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30.09.2016

Verbessertes Verfahren zur spektralen Farbmessung


Spektrale Farbmessungen sind heutzutage in vielen Bereichen der Wissenschaft und Industrie unverzichtbar. Beispielsweise sind eindeutige Farbdefinitionen und optimale Farbwiederholungen in der Druckqualitätskontrolle nötig. Denn Auftraggeber, die ein Produkt in bestimmten Farben bestellen, erwarten, dass das Produkt genau in den gewünschten Farben produziert und geliefert wird. Bisherige Verfahren zur Druckqualitätskontrolle liefern allerdings derzeit nur stichprobenartige, punktuelle Ergebnisse - und das unter teils erheblichem Aufwand.

Wissenschaftlern der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt (PTB) ist es in einem gemeinsamen Projekt mit der Firma Chromasens GmbH gelungen, ein Verfahren zu entwickeln, das es erlaubt, mithilfe von spektralen Vorinformationen Farbspektren effizient und mit hoher Genauigkeit zu rekonstruieren. In einer Simulationsstudie konnten die Forscher bereits nachweisen, dass ihr Ansatz deutlich bessere Ergebnisse liefert als herkömmliche empirische Verfahren.

Jede Farbe hat einen individuellen Fingerabdruck: das Farbspektrum. Dieses ist eine Komposition aus unterschiedlichen Wellenlängen und Intensitäten des Lichts. Das gemessene Spektrum verrät, welche Anteile des Lichts reflektiert werden und den Betrachter erreichen - man spricht daher von einem Reflexionsspektrum. Derzeit gängige Verfahren zur spektralen Farbmessung bestimmen das Reflexionsspektrum nur punktuell. Große Flächen können somit nicht vollständig erfasst werden. Zudem ist die Messung aufwendig: So wird beispielsweise bei der Druckqualitätskontrolle ein Soll-Ist-Vergleich manuell mittels gesonderter Farbmessgeräte auf Testbögen durchgeführt.

Dieser Schritt könnte künftig entfallen. Mittels einer multispektral messenden Zeilenkamera und eines in der PTB entwickelten Algorithmus' lässt sich das komplette Reflexionsspektrum einer zu messenden Oberfläche aufnehmen bzw. kontrollieren - vollautomatisiert und in Echtzeit. Die verwendete Kamera verfügt über zwölf Farbkanäle, die ähnlich wie die Zapfen im menschlichen Auge unterschiedlich sensibel auf Licht reagieren. Im ersten Schritt werden die spektralen Empfindlichkeitskurven der einzelnen Kanäle bestimmt. Die Wissenschaftler sprechen hierbei von der Kalibrierungsstufe. Sie ist die Grundlage für die anschließende Rekonstruktion des Farbspektrums aus den Messdaten der Kamera (Messstufe). Für das zweistufige Rekonstruktionsverfahren verfolgten die Forscher der PTB einen Bayes'schen Ansatz, der es erlaubt, die Messergebnisse der Kamera mit bereits vorhandenem Vorwissen, wie z. B. über die Glattheit des Spektrums oder aus bekannten Daten vorausgehender Spektrophotometer-Messungen, zu verknüpfen. Mit diesem Ansatz lassen sich auch Unsicherheiten und Standardabweichungen bestimmen, was die Zuverlässigkeit der Messergebnisse sicherstellt und nachvollziehbar macht.

Mittels einer Simulationsstudie konnten die Wissenschaftler der PTB bereits nachweisen, dass das neue Messverfahren deutlich stabilere und robustere Messergebnisse liefert als die herkömmlichen empirischen Verfahren. Das Projekt der PTB und der Firma Chromasens GmbH ist für zwei weitere Jahre angelegt. Ziel ist es, den Weg für die breite Anwendung der neuen Methode zu bereiten. So ist es zum Beispiel denkbar, aufgrund der Erfassung spektraler Eigenschaften von Probenoberflächen, effiziente Materialsortierungen und Konformitätskontrollen in der industriellen Produktion durchzuführen. Neben der Industrie dürften auch weitere Bereiche von dem Verfahren Gebrauch machen, beispielsweise die Medizin. Insbesondere die medizinische Bildgebung könnte zukünftig mehr und mehr von spektral zerlegten Messungen und deren Auswertung profitieren.

—> Originalpublikation

Quelle: Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB)




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