DE19628250A1 - Vorrichtung zur Messung von optischen Kenngrößen transparenter Materialien - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Mes­ sung von Kenngrößen einer zumindest teilweise lichtdurchläs­ sigen Probe.

Lichtdurchlässige Produkte wie z. B. Glas, durchsichtige Fo­ lien und dergleichen, werden in vielen Bereichen eingesetzt. Die optischen Eigenschaften spielen dabei, je nach Verwen­ dungsbereich, eine wesentliche Rolle. So wird z. B. von Glasplatten und Folien, die für Gewächshäuser verwendet wer­ den, eine hohe Transmission verlangt. Eine zur Verpackung verwendete Folie sollte dagegen den Inhalt möglichst klar und ungetrübt erkennen lassen.

Eine lediglich subjektive Betrachtung der optischen Qualität des Materials, wie es 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, so daß ein Vergleich der Ergebnisse nur sehr einge­ schränkt möglich ist.

Es werden deshalb in der Forschung und der Entwicklung Vor­ richtungen eingesetzt, um z. B. den Transmissionsgrad von durchsichtigen Materialien zu messen. Diese Vorrichtung 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.

Es ist deshalb die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung zu schaffen mit welcher optische Kenngrößen von transparenten Materialien zuverlässig und reproduzierbar er­ faßt werden können.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch den Gegenstand des Anspruches 1 gelöst.

Zur bevorzugende Weiterbildungen der Erfindung sind Gegen­ stand der Unteransprüche.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung verwendet eine Beleuchtungs­ einrichtung, welche so beschaffen ist, daß sich das ausge­ strahlte Licht, welches vorzugsweise den Wellenlängenbereich des sichtbaren Lichts abdeckt, entlang einer vorgegebenen optischen Achse ausbreitet. Das Licht durchläuft einen Pro­ ben-Aufnahmeraum, in dem die Probe angeordnet ist und fällt dann in eine Meßeinrichtung ein, in welcher ein erster De­ tektor auf dieser optischen Achse und ein zweiter Detektor im Abstand von dieser optischen Achse angeordnet ist.

Vorzugsweise entspricht die spektrale Zusammensetzung des ausgestrahlten Lichtes einer genormten Zusammensetzung, wie z. B. der durch die ASTM genormten Lichtart C.

Mit dem ersten Detektor wird der Anteil des Lichtes gemessen, welches geradlinig durch die Probe hindurchtritt. Mit dem zweiten Detektor wird der Anteil des Lichtes gemessen, wel­ cher beim Durchtritt der Probe innerhalb eines Winkelberei­ ches abgelenkt wird, der der Anordnung dieses zweiten Detek­ tors entspricht. Befindet sich der zweite Detektor in kurzer Entfernung zum ersten Detektor, wird die Ablenkung des Lich­ tes in einen kleinen Winkelbereich bestimmt, ist der Abstand dagegen größer, wird die Lichtablenkung für einen großen Win­ kel erfaßt.

Der erste und der zweite Detektor sind vorzugsweise in einem Meßraum angeordnet, der eine Öffnung aufweist, in der das Licht entlang der optischen Achse eintritt. Der Probe-Aufnah­ meraum ist vor dieser Öffnung angeordnet.

Besonders bevorzugt hat der Meßraum in seinem Inneren eine kugelförmige Oberfläche, d. h. präzise gesagt, die innere Oberfläche einer Kugel, die vorzugsweise weiß beschichtet ist. Eine solche Kugel ist im Bereich der optischen Meßein­ richtungen als Ulbricht′sche Kugel bekannt. Der Begriff Ober­ fläche ist im folgenden immer als innere Fläche dieses Meß­ raumes zu verstehen.

Vorzugsweise ist ein dritter Detektor vorgesehen, der eben­ falls einen Abstand zur optischen Achse aufweist, der aber so angeordnet ist, daß er im wesentlichen nur das Licht erfaßt, welches von der Oberfläche dieses Meßraumes, vorzugsweise also der Ulbricht′sche Kugel reflektiert wird.

Durch diese Anordnung wird die Möglichkeit geschaffen, was ein besonders Anliegen der vorliegenden Erfindung ist, gleichzeitig sowohl die Großwinkelstreuung (Haze) als auch die Kleinwinkelstreuung (Clarity) messen zu können. Bei die­ ser Meßanordnung wird der zweite Detektor, in einem solchen Abstand zur optischen Achse angeordnet, daß die Kleinwinkel­ streuung, d. h. eine Winkelabweichung von bis zu 2,5° des durch die Probe fallenden Lichtes erfaßt wird. Das Licht, welches um einen größeren Winkel abgelenkt wird als 2,5° wird weder vom ersten noch vom zweiten Detektor erfaßt, sondern von der inneren Oberfläche des Meßraumes reflektiert. Dieses reflektierte Licht wird, dem Prinzip der Ulbricht′schen Kugel entsprechend, vom dritten Detektor erfaßt.

