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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Messanordnung zum Messen von diffus reflektiertem Licht und von spekular reflektiertem Licht, welches jeweils von einer Probe reflektiert wird. Die Messanordnung dient insbesondere zur spektroskopischen Untersuchung von Oberflächen in Produktionsprozessen, um beispielsweise die Reflexionseigenschaften von Glasbeschichtungen, Folienbeschichtungen oder Architekturglas zu bestimmen.
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Die
DE 10 2011 050 969 A1 zeigt eine Vorrichtung zur referenzierten Messung von reflektiertem Licht mit einem Hohlkörper, der in seinem Inneren eine diffus streuende Schicht aufweist und eine Lichtaustrittsöffnung besitzt. Die Vorrichtung ist von einer Messstellung in eine Kalibrierstellung umschaltbar, wodurch die Lichtaustrittsöffnung von einer ersten Detektionsachse in eine zweite Detektionsachse gebracht wird.
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Aus der
DE 10 2010 041 749 A1 ist eine Messeinrichtung mit einem sich in einer Längsrichtung erstreckenden Hohlraum bekannt, der eine einer Probe zuzuwendende Öffnung und einer Vielzahl von in der Längsrichtung angeordneten Öffnungen aufweist. Eine weitere Öffnung dient zum Einkoppeln von Licht.
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Die
DE 10 2013 219 830 A1 lehrt ein optische Vorrichtung zur Reflexionsmessung unter diffuser Beleuchtung, die einen Hohlkörper mit einer lichtstreuenden Oberfläche in seinem Inneren und mit einer Lichtaustrittsöffnung umfasst. Die Lichtaustrittsöffnung besitzt eine rotationsasymmetrische Form.
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Die
DE 10 2014 215 193 A1 zeigt eine Messanordnung zur Erfassung eines absoluten Reflexionsspektrums einer Probe. Diese Messanordnung umfasst eine Lichtquelle und einen Homogenisator zur Erzeugung einer gleichmäßigen räumlichen Beleuchtungsstärkeverteilung des Messlichtes. Die Messanordnung umfasst weiterhin einen beweglichen Reflektor und einen Empfänger. Der Reflektor ist auf derselben Seite der die Probe wie die Lichtquelle angeordnet. Der Homogenisator ist bevorzugt durch eine Ulbricht-Kugel, durch eine Ulbricht-Röhre oder durch einen Kugel-Zylinder-Aufbau gebildet.
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Die
DE 10 2016 116 405 A1 und die
EP 3 290 904 A2 betreffen eine Messlichtquelle zum Erzeugen von Messlicht mit einer gleichmäßigen räumlichen Beleuchtungsstärkeverteilung. Die Messlichtquelle umfasst einen Hohlkörper mit einer diffus reflektierenden Innenfläche. Im Hohlkörper sind ein konkaver, hohlspiegelförmiger Beleuchtungsraum, ein rohrartiger Lichtformungsraum und ein konkaver, hohlspiegelförmiger Lichtaustrittsraum ausgebildet, die eine gemeinsame Achse aufweisen. Im Beleuchtungsraum ist eine Lichtquelle zum Erzeugen von Licht zumindest teilweise angeordnet. Der Beleuchtungsraum und der Lichtaustrittsraum stehen sich mit ihren Hohlspiegelformen gegenüber und sind durch den rohrartigen Lichtformungsraum verbunden. Die
EP 3 290 904 A2 zeigt zudem verschiedene Messanordnungen zum Erfassen eines absoluten Reflexionsspektrums einer Probe und zum Durchführen einer Referenzmessung.
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Die
CN 2 10 119 290 U und die
DE 10 2019 107 963 A1 zeigen eine Messlichtquelle zum Erzeugen von Messlicht mit einer gleichmäßigen räumlichen Beleuchtungsstärkeverteilung. Die Messlichtquelle umfasst einen massiven Block, in welchem ein Beleuchtungsraum, ein Lichtformungsraum und ein Lichtaustrittsraum jeweils als ein Hohlraum im Block ausgebildet sind und eine diffus reflektierende Innenfläche besitzen. Der Beleuchtungsraum mündet in den Lichtformungsraum. Der Lichtformungsraum mündet in den Lichtaustrittsraum. In dem Beleuchtungsraum ist mindestens eine Lichtquelle zum Erzeugen von Licht zumindest teilweise angeordnet. Der Lichtaustrittsraum weist einen Lichtaustritt auf. Eine Achse des Beleuchtungsraumes und eine Achse des Lichtaustrittsraumes sind beabstandet zueinander angeordnet. Der Lichtformungsraum ist für eine Umkehr einer Lichtausbreitungsrichtung ausgebildet. Im Weiteren ist eine Messanordnung zum Erfassen eines absoluten Reflexionsspektrums einer Probe beschrieben. Die Messanordnung dient insbesondere zur spektroskopischen Untersuchung von Oberflächen in Produktionsprozessen, um beispielsweise Farbe oder Glanz der Oberflächen zu bestimmen.
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Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht ausgehend vom Stand der Technik darin, eine Messanordnung zum Erfassen von diffus reflektiertem Licht und von spekular reflektiertem Licht zur Verfügung zu stellen, welche kompakt ausführbar ist und mit welcher auch vergleichsweise kleine Intensitäten des diffus reflektierten Lichtes messbar sind, sodass beispielsweise Architekturglas oder Displayglas vermessen werden kann.
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Die genannte Aufgabe wird gelöst durch eine Messanordnung gemäß dem beigefügten Anspruch 1.
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Die Messanordnung dient zum Messen von diffus reflektiertem Licht und von spekular reflektiertem Licht, welches jeweils von einer Probe reflektiert wird. Die Messanordnung dient beispielsweise für eine Inline-Messung in einem Produktionsprozess für große beschichtete Flächen, wie Glasscheiben oder Folien zur Prüfung der Oberfläche. Das spekular reflektierte Licht ist das Licht, welches durch eine Spiegelreflexion von der Probe reflektiert wird, bei welcher der Eintrittswinkel dem Austrittswinkel gleicht, sodass es sich um eine gerichtete Reflexion handelt. Die spekulare Reflexion kann also auch als Spiegelreflexion, als direkte Reflexion oder als reguläre Reflexion bezeichnet werden. Hingegen wird das Licht bei der diffusen Reflexion in alle Richtungen zurückgeworfen.
