3-Bereichs-Farbsensorik für LED-Regelung

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1 3-Bereichs-Farbsensorik für LED-Regelung APPLIKATIONSBERICHT Der Einsatz von LEDs in der Display- und Beleuchtungstechnik nimmt in rasantem Tempo zu. Dies wird nicht nur in der kleineren Bauform, sondern maßgeblich auch durch die höhere Lebensdauer, geringerem Stromverbrauch, höhere Lichtleistung und größerem Farbgamut bestimmt. Durch die Kombination von RGB-LEDs in einer Lichtquelle kann jede beliebige Farbe eingestellt werden, die innerhalb des Gamuts, begrenzt durch die Eckpunkte der Einzel-LEDs, definiert ist. So lassen sich in der Beleuchtungstechnik gezielt Tageslicht- oder persönliche Lichtstimmungen und andere visuelle Effekte durch Steuerungen und Regelungen nachbilden. In der Displaytechnologie sowie in der Beleuchtungstechnik erhält man durch die Verwendung von Hybridleuchten und RGB-LEDs eine verbesserte Farbbrillanz durch die Aufweitung des verfügbaren Gamuts. Somit können sehr gesättigte Farben erzeugt werden. Abbildung 1; Lu'v'-Farbraum mit CRT-Monitor-Gamut (l) und RGB-LED-Gamut (r) MAZeT GmbH Vertrieb Göschwitzer Staße Jena Herr Frank Krumbein Tel.: Fax: von 24

2 Die Grafiken in Abbildung 1 veranschaulichen dies für einen herkömmlichen CRT-Monitor und eine Lichtquelle, basierend auf RGB-Power-LEDs. Für die Weißpunkterzeugung lassen sich aufgrund der Mischung aus den drei Grundfarben verschiedene Farbtemperaturen generieren. Das emittierte Spektrum einer LED ist dabei von mehreren Faktoren abhängig. Besonders durch variierende Betriebstemperaturen, Diodenströme und die Lebensdauer sind Änderungen, zum Teil recht erheblich, sowohl der abgegebenen Leistung als auch der spektralen Lage zu beobachten. Ziel der Geräteentwicklung und Forderung der Anwender ist die Umsetzung von Lampen, Leuchten oder Backlights mit gleichem und konstantem Farbeindruck bzw. Farbdifferenzen, die durch die menschliche Wahrnehmung ( Like human eye ) nicht unterschieden werden. Eine Gleichempfindung wird im Allgemeinen bis zu einer Grenze u v <0,005 angegeben. Diese Forderung ist umso wichtiger, sobald zum Beispiel mehrere z.b. LED-basierende Lichtquellen oder Hybridleuchten nebeneinander angeordnet sind und eine Vergleichbarkeit direkt für das menschliche Auge gegeben ist. Sichtbare farbliche Unterschiede würden hier die Produktqualität und das Marktpotential extrem herabsetzen. Die Gewährleistung gleicher Farbeindrücke macht eine aktive Regelung des Farbortes durch gezielte Mischung der (LED)-Farbanteile unumgänglich. Notwendig hierfür sind einfache, preiswerte und langzeit- und temperaturstabile Sensoren, die eine Information über den eingestellten Farbort der LED-Quelle liefern. Mit deren Information kann dann in den meisten Fällen über Pulsweitenmodulation (PWM) oder Stromstärke die Helligkeit der einzelnen LED-Farben und der somit erzielten Mischfarbe auf einen Sollfarbort nachgeregelt werden. Am Markt werden für derartige Mess- und Regelaufgaben verschiedene Farbsensor-ICs angeboten. Neben der Vorstellung eines Sensorabgleichs auf einen Bezugsfarbraum als Basis der Vergleichbarkeit verschiedener Quellen zeigt der folgende Artikel die Probleme bei der Verwendung einfacher RGB- Farbsensoren zur Farbregelung auf, begründet die Notwendigkeit optimierter spektraler Sensorempfindlichkeiten und die erzielbaren Regelgenauigkeiten und gibt einen kurzen Überblick über die True-Color Farbsensor-ICs von MAZeT. MAZeT GmbH Vertrieb Göschwitzer Straße Jena Herr Frank Krumbein Tel.: Fax: sales@mazet.de 2 von 24

