DE102005004938A1

DE102005004938A1 - Einrichtung und Verfahren zur Erzeugung von Beleuchtungsspektren für farbige Objekte

Info

Publication number: DE102005004938A1
Application number: DE102005004938A
Authority: DE
Inventors: Frank Reifegerste
Original assignee: Technische Universitaet Dresden
Current assignee: Technische Universitaet Dresden
Priority date: 2005-01-28
Filing date: 2005-01-28
Publication date: 2006-08-10
Anticipated expiration: 2025-01-29
Also published as: DE102005004938B4

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung und ein Verfahren zur Erzeugung von Beleuchtungsspektren für farbige Objekte. DOLLAR A Die Aufgabe besteht darin, dass in einfacher Weise eine im Spektrum veränderbare Lichtquelle bereitgestellt und eine schnelle Verfügbarkeit der vorgegebenen Beleuchtungsspektren vorhanden sein sollen. DOLLAR A Die Lösung besteht darin, dass die Einrichtung (1) enthält: DOLLAR A - Lichtquellen (5, 6, 7, 8) mit jeweils einem vorgegebenen schmalbandigen Spektrum (10, 11, 12, 13, 37), die unterschiedlich sind und zumindest einen Teil des sichtbaren Spektralbereiches einschließen, DOLLAR A - eine Steuereinheit (49) zur Ansteuerung der Lichtquellen (5, 6, 7, 8), deren Spektrum-Daten in mindestens einem Speicher (26) der Steuereinheit (49) abgelegt sind und die mit der Steuereinheit (49) in stromversorgungstechnischer Verbindung stehen, DOLLAR A - eine Licht-Mischeinrichtung (50), die mit den Lichtquellen (5, 6, 7, 8) in Verbindung steht und in dem die ausgewählten, von den Lichtquellen (5, 6, 7, 8) abzustrahlenden Spektren (10, 11, 12, 13) gemischt werden und der eine Austrittsöffnung (14) zur Ausgabe der vermischten, ausgewählten Spektren (10, 11, 12, 13) als Beleuchtungsspektrum (2) aufweist, und DOLLAR A - eine Bedieneinheit (15) zur Eingabe des vorgegebenen Beleuchtungsspektrums (2) und zur Auslösung des Mischvorgangs der ausgewählten Spektren (10, 11, 12, 13).

Description

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung und ein Verfahren zur Erzeugung von Beleuchtungsspektren für farbige Objekte.
Es gibt Verfahren, bei denen Objekte farblich unter Einsatz eines vorgegebenen Beleuchtungsspektrums an andere Objekte angepasst werden.

– Beispiele dafür sind:
– Anpassen der Farbpigmentmischungen an die ursprünglichen Farben beim Restaurieren von Bildern,
– farblicher Vergleich der neuen Zähne an die ursprünglichen Zähne beim Anpassen von Zahnersatz an die natürlichen Zähne,
– farbliche Anpassung eines neuen Lacks an den ursprünglichen Lack vor dem Nachlackieren von Autoteilen,
– Vergleich und Anpassung von neuen Wandfarben an vorhandenen Wandfarben in Innenräumen, insbesondere bei Ausbesserungsarbeiten.

Ein Problem besteht darin, dass zur Durchführung der Vergleiche unterschiedliche Beleuchtungsspektren vorhanden sein können, die sich sogar in den einzelnen Einsatzbereichen unterscheiden und die die jeweilige Anpassung verfälschen können.
Deshalb sind zur gleichartigen Bewertung Verfahren zur Bestimmung der Farbmaßzahlen – Farbmessung – in der Druckschrift DIN 5033, Teil 5, 6, 7 zur Bestimmung des farblichen Unterschieds sowie zur Bestimmung des Farbabstandes in den Druckschriften DIN 6174 und 6176, zur Bestimmung von zulässigen Farbtoleranzen für Autolacke in der Druckschrift DIN 6175 oder auch zur Bestimmung des Farbstichs mit weißen Proben in der Druckschrift DIN 5591 festgelegt.
Die bekannten Verfahren basieren auf der Annahme eines Normalbeobachters, für den nach der trichromatischen Theorie Norm spektralwerte x, y, z in der Druckschrift DIN 5033 Teil 2 gemäß CIE 1931 festgelegt wurden. Die dabei ermittelten Normspektralwerte ermöglichen eine für die meisten Anwendungen ausreichende Beschreibung zur Reproduktion des Phänomens Farbe.
Ein Problem besteht darin, dass sich eine Farbempfindung jedoch nicht messen lässt. Deshalb ist es erforderlich bzw. zweckmäßig, das Ergebnis der farblichen Anpassung von zwei Objekten visuell zu vergleichen.
Um einem visuellen Vergleich gerecht zu werden, gibt es ein Verfahren zur Farbabmusterung von Proben unter unterschiedlicher Beleuchtung, wie es in der Druckschrift DIN 6173 Teil 1 beschrieben ist. Dort wird als Farbabmusterung die visuelle Beurteilung der Farbgleichheit oder Farbverschiedenheit von Muster und Probe bei Beleuchtung mit der gleichen Lichtart bezeichnet. Dabei kann grundsätzlich jede Lichtart als Farbabmusterlichtart vereinbart werden, wobei wegen des Vorkommens bedingtgleicher – metamerer – Farben das Abmusterungsergebnis stark von der gewählten Lichtart abhängt. Zur Beurteilung, ob eine Metamerie vorliegt, wird mehr als eine Farbabmusterungslichtart benutzt.
Das vergleichende Abmusterungsverfahren farbkritischer Objekte erfolgt in Abmusterungskammern unter genormter Beleuchtung mittels definierten Farbabmusterungslichtarten von spektral definierten Leuchtstoffröhren. Durch den Einsatz der genormten Beleuchtung – einer Farbabmusterungslichtart – wird durch eine Begutachtung überprüft, ob der Farbeindruck unter der vorgegebenen Farbabmusterungslichtart als gleich bewertet wird.
Ein Problem besteht darin, dass bei einer Beleuchtung mit einem anderen Spektrum als der genormten Farbabmusterungslichtart Unterschiede in der Farbempfindung auftreten können. D.h., obwohl die Farben unter Normbeleuchtung als visuell gleich bewertet werden können, werden Unterschiede erkannt. Das betrifft insbesondere die zur Zusammenstellung der Abmusterungslichtart eingesetzten Lichtquellen mit einem ungleichmäßigen Spektrum, beispielsweise bei Leuchtstoffröhren sowie Farbstoffe mit ausgeprägten Unterschieden des spektralen Reflexionsvermögens.
Ein weiteres Problem besteht darin, dass die Bereitstellung der oben genannten Lichtarten technisch aufwendig und nicht flexibel ist.

