wird unter Berücksichtigung der Tbelle 1 klr, dß es sich um deutliche bis strke Frbbweichungen hndelt, die für die meisten Anwendungen nicht kzeptbel wären. 4. Verbesserung des Inter-Instrument-Agreements durch Mtrixkorrektur Die Wirkung der im Sensor vorhndenen Streuungen knn durch eine trgetbezogene Klibrierung, bei der eine linere Korrektur der Meßwerte durchgeführt wird, reduziert werden. Im Ergebnis sind die Frbbweichungen zwischen verschiedenen Sensoren so gering, dß sie vom menschlichen Auge prktisch so gut wie nicht mehr whrnehmbr sind. Die Bestimmung der dfür nötigen Korrekturmtrix wird durch Vergleich der ktuellen Sensorrohwerte XYZ (siehe Abbildung 3) mit vorgegeben Sollwerten XYZ Soll für usgewählte Frbtrgets, die geeignete Stützstellen im Frbrum repräsentieren, relisiert [4]. Dieses knn z.b. mit dem GretgMcbeth ColorChecker durchgeführt werden, der 24 Frbtrgets umfßt. Als XYZ-Sollwerte werden idelerweise Mittelwerte von einer großen Anzhl von Sensoren verwendet, um die Korrekturdifferenz sttistisch gesehen für eine große Gruppe von Sensoren so gering wie möglich zu hlten. Die Koeffizientenmtrix A berechnet sich us der Mtrix der 24 Sollfrben XYZ Soll und der Mtrix der 24 ufgenommenen frben XYZ nch folgender Gleichung: A ( XYZ Soll XYZ T ) ( XYZ XYZ Diese Korrekturmtrix muß für jeden Frbsensor berechnet und im Sensor gespeichert werden, ws vorussetzt, dß jeder Sensor die Anzhl von 24 Frben ufnehmen muß. die Korrekturmtrix im Sensor vorhnden, werden die Frbwerte folgendermßen korrigiert: T ) 1 X Y Z X Y Z Eine weitere Umrechnung in ndere Frbräume, wie Lb oder Luv knn weiterhin erfolgen und zeigt uch dort, dß sich die Abweichungen deutlich reduzieren lssen.

5 Abweichung 5. Ergebnis Die Wirksmkeit der Mtrixkorrektur läßt sich durch Wiederholung der Frbwertufnhme der oben gennnten RAL-Clssic-Frbkrten im Lb-Frbrum beweisen. Hier wurde jedoch der volle Frbumfng von 21 Frben benutzt. Abbildung 6 zeigt die Abweichung zwischen zwei Frbsensoren nch erfolgter Mtrixkorrektur im Lb-Frbrum. Der mximle Fehler von über 9 ΔE- Einheiten konnte uf 2,64 verringert werden. Ds Mittel der Abweichung liegt bei,9. Die meisten Abweichungen sind vom menschlichen Auge nicht whr Abbildung 6: Drstellung der Frbbweichung zwischen zwei bgeglichenen Sensoren über lle 21 RAL-Frben des RAL-Clssic-Frbfächers nehmbr. Die mximlen Abweichungen liegen in einem Bereich, in dem ein normlsichtiges Auge diese gerde so whrnehmen knn. Ds Inter-Instrument- Agreement zwischen den Frbsensoren knn somit deutlich verbessert werden und eine Austuschbrkeit der Sensoren bzw. Übertrgung von Frbwerten von einer Fertigungslinie uf weitere ermöglicht werden. 6. Litertur [1] CIE Norm 1931 RAL-Frbe [2] Luxeon, (26) Binning nd Lbeling. Seite 5. [3] Hns-Jürgen Wrnecke, Hns-Jörg Bullinger (23) Kunststück Innovtion. Seite 22 [4] MAZeT GmbH, (23) Frbmessung mit den Frbsensoren MCS3 und MCSi. * b* L* DE