DE3626373C2

DE3626373C2 -

Info

Publication number: DE3626373C2
Application number: DE3626373A
Authority: DE
Inventors: Fritz 1000 Berlin De Kurandt
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1986-08-05
Filing date: 1986-08-05
Publication date: 1991-04-25
Also published as: EP0256970A3; DE3626373A1; US4838697A; EP0256970B1; DE3786208D1; EP0256970A2

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Messung der Farbe von unterschiedlichen Proben nach dem Oberbegriff des Anspruches 1 und auf eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens.

In der DD-PS 99 439 ist ein solches Verfahren mit zugehöriger Vorrichtung zum schnellen Erfassen und Charakterisieren von Farbtönen, insbesondere an schnell laufenden, partiell eingefärbten Materialbahnen beschrieben. Damit wird eine fortwährende schnelle Prüfung der farbigen Flächen sowie eine sofortige Auswertung der Meßergebnisse während des Produktions prozesses möglich, wobei diese Meßergebnisse eindeutige Rückschlüsse auf den gemessenen Farbton zulassen. Der aus mehreren Halbleiterstrahlungs quellen für verschiedene Spektralbereiche bestehende Sender weist eine Ansteuereinheit zur impulsweisen Ansteuerung der Strahlungsquellen auf, so daß die zu messende farbige Fläche durch ein oder mehrere zeitlich sehr kurz aufeinanderfolgende Lichtimpulse beleuchtet werden kann, bei jeweils eng begrenztem Spektralbereich. Der Senderanordnung ist ein Empfänger zugeordnet, und mittels eines Rechners sind die meßbaren Farbtonschwankungen auswertbar.

Die zeitlich aufeinanderfolgend angesteuerten, bei der bekannten Vorrichtung für die unterschiedlichen Spektralbereiche verwendeten Lumineszenzdioden beleuchten zwar einen begrenzten Bereich auf der zu messenden Probe, befinden sich aber in unterschiedlichen Strahlungs richtungen zur Probe ausgerichtet, während nur die Empfängerdiode senkrecht zur Probe angeordnet ist. Durch die unterschiedlichen Strahlungsrichtungen der Lumineszenzdioden in bezug auf die Probe ergibt sich eine Abhängigkeit des Empfängersignals vom Einfallwinkel der Strahlungsrichtung auf die Probe, so daß auch geringe Änderungen in der Lage der Probe eine erhebliche Änderung in der Abstrahlungsrichtung und somit zwangsläufig bei der empfängerseitigen Auswertung der Messung zur Folge haben.

In zunehmendem Maße besteht aber die Notwendigkeit, Fertigungsprozesse dadurch automatisieren und überwachen zu müssen, daß die zu bearbeitenden Produkte zusätzliche Informationen in Form von Balkencodes, Farbpunkten, Farbringen und ähnlichem aufgeprägt bekommen. Das heißt, die so gekenn zeichneten Halb- oder Fertigprodukte tragen in verschlüsselter Form signifikante Daten, die den Fertigungsablauf und ihren Vertriebsweg bestimmen. Derartige Markierungen, die sich nicht auf einen üblichen einfarbigen Balkencode beschränken, sondern deren Informationsinhalte auch durch die Farbgebung definiert sind, müssen zwecks Messungen der unterschiedlichen Farbgebungen für deren Auswertung unabhängig vom jeweiligen Bestrahlungswinkel bzw. Durchstrahlungswinkel der Probe für jeden gegebenen Farbbereich sein.

