Praktischer Einsatz von

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1 Praktischer Einsatz von Mehrbereichsmesssystemen zur spektralen Charakterisierung von selbstleuchtenden und nicht selbstleuchtenden Objekten Rico Nestler, Rainer Jahn, Erik Sparrer, Karl-Heinz Franke

2 Inhaltsübersicht 1. Einordnung von Mehrbereichsmesssystemen quasi-spektrales Handmessgerät geregelte Lichtquelle 2

3 1. Einordnung von Mehrbereichsmesssystemen Anzahl messender Kanäle colorimetrisches (3-Bereichs) Messsystem spektrales Messsystem Sensor 4 bis mehrere 10 Kanälen 3

4 1. Einordnung von Mehrbereichsmesssystemen Anzahl messender Kanäle colorimetrisches (3-Bereichs) Messsystem Mehrbereichsmesssystem spektrales Messsystem Sensor 4 bis mehrere 10 Kanälen 3

5 1. Einordnung von Mehrbereichsmesssystemen Anzahl messender Kanäle colorimetrisches Mehrbereichs- spektrales (3-Bereichs) Messsystem messsystem Messsystem Sensor 4 bis mehrere 10 Kanälen Vorteile 4weniger metamere Effekte, da mehr spektral selektive Information (Kanäle) 4Robustheit, Geschwindigkeit und Baugröße wie colorimetrische Systeme 3

6 2. Quasi-spektraler spektraler Messmodus? 4Einführen regularisierender Randbedingungen (z.b. applikativer 4Iterative Inversion durch Rückpropagi (Beitrag FWS 2006) eren des Rekonstruktionsfehlers Targetsatz) 4

7 2. Quasi -spektraler Messmodus? 4Einführen regularisierender Randbedingungen (z.b. applikativer Targetsatz) 4Iterative Inversion durch Rückpropagieren des Rekonstruktionsfehlers (Beitrag FWS 2006) 4

8 2. Quasi -spektraler Messmodus? 4Einführen regularisierender Randbedingungen (z.b. applikativer Targetsatz) 4Iterative Inversion durch Rückpropagieren des Rekonstruktionsfehlers (Beitrag FWS 2006) 4

9 2. Quasi -spektraler Messmodus? G 4Einführen regularisierender Randbedingungen (z.b. applikativer Targetsatz) 4Iterative Inversion durch Rückpropagieren des Rekonstruktionsfehlers (Beitrag FWS 2006) 4

10 2. Quasi -spektraler Messmodus? a Target = φ Target G 4Einführen regularisierender Randbedingungen (z.b. applikativer Targetsatz) 4Iterative Inversion durch Rückpropagieren des Rekonstruktionsfehlers (Beitrag FWS 2006) 4

11 2. Quasi -spektraler Messmodus? a Target = φ Target G 4Einführen regularisierender Randbedingungen (z 4.B. applikativer Targetsatz) Iterative Inversion durch Rückpropagieren des Rekonstruktionsfehlers (Beitrag FWS 2006) 4

12 2. Quasi -spektraler Messmodus a Target = φ Target G a Target I = φ G I P Target? 4Einführen regularisierender Randbedingungen (z.b. applikativer Targetsatz) 4 Iterative Inversion durch Rückpropagieren des Rekonstruktionsfehlers (Beitrag FWS 2006) P 4

13 2. Quasi -spektraler Messmodus a a? a Target = φ Target G Target I = φ G I P Target Target I φ P Target 4Einführen regularisierender Randbedingungen (z.b. applikativer Targetsatz) 4Iterative Inversion durch Rückpropagieren des Rekonstruktionsfehlers (Beitrag FWS 2006) P 4

14 2. Quasi-spektraler spektraler Messmodus a a Target = φ Target G a Target I = φ G I P Target Target I φ P? Target Problem Eine direkt bestimmte Moore-Penrose-Inverse der Gerätematrix ist instabil! 4Einführen regularisierender Randbedingungen (z.b. applikativer Targetsatz) 4Iterative Inversion durch Rückpropagieren des Rekonstruktionsfehlers (Beitrag FWS 2006) P 4

15 primäre & sekundäre Toleranzen 4 Kalibrieren laut DIN 1319: Ermitteln des Zusammenhangs zwischen (toleranzbehaftetem) Messwert und dem zugehörigen wahren Wert der als Eingangsgröße vorliegenden Messgröße für eine Messeinrichtung unter vorgegebenen Bedingungen. 5

