DE3503204C2 - Vorrichtung zur Identifizierung von Farben mittels Farbanteilsignalen - Google Patents
Vorrichtung zur Identifizierung von Farben mittels FarbanteilsignalenInfo
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Description
Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Identifizierung von
Farben mittels Farbanteilsignalen gemäß dem Oberbegriff des Patent
anspruchs 1.
Eine Vorrichtung der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen
Art ist im Hauptpatent 33 27 954 beschrieben. Mit der im Hauptpatent
beschriebenen Vorrichtung können die Werte der Farbanteilsignale
unabhängig von Beleuchtungsschwankungen bestimmt werden. Veränderungen
der Helligkeit der Farbe bewirken daher keine Fehler in den Meßergebnis
sen. Die Helligkeit der Farbe ändert sich vielfach durch äußere Einwirkun
gen, z. B. durch Alterung der Lichtquelle oder Schwankungen der Versor
gungsspannung der Lichtquelle.
Bekannt ist ein Verfahren zur Identifizierung von Farben, deren Farban
teile von Rot, Grün und Blau mittels Filtern und photoelektrischen
Empfängern zur Gewinnung von Farbanteilsignalen gemessen werden. Die
Meßwerte werden Verstärkern mit einstellbarem Verstärkungsgrad zugeführt
und anschließend zu einem Summensignal verarbeitet. Es werden jeweils
Ausgangssignale für die drei reinen Farben Rot, Grün und Blau zusammen
mit Grundanteilen erzeugt. Aus den Ausgangssignalen und den Grundan
teilen (Ruhepotentiale) werden absolute Farbanteile gewonnen, die
aufsummiert werden. Die Farbanteile und die Summe werden einer Kom
paratorbank zugeführt, in der ein gewichteter Vergleich zur Bestimmung
der jeweiligen Farbe durchgeführt wird (DE 28 32 382 A1).
Bekannt ist auch ein Farbmeßgerät mit mehreren lichtempfindlichen
Empfängern, von denen einige voneinander unterschiedliche spektrale
Empfindlichkeiten besitzen. Durch Eichung wird die spektrale Empfindlich
keit des jeweiligen photoelektrischen Empfängers bestimmt. Die Empfänger
sind über einen Multiplexer und einen Analog-Digital-Wandler mit einem
Rechner verbunden, der aus den empfangenen Signalen und den gespeicher
ten spektralen Empfindlichkeiten der Empfänger sowie anhand gespeicherter
Normspektralwertkurven Farbwertanteile berechnet (DE 25 46 253 A1).
Bei manchen Körpern besteht ein Zusammenhang zwischen der Farbe der
Oberfläche, dem Sättigungsgrad der Farbe und anderen physikalischen
Eigenschaften. Bei der Herstellung der Körper können daher gewünschte
Eigenschaften erreicht werden, wenn die Oberflächenfarbe bzw. der
Sättigungsgrad auf den der jeweiligen Eigenschaft entsprechenden Wert
eingestellt wird.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zu entwickeln,
mit der die Farbart an der Oberfläche eines Körpers durch Beeinflussung
eines auf die Farbart einwirkenden Parameters auf einen gleichbleibenden
Wert geregelt werden kann.
Die Aufgabe wird bei einer Vorrichtung der im Oberbegriff des Patentan
spruchs 1 beschriebenen Art erfindungsgemäß durch die Merkmale des
kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 gelöst. Mit der im Patent
anspruch 1 beschriebenen Vorrichtung wird ein Farbanteilsignal ausgewählt,
das sich mit derjenigen physikalischen Eigenschaft ändert, die auf einen
bestimmten Wert eingestellt werden soll. Die Regelung des Sättigungsgrads
der Farbe bei der Herstellung des Körpers bietet sich an, wenn die
gewünschte Eigenschaft durch Messung anderweitig nur umständlich oder
gar nicht erfaßt werden kann.
