DE4420260C2

DE4420260C2 - Verfahren zur Bestimmung von Farbwertanteilen und Farbsättigung

Info

Publication number: DE4420260C2
Application number: DE4420260A
Authority: DE
Inventors: Alfred Prof Dr Ing Leipertz; Stefan Dipl Phys Will
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1994-06-10
Filing date: 1994-06-10
Publication date: 1998-08-06
Anticipated expiration: 2014-06-11
Also published as: DE4420260A1

Description

Zur Charakterisierung der Farbe von Lösungen und Gegenständen wird heute überwiegend auf die von der Internationalen Beleuchtungskommission verwendeten Systeme zurückgegriffen, die eine Beschreibung der Farbe von Objekten durch Farbwertanteile und Farbsättigung verwendet. (Internationale Beleuchtungskommission, "Farbmessung, Offizielle Empfehlungen der Internationalen Beleuchtungskommission", Publication CIE No. 15 (E-1.3.1) 1971, Paris, Frankreich).

Zur Messung der Farbe von nichtselbstleuchtenden Gegenständen werden heute praktisch zwei Arten von Verfahren verwendet, das Spektralverfahren und das Dreibereichsverfahren (W. Schulze, "Farbenlehre und Farbmessung", S. 30 -38, Springer Verlag, Berlin, Heidelberg, New York, 1975). Beim Spektralverfahren wird die Transmission bzw. Reflexion der Probe in einer großen Anzahl verschiedener schmaler spektraler Intervalle gemessen und hieraus mit Hilfe von tabellierten Werten die charakteristischen Größen berechnet. Beim Dreibereichsverfahren erfolgt eine Beleuchtung mit Weißlicht, das transmittierte bzw. reflektierte Licht wird dann durch drei spezielle Spektralfilter in einzelne Komponenten zerlegt und die Einzeltransmissionen gemessen, wobei die Kombination aus dem Transmissionsverlaufs eines Filters und der spektralen Empfindlichkeit des Detektors mit der jeweils zugeordneten Normspektralwertefunktion der Internationalen H Beleuchtungskommission CIE übereinstimmen muß. Ein entsprechendes Meßsystem zur Bestimmung der Farbe in Reflexion ist beispielsweise in H. Lechner und J. Jahns, Siemens Forschungs- und Entwicklungsberichte, Bd. 13 (1984) Nr. 1, S. 28-32, beschrieben. Hierbei wird durch Kalibrierung des Systems mit einem weißen Objekt eine Konstante bestimmt, deren Kenntnis zur Erzielung eines korrekten Wertes für die Farbsättigung nötig ist. Beide Verfahren sind aufwendig in dem Sinne, daß entweder ein geeigneter Spektralapparat verwendet werden muß, mit dem eine Messung der Transmission in vielen schmalen spektralen Intervallen durchgeführt wird, oder besondere, genau abgestimmte Filter verwendet werden müssen.

Daneben ist in Kombination und Modifikation dieser Methoden ein Verfahren bekannt (Affonso und Danell, DE 34 18 839 A1), bei dem die Messung der Transmission in mehreren, genau definierten Spektralbändern erfolgt. Hierzu werden Lichtquellen in unterschiedlichen Spektralbändern Glasfilter vorangesetzt, die jeweils nur für einen schmalen spektralen Bereich durchlässig sind. Ein ähnliches Verfahren für Reflexionsmessungen wird von Lugos, US-Patent 4,917,500, angegeben. Auch hier wird das Untersuchungsobjekt mit Licht in mehreren schmalbandigen Spektralbereichen beleuchtet. Beiden Verfahren fehlt ferner ein Bezug auf ein international anerkanntes Normsystem.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren bereitzustellen, mit dem die Messung der genannten Größen mit einfachen und unspezifischen Komponenten durchgeführt und auf ein Normsystem bezogen werden kann, wodurch eine breite Anwendung der Farbmessung kostengünstig realisiert werden kann. Gelöst wird die Aufgabe durch ein Verfahren gemäß dem Anspruch 1. Das Verfahren kann genutzt werden zur Messung der Farbwertanteile und der Farbsättigung von Lösungen, Gasen, transparenten und nichttransparenten Festkörpern und der Farbe von trüben Lösungen, Gasen, Suspensionen und teiltransparenten Festkörpern.