3 Eigenschaften der LEDs Für Backlights und Beleuchtungszwecke werden die bestehenden auf Leuchtstoffröhren- und Weißlicht- LED-basierenden Systeme zunehmend durch RGB-LEDs ergänzt oder gar vollständig abgelöst. Die Auswahl der verwendeten LEDs richtet sich dabei nach dem gewünschten Farbumfang (Gamut), der zur Verfügung stehen soll. Die folgenden Betrachtungen gehen von RGB-LEDs mit einer typischen Peakwellenlänge von λ PRed =630nm, λ PGreen =520nm und λ PBlue =460nm aus. Diese Wellenlängen sind charakteristisch für z.b. Projektionsaufgaben und Lichtanwendungen. Die entsprechenden Spektren bei einem Diodenstrom von 350mA und 30 C zeigt Abbildung 'C, 350mA 0,9 R 350mA 30,5'C G 350mA 30,0'C B 350mA 31,0'C 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0, Wl / nm Abbildung 2; Spektren der betrachteten RGB-PowerLEDs Die Farborte der LED und der somit aufgespannte Gamut für ca. 30 C und 350mA sind in der Abbildung 1 gezeigt. Durch entsprechende Intensitätsvariation und Mischung der RGB-Anteile lässt sich jede beliebige Farbe realisieren, die sich innerhalb des dargestellten Gamuts befindet. Realisiert wird das durch Variation der Diodenströme oder über Konstantstromquelle, gekoppelt mit einer Pulsweitenmodulation. Zur Gewährleistung der Konstanz der eingestellten Mischfarbe oder des Weißpunktes ist es notwendig, die erzeugte Mischfarbe zu monitoren und durch geeignete Regelschleifen nachzustellen. In der Praxis sorgen vor allem Temperaturänderungen zu nicht vernachlässigbaren Farbortänderungen der Voll- und Mischfarben. Neben der rapide abnehmenden Strahlungsintensität bei zunehmender Diodentemperatur lassen sich auch zusätzlich Drifte der Spektren hin zum Langwelligen beobachten. Diese Wellenlängendrifts und die Auswirkung der Farbortänderungen für die Vollfarben zeigen Abbildung 3 und Abbildung 4. MAZeT GmbH Vertrieb Göschwitzer Straße Jena Herr Frank Krumbein Tel.: Fax: sales@mazet.de 3 von 24

4 LED rot: Spektum = f(temperatur) 0,7 0,6 0,5 R 350mA 5'C R 350mA 22'C R 350mA 45'C R 350mA 70'C 0,4 0,3 0,2 0, Wl 630 / nm LED grün: Spektum = f(temperatur) 0,18 0,16 0,14 G 350mA 4,5'C G 350mA 22'C G 350mA 46'C G 350mA 70'C 0,12 0,1 0,08 0,06 0,04 0, Wl / nm MAZeT GmbH Vertrieb Göschwitzer Straße Jena Herr Frank Krumbein Tel.: Fax: sales@mazet.de 4 von 24

5 LED blau: Spektum = f(temperatur) 0,9 0,8 0,7 B 350mA 4,5'C B 350mA 22'C B 350mA 44'C B 350mA 70'C 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0, Wl / nm Abbildung 3; Änderung der Emissionsspektren als Funktion der Temperatur LED rot: Delta(u'v') = f(tem peratur, LED-Strom ) 0,5400 0,5300 0,5200 v' 0,5100 0,5000 0,4900 0,5000 0,5100 0,5200 0,5300 0,5400 0,5500 u' MAZeT GmbH Vertrieb Göschwitzer Straße Jena Herr Frank Krumbein Tel.: Fax: sales@mazet.de 5 von 24

6 LED grün: Delta(u'v') = f(tem peratur, LED-Strom ) 0,5820 0,5800 0,5780 v' 0,5760 0,5740 0,5720 0,5700 0,0500 0,0600 0,0700 0,0800 0,0900 0,1000 u' LED blau: Delta(u'v') = f(tem peratur, LED-Strom ) 0,1650 0,1550 0,1450 v' 0,1350 0,1250 0,1150 0,1350 0,1450 0,1550 0,1650 0,1750 0,1850 u' Abbildung 4; u v -Farbortänderung durch Temperatur (1 C 70 C) und Diodenströme (50mA.400mA) MAZeT GmbH Vertrieb Göschwitzer Straße Jena Herr Frank Krumbein Tel.: Fax: sales@mazet.de 6 von 24

7 Die beobachteten Wellenlängendrift lagen für die Rot- und Grün-LEDs bei +/-7nm und für die Blau-LED bei +-3nm. Die somit verursachten Farbortstreuungen u v erreichten für die Rot-LED 0,025, für die Grün-LED 0,031 und für die Blau-LED 0,036. Die von den meisten Geräten geforderte Farbkonstanz von Grenze u v <0,005 wird somit deutlich verletzt. Gleichzeitig wird auch der darstellbare Farbraum (Gamut) eingeschränkt. Abbildung 5 zeigt, dass bei Nutzung des Arbeitsbereiches durch Farbmischung lediglich die Farben reproduzierbar erzeugt werden können, die innerhalb des Gamuts (gestrichelte Darstellung in Abbildung 4) definiert sind. Voraussetzung für die erfolgreiche Farbreproduktion ist die Kenntnis über die existierenden Farborte der Eckpunkte des Gamuts bzw. der Farborte der erzeugten Mischfarbe, zum Beispiel des Weißpunktes, und der entsprechenden Nachregelung der Mischungsverhältnisse. Abbildung 5; eingeschränkter RGB-LED-Gamut unter veränderlichen Emisionsspektren MAZeT GmbH Vertrieb Göschwitzer Straße Jena Herr Frank Krumbein Tel.: Fax: sales@mazet.de 7 von 24