Bei dieser Ausführungsform erfaßt also der erste Detektor das geradlinig durch die Probe fallende Licht, der zweite Detek­ tor eine Lichtmenge, die ein Maß für die Kleinwinkelstreuung ist und der dritte Detektor eine Lichtmenge welche ein Maß für die Streuung des Lichtes ist, die größer ist als die bei­ spielhaft gewählte Winkelabweichung von 2,5° des zweiten De­ tektors. Die erfindungsgemäße Meßvorrichtung erlaubt es so­ mit, mit einer Messung eine präzise Aussage über Klein- und Großwinkelstreuung zu machen.

Bei einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung ist eine bewegbare Abdeckeinrichtung innerhalb des Meßraumes vorgese­ hen, mit der der erste und der zweite Detektor abgedeckt wer­ den können. Wird als Meßraum die bevorzugte Ulbricht′sche Ku­ gel verwendet, bedeutet dies, daß ein weiß beschichteter Ku­ gelflächenausschnitt vorgesehen ist, der von einer ersten Position, in der die Öffnungen in der Kugeloberfläche für den ersten und den zweiten Detektor frei sind, in eine zweite Po­ sition verschiebbar ist, in der die Öffnungen in der Kugel­ oberfläche für den ersten und den zweiten Detektor verdeckt sind.

In diesem verdeckten Zustand ist nur noch der dritte Detektor meßfähig. Bei dieser Stellung wird das gesamte Licht, welches durch die Probe fällt und in den Meßraum eintritt, von der Kugelfläche reflektiert. Die vom dritten Detektor gemessene Lichtmenge ist somit ein Maß für das Gesamttransmissionsver­ halten der Probe.

Damit lassen sich mit dieser Ausführungsform der erfindungs­ gemäßen Vorrichtung eine Vielzahl von detaillierten Aussagen über das optische Verhalten der jeweiligen Probe machen:
Die Messung wird zunächst bei geschlossener Abdeckung ausge­ führt und erlaubt es dann, das Gesamttransmissionsverhalten zu beurteilen. Dies ist ein Wert, der, wie ausgeführt, bei­ spielsweise für Folien oder Glasscheiben für Gewächshäuser von großer Bedeutung ist.

Anschließend wird die Abdeckung geöffnet und die Messung er­ neut durchgeführt. In diesem Fall erfaßt der erste Detektor die linear durch die Probe durchfallende Lichtmenge, der zweite Detektor die Kleinwinkelstreuung und der dritte De­ tektor die Lichtmenge, die in größeren Winkeln abgelenkt wird. Wenn die vom zweiten und vom dritten Detektor erfaßte Lichtmenge gering ist, bedeutet dies, daß die Probe das Licht weitgehend unverzerrt durchläßt. Dies ist zum z. B. bei einem Glas der Fall, wie es üblicherweise als Fensterglas verwendet wird.

Ist die vom zweiten Detektor gemessene Lichtmenge hoch, die vom dritten Detektor gemessene Lichtmenge jedoch klein, so liegt überwiegend Kleinwinkelstreuung vor, was bedeutet, daß z. B. ein mit einer entsprechenden Folie verpacktes Produkt zwar gut erkennbar ist, daß jedoch die Bildschärfe beein­ trächtigt ist.

Ist die vom dritten Detektor gemessene Lichtmenge groß, und die vom zweiten Detektor gemessene Lichtmenge klein, so be­ deutet dies, daß überwiegend Großwinkelstreuung vorhanden ist, d. h., daß das Material z. B. nicht als durchsichtiges Verpackungsmaterial geeignet ist.

Es genügt somit eine einzige Meßvorrichtung, um die wesentli­ chen optischen Eigenschaften der Probe zu beurteilen. Weiter­ hin werden präzise, reproduzierbare Zahlenwerte für die Beur­ teilung der einzelnen Proben gegeben, so daß damit in der Entwicklung ein Vergleich verschiedener Materialien möglich und in der Produktion die Einhaltung von Qualitätsstandards zu sichern ist.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist der erste Detektor in bezug zu der optischen Achse so angeordnet, daß ein reflektierter Anteil eines auftreffenden Lichtstrahls nicht mehr in den Meßraum, im besonderen in die Ulbricht′sche Kugel, reflektiert und damit die Messung der Großwin­ kelstreuung stören kann. Dies wird erreicht indem der Detek­ tor am Ende eines kurzen Kanals derart zur optischen Achse geneigt wird, daß das Licht auf die Wand des Kanals reflek­ tiert und, bei einer entsprechend gestalteten Wand, absor­ biert wird.