Zur Ermittlung der Farbe einer Lösung wird diese in einen geeigneten transparenten Behälter eingefüllt, wobei der Behälter eine konstante Schichtdicke aufweisen soll. Die Probe wird von Lichtsendeeinheiten mit unterschiedlichen spektralen Bändern derart durchstrahlt, daß Licht von jeder Sendeeinheit auf eine zugeordnete Empfangseinheit auftrifft. Hierzu können Linsen oder andere optische Systeme eingesetzt werden.

Bei der Verwendung von drei Sendeeinheiten wird die Probe von drei Lichtstrahlen in unterschiedlichen spektralen Bändern durchstrahlt und die Intensität des transmittierten Lichtes durch drei Empfangseinheiten registriert. Ersatzweise kann auch eine Empfangseinheit verwendet werden, wobei die Probe dann nacheinander von den unterschiedlichen Lichtstrahlen durchstrahlt wird. Für jedes Strahlungsband i wird der Transmissionsgrad τ(i) dergestalt ermittelt, daß die Intensität des transmittierten Lichtes bei eingefüllter Untersuchungsprobe Φ_p(i) durch die entsprechende Intensität bei Messung mit farbloser Flüssigkeit, z. B. Wasser, Φ_r(i) dividiert wird, τ(i)=Φ_p(i)/Φr(i). Zur Messung der Intensität verwendet man günstig einen photoelektrischen Empfänger, dessen Signal mittels einer Analog/Digital- Wandlerkarte an ein Mikroprozessorsystem, beispielsweise ein Computersystem, übertragen wird.

Die Farbe der Lösung wird unter Zugrundelegung von zumindest drei Basisfunktionen r(λ),s(λ),t(λ) charakterisiert. Die Basisfunktionen können durch Multiplikation der relativen spektralen Intensität der Sender mit der spektralen Empfindlichkeit der Empfänger ermittelt werden. Ebenso können diese unter Bildung von Linearkombinationen aus diesen festgelegt werden, also beispielsweise für die Funktion r(λ) = r₁S₁(λ)E₁(λ) + r₂S₂(λ)E₂(λ) + r₃S₃(λ)E₃(λ), wobei die Symbole S_i(λ) und E_i(λ) für die spektralen Verteilung von Sender und Empfänger für das Spektralband i stehen und die r_i Konstanten bezeichnen, die günstig so gewählt werden, daß

Für praktische Berechnungen können alle Integrationen als Summationen mit hinreichend kleinen Intervallen (z. B. 5 nm) realisiert werden.

Aus den gemessenen Transmissionen können Farbwerte R, S, T gemäß

und analog gebildet werden.

Aus den Farbwerten können durch Normierung gemäß

und analog Farbwertanteile r, s, t errechnet werden, welche die Farbart einer Lösung in Bezug auf das gewählte Basissystem r(λ),s(λ),t(λ) eindeutig charakterisieren. Die Farbsättigung einer Lösung kann durch Angabe eines Farbwertes, beispielsweise S, erfolgen.

In einer Abwandlung kann das Verfahren so eingesetzt werden, daß aus den so gewonnenen Größen Farbwertanteile und Farbsättigung in Anlehnung an ein Normsystem der internationalen Beleuchtungskommission CIE geschehen. Hierbei wird vorteilhaft ein solches Basissystem verwendet, das den zu verwendenden Normspektralwertefunktionen x(λ), y(λ), z(λ) der CIE möglichst ähnelt.

Die Farbwerte R, S, T des gewählten Basissystems können als Vektor aufgefaßt werden und durch eine Matrixmultiplikation in die Norbfarbwerte X, Y, Z übergeführt werden (M. Richter, "Einführung in die Farbmetrik", Walter de Gruyter Verlag, 2. Auflage, Berlin, New York, 1981, S. 52-57). Dies läßt sich in Formelschreibweise ausdrücken durch

Bei der Wahl eines Basissystems mit mehr als drei Basisfunktionen erfolgt hier entsprechend eine Multiplikation mit einer Matrix mit einer solchen Anzahl von Spalten, die der Anzahl der Basisfunktionen entspricht.

Die Elemente der Transformationsmatrix sind so zu wählen, daß die Beziehungen

für alle Wellenlängen im Bereich von 400 nm-700 nm möglichst gut erfüllt sind. Hierzu kann beispielsweise eine Kurvenanpassung nach der Methode der kleinsten Fehlerquadrate erfolgen.

In obigen Gleichungen bezeichnet k eine Normierungskonstante des Normfarbsystems, S(λ) die spektrale Verteilung einer nach dem Normsystem zu wählenden Lichtart (A, D₆₅, etc.).

