DE102015122835B4

DE102015122835B4 - Verfahren und Anordnung zur Korrektur fertigungsprozessbedingter Exemplarstreuungen von mit Spektralfiltern versehenen optischen Sensoren (Ultra MTCS)

Info

Publication number: DE102015122835B4
Application number: DE102015122835.1A
Authority: DE
Inventors: Gunter Siess
Original assignee: Ams Sensors Germany GmbH
Current assignee: Ams Sensors Germany GmbH
Priority date: 2015-12-23
Filing date: 2015-12-23
Publication date: 2017-07-06
Anticipated expiration: 2035-12-24
Also published as: DE102015122835A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und Anordnungen zur Korrektur fertigungsprozessbedingter Exemplarstreuungen von mit Spektralfiltern versehenen optischen Sensoren. Die Aufgabe der Korrektur fertigungsprozessbedingter Exemplarstreuungen von mit Spektralfiltern versehenen optischen Sensoren wird erfindungsgemäß gelöst, indem Sensoren mit wenigstens einem Spektralfilter, der eine gauß-ähnliche Filterfunktion aufweist, mindestens zwei Ersatzkanäle (6, 7) mit spektral gegensätzlich von der Zentralwellenlänge (11) der spektralen Zielfunktion (1) abweichenden Ersatzfunktionen (21, 31) aufweist, wobei die Ersatzkanäle (6, 7) jeweils ein Spektralfilter (61, 71, 62) zur Realisierung einer der gegensätzlich abweichenden Ersatzfunktionen (2, 3) mit einer maximal tolerierter Exemplarstreuung kleiner als ±a, ±b der Ersatzfunktionen von der spektralen Zielfunktion (1) ist, aufweisen, und die mit den gegensätzlich abweichenden Ersatzfunktionen (2, 3) gefilterten Signale der Ersatzkanäle (6, 7) Mitteln zur additiven Überlagerung (4) zugeführt sind, wobei Gewichtungsmittel zur Gewichtung der Signale der Ersatzkanäle (6, 7) in Abhängigkeit von durch die realen Exemplarstreuungen resultierenden Abweichungen ±a, ±b der Ersatzfunktionen (2, 3) vorhanden sind, um eine spektrale Überlagerungsfunktion (4) an die spektrale Zielfunktion (1) des Sensorkanals anzugleichen.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und Anordnungen zur Korrektur fertigungsprozessbedingter Exemplarstreuungen von mit Spektralfiltern versehenen optischen Sensoren, insbesondere für Tageslichtsensoren oder Farbsensoren für kolorimetrische Anwendungen, insbesondere optische Sensoren mit vorgelagerten Filtern, die aufgrund fertigungsprozessbedingter Toleranzen in der spektralen Lage variieren können und somit zu erheblichen Abweichungen der Sensoren untereinander und Fehlern in der spektralen Messung führen. Sie wird besonders bevorzugt für True-Color-Sensoren (TCS), als technische Umsetzung der Normspektralwertfunktion zur direkten Farbmessung, und für Multi-Spektral-Sensoren (MSS), als Aneinanderreihung von Bandpässen zur Bewertung spektraler Zusammensetzungen.
Optische Sensoren mit Spektralfiltern (Interferenzfiltern) zur Umsetzung applikationsspezifischer spektraler Empfindlichkeitsfunktionen (die sowohl direkt auf den Detektor als auch auf ein zusätzliches Substrat abgeschieden sein können) unterliegen fertigungsprozessbedingten Streuungen bezüglich der spektralen Lage der Empfindlichkeitsfunktion. Letztere ist in den Schichtdickenunterschieden der einzelnen Filterschichten begründet. Die Abweichungen von einer Zielfunktion entstehen dabei sowohl durch geometrische Abhängigkeiten im Fertigungsprozess innerhalb eines Fertigungsloses als auch durch Fertigungsstreuungen zwischen einzelnen Fertigungslosen. Die Streuungen äußern sich maßgeblich in einer spektralen Verschiebung der jeweiligen Gesamttransmissionsfunktion. Je nach Schichtdickenvariation der Filter bzw. der Summe der Interferenzschichten ergeben sich typische spektrale Verschiebungen, die auf die Wellenlänge bezogen mehr als 1% betragen können. Besonders für mehrdimensionale optische Sensoren, die definierte Transmissionseigenschaften voraussetzen (wie z. B. Multi-Spektral-Sensoren oder Farbsensoren für kolorimetrische Anwendungen), ist eine reproduzierbare Umsetzung einer Zielfunktion der spektralen Empfindlichkeit entscheidend für die Einsatzgebiete und erzielbare Messgenauigkeit der Sensoren. Insbesondere Farbsensoren mit der Umsetzung der Normspektralwertfunktion nach CIE, als Ergebnis einer Faltung der spektralen Empfindlichkeiten des Detektormaterials und der darüber befindlichen Spektralfilter, sind auf die hochgenaue Nachbildung einer spektralen Zielfunktion angewiesen. 2 zeigt beispielhaft für derartige Farbsensoren die jeweiligen Zielfunktionen (drei Bereiche der Normspektralwertfunktion) und die maximalen davon abweichenden spektralen Empfindlichkeiten solcher Sensoren, die durch Herstellungstoleranzen der verwendeten Interferenzfilter hervorgerufen werden.
Im Stand der Technik ist bekannt, wie über spezifische Interferenzfilterdesigns und deren Verbindung mit einem siliziumbasierten optischen Empfänger Zielfunktionen, wie die Normspektralwertfunktion, für Dreibereichssensoren oder Kamerasysteme umgesetzt werden können. Zur Unterdrückung auftretender Interferenzen, wie sie sich durch Passivierungs- oder Klebeschichten zwischen Filter und Detektor ergeben, sind Optimierungslösungen für die Sensorempfindlichkeit aus verschiedenen Schriften ( US 7 626 241 B1 , US 2014/0339663 A1 ) bekannt. In Kombination aus spezifischem Filterdesign und Unterdrückung von Störinterferenzen werden im Funktionsverlauf sehr gute spektrale Nachbildungen von Zielfunktionen, wie z. B. Normspektralwertfunktionen, erzielt (siehe True-Color-Sensoren MTCS der Fa. MAZeT. GmbH, Jena, Deutschland). Diese Sensoren finden ihren Einsatz in der Farbmessung, z. B. bei der Farbbestimmung von einzelnen LEDs oder Quellen, die auf der Lichtmischung verschiedenfarbiger LEDs beruhen.
Ferner ist in der DE 203 15 422 U1 ein Photosensor zur Farbmessung auf Basis von drei Spektralanteilen beschrieben, der auf Basis eines Dreibereichsverfahrens mit vorgelagerten unterschiedlich spektralempfindlichen Interferenzfiltern Farbmesswerte erzeugt, wobei für drei mit unterschiedlichen Interferenzfiltern bedeckte, kreissektorförmig flächengleiche Teilflächen die durchgelassenen Spektralanteile der jeweiligen Interferenzfilter, gefaltet mit der Empfindlichkeitsverteilung des Photosensors, jeweils den Normspektralwertfunktionen des menschlichen Auges in Farbkoordinaten des Farbraumes angenähert sind.
Die DE 10 2013 004 213 A1 offenbart ein bildgebendes Farbmessgerät, bei dem die Unzulänglichkeiten des Weißlichtabgleichs mit Tageslicht (D65), die aufgrund von Nichtlinearitäten der Sensorcharakteristiken für andere Lichtquellen, wie Glühlampenlicht (A) oder Leuchtstoffröhrenlicht (F), häufig zu Fehlern der Farbmessung führen, reduziert werden. Zur Minimierung der Fehler der ermittelten Leuchtdichte und Farben wird dabei durch Matrizierung der mit einen Spektroradiometer ermittelten Farbart der Szene eine Kalibration auf drei oder vier Farben eines zu messenden Bildschirms, der durch Umwandlung von linear in zirkular polarisiertes Licht polarisationsbedingte Fehler nachweist, nach dem Vierfarbverfahren von Y. Ohno vorgenommen. Dadurch ist jedoch nur eine nachträgliche Reduzierung der Farbfehler durch individuelle Kalibrierung jeder einzelnen Kamerasensormatrix möglich.
Des Weiteren offenbart die DE 40 18 815 A1 ein Farbfilter zur Anwendung in einem Farbtemperatursensor. Hier werden RGB-Detektoren miteinander gemischt, indem Linearkombinationen durch Parallelschaltung und Größenvariation der farbfilterbelegten Dioden erzeugt werden, um neue Empfindlichkeitscharakteristiken zu erzeugen, für die ein Vorgehen zum Ausgleichen von Exemplarstreuungen der Filtercharakteristiken allerdings nicht erkennbar ist.
