Leistungsvergleich zwischen Farbsensoren und Spektrometer

Unter Kolorimetrie versteht man die Messung von Farben. Heutzutage findet sie vor allem in bestimmten Anwendungen der Consumer-Elektronik, Medizin und Industrie Verwendung und gewinnt dort auch weiter an Bedeutung. Farbsensor-ICs spielen bei der weiteren Steigerung der Leistung von Smartphone-Displays und -Kameras eine entscheidende Rolle. Diese ICs stehen auch im Zentrum einer Revolution im Bereich Horticulture, wo sie die Voraussetzungen schaffen, um das Licht spezieller LED-Leuchten so zu regeln, dass sie die Erträge im intensiven Vertical Farming steigern. Hinzu kommen ständig neue Anwendungen für die Farbmessung.

Frühe Anwendungen von Farbsensoren basierten auf dem Einsatz einfacher RGB-Sensoren (Rot/Grün/Blau). Mittlerweile sind die Anforderungen an den Sensor oder Detektor komplexer geworden. Die Farbmessung erfordert Know-how auf Seiten des Systementwicklers.

Das ist zum Teil deshalb so, weil die menschliche Wahrnehmung von Farben nicht nur auf einem absoluten physikalischen Wert beruht, wie es etwa elektrischer Strom oder Luftdruck ist. Vielmehr gibt es bei der Farbwahrnehmung eine starke subjektive oder physiologische Komponente. In der Praxis bedeutet das, dass sich mit statistischen Mitteln zwar ein Standard für die durchschnittliche menschliche Farbwahrnehmung herleiten lässt, jedoch variiert die Physiologie des Auges von Mensch zu Mensch. Zudem können einzelne Personen eine Farbwahrnehmung aufweisen, die stark vom Durchschnitt abweicht.

Die Schärfe der menschlichen Farbwahrnehmung wirkt sich auf die Anforderungen an die Messgenauigkeit eines Farbsensors aus. Zu diesem Zweck sind zwei Standardmodelle definiert worden: die Industrienorm CIE1931 für eine dem menschlichen Auge entsprechende Farbwahrnehmung und die Zerlegung von Licht oder Farbe in die einzelnen Spektralkomponenten.

In jedem Fall erfordert jede kolorimetrische Anwendung die gleichen grundlegenden Systemelemente und den gleichen Sensoraufbau:

• Sensor, Filter
• Elektronik
• Beleuchtung
• Kalibriertarget

Die Auswahl der Lichtquellen, die Funktionsweise des Systems und die Eigenschaften der Filter bestimmen den Umfang der Detektionsfähigkeiten des Sensormoduls. Dahingegen beeinflusst die elektronische Schaltung in einem Sensor die Qualität der Sensorsignale und die Reaktionsgeschwindigkeit in erheblichen Umfang.

Bild 1: Typische spektrale Eigenschaften der True-Color-Sensoren AS7261 oder AS7221 mit eingebauten Interferenzfiltern. AMS

Die verschiedenen Arten von Einrichtungen zur Farbmessung unterscheiden sich in ihren Fähigkeiten und ihrer Leistung:

• XYZ- oder True-Color-Sensoren
• Multispektral-Sensoren
• RGB-Sensoren
• Mini-Spektrometer

Typen von Farbsensoren und -detektoren

Bei Anwendungen in der Kolorimetrie kommen gemeinhin zwei Typen zum Einsatz: Zum ersten herkömmliche Spektrometer als Referenz und Kalibriervorrichtung und zweitens Farbsensor-IC, mit denen sich eine gute bis ausgezeichnete Genauigkeit bei der Farbmessung zu niedrigen Kosten erreichen lässt.

Bild 2: Die spektrale Empfindlichkeit des Multispektral-Sensors AS7341. AMS

Unter bestimmten Umständen kann auch ein Mini-Spektrometer eine geeignete Wahl sein. Für einen aussagefähigen Vergleich der Leistung dieser verschiedenen Sensortypen hat AMS Messungen in Anordnungen durchgeführt, die auf tatsächlichen Anwendungen beruhen.

