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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Messung von Kenngrößen einer zumindest teilweise lichtdurchlässigen Probe.
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Lichtdurchlässige Produkte wie beispielsweise Glas, durchsichtige Folien und dergleichen werden in vielen Bereichen eingesetzt. Die optischen Eigenschaften spielen dabei, je nach Verwendungsbereich, eine wesentliche Rolle. So wird z. B. von Glasplatten und Folien, die für Gewächshäuser verwendet werden, eine hohe Transmission verlangt. Eine zur Verpackung verwendete Folie sollte dagegen den Inhalt möglichst klar und ungetrübt erkennen lassen.
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Eine lediglich subjektive Betrachtung der optischen Qualität des Materials, wie sie heute sowohl in der Entwicklung als auch insbesondere bei der Fertigung häufig vorgenommen wird, hat den wesentlichen Nachteil, dass die Beobachtungen gar nicht oder nur mit einer groben Abstufung quantifizierbar sind, sodass ein Vergleich der Ergebnisse nur sehr eingeschränkt möglich ist.
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Es werden deshalb in der Forschung und Entwicklung Vorrichtungen eingesetzt, um z. B. den Transmissionsgrad von durchsichtigen Materialien zu messen. Diese Vorrichtungen haben jedoch den Nachteil, dass sie sehr aufwendig sind und es nicht erlauben, verschiedene optische Kenngrößen zu ermitteln, die für die Beurteilung der optischen Qualität der Produkte erforderlich sind.
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Die
DE 295 11 344 U1 beschreibt eine derartige Vorrichtung zur Messung von optischen Kenngrößen transparenter Materialien. Dabei ist eine Beleuchtungseinrichtung vorgesehen, welche auf das zu untersuchende Material Licht ausstrahlt, sowie ein nach dieser Probe vorgesehener Probenaufnahmeraum sowie mehrere Detektoreinrichtungen, welche das in diesem Raum reflektierte Licht erfassen. Diese Vorrichtung erlaubt damit die Bestimmung von Kenngrößen nach einem bestimmten Standard, nämlich dem sogenannten ASTM- Standard. Bei diesem Standard handelt es sich um ein Standardtestverfahren zur Bestimmung der Transmission von transparenten Kunststoffmaterialien (ASTM= American Society for Testing Materials). Der Gegenstand der
DE 295 11 344 U1 wird hiermit durch Bezugnahme vollständig auch zum Gegenstand der vorliegenden Anmeldung gemacht.
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Neben diesem Standardverfahren wird jedoch noch ein weiteres Standardverfahren nach ISO verwendet. Bei diesem Standardverfahren sollen auch Fehler berücksichtigt werden, die durch die probenbedingte Effizienzänderung der verwendeten Ulbbricht'schen Kugel auftreten. Bekannt sind hierbei z. B. Ein- Strahlverfahren, bei denen die zu untersuchende Probe an zwei unterschiedlichen Ausgängen der Ulbbricht'schen Kugel angelegt wird. Auch sind Zweistrahlverfahren bekannt, bei denen zwei Lichtbündel eingesetzt werden, wobei eines das Messbündel darstellt, welches durch die Probe tritt, und ein weiteres Bündel, das nicht durch die Probe tritt, sondern die Innenwandung der Ulbricht'schen Kugel beleuchtet. Das zuletzt genannte Verfahren hat jedoch den Nachteil, dass die besagten Lichtbündel genau aufeinander abgestimmt sein sollten und im Übrigen auch Einflüsse durch die Hintergrundbeleuchtung (z. B. Raumbeleuchtung) berücksichtigt werden sollten.
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Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Verfügung zu stellen, welches für die beiden genannten Standards beliebig einsetzbar ist. Dies wird erfindungsgemäß durch eine Vorrichtung nach Anspruch 1 und ein Verfahren nach Anspruch 16 erreicht.
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Eine erfindungsgemäße Vorrichtung zum Messen optischer Eigenschaften von transparenten Materialien weist eine erste Beleuchtungseinrichtung auf, welche das zu untersuchende Material entlang eines vorgegebenen Beleuchtungspfades mit einer vorgegebenen Strahlung beleuchtet. Weiterhin weist die Vorrichtung einen Strahlungsaufnahmeraum auf, der von dem zu untersuchenden Material weitergegebene Strahlung aufnimmt, wobei der Strahlungsaufnahmeraum derart angeordnet ist, dass die von der ersten Beleuchtungseinrichtung ausgegebene Strahlung zunächst auf das Material trifft und anschließend zumindest zeitweise und/oder zumindest teilweise auf eine innere Wandung des Strahlungsaufnahmeraums.
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Weiterhin weist die Vorrichtung mit eine erste Strahlungsdetektoreinrichtung auf, welche derart angeordnet ist, dass sie im Wesentlichen nur von der inneren Wandung des Strahlungsaufnahmneraums reflektierte und/oder gestreute Strahlung aufnimmt sowie eine zweite Beleuchtungseinrichtung, welche die innere Wandung des Strahlungsaufnahmeraums beleuchtet.
