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Die
vorliegende Erfindung betrifft das oberbegrifflich Beanspruchte
und befasst sich somit mit einem Zweirichtungsreflextanzverteilungsmessgerät sowie
der Messung der Reflextanzverteilung.
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Ein
Gegenstand, der glänzt,
erscheint dem Betrachter unterschiedlich hell, je nach dem, wie
sich der Betrachter relativ zu einer Lichtquelle stellt, die den
glänzenden
Gegenstand beleuchtet. Diese Tatsache ist allgegenwärtig beobachtbar,
sei es bei hochglänzenden
Zeitungsmagazinen, metallenen Oberflächen oder dergleichen. Beschrieben
und charakterisiert werden kann dieses Verhalten des Glanzes durch
Angabe der Reflektanzverteilung. Sie gibt für alle Raumrichtungspaare an,
wie Licht, das einen Gegenstand aus einer bestimmten Raum richtung
beleuchtet, durch den beleuchteten Gegenstand in irgend eine andere
Raumrichtung weitergestrahlt wird. Ein idealer Spiegel folgt etwa
der bekannten Beziehung Einfallswinkel gleich Ausfallswinkel, wobei
in einer Richtung quer zum Ausfallslichtstrahl kein Licht erfasst
wird. Anders ist dies bei matten oder stumpfen Oberflächen, in
denen nur ein geringer Teil des Lichtes wie bei einem Spiegel reflektiert
wird, während
die Oberfläche
zugleich stark streut; so kann Licht auch an anderen Stellen beobachtet
werden als nur jenen, die exakt in Richtung des Ausfallsstrahls liegen,
welcher sich bei idealer Reflexion ergeben würde. Dieses Glanzverhalten
gibt dem Menschen ein großes
Maß an
Information über
einen beobachteten Gegenstand. Für
die Generierung täuschend echter
computergenerierter Bilder ist daher die genaue Berücksichtigung
des Glanzverhaltens von fundamentaler Bedeutung. Dies gilt insbesondere
dann, wenn der Beobachter sich mit einem computergenerierten Bild
längere
Zeit auseinandersetzen kann, wie dies bei Standbildern oder Werbefotografien
der Fall ist. Realistische Ergebnisse können hier nur erhalten werden,
wenn das Glanzverhalten für
eine gegebene Oberfläche,
beispielsweise eines neu zu entwickelnden Automobils, dessen Aussehen
für verschiedene Lackarten
computergeneriert werden soll, exakt bekannt ist.
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Zweirichtungsreflektanzverteilungsmessgeräte dienen
zur Bestimmung des Glanzverhaltens einer Probe.
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Bei
bekannten Zweirichtungsreflektanzverteilungsmessgeräten wird
eine Probe so bestrahlt, dass die Lichtquelle nach und nach einen
Bogen über die
Probe hinweg beschreibt. Die Probe wird also unter vorgebbarer Elevation
von der Lichtquelle beleuchtet. Gewünscht ist dabei, den Lichtempfang
von der Probe für
jeden Punkt einer über
der Probe angeordneten Hemisphäre
zu bestimmen. Dazu kann ein Lichtempfänger um die Probe herum bewegt
werden, wobei er einerseits relativ zur Lichtquelle gedreht wird,
wie die Zeiger einer Uhr, auf deren Ziffernblatt die Probe zu denken
wäre, und
andererseits muss auch seine Elevation unter bogenförmiger Bewegung über die
Probe hinweg sukzessive verändert
werden. Bekannte Systeme, die auf diese Weise die Zweirichtungsreflektanzverteilung
bestimmen, sind präzise, aber
teuer, aufwendig, groß und
langsam.
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Es
wäre wünschenswert,
ein Zweirichtungsreflektanzverteilungsmessgerät angeben zu können, mit
welchem schnell und preiswert hinreichend präzise Messungen des Probenglanzverhaltens
erhalten werden können.
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Die
Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, Neues für die gewerbliche
Anwendung bereitzustellen.
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Die
Lösung
dieser Aufgabe wird in unabhängiger
Form beansprucht. Bevorzugte Ausführungsformen finden sich in
den Unteransprüchen.
