DE102011103446A1

DE102011103446A1 - Verfahren und Messvorrichtung zur Helligkeits- und/oder Farbmessung

Info

Publication number: DE102011103446A1
Application number: DE201110103446
Authority: DE
Inventors: Walter Grandjot; Thomas Pichler
Original assignee: PLATISCAN GmbH
Current assignee: Pichler Thomas De
Priority date: 2011-06-07
Filing date: 2011-06-07
Publication date: 2012-03-15
Anticipated expiration: 2031-06-08
Also published as: WO2012167772A1; DE102011103446B4

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Helligkeits- und/oder Farbmessung von aus mindestens einer Lichtquelle (14, 17, 18), insbesondere aus mindestens einer Leuchtdiode, emittiertem Licht, gekennzeichnet durch folgende Schritte:
• zur Kalibrierung einer Messvorrichtung (10) ausgehend von mindestens einer als Messnormal dienenden bekannten Lichtquelle (14) mindestens einen ersten Referenzwert für einen Helligkeitswert und mindestens einen zweiten Referenzwert für einen Farbwert bestimmen;
• den ersten Referenzwert dem tatsächlichen Helligkeitswert und den zweiten Referenzwert dem tatsächlichen Farbwert der mindestens einen als Messnormal dienenden bekannten Lichtquelle (14) zuordnen;
• einen gemessenen Helligkeitswert und einen gemessenen Farbwert von mindestens einer unbekannten Lichtquelle (17, 18) bestimmen;
• eine Extrapolation zur Bestimmung eines tatsächlichen Helligkeitswertes der mindestens einen unbekannten Lichtquelle (17, 18) durchführen, wobei von dem mindestens einen Referenzwert für den Helligkeitswert und vom gemessenen Helligkeitswert ausgegangen wird, und eine Extrapolation zur Bestimmung eines tatsächlichen Farbwertes der unbekannten Lichtquelle (17, 18) durchführen, wobei von dem mindestens einen Referenzwert für den Farbwert und vom gemessenen Farbwert ausgegangen wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Helligkeits- und/oder Farbmessung von aus mindestens einer Lichtquelle, insbesondere von aus mindestens einer Leuchtdiode, emittiertem Licht.
Aus dem Stand der Technik sind Messverfahren zur Helligkeits- und Farbmessung der Leuchtdiode bekannt, bei denen Videokameras oder Glasfaserlichtleiter verwendet werden, um das von der Leuchtdiode emittierte Licht zu bestimmen. Videokameras können jedoch aufgrund der kurzen Belichtungsdauer Helligkeit und Farbe nicht genau genug erfassen. Bei Glasfaserlichtleitern besteht das Problem, dass die Helligkeit proportional zum Quadrat des Abstandes zwischen dem Glasfaserlichtleiter und der Lichtquelle abnimmt. Daraus resultieren auch bei kleinen Abstandsänderungen ungenaue Messergebnisse der Helligkeitswerte. Glasfaserlichtleiter können lediglich eine sehr begrenzte Anzahl von Pixeln, und zwar in der Regel 3 × 3 bis 9 × 9 Pixel aufnehmen, so dass die Lichtquelle nur über einen sehr kleinen Ausschnitt teilweise aufgenommen wird. Daraus resultieren zwangsläufig Ungenauigkeiten hinsichtlich der zu ermittelnden Helligkeit und Farbe der Lichtquelle.
Die Erfindung hat die Aufgabe, ein Verfahren und eine Messvorrichtung bereitzustellen, mit denen Helligkeits- und Farbwerte mit einer sehr hohen Genauigkeit ermittelt werden können.
Die Erfindung löst die gestellte Aufgabe mit einem Verfahren der eingangs genannten Art, das erfindungsgemäß durch folgende Schritte gekennzeichnet ist:

• zur Kalibrierung einer Messvorrichtung, ausgehend von mindestens einer als Messnormal dienenden bekannten Lichtquelle, mindestens einen ersten Referenzwert für einen Helligkeitswert und mindestens einen zweiten Referenzwert für einen Farbwert bestimmen;
• den ersten Referenzwert dem tatsächlichen Helligkeitswert und den zweiten Referenzwert dem tatsächlichen Farbwert der mindestens einen als Messnormal dienenden bekannten Lichtquelle zuordnen;
• einen gemessenen Helligkeitswert und einen gemessenen Farbwert von mindestens einer unbekannten Lichtquelle bestimmen;
• eine Extrapolation zur Bestimmung eines tatsächlichen Helligkeitswertes der mindestens einen unbekannten Lichtquelle durchführen, wobei von dem mindestens einen Referenzwert für den Helligkeitswert und vom gemessenen Helligkeitswert ausgegangen wird, und eine Extrapolation zur Bestimmung eines tatsächlichen Farbwertes der unbekannten Lichtquelle durchführen, wobei von dem mindestens einen Referenzwert für den Farbwert und vom gemessenen Farbwert ausgegangen wird.

