DE3741940C2 - Farbsensor - Google Patents
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Description
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Farbsensor gemäß
dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Ein derartiger
Farbsensor ist insbesondere vorgesehen zur Verwendung
bei der Überprüfung und Steuerung von Farben von Produkten
wie Farbdrucken, mit Farben beschichteten Produkten,
Plastikprodukten, Lebensmitteln, Chemikalien und so weiter,
einschließlich von Rohmaterialien, welche auf einer
Fertigungsstraße befördert werden.
Ein solcher Farbsensor ist beispielsweise bereits aus
der DE 32 44 286 A1 bekannt. Dabei werden Vergleichsmessungen
in einer Vielzahl von Spektralbereichen einer
von der Probe reflektierten Strahlung vorgenommen.
Gleichzeitig werden Vergleichsmessungen für jeden Spektralbereich
durchgeführt, um Schwankungen in der Intensität
und im Spektralbereich der zur Beleuchtung der
Probe verwendeten Lichtquelle zu kompensieren.
Die Druckschrift FR 21 72 074 offenbart eine Vorrichutng
zum Messen der spektralen Reemission von farbigen Oberflächen
zur Echtheitskontrolle von Banknoten und ähnlichem.
Eine Maske mit einer Anzahl von Schlitzen wird
zusammen mit einem Filter während des Meßvorganges parallel
zu einem zu messenden Testobjekt und einem Referenzobjekt
bewegt. Referenz- und Testobjekt werden nacheinander
mit einem LIchtstrahl verschiedener Wellenlängen
beleuchtet. In einem Detektor wird nacheinander die
Intensität des an dem Testobjekt reflektierten Lichtstrahls
erster Wellenlänge, dann die Intensität des an
dem Referenzobjekt reflektierten Lichtstrahls, dann die
Intensität des an dem Testobjekt reflektierten Lichtstrahls
zweiter Wellenlänge, dann die Intensität des an
dem Referenzobjekt reflektierten Lichtstrahls zweiter
Wellenlänge usw. gemessen, so daß eine Signalfolge erhalten
wird. Von jedem Paar gemessener Werte des Testobjekts
und des Referenzobjekts wird ein Quotient gebildet.
Die Quotienten werden über eine Komparatoreinheit
in Ja- oder Nein-Signale verwandelt und entsprechend gezählt.
In Fig. 4 ist eine bekannte Anordnung einschließlich
eines Farb-Sensors gezeigt, welche eine Lichtqelle 1 zur
Aussendung von Beleuchtungslicht umfaßt, Lichtführungsteile
2, einen Fühler 3, ein Lichtempfangsgerät 4, einen
Verstärker 5 und ein untersuchtes Objekt 6, und Störlicht
ist durch einen Pfeil 7 bezeichnet.
Der derart aufgebaute Farbsensor ist in der Hinsicht
nachteilig, daß bei einer Änderung der Intensität oder
Farbe des Beleuchtungslichts oder bei Auffallen von
Störlicht auf das untersuchte Objekt der Ausgangswert
des Lichtempfangsgeräts 4 von dem gemessenen Wert abweicht,
der eigentlich angezeigt werden sollte. Zur Behebung
dieser Schwierigkeit sollte das Störlicht ausgeschlossen
werden, während eine Lichtquelle zur Aussendung
von Beleuchtungslicht verwendet wird, welche frei
von Änderungen in Intensität oder Farbe ist. Es ist jedoch
beinahe unmöglich, eine derartige Lichtquelle bereitzustellen,
die Beleuchtungslicht aussendet, welches
vollständig frei von Variationen in der Intensität oder
Farbe ist.
Ein in Fig. 5 dargestellter Farbsensor ist
zur Lösung des voranstehend angegebenen Problems vorgeschlagen
worden. Wie in Fig. 5 dargestellt ist, umfaßt
dieser Farbsensor Lichtempfangsgeräte 4a, 4b, ein Vergleichsgerät
8 und andere Teile mit Bezugsziffern, die
den Bezugsziffern entsprechen, welche für korrespondierende
oder ähnliche Teile in Fig. 4 vergeben wurden.