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Erfindungsgemäß ist die zweite Beleuchtungseinrichtung zur Ausgabe von modulierter Strahlung geeignet. Vorteilhaft strahlen die erste und die zweite Beleuchtungseinrichtung die Strahlung unter wenigstens teilweise unterschiedlichen Einstrahlwinkeln (insbesondere in den Strahlungsaufnahmeraum) ein.
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Das gesamte von der Probe bzw. dem transparenten Material transmittierte Licht tritt vorteilhaft dann in die Kugel bzw. den Strahlungsaufnahmeraum ein und wird vorzugsweise integral im Kugelraum mit einem Sensor erfasst. Der daraus resultierende Wert entspricht der Transmission der Probe.
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Weiterhin kann mit einem weiteren Verfahren der Haze berechnet werden. Der Haze entspricht der Lichtmenge, welcher durch die Probe gestreut wird und nicht in gerader Linie durch die Probe transmittiert wird. Bei dieser Messung wird der Teil der Kugeloberfläche, der auf der entgegengesetzten Seite der Messöffnung sitzt, durch eine Abdeckeinrichtung geöffnet und wirkt dann vorteilhaft als Lichtfalle. Dadurch wird erreicht, dass Licht, welches ungestreut und geradlinig durch die Probe tritt, in der Lichtfalle absorbiert wird. Nur gestreutes Licht wird in der Kugel gesammelt und einem Sensor, welcher dem Transmissionssensor entsprechen kann, zugeführt. Der resultierende Wert gibt Informationen über den Haze Wert der Probe.
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Vorteilhaft wird von der Probe aus die Strahlung in den Strahlungsaufnahmeraum hineinreflektiert und gemischt. Die erste Strahlungsdetektoreinrichtung befindet sich vorteilhaft in dem Strahlungsaufnahmeraum oder in dessen Wandung oder hat zumindest eine optische Verbindung zu diesem Strahlungsaufnahmeraum und misst bevorzugt die Lichtenergie in dem Strahlungsaufnahmeraum. Diese Messung entspricht einer Transmissionsmessung.
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Wird an Stelle der Lichtfalle ein Flächensensor, der aus mehreren Segmenten besteht, die z.B. als Mittenkreis und aus umliegenden Ringsensoren ausgebildet ist, eingesetzt, so kann hiermit ein Clarity Wert ermittelt werde. Der Clarity Wert beschreibt die Kleinwinkel-Streuung, d.h. es wird untersucht wie die örtliche Intensitätsverteilung des Lichtstrahls aussieht, der die Probe in einer weitgehend geraden Line durchdringt. Für die Transmissions- die Haze- und die Clarity-Messung ist vorteilhaft ein Kalibrationsverfahren vorgesehen um standardisierte Werte zu erreichen.
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Vorteilhaft weist daher die Vorrichtung eine zweite Strahlungsdetektoreinrichtung auf, welche vorteilhaft entlang des Beleuchtungspfades nach dem zu untersuchenden Material derart angeordnet ist, dass sie entlang des Beleuchtungspfades eingestrahlte Strahlung aufnimmt.
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Diese zweite Strahlungsdetektoreinrichtung kann dabei einen zur ortsaufgelösten Messung geeigneten, beispielsweise kreisförmigen Sensor aufweisen, dessen Mittelpunkt sich auf oder im Wesentlichen auf der optischen Achse bzw. dem Beleuchtungspfad befindet. Daneben kann die Strahlungsdetektoreinrichtung weitere insbesondere ringförmige Sensorelemente aufweisen, welche - vorteilhaft konzentrisch - um den genannten insbesondere kreisförmigen Sensor angeordnet sind.
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Die oben genannten Messungen können mit dem kommerziell verfügbaren Gerät Hazegard © der Firma BYK-Gardner GmbH durchgeführt werden.
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Vorzugsweise ist die erste Beleuchtungseinrichtung zur Ausgabe von modulierter Strahlung geeignet. Unter modulierter Strahlung wird dabei Strahlung verstanden, deren Intensität sich im zeitlichen Verlauf ändert. In einem bevorzugten Verfahren wird der Lichtstrahl ein und ausgeschalten. Dies kann beispielsweise elektronisch oder durch ein mechanisches Shutterverfahren erfolgen.
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Die Modulation des Lichtes ist dabei vorteilhaft, um den Einfluss des Umgebungslichtes, welches durch die Probe in die Kugel dringt und damit den Messwert verfälscht, zu erfassen und damit den Messwert zu korrigieren. Insbesondere der Transmissionswert ist gegenüber dem Fremdlicht, das durch das Umgebungslicht erzeugt wird, sehr anfällig.
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Falls das Umgebungslicht durch eine abgeschirmte Probenkammer ausgeblendet ist, ist eine Kompensation des Umgebungslichts und damit ein Modulationsverfahren nicht notwendig. Das Probenhandling wird dadurch aber sehr erschwert, da nur Proben vermessen werden können. welche von der Größe her in die Probenkammer passen. Zusätzlich muss immer die Messkammer während der Messung lichtdicht verschlossen werden.
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Werden die Messungen nach der in der ISO beschriebenen Methode durchgeführt, so ist es erforderlich, eine Probenkompensation durchzuführen. Die Messprobe welche an dem Kugelport anliegt verändert nämlich die Kugeleffizienz der Ulbrichtkugel und beeinflußt dadurch die Messergebnisse.
