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Optoelektronische Sensoren

Für eine farbstabile LED-Ansteuerung im Passagierflugzeug

28. April 2016, 14:28 Uhr | Von Frank Nitsche

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Fortsetzung des Artikels von Teil 1

True-Color- genauer als RGB-Sensoren

Farbmessungen werden in der Regel mit RGB-Sensoren oder mit True-Color-Farbsensoren durchgeführt, wobei letztere eine höhere Genauigkeit liefern. Ein Maß für die Genauigkeit einer Farbmessung ist die kleinste vom Sensor auflösbare Differenz zwischen zwei Koordinaten im UCS-Farbraum, die als Farbdifferenz Δu´v´ bezeichnet wird. Das menschliche Auge ist in der Lage, Farbdifferenzen bis zu einem Wert Δu´v´ ≥ 0,005 zu unterscheiden.

Vergleiche zwischen RGB-Sensoren und True-Color-Sensoren haben gezeigt, dass es mit einem True-Color-Sensor möglich ist, die Farbdifferenz bis auf einen Wert von 0,0011 auszuregeln. Mit einem RGB-Sensor gelingt das bis auf einen Wert von 0,007. Das bedeutet, dass die beim True-Color-Sensor verbleibende Regelabweichung vom menschlichen Auge nicht mehr wahrnehmbar ist [1]. In Bild 3 ist die spektrale Empfindlichkeit des Systems aus Interferenzfilter und Fotodioden des True-Color-Farbsensors MTCS-CDCAF von Mazet gezeigt. Der Sensor besteht aus einer monolithisch integrierten Fotodiode mit Interferenzfiltern auf einem Glassubstrat sowie einer angepassten Auswerteelektronik. Alle Komponenten sind in einem Baustein integriert. Grundlage des Sensors ist ein Licht-zu-Digital-Wandler mit Fotodioden als Lichtempfänger. Jede dieser Fotodioden ist mit einem separaten Interferenzfilter versehen, sodass die resultierende spektrale Empfindlichkeit den Standard CIE 1931/DIN 50331 (Wahrnehmung des menschlichen Auges) abbildet.

Aufbau und Funktionsumfang

Das Blockschaltbild des MTCS-CDCAF ist in Bild 4 zu sehen. Das auftreffende Licht wird durch die Interferenzfilter in drei Spektralbereiche zerlegt. Jeder dieser Bereiche wird durch die drei integrierten Fotodioden (X-, Y-, Z-Kanal) erfasst, welche das Licht gemäß ihrer spektralen Empfindlichkeit in Fotoströme umwandeln. Diese Fotoströme werden durch separate A/D-Umsetzer in Digitalwerte gewandelt. Die Programmierung erfolgt über eine 16-bit-/400-kHz-I²C-Schnittstelle.

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Die digitalen Ergebnisse aller Farbkanäle werden jeweils in einem 16-bit-Register gespeichert. Für die Temperaturmessung ist ein 12-bit-Temperatursensor integriert. Alle Ergebnisse werden über eine I²C-Schnittstelle ausgegeben. Speziell für die Farbmessung an einer getakteten Lichtquelle, beispielsweise einer mit Puls-Code-Modulation (PCM) betriebenen LED, steht ein Messmodus zur Verfügung, bei dem die Zeitdauer der Messung anhand der Signalflanken am Pin SYN gestartet und gestoppt werden.

Bei einer typischen Betriebsspannung von 3,3 V werden während der Messung 1,6 mA Strom aufgenommen. Für mehrere Einzelmessungen mit längeren Pausenzeiten zwischen den Messvorgängen kann ein Standby-Modus genutzt werden, bei dem der Sensor automatisch in einen Ruhemodus mit reduzierter Leistungsaufnahme wechselt. Über ein externes Kommando kann er für die nächste Messung aufgeweckt werden. Im Power-down-Modus ist ein per Software gesteuertes Ausschalten des Sensors möglichen, um die Leistungsaufnahme gegenüber dem Standby-Modus weiter zu reduzieren. Dafür muss beim Wiedereinschalten aber eine längere Einschwingzeit in Kauf genommen werden. Der Sensor liefert einen Dynamikumfang von 1:2,5·10⁸. Die Detektionsschwelle liegt bei Bestrahlungsstärken von 0,005 pW/cm2. Dem entspricht ein Bereich von 0,034 counts/(µW/cm2) bis 2,1·10⁶ counts/(µW/cm2). Die Wandlungszeit ist von 125 µs bis zu 16.384 ms einstellbar. Der integrierte Temperatursensor weist eine typische Steilheit von 20 counts/K auf. Er misst die Temperatur des Silizium-Chips. Eine direkte Erfassung der Umgebungstemperatur in der Anwendung ist jedoch nur bedingt möglich, da diese maßgeblich vom thermischen Verhalten und dem Aufbau der Applikation abhängt.

Der interne Temperatursensor kann dabei unterstützend wirken. Die interne Auflösung der A/D-Wandler kann von 10 bis 24 bit variiert werden (je nach eingestellter Messzeit). Die Ausgabe der Messdaten erfolgt immer mit 16 bit. Ein Vorteiler pro Kanal erlaubt die Skalierung der vom jeweiligen Wandler kommenden Daten. Dies ist von Vorteil, wenn zur Erfassung von sehr kleinen Lichtintensitäten die Messzeit größer als 216 Taktperioden gewählt wurde, sodass ein Überlauf der Ergebnisregister die Folge wäre. Die Vorteiler gestatten damit einen Zugriff auf die höherwertigen Bits der von den A/D-Wandlern kommenden Messergebnisse. Sie erfüllen also die Aufgabe einer Messbereichsumschaltung. Der eingestellte Teilerfaktor wirkt gleichzeitig auf alle drei Kanäle.