Bei diesem derart aufgebauten Farbsensor kann der Ausgangswert
korrigiert werden, selbst wenn dessen Beleuchtungslicht
sich ändert, durch Korrektur des Ausgangswertes
eines Lichtempfangsgeräts zum Empfang des von einem
untersuchten Objekt reflektierten Lichts, während von
dem Ausgangswert des anderen Lichtempfangsgeräts Gebrauch
gemacht wird, welches direkt das Beleuchtungslicht
von der Lichtquelle empfängt.
Dennoch ist der in Fig. 5 dargestellte Farbsensor immer
noch gegenüber Störlicht empfindlich, wie im Falle der
in Fig. 4 dargestellten Anordnung, wie kompliziert auch
immer der Farbsensor ausgelegt sein mag. Mit anderen
Worten muß die Farbe des Objekts untersucht werden,
während das Störlicht ausgeschaltet wird, beispielsweise
durch Entnahme des untersuchten Objekts von dem Förderband
und Einbringen des Objekts in einen dunklen Kasten
oder durch Anordnen des Förderbands in einem dunklen
Raum.
Jedes der voranstehend angegebenen Verfahren führt jedoch
dazu, daß die Fertigungsstraße nur umständlich zu
nutzen ist, und dies führt zu einer Verringerung der
Produktivität.
Bei einer weiteren bekannten Anordnung werden dieselben
Bedingungen wie in einem dunklen Raum hergestellt, indem
ein Fühler direkt ein untersuchtes Objekt berührt. In
diesem Fall führt dies zu der Gefahr einer Beschädigung
des untersuchten Objekts.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen
Farbsensor zu schaffen, bei dem Einflüsse von Schwankungen
des Beleuchtungslichts und von Störlicht auf relativ
einfache Weise ausgeschaltet sind.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch einen Farbsensor
mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst.
Die Erfindung wird nachstehend anhand eines zeichnerisch darge
stellten Ausführungsbeispiels näher erläutert.
Es zeigt
Fig. 1 ein Systemdiagramm eines erfindungsgemäßen Farbsensors;
Fig. 2 und 3 Graphen zur Erläuterung von Farbunterschieden,
welche auf den Werten beruhen, die durch den Farb
sensor gemäß Fig. 1 gemessen wurden;
Fig. 4 und 5 Systemdiagramme konventioneller Farbsensoren.
Fig. 1 zeigt ein Systemdiagramm eines Farbsensors,
und es ist
dargestellt eine Anordnung mit Beleuchtungsfasern 2a, Nach
weisfasern 2b, einer Nachweiseinheit 9a bestehend aus der
Nachweisfaser 2b, einem Fühler 3a und einem Lichtempfangs
gerät 4a, mit einer Nachweiseinheit 9b, bestehend aus der
Nachweisfaser 2b, einem Fühler 3b und einem Lichtempfangsgerät
4b, mit einem untersuchten Testobjekt 10, und einem Referenzobjekt
11. Die Bezugsziffern in Fig. 1 entsprechen denen in Fig.
5 für korrespondierende oder gleiche Teile.
Der Farbsensor ist mit zu
mindest einem Paar von Nachweiseinheiten versehen, und die
minimal erforderliche Anzahl von Nachweiseinheiten ist in
Fig. 1 dargestellt.
Falls die Intensitäten des vom untersuchten Objekt 10 und
dem Referenzobjekt 11 reflektierten Lichts durch y und y 2
gegeben sind, wenn das untersuchte Objekt 10 und das Referenz
objekt 11 jeweils gleichzeitig durch die Beleuchtungsfasern
2a beleuchtet werden, so werden sich y und y 2 auch bei einer
beliebig häufigen Untersuchung nicht ändern, unter der Vor
aussetzung, daß das Beleuchtungslicht vollständig konstant
gehalten wird und daß Störlicht, also von außen eingeführtes
Licht, nicht vorliegt. Mit anderen Worten ist eine stabile
Farbuntersuchung möglich. Unter realen Untersuchungsbedin
gungen ändern sich die Intensität und der Farbton des Lichts
von der Lichtquelle häufig im Verlauf der Zeit, und eine
Farbuntersuchung kann nicht auf praktische Weise in einem
Dunkelraum oder einem dunklen Kasten ausgeführt werden (in
einem Fall, wenn die Farbuntersuchung auf dem Förderband
und dergleichen durchgeführt wird).