Die MTCS der Fa. MAZeT mit näherungsweiser Umsetzung der Normspektralwertfunktion erzielen deutlich genauere Abbildungen in den Farbraum. Die verbleibenden Toleranzen, die sich in der spektralen Verschiebung der Sensorfunktion niederschlagen, führen zwar zu deutlich geringeren Abweichungen, trotzdem verursachen die verbleibenden Abweichungen aber Messfehler, die vor allem zwischen Sensoren verschiedener Fertigungslose nachweisbar sind, wie in 3 zu ersehen ist. Diese Defizite in der Messgenauigkeit des Farbsensors, verursacht durch Resttransmissionen im Sperrbereich und Fertigungstoleranzen der spektralen Lage der aktuellen Empfindlichkeitsfunktionen von der Sollfunktion, werden derzeit durch Kalibrierungen und anschließende Datenkorrektur durch Normierung, Matrizierung oder weiterführende mathematische Algorithmen korrigiert. Aufgrund der Approximation spektraler Daten auf einen dreidimensionalen Farbraum entstehen bei Abweichungen in der spektralen Empfindlichkeit zur Sollfunktion mathematische Überbestimmtheiten und, insbesondere für Spektren, die nicht in der Kalibrierung Berücksichtigung fanden, deutliche Abweichungen in der Farbmessung sowohl als Absolutwert als auch relativ zwischen einzelnen Sensoren. Um eine Verbesserung der Reproduzierbarkeit zu erreichen, wäre eine Optimierung der Filterfunktionen sowie geringere Exemplarstreuungen der Filter erforderlich, was jedoch aufgrund erhöhter Aufwendungen für die Filter, vor allem aber wegen erhöhter Ausschussquoten bei der Filterherstellung eher kontraproduktiv wäre.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine neue Möglichkeit zur Korrektur fertigungsprozessbedingter Exemplarstreuungen von mit Spektralfiltern versehenen optischen Sensoren zu finden, mit der die Wirkung der herstellungsprozessbedingten Streuungen der spektralen Reflexions- und Transmissionseigenschaften von Spektralfiltern minimiert und die Umsetzung reproduzierbarer Sensorfunktionen gelöst werden kann, ohne dass sich infolge der Exemplarstreuung bei der Filterherstellung die Ausschussquote der Sensoren erhöht.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe bei einem Verfahren zur Korrektur fertigungsprozessbedingter Exemplarstreuungen von mit Spektralfiltern versehenen optischen Sensoren, bei dem Exemplarstreuungen der Spektralfilter mit einer gaußähnlichen Filterfunktion zu Signalabweichungen in einem gefilterten Sensorkanal führen, gelöst durch die Schritte:

– Modellieren einer gewünschten spektralen Zielfunktion des Sensorkanals als gaußverteilte Filterfunktion um eine definierte Zentralwellenlänge des Sensorkanals,
– Nachbilden der spektralen Zielfunktion als additive Überlagerung von mindestens zwei Ersatzfunktionen, die jeweils eine Peakwellenlänge aufweisen, die um einen gleichen definierten Versatz ±x alternativ nach oben oder nach unten von der Zentralwellenlänge der spektralen Zielfunktion abweichen,
– Herstellen des Sensorkanals aus mindestens zwei Ersatzkanälen mit den Spektralfiltern, die die modellierten Ersatzfunktionen mit zulässigen tolerierten Abweichungen ±a, ±b von den gewünschten Peakwellenläng aufweisen,
– Bilden einer Koeffizientenmatrix, die für jeden Sensorkanal jeweils eine Summe aus den mindestens zwei gebildeten Ersatzfunktionen enthält,
– Bestimmen von Koeffizienten K der Koeffizientenmatrix auf Basis realer Messsignale des Sensorkanals mit den Spektralfiltern, die gemäß den mindestens zwei modellierten Ersatzfunktionen gefertigt wurden und die zusätzlichen Abweichungen ±a, ±b der Peakwellenlängen infolge von Exemplarstreuungen aufweisen, wobei ein
– Angleichen einer Überlagerungsfunktion an die spektrale Zielfunktion durch Wichtung der Ersatzfunktionen in Abhängigkeit von deren Abweichungen ±a, ±b von den gewünschten Peakwellenlängen erfolgt.

Vorteilhaft erfolgt die Nachbildung der Zielfunktion durch genau zwei Ersatzfunktionen der Ersatzkanäle, wobei die Ersatzkanäle jeweils ein Spektralfilter zur Realisierung einer der gegensätzlich abweichenden Ersatzfunktionen mit unbekannter, aber maximal tolerierter Exemplarstreuung, die nicht größer als die Abweichungen ±a, ±b der Ersatzfunktionen von der Zielfunktion ist, aufweisen.
Zweckmäßig wird die Nachbildung der Zielfunktion und die Berechnung der mit den Koeffizienten K korrigierten Sensorkanäle für die auf ein Substrat beschichteten Spektralfilter von entsprechenden Ersatzkanälen angewendet.
Ferner kann die Nachbildung der Zielfunktion und die Berechnung der mit den Koeffizienten K korrigierten Sensorkanäle für die auf dem Sensor vorteilhaft als Direktbeschichtung aufgebrachten Spektralfilter angewendet werden.
Die Aufgabe wird des Weiteren bei einer Anordnung zur Korrektur fertigungsprozessbedingter Exemplarstreuungen von mit Spektralfiltern versehenen optischen Sensoren, enthaltend mindestens einen Sensorkanal mit mindestens einem Sensor und wenigstens einem als spektraler Bandpass ausgeführten Spektralfilter, der eine gauß-ähnliche Filterfunktion zur Bildung einer definierten spektralen Zielfunktion mit einer gewünschten Zentralwellenlänge und Halbwertsbreite aufweist, dadurch gelöst, dass der mindestens eine Sensorkanal wenigstens zwei Ersatzkanäle mit spektral gegensätzlich von der Zentralwellenlänge der spektralen Zielfunktion abweichenden Ersatzfunktionen aufweist, wobei die Ersatzkanäle jeweils ein Spektralfilter zur Realisierung einer der gegensätzlich abweichenden Ersatzfilterfunktionen mit unbekannter, aber maximal tolerierter Exemplarstreuung, die nicht größer als die Abweichung ±a, ±b der Ersatzfunktionen von der spektralen Zielfunktion ist, aufweisen, und dass die mit den gegensätzlich abweichenden Ersatzfunktionen gefilterten Signale der Ersatzkanäle Mitteln zur additiven Überlagerung zugeführt sind, wobei Gewichtungsmittel zur Gewichtung der Signale der Ersatzkanäle in Abhängigkeit von durch die realen Exemplarstreuungen resultierenden Abweichungen ±a, ±b der Ersatzfunktionen von der definierten Zielfunktion vorhanden sind, um eine spektrale Überlagerungsfunktion an die spektrale Zielfunktion des Sensorkanals anzugleichen.
Vorteilhaft weist jeder Ersatzkanal nach dem eine der Ersatzfunktionen realisierenden Spektralfilter einen Sensor, einen Signalverstärker und einen Analog-Digital-Wandler auf, wobei Mittel zur additiven Überlagerung in Form einer Logikeinheit mit nachgeschalteter Rechnereinheit vorhanden sind und die Rechnereinheit Gewichtungsmittel zur Bestimmung von Koeffizienten K für die Gewichtung der Signale der Ersatzkanäle und Verbindungen mit den Signalverstärkern aufweist, um durch Gewichtung der Signalverstärkung in den Ersatzkanälen die Überlagerungsfunktion an die spektrale Zielfunktion des Sensorkanals anzugleichen.
Es erweist sich als zweckmäßig, dass die Nachbildung der Zielfunktion und die Berechnung der mit den Koeffizienten K korrigierten Sensorkanäle im Zusammenwirken mit einer Interferenzrippelunterdrückung mit einem über dem Sensor geneigt angeordneten Substrat für die Spektralfilter angewendet wird.
In einer bevorzugten Variante weist jeder Ersatzkanal nach dem eine der Ersatzfunktionen realisierenden Spektralfilter einen Sensor und einen Signalverstärker auf, wobei die Mittel zur additiven Überlagerung in Form eines Summiergliedes mit einem nachgeschalteten Analog-Digital-Wandler vorhanden sind und eine Rechnereinheit Gewichtungsmittel zur Bestimmung von Koeffizienten K für die Gewichtung der Signale der Ersatzkanäle und Verbindungen mit den Signalverstärkern aufweist, um durch Gewichtung der Signalverstärkung in den Ersatzkanälen die Überlagerungsfunktion an die Zielfunktion anzugleichen.
In einer anderen vorteilhaften Variante weist jeder Ersatzkanal nach dem eine der Ersatzfunktionen realisierenden Spektralfilter einen Sensor auf, wobei die Mittel zur additiven Überlagerung in Form eines Summiergliedes mit einem nachgeschalteten Signalverstärker vorhanden sind und eine Rechnereinheit Gewichtungsmittel zur Bestimmung von Koeffizienten K für die Gewichtung der Signale der Ersatzkanäle und Verbindungen mit dem Summierglied aufweist, um durch gewichtete additive Überlagerung der Sensorsignale der Ersatzkanäle die Überlagerungsfunktion an die spektrale Zielfunktion anzugleichen.