16 primäre & sekundäre Toleranzen 4 Kalibrieren laut DIN 1319: Ermitteln des Zusammenhangs zwischen (toleranzbehaftetem) Messwert und dem zugehörigen wahren Wert der als Eingangsgröße vorliegenden Messgröße für eine Messeinrichtung unter vorgegebenen Bedingungen. 4 Primäre Toleranzen h zeitlich konstant (Dunkelstrom, Filtertransmission, Lichtquellenspektrum, Sensorausleuchtung) h zeitlich variabel (Spektraldrift der Lichtquelle, Dunkelstromdrift) 5

17 primäre & sekundäre Toleranzen 4 Kalibrieren laut DIN 1319: Ermitteln des Zusammenhangs zwischen (toleranzbehaftetem) Messwert und dem zugehörigen wahren Wert der als Eingangsgröße vorliegenden Messgröße für eine Messeinrichtung unter vorgegebenen Bedingungen. 4 Primäre Toleranzen h zeitlich konstant (Dunkelstrom, Filtertransmission, Lichtquellenspektrum, Sensorausleuchtung) h zeitlich variabel (Spektraldrift der Lichtquelle, Dunkelstromdrift) 4 Kalibrieren bedeutet h Kompensation der resultierenden sekundären Toleranzen h konkreten Bezug zwischen Messsystem & Messaufgabe herstellen 5

18 Kalibrierverfahren Als mögliche Kalibriermethoden für Mehrbereichsmesssysteme sind bereits bekannte colorimetrische bis spektrale Ansätze geeignet. Colorimetrische (3-Bereichs) Systeme Spektral messende Systeme Einzeltargetabgleich Kalibriermatrix aus Vermessung eines spektralem Einzeltargets + reale & ideale Messwerte 6

19 Kalibrierverfahren Als mögliche Kalibriermethoden für Mehrbereichsmesssysteme sind bereits bekannte colorimetrische bis spektrale Ansätze geeignet. Colorimetrische (3-Bereichs) Systeme Spektral messende Systeme targetbezogen regressive Kalibrierung Einzeltargetabgleich Kalibriermatrix aus Vermessung eines spektralem Einzeltargets + reale & ideale Messwerte 6

20 Kalibrierverfahren Als mögliche Kalibriermethoden für Mehrbereichsmesssysteme sind bereits bekannte colorimetrische bis spektrale Ansätze geeignet. Colorimetrische (3-Bereichs) Systeme Spektral messende Systeme targetbezogen regressive Kalibrierung Einzeltargetabgleich Kalibriermatrix aus Vermessung eines Targetsatzes + reale & ideale Messwerte Kalibriermatrix aus Vermessung eines spektralem Einzeltargets + reale & ideale Messwerte 6

21 Kalibrierverfahren Als mögliche Kalibriermethoden für Mehrbereichsmesssysteme sind bereits bekannte colorimetrische bis spektrale Ansätze geeignet. Colorimetrische (3-Bereichs) Systeme Spektral messende Systeme targetbezogen regressive Kalibrierung targetbezogen spektrale Kalibrierung Einzeltargetabgleich Kalibriermatrix aus Vermessung eines Targetsatzes + reale & ideale Messwerte Kalibriermatrix aus Vermessung eines spektralem Einzeltargets + reale & ideale Messwerte 6

22 Kalibrierverfahren Als mögliche Kalibriermethoden für Mehrbereichsmesssysteme sind bereits bekannte colorimetrische bis spektrale Ansätze geeignet. Colorimetrische (3-Bereichs) Systeme Spektral messende Systeme targetbezogen regressive Kalibrierung targetbezogen spektrale Kalibrierung Einzeltargetabgleich Kalibriermatrix aus Vermessung eines Targetsatzes + reale & ideale Messwerte Gerätematrix aus spektralem Targetsatz und realen Messwerten Kalibriermatrix aus Vermessung eines spektralem Einzeltargets + reale & ideale Messwerte 6

23 Bewertung der Kalibrierverfahren Einzeltargetabgleich Charakterisierung spektral unterschiedlicher Targets 4Unpraktikabel, da hoher Kalibrieraufwand & zeitlich instabile Teilsysteme (z.b. Lichtquelle) Charakterisierung spektral ähnlicher Targets 4Einfaches Verfahren, mit hinreichender Güte 7

