DE1965209C

DE1965209C - Device for the spectral analysis of objects

Info

Publication number: DE1965209C
Authority: DE
Inventors: Maurice Paris; Courtes Georges Marseille; Bonnet (Frankreich)
Original assignee: Agence National de Valorisation de la Recherche ANVAR
Current assignee: Bpifrance Financement SA
Publication date: 1972-05-10

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur spektralen Analyse von Objekten bzw. zur Auswahl einer oder mehrerer Wellenlänge!! des von einem Objekt ausgestrahlten Lichtes für Analysezwecke, z. B. zur fotometrischen Analyse eines farbigen Objektes beim Farbfernsehen.The invention relates to a device for the spectral analysis of objects or for the selection one or more wavelengths !! the light emitted by an object for analysis purposes, z. B. for the photometric analysis of a colored object in color television.

Gewöhnlich wird die Auswahl der spektralen Bandbreite mit Hilfe von Farbfiltern oder selektiv reflektierenden Spiegeln bewirkt. Diese Auswahl ist wenig praktisch, weil man dabei bei einem Kontinuum nicht nach Belieben gleichzeitig sowohl die spektrale Lage und Breite auswählen kann.Usually the selection of the spectral bandwidth is made with the help of color filters or selectively reflective mirrors causes. This selection is not very practical because it is a continuum cannot simultaneously select both the spectral position and latitude at will.

Aus der deutschen Patentschrift 935 528 ist eine Vorrichtung zur Erzeugung von getrennten Farbbildern eines Objektes bekannt, bei der ein aus einem Prisma bestehendes System verwendet wird. Mit diesem System können die monochromatischen Bilder nach dem Durchgang durch die Vorrichtung nicht wieder kombiniert werden.From the German patent specification 935 528 a device for generating separate color images is of an object is known in which a system consisting of a prism is used. With this system, the monochromatic images can be obtained after passing through the device cannot be combined again.

Die französische Patentschrift 1 451 120 betrifft im « wesentlichen ein optisches Filter, das als Spektrograph arbeitet und das ebenfalls das Bild eines Objektes nicht wieder herstellen kann.The French patent specification 1 451 120 concerns in « essentially an optical filter that works as a spectrograph and that also shows the image of an object can not restore.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichti'ng zur spektralen Analyse von Objekten zu »5 schaffen, bei der die zu untersuchenden Wellenlängenbereiche leicht einstellbar sind und bei der am Ausgang wieder ein Bild des Objektes entsteht, urn dieses beispielsweise abtasten zu können.The invention is based on the object of providing a device for the spectral analysis of objects create in which the wavelength ranges to be examined are easily adjustable and in the am At the outset, an image of the object is created so that it can be scanned, for example.

Zu diesem Zweck sieht die Erfindung bei einer Vorrichtung der eingangs genannten Art vor, daß eine optische Einrichtung zu* Abbildung des Objekts auf einem konkaven Gitter und ein konkaver Spiegel zur Abbildung des Gitters bzw. zur Abbildung des Objekts vorgesehen sind, wobei auf dem konkaven Spiegel eine Maske angeordnet ist, die so ausgebildet ist, daß sie mindestens ein begrenztes Wellenlängenband auswählt, und daß ferner die Eintrittspupille und die Maske auf dem Rowiand-Kreis des konkaven Gitters liegen.For this purpose, the invention provides for a device of the type mentioned at the outset that an optical device for * imaging the object on a concave grating and a concave mirror are provided for imaging the grid or for imaging the object, with the concave Mirror a mask is arranged, which is designed so that they at least a limited wavelength band selects, and that also the entrance pupil and the mask on the Rowiand circle of the concave Lattice.

Ein Vorteil dieser Vorrichtung besteht darin, daß man zur Eizeugung eines monochromatischen oder spektral beliebig zusammengesetzten Bildes lediglich die Maske entsprechend zu berechnen braucht.An advantage of this device is that you can generate a monochromatic or Any spectrally composed image only needs to calculate the mask accordingly.

Bei einer Ausführungsform wird die Erfindung zur Erzielung von Farbfernsehaufnahmen in der Weise abgeändert, daß in dem Kameragehäuse ein Objektiv und eine Maske angeordnet sind, wobei die Maske drei Spektralbereiche auswählt, die im Blau, im Grün bzw. im Rot liegen, daß ferner ein sphärischer Spiegel vorgesehen ist, der hinter der Maske angebracht ist und an diese anliegt, und daß die Aufnahmefläche durch die Kathode der Analysatorröhre gebildet wird und die Einrichtung zur Fokussierung des von der Maske bzw. vom Gitter kommenden Strahlengangs aus einem Linsenrastersystem besteht, dessen Rasterebene sich in der Bildebene des Gitters befindet und dessen bildseitige Brennebene mit der Kathode der Analysatorröhre zusammenfällt.In one embodiment, the invention is used to achieve color television recordings in the manner modified that a lens and a mask are arranged in the camera housing, the mask selects three spectral ranges, which are in blue, in green or in red, that also a spherical mirror is provided, which is attached behind the mask and rests against it, and that the receiving surface is formed by the cathode of the analyzer tube and the means for focusing the from the Mask or beam path coming from the grating consists of a lenticular system, the raster plane of which is located in the image plane of the grating and whose focal plane on the image side coincides with the cathode of the analyzer tube.

