Farbmessung in industriellen Anwendungen mit präzisen Farbsensoren
Farbsensoren messen Farben von Objekten anhand der relativen oder der absoluten Farbmessung und somit über Referenzwerte oder eindeutig über das Reflexionsspektrum. Sie werden darüber hinaus auch für Intensitätsmessungen, Vollständigkeits- und Anwesenheitsprüfungen, Prüfung von Farbunterschieden und zur Bewertung von Oberflächeneigenschaften eingesetzt. Farbsensoren kommen in gängigen Industrien zum Einsatz.
Farbe als messtechnische Herausforderung
Farbe ist für die industrielle Messtechnik eine große Herausforderung, da Farbe ein individueller, visueller, durch Licht hervorgerufener Sinneseindruck ist. Bei der Farbmessung geht es daher immer um den Vergleich zwischen der gemessenen und der eigentlich wahrgenommenen Farbe durch das menschliche Auge. Bei den meisten Anwendungen ist entscheidend, dass kleinste Farbabweichungen erkannt werden müssen, da diese vom Auge bereits wahrgenommen werden. Lackierte Teile am Auto, Druckerzeugnisse oder Fassadenplatten sind nur einige Beispiele für Produkte, deren Farbe während der Produktion kontrolliert werden muss, da auch kleinste Abweichungen in Helligkeit oder Dunkelheit erkennbar sind. Farbsensoren müssen daher die Funktion des menschlichen Auges übernehmen, um im sichtbaren Wellenlängen-Bereich Farbunterschiede zu erkennen.
Wie wird Farbe erfasst?
Farbe ist physikalisch gesehen ein reflektiertes Intensitätsspektrum im sichtbaren Wellenlängen-Bereich. Dieses Reflexionsspektrum ist neben der Farbe des Objekts abhängig von der Beleuchtung. 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. Somit dienen Farbsensoren dazu, in Objektfarben im Sinne der Farbmetrik zu quantifizieren. Ein praktisches Beispiel für die Farbmetrik ist der so genannte Farbabstand ΔE, der Abstand zweier Farben im Farbraum. Dieser Farbabstand ist auch ein wichtiger Parameter für industrielle Messaufgaben. Die Wahrnehmungsgrenze beim Menschen für Farbunterschiede liegt je nach Farbe bei einem ΔE zwischen 0,5 und 1. In der Automobilindustrie wird in der Regel ein ΔE < 0,1 gefordert.
Was ist ein Farbsensor?
Als Farbsensor wird ein Farbmessgerät bezeichnet, das unter anderem zur Qualitätskontrolle eingesetzt wird und signalgebend optisch arbeitet. Es erfasst selektiv den sichtbaren Spektralbereich und bewertet ihn. Die für die meisten Menschen sichtbaren Wellenlängen liegen zwischen circa 380 Nanometern und 780 Nanometern. Ausgegeben werden Farbmaßzahlen, die für die weitere Verarbeitung entscheidend sind. Es gibt verschiedene Farbsensoren wie LAB-Farbsensoren, RGB-Sensoren und True Color Farbsensoren.
Unterschied: Relative Farbmessung und Absolute Farbmessung
Wie funktioniert die relative Farbmessung?
Die Probe wird mit einer Lichtquelle beleuchtet. Das von der Probe reflektierte Licht trifft dann auf den Sensor, wo das Licht durch drei verschiedene Filter auf lichtempfindliche Sensorelemente trifft. Die Filter teilen das Licht auf in langwellige (X), mittelwellige (Y) und kurzwellige (Z) Anteile. Die einzelnen Signale werden dann 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 Farbsensoren. Der Begriff „relative Farbmessung“ ist gleichzusetzen mit einer Farbprüfung. Dabei wird die vom Farbsensor erfasste Farbe mit einer per Teach-In-Funktion eingelernten Referenzfarbe verglichen. Der Sensor gleicht also den Farbabstand zwischen dem Messobjekt und der Sollfarbe ab. Die Ausgabe erfolgt als OK- oder NOK-Bewertung. Unterschieden werden können kleinste Differenzen, auch bei dunklen Farben oder auf glänzenden, spiegelnden und strukturierten Metallen.
Vorteile der relativen Farbmessung
- Hohe Messgeschwindigkeit für dynamische Prozesse
- Großer Farbspeicher für unterschiedliche Prüfchargen
- Hohe Farbgenauigkeit
- Einfache Bedienung über Webinterface
Wie funktioniert die absolute Farbmessung?
Inline-Farbmesssysteme (oft auch als Spektralphotometer bezeichnet) wie das colorCONTROL ACS7000 messen den exakten Farbwert. Es lassen sich hierbei alle Farben des Farbspektrums ermitteln. Das Spektrum des einfallenden Lichts wird über Brechung an einem Gitter in 256 Anteile zerlegt, die hinter dem Gitter auf eine CCD-Sensorzeile abgebildet werden. Damit kann das komplette sichtbare Spektrum sehr genau mit einer spektralen Auflösung von 5 nm vermessen werden. Das Farbmesssystem sowohl einen Vergleich zu Referenzfarben als auch eine eindeutige Farbidentifizierung und die Möglichkeit einzelne Farben als Koordinaten im Farbraum auszugeben.
Vorteile der absoluten Farbmessung
- Berührungsloses Messen
- Höchste Farbwertauflösung: ∆E ≤ 0,08 (5 nm)
- Einfache Bedienung über Webinterface
- Keine Referenz erforderlich, da absolute Messung
Hochpräzise True Color Farbsensoren im Video
Häufig gestellte Fragen
Messungen können unter anderem auf Metall, Kunststoff, Glas, Keramik oder Textilien erfolgen.
Je nach Messaufgabe bietet Micro-Epsilon verschiedene Sensortypen an, um Anwendungen individuell und dadurch mit höchster Genauigkeit zu lösen. Auch beim Controller bzw. beim verwendeten Messverfahren gibt es mehrere Modelle, die je nach Messaufgabe eingesetzt werden.
Die colorSENSOR OT Modelle sind Farbsensoren mit integriertem Controller. Diese Modelle eignen sich insbesondere für Farbmessungen aus großer Entfernung.
Die colorSENSOR ACS Modelle sind Farbmessgeräte für die hochgenaue Farbmessung. Diese auch als Spektralphotometer bezeichneten Sensorsysteme finden sowohl im Labor als auch in industriellen Messaufgaben Verwendung und bieten verschiedene Farbräume zur Auswahl.
Die colorSENSOR CFO Serien umfassen einen leistungsfähigen Controller, einen Lichtleiter sowie einen Sensorkopf. Die Sensorköpfe sind in zahlreichen Ausführungen erhältlich, die je nach Umgebungsbedingung und Einbausituation gewählt werden. Die Controller überezugen durch eine hohe Leistungsfähigkeit und bieten die Möglichkeit, den gewünschten Farbraum auszuwählen.
Farbsensoren messen die Objektfarbe, werden aber auch für Intensitätsmessungen, Vollständigkeits- und Anwesenheitsprüfungen, für Sortieraufgaben, Oberflächenveredelung und zur Bewertung von Oberflächeneigenschaften eingesetzt.
Die Beurteilung von Farbe basiert auf den Eigenschaften:
- Buntton: Die Unterscheidung von Farben wie z.B. rot, grün, blau, gelb, etc.
- Helligkeit: Intensität der Lichtempfindung, lässt eine Farbe dunkler oder heller wirken
- Buntheit: Intensität der Farbe zu einem Grau (unbunt) mit der gleichen Helligkeit
- Sättigung: beschreibt das Verhältnis der Buntheit zur Helligkeit