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Neue Möglichkeiten mit LEDs

Sensoren für das richtige Licht

11. April 2012, 9:37 Uhr | Dr. Torsten Schulz und Todd Bishop

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Fortsetzung des Artikels von Teil 2

Die Bausteine des Systems

Physikalische Vorgänge

Integrierte Farb-Sensoren sind Fotodioden aus Silizium mit zusätzlicher Beschaltung auf demselben Chip. Die Diode wird von Filtern oder anderem transparenten Material geschützt. Das einfallende Licht erzeugt Elektron-Loch-Paare, die als Strom aufintegriert werden. Die generierte Ladung verhält sich streng linear zur einfallenden Lichtmenge. Das Licht passiert also die Filter, die eine bestimmte Dicke haben. Die Schwankung dieser Dicke stellt bereits eine Fehlerquelle dar. Sie fällt unter die Kategorie K_s. Hier sind auch andere geometrische Größen zu nennen, wie die empfindlichen Flächen etc. Darüber hinaus ist zu prüfen, ob das Material altert und so seine Eigenschaften verändert. Dies wäre sowohl als K_i als auch als K_s einzuordnen. Einer der wichtigsten Parameter einer Diode ist ihr Dunkelstrom, der auch gemessen wird, wenn kein Licht auf den Sensor trifft. Dieser Strom hängt sehr stark von der Temperatur ab. Auf jeweils 8 Kelvin Temperaturzuwachs verdoppelt er sich ungefähr. Hier haben wir es auch sowohl mit K_i als auch mit K_s zu tun.

Einflüsse auf die Elektronik

Das Signal der Fotodiode wird durch Vorverstärkung und A/D-Wandlung weiterverarbeitet. Dabei unterliegen die entsprechenden Schaltkreise auf dem Chip einer gewissen Toleranz. Die Verteilung dieser Toleranzen wird der Einfachheit halber als Gaußsch angenommen. Also ist auch das Ausgangsignal davon betroffen. Dies kann der Kategorie K_s zugeordnet werden. Weiteren Einfluss auf die Schaltung hat auch die Temperatur, denn sie verändert auch das Zeitverhalten. Eine bei 25 °C auf 100 Einheiten gesetzte Integrationszeit erhöht sich um ca. 4 %, wenn die Temperatur um 50 K steigt. Eine verlängerte Integrationszeit führt aber zu einer systematischen Erhöhung der gesammelten Ladung, also zu einem erhöhten, gemessenen Lichtwert. Für die A/D-Wandlung wird angenommen, dass diese weder streut noch individuellen Änderungen unterliegt. Diese Liste von Faktoren mit Einfluss auf die Farbmessung gilt für alle integrierten Sensoren. Dasselbe Licht wird zu leicht verschiedenen Ergebnissen führen, wenn es z.B. in der CIE-Ebene dargestellt wird oder auch in den CIELAB- oder CIELUV-Räumen.

Äußerer Einfluss auf die Messgenauigkeit

Für die Messung von Farbe sollen zwei Fälle unterschieden werden. Im ersten Fall wird die Farbe eines Objektes bestimmt, das selbst leuchtet. Im anderen Fall gilt es, die Farbe eines Objektes zu bestimmen, das von außen beleuchtet wird.

Bei der Farbbestimmung eines selbst leuchtenden Objekts muss jedes Licht aus der Umgebung vermieden werden. Um die bestmögliche Genauigkeit zu erreichen, sollte es absolut dunkel sein. Weiterhin muss die Drift der Lichtquelle betrachtet werden, die wiederum ihrerseits durch Alterung oder Temperaturveränderung hervorgerufen wird. In vielen Fällen ist diese Kontrolle der Zweck der Farbbestimmung, damit die emittierte Farbe konstant bleibt.

Wenn der untersuchte Gegenstand nicht selbst Licht aussendet, sondern reflektiert, ist es sehr wichtig, die spektrale Verteilung der Lichtquelle zu kennen. Vereinfacht gesagt kann ein Farb-Sensor (und auch das Auge) nur die Farben sehen, die auch von der Lichtquelle zur Verfügung gestellt werden. (Diese Erfahrung hat schon jeder gemacht, der sich in einem Kaufhaus für ein Kleidungsstück wegen seiner Farbe entschieden hat, um dann im Sonnenlicht festzustellen, dass ihm die wirkliche Farbe gar nicht gefällt.)

Die Qualität einer Lichtquelle bezüglich ihrer Fähigkeit, so wie die Sonne das volle Farbspektrum abzugeben, wird mit dem so genannten Color Rendering Index (CRI) angegeben. So wie für Selbstleuchter, muss auch bei diesen Lichtquellen jede Drift usw. ausgeschlossen oder überwacht und geregelt werden. Auch hier ist es besser, zusätzlichen, unkontrollierten Lichteinfall zu vermeiden. Besondere Aufmerksamkeit verdient auch die Anordnung der Lichtquelle zum Objekt und zum Sensor. In jedem Fall ist auch sorgsam darauf zu achten, dass kein IR-Licht auf den Sensor fällt. Da die Filter im IR-Bereich durchaus transparent sein können, würde das IR-Licht das Ergebnis erheblich verfälschen.