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Die Messanordnung dient bevorzugt zum Erfassen des absoluten Reflexionsspektrums des von der Probe diffus reflektierten Lichtes und/oder zum Erfassen des absoluten Reflexionsspektrums des von der Probe spekular reflektierten Lichtes. Für diese Messungen ist eine Referenzprobe bevorzugt nicht erforderlich. Die Messanordnung erlaubt daher bevorzugt auch eine Referenzmessung eines verwendeten Messlichtes.
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Die Messanordnung umfasst zunächst eine Messlichtquelle zum Erzeugen von Messlicht. Das Messlicht weist eine gleichmäßige räumliche Beleuchtungsstärkeverteilung auf. Die Messlichtquelle weist einen Lichtaustritt zum Austreten des Messlichtes auf.
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Die Messanordnung umfasst weiterhin einen optischen Empfänger zum Empfangen von Licht, welcher zu der Messlichtquelle gegenüberliegend angeordnet ist. Bei dem zu empfangenden Licht handelt es sich um das Messlicht der Messlichtquelle, nachdem es einen Weg über die Probe oder über einen Referenzweg genommen hat. Eine Eintrittsöffnung des Empfängers und eine Austrittsöffnung der Messlichtquelle sind abgesehen von einem Versatz aufeinander zu gerichtet.
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Die Messanordnung ist dazu ausgebildet, parallel zu einer Oberfläche der Probe angeordnet zu werden. Insbesondere ist eine Achse des Lichtaustritts parallel zur Oberfläche der Probe anzuordnen, nämlich mit einem Versatz zur Oberfläche der Probe.
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Die Messanordnung umfasst ersten Spiegel, der auf der Achse des Lichtaustrittes der Messlichtquelle angeordnet ist und zum Reflektieren des aus dem Lichtaustritt austretenden Messlichtes der Messlichtquelle ausgerichtet ist. Der erste Spiegel ist bevorzugt starr angeordnet. Der erste Spiegel weist bevorzugt eine sphärische Wölbung auf. Zwischen dem Lichtaustritt und dem ersten Spiegel ist bevorzugt eine Linse zur Vergrößerung des Strahles des aus dem Lichtaustritt austretenden Messlichtes angeordnet.
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Die Messanordnung umfasst zudem einen zweiten Spiegel, der auf einer Achse des optischen Empfängers angeordnet ist und zum Reflektieren von diffus reflektiertem Messlicht zu dem optischen Empfänger ausgerichtet ist. Der zweite Spiegel ist bevorzugt starr angeordnet. Der zweite Spiegel ist bevorzugt zwischen der Messlichtquelle und dem optischen Empfänger, jedoch nicht zwischen dem Lichtaustritt der Messlichtquelle und der Eintrittsöffnung des optischen Empfängers angeordnet.
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Die Messanordnung umfasst zudem einen dritten Spiegel, der in mindestens zwei Stellungen mechanisch stellbar ist, wofür der dritte Spiegel bevorzugt schwenkbar bzw. drehbar ist. Der dritte Spiegel ist bevorzugt in mindestens drei Stellungen stellbar. In einer ersten Stellung des dritten Spiegels ist dieser dazu ausgerichtet, das Messlicht der Messlichtquelle, welches vom ersten Spiegel auf die Probe gerichtet wurde und von der Probe spekular reflektiert wurde, zum optischen Empfänger zu richten, sodass es vom optischen Empfänger vermessen werden kann. In einer zweiten Stellung des dritten Spiegels gibt der dritte Spiegel einen Strahlengang zwischen dem zweiten Spiegel und dem optischen Empfänger frei, d. h. dass der dritte Spiegel aus dem Strahlengang zwischen dem zweiten Spiegel und dem optischen Empfänger herausgeschwenkt ist. In der zweiten Stellung des dritten Spiegels gibt der dritte Spiegel insbesondere den Strahlengang zwischen dem zweiten Spiegel und der Eintrittsöffnung des optischen Empfängers frei, d. h. dass der dritte Spiegel aus dem Strahlengang zwischen dem zweiten Spiegel und der Eintrittsöffnung des optischen Empfängers herausgeschwenkt ist. Folglich wird das Messlicht der Messlichtquelle, welches vom ersten Spiegel auf die Probe gerichtet wurde und von der Probe diffus zum zweiten Spiegel reflektiert wurde, vom zweiten Spiegel zum optischen Empfänger gerichtet, sodass es vom optischen Empfänger vermessen werden kann.
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Der dritte Spiegel wird somit bei der Messung des spekular reflektierten Lichtes aber nicht bei der Messung des diffus reflektierten Lichtes genutzt. Der dritte Spiegel ist daher nur schwach reflektierend und weist einen Reflexionsgrad von höchstens 0,5 (= 50 %)auf. Hierdurch wird das spekular reflektierte Licht deutlich geschwächt, während das diffus reflektierte Licht nicht durch eine besondere Maßnahme geschwächt wird, sodass es nach der diffusen Reflexion nahezu ungeschwächt am optischen Empfänger ankommt. Übliche Spiegel weisen hingegen einen Reflexionsgrad zwischen 0,9 und 1 auf. Die Messanordnung ist insbesondere zum Messen von Proben vorgesehen, welche deutlich stärker spekular als diffus reflektieren. Das Größenverhältnis zwischen dem von der Probe spekular reflektierten Licht und dem von der Probe diffus reflektierten Licht beträgt bevorzugt zwischen 100:1 und 10.000:1, besonderes bevorzugt zwischen 1.000:1 und 5.000:1. Durch die beschriebene Schwächung ist das Größenverhältnis zwischen dem am optischen Empfänger ankommenden spekular reflektierten Licht und dem am optischen Empfänger ankommenden diffus reflektierten Licht kleiner, sodass sich dieses Größenverhältnis dem Wert 1:1 nähert. Hierdurch ist die Messung des reflektierten Lichtes mit dem optischen Empfänger genauer möglich, da der auftretende Dynamikbereich kleiner als vor der Schwächung ist.
