CN106574866B - 用于反射测量的测量装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于在样本(04、21、42、54)的生产过程中检测样本(04、21、42、54、66)的绝对反射光谱的测量装置。测量装置包括：光源，其用于产生测量光；均化器，其用于产生测量光的均匀的空间照度分布；可移动反射器(6、16、39、52、59、62)和接收器(07、22、37、53)，其用于收集从样本(04、21、42、54)和/或反射器(6、16、39、52)反射的测量光。根据本发明，不仅用于参考测量而且用于样本测量的反射器(6、16、39、52、59、62)定位在观察光路中并且配置在样本(04、21、42、54、66)的与光源的同一侧，以便将反射的测量光导入到接收器(07、22、37、53)。

Description

用于反射测量的测量装置
技术领域
本发明涉及一种用于反射测量的测量装置。
背景技术
同族的测量装置例如用于表面的光谱测量检查，以便确定特性，如表面的颜色和/或光泽。
颜色测量经常通过反射测量来进行。样本的反射率可以要么通过针对已知的且假定为随时间不变的反射标准的相对测量来实现，要么通过在应用合适的光路时的绝对测量来实现。
对于使用标准的颜色测量，例如已知三种国际标准化的测量几何形状，其特征在于对样本进行照明和观察的角度。在45°/0°时，以45°的角度进行照明，并且在0°时进行观察。在0°/d时，在0°(垂直)进行照明，在一个位置处测量经由光度计球(乌布利希球(Ulbricht Kugel))漫反射的光。在d/8°或d/0°时，通过光度计球漫射进行照明，并分别在8°或0°测量从样本投射回的光。
此时，除标准化的观察角度以外的观察角度下的个体颜色印象可能会强烈偏离标准化的颜色测量。尤其是在反射和/或特别涂覆的表面的情况下，此时会依赖于视角出现颜色感知的显著偏差。
DE 699 20 581 T2公开了一种多通道测量头，其以d/8°测量几何形状使颜色和表面效应的测量与相对测量的组合成为可能。
DE 60 2005 005 919 T2描述了一种便携式测角光谱仪，其光学系统通过多个照明源沿着照明参考通道提供不同的测量角度。此时，快门机构包括用于在开口关闭时测量参考参数的内部参考。测量接口经由接触元件与待测量的样本直接连接，以便限定垂直于测量轴的样本平面。
DE 20 2012 010 549 U1公开了一种具有相对测量的自主式手持测量装置，其包括多个照明源，该多个照明源以不同的角度将定向照明光引导到测量窗口。反射光由配置在测量装置中的不同的光谱和成像接收器处理。
US 2005/015185 A1描述了一种用于测量绝对反射光谱的装置，其中，可回转反射镜配置在光路中的样本和检测器之间。在没有样本的测量时，检测器必须费力地移动。
绝对定向反射的测量可以通过使用诸如VW或VN配置的补偿方法来进行。此时，对于不同的解决方案总是确保的是，用于参考测量和样本测量的传递函数仅在样本的反射率方面不同。
尤其是对于高反射样本的精确绝对测量，VW配置已得到证明，其中，光在样本处反射两次，并且可以相应地直接测量反射的平方。相应的测量插件可用于一些光谱仪。
VW配置或者VN配置的缺点主要在于，为了在样本测量和参考测量之间切换，反射镜必须摆动到两个不同的平面中，在该两个不同的平面之间配置有样本平面。这样的配置被设计用于实验室使用。
DE 10 2012 208 248 B3描述了一种基于光波导的绝对测量的颜色传感器系统，其具有对样本的距离变化的补偿。此时，在三分纤维束中使用照明通道、感光副接收通道和感光主接收通道。接收通道相对于距离灵敏度具有不同的特性函数。
DE 199 50 588 B4公开了一种用于尤其是涂漆的角异色性表面的质量控制的装置和方法。确定一个或多个特性变量颜色、光泽、光泽雾印或其它。为此，在壳体中如此配置有两个光源以及光学系统和滤光器装置，使得光谱上预定的光以45°角度入射到样本窗口。反射光通过光学光波导的光接收装置被接收并被引导到测量装置。多个这样的测量装置可以以不同的角度朝样本窗口定向。
在工业应用中，可变的样本位置常常被证明对于绝对颜色测量是有问题的。在这样的应用中，例如通过样本的过度曝光(更大的光斑直径)补偿样本的距离变化，或者另外应用距离传感器或者位置敏感的光检测器，以便补偿测量误差。