Nachstehend wird der Betrieb des erfindungsgemäßen Farbsen
sors beschrieben. Unter Bezug auf den Farbsensor gemäß Fig.
1 wird eine der beiden Nachweiseinheiten eingesetzt, um
ein weißes Standardbrett oder eine Standardprobe zu unter
suchen, wogegen die andere zur Untersuchung des untersuchten
Objekts eingesetzt wird. Beide Nachweiseinheiten 9a, 9b werden
gleichzeitig gestartet, um die Farbuntersuchung zum selben
Zeitpunkt durchzuführen. Obwohl das untersuchte Objekt 10
und das Referenzobjekt 11 durch das in Folge von Schwankun
gen des Beleuchtungslichts und des Störlichts gestörte Licht
beleuchtet werden, unterliegt das von beiden Objekten 10,
11 reflektierte Licht immer Änderungen mit derselben Rate,
da die Nachweiseinheiten 9a, 9b so ausgelegt sind, daß sie
nur den Einfall des reflektierten Lichts des Beleuchtungslichts
und des Störlichts gestatten, und zwar in Folge ihrer effek
tiven Winkelapertur. Genauer gesagt gilt unter der Voraus
setzung, daß die Änderungsrate durch K gegeben ist und daß
y und y 2 nach einer Änderung durch y′ und y 2′ gegeben sind
y′ = y × k
y 2′ = y 2 × k
y 2′ = y 2 × k
Aus den obigen Gleichungen folgt
y = y′/(y 2′/y 2) . . . (1)
Aus Gleichung (1) kann der Wert y aus den Werten y′, y2′
berechnet werden, wenn y2 vorher gemessen wird. Das bedeutet,
daß die sich auf das Referenzobjekt 11 auswirkende Schwan
kung verwendet wird, um den gemessenen Wert des untersuchten
Objektes 10 zu korrigieren, um einen Wert zu erhalten, bei
welchem keine Schwankung vorliegt, also den Meßwert unter
solchen Bedingungen, bei denen kein Störlicht existiert unter
stabiler Beleuchtung.
Nachstehend wird der Betrieb jeder der Nachweiseinheiten
9a, 9b beschrieben, wenn das reflektierte Licht in drei
unterschiedliche Arten von Lichtfarben umgewandelt wird.
In diesem Fall wird angenommen, daß das Lichtempfangsgerät
4 so arbeitet, daß es drei Farben trennen und die Menge des
Lichtes jeder derart erhaltenen Farbe messen kann. Mit dem
Wert, der durch Verstärkung des Ausgangssignals einer der
Nachweiseinheiten als Referenzwert erhalten wird, wird die
Vergleichsschaltung 8 aus Fig. 1 verwendet, um den Referenz
wert mit einem verstärkten Ausgangswert einer anderen Einheit
zu vergleichen.
Zunächst wird ein Fall beschrieben, in welchem ein weißes
Standardbrett als Referenzobjekt 11 verwendet wird. Der Farb
sensor kann spezifizierte
Werte des kalorimetrischen Systems angeben, nämlich L*, a*,
b* und so weiter, abgesehen vom Nachweis von drei Farben,
da eine Trennung von drei Farben durch jedes Nachweisgerät
einer Farbanpaßfunktion folgt, welche an das photometrische
Strahlungsäquivalent des menschlichen Auges angepaßt ist.