8 Farbortmessung mittels Dreibereichssensoren In der Praxis wird die Farbortmessung durch den Einsatz von Farbsensoren realisiert. Am Markt stehen hierfür verschiedene Dreibereichsfarbsensoren zur Verfügung, die sich jedoch in ihrer spektralen Empfindlichkeit der RGB-Detektorkanäle unterscheiden. Die exakte Messung auch über ein Spektrometer bezieht sich auf die Normspektralwertfunktion, wie sie in der DIN5033 festgelegt ist (Abbildung 6). Die Normspektralwertanteile XYZ nach CIE1931, die Grundlage für die Transformation in jeden beliebigen anderen Farbraum sind, ergibt sich dabei aus den folgenden Integralen aus Spektralwertfunktionen und der Strahlungsfunktion der LED-Quelle: X = k Y = k Z = k 780nm 380nm 780nm 380nm 780nm 380nm x( λ) φ( λ) dλ y( λ) φ( λ) dλ z( λ) φ( λ) dλ Formel 1; Berechnung der Normfarbwertanteile Abbildung 6; Normspektralwertfunktionen Daraus ergibt sich die Schlussfolgerung für die Arbeit mit Dreibereichssensoren, dass eine möglichst gute Annäherung an die Normspektralwertfunktion mit der Qualität der Farbmessung, besonders bei spektral veränderlichen Quellen, einhergeht. Eine exakte Umsetzung der Normspektralwertfunktion ist nur mit sehr hohem Aufwand und der Verwendung verschiedener im Einzelnen angepasster Mischtechnologien möglich. Die daraus resultierenden hohen Sensorpreise und Baugrößen lassen keinen Einsatz in den betrachteten Marktsegmenten zu. Als preiswertere Lösungen stehen dem gegenüber Fotodiodenstrukturen mit integrierten Filterschichten, die on Chip über den optisch aktiven Feldern aufgebracht werden. Anbieter solcher integrierter RGB- Sensoren sind z. B. HAMAMATSU, TAOS, AVAGO und MAZeT. Die erstgenanten Sensoranbieter verwenden für die Farbseparierung RGB-Absorptionsfilter auf den ICs. Da sich dafür notwendige Filtermaterialien nicht in ausreichender Form rezeptieren lassen, weichen die damit realisierten Sensorempfindlichkeiten meist deutlich von der Normspektralwertfunktion ab. Grafik 1 und 2 in Abbildung 7 zeigen typische Empfindlichkeiten. MAZeT GmbH Vertrieb Göschwitzer Straße Jena Herr Frank Krumbein Tel.: Fax: sales@mazet.de 8 von 24

9 1 relative spektrale Empfindlichkeit HDJD-S722 1 relative spektrale Empfindlichkeit TCS230 0,9 0,9 0,8 0,8 0,7 0,7 0,6 R-HDJD-S722 0,6 R-TCS230 0,5 0,4 G-HDJD-S722 B-HDJD-S722 0,5 0,4 G-TCS230 B-TCS230 0,3 0,3 0,2 0,2 0,1 0, Grafik 1 Grafik 2 1 relative spektrale Empfindlichkeit MCSiAT 1 relative spektrale Empfindlichkeit MTCSiCS 0,9 0,9 0,8 0,8 0,7 0,7 0,6 R-MCSiAT 0,6 X-MTCSiCS 0,5 0,4 G-MCSiAT B-MCSiAT 0,5 0,4 Y-MTCSiCS Z-MTCSiCS 0,3 0,3 0,2 0,2 0,1 0, Grafik 3 Grafik 4 Abbildung 7; spektrale Empfindlichkeiten von Dreibereichssensoren bei sehr schmalbandiger Abstastung (Grafik1/2 Absorbtionsfilter, Grafik 3/4 Interferenzfilter) Als preiswertes Filtermaterial für Absorptionsfilter werden Farbfolien oder Lithographielacke verwendet. Diese sind jedoch nicht farbbeständig und eignen sich damit nicht auf Grund der in der Lichttechnik herrschenden hohen Temperaturen. Eine Alternative zu den Folien sind Farbfilter auf Basis gefärbter Glasmaterialien. Aber auch solche Glasfilter erwärmen sich, da sie die Energie absorbierten Lichtanteile in Wärme umwandeln. Die stoffliche Konsistenz der Absorptionsfilter ändert sich mit jedem einfallenden, nicht gewollten Lichtanteil. Damit neigen absorbierende Filter zu Langzeitdrift - verändern also ihre Eigenschaft über die Lebenszeit und sind damit für Absolutmessungen und Lichtanwendungen eher ungeeignet. Eine alternative Möglichkeit zu absorbierenden Filtern sind Interferenzfilter. Diese bestehen aus einer Vielzahl von z.b. aufgedampften hoch- und niederbrechenden Oxidschichten, die den Filter nur für bestimmte Wellenlängen durchlässig machen. Im Gegensatz zu den Absorptionsfiltern werden aber die nicht gewünschten Farbanteile als Restlicht vollständig vom Filter reflektiert, ohne dass sich physikali- MAZeT GmbH Vertrieb Göschwitzer Straße Jena Herr Frank Krumbein Tel.: Fax: sales@mazet.de 9 von 24

