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.

Eckdaten

Der Markt für leistungsfähige und präzise Farb- und Spektralsensoren wächst rasch. Dahinter steht die Nachfrage der Hersteller von Mobiltelefonen, Displays und speziellen Beleuchtungseinrichtungen. Die Hersteller optischer Halbleiter haben daraufhin verschiedene Familien von Sensorprodukten für unterschiedliche Anforderungen entwickelt. Dieser Artikel beschreibt die Typen der heute gebräuchlichen optischen Sensoren und Detektoren und erklärt, wie man die Eignung der verschiedenen Typen für spezifische Anwendungen bewerten und die erforderlichen Eigenschaften und die Leistung spezifizieren kann.

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 einge-bauten Interferenzfiltern.

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.

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.

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