True-Color-Sensoren

True-Color-Sensoren wie der AS7261 oder der AS7221 können bei der Farbmessung Absolutwerte bestimmen. Sie arbeiten mit Interferenzfiltern als solide technologische Grundlage für die Farbmessung nach Farbstandards. Diese Sensoren messen Werte genau so, wie das menschliche Auge sie sieht (Bild 1).

Die Interferenzfilter bestimmen die spezifische Empfindlichkeit für die Wellenlänge der einzelnen Farbkanäle. In kalibrierter Form liefern sie die gemessenen Farbwerte als XYZ-Werte (Farbkoordinaten), die dann als Ausgangswerte für die Umwandlung in andere Farbräume dienen. XYZ-Koordinaten bauen auf den Eigenschaften des durchschnittlichen menschlichen Auges als „Normalbeobachter“ nach CIE 1931 auf. True-Color-Sensoren machen es daher möglich, die Farben von Textilien oder Druckerzeugnissen in der gleichen Weise in nummerischen Werten zu beschreiben, wie sie das menschlichen Auge tatsächlich wahrnimmt.

Multispektral-Sensoren

Multispektral-Sensoren, wie etwa der AS7341 von AMS, sind Sensoren der nächsten Generation. Sie arbeiten mit mehreren Kanälen, um bei geringen Kosten möglichst viele Informationen zu erhalten. Wenn Farbkoordinaten nicht ausreichen, dann messen diese Sensoren die spektrale Zusammensetzung von Objekten. So kann dieses Prinzip etwa Metamerie (Falschfarben) ausgleichen. Ein Multispektral-Sensor beantwortet die Frage, ob ein bestimmtes Orange eine Mischung aus Rot und Gelb oder ein reines Orange ist. Sie können auch spektrale Lichtwerte messen wie etwa den Farbwiedergabeindex (CRI) oder herkömmliche Werte wie Helligkeit oder die korrelierte Farbtemperatur (CCT). Dazu teilen Multispektral-Sensoren das ausgewählte Spektrum in Spektralkanäle auf. Die Filter sind so angeordnet, dass ihre Durchlassbereiche aneinander anschließen, wodurch im ausgewählten sichtbaren oder NIR-Spektrum fast keine Lücken auftreten (Bild 2).

Bild 3: Typische Eigenschaften eines RGB-Sensors (TCS3400). AMS

Im sichtbaren Bereich erfolgt die Messung mit einem Multispektral-Sensor auf radiometrischer und nicht auf kolorimetrischer Ebene. Das heißt, der Sensor gibt das Spektrum der Probe aus und bestimmt den Farbort über diese Spektralwerte. Im NIR-Bereich lässt sich das gemessene Spektrum auch dazu verwenden, bestimmte Bandpässe und chemische Verbindungen auf Feuchtigkeit, Fette oder Proteine zu untersuchen. Je weiter der Erkennungsbereich im NIR-Bereich liegt, auch wenn er über den Bereich des Siliziums hinausgeht, desto einfacher ist es, einzelne Substanzen zu bestimmen.

Die herkömmliche RGB-Technologie kann als Untergruppe der Spektralsensoren betrachtet werden. Sie arbeitet gemeinhin mit drei Bandpassfiltern im Bereich des sichtbaren Lichts (Bild 3). Im Verhältnis zu den einzelnen Wellenlängen sind die Spitzen der Spektralkurven nicht gleichmäßig verteilt. Vielmehr definieren Entwickler sie im Rahmen eines Projekts entsprechend den Vorgaben zu Messaufgabe und den Kosten.

Diese Art der Farbmessung ist nicht auf einen Standard oder ein Modell der Farbwahrnehmung des menschlichen Auges bezogen. Je nach verlangter Genauigkeit kann aber auch ein RGB-Sensor kolorimetrische Aufgaben übernehmen. Doch selbst beim Einsatz komplexer Kalibrierungsmethoden bleibt die Genauigkeit der Farbmessung eines RGB-Sensors auf die Informationen aus den drei Bandpässen beschränkt.

