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Prof. Dr. sc. techn. Beat Brüderlin

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INHALTE

Farbsensorik und Spektrale Technologien

Projektträger: Thüringer Aufbaubank, VDI-VDE Berlin

Projektpartner (OPTICOLOR): ZBS Ilmenau e.V./TU Ilmenau, MAZeT GmbH, Jena

Projektpartner (FEEDLED): ZBS Ilmenau e.V./TU Ilmenau, FhG IIS, X-FAB AG, Premosys GmbH, Büchner-Lichtsysteme GmbH

Projektdauer (OPTICOLOR): September 2006 - Januar 2008

Projektdauer (FEEDLED): seit September 2014

Teilprojektleiter: Dr.-Ing. habil. K.-H. FrankeDr.-Ing. Rico Nestler

Ansprechpartner: Dr.-Ing. Rico Nestler

Gegenstand der Forschung im Bereich Farbe und spektrale Technologie sind optische multispektrale Sensoren mit mindestens drei Kanälen unterschiedlicher spektraler Empfindlichkeit. Die Ziele der Tätigkeit in den verschiedenen Vorhaben lassen sich wie folgt zusammenfassen

  • Erweiterung der aus der Farbmessung bekannten Drei-Bereichs-Technik auf mehr Kanäle.
  • Verfahrensentwicklung zur spektralen Rekonstruktion und zur Feldkalibrierung von Mehrbereichsmesssystemen.
  • Entwicklung modular aufgebauter Gesamtsysteme aus Sensorik, Beleuchtung, Optik und Software.
  • Evaluierung verschiedener Anwendungsfälle, wie verbesserte spektralnahe Farbmessungen und spektrale Lichtsynthesen.

 

 

Sensorsignalverarbeitung für Mehrbereichs-Sensoren

Fotoelektrische Sensoren mit mindestens drei Kanälen bewerten die auftreffende Strahlung (einen spektralen Reiz) integral mit unterschiedlichen spektralen Empfindlichkeiten. Die mehrkanalige Sensorantwort, im Beispiel unten R, G, B, ist im Fall von colorimetrischen Sensoren eine Farbvalenz in einem gerätespezifischen (aber meist nicht standardisierten) Farbraum. Zur Überführung in standardisierte, geräteunabhängige Farbräume, z.B. CIE-XYZ nach DIN 5033 oder CIE-Lab, für eine gewählte Lichtart muss eine Abbildung der spektralen Kanalempfindlichkeiten auf die Spektralwertkurven des Zielfarbraumes existieren (verallgemeinerte Luther-Bedingung). Diese Bedingung ist bei colorimetrischen Sensoren und technischen Lichtquellen nur näherungsweise erfüllbar.

Prinzip eines colorimetrischen Mehrbereichs-Messsystems, Signalfluss von rechts nach links

Bei Erweiterung der Kanalanzahl nimmt das Mehrbereichs-Messsystem immer mehr den Charakter eines Spektrometers an. Die Eindeutigkeit der Beziehung zwischen Sensorantworten und konkreten spektralen Reizen nimmt erheblich zu.

Ideale Spektrometer sind zur Farbmessung bestens geeignet. Sie liefern über die direkte Messbarkeit eines Farbreizes bzw. dessen bestimmender Komponenten Farbwerte für beliebige Farbdarstellungen und daraus ableitbarer Kennwerte der höheren Farbmetrik (Metamerieindizes, CRI) auf rein rechnerischen Wege.

Die allgemein hohen Kosten, die meist größeren Abmessungen und die mangelnde Robustheit unter industriellen Bedingungen führen dazu, dass Spektrometern eine Vielzahl von Anwendungsfeldern verschlossen bleiben. Stattdessen werden vielfach colorimetrische Sensoren eingesetzt. Seit 2010 sind erste kompakte miniaturiserte Spektrometer am Markt, die diese Einsatzschranken umgehen können.

Vorhaben OPTICOLOR / FEEDLED

Im Mittelpunkt des Vorhabens OPTICOLOR stehen Mehrbereichs-Messsysteme, sogenannte multispektrale Messsystemen, die sich zwischen Messystemen nach dem Dreibereichsprinzip und echten Spektrometern (spektrales Messprinzip) einordnen und versuchen, die Vorzüge beider Messprinzipien zu verbinden. Von ganz wesentlicher Bedeutung sind dabei Methoden, die es erlauben aus den Daten von Mehrbereichsmesssystemen Zielgrößen zu erzeugen, die in Güte und Verwertbarkeit Spektrometern entsprechen (spektrale Rekonstruktion). 