10 sche Effekte in den Filtern auswirken. Interferenzfilter gelten daher als besonders stabil und zeigen auch bei hoher Lichteinwirkung keine Drifterscheinungen. Dazu werden sie zumeist bei hohen Temperaturen gefertigt und sind somit unempfindlich gegen hohe Arbeitstemperaturen. Beide Eigenschaften führen letztendlich in Summe zu einer Langzeitstabilität der Filter, die eine spätere Nachkalibrierung der Sensoren bei Absolutmessungen oder auch Gleichlauf von Sensoren im Betrieb unnötig machen. Interferenzfilter lassen sich direkt on Chip strukturieren und bieten gleichzeitig den Vorzug der Designfreiheit in Bezug auf die spektrale Empfindlichkeit. Tabelle 1; Gegenüberstellung der Filtereigenschaften Eigenschaft Absorptionsfilter ilter Interferenzfilter Maximale Transmission im 60 70% > 95% Durchlassbereich 10 20% < 1% Resttransmission im Sperrbereich Temperaturstabilität Abhängig vom Filtermaterial Temperaturunabhängig und -stabil Transmissionseigenschaft Alterung durch Absorption Langzeitstabil ohne Drift Während für Aufgabenstellungen der Industrieautomatisierung und des technischen Sehens (Teach Modus, Separation von Farbanteilen) steilwandige RGB Filter (siehe Abbildung 7) sehr gut geeignet sind, sollten bei Prüf- und Regelaufgaben unter Berücksichtigung des menschlichen Farbempfindens ( Like human eye ) auf die Aufgabenstellung abgestimmte spektrale Empfindlichkeiten des Sensors zum Einsatz kommen. Ein Beispiel dafür auf Basis der 3-Bereichssensorik stellen die True Color Sensoren der MAZeT dar. Bei diesen wurde die Transmisson der Interferenzfilter im Rahmen der Designmöglichkeiten so umgesetzt, dass im Zusammenspiel mit der spektralen Empfindlichkeit der unbeschichteten Si- Dioden eine sehr gute Näherung an die Normspektralwertfunktion realisiert ist. Die typische resultierende spektrale Empfindlichkeit ist in Grafik 4 der Abbildung 7 gezeigt. Die Restwelligkeit auf dem Empfindlichkeitsverlauf ergibt sich dabei durch die Interferenzwirkung der Einzelschichten eines Filterdesigns. Relevant für Messungen sind diese lediglich für die rein monochromatische Betrachtung und verschleifen in ausreichendem Maße bei der Vermessung von gaußförmigen Strahlungsfunktionen mit einer Halbwertsbreite von mehr als 15nm. Diese Halbwertsbreite wird von den geläufigen PowerLEDs mit FWHM von 20 bis 35nm in ausreichendem Maße überschritten. MAZeT GmbH Vertrieb Göschwitzer Straße Jena Herr Frank Krumbein Tel.: Fax: sales@mazet.de 10 von 24