Diese Schritte können gleichzeitig oder nacheinander erfolgen. Selbstverständlich können auch nur einige dieser Schritte gleichzeitig durchgeführt werden. Bei der bekannten Lichtquelle können ein RGB-Wert und/oder ein x/y-Wert gemäß eines CIE-Normvalenzsystems und/oder eine Wellenlänge und ein Helligkeitswert bekannt sein, wohingegen bei der unbekannten Lichtquelle diese Parameter unbekannt sein können. Einer oder alle dieser Parameter können folglich mit dem erfindungsgemäßen Verfahren ermittelt werden. Somit können mit dem erfindungsgemäßen Verfahren absolute Helligkeits- und Farbwerte gemessen werden. Um Referenzwerte mit einer möglichst hohen Genauigkeit zu gewinnen, können mehrere bekannte Lichtquellen verwendet werden. In diesem Fall können die Lichtquellen zeitlich hintereinander oder gleichzeitig bestimmt werden. Nach der Bestimmung der Vielzahl der für die Referenzwertermittlung dienenden Helligkeits- und Farbwerte kann anschließend ein Mittelwert bestimmt werden, der einen Referenzwert höherer Genauigkeit darstellt. Bei der bekannten und der unbekannten Lichtquelle kann der Helligkeitswert ein physikalischer Wert sein oder der Wahrnehmung des menschlichen Auges entsprechen.
Die Extrapolation zur Bestimmung des Helligkeitswertes und/oder die Extrapolation zur Bestimmung des Farbwertes kann eine lineare Extrapolation sein. Die Praxis hat gezeigt, dass mit einer linearen Extrapolation, insbesondere bei kleinen Abweichungen vom Referenzwert, zufriedenstellende Genauigkeiten erreicht werden können.
Zur Bestimmung der Helligkeitswerte und/oder der Farbwerte kann gemäß den folgenden Schritten

• ein Bild von der mindestens einen bekannten und/oder unbekannten Lichtquelle aufgenommen werden;
• ein RGB-Wert des von der Lichtquelle emittierten Lichts bestimmt werden,
• der RGB-Wert in den x/y-Wert gemäß des CIE-Normvalenzsystems und/oder in eine Wellenlänge und in einen Helligkeitswert umgerechnet werden.