In einer weiteren zweckmäßigen Variante sind die Ersatzkanäle nach den jeweils eine der Ersatzfunktionen realisierenden Spektralfiltern auf einen gemeinsamen Sensor zur additiven optischen Überlagerung der mit den Ersatzfunktionen gefilterten Signale zusammengeführt, wobei die Gewichtungsmittel als variierbare Abschattblendenmittel zur gewichteten Dimmung von durch die Spektralfilter transmittierten Lichtanteilen vorhanden und in Form einer Rechnereinheit zur Bestimmung von Koeffizienten K für die gewichtete Dimmung der auf den gemeinsamen Sensor transmittierten Lichtanteile der Ersatzkanäle vorgesehen sind, um durch optische additive Überlagerung der infolge der Dimmung gewichtet transmittierten Lichtanteile die aus Sensorsignalen gebildete Überlagerungsfunktion an die spektrale Zielfunktion anzugleichen. Dabei kann es von Vorteil sein, wenn die Gewichtungsmittel der Rechnereinheit zur Bestimmung der Koeffizienten K für die gewichtete Dimmung als eine beweglich angebrachte Abschattblende vorhanden sind und mit der zu einer Grenze zwischen zwei Spektralfiltern die Abschattblende beweglich ist, um durch mittels Blendenverschiebung gewichtet transmittierte Lichtanteile die aus Sensorsignalen gebildete Überlagerungsfunktion an die spektrale Zielfunktion anzupassen. In einer alternativen Variante können die Gewichtungsmittel der Rechnereinheit zur Bestimmung der Koeffizienten K für die gewichtete Dimmung ausschließlich im Fertigungsprozess nach der Herstellung der Spektralfilter der Ersatzkanäle für eine fest aufgebrachte angepasste Abschattbeschichtung vorhanden sein und mit einer fest aufgebrachten Abschattbeschichtung die Anpassung der Überlagerungsfunktion an die spektrale Zielfunktion endgültig fixiert sein.
Eine zusätzliche vorteilhafte Ausführung der Erfindung besteht darin, dass die Gewichtungsmittel zur Nachkalibrierung der Gewichtung der Ersatzfunktionen für die Anpassung der Überlagerungsfunktion an die Zielfunktion vorgesehen sind.
Die Erfindung geht von der Grundüberlegung aus, dass die Wirkung der fertigungsprozessbedingten Exemplarstreuungen in der Lage der spektralen Transparenzfunktionen von Spektralfiltern minimiert werden muss, damit reproduzierbare spektrale Sensorfunktionen für kolorimetrische Messungen realisiert werden können. Um eine Erhöhung der Ausschussquote durch Verringerung der Fertigungstoleranzen bei der Filterherstellung allein aus Kostengründen zu vermeiden, kann die Lösung nur in der Entwicklung von Korrekturmaßnahmen gesucht werden. Die Erfindung löst das Problem der unvermeidbaren Exemplarstreuung der Lage der spektralen Empfindlichkeit bei Sensoren mit gauß-ähnlichen spektralen Filterfunktionen, indem die gewünschten Zielfunktionen durch additive Überlagerung von mindestens zwei Ersatzfunktionen angenähert wird, wobei die mindestens zwei Ersatzfunktionen mit Peakwellenlängen im gleichen spektralen Abstand zur Zentralwellenlänge der Zielfunktion nach oben und nach unten auf der Wellenlängenskala abweichend gefertigt sind und zusätzlich unbekannte, aber maximal tolerierte Exemplarstreuungen, die kleiner als die Abstände der Peakwellenlängen der Ersatzfunktionen von der Zentralwellenlänge der Zielfunktion sind, aufweisen. Mit der additiven Überlagerungsfunktion aus den zueinander gewichteten Ersatzfunktionen ist dann eine sehr gute Annäherung an die Zielfunktion möglich, wobei die Gewichtung der Ersatzfunktionen des Weiteren Normierungen und Abgleiche von verschiedenen Zielfunktionen gestattet.
Mit der erfindungsgemäßen Lösung ist es möglich, eine neuartige Korrektur fertigungsprozessbedingter Exemplarstreuungen von mit Spektralfiltern versehenen optischen Sensoren zu realisieren, mit der die Auswirkungen von herstellungsprozessbedingten Exemplarstreuungen der spektralen Eigenschaften von Spektralfiltern minimiert und reproduzierbare Sensorfunktionen erreicht werden, ohne dass sich infolge von Toleranzbeschränkungen bei der Filterherstellung die Ausschussquote an Sensoren erhöht.
Ferner gelingt es, das Verhalten von Sensoren mit Filtern verschiedener Herstellungslose auf vergleichbares Empfindlichkeitsverhalten abzugleichen, womit sich der sonst übliche applikationsspezifische Aufwand zur Kalibrierung erheblich reduziert und dieser die Anwendung der Sensoren allgemeingültig und applikationsübergreifend gestattet.
Durch Anwendung der Erfindung werden sogar höhere Toleranzklassen im Herstellungsprozess der Spektralfilter zulässig, wodurch eine Kostensenkung erreicht werden kann. Ferner können größere Substrate beschichtet und möglicherweise Prozesse, die bisher als ungeeignet eingestuft wurden, verwendet werden.
Die Erfindung soll nachstehend anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert werden. Die Zeichnungen zeigen:
1a: eine prinzipielle Darstellung der Erfindung mit einer an eine Zielfunktion angepassten Überlagerungsfunktion, die durch additive Überlagerung von zwei um +x% und –x% versetzten Ersatzfunktionen erzeugt ist,
1b: eine Darstellung der Umsetzung des Erfindungsprinzips von 1a mit einer an eine Zielfunktion angepassten Überlagerungsfunktion, die durch additive Überlagerung von zwei gemäß 1a gebildeten Ersatzfunktionen, die jedoch durch Fertigungstoleranzen ±a% und ±b% von der geplanten Peakwellenlänge abweichen, erzeugt ist, wobei die Überlagerungsfunktion durch eine Gewichtung der realen Ersatzfunktionen angepasst wird,
2: eine für Farbsensoren typische spektrale Streuung der spektralen Empfindlichkeit,
3: eine Darstellung beispielhafter Messdiagramme für die Farbkoordinaten von LED-ähnlichen Spektren mit Peakwellenlängen von 400 nm bis 650 nm als Darstellungen der RGB-Empfindlichkeitsfunktionen, wobei die Farborte im xy-Farbraum einen zum spektralen Kurvenzug versetzten Verlauf aufweisen,
4: eine Darstellung beispielhafter Messdiagramme für die Farbkoordinaten von LED-ähnlichen Spektren, gemessen mit einem RGB-Sensor mit zusätzlicher Matrizierung auf drei Stützstellen (LED rot 625 nm, LED grün 539 nm, LED blau 450 nm) als Darstellungen der unterschiedlich versetzten und unterschiedlich geformten RGB-Empfindlichkeitsfunktionen und der Normalbeobachterfunktion (NBF, auch Tristimulusfunktion genannt) mit Toleranz im xy-Farbraum,
5: eine Darstellung beispielhafter Messdiagramme für die Farbkoordinaten von LED-ähnlichen Spektren, gemessen mit MTCS (True-Color-Sensor der Fa. MAZeT) mit Fertigungstoleranzen und zusätzliche Matrizierung auf drei Stützstellen (LED rot 625 nm, LED grün 539 nm, LED blau 450 nm) als Darstellungen der versetzten RGB-Empfindlichkeitsfunktionen und der NBF mit Toleranz im xy-Farbraum,
6: eine Darstellung der Ersatzfunktionen für einen True-Color-Sensor der Fa. MAZeT zum Abgleich durch gewichtete Überlagerung zur Erzeugung einer finalen Sensorzielfunktion als optimierte Annäherung an die NBF,
7: eine Darstellung beispielhafter Messdiagramme für die Farbkoordinaten von LED-ähnlichen Spektren, gemessen mit Ultra-MTCS-Sensor der Fa. MAZeT ohne zusätzliche Matrizierung mit Darstellung der RGB-Empfindlichkeitsfunktionen und der NBF mit Toleranz im xy-Farbraum,
8: eine Darstellung der erfindungsgemäß erzeugten Überlagerungsfunktionen bei einem mehrkanaligen Sensorsystem mit sechs Kanälen zu je zwei Sensoren mit fertigungsbedingten Abweichungen als Ersatzkanäle, wobei die unterschiedlich gewichteten Signalanteile je Ersatzkanal (feine und grobe Strich-Punkt-Muster) jeweils die gewünschte Lage und Form der Überlagerungsfunktion (feine durchgezogene Linie) in hoher Übereinstimmung mit der Zielfunktion (fette durchgezogene Linie) ergeben,
9: einen Prinzipaufbau der erfindungsgemäßen Anordnung mit zwei Ersatzkanälen, die einer Sensoreinheit zugeordnet sind, einer Signalaufbereitungs- und Signalüberlagerungseinheit, in der die Signale aufbereitet und additiv verknüpft werden, und einer Rechnereinheit zum Vergleichen mit einer gewünschten Zielfunktion und zum Gewichten der Ersatzfunktionen, sodass die Zielfunktion bestmöglich nachgebildet ist,
10: eine erste Ausführung der erfindungsgemäßen Anordnung mit einer Schaltung zur Überlagerung digitaler Signale der Ersatzkanäle, bei der die Signale erst nach Signalaufbereitung und Signaldigitalisierung überlagert und gewichtet werden,
11a: eine zweite Ausführung der erfindungsgemäßen Anordnung als Schaltung zur Überlagerung analoger Signale der aufbereiteten Sensorsignale vor einer Digitalisierung,
11b: eine dritte Ausführung der erfindungsgemäßen Anordnung als Schaltung zur Überlagerung analoger Signale der ausgelesenen Sensorsignale vor einer Aufbereitung,
12a: eine vierte Ausführung der erfindungsgemäßen Anordnung mit einer Überlagerung von zwei Ersatzkanälen auf einem gemeinsamen Sensor, wobei für die Gewichtung der Signalanteile Abschattblendenmittel zur Dimmung des einfallenden Lichts gleichverteilt auf beiden Filtern angeordnet sind,
12b: eine modifizierte Ausführung von 12a mit optischer Überlagerung und Gewichtung der Ersatzkanäle auf einem gemeinsamen Sensor, wobei die Abschattblendenmittel in diesem Fall auf den Filtern ungleich verteilt sind, um eine unterschiedliche Gewichtung der Ersatzkanäle zur Anpassung an die spektrale Zielfunktion zu erreichen,
13a: eine Gestaltung der erfindungsgemäßen Anordnung als Schaltung zur Überlagerung analoger Signale durch mechanisch bewegliche Abschattblenden,
13b: eine Gestaltung der erfindungsgemäßen Schaltung zur angepassten Dimmung der Ersatzkanäle durch Beschichtung fester Abschattstrukturen auf den Filteroberflächen der Ersatzkanäle, wobei an dem Sensor durch einmalige fixierte Abschattung eine Gewichtung der von der Zielfunktion abweichenden Ersatzfunktionen eingestellt ist, die zur endgültigen Anpassung der Überlagerungsfunktion an die Zielfunktion führt.