Eine Beleuchtungsanordnung, insbesondere eine Leuchte ist in der Druckschrift DE 102 16 645 A1 beschrieben. Die Beleuchtungsanordnung enthält eine Lampe und mindestens eine Leuchtdiode, die Licht mit unterschiedlichen Spektraleigenschaften abgeben. Dabei ist eine Einrichtung zum Mischen von Licht mit unterschiedlichen Spektraleigenschaften der verschiedenen Lichtquellen vorhanden, wobei zumindest die Leuchtdiode oder eine Gruppe von Leuchtdioden farbiges Licht abgeben. Es ist in der gleichen Einrichtung die Lampe vorhanden, wobei die Leuchtdioden und die Lampe unabhängig voneinander mittels jeweils einer Steuereinheit ansteuerbar sind.

Die Austrittsöffnung der Einrichtung weist mindestens eine Prismenplatte auf, an der die erzeugten Spektren zu einem vorgegebenen, auf die jeweilige Tageszeit bezogene Tageslicht vermischt werden.

Ein Problem besteht darin, dass mit der Beleuchtungsanordnung im Wesentlichen eine Raumbeleuchtung für Tageslicht zur jeweiligen Tageszeit erzeugt werden soll.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Einrichtung und ein Verfahren zur Erzeugung von Beleuchtungsspektren für farbige objekte anzugeben, die derart geeignet ausgebildet sind, dass in einfacher Weise eine im Spektrum veränderbare Lichtquelle bereitgestellt werden kann. Es soll eine schnelle Verfügbarkeit der vorgegebenen Beleuchtungsspektren vorhanden sein.

Die Aufgabe wird durch die Merkmale der Patentansprüche 1 und 18 gelöst. Die Einrichtung zur Erzeugung von Beleuchtungsspektren für farbige objekte enthält gemäß dem Kennzeichenteil des Patentanspruchs 1

– Lichtquellen mit jeweils einem vorgegebenen schmalbandigen Spektrum, die unterschiedlich sind und zumindest einen Teil des sichtbaren Spektralbereiches einschließen,
– eine Steuereinheit zur Ansteuerung der Lichtquellen, deren Spektrum-Daten in mindestens einem Speicher der Steuereinheit abgelegt sind und die mit der Steuereinheit in stromversorgungstechnischer Verbindung stehen,
– eine Licht-Mischeinrichtung, die mit den Lichtquellen in Verbindung steht und in der die ausgewählten, von den Lichtquellen abzustrahlenden Spektren gemischt werden und die eine Austrittsöffnung zur Ausgabe der vermischten, ausgewählten Spektren als Beleuchtungsspektrum aufweist, und
– eine Bedieneinheit zur Eingabe des vorgegebenen Beleuchtungsspektrums und zur Auslösung des Mischvorgangs der ausgewählten Spektren.

Die Steuereinheit ist mit einer Stromversorgungseinheit und einer Bedieneinheit stromtechnisch verbunden.

Eine energieversorgende Einkoppeleinrichtung ist an die Lichtquellen geführt, wobei die Einkoppeleinrichtung von der Steuereinheit aktiviert wird.

Zwischen der Licht-Mischeinrichtung und den farbigen Objekten kann eine strahlenbündelformende Optik angebracht sein.

Die Lichtquellen können außerhalb, an und/oder innerhalb der Licht-Mischeinrichtung angebracht sein.

Die Lichtquellen können dabei in einer Reihe an und/oder innerhalb der Licht-Mischeinrichtung angeordnet sein.

Die Lichtquellen können innerhalb der Licht-Mischeinrichtung ähnlich einer Kugeloberfläche strahlenförmig gerichtet angeordnet sein.

Als Lichtquellen können Leuchtdioden – LED – eingesetzt sein, die jeweils Schmalbandspektren aufweisen, deren Intensität über den Betriebsstrom und/oder über eine Pulsweitenmodulation einschließlich der Veränderung der Einschaltdauer modulierbar sind. Es können aber auch andere Lichtquellen mit messbaren und mathematisch beschreibbaren Spektren eingesetzt werden.

Die Licht-Mischeinrichtung kann eine mit einer Ausgangsöffnung oder einen Lichtmischstab darstellen.

Die schmalbandigen Spektren der Lichtquellen können gemessen und in einen Speicher der Steuereinheit abgelegt werden.

Programmtechnische Mittel können sich im Speicher und/oder in der Steuereinheit befinden, die zur Erzeugung eines in die Bedieneinheit eingebbaren und variabel programmierbaren Ziel-Beleuchtungsspektrums für die farbigen Objekte aus den gespeicherten und instruktionsmäßig ausgewählten, vorgegebenen Lichtquellenspektren vorgesehen sind.

Der Kontroller kann mit einem Digital-Analog-Umsetzer zur Ansteuerung der Lichtquellen über pulsweitenmodulierbare Stromausgänge sowie mit einem wiederbeschreibbaren Festwertspeicher einem EEPROM – für abgelegte Faktoren zur Erzeugung von Ziel-Beleuchtungsspektren in Verbindung stehen.