Vorzugsweise ist auch der zweite Detektor derart angeordnet, daß eine Reflexion in die Kugel und damit eine Beinträchti­ gung der Haze-Messung vermieden wird. Dies wird vorzugsweise erreicht, indem der zweite Detektor am Ende eines Kanals an­ geordnet wird, dessen Ausdehnung in der Richtung quer zur optischen Achse klein ist.

Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung sind eine Mo­ dulationseinrichtung zum Modulieren der Lichtstrahlen und eine Einrichtung zum auf die Modulation abgestimmten Erfassen der von den Detektoren abgegebenen Signale vorgesehen. Durch diese Maßnahme kann bei geeigneter Frequenz der Modulation der Einfluß von Störlicht, beispielsweise von Netzfrequenz- Kunstlicht des Meßraumes, unterbunden werden, so daß die Vor­ richtung auch offen, d. h. mit nicht abgedecktem Probenraum betrieben werden kann. Damit nicht ein Teil des einfallenden Störlichts mit moduliert wird, ist es sinnvoll, die Modula­ tionseinrichtung in der Beleuchtungseinrichtung in einem ab­ gedunkelten Bereich vorzusehen. Vorzugsweise kann die Modu­ lationseinrichtung eine mechanische Chopperblende sein, die den Lichtstrahl nach einem vorbestimmten Zeitschema unter­ bricht und durchläßt.

Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist eine Re­ ferenzmeßeinrichtung zum Messen eines Referenzstrahls der Be­ leuchtungseinrichtung vorgesehen. Damit steigt nicht nur die Meßgenauigkeit der Vorrichtung; durch Bezug der Meßsignale auf das Signal der Referenzmeßeinrichtung ist auch auf einfa­ che Weise eine Selbstjustage bezüglich mit der Zeit zunehmen­ der Veränderungen der Charakteristik der Beleuchtungsein­ richtung gegeben. Damit wird die Bedienungsfreundlichkeit verbessert. Wenn die Referenzmeßeinrichtung vorteilhafter­ weise an der Beleuchtungseinrichtung vorgesehen ist, kann sie auch dann verwendet werden, wenn sich zwischen der Be­ leuchtungseinrichtung und der Photo-Detektoreinrichtung bzw. der Ulbricht′schen Kugel gerade eine Probe befindet.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung weist die Re­ ferenzmeßeinrichtung einen teildurchlässigen Spiegel auf, der einen Teil des Lichts in der Beleuchtungseinrichtung aus dem zur Probe führenden Strahl ablenkt und einem das Signal der Referenzmeßeinrichtung abgebenden Detektor zuführt. Diese Anordnung ist besonders einfach und zuverlässig.

Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung sind die Be­ leuchtungseinrichtung einerseits und die Ulbricht′sche Kugel mit der Photo-Detektoreinrichtung andererseits über jeweils eine Säule an einer gemeinsamen, im wesentlichen parallel zu der optischen Achse verlaufenden Basisplatte angebracht. Diese Konstruktion ist erfahrungsgemäß einfach und zuverläs­ sig. Wenn die Anbringung lösbar ausgeführt ist, können die Beleuchtungseinrichtung bzw. die Ulbricht′sche Kugel mit der Photo-Detektoreinrichtung einzeln zur Reparatur oder Wartung abgenommen oder ausgetauscht werden. Im besonderen eignet sich dieser Aufbau zur Realisierung eines großzügig und besonders gut zugänglich gestalteten Probenraums, da die Säulen einen bestimmten Abstand von der die Beleuchtungsein­ richtung einerseits und die Ulbricht′sche Kugel mit der Photo-Detektoreinrichtung andererseits verbindenden Basis­ platte vorgeben.

Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist an der Beleuchtungseinrichtung eine Bedienungsvorrichtung vorgese­ hen, die auch Anzeigeelemente enthalten kann. Dieser Aufbau ist nicht nur einfach, weil eine separate Ausführung der Be­ dienungsvorrichtung entfällt, sondern er erlaubt beispiels­ weise bei der oben beschriebenen Anordnung der Beleuchtungs­ einrichtung auf einer Säule, die sich vorzugsweise vertikal von der tiefer liegenden Basisplatte zur darüber angeordneten Beleuchtungseinrichtung erstreckt, eine für eine Bedie­ nungsperson angenehme Lage der Bedienungsvorrichtung.

Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist der teil­ durchlässige Spiegel so angeordnet, daß er den Referenzstrahl in Richtung auf die Basisplatte richtet, und die Referenz­ meßeinrichtung ist zumindest im wesentlichen parallel zu der Säule der Beleuchtungseinrichtung angeordnet. Dieser beson­ ders einfache Aufbau ermöglicht es, die Referenzmeßeinrich­ tung in oder an der Säule quasi zu integrieren und vorzugs­ weise mit der Säule in einer gemeinsamen Verkleidung unter zu­ bringen. Dadurch wird die Anordnung kompakt und übersichtlich und für eine mit unter Umständen unhandlichen Proben arbei­ tende Bedienungsperson besonders bedienungsfreundlich.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist die Chop­ perblende in Richtung auf die Basisplatte angeordnet, d. h. zwischen der Beleuchtungseinrichtung und der Basisplatte ge­ lagert, was zu vergleichbaren Vorteilen führt, wie soeben für die Referenzmeßeinrichtung beschrieben. Vorzugsweise werden sowohl die Modulationseinrichtung mit der Chopperblende als auch die Referenzmeßeinrichtung in der Säule integriert in einer gemeinsamen Verkleidung untergebracht.

Es ist weiterhin vorteilhaft, die erfassenden Bereiche des ersten und zweiten Detektors symmetrisch bezüglich einer Ro­ tation um die optische Achse auszubilden, d. h. beim ersten Detektor kreisförmig und beim zweiten Detektor zumindest im wesentlichen kreisringförmig. Wie im Ausführungsbeispiel ge­ zeigt, kann die Einschränkung "im wesentlichen" bedeuten, daß schmale Stege durch den Kreisring verlaufen, die aus mecha­ nisch-statischen Gründen den Bereich zwischen dem Kreis und dem Kreisring und den Bereich außerhalb des Kreisrings mit­ einander verbinden. Die kreisringförmige Gestaltung hat den Vorteil, daß eine Materialstruktur, die eine gerichtete Win­ kelablenkung bewirkt, das Meßergebnis nicht beeinträchtigt. Bei derartigen Materialien bewirkt also eine Verdrehung des Materials um die optische Achse keine Änderung des Meßergeb­ nisses.

Vorteilhafterweise kann eine zur Beleuchtungseinrichtung wei­ sende Oberfläche der Detektoreinrichtung in diesem Zwischen­ bereich zumindest zum größten Teil aus einer geneigten Fläche gebildet sein, d. h., daß die Ebene der Fläche nicht senkrecht zur optischen Achse steht, um störende Rückreflexionen, insbesondere in die Ulbricht′sche Kugel, zu verringern.

Statt der Verwendung einer geneigten Detektorfläche oder für Bereiche des oder der Detektoren, bei denen die Neigung Pro­ bleme bereitet, wird vorzugsweise ein Lichteintrittskanal ge­ schaffen,dessen Ausdehnung in der Ebene senkrecht zur opti­ schen Achse gering und parallel zur optischen Achse relativ groß ist. Auch damit kann eine Reflexion des auf die Detek­ torflächen auftreffenden Lichtes in die Ulbricht′sche Kugel wirkungsvoll vermindert werden.

Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nun anhand der Zeichnung erläutert. Darin zeigen:

Fig. 1 eine teilweise geschnittene Seitenansicht einer er­ findungsgemäßen Vorrichtung,

Fig. 2 eine Schnittansicht der Meßeinrichtung des Ausfüh­ rungsbeispieles gemäß Fig. 1,

Fig. 3 eine Schnittansicht einer Photo-Detektoreinrichtung des Ausführungsbeispieles gemäß Fig. 1,

Fig. 4 eine Seitenansicht der Photo-Detektoreinrichtung des Ausführungsbeispieles gemäß Fig. 1 von der Seite einer Ulbricht′schen Kugel.

Das nun beschriebene Ausführungsbeispiel verwendet die drei optischen Kenngrößen Transmission, Trübung und Bildschärfe zur optischen Charakterisierung transparenter Proben.

Dabei steht die Größe Transmission oder Gesamttransmission für das Verhältnis aus der durch die Probe durchgelassenen Lichtintensität zu der auf die Probe auftreffenden Lichtin­ tensität. Sie entspricht damit der optischen Wahrnehmung "hell/durchscheinend" bei der Charakterisierung mit dem menschlichen Auge.

Die Größe Trübung (häufig auch englisch "haze") entspricht dem Anteil der unter Richtungsablenkung durchgelassenen Lichtintensität an der gesamten durchgelassenen Lichtinten­ sität und wird deshalb auch als Großwinkelstreuung bezeich­ net. Diese Größe entspricht der optischen Wahrnehmung "trüb/milchig" bei der Charakterisierung mit dem menschlichen Auge. Die Trübung eines transparenten Materials kann z. B. durch statistisch verteilte eingelagerte Partikel, Bläschen oder andere Materialinhomogenitäten entstehen, die zu einer im wesentlichen statistischen Ablenkung des auftreffenden Lichts um verschiedene, auch große Winkel führen. Auch eine entsprechende Oberflächenrauhigkeit kann diese Wirkung haben. Nach ASTM D 1003 bezeichnet die Trübung den prozentualen Anteil des Lichtes, der vom eingestrahlten Lichtbündel um mehr als 2,5 Grad abweicht.

