Smart Sensors Modulare Sensorik für Farbanwendungen

Farbmessaufgaben haben sehr unterschiedliche Anforderungen an Genauigkeit und Messzeit. Im Bereich Druck gilt es, synchronisiert in kürzester Zeit bei vergleichsweise viel Licht von einer remittierenden Vorlage exakt die Farbe zu messen. Bei einer Bildschirmkalibrierung hingegen ist die Messzeit eher unkritisch zu sehen, während gerade im Schwarzbereich nur noch minimal emittiertes Licht für die Messung zur Verfügung steht. Unabhängig vom Detektor müssen hier an die Anwendung angepasste Sensorschaltkreise zum Einsatz kommen, die jeweils für energiereiche/-arme bzw. schnelle/langsame(re) Anwendungen die volle Dynamik und Bandbreite bieten.Bei den Detektoren selber kann wiederum das Sensorprinzip entsprechend der Anwendung, d. h. Ziel der Farbmessung und geforderter Genauigkeit, angepasst sein, um eine messtechnische sowohl Unter- als auch Überdimensionierung zu verhindern. Konkret unterschiedliche Anforderungen sind dabei in den Anwendungen „Farbe Teachen“, absolute Farbmessung (z. B. nach CIE1931) oder Messung spektraler Anteile zu finden. MAZeT bietet innerhalb ihrer Jencolor-Sensorfamilie für o. g. Technologien und Anwendungen eine Vielzahl von Komponenten, die je nach Kundenanforderungen miteinander als Standardprodukte in ein Design einfließen. Die Auswahl der einzelnen Komponenten kann mittels eines Entwicklungssystems innerhalb der Testphasen vorab getestet oder softwaretechnisch unter verschiedenen Bedingungen simuliert werden. Dazu stehen passende Tools und Hardware zur Verfügung.

Der Detektor bestimmt die Farbgenauigkeit

Farbmessaufgaben lassen sich mit unterschiedlichen Technologien realisieren. RGB-Drei-bereichsfarbsensoren sind kompakt, enthalten drei Bandpässe im VIS-Bereich und wurden für eine schnelle Farbdetektion optimiert. Mittels der RotGrün-Blau-Filter sind sie für eine einfache Farb- detektion zum Farbvergleich, für relative Farb-(differenz)messung oder auch für eine Farbbestimmung mittels Lookup-Table geeignet. Man findet sie zumeist in Anwendungen mit einer definierten Menge an Messfarben bzw. in Teach-Prozessen, in denen Farben angelernt und wiedererkannt werden müssen. True-Color-Sensoren mit XYZ-Filter eignen sich durch ihre standardisierte Filtercharakteristik für absolute Farbmessung. Mit ihnen lässt sich Farbe an Stoffen, in Flüssigkeiten oder von Licht exakt entsprechend CIE1931 messen. Das ermöglicht Messsysteme, welche das Farbempfinden des Menschen nachbilden und deren Ergebnisse XYZ-Punkte im Lab(Luv)-Farbraum darstellen. Die XYZ-Filter bestehen wie bei allen Jencolor-Sensoren aus stabilen Interferenzfiltern ohne Drifterscheinungen. Damit ist der Sensor im System der „Fels in der Brandung“, da er keiner nachweisbaren Alterung und keinem Temperatureinfluss unterliegt. Er kommt daher insbesondere überall zum Einsatz, wo Genauigkeit und Stabilität der Farbe unabdingbar sind - wie bei der Kalibrierung des Kabinenlichtes in Flugzeugen, in der Hintergrundbeleuchtung von Displays oder beim Farbmanagement in Digitalkameras. Bei spektralen Messaufgaben kommt der Multiple Color Sensor (MMCS6) mit sieben spektralen Kennlinien im VIS-Bereich zum Einsatz. Die Bewertung einer Farbe findet dabei nicht auf der kolorimetrischen Ebene statt, sondern auf der radiometrischen Ebene. Als Ergebnis erhält man das Spektrum einer Farbe, das entsprechend ausgewertet wird oder mit Faltung der Normspektralwertfunktion zum Lab-Farbort führt. Damit kann eine wesentlich höhere Informationsdichte in Bezug auf die Farbmessung erreicht werden und Metamerieeffekte werden herausgefiltert. Durch eine spektrale Approximation der gemessenen Farbe können so selbst dort Farbunterschiede bestimmt werden, bei denen das menschliche Auge versagt.