Die Steuereinheit ist auf einer Treiberplatine vorhanden, deren zentrales Bauelement ein Kontroller in Form einer programmierbaren Logikeinheit (engl. FPGA – Field Programmable Gate Array –) ist, die eingangsseitig mit einer Bedieneinheit in Verbindung steht und eine Parametrier- und Bedienschnittstelle sowie eine RESET- und Takteinrichtung aufweist und ausgangsseitig mit dem Digital-Analog-Umsetzer zur Ansteuerung der pulsweitenmodulierbaren Stromquellen für die Lichtquellen versehen ist.

Der Kontroller steht wahlweise mit einem Temperatursensor in Verbindung.

In der programmierbaren Logikeinheit – FPGA – sind Funktionsgruppen für die Kommunikation mit der Parametrier- und Bedienschnittstelle, dem EEPROM, dem Digital-Analog-Umsetzer, dem Temperatursensor und der Bedieneinheit sowie ein Mikrokontroller mit Programmspeicher und ein Speicherkontroller implementiert.

Die Funktionseinheiten für die Kommunikation sind als eigenständige Kontroller ausgeführt. Sie generieren die zur Kommunikation notwendigen Protokolle und werten die Daten aus. Der Mikrokontroller hat Zugriff auf alle eintreffenden Daten und koordiniert die weitere Berechnung und Datenausgabe.

Das erfindungsgemäße Verfahren zur Erzeugung von Beleuchtungsspektren für farbige Objekte weist gemäß dem Kennzeichenteil nach Anspruch 18 folgende Schritte (I) bis (VII) auf:

– Festlegung (I) einer Anzahl von Lichtquellen mit vorgegebenen unterschiedlichen schmalbandigen Spektren, wobei die Spektren über den sichtbaren Spektralbereich verteilt sind,
– Speicherung (II) der Lichtquellen-Daten und der zugehörigen Lichtquellen-Spektren in einem Speicher einer datenverarbeitenden Steuereinheit,
– Vorgabe (III) mindestens eines ausgangsseitig zu erzielenden Beleuchtungsspektrums und dessen Daten-Speicherung in dem Speicher der datenverarbeitenden Steuereinheit,
– Zusammenschaltung (IV) der ausgewählten Lichtquellen, die dem jeweils vorgegebenen Ziel-Beleuchtungsspektrum zugeordnet sind,
– Um- und Verschaltung (V) der Lichtquellen-Spektren zu einem vorläufigen Beleuchtungsspektrum durch Änderungen von Intensität und/oder Einschaltdauer der Pulsweitenmodulation,
– Zusammenführung (VI) der ausgewählten Lichtquellen-Spektren der eingeschalteten Lichtquellen in einer Licht-Mischeinrichtung und
– Austritt (VII) des erhaltenen Ziel-Beleuchtungsspektrums aus der Austrittsöffnung der Licht-Mischeinrichtung.

Danach kann wahlweise eine Messung des aus der Licht-Mischeinrichtung austretenden Beleuchtungsspektrums durchgeführt werden.

Die einzelnen Lichtquellen werden spektral an unterschiedlichen diskreten Frequenzen gemessen, wobei zur Angleichung eines vorläufigen Ausgangsbeleuchtungsspektrums an ein festgelegtes Ziel-Beleuchtungsspektrum ein mathematischer Algorithmus zur Ermittlung des Ziel-Beleuchtungsspektrums vorgesehen wird.

Innerhalb des Algorithmus wird das Spektrum einer einzelnen Lichtquelle durch stückweise Interpolation mit Splinefunktionen zu jeweils einem interpolierten Spektrum modelliert, wobei als Splines Polynome dritten Grades nach der Gleichung f(λ) = a3λ3 + a2λ2 + a1λ + a0 (GI)im Intervall λ₀ ≤ λ < λ₁
eingesetzt werden und eine Splinefunktion f(λ) dabei jeweils nur im einem Intervall λ₀ ≤ λ < λ₁ gilt sowie die Faktoren a₃, a₂, a₁, a₀ zu jedem Intervall durch Lösen des durch die Stützstellen und die Randbedingungen, nämlich die Stetigkeit an den Berührungspunkten, gegebenen Gleichungssgstems ermittelt werden.

Die Ermittlung der interpolierten Spektren wird über ein Computeralgebrasystem durchgeführt.

Die interpolierten Spektren werden wie analytische Funktionen behandelt, wobei die interpolierten Spektren mehrerer Lichtquellen von der Steuereinheit wahlweise zusammengefasst, abgeleitet und integriert werden und dabei die spektralen Eigenschaften der Lichtquellen abbilden.

Die gemischten Beleuchtungsspektren werden somit durch Überlagerung schmaler und in ihrer Intensität regelbarer, spektraler Bereiche der Lichtquellen erzeugt.

Die Erfindung ermöglicht es, den Aufbau einer bezüglich des Spektrums variablen Beleuchtung in einfacher Weise durchzuführen. Die erfindungsgemäße Einrichtung kann für verschiedene Beleuchtungssituationen als transportables Gerät aufgebaut sein. Das Einsatzgebiet beschränkt sich dabei nicht nur auf das Nachstellen des Spektrums bekannter Lichtarten, sondern es können auch spezielle Spektren mit Lücken oder schmalen Bändern erzeugt werden, um farbliche Unterschiede farbiger Objekte besser nachweisen zu können.

Die Erfindung eröffnet die Möglichkeit, dass mit dem genannten handlichen und transportablen Gerät – der erfindungsgemäßen Einrichtung – farbkritische Körperfarben begutachtet bzw. verglichen werden können. Z.B. ist das Spektrum einer Abmusterungslichtart dabei äußerst flexibel und kann frei programmiert werden. Es ist auch möglich, damit andere Lichtarten zu simulieren oder eine Abmusterung auch unter spektral extremen Beleuchtungssituationen vorzunehmen. Farbliche Unterschiede können so eher beseitigt bzw. nachgebessert werden.