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Die Messanordnung weist den Vorteil auf, dass sie zum Vermessen von Proben geeignet ist, die viel weniger diffus als spekular reflektieren, ohne dass hierfür zwei optische Empfänger nötig sind.
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Bei bevorzugten Ausführungsformen weist der dritte Spiegel einen Reflexionsgrad von höchstens 0,1 (= 10 %) auf, wodurch die Schwächung noch größer ist. Bei besonders bevorzugten Ausführungsformen weist der dritte Spiegel einen Reflexionsgrad von höchstens 0,05 (= 5 %)auf, wodurch die Schwächung noch größer ist. Der Reflexionsgrad beträgt bevorzugt 0,04 (= 4 %). Der dritte Spiegel ist bevorzugt durch ein Schwarzglas gebildet.
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Bei bevorzugten Ausführungsformen weist das vom ersten Spiegel auf die Probe gerichtete Messlicht zu einem senkrecht zur Probe ausgerichteten Lot einen Einfallswinkel auf. Das Lot ist bevorzugt auch senkrecht zur Achse der Messlichtquelle und senkrecht zur Achse des optischen Empfängers ausgerichtet. Das vom ersten Spiegel auf die Probe gerichtete Messlicht trifft in einem Lotfußpunkt des Lotes auf die Probe. Der Einfallswinkel beträgt bevorzugt zwischen 5° und 20° und besonders bevorzugt zwischen 8° und 12°. Die Dimensionierung des Einfallswinkels in den genannten Bereichen ermöglicht einerseits die Messung des diffus reflektierten Lichtes und des spekular reflektierten Lichtes sowie andererseits eine kompakte Ausführung der Messanordnung. Der Einfallswinkel beträgt besonders bevorzugt 10°.
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Eine Verbindungslinie zwischen dem Lotfußpunkt des Lotes und einer Mitte des zweiten Spiegels weist einen Winkel zu dem Lot auf, welcher einen Austrittswinkel für das zu messende diffus reflektierte Messlicht darstellt. Der Austrittswinkel beträgt bevorzugt zwischen 25° und 40° und besonders bevorzugt zwischen 33° und 38°. Der Austrittswinkel beträgt besonders bevorzugt 35°.
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Die Summe des Eintrittswinkels und des Austrittswinkels beträgt besonders bevorzugt 45°. Hierdurch kann eine normgerechte Messung des von der Probe diffus reflektierten Lichtes erfolgen.
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Bevorzugte Ausführungsformen der Messanordnung umfassen eine Glanzfalle, die auf der dem zweiten Spiegel gegenüberliegenden Seite des auf die Probe gefällten Lotes angeordnet ist. Die Glanzfalle kann auch als Lichtfalle bezeichnet werden. Die Glanzfalle ist Licht absorbierend ausgeführt, sodass von dort nahezu kein Licht auf die Probe fällt, welches die Messung des diffus reflektierten Lichtes stören könnte. Eine Verbindungslinie zwischen dem Lotfußpunkt des Lotes und der Glanzfalle weist einen Winkel zu dem Lot auf der Probe auf, welcher bevorzugt dem Austrittswinkel des diffus reflektierten Lichtes zum zweiten Spiegel gleicht. Die Glanzfalle umfasst bevorzugt eine Blende als Lichtschutz und Schattenspender, sodass eine Abschattung gegen von außen auf die Messanordnung einfallendes Licht gegeben ist. Die Glanzfalle weist bevorzugt einen U-förmigen Querschnitt auf, wobei ein Schenkel der U-Form die Blende bildet. Das Innere der U-Form ist bevorzugt Licht absorbierend ausgeführt.
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Die Achse des Lichtaustrittes der Messlichtquelle, ein erstes Lot auf dem ersten Spiegel, ein zweites Lot auf dem zweiten Spiegel, ein drittes Lot auf dem dritten Spiegel und die Achse des optischen Empfängers sind bevorzugt in einer Ebene angeordnet. In dieser Ebene ist bevorzugt auch das senkrecht auf die Probe gefällte Lot angeordnet. In dieser Ebene ist bevorzugt auch die Glanzfalle angeordnet.
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Der dritte Spiegel ist bevorzugt in drei Stellungen stellbar bzw. schwenkbar. In einer dritten Stellung des dritten Spiegels ist dieser dazu ausgerichtet, das Messlicht, welches vom ersten Spiegel reflektiert wurde, zum optischen Empfänger zu richten, sodass es vom optischen Empfänger vermessen werden kann. Somit wird das Messlicht unmittelbar vermessen, ohne dass es von der Probe reflektiert wurde, was eine Hellmessung darstellt. Dies ermöglicht einen Vergleich zu dem von der Probe reflektierten Licht.
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Der dritte Spiegel ist bevorzugt in vier Stellungen stellbar bzw. schwenkbar. In einer vierten Stellung des dritten Spiegels ist dieser dazu ausgerichtet, das Messlicht, welches vom ersten Spiegel reflektiert wurde, zurück zum ersten Spiegel zu reflektieren. Somit gelangt kein Messlicht von der Messlichtquelle unmittelbar oder mittelbar über die Probe zum optischen Empfänger. Dies ermöglicht eine Dunkelmessung. Der dritte Spiegel fungiert in seiner vierten Stellung als Shutter.
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Der dritte Spiegel ist bevorzugt um eine Schwenkachse schwenkbar, um in die mindestens zwei Stellungen gestellt werden zu können. Die Schwenkachse ist bevorzugt senkrecht zu der Ebene ausgerichtet, in welcher die Achse des Lichtaustrittes der Messlichtquelle, das erste Lot auf dem ersten Spiegel, das zweite Lot auf dem zweiten Spiegel, das dritte Lot auf dem dritten Spiegel und die Achse des optischen Empfängers angeordnet sind. Die Schwenkachse ist bevorzugt zwischen der Achse des Lichtaustrittes der Messlichtquelle und der Achse des optischen Empfängers angeordnet.
