DE3741940A1 - Farbsensor - Google Patents
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Description
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Farbsensor 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.
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 nach
teilig, daß bei einer Änderung der Intensität oder Farbe
des Beleuchtungslichts oder bei Auffallen von Störlicht auf
das untersuchte Objekt der Ausgangswert des Lichtempfangs
geräts 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 Licht
quelle 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 Licht
empfangsgeräte 4 a, 4 b, 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 Ausgangs
wertes 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 unter
suchten 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 unter
suchten Objekts.
In vorteilhafter Weise wird gemäß der vorliegenden Erfindung
zur Behebung der voranstehend angegebenen Probleme ein Farb
sensor bereitgestellt, welcher mehrere Nachweiseinrichtungen
aufweist, von denen jede gleichzeitig und unabhängig die
Farbe eines untersuchten Objektes feststellt.
Gemäß der vorliegenden Erfindung werden Schwankungen des
Beleuchtungslichts oder Störlicht daran gehindert, die Farb
untersuchung zu beeinflussen.
Die Erfindung wird nachstehend anhand zeichnerisch darge
stellter Ausführungsbeispiele näher erläutert, aus welchen
weitere Vorteile und Merkmale hervorgehen.
Es zeigt
Fig. 1 ein Systemdiagramm eines Farbsensors, bei welchem
die vorliegende Erfindung verwendet wird;
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 ist ein Systemdiagramm eines Farbsensors unter Ver
wendung der vorliegenden Erfindung, und in der Figur ist
dargestellt eine Anordnung mit Beleuchtungsfasern 2 a, Nach
weisfasern 2 b, einer Nachweiseinheit 9 a bestehend aus der
Nachweisfaser 2 b, einem Fühler 3 a und einem Lichtempfangs
gerät 4 a, mit einer Nachweiseinheit 9 b, bestehend aus der
Nachweisfaser 2 b, einem Fühler 3 b und einem Lichtempfangsgerät
4 b, mit einem untersuchten Objekt 10, und einem Referenzobjekt
11. Die Bezugsziffern in Fig. 1 entsprechen denen in Fig.
5 für korrespondierende oder gleiche Teile.
Der Farbsensor gemäß der vorliegenden Erfindung 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
2 a 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). Daher soll mit der vor
liegenden Erfindung eine stabile Lichtuntersuchung unter
ungünstigen Umständen ermöglicht werden.
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 9 a, 9 b 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 9 a, 9 b 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
Aus den obigen Gleichungen folgt
y = y′/(y 2′/y 2). . . (1)
Aus Gleichung (1) kann der Wert y aus den Werten y′, y 2′
berechnet werden, wenn y 2 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
9 a, 9 b 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 gemäß der vorliegenden Erfindung 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*);
X 1, Y 1, Z 1: Die Farbmaßzahlen der Nachweiseinheit 9 a zur Untersuchung des Objekts, wenn dieses durch die Änderung der Beleuchtung und den Einfall von Störlicht beeinflußt wird;
X 2, Y 2, Z 1: Die Farbmaßzahlen der Nachweiseinheit 9 b zur Untersuchung des weißen Standardbretts, wenn dieses durch die Änderung der Beleuchtung und den Einfall von Störlicht beeinflußt wird;
Xn 2, Yn 2, Zn 2: Die Farbmaßzahlen der Nachweiseinheit 9 b 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*);
X 1, Y 1, Z 1: Die Farbmaßzahlen der Nachweiseinheit 9 a zur Untersuchung des Objekts, wenn dieses durch die Änderung der Beleuchtung und den Einfall von Störlicht beeinflußt wird;
X 2, Y 2, Z 1: Die Farbmaßzahlen der Nachweiseinheit 9 b zur Untersuchung des weißen Standardbretts, wenn dieses durch die Änderung der Beleuchtung und den Einfall von Störlicht beeinflußt wird;
Xn 2, Yn 2, Zn 2: Die Farbmaßzahlen der Nachweiseinheit 9 b 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:
X 1 = X × K, Y 1 = Y × K, Z 1 = Z×K
X 2 = Xn 2 × K, Y 2 = Yn 2 × K, Z 2 = Zn 2 × K
X 2 = Xn 2 × K, Y 2 = Yn 2 × K, Z 2 = Zn 2 × K
und daher ist
X = X 1/(X 2/Xn 2)
Y = Y 1/(Y 2/Yn 2). . .
Z = Z 1/(Z 2/Zn 2) (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 9 a zur Untersuchung des weißen Standardbretts in
dem Zustand gemessen werden, in welchem die Beleuchtung kon
stant ist ohne Störlicht, durch Xn 1, Yn 1, Zn 1 gegeben sind,
so können die Werte für L*, a*, b* in dem kalorimetrischen
System ausgedrückt werden wie nachstehend angegeben:
L* = 116(Y/Yn 1)1/3 - 16
a* = 500((X/Xn 1)1/3 - (Y/Yn 1)1/3)
b* = 200((Y/Yn 1)1/3 - (Z/Zn 1)1/3) (4)
Fig. 2 zeigt die Farbdifferenz Δ Eab*, 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 Δ Eab* 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 9 a, 9 b
als untersuchtes Objekt verwendet wird. Mit anderen Worten
sind die Farbmaßzahlen, welche durch beide Nachweisein
heiten 9 a, 9 b gemessen werden, im Idealfall dieselben und
die Farbdifferenz Δ Eab* 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
Δ Eab* zwischen den Nachweiseinheiten 9 a, 9 b 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 daß 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 (4)
1. Farbsensor, gekennzeichnet durch mehrere
Nachweiseinheiten (9 a, 9 b), von denen jede zur gleich
zeitigen und unabhängigen Untersuchung der Farbe eines
untersuchten Objekts (10) ausgebildet ist.
2. Farbsensor nach Anspruch 1, dadurch gekenn
zeichnet, daß zumindest eine der Nachweiseinheiten
(9 b) zur Untersuchung der Farbe des von einem Referenz
objekt (11) reflektierten Lichts ausgebildet ist, daß
zumindest eine der verbleibenden Einheiten (9 a) zur Unter
suchung der Farbe des von dem Objekt (10) reflektierten
Lichts ausgebildet ist, und daß der Farbsensor eine Korrek
tureinrichtung (8) zur Korrektur der Farbe des untersuchten
Objekts (10) mittels Vergleich der untersuchten Farben
der Nachweiseinheiten (9 a, 9 b) aufweist.
3. Farbsensor nach Anspruch 2, dadurch gekenn
zeichnet, daß das Beleuchtungslicht für das von
dem Referenzobjekt (11) reflektierte Licht und für das
von dem untersuchten Objekt (10) reflektierte Licht von
einer einzigen Lichtquelle (1) ableitbar sind.
4. Farbsensor nach Anspruch 1, dadurch gekenn
zeichnet, daß die mehreren Nachweiseinheiten (9 a,
9 b) jeweils mit optischen Fasern (3 a, 3 b) versehen sind.
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