24 Bewertung der Kalibrierverfahren targetbezogen regressive Kalibrierung Einzeltargetabgleich Charakterisierung spektral unterschiedlicher Targets 4Unpraktikabel, da hoher Kalibrieraufwand & zeitlich instabile Teilsysteme (z.b. Lichtquelle) Charakterisierung spektral ähnlicher Targets 4Einfaches Verfahren, mit hinreichender Güte 7

25 Bewertung der Kalibrierverfahren targetbezogen regressive Kalibrierung Einzeltargetabgleich Charakterisierung spektral unterschiedlicher Targets 4lineare Matrizierung erzielt hohe Güte 4Unpraktikabel, da hoher Kalibrieraufwand & zeitlich instabile Teilsysteme (z.b. Lichtquelle) Charakterisierung spektral ähnlicher Targets 4Einfaches Verfahren, mit hinreichender Güte 7

26 Bewertung der Kalibrierverfahren targetbezogen regressive Kalibrierung targetbezogen spektrale Kalibrierung Einzeltargetabgleich Charakterisierung spektral unterschiedlicher Targets 4lineare Matrizierung erzielt hohe Güte 4Unpraktikabel, da hoher Kalibrieraufwand & zeitlich instabile Teilsysteme (z.b. Lichtquelle) Charakterisierung spektral ähnlicher Targets 4Einfaches Verfahren, mit hinreichender Güte 7

27 Bewertung der Kalibrierverfahren targetbezogen regressive Kalibrierung targetbezogen spektrale Kalibrierung Einzeltargetabgleich Charakterisierung spektral unterschiedlicher Targets 4lineare Matrizierung erzielt hohe Güte 4Unpraktikabel, da hoher Kalibrieraufwand & zeitlich instabile Teilsysteme (z.b. Lichtquelle) Charakterisierung spektral ähnlicher Targets 4Einfaches Verfahren, mit hinreichender Güte Fazit zur Kalibrierung 4Auswahl der Kalibriermethode entsprechend der Applikation. 4zusätzliche spektrale Korrektur ist nicht erforderlich bzw. störend 4Targetbezogene spektrale Kalibrierung ist ungeeignet 7

28 Quasi-spektrales Handmessgerät zur Charakterisierung von Auflichttargets Mehrbereichssensor 4 Konzipiert von ZBS Ilmenau & MAZeT GmbH Jena geregelte LED-Lichtquelle zur stabilen Erzeugung von spektralen Lichtstimmungen 4 7 Kanalsensor (6 spektral selektive, gleichverteilte Kanäle + breitbandiger Basiskanal) 4 Hoch integriertes Evaluation-Board automatische Signalwandlung & -vorverarbeitung Schnittstelle zu I²C und SPI-Bus 8

29 Kanäle + breitbandiger Basiskanal) 4 Hoch integriertes Evaluation-Board automatische Signalwandlung & -vorverarbeitung Schnittstelle zu I²C und SPI-Bus Quasi-spektrales geregelte LED-Lichtquelle Mehrbereichssensor Handmessgerät zur zur stabilen Erzeugung 4 Konzipiert von ZBS Ilmenau & MAZeT GmbH Jena von Charakterisierung von spektralen Lichtstimmungen 4 7 Kanalsensor (6 spektral selektive, gleichverteilte Auflichttargets 1. Einordnung von Mehrbereichsmesssystemen 8

30 quasi-spektrales spektrales Handmessgerät Merkmale h Konzipiert für quasi-spektrale Vermessung von Remissionstargets h Lichtquelle: 2 Weißlicht LEDs h Messgeometrie: 45 /0 h PC-Anschluss über USB h Schnelle Messwertverarbeitung durch lineare Rekonstruktionsvorschrift h durch angepasste Verrechnungsvorschrift beliebig skalierbar (Messwertgüte) h absolute Aussagen über Messobjekt durch Kompensation der Lichtquelle h weitergehende colorimetrische Analyse am PC möglich 9

31 geregelte LED-Lichtquelle Lichtquelle ZIEL: Nachbilden von 3 zur Farbinspektion verwendeten Normlichtarten A D50 D65 10