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Diese Verfälschung der Messergebnisse kann gemäß ISO kompensiert werden, indem der Einfluss der Messprobe auf die Kugeleffizienz in einem Kalibrationsverfahren an einen zusätzlichen zweiten Kompensationsport, der sich auch an der Kugel befindet, optisch erfasst und rechnerisch kompensiert wird. Diese Kompensationsmassnahmen müssen für jedes Probenmaterial erneut durchgeführt werden, was sehr aufwändig ist. Die oben beschriebene Kompensationskalibration kann umgangen werden, indem bei einer Messung die Kugeleffizienz automatisch mit gemessen wird und mit diesem Wert oder einer davon abgeleiteten Größe der Messwert korrigiert wird.
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Wie oben beschrieben, wird insbesondere zur automatischen Messung der Kugeleffizienz eine zweite Lichtquelle verwendet, welche die Kugelinnenseite beleuchtet und die Kugeleffizienz bei angelegter Probe ermittelt. Das Licht wird mit einem Sensor, der auch der Transmissionssensor sein kann, gemessen. Durch Vergleich mit dem Kugeleffizienzwert, der ohne Probe ermittelt wurde und z.B. in dem Gerät fest abgespeichert ist, kann der Korrekturwert ermittelt werden.
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Erfindungsgemäß gibt diese zweite Strahlungsquelle eine modulierte bzw. gepulste Strahlung ab. Dadurch wird eine Möglichkeit geschaffen, Umgebungslicht welches durch die Probe in die Kugel dringt und die Kugeleffizienzmessung verfälscht, zu erfassen und rechnerisch eliminieren zu können. Vorteilhaft bei diesem Verfahren ist, dass der Probenraum während der Messung nicht lichtdicht abgeschlossen werden muss, was den Messablauf erheblich beschleunigt.
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Vorteilhaft weist die Vorrichtung eine gegenüber dem Strahlungsraum bewegliche Abdeckeinrichtung zum Abdecken der zweiten Detektoreinrichtung auf. Vorteilhaft ist diese Abdeckeinrichtung gegenüber dem Strahlungsaufnahmeraum bzw. einer Wandung des Strahlungsaufnahmeraums verschiebbar bzw. bewegbar. Auf diese Weise kann wahlweise die zweite Detektoreinrichtung abgedeckt werden, so dass keine von der ersten Beleuchtungseinrichtung stammende Strahlung auf sie auftrifft.
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Falls die Abdeckeinrichtung die zweite Strahlungsdetektoreinrichtung abdeckt, ist auch die dem Innenraum des Strahlungsaufnahmeraums zugewandte Fläche der Abdeckeinrichtung vorteilhaft ein Bestandteil der Innenoberfläche bzw. Innenwandung des Strahlungsaufnahmeraums.
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Bei einer vorteilhaften Ausführungsform kann die Abdeckeinrichtung bzw. das Abdeckelement aus der optischen Achse bewegt werden kann, damit vorteilhaft eine (entlang der optischen Achse insbesondere hinter der Abdeckeinrichtung liegende) Lichtfalle freigegeben wird, welche die durch die Probe nicht abgelenkte Strahlung absorbiert und somit nur von der Probe gestreutes Licht im Strahlungsaufnahmeraum aufgenommen wird, welches von einer Strahlungsdetektoreinrichtung gemessen wird. Auf diese Weise kann eine Haze-Messung durchgeführt werden.
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Daneben kann die Abdeckeirichtung vorteilhaft auch aus der optischen Achse bewegt werden, damit das Licht dadurch auf einen - vorteilhaft ortsaufgelöst messenden - Sensor treffen kann.
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Vorteilhaft weist der Strahlungsaufnahmeraum eine erste Öffnung auf, an der vorteilhaft ein Probenhalter zur Aufnahme des zu untersuchenden Materials angeordnet ist. Vorteilhaft weist der Strahlungsaufnahmeraum keine weitere Öffnung auf, über die von außen Strahlung bzw. Licht in den Strahlungsaufnahmeraum eintreten kann.
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Die zweite Strahlungsdetektoreinrichtung ist vorteilhaft entlang der Einstrahlachse bzw. optischen Achse des von der ersten Beleuchtungseinrichtung abgegebenen Lichts angeordnet.
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Bei dem Strahlungsaufnahmeraum handelt es sich insbesondere um eine sogenannte Ulbbricht'sche Kugel, an deren Öffnung die zu untersuchende Probe angeordnet ist. Im Inneren weist diese Ulbricht'sche Kugel eine reflektierende- und/oder helle Oberfläche auf, die zur Messung verwendet wird. Die verschiebbare Abdeckeinrichtung ist ebenfalls vorteilhaft mit der Kugelbeschichtung versehen und kann besonders bevorzugt auch eine kugelförmige Krümmung aufweisen. Vorteilhaft ist die zweite (Clarity) Detektoreinrichtung mit einer Öffnung versehen, durch welche die genannte optische Achse verläuft und durch welche die Strahlung bzw. das Licht eintritt, nachdem es die Probe durchlaufen hat. Die Abmaße dieser Öffnung sind durch die Vorgaben in den Normen bestimmt. Die Sensorfläche ist in Bereiche segmentiert und ist damit in der Lage, die Intensitätsverteilung des Lichtstrahls zu messen.