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Bei bevorzugten Ausführungsformen der Messanordnung bildet der optische Empfänger einen ersten optischen Empfänger, während die Messanordnung einen zweiten optischen Empfänger umfasst. Der zweite optische Empfänger ist auf einer dem ersten optischen Empfänger gegenüberliegenden Seite der Probe angeordnet. Somit befinden sich der erste optische Empfänger, die Messlichtquelle, der erste Spiegel, der zweite Spiegel und der dritte Spiegel auf einer Seite der Probe, während sich der zweite optische Empfänger auf der anderen Seite der Probe befindet. Das vom ersten Spiegel auf die Probe gerichtete Messlicht ist durch die Probe hindurch auch zum zweiten optischen Empfänger gerichtet. Folglich befindet sich die Probe zwischen dem ersten Spiegel und dem zweiten optischen Empfänger. Somit ist der zweite optische Empfänger zur Messung des durch die Probe transmittierten Lichtes ausgebildet. Eine Achse des zweiten optischen Empfängers befindet sich bevorzugt auch in derjenigen Ebene, in welcher die Achse des Lichtaustrittes der Messlichtquelle, das erste Lot auf dem ersten Spiegel, das zweite Lot auf dem zweiten Spiegel, das dritte Lot auf dem dritten Spiegel und die Achse des ersten optischen Empfängers angeordnet sind.
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Der optische Empfänger bzw. die optischen Empfänger sind bevorzugt jeweils durch einen optischen Sensor, wie insbesondere ein Spektrometer, oder zumindest durch einen optischen Eingang des optischen Sensors gebildet. Beispielsweise kann der optische Empfänger durch eine Eingangsoptik gebildet sein, an welche ein Lichtwellenleiter angeschlossen ist, der zu einem Spektrometer führt. Der gegebenenfalls vorhandene zweite optische Empfänger ist ebenfalls bevorzugt durch einen optischen Sensor, wie insbesondere ein Spektrometer gebildet.
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Die Messlichtquelle, der optische Empfänger, insbesondere der erste optische Empfänger, der erste Spiegel, der zweite Spiegel und der dritte Spiegel bilden bevorzugt einen Messkopf. Der Messkopf umfasst bevorzugt ein Gehäuse, in welchem die Messlichtquelle, der optische Empfänger, insbesondere der erste optische Empfänger, der erste Spiegel, der zweite Spiegel und der dritte Spiegel angeordnet sind. Das Gehäuse weist eine Messöffnung auf, durch welche das vom ersten Spiegel reflektierte Messlicht nach außen treten kann und durch welche das von der Probe diffus reflektierte Messlicht und das von der Probe spekular reflektierte Messlicht nach innen insbesondere zum zweiten Spiegel bzw. zum dritten Spiegel treten kann.
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Die Messlichtquelle umfasst bevorzugt einen massiven Block, in welchem ein Beleuchtungsraum, ein Lichtformungsraum und ein Lichtaustrittsraum ausgebildet sind. Der Beleuchtungsraum, der Lichtformungsraum und der Lichtaustrittsraum sind jeweils als ein Hohlraum im Block ausgebildet. Der Beleuchtungsraum, der Lichtformungsraum und der Lichtaustrittsraum besitzen bevorzugt jeweils eine diffus reflektierende Innenfläche zur Erzeugung bzw. Weiterleitung von diffusem Licht. Der Beleuchtungsraum mündet in den Lichtformungsraum, sodass Licht vom Beleuchtungsraum in den Lichtformungsraum eintreten kann. Der Lichtformungsraum mündet in den Lichtaustrittsraum, sodass Licht vom Lichtformungsraum in den Lichtaustrittsraum eintreten kann.
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In dem Beleuchtungsraum ist mindestens eine Lichtquelle zum Erzeugen von Licht zumindest teilweise angeordnet. Die mindestens eine Lichtquelle ist jedenfalls so angeordnet, dass durch sie Licht in den Beleuchtungsraum strahlbar ist, wobei sich die mindestens eine Lichtquelle teilweise außerhalb des Beleuchtungsraumes befinden kann.
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Der Lichtaustrittsraum weist den Lichtaustritt auf, durch welchen Licht aus dem Lichtaustrittsraum nach außerhalb des Blockes treten kann. Das aus dem Lichtaustritt tretende Licht bildet das durch die Messlichtquelle erzeugbare Messlicht. Eine Achse des Beleuchtungsraumes und eine Achse des Lichtaustrittsraumes sind bevorzugt beabstandet zueinander angeordnet. Die Achse des Beleuchtungsraumes ist bevorzugt durch eine mittlere Achse des Beleuchtungsraumes gebildet. Die Achse des Lichtaustrittsraumes ist bevorzugt durch eine mittlere Achse des Lichtaustrittsraumes gebildet. Eine Achse des Lichtaustrittes und die Achse des Lichtaustrittsraumes fallen bevorzugt zusammen. Der Beleuchtungsraum ist bevorzugt für eine Lichtausbreitung des diffusen Lichtes in einer ersten Lichtausbreitungsrichtung im Beleuchtungsraum ausgebildet, welche in der Achse des Beleuchtungsraumes liegt. Der Lichtaustrittsraum ist bevorzugt für eine Lichtausbreitung des diffusen Lichtes in einer zweiten Lichtausbreitungsrichtung im Lichtaustrittsraum ausgebildet, welche in der Achse des Lichtaustrittsraumes liegt. Die Achse des Beleuchtungsraumes und die Achse des Lichtaustrittsraumes sind so weit beabstandet zueinander angeordnet, dass der Beleuchtungsraum und der Lichtaustrittsraum nebeneinander bzw. übereinander angeordnet sind.
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Der Lichtformungsraum ist bevorzugt für eine Umkehr einer Lichtausbreitungsrichtung des diffusen Lichtes ausgebildet. Folglich erfährt das von dem Beleuchtungsraum in den Lichtformungsraum eintretende Licht bei seiner Ausbreitung durch den Lichtformungsraum eine Umkehr seiner Lichtausbreitungsrichtung, sodass es mit einer umgekehrten Lichtausbreitungsrichtung vom Lichtformungsraum in den Lichtaustrittsraum tritt. Folglich kann die Messlichtquelle sehr kompakt ausgeführt werden.
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Das mit der Messlichtquelle erzeugbare Messlicht weist in seiner räumlichen Beleuchtungsstärkeverteilung eine Abweichung von bevorzugt höchstens 0,2% auf.