Ein weiterer Vorteil der Erfindung besteht darin, dass die erfindungsgemäße Einrichtung zusätzlich durch Anpassung des Spektrums dazu genutzt werden kann, um Kontraste innerhalb eines farbigen Objektes – beispielsweise bei Mikroskopierverfahren – oder Unterschiede zwischen den farbigen Objekten – beispielsweise um Fälschungen zu erkennen – besser herauszufinden.

Die Erfindung eröffnet des Weiteren die Möglichkeit, dass das modulierbare Beleuchtungsspektrum auch dazu verwendet werden kann, zweckgerichtet den Kontrast von farbigen Objekten mit spektral unterschiedlichem Reflexionsvermögen in vorgegebener Weise zu verstärken, was insbesondere für Mikroskopierverfahren zweckmäßig ist.

Die Erfindung ermöglicht es auch, einen repräsentativen Querschnitt möglicher Beleuchtungssituationen nachzustellen, um damit Körperfarben visuell vergleichen zu können.

Dem Verfahren zur Erzeugung von Beleuchtungsspektren für farbige Objekte kann eine Farbabmusterung folgen, bei der die Übereinstimmung des Farbeindruckes von Objekten bewertet wird. Dabei können die Farbempfindungen von zwei farbigen Objekten mit unterschiedlicher Körperfarbe unter dem Einfluss des Spektrums einer Beleuchtung gleich und somit metamer sein. Sollen die gleichen farbigen Objekte unter dem Einfluss unterschiedlicher Beleuchtungssituationen gleich aussehen, können die farbigen Objekte auch unter unterschiedlichen Beleuchtungsspektren abgemustert werden.

Die Erfindung ermöglicht es, farbige Objekte mit Beleuchtungsspektren aus einer variablen und programmierbaren Beleuchtungsanordnung zu beleuchten. Der Farbeindruck der farbigen Objekte kann dann unter der festgelegten Beleuchtung visuell verglichen werden.

Weiterbildungen und vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in weiteren Unteransprüchen angegeben.

Die Erfindung wird anhand eines Ausführungsbeispiels mittels mehrerer Zeichnungen näher erläutert.
Es zeigen:
1 ein funktionelles Blockschaltbild einer erfindungsgemäßen Einrichtung zur Erzeugung von Beleuchtungsspektren für farbige Objekte,
2 eine schematische Darstellung der Einrichtung nach 1 als Gerät im Einsatz, z.B. für eine Gemälderestaurierung zur Visualisierung von Gemäldefarbbereichen,
3 eine Darstellung eines gemessenen Schmalbandspektrums einer Leuchtdiode,
4 eine Darstellung eines Beleuchtungsspektrums als Summe mehrerer unterschiedlicher Spektren von Leuchtdioden,
5 ein Blockschaltbild einer Treiberplatine mit datenverarbeitender Steuereinheit zur Ansteuerung der Leuchtdioden,
6 ein Blockschaltbild der programmierbaren Logikeinheit dem FPGA – als mehrfunktionaler Kontroller,
7 ein Bedienprogramm für ein Spektrallichtquellen-Muster mit sechzehn vorhandenen LED und vier ausgewählten LED,
8 eine schematische Darstellung zur Durchführung des Verfahrens zur Erzeugung von Beleuchtungsspektren für die Bewertung farbiger Objekte und
9 eine Darstellung einer stückweisen interpolation einer Spektralfunktion mit Polynomen dritten Grades.
In 1 ist in einer schematische Darstellung eine Einrichtung 1 zur Erzeugung eines Beleuchtungsspektrums 2 für farbige Objekte 3, 4 gezeigt, die enthält

– Lichtquellen 5, 6, 7, 8 mit jeweils einem vorgegebenen schmalbandigen Spektrum 10, 11, 12, 13, die unterschiedlich sind und zumindest einen Teil des sichtbaren Spektralbereiches einschließen,
– eine Steuereinheit 49 zur Ansteuerung der Lichtquellen 5, 6, 7, 8, deren Spektrum-Daten in mindestens einem Speicher 26 der Steuereinheit 49 abgelegt ist und die mit der Steuereinheit 49 in stromversorgungstechnischer Verbindung stehen,
– eine Licht-Mischeinrichtung 50, die mit den Lichtquellen 5, 6, 7, 8 in Verbindung steht und in dem die ausgewählten, von den Lichtquellen 5, 6, 7, 8 abzustrahlenden Spektren 10, 11, 12, 13 gemischt werden und der eine Austrittsöffnung 14 zur Ausgabe der vermischten, ausgewählten Spektren 10, 11, 12, 13 als Beleuchtungsspektrum 2 aufweist, und
– eine Bedieneinheit 15 zur Eingabe des vorgegebenen Beleuchtungsspektrums 2 und zur Auslösung des Mischvorgangs der ausgewählten Spektren 10, 11, 12, 13.

