Als ein individueller, visueller, durch Licht hervorgerufener Sinneseindruck ist Farbe für die industrielle Messtechnik eine große Herausforderung. Bei den meisten Anwendungen ist entscheidend, auch minimale Farbabweichungen zu erkennen, da das Auge diese problemlos wahrnimmt. 

Menschliche Farbwahr­nehmung

Die für die Farbkontrolle in industriellen Anwendungen genutzten Sensoren müssen so funktionieren, dass sie der Farbwahrnehmung des menschlichen Auges entsprechen. Diese wird durch Licht im Wellenlängenbereich von 380 nm bis 780 nm hervorgerufen. Das menschliche Auge hat unterschiedliche Sinneszellen: 120 Millionen Stäbchen, die für das Hell-Dunkel-Sehen zuständig sind, und sechs Millionen Zapfen, die für die Farbwahrnehmung sorgen. Die Zapfen gibt es in drei verschiedenen Arten, die in unterschiedlichen Wellenlängenbereichen des sichtbaren Spektrums empfindlich sind. Da die Stäbchen eine deutlich höhere Empfindlichkeit als die Zapfen haben, ist das Farbsehen von der Beleuchtung abhängig.

Auf Basis der menschlichen Farbempfindungen lassen sich Farben un-terschiedlich beschreiben. Dank drei unterschiedlichen Zapfenarten ist der Farbraum dreidimensional.

Lackierte Teile am Auto, Druckerzeugnisse oder Fassadenplatten sind nur einige Beispiele für Produkte, deren Farbe während der Produktion kontrolliert werden muss, da auch minimale Abweichungen für das menschliche Auge erkennbar sind.

© Micro-Epsilon

■ Für Vergleichbarkeit bei der Beschreibung von Farben sorgt seit 1931 der von einer internationalen Kommission festgelegte Normfarbraum CIE 1931. Er beruht auf einer Studie, bei der das Farbempfinden von Probanden untersucht wurde. Für die Vergleichbarkeit wurden gleichzeitig Parameter wie Beobachtungsbedingungen und Beleuchtung festgelegt.
■ In technischen Anwendungen ist eher der CIELAB-Farbraum gebräuchlich, der sich durch Transformation aus dem Normfarbraum erzeugen lässt. Die Koordinaten dieses Farbraums sind L als Maß für die Helligkeit, a (Grün-/Rot-Buntheit) und b (Blau-/Gelb-Buntheit). Der Vorteil dieses Farbraums liegt darin, dass jeder Bunt-Ton, den das menschliche Auge als separate Farbe wahrnimmt, ein gleiches Volumen einnimmt.
■ Weniger gebräuchlich ist der HSV/HSI-Farbraum.
■ Da die bei Bildschirmen und in der Drucktechnik verwendeten Farbräume RGB und CMYK deutlich kleiner als der CIE-Normfarbraum sind, können sie nicht alle Farben abbilden, die das menschliche Auge erkennen kann. Sie sind somit für eine präzise industrielle Farbmessung ungeeignet.

Neben den Farbräumen sind weitere Definitionen von Bedeutung: Von der CIE-Kommission sind beispielsweise Vorgaben zur Beleuchtung und zum Beobachtungsabstand bei der Farbmessung festgelegt. Ein anderer wichtiger Parameter für die industrielle Anwendung ist der so genannte Farbabstand Delta-E – der Abstand zweier Farben im Farbraum. Die Wahrnehmungsgrenze beim Menschen liegt je nach Farbe zwischen 0,5 und 1. In der Automobilindustrie wird in der Regel ein Delta-E <0,1 gefordert.

Messtechnische ­Herausforderung

Wenn die Beobachtungsgeometrie feststeht, ist die Farbe physikalisch gesehen ein reflektiertes Intensitätsspektrum im sichtbaren Wellenlängenbereich. Dieses Reflexionsspektrum ist neben der Farbe des Objekts abhängig von der Beleuchtung. Für die Beleuchtung sind ver­schiedene Lichtquellen definiert, beispielsweise Glühlampe, Tageslicht, Leuchtstofflampen oder kaltweiße LED. Ein Farbsensor muss in der Lage sein, das reflektierte Spektrum zu detektieren und sollte dabei die Funktionsweise des menschlichen Auges imitieren.

Der L*a*b*-Farbraum, der sich zur Farbprüfung in der Industrie etabliert hat, umfasst alle für das menschliche Auge erkennbare Farben.