发明内容
本发明的任务在于提供一种用于针对样本的绝对反射测量的坚固的测量装置，其尤其适用于在涂覆表面例如玻璃板、薄膜或者其它轨道状或大面积材料的生产过程中的在线测量。
根据本发明的用于检测样本的绝对反射光谱的测量装置首先以已知的方式包括：光源，其用于产生测量光；均化器，其用于产生测量光的均匀空间照度分布；可移动反射器；和接收器。反射器将从光源发出的测量光和/或从样本反射的光引导到接收器。接收器可以以已知的方式与光谱仪连接或者也直接形成光谱仪的输入。就绝对反射测量的意义而言，不仅用于参考测量而且用于样本测量的反射器定位在观察光路中。
根据本发明，反射器不仅配置在测量位置中，而且配置在参考位置中在样本的与光源的同一侧，以便将测量光导入到接收器。
绝对反射测量的特征在于，其在不借助已知样本的情况下进行。
为了评估绝对反射，光源或测量光可以是光谱可调的(单色仪)或/和接收器可以光谱分析光(光谱仪)。
另外，还能够借助偏光器/分析仪改变样本前面和/或后面的测量光的偏光特性。
优选地，均化器是在其内表面漫反射的空心体(例如乌布利希球或者乌布利希管
Figure GDA0002086739930000031
或者自由形成的球－圆柱体结构)，其还包括光源，具有光出射开口，测量光通过该出射开口到达样本。在漫反射空心体中，在每个点处，在每个方向上产生相同的辐射强度，从而根据在特定范围内的观察光路的设定，可实现几乎任意的照明角度和/或观察角度。
反射器在最简单的情况下是平面镜，但是在用于特定应用的变型实施方式中也可以是成像反射镜。当然，也可以使用多个反射器。
接收器优选被实施为具有输入光学系统的光波导束，但是在变型实施方式中也可以是具有或不具有输入光学系统的单个光波导、自由放射光学系统的入射开口或者光谱仪的入射开口。接收器或者后置于其的元件将来自样本或反射器的测量光转换成电信号，该电信号以已知的方式进一步被处理。
测量结构的所有透射或反射部分不仅在参考测量期间，而且在样本测量期间由光穿过，并且此时入射角度和出射角度不改变其数值。
本发明的优点尤其可以看出，对于大面积样本(例如在大面积的工业玻璃或者薄膜的涂层时)，可以实现对样本的位置变化不敏感的、非常廉价且坚固的测量装置。测量结构的任何部分都不需要移入或穿过样本平面，并且样本不必为了参考测量而从样本平面移除。
在优选实施方式中，测量装置的部件可放置在横杆装置中并且可定位在那里。
在绝对测量时，首先为了参考目的，从光源发出的测量光经由反射器被引导到接收器，并且确定所接收的测量光的强度。如果然后将样本带入到光路中并且再次确定测量光的(依赖于波长的)强度，则可以根据两个(依赖于波长的)测量信号的比率来确定测量样本的光谱特性。绝对测量的原理是本领域技术人员已知的，因此，这里省略详细说明。
有利地，测量装置可以用于检测在不同的观察角度下的反射光谱。
反射器优选可定位在第一测量位置和第一参考位置中。此时，在两个第一位置中，照明角度和观察角度被设定为大小相等。
有利地，反射器可附加地定位在第二位置中，并且或许可定位在另外的测量位置和参考位置中，从而可设定不同的照明角度和观察角度。因此，可以在不同的观察角度时识别期望的或者不期望的差异。
具有非常简单和坚固的结构的特别优选实施方式的第一变型例适合于测量镜面样本。此时，反射器和接收器配置在接收平面中，该接收平面大致在光源和样本之间平行于样本平面延伸。有利地，这里反射器不必(否则如在VW测量装置的情况下一样)从位于样本下方的平面摆动到位于样本上方的平面中，而是可以定位在接收平面内。由此，结构变得紧凑，并且用于反射器的调整机构可以简单且低成本地制造。
利用用于反射器的简单的回转机构，可以将反射器从第一参考位置定位到用于特定照明角度的第一测量位置。
如果要改变照明角度和/或观察角度，则这可以例如利用线性引导件中的驱动器和用于反射器的旋转和/或倾斜机构来实现。此时，线性引导件优选大致平行于样本平面对准。可以仅通过反射器的位置和倾斜来设定观察光路的不同角度。
特别优选实施方式的第二变型例适合于测量漫反射和镜面反射的样本。在该变型例中，反射器和接收器配置在空心体内。这里，光出射开口还用作测量窗口，反射的测量光通过该测量窗口经由反射器被引导到接收器。根据反射器的倾斜设定照明角度和观察角度。