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Die
vorliegende Erfindung schlägt
somit in einem ersten Grundgedanken ein Zweirichtungsreflektanzverteilungsmessgerät mit einer
eine Probe unter vorgebbarer Elevation beleuchtenden Lichtquelle und
einem relativ dazu beweglichen Lichtempfänger zum Lichtempfang von der
Probe vor, bei welchem der Lichtempfänger zur simultanen Erfassung
eines breiten Elevationswinkelbereiches eine Mehrzahl von Empfängerelementen
umfasst und zumindest einer von Lichtquelle und Lichtempfänger um
eine allgemein auf die Probe senkrechte Achse beweglich ist.
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Ein
erster Grundgedanke ist somit in der Erkenntnis zu sehen, dass eine
präzise
Abbildung des beleuchteten Lichtfleckes nicht erforderlich ist,
um die Glanzeigenschaften eines Körpers zu bestimmen. Es wurde
erkannt, dass es vielmehr möglich
ist, auch ohne präzise
Abbildung dieses Lichtfleckes auf einem Empfänger eine sogar für Standbilder
und längere
Betrachtung vollkommen ausreichende Messung ohne eine derartige
Abbildungsoptik vorzunehmen. Dies ermöglicht die Ausbildung des Lichtempfängers mit
einer Vielzahl von Empfängerelementen, die
dicht beieinander angeordnet sind, und somit die simultane Erfassung
eines breiten Elevationswinkelbereiches, der durch die Mehrzahl
von Empfängerelementen
winkelaufgelöst
ausmessbar ist. Die Empfängerelemente
können
dabei durch den bevorzugten Verzicht auf größere abbildende Optiken und
dergleichen nahe an der Probe angeordnet werden, was es erlaubt,
einen sehr breiten Elevationswinkelbereich simultan winkelaufgelöst zu erfassen.
Dadurch wird wiederum nur noch eine Rotation zwischen Lichtempfänger und
Lichtquelle um eine auf die Probe allgemein senkrechte Achse erforderlich,
so dass an Stelle eines bislang abzutastenden zweidimensionalen
Feldes nurmehr eine einzelne Drehung bzw. Verschwenkung und damit
eine Messung mit einem einzigen Bewegungsfreiheitsgrad vorgenommen werden
muss. Dies hat wiederum zur Folge, dass die gesamte bauliche Anordnung
wesentlich vereinfacht wird, schon weil keine so komplizierte Bewegungsmechanik
und/oder -sensorik mehr erforderlich ist, was demgemäß eine weitere
Verkleinerung, Vereinfachung und Verbilligung des Gesamtgerätes ermöglicht.
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Bevorzugt
ist es, wenn die Lichtquelle einen auf die Probe fokussierbaren
Lichtfleck emittiert. Wenn das die Probe be strahlende Licht aus
einem Leuchtmittel durch eine Faser geführt wird, wird der Gesamtaufbau
noch weiter vereinfacht, weil es nicht erforderlich ist, das gesamte
Leuchtmittel samt Halterung usw. zu bewegen.
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Es
ist möglich,
im Strahlengang zwischen dem Leuchtmittel der Lichtquelle und der
Probe ein Spektralfiltermittel vorzusehen, mit dem selektiv Licht einer
vorgegebenen spektralen Intensitätsverteilung auf
die Probe gestrahlt werden kann. Wenn Filterräder oder dergleichen als Spektralfiltermittel
eingesetzt werden, können
sehr schnell hintereinander Messungen der Zweirichtungsreflektanzverteilung bei
unterschiedlichen Wellenlängen
durchgeführt werden.
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Wenn
die Probe mit einem Lichtstrahl beleuchtet wird, der bei näherungsweise
senkrechtem Einfall auf die Probe fokussiert ist, wird bei sehr
geringer Beleuchtungselevation, also fast streifender Beleuchtung,
ohne zusätzliche
Maßnahmen
der beleuchtete Fleck vergrößert sein.
Bevorzugt ist es daher, wenn Mittel zur Verringerung der bei geringer Lichtquellenelevation
auftretenden, lichtquellenabbildungsinduzierten Fehler vorgesehen
sind. In einer ersten Variante können
dazu beispielsweise die Abbildungsfehler bei schrägem Einfall,
das heisst der sogenannte Astigmatismus, kompensiert werden, wozu
etwa Zylinderlinsen oder dergleichen im Strahlengang vor der Probe
angeordnet werden können. Alternativ
und/oder zusätzlich
hierzu ist es möglich, eine
numerische Korrektur auf den endlich großen Leuchtfleck vorzunehmen,
das heisst die real erfassten Rohdaten entsprechend numerisch zu
korrigieren. Dies kann nach Art einer Faltung geschehen, wobei Rohdaten
für andere
Haupteinfallswinkel mit ausgewertet werden können und erforderlichenfalls die
Geometrie und die Dimensionierung des Messsignals und der Probe
zu berücksichtigen
ist. Es wäre auch
denkbar, die Probe sehr klein auszubilden und auf einem stab- bzw.
nadelförmigen
Träger über dunklem
Untergrund anzuordnen.