Die Meßwerte der drei Farben werden durch X, Y, Z ausgedrückt,
während Variablen mit den nachfolgend angegebenen Buchstaben
bezeichnet werden:
X, Y, Z: Farben des untersuchten Objekts nach Korrektur ihrer
Schwankungen (Farbmaßzahlen);
L*, a*, b*: Farben des untersuchten Objekts nach Korrektur ihrer Schwankungen (Farbspezifikationen von L*, a*, b*);
X1, Y1, Z1: Die Farbmaßzahlen der Nachweiseinheit 9a zur Untersuchung des Objekts, wenn dieses durch die Änderung der Beleuchtung und den Einfall von Störlicht beeinflußt wird;
X2, Y2, Z1: Die Farbmaßzahlen der Nachweiseinheit 9b zur Untersuchung des weißen Standardbretts, wenn dieses durch die Änderung der Beleuchtung und den Einfall von Störlicht beeinflußt wird;
Xn2, Yn2, Zn2: Die Farbmaßzahlen der Nachweiseinheit 9b als Standardwerte der anfänglichen Untersuchung des weißen Standardbretts für einen Standard in dem Zustand, in welchem die Beleuchtung konstant ist ohne Störlicht.
L*, a*, b*: Farben des untersuchten Objekts nach Korrektur ihrer Schwankungen (Farbspezifikationen von L*, a*, b*);
X1, Y1, Z1: Die Farbmaßzahlen der Nachweiseinheit 9a zur Untersuchung des Objekts, wenn dieses durch die Änderung der Beleuchtung und den Einfall von Störlicht beeinflußt wird;
X2, Y2, Z1: Die Farbmaßzahlen der Nachweiseinheit 9b zur Untersuchung des weißen Standardbretts, wenn dieses durch die Änderung der Beleuchtung und den Einfall von Störlicht beeinflußt wird;
Xn2, Yn2, Zn2: Die Farbmaßzahlen der Nachweiseinheit 9b als Standardwerte der anfänglichen Untersuchung des weißen Standardbretts für einen Standard in dem Zustand, in welchem die Beleuchtung konstant ist ohne Störlicht.
Ist auf der Grundlage der voranstehenden Definition K der
Änderungsgrad, so gilt ebenfalls die folgende Gleichung:
X1 = X × K, Y1 = Y × K, Z1 = Z×K
X2 = Xn2 × K, Y2 = Yn2 × K, Z2 = Zn2 × K
X2 = Xn2 × K, Y2 = Yn2 × K, Z2 = Zn2 × K
und daher ist
X = X1/(X2/Xn2)
Y = Y1/(Y2/Yn2) . . .
Z = Z1/(Z2/Zn2) (2)
Die Farbart und -sättigung wird hieraus erhalten wie folgt:
x = X/(X + Y + Z), y = Y/(X + Y + Z) . . . (3)
Falls die Farbmaßzahlen, die durch die Nachweis
einheit 9a zur Untersuchung des weißen Standardbretts in
dem Zustand gemessen werden, in welchem die Beleuchtung kon
stant ist ohne Störlicht, durch Xn1, Yn1, Zn1 gegeben sind,
so können die Werte für L*, a*, b* in dem kalorimetrischen
System ausgedrückt werden wie nachstehend angegeben:
L* = 116(Y/Yn1)1/3 - 16
a* = 500((X/Xn1)1/3 - (Y/Yn1)1/3)
b* = 200((Y/Yn1)1/3 - (Z/Zn1)1/3) (4)
Fig. 2 zeigt die Farbdifferenz ΔEab*, welche mit den
Farbmaßzahlen berechnet wurde, die erhalten wurden durch
Änderung der Beleuchtung des Lichts und Korrektur der Be
leuchtung entsprechend Gleichung (2), während Fig. 3 die
Farbdifferenz ΔEab* zeigt, die gemäß der Farbmaßzahlen
berechnet wurde, welche durch Änderung des Verhältnisses
des Störlichts zum Beleuchtungslicht und Korrektur des Störlichts
gemäß Gleichung (2) erhalten wurden. Fig. 2 und 3 sind
Graphen, welche den tatsächlichen Meßwert zeigen, wenn ein
weißer Scherben zusammen mit den Nachweiseinheiten 9a, 9b
als untersuchtes Objekt verwendet wird. Mit anderen Worten
sind die Farbmaßzahlen, welche durch beide Nachweisein
heiten 9a, 9b gemessen werden, im Idealfall dieselben und
die Farbdifferenz ΔEab* wird zu Null. In den Fig. 2, 3
bezeichnen die gestrichelten Linien 21, 23 einen Fall, in
welchem keine Korrektur durchgeführt wurde, wogegen die durch
gezogenen Linien 22, 24 angeben, daß die Korrektur durchge
führt wurde. Wie diese Figuren zeigen, ist die Farbdifferenz
ΔEab* zwischen den Nachweiseinheiten 9a, 9b mit durchgeführter
Korrektur bei weitem geringer als ohne Korrektur und liegt
nahe am Idealzustand.
