Farbsensoren vs. Mini-Spektrometer Licht-Messverfahren im Vergleich

Spektrometer gelten als Referenzgeräte in der Farbmessung, doch sie sind in der Anwendung eher teuer und unhandlich. RGB-, True-Color- und Mehrbereichssensoren sowie Mini-Spektrometer sind hier eine Alternative. Doch welche Sensoren und Detektoren eignen sich bei spezifischeren Lösungen am besten?

Farbmetrik bzw. die Messung der Farbe wird in technischen Applikationen immer bedeutender. Während in der Vergangenheit schon einfache RGB-Sensoren viele der Messaufgaben übernehmen konnten, gelten bei komplexen Anwendungen andere Ansprüche an die Detektoren und Messmodule. Dabei muss man berücksichtigen, dass Farbmessung an sich schon hohe Ansprüche an die Sensorik stellt, sie aber auch applikationsgebunden ist.

Die Farbwahrnehmung basiert nicht auf einer physikalischen Messgröße wie etwa Strom oder Druck, sondern beinhaltet auch eine subjektive bzw. physiologische Komponente.

Bilder: 3

Typische Kennlinien im Vergleich

Typische Kennlinien im Vergleich

Jede Anwendung in der Farbmessung erfordert eine bestmögliche Zusammenstellung der Sensorkomponenten wie Filter, Elektronik, Beleuchtung und Target für die Kalibrierung, um das Optimum an Genauigkeit zu erreichen. Die Wahl der Lichtquellen, deren Betrieb und die Filtercharakteristik entscheiden darüber, was der Sensor detektieren kann. Die Elektronik bestimmt die Qualität der Sensorsignalwerte bzw. bestimmt die mögliche Zeit, wie schnell Messergebnisse der Sensoren zur Verfügung stehen.

Nur eine ideale Kombination aus Licht, Filterfunktion und Verstärker führt zu auswertbaren Ergebnissen. Eine fehlerhafte oder ungenügende Kalibrierung kann das Messergebnis verfälschen.

Doch in welchen Anwendungen eignen sich eigentlich die einzelnen Detektoren wie RGB-, True-Color- und Mehrbereichssensoren oder Mini-Spektrometer? Betrachten wir einige Beispiel im Hinblick auf Kosten, Geschwindigkeit, Größe und Farbgenauigkeit.

Sensoren und Detektoren in der Übersicht

Bei der Farbmessung kommen zwei Arten von Messgeräten zum Einsatz: Das traditionelle Spektrometer, das als Referenzgerät und zu Kalibrierzwecken Verwendung findet, und Farbsensoren, die als kostengünstige Option mit unterschiedlichen Auflösungen und Charakteristika aufwarten. Eine Alternative dazu sind Mini-Spektrometer.

  • RGB-Sensoren

RGB-Sensoren, basierend auf Absorptionsfiltern, enthalten drei Bandpässe im sichtbaren Bereich. Die Maxima dieser Spektralkurven sind nicht einheitlich auf bestimmte Wellenlängen festgelegt, sondern werden je nach Materialkosten für die Filter in der Herstellung und nach der Messaufgabe festgelegt. Man muss sich bewusst sein, dass man Farben misst, die nicht dem menschlichen Empfindungsvermögen entsprechen, trotzdem aber für die Farbmessung – je nach Genauigkeitsanforderungen – verwendet oder eben nicht verwendet werden können. Selbst bei aufwändiger Kalibrierung gibt es Grenzen in der Genauigkeit.

  • True-Color-Sensoren

Zur absoluten Messung werden True-Color-Sensoren eingesetzt. Sie enthalten Interferenzfilter als technische Umsetzung von Farbstandards und sind in der Lage, Farben treffsicherer als das menschliche Auge zu messen. Der Begriff »True Color« ist hier gebunden an die Merkmale eines Farbsensortyps, die eine Filtercharakteristik »besser als das menschliche Auge« haben bzw. nach DIN5033 (CIE1931 - Normspektralwertfunktion). Diese Filter besitzen eine exakte Zuordnung des Empfindlichkeitswertes eines Farbkanals zur spektralen Wellenlänge. Abweichungen führen zur Verfälschung des Messwertes. Durch eine Kalibrierung kann man die Farbwerte als XYZ-Koordinaten ermitteln, die die Basis für die Umrechnung in weitere Farbräume darstellen. Aufgrund der Normspektralwertfunktionen besitzen die True-Color-Sensoren eine absolute Genauigkeit, vergleichbar der des menschlichen Auges. Demzufolge ist es möglich, die Farbe von Stoffen oder Druckerzeugnissen genau so wiederzugeben, wie sie das Auge sehen würde.

  • Mehrbereichssensoren

Soll die spektrale Zusammensetzung der Objekte erfasst werden, oder sind Metamerie-Effekte zu erwarten, braucht man Mehrbereichssensoren. Bei ihnen ist ein gewähltes Spektrum in spektrale Bereiche aufgeteilt. Die Filter sind so angeordnet, dass diese sich in ihren Grenzbereichen überlappen und möglichst wenige Lücken im sichtbaren Spektrum vorhanden sind. Mit Mehrbereichssensoren findet die Bewertung einer Farbe nicht auf der kolorimetrischen, sondern auf der radiometrischen Ebene statt. Als Ergebnis erhält man das Spektrum der Probe und ermittelt aus diesem den Farbort.

  • Mini-Spektrometer

Mini-Spektrometer sind robuste und kompakte Lösungen, die spektrale Werte ermitteln und Aussagen über den Farbraum zulassen. Sie verfügen über eine geringere Auflösung als ihre größeren Vertreter, und die Messergebnisse werden aufgrund der geringeren Anzahl an spektralen Abtastpunkten schneller erfasst als bei einem hochauflösenden Spektrometer, jedoch sind sie im Vergleich zu RGB- und True-Color-Sensoren langsamer.

Wann eignet sich welcher Sensor?

Farbsensoren zeichnen sich durch eine geringe Chipfläche und hohe Arbeitsgeschwindigkeit aus. Sie eignen sich von einfachen Vergleichsmessungen über absolute Farbmessung bis hin zu radiometrischen Messungen bei Mehrbereichssensoren. Bei Vergleichsmessungen werden Muster gemessen und als Referenzwerte gespeichert. Dazu wird ein Schwellwert RGB (relatives Messen) oder ein farbmetrischer Wert XYZ wie ΔEL*a*b* (absolutes Messen) zur späteren Klassifizierung gemessener Objekte festlegt. Voraussetzung für Vergleichsmessungen ist eine feste Menge an Farben.

Reicht das Wissen über den Farbort nicht aus, greift man auf Mini-Spektrometer oder Mehrbereichssensoren zurück. Diese können, bis zu bestimmten Auflösungen, Aussagen über ein gesamtes Spektrum ausgeben und Metamerie-Effekte ausgleichen.

Betrachten wir einige praktische Messungen.