14a: eine Prinzipdarstellung einer erfindungsgemäßen Sensoreinheit mit drei Farbkanälen (RGB), wobei die Gewichtung der Ersatzfunktionen mittels auf einer großflächigen Abschattblende, auf der jeweils über den Sensoren der drei Farbkanäle Spektralfilterpaare aufgebracht sind, die über die Abschattblendenplatte innerhalb einer Ebene verschiebbar sind,
14b: eine Darstellung gemäß der Ausführung der Sensoreinheit nach 14a, wobei die Einjustierung der Gewichtung der Ersatzfunktionen durch Verschiebung der Abschattblende erfolgt ist,
14c: eine Darstellung gemäß der Ausführung der Sensoreinheit nach 14a, wobei die Einjustierung der Gewichtung der Ersatzfunktionen durch Rotationsbewegung der Abschattblende erfolgt ist,
15: eine erfindungsgemäße Sensoreinheit mit drei Farbkanälen wie in 14a in einer Schnittdarstellung mit einer Interferenzrippelunterdrückung durch Schrägstellung der Abschattblende mit den Spektralfiltern.
Die Umsetzung applikationsspezifischer spektraler Empfindlichkeitsfunktionen von optischen Sensoren mittels Spektralfiltern (die entweder direkt auf den Sensor oder auf ein zusätzliches Substrat abgeschieden werden können) unterliegt fertigungsprozessbedingten Exemplarstreuungen bezüglich der spektralen Lage der Filterfunktion. Diese ist in den Schichtdickenunterschieden der einzelnen Filterschichten begründet. Die Abweichungen von einer gewünschten Zielfunktion entstehen dabei sowohl durch geometrische Abhängigkeiten im Fertigungsprozess innerhalb eines Fertigungsloses als auch durch Fertigungsstreuungen zwischen einzelnen Fertigungslosen. Die Exemplarstreuungen äußern sich maßgeblich in einer spektralen Verschiebung der Gesamttransmissionsfunktion. Je nach Schichtdickenvariation der Interferenzschichten bzw. der Summe der Interferenzschichten ergeben sich typische spektrale Verschiebungen, die mehr als 1% bezogen auf die Wellenlänge betragen können. Insbesondere Farbsensoren mit der Umsetzung der Normspektralwertfunktion nach CIE, als Ergebnis der spektralen Empfindlichkeit des Sensormaterials und entsprechender Filter, sind an eine hochgenaue Nachbildung der spektralen Zielfunktion angewiesen. Für derartige Farbsensoren zeigt 2 beispielhaft die gewünschte Transmissionscharakteristik (fette durchgezogene Linie) und die durch Fertigungstoleranzen bedingten von der Normalspektralfunktion abweichenden spektralen Empfindlichkeiten eines Sensors, die durch Exemplarstreuungen der Spektralfilter bei einem Dreibereichsfiltersystem hervorgerufen werden.
Das erfindungsgemäße Verfahren zur Korrektur der störenden Abweichungen von der jeweiligen spektralen Zielfunktion 1 soll anhand der 1a und 1b erläutert werden.
Das Verfahren zur Korrektur fertigungsprozessbedingter Exemplarstreuungen von mit Spektralfiltern 61, 71 versehenen optischen Sensoren 64, 74, bei dem Exemplarstreuungen der Spektralfilter 61, 71 mit einer gauß-ähnlichen Filterfunktion zu Signalabweichungen in einem gefilterten Sensorkanal 5 führen, enthält folgende Schritte:

– Modellieren einer gewünschten spektralen Zielfunktion 1 des Sensorkanals 5 als gauß-verteilte Filterfunktion um eine definierte Zentralwellenlänge 11 des Sensorkanals 5,
– Nachbilden der spektralen Zielfunktion 1 als additive Überlagerung von mindestens zwei Ersatzfunktionen 2, 3, die jeweils eine Peakwellenlänge 22, 32 aufweisen, die um einen gleichen definierten Betrag (Versatz ±x) alternativ nach oben oder nach unten von der Zentralwellenlänge 11 der spektralen Zielfunktion 1 abweichen,
– Herstellen eines Sensorkanals 5 aus mindestens zwei Ersatzkanälen 6, 7, ... mit Spektralfiltern 61, 71, ..., die die modellierten Ersatzfunktionen 2, 3 mit zulässigen tolerierten Abweichungen ±a und ±b von den gewünschten Peakwellenlängen 22 und 32 aufweisen,
– Bilden einer Koeffizientenmatrix, die für jeden Sensorkanal 5 jeweils eine Summe aus den mindestens zwei gebildeten Ersatzfunktionen 2, 3 enthält,
– Bestimmen der Koeffizienten K der Koeffizientenmatrix auf Basis realer Messsignale des Sensorkanals 5 mit Spektralfiltern 61 und 71, die gemäß den mindestens zwei modellierten Ersatzfunktionen 2 und 3 gefertigt wurden und zusätzliche Abweichungen ±a und ±b der Peakwellenlängen 22, 32 infolge von Exemplarstreuungen aufweisen, wobei ein
– Angleichen einer Überlagerungsfunktion 4 an die spektrale Zielfunktion 1 durch Wichtung der Ersatzfunktionen 2 und 3 in Abhängigkeit von deren Abweichungen ±a und ±b von den gewünschten Peakwellenlängen 22, 32 erfolgt.

Die spektrale Zielfunktion 1 wird dabei durch eine additive Überlagerung von Ersatzfunktionen 2 und 3 erzielt, die den fertigungsbedingten Toleranzbereich (Abweichungen ±a und ±b) überdecken. Beispielhaft wird das hier – ohne Beschränkung der Allgemeinheit – im Folgenden anhand von Gaußfunktionen beschrieben.