Wie voranstehend ausgeführt wurde, werden mehrere Nachweis
einheiten bereitgestellt, von denen jede die Farbe gleich
zeitig und unabhängig untersuchen kann, und daher sind Schwan
kungen des Beleuchtungslichts und das Störlicht daran gehindert,
die Meßwerte zu beeinflussen. Dies ermöglicht eine wirkungs
volle Untersuchung des von dem Objekt, welches bei schwankender
Beleuchtung untersucht wird, reflektierten Lichtes mit hoher
Genauigkeit, ohne das Objekt unter normalen Betriebsbedingungen
abzudecken. Da eine berührungsfreie Untersuchung der Farbe
der Verletzung eines Produkts. Darüber hinaus wird eine genaue
Untersuchung ermöglicht, ohne den Produktfluß auf der Ferti
gungsstraße zu unterbrechen, und dies trägt zur Erhöhung
des Wirkungsgrads der Fertigungsstraße bei und verringert
die Kosten der Untersuchung in größerem Maße.
Claims (2)
1. Farbsensor zur Bestimmung der Farbe eines Testobjekts,
mit einer Lichtquelle, die das Testobjekt über
einen ersten Lichtweg beleuchtet, mit einem ersten
Lichtempfangsgerät, das von dem Testobjekt reflektiertes
Licht aufnimmt, und mit einem zweiten Lichtempfangsgerät,
das über einen zweiten Lichtweg gleichzeitig Licht
von der Lichtquelle aufnimmt, wobei die Lichtempfangsgeräte
so arbeiten, daß sie das einfallende Licht nach
Farben trennen und die Intensität des Lichtes jeder derart
erhaltenen Farbe messen, dadurch gekennzeichnet,
daß in dem zweiten Lichtweg ein Referenzobjekt (11)
derart angeordnet ist, daß sowohl das Referenzobjekt (11) wie
das Testobjekt (1) vom Licht der Lichtquelle (10) wie von Störlicht
so beleuchtet werden, daß das von den beiden Objekten
(10, 11) reflektierte Licht immer Änderungen mit derselben
Rate unterliegt, und daß Licht der Lichtquelle (1) an
dem Referenzobjekt (11) reflektiert wird, bevor es auf
das zweite Lichtempfangsgerät (4b) auftrifft, und daß
eine Vorrichtung (8) vorgesehen ist, die Meßwerte
gleicher Farbkomponenten miteinander vergleicht, wobei
ein Meßwert der von dem ersten Lichtempfangsgerät (4a)
aufgenommenen Intensität und der andere Meßwert der von
dem zweiten Lichtempfangsgerät (4b) gleichzeitig aufgenommenen
Intensität entspricht.
2. Farbsensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß optische Fasern (2a, 2b) vorgesehen sind, die das
Licht von der Lichtquelle (1) zum Testobjekt (10) und zum
Referenzobjekt (11) und von diesen zu den entsprechenden
Lichtempfangsgeräten (4a, 4b) leiten.
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