Es kann vorkommen, daß eine bestimmte physikalische Eigenschaft
eindeutig nur mit der Summe zweier Farbanteilsignale zusammenhängt. Dann
ist es zur Erzielung der physikalischen Eigenschaft zweckmäßig, aus der
Oberflächenstrahlung, die z. B. auf Reflexion beruht, durch Filterung zwei
Farbanteile zu erfassen, die in zwei elektrische Farbanteilsignale umgewan
delt werden, die je mit einem Koeffizienten multipliziert, dann addiert und
anschließend mit dem Sollwert verglichen werden.
Vorzugsweise ist der Parameter die Konzentration eines Farbstoffs, der
einem Füllstoff vorgegebener Farbe zugesetzt ist. Damit kann bei der
Herstellung einer Farbe die Dosierung eines Füllmittels geregelt werden,
um die Farbe des Gemischs auf einen gleichbleibenden Sättigungsgrad
einzustellen.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der in den Patentansprüchen 1 und 2
angegebenen Maßnahmen sind in den Patentansprüchen 3 bis 6 beschrieben.
Die Erfindung wird im folgenden anhand von in einer Zeichnung darge
stellten Ausführungsbeispielen näher erläutert.
Es zeigen:
Fig. 1 eine Vorrichtung zur Erzeugung eines Regelsignals, mit dem eine
Stellgröße für die Regelung der Farbart an der Oberfläche eines
Körpers beeinflußt werden kann;
Fig. 2 eine Anordnung zur vorzeichenrichtigen Multiplikation der Farban
teilsignale mit ausgewählten Koeffizienten;
Fig. 3 eine Anordnung zur beleuchtungsschwankungsunabhängigen
Erzeugung von Farbanteilsignalen und
Fig. 4 Farbanteilsignale eines Körpers als Funktion der Konzentration
von Mischstoffen des Körpers.
Ein Oberflächenbereich 1 eines Gegenstands 2 wird durch eine Optik 3 auf
drei in engem Abstand nebeneinander angeordneten photoelektrischen
Empfängern 4, 5, 6 abgebildet. Im Strahlengang des den Bereich
abbildenden Lichtbündels sind jeweils drei Farbauszugsfilter 7, 8, 9 vor den
photoelektrischen Empfängern 4, 5, 6 angeordnet. Das Farbauszugsfilter 7
ist z. B. für die Primärfarbe Rot durchlässig. Die Farbauszugsfilter 8, 9
sind jeweils für die Primärfarben Grün und Blau durchlässig. An den
Ausgängen der photoelektrischen Empfänger 4, 5, 6 sind daher drei Signale
vorhanden, die jeweils für die Primärfarben Rot, Grün und Blau der Farbart
und der bei der Abtastung herrschenden Helligkeit entsprechen.
Den Empfängern 4, 5, 6 ist jeweils eine Anordnung 10, 11, 12 nachgeschal
tet, mit der das Ausgangssignal des zugeordneten Empfängers 4, 5, 6 und
einstellbare Werte verstärkt und wahlweise invertiert werden kann. Jede
Anordnung 10, 11, 12 enthält den gleichen Aufbau. Eingangsseitig ist in
jeder Anordnung 10, 11, 12 ein einstellbarer Widerstand 13 vorgesehen, dem
ein Verstärker 14 mit einem Rückkopplungswiderstand 15 nachgeschaltet
ist. Der Verstärker 14 speist über einen weiteren Widerstand 16 einen
Differenzverstärker 17, der einen Rückkopplungswiderstand 18 aufweist.
