23
21. Workshop FarbBV, Koblenz, 15.16.10.2015, Dr. Rico Nestler Einsatz hyperspektraler Sensoren zur Überwachung intelligenter LEDLichtquellen – eine Fallstudie R. Nestler, R. Jahn, K.H. Franke, S. Junger, D. Gäbler 21. Workshop Farbbildverarbeitung Koblenz, 15.16.10.2015 Zentrum für Bildund Signalverarbeitung (ZBS) e.V. www.zbsilmenau.de Technische Universität Ilmenau www.tuilmenau.de/gdv Fraunhofer IIS XFAB Semiconductor Foundries AG Dr. Rico Nestler ZBS e.V. Ilmenau / TU Ilmenau

Einsatz hyperspektraler Sensoren zur Überwachung

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Page 1: Einsatz hyperspektraler Sensoren zur Überwachung

21. Workshop FarbBV, Koblenz, 15.‐16.10.2015, Dr. Rico Nestler

Einsatz hyperspektraler Sensoren zur Überwachung intelligenter LED‐Lichtquellen – eine FallstudieR. Nestler, R. Jahn, K.‐H. Franke, S. Junger, D. Gäbler

21. Workshop FarbbildverarbeitungKoblenz, 15.‐16.10.2015

Zentrum für Bild‐ und Signal‐verarbeitung (ZBS) e.V.www.zbs‐ilmenau.de

Technische Universität Ilmenauwww.tu‐ilmenau.de/gdv

Fraunhofer IIS

X‐FAB Semiconductor Foundries AG

Dr. Rico NestlerZBS e.V. Ilmenau / TU Ilmenau

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21. Workshop FarbBV, Koblenz, 15.‐16.10.2015, Dr. Rico Nestler  2/23

Agenda

1. Motivation for monitored LED based lighting systems

2. Multi‐channel sensor elements for lighting applications

3. Considerations about feasibility4. Summary & Outlook

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1. Motivation for monitored LED based lighting systemsLED‐Lightings

Efficiency and Costs

Light output and ( spectral ) diversity

Versatility for different lighting tasks

Customizable light effects, which result from specific spectral light compositions 

• physiologically ‐ colorimetric (affects color quality , visual comfort, CRI),

• biologically (affects attention , wellbeing, HCT) or• for a specific technical recognition task (affects contrasts)

Origin: Premosys GmbH

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Color quality in general lighting or color‐critical applications

Difficult relation between luminous efficiency and spectral characteristic

spectral defined LED lightings: only hybrid, but dynamically

Normlicht D65hybLED‐D65

relativ

e spectralradiantflux

0.8

0.6

0.4

0.2

0.0

1.0

0.8

0.6

0.4

0.2

0.0

1.0

650 700       nm600550500450 650 700       nm600550500450400

LED‐Lightings1. Motivation for monitored LED based lighting systems

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LED‐Lightings

Drift and aging behavior• depends on LED‐type, specimen and operating conditions• Radiant flux / spectral radiant flux

= f (Time, Temperature, Operating Point)

Temperature Operating Point

• Only in / at operating point approximated intensity drift• especially critical for high‐power LEDs

relativ

e spectralradiantflux

relativ

e spectralradiantfluxrel. to

1. Motivation for monitored LED based lighting systems

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Stable LED‐based light syntheses require

Preselection, pre‐aging and characterization of used LEDs

expensive stabilization and tracking of electrical operating points

costly stabilization of temperature

or

Continuous sensor monitoring and sensor based adjustment of light synthesises

• degrees of freedom of the measurement greater or equalthe degrees of freedom of the light synthesis

• spectral or approximately spectral color stimulus detection

Why sensory monitored LED‐Lightings? 1. Motivation for monitored LED based lighting systems

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White PointsD65, F7, OSTAR*

MCC‐DC:D65 vs. OSTAR*

2. Multi‐channel sensor elements for lighting applicationsRequirements from the perspective of the measuring task

White points characterizing spectral light color stimuli colorimetrically, strong observer ‐metameric level, unsuitable

max ∆ 10.9x

y

CIE-xy‐Color Chart

D65F7

OSTAR*

relativ

e spectralradiantflux

0.8

0.6

0.4

0.2

0.0

1.0

650 700       nm600550500450

Characterizing of spectral lights by an approximately spectral measurement, less metameric  „Mehrbereichsansatz“