Die vier Lichtquellen 5 bis 8 in 1 sind stellvertretend für eine vorgegebene Anzahl von Lichtquellen angegeben.
Eine energieversorgende Einkoppeleinrichtung 16 ist an die Lichtquellen 5 bis 8 geführt, wobei die Einkoppeleinrichtung 15 von der Steuereinheit 49 aktiviert wird.
Die Steuereinheit 49 ist mit einer Stromversorgungseinheit 18 und einer Bedieneinheit 15 stromtechnisch verbunden.
Zischen der Licht-Mischeinrichtung 50 und den farbigen Objekten 3, 4 kann, wie in 2 gezeigt ist, eine strahlenbündelformende Optik 17 angebracht sein.
Wie in 1 gezeigt ist, können die Lichtquellen 5 bis 8 in einer Reihe an bzw. innerhalb der Licht-Mischeinrichtung 50 angeordnet sein.
Die Lichtquellen 5 bis 8 können außerhalb, an und/oder auch innerhalb der Licht-Mischeinrichtung 50 angebracht sein.
Alternativ können, wie in 2 gezeigt ist, die Lichtquellen 5 bis 8 innerhalb der Licht-Mischeinrichtung 50 auch ähnlich einer Kugeloberfläche 9 strahlenförmig gerichtet angeordnet sein.
Als Lichtquellen 5 bis 8 können vorzugsweise Leuchtdioden – LED – eingesetzt sein, die, wie in 3 gezeigt ist, insbesondere Schmalbandspektren 37 aufweisen können, die wellenlängenzugeordnet den Spektren 10, 11, 12, 13 entsprechen.
Die Licht-Mischeinrichtung 50 kann eine Kammer mit einer Austrittsöffnung 14 oder einen Lichtmischstab darstellen, wobei in der Licht-Mischeinrichtung 50 sich die von der Steuereinheit 49 ausgewählten Spektren 10, 11, 12, 13, 37 zum vorgegebenen bzw. nachzubildenden Ziel-Beleuchtungsspektrums 2, wie vergrößert in 4 gezeigt ist, vermischen.
Die Licht-Mischeinrichtung 50 kann z.B. eine Ulbricht-Kugel darstellen.
Die schmalbandigen Spektren 10, 11, 12, 13, 37 der Lichtquellen 5 bis 8, die hier für weitere Lichtquellen stellvertretend angeführt sind, können vor ihrer Montage gemessen und in einen Speicher 26, der mit der Steuereinheit 49 verbunden ist, als zugehörige Daten abgelegt sein.
Die 5 und 6 werden im Folgenden gemeinsam betrachtet.
Im Wesentlichen können sich programmtechnische Mittel in der Treiberplatine 27 in 5 befinden, die zur Erzeugung des in die Bedieneinheit 15 eingebbaren und variabel programmierbaren Ziel-Beleuchtungsspektrums 2 für die farbigen Objekte 3, 4 aus den gespeicherten und instruktionsmäßig ausgewählten, vorgegebenen Lichtquellenspektren 10, 11, 12, 13 vorgesehen sind.
Der Kontroller 20 steht mit einem Digital-Analog-Umsetzer 21 zur Ansteuerung der Lichtquellen 5 bis 8 über intensitäts- und pulsweitenmodulierbare Stromausgänge 22, 23, 24, 25 sowie mit einem EEPROM 26 für abgelegte Faktoren/Parameter zur Erzeugung der nachzubildenden Ziel-Beleuchtungsspektren 2 in Verbindung. Die Spektren 10, 11, 12, 13 für die Lichtquellen 5, 6, 7, 5 und 37 für weitere Schmalband-Lichtquellen können in dem Speicher 26, der als wiederbeschreibbarer Festwertspeicher – EEPROM – ausgebildet ist, abgelegt sein.
Die Steuereinheit 49 ist auf der Treiberplatine 27 enthalten, deren zentrales Bauelement eine programmierbare Logikeinheit 28 – ein FPGA (engl. Feld Programmable Gate Array) – als mehrfunktionaler Kontroller ist, wobei das FPGA 28 eingangsseitig mit einer Programmierschnittstelle 29 und mit der Bedieneinheit 15 in Verbindung steht sowie eine Parametrier- und Bedienschnittstelle 30 einschließlich eines Schnittstellen-Treibers 38 sowie eine RESET- und Takteinrichtung 31 aufweist und ausgangsseitig mit dem Digital-Analog-Umsetzer 21 zur Ansteuerung der pulsweitenmodulierbaren Stromquellen 32, 33, 34, 35 für die Lichtquellen 5, 6, 7, 8 versehen ist.
Das FPGA 28 ist mit einem Ladespeicher 19 verbunden.
Das FPGA 28 steht vorzugsweise mit einem Temperatursensor 36 in Verbindung, der die Erwärmung der Einrichtung 1 registriert und enstsprechende Signale übermittelt.
Das FPGA 28 dient als Bindeglied zwischen folgenden Funktionsgruppen: Der Parametrier- und Bedienschnittstelle 30, dem EEPROM 26, dem Digital-Analog-Umsetzer 21, der Bedieneinheit 15 und dem Temperatursensor 36. Zur Ansteuerung der genannten Funktionsgruppen sind jeweils eigene Kontroller als Funktionsblöcke implementiert: Ein Schnittstellenkontroller 42, ein EEPROM-Kontroller 43, ein Digital-Analog-Kontroller 45 und ein Temperatur-Kontroller 46. Die Funktionsblöcke stellen die für die Steuerung der jeweiligen Funktionsgruppen notwendigen Protokolle bereit und werten die Daten aus. Zusätzlich ist im FPGA 28 ein Mikrokontroller 47 ein Programmspeicher 48 und ein Speicherkontroller 44 implementiert. Die Funktionsblöcke er möglichen ein koordiniertes Zusammenspiel der zuvor genannten Funktionsgruppen.
Das Zusammenspiel gestaltet sich folgendermaßen: Wenn von der Parametrier- und Bedienschnittstelle 30 oder von der Bedieneinheit 15 Befehle zur Änderung des Ziel-Beleuchtungsspektrums 2 empfangen werden, werden die zugehörigen Spektral-Daten aus dem EEPROM 26 geholt. Die Spektral-Daten werden durch den Mikrokontroller 47 und den Speicherkontroller 44 algorithmisch aufbereitet und über den Digital-Analog-Kontroller 45 an den Digital-Analog-Umsetzer 21 gesendet. Eventuelle Temperatureinflüsse können – nach Einlesen des aktuellen Temperaturwertes durch den Temperatur-Kontroller 46 – mit in den Algorithmus einbezogen werden.
Im Allgemeinen haben die Leuchtdioden ein schmalbandiges Emissionsspektrum, z.B. ein Schmalbandspektrum 37. Das Schmalbandspektrum 37 kann gegessen und mathematisch geeignet dargestellt werden. Durch Mischung des Lichts mehrerer solcher in Intensität 39 und/oder Einschaltdauer (Pulsweitenmodulation) 40 modulierbarer Leuchtdioden – z.B. sechzehn LED –, wie in 7 gezeigt ist, mit unterschiedlichem Spektrum 10, 11, 12, 13, 37 kann ein variables quasikontinuierliches Spektrum als ein auf die farbigen Objekte 3, 4 auftreffendes Beleuchtungsspektrum 2 erzeugt werden.
Ein angegebener mathematisch und signaltechnisch umgesetzter Algorithmus ermöglicht es, die Parameter – Intensität 39 und Einschaltdauer 40 – in der Treiberplatine 27 so abzuändern, dass das von den Lichtquellen 5 bis 8 abgegebene vorlaufige gemischte Spektrum an ein vorgegebenes Ziel-Beleuchtungsspektrum – das Beleuchtungsspektrum 2 zur Bewertung – angepasst wird. Das variable Beleuchtungsspektrum 2 kann z.B. final eine variable Abmusterungslichtart für eine Begutachtung darstellen, in der die Bewertung der farbigen Objekte 3, 4 gemäß 2 durchführt wird. Durch Variation der Parameter – Intensität 39 und Einschaltdauer 40 – können damit eine Vielzahl von Beleuchtungssituationen in Form von variablen Abmusterungslichtarten nachgestellt werden.
Das in 8 als Blockbild dargestellte erfindungsgemäße Verfahren weist folgende Schritte auf:

