Farbtreue Wiedergabe und Farbregelung

Die Anwendungsbereiche von Displays, Monitoren und Beamern im öffentlichen Raum, privat oder der Industrie wachsen ständig. Dabei erwarten Betrachter von PC-Monitor, Tablet-PC und Smartphone, Point-of-Information, TV sowie von Video-Walls und LED-Großanzeigen hohe Kontrastverhältnisse und brillante Farben. Für Hersteller und Anwender bedeutet dies, geeignete Messgeräte für Kalibrierung und Farbwiedergabe einzusetzen.
LED-Technologie liegt aktuell im Trend: Sie bietet im Vergleich zu herkömmlichen Display-Techniken eine höhere Farbbrillanz bei mehr Leistung und höherer Lebensdauer. Allerdings erfordert die Darstellung von True-Color unabhängig von Temperatur und Alterung, Fehler und Toleranzen von Lichtquelle, Optik, Mechanik und Elektronik zu korrigieren. Das muss bereits werksseitig sowie in definierten Abständen vor dem Betrieb und währenddessen erfolgen. Letzteres trifft insbesondere auf LED-basierende Lichtquellen mittels LED-Backlights zu, deren Farbe und Helligkeit stark mit Temperatur oder Alter schwanken. Eine Korrektur der Lichtquellen im Betrieb und im Gerät erfordert einen von Betriebsbedingungen unabhängigen und stabilen optischen Sensor. Für diese Aufgabenstellung bieten sich True-Color-Sensoren auf Basis von Interferenzfiltern an, die ohne Alterung über die Lebenszeit die Farbe – z.B. nach CIE1931 und DIN5033 – messen und die Basis für die Farbregelung in der Lichtquelle bilden.

Passende Diagnose aufgrund exakter Wiedergabe

Exakte Farbdarstellung bei hohem Kontrastverhältnis nimmt auch in der Medizintechnik eine entschiedende Rolle ein, damit Ärzte jederzeit passende Diagnosen stellen können. So ändern sich die Farben auf den Monitoren mit Erwärmen der Geräte entsprechend einer Temperaturkurve. Für verlässliche Farbangaben über den vollen Betrieb benötigen die Produkte daher Messsonden, z.B. Monitormessgeräte, mit hoher Präzision und Messempfindlichkeit, die schnell und zuverlässig Farben korrigieren. War das Kalibrieren von Displays Aufgabe spezieller Kalibrier-Labore mittels Spektrometer, existieren inzwischen so genannte Colorimeter: externe Geräte, die Anwender als Zubehör mit entsprechender Software für den Kalibrierprozess nutzen können. Sie setzten allerdings etwas Erfahrung und Initialkosten voraus. Diese Messgeräte unterscheiden sich je nach Technologie in Leistung, Aufwand sowie Kosten. Hochwertig sind Lösungen mit integrierten spektralen Messsystemen, ungenauer die Verwendung herkömmlicher RGB-Sensoren. Ideal wäre eine direkt in die Displays eingebaute Farbkorrektur – quasi als Autokalibrierung, die im Hintergrund die genaue Farbkorrektur in Echtzeit durchführt.

Homogener Farbeindruck auf Großanzeigen

Ein anderes Vorgehen verlangen Videowände, die aus mehreren Displays bestehen. Sie stellen besondere Ansprüche an die Homogenität von Farben und Helligkeit. Schließlich soll Betrachtern der Eindruck eines Gesamtbildes entstehen; das Bild nicht in lauter einzelne Ausschnitte zerfallen. Die Aufgabe von Außen- und Halbaußen-Anwendungen als Informations- und Dialogterminal erfordert zumeist multimediale Eigenschaften. Hier besteht zusätzlich zu hoher Auflösung auch der Wunsch nach rascher True-Color-Farbkorrektur aller an der Darstellung der Videowand beteiligten Displays, Light-Engines und Beamer. Im Gegensatz zu einzelnen Bildschirmen erschwert sich bei großen Videowänden der Zugang für externe Messgeräte, die direkt am Bildschirm angebracht werden müssen. Hier sind alternative Konzepte gefragt, die entweder im Display direkt, über Entfernung in Messsonden oder an der Rückseite der Monitore – am Backlight der Light-Engine – ansetzen. Ähnliche Aufgabenstellungen kommen auch bei alternativen Anwendungen des Lichtes zum Tragen, z.B. bei mixed LED-Lichtquellen mit Anspruch an eine bestimmte Farbe und deren Konstanz über die Lebenszeit.