Der Signalwandler bestimmt Messfrequenz und Auflösung

In Anwendungen ist es oft erforderlich, die teilweise extrem geringen Signalpegel, die bei geringer Beleuchtung schnell in der Nähe des Eigenrauschens liegen können, zu messbaren Signalen aufzubereiten. Dazu hat MAZeT integrierte Verstärker und Auswerteschaltungen entwickelt, die diese kleinen Eingangssignale in eine auswertbare Signalspannung im Volt-Bereich verstärken und wandeln. In Verbindung mit den Jencolor-Sensoren stehen damit mehrkanalige Sensorsignalverstärker zur Verfügung, die allgemein für Sensoren mit Stromausgang auch kleinste Eingangsströme schnell und in hoher Bandbreite und Dynamik verstärken und auch on-Chip digitalisieren. In den ICs ist über eine externe Programmierung der Verstärkerstufen eine dynamische In-Line-Verstärkung über alle Kanäle separat möglich. Die Verstärkerstufen zeichnen sich unabhängig von der gewählten Verstärkung durch ein geringes Rauschen aus und arbeiten mit hoher Linearität und Gleichlauf. Zusätzlich sind in jedem IC ein A/D-Wandler, Temperaturkompensation und ein digitales Interface mit integriert. Die Signal-ICs sind entsprechend ihres Wandlerverfahrens für unterschiedliche o. g. Applikationen spezifiziert. Der Sensor-Signal-IC MDDC04AQ basiert auf einem Transimpedanzverstärker. Diese werden bevorzugt in der industriellen Messtechnik zur schnellen und zyklischen Wandlung und Verstärkung kleinster Ströme in optoelektronischen Sensoren verwendet. Der IC ist unabhängig für jeden Eingangskanal über fünf Bit in 16 Stufen digital via SPI-Interface programmierbar. Die Abstufung zwischen den Transimpedanzen pro Kanal wird binär realisiert mit zusätzlichen Zwischenstufen im Bereich von ca. 1,6 bis 100 MOhm. Mit der maximalen Transimpedanz lassen sich selbst Ströme im nA-Bereich schnell messen und ein Dynamikbereich von 30 dB (von 11,7 nA bis 2 μA; LSB down bis 2,8 pA) abdecken. On-Chip enthält der IC intern on-Chip eine 12-Bit-A/D-Wandlung. Diese funktioniert grundsätzlich als „Succesive Approximation“. Der MDDC04AQ eignet sich für schnelle Anwendungen in Verbindung mit Detektoren und Arrays, wie zum Beispiel In-Line-(Farb-)Messung und -Steuerung in automatisierten Prozessen wie beispielsweise für Druck und Analytik. Der zweite Sensor-Signal-IC MCDC04AQ arbeitet als Strom-Digital-Wandler. Die Fotoströme der Detektoren werden on-Chip digital mittels zeitkontinuierlich integrierendem Ladungsbalance-Verfahren gewandelt und stehen über ein I²C-Interface als digitale Daten mit 16-Bit-Format ausgangsseitig zur Verfügung. Der FullScale Range (FSR = 5 pA bis 20 uA) ist an die jeweilige Applikation anpassbar und erfolgt durch eine Einstellung und Variation des Referenzstrom (40 nA bis 40 uA) und der Integrationszeit. Der verwendete ADC wird mit einer konstanten Taktfrequenz betrieben und verändert mit der Integrationszeit zwangsweise die Auflösung der A/D-Wandlung. Das führt zu einer Auflösung von 20 Bit bei maximaler Integrationszeit (TINT = 1 s) und 12 Bit bei minimaler Integrationszeit (TINT = 1 ms). Der IC besitzt die Möglichkeit der externen Synchronisation der Messung. Auf Grund der internen Strom-Ladungswandlung in den entsprechenden Parametern eignet sich der Signal-ICs in Verbindung mit True-Color-Sensoren für Anwendungen mit hoher Lichtvarianz, d. h. in Anwendungen, in denen zugleich viel bis sehr wenig Licht als Farbe gemessen werden muss. Dazu gehören z. B. Backlightanwendungen zur Weißsteuerung und Schwarzdimmung oder auch Fluoreszenzmessungen in der Analysetechnik.