Die Größe Bildschärfe (häufig englisch "clarity") dient dazu, ein Materialeigenschaft zu beschreiben, bei der ein merkli­ cher Teil der Lichtstrahlen mit sehr geringen Winkelablenkun­ gen durchgelassen wird und wird deshalb als Kleinwinkelstreu­ ung bezeichnet. Dies kann z. B. auftreten bei leicht welligen Oberflächen, wobei die Welligkeit im Vergleich zur idealen planparallelen Geometrie nur sehr kleine Differenzwinkel aufweist. Rechnerisch kann die Größe Bildschärfe definiert werden als Quotient aus der Differenz zwischen der ohne jede Ablenkung durchgelassenen Lichtintensität und der wie oben beschrieben leicht abgelenkten Lichtintensität und der Summe daraus. Je geringer die Tendenz der Probe ist, das Licht in der oben beschriebenen Weise leicht abzulenken, um so größer ist der Bildschärfewert. Nach ASTM D 1003 ist die Bildschärfe unter einer Abweichung zu ermitteln, die kleiner ist als 2,5 Grad.

Im dem in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiel ist im linken Bereich von Fig. 1 eine über eine Säule 21 auf ei­ ner Basisplatte 23 angebrachte Beleuchtungseinrichtung 1 ge­ zeigt, in der eine Halogenlampe 25 als Lichtquelle sichtbares Licht ausstrahlt. Links von der Halogenlampe 25 ist ein Re­ flektor 26 vorgesehen, der das Licht symmetrisch zu einer optischen Achse 3 auf einen Kondensor 27 zu reflektiert.

Mit 17 ist eine drehbare Chopperblende bezeichnet, die das Licht der Beleuchtungseinrichtung 1 durch aufeinanderfolgen­ des Ausblenden und Freigeben des vom Kondensor 27 kommenden Lichtes moduliert. Ein Teil des modulierten Lichtes wird von einem teildurchlässigen Spiegel 20 nach unten zu einem Refe­ renzmeßeinrichtung 18 reflektiert, die einen Referenzdetektor 28 aufweist. Eine Austrittsöffnung der Beleuchtungseinrich­ tung 1 ist mit 10 bezeichnet und enthält eine fokussierende Linse 29, die auch zum Schutz der Beleuchtungseinrichtung dient. Ferner ist eine Anlage 11 als erste Begrenzung eines Probenraumes gebildet.

Ebenfalls auf die optische Achse 3 zentriert sind eine Ulbricht′sche Kugel 8 und eine Photo-Detektoreinrichtung 2 angeordnet, die über eine einstellbare Stützeinrichtung 22 auf der Basisplatte 23 gehalten sind. Die Ulbricht′sche Ku­ gel 8 weist eine Eintrittsöffnung 12 und eine Anlage 13 auf. Zwischen den Anlagen 11 und 13 erstreckt sich ein zu den bei­ den verbleibenden horizontalen Seiten und nach oben offener und nach unten in durch die Höhe der Säulen 21 und 22 relativ großzügig bemessener Entfernung durch die Basisplatte 23 be­ grenzter durchgehender Probenraum 9.

Der Aufbau einer auf der optischen Achse der Eintrittsöffnung 12 der Ulbricht′schen Kugel 8 gegenüberliegend angeordneten Photo-Detektoreinrichtung 2 ist in Fig. 2 im einzelnen ge­ zeigt. Dabei ist mit 4 ein erster Detektor und mit 5 ein zweiter Detektor bezeichnet. Der erste Detektor 4 erfaßt das Licht aus der Ulbricht′schen Kugel 8 in einem Bereich, der durch eine Öffnung 30 zur Ulbricht′schen Kugel hin definiert ist. Der zweite Detektor 5 erfaßt das Licht in einem Bereich, der durch Öffnungen 31 zur Ulbricht′schen Kugel 8 hin definiert ist. Wie in Fig. 2 und 4 zu sehen, weist die Öff­ nung 30 einen kreisförmigen Querschnitt auf, während die Öff­ nungen 31 zusammen einen kreisringförmigen Querschnitt bil­ den, der durch vier Kreisringsegmente bildende Stege unter­ brochen ist. In diesem Ausführungsbeispiel sind diese Stege erforderlich, damit der Abschnitt der Photo-Detektoreinrich­ tung 2 zwischen der Öffnung 30 und den Öffnungen 31 von dem Abschnitt (in radialer Richtung) außen von den Öffnungen 31 gehalten wird. Ein Wärmeschutzfilter 32 ist so angeordnet, daß es sich in den Öffnungen 31 und in der Öffnung 30 er­ streckt, so daß auf die Detektoren 4 und 5 auftreffendes Licht das Wärmeschutzfilter 32 passiert hat.