Farbmessung mit kleinen True-Color-Farbsensoren

Die Farbmessung für solche Anwendungen übernehmen die kompakten True-Color-Farbsensoren der integrierten Jencolor-Baureihe. Mit entsprechender Signalelektronik ergänzt, gestatten sie Geräteherstellern inline Farbmessung von Lichtquellen und Monitoren. Die halbleiterbasierenden Sensoren mit XYZ-Interferenzfiltern dienen der schnellen und langzeitstabilen Farbdetektion und absoluten Farbmessung nach Standard CIE1931 / DIN5033. Diese Sensoren ermöglichen Genauigkeiten, die das Unterscheidungsvermögen des menschlichen Auges für Farbdifferenzen übertreffen. MAZeT bietet solche True-Color-Sensor-ICs in verschiedenen Bauformen und Integrationsvarianten, z.B. Sensor-IC und Funktionsmodule, für unterschiedliche Anwendungen inklusive Kalibrierungslibrary an. Der MTCSi z.B. stellt einen miniaturisierten Farbsensor zur Farbmessung nach dem XYZ-Dreibereichsverfahren dar: Er unterscheidet sich in seiner spektralen Empfindlichkeit und dem verwendeten Filtermaterial von anderen existenten Farbsensoren, die basierend auf einfachen Absorptionsfiltern lediglich eine RGB-Detektion erlauben und somit keine direkte Farbmessung nach Normung und mit geforderter Genauigkeit des menschlichen Auges bieten. Beim kolorimetrischen Ansatz nach dem Dreibereichsverfahren ergeben sich die – für die Beschreibung des Farbortes relevanten – Normwertanteile X, Y, und Z unmittelbar aus dem Produkt der emittierten Strahlung und der Normspektralwertfunktionen. Für die Farbmessung mit hoher Genauigkeit ist es notwendig, filtertechnisch die Normspektralwertfunktionen möglichst spektral identisch nachzubilden. Je besser dies gelingt, umso genauer ergibt sich die Güte der realisierbaren Farbmessung. Denn jede Abweichung von der Normspektralwertfunktion erhöht den Gesamtfehler des Systems in der Farbmessung. Je nach Aufgabenstellung erfordert ein Mess-System eine bestimmte Genauigkeit als absoluten oder Wiederhol-Messfehler. Diese Abweichung wird als Messfehler-Delta bezeichnet und in der Farbmessung von der Applikation bestimmt. Um die geforderte Genauigkeit zu erreichen, sind verschiedene Faktoren wie das verwendete Messprinzip, die Sensorgenauigkeit, die Beleuchtung, die Kalibrierung und nicht zuletzt die Umgebung des Systems mit Störquellen bestimmend. Hier setzten die MTCSi-Farbsensoren an. Sie wurden mit skalierten Normspektralwertfunktionen in miniaturisierter Bauform umgesetzt. Die Sensorsignale X, Y und Z sind direkt als Farbort im Farbdiagramm interpretierbar. Nach entsprechender Kalibrierung sowie unter üblichen Messbedingungen sind Genauigkeiten bei der Messung umsetzbar, die weit unter der Grenze des menschlichen Auges liegen.

Strom-Digital-Wandler für hohe Lichtvarianz

Zusätzlich zum passenden Jencolor-Sensor sind für Lichtanwendungen bestimmte Eigenschaften wie hohe Bandbreite, Dynamik und die Möglichkeit der synchronisierten Messung für die Signalelektronik von hoher Bedeutung. Für diese Anwendung kommt der Sensor-Signal-IC MCDC04 zum Einsatz. Er arbeitet intern als Strom-Digital-Wandler; die Foto-ströme der Detektoren werden on-Chip digital mittels zeitkontinuierlich integrierendem Ladungsbalance-Verfahren gewandelt und stehen über ein I2C-Interface als digitale Daten mit 16Bit-Format ausgangsseitig zur Verfügung. Der Full Scale Range (FSR) von 5pA bis 20uA lässt sich an die jeweilige Applikation anpassen und erfolgt durch eine Einstellung und Variation des Referenzstroms von 40nA bis 40uA und der Integrationszeit. Der verwendete ADC wird mit einer konstanten Taktfrequenz betrieben und verändert mit der Integrationszeit zwangsweise die Auflösung der AD-Wandlung. Das führt zu einer Auflösung von 20Bit bei maximaler Integrationszeit von 1s sowie 12Bit bei minimaler Integrationszeit von 1ms. Der IC gestattet Anwendern die externe Synchronisation der Messung. Aufgrund der internen Strom-Ladungswandlung in den entsprechenden Parametern eignet sich der Signal-IC in Verbindung mit True-Color-Sensoren für Anwendungen mit hoher Lichtvarianz, das heißt in Anwendungen, in denen zugleich viel und sehr wenig Lichtmenge als Farbe gemessen werden muss.

Kalibrieren mit True-Color-Farbsensorik

Die True-Color-Farbsensoren stehen als IC- und Board-Lösung von MAZeT zur Verfügung. Zum Einsatz kommen sie bereits heute in Messgeräten und Regelungen verschiedener Hersteller. So lassen sich beispielsweise mit dem Kalibrier-System Monitore des Mii 2 Mobile Color Analyzer von Premosys in Farbe, Intensität und Kontrast exakt einstellen. Das System eignet sich allgemein für den Einsatz an verschiedenen Display-typen wie CCFL, LED oder RGB-Backlight, ob Small- oder Wide-Gamut. Das System ist in unterschiedlichen Varianten mit USB- oder RS232-Schnittstellen verfügbar. Bis zu acht Basiskalibrierung-en sind möglich, dazu kommen 30 individuelle User-Kalibrierung-en zur Anpassung an anwenderspezifische Displays. Ebenso lassen sich Flicker-Messungen durchführen. Der integrierte Temperatursensor kompensiert die Erwärmung während der Messung. Dies stellt sicher, dass auch bei längerem Einsatz im hochempfindlichen Schwarzbereich konstante Messdaten zur Verfügung stehen. Das Messgerät ist individuell kalibriert und kann immer wieder re-zertifiziert werden, sodass sich das System über viele Jahre als zuverlässiges Prüfmittel nutzen lässt.