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Das durch die Lichtquelle erzeugbare Licht wird im Beleuchtungsraum, im Lichtformungsraum und im Lichtaustrittsraum bevorzugt mindestens drei Mal reflektiert, bevor es aus dem Lichtaustritt tritt. Das durch die Lichtquelle erzeugbare Licht wird im Beleuchtungsraum, im Lichtformungsraum und im Lichtaustrittsraum bevorzugt mindestens vier Mal reflektiert, bevor es aus dem Lichtaustritt tritt. Ein überwiegender Teil des durch die Lichtquelle erzeugbaren Lichtes wird im Beleuchtungsraum, im Lichtformungsraum und im Lichtaustrittsraum bevorzugt viele Mal reflektiert, bevor es aus dem Lichtaustritt tritt.
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Die erste Lichtausbreitungsrichtung und die zweite Lichtausbreitungsrichtung sind bevorzugt entgegengesetzt zueinander ausgerichtet. Die erste Lichtausbreitungsrichtung und die zweite Lichtausbreitungsrichtung weisen einen Winkel zueinander auf, welcher bevorzugt 180°±30° beträgt, weiter bevorzugt 180°±15° beträgt, und besonders bevorzugt 180° beträgt. Der Lichtformungsraum verbindet den Beleuchtungsraum und mit dem Lichtaustrittsraum bevorzugt U-förmig bzw. V-förmig.
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Die Achse des Beleuchtungsraumes und die Achse des Lichtaustrittsraumes sind bevorzugt parallel zueinander angeordnet. Der Beleuchtungsraum und der Lichtaustrittsraum weisen bevorzugt eine gleiche axiale Position, d. h. eine gleiche Position in der axialen Richtung auf. Somit sind der Beleuchtungsraum und der Lichtaustrittsraum nebeneinander bzw. übereinander und ohne Versatz in der axialen Richtung angeordnet. Insoweit bilden der Beleuchtungsraum, der Lichtformungsraum und der Lichtaustrittsraum eine U-Form oder eine V-Form aus, wobei der Beleuchtungsraum und der Lichtaustrittsraum die Schenkel der U-Form bzw. V-Form bilden.
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An einem Übergang von dem Lichtformungsraum zu dem Lichtaustrittsraum ist bevorzugt ein Homogenisatorelement angeordnet. Das Homogenisatorelement weist eine diffus reflektierende Beleuchtungsfläche auf. Das Homogenisatorelement ist zum Reflektieren des von der Innenfläche des Lichtaustrittsraumes reflektierten Lichtes durch den Lichtaustritt nach außerhalb des Blockes ausgebildet. Das Homogenisatorelement ist bevorzugt in der Achse des Lichtaustrittsraumes und senkrecht zu dieser Achse angeordnet. Das Homogenisatorelement steht in dieser Achse bevorzugt dem Lichtaustritt gegenüber. Schaut man von außen durch den Lichtaustritt in den Lichtaustrittsraum, so blickt man auf das Homogenisatorelement. Der Übergang vom Lichtformungsraum zum Lichtaustrittsraum ist in einem bezogen auf die Achse des Lichtaustrittsraumes radial mittleren Abschnitt bevorzugt durch das Homogenisatorelement visuell verdeckt, wobei ein radial äußerer Abschnitt einen Lichtdurchtritt vom Lichtformungsraum in den Lichtaustrittsraum bildet. Das Homogenisatorelement besitzt bevorzugt die Form einer ebenen oder gewölbten Scheibe. Die gewölbte Scheibe ist bevorzugt sphärisch gewölbt. Das Homogenisatorelement ist bevorzugt an einem Steg angebracht, welcher in einer mittleren Ebene des Lichtaustrittsraumes angeordnet ist. Die mittlere Ebene des Lichtaustrittsraumes bildet bevorzugt auch eine mittlere Ebene des Beleuchtungsraumes und/oder eine mittlere Ebene des Lichtformungsraumes.
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Der Beleuchtungsraum weist bevorzugt mindestens einen Lichteintritt auf, in welchem die mindestens eine Lichtquelle zumindest teilweise angeordnet ist. Der mindestens eine Lichteintritt ist bevorzugt durch eine Öffnung des Blockes gebildet, in welcher die mindestens eine Lichtquelle angeordnet ist. Der Beleuchtungsraum weist bevorzugt zwei der Lichteintritte auf, nämlich einen ersten Lichteintritt und einen zweiten Lichteintritt. Der erste Lichteintritt und der zweite Lichteintritt sind bevorzugt nebeneinander angeordnet. In jedem der Lichteintritte ist mindestens eine der Lichtquellen angeordnet. In einem oder beiden der Lichteintritte können jeweils auch mehrere der Lichtquellen angeordnet sein. Auch kann der Beleuchtungsraum mehr als zwei der Lichteintritte aufweisen. Die mehr als zwei Lichteintritte können in zwei benachbarten Gruppen angeordnet sein.
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Die beiden Lichteintritte bzw. die beiden Gruppen der Lichteintritte stellen zwei Kanäle für die Beleuchtung dar. Die zweikanalige Beleuchtung erlaubt beispielsweise die Auswahl aus unterschiedlichen Beleuchtungsspektren. Durch die zweikanalige Beleuchtung kann u. a. auch einer thermischen Überlastung der Messlichtquelle vorgebeugt werden. Die beiden Kanäle können abwechselnd genutzt werden. Bezogen auf die mittlere Ebene des Lichtaustrittsraumes, welche bevorzugt auch die mittlere Ebene des Beleuchtungsraumes und des Lichtformungsraumes bildet, ist der massive Block mit dem Beleuchtungsraum, dem Lichtformungsraum und dem Lichtaustrittsraum bevorzugt symmetrisch ausgebildet. Eine Verbindungslinie zwischen den beiden Lichteintritten bzw. eine Verbindungslinie zwischen den beiden Gruppen der Lichteintritte ist bevorzugt senkrecht zu der mittleren Ebene des Lichtaustrittsraumes angeordnet.