Aus den so ermittelten Farbwerten X, Y, Z können durch Normierung mit der Summe (X+Y+Z) die zugehörigen Normfarbwertanteile gewonnen werden, also z. B. x = X/(X+Y+Z).

Die Sättigung der Farbe kann durch Angabe des Farbwertes Y charakterisiert werden, wobei eine mögliche Normierung dergestalt vorgenommen wird, daß die Farbsättigung einer klaren Flüssigkeit zu 100 gesetzt wird.

Das Verfahren kann zur Änderung der Farbe einer Lösung nach Art und Betrag oder zur Charakterisierung der Abweichung von einer vorgegebenen Lösung erfolgen durch Angabe der nach obigen Vorschriften gewonnenen Farbwertanteilen oder Normfarbwertanteilen für die entsprechenden Lösungen bzw. durch Angabe der Farbsättigung.

Das Verfahren kann für farbige transparente Festkörper (z. B. Filtergläser) in ähnlicher Weise verwendet werden, wobei dann der Körper anstelle des Flüssigkeitsbehältnisses zwischen Sender und Empfänger eingebracht wird. Zur Messung der Farbe von Gasen wird analog der Messungen von Lösungen verfahren, wobei hier ein geeignetes gasdichtes Behältnis zu verwenden ist.

Das erfindungsgemäße Verfahren kann zur Farbmessung von Gegenständen (nichttransparenten Festkörpern) derart ausgestaltet werden, daß statt der Transmission die Reflexionswerte ρ(i)=Φ_p(i)/Φ_r(i) gemessen werden, wobei Φ_r(i) die gemessene Intensität bei Reflexion von einer idealen mattweißen Fläche darstellt. Da bei der Reflexion im Gegensatz zur Transmission das Licht nach der Wechselwirkung mit dem Untersuchungsgegenstand im allgemeinen nicht mehr gebündelt ist und so ein Übersprechen mit den anderen Empfangseinheiten als der zu der Strahlungsquelle zugehörigen nicht ausgeschlossen werden kann, ist hier die aufeinanderfolgende Ansteuerung der Sendeeinheiten günstig, z. B. durch Relais oder Mikroprozessoren. Vorteilhaft ist auch die Verwendung eines optischen Systems, beispielsweise einer Linse, mit der die beleuchtete Fläche auf den Detektor abgebildet wird.

In einer Modifikation kann das erfindungsgemäße Verfahren derartig ausgestaltet werden, daß die Beleuchtung nicht mit drei oder mehr getrennten Lichtquellen erfolgt, sondern mit einer Lichtquelle, mit der einzelne spektrale Bänder sequentiell angesteuert werden können, beispielsweise eine Kombinationsleuchtdiode. In diesem Falle wird die Messung der Transmission oder Remission nacheinander durchgeführt, günstig mit einem Empfänger.

In einer anderen Ausgestaltung kann das Verfahren auch derart angewendet werden, daß das Licht von den Lichtquellen und/oder zu den Empfängern über Lichtleitfasern, Linsen und/oder Spiegel gelenkt wird. Bei Transmissionsmessungen von Flüssigkeiten und Gasen kann das Verfahren so eingesetzt werden, daß Sender und/oder Empfänger direkt in das Untersuchungsvolumen eingebracht werden.

Das erfindungsgemäße Verfahren ist auch zur Bestimmung der Farbe trüber Flüssigkeiten, d. h. Suspensionen einsetzbar. In diesem Fall wird zusätzlich zur Beleuchtung mit Licht in verschiedenen Spektralbändern im sichtbaren Bereich in äquivalenter Weise eine Durchstrahlung der Probe im infraroten Spektralbereich durchgeführt. Zur Ermittlung der Farbwertanteile werden die ermittelten Werte mit dem Kehrwert der Transmission im infraroten Spektralbereich multipliziert. Diese Vorgehensweise ist notwendig zur Erlangung richtiger Werte für die Farbsättigung.

Ausführungsbeispiele für die Erfindung sind in den Abbildungen dargestellt.

Fig. 1 zeigt eine mögliche Ausgestaltung des Verfahrens zur Messung der Farbe von Lösungen bei Verwendung von drei Strahlungsquellen, hier Leuchtdioden. In der Abbildung bezeichnen Ziffer 1a-c die Strahlungsquellen, 2a-c sowie 4a-c optische Systeme, mit denen die emittierten Lichtbündel kollimiert bzw. auf den Empfänger fokussiert werden, 3 ein Behältnis, in das die zu untersuchende Flüssigkeit eingefüllt wird, 5a-c Empfänger.