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Der
Lichtempfänger
wird typisch als Feld mit einer Vielzahl von Empfängerelementen
gebildet sein. Es kann hierzu in einer bevorzugten Variante auf
Lichtempfängerfelder
zurückgegriffen
werden, wie sie per se bereits erhältlich sind. Insbesondere können CMOS-
oder CCD-Lichtempfängerfelder
verwendet werden.
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Eine
besonders bevorzugte Variante ist die Verwendung von linearen Lichtempfängerfeldern. Dies
ist einerseits bevorzugt, weil so die Abschattung der Probe bei
Bestimmung der Rückstreuung,
also dicht nahe der Lichtquelle angeordneten Lichtempfängern, minimiert
ist, und andererseits, weil auch Rückstreuungen usw. vom Lichtempfänger auf
die Probe minimiert werden, die bei den durch Erfassung des gewünschten
breiten Elevationswinkelbereiches typisch vorgesehenen nahen Abständen zwischen Lichtempfänger und
Lichtsender andernfalls störend wirken
könnten.
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Der
Lichtempfänger
wird typisch einen Elevationswinkelbereich von wenigstens 15° erfassen. Dies
reicht bereits aus, um für
bestimmte Anwendungen brauchbare Aussagen zu erhalten, erfordert
aber womöglich
noch eine Bewegung des Lichtempfängerfeldes,
falls eine näherungsweise
vollumfängliche Zweirichtungsreflektanzverteilung
gemessen werden soll. Bevorzugt sind daher Winkelerfassungen eines Elevationswinkelbereiches
von wenigstens 30°,
insbesondere zumindest 45°.
Es können
in den bevorzugtesten Fällen
sogar Winkel von näherungsweise 90° erfasst
werden. Dazu kann ein unterstes genutztes Lichtempfän gerfeld
ungefähr
auf der Höhe
der Probe angeordnet werden und der Lichtempfänger erstreckt sich bis dicht
an oder über
die Normale auf den Beleuchtungslichtfleck. Es sei erwähnt, dass
bei äquidistanten
Abständen
der Lichtempfängerelemente
im Lichtempfängerfeld
dabei Fehler insoweit entstehen, als nicht jeder Lichtempfänger den
exakt gleichen Winkelbereich beobachtet. Dennoch sind die sich daraus
ergebenden Ungenauigkeiten, so sie nicht ohnehin kompensiert werden,
ohne weiteres auch für
hochempfindliche Messungen wie bei Autolacken oder anderen stark
glänzenden
Lacken ohne weiteres hinnehmbar.
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Weiter
sei darauf hingewiesen, dass für
bestimmte, hinreichend dünne
und durchscheinende Proben und geeignete Probentypen, die den Schattenverlauf
nicht beeinflussen, sogar eine Erfassung von mehr als 90° Elevationswinkelbereich
sinnvoll sein kann, wobei ein Teil der Beobachtung unterhalb der
Probe geschieht. Dies kann durch Verwendung eines sich bis unter
die Probenebene erbrechenden Lichtempfängerfeldes geschehen oder aber,
bevorzugt durch Verwendung von zwei zumindest näherungsweise in der Probenebene
zusammenstoßende Lichtempfängerteilfeldern
geschehen, die sich dann jeweils zur Probenachse hin neigen, so
dass sich in Seitenansicht eine „<"-Form
ergibt. Mit einer solchen Anordnung kann simultan zur Reflektanz
in zwei Richtungen auch die Transmittanz gemessen werden, was gerade
bei durchscheinenden Proben wie Kunststoffen, die so dünn sind,
dass Streuung in der Probe noch keine hochsignifikanten optischen
Effekte verursacht, sehr hilfreich sein kann. Dass alternativ und/oder
zusätzlich
auch die Lichtquelle so bewegbar sein kann, dass sie die Probe von
unten her aus geeigneten, dann negativen Elevationswinkel bestrahlt,
um so gleichfalls die Transmittanz mit der Anordnung zu erfassen,
sei erwähnt.