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Vorteilhaft ist eine Innenwandung des Strahlungsaufnahmeraumes kugelförmig ausgebildet.
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Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist die zweite Beleuchtungseinrichtung zu- bzw. abschaltbar, so dass die Vorrichtung in der Lage ist, nach unterschiedlichen Standards zu messen.
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Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform handelt es sich bei der ersten und/oder der zweiten der bei beiden Lichtquellen um eine Leuchtdiode oder Lichtdioden Kombination. Eine Leuchtdiode ist deshalb besonders geeignet, da sie einen niedrigen Stromverbrauch und eine lange Lebensdauer aufweist.
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Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform weisen die beiden Beleuchtungseinrichtungen bzw. deren Lichtquellen ähnliche bzw. identische Beleuchtungscharakteristika, und insbesondere einen ähnlichen oder im Wesentlichen identischen spektralen Verlauf auf. So wird vorteilhaft, falls für die beiden Beleuchtungseinrichtungen unterschiedliche Lichtquellen eingesetzt werden, der gleiche Typ Lichtquelle verwendet.
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Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform sind die Beleuchtung mit der ersten Beleuchtungseinrichtung und die Beleuchtung mit der zweiten Beleuchtungseinrichtung miteinander gekoppelt. So wäre es möglich, dass die zweite Beleuchtungseinrichtung über einen Lichtleiter mit einer Lichtquelle in lichtleitender Verbindung steht. Vorteilhaft handelt es sich hierbei um die Lichtquelle, welche auch die erste Beleuchtungseinrichtung mit Licht bzw. Strahlung versorgt.
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Auch auf diese Weise kann erreicht werden, dass zur Beleuchtung sowohl der Probe als auch des Innenraumes des Strahlungsaufnahmeraumes im Wesentlichen das gleiche Licht verwendet wird bzw. die Beleuchtung mit vergleichbaren Beleuchtungseigenschaften erfolgt.
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Es wäre jedoch auch denkbar, dass die zweite Beleuchtungseinrichtung nicht an die erste Beleuchtungseinrichtung gekoppelt ist. So könnte die zweite Beleuchtungseinrichtung über eine eigene Beleuchtungsquelle und/oder einen eigenen Modulator verfügen. In diesem Fall kann die zweite Beleuchtungseinrichtung unabhängig von der ersten Beleuchtungseinrichtung bzw. Beleuchtungsquelle aktiviert und moduliert werden. Allgemein ist jedoch vorteilhaft eine Modulatoreinrichtung zum Modulieren der zweiten Beleuchtungseinrichtung vorgesehen. Auch kann eine (erste) Pulserzeugungseinrichtung vorgesehen sein, welche die von einer Lichtquelle (welche der ersten und/oder der zweiten Beleuchtungseinrichtung zugeordnet ist) ausgehende Strahlung in gepulste Strahlung umwandelt.
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Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform gibt zumindest eine der Beleuchtungsquellen einen über die Zeit konstanten Lichtstrom aus. Dabei können Regeleinrichtungen vorgesehen sein, welche diese Ausgabe eines über die Zeit konstanten Lichtstroms bewirken.
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Vorteilhaft verfügt die Vorrichtung und insbesondere zumindest eine der Beleuchtungseinrichtungen über eine Einrichtung zur Messung der Veränderung der Leuchtcharakteristik wenigstens einer und bevorzugt der Beleuchtungsquellen.
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Weiterhin kann vorgesehen sein, dass (insbesondere mit Hilfe einer Prozessoreinrichtung) mit der Messung der Veränderung der Leuchtcharakteristik der Beleuchtungsquellen ein von der Vorrichtung ausgegebener Messwert korrigiert wird.
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Vorzugsweise sind Vorrichtungen vorgesehen, um die Leuchtstärke konstant zu halten, oder um die Änderung der Leuchtstärke zu detektieren und rechnerisch zu korrigieren. Die Änderung der Lichtstärke kann dabei beispielsweise durch Ausblenden eines Teil des Lichtstrahls und anschließender Detektion gemessen und damit anschließend das Ergebnis korrigiert werden. Alternativ kann auch ein elektrischer Parameter der Leuchtdiode gemessen werden, wie z.B. die Durchlassspannung, mit dem anschließend auch eine Korrektur durchgeführt werden kann. Diese Korrekturverfahren können nicht nur bei Halbleiterstrahlern sondern auch bei thermischen Strahlern zur Anwendung kommen.