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IIS ‐ simulatedPlasmon channels0.32

0.24

0.16

0.08

0.0

0.4

2. Multi‐channel sensor elements for lighting applications

Channel sensitivities more applicative, energetic or technological oriented than colorimetricspectral or colorimetric measurementbased on spectral estimation

Hyperspectral sensors more than 3 broadbanded channels  

spectral current den

sity 

/

650 700       nm600550500450

Plasmonic multispectral sensorOrigin: Fraunhofer IIS

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21. Workshop FarbBV, Koblenz, 15.‐16.10.2015, Dr. Rico Nestler

IIS ‐ simulatedPlasmon channels0.32

0.24

0.16

0.08

0.0

0.4

2. Multi‐channel sensor elements for lighting applications

Channel sensitivities more applicative, energetic or technological oriented than colorimetricspectral or colorimetric measurementbased on spectral estimation

Hyperspectral sensors more than 3 broadbanded channels  

spectral current den

sity 

/

650 700       nm600550500450

Spectral estimation is an inverse, ill‐posed problem

Color stimuli have to be described with less degrees of freedom than thespectral domain.

Stabilization (regularization) with “knowledge” about the measurement problem: specific spectral lighting situations or causal lights or parametric models of the lights

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2. Multi‐channel sensor elements for lighting applications

clear detection of significant changes of spectral color stimuli within sensor responses

broadbanded overlapping channel sensitivities

channelwise opposite edges in spectral bands with significant spectral signature changes

monotonically ascending / descending sensitivities, where narrowbanded spectral signature changes exist

Stability of the inverse mapping to external tolerances

Robustness of the inverse mapping to internal tolerances

best conditioned sensor configuration

Requirements from the perspective spectral estimation

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2. Multi‐channel sensor elements for lighting applications

clear detection of significant changes of spectral color stimuli within sensor responses

broadbanded overlapping channel sensitivities

channelwise opposite edges in spectral bands with significant spectral signature changes

monotonically ascending / descending sensitivities, where narrowbanded spectral signature changes exist

Stability of the inverse mapping to external tolerances

Robustness of the inverse mapping to internal tolerances

best conditioned sensor configuration

Opposite consequences for the design of  find a compromise

Requirements from the perspective spectral estimation

‐ simulatedPlasmon channels0.32

0.24

0.16

0.08

0.0

0.4

spectral current den

sity 

/

650 700       nm600550500450

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2. Multi‐channel sensor elements for lighting applicationsCondition‐based approach for optimal sensor configurations

spectral input(spectral color stimulus)

sensorresponse

device matrix ∈ ∈

≔maximalrelativechangeofmaximalrelativechangeof

Condition describes the reaction of output variables, here , to changes in the input variables,  . It also able to determine

Condition number

• the stability of spectral estimates.• the robustness of spectral estimates. 

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an appropriate measure should be able to evaluate the stability of the inverse problem

spectralestimation

sensorresponse

inverse linear operator(possibly nonlinear)

Characteristics

≔maximalsingularvalueminimalsingularvalue

worst‐case estimation of real condition

1 minimal if is orthogonal, non‐overlapping sensitivities

∞ maximal if has fully linearly dependent sensitivities

equivalent for the behavior of the Moore‐Penrose‐Inverse 

modified condition number

2. Multi‐channel sensor elements for lighting applicationsCondition‐based approach for optimal sensor configurations

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2. Multi‐channel sensor elements for lighting applicationsCondition‐based approach for optimal sensor configurations

1,68819

1device matrix

(rows of the) device matrix1.0

1

10, ≪

0.5

0.0

0.5

0.0

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0,4

device matrix plasmonic sensor

13,2633

all channels:

28,9118

without :

13,0406

0.5

0.0

400 500 600 700 800    nm

0.2

0.0

device matrix1

2. Multi‐channel sensor elements for lighting applicationsCondition‐based approach for optimal sensor configurations 10, ≪