光出射开口优选被实施为长孔，并由此允许在不同测量角度的范围内定位圆形测量斑点。光出射开口的有利设计中的其它方面在DE 10 2013 219 830中作了描述并且包含在本申请全文中。
反射数据的进一步处理以已知的方式借助光谱仪进行，到达接收器中的测量光被传送到该光谱仪。
有利地，样本的透射和背面反射特性也可以借助配置在样本平面下方的附加模块来确定。
附图说明
下面参照附图更详细地说明本发明的一些优选设计。在附图中：
图1示出具有第一照明角度的设定的、用于测量镜面样本的本发明的第一优选实施方式的原理图；
图2示出具有第二照明角度的设定的图1所示的实施方式；
图3示出具有固定的照明角度的、用于测量镜面样本的本发明的第二优选实施方式；
图4示出用于测量镜面样本的第三优选实施方式的模块结构；
图5示出用于测量漫射和镜面样本的本发明的第四优选实施方式的原理图；
图6示出具有两个可旋转反射器的本发明的第五优选实施方式；
图7示出图6所示的实施方式的可能的测量变型例。
具体实施方式
图1和图2示出具有不同的照明角度α的设定的第一优选实施方式的原理图。此时，在图1中设定8°的照明角度α1，而图2示出设定的45°的照明角度α2。此时，图1a和图2a示出用于参考测量的设定，图1b和图2b示出用于样本测量的设定。在顺序测量中，使用该配置可设定并可测量0°至65°的照明角度。
具有漫反射内表面02的乌布利希球01包括未图示的光源和光出射开口03。应用乌布利希球01的优点在于，在内表面02的各点处，在每个方向上反射相同的光强度，并因此各照明方向可以以简单的方式产生，只要光出射开口03相应地被确定尺寸。
样本04配置在样本平面05中离乌布利希球01一定距离处。此时，样本04是大面积样本，例如工业玻璃或者薄膜或者诸如此类。反射器06和接收器07配置在大致平行于样本平面05伸展的平面08中。反射器06在其倾斜方面可调节并且在平面08中可移动地配置。从接收器07开始示出观察光路09，该观察光路09从乌布利希球01观察也是照明光路。
在图1a和图2a中，分别用于参考测量的反射器06针对其位置和倾斜如此被设定，使得照明光路09的特定入射角度被反射并且被引导到接收器07。
在图1b和图2b中，反射器06分别如此在平面08中移动并且在其倾斜方面改变，使得对应于图1a和图2a的照明角度α1、α2也被设定在样本04上。
图3示出本发明的第二优选实施方式，其中，以简单的方式设定固定的照明角度或观察角度。只有当需要在特定角度下测量时，本实施方式才特别适合于集成到固定的生产环境中。在本实施方式中，测量装置11包括具有乌布利希球13的照明单元12。乌布利希球13具有光出射开口14。测量装置11还包括反射器16，反射器16配置在回转臂17上。回转臂17可借助未图示的旋转驱动器从测量位置18回转到参考位置19(用虚线示出)。样本21与测量装置11隔开一定距离地从测量装置11旁经过或者定位在测量装置11的前面，从而从光出射开口14以α3＝55°的照明角度射出的测量光照射到样本21作为测量斑点，从样本21通过位于测量位置18中的反射器16被引导到接收器22。此时，有利地使用回转臂17的回转运动同时设定反射器18相对于接收器22的倾斜和距离。回转臂17的回转角度β如此被设定，使得不仅在测量位置18中而且在参考位置19中产生相对于样本平面的相同的照明角度α3。在本实施方式中，借助光波导23将接收器供给到光谱仪用于评估。
图4示出本发明的特别适合于横杆应用的第三实施方式的模块结构。该方式特别适用于直接监测轨道状材料或者沿着工艺中的路径(例如借助输送带)被传送的材料的生产过程中的材料特性。这可以例如是薄膜涂层设备、大玻璃板的生产轨道或者诸如此类。此时，图4a示出测量位置，而图4b示出参考位置。该实施方式有利地允许以可自由选择的观察角度(0°至65°)自动测量/扫描样本位置。因此，可以利用测量装置实现符合标准的和非标准化的测量装置。
测量装置包括配置在第一线性引导件32中的第一模块31并包含具有乌布利希球34的照明单元33和配置在照明模块34下方的接收器模块36。第一模块31还包括驱动器37。