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Vorteilhaft weist die Vorrichtung eine zweite Pulserzeugungseinrichtung auf, sodass auch für die Beleuchtung mit wenigstens einer und bevorzugt mit der zweiten Beleuchtungseinrichtung eine gepulste Strahlung erzeugt werden kann. Vorteilhaft sind die erste und die zweite Pulserzeugungseinrichtung so angeordnet, dass eine Beleuchtung des Strahlungsaufnahmeraumes mit der ersten und der zweiten Beleuchtungseinrichtung wenigstens zeitweise zeitlich versetzt und bevorzugt vollständig zeitlich versetzt erfolgt. Vorteilhaft wird der Strahlungsaufnahmeraum zu keinem Zeitpunkt sowohl von der ersten Beleuchtungseinrichtung als auch von der zweiten Beleuchtungseinrichtung beleuchtet
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Bei einer vorteilhaften Ausführungsform ist die erste Beleuchtungseinrichtung zur Ausgabe von modulierter Strahlung geeignet. So kann beispielsweise eine Modulationseinrichtung zum Modulieren der Lichtstrahlen der ersten Beleuchtungseinrichtung vorgesehen sein. Bei dieser Modulationseinrichtung handelt es sich vorteilhaft um eine sogenannte Chopper - Blende. Auf diese Weise wird erreicht, dass die Beleuchtungseinrichtung nicht an- und zugeschaltet werden muss, was ihren konstanten Betrieb verändern würde, sondern, dass das austretende Licht mit der besagten Chopper - Blende zeitweise geblockt wird. Daneben kann auch eine Chopper - Einrichtung vorgesehen sein, um das direkt in den Strahlungsaufnahmeraum eintretende Licht der zweiten Beleuchtungseinrichtung zu modulieren bzw. zu choppern.
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Wie oben erwähnt, weist vorteilhaft die Vorrichtung eine Pulserzeugungseinrichtung auf, welche die von der Lichtquelle ausgehende - insbesondere kontinuierlich ausgestrahlte - Strahlung in eine gepulste Strahlung umwandelt.
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Es wäre jedoch auch möglich, dass eine Strahlungsumlenkeinrichtung wie beispielsweise ein umklappbarer Spiegel verwendet wird, um wahlweise eine Beleuchtung mit der ersten Beleuchtungseinrichtung und eine Beleuchtung mit der zweiten Beleuchtungseinrichtung zu erreichen. Anstelle eines umklappbaren Spiegels könnte jedoch hier auch ein sogenannter schaltbarer Spiegel eingesetzt werden, der durch die Aufladung mit elektrischen Spannungen oder Strömen seine Reflexionseigenschaften verändern kann.
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Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist die zweite Beleuchtungseinrichtung an einer Innenwandung des Strahlungsaufnahmeraumes so angeordnet, dass keine Strahlen der Beleuchtungseinrichtung vor der mindestens ersten Reflexion auf einen Sensor oder die Kugelöffnung treffen.
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Die vorliegende Erfindung ist weiterhin auf ein Verfahren zum Messen optischer Eigenschaften von transparenten Materialien gerichtet, wobei mittels einer ersten Beleuchtungseinrichtung Strahlung entlang eines vorgegebenen Beleuchtungspfades auf ein zu untersuchendes Material eingestrahlt wird und die in Reaktion auf die eingestrahlte Strahlung von dem transparenten Material weitergegebene Strahlung zumindest teilweise und/oder zeitweise auf die Innenwandung eines Strahlungsaufnahmeraumes gelangt und mittels einer ersten Strahlungsdetektoreinrichtung im Wesentlichen nur von der inneren Wandung des Strahlungsaufnahmeraumes reflektierte- und/oder gestreute Strahlung aufgenommen wird. Weiterhin wird mit einer zweiten - insbesondere zuschaltbaren - Beleuchtungseinrichtung die innere Wandung des Strahlungsaufnahmeraumes beleuchtet.
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Erfindungsgemäß gibt die zweite Beleuchtungseinrichtung modulierte Strahlung aus. Vorteilhaft ist dabei das zu untersuchende Material im Strahlungsgang der ersten Beleuchtungseinrichtung angeordnet. Bei der modulierten Strahlung handelt es sich insbesondere, wie oben erwähnt, um gepulste Strahlung.
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Bei einem weiteren vorteilhaften Verfahren werden beide Beleuchtungseinrichtungen von wenigstens einer gemeinsamen Lichtquelle versorgt.
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Vorteilhaft wird wenigstens zeitweise eine innerhalb des Strahlungsaufnahmeraums angeordnete Abdeckeinrichtung bewegt. Diese Abdeckeinrichtung kann dabei zeitweise einen auf der optischen Achse liegenden (Mess)-Ausgang abdecken.
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Bei einem weiteren vorteilhaften Verfahren wird daher wenigstens zeitweise mittels einer zweiten Strahlungsdetektoreinrichtung die entlang eines vorgegebenen Beleuchtungspfades (der insbesondere mit der optischen Achse zusammenfällt) durch das Material hindurchtretende Strahlung erfasst.
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Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform geben die erste Beleuchtungseinrichtung und die zweite Beleuchtungseinrichtung wenigstens teilweise zueinander zeitlich versetzt und bevorzugt vollständig zeitlich zueinander versetzt Strahlung ab. Auf diese Weise ist eine Messung nach mehreren Standards, insbesondere den erwähnten ASTM- und ISO-Standards, möglich.
