Wie funktioniert eine Farbmessung oder -erkennung?

In diesem Artikel werden die theoretischen Grundlagen und die Funktionsweise von Farbsensoren erörtert. Wir gehen auf folgende Aspekte ein: Was ist Farbe und wie erfolgt eine Farbmessung? Außerdem werden verschiedene industrielle Anwendungen der Farbmessung hervorgehoben und zum Schluss folgt eine Übersicht der Lösungen, die Sensor Partners in diesem Bereich zu bieten hat.

Was ist Farbe?

Farbe ist eine Eigenschaft der Wellenlängen aus denen Licht zusammengestellt ist. Es ist für den Menschen ein selbstverständliches Phänomen, das mit dem bloßen Auge wahrzunehmen ist. Das menschliche Auge kann Farbe mit Wellenlängen zwischen 750 und 400 Nanometer wahrnehmen. Alle Wellenlängen bilden zusammen das Spektrum. Davon kann der Mensch lediglich einen geringen Teil sehen.

Farbe entsteht nämlich, wenn Objekte von elektromagnetischer Strahlung in einem Wellenlängenbereich zwischen 350 nm und 750 nm beleuchtet werden. Dieser Bereich kann von Menschen mit dem bloßen Auge wahrgenommen werden. Die Strahlung mit einer Wellenlänge von weniger als 350 nm wird UV-Strahlung genannt. Strahlung mit einer Wellenlänge von mehr als 750 nm wird Infrarotstrahlung genannt. Diese äußeren Bereiche des Spektrums können vom menschlichen Auge nicht erfasst werden.Die Essenz von Farbe: Dafür ist Licht erforderlich.

Wie funktioniert eine Farbmessung?

Zur Wahrnehmung einer Farbe mit einem Sensor ist Licht erforderlich. Wenn kein Licht vorhanden ist, können wir Farben nicht unterscheiden und ist alles schwarz. Farbsensoren, die zur Erkennung von Farbe eingesetzt werden, müssen deshalb mit einer (integrierten) Lichtquelle ausgestattet sein. Diese Lichtquelle sorgt dafür, dass Objekte immer auf die gleiche Weise beleuchtet werden, wodurch der gemessene Farbwert immer konsistent ist.

Eine Farbmessung wird folgendermaßen schrittweise von dem Farbsensor (bzw. Spektralphotometer) durchgeführt:

1. Beleuchtung des Messziels

2. Empfangene Reflexion

Das zu messende Objekt sollte zuerst einmal auf konsistente Weise beleuchtet werden. Bei einem Sensor erfolgt das mithilfe einer (integrierten) Lichtquelle, die ein Lichtbündel zum Objekt aussendet. Dieses ausgesendete Licht sorgt dafür, dass die Farbe des Objektes für den Sensor optimal messbar gemacht wird, da eine Abweichung hinsichtlich der Beleuchtung zu abweichenden Farbwerten führen kann.

Das ausgesendete Lichtbündel sorgt u. a. dafür, dass das Objekt (und dessen Farbe) das reflektiert und damit Input für den Farbsensor liefert. Das Auffangen der Reflexion erfolgt mithilfe der Optik des Sensors. Dabei handelt es sich um eine spezielle Linse, die je nach Anwendungsbereich (lesen Sie hier mehr darüber) unterschiedlich ist und das empfangene Licht auf den internen Farbsensor scheinen lässt.

3. Reflexion verarbeiten

4. Darstellung des Farbwertes

Das reflektierte Licht des Objekts kommt bei dem internen Farbsensor an, der es verarbeiten kann. Der interne Farbsensor misst nämlich die Farbwerte des empfangenen Lichts. Die Messdaten dieser Werte werden anschließend ausgewertet und mithilfe der (spektralen) Empfindlichkeitsfunktionen zu den letztendlichen Farbwerten verarbeitet.

Nachdem die gemessenen Werte des empfangenen Lichts in Farbwerte umgesetzt wurden, können sie dem Anwender angezeigt oder an das System weitergeleitet werden, in dem der Sensor operiert. Die Darstellung des gemessenen Farbwerts ist in unterschiedlichen unterstützenden Formaten möglich, wie L*a*b*, XYZ und RGB.

Industrielle Anwendungen der Farbmessung

Unter anderem aufgrund unterschiedlicher Optik-Typen ist es möglich, Farbmessungen in vielfältigen Anwendungsbereichen durchzuführen. Es folgen ein paar Einsatzbereiche, in denen Farbsensoren wertvolle Arbeit leisten.

Farbige Kunststoff- oder Metallteile

Kunststofffolien

Schmale Kunststofftuben

Farbunterschied in der Fertigung erkennen

Die Erkennung oder Messung glänzender Objekte oder z. B. farbiger Kunststoffe und Metalle kann eine Herausforderung sein. Mit einem Neigungswinkel von 45° und einem diffusen Strahl über einen größeren Messbereich ist dies dennoch möglich. So kann ein Sensor Farben von Objekten mit allen möglichen Formen und glänzenden Oberflächen messen oder erkennen.

Die Herausforderung dabei ist, dass man durch die Folie hindurchsehen kann. Durch die Unterdrückung des Glanzes und die Verwendung eines weißen Hintergrunds kann dies erreicht werden. Auf diese Weise lässt sich die Qualität der Folie in einer Produktionsumgebung messen und eventuelle Fehler im Druck erkennen.

Bei der Farbmessung wird ein Scheinwerfer verwendet. Dieser Scheinwerfer muss groß genug sein, um eine zuverlässige Messung zu ermöglichen. Objekte mit einem Durchmesser von nur 1-2 mm können mit verschiedenen Optiken gemessen werden. Diese sorgen für einen gebündelten Lichtstrahl und damit für einen sehr kleinen Lichtfleck (⌀ 0,3 mm). Auf diese Weise ist eine Farbmessung an einem relativ kleinen Objekt möglich.

Wenn man Aluminium anodisiert, bestimmt die chemische Zusammensetzung die letztendliche Farbe. Durch die Messung des Farbwertes kann die Konsistenz des Endproduktes überwacht werden. Weitere Einsatzbereiche sind zum Beispiel: Druckwaren, Teppiche, Kosmetik, Nahrungsmittel, Farbe etc. Jeder Bereich, in dem Farbe zusammengestellt wird.

Glasierte (Boden-) Fliesen und Dachziegel

Papier

Glasbeschichtung

Laminat

Durch die Unterdrückung des glänzenden Oberfläche und den Einsatz eines großen Messflecks kann trotz der unregelmäßigen Oberfläche eine zuverlässige Farbmessung durchgeführt werden.

Die Farbe des Verpackungsmaterials muss umgehend nach dem Bedrucken der (Papier-)Rolle gemessen werden. Ein Farbsensor kann auch die Farbe unterschiedlicher Papiersorten messen.

Durch die schräge Montage mehrerer Sensoren mit diffusem Licht kann auch die Farbe einer Glasbeschichtung gemessen werden. Mehrere Montagewinkel sind möglich.

Auch die Farbwerte von Laminat können u. a. mithilfe eines größeren Messflecks gemessen werden und damit wird die Farbqualität in der Möbelindustrie gewährleistet. Das Hindernis einer glänzenden Oberfläche wird so überwunden.