DE3626373A1 - Vorrichtung zur schnellen farbmessung an unterschiedlichen proben - Google Patents
Vorrichtung zur schnellen farbmessung an unterschiedlichen probenInfo
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Description
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur
schnellen Farbmessung an unterschiedlichen Proben
nach dem Oberbegriff des Hauptanspruchs.
In zunehmendem Maße werden Fertigungsprozesse
dadurch automatisiert und überwacht, daß die
zu bearbeitenden Produkte zusätzliche Informa
tionen in Form von Balkencodes, Farbpunkten,
Farbringen und ähnlichem aufgeprägt bekommen.
Die so gekennzeichneten Produkte tragen damit
in verschlüsselter Form signifikante Daten mit
sich, die den Fertigungsablauf und den Vertriebs
weg bestimmen. Derartige Markierungen müssen
mittels einer Abtasteinrichtung erfaßt werden.
Einfarbige Balkencodes z. B. werden in bekannter
Weise von Lichtschranken oder Reflexionsabtastern
erkannt, bei denen eine Halbleiterdiode oder Mini
aturglühlampe das Objekt beleuchtet und eine
Photodiode erfaßt die reflektierte oder transmittierte
Strahlung. Derartige bekannte Abtasteinrichtungen
sind nicht geeignet, um mehrfarbige Markierungen
zu erfassen und farblich zu unterscheiden.
Aus dem Stand der Technik ist weiterhin ein Farb
erkennungssystem bekannt, bei dem als Lichtquellen
Halogenlampen verwendet werden, die eine weiße
Gleichlichtstrahlung erzeugen, mit der das zu
messende Objekt angestrahlt wird. Über mehrere
Photoempfänger, denen jeweils Farbfilter mit
unterschiedlichen Durchlaßbereichen vorgeschaltet
sind, werden die Farbmeßwerte gewonnen. Diese werden
an einen Rechner gegeben, der die Auswertung und
Zuordnung der vom Empfänger gelieferten Signale zu
den einzelnen Farben vornimmt. Bei dieser bekannten
Anordnung ist die Meßfeldbeleuchtung, d. h. der
Sender relativ groß und erzeugt durch die Halo
genlampen unerwünschte Wärme. Weiterhin ist ein
Schutz vor Fremdlicht erforderlich, da dieses
sonst von den Photoempfängern miterfaßt wird.
Außerdem ist die Meßzeit von ca. 8 ms relativ
lang.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine
Vorrichtung zur schnellen Farbmessung an unter
schiedlichen Proben gemäß dem Oberbegriff des
Hauptanspruchs zu schaffen, die zur Erfassung
unterschiedlicher Farben geeignet ist, schnelle
Lesegeschwindigkeit aufweist und kompakt und
wartungsfrei ist.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die
kennzeichnenden Merkmale des Hauptanspruchs
gelöst.
Der Sender gemäß der Erfindung weist mehrere Halb
leiterstrahlungsquellen, vorzugsweise drei Lumines
zenzdioden im blauen, grünen und roten Spektralbe
reich auf, deren optische Strahlung über eine Fil
tereinheit zusammengeführt und durch eine Linsen
einheit auf die Probe gelenkt wird. Weiterhin ist
eine Ansteuereinheit vorgesehen, die die einzelnen
Halbleiterstrahlungsquellen nacheinander impulsweise
ansteuert und ein photoelektrischer Empfänger
empfängt die reflektierte oder transmittierte
Strahlung, wobei ein von der Ansteuereinheit ge
liefertes Signal eine Zuordnung der Empfängersig
nale zu der in den unterschiedlichen Spektralbe
reichen abgesandten Strahlung erlaubt. Durch diese
erfindungsgemäße Anordnung kann eine äußerst schnelle
Farberfassung erzielt werden, da der Meßzyklus für
alle drei Farben weniger als 100 µs betragen kann.
Die optische Auflösung ist sehr groß, so daß auch
kleine Zeichen erfaßt werden können. Durch die Verwen
dung von Halbleiterlichtquellen kann die erfin
dungsgemäße Anordnung sehr kompakt und wartungs
frei aufgebaut werden, wobei Fremdlicht die Messungen
nicht wesentlich oder gar nicht beeinträchtigt.
Durch die in den Unteransprüchen angegebenen
Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen
und Verbesserungen möglich.
Besonders vorteilhaft ist die Verwendung von
dichroitischen Spiegeln, das heißt von Farb
trennungsfiltern, vorzugsweise eines Blau
spiegels und eines Rotspiegels, wodurch eine
einfache Zusammenführung der Strahlungen
der verschiedenen Halbleiterstrahlungsquellen
auf eine Linsenanordnung möglich wird.