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Weitere vorteilhafte Ausführungsformen ergeben sich aus den beigefügten Zeichnungen:
- Darin zeigen:
- 1 eine Vorrichtung nach dem Stand der Technik;
- 2 eine erfindungsgemäße Vorrichtung;
- 3 eine größere Darstellung des Strahlungsaufnahmeraumes; und
- 4 eine weitere Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
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1 zeigt eine Vorrichtung 100 nach dem Stand der Technik zum Messen optischer Eigenschaften eines transparenten Materials 10. Dazu ist eine in ihrer Gesamtheit mit 2 bezeichnete Beleuchtungseinrichtung vorgesehen, welche Strahlung entlang einer optischen Achse P auf das Material 10 strahlt. Genauer gesagt ist hier eine Lichtquelle 24 vorgesehen, sowie ein Linsensystem mit einer Linse 26 und einem Hohlspiegel 28, welche das Licht entsprechend bündeln. Das Bezugszeichen 30 bezieht sich auf eine Chopperblende, welche bewirkt, dass das Licht von der ersten Beleuchtungseinrichtung 2 moduliert ausgegeben wird. Anstelle dieser Chopperblende könnte beispielsweise auch ein Element wie ein klappbarer Spiegel eingesetzt sein.
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Das Bezugszeichen 32 kennzeichnet einen teildurchlässigen Spiegel, der einen Anteil 35 der Strahlung auf eine Detektoreinrichtung 38 richtet. Mithilfe dieser Detektoreinrichtung 38 wird ein Maß für die ausgegebene Lichtintensität aufgenommen. Damit bezeichnet das Bezugszeichen 2 die erste Beleuchtungseinrichtung in ihrer Gesamtheit und insbesondere auch den optischen Aufbau, der die Beleuchtung des Materials, im Folgenden auch als Probe bezeichnet, bewirkt.
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Das Bezugszeichen 4 bezieht sich auf einen Strahlungsaufnahmeraum, der hier als Ulbricht'sche Kugel ausgebildet ist und in Richtung der optischen Achse P hinter dem Material 10 angeordnet ist. Mithilfe des Shutters bzw. der Abdeckeinrichtung 86 und einer ersten Strahldetektoreinrichtung 12 können die Transmission und der Haze bestimmt werden. Das Bezugszeichen 6 bezieht sich auf eine zweite Strahlungsdetektoreinrichtung, welche entlang des optischen Pfades P angeordnet ist, und die Kleinwinkelstreuung des durch das Material 10 hindurchgetretenen Lichts aufnimmt. Das Bezugszeichen 52 kennzeichnet einen Träger für die Anordnung und das Bezugszeichen 54 einen Hauptträger.
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2 zeigt eine Gesamtdarstellung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung 1. Ein entscheidender Unterschied zu der Vorrichtung nach dem Stand der Technik ist eine zweite modulierbare Beleuchtungseinrichtung 14, die hier an einem Innenraum des Strahlungsauffangraumes 4 angeordnet ist und so einen Teil der Innenwandung 4a des Strahlungsaufnahmeraumes ausleuchtet.
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Als erste Beleuchtungseinrichtung ist hier eine Leuchtdiode 24 vorgesehen. Vorteilhaft gibt diese Leuchtdiode weißes Licht aus, es wäre jedoch auch denkbar, dass die Leuchtdiode definiertes farbiges Licht ausgibt. oder z.B. aus einer Kombination von Leuchtdioden unterschiedlicher spektraler Emission besteht. Auch könnten in dem Strahlengang Filterelemente angeordnet ein, welche die Beleuchtung der Probe 10 mit Licht unterschiedlicher Farbe ermöglichen. Weiterhin können optische Elemente wie Streuscheiben, Linsen oder Blenden zum Einsatz kommen, um den Lichtstrahl in geeigneter Weise zu formen, bzw. zu homogenisieren.
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Die Beleuchtung mit der zweiten Beleuchtungseinrichtung kann in geeigneter Weise von der ersten Beleuchtung ausgekoppelt werden (vgl. 4).
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Bei der in 2 gezeigten Ausführungsform verfügt die zweite Beleuchtungseinrichtung 14 über eine eigene Lichtquelle, welche unabhängig von der ersten Lichtquelle 24 steuerbar ist. In diesem Fall müsste die Modulation hier separat vorgenommen werden. So könnte eine (nicht gezeigte) Choppereinrichtung vorgesehen sein, welche das von der zweiten Beleuchtungseinrichtung austretende und in den Strahlungsaufnahmeraum eintretende Licht choppert. Auf diese Weise kann erreicht werden, dass auch die zweite Beleuchtungseinrictung Licht mit zeitlich konstanten Eigenschaften abgibt.
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Diese Innenwandung 4a ist dabei strahlungsreflektierend, beispielsweise weiß oder hell ausgebildet. Auf diese Weise wird das Licht mehrfach an der Innenwandung 4a reflektiert und so kann eine gleichmäßige Beleuchtung innerhalb des Strahlungsaufnahmeraums erreicht werden, die dann von der ersten Strahlungsdetektoreinrichtung 12 erfasst werden kann.