Die Wahl zwischen Lichtquellenbewegung hin zu negativen Elevationswinkeln
oder größeren, negative
Elevationen erfassenden Lichtempfängerfeldern kann dabei im Hinblick
auf den gewünschten
mechanischen und elektrischen Aufwand sowie benötigte Messgeschwindigkeit geschehen.
Weiter sei im Übrigen
darauf hingewiesen, dass – unabhängig von
der eventuellen Erfassung einer Transmittanz – die Veränderung des Beleuchtungselevationswinkels
auch durch Veränderung
der Probenneigung geschehen kann, wobei die Probe zum Beispiel auf
einem Tisch angeordnet werden kann, der sich um eine in der Probenebene
liegende Achse dreht.
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In
einer bevorzugten Variante ist der Lichtempfänger gegen eine Normale auf
die Probe geneigt. Insbesondere wird der Lichtempfänger damit einen
Bereich von näherungsweise
wenigstens 90° Elevation
Beobachtungswinkelbereich, gegebenenfalls auf einer Seite der Probe,
abdecken. Wird ein Bereich von weniger als 90° Elevation Beobachtungswinkelbereich
abgedeckt, so kann die Probe gegebenenfalls auch unmittelbar senkrecht
von oben beleuchtet werden. Wird hingegen ein Bereich von zumindest
90° abgedeckt,
so ist die Probe bei Beleuchtung senkrecht von oben abgeschattet.
Es zeigt sich jedoch, dass die abgeschatteten Bereiche nicht zwingend
ausgemessen werden müssen,
um täuschend
echte computergenerierte Standbilder mit hochpräzise modelliertem Glanzverhalten
bestimmen zu können.
Eine Interpolation ist vielmehr für die abgeschatteten Bereiche
in der Regel unkritisch.
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Die – bevorzugt
mit nur schmalem Rand gebildeten und somit allgemein nadelförmigen – Lichtempfänger müssen nicht
exakt die Achse schneiden, die senkrecht auf die Probe am Lichtfleck
verläuft;
es ist allerdings bevorzugt, wenn die Empfän gernadel dieser gedachten
Achse zumindest sehr nahe kommt, was bei der typisch bevorzugten
Neigung des Empfängerelementes
zur Probenachse einer windschiefen Lage entsprechen würde.
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Dass
das lineare Empfängerfeld
gegebenenfalls auf einem Bogen angeordnet sein könnte, um einen Winkelfehler
zu reduzieren, sei erwähnt.
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In
einer bevorzugten Variante kann der gesamte Elevationsbereich durch
die Lichtempfängerelemente
mit ein und derselben Empfindlichkeit bzw. Verstärkung und/oder Zeitintegration
beobachtet werden; auf diese Weise treten keine Fehler durch Umschalten
eines Verstärkungsbereiches
und dergleichen auf. Es sei darauf hingewiesen, dass lineare Empfängerfelder
mit hoher Auflösung
und hinreichender Dynamik bereits in kommerziellen Produkten des
Anmelders eingesetzt werden.
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Die
Lichtquelle wird bevorzugt zur Elevationsveränderung um die Probe als Schwenkbogenmittelpunkt
schwenkbar sein, insbesondere gesteuert. Dass alternativ und/oder
zusätzlich
die Probe, insbesondere um eine in der Probenebene oder zumindest
parallel und nah an dieser liegende Achse gedreht oder geschwenkt
werden kann, zum Beispiel bei nur groben Lichtquellenelevationsveränderungen mit
geringen Bogenamplituden und zum Beispiel oszillierend, sei erwähnt. Weiter
werden Lichtquelle und Lichtempfänger
zueinander dreh-, schwenk- oder rotierbar angeordnet sein, so dass
sich ein gedachter Winkel mit der beleuchteten Stelle der Probe
als Scheitel zwischen wenigstens näherungsweise 0° und 180° verändert; dass
die Veränderung
nur zwischen näherungsweise
0° und 180° betragen
wird, liegt an der geringen Abschattung durch die Lichtemp fängerelemente,
die bevorzugt in einem geringeren Abstand an der Probe angeordnet
sind als die Vorderfront der Lichtquelle. Die Drehachse der Relativbewegung
von Lichtsender und Lichtempfänger muss
nicht exakt senkrecht zur Probe liegen, dies vereinfacht aber die
Ausweitung und den Aufbau. Abweichungen unter 10°, besonders unter 5° und insbesondere
kleiner 0,5° sind
klar bevorzugt.