Für die Überlagerung wird – gemäß 1a – davon ausgegangen, dass zwei Ersatzfunktionen 2 und 3 generiert werden, die von der Zielfunktion 1 alternativ um jeweils +x oder –x spektral verschoben sind. Die Addition der Ersatzfunktionen 2, 3 führt zur Herausbildung der Überlagerungsfunktion 4, die je nach Größe des Versatzes ±x und der Halbwertsbreite (FWHM) einer Näherung der Zielfunktion 1 entspricht. Die Zielfunktion 1 wird – mathematisch nachvollziehbar – umso genauer erreicht, je kleiner x und je größer FWHM ist. Die durch die Fertigung hinzukommenden Exemplarstreuungen bewirken zusätzliche unsymmetrische Verschiebungen (Abweichungen ±a für Ersatzfunktion 2 und Abweichungen ±b für Ersatzfunktion 3) zu den um x versetzt gefertigten Filterdesigns der Ersatzkanäle 6 und 7. Damit liegt das Spektralfilter 61 (F – 1 in den Zeichnungen ab 9) um –x + a und das Spektralfilter 7 (als F + 1 in 9 ff.) um x – b zur Zentralwellenlänge 11 der Zielfunktion 1 versetzt. Dabei muss der Betrag |x| der Versätze +x und –x der Ersatzfunktionen 2 und 3 so groß wie die maximalen Fertigungstoleranzen |±a| und |±b| oder größer gewählt werden. Die anschließende Funktionsüberlagerung richtet sich nach der Lage der resultierenden Funktionen und kann mit zwei Koeffizienten K je Zielfunktion 1 beschrieben werden. Bei symmetrischem Versatz der Ersatzfunktionen 2 und 3 (s. 1a) ergeben sich gleiche Koeffizienten K, bei unsymmetrischer Verschiebung (s. 1b) sind entsprechende Gewichtungen erforderlich, wobei die der Zielfunktion 1 nächstliegende abweichende Ersatzfunktion 21 mit größerem Gewicht in die Überlagerungsfunktion 4 einfließt. Ergibt sich im Grenzbereich beispielsweise eine fertigungsprozessbedingte Abweichung ±a oder ±b in gleicher Größe, aber entgegen ±x, so entspricht diese Funktion resultierend der Zielfunktion 1 und geht gegenüber der zweiten Funktion zu 100% in die Überlagerungsfunktion 4 ein.
An den nachfolgend beschriebenen Diagrammen soll gezeigt werden, dass selbst bei sehr guter näherungsweiser Umsetzung der Normspektralwertfunktion des menschlichen Auges im bekannten Stand der Technik die Abweichungen bis zu 1% der Wellenlänge betragen, woraus sich die notwendige Größenordnung für die Wahl des Versatzes ±x bestimmt.
3 zeigt im xy-Farbraum die Abbildung der Farbkoordinaten für LED-ähnliche Spektren mit Peakwellenlängen 22, 32 von 400 nm bis 650 nm mit einer FWHM von ca. 40 nm. Die Farborte, gemessen mit Normspektralwertfunktion, ergeben im xy-Farbraum einen zum spektralen Kurvenzug versetzten Verlauf.
Als Vergleich dazu ergeben sich erhebliche Farbortabweichungen durch den Einsatz von RGB-Sensoren, die grundlegend nicht mit Normspektralwertfunktionen verglichen werden können. Selbst übliche Matrizierungen zur Datenkorrektur führen außerhalb der kalibrierten Stützstellen (Beispiel LED rot 625 nm, LED grün 530 nm und LED blau 450 nm) zu unzureichenden Genauigkeiten in der Farbmessung, wie 4 zeigt.
Die MAZeT-True-Color-Sensoren (MTCS) mit näherungsweiser Umsetzung der Normspektralwertfunktion erzielen deutlich genauere Abbildungen in den Farbraum. Die verbleibenden Toleranzen, die sich in der spektralen Verschiebung der Sensorfunktion auswirken, führen zu deutlich geringeren Abweichungen. Die verbleibenden Abweichungen führen aber trotzdem zu Messfehlern, vor allem wenn Sensoren 64, 74 aus verschiedenen Fertigungslosen stammen. Dazu zeigt 5 die von einem MTCS-Sensor aufgenommenen Farbkoordinaten für LED-ähnliche Spektren bei einer Matrizierung auf drei Stützstellen (LED rot: 625 nm, LED grün: 530 nm und LED blau: 450 nm).
Neben der gewichteten Überlagerung werden mit den Koeffizienten K gleichzeitig die Peakwellenlängen 22 und 32 an die Zentralwellenlänge 11 der Zielfunktion 1 angeglichen, d. h. eine Normierung mehrerer Zielfunktionen 1 eines Sensors 64, 74 untereinander wird ermöglicht.
Für einen XYZ-Sensor mit Umsetzung der Normspektralwertfunktion, wie sie in 6 gezeigt ist, empfiehlt es sich, die Farbbereiche X(kurz) und X(lang) in getrennten Zielfunktionen 1 umzusetzen, um auch die Peakwellenlängen 221 und 321 im kurzwelligen X-Bereich in der Höhe zu den Peakwellenlängen 22 und 32 im langwelligen X-Bereich in geeigneter Relation abzustimmen, wie in 5 dargestellt. Dafür ergibt sich die Koeffizientenmatrix wie folgt:
Neben der Anwendung auf XYZ-Sensoren eignet sich das Verfahren auch für Mehrbereichssensoren ähnlich dem MMCS6 der Fa. MAZeT, wie das aus 6 zu entnehmen ist. 6 zeigt dazu die Farbkoordinaten für LED-ähnliche Spektren nach dem erfindungsgemäßen Verfahren gemessen mit dem MMCS6. Ein Sensorsystem mit n Sensorkanälen 5 wird in 2n Ersatzkanäle 6 und 7 zerlegt, wobei eine Korrektur der spektralen Lage sowie die Normierung der Sensorkanäle 5 untereinander mit 2n Koeffizienten K ausreichend beschrieben ist.
Das Ergebnis für ein erfindungsgemäßes 6-kanaliges Sensorsystem ist in 7 zu sehen. Es liefert beste Ergebnisse trotz beispielhaft unterschiedlichster fertigungsprozessbedingter Exemplarstreuungen der Spektralfilter 61, 71 der jeweiligen Ersatzkanäle 6 und 7.
Die resultierenden Koeffizienten K zum Abgleich eines Sensors MMCSn ergibt sich dabei wie folgt:
In der Anwendung ergeben sich drei prinzipielle Möglichkeiten der Koeffizienteneinbindung, die als entsprechende Anordnungen in den 10–13 gezeigt sind.
Bei der Annahme, dass jeder Ersatzkanal 6, 7 einen eigenen Signalpfad aufweist, wie in 10 schematisch dargestellt, ist eine Korrektur auf digitaler Ebene möglich. Diese kann in einem übergeordneten PC 82 oder einem im System integrierten Mikrocontroller (μC) 81 erfolgen. Dafür kann die Kalibrierung an der finalen Sensorbaustein vorgenommen werden und berücksichtigt neben der Sensorkorrektur auch eventuelle optische Effekte im System, die durch zusätzliche optische Komponenten hervorgerufen werden können.
Bei integrierten optischen Sensoren 64, 74, die Filter, Sensor, Signalaufbereitung und Digitalisierung in einem Chip vereinen, kann über einen Digitalteil eine Verrechnung so umgesetzt werden, dass z. B. über einen geeigneten Bauelementetest ein Sensor als kalibriertes Bauelement erzeugt werden kann.
In weiteren Varianten kann die Kalibrierung bzw. Korrektur der Abweichungen der Spektralfilter 64, 74 aber auch schon vor der Signaldigitalisierung erfolgen, entweder direkt durch additive Signalüberlagerung vor dem ADC 662 (wie in 11a gezeigt) oder direkt durch additive Überlagerung der Ausgangssignale der Sensoren 64, 74 noch vor der Signalaufbereitung, vor dem CDC 661 (wie in 11b zu sehen). Außerdem ist eine Überlagerung von gewichteten Signalanteilen durch Anpassung der auf einen gemeinsamen Sensor 65 durch unterschiedliche Flächenanteile der Spektralfilter 61, 71 einfallende Strahlung möglich, wie nachfolgend noch anhand der 12–14 erläutert wird.
Die erfindungsgemäße Anordnung besteht in ihrem Grundaufbau – wie in 9 für einen Sensorkanal 5 schematisch dargestellt – aus zwei Ersatzkanälen 6 und 7, die jeweils ein Spektralfilter 61 bzw. 71 aufweisen, mit dem je eine der oben beschriebenen Ersatzfunktionen 2 und 3 zur Nachbildung einer gewünschten spektralen Zielfunktion 1 erzeugt wird. Die Spektralfilter 61 und 71 werden nachfolgend als Interferenzfilter angenommen, weil deren fertigungsbedingte Exemplarschwankungen ohne erhöhte Kosten nicht weiter reduzierbar sind und somit die Anwendung der Erfindung besonders geeignet ist. Als Spektralfilter 61 und 71 können aber auch jegliche Art von Reflexions- oder Absorptionsfiltern eingesetzt sein, die ähnlichen herstellungsbedingten Schwankungen ihrer Transmissionscharakteristik unterliegen, wie beispielsweise rezeptierte Absorptionsfilter (als Gemische von Stoffen).