Exemplarisch umgesetzt wurde dieses Prinzip in OPICOLOR mit den JENCOLOR®-Sensoren vom Hersteller MAZeT GmbH. Die Forschungsaufgaben wurden in Kooperation mit dem ZBS e.V. bearbeitet.

Im aktuellen Vorhaben FEEDLED kommen neuartige plasmonische Sensoren zum Einsatz, die  als integrierte Sensormodule mit Sensor- und Verarbeitungsfunktionalität (optische und elektrische Funktionalität) kostengünstig in einem CMOS-Prozess erzeugt werden können. Die Zielstellung ist es hierbei, plasmonische Sensorbaugruppen für den Einsatz in intelligenten Leuchten für die Medizin, Automotiveanwendungen oder in der Nahrungsmittelproduktion zu qualifizieren.

Eigene Veröffentlichungen

[1] Nestler, R.; Franke, K.-H.: Quasi-spektraler Mehrbereichsmessansatz durch Einsatz eines iterativ regularisierten, targetbezogenen Interpolators, 12. Workshop Farbbildverarbeitung 2006, S. 33–43

[2] Nestler, R.; Franke, K.-H.; Jahn, R.: Realisierung standardisierter farbmetrischer Schnittstellen durch lokal lineare Abbildung, 10. Workshop Farbbildverarbeitung 2004

[3] Franke K.-H. u. a.: Moderne Methoden der Farberkennung und –messung, 49. IWK der TU Ilmenau 2004

[4] Franke K.-H. u. a.: True-Color fähige Farbsensoren – Probleme und Lösungsmöglichkeiten, 48. IWK der TU Ilmenau 2003

[5] Karl-Heinz Franke: Spectral Control of LED Light Sources for Universal Applications, 13. SpectroNet Collaboration "Innovative/Smart Color and Spectral Imaging in Industry, Biology and Medicine" Forum Konstanz, 17.04.2012, Konstanz, Deutschland, April 2012 

[6] Karl-Heinz Franke: Das quasi-spektrale Messsystem Q-Spec und seine Nutzung zur Regelung LED-basierter Lichtquellen, Darmstädter Kolloquium Optische Messtechnik (DAKOM 2011) - Charakterisierung von LED Lichtquellen, Leitung Prof. Theo Tschudi, 06.06.2011, Darmstadt, Deutschland, Mai 2011

[7] Karl-Heinz Franke: From Color Measurements via Multiple Color to Spectral imaging, 10. SpectroNet Collaboration Forum Jena, 20.04.2011, Jena, Deutschland, April 2011 

[8] R. Nestler, R. Jahn, E. Sparrer, K.-H. Franke: <media 90881 _blank download "TEXT, Vortrag FWS 2008 Druck, Vortrag_FWS_2008_Druck.pdf, 3.9 MB">Praktischer Einsatz von Mehrbereichsfarbmesssystemen zur spektralen Charakterisierung von selbstleuchtenden und nicht selbstleuchtenden Objekten</media>, Beitrag zum 14. Workshop Farbbildverarbeitung 2008, Aachen, 01.-02. Oktober 2008

[9] C. Hufeland, K.-H. Franke, R. Jahn, R. Nestler: <media 90880 _blank download "TEXT, fws2007 hufeland-et-al Methodischer Ansatz einer LED-Normlichtquelle für Farb- messsysteme nach dem Dreibereichsverfahren, fws2007_hufeland-et-al.pdf, 2.2 MB">Methodischer Ansatz einer LED-Normlichtquelle für Farbmesssysteme nach dem Dreibereichsverfahren</media>, Beitrag zum 13. Workshop Farbbildverarbeitung 2006, Koblenz, 04.-05. Oktober 2007

[10] Stephan Junger, Rico Nestler, Daniel Gäbler: Multispektraler CMOS-Sensor und dessen Eignungsbewertung für Lichtanwendungen. In Tagungsband des 22. Workshop Farbbildverarbeitung, 29.-30. September 2016, Ilmenau, Karl-Heinz Franke, Rico Nestler (Hrsg.), S. 9-21, ISBN: 978-3-00-053918-3

[11] Rico Nestler, Rainer Jahn, Karl-Heinz Franke, Stephan Junger, Daniel Gäbler: Einsatz hyperspektraler Sensoren zur Überwachung intelligenter LED-basierter Lichtquellen - eine Fallstudie. In 21. Workshop Farbbildverarbeitung, 15.-16. Oktober 2015, Koblenz, Dietrich Paulus, Marcel Häselich, Detlev Dröge (Hrsg.), S. 50-64, urn:nbn:de:kola-12755