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Dass
die Lichtempfängerelemente
Licht bevorzugt ohne Abbildungsoptik empfangen können, sei erwähnt.
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Die
Erfindung wird im Folgenden nur beispielsweise anhand der Zeichnung
beschrieben. In dieser ist gezeigt durch
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1:
ein Zweirichtungsreflektanzverteilungsmessgerät der vorliegenden Erfindung.
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2:
ein Bild einer Reflektanzverteilung für eine feste Beleuchtungselevation
(hier: α =
40°) und mit
interpolierten Werten in abgeschatteten Bereichen.
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Nach 1 umfasst
ein allgemein mit 1 bezeichnetes Zweirichtungsreflektanzverteilungsmessgerät 1 eine
eine Probe 2 unter vorgegebener Beleuchtungselevation α beleuchtende
Lichtquelle 3 und einen relativ dazu beweglichen Lichtempfänger 4 zum
Lichtempfang von der Probe 2, wobei der Lichtempfänger zur
simultanen Erfassung eines breiten Beobachtungselevationswinkelbereiches α' eine Mehrzahl von
Empfängerelementen,
aus Gründen der Übersichtlichkeit
nur bei 4a, 4b angedeutet, umfasst und hier zumindest
einer von Lichtquelle 3 und Lichtempfänger 4 um eine allgemein
auf die Probe 2 senkrechte Achse 5 beweglich ist,
wie durch Pfeil 6 angedeutet.
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Das
Zweirichtungsreflektanzverteilungsmessgerät 1 ist in seiner
bevorzugten, dargestellten Variante transportabel und somit zumindest
nicht größer, als
die Unterbringung auf einem üblichen
Arbeitstisch noch zulässt;
die Abstände
zwischen Lichtquelle 3 und Probe 2 betragen daher
in der bevorzugten und dargestellten Ausführungsform nicht mehr als etwa
50 cm zwischen Austritt des auf die Probe fokussierten Lichtstrahls 3a und
der Probe 2. Das Zweirichtungsreflektanzverteilungsmessgerät ist, wie bei 1a angedeutet,
rechner- bzw. computergesteuert, wobei einerseits die Elevation α der Lichtquelle über einen
computergesteuerten Elektromotor veränderlich ist, angedeutet bei
Leitung 1a1, und weiter die spektrale Intensitätsverteilung
des auf die Probe 2 durch die Lichtquelle 3 eingestrahlten
Lichtes veränderlich
ist, angedeutet durch Leitung 1a2, die als Steuerleitung
zu einem elektromotorisch bewegten Filterrad 3b führt. Weiter
ist eine Leitung 1a3 vorgesehen, um die für die Einstrahlungsintensität repräsentativen
Signale der Mehrzahl der Empfängerelemente 4a, 4b in
entsprechend signalkonditionierter Form an die zentrale Datenverarbeitungsstufe
zu speisen. Die Bewegung von Lichtempfänger 4 und Lichtquelle 3 relativ
zueinander, die durch Pfeil 6 angedeutet ist, ist über eine
Steuerleitung 1a4, die einen Elektromotor 7 mit
Steuer- und Leistungssignalen beaufschlagt, vorgebbar. Dass im übrigen Sensoren
zur Erfassung von messungsrelevanten Parametern, wie Lichtquellenelevation,
zur Normierung heranziehbare Intensität der Lichtquellenintensität etc. vorgesehen
sind, sei erwähnt;
die Signale dieser Sensoren sind gleichfalls auswertbar.
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Die
Steuer- und Datenauswerteeinheit 1a ist, abgesehen von
den dedizierten Schnittstellen, als herkömmlicher Prozessrechner, PC
oder Laptop auszubilden und im übrigen
insoweit geeignet, numerische Korrekturen von Messwerten wie erforderlich vorzunehmen;
die Steuer- und Datenauswerteeinheit 1a umfasst oder bildet
also zugleich eine Korrekturstufe zur numerischen Korrektur erfasster
Rohdaten.
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Die
Probe 2 ist im vorliegenden Ausführungsbeispiel eine auf einem
geeigneten Träger
aufgebrachte Probe eines Automobillackes, dessen Glanz- und Albedoverhalten
zu analysieren ist, um die Messdaten nachfolgend bei der Computergenerierung
von Bildern mit diesem Lack zu lackierender Automobile verwenden
zu können.