1. Festlegung (I) einer Anzahl von Lichtquellen 1, 6, 7, 5 mit vorgegebenen unterschiedlichen schmalbandigen Spektren 10, 11, 12, 13, 37, wobei die Spektren 10, 11, 12, 13, 37 über den sichtbaren Spektralbereich verteilt sind,
2. Speicherung (II) der Lichtquellen-Daten und der zugehörigen Lichtquellen-Spektren 10, 11, 12, 13, 37 in einem Speicher 26 einer datenverarbeitenden Steuereinheit 49,
3. Vorgabe (III) mindestens eines ausgangsseitig zu erzielenden Beleuchtungsspektrums 2 und dessen Daten-Speicherung in dem Speicher 26 der datenverarbeitenden Steuereinheit 49,
4. Zusammenschaltung (IV) der von der Steuereinheit 49 ausgewählten Lichtquellen 5 bis 8, die dem jeweils vorgegebenen Ziel-Beleuchtungsspektrum 2 zugeordnet sind,
5. Um- und Verschaltung (V) der Lichtquellen-Spektren 10, 11, 12, 13 zu einem vorläufigen Beleuchtungsspektrum durch Änderungen von Intensität (Strom) 39 und/oder Einschaltdauer 40 der Pulsweitenmodulation, wie in 7 gezeigt,
6. Zusammenführung (VI) der ausgewählten Lichtquellen-Spektren 10, 11, 12, 13 der eingeschalteten Lichtquellen 5 bis 8 in einer Licht-Mischeinrichtung 50 und
7. Austritt (VII) des erhaltenen Ziel-Beleuchtungsspektrums 2 aus der Austrittsöffnung 14 der Licht-Mischeinrichtung 50.

Zusätzlich kann wahlweise eine Messung des Ziel-Beleuchtungsspektrums 2 durchgeführt werden.
Die einzelnen Lichtquellen 5 bis 8 können spektral an unterschiedlichen diskreten Frequenzen gemessen werden. Zur Angleichung eines vorläufigen Ausgangsbeleuchtungsspektrums an ein festgelegtes Ziel-Beleuchtungsspektrum 2 ist ein mathematischer Algorithmus zur Ermittlung des Ziel-Beleuchtungsspektrums 2 vorgesehen. Dabei ist es im Hinblick auf eine höhere Genauigkeit zweckmäßig, das Ziel-Beleuchtungsspektrum 2 als kontinuierliches Spektrum zu behandeln.
Da die vorhandenen Spektren im Allgemeinen durch eine analytische Funktion schlecht beschrieben werden können, wird, wie in 9 gezeigt ist, mittels des Algorithmus das schmalbandige Spektrum 10, 11, 12, 13 einer einzelnen Lichtquelle 5, 6, 7 und/oder 8 durch stückweise Interpolation mit Splinefunktionen zu einem interpolierten Spektrum 41 modelliert. Als Splines kommen Polynome dritten Grades nach der Gleichung.
f(λ) = a3λ3 + a2λ2 + a1λ + a0 (GI)im Intervall λ₀ ≤ λ < λ₁
zum Einsatz. Eine Splinefunktion f(λ) gilt dabei jeweils nur in einem Intervall λ₀ ≤ λ < λ₁. Die Faktoren a₃, a₂, a₁, a₀ zu jedem Intervall können durch Lösen des durch die Stützstellen und die Randbedingungen, nämlich die Stetigkeit an den Berührungspunkten, gegebenen Gleichungssystems ermittelt werden. Für n Messwerte sind n – 1 solcher Funktionen notwendig. Die Berechnung erfolgt über ein Computeralgebrasystem. Die Berechung kann aber ebenfalls durch einen Algorithmus innerhalb eines Anwendungsprogramms durchgeführt werden.
So modellierte Funktionen können anschliesend wie analytische Funktionen behandelt werden. Die interpolierten Spektren 41 mehrerer Lichtquellen 5 bis 8 können in der Steuereinheit 49 zusammengefasst, abgeleitet und integriert werden. Die interpolierten Spektren 41 geben die spektralen Eigenschaften der Lichtquellen 5 bis 8 weitgehend übereinstimmend wieder und sind genauer als bekannte Verfahren, die mit diskreten Werten arbeiten.
Das transportable Gerät 1 erzeugt variable gemischte Beleuchtungsspektren 2 durch Überlagerung schmaler und in ihrer Intensität regelbarer Spektraler Bereiche. Dadurch sind nahezu beliebige Beleuchtungsspektren möglich und es können andere Beleuchtungssysteme simuliert werden.