Durch die Anordnung der Spiegel in einem
Winkel von 45° zu den Halbleiterstrahlungs
quellen ist eine Umlenkung der roten und der
blauen Strahlung gewährleistet, während die
grüne Strahlung durch die Spiegel hindurch
gelassen wird.
Eine vorteilhafte Ausgestaltung ist, daß
die Erregerleistung bei der impulsweisen
Ansteuerung der einzelnen Halbleiterstrahlungs
quellen getrennt vorgebbar ist, so daß die
einzelnen Strahlungsquellen so kalibriert
werden können, daß sie an einem Normal
definierte Meßwerte am Strahlungsempfänger
erwirken.
Dadurch, daß der Sender und Empfänger in
einem Gehäuse untergebracht ist und ihre
Zuordnung in dem Gehäuse in der Weise vorge
nommen ist, daß der Empfänger im Winkel von
45° zu der vom Sender abgesandten Strahlung
liegt, wird ein farbtüchtiger Abtastkopf
zur Verfügung gestellt, der besonders klein
und wartungsfrei ist.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist
in der Zeichnung dargestellt und wird in
der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
Es zeigt
Fig. 1 die prinzipielle Anordnung
der Halbleiterstrahlungsquellen,
der Filtereinheit und der
Linsenanordnung des Senders,
Fig. 2 die Beschaltung des Empfängers,
Fig. 3 ein Blockschaltbild für die
Auswerte- und Ansteuereinheit,
Fig. 4 die Durchlaßkennlinien der
dichroitischen Spiegel,
Fig. 5 die Lage der Emissionsspektren
der bei einem Ausführungsbeispiel
verwendeten Leuchtdioden, und
Fig. 6 den Farbmeßkopf gemäß der vorliegen
den Erfindung.
Die Vorrichtung zur schnellen Farbmessung von
unterschiedlichen Proben besteht aus einem
Sender 1, der mit einer Ansteuereinheit 2
verbunden ist, einem Empfänger 3 mit nachge
schalteter Auswerteeinheit 4, 5 und einem an
die Auswerteeinheit angeschlossenen Rechner.
Der Sender 1 gemäß Fig. 1 weist drei Leuchtdioden
6, 7, 8 auf, wobei Diode 6 im blauen, Diode 7
im grünen und Diode 8 im roten Spektralbereich
abstrahlt. Die Lage der Emissionsspektren der
Lumineszenzdioden 6, 7, 8 ist in Fig. 5 darge
stellt, wobei zu erkennen ist, daß die Maxima
der ausgesandten Strahlungen bei etwa 480 nm (blau),
555 nm (grün) und 670 nm (rot) liegen. In den
Strahlengang der Lumineszenzdioden 6, 7, 8 sind
zwei dichroitische Spiegel 9, 10 bildende Farb
trennungsfilter geschaltet, die zu der Abstrahl
richtung der blauen und roten Lumineszenzdiode
6, 8 im Winkel von 45° liegen, so daß die
blaue Strahlung der Lumineszenzdiode 6 an dem
"Blauspiegel" 9 umgelenkt und die rote Strahlung
der Lumineszenzdiode 8 an dem "Rotspiegel"
10 umgelenkt wird und durch den "Blauspiegel" 9
durchgelassen wird. Die grüne Strahlung von
der Lumineszenzdiode 7 wird sowohl durch den
"Rotspiegel" 10 als auch durch den "Blauspiegel"
9 durchgelassen, so daß die Strahlungen der
einzelnen Dioden zu einer Strahlung zusammen
geführt werden. Diese Strahlung wird durch
eine Linsenanordnung 11 auf oder durch die
zu messende Probe 12 gelenkt. Dabei sind die
einzelnen optischen Elemente, d. h. die
Lumineszenzdioden 6, 7, 8, die dichroitischen
Spiegel 9, 10 und die Linsenanordnung 11 in
der Weise justiert, daß die einzelnen Strahlen
sich in einem Punkt treffen, an der sich die
Probe 12 befinden muß.
Fig. 4 zeigt die Durchlaßkurven der dichroitischen
Spiegel 9, 10, wobei zu erkennen ist, daß
der "Blauspiegel" 9 die Strahlung ab einer
Wellenlänge von ca. 510 nm durchläßt, d. h.
im blauen Bereich wird die Strahlung reflektiert.
Entsprechendes gilt für den "Rotspiegel" 10,
der die Strahlung bis ca. 610 nm durchläßt
und den roten Bereich sperrt. Das bedeutet,
daß durch den "Blauspiegel" 9 sowohl die grüne
als auch die rote Strahlung durchgelassen wird,
während durch den "Rotspiegel" 10 die grüne
und die blaue Strahlung durchgelassen wird.