11 Für die Farbortbestimmung werden die abweichenden Maxima der spektralen Empfindlichkeiten der Sensoren von den Empfindlichkeitsverhältnissen der Normspektralwertfunktionen mit einer einfachen Skalierung oder Matrizierung an die Normspektralwerte angepasst. Der angewendete Kalibrierungsaufwand richtet sich zum einen nach der technischen Realisierbarkeit in einer Serienfertigung sowie der geforderten Mess- und Regelgenauigkeit. Mit einer einfachen Skalierung (Formel 2) würde jeder RGB-Kanal mit Abbildung 8; MTCSiCS einem ermittelten Korrekturfaktor multipliziert werden, so dass die Signalverhältnisse den Normfarbwerten XYZ für eine gewählte Strahlungsfunktion oder Mischfarbe bzw. Weißpunkt entsprechen. Diese Methode ist anwendbar bei Vernachlässigung der Temperatureinflüsse sowie konstant zu regelnder Helligkeit. Eine erweiterte Methode, die auch in den meisten Applikationen Einsatz findet, ist die Anwendung einer Transformationsmatrix (Formel 3) zur linearen Überführung der Sensordaten in XYZ- Normfarbwerte. Im Gegensatz zur Skalierung wird mit einer Matrizierung auch eine Helligkeitsänderung linear erfasst. X K Y = K Z K R G B Formel 2; Skalierung der RGB-Werte X K Y = K Z K 1,1 2,1 3,1 K K K 1,2 2,2 3,2 K K K 1,3 2,3 3,3 R G B Formel 3; Matrizierung der RGB-Werte Die Ermittlung einer Korrekturmatrix ist für LED-Quellen relativ einfach und auch in einer Serienproduktion umzusetzen. Dabei erfolgt das Einstellen von mindestens drei (n) voneinander unabhängigen Volloder Mischfarben mit bekannten Normfarbwerten XYZ. Die n Kalibrierfarben werden dabei nacheinander an der Quelle eingestellt, und zu gleichen Zeitpunkten erfolgt die Messung der Normfarbwerte mit einem bereits kalibrierten Dreibereichssensor oder einem Spektrometer sowie die Aufnahme der RGB- Sensordaten. Die Messdaten bilden somit eine Soll-Matrix XYZ sowie die Sensordaten eine Ist-Matrix RGB mit je drei Zeilen und n Spalten. Die Berechnung der Koeffizientenmatrix ergibt sich nach Formel 4. K Matrix = K K 1,1 2,1 3,1 K K K 1,2 2,2 3,2 MAZeT GmbH Vertrieb Göschwitzer Straße Jena Herr Frank Krumbein Tel.: Fax: sales@mazet.de K K K 1,3 2,3 3,3 = ( XYZ RGB Formel 4, Berechnung der Koeffizientenmatrix T ) ( XYZ XYZ Alle folgenden RGB-Sensordaten werden mit dieser Koeffizientenmatrix nach Formel 3 linear in Normspektralwerte XYZ überführt und bilden die Grundlage zur Umrechnung in jeden beliebigen Farbraum. T ) von 24

12 Güte der Farbortmessung und -regelung Die Matrizierung liefert für jede Art von Dreibereichsfarbsensoren eindeutige Messwerte im Fall, dass die Spektren der RGB-LEDs in ihrer Lage und Form konstant bleiben. Von Interesse ist der Einfluss der Wellenlängendrifts auf die mittels Koeffizientenmatrix ermittelten Farborte. Für diese Bewertung werden für verschiedene Dreibereichssensorempfindlichkeiten Koeffizientenmatrizen unter idealen Bedingungen (fester Temperatur) berechnet und die Auswirkungen auf die Farbortbestimmung für Vollfarben und Weißpunkte unter Wellenlängendrifts von +/- 7nm ausgewertet. Die Darstellung und qualitative Bewertung wird jeweils auf den L u v Farbraum nach CIE1976 bezogen. In diesem Farbraum gelten vereinfacht für das menschliche Auge Farbabstände von u v < 0,005 als kaum unterscheidbar. Diese Grenze ist somit auch durch die sensorische Farbmessung mindestens zu erfüllen. Abbildung 9; Normspektralwertfunktion (gepunktet), Spektrale Empfindlichkeit eines RGB-Dreibereichssensors (dünne Linien) mit Absorptionsfiltern und LED-Spektren (dicke Linien) Abbildung 9 zeigt die spektralen Verläufe der Normspektralwertfunktion (NBF gepunktete Linien), der spektralen Empfindlichkeiten eines auf Absorptionsfiltern beruhenden Dreibereichssensors (SENS dünne Linien) und der Emissionsspektren typischer RGB-PowerLEDs (LED dicke Linien). Deutlich zu erkennen sind in diesen Grafiken die Unterschiede zwischen spektraler Empfindlichkeit und der Normspektralwertfunktion. MAZeT GmbH Vertrieb Göschwitzer Straße Jena Herr Frank Krumbein Tel.: Fax: sales@mazet.de 12 von 24

13 Die Kalibrierung wurde für die Vollfarben Rot, Grün, Blau sowie deren Kombination Weiß, Schwarz, Gelb, Cyan und Magenta ermittelt. Für die Variation der spektralen Lage wurde ausgehend vom Weißpunkt jeweils eine Komponente Rot, Grün oder Blau um +/- 7nm variiert und im Anschluss jeweils die Vollfarbe spektral variiert. Die Grafiken in Abbildung 10 zeigen die reale Farbortänderung (rote Kreuze) verglichen mit den ermittelten Farborten der Sensorempfindlichkeit und entsprechenden Korrekturmatrix (blaue Kreise). Weißpunktmessung mit Variation λ LED rot MAZeT GmbH Vertrieb Göschwitzer Straße Jena Herr Frank Krumbein Tel.: Fax: von 24

14 Weißpunktmessung mit Variation λ LED grün Weißpunktmessung mit Variation λ LED blau MAZeT GmbH Vertrieb Göschwitzer Straße Jena Herr Frank Krumbein Tel.: Fax: von 24

