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Die
Erfindung betrifft ein optisches System zur berührungslosen Reflexionsmessung
nach dem Oberbegriff von Anspruch 1.
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Die
Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zur berührungslosen Reflexionsmessung.
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Optische
Systeme zur berührungslosen Messung
diffuser Reflexionen von einer zu untersuchenden Probe werden beispielsweise
bei Online-Produktionsprozessen im Rahmen der Qualitäts- und
Prozesskontrolle eingesetzt, um Messdaten zu erfassen.
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Unter
diffuser Reflexion ist hier zu verstehen, dass Licht aufgrund einer
Bestrahlung von der Probe ausgeht. Es kann sich dabei beispielsweise
um Oberflächenreflexionen,
Reflexionen aus tiefer liegenden Schichten der Probe oder Fluoreszenz
handeln.
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Bei
diesen optischen Systemen lässt
sich der Abstand zwischen dem optischen System und der Probe dabei
nicht immer konstant halten. So variiert beispielsweise der Abstand
zwischen einem Schüttgut
auf einem Fließband
und dem optischen System durch die verteilte Lage des Schüttguts auf
dem Fließband.
Als weiteres Beispiel sei die Untersuchung flatternder Gewebe- oder
Papierbahnen genannt. Aufgrund der flatternden Bewegung dieser Bahne
variiert auch hier der Abstand zwischen der Bahnen und dem optischen
System.
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Für eine zuverlässige Qualitäts- und
Prozesskontrolle ist es daher von Vorteil, wenn die von dem optischen
System erfassten Messwerte weitestgehend unabhängig sind vom Abstand zwischen
der Probe und dem optischen System.
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Werden
Proben untersucht, die eine hohe Temperatur besitzen oder von denen
Dämpfe
oder Aerosole ausgehen, ist es zur Vermeidung von Verunreinigungen
des optischen Systems von Vorteil, wenn der Abstand zwischen der
Probe und dem optischen System nicht zu gering ist.
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Bei
einem bekannten optischen System zur berührungslosen Reflexionsmessung
wird eine Lichtstrahlung (Beleuchtungsstrahlung) über eine
Beleuchtungsfaser transportiert. Die Beleuchtungsstrahlung wird
aus der Beleuchtungsfaser ausgekoppelt und mittels einer Linse parallelisiert.
Mit der parallelisierten Beleuchtungsstrahlung wird die zu untersuchende
Probe beleuchtet. Die von der Probe diffus reflektierte Strahlung
(Reflexionsstrahlung) wird mittels der Linse auf eine Detektionsfaser
abgebildet und in die Detektionsfaser eingekoppelt. Die Reflexionsstrahlung
wird über
die Detektionsfaser zu einem Detektor transportiert. Aus der detektierten
Reflexionsstrahlung können
Messdaten extrahiert wird.
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Problematisch
an diesem optischen System ist, dass ein Teil der Beleuchtungsstrahlung
an der der Detektionsfaser zugewandten Linsenoberfläche reflektiert
und in die Detektionsfaser eingekoppelt wird. Da es sich bei dieser
reflektierten Strahlung nicht um die von der Probe reflektierte
Reflexionsstrahlung handelt, verringert die reflektierte Beleuchtungsstrahlung
das Signal-zu-Rausch-Verhältnis
des optischen Systems.
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Um
diesen unerwünschten
Rückreflex
zu vermindern, wird die der Detektionsfaser zugeordnete Linsenoberfläche mit
einer Breitband-Antireflex-Vergütung
beschichtet oder durch eine Veränderung
der Linsenform vermindert. Diese Maßnahmen sind jedoch aufwendig
und verbessern das Signal-zu-Rausch-Verhältnis nur geringfügig.
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Bekannt
ist es, den unerwünschten
Rückreflex
durch eine Subtraktion eines Schwarzspektrums zu eliminieren. Unter
dem Schwarzspektrum ist dasjenige Spektrum zu verstehen, das der
Detektor misst, wenn als Probe ein idealer Absorber verwendet wird.
Die Korrektur kann mit Hilfe eines Schwarzstandards geschehen, der
das Schwarzspektrum kompensiert. Es ist auch möglich, das Schwarzspektrum
zu messen. Hierzu wird das optische System in den freien Raum (dient
als idealer Absorber) gerichtet und ein Wert für den Rückreflex ermittelt. Das gemessene
Schwarzspektrum wird anschließend
aus dem aufgenommenen Spektrum herausgerechnet.
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Nachteilig
an diesen Verfahren ist, dass der Messbereich des optischen Systems
eingeschränkt wird.