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Die Blockiereinrichtung 44 verhindert, dass Strahlung unmittelbar auf die erste Strahlungsdetektoreinrichtung 12 gelangen kann. Diese Blockiereinrichtung 44 kann dabei als Wandelement ausgeführt sein, welches in das Innere des Strahlungsaufnahmeraums 4 hineinragt. Dieses Wandelement kann dabei selbst strahlungsreflektierend ausgebildet sein, ggfs. aber auch auf der der zweiten Beleuchtungseinrichtung 14 zugewandten Seite strahlungsabsorbierend.
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Die erste Strahlungsdetektoreinrichtung 12 dient zur Aufnahme des an der Innenwandung 4a des Strahlungsaufnahmeraumes reflektierten und/oder gestreuten Lichts.
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3 zeigt eine vergrößerte Darstellung des Strahlungsaufnahmeraumes 4. Das Bezugszeichen 86 bezieht sich auf eine Abdeckeinrichtung, welche die Öffnung 82 freigeben kann. Mit der Detektoreinrichtung 12 kann ein Maß für die in der Kugel gestreute Lichtmenge bestimmt werden. Je nach Stellung des Abdeckelements kann daraus der Transmissions- oder Haze-Wert berechnet werden.
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Eine zweite Detektoreinrichtung 6 ist optional dargestellt. Das Bezugszeichen 92 bezieht sich auf ein erstes Detektorelement, welches unmittelbar die entlang des optischen Pfades P eingestrahlte Strahlung erfasst. Dabei ist ein Kanal 94 vorgesehen, der sich unmittelbar an die Innenwandung 4a bzw. eine in dieser Innenwandung angeordnete Öffnung 82 anschließt. Eine Innenwandung des Kanals 94 ist strahlungsabsorbierend für das eingestrahlte Licht ausgebildet. Auf diese Weise kann erreicht werden, dass im Wesentlichen nur entlang der optischen Achse P eingestrahltes Licht das erste Detektorelement 92 erreicht.
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Das Bezugszeichen 84 kennzeichnet einen weiteren Kanal, der den Kanal 82 ringförmig umgibt. Durch diesen Kanal kann Strahlung auf ein weiteres Detektorelement 96 gelangen, wobei hierdurch die Kleinwinkelstreuung erfasst wird. Die beiden Detektorelemente 92, 96 sind Bestandteil der zweiten Strahlungsdetektoreinrichtung 6 und erlauben damit die Erfassung desjenigen Lichtes, welches entlang der optischen Achse eingestrahlt wird und welches unter gegenüber der optischen Achse kleinen Winkeln gestreut wird. Die Strahlungsdetektoreinrichtung 6 ist derart konstruiert, dass sie kein Licht in den Strahlungsaufnahmeraum 4 zurück reflektiert. Bei geöffneter Abdeckeinrichtung 86 wirkt der Sensor zugleich als Lichtfalle.
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Bei der in 3 gezeigten Ausführungsform ist die zweite Beleuchtungseinrichtung 14 direkt an der Wandung 4a des Strahlungsaufnahmeraums 4 angeordnet. Die zweite Strahlungsdetektoreinrichtung ist hier oberhalb des Strahlungsaufnahmeraums angeordnet.
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Es wäre jedoch auch möglich, dass die zweite Beleuchtungseinrichtung 14 weiter in den Strahlungsaufnahmeraum 4 hineinragt. Auch wäre es möglich, dass die zweite Beleuchtungseinrichtung gegenüber der Innenwandung 4a des Strahlungsaufnahmeraums nach außen versetzt ist. Es wäre auch denkbar, dass mehrere zweite Beleuchtungseinrichtungen vorgesehen sind, welche die Innenwandung des Strahlungsaufnahmeraums beleuchten. Auch könnte die Beleuchtungseinrichtung derart ausgebildet sein, dass die Innenwandung 4a des Strahlungsaufnahmeraus teilweise von außen her beleuchtet wird.
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Auch könnte eine weitere Abdeckeinrichtung vorgesehen sein, welche vor die zweite Beleuchtungseinrichtung 14 geschoben werden kann, wobei auch eine derartige weitere Abdeckeinrichtung an der dem Inneren des Strahlungsaufnahmeraums zugewandten Seite vorteilhaft lichtreflektierend ausgebildet ist. Vorteilhaft sind die erste Abdeckeinrichtung 86 und besonders bevorzugt auch die weitere Abdeckeinrichtung mittels außerhalb des Strahlungsaufnahmeraums ausgebildeten Elementen verstellbar bzw. bewegbar. Es könnten jedoch auch motorische Antriebe zum Bewegen der Abdeckeinrichtungen vorgesehen sein.
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Das Bezugszeichen 16 kennzeichnet einen Probenhalter, mit dem das zu untersuchende Material bzw. die Probe an dem Strahlungsaufnahmeraum 4 anlegbar ist. Dieser Probenhalter ist dabei vorteilhaft derart gestaltet, dass kein Licht von außen in den Strahlungsaufnahmeraum 4 eintreten kann, außer durch die Probe 10 hindurch.
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4 zeigt eine weitere Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung 1. Bei der hier gezeigten Ausführungsform ist neben der ersten Moduliereinrichtung 30 eine zweite Moduliereinrichtung 62 vorgesehen, welche hier jedoch nur schematisch dargestellt ist, und welche ebenfalls bewirkt, dass das Licht moduliert an den Lichtleiter 56 weitergegeben wird. Bei dieser zweiten Moduliereinrichtung kann es sich ebenfalls um eine Chopperblende handeln aber auch um ein weiteres Element, welches beispielsweise eine Einkopplung von Licht in die Strahlungsleiteinrichtung 56 ermöglicht oder verhindert.