Die beiden Spektralfilter 61 und 71 stellen in ihrer speziellen Ausführung als Eingangskomponenten der Ersatzkanäle 6 und 7 mit ihren versetzten Ersatzfunktionen 2 und 3 von einem nach oben und einem nach unten gleich großen Versatz –x und +x zu einer Zentralwellenlänge 11 der gewünschten Zielfunktion 1 das Kernstück eines erfindungsgemäßen Sensorkanals 5 dar. Die Spektralfilter 61 und 71 sorgen für eine Beaufschlagung der Sensoreinheit 63 mit zwei einander überlappenden Filterfunktionen für Sensorausgangssignale, die bei additiver Überlagerung eine Überlagerungsfunktion 4 bilden, die der gewünschten Zielfunktion 1 sehr nahe kommt, wenn die zufälligen Exemplarstreuungen (Toleranzabweichungen von einer Sollwellenlänge der durch den Versatz ±x von der Zielfunktion 1 gebildeten Ersatzfunktionen 2 und 3) klein oder – wie in 1a – nicht vorhanden sind. Sind die Abweichungen, deren maximale Größe durch vorgegebene Toleranzen limitiert ist, jedoch in unterschiedlicher Größe von ±a und ±b vorhanden und – wie in 1b dargestellt – in gegensätzlicher Richtung vom Sollwert ihrer Peakwellenlängen 22 und 32 ausgebildet, ist eine Verarbeitung der Signale der Sensoreinheit 63 in einer Signalaufbereitungs- und Signalüberlagerungseinheit 66 dafür ausgebildet, dass die Überlagerungsfunktion 4 auf deren Übereinstimmung mit der Zielfunktion 1 untersucht und Korrekturschritte eingeleitet werden, die zu einer Gewichtung der real abweichenden Ersatzfunktionen 21 und 31 führen, um die Überlagerungsfunktion 4 der Zielfunktion 1 besser anzunähern. Für die Analyse der Überlagerungsfunktion 4 und die dafür verantwortlichen abweichenden Ersatzfunktionen 21 und 31 ist eine Rechnereinheit 8 vorgesehen, die mittels einer Koeffizientenmatrix mit geeignet angepassten Koeffizienten K die Gewichtung der abweichenden Ersatzfunktionen 21 und 31 in der Signalaufbereitungsund Signalüberlagerungseinheit 66 vornimmt. Für den Ort der Koeffizienteneinbindung gibt es mehrere Möglichkeiten.
Für den Fall, dass jeder der Ersatzkanäle 6 und 7 einen separaten Signalpfad bis hin zur Digitalisierung aufweist, so wie es in 10 dargestellt ist, kann eine Korrektur auf digitaler Ebene in einem im System integrierten Mikrocontroller 81 oder in einem übergeordneten PC 82 erfolgen. Dafür kann die Korrektur als Kalibrierung am fertigen Sensor 64, 74 (d. h. Messkopf oder Messgerät) vorgenommen werden und berücksichtigt neben der Sensorkorrektur auch eventuelle optische Effekte im System, die durch zusätzliche optische Komponenten hervorgerufen werden können. Für diese digitale Verarbeitung und Korrektur weist die Sensoreinheit 63 von 9 in der Ausführung von 10 für jedes Spektralfilter 61, 71 separate Sensoren 64, 74 auf, die in der nachgeschalteten Signalaufbereitungs- und Signalüberlagerungseinheit 66 auch noch getrennt weiterverarbeitet werden. Dazu sind dort separate Signalverstärker 661 (Strom-Ladungs-Wandler, engl. Current Digital Converter – CDC 661) und Analog-Digital-Wandler 662 (ADC 662) vorhanden, bevor die digitalisieren Signale von einer Logikeinheit 663 systematisch miteinander verknüpft zu der Überlagerungsfunktion 4 führen, die anschließend vom Mikrocontroller 81 (als bevorzugte Ausführung einer Rechnereinheit 8) mit der gewünschten spektralen Zielfunktion 1 verglichen wird. Der Mikrokontroller 81 gibt dann entsprechende Korrektursignale zur Gewichtung der digitalen Signale der abweichenden Ersatzfunktionen 21 und 31 an die Logikeinheit 663 weiter, die damit unter Verwendung der errechneten Korrekturkoeffizienten eine modifizierte Überlagerungsfunktion 4 zur Angleichung an die Zielfunktion 1 (NBF) erstellt.
Bei integrierten optischen Sensoren 64, 74, die Spektralfilter 61, 71, Sensor 64, 74, Signalaufbereitung (Signalverstärung mit Transimpedanzverstärker CDC 661 (Current Digital Converter) und Digitalisierung mit Analog-Digital-Wandler ADC 662 auf einem Chip vereinen, kann über einen Digitalteil mit Logikeinheit 663, Mikrocontroller 81 oder einen PC 82 eine Verrechnung umgesetzt werden, sodass z. B. über einen geeigneten Bauelementetest eine Sensoreinheit 63 mit Signalaufbereitungs- und Signalüberlagerungseinheit 66 als kalibrierter Baustein erzeugt werden kann.
Eine zweite Möglichkeit der Signalverarbeitung in den Ersatzkanälen 6 und 7 ergibt sich bei einer Verknüpfung von analogen Sensorsignalen vor einer Digitalisierung im ADC 662. Dazu zeigt 11a eine Variante, bei der aus den separaten Sensoren 64 und 74 kommende Signale zunächst in der Signalaufbereitungs- und Signalüberlagerungseinheit 66 separiert über die Signalverstärker CDC 661 geführt werden und danach die Überlagerung mittels eines Summiergliedes 664 erfolgt, bevor die Überlagerungsfunktion 4 anschließend im ADC 662 digitalisiert wird. Nach der Digitalisierung wird die Überlagerungsfunktion 4, die in einem alternativ zu einem Mikrocontroller 81 als Rechnereinheit 8 wählbaren PC 82 ausgewertet werden kann, bewertet und eine Gewichtung der abweichenden Ersatzfunktionen 21 und 31 zur Beeinflussung der analogen Überlagerung im Summierglied 664 vorgenommen. Eine dazu leicht modifizierte Variante ist in 11 b dargestellt. Bei dieser Form der Überlagerung von analogen Sensorsignalen wird nach der optoelektronischen Signalaufnahme durch die separaten Sensoren 64 und 74 bereits vor dem Signalverstärker 661 ein Summierglied 664 eingesetzt, wodurch in der Signalaufbereitungs- und Signalüberlagerungseinheit 66 die Signalverstärkung im Signalverstärker 661 und die Digitalisierung im ADC 662 bereits einheitlich für die vorliegende Überlagerungsfunktion 4 erfolgt und die Gewichtung danach im PC 82 oder alternativ wie in 10 angegeben in einem Mikrocontroller 81 vorgenommen wird.
Eine dritte Variante der Signalüberlagerung der beiden Ersatzkanäle 6 und 7 ist in 12a dargestellt, bei der eine optische Überlagerung der durch die Spektralfilter 61 und 71 gefilterten Lichtanteile in einem gemeinsamen Sensor 65 erfolgt. Die danach als analoges Sensorsignal vorliegende Überlagerungsfunktion 4 wird anschließend im Signalverstärker 661 aufbereitet und nachfolgend wie in 11a oder 11b weiter verarbeitet, um die Koeffizienten K zur Gewichtung der unterschiedlichen abweichenden Ersatzfunktionen 21 und 31 der Spektralfilter 61 und 71 einzuleiten. Die Gewichtung wird in diesem Fall, wie in der schematischen Darstellung von 12b angedeutet, vorgenommen, indem eine Abschattblende 67 orthogonal zur Grenzlinie der beiden Spektralfilter 61 und 71 verschoben und in ihrer Breite angepasst wird, wodurch sich die wirksamen Flächenbereiche der Spektralfilter 61 und 71 gegensätzlich zueinander verringern und vergrößern. Dadurch ändert sich der wirksame Signalanteil der abweichenden Ersatzfunktionen 21 und 31, sodass die Überlagerungsfunktion 4 an die gewünschte spektrale Zielfunktion 1 (NBF) angepasst werden kann. Obwohl die Sensoren 64 und 74 mit Spektralfiltern 61 und 71 relativ stabil sein sollten, sind die Wichtungsmaßnahmen gemäß den 12a und 12b besonders interessant bei Veränderungen durch Verschmutzung einzelner Filter, Änderungen im optischen Pfad, bei Temperaturänderungen oder Änderung der Sensorempfindlichkeit durch Alterung oder von gegebenenfalls verwendeten alternativen Filtern (z. B. rezeptierten Colorfiltern).
Im Folgenden sind noch zwei unterschiedliche Varianten der Gestaltung des Abschattblendenmittels in Form einer mechanisch verschiebbaren Abschattblende 67 (gemäß 13a) sowie eine fest eingestellte Abschattbeschichtung 68 (gemäß 13b) für die zuletzt beschriebene optische Überlagerung der Filterfunktionen zu erwähnen.