1: Einrichtung
2: Beleuchtungsspektrum
3: Erstes farbiges Objekt
4: Zweites farbiges Objekt
5: Erste Lichtquelle
6: Zweite Lichtquelle
7: Dritte Lichtquelle
8: Vierte Lichtquelle
9: Kugeloberfläche
10: Erstes Spektrum
11: Zweites Spektrum
12: Drittes Spektrum
13: Viertes Spektrum
14: Austrittsöffnung
15: Bedieneinheit
16: Einkoppeleinrichtung
17: Optik
18: Stromversorgungseinheit
39: Ladespeicher
20: Kontroller
21: Digital-Analog-Umsetzer
22: Erster Stromausgang
23: Zweiter Stromausgang
24: Dritter Stromausgang
25: Vierter Stromausgang
26: Wiederbeschreibbarer Speicher – EEPROM –
27: Treiberplatine
28: Programmierbare Logikeinheit – FPGA –
29: Programmierschnittstelle
30: Parametrier- und Bedienschnittstelle
31: RESET- und Takteinrichtung
32: Erste Stromquelle
33: Zweite Stromquelle
34: Dritte Stromquelle
35: Vierte Stromquelle
36: Temperatursensor
37: Schmalbandspektrum
38: Schnittstellen-Treiber
39: Intensität – Strom –
40: Einschaltdauer, Pulsweitenmodulation
41: Intpoliertes Spektrum
42: Schnittstellenkontroller
43: EEPROM-Kontroller
44: Speicherkontroller
45: Digital-Analog-Kontroller
46: Temperatur-Kontroller
47: Mikrokontroller
48: Programmspeicher
49: Steuereinheit
50: Licht-Mischeinrichtung
(I): Festlegung
(II): Speicherung
(III): Vorgabe
(IV): Zusammenschaltung
(V): Um- und Verschaltung
(VI): Zusammenführung
(VII): Austritt