Der zweite Eingang des Differenzverstärkers 17 ist an einen beispielsweise
kontaktlosen Umschalter 19 angeschlossen, dessen Schaltelement wahlweise
an den Ausgang des Verstärkers 14 oder an Bezugspotential gelegt werden
kann. Die Anordnungen 10, 11, 12 sind über Schaltelemente 20, 21, 22
wahlweise mit den Empfängern 4, 5, 6 verbindbar. Die Schaltelemente 20,
21, 22, die in Fig. 1 im Anschluß an die
Empfänger 4, 5, 6 dargestellt sind, können auch innerhalb der Anord
nungen 10, 11, 12 oder nach diesen angeordnet sein. Mit den Schalt
elementen 20, 21, 22 lassen sich eines oder zwei der drei Farbanteilsignale
für einen Regelvorgang auswählen. An die Anordnungen 10, 11, 12 sind
Widerstände 23, 24, 25 einer Summierschaltung 25a angeschlossen, die
einen weiteren einstellbaren Widerstand 26 enthält, der über ein Schalt
element 27 wahlweise an eine positive oder negative Bezugsspannung
anlegbar ist. Mit der Summierschaltung 25a ist ein Verstärker 28 mit
einem einstellbaren Rückkopplungswiderstand 29 verbunden.
Mit den Widerständen 13 läßt sich das jeweils über den zugehörigen
Schalter 20, 21, 22 ausgewählte Farbanteilsignal mit einem Koeffizienten
multiplizieren, dessen Größe vom Widerstandswert abhängt. Die Polarität
des Produkts auf Farbanteilsignal und Koeffizient wird durch die Stellung
des Schalters 19 vorgegeben. Die Produkte mit dem entsprechenden
Vorzeichen werden in der Summierschaltung 25a einander überlagert. Über
den Widerstand 26 wird der Sollwert in die Summierschaltung 25a einge
speist. Der Widerstand 26 kann auch zur Nullpunktverschiebung des Istwerts
verwendet werden. Je nach der Stellung des Schalters 27 und dem Ein
stellwert des Widerstands 26 tritt am Ausgang der Summierschaltung 25a
der Istwert oder die Regelabweichung auf. Beide können bedarfsweise mit
einem weiteren Koeffizienten über die Einstellung des Rückkopplungs
widerstands 29 multipliziert werden.
Die Anordnungen 10, 11, 12 können auch den in Fig. 2 dargestellten
Aufbau haben. Ein mit einem Rückkopplungswiderstand versehener Diffe
renzverstärker 31 ist mit einem Eingang über einen Widerstand 32 an den
jeweiligen photoelektrischen Empfänger, z. B. 4, angeschlossen. Der
Empfänger 4 kann mit einem Vorverstärker 33 verbunden sein. Der zweite
Eingang des Differenzverstärkers 31 ist an den Abgriff eines Potentio
meters 34 gelegt, das zwischen dem eingangsseitigen Anschluß des
Widerstands 32 und Bezugspotential angeordnet ist. Mit dem Potentio
meter 34 kann der Koeffizient stufenlos zwischen +1 und -1 eingestellt
werden.
Die einstellbaren Widerstände 13, 26 und 29 (Fig. 1) können durch Codierschalter
und passend gestufte Widerstände ersetzt sein, um eine digitale Vorgabe
der Koeffizienten, der Verschiebung oder des Sollwerts bzw. der Ver
stärkung der Regelabweichung oder des Sollwerts bzw. der Verstärkung
der Regelabweichung oder des Istwerts zu ermöglichen.
Die Ausgangssignale der photoelektrischen Empfänger 4, 5, 6 können auch
jeweils Verstärkern 35, 36 und 37 (Fig. 3) zugeführt werden, deren Ausgangssignale
mit nicht näher bezeichneten Widerständen zu einem Summensignal
vereinigt werden.