Der x/y-Wert dient also der normierten zweidimensionalen Darstellung eines CIE-Normvalenzsystems. Ein Hintergrund der Lichtquelle, beispielsweise eine Platine, auf der die Lichtquelle angeordnet sein kann, fließt bei der Bestimmung des RGB-Wertes nicht in das Messergebnis ein, da der Hintergrund der Lichtquelle aufgrund des Kontrasts zur hellen Lichtquelle schwarz erscheint und somit einen ROB-Wert von Null oder nahezu Null liefert.
Um eine möglichst hohe Genauigkeit bei der Ermittlung des Helligkeitswertes und des Farbwertes sicherstellen zu können, kann die das Licht emittierende mindestens eine bekannte und/oder unbekannte Lichtquelle vollständig und nicht nur über einen Ausschnitt aufgenommen werden. Damit liefert die Aufnahme der Lichtquelle über alle Pixel, die zum Farbwert und zum Helligkeitswert beitragen, stabile Ergebnisse bei wiederholter Ermittlung des Helligkeitswertes und des Farbwertes.
Zur Berechnung des Helligkeitswertes kann ein linearisierter Rotwert, ein linearisierter Grünwert und ein linearisierter Blauwert für jedes Pixel der Lichtquelle addiert und von diesen Additionen die Summe über alle Pixel gebildet werden. Daraus ergibt sich ein sehr genauer Helligkeitswert der Lichtquelle.
Der RGB-Wert kann soweit erforderlich mittels einer Gammakorrektur linearisiert werden, um anschließend für die Berechnung des physikalischen Helligkeitswertes verwendet zu werden. Für die Ermittlung der vom menschlichen Auge wahrgenommenen Helligkeit kann die Gammakorrektur entfallen.
Um Helligkeitsschwankungen möglichst zuverlässig ausschließen zu können, kann eine relativ lange Belichtungsdauer für die Aufnahme der mindestens einen Lichtquelle gewählt werden. Zu diesem Zweck kann ein Filter die Lichtquelle verdunkeln. Die Belichtungsdauer kann für alle Messungen konstant sein, um stabile Messergebnisse zu erhalten.
Die mindestens eine Lichtquelle kann an einer genau definierten Stelle auf der Platine angeordnet sein und die Abmessungen und die Position der Platine ermittelt werden. Somit ist es möglich eine Referenzplatine, deren Abmessungen und deren Positionierung als Referenzwerte dienen, festzulegen. Anschließend kann jede weitere Platine mit der Referenzplatine hinsichtlich ihrer Abmessungen und Positionierung verglichen und mittels einer Software eine rechnerische Korrektur der Abmessungen und der Positionierung durchgeführt werden. Durch diesen Vorgang wird die Genauigkeit der ermittelten Farb- und Helligkeitswerte erhöht.
Die Erfindung betrifft ferner die Messvorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 8, die erfindungsgemäß eine Fotokamera aufweist. Die Fotokamera ist sehr gut geeignet, um ein menschliches Auge zu emulieren. Sie produziert somit Bilder, wie sie das menschliche Auge auch sieht. Dies ist wichtig, da die Lichtquelle beispielsweise im Innenraum eines Kraftfahrzeugs eingesetzt werden kann (Anmutung).
Um einen menschlichen Betrachter emulieren zu können, können die Fotokamera und die mindestens eine Lichtquelle einen Abstand von ungefähr einer Armlänge des zu emulierenden Betrachters aufweisen. Dieser Abstand entspricht ungefähr dem Abstand von Augen einer Person, die hinter einem Lenkrad des Kraftfahrzeugs sitzt, und Anzeigen eines Armaturenbretts. Sollten während einer Messung Schwankungen des Abstandes auftreten, so können diese mittels einer Software bestimmt und anschließend korrigiert werden. Dadurch kann der Helligkeitswert aufgrund seiner Abhängigkeit vom Abstand präziser ermittelt werden. Somit sind grundsätzlich auch Abstände von mehr oder weniger als einer Armlänge möglich.
Die Messvorrichtung kann eine Auswerteeinheit mit einer Software zur Umrechnung der RGB-Werte in x/y-Werte, in Wellenlängen und in Helligkeitswerte sowie zur Durchführung der Extrapolation aufweisen.
Da bei der mindestens einen Lichtquelle, insbesondere bei der Leuchtdiode, die Helligkeit vom Hersteller nicht exakt produziert werden kann, kann zum Ausgleich einer Helligkeitsabweichung ein Vorwiderstand vor die Lichtquelle geschaltet oder eine Einschaltdauer einer Pulsweitenmodulation der Lichtquelle verändert werden. Deshalb kann aus dem bei der Extrapolation berechneten Helligkeitswert der unbekannten Lichtquelle der erforderliche Vorwiderstand, der zum Ausgleich der Helligkeitsabweichung erforderlich ist, ermittelt werden. Ist der berechnete Helligkeitswert zu gering, wird ein vorhandener Vorwiderstand gegen einen kleineren Vorwiderstand ausgetauscht oder die Einschaltdauer der Pulsweitenmodulation vergrößert. Ist der berechnete Helligkeitswert zu groß, wird ein vorhandener Vorwiderstand gegen einen größeren Vorwiderstand ausgetauscht oder die Einschaltdauer der Pulsweitenmodulation verringert.
Das erfindungsgemäße Verfahren eignet sich auch sehr gut bei der Produktion der mindestens einen Lichtquelle, insbesondere bei der Produktion der mindestens einen Leuchtdiode in Elektronikschaltungen, zur Qualitätskontrolle.
Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel anhand der beiliegenden Zeichnung näher erläutert.
Die einzige Figur zeigt eine Messvorrichtung 10 mit einer Fotokamera 11, einer Linse 12 und einem Filter 13. Unterhalb der Messvorrichtung 10 ist eine zur Bestimmung eines ersten Referenzwertes für einen Helligkeitswert und eines zweiten Referenzwertes für einen Farbwert dienende bekannte Lichtquelle 14 auf einer Platine 15 angeordnet. Auf einer Platine 16 befinden sich unbekannte Lichtquellen 17 und 18, deren Helligkeits- und Farbwert zu bestimmen sind. Die Lichtquellen 14, 17 und 18 sind im dargestellten Fall Leuchtdioden.
Mit der Fotokamera 11 werden die bekannte Lichtquelle 14 und die unbekannten Lichtquellen 17 und 18 gleichzeitig aufgenommen. Mittels einer Software können die einzelnen Farb- und Helligkeitswerte der Lichtquellen 14, 17 und 18 bestimmt werden.
Der Filter 13 verdunkelt die Lichtquellen 14, 17 und 18, so dass lange Belichtungszeiten möglich sind, um Helligkeitsschwankungen auszugleichen.
Die Genauigkeit der Messvorrichtung 10 kann zusätzlich erhöht werden, indem die Linse 12 absichtlich unscharf gestellt wird. Auf diese Weise kann eine Überbelichtung der Fotokamera 11 durch einzelne zu hell leuchtende Bereiche der Lichtquellen 14, 17 und 18 verhindert werden, da sich durch die absichtliche Unscharfstellung der Fotokamera 11 das Licht auf mehrere Pixel der Fotokamera 11 verteilt. Somit wird eine Glättung der Helligkeitsintensität der unterschiedlich hell leuchtenden Bereiche erreicht.
Ein Abstand 19 zwischen dem Filter 13 und den Lichtquellen 14, 17 und 18 beträgt ungefähr eine Armlänge eines zu emulierenden menschlichen Betrachters. Somit kann zusammen mit der Fotokamera 11, die sehr gut geeignet ist, um ein menschliches Auge zu emulieren, der Betrachter zuverlässig emuliert werden.
Bezugszeichenliste