Zudem sind diese Vorgehensweisen problematisch, wenn sich die Rahmenbedingungen
für die Messung
verändern,
die Auswirkungen auf die Reflexionseigenschaften der Breitband-Antireflex-Vergütung haben,
wie beispielsweise die Temperatur oder die Luftfeuchtigkeit.
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Wird
das Schwarzspektrum gemessen, kann die Justage des optischen Systems
durch das Ausrichten des optischen Systems in den freien Raum beeinträchtigt werden.
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Bei
der Verwendung verketteter Mehrlinsensysteme, wie z. B. Achromaten,
kommt es zudem unter Umständen
zu temperaturabhängigen
Interferenzstrukturen, die ein zu untersuchendes Reflexionsspektrum überlagern
und dessen Auswertung erschweren.
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Aufgabe
der vorliegenden Erfindung ist es, ein verbessertes optisches System
zur berührungslosen
Reflexionsmessung bereitzustellen, bei dem unerwünschte Rückreflexe reduziert werden.
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Die
Aufgabe wird mit einem optischen System zur berührungslosen Reflexionsmessung
mit den Merkmalen von Anspruch 1 gelöst.
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Die
Aufgabe wird ferner durch ein Verfahren mit den Merkmalen von Anspruch
12 gelöst.
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Es
hat sich überraschend
gezeigt, dass trotz der durch die Durchbohrung oder die Blende verringerten
Beleuchtungsintensität
eine signifikante Verbesserung des Signal-zu-Rausch-Verhältnisses
erzielt wird. Unter Durchbohrung ist ein vollständiger Durchgang durch die
Linse zu verstehen, unabhängig
von der konkreten Herstellung (z. B. Bohrung). Durch die erfindungsgemäße Maßnahme wird
der unerwünschte
Rückreflex
erheblich reduziert, was zu einer weitgehenden Temperaturunabhängigkeit
des optischen Messsystems und Verfahrens führt.
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Das
erfindungsgemäße optische
System sowie das erfindungsgemäße Verfahren
sind in einem weiten Wellenlängenbereich
einsetzbar. Es lässt
sich beispielsweise vom ultravioletten Spektrum über das sichtbare und nahe
infrarote Spektrum bis hin zum mittleren infraroten Spektrum einsetzen.
Insbesondere ist es vorteilhaft in spektralen Bereichen einzusetzen,
in denen keine geeigneten Breitbandvergütungen existieren oder diese
zu aufwendig und kostspielig sind.
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Vorzugsweise
ist die Blende nicht-reflektierend ausgebildet, um Rückreflexe
durch Absorption zu unterdrücken.
Denkbar ist aber auch, die Blende mit einer spiegelnden Oberfläche zu versehen
und unter einem Winkel zwischen 0° und
90°, beispielsweise
45°, zur
optischen Achse in den Strahlengang anzuordnen, um störende Rückreflexe
in den Detektor dadurch zu unterdrücken, dass die Rückreflexe
in eine andere Richtung (als die Richtung, die von der Linse zum
Detektor weist) gelenkt werden. Eine Kombination von Absorption
und Umlenkung lässt sich
beispielsweise mit einer schräg
in den Strahlengang angeordneten schwarzen glänzenden Blende realisieren.
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Als
Lichtquelle kommt beispielsweise eine Halogenlampe, eine LED (Light
Emission Diode, LED) oder ein LED-Array in Betracht. Die Bezeichnung
LED schließt
auch Laserdioden ein.
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Der
Kollimator kann aus der Linse bestehen. Denkbar ist jedoch auch,
dass der Kollimator aus einem Linsensystem gebildet ist oder ein
Linsensystem aufweist, bei dem die Linse nur einen Bestandteil bildet.
Ein geeignetes Linsensystem lässt
sich etwa zum Kompensieren chromatischer Fehler einsetzen. Erfindungsgemäß ist vorgesehen,
dass auch weitere Linsen des Linsensystems oder auch andere optische
Komponenten des Kollimators, wie zum Beispiel optische Filter, Durchbohrungen
oder Blenden aufweisen.
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In
einer vorteilhaften Ausführungsform
ist die Blende auf einer Oberfläche
der Linse angebracht, vorzugsweise auf der dem Detektor zugewandten Oberfläche. Auf
diese Weise wird ein unerwünschter Rückreflex
effektiv unterdrückt.
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Vorzugsweise
sind die Durchbohrung oder die Blende zentral ausgebildet. Darunter
ist zu verstehen, dass die Durchbohrung oder die Blende im Bereich
um die optische Achse des optischen Systems im Bereich der Linse
angeordnet sind. Die optische Achse kann beispielsweise durch die
optische Achse des Kollimators definiert sein. Bei einer zu der optischen
Achse symmetrischen Linse ist dies der Bereich um das Symmetriezentrum
herum.
