Optisches Mehrbereichs-Messsystem (OPTICOLOR)

Forschungsziel

Gegenstand des Vorhabens sind optische Sensoren mit mindestens drei Kanälen unterschiedlicher spektraler Empfindlichkeit. Das Forschungsziel lässt sich wie folgt zusammenfassen

	Erweiterung der aus der Farbmessung bekannten Drei-Bereichs-Technik auf mehr Kanäle.
	Anpassung an verschiedene Anwendungsfälle wie verbesserte Farbmessung, LED-Prüfung und quasi-spektrale Messung.
	Entwicklung eines modular aufgebauten Gesamtsystems aus Sensor, Hardware, Software und Beleuchtung.

Prinzip des Mehrbereichs-Messsystems

Das Prinzip wird durch die Abbildung unten für drei Messkanäle beispielhaft verdeutlicht. Die zu prüfende Oberfläche wird durch eine technische Lichtquelle beleuchtet. Das Spektrum der remittierten Strahlung setzt sich multiplikativ aus dem Lichtquellenspektrum und dem spektralen Remissionsgrad der Oberfläche zusammen. Diese Strahlung wird als Farbreiz bezeichnet, wenn sie im menschlichen Sehsystem eine Farbempfindung hervorruft oder als Quelle einer Farbmessung dient.

Der fotoelektrische Sensor bewertet die Strahlung in mindestens drei Kanälen mit unterschiedlichen spektralen Empfindlichkeiten, z. B. r(lambda), g(lambda), b(lamdba). Das vektorielle Ausgangssignal, z. B. (R, G, B), kann im speziellen Fall eine Farbvalenz sein. Farbmesssysteme, die bei allen Arten von Farbreizen korrekt arbeiten sollen, müssen jedoch die folgende Bedingung erfüllen: Es muss eine lineare Abbildung der spektralen Empfindlichkeiten auf die Normspektralwerte nach DIN 5033 existieren (verallgemeinerte Luther-Bedingung).

Prinzip des Mehrbereichs-Messsystems, Signalfluss von rechts nach links

Bei Zunahme der Kanalzahl und selektiver spektraler Empfindlichkeiten nimmt das Mehrbereichs-Messsystem immer mehr den Charakter eines Spektrometers an. Spektrometer sind zur Farbmessung bestens geeignet; sie liefern Farbwerte für jede Beleuchtungsart, unabhängig von der eingebauten Lichtquelle. Der hohe Kaufpreis und die meist größeren Abmessungen der Spektrometer sind jedoch für viele Anwendungen nicht akzeptabel.

Forschungsaufgaben

Das Vorhaben beschäftigt sich mit Mehrbereichs-Messsystemen, die sich nach der Dimension ihrer Messwerte zwischen Farbmessgeräten und Spektrometern einordnen. Die Kanalzahl wird zunächst auf sechs beschränkt, so dass die vorteilhafte monolithische Technologie bewährter Farbsensoren im Prinzip übernommen werden kann. Es handelt sich um die JENCOLOR®-Sensoren vom Hersteller MAZeT GmbH, der auch Projektpartner ist und sich u.a. mit der Weiterentwicklung seiner Technologie für die höhere Messkanalzahl beschäftigt.

Die im Zusammenhang mit dieser Sensorik stehenden Forschungsaufgaben werden größtenteils von der TU Ilmenau und dem ZBS e.V. in Kooperation bearbeitet. Wesentliche Teile dieser Aufgaben und bereits erreichte Ergebnisse sind im Folgenden kurz dargestellt.

Spektrale Schätzung mit Mehrbereichs-Messsystemen

Die notwendige Auflösung eines Spektrums im sichtbaren Wellenlängenbereich hängt vom Charakter des Spektrums und seiner Anwendung ab. Kontinuierliche Remissionsspektren tastet man normalerweise mit 5...10 nm Schrittweite ab, so dass etwa 40...80 Messwerte je Spektrum anfallen. Nach unseren Untersuchungen sind jedoch diese Messwerte voneinander abhängig („gekoppelt“), weil z. B. der spektrale Verlauf durchweg einen geringen Anstieg hat.

Die tatsächliche Anzahl unabhängiger Werte, aus denen sich ein Spektrum rekonstruieren lässt, verringert sich typischerweise bei Einschränkung der Messobjekte auf eine applikationsspezifische Klasse. Das folgende Bild zeigt einen sechskanaligen Entwurf, der zur spektralen Schätzung einer Vielzahl von Proben geeignet ist. Im rechten Diagramm sind die idealen (dünn) und rekonstruierten Spektren (dick) der einfallenden Strahlung für einige Datensätze der „Munsell Nearest Neutrals“ dargestellt. Als Lichtquelle wird eine Weißlicht-LED angenommen, deren Spektrum in die Ergebnisse eingeht.

Links: ideale spektrale Empfindlichkeiten eines 6-Kanal-Sensors, Mitte: ideales Lichtquellenspektrum (Weißlicht-LED), Rechts: ideale und rekonstruierte Remissionsspektren

Bei der Simulation wird von einem linearen Zusammenhang zwischen dem Spektrum der einfallenden Strahlung und der Sensorantwort ausgegangen. Die Aufgabe besteht in der Schätzung des Spektrums aus der Sensorantwort durch eine lineare Vorschrift („Interpolator“), die gewissermaßen den Messvorgang umkehrt. In diese so genannte Pseudo-Invertierung kann man zur Verbesserung der Ergebnisse auf verschiedene Weise Vorwissen über die Spektren einbringen, z. B. durch einen Musterdatensatz. Die o. g. Ergebnisse wurden durch iterative, targetbezogene Pseudo-Invertierung gewonnen, siehe [1].