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Bei bevorzugten Ausführungsformen sind im ersten Lichteintritt bzw. in der ersten Gruppe der Lichteintritte und im zweiten Lichteintritt bzw. in der zweiten Gruppe der Lichteintritte jeweils eine Halogenlampe und mehrere LEDs angeordnet, welche die Lichtquellen der Messlichtquelle bilden. Hierbei handelt es sich bevorzugt um jeweils eine Halogenlampe und mehrere LEDs, bevorzugt mindestens vier LEDs und weiter bevorzugt mindestens 10 LEDs. Alternativ bevorzugt ist im ersten Lichteintritt bzw. in der ersten Gruppe der Lichteintritte mindestens eine Halogenlampe angeordnet, welche eine der Lichtquellen bildet, wohingegen im zweiten Lichteintritt bzw. in der zweiten Gruppe der Lichteintritte mehrere LEDs angeordnet sind, welche weitere der Lichtquellen der Messlichtquelle bilden. Im zweiten Lichteintritt bzw. in der zweiten Gruppe der Lichteintritte sind bevorzugt mindestens vier LEDs und weiter bevorzugt mindestens 10 LEDs angeordnet.
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Die mehreren LEDs, insbesondere die mindestens vier LEDs weisen in ihrer Summe ein Emissionsspektrum auf, welches bevorzugt den sichtbaren Bereich des Lichtes und weiter bevorzugt den Bereich von 340 nm bis 1.100 nm und nochmals weiter bevorzugt den Bereich von 340 nm bis 1.620 nm abdeckt.
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Die mindestens eine Lichtquelle kann auch durch eine Blitzlampe, durch eine Xenon-Blitzlampe, durch eine Deuteriumlampe, durch einen IR-Strahler, durch eine weißleuchtende LED, durch eine UV-Kathode oder durch eine UV-LED gebildet sein. Die Lichtquelle kann auch einen oder mehrere Lichtwellenleiter umfassen, über welchen bzw. über welche das Licht in den Beleuchtungsraum strahlen kann. Insoweit kann beispielsweise die Halogenlampe außerhalb des Beleuchtungsraumes angeordnet sein. Jedenfalls mündet der Lichtwellenleiter bzw. münden die Lichtwellenleiter als Teile der Lichtquelle in den Beleuchtungsraum, sodass die Lichtquelle teilweise im Beleuchtungsraum angeordnet ist.
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Das Homogenisatorelement weist im Falle der zweikanaligen Beleuchtung bevorzugt zwei seitliche Erweiterungen auf, um zu verhindern, dass Licht aus den beiden Kanälen, welches nur wenige Male reflektiert wurde, in den Lichtaustrittsraum gelangt. Eine Verbindungslinie zwischen den seitlichen Erweiterungen ist bevorzugt senkrecht zu der mittleren Ebene des Lichtaustrittsraumes angeordnet.
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Die Messlichtquelle umfasst bevorzugt eine Linse, welche außerhalb des Blockes vor dem Lichtaustritt angeordnet ist. Durch die Linse wird der Strahl des aus dem Lichtaustritt austretenden Messlichtes vergrößert, um größere Flächen ausleuchten zu können.
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Bei bevorzugten Ausführungsformen weist der massive Block die Grundform eines Quaders oder eines Würfels auf, der zwei abgeschrägte Kanten aufweist, welche Außenflächen den Lichtformungsraumes bilden.
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Bei bevorzugten Ausführungsformen umfasst der massive Block mindestens zwei Teilblöcke, welche fest miteinander verbunden sind. Insbesondere im Falle der zweikanaligen Beleuchtung umfasst der massive Block bevorzugt drei der Teilblöcke, welche fest miteinander verbunden sind. Eine Verbindungsebene zwischen einem ersten der drei Teilblöcke und einem mittleren zweiten der drei Teilblöcke schneidet den ersten Lichteintritt. Eine Verbindungsebene zwischen dem mittleren zweiten der drei Teilblöcke und einem dritten der drei Teilblöcke schneidet den zweiten Lichteintritt. Die Verbindungsebene zwischen dem ersten Teilblock und dem zweiten Teilblock und die Verbindungsebene zwischen dem zweiten Teilblock und dem dritten Teilblock sind bevorzugt parallel zueinander ausgerichtet. Die Verbindungsebene zwischen dem ersten Teilblock und dem zweiten Teilblock und die Verbindungsebene zwischen dem zweiten Teilblock und dem dritten Teilblock sind bevorzugt parallel zu der mittleren Ebene des Lichtaustrittsraumes angeordnet. Der Lichtaustritt ist bevorzugt in dem mittleren zweiten Teilblock ausgebildet. Das Homogenisatorelement und ggf. der Steg sind bevorzugt in dem mittleren zweiten Teilblock ausgebildet.
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Bei bevorzugten Ausführungsformen besteht der Block bzw. bestehen die Teilblöcke aus Polytetrafluorethylen (PTFE). Dieses Material ist sehr gut diffus reflektierend. Der Beleuchtungsraum, der Lichtformungsraum und der Lichtaustrittsraum weisen eine diffus reflektierende Oberfläche mit einem Reflexionsgrad auf, welcher im gesamten Lichtspektrum bevorzugt mindestens 96% und besonders bevorzugt mindestens 98% beträgt.
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Die Messlichtquelle ist bevorzugt klein ausgeführt, sodass der Block Außenkanten aufweist, deren Längen bevorzugt nicht mehr als 90 mm, weiter bevorzugt nicht mehr als 70 mm betragen. Zwischen dem Beleuchtungsraum, dem Lichtformungsraum und dem Lichtaustrittsraum weist das Material des massiven Blockes, insbesondere das Polytetrafluorethylen, eine Wandstärke auf, welche bevorzugt nicht mehr als 12 mm und weiter bevorzugt nicht mehr als 10 mm beträgt. Diese Wandstärke beträgt bevorzugt mindestens 6 mm.
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Weitere Einzelheiten und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen der Erfindung, unter Bezugnahme auf die Zeichnung. Es zeigen:
- 1: eine seitliche Ansicht einer Messlichtquelle einer bevorzugten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Messanordnung;
- 2: die in 1 gezeigte Messlichtquelle in einer Ansicht von oben;
- 3: die in 1 gezeigte Messlichtquelle in einer ersten Querschnittsansicht;
- 4: die in 1 gezeigte Messlichtquelle in einer zweiten Querschnittsansicht;
- 5: die in 1 gezeigte Messlichtquelle in einer dritten Querschnittsansicht;
- 6: die in 1 gezeigte Messlichtquelle in einer perspektivischen Schnittansicht;
- 7: eine vereinfachte Schnittansicht einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Messanordnung während einer Messung von spekular reflektiertem Licht;
- 8: die in 7 gezeigte Messanordnung während einer Messung von diffus reflektiertem Licht;
- 9: die in 7 gezeigte Messanordnung während einer Transmissionsmessung;
- 10: die in 7 gezeigte Messanordnung während einer Hellmessung; und
- 11: die in 7 gezeigte Messanordnung während einer Dunkelmessung.