Es ist ferner zu erkennen, daß der erste Detektor 4 gegen die optische Achse 3 geneigt ist, um einen reflektierten Anteil des auftreffenden Lichts gegen eine lichtabsorbierende Wand 33, die ein Teil der die Öffnung 30 definierenden Fläche ist, zu lenken.

Ferner ist eine zur Ulbricht′schen Kugel 8 weisende Oberflä­ che des Abschnitts der Photo-Detektoreinrichtung 2 zwischen der Öffnung 30 und den Öffnungen 31 zum größten Teil aus ei­ ner derart angeschrägten Fläche 24 gebildet, daß die im we­ sentlichen in Richtung der optischen Achse 3 auftreffenden Lichtstrahlen nicht in die Ulbricht′sche Kugel 8 zurück re­ flektiert werden, wie im Vergleich zu Fig. 1 zu erkennen ist.

Die Öffnungen 31 weisen in der Breite, d. h. in einer Ebene senkrecht zur optischen Achse nur eine geringe Ausdehnung auf und sind im Verhältnis dazu relativ lang, wobei die Länge parallel zur optischen Achse gemessen wird. Diese Maßnahme dient ebenfalls dazu, Reflektionen des Lichtes von der Detek­ toroberfläche zurück in die Ulbricht′sche Kugel zu minimie­ ren.

Im oberen Bereich der Ulbricht′schen Kugel ist, wie in Fig. 2 zu erkennen ist, in einer Öffnung 6 ein dritter Detektor 7 angeordnet. Beim Ausführungsbeispiel ist die Anordnung der­ art, daß die lichtempfindliche Fläche des Detektors im we­ sentlichen senkrecht zur optischen Achse steht. Weiterhin ist die lichtempfindliche Fläche gegenüber der Kugeloberfläche nach hinten verschoben.

In Fig. 1 ist angedeutet, daß die Ulbricht′sche Kugel 8, die Photo-Detektoreinrichtung 2 und die Säule 22 gemeinsam in einer Verkleidung untergebracht sind. Gleichermaßen sind die Beleuchtungseinrichtung 1 einschließlich der Chopperblende 17 und der Referenzmeßeinrichtung 18 mit dem Detektor 28 in einer gemeinsamen Verkleidung untergebracht. Dazu sind die Chopperblende 17 und die Referenzmeßeinrichtung 18 nach unten zur Basisplatte 23 hin orientiert, um einen möglichst kompak­ ten Aufbau zu ermöglichen.

Wie ebenfalls in Fig. 2 gezeigt, ist eine Abdeckfläche 35 vor­ gesehen, deren Form der Oberflächenform der Kugel angepaßt ist und die derart beweglich (nicht gezeigt) gelagert ist, daß sie von einer ersten Position, wie sie in Fig. 2 darge­ stellt ist, in eine zweite Position zu verschieben ist, in welcher sie die Öffnungen 30 und 31 abdeckt. Die Abdeckfläche 35 ist, wie die Kugel selbst, an ihrer der Lichtein­ trittsöffnung 12 zugewandten Seite weiß beschichtet. Damit tritt auch an diesem Teil der Oberfläche die Wirkung der Ulbricht′schen Kugel auf.

Schließlich ist an dieser Verkleidung auf der Höhe der Be­ leuchtungseinrichtung 1 eine nicht gezeigte Bedienungsvor­ richtung vorgesehen, die auch eine LCD-Anzeige aufweist. Diese Bedienungsvorrichtung steuert eine nicht gezeigte Steuerelektronik der Gesamtvorrichtung und gibt entsprechend rechnerisch und statistisch aufbereitete Meßwerte aus. Es versteht sich von selbst, daß die Detektoren zur Ermittlung dieser Meßwerte auf die Modulation durch die Chopperblende 17 abgestimmt ausgelesen werden.

Die Funktion dieser Vorrichtung ist wie folgt:
Die Probe wird in den Probenraum eingebracht und die Licht­ quelle aktiviert. Das Licht fällt durch die Probe und tritt in die Kugel ein. Die erste Messung wird bei geschlossener Abdeckfläche ausgeführt. Das in die Kugel eingeleitete Licht wird insgesamt von der Kugeloberfläche reflektiert und die vom dritten Detektor gemessene Lichtmenge ist ein Maß für die gesamte einfallende Lichtmenge und damit ein Maß für die Ge­ samttransmission.

Anschließend wird die Abdeckfläche geöffnet, wobei die Probe weiterhin belichtet wird. Das Signal der drei Detektoren wird erfaßt und in der zuvor beschriebenen Weise ausgewertet.

Somit ist es möglich mit nur einer Meßeinrichtung mit zwei kurz hintereinander folgenden Messungen die wesentlichen op­ tischen Kenngrößen einer transparenten Probe zu erfassen.