Kalibrierung

Um die Exemplarstreuungen der Lichtquelle und der spektralen Empfindlichkeiten zu kompensieren, muss jeder einzelne Sensor kalibriert werden. Wenn nur das rekonstruierte Spektrum und nicht die primäre Sensorantwort von Interesse ist, bietet sich eine softwareseitige Kalibrierung durch Korrektur des Interpolators an.

Im einfachsten Fall multipliziert man den Interpolator mit einer Diagonalmatrix, die sich durch Messung einer einzelnen Kalibrierprobe mit bekanntem Remissionsspektrum bestimmen lässt, siehe [1]. Eine Simulation mit realen Daten für Sensor und Lichtquelle hat bei Anwendung dieses Kalibrierverfahrens eine ähnliche Rekonstruktionsgüte wie im idealen Fall ergeben, siehe Bild unten.

Links: reale spektrale Empfindlichkeiten eines 6-Kanal-Sensors, Mitte: reales Lichtquellenspektrum (Weißlicht-LED), Rechts: ideale und rekonstruierte Remissionsspektren

Für Farbsensoren wurde ein Korrekturverfahren entwickelt, das auf einer stückweise linearen Abbildung zwischen Soll- und Ist-Farbraum basiert, siehe [2]. Das Verfahren nutzt keine speziellen Eigenschaften der Farbmetrik und lässt sich daher auf beliebige Dreibereichssensoren übertragen.

Aus einer größeren Zahl von Punkten im Soll- und Ist-Farbraum werden korrespondierende Tetraeder in beiden Räumen gebildet, die sich linear aufeinander abbilden lassen. Die linearen Abbildungsvorschriften aller Tetraederpaare fügen sich zu einer stetigen Gesamtabbildung einer Teilmenge des Ist-Farbraumes auf eine Teilmenge des Soll-Farbraumes zusammen. Da die besagten Abbildungsvorschriften im Allgemeinen verschieden sind, ist die Gesamtabbildung nur stückweise linear. Die Linearität geht beim Überschreiten der Tetraedergrenzen verloren. Da die Tetraederzerlegung auf den dreidimensionalen Raum beschränkt ist, kann das Korrekturverfahren nicht auf Sensoren mit mehr als drei Kanälen übertragen werden.
In der Praxis wird z.B. die Ist-Punktmenge aus den gemessenen Farbvalenzen von Kalibrierkörpern gebildet und die Soll-Punktmenge aus den bekannten, exakten Farbvalenzen der Kalibrierkörper. Das Verfahren hat sich bereits in einer Anwendung bewährt; die zugehörige Farbraumzerlegung ist im Bild unten visualisiert.

Triangulation im Ist-Farbraum (links) und korrespondierende Struktur im Soll-Farbraum (rechts) für eine spezielle Anwendungsklasse der Farbmessung

Beleuchtung

Farbvalenzen, die den normativen Richtlinien entsprechen, müssen an bestimmte Lichtarten, wie A, D50 oder D65, gebunden sein. Die in kompakten Messsystemen häufig anzutreffende Weißlicht-LED kann keiner dieser Lichtarten zugeordnet werden. Es besteht daher das Ziel, eine Lichtquelle zu entwickeln, deren Emissionsspektrum auf verschiedene Normlichtarten einstellbar bzw. an diese annäherbar ist. Diese Normlichtquelle ist für den allgemeinen Einsatz in Farbmessgeräten vorgesehen, steht aber jeder lichttechnischen Anwendung offen.

Die gewünschten Emissionsspektren sollen durch additive Mischung der Farbreize von einfarbigen LEDs erzeugt werden. Durch getrennte Regelung der LED-Durchlassströme lässt sich das resultierende Spektrum auf einfache Weise variieren. Die Auswahl geeigneter LEDs für diesen Zweck bei Minimierung ihrer Anzahl ist eine nichttriviale Optimierungsaufgabe, die im Vorhaben zu lösen ist. Eine Möglichkeit der technischen Ausführung ist im Bild unten skizziert.

Variable Lichtquelle mit LED-Array und Fokussierlinsen, rechts: Anordnung der Fokussierlinsen in Seitenansicht

Alternativ zum Einsatz einer realen Normlichtquelle kann man diese durch Anpassung der Sensorcharakteristik simulieren. Die Methode basiert auf dem Fakt, dass das Messergebnis nicht vom Lichtquellenspektrum und der spektralen Empfindlichkeit einzeln bestimmt wird, sondern nur von deren Produkt. Folglich kann man im Prinzip die spektrale Empfindlichkeit so bemessen, dass eine von der realen Lichtquelle abweichende Beleuchtungsart simuliert wird. Auf der Basis geeigneter LED-Kombinationen ergeben sich realisierbare spektrale Empfindlichkeiten zur Simulation der Lichtarten A und D65; dies wurde durch Rechnung nachgewiesen.

Optische Strahlführung

Optische Komponenten sind erforderlich, wenn man den Sensor nicht direkt auf den Prüfkörper aufsetzen kann. Ohne Optik wird das Messfeld bei zunehmenden Arbeitsabstand immer größer und verschwommener. Durch eine Linse mit Blende lässt sich ein scharf begrenztes Messfeld in einem vorgegebenen Arbeitsabstand erzeugen, der durch Verschiebung der Linse reguliert werden kann. Je nach Anforderung kann man die Funktionalität der Optik erweitern, z. B. durch eine oder mehrere Pilotlichtquellen als Fokussierhilfe. Ein Lösungsvorschlag mit asphärischer Kunststofflinse und komplementär-farbigem Pilotlicht ist im Bild unten skizziert.

Prinzip der Fokussieroptik mit Pilotbeleuchtung (LEDs rechts) als Fokussierhilfe. B – ideale Messebene; A, C – defokussierte Messebenen

Eigene Veröffentlichungen