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1 zeigt eine seitliche Ansicht einer Messlichtquelle einer bevorzugten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Messanordnung. Die Messlichtquelle umfasst einen massiven Block 01 aus PTFE. Der Block 01 besteht aus einem ersten Teilblock 02, einem zweiten Teilblock 03 und einem dritten Teilblock 04, welche fest miteinander verbunden oder monolithisch ausgebildet sind. Der Block 01 weist zwei nebeneinander angeordnete Lichteintritte 06 auf, in welchen jeweils eine Lichtquelle 07 (gezeigt in 6) angeordnet ist. Der Block 01 weist zudem einen Lichtaustritt 08 auf, aus welchem das von der Messlichtquelle erzeugte Licht austritt.
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Es sind weiterhin Schnittmarken AA für eine in 3 gezeigte Querschnittsansicht und Schnittmarken BB für eine in 4 gezeigte Querschnittsansicht dargestellt.
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2 zeigt die in 1 gezeigte Messlichtquelle in einer Ansicht von oben. Es sind Schnittmarken CC für eine in 5 gezeigte Querschnittsansicht dargestellt.
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3 zeigt die in 1 gezeigte Messlichtquelle in einer ersten Querschnittsansicht AA. In dieser Querschnittsansicht ist das Innere des Blockes 01 dargestellt, nämlich ein Beleuchtungsraum 11, ein Lichtformungsraum 12 und ein Lichtaustrittsraum 13, welche jeweils durch einen Hohlraum im Block 01 gebildet sind. Der Beleuchtungsraum 11, der Lichtformungsraum 12 und der Lichtaustrittsraum 13 weisen eine diffus reflektierende Oberfläche mit einem Reflexionsgrad im gesamten Lichtspektrum von mindestens 98% auf. Der Lichteintritt 06 bildet einen Eingang in den Beleuchtungsraum 11. Der Beleuchtungsraum 11 mündet in den Lichtformungsraum 12. Der Lichtformungsraum 12 mündet in den Lichtaustrittsraum 13. Der Lichtformungsraum 12 stellt eine U-förmige Verbindung zwischen dem Beleuchtungsraum 11 und dem Lichtaustrittsraum 13 dar. Hierdurch sind der Beleuchtungsraum 11 und der Lichtaustrittsraum 13 raumsparend übereinander angeordnet. Der Lichtformungsraum 12 ist seitlich neben dem Beleuchtungsraum 11 und dem Lichtaustrittsraum 13 angeordnet.
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4 zeigt die in 1 gezeigte Messlichtquelle in einer zweiten Querschnittsansicht BB. In dieser Querschnittsansicht sind wiederum der Beleuchtungsraum 11, der Lichtformungsraum 12 und der Lichtaustrittsraum 13 dargestellt, wobei diese im Vergleich zu den Darstellungen in 3 einen kleineren Querschnitt aufweisen. In dieser Querschnittsansicht ist ein Homogenisatorelement 14 in Form einer sphärischen Scheibe dargestellt, welches sich im Lichtaustrittsraum 13 befindet und gegenüber dem Lichtaustritt 08 (gezeigt in 3) angeordnet ist.
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5 zeigt die in 1 gezeigte Messlichtquelle in einer dritten Querschnittsansicht CC. In dieser Querschnittsansicht sind u. a. die Lichteintritte 06 und der Lichtaustritt 08 dargestellt.
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6 zeigt die in 1 gezeigte Messlichtquelle in einer perspektivischen Schnittansicht. In dieser perspektivischen Schnittansicht sind die räumlichen Ausdehnungen des Beleuchtungsraumes 11, des Lichtformungsraumes 12 und des Lichtaustrittsraumes 13 dargestellt. In den beiden Lichteintritten 06 ist jeweils eine der beiden Lichtquellen 07 angeordnet, welche bei der gezeigten Ausführungsform beispielhaft durch Halogenlampen gebildet sind. Durch die zwei Lichtquellen 07 ergibt sich eine zweikanalige Ausführung der Messlichtquelle. Entsprechend weisen der Beleuchtungsraum 11, der Lichtformungsraum 12 und der Lichtaustrittsraum 13 eine entsprechende Ausdehnung senkrecht zu der hier gezeigten Querschnittsebene auf, d. h. der Beleuchtungsraum 11, der Lichtformungsraum 12 und der Lichtaustrittsraum 13 sowie die Messlichtquelle in ihrer Gesamtheit weisen eine erhöhte Breite für die zweikanalige Ausführung auf.
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In dieser perspektivischen Schnittansicht ist zudem das Homogenisatorelement 14 dargestellt. Das Homogenisatorelement 14 weist zwei seitliche rechteckförmige Erweiterungen 17 auf, die verhindern, dass Licht aus den beiden Kanälen, welches nur wenige Male reflektiert wurde, in den Lichtaustrittsraum 13 gelangt. Das Homogenisatorelement 14 wird durch einen Steg 18 im mittleren zweiten Teilblock 03 gehalten.