In anderem Zusammenhang ist es bei einer Vorrichtung zur Messung der Farbe von Gegenständen, die Licht aussenden bzw. remittieren oder transmittieren, wobei das Licht einer Fotodetektoranordnung zugeführt wird, bekannt, dichroitische Spiegel zu verwenden, von denen jeder einen Farbanteil gegen einen fotoelektrischen Empfänger reflektiert bzw. durchläßt (DE-OS 34 01 475). Als Sender werden hier jeweils ein Helium- Neon-Laser und 2 Argon-Laser verwendet, deren Strahlungen über diese Spiegel zusammengeführt und auf ein Spiegelrad gelenkt werden, so daß bei Drehung des Spiegelrades der Strahl eine vorgegebene Abtaststrecke entlang einer Materialbahn durchläuft und empfängerseitig unterschied liche Spektralbereiche wiederum über dichroitische Spiegel getrennt von fotoelektrischen Sensoren aufgenommen werden. Damit arbeitet offenbar die bekannte Vorrichtung letztlich mit Gleichlicht, verzichtet also auf impulsweise Ansteuerung, so daß Fremdlichtverfälschungen der Messungen nur mit größerem technischem Aufwand ausgeschlossen werden könnten. Da mit der bekannten Vorrichtung von Haus aus relativ großflächig gemessen werden soll, kommt es auf eine punktförmige Bestrahlung der Meßprobe nicht an, eine entsprechende Lösungsanregung ist daher diesem Stand der Technik nicht zu entnehmen.

Schließlich soll noch auf ein bekanntes Gerät zur Kolorimetrie mit einer Beleuchtungseinheit mit mehreren Lichtquellen in Form von Leuchtdioden für den roten, orangenen, grünen und blauen Farbbereich hingewiesen werden, deren Strahlung auf eine Probe gerich tet wird, dergestalt, daß die Strahlungen der Lichtquellen über optische Lichtleiter zusammengefaßt werden, um in die ser dicht zusammengefügten, aber mit ihrem Strahlengang dennoch getrennt nebeneinander bleibend richtungsgleich durch eine Linsenanordnung und das Meßobjekt einem lichtelektrischen Empfänger zugeführt zu werden (DE-OS 34 18 839).

Die an sich gepulste Betriebsweise dieser bekannten Einrichtung unter Verwendung von Leuchtdioden führt jedoch durch die Ver wendung von optischen Lichtleitkabeln nicht dazu, mittels der dort verwendeten Optik die unterschiedlichen Spektralbereiche in einem Meßpunkt zusammenzufügen. Bedingt durch den jeweiligen Abbildungsmaßstab der Optik findet ausschließlich eine ent sprechende Vergrößerung oder Verkleinerung des Faserquerschnitts statt, nicht jedoch eine punktuelle Zusammenführung der ein zelnen Meßstrahlen.

Dieses ist bezüglich der Messungen von farbigen Balkencodes unter der Voraussetzung der Übertragung einer ausreichenden Beleuchtungsstärke für Abtasteinrichtungen, die mehrere Farbmarkierungen im dichten Abstand farblich erfassen und unterscheiden sollen, nicht geeignet.

Von diesem Stand der Technik ausgehend liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Messung der Farbe von unter schiedlichen Proben gemäß dem Ober begriff des Anspruches 1 zu schaffen, das zur Erfassung (eng nebeneinanderliegender Farben) geeignet ist und eine schnelle Lesegeschwindigkeit ermöglicht, sowie eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 anzugeben.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale der Ansprüche 1 und 2 gelöst.

Die Unteransprüche 3 bis 6 geben vorteilhafte Ausgestaltungen der Vorrichtung nach Anspruch 2 wieder.

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 Lin senanordnung des Senders,

Fig. 2 die Beschaltung des Empfängers,

Fig. 3 ein Blockschaltbild für die Aus werte- und Ansteuereinheit,

Fig. 4 die Durchlaßkennlinien der dichroitischen Spiegel,

Fig. 5 die Lage der Emissionsspektren der bei einem Ausführungsbeispiel verwendeten Lumineszenzdioden und

Fig. 6 den Farbmeßkopf.

Die Vorrichtung zur Messung der Farbe von unter schiedlichen Proben besteht aus einem Sender 1, der mit einer Ansteuereinheit 2 verbunden ist, einem Empfänger 3 mit nachgeschalteter Auswerte einheit 4, 5 und einem an die Auswerteeinheit angeschlossenen Rechner. Der Sender 1 gemäß Fig. 1 weist drei Lumineszenzdioden 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 Lumineszenz dioden 6, 7, 8 ist in Fig. 5 dargestellt, wo bei zu erkennen ist, daß die Maxima der aus gesandten 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 geschaltet, die zu der Abstrahlrichtung der blauen und roten Lumineszenzdiode 6, 8 im Winkel von 45° liegen, so daß die blaue Strahlung der Lumineszenz diode 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.