Mini-Spektrometer

Tabelle 1: Vergleich von RGB- und True-Color-Sensoren bei einer D65-Messung. AMS

Mini-Spektrometer sind kompakte und robuste Sensorlösungen, die Spektralwerte messen und eine Interpretation des Farbraums unterstützen. Jedoch ist ihre Auflösung im Vergleich zu Laborspektrometer beschränkt. Wegen der geringeren Anzahl spektraler Abtastpunkte sind sie allerdings etwas schneller.

Leistungsvergleich

Um die verschiedenen Typen von Farbsensor-ICs zu vergleichen, misst das Team von AMS ein oder mehrere Samples, die dann als Referenzwerte dienen. Für den RGB- (relative Messungen) oder kolorimetrischen XYZ-Wert wird ein Grenzwert festgelegt, etwa ΔEL*a*b* (bei absoluten Messungen). Zum Vergleich der verschiedenen Sensor- und Detektortypen hat AMS Testaufbauten konfiguriert, die auf realen Anwendungen beruhen.

LED-Beleuchtungsmessung und -regelung mit RGB- oder True-Color-Sensoren

Bestimmte LED-Leuchten oder LED-Hintergrundbeleuchtungen für Displays benötigen eine genau spezifizierte Farbtemperatur oder einen spezifischen Farbort. Außerdem müssen Effekte wie Farbverschiebungen durch Temperaturdrift oder Alterung ausgeglichen werden.

Farbunterschiede mit einem ∆-Wert kleiner oder gleich 0,005 kann das menschlichen Auge wahrnehmen. Ein geschultes Auge erkennt sogar Farbunterschiede mit einem ∆-Wert von nur 0,003. Die Testergebnisse in Tabelle 1 beschreiben die Messergebnisse von RGB- und True-Color-Sensoren bei der Messung einer D65-Weißlichtquelle.

Bild 4: Leistung eines Multispektral-Sensors im Vergleich zu einem Mini-Spektrometer. Für die Refe-renzmessungen wurde ein Laborspektrometer verwendet. Die Abbildung zeigt die Werte in xy (Farbkoordinaten). AMS

Für die Tests baute das Projektteam von AMS zwei Systeme mit einer LED-Feeback-Regelung auf, eines mit einem RGB-Sensor und ein weiteres mit einem True-Color-Sensor, und kalibrierte es bei einer Temperatur von 40 °C . Als nächstes veränderten sie die Temperatur der LED, um eine Farbdrift herbeizuführen. Eine Regelschleife glich diese Drift aus. Tabelle 1 zeigt, dass das RGB-Sensorsystem eine Regelgenauigkeit von größer 0,007 bei 40 °C hat, wobei bei höheren Temperaturen eine weitere Drift auftritt. Die Farbabweichung in der Regelschleife mit einem True-Color-Sensor bleibt jedoch bei einem Wert von 0,0011 für das menschliche Auge nicht wahrnehmbar.

Displaymanagement mit Multispektral-Sensor und Mini-Spektrometer

Gerade in der Medizintechnik ist es wichtig, dass Bildschirme von Diagnosegeräten ein hohes Kontrastverhältnis aufweisen, um feine Einzelheiten erkennen zu können. Dafür sind Display-Messeinrichtungen mit hoher Genauigkeit und Empfindlichkeit erforderlich.

Früher erfolgte die Kalibrierung der Displays in Kalibrierlabors zu entsprechend hohen Kosten. Moderne Farbsensoren aber eröffnen eine schnellere, praktischere und ebenso effektive Alternative. Um diese Annahme zu überprüfen, schuff AMS einen zweiten Test. Dabei wurde eine Diffusorplatte bei Raumtemperatur mit LED-Licht mit einer Betriebstemperatur von 40 °C beleuchtet und der Farbton gemessen. Die mit einem Multispektral-Sensor-IC und einem Mini-Spektrometer gemessenen Werte verglichen sie mit den Referenzwerten eines Spektrometers (Bild 4).

Die Messergebnisse zeigen, dass das Sensor-IC und das Mini-Spektrometer die Signale schneller verarbeiten als das Referenz-Spektrometer, ihre Fehler und Genauigkeitswerte jedoch unterschiedlich sind. Die Messwerte des Mini-Spektrometers weisen einen durchschnittlichen Fehler der Farbortmessung ∆ u‘v‘ von 0,01 bis 0,03 auf – das ist für das menschliche Auge wahrnehmbar.