Die Probe kann in einer bevorzugten Ausführungsform und bei den angegebenen
Abständen
eine Größe von etwa
5 × 5
cm oder noch darunter besitzen. Eine sehr kleine, auf einem etwa
unten zusammenlaufenden oder stabförmigen, vorzugsweise absorbierenden
Träger
angeordnete Probe kann das Astigmatismusproblem des Beleuchtungsastigmatismus
mildern.
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Anzuordnen
ist die Probe 2 so, dass ihre Mitte etwa mit der Achse 5 zusammenfällt, um
welche Lichtempfänger 4 bzw.
Lichtquelle 3 schwenk- oder drehbar sind. Die Probe liegt
im beschriebenen Ausführungsbeispiel
still und allgemein horizontal, das heisst, dass ein Lichtstrahl
aus der Lichtquelle 3a unter einem Elevationswinkel α = 0 parallel
zur Probe 2 läuft,
während
bei einem Elevationswinkel von α = 90° eine senkrechte
Bestrahlung der Oberfläche
der Probe 2 erfolgt.
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Falls
andere Proben außer
Lackproben analysiert werden sollen, können geeignete Probenhalter vorgesehen
sein, beispielsweise, um ein hinsichtlich des Zweirichtungsreflektanz verhaltens
zu analysierendes textiles Gewebe straff und gerade zu fixieren.
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Die
Lichtquelle 3 umfasst zunächst ein Leuchtmittel 3c,
die in der schematischen Darstellung von 1 als Glühbirne dargestellt
ist, wobei einsichtig sein wird, dass in der praktischen Realisierung
lichtstarke Leuchtmittel mit hoher Leuchtdichte und geeigneter spektraler
Verteilung bevorzugt sind. Das Licht aus dem Leuchtmittel 3c wird,
gegebenenfalls nach Kollimierung wie durch Linse 3d angedeutet,
erforderlichenfalls spektral gefiltert oder mit geeigneter Spektralverteilung
erzeugt, wie durch den Filter 3b angedeutet, der hier als
auf einem über
eine Steuerleitung 1a positionierbaren Filterrad 3b vorgesehenes
Filterglas realisiert ist. Dass auch Spektrometer einsetzbar sind
oder auch durch Ein- und Ausschalten geeigneter Lichtquellen wie
farbiger Laserdioden usw. eine gewünschte Spektralverteilung erzielbar
ist, sei erwähnt.
Das wie erforderlich und gewünscht
mit gewählter
spektraler Intensitätsverteilung
vorgesehene Licht wird im dargestellten Ausführungsbeispiel über eine
Lichtleiterfaser 3e auf eine Auskoppeloptik 3f geführt, die
eine Fokussierung des Lichtes auf die Probe 2 erlaubt.
Das Objektiv, das heisst die Auskoppeloptik 3f, ist an
einem elektromotorisch, insbesondere schrittmotorisch bewegten Schwenkarm
dergestalt befestigt, dass unter Steuerung durch die Einheit 1a ein
Bogen über
die Probe hinweg und mit der Probe als Mittelpunkt abgeschritten
werden kann, so dass Elevationen zwischen näherungsweise 0° (zur Probe
nahezu paralleler Einfall) und 90° (nahezu
senkrechter Einfall) beschrieben werden können. Die Fokussierung des
auf die Probe eingeleuchteten Lichtes ist dabei dergestalt, dass
bei näherungsweise
senkrechtem Lichteinfall, also einer Elevation von α = 90° ein möglichst
klei ner Brennfleck auf der Probe erhalten wird. Ohne zusätzliche Maßnahmen
führt dies
auf Grund des streifenden Einfalles bei geringeren Elevationen zu
einer Brennfleckvergrößerung auf
der Probe, das heisst es tritt ein Astigmatismus auf.
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Der
Empfänger 4 ist
als lineares Feld von Lichtempfängerelementen
dicht bei der Probe angeordnet, um das von der Probe in den Raum
zurückgestrahlte
Licht erfassen zu können.
Dabei haben die Lichtempfängerelemente
einen Abstand zur Probe, der deutlich kleiner ist als die Brennweite
der Austrittsoptik 3f der Lichtquelle. Somit liegen die
Lichtempfängerelemente
näher an
der Probe als die Austrittsoptik 3f der Lichtquelle 3.
In einer praktischen Variante sind 1.024 lichtempfindliche Elemente
im lichtempfindlichen Empfängerfeld
angeordnet worden. Diese Anzahl erlaubt bei hinreichend dichter
Anordnung des Lichtempfängers 4 an
der Probe 2 von beispielsweise nicht mehr als 5 cm Abstand
eine hinreichend hohe Auflösung.
