Kontrola barevného odstínu světlovodičů automobilového reflektoru

Osvětlení moderních automobilů využívá téměř výhradně optické díly vyrobené 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 plastových optických komponent 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 však viditelný tím spíše, když se projeví na jednom z páru reflektorů. Cílem kontroly tedy není změřit spektrální propustnost absolutně, 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 se získá referenční bod v chromatickém diagramu podle CIE. Kolem něj je vytyčeno toleranční pole, např. ve tvaru obdélníku. Je-li barva světla vycházejícího ze světlovodu nasazeného na stejném LED modulu mimo toto toleranční pole, klasifikuje se světlovod jako neshodný – NOK (obr 2).

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

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

V praxi se již od 30. let minulého století využívá trojice spektrálních barev, červená (R), zelená (G) a modrá (B), které umožňují srovnávací měření v komparačním kolorimetru. Protože pro část barevného vjemu je nutné použít složku R zápornou (červené světlo se musí přidávat ke světlu měřenému, nikoliv referenčnímu), byl zaveden přepočet složek RGB funkcemi color matching xŻ(λ), yŻ(λ) a zŻ(λ). Pomocí těchto funkcí lze pro libovolnou barvu vypočíst XYZ tristimulus, tedy hodnoty X, Y, Z, které barvu jednoznačně určují (obr 3).

Obr. 3. Funkce color matching a charakteristiky kamery

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 k zobrazení barvy v chromatickém diagramu je tedy poměrně komplikovaná. Jak ji lze realizovat pomocí barevné kamery?

Problém by byl elegantně vyřešen, kdyby charakteristiky barevné citlivosti buněk RGB kamery odpovídaly funkcím color matching. Výstupní signály RGB kamery by pak představovaly přímo XYZ tristimulus, neboť hodnota signálů RGB je úměrná integrovanému množství světla dopadajícího na světlocitlivou buňku pro příslušnou barvu. Charakteristiky kamery se ale obecně od funkcí color matching liší (obr. 3). Naštěstí se v této úloze měří 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 funkcí color matching. 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 tedy zařídil, že se uživatel při transformaci charakteristik kamery do barevného prostoru funkcí color matching nemusí starat o posunutí a natočení. Měřítko se získá 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 malá. Na obr. 4 jsou ukázány relativní perceptuální rozdíly mezi barvami v chromatickém diagramu (úsečky spojují barvy, mezi kterými člověk ještě nevnímá rozdíl). Je zřejmé, že právě na změnu bílé ve žlutou je oko málo citlivé. Kamera v této oblasti naopak dosahuje velké citlivosti. Žloutnutí světlovodu má za následek pokles původního spektra prosvětlovací LED v levé části, tedy v oblasti azurové barvy (obr. 5). 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 k měření barevného posuvu ke žluté barvě autoři testovali zajímavým způsobem. Jeden ze dvou kancelářských papírů nechali v temnotě, druhý vystavili na dvanáct hodin slunečnímu záření. Přestože okem nebylo zežloutnutí tohoto papíru viditelné, běžná kamera od firmy Basler je ve spojení s vytvořenou aplikací spolehlivě detekovala. Na obr. 6 je ukázáno rozhraní aplikace při detekci zežloutnutí papíru při kalibraci neosvětleným papírem.

Otto Havle, FCC průmyslové systémy

Co znamená zkratka CIE?

CIE, Commission Internationale de l’Éclairage, mezinárodní sdružení pro osvětlení, je nezisková a nezávislá organizace, která umožňuje celosvětovou spolupráci a výměnu vědeckých a technických informací v oblastech nauky o světle, světelných zdrojů, osvětlování, měření barev, vidění, fotobiologie a technik zpracování obrazu. Sdružení CIE bylo založeno v roce 1913 a v současné době sídlí ve Vídni. Více lze najít na webové stránce http://www.cie.co.at/.

V roce 1931 vytvořilo sdružení CIE matematicky definovaný barevný prostor nazývaný CIE 1931 nebo CIE XYZ. Pomocí funkcí color matching přepočítává souřadnice prostoru RGB na XYZ tristimulus.

Barevných prostorů však existuje velký počet. Například barevný prostor CIELAB vychází z CIE XYZ a z Munsellova barevného systému. Souřadnice CIELAB se ze souřadnic CIE XYZ vypočítají nelineární transformací a umožňují jednotněji popsat rozdíly barev. Lidské oko totiž není schopné rozlišit rozdíly některých barev, ale z obr. 4 je patrné, že tyto oblasti, nazývané MacAdamovy elipsy (v obrázku jsou zakresleny jejich hlavní a vedlejší osy), mají v diagramu CIE 1931 různou velikost a orientaci, což při posuzování a kvantifikaci rozdílu barev činí potíže.