Diese Vorrichtung ist insbesondere dadurch bemerkenswert, daß sie in sehr zuverlässiger Weise erlaubt, die Intensitätsverhältnisse der ausgewählten verschiedenen Wellenlängen gleichzeitig zu bestimmen, was bei der bekannten Auswahl von We'lenlängen durch Filter und lialbreflekticrende Spiegel nicht möglich ist.This device is particularly noteworthy in that it allows, in a very reliable manner, to determine the intensity ratios of the selected different wavelengths at the same time, What about the well-known selection of shaft lengths using filters and lialreflective mirrors not possible.

Bei einer Anwendung der Vorrichtung bei der Spektralfotometrie kann die Abbildungsvorrichtiing des Gerätes aus einem sphärischen Spiegel bestehen, der mit einer Blende versehen ist, die die Eintrittspupille darstellt. Die Aufnahmefläche kann eine fotoempfindliche Platte oder, falls man die Bilder des konkaven Gitters projizieren will, ein Projektionsschirm sein, wobei die Vorrichtung zur Fokussierung bzw. Abbildung des Bildes des Gitters durch ein Objektiv gebildet wird, dem eine Feidlinie zugeordnet ist. Eine derartige Vorrichtung bildet ein Universalfilter für die Wellenlänge. Um ein oder mehrere gewünschte spektrale Bereiche zu erhalten, genügt es, das öfTnungnprofil der Maske zu wäh-en. Man ersieht hieraus, daß sich das Analysegerät jedem Verwendungszweck anpassen kann.When the device is used in spectrophotometry, the imaging device can of the device consist of a spherical mirror which is provided with a diaphragm that represents the entrance pupil. The recording surface can be a photosensitive one Plate or, if you want to project the images of the concave grating, a projection screen be, the device for focusing or imaging the image of the grating by a Objectively formed, to which a field line is assigned is. Such a device forms a universal filter for the wavelength. To one or more To obtain the desired spectral ranges, it is sufficient to select the opening profile of the mask. Man it can be seen from this that the analyzer can be adapted to any purpose.

In den F i g. 1 bis 3 sind Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt, und zwar zeigtIn the F i g. 1 to 3 embodiments of the invention are shown, namely shows

Fig. 1 eine schaubildliche aufgebrochene Darstellung einer Aufnahme-Vorrichtung zur Anwendung auf das Farbfernsehen;1 shows a diagrammatic, broken-away representation a pickup device for application to color television;

Fig. 2 schematisch eine Teilansicht der Vorrichtung zur Fokussierung des Bildes des Gitters des Gerätes nach Fig. 1, undFig. 2 schematically shows a partial view of the device for focusing the image of the grating of the device according to Fig. 1, and

Fig. 3 eine schematische Prinzipdarstellung einer Vorrichtung nach der Erfindung auf die spektro-fotometrische Analyse.3 shows a schematic representation of the principle of a Device according to the invention on the spectrophotometric analysis.

In F i g. 1 ist eine Farbfernseh-Aufnahmekamera 1 dargestellt, die eine Vorrichtung zur Abbildung des beobachieten (nicht gezeichneten) Objektes aufweist, die durch ein übliches Objektiv 2 gebildet wird, vor das man ein Fokussierungssystem 3 solcher Art ansetzen kann, daß, wenn nötig, das Bildfeld vergrößert wird, ohne daß man die Abmessung und die Lage der Pupille des Objektivs 2 ändert. Die Kamera weist eine Geräteeinheit auf, die einerseits aus einem konkaven Gitter 4 und andererseits aus einer Maske 6 besteht, die mit einem sphärischen Spiegel 7 verbunden oder verkittet ist, wobei die Maske 6 und die Pupille des Objektivs auf dem Rowland-Kreis des Gitters 4 liegen. Im vorliegenden Fall wird das polychrome Strahlenbündel 5, das durch das Objektiv 2 gesammelt wurde, durch das konkave Gitter 4 gebeugt; die gebeugten Strahlen werden dann durch die Maske 6 gefiltert.In Fig. 1 shows a color television recording camera 1, which has a device for imaging the having observed (not shown) object, which is formed by a conventional lens 2, before that a focusing system 3 can be set up in such a way that, if necessary, the field of view is enlarged without changing the dimensions and the position of the pupil of the lens 2. The camera points a device unit which, on the one hand, consists of a concave grating 4 and, on the other hand, of a mask 6 exists, which is connected or cemented to a spherical mirror 7, the mask 6 and the The pupil of the objective lies on the Rowland circle of the grating 4. In the present case, the polychrome Ray bundle 5 collected by objective 2 diffracted by concave grating 4; the diffracted rays are then filtered by the mask 6.