In der Ausführung von 13a werden die in der Rechnereinheit 8 ermittelten Koeffizienten K zur Gewichtung der Ersatzfunktionen 2 und 3 für die optische Überlagerung an eine (nicht dargestellte) Antriebseinheit, bspw. einen Schrittmotor, für die Linearführung der Abschattblende 67 in Richtung des stilisierten Doppelpfeils, übermittelt, wodurch sich die Abschattblende 67 entweder als anfänglich mittig liegende Rechteckblende mehrheitlich auf die Fläche von Spektralfilter 61, wie in 12b gezeichnet, verschiebt und diese deutlich verkleinert, oder umgekehrt auf Spektralfilter 71.
13a zeigt dazu noch eine alternative Gestaltung der Abschattblende 67 als Blendenrahmen, der jeweils einen kleineren oder größeren Randbereich der Spektralfilter 61 und 71 abdeckt, um die Gewichtung der Ersatzfunktionen 2 und 3 einzustellen. Diese Ausführung gestattet, dass im „Gleichgewichtszustand” nicht bereits ein erheblicher Flächenanteil der Spektralfilter 61 und 71 abgeschattet ist. Ansonsten wird die Einstellung der Gewichtung der Ersatzfunktionen 2 und 3 in gleicher Weise wie oben beschrieben durch Dimmung des auf die Spektralfilter 61 und 71 einfallenden Lichts aufgrund der Einschränkung der für einen der Ersatzkanäle 6 oder 7 eingeschränkt wirksamen Sensorfläche des gemeinsamen Sensors 65 vorgenommen.
Ein völlig anderer Weg für die Einstellung der Dimmung zum Zwecke der Gewichtung der Ersatzfunktionen 2 und 3 ist in 13b gezeigt. Bei dieser Variante wird die Gewichtung bereits im Prozess der Herstellung des Sensorkanals 5 mit den Spektralfiltern 61 und 71 vorgenommen, indem nach der Fertigstellung der Ersatzkanäle 6 und 7 durch die Beschichtungsprozesse für die Herstellung der Interferenzfilter für die Spektralfilter 61, 71 auf den gemeinsamen Sensor 65 auch noch ein Abschattblendenmittel in Form einer Abschattbeschichtung 68 direkt auf die Filteroberflächen partiell aufgebracht wird. Für die Bestimmung der abzuschattenden Fläche der Spektralfilter 61 und 71 wird dabei dieselbe Anordnung, wie schon in 13a beschrieben, verwendet, indem die Überlagerungsfunktion 4 aus den ungewichteten Ersatzfunktionen 2 und 3 optisch additiv erzeugt und in der Rechnereinheit 8 auf Abweichung von der Zielfunktion 1 analysiert wird. Daraus lassen sich dann die Koeffizienten K der Koeffizientenmatrix berechnen und die erforderliche Gewichtung zwischen den Ersatzfunktionen 2 und 3 in Flächenanteile der Spektralfilter 61 und 71 umrechnen, die abgedeckt werden müssen. Die Abschattbeschichtung 68 wird dazu mittels einer Beschichtungseinheit 9 entsprechend begrenzt aufgetragen und fixiert und ist damit fest eingestellt. Dadurch ist der so hergestellte Sensorkanal 5, gegebenenfalls im Zusammenwirken mit weiteren Sensorkanälen 5 (wie nur in 14 und 15 beispielhaft gezeigt), als in der Hardware des gemeinsamen Sensors 65 fest kalibriertes Bauelement oder Mehrkanalsensor ohne Kalibriersoftware verfügbar.
Eine weitere vorteilhafte Variante ergibt sich durch die Variation der Position eines Spektralfilterpaares 62 zu einem gemeinsamen Sensor 65, z. B. im AVT-Prozess (z. B. Aufkleben der auf einer gemeinsamen Filterplatte befindlichen Filter auf einem Si-Detektor). Die Spektralfilter 61, 71 die in diesem Beispiel, wie in 14a–14c dargestellt, als Filterpaare 62 für einen vorgesehenen Sensorkanal 5 auf einer als Filterplatte aufgebracht, wobei die Filterplatte um die Transparenzbereiche der Spektralfilterpaare 62 herum durch eine Beschichtung (z. B. mit Chrom) zugleich die Abschattblende Voraussetzung hierfür ist eine hinreichend genau reproduzierbare Positionierung des Spektralfilterpaares 62 im Fertigungsprozess einer finalen Sensoreinheit 63 (z. B. eines Drei-Kanal-Farbsensors wie in 14a beispielhaft skizziert) sowie ein geringes Übersprechen der Si-Detektoren (d. h. keine Lichtempfindlichkeit über die Grenzen des Detektors hinaus, die durch Filterbereiche bestrahlt werden). Dabei ist der gemeinsame Sensor 65 je Sensorkanal 5 kleiner als das Spektralfilterpaar 62 und durch den Versatz des Spektralfilterpaares 62 werden die wirksamen Flächen beider Filter über dem gemeinsamen Sensor 65 jedes Sensorkanals 5 variiert.
Durch geeignete Anordnung der Sensoren 65 und der Spektralfilterpaare 62 können bis zu drei Sensoren 65 und Spektralfilterpaare 62 gemäß den ermittelten Koeffizienten K abgeglichen werden, indem die drei Freiheitsgrade der Filtersubstratpositionierung (Verschiebung in x- und y-Richtung sowie φ-Drehung) genutzt werden.
Eine weitere Optimierung der Erfindung erfolgt durch eine Unterdrückung von Interferenzrippen, wie sie insbesondere bei Interferenzfiltern als Spektralfilter 64, 74 auftreten. Die Maßnahmen dazu sind bereits aus der DE 10 2013 104 968 A1 grundsätzlich bekannt. 15 zeigt dazu für das Ausführungsbeispiel von 14 die Realisierung einer geneigten Abschattblende 67, die zugleich die Trägerplatte für die Interferenzfilterpaare 62 ist. Dabei ist die Justierung der Spektralfilter 61, 71, hier als pro Sensorkanal 5 verbundene Spektralfilterpaare 62 auch bei geneigter Abschattblende 67 möglich und kann entweder durch Verklebung an den Abstandshaltern 69 fixiert werden oder durch Klemmung befestigt werden.
Bezugszeichenliste

1: (spektrale) Zielfunktion
11: Zentralwellenlänge
2: Ersatzfunktion
21: abweichende Ersatzfunktion
22: Peakwellenlänge
221: Peakwellenlänge des kurzwelligen X-Bereiches
3: Ersatzfunktion
31: abweichende Ersatzfunktion
32: Peakwellenlänge
321: Peakwellenlänge des kurzwelligen X-Bereiches
4: Überlagerungsfunktion
5: Sensorkanal
6, 7: Ersatzkanal
61, 71: Spektralfilter
62: Spektralfilterpaar
63: Sensoreinheit
64, 74: Sensor
65: gemeinsamer Sensor
66: Signalaufbereitungs- und Signalüberlagerungseinheit
661: Signalverstärker (CDC)
662: Analog-Digital-Wandler (ADC)
663: Logikeinheit
664: Summierglied
67: Abschattblende
68: Abschattbeschichtung
69: Abstandshalter
8: Rechnereinheit
81: Mikrocontroller (μC)
82: PC
9: Beschichtungseinheit
±a, ±b: Abweichung (durch Exemplarstreuung)
–x, +x: Versatz (der Ersatzfunktionen gegenüber der Normalspektralfunktion)

Claims

Verfahren zur Korrektur fertigungsprozessbedingter Exemplarstreuungen von mit Spektralfiltern versehenen optischen Sensoren, bei dem Exemplarstreuungen der Spektralfilter mit einer gauß-ähnlichen Filterfunktion zu Signalabweichungen in einem gefilterten Sensorkanal führen, enthaltend die Schritte: – Modellieren einer gewünschten spektralen Zielfunktion (1) des Sensorkanals (5) als gauß-verteilte Filterfunktion um eine definierte Zentralwellenlänge (11) des Sensorkanals (5), – Nachbilden der spektralen Zielfunktion (1) als additive Überlagerung von mindestens zwei Ersatzfunktionen (2, 3), die jeweils eine Peakwellenlänge (22, 32) aufweisen, die um einen gleichen definierten Versatz (±x) alternativ nach oben oder nach unten von der Zentralwellenlänge (11) der spektralen Zielfunktion (1) abweichen, – Herstellen des Sensorkanals (5) aus mindestens zwei Ersatzkanälen (6, 7) mit den Spektralfiltern (61, 71), die die modellierten Ersatzfunktionen (2, 3) mit zulässigen tolerierten Abweichungen (±a, ±b) von den gewünschten Peakwellenlängen (22, 32) aufweisen, – Bilden einer Koeffizientenmatrix, die für jeden Sensorkanal (5) jeweils eine Summe aus den mindestens zwei gebildeten Ersatzfunktionen (2, 3) enthält, – Bestimmen von Koeffizienten (K) der Koeffizientenmatrix auf Basis realer Messsignale des Sensorkanals (5) mit den Spektralfiltern (61, 71), die gemäß den mindestens zwei modellierten Ersatzfunktionen (2, 3) gefertigt wurden und die zusätzlichen Abweichungen (±a, ±b) der Peakwellenlängen (22, 32) infolge von Exemplarstreuungen aufweisen, wobei ein – Angleichen einer Überlagerungsfunktion (4) an die spektrale Zielfunktion (1) durch Wichtung der Ersatzfunktionen (2, 3) in Abhängigkeit von deren Abweichungen (±a, ±b) von den gewünschten Peakwellenlängen (22, 32) erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Nachbildung der Zielfunktion (1) durch genau zwei Ersatzfunktionen (2, 3) der Ersatzkanäle (6, 7) erfolgt, wobei die Ersatzkanäle (6, 7) jeweils ein Spektralfilter (61, 71) zur Realisierung einer der gegensätzlich abweichenden Ersatzfunktionen (2, 3) mit unbekannter, aber maximal tolerierter Exemplarstreuung, die nicht größer als die Abweichungen (±a, ±b) der Ersatzfunktionen (2, 3) von der Zielfunktion (1) ist, aufweisen.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Nachbildung der Zielfunktion (1) und die Berechnung der mit den Koeffizienten (K) korrigierten Sensorkanäle (5) für die auf ein Substrat beschichteten Spektralfilter (61, 71) von entsprechenden Ersatzkanälen (6, 7) angewendet wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Nachbildung der Zielfunktion (1) und die Berechnung der mit den Koeffizienten (K) korrigierten Sensorkanäle (5) für die auf dem Sensor (63, 64, 74; 65) als Direktbeschichtung aufgebrachten Spektralfilter (61, 71; 62) angewendet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die Nachbildung der Zielfunktion (1) und die Berechnung der mit den Koeffizienten (K) korrigierten Sensorkanäle (5) im Zusammenwirken mit einer Interferenzrippelunterdrückung mit einem über dem Sensor (63, 64, 74; 65) geneigt angeordneten Substrat für die Spektralfilter (61, 71) angewendet wird.