15 Vollfarbenmessung mit Variation λ LED Abbildung 10; Farbortgenauigkeit bei Verwendung von Dreibereichssensoren mit Absorptionsfiltern Sehr deutlich sind die Abweichungen der Farbortbestimmung in den Grafiken für die Variation der grünen LED und blauen LED zu erkennen. Die theoretischen Farbortdifferenzen, die durch parasitäre Effekte des Sensorsystems eher noch schlechter zu erwarten sind, erreichen hier bis zu einem u v > 0,01 für die Weißpunkte. Steigt die Temperatur z.b. der grünen LED, verschiebt sich die Peakwellenlänge der LED zum Langwelligen (Siehe auch Abbildung 3; Änderung der Emissionsspektren als Funktion der Temperatur und Abbildung 11). Der Weißpunkt [A] verschiebt sich dadurch ins rötliche, Punkt [B]. Zur Korrektur der Mischungsverhältnisse und Korrektur des Weißpunktes müsste hauptsächlich der Anteil der roten LED verringert werden. Der RGB Sensor interpretiert jedoch die Farbortänderung als Farbortverschiebung zum Grünlichen [C] und würde die Regelung zur Verringerung des grünen Anteils veranlassen. Ergebnis dieser Fehlinterpretation durch den RGB-Sensor ist eine effektive Weißpunktnachregelung in Richtung Magenta [D]. MAZeT GmbH Vertrieb Göschwitzer Straße Jena Herr Frank Krumbein Tel.: Fax: sales@mazet.de 15 von 24

16 Abbildung 11; Weißpunktänderung bei Temperaturerhöhung der grünen LED Ein anderes Verhalten dagegen zeigen die XYZ-Sensoren. Abbildung 12 zeigt die spektralen Funktionen unter Einsatz des MTCSiCS-Dreibereichssensors. Die spektralen Empfindlichkeitsverläufe sind dabei im Rahmen der technischen Möglichkeiten an die Normspektralwertfunktion angepasst. Abbildung 12; Normspektralwertfunktion, Spektrale Empfindlichkeit eines Dreibereichssensors mit optimierten Interferenzfiltern (MTCSiCS) und LED-Spektren (schmalbandige Abtastung) MAZeT GmbH Vertrieb Göschwitzer Straße Jena Herr Frank Krumbein Tel.: Fax: von 24

17 Die Auswertung der Farbortunterschiede unter Verwendung optimierter Sensorkennlinien in Abbildung 13 zeigen im Vergleich zu den auf Absorptionsfiltern basierenden Dreibereichssensoren um Faktor 5 bessere Farbortdifferenzen u v > 0,002. Eine Regelung, die auf diese Messwerte aufsetzt, wird somit auch visuell gleichfarbige Ergebnisse erzielen. Weißpunktmessung mit Variation λ LED rot MAZeT GmbH Vertrieb Göschwitzer Straße Jena Herr Frank Krumbein Tel.: Fax: sales@mazet.de 17 von 24

18 Weißpunktmessung mit Variation λ LED grün Weißpunktmessung mit Variation λ LED blau MAZeT GmbH Vertrieb Göschwitzer Straße Jena Herr Frank Krumbein Tel.: Fax: von 24

19 Vollfarbenmessung mit Variation λ LED Abbildung 13; Farbortgenauigkeit bei Verwendung von Dreibereichssensoren mit optimierten Interferenzfiltern (MTCSiCS) Anwendungen in der Farbmessung mit dem Anspruch Farben oder Farbtemperaturen zu beurteilen oder zu regeln, erfordern also ab einer Genauigkeitsklasse Like human eye True Color Funktion, d.h. möglichst eine genaue technische Umsetzung, Nachbildung oder Referenz des menschlichen Farbempfindens. Unter den Bedingungen erhöhter Temperaturen und hohen Lichtintensitäten in der Applikation empfehlen sich Interferenzfilter als die bessere Alternative, weil sie langzeit-/temperaturstabil und anpassbar auf die Anwendung sind. Beide Anforderungen für Lichtanwendungen, also Echtfarben-Funktionalität auf Basis dichroitischer Filter, hat MAZeT in ihren neuen True Color Sensor-ICs umgesetzt. MAZeT GmbH Vertrieb Göschwitzer Straße Jena Herr Frank Krumbein Tel.: Fax: von 24