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Vorteilhaft sind beide Moduliereinrichtungen derart angeordnet, dass das von der Lichtquelle 24 ausgehende Licht nur eine der beiden Moduliereinrichtungen 30, 62 passiert. Vorzugsweise steuert eine Steuerungseinrichtung 40 die beiden Moduliereinrichtungen in Abhängigkeit voneinander, so dass wahlweise nur entlang des optischen Pfades P Licht ausgegeben wird oder nur über die zweite Beleuchtungseinrichtung 14 oder auch, falls gewünscht, gleichzeitig. Auch wäre es möglich, dass nur eine Moduliereinrichtung, etwa in Form eines klappbaren Spiegels vorgesehen ist, welche bewirkt, dass entweder nur von der ersten Beleuchtungseinrichtung 2 entlang des optischen Pfads P oder nur von der zweiten Beleuchtungseinrichtung 14 Licht in den Strahlungsaufnahmeraum 4 eingestrahlt wird.
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Man erkennt weiterhin, dass der Bereich bzw. der Raum zwischen der Linse 36 und dem Material 10 nicht abgedeckt ist, wobei eine entsprechende Referenzierung durch die Modulierung des jeweils austretenden Lichts erreicht wird. Die beiden Moduliereinrichtungen 30 und 62 sind dabei derart gesteuert, dass das Licht der Beleuchtungseinrichtung 2 abwechselnd entlang des Pfades P und abwechselnd über die Beleuchtungseinrichtung 14 in den Strahlungsaufnahmeraum 4 eintritt. Der Benutzer der Vorrichtung 1 kann damit wählen, ob er die Messung nach dem ASTM - Standard oder dem ISO Standard vornehmen will. Falls eine Messung nach dem ASTM - Standard gewünscht ist, wird die Messung mit der zweiten Lichtquelle nicht ausgewertet bzw. durchgeführt.
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Vorteilhaft steuert die Steuerungseinrichtung 40 den Messablauf derart, dass er dem vorab festgelegten Messstandard entspricht. Es wäre jedoch auch möglich, dass im Rahmen einer Messung nach beiden Standards gemessen wird und dem Benutzer die jeweiligen Messergebnisse für beide Messstandards ausgegeben werden. Zu diesem Zweck kann die Vorrichtung weiterhin eine (nicht gezeigte) Anzeigeeinrichtung aufweisen, welche die jeweiligen Messergebnisse ausgibt.
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Es wäre jedoch auch denkbar, dass als Strahlungsleiteinrichtung 56 ein System aus Spiegeln oder einem Lichtwellenleiter verwendet wird, welches das Licht von der Lichtquelle 2 zu dem Strahlungsaufnahmeraum 4 bzw. in dessen Inneres führt. Auch wäre es denkbar, dass die Strahlungsleiteinrichtung 56 innerhalb des Trägers geführt wird. Es wäre auch möglich, dass die Strahlungsleiteinrichtung 56 derart ausgebildet ist, dass ein Abstand zwischen der ersten Beleuchtungseinrichtung und dem Strahlungsaufnahmeraum 4 in Richtung der optischen Achse P verändert wird, ohne dass hierbei die Strahlungsleiteinrichtung 56 neu justiert werden muss.
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Die Anmelderin behält sich vor, sämtliche in den Anmeldungsunterlagen offenbarten Merkmale als erfindungswesentlich zu beanspruchen, sofern sie einzeln oder in Kombination gegenüber dem Stand der Technik neu sind.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Vorrichtung
- 2
- erste Beleuchtungseinrichtung
- 4
- Strahlungsaufnahmeraum
- 4a
- Innenwandung des Strahlungsaufnahmeraums
- 6
- zweite Strahlungsdetektoreinrichtung
- 10
- Material, Probe
- 12
- erste Strahlungsdetektoreinrichtung
- 14
- zweite Beleuchtungseinrichtung
- 16
- Probenhalter
- 24
- Lichtquelle
- 26
- Linse
- 28
- Hohlspiegel
- 30
- erste Moduliereinrichtung
- 32
- teildurchlässiger Spiegel
- 35
- Anteil
- 36
- Linse
- 38
- Detektoreinrichtung
- 40
- Steuerungseinrichtung
- 44
- Blockierelement
- 52
- Träger
- 54
- Hauptträger
- 56
- Strahlungsleiteinrichtung, Lichtleiter
- 60
- Strahlungsteileinrichtung
- 62
- zweite Moduliereinrichtung
- 82
- Öffnung
- 84
- weiterer Kanal
- 86
- Abdeckelement
- 92
- erstes Detektorelement der ersten Strahlungsdetektoreinrichtung 6
- 94
- Kanal
- 96
- zweites Detektorelement der ersten Strahlungsdetektoreinrichtung 6
- 100
- Vorrichtung (StdT)
- P
- optischer Pfad, Beleuchtungspfad