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 17 zur Verfügung steht. Die von der Probe 12 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 17 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 beim Ausführungsbeispiel 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

1. Verfahren zur Messung der Farbe von unter schiedlichen Proben, bei dem mittels eines Senders mit Halbleiterstrahlungsquellen, die einzeln nacheinander impulsweise angesteuert werden, unterschiedliche Spektralbereiche ab gestrahlt werden und die optischen Strahlun gen der Halbleiterstrahlungsquellen die jewei lige Probe bestrahlen oder durchstrahlen und die von der Probe reflektierten oder durch die Probe transmittierten Strahlungen mittels eines Empfängers und mit einem Rechner zur Auswertung gebracht werden, dadurch gekennzeichnet, daß die Strahlungen von drei Halbleiterstrah lungsquellen des Senders, von denen die erste im blauen, die zweite im grünen und die dritte im roten Spektralbereich senden, derart zuein ander ausgerichtet werden, daß sie über eine Filtereinheit aus zwei dichroitischen Spiegeln zu sammengeführt und durch eine Linsenanordnung auf eine Probe gelenkt werden, wobei die Halb leiterstrahlungsquellen, die Filtereinheit und die Linsenanordnung derart justiert werden, daß alle Einzelstrahlungen sich in einem Punkt tref fen, in dem die Probe angeordnet wird, und wobei die Erregerleistung bei der impulsweisen An steuerung der einzelnen Halbleiterstrahlungs quellen getrennt vorgegeben wird, so daß die einzelnen Halbleiterstrahlungsquellen so kali briert werden können, daß sie bei Verwendung eines Normals definierte Meßwerte am Empfänger vorgeben.

2. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 mit

- einem Sender (1) mit drei Lumineszenzdioden (6, 7, 8),
- einer Ansteuereinheit (2), die die einzel nen Lumineszenzdioden (6, 7, 8) nacheinander impulsweise ansteuert,
- einem Empfänger (3) und
- einem Rechner zur Auswertung der vom Empfän ger (3) gelieferten Signale,

dadurch gekennzeichnet, daß

- die drei Lumineszenzdioden derart ausgebil det sind, daß die erste Lumineszenzdiode (6) im blauen, die zweite Lumineszenzdiode (7) im grünen und die dritte Lumineszenzdiode (8) im roten Spektralbereich senden,
- eine Filtereinheit aus zwei dichroitischen Spiegeln (9, 10) derart angeordnet ist, daß sie die Strahlungen der drei Lumineszenzdioden (6, 7, 8) zusammenführt,
- eine Linsenanordnung (11) vorgesehen ist, die zusammen mit der Filtereinheit (9, 10) und den Lumineszenzdioden (6, 7, 8) derart justiert ist, daß alle Einzelstrahlungen sich in einem Punkt treffen, in dem die Probe (12) angeordnet ist, und
- die Ansteuereinheit (2) derart ausgebildet ist, daß die Erregerleistung bei der impulsweisen Ansteuerung der einzelnen Lumineszenzdioden (6, 7, 8) getrennt vorgebbar ist, so daß die ein zelnen Lumineszenzdioden (6, 7, 8) so kalibriert werden können, daß sie bei Verwendung eines Normals definierte Meßwerte am Empfänger (3) vorgeben.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeich net, daß die dichroitischen Spiegel (9, 10) je weils im Winkel von 45° zu den Richtungen der von den einzelnen Lumineszenzdioden (6, 7, 8) ausgesandten Strahlungen liegen.

4. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekenn zeichnet, daß die Filtereinheit auch Strahlungs teilerplatten aufweist.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Leuchtfleck (25) auf der Probe (12) einen Durchmesser von etwa 1 mm aufweist.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Sender (1) und der Empfänger (3) in einem Gehäuse (20) ange ordnet sind, wobei der Empfänger (3) im Winkel von 45° zu der auf die Probe (12) gerichteten Strahlung liegt.