Claims

Einrichtung zur Erzeugung von Beleuchtungsspektren für farbige Objekte, dadurch gekennzeichnet, dass sie enthält – Lichtquellen (5, 6, 7, 8) mit jeweils einem vorgegebenen schmalbandigen Spektrum (10, 11, 12, 13, 37), die unterschiedlich sind und zumindest einen Teil des sichtbaren Spektralbereiches einschließen, – eine Steuereinheit (49) zur Ansteuerung der Lichtquellen (5, 6, 7, 8), deren Spektrum-Daten in mindestens einem Speicher (26) der Steuereinheit (49) abgelegt sind und die mit der Steuereinheit (49) in stromversorgungstechnischer Verbindung stehen, – eine Licht-Mischeinrichtung (50), die mit den Lichtquellen (5, 6, 7, 8) in Verbindung steht und in dem die ausgewählten, von den Lichtquellen (5, 6, 7, 8) abzustrahlenden Spektren (10, 11, 12, 13) gemischt werden und der eine Austrittsöffnung (14) zur Ausgabe der vermischten, ausgewählten Spektren (10, 11, 12, 13) als Beleuchtungsspektrum (2) aufweist, und – eine Bedieneinheit (15) zur Eingabe des vorgegebenen Beleuchtungsspektrums (2) und zur Auslösung des Mischvorgangs der ausgewählten Spektren (10, 11, 12, 13).
Einrichtung nachAnspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit (49) mit einer Stromversorgungseinheit (18) und einer Bedieneinheit(15) stromtechnisch verbunden ist.
Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine energieversorgende Einkoppeleinrichtung (16) an die Lichtquellen (5 bis 8) geführt ist, wobei die Einkoppeleinrichtung (16) von der Steuereinheit (49) aktiviert wird.
Einrichtung nach einem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der Licht-Mischeinrichtung (50) und den farbigen Objekten (3, 4) eine strahlenbündelformende Optik (17) angebracht ist.
Einrichtung nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtquellen (5 bis 8) außerhalb, an und/oder innerhalb der Licht-Mischeinrichtung (50) angebracht sind.
Einrichtung nach einem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtquellen (5 bis 8) in einer Reihe an und/oder innerhalb der Licht-Mischeinrichtung (50) angeordnet sind.
Einrichtung nach einem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtquellen (5 bis 8) innerhalb der Licht-Mischeinrichtung (50) ähnlich einer Kugeloberfläche (9) strahlenförmig gerichtet angeordnet sind.
Einrichtung nach einem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass als Lichtquellen (5 bis 8) Leuchtdioden – LED – eingesetzt sind, die jeweils Schmalbandspektren (10, 11, 12, 13, 37) aufweisen, deren Intensität (39) über den Betriebsstrom und/oder über eine Pulsweitenmodulation (40) einschließlich der Veränderung der Einschaltdauer modulierbar sind.
Einrichtung nach einem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Licht-Mischeinrichtung (50) eine Kammer mit einer Austrittsöffnung (14) oder einen Lichtmischstab darstellt.
Einrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Licht-Mischeinrichtung (50) eine Ulbricht-Kugel darstellt.
Einrichtung nach einem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die schmalbandigen Spektren (10, 11, 12, 13, 37) der Lichtquellen (5, 6, 7, 8) gemessen und in den Speicher (26) der Steuereinheit (49) abgelegt sind.
Einrichtung nach einem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass sich programmtechnische Mittel im Speicher (26) und/oder in der Steuereinheit (49) befinden, die zur Erzeugung eines in die Bedieneinheit (15) eingebbaren und variabel programmierbaren Ziel-Beleuchtungsspektrums (2) für die farbigen Objekte (3, 4) aus den gespeicherten und instruktionsmäßig ausgewählten, vorgegebenen Lichtquellenspektren (10, 11, 12, 13, 37) vorgesehen sind.
Einrichtung nach einem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass der Kontroller (20) mit einem Digital-Analog-Umsetzer (21) zur Ansteuerung der Lichtquellen (5 bis 8) über pulsweitenmodulierbare Stromausgänge (22, 23, 24, 25) sowie mit eine wiederbeschreibbaren Festwertspeicher (26) – EEPROM – für abgelegte Faktoren zur Erzeugung von Ziel-Beleuchtungsspektren (2) in Verbindung steht.
Einrichtung nach einem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit (49) auf einer Treiberplatine (27) vorhanden ist, deren zentrales Bauelement ein Mikrokontroller als programmierbare Logikeinheit (28) – ein FPGA: Field Programmable Gate Array – ist, das eingangsseitig mit der Bedieneinheit (15) in Verbindung steht und eine Parametrier- und Bedienschnittstelle (30) aufweist und ausgangsseitig mit einem Digital-Analog-Umsetzer (21) zur Anasteuerung der pulsweitenmodulierbaren Stromquellen (32, 33, 34, 35) für die Lichtquellen (5, 6, 7, 8) versehen ist.
Einrichtung nach einem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass das FPGA (28) mit einem Temperatursensor (36) in Verbindung steht, der die Erwärmung registriert und entsprechende Signale übermittelt.
Einrichtung nach einem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass das FPGA (28) als Bindeglied zwischen folgenden Funktionsgruppen dient: Der Parametrier- und Bedienschnittstelle (30), dem EEPROM (26), dem Digital-Analog-Umsetzer (21), der Bedieneinheit (15), dem Digital-Analog-Umsetzer (21) und dem Temperatursensor (36), wobei zur Ansteuerung der Funktionsgruppen jeweils zugehörige Kontroller als Funktionsblöcke: Ein Schnittstellenkontroller (42), ein EEPROM-Kontroller (43), ein Digital-Analog-Kontroller (45) und ein Temperatur-Kontroller (46) implementiert sind, wobei die Funktionsblöcke die für die Steuerung der jeweiligen Funktionsgruppen notwendigen Protokolle bereitstellen, Daten auswerten und ein koordiniertes Zusammenspiel mit den Funktionsgruppen ermöglichen.
Einrichtung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass im FPGA (28) ein Mikrokontroller (47) mit einem Programmspeicher (48) und ein Speicherkontroller (44) implementiert sind.
Verfahren zur Erzeugung von Beleuchtungsspektren für farbige Objekte, gekennzeichnet durch folgende Schritte: – Festlegung (I) einer Anzahl von Lichtquellen (5, 6, 7, 8) mit vorgegebenen unterschiedlichen schmalbandigen Spek tren (10, 11, 12, 13, 37), wobei die Spektren (10, 11, 12, 13, 37) über den sichtbaren Spektralbereich verteilt sind, – Speicherung (II) der Lichtquellen-Daten und der zugehörigen Lichtquellen-Spektren (10, 11, 12, 13, 37) in einem Speicher (26) einer datenverarbeitenden Steuereinheit (49), – Vorgabe (III) mindestens eines ausgangsseitig zu erzeilenden Beleuchtungsspektrums (2) und dessen Daten-Speicherung in dem Speicher (26) der datenverarbeitenden Stauereinheit (49), – Zusammenschaltung (IV) der von der Steuereinheit (49) ausgewählten Lichtquellen (5 bis 8), die dem jeweils vorgegebenen Ziel-Beleuchtungsspektrum (2) zugeordnet sind, – Um- und Verschaltung (V) der Lichtquellen-Spektren (10, 11, 12, 13) zu einem vorläufigen Beleuchtungsspektrum durch Änderungen von Intensität – des Stroms – (39) und/oder Einschaltdauer (40) der Pulsweitenmodulation, – Zusammenführung (VI) der ausgewählten Lichtquellen-Spektren (10, 11, 12, 13) der eingeschalteten Lichtquellen (5 bis 8) in einer Licht-Mischeinrichtung (50) und – Austritt (VII) des erhaltenen Ziel-Beleuchtungsspektrums (2) aus der Austrittsöffnung (14) der Licht-Mischeinrichtung (50).
Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass wahlweise eine Messung des aus der Austrittsöffnung (14) abgestrahlten Beleuchtungsspektrums (2) durchgeführt wird.
Verfahren nach eine vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die einzelnen Lichtquellen (5 bis 8) spektral an unterschiedlichen diskreten Frequenzen gemessen werden, wobei zur Angleichung eines vorläufigen Ausgangsbeleuchtungsspektrums an ein festgelegtes Ziel-Beleuchtungsspektrum (2) ein mathematischer Algorithmus zur Ermittlung des Ziel-Beleuchtungsspektrums (2) vorgesehen wird.
Verfahren nach einem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass innerhalb des Algorithmus das Spektrum (10, 11, 12, 13, 37) einer einzelnen Lichtquelle (5, 6, 7 und/oder 8) durch stückweise Interpolation mit Splinefunktionen zu jeweils einem interpolierten Spektrum (41) modelliert wird, wobei als Splines Polynome dritten Grades nach der Gleichung f(λ) = a3λ3 + a2λ2 + a1λ + a0 (GI)im Intervall λ₀ ≤ λ < λ₁ eingesetzt werden und eine Splinefunktion f(λ) dabei jeweils nur in einem Intervall λ₀ ≤ λ < λ₁ gilt sowie die Faktoren a₃, a₂, a₁, a₀ zu jedem Intervall durch Lösen des durch die Stützstellen und die Randbedingungen, nämlich die Stetigkeit an den Berührungspunkten, gegebenen Gleichungssystems ermittelt werden.
Verfahren nach einem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Ermittlung der interpolierten Spektren (41) über einen Algorithmus durchgeführt wird.
Verfahren nach einem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die interpolierten Spektren (41) wie analytische Funktionen behandelt werden, wobei die interpolierten Spektren (41) mehrerer Lichtquellen (5 bis 8) wahlweise zusammengefasst, abgeleitet und integriert werden und dabei die spektralen Eigenschaften der Lichtquellen (5 bis 8) abbilden.
Verfahren nach einem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die gemischten Beleuchtungsspektren (2) durch Überlagerung schmaler und in ihrer Intensität (39) regelbarer spektraler Bereiche der Lichtquellen (5 bis 8) erzeugt werden.