Tabelle 2: Vergleich der Messungen eines Mini-Spektrometers und eines Multispektral-Sensors. AMS

Die Messungen mit dem True-Color-Sensor haben einen durchschnittlichen Fehler ∆u‘v‘ von 0,001 bis 0,005. Diese Differenz liegt weiterhin unter der Wahrnehmungsfähigkeit des menschlichen Auges (Tabelle 2).

True-Color- und Multispektral-Sensoren in der Druckindustrie

Die Druckindustrie braucht Spektralmessungen während des Druckprozesses. Inline-Messungen können eine Herausforderung sein, da die Steuerung des Druckprozesses anhand der  Messwerte erfolgt. In einem Praxistest wurde ein X-Rite-Colorchecker verwendet, um absolute Farbmessungen zu erhalten. Parallel dazu hat AMS einen Multispektral-Farbsensor mit mehrkanaligem Transimpedanzverstärker und flexibler Verstärkung eingesetzt, um Spektralmessungen durchzuführen. Als Standardlichtquelle diente eine weiße LED.

Mit dem Multispektral-Sensor maß das Team von AMS die 24 Farbräume des Colorchecker und verglich die Werte dann anschließend mit den Referenzwerten eines Spektrometers. Eine Regressionsgleichung für die spektrale Näherung zeigt, dass der Colorchecker eine durchschnittliche Genauigkeit ∆E00 von 0,72 erreicht (Bild 5).

Der True-Color-Sensor wies unter identischen Bedingungen eine durchschnittliche Genauigkeit ∆E00 von 1,57 auf.

Bild 5: Bewertung der Ergebnisse aus der Multispektralmessung. AMS

Vorteile der Multispektral-Sensoren sind ihre höhere Genauigkeit und ihr Messumfang, um spektrale Näherungsmethoden einsetzen zu können. Falls die Druckfarben bekannt sind, lassen sich die Ergebnisse über eine Kalibrierung der jeweiligen Farben verbessern. Damit wird es möglich, absolute Genauigkeiten von ∆ E00 kleiner 1 zu erreichen, und das unabhängig vom Normalbeobachter und einer Normlichtquelle.

Die Abweichungen der Sensoren gegenüber dem Spektrometer betragen ∆E00 = 0,3 für Cyan, ∆E00 = 0,9 für Magenta und ∆E00 = 0,3 für Gelb.

Schlussfolgerung

In den Tests von AMS führte das Projektteam alle Messungen innerhalb eines kalibrierten Systems durch. Die Lichtquelle, das Target und der Sensor kalibrierten sie mithilfe eines Referenz-Spektrometers. Diese Tests zeigen, dass True-Color- und Multispektral-Sensoren bei Farbmessungen die Genauigkeit eines Mini-Spektrometers erreichen können. In einigen Anwendungen sind sie sogar noch genauer. Bei der Entscheidung, welche Technologie zur Farbmessung zum Einsatz kommen soll, muss bekannt sein, welche Art von Farb- oder spektralen Informationen notwendig ist und wie die Verarbeitung dieser Daten erfolgt.

Tabelle 3: Übersicht der Eigenschaften verschiedener Typen von Sensoren und Messgeräten. AMS

So liefern beispielsweise Mini-Spektrometer keine konsistenten Messungen des Farbwerts von LED-Leuchten mit PWM-Regelung und sind daher für diese Anwendung ungeeignet. RGB- und True-Color-Sensoren liefern keine Spektralmessungen, weshalb sie sich nicht für Anwendungen eignen, bei denen Spektralwerte notwendig sind, etwa bei der CRI-Messung oder Metamerie-Effekten. In diesem Fall bieten Multispektral-Sensoren eindeutig das bessere Preis-Leistungs-Verhältnis.

Die Tests von AMS zeigen, dass es für jede Anwendung eine geeignete Sensorlösung gibt. RGB-Sensoren sind die beste Lösung für eine einfache Farberkennung, True-Color-Sensoren sind ideal für absolute Farbmessungen und Multispektral-Sensoren oder Mini-Spektrometer eignen sich für Absolutwert- oder Spektralmessungen.

(prm)