Beim dargestellten Ausführungsbeispiel sind zwei Probenposi­ tionen vorgesehen. Die erste Position ist durch die Anlage­ fläche 11 an der Lichtaustrittsöffnung 10 der Beleuchtungs­ einrichtung definiert. Die Probe wird an diese Fläche ange­ legt und weist dann den maximal möglichen Abstand zu den De­ tektoren auf. Die Detektoren sind so angeordnet, daß die 2,5° Winkelabweichung in dieser Position erreicht werden. Dies be­ deutet daß der Abstand der Detektoren und auch die Abmessung der Ulbricht′schen Kugel relativ klein gehalten werden kann. Die zweite Probenposition ist durch die Anlage an die Anlage­ fläche 13 der Ulbricht′schen Kugel definiert.

Als Detektoren der Meßeinrichtung können alle Arten von pho­ toelektrischen Bauelemente wie Photozellen, Phototransisto­ ren, usw. Verwendung finden. Bevorzugt werden photoelektri­ sche Bauelemente verwendet, die über den ganzen oder im we­ sentlichen den ganzen Wellenlängenbereiches des sichtbaren Lichtes empfindlich sind.

Bei einer bevorzugten Weiterbildung des vorstehend beschrie­ benen Ausführungsbeispiels werden als Detektor 4, und/oder als Detektor 5 und/oder als Detektor 6 jeweils drei Detek­ torelemente verwendet, die eine unterschiedliche Wellenlän­ gencharakteristik aufweisen. Damit ist es möglich auch die Farbcharakteristik des transmittierten Lichtes zu erfassen. Wird als Lichtquelle 25 eine Lampe mit definiertem Licht ver­ wendet, ist eine quantitativ korrekte Bestimmung des Farbver­ haltens der Probe möglich.

Besonders bevorzugt werden dann drei oder mehr Sensoren mit unterschiedlicher Wellenlängencharakteristik für den Sensor 6 verwendet, da hier die räumliche Anordnung von mehreren Sen­ soren unproblematisch ist.

Alternativ können bei diesen Ausführungsformen statt der Lichtquelle 25 auch drei oder mehr Lichtquellen verwendet werden, die eine unterschiedliche Wellenlängencharakteristik aufweisen, wie z. B. drei verschiedenfarbige Leuchtdioden. In diesem Fall ist es nicht erforderlich, Detektoren mit unter­ schiedlicher Wellenlängencharakteristik zu verwenden, sondern es kann dann mit drei aufeinanderfolgenden Messungen mit je einer der Leuchtdioden als Lichtquelle die Farbcharakteristik der Probe bestimmt werden.

Alternativ können sowohl Lichtquellen mit unterschiedlicher Wellenlängencharakteristik als auch Detektoren mit unter­ schiedlicher Wellenlängencharakteristik als auch Kombinatio­ nen davon verwendet werden. In diesem Fall ist es dann mög­ lich mit einer entsprechenden mathematischen Auswertung eine Aussage über das spektrale Transmissionsverhalten zu machen.

Claims (17)

1. Vorrichtung zum Messen von Kenngrößen einer zumindest teilweise lichtdurchlässigen Probe, mit
einer Beleuchtungseinrichtung, welche eine Lichtquelle (1), aufweist, die Licht in einem vorgegebenen Wellenbereich ausstrahlt, und die derart innerhalb dieser Beleuchtungseinrichtung angeordnet ist, daß sich das Licht im wesentlichen entlang einer vorgegebenen optischen Achse ausbreitet,
einen Proben-Aufnahmeraum, der zwischen dieser Beleuch­ tungseinrichtung und einer Meßeinrichtung vorgesehen und derart in bezug auf diese optischen Achse angeordnet ist, daß das von der Beleuchtungsquelle ausgehende Licht zu­ nächst durch eine innerhalb dieses Probe-Aufnahmeraums an­ geordnete Probe hindurchgeht und dann in diese Meßein­ richtung eintritt,
eine Meßeinrichtung, welche einen im wesentlichen ge­ schlossenen Meßraum aufweist, der mit einer Öffnung verse­ hen ist, durch welche diese optische Achse verläuft und durch welche das Licht eintritt, nachdem es die Probe durchlaufen hat, und welche weiterhin
eine wenigstens innerhalb dieses vorgegebenen Wellenberei­ ches empfindlichen Photo-Detektoreinrichtung (2) aufweist, die wenigstens zwei Detektoren aufweist, nämlich einen in der optischen Achse (3) der Beleuchtungseinrichtung ersten Detektor (4) und einen in einem vorgegebenen Radialabstand von der optischen Achse angeordneten zweiten Detektor (5).

2. Vorrichtung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein dritter Detektor (7) vorgesehen ist, der in diesem Meßraum im Abstand zu dieser optischen Achse (3) angeord­ net und so ausgerichtet ist, daß er im wesentlichen nur Licht erfaßt, das von der Oberfläche dieses Meßraumes re­ flektiert wird.