Durch geeignete Lichtempfängerfelder
mit hinreichend großem
Dynamikumfang, wie sie als lineare Arrays schon in Kameras als kommerziellen
Produkten eingesetzt werden, kann eine Probe ohne Umschaltung eines
Verstärkungsfaktors
oder andere Anpassungen sowohl in den Bereichen, in denen sehr wenig
Licht von der Probe empfangen wird, beispielsweise bei stark von dem
Einfallselevationswinkel α abweichendem
Beobachtungselevationswinkel α', als auch in der
Direktreflexion erfasst werden.
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Der
Lichtempfänger 4 ist
um die Achse 5 drehbar angeordnet, wobei im dargestellten
Ausführungsbeispiel
wie möglich
der Drehbereich auf 360° oder
darunter beschränkt
ist, beispielsweise auf etwa 190°,
wobei die über
180° hinaus
gehenden Bereiche einen Überlapp
ermöglichen.
Bei homogenen Proben kann die Probe mit dem Lichtempfänger mitgedreht werden.
Ist die Probe nicht homogen, wie beispielsweise bei textilen Geweben
mit strukturbildender Webrichtung, kann die Probe fixiert werden
und der Lichtempfänger 4 relativ
zu dieser und zur Lichtquelle 3 um die Achse 5 rotiert
werden. Der Lichtempfänger 4 ist
dabei so angeordnet und ausgerichtet, dass die obersten der lichtempfindlichen
Elemente auf der Achse 5 oder zumindest bei der Achse 5 liegen,
während
die untersten der lichtempfindlichen Elemente des Lichtempfängers 4 für einen
Beobachtungselevationswinkel α' von etwa 0° ausgelegt
sind.
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Zur
Rotation um die Achse 5 ist, wie bevorzugt möglich, ein
Schrittmotor 7 vorgesehen, dessen Schrittweite und Schrittfrequenz über die
Leitung 1a4 gesteuert wird. Die Schrittsequenz ist so bestimmt, dass
eine für
die jeweiligen Messzwecke erforderliche Integrationszeit in jeder
Position des Lichtempfängers 4 relativ
zur Lichtquelle 3 erhalten wird. Die Schrittweite ist hier,
wie bevorzugt, anpassbar, um unterschiedlichen Anforderungen an
die Messauflösung
Rechnung zu tragen.
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Die
Anordnung wird verwendet wie folgt:
Zunächst wird eine Probe 2 auf
dem Probenhalter angeordnet. Dann wird bei einer Elevation von näherungsweise α = 90° Licht auf
die Probe 2 fokussiert. Der maximale Elevationswinkel kann
nur näherungsweise
90° und
nicht exakt 90° betragen,
da der Lichtempfänger 4 den
Lichteinfall von exakt 90° abschattet.
Es wird dann eine erste spektrale Intensitätsverteilung gewählt und
der Empfänger 4 durch
Drehung des Motors 7 in eine Position diametral gegenüber der
Lichtquelle 3 angeordnet. Dann wird eine Integrationszeit
abgewartet. Während
dieser Zeit wird für
jedes Lichtempfängerelement
das am Lichtempfänger 4 erhaltene
Signal jeweils aufintegriert. Dieses Signal stellt also ein Maß für das jeweils
zu einem Lichtempfängerelement,
also in einen gegebenen Beobachtungselevationswinkelbereich α' von der Probe abgestrahlte
Licht dar. Das Lichtempfängerfeld 4 wird
ausgelesen, die Daten abgespeichert und der Schrittmotor 7 einen
vorgegebenen Winkelschritt unter Drehung um Achse 5 weiterbewegt,
so dass sich der Lichtempfänger 4 um
die Achse 5 etwas gedreht hat. Wiederum wird eine Messung
vorgenommen und die Werte werden ausgelesen. Dies wiederholt sich,
bis der Lichtempfänger
näherungsweise
aus der Richtung beobachtet, aus der auch eingestrahlt wird. Wird die
diametral gegenüberliegende
Position mit β =
0° bezeichnet,
kann also bis etwa β =
180° gemessen werden.
Am Bereich β =
180° selbst
ist die Probe durch den Lichtempfänger 4 abgeschattet.