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In
einer besonderen Ausführungsform
ist die Linse eine Bikonvex-Linse. Bikonvex-Linsen sind sowohl zum Parallelisieren
der Beleuchtungsstrahlung als auch zum Sammeln der Reflexionsstrahlung
besonders geeignet.
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Um
eine größere Entfernung
zwischen Lichtquelle bzw. Detektor und der Linse des Kollimators
zu überbrücken, ist
es zweckmäßig, wenigstens
eine Beleuchtungsfaser zum Transport der Beleuchtungsstrahlung bzw.
wenigstens eine Detektionsfaser zum Transport der Reflexionsstrahlung
vorzusehen. Der Ausgang der Beleuchtungsfaser liegt in der Beleuchtungsebene,
so dass die Beleuchtungsstrahlung in der Beleuchtungsebene aus der
Beleuchtungsfaser ausgekoppelt wird. Der Eingang der Detektionsfaser liegt
in der Detektionsebene, so dass die Reflexionsstrahlung in der Detektionsebene
in die Detektionsfaser eingekoppelt wird.
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Ein
kompakter Aufbau des optischen Systems wird erzielt, wenn die Beleuchtungsfaser
und die Detektionsfaser zusammen in einem Faserbündel integriert sind.
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Erfindungsgemäß ist vorgesehen,
dass in der Beleuchtungsebene eine Lichtquelle angeordnet ist, beispielsweise
eine LED, und dass in der Detektionsebene ein Detektor angeordnet
ist.
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Ferner
ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass
entweder wenigstens eine Lichtquelle in der Beleuchtungsebene und
der Eingang der wenigstens einen Detektionsfaser in der Detektionsebene
angeordnet ist, oder dass wenigstens ein Detektor in der Detektionsebene
und der Ausgang der wenigstens einen Beleuchtungsfaser in der Beleuchtungsebene angeordnet
sind.
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Die
Beleuchtungsebene kann mit der Detektionsebene zusammenfallen. Es
ist jedoch auch denkbar, dass die Beleuchtungsebene entlang der optischen
Achse dichter an der Linse angeordnet ist, oder dass die Detektionsebene
entlang der optischen Achse dichter an der Linse angeordnet ist.
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Um
die gewünschten
Messdaten aus der Reflexionsstrahlung zu erhalten, ist es zweckmäßig, einen
Detektor zum Detektieren der durch die Detektionsfaser transportierten
Reflexionsstrahlung vorzusehen. Besonders geeignet ist hierfür ein Spektrometer.
Die Reflexionsstrahlung kann auch auf einen fotoelektrischen Sensor
abgebildet werden, beispielsweise auf ein CCD-Array (Charged-coupled
Device, CCD).
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Mit
Hilfe einer Auswerteeinrichtung lassen sich beispielsweise in digitale
Daten umgewandelte spektrale Informationen auswerten und ggf. bearbeiten.
Beispielsweise kann eine Bearbeitung dahingehend erfolgen, dass
Veränderungen
der Spektren in Form minimaler Basislinienverschiebungen und -verkippungen
durch geeignete mathematische Verfahren korrigieren werden.
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Vorteilhaft
wird das optische System mit einem Abstand von mindestens 10 cm
von der zu untersuchenden Probe angeordnet, um beispielsweise für das optische
System schädliche
Temperaturen, Dämpfe
oder Aerosole vermeiden bzw. zu reduzieren. Der Abstand des optischen
Systems von der Probe wird definiert als der Abstand zwischen der Probe
und dem der Probe zugewandten Ausgang des Kollimators.
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Die
Erfindung wird anhand der in den folgenden Figuren dargestellten
Ausführungsbeispiele
näher erläutert.
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Es
zeigen
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1 – eine Ausführungsform
des erfindungsgemäßen optischen
Systems,
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2 – eine weitere
Ausführungsform
des erfindungsgemäßen optischen
Systems,
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3 – eine Querschnittsansicht
eines in den 1 und 2 verwendeten
Lichtfaserbündels.
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1 zeigt
eine erste Ausführungsform
des erfindungsgemäßen optischen
Systems 1.
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In
einem Lichtfaserbündel 2 mit
im Wesentlichen kreisförmigem
Querschnitt ist eine Detektionsfaser 3 als zentrale Lichtleitfaser
ausgebildet. Der Eingang der Detektionsfaser 3 liegt in
einer Detektionsebene 4.