32 geregelte LED-Lichtquelle Lichtquelle ZIEL: Nachbilden von 3 zur Farbinspektion verwendeten Normlichtarten A D50 D65 10

33 geregelte LED-Lichtquelle Lichtquelle ZIEL: Nachbilden von 3 zur Farbinspektion verwendeten Normlichtarten A D50 D65 Verwendung von Standard LEDs als Primärstrahler (Beitrag FWS 2007) 1. Intensität ist stark abhängig von der Betriebstemperatur 2. Standard LEDs strahlen mit sehr ungleichmäßiger Intensitätsverteilung 10

34 geregelte LED-Lichtquelle Lichtquelle 1. Beseitigen der temperaturbedingten Intensitätsschwankungen Regelung 1. Quasi-spektrale Rekonstruktion des Emissionsspektrums 2. Differenzbildung im Spektralraum 3. Abweichung mit LED-Spektren gewichten 4. Abweichung dämpfen (P-Regler) 5. Stromeinprägung durch PWMgesteuerte Konstantstromquelle 11

35 geregelte LED-Lichtquelle Lichtquelle 1. Beseitigen der temperaturbedingten Intensitätsschwankungen Modellierung der Parameteränderungen ist komplex & ungenau 4Quasi-spektrale Rekonstruktion + spektrale Regelung Regelung 1. Quasi-spektrale Rekonstruktion des Emissionsspektrums 2. Differenzbildung im Spektralraum 3. Abweichung mit LED-Spektren gewichten 4. Abweichung dämpfen (P-Regler) 5. Stromeinprägung durch PWMgesteuerte Konstantstromquelle 11

36 geregelte LED-Lichtquelle Lichtquelle 1. Beseitigen der temperaturbedingten Intensitätsschwankungen Modellierung der Parameteränderungen ist komplex & ungenau 4Quasi-spektrale Rekonstruktion + spektrale Regelung Regelung 1. Quasi-spektrale Rekonstruktion des Emissionsspektrums 2. Differenzbildung im Spektralraum 3. Abweichung mit LED-Spektren gewichten 4. Abweichung dämpfen (P-Regler) 5. Stromeinprägung durch PWMgesteuerte Konstantstromquelle 11

37 geregelte LED-Lichtquelle Lichtquelle 2. Lichtmischung 4keine stark streuenden oder abbildenden Optiken möglich Unzureichende Durchmischung wegen endlicher Länge des Stabes Einkoppelverluste Streukörperdichte und Brechzahlverhältnis sind kritisch Ausgangsseitig stark streuend hohe Verluste Verlustarm Hinreichend homogene Lichtmischung Enger Abstrahlwinkel Kompakter Aufbau 12

38 geregelte LED-Lichtquelle Lichtquelle 2. Lichtmischung 4keine stark streuenden oder abbildenden Optiken möglich Ansatz 1: Glasstab Unzureichende Durchmischung wegen endlicher Länge des Stabes Einkoppelverluste Streukörperdichte und Brechzahlverhältnis sind kritisch Ausgangsseitig stark streuend hohe Verluste Verlustarm Hinreichend homogene Lichtmischung Enger Abstrahlwinkel Kompakter Aufbau 12

39 geregelte LED-Lichtquelle Lichtquelle 2. Lichtmischung 4keine stark streuenden oder abbildenden Optiken möglich Ansatz 1: Glasstab Ansatz 2: Streukörper Unzureichende Durchmischung wegen endlicher Länge des Stabes Einkoppelverluste Streukörperdichte und Brechzahlverhältnis sind kritisch Ausgangsseitig stark streuend hohe Verluste Verlustarm Hinreichend homogene Lichtmischung Enger Abstrahlwinkel Kompakter Aufbau 12

40 geregelte LED-Lichtquelle Lichtquelle 2. Lichtmischung 4keine stark streuenden oder abbildenden Optiken möglich Ansatz 1: Glasstab Ansatz 2: Streukörper Unzureichende Durchmischung wegen endlicher Länge des Stabes Einkoppelverluste Streukörperdichte und Brechzahlverhältnis sind kritisch Ausgangsseitig stark streuend hohe Verluste Ansatz 3: optischer Kompander Verlustarm Hinreichend homogene Lichtmischung Enger Abstrahlwinkel Kompakter Aufbau 12

