Kontrola barevného odstínu světlovodičů automobilového reflektoru

Osvětlení moderních automobilů využívá téměř výhradně optiku vyrobenou lisováním z plastu. Týká se to i světlovodů pro vytváření tvarovaných nebo jinak efektních světel. Výrobu optických komponent z plastu umožnily nové materiály a nové technologie vícefázového lisování. Přesto je výroba plastové optiky stále velmi náročná a ve výsledném výrobku se mohou objevit různé druhy vad. Jednou z těchto vad je i změna spektrální propustnosti materiálu výlisku. Projevuje se nejčastěji zežloutnutím způsobeným oxidací organických složek materiálu při nedodržení teplotně časového diagramu lisovacího procesu.

Nepatrné zežloutnutí nemá na funkci reflektoru žádný vliv, jde pouze o estetický nedostatek, který je viditelný tím spíše, pokud se projeví na jednom z páru reflektorů. Cílem kontroly tedy není změřit absolutně spektrální propustnost, ale udržet výrobu světlovodů tak, aby jejich spektrální propustnost zůstala v definovaném okolí propustnosti kalibračního normálu.

Obr. 1. Princip komparačního měření světlovodiče
Princip měření ukazuje obr. 1. Měřením kalibračního světlovodu na standardním LED modulu získáme referenční bod v chromatickém CIA diagramu. Kolem něj je vytýčeno toleranční pole, například ve tvaru obdélníka. Pokud je barva světla vycházejícího ze světlovodu nasazeném na stejném LED modulu mimo toto toleranční pole, klasifikuje se světlovod jako NOK (obr 2.).

Obr. 2. Diagram CIE s vyznačeným kalibračním bodem a povolenou tolerancí barvy (vlnová délka λ v nm)

Vytýčení tolerančního pole v CIA diagramu je výhodné z hlediska jednoduchosti a názornosti; vidíme přímo změnu barevného odstínu. Tato výhoda má však i odvrácenou stranu: CIE diagram je pouze indikátorem shody barev, jak je vidí lidské oko. Jedná se tedy o jistý druh převodu subjektivního vjemu na objektivní hodnotu založeném na skutečnosti, že stejného barevného vjemu lze v lidském oku dosáhnout různými kombinacemi spektrálních (čistých) barev (metamerismus).

Obr. 3. Funkce color matching a charakteristiky kamery

V praxi se již od třicátých let minulého století využívá trojice spektrálních barev, které umožňují srovnávací měření v komparačním kolorimetru. Protože pro část barevného vjemu je nutné použít R složku zápornou (červené světlo se musí přidávat ke světlu měřenému, nikoliv referenčnímu), byl zaveden přepočet RGB složek na tzv. color matching funkcí x,y,z. Pomocí těchto funkcí lze pro libovolnou barvu vypočíst XYZ tristimulus, tedy hodnoty X,Y,Z, které barvu jednoznačně určují (obr 3.).

Grafickým vyjádřením normalizovaného XYZ tristimulu je právě chromatický diagram. Normalizace umožňuje převést trojrozměrný prostor XYZ tristimulu do dvojrozměrného grafu. Z něj lze určit všechny potřebné informace charakteristiky zobrazovaného světla, a navíc ve své nejrozšířenější podobě barvu i znázorňuje.

Cesta od pohledu do komparačního kolorimetru ke zobrazení barvy v chromatickém diagramu je tedy poměrně komplikovaná. Jak ji lze realizovat pomocí barevné kamery?
Problém by byl elegantně vyřešen, pokud by charakteristiky barevné citlivosti RGB buněk kamery odpovídaly color matching funkcím. Výstupní RGB signály kamery by pak představovaly přímo XYZ tristimulus, neboť hodnota RGB signálů je úměrná integrovanému množství světla dopadajícího na  světlocitlivou buňku pro příslušnou barvu. Charakteristiky kamery se ale obecně od color matchning funkcí liší (obr. 3). Naštěstí se v naší aplikaci pohybujeme v oblasti blízké bíle barvě, kde lze pro komparační měření uplatnit některá zjednodušení.

Obr. 4. Perceptuální rozdíly mezi barvami v chromatickém diagramu

Komerční kamery obvykle poskytují funkci „vyvážení bílé“, která upraví zesílení složek tak, aby se výstupní signály v přiměřeném okolí vzorku bílé barvy blížily hodnotám color matching funkcí. Charakteristiky kamery jsou také nastaveny tak, aby v okolí bílé barvy chromatický diagram nevykazoval oproti standardnímu diagramu natočení. Natočení by totiž způsobilo zkreslení barev, které lidské oko vnímá jako nepřirozené. Výrobce kamery za nás tedy zařídil, že se při transformaci charakteristik kamery do barevného prostoru matching funkcí nemusíme starat o posunutí a natočení. Měřítko pak získáme kalibrací s normálem OK světlovodu, neboť prováděné měření je komparační.

Obr. 5. Oblast poklesu spektra světla prosvětlovací LED po průchodu zežloutlým plexisklem

Další výhodou je, že právě v okolí bílé barvy je subjektivní citlivost oka na barevné změny poměrně nízká. Obrázek 4. ukazuje relativní perceptuální rozdíly mezi barvami v chromatickém diagramu (úsečky spojují barvy, mezi kterými ještě člověk nevnímá rozdíl). Je vidět, že právě změnu bílé ve žlutou je oko málo citlivé. Kamera v této oblasti naopak dosahuje vysoké citlivosti. Jak ukazuje obrázek 5., žloutnutí světlovodu má za následek pokles původního spektra prosvětlovací LED v levé části, tedy v oblasti azurové barvy. Právě v této oblasti je však křivka modré barvy (B) nejstrmější, a i malá změna azurové vyvolá velkou změnu výstupního signálu B.

Obr. 6. Rozhranní aplikace pro měření zežloutnutí světlovodiče

Na základě těchto úvah byla vytvořena aplikace pro kontrolu žloutnutí materiálu světlovodičů. Citlivost aplikace pro měření barevného posuvu ke žluté jsme testovali zajímavým způsobem. Jeden ze dvou kancelářských papírů jsme nechali v temnotě, druhý vystavili na 12 hodin slunečnímu záření. Přestože okem nebylo zežloutnutí tohoto papíru viditelné, běžná kamera Cognex jej ve spojení s naší aplikací spolehlivě detekovala. Obrázek 6 ukazuje rozhraní aplikace při detekci zežloutnutí papíru při kalibraci papírem neosvětleným.

Otto Havle, FCC průmyslové systémy