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7 zeigt eine vereinfachte Schnittansicht einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Messanordnung während einer Messung von spekular reflektiertem Licht. Die Messanordnung umfasst ein Gehäuse 19 und eine Messlichtquelle 20, welche bevorzugt wie die in 1 gezeigte Messlichtquelle ausgeführt ist. Die Messanordnung umfasst einen ersten Spiegel 21, auf welchen das Messlicht der Messlichtquelle 20 fällt. Der erste Spiegel 21 ist fest angeordnet. Die Messanordnung umfasst zudem einen zweiten Spiegel 22, welcher fest auf einen optischen Empfänger 23 gerichtet ist. Die Messanordnung umfasst zudem einen dritten Spiegel 24, welcher in seiner Ausrichtung verstellbar ist und in einer ersten Stellung dargestellt ist. In dieser ersten Stellung weist das aus der Messlichtquelle 20 austretende Licht einen ersten Strahlengang 26 auf, welcher über den ersten Spiegel 21 zu einer Probe 27 verläuft. Licht, welches von der Probe 27 spekular reflektiert wird, weist einen zweiten Strahlengang 28 auf, welcher über den in seiner ersten Stellung befindlichen dritten Spiegel 23 zum optischen Empfänger 23 verläuft. Licht, welches von der Probe 27 diffus reflektiert wird, weist einen dritten Strahlengang 29 auf, welcher über den zweiten Spiegel 22 auf eine Rückseite des in seiner ersten Stellung befindlichen dritten Spiegels 23 trifft, wo dieser dritte Strahlengang 29 endet. Somit versperrt der dritte Spiegel 23 in seiner ersten Stellung den Weg für das diffus reflektierte Licht zum optischen Empfänger 23. Weiteres Licht, welches von der Probe 27 diffus reflektiert wird, weist einen vierten Strahlengang 31 auf, welcher auf eine Glanzfalle 32 trifft, in welcher dieser vierte Strahlengang 31 endet.
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Das Licht auf dem ersten Strahlengang 26 weist einen Eintrittswinkel α zu einem Lot 33 auf der Probe 27 auf, welcher 10° beträgt. Das spekular reflektierte Licht auf dem zweiten Strahlengang 28 weist einen Austrittswinkel α' zu dem Lot 33 auf der Probe 27 auf, welcher ebenfalls 10° beträgt.
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Der dritte Spiegel 24 besteht aus einem Schwarzglas und weist einen Reflexionsgrad von etwa 0,04 (= 4 %) auf. Dadurch wird das Licht auf dem zweiten Strahlengang 28 um etwa 96 % geschwächt, bevor es am optischen Empfänger 23 ankommt.
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Das diffus reflektierte Licht auf dem dritten Strahlengang 29 weist einen Austrittswinkel β zu dem Lot 33 auf der Probe 27 auf, welcher 35° beträgt.
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Ein Abstand zwischen dem Gehäuse 19 und der Probe 27 beträgt beispielhaft 30 mm.
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8 zeigt die in 7 gezeigte Messanordnung während einer Messung von diffus reflektiertem Licht. Hierfür befindet sich der dritte Spiegel 24 in einer zweiten Stellung. In dieser zweiten Stellung gibt er den dritten Strahlengang 29 des von der Probe 27 diffus reflektierten Lichtes frei, sodass dieser zum optischen Empfänger 23 gelangt. Da der zweite Spiegel 22 nahezu vollständig reflektiert, wird das Licht auf dem dritten Strahlengang 29 kaum geschwächt. Das von der Probe 27 diffus reflektierte Licht ist aber ohnehin deutlich schwächer als das von der Probe 27 spekular reflektierte Licht, sodass das an dem optischen Empfänger 23 in der in 1 gezeigten Messung ankommende Licht und das an dem optischen Empfänger 23 in der in 2 gezeigten Messung ankommende Licht ähnlich stark sind.
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9 zeigt die in 7 gezeigte Messanordnung während einer Transmissionsmessung, wofür die Messanordnung weiterhin einen weiteren optischen Empfänger 36 unter der Probe 27 umfasst. Dasjenige Licht auf dem ersten Strahlengang 26, welches nicht von der Probe 27 reflektiert wurde und durch die Probe 27 tritt, trifft auf den weiteren optischen Empfänger 36, mit welchem es vermessen wird. Der dritte Spiegel 24 befindet sich in seiner ersten Stellung.
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10 zeigt die in 7 gezeigte Messanordnung während einer Hellmessung. Hierfür befindet sich der dritte Spiegel 24 in einer dritten Stellung. In dieser dritten Stellung ist der dritte Spiegel 24 dazu ausgerichtet, das Messlicht auf dem ersten Strahlengang 26 zu dem optischen Empfänger 23 zu richten. Somit gelangt das Messlicht der Messlichtquelle 20, nachdem es vom ersten Spiegel 21 und vom dritten Spiegel 24 reflektiert wurde, unmittelbar zum optischen Empfänger 23, ohne von der Probe 27 reflektiert worden zu sein.
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11 zeigt die in 7 gezeigte Messanordnung während einer Dunkelmessung. Hierfür befindet sich der dritte Spiegel 24 in einer vierten Stellung. In dieser vierten Stellung des dritten Spiegels 24 ist dieser dazu ausgerichtet, das Messlicht auf dem ersten Strahlengang 26, welches vom ersten Spiegel 21 reflektiert wurde, zurück zum ersten Spiegel 21 zu reflektieren. Somit gelangt kein Messlicht von der Messlichtquelle 20 zum optischen Empfänger 23. Gegebenenfalls vorhandenes Umgebungslicht, welches von der Probe 27 diffus reflektiert wird, gelangt auf dem dritten Strahlengang 29 über den zweiten Spiegel 22 zum optischen Empfänger 23. Somit kann der Einfluss dieses unerwünschten Umgebungslichtes gemessen und bei der Vermessung der Probe 27 berücksichtigt werden.
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Bezugszeichenliste
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- 01
- massiver Block
- 02
- erster Teilblock
- 03
- zweiter Teilblock
- 04
- dritter Teilblock
- 05
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- 06
- Lichteintritt
- 07
- Lichtquelle
- 08
- Lichtaustritt
- 09
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- 10
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- 11
- Beleuchtungsraum
- 12
- Lichtformungsraum
- 13
- Lichtaustrittsraum
- 14
- Homogenisatorelement
- 15
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- 16
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- 17
- seitliche Erweiterung
- 18
- Steg
- 19
- Gehäuse
- 20
- Messlichtquelle
- 21
- erster Spiegel
- 22
- zweiter Spiegel
- 23
- optische Empfänger
- 24
- dritter Spiegel
- 25
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- 26
- erster Strahlengang
- 27
- Probe
- 28
- zweiter Strahlengang
- 29
- dritter Strahlengang
- 30
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- 31
- vierter Strahlengang
- 32
- Glanzfalle
- 33
- Lot
- 34
- -
- 35
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- 36
- weiterer optischer Empfänger