Fig. 2 stellt eine mögliche Anordnung dar, mit der die Farbe eines Gegenstandes (nichttransparenten Festkörpers) gemessen werden kann. In dieser Ausgestaltung werden nur ein Sender (Ziffer 1), der in der Lage ist, Licht in unterschiedlichen spektralen Bändern auszusenden, sowie ein Empfänger (Ziffer 5) verwendet. Die Ziffern 2 sowie 4 bezeichnen optische Systeme, mit denen die emittierten Lichtbündel kollimiert bzw. auf den Empfänger fokussiert werden, Ziffer 6 den Untersuchungsgegenstand.

Fig. 3 zeigt ein Beispiel für eine elektrische Anordnung zur Messung des auf den Detektor auftreffenden Lichtstroms ("Intensität"). In dieser Ausführung wird eine Photodiode (Ziffer 5) verwendet. Ziffer 7a-c bezeichnen Widerstände, Ziffer 8a und 8b Operationsverstärker. Die Spannung U ist ein direktes Maß für die Intensität der auftreffenden Strahlung.

Fig. 4 zeigt die Spektralwertkurven r(λ),s(λ),t(λ) eines Basissystems, auf die sich die gemessenen Farbwertanteile beziehen können.

Fig. 5 zeigt ein Beispiel, von welcher Art die mit dem Verfahren gewinnbaren Daten sind. Hier werden die Normfarbwerte x und y für verschiedene Untersuchungsobjekte dargestellt. Der Normfarbwert z folgt durch die Normierung zu z = 1-x-y.

Claims

1. Verfahren zur Messung der Farbwertanteile und der Farbsättigung von Gegenständen, Lösungen und Gasen und zur Bestimmung von Unterschieden und Änderungen in den genannten Größen, bei dem das Untersuchungsobjekt mit Licht von unterschiedlicher spektraler Zusammensetzung mit mindestens drei verschiedenen Spektralbändern räumlich getrennt oder zeitlich hintereinander beleuchtet wird, wobei durch die spektrale Verteilung der Sender in Verbindung mit der spektralen Charakteristik der Empfänger unter Bildung von Linearkombinationen Basisfunktionen festgelegt werden, und daß aus gemessenen Transmissions- oder Reflexionswerten für die unterschiedlichen Spektralbänder unter Zugrundelegung der Basisfunktionen Farbwertanteile und Farbsättigung errechnet werden und aus diesen durch eine Transformation Farbwertanteile und Farbsättigung in Anlehnung an ein Normfarbwertesystem der CIE gebildet werden und daß aus den errechneten Werten für Farbwertanteile und Farbsättigung Unterschiede bzw. Änderungen in den genannten Größen durch Vergleich zwischen zwei Untersuchungsproben oder einer Untersuchungsprobe zu unterschiedlichen Zeitpunkten festgestellt werden können.

2. Verfahren nach Anspruch l, dadurch gekennzeichnet, daß zur Messung der Farbwertanteile und der Farbsättigung von Lösungen, Gasen und transparenten Festkörpern die Untersuchungsprobe, evtl. unter Zuhilfenahme eines geeigneten transparenten Behältnisses, zwischen Sender und Empfänger eingebracht wird und aus den gemessenen Transmissionswerten Farbwerte und Farbwertanteile berechnet werden.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Messung der Farbwertanteile und der Farbsättigung von nichttransparenten Festkörpern der Gegenstand mit Licht in unterschiedlichen Spektralbändern beleuchtet und aus den gemessenen Reflexionswerten Farbwerte und Farbwertanteile berechnet werden.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Bestimmung der Farbe von trüben Lösungen, Gasen, Suspensionen sowie teiltransparenten Festkörpern die Untersuchungsprobe zwischen Sender und Empfänger eingebracht wird und neben der Beleuchtung in verschiedenen Spektralbändern im sichtbaren Spektralbereich eine Bestrahlung mit roter oder infraroter Strahlung in einem Spektralband im Bereich von 650 bis 1000 nm erfolgt, und aus den gemessenen Transmissionswerten Farbwertanteile und Farbsättigung berechnet werden, wobei zur Berechnung der Farbsättigung zusätzlich eine Berücksichtigung der Transmission in diesem Spektralband erfolgt.