Der abgeschattete Bereich kann auch bei herkömmlichen linearen Lichtfeldern
weitestgehend reduziert werden, wenn der Lichtempfänger nicht
in einer herkömmlichen
IC-Fassung angeordnet wird, die eine erhebliche Breite besitzt,
sondern dafür
Sorge getragen wird, dass die Breite des Trägers, der elektrischen Verbindungen
zum Lichtempfänger
fehlt usw., so gering wie möglich
ausfällt.
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Es
wird dann die Lichtquelle 3f einen Elevationswinkelschritt α heruntergefahren
und dann zur Messung der Lichtempfänger im Bereich β von 0 bis circa
180° bewegt.
Insgesamt können
so Messungen für
einen Einstrahlelevationswinkel α von
ca. 90° bis ca.
0°, einen
Beobachtungswinkel relativ zur Einfallsrichtung von β = 0° bis 180°, jeweils
simultan für
einen Beobachtungselevationswinkel α' von 90° bis ca. 0°, erfasst werden. Es sei darauf
hingewiesen, dass bei einem Beleuchtungselevationswinkel α von um 0° ohne Nachfokussierung
ein erheblich vergrößerter Lichtfleck
der Lichtquelle erhalten wird.
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Dies
kann verringert werden durch Einsatz geeigneter Abbildungsoptiken,
etwa Zylinderlinsen, die bei geringer Elevation, also α nahe 0°, eine Brennfleckverkleinerung
bewirken und/oder durch numerische Korrektur der erfassten Werte
nach Aufnahme der entsprechenden Parameterfelder. Derartige, als
Faltung bezeichnete numerische Operationen machen zusätzliche
Optikelemente entbehrlich.
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Ein
Beispiel für
die mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung
zu erhaltenden Datensätze
ist in 2 dargestellt. Hier sind die mit einem Einfallselevationswinkel
von α =
40° bestimmten
Rohdaten bei Umkreisung der beleuchteten Probe dargestellt, wobei
noch keine Astigmatismuskorrekturen und dergleichen vorgenommen
wurden, wohl aber eine Interpolation vorgenommen wurde für jene Daten,
an denen der zwischen Lichtquelle und Probe bewegte Lichtempfänger die
Probe abgeschattet hat. In dem Rohdatenbild sind zwei hellere Glanzpunkte
jeweils links und rechts zu erkennen. Diese beiden Glanzpunkte sind
im Rohdatensatz vorhanden, weil zur Erzielung eines Überlapps
eine Rotation um mehr als 360° veranlasst
wird. Der Umstand, dass die eigentlichen Glanzpunkte doppelt gemessen
werden, ist besonders vorteilhaft, weil einerseits hier eine Überlappung
besonders leicht erreicht werden kann, und andererseits für die besonders
wichtigen Glanzpunkte und deren nähere Umgebung Messwerte gemittelt werden
können.
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Es
sei darauf hingewiesen, dass bei strukturierten Proben die Reflektanz
auch von der Mikrostruktur der Probe abhängen kann und dass die mit der
beschriebenen Vorrichtung erhaltenen Werte ohne weiteres zur Simulation
geeigneter Werte herangezogen werden können.
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Weiter
sei erwähnt,
dass bei durchscheinenden, d.h. nicht voll-opaken Proben Messungen
bei Elevationswinkeln kleiner Null für Lichteinfall- und/oder Beobachtungselevation
vorgenommen werden können,
sofern die Vorrichtung entsprechend ausgebildet ist, was durch hinreichendgroße, sich
genügend
weit erstreckende Lichtempfangsfelder, die insbesondere auch durch
die Probe transmittiertes Licht simultan mit reflektiertem beziehungsweise
gestreutem Licht genau so erfolgen kann wie durch entsprechend bewegliche
Lichtsender, die mit Elevationswinkeln unter Null einstrahlen. Die
negativen Elevationswinkel, unter denen eingestrahlt und/oder beobachtet
wird, werden bevorzugt ebenfalls mindestens 90° umfassen, also zum Beispiel
eine Erstreckung eines Lichtempfangs bis zur Probenachse erlauben;
wie für
positive Elevationen auch kann aber der Bereich beobachteter negativer
Elevationen auch kleiner ausfallen und eine dann insbesondere schritt- beziehungsweise
stufenweise Ausmessung erfolgen. Dass sich gegebenenfalls ein Lichtempfangsfeld
sukzessive für
Messungen der Transmittanz und Reflektanz verwenden lässt, zum
Beispiel unter Rotation um eine in der Probenebene liegenden Achse,
sei erwähnt.