Die Maske 6 wählt drei mehr oder weniger monochromatische Strahlenbündel B, V und R aus, von denen das erste im blauen, das zweite im grünen und das dritte im roten Bereich liegt.The mask 6 selects three more or less monochromatic beams B, V and R , the first of which is in the blue, the second in the green and the third in the red area.

Die drei Strahlenbündel B, V und R werden in an sich bekannter Weise auf einem Linsenraster 8 (Fig. 2) gesammelt, der aus halbzylindrischen Linsen 11 besteht, deren bildseitige Brennebene mit der Kathode 9 einer Analysatorröhre 10 zusammenfällt.The three bundles of rays B, V and R are collected in a manner known per se on a lens grid 8 (FIG. 2), which consists of semi-cylindrical lenses 11, the image-side focal plane of which coincides with the cathode 9 of an analyzer tube 10.

Das I insenrastersystem 8 entwirft auf der Kathode 9 durch die drei Strahlenbündel Ö, V und R drei monochromatische Bilder i_n, i_v bzw. i_R, der die drei Strahlenbündel unter verschiedenen Winkeln einfallen. The I insenrastersystem 8 designs on the cathode 9 through the three bundles of rays Ö, V and R three monochromatic images i _n , i _v and i _R , to which the three bundles of rays are incident at different angles.

Die parallelen Linien des konkaven Gitters 4 verlaufen vertikal, um eine Verteilung der Bilder i'_fl, i_v bzw, /„ entlang der horizontalen Achse der Maske 6 und eine waagerechte Ausrichtung dieser Bilder zu erhalten.The parallel lines of the concave grid 4 run vertically in order to obtain a distribution of the images _i'fl , i _v or, / "along the horizontal axis of the mask 6 and a horizontal alignment of these images.

Somit wird jeder Punkt des betrachteten Objekts auf der Kathode 9 in eine Gruppe von drei monochromatischen, miteinander zusammenhängenden Bildern zerlegt.Thus, each point of the observed object on the cathode 9 is divided into a group of three monochromatic, disassembled related images.

Mann kann somit sowohl die spektrale Lage und Breite als auch die Intensität der drei Bilder durchYou can see the spectral position and width as well as the intensity of the three images

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entspreciiende Lage und Größe der öffnungen in der Maske 6 beliebig wählen.Corresponding position and size of the openings in the Choose any mask 6.

Allgemein gesprochen liefert die Kamera 1 von dem beobachteten Objekt ein Bild, dessen Helligkeit in jedem Punkte gleich dem Produkt der Helligkeit des entsprechenden Objektpunktes mit einem Übertragungskoeffizienten ist, der von der betrachteten Wellenlänge abhängt und der somit eine Funktion der Maske 6 ist.Generally speaking, the camera 1 delivers an image of the observed object, its brightness in each point equal to the product of the brightness of the corresponding object point with a transfer coefficient which depends on the wavelength under consideration and which is therefore a function of the mask 6.

Dieser Übertragungskoeffizient läßt sich von einer Übertragungsfunktion der Kamera herleiten, die ihrerseits eine komplexe oder zusammengesetzte Funktion aus der Funktion der Pupille und der Funktion der Maske ist. Die Maske 6 ist in der praktischen Ausführungsform eine Platte, die mit Löchern versehen ist, deren Umrisse sehr unterschiedlich gestaltet sein können, die aber im allgemeinen symmetrisch in bezug auf die Beugungsebene sind (welche durch die Achsen der Strahlenbündel B, V und R in der Kamera nach Fig. 2 definiert sind), wobei die Funktion der Maske die freie Höhe der öffnungen darstellt.This transfer coefficient can be derived from a transfer function of the camera, which in turn is a complex or composite function of the function of the pupil and the function of the mask. In the practical embodiment , the mask 6 is a plate provided with holes, the outlines of which can be designed very differently, but which are generally symmetrical with respect to the diffraction plane (which is defined by the axes of the beams B, V and R in FIG Camera according to FIG. 2 are defined), the function of the mask representing the free height of the openings.

Ausgehend von einem gegebenen Übertragungs koeffizienten kann man also die Funktion der Maske, d. h. die Kontur der drei öffnungen der Maske 6, so bestimmen, daß die Kamera 1 den gewünschten Übertragungskoeffizienten hat. Starting from a given transmission coefficient, the function of the mask, ie the contour of the three openings of the mask 6, can be determined in such a way that the camera 1 has the desired transmission coefficient .

Die Analyse der monochromatischen Elementarbilder i_B. i_v und /_s, die auf der Kathode 9 gebildet werden, kann in der üblichen Weise dadurch vorgenommen werden, daß man den Lichtfleck der Analysatorröhre über jede der aufeinanderfolgenden Gruppen von drei monochromatischen Bildern hinweggehen läßt, indem man z. B. η-Zeilen in waagerechter Richtung abtastet.The analysis of the monochromatic elementary images i _B. i