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10‐channel plasmonic sensor

2. Multi‐channel sensor elements for lighting applications Stability due to condition‐optimal sensor configuration

650 700       nm600550500450400

0.32

0.24

0.16

0.08

0.0

0.4

0.64

0.48

0.32

0.16

0.0

0.80

650 700       nm600550500450400

650 700       nm600550500450400

20.0

8.0

‐8.0

‐20.0

‐32.0

32.0

650 700       nm600550500450400

0.64

0.48

0.32

0.16

0.0

0.8iterative PI

4‐channel light synthesis OSTAR

spectral current den

sity 

/

relativ

e spectralradiantflux

Reconstructions from sensor responseswith random changes,  1% channel value

Page 17: Einsatz hyperspektraler Sensoren zur Überwachung

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condition‐based 8‐channel sensor

2. Multi‐channel sensor elements for lighting applications Stability due to condition‐optimal sensor configuration

650 700       nm600550500450400

0.32

0.24

0.16

0.08

0.0

0.4

0.64

0.48

0.32

0.16

0.0

0.80

650 700       nm600550500450400

650 700       nm600550500450400

20.0

8.0

‐8.0

‐20.0

‐32.0

32.0

650 700       nm600550500450400

0.64

0.48

0.32

0.16

0.0

0.8iterative PI

4‐channel light synthesis OSTAR

spectral current den

sity 

/

relativ

e spectralradiantflux

Reconstructions from sensor responseswith random changes,  1% channel value

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3. Considerations about feasibility The feasibility is mainly influenced of internal tolerances of the measuring problem

Technologically relatedmanufacturing tolerances

spectral current den

sity 

/

650 700       nm600550500450400

0.32

0.24

0.16

0.06

0.0

0.4 Referencesimulated speci‐

men

Possibilities to deal with it• secondary tolerances of the target sensor response

Field behavior ,• primary tolerances of the channel sensitivities

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21. Workshop FarbBV, Koblenz, 15.‐16.10.2015, Dr. Rico Nestler  19/23

3. Considerations about feasibility 

Inverse problems are strong sensitive against inner and outer tolerances

observable (secondary) tolerances are strong color stimulus dependent(mod. condition number)

condition‐based device configuration

additional regularization with global constraints to the “Inverse” or to the shape characteristics of spectral reconstructions

Calibration at secondary level, z.B.!

• only with references to the measuring task 

• calibration approach directly influenced by the condition of sensordevice

Page 20: Einsatz hyperspektraler Sensoren zur Überwachung

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3. Considerations about feasibility Effect of secondary level sensor calibration

Reference sensor response[2.49090,      1.19561,      1.04751,      2.54704,     0.687925,     0.991941,      1.08174,     0.977130,      1.84916]

, .

Sensor response[2.38738,      1.02671,      1.02712,      2.35167,     0.670116,     0.871947,     0.980327,     0.936658,      1.80248]

Calibration‐step

Sensor response with calibration [2.48964,      1.19561,      1.04848,     2.54391,     0.688352,    0.992164,     1.08094,    0.976844,     1.84832]Estimation‐

step

spectral current den

sity 

/

650 700       nm600550500450400

0.32

0.24

0.16

0.06

0.0

0.4

relativ

e spectralradiantflux

Referencesimulated speci‐

men

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1. Components for innovative, self‐monitoring lighting solutions with new sensors, integrated measurement data processing, new optical light mixing principles• economically and technically efficient• scalable for different requirements

2. Sensor monitoring of spectral light characteristics 

3. Compensation of aging and drift of all lighting components through integrated sensory control

Project FEEDLED4. Summary & Outlook

Plasmonic multispectral sensorOrigin: Fraunhofer IIS

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FEEDLED‐Approach4. Summary & Outlook

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4. Summary & Outlook 

The shown results are part of a currently running joint project “Feedback” system for intelligent LED ‐based lightings (FEEDLED)”, which is anchored in the BMBF "Smart Lighting“‐funding program.

Thank you for your attention!