10: Messvorrichtung
11: Fotokamera
12: Linse
13: Filter
14: Lichtquelle
15: Platine
16: Platine
17: Lichtquelle
18: Lichtquelle
19: Abstand

Claims

Verfahren zur Helligkeits- und/oder Farbmessung von aus mindestens einer Lichtquelle (14, 17, 18), insbesondere aus mindestens einer Leuchtdiode, emittiertem Licht, gekennzeichnet durch folgende Schritte: • zur Kalibrierung einer Messvorrichtung (10) ausgehend von mindestens einer als Messnormal dienenden bekannten Lichtquelle (14) mindestens einen ersten Referenzwert für einen Helligkeitswert und mindestens einen zweiten Referenzwert für einen Farbwert bestimmen; • den ersten Referenzwert dem tatsächlichen Helligkeitswert und den zweiten Referenzwert dem tatsächlichen Farbwert der mindestens einen als Messnormal dienenden bekannten Lichtquelle (14) zuordnen; • einen gemessenen Helligkeitswert und einen gemessenen Farbwert von mindestens einer unbekannten Lichtquelle (17, 18) bestimmen; • eine Extrapolation zur Bestimmung eines tatsächlichen Helligkeitswertes der mindestens einen unbekannten Lichtquelle (17, 18) durchführen, wobei von dem mindestens einen Referenzwert für den Helligkeitswert und vom gemessenen Helligkeitswert ausgegangen wird, und eine Extrapolation zur Bestimmung eines tatsächlichen Farbwertes der unbekannten Lichtquelle (17, 18) durchführen, wobei von dem mindestens einen Referenzwert für den Farbwert und vom gemessenen Farbwert ausgegangen wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Extrapolation zur Bestimmung des Helligkeitswertes und/oder die Extrapolation zur Bestimmung des Farbwertes eine lineare Extrapolation ist.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass zur Bestimmung der Helligkeitswerte und/oder der Farbwerte • ein Bild von der mindestens einen bekannten Lichtquelle (14) und/oder unbekannten Lichtquelle (17, 18) aufgenommen wird; • ein RGB-Wert des von der Lichtquelle (14, 17, 18) emittierten Lichts bestimmt wird; • der RGB-Wert in einen x/y-Wert gemäß einer CIE-Normfarbtafel und/oder in eine Wellenlänge und in einen Helligkeitswert umgerechnet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die das Licht emittierende mindestens eine bekannte Lichtquelle (14) und/oder unbekannte Lichtquelle (17, 18) vollständig über alle Pixel aufgenommen wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass zur Bestimmung der Helligkeit ein linearisierter Rotwert, ein linearisierter Grünwert und ein linearisierter Blauwert für jedes Pixel addiert werden und von diesen Additionen die Summe über alle Pixel gebildet wird.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der RGB-Wert mittels einer Gammakorrektur linearisiert wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass aus dem Helligkeitswert der mindestens einen unbekannten Lichtquelle (17, 18) ein erforderlicher Vorwiderstand ermittelt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass eine relativ lange Belichtungsdauer für die Aufnahme der mindestens einen Lichtquelle (14, 17, 18) gewählt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Lichtquelle (14, 17, 18) an einer genau definierten Stelle auf einer Platine (15, 16) angeordnet ist und die Abmessungen und die Position der Platine (15, 16) ermittelt werden.
Messvorrichtung (10) zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass sie eine Fotokamera (11) aufweist.
Messvorrichtung (10) nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Fotokamera (11) und die mindestens eine Lichtquelle (14, 17, 18) einen Abstand (19) von ungefähr einer Armlänge eines zu emulierenden Betrachters aufweisen.
Messvorrichtung (10) nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass sie eine Auswerteeinheit mit einer Software aufweist.