© Micro-Epsilon

Für die Messung wird das reflektierte Licht in spektrale Anteile zerlegt. Die einfachste Methode hierzu sind Filter, die jeweils nur für einen Teil des Spek-trums durchlässig sind. Auf dieser Methode basieren die meisten herkömmlichen CCD-Kameras, deren Sensor in grüne, rote und blaue Pixel unterteilt ist. Mit einem genaueren Prinzip arbeiten Farbsensoren für industrielle Anwendungen wie beispielsweise die Serie ‚Colorsensor CFO‘ von Micro-Epsilon Eltrotec. Hier wird die Probe mit einer Lichtquelle beleuchtet  – in der Regel mit einer Weißlicht-LED-Beleuchtung. Das von der Probe reflektierte Licht trifft auf den Sensor, wo es durch drei verschiedene Filter auf lichtempfindliche Sensorelemente trifft. Die Absorptionsspektren der verwendeten Filter sollten so gewählt sein, dass sich die Bereiche überlappen. Den Filtern obliegt die Aufgabe, das Licht aufzuteilen in lang- (X), mittel- (Y) und kurzwellige (Z) Anteile.

Die einzelnen Signale werden anschließend in L*a*b*-Farbwerte transformiert. Da auf diese Weise Messwerte entstehen, die eine ­Einordnung der Farbe ­entsprechend der Farbwahrnehmung des menschlichen Auges ermöglichen, wird auch von perzeptiven Farbsen­soren oder True-Color-Sensoren gesprochen. Sie eignen sich insbesondere für die Er-kennung von Farbabwei­chungen. Über eine Teach-In-Funktion können Anwender die gewünschte Farbe einlernen und zusätzlich eine maximal erlaubte Farbabweichung angeben. Im Betrieb vergleicht dann der Sensor die Farbe der Produkte und kann beispielsweise über einen digitalen Ausgang signalisieren, ob die Farbe der Probe innerhalb des Toleranzbereichs liegt. 
 

Eindeutige Identifikation

Farbmesssysteme wie das ‚Colorcontrol ACS7000‘ von Micro-Epsilon Eltrotec arbeiten mit einem anderen Funktionsprinzip: Dieses zerlegt das Spektrum des einfallenden Lichts über Brechung an einem Gitter in 256 ­Anteile, die hinter dem Gitter auf eine CCD-Sensorzeile abgebildet werden. Damit lässt sich das komplette sichtbare Spektrum mit einer spek­tralen Auflösung von 5 nm vermessen. Im Gegensatz zum Farbsensor liefert das Farbmesssystem nicht nur einen Vergleich zu Referenzfarben, sondern kann einzelne Farben zudem eindeutig identifizieren und als Koordinaten im Farbraum ausgeben. Sowohl Sensorsystem als auch Weißlicht-LED sind im Gehäuse des Systems untergebracht, an das sich über Lichtwellenleiter verschiedene Messköpfe anschließen lassen. 

Beispielhafte ­Applikationen

Typische Anwendungen für Farbmessungen bietet die Automobilindustrie zuhauf, sind doch Stoßfänger, Türgriffe und Außenspiegel heute bei den meisten Pkw in Wagenfarbe lackiert. Hinzu kommen Abstandssensoren und Scheinwerfer-Reinigungsanlagen, die in den Stoßfängern integriert sind. Alle Teile werden getrennt lackiert, müssen aber dennoch perfekt zur Farbe der Karosserie passen. Bei der Montage wird daher die Farbgleichheit überprüft. Und auch im Fahrzeuginnenraum müssen alle Farben exakt stimmen – wobei hier als zusätzliche Herausforderungen an die Farbmesstechnik noch strukturierte, gekrümmte und reflektierende Oberflächen hinzukommen.

Ein weiteres eindrückliches Beispiel für die Herausforderung Farbmessung ist die Produktion von Fassadenplatten aus Zink, deren Oberflächenfarbe beispielsweise durch Beschichtung verändert werden kann. Während der Produktion muss die Farbe ständig kontrolliert werden, um Abweichungen frühzeitig zu erkennen. In großflächigen Fassaden wären anderenfalls Fassadenplatten auch mit minimal abweichender Farbe leicht zu erkennen.

Ebenso müssen bei der Produktion von Tabletten kleinste Farbabwei-chungen detektiert werden, da sich ­unterschiedliche Farbtöne in durchsichtigen Blister-Verpackungen negativ auf das Qualitätsempfinden aus-wirken würden.

Autor: Joachim Hueber ist Produktmanager Farbsensoren bei Micro-Epsilon Eltrotec in Uhingen.