DE3626373A1 - Vorrichtung zur schnellen farbmessung an unterschiedlichen proben - Google Patents

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.