在第一线性引导件32中还设置有反射器模块38，该反射器模块38具有反射器39并具有用于在接收平面中线性调节反射器模块38的专用驱动器41。在具体实施方式中，该驱动器41可以经由齿轮机构或者类似机构同时用于反射器39的倾斜和/或旋转调节。第一线性引导件32有利地集成到横杆装置中并且配置在待检查的且处于生产过程中的样本42的上方。第一模块31和反射器模块38作为根据本发明的测量装置的部件被彼此隔开距离a定位，并且反射器39沿着样本42的方向摆动，从而设定用于测量45°照明/观察的测量位置(图4a)。照明/观察光路以点状示出。然后，通过改变距离a和反射器39的位置，可以顺序设定不同的照射角度。当然，第一模块离零位置40的距离c也可以针对距离变化来实施。距离测量可以如在这种横杆系统的情况下那样，通常例如通过绝对编码的标度来进行。
在图4b中，通过倾斜反射器39并设定第一模块31和反射器模块38之间的距离b，示出用于45°测量的参考位置。参考测量可以在任何时间执行，并且可以缓冲存储在装置控制器中。
在样本42下方，在第二线性引导件43中设置有具有专用驱动器45的第三附加模块44，利用该第三附加模块44还能够进行背面反射测量和透射测量。为此目的，这里三个反射器46、47、48配置在不同的高度。在通过距离d相应地定位附加模块时，设定是否从样本43发射的光不被引导到接收器(在入射测量光下方的反射器46)、被引导到接收器(在入射测量光下方的反射器47)或者连同从样本43的下侧反射回的光被引导到接收器。因此，根据距离d的设定，接收器信号仅由上侧的反射、上侧的反射加上两次透射的光、或者上侧的反射、两次透射的光加上样本43的下侧和反射镜48之间的多次反射组成。
在替代实施方式中，附加模块44还可以仅包括单个反射器，该单个反射器可以针对相应的测量目的在高度方面进行定位。反射镜的反射值必须是已知的，并且借助测量装置本身来确定。透射测量的另一个实施方式在图6中示出。
利用最小可能数量的线性引导件和驱动器，能够进行达75°照明角度的反射的顺序测量。另外，背面反射测量和透射测量可以以已知的方式进行。
图5示出本发明的第四优选实施方式的原理图。在本实施方式中，在乌布利希球51内配置有反射器52和接收器53。样本54的照明通过光出射开口56进行。为了覆盖照射方向的大角度范围，光出射开口56具有优化的形状。光出射开口56具有光圈57，光圈57除了反射器倾斜之外，还能使照明窗口56的尺寸与期望的照明角度一致。接收器53从球的垂直中心平面侧向向外倾斜到一定程度，例如约20°，使得与反射器52对置的球子午线以完全不受干扰的方式作为测量光源可用。因此，反射器52侧向倾斜半个角度。参见图5f的俯视图。
图5a示出在8°的照明角度和观察角度下的样本54的照明，图5c示出在45°的照明角度和观察角度下的样本54的照明，图5e示出在60°的照明角度和观察角度下的样本54的照明。图5b和图5d分别示出针对8°或45°照明角度的反射器52的参考测量设定。
图5f示出乌布利希球51的俯视图。在该示图中可识别光出射开口56的特定形状和接收器53的倾斜。由于这种配置的目的也是，测量光不仅在参考测量(直接)时，而且在样本测量(通过样本)时都针对所有测量角度来自光源(乌布利希球)的相同区域。
图6示出本发明的第五优选实施方式，其中，图6a示出俯视图，图6b示出侧视图。测量装置包括两个成像离轴反射镜59、62，其可围绕光源63和接收器60的光轴旋转并由此偏转光路。此时，接收器60和光源63的光轴64、65平行于其中配置有样本66的平面对准。
如果例如可以是自由放射光谱仪的接收器60借助成像离轴反射镜59的驱动器58在光源63的方向上对准，并且如果光源63借助离轴反射镜62的驱动器61与接收器60对准(光路67，图6b)，则可以实施参考测量，该参考测量依赖于装置功能确定光源63的强度。
如果接收器60和光源63以合适的角度与样本66对准(光路68，图6b)，则可以依赖于装置功能和样本66的反射来测量光源63的强度。
然后，可以简单地从样本测量和参考测量的商来计算作为所寻找的变量的样本反射。光源63的强度和装置功能的依赖性在商中彼此抵消，因此被省略为未知变量。因此，实现绝对测量的原理。针对样本66的观察角度γ可以通过从接收器60到光源63的距离或者通过从接收器60和光源63到样本66的距离而改变。
