Dipl.-Ing. (FH) Joachim Hueber, Micro-Epsilon Eltrotec GmbH
Farbe ist für die industrielle Messtechnik eine große Herausforderung, da sie ein individueller, visueller, durch Licht hervorgerufener Sinneseindruck ist. Bei der Farbmessung geht es daher immer um den Vergleich zwischen der gemessenen zur eigentlich wahrgenommenen Farbe durch das menschliche Auge. Diese Wahrnehmung wird durch Licht im Wellenlängenbereich von 380 nm bis 780 nm hervorgerufen und das Auge erkennt bereits kleinste Farbabweichungen. Dementsprechend werden für industrielle Anwendungen Sensoren benötigt, die so funktionieren, dass sie der menschlichen Farbwahrnehmung entsprechen. Das Auge selbst hat unterschiedliche Sinneszellen: 120 Mio. Stäbchen sind für das Hell-Dunkel-Sehen zuständig und 6 Mio. Zapfen sorgen für die Farbwahrnehmung. Die Zapfen können zudem in drei verschiedene Arten eingeteilt werden, die auf unterschiedliche Wellenlängenbereiche des sichtbaren Spektrums reagieren. Dementsprechend ist der Farbraum auch dreidimensional. Im Vergleich zu den Zapfen haben Stäbchen allerdings eine deutlich höhere Empfindlichkeit – deshalb ist das Farbsehen auch von der Beleuchtung abhängig.
Funktionsprinzipien der Sensoren
Ein Farbsensor muss in der Lage sein, das reflektierte Spektrum zu detektieren und sollte dabei die Funktionsweise des menschlichen Auges imitieren. Für die Messung wird das reflektierte Licht in spektrale Anteile zerlegt. Die einfachste Methode hierzu sind Filter, die jeweils nur für einen Teil des Spektrums durchlässig sind. Auf dieser Methode basieren auch die meisten herkömmlichen CCD-Kameras, deren Sensor in grüne, rote und blaue Pixel unterteilt ist.
Farbsensoren für industrielle Anwendungen, wie die neue Colorsensor-CFO-Serie von Micro-Epsilon, arbeiten nach einem genaueren Prinzip. Dabei wird die Probe mit einer Lichtquelle beleuchtet – in der Regel werden dafür inzwischen Weißlicht-LED-Beleuchtungen verwendet. Das von der Probe reflektierte Licht trifft dann auf den Sensor, wo es durch drei verschiedene Filter auf lichtempfindliche Sensorelemente trifft. Die Absorptionsspektren der verwendeten Filter sollten dabei so gewählt sein, dass sich die Bereiche überlappen. Sie teilen das Licht in langwellige (X), mittelwellige (Y) und kurzwellige (Z) Anteile auf und die einzelnen Signale werden in L*a*b*-Farbwerte transformiert. Auf diese Weise erhält man Messwerte, die eine Einordnung der Farbe entsprechend der Farbwahrnehmung des menschlichen Auges ermöglichen. Man spricht daher auch von perzeptiven Farbsensoren oder True-Color-Sensoren. Sie eignen sich besonders dafür, Farbabweichungen zu erkennen. Trotz der eher komplexen Materie kann der Anwender die gewünschte Farbe einfach über eine Teach-In-Funktion einlernen und zusätzlich eine maximal erlaubte Farbabweichung angeben. Der Sensor vergleicht dann im Betrieb die Farbe der Produkte und kann beispielsweise über einen digitalen Ausgang signalisieren, ob die Farbe der Probe innerhalb des Toleranzbereichs liegt.
