DE3741940C2

DE3741940C2 - Farbsensor

Info

Publication number: DE3741940C2
Application number: DE3741940A
Authority: DE
Inventors: Yasuo Kogure
Original assignee: Hoya Corp
Current assignee: Hoya Corp
Priority date: 1986-12-10
Filing date: 1987-12-10
Publication date: 1995-04-13
Anticipated expiration: 2007-12-11
Also published as: JPS63145926A; DE3741940A1; US4886366A

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

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.

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

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

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.