Die Zusammenführung der Strahlungen der drei
Lumineszenzdioden 6, 7, 8 kann auch auf andere
Weise geschehen, beispielsweise mittels Strahlungs
teilerplatten und Prismenwürfel, die beschriebene
Anordnung bildet aber das bevorzugte Aus
führungsbeispiel.
Der Empfänger 3 gemäß Fig. 2 weist eine
Empfängeroptik 13 auf, die das von der Probe 12
reflektierte oder transmittierte Licht sammelt
und auf den eigentlichen Photoempfänger 14,
der beispielsweise als Photodiode ausgebildet
sein kann, bringt. Der Photoempfänger 14 ist
derart ausgewählt, daß er eine kurze Ansprech
zeit und eine hohe Quantenausbeute hat. Der
Photoempfänger 14 ist mit einem mit einem
Hochpaß 15 beschalteten Signalverstärker 16
verbunden, der niederfrequente Fremdlichtein
streuungen, beispielsweise von Leuchtstofflampen,
unterdrückt.
In Fig. 3 ist die Ansteuer- und Auswerteeinheit
17 dargestellt, die selbstverständlich eine
Stromversorgung 18 aufweist. Die Ansteuereinheit
2 steuert den Sender 1 impulsweise an, d. h. jede
Lumineszenzdiode erhält nacheinander einen
Erregungsimpuls festgelegter Einschaltzeit,
wobei drei Impulse einen Zyklus bestimmen,
d. h. bei jedem Zyklus wird jede Lumineszenz
diode 6, 7, 8 einmal angesprochen und sendet
jeweils einen Lichtimpuls aus. Die Ansteuerlogik
weist hierzu einen Taktgeber auf.
Außerdem sendet die Ansteuerlogik 2 ein Synchronisier
signal aus, das über die Leitung 19 am Ausgang
der Ansteuer- und Auswerteeinheit zur Verfügung
steht. Die von der Probe reflektierten oder
transmittierten Strahlungsimpulse hoher Frequenz
werden von dem Empfänger 3 erfaßt und in
elektrische Impulse umgewandelt, die der
Auswerteeinheit zugeführt werden, wobei diese
eine Sample- und Hold-Schaltung 4 aufweist,
die die vom Signalverstärker 16 ankommenden
Impulse für die Dauer einer Zykluszeit speichert.
Der Sample- und Hold-Schaltung 4 ist ein
A/D-Wandler 5 nachgeschaltet, der die unter
schiedlichen Spannungen entsprechenden
Farbmeßwerte in digitale Werte, beispielsweise
in 8-Bit-Werte umwandelt. Diese digitalen
Werte stehen am Ausgang der Ansteuer- und
Auswerteeinheit zur Verfügung und werden einem
nicht dargestellten Rechner zugeführt, der
mit Hilfe des Synchronisiersignals eine
Zuordnung der Meßwerte vornimmt und diese
weiterverarbeitet.
Da der Wirkungsgrad der Lumineszenzdioden 6, 7, 8
unterschiedlich ist und auch Dioden gleicher
Spektralbereiche Toleranzen aufweisen, ist
die Ansteuereinheit 2 derart ausgebildet, daß
die Erregerleistung, d. h. Dauer und Höhe der
Ansteuerimpulse auf die einzelnen Lumineszenz
dioden 6, 7, 8 getrennt vorgebbar ist. Bei
spielsweise wird die Erregerleistung der
jeweiligen Lumineszenzdioden 6, 7, 8 so
eingestellt, daß bei Verwendung eines Normals,
beispielsweise eines Weiß-Normals aus Barium-
Sulfat bei der Reflexionsmessung definierte
Ausgangsspannungen, beispielsweise 2 V, am
Empfänger 3 vorhanden sind.
Für die Messung einer Probe wird das Ergebnis
von jeweils einem Lichtimpuls jeder Lumineszenz
diode 6, 7, 8 benötigt, so daß das einmalige
serielle Einschalten aller Lumineszenzdioden
einen Meßzyklus darstellt und die minimale Meßzeit
der Zykluszeit entspricht. Dieser Meßzyklus
beträgt bei der vorliegenden Erfindung 100 µs,
so daß sehr schnelle Messungen durchgeführt
werden können.
In Fig. 6 ist ein bei der erfindungsgemäßen
Vorrichtung verwendeter Farbmeßkopf darge
stellt, in dessen Gehäuse 20 sowohl der
Sender 1 und Empfänger 3 als auch die Ansteuer-
und Auswerteeinheit 17 aufgenommen sind.