41 geregelte LED-Lichtquelle Lichtquelle Beurteilung der nachgebildeten Spektren 4Geregelte Nachbildung der Zielfunktion entspricht den Erwartungen 4Abweichungen aufgrund herstellungsbedingter Bauteilstreuung der LEDs 13

42 Quasi-spektrales Messverfahren allgemein h spektral-nahe messsystemunabhängige Ergebnisse h anwendbar für Remission, Transmission & Emission h vielseitig skalierbares Verfahren (Sensoren, Messaufgaben, Lichtquellen) Quasi-spektrales Handmessgerät Geregelte LED-Lichtquelle h Hohe Ergebnisgüte h Kein Lichtquelleneinfluss h Echtzeitfähig, Kompakt, Robust, Preiswert h Weitergehende Untersuchung am PC möglich (z.b. Metamerie) h Im Rahmen der LED-Auswahl eine optimale spektrale Approximation h LED-Anzahl ist nur durch Anzahl der Sensorkanäle begrenzt 14

43 Quasi-spektrales Messverfahren allgemein h spektral-nahe messsystemunabhängige Ergebnisse h anwendbar für Remission, Transmission & Emission h vielseitig skalierbares Verfahren (Sensoren, Messaufgaben, Lichtquellen) Quasi-spektrales Handmessgerät Geregelte LED-Lichtquelle h Hohe Ergebnisgüte h Kein Lichtquelleneinfluss h Echtzeitfähig, Kompakt, Robust, Preiswert h Weitergehende Untersuchung am PC möglich (z.b. Metamerie) h Im Rahmen der LED-Auswahl eine optimale spektrale Approximation h LED-Anzahl ist nur durch Anzahl der Sensorkanäle begrenzt 14

44 Quasi-spektrales Messverfahren allgemein h spektral-nahe messsystemunabhängige Ergebnisse h anwendbar für Remission, Transmission & Emission h vielseitig skalierbares Verfahren (Sensoren, Messaufgaben, Lichtquellen) Quasi-spektrales Handmessgerät Geregelte LED-Lichtquelle h Hohe Ergebnisgüte h Kein Lichtquelleneinfluss h Echtzeitfähig, Kompakt, Robust, Preiswert h Weitergehende Untersuchung am PC möglich (z.b. Metamerie) Qualitätssicherung: Druck, Lebensmittel, Medizin Einsatz in Produktion h Im Rahmen der LED-Auswahl eine optimale spektrale Approximation h LED-Anzahl ist nur durch Anzahl der Sensorkanäle begrenzt 14

45 Quasi-spektrales Messverfahren allgemein h spektral-nahe messsystemunabhängige Ergebnisse h anwendbar für Remission, Transmission & Emission h vielseitig skalierbares Verfahren (Sensoren, Messaufgaben, Lichtquellen) Quasi-spektrales Handmessgerät Geregelte LED-Lichtquelle h Hohe Ergebnisgüte h Kein Lichtquelleneinfluss h Echtzeitfähig, Kompakt, Robust, Preiswert h Weitergehende Untersuchung am PC möglich (z.b. Metamerie) Qualitätssicherung: Druck, Lebensmittel, Medizin Einsatz in Produktion h Im Rahmen der LED-Auswahl eine optimale spektrale Approximation h LED-Anzahl ist nur durch Anzahl der Sensorkanäle begrenzt 14

46 Quasi-spektrales Messverfahren allgemein h spektral-nahe messsystemunabhängige Ergebnisse h anwendbar für Remission, Transmission & Emission h vielseitig skalierbares Verfahren (Sensoren, Messaufgaben, Lichtquellen) Quasi-spektrales Handmessgerät Geregelte LED-Lichtquelle h Hohe Ergebnisgüte h Kein Lichtquelleneinfluss h Echtzeitfähig, Kompakt, Robust, Preiswert h Weitergehende Untersuchung am PC möglich (z.b. Metamerie) Qualitätssicherung: Druck, Lebensmittel, Medizin Einsatz in Produktion h Im Rahmen der LED-Auswahl eine optimale spektrale Approximation h LED-Anzahl ist nur durch Anzahl der Sensorkanäle begrenzt Messanwendungen: Kalibrieraufwand für 3-Bereichsmesssysteme sinkt Lichtquelle mit gezielt positiver Wirkung auf den Menschen Qualitätssicherung: Berücksichtigung spezieller Messobjekteigenschaften 14

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