Anordnung zur Korrektur fertigungsprozessbedingter Exemplarstreuungen von mit Spektralfiltern versehenen optischen Sensoren, enthaltend mindestens einen Sensorkanal mit mindestens einem Sensor und wenigstens einem als spektraler Bandpass ausgeführten Spektralfilter, der eine gauß-ähnliche Filterfunktion zur Bildung einer definierten spektralen Zielfunktion mit einer gewünschten Zentralwellenlänge und Halbwertsbreite aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass – der mindestens eine Sensorkanal (5) wenigstens zwei Ersatzkanäle (6, 7) mit spektral gegensätzlich von der Zentralwellenlänge (11) der spektralen Zielfunktion (1) abweichenden Ersatzfunktionen (2, 3) aufweist, wobei die Ersatzkanäle (6, 7) jeweils ein Spektralfilter (61, 71) zur Realisierung einer der gegensätzlich abweichenden Ersatzfilterfunktionen (2, 3) mit unbekannter, aber maximal tolerierter Exemplarstreuung, die nicht größer als die Abweichung (±a, ±b) der Ersatzfunktionen (2, 3) von der spektralen Zielfunktion (1) ist, aufweisen, und – die mit den gegensätzlich abweichenden Ersatzfunktionen (2, 3) gefilterten Signale der Ersatzkanäle (6, 7) Mitteln zur additiven Überlagerung zugeführt sind, wobei Gewichtungsmittel zur Gewichtung der Signale der Ersatzkanäle (6, 7) in Abhängigkeit von durch die realen Exemplarstreuungen resultierenden Abweichungen (±a, ±b) der Ersatzfunktionen (2, 3) von der definierten Zielfunktion (1) vorhanden sind, um eine spektrale Überlagerungsfunktion (4) an die spektrale Zielfunktion (1) des Sensorkanals (5) anzugleichen.
Anordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass jeder Ersatzkanal (6, 7) nach dem eine der Ersatzfunktionen (2, 3) realisierenden Spektralfilter (61, 71) einen Sensor (63; 64, 74; 65), einen Signalverstärker (661) und einen Analog-Digital-Wandler (662) aufweist, wobei Mittel zur additiven Überlagerung (66) in Form einer Logikeinheit (663) mit nachgeschalteter Rechnereinheit (8) vorhanden sind und die Rechnereinheit (8, 81, 82) Gewichtungsmittel zur Bestimmung von Koeffizienten (K) für die Gewichtung der Signale der Ersatzkanäle (6, 7) und Verbindungen mit den Signalverstärkern (661) aufweist, um durch Gewichtung der Signalverstärkung in den Ersatzkanälen (6, 7) die Überlagerungsfunktion (4) an die spektrale Zielfunktion (1) des Sensorkanals (5) anzugleichen.
Anordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass jeder Ersatzkanal (6, 7) nach dem eine der Ersatzfunktionen realisierenden Spektralfilter (61, 71) einen Sensor (63; 64, 74; 65) und einen Signalverstärker (661) aufweist, wobei die Mittel zur additiven Überlagerung (66) in Form eines Summiergliedes (664) mit einem nachgeschalteten Analog-Digital-Wandler (662) vorhanden sind und eine Rechnereinheit (8, 81, 82) Gewichtungsmittel zur Bestimmung von Koeffizienten (K) für die Gewichtung der Signale der Ersatzkanäle (6, 7) und Verbindungen mit den Signalverstärkern (661) aufweist, um durch Gewichtung der Signalverstärkung in den Ersatzkanälen (6, 7) die Überlagerungsfunktion (4) an die Zielfunktion (1) anzugleichen.
Anordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass jeder Ersatzkanal (6, 7) nach dem eine der Ersatzfunktionen (2, 3) realisierenden Spektralfilter (61, 71) einen Sensor (63; 64, 74; 65) aufweist, wobei die Mittel zur additiven Überlagerung (66) in Form eines Summiergliedes (664) mit einem nachgeschalteten Signalverstärker (661) vorhanden sind und eine Rechnereinheit (8, 81, 82) Gewichtungsmittel zur Bestimmung von Koeffizienten (K) für die Gewichtung der Signale der Ersatzkanäle (6, 7) und Verbindungen mit dem Summierglied (664) aufweist, um durch gewichtete additive Überlagerung der Sensorsignale der Ersatzkanäle (6, 7) die Überlagerungsfunktion (4) an die spektrale Zielfunktion (1) anzugleichen.
Anordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Ersatzkanäle (6, 7) nach den jeweils eine der Ersatzfunktionen (2, 3) realisierenden Spektralfiltern (61, 71) auf einen gemeinsamen Sensor (65) zur additiven optischen Überlagerung der mit den Ersatzfunktionen (2, 3) gefilterten Signale zusammengeführt sind, wobei die Gewichtungsmittel als variierbare Abschattblendenmittel (67) zur gewichteten Dimmung von durch die Spektralfilter (61, 71; 62) transmittierten Lichtanteilen vorhanden und in Form einer Rechnereinheit (8, 81, 82) zur Bestimmung von Koeffizienten (K) für die gewichtete Dimmung der auf den gemeinsamen Sensor (65) transmittierten Lichtanteile der Ersatzkanäle (6, 7) vorgesehen sind, um durch optische additive Überlagerung der infolge der Dimmung gewichtet transmittierten Lichtanteile die aus Sensorsignalen gebildete Überlagerungsfunktion (4) an die spektrale Zielfunktion (1) anzugleichen.
Anordnung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Gewichtungsmittel der Rechnereinheit (8, 81, 82) zur Bestimmung der Koeffizienten (K) für die gewichtete Dimmung mittels einer beweglich angebrachten Abschattblende (67) vorhanden sind und mit der zu einer Grenze zwischen zwei Spektralfiltern (61, 71) die Abschattblende (67) beweglich ist, um durch mittels Blendenverschiebung gewichtet transmittierte Lichtanteile die aus Sensorsignalen gebildete Überlagerungsfunktion (4) an die spektrale Zielfunktion (1) anzupassen.
Anordnung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Gewichtungsmittel der Rechnereinheit (8, 81, 82) zur Bestimmung der Koeffizienten (K) für die gewichtete Dimmung ausschließlich im Fertigungsprozess nach der Herstellung der Spektralfilter (61, 71) der Ersatzkanäle (6, 7) für eine fest aufgebrachte angepasste Abschattbeschichtung (68) vorhanden sind und mit der fest aufgebrachten Abschattbeschichtung (68) die Anpassung der Überlagerungsfunktion (4) an die spektrale Zielfunktion (1) endgültig fixiert ist.
Anordnung nach einem der Ansprüche 6 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Gewichtungsmittel zur Nachkalibrierung der Gewichtung der Ersatzfunktionen (2, 3) für die Anpassung der Überlagerungsfunktion (4) an die Zielfunktion (1) vorgesehen sind.