Eine Anschlußleitung 26 führt zu dem nicht
dargestellten Rechner. Dieser Farbmeßkopf
ist für Remissionsmessungen zu verwenden,
wobei auch Transmissionsmessungen durchgeführt
werden können, wenn hinter der transparenten
Probe ein Spiegel angeordnet ist. Die Grundfläche
21 des Gehäuses 20 ist mit einem Absatz 22
versehen, so daß sich eine parallel zur
Grundfläche 21 liegende Fläche 23 ergibt und
eine die Fläche 23 mit der Grundfläche 21
verbundene schräge Fläche 24 gebildet wird.
In den Flächen 23, 24 sind jeweils die Durch
trittsöffnungen zu dem Sender und Empfänger
bzw. die Linsenanordnung 11, 13 für den Sender
und Empfänger vorgesehen. Die schräge Fläche 24
weist vorzugsweise einen derartigen Winkel auf,
daß die Remissionsmessung unter 45° vorgenommen
werden kann. Der Abstand zwischen der Grund
fläche 21 des Farbmeßkopfes und der Unterlage,
auf der die Diode 12 liegt, muß so gewählt werden,
daß der Leuchtfleck 25 so klein wie möglich ist,
nämlich vorzugsweise einen Durchmesser von 1 mm
aufweist. Dieser Abstand kann durch Justier
scheiben ausgefüllt werden, die unter die Grund
fläche 21 zu legen sind.
Claims (10)
1. Vorrichtung zur schnellen Farbmessung
an unterschiedlichen Proben mit einem Sender
zum Bestrahlen oder Durchstrahlen der jeweiligen
Probe und mit einem Empfänger zum Empfangen
der von der Probe reflektierten oder durch die
Probe transmittierten Strahlung, mit einer
Filteranordnung und mit einem Rechner zur
Auswertung der vom Empfänger gelieferten Signale,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Sender (1) mehrere Halbleiterstrahlungs
quellen (6, 7, 8) aufweist, die in unterschiedlichen
Spektralbereichen abstrahlen und deren optische
Strahlung über eine Filtereinheit (9, 10) zusammen
geführt und durch eine Linsenanordnung (11) auf
die Probe (12) gelenkt wird, daß eine Ansteuer
einheit (2) vorgesehen ist, die die einzelnen
Halbleiterstrahlungsquellen (6, 7, 8) nacheinander
impulsweise ansteuert und daß nur ein photo
elektrischer Empfänger (3) vorgesehen ist, wobei
ein von der Ansteuereinheit (2) geliefertes
Signal eine Zuordnung der Empfängersignale
zu der in den unterschiedlichen Spektralbereichen
abgesandten Strahlung erlaubt.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekenn
zeichnet, daß die Halbleiterstrahlungs
quellen (6, 7, 8) als Lumineszenzdioden
ausgebildet sind, die im roten, grünen
und blauen Spektralbereich Strahlung
aussenden.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch
gekennzeichnet, daß die Filtereinheit
dichroitische Spiegel (9, 10) aufweist.
4. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekenn
zeichnet, daß mindestens zwei dichroitische
Spiegel (9, 10) vorgesehen sind, vorzugsweise
ein im roten und ein im blauen Spektral
bereich reflektierender Spiegel, und daß
die Spiegel (9, 10) jeweils im Winkel von
45° zu den Richtungen der von den einzelnen
Halbleiterstrahlungsquellen (6, 7, 8) ausge
sandten Strahlung liegen.
5. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch
gekennzeichnet, daß die Filtereinheit
Strahlungsteilerplatten aufweist.
6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5,
dadurch gekennzeichnet, daß die Halbleiter
strahlungsquellen (6, 7, 8), die Filtereinheit
(9, 10) und die Linsenanordnung (11) in der
Weise justiert sind, daß alle Einzelstrahlen
sich in einem Punkt treffen, wobei der Durch
messer des Leuchtflecks der jeweiligen Probe (12)
anpaßbar ist.
7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekenn
zeichnet, daß der Leuchtfleck einen Durchmesser
von etwa 1 mm aufweist.
8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7,
dadurch gekennzeichnet, daß der Sender (1)
und Empfänger (3) in einem Gehäuse (20)
angeordnet sind, wobei der Empfänger (3)
im Winkel von 45° zu der auf die Probe (12)
gerichteten Strahlung liegt.
9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8,
dadurch gekennzeichnet, daß die Erreger
leistungen für die einzelnen Halbleiter
strahlungsquellen (6, 7, 8) des Senders (1)
getrennt vorgebbar sind.
10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9,
dadurch gekennzeichnet, daß für einen Meßzyklus
der Probe (12) jede Halbleiterstrahlungsquelle
(6, 7, 8) mindestens einmal durch einen Impuls
angesteuert wird.
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