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Um
die Detektionsfaser 3 ist eine Mehrzahl von Beleuchtungsfasern 5 angeordnet.
In der 1 sind vier von insgesamt achtzehn (vgl. 3)
Beleuchtungsfasern 5 zu erkennen. Die Ausgänge der Beleuchtungsfasern 5 liegen
in einer Beleuchtungsebene 6. Die Beleuchtungsebene 5 fällt in dieser
Ausführungsform
mit der Detektionsebene 4 zusammen.
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Die
Detektionsfaser 3 und die Beleuchtungsfasern 5 sind
in eine Mantelschicht 7 eingebettet, die die Detektionsfaser 3 und
die Beleuchtungsfasern 5 vor äußeren Einflüssen, wie beispielsweise vor
mechanischen Beanspruchungen, schützt. Die Detektionsfaser 3,
die Beleuchtungsfasern 5 und die Mantelschicht 7 bilden
zusammen das Lichtfaserbündel 2.
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Von
einer nicht dargestellten Lichtquelle, beispielsweise einer Halogenlampe
oder einer LED bzw. einem LED-Array, wird eine Beleuchtungsstrahlung 8 durch
die Beleuchtungsfaser 5 transportiert und am Ausgang 9d der
Beleuchtungsfasern 5 ausgekoppelt. Die Beleuchtungsstrahlung 8 wird
von einer Linse 10 parallelisiert, so dass sie sich nach
Durchqueren der Linse 10 im Wesentlichen parallel ausbreitet,
wie es in einem Abschnitt 11 dargestellt ist.
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Die
parallelisierte Beleuchtungsstrahlung fällt auf eine Probe 12.
Die Probe 12 reflektiert eine diffuse Reflexionsstrahlung 13 (in
dem Bereich 11 ist sowohl die Beleuchtungsstrahlung 8 als
auch die Reflexionsstrahlung 13 vorhanden). Von der Reflexionsstrahlung 13 ist
hier nur der sich parallel auf die Linse 10 ausbreitende
Anteil dargestellt.
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Die
Reflexionsstrahlung 13 wird von der Linse 10 auf
einen Eingang 14 der Detektionsfaser 3 abgebildet.
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Die
Linse 10 ist eine Bikonvex-Linse mit kreisförmigem Querschnitt.
Auf einer dem Lichtfaserbündel 2 zugeordneten
Oberfläche 15 der
Linse 10 ist eine nichtreflektierende Blende 16 angebracht.
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Die
Blende 16 erstreckt sich in einem Bereich um eine optische
Achse 17 im Zentrum der Linse 12.
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Die
Blende 18 hat einen kreisförmigen Querschnitt mit einem
Durchmesser, der in etwa dem Durchmesser der Detektionsfaser 3 entspricht.
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Die
Blende 18 ist als ebene Fläche ausgebildet, die mit der
optischen Achse 17 einem im Wesentlichen rechten Winkel
bildet. Die Blende 18 könnte
auch unter einem kleineren Winkel zur optischen Achse 17 angeordnet
sein.
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2 zeigt
eine weitere Ausführungsform des
erfindungsgemäßen optischen
Systems 1.
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Diese
Ausführungsform
ist mit Ausnahme der Linse 10 identisch zu der Ausführungsform
gemäß der 1.
Der einzige Unterschied zwischen den Ausführungsformen besteht darin,
dass die Linse 10 anstelle der Blende 16 eine
Durchbohrung 18 aufweist.
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Die
Durchbohrung 18 hat einen kreisförmigen Querschnitt und ist
im Bereich der optischen Achse 17 vorgesehen. Der Durchmesser
der Durchbohrung 18 ist etwas größer als der Durchmesser der Detektionsfaser 3.
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3 zeigt
das Lichtfaserbündel 2 in
Richtung der optischen Achse 17. Es sind achtzehn Beleuchtungsfasern 5 und
die zentral angeordnete Detektionsfaser 3 zu erkennen.
Eingebettet sind die Beleuchtungsfasern 5 und die Detektionsfaser 3 in
der Mantelschicht 7.
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- 1
- Optischen
Systems
- 2
- Lichtfaserbündel
- 3
- Detektionsfaser
- 4
- Detektionsebene
- 5
- Beleuchtungsfaser
- 6
- Beleuchtungsebene
- 7
- Mantelschicht
- 8
- Beleuchtungsstrahlung
- 9
- Ausgang
- 10
- Linse
- 11
- Abschnitt
- 12
- Probe
- 13
- Reflexionsstrahlung
- 14
- Eingang
- 15
- Oberfläche
- 16
- Blende
- 17
- Optische
Achse
- 18
- Durchbohrung