3. Vorrichtung gemäß Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeich­ net, daß eine bewegbare Abdeckeinrichtung (35) innerhalb dieses Meßraumes vorgesehen ist, welche diesen ersten und zweiten Detektor abdeckt, so daß diese dritte Detektorein­ richtung das Licht erfaßt, welches von der Oberfläche dieses Meßraumes und von dieser Abdeckeinrichtung reflek­ tiert wird.

4. Vorrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die innere Oberfläche dieses Meßraum im wesentlichen kugelförmig ausgebildet ist, so daß der Meßraum eine sogenannte Ulbricht′sche Kugel bil­ det.

5. Vorrichtung gemäß Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß diese optische Achse (3) den Mittelpunkt dieser kugelför­ migen inneren Oberfläche des Meßraumes schneidet.

6. Vorrichtung nach mindestens einem der vorstehenden Ansprü­ che, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Detektor (4) eine im wesentlichen ebene Meßfläche aufweist, die in be­ zug zu der optischen Achse (3) geneigt ist, um einen re­ flektierten Anteil eines auftreffenden Lichtstrahls gegen die optische Achse verkippt und vorzugsweise auf eine lichtabsorbierende Wand (14) zu reflektieren.

7. Vorrichtung nach mindestens einem der vorstehenden Ansprü­ che, dadurch gekennzeichnet daß zumindest der zweite De­ tektor durch einen Kanal vom Meßraum getrennt ist, dessen Ausdehnung parallel zur optischen Achse relativ groß und in einer Ebene senkrecht zur optischen Achse relativ klein ist, so daß der Anteil des vom dem Detektor in den Meßraum zurückreflektierten Lichtes gering ist.

8. Vorrichtung nach mindestens einem der vorstehenden Ansprü­ che, dadurch gekennzeichnet, daß eine Modulationsein­ richtung (15) zum Modulieren der Lichtstrahlen in der Be­ leuchtungseinrichtung (1) vorgesehen ist.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Modulationseinrichtung (15) eine Chopperblende (17) aufweist.

10. Vorrichtung nach mindestens einem der vorstehenden Ansprü­ che, dadurch gekennzeichnet, daß eine Referenzmeßeinrich­ tung (18) zum Messen eines Referenzstrahls (19) der Be­ leuchtungseinrichtung (1) vorgesehen ist.

11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Referenzmeßeinrichtung (18) an der Beleuchtungsein­ richtung (1) vorgesehen ist.

12. Vorrichtung nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeich­ net, daß die Referenzmeßeinrichtung (18) einen teildurch­ lässigen Spiegel (20) aufweist.

13. Vorrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 2 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Beleuchtungseinrichtung (1) einerseits und die Ulbricht′sche Kugel (8) mit der Photo-Detektoreinrichtung (2) andererseits über jeweils eine Säule (21, 22) an einer gemeinsamen, im wesentlichen parallel zu der optischen Achse (3) verlaufenden Basis­ platte (23) angebracht sind.

14. Vorrichtung gemäß mindestens einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand, den dieser zwei­ ter Detektor (5) von dieser optischen Achse (3) aufweist, derart bemessen ist, daß dieser Detektor eine Winkelabwei­ chung des Lichtes durch eine im Probenraum befindliche Probe erfaßt, die kleiner ist als 5°, besonders bevorzugt kleiner als 3,5° und ganz besonders bevorzugt kleiner oder gleich 2,5° ist.

15. Vorrichtung gemäß mindestens einem der vorgehenden Ansprü­ che, dadurch gekennzeichnet, daß dieser Detektor (4) eine im wesentliche ebene lichtempfindliche Fläche aufweist, die im wesentlichen kreisförmig gestaltet ist und das die­ ser zweiter Detektor (5) eine im wesentlichen ebene licht­ empfindliche Fläche aufweist, die im wesentlichen kreis­ ringförmig gestaltet ist, wobei diese im wesentlichen kreisförmige lichtempfindliche Fläche des ersten Detektors innerhalb dieser im wesentlichen kreisringförmigen licht­ empfindlichen Fläche des zweiten Detektors angeordnet ist.

16. Vorrichtung gemäß mindestens einem der vorgehenden Ansprü­ che, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein Detektor wenigstens zwei lichtempfindliche Flächen aufweist, die eine unterschiedliche spektraler Charakteristik aufweisen.

17. Vorrichtung gemäß mindestens einem der vorgehenden Ansprü­ che, dadurch gekennzeichnet, daß die Beleuchtungsein­ richtung derart beschaffen ist, daß mindestens zwei Licht­ arten, die eine unterschiedliche spektraler Charakteristik aufweisen, nacheinander ausgestrahlt werden.