Kalibrierung des MTCS-CDCAF

Die Messung von Farbeindrücken hängt maßgeblich vom Betrachter, der Lichtquelle und dem Objekt selbst ab. Insbesondere für absolute Farbmessungen gemäß dem Standard CIE 1931/DIN 50331 muss das Farbmesssystem kalibriert werden. Es ist außerdem erforderlich, Abweichungen zu korrigieren, die durch fertigungsspezifische Variationen der Bauelementeparameter und der Aufbautechnik entstehen. Die Kalibrierung hat also drei Aufgaben:

Die Umrechnung der Messwerte des Licht-zu-Digital-Wandlers in einen genormten Farbraum (XYZ, xyY, Luv, Lab etc.).
Die Kompensation der Abweichungen der Sensorparameter (Abweichungen aus dem Halbleiterprozess).
Kompensation der aufbaubedingten Abweichungen (optomechanischer Aufbau).

Anwendungsgebiete und typische Anwenderschaltung

Die Anwendungsgebiete von Farbsensoren und speziell des MTCS-CDCAF reichen vom Einsatz in LED-Regelungen für Festkörperbeleuchtungen (SSL) über die Regelung von LED-Scheinwerfern, Farberkennung und -korrektur, Regelung von LED-Displays bis zum Einsatz in tragbaren Farbmessgeräten und LED-Projektoren. Das Prinzip einer Farbregelung mit Farbsensor zeigt Bild 5. Eine typische Anwenderschaltung ist in Bild 6 zu sehen. Neben der Genauigkeit aufgrund der guten Filtercharakteristik besteht der Vorteil der gewählten Technik in der Langzeitstabilität der Sensoren. Für das eingangs erwähnte Beispiel der Kabinenbeleuchtung in Passagierflugzeugen ist das ein zentraler Faktor, da wartungsbedingte Standzeiten eines Flugzeugs (Ausfallzeit) mit hohen Kosten verbunden sind.

Ein weiterer Wunsch vieler Flugzeughersteller ist eine variable Vorgabe der Lichtfarbe und Helligkeit. Mit Hilfe des MTCS-CDCAF kann der aktuelle Farbort und die dazugehörige Helligkeit anhand einer Kalibrierung ermittelt werden. Anschließend wird der Regelkreis über den Mikrocontroller geschlossen und die Intensitäten der Leuchtdioden angepasst. Da die Aufbereitung des analogen Signals bereits im Sensor geschieht, kommen Entwickler für die Erweiterung von ungeregelten Beleuchtungssystemen mit einer Regelung mit wenigen zusätzlichen Bausteinen aus. Die Programmierung und die Auswertung der Messdaten erfolgt im Idealfall durch einen Mikrocontroller, der bezüglich seiner I²C-Schnittstelle als Master arbeitet. Am I²C-Bus können dann mehrere MTCS-CDCAF als I²C-Slaves angeschlossen werden.

Die Unterscheidung der einzelnen Slaves erfolgt durch die per Hardware einstellbare Adresse (A₀, A₁). Über den Controller geschieht dabei die Konfiguration des Farbsensors, die Übernahme der Messdaten und die Verrechnung der Messdaten mit den sensor- bzw. systemspezifischen Kalibrierdaten.

Literatur

[1] Jensen, K.; Nimz, T.: Welche Genauigkeit erreicht man mit Farbsensoren? White Paper, Mazet GmbH, 2013, www.mazet.de/de/downloads/produkt-und-kundeninformationen/white-paper/welche-genauigkeiten-erreicht-man-mit-farbsensoren-und-mini-spektrometern.

Der Autor

Dr.-Ing. Frank Nitsche
studierte von 1979 bis 1984 an der TH Ilmenau Physik und Technik elektronischer Bauelemente. Danach war er als wissenschaftlicher Assistent tätig und promovierte auf dem Gebiet der Oberflächenwellen-Akustoelektronik. Seit 1992 arbeitet Dr. Nitsche in der Mazet GmbH und war in den Gebieten ASICs, analoges Chipdesign und Optoelektronik tätig. Sein jetziges Aufgabengebiet umfasst den Entwurf von analogen und Mixed-Signal-ASICs und in seiner Funktion als Technologiespezialist die Pflege und Aktualisierung der bei Mazet verwendeten Halbleitertechnologien.

Dr.-Ing. Frank Nitsche

studierte von 1979 bis 1984 an der TH Ilmenau Physik und Technik elektronischer Bauelemente. Danach war er als wissenschaftlicher Assistent tätig und promovierte auf dem Gebiet der Oberflächenwellen-Akustoelektronik. Seit 1992 arbeitet Dr. Nitsche in der Mazet GmbH und war in den Gebieten ASICs, analoges Chipdesign und Optoelektronik tätig. Sein jetziges Aufgabengebiet umfasst den Entwurf von analogen und Mixed-Signal-ASICs und in seiner Funktion als Technologiespezialist die Pflege und Aktualisierung der bei Mazet verwendeten Halbleitertechnologien.