图7示出针对图6所示的实施方式的反射测量和透射测量的变型例。如图4中已经描述的那样，可以通过在样本66的后侧使用反射镜69并且适当地改变反射镜59和62的角度位置，除了反射(图7a)以外，还可以确定透射(图7b)和样本66从后侧的反射(图7c)。参考测量(图7d)可以在样本66的存在下进行，这在生产过程中是显著的优点。反射镜69的反射特性必须是已知的，并且可以例如在维护期间借助测量装置本身来定期更新。
附图标记列表
01 乌布利希球 38 反射器模块
02 内表面 39 反射器
03 光出射开口 40 －
04 样本 41 驱动器
05 样本平面 42 样本
06 反射器 43 线性引导件
07 接收器 44 附加模块
08 平面 45 驱动器
09 观察光路 46 反射器
10 － 47 反射器
11 测量装置 48 反射器
12 照明单元
13 乌布利希球 51 乌布利希球
14 光出射开口 52 反射器
15 － 53 接收器
16 反射器 54 样本
17 回转臂 55 －
18 测量位置 56 光出射开口
19 参考位置 57 光圈
20 － 58 驱动器
21 样本 59 离轴反射镜
22 接收器 60 接收器
23 光波导 61 驱动器
62 离轴反射镜
31 第一模块 63 光源
32 线性引导件 64 光轴
33 照明模块 65 光轴
34 乌布利希球 66 样本
35 － 67 光路
36 接收器模块 68 光路
37 驱动器 69 反射镜

Claims (9)

1.一种用于在样本(04、21、42、54、66)的生产过程中检测样本(04、21、42、54、66)的绝对反射光谱的测量装置，其包括：
光源，其用于产生测量光；
均化器，其用于产生测量光的均匀的空间照度分布；
可移动反射器(6、16、39、59、62)；和
接收器(07、22、37)，其用于收集从所述样本(04、21、42、66)和/或所述反射器(6、16、39)反射的测量光，
其特征在于，不仅用于参考测量而且用于样本测量的所述反射器(6、16、39、59、62)定位在观察光路中并且配置在所述样本(04、21、42、66)的与所述光源的同一侧，以便将反射的测量光导入到所述接收器(07、22、37)，所述均化器是在其内表面(02)漫反射的单个空心体，其具有单个光出射开口(03、14)并包括所述光源，其中所述测量光被配置成从所述光出射开口(03、14)射出到所述反射器(6、16、39、59、62)和/或所述样本(04、21、42、66)。
2.根据权利要求1所述的测量装置，其特征在于，所述反射器(6、16、39、59、62)可定位在第一测量位置和第一参考位置中，其中，分别设置相同的照明角度和观察角度。
3.根据权利要求2所述的测量装置，其特征在于，所述反射器(6、16、39、59、62)可定位在至少一个第二限定测量位置处，以便针对照明角度和观察角度改变观察光路，其中，针对所述第二限定测量位置确定所述反射器(6、16、39、59、62)的第二限定参考位置，所述反射器(6、16、39、59、62)可定位在所述第二限定参考位置中。
4.根据权利要求2或3所述的测量装置，其特征在于，所述反射器(6、16、39)和所述接收器(07、22、37)配置在接收平面(08)中，所述接收平面(08)大致在所述光源和所述样本(04、21、42、66)之间平行于样本平面延伸。
5.根据权利要求4所述的测量装置，其特征在于，所述第一测量位置和所述第一参考位置位于所述接收平面(08)中。
6.根据权利要求4所述的测量装置，其特征在于，所述反射器(16)可借助回转驱动器从所述第一测量位置移动到所述第一参考位置。
7.根据权利要求4所述的测量装置，其特征在于，所述反射器(39)配置在线性引导件(32)中，并且可借助在所述接收平面(08)内的线性驱动器和旋转或倾斜机构定位在不同的测量位置和参考位置中。
8.根据权利要求1至3中任一项所述的测量装置，其特征在于，所述反射器可借助旋转或倾斜机构定位。
9.根据权利要求1至3中任一项所述的测量装置，其特征在于，所述光出射开口的形式是长孔。
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