20 (Echt-)Farbe erkennen MAZeT True Color-Sensoren sorgen für eine exakte Farbregelung und -wiedergabe "like human eye". Unter dem Namen True Color Sensoren bietet die MAZeT eine Reihe von Farbsensor-ICs (MTCSi) an, die auf Basis des Dreibereichsprinzips die spektrale Charakteristik der DIN 5033 Teil 4 definierten Normspektralwertfunktion nahezu nachbildet. Somit wird der Sensor zur realisierten technischen Funktion der Empfindlichkeit des durchschnittlichen menschlichen Auges und empfiehlt sich für alle Applikationen, wo das menschliche Auge Betrachter oder zum Prüfkriterium wird. Als Basismaterial der Detektoren kommt eine PIN-Diodentechnologie zum Einsatz, die speziell für den visuellen Bereich angepasst ist und im Vergleich zu Standardtechnologien eine erhöhte Blauempfindlichkeit aufweist. Abbildung 14; spektrale Empfindlichkeit der Basis-PIN-Dioden, Interferenzfilter und resultierend der Farbsensoren Das Interferenzfilterdesign wurde so optimiert, dass die resultierende Sensorempfindlichkeit als Produkt der spektralen Empfindlichkeit der PIN-Fotodioden und der spektralen Transmission der Interferenzfilter dem skalierten Verlauf der Normspektralwertfunktion entspricht. Zur Realisierung der spektralen Unempfindlichkeit im nahen IR auf kleiner 1%, wurde ein zusätzlicher IR-Sperrfilter integriert. Die Interferenzfilter können mit einer Schichtdickentoleranz und damit spektralen Lage der Transmissionsfunktion von <1%*λ reproduzierbar hergestellt werden. Als Empfängergeometrie wurde für die True-Color Sensoren das bewährte integrale Wabenarray der ersten Generation der JENCOLOR-Farbsensoren, bestehend aus 3 x 19 Rhomben, übernommen. Die Empfänger realisieren geringe Dunkelströme sowie geringe Kapazitäten. Damit sind sie hervorragend für große Dynamikbereiche und schnelle Messaufgaben geeignet. Zur Minimierung des elektrischen Übersprechens und somit einer besseren Kanaltrennung sind zwischen den aktiven Diodenflächen zusätzliche Trennstrukturen umgesetzt, die ein Abwandern von Ladungsanteilen in benachbarte Strukturen unterbinden. MAZeT GmbH Vertrieb Göschwitzer Straße Jena Herr Frank Krumbein Tel.: Fax: sales@mazet.de 20 von 24

21 Der MTCSi-Sensor wird in einem TO39 Sockel (MTCSiCT) als SMD-Variante in einem LCC8-Package (MTCSiCS) oder als naked Chip in Verbindung mit den mehrkanaligen Transimpedanzverstärkern MTI04C für COB-Technologien angeboten. Abbildung 15: MAZeT True Color Sensor-ICs in verschiedenen Ausführungen (MTCSiCT, MTCSiCS, TIAM1 v.l.n.r.) Die Signalströme der True Color Sensoren können mit den üblichen Schaltungen für Fotodioden aufbereitet und anschließend zur weiteren Verarbeitung digitalisiert werden. Hier kommen Transimpedanzverstärkerschaltungen (zum Beispiel die mehrkanaligen MTI04 der MAZeT) für schnelle Applikationen bzw. bei eventueller Fremdlichtkompensation und Schaltungen mit Strom-Ladungs- oder Strom- Frequenz-Wandlern für eher zeitunkritische Applikationen, zum Beispiel bei veränderlicher oder gepulster Lichtquellen (CRT-Monitor oder wechselspannungsbetriebene Quellen, bei denen der zeitliche Integral relevant ist), zum Einsatz. +V R = VDD I Y R 1 V Y MTCSiCS I X I Z R 2 R 3 V X V Z VREF MAZeT MTI04 Abbildung 16; Signalverstärkung der True Color Sensor-ICs Aufgrund der nachempfundenen Normspektralwertempfindlichkeit der Sensoren können die Signalpegel als XYZ bei Bewertung aktiver Lichtquellen oder Remissionsfarben, die mit Normlichtarten beleuchtet werden, direkt in L*a*b* / L*u*v* Koordinaten eines Standardfarbraumes überführt werden. MAZeT GmbH Vertrieb Göschwitzer Straße Jena Herr Frank Krumbein Tel.: Fax: sales@mazet.de 21 von 24

22 Die Skalierung der drei Kanäle kann dabei linear über einen einfachen Schwarz/Weiß-Abgleich realisiert werden, für welche die Normspektralwerte bekannt sind. Die meist angewandte Methode zur Farbanpassung ist die globale, lineare Korrektur der Sensorsignale mittels Matrizierung wie sie bereist in Abschnitt Farbortmessung mittels Dreibereichssensoren vorgestellt wurde. Da die Korrekturmatrix als Korrekturvorschrift anwendungsund sensorspezifisch im System zu sehen ist, müssen die Werte im Sensor im µcontroller oder einem Extraspeicher bzw. zentral im übergeordneten Master abgelegt werden. Die Anwendung der Sensoren, die Lichtquelle und die Korrekturdaten bilden zusammen eine Einheit, die als kompletter (echt)farbsensorkopf bezeichnet werden kann. Solche Farbsensorköpfe bietet MAZeT als Evaluierungs- und Testsystem bzw. als Serienbauelemente auf Chipbasis (siehe Abbildung 17; Integrierter Farbsensorkopf In Testaufbauten und Applikationen mit den MTCSi-Sensoren konnten für Farbmessungen von Lichtquellen mit einer Genauigkeit von u v < 0,005 realisiert werden. Diese erzielten Auflösungen sind vergleichbar mit dem Vermögen der Farbunterscheidung des menschlichen Auges und erfüllen die heutigen Anforderungen, wie sie zum Beispiel zum Farbabgleich von Monitoren/Beamern oder Displays oder in der Licht/Beleuchtungsindustrie zur Farb-/Weißpunktregelung von PowerLEDs gefordert werden. MAZeT GmbH Göschwitzer Straße Jena Tel: / Fax: sales@mazet.de Url: MAZeT GmbH Vertrieb Göschwitzer Straße Jena Herr Frank Krumbein Tel.: Fax: sales@mazet.de 22 von 24