Dieses Summensignal wird als Istwert einer Regelgröße mit einem vorge
gebenen gleichbleibenden Sollwert verglichen, der z. B. von einer Referenz
spannungsquelle 38 erzeugt wird. Die gemeinsame Anschlußstelle der
Widerstände ist mit einem Eingang eines Differenzverstärkers 39 verbunden,
an dessen zweiten Eingang die Referenzspannungsquelle 38 angeschlossen
ist. Der Differenzverstärker 39 erzeugt ein der Differenz der Eingangs
signale entsprechendes Regelabweichungssignal, das gemeinsam den als
Verstärker mit regelbarem Verstärkungsgrad ausgebildeten Verstärkern 35,
36, 37 zugeführt wird. Mit dem Regelabweichungssignal werden die
Verstärkungsfaktoren so eingestellt, daß das Regelabweichungssignal Null
wird bzw. einen sehr kleinen Wert aufweist. An den Ausgängen der drei
Verstärker 35, 36, 37 sind demnach Farbanteilsignale verfügbar, die immer
auf eine gleiche, dem Sollwert entsprechende Helligkeit bezogen sind und
die deshalb von den Schwankungen der Beleuchtungsstärke auf der Ober
fläche im Bereich unabhängig sind.
Die Verstärker 35, 36, 37 weisen Ausgänge 35a, 36a, 37a auf, an die die
Anordnungen 10, 11, 12 angeschlossen sind, wenn die Farbart eines Ober
flächenbereichs unabhängig von Beleuchtungsschwankungen erfaßt werden
soll.
Vor den Farbauszugsfiltern 7, 8, 9 sind im Strahlengang jeweils ein
Infrarotfilter 67 und ein Interferenzkantenfilter 68 angeordnet.
Bei der in Fig. 1 dargestellten Anordnung liegen die photoelektrischen
Empfänger 4, 5, 6 eng nebeneinander. Dies bedeutet, daß unterschiedliche
Teile des Bereichs 1 auf den Empfängern 4, 5, 6 abgebildet werden. Eine
solche Anordnung arbeitet dann genau, wenn diese Teile die gleiche Farbe
haben, d. h. keine oder nur vernachlässigbare Farbänderungen zwischen den
Teilen vorkommen. Für eine Vielzahl von Gegenständen ist diese Anordnung
ausreichend, da die vorstehend erläuterten Bedingungen vorliegen. Die drei
Farbanteile können bedarfsweise auch aus der Strahlung des gleichen
Flächenelements ausgefiltert werden, indem dichroitische Spiegel in
Verbindung mit Filtern eingesetzt werden. Auch die Verwendung von Notch-
Filtern ermöglicht eine Filterung unter Bezug auf das gleiche Flächen
element.
Mittels Stellgliedern können die Parameter zur Veränderung der Farbe des
jeweiligen Gegenstands beeinflußt werden.
Die oben beschriebenen Anordnungen sollen beispielsweise zur Regelung der
Farbe eines Stoffgemischs benutzt werden, das durch Beimischung eines
Farbstoffs zu einem Füllstoff bestimmter Farbe durch Beeinflussung der
Konzentration hergestellt wird.
Zur Verdeutlichung soll ein Beispiel explizit behandelt werden. Einem Füll
stoff bestimmter Farbe wird ein anderer Farbstoff in wählbarer Konzen
tration hinzugemischt. Bei einer bestimmten Konzentration ergibt das
Mischprodukt die gewünschte Farbe, die über eine Regelung konstant ge
halten werden soll.
Hierfür wird das Mischprodukt mit einem Farbsensor betrachtet, der die
drei Farbanteilsignale liefert. Um sie als Regelkriterium verwenden zu
können, wird ihr Verhalten bei einer Änderung der Konzentration benötigt,
d. h. ihre Kennlinie muß vorab aufgenommen werden. Hierzu werden die
Konzentrationen des Farbstoffs in definierter Weise verändert und die
resultierenden Farbanteilsignale gemessen. Es ergibt sich z. B. der in
Fig. 4 dargestellte Verlauf (der hier etwas idealisiert wurde). Die Farban
teilsignale weisen einen Knick bei der Konzentration k₀ auf; dort ändern
sich ihre Steigungen:
tgαR = dURM/dk; tgαG = dUGM/dk; tgαB = dUBM/dk.
Durch die oben beschriebene Regelung der drei Farbanteilsignale bleibt ihre
Summe konstant, z. B. 10 V.
Man erkennt aus Fig. 4, daß keine der drei Teilspannungen unmittelbar als
Regelgröße verwendbar ist:
- - URM und UBM ändern sich bei Konzentration kleiner bzw. größer als k₀ nicht;
- - UGM hat bei k₀ ein Maximum.
Deshalb werden URM und UBM zu einer neuen Größe zusammengefaßt,
indem z. B. UBM negiert und anschließend potential verschoben und nach
passender Verstärkung zu URM addiert wird.
Für die resultierend Spannung gilt demnach:
Uist = c₁ URM + c₂ UBM + c₃ Uref,
wobei Uref eine (konstante) Referenzspannung ist. Als Resultat soll eine
der Konzentration k proportionale Größe entstehen:
Uist = tg αik mit tgαi = 0,2 V/%.
Der Zahlenwert ergibt sich aus dem interessierenden Bereich für k - 0 bis
50% - und dem verfügbaren Spannungsbereich - 10 V.
Die Aufgabe wird mit der Schaltung gemäß Fig. 1 gelöst, wobei der
Schalter 21 geöffnet wird. Zur Vereinfachung sollen alle festen Widerstände
in Fig. 1 den Wert 10 kOhm erhalten. Ferner sei der Schalter 20 oben
(nichtinvertierend) und der Schalter 22 unten (invertierend). Dann gelten
für die Koeffizienten folgende Beziehungen:
c₁ = R₂₉/R13′; c₂ = -R₂₉/R13′′; c₃ = -R₂₉/R₂₆,
wobei mit R′₁₃, R′′₁₃, R₂₆ und R₂₉ die Werte der Widerstände 13 der
Anordnungen 10 bzw. 12 und der Widerstände 26, 29 bezeichnet sind.
Für k = 0 soll auch Uist = 0 sein;
c₁ URM (0) + c₂ UBM (0) + c₃ Uref = 0.
Ferner sollen die Steigungen links und rechts von k₀ gleich sein:
c₁ · dURM (k < k₀) = c₂ · dUBM (K < K₀); daraus:
c₁ · dURM (k < k₀) = c₂ · dUBM (K < K₀); daraus:
c₁/c₂ = tgαB/tgαR.
Mit den Zahlenwerten
URM(0) = 4 V; UBM(0) = 6 V;
tgαR(k < k₀) = 0,1 V/%; tgαB(k < k₀) = -0,2 V/%;
R₂₉ = 20 kOhm (wählbar)
tgαR(k < k₀) = 0,1 V/%; tgαB(k < k₀) = -0,2 V/%;
R₂₉ = 20 kOhm (wählbar)
erhält man die Ergebnisse
R′₁₃ = 10 kOhm; R′′₁₃ = 20 kOhm; R₂₆ = 100 kOhm.
R₂₆ kann zwei Funktionen erfüllen. Bei der obigen Dimensionierung erhält
man einen Istwert, der zu k proportional ist; insbesondere ist für k = 0 auch
Uist = 0. Man kann aber auch über R₂₆ einen Sollwert vorgeben, z. B.
derart, daß für k = 30% der Ausgang 0 ist (R₂₉ = 25 kOhm). Man erhält
nun nicht mehr den Istwert, sondern die Regelabweichung, die in bekannter
Weise über ein Stellglied die Stellgröße k und somit auch die Farbe als
Regelgröße beeinflussen kann. Man kann also die Skala von R₂₆ in Soll
werten eichen.
Die Kennlinie, d. h. die Abhängigkeit der Farbanteilsignale von der jewei
ligen physikalischen Größe, wird aufgenommen, wobei die physikalische
Größe - im Beispiel die Konzentration - zahlenmäßig definiert sein muß.
Diese Messung gibt den Bereich vor, in dem der Sollwert liegen darf. So
kann im Beispiel nicht auf eine Konzentration k < 50% geregelt werden,
da hierfür die Kennlinien der verwendeten Farbanteilsignale nicht vorliegen.
Claims (6)
1. Vorrichtung zur Identifizierung von Farben mittels Farbanteilsignalen,
mit denen die Farbart eines Oberflächenbereichs eines Gegenstands
unabhängig von Beleuchtungsschwankungen erfaßt werden kann, mit
einer den Oberflächenbereich auf photoelektrischen Empfängern
abbildenden Optik, wobei Filter zur Gewinnung der Farbanteilsignale
für Rot, Grün und Blau zwischengeschaltet und den photoelektrischen
Empfängern jeweils Verstärker (35, 36, 37) mit einstellbarem
Verstärkungsgrad nachgeschaltet sind, wobei die Ausgänge der
Verstärker einerseits mit Auswerteschaltungen und andererseits jeweils
mit Summierwiderständen verbunden sind, wobei das Ausgangssignal
der Summierwiderstände an den Eingang einer Einrichtung (39) zum
Vergleichen mit einem einem Sollwert entsprechenden Signal gelegt ist
und wobei das der Abweichung vom Sollwert entsprechende Aus
gangssignal dieser Einrichtung (39) zum Vergleichen an die Steuerein
gänge zur Einstellung des Verstärkungsgrads im Sinne der Reduzierung
der Abweichung vom Sollwert auf Null oder auf einen sehr kleinen
Wert gelegt ist,
dadurch gekennzeichnet,
daß den photoelektrischen Empfängern (4, 5, 6) jeweils mittels
Schaltelementen (20, 21, 22) einschaltbare Anordnungen (10, 11, 12)
zur Multiplikation des jeweiligen Farbanteilsignals mit einem
zugeordneten Koeffizienten und zur wahlweisen Invertierung zumindest
eines Produkts aus einem Farbanteilsignal und einem zugeordneten
Koeffizienten nachgeschaltet sind, der der Quotient aus dem Farban
teilsignal und einem Parameter ist, von dem die Farbart des Ober
flächenbereichs abhängt, und daß den einschaltbaren Anordnungen
(10, 11, 12) eine Summierschaltung (25a) nachgeschaltet ist, in die ein
Sollwert des Parameters zur Erzeugung eines Regelabweichungssignals
für die Regelung des Parameters einspeisbar ist.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Parameter die Konzentration eines Farbstoffs ist, der einem
Füllstoff vorgegebener Farbe zugesetzt ist.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet,
daß die einschaltbaren Anordnungen (10, 11, 12) je einen rückgekop
pelten Verstärker (14) mit einem einstellbaren Widerstand (13) am
Eingang aufweisen, dessen Ausgangssignal über einen wahlweise auf
Invertierung des Eingangssignals umschaltbaren Verstärker (17) an die
Summierschaltung (25a) angeschlossen ist.
4. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet,
daß die einschaltbare Anordnung (10, 11, 12) einen Differenzverstärker
(31) aufweist, dessen Eingang über einen Widerstand (32) mit dem
jeweiligen photoelektrischen Empfänger (4, 5, 6) verbunden ist, wobei
der Widerstand (32) eingangsseitig mit einem an Bezugspotential
gelegten Potentiometer (34) verbunden ist, dessen Abgriff an den
zweiten Eingang des Differenzverstärkers (31) angeschlossen ist.
5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 oder 4,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Summierschaltung (25a) aus an einen gemeinsamen Anschluß
gelegten Widerständen (23, 24, 25, 26) besteht, von denen einer (26)
einstellbar und wahlweise an eine positive oder negative Bezugsspan
nung anschaltbar ist.
6. Vorrichtung nach Anspruch 3,
dadurch gekennzeichnet,
daß der einstellbare Widerstand (13) aus digital gestuften Widerstän
den zusammensetzbar ist, die durch Codierschalter parallel und/oder
seriell miteinander verbindbar sind.
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1985
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