23 MAZeT Die MAZeT GmbH, gegründet 1992 mit Sitz in Jena, ist für Elektronikentwicklung und Fertigung von OEM-Produkten tätig. Seitdem konnte das Unternehmen eine kontinuierliche Wachstumssteigerung verzeichnen. Von anfänglich 25 wuchs die Belegschaft bis 2006 auf >85 Mitarbeiter in Jena. MAZeT ist als Entwicklungs- und Fertigungsdienstleister für elektronische Baugruppen, Software und Chipdesign tätig und realisiert im Kundenauftrag komplette elektronische Systeme und Komponenten. Als Systemhaus bedient MAZeT ein breites Spektrum an Fertigungstechnologien der Elektronik. MAZeT ist zertifiziert nach DIN EN ISO 9001 : Die Kompetenzen von MAZeT reichen vom Entwurf kundenspezifischer Silizium-Chips (ASICs und FPGAs) bis zur Entwicklung, Fertigung und Serienlieferung von kompletten Baugruppen und Systemen einschließlich der Anpassung des Betriebssystems und der Entwicklung von Anwendungssoftware. MAZeT-Produkte sind ausgewählte Komponenten für spezielle Anwendungen in der industriellen Messtechnik, Automatisierungstechnik und Medizintechnik. MAZeT entwickelt spezifische ICs, Sensoren und Boards für Embedded Computing Anwendungen. Die Komponenten nutzen anerkannte Standards und sind als OEM-Einheiten direkt in Kundensysteme integrierbar. MAZeT GmbH Vertrieb Göschwitzer Straße Jena Herr Frank Krumbein Tel.: Fax: sales@mazet.de 23 von 24

24 Demonstrator zur RGB-LED-Regelung Zum Test einer aktiven RGB-LED-Farbregelung basierend auf dem True Color Sensor MTCSiCS wurde ein entsprechender Demonstrator erstellt. Als Lichtquelle dienen zwei RGB-PowerLED-Module die sich in zwei direkt benachbarten Lichtschächten befinden. Die Ansteuerung der Farbanteile erfolgt durch Modulation der Pulsweiten und kann via serielles Interface vom PC gesetzt werden. Die Mischfarben werden jeweils auf einer Diffuserscheibe sichtbar und können direkt miteinander verglichen (abgemustert) werden. Beide Lichtschächte sind mit einem MTCS-C2-Modul ausgestattet. Dieses implementiert als miniaturisierter Messkopf neben dem True Color Sensor MTCSiCS die programmierbare Signalverstärkung und aufbereitung sowie ein USB-Interface. Jedes MTCS-C2-Modul erfasst die auf der Diffuserfläche eines Lichtschachtes erzeugte Mischfarbe. Die Messdaten werden über USB übertragenen und jeweils in zwei Farbdiagrammen Abbildung 18; MTCS-C2 auf einem PC visualisiert sowie die Farbortdifferenz angezeigt. In der Regelung können mit einem LED-Modul verschiedene Farbtemperaturen eingestellt oder beliebige Mischfarben erzeugt bzw. per Zufall generiert werden. Diese Farbvorgabe wird mit einem MTCS-C2- Modul erfasst und das benachbarte LED-Modul, welches mit dem zweiten MTCS-C2-Modul ausgewertet wird, wird mit einem geeigneten Regelalgorithmus so nachgeregelt, bis die erfassten Farbortdifferenzen beider MTCS-C2-Module einer vorher definierten Mindestgüte entsprechen. Abbildung 19 zeigt den Demonstratoraufbau zur LED-Regelung mit zwei aufeinender ausgeregelten LED-Mischfarbflächen und deren Visualisierung auf einem PC. Abbildung 19; Demonstrator zur LED-Regelung Anhand dieses Aufbaus kann eine LED-Regelung demonstriert werden bei der eine Nachregelung der LED-Mischfarben in einer Güte erfolgt die mit dem menschlichen Empfinden keine Farbdifferenzen erkennen lässt. MAZeT GmbH Vertrieb Göschwitzer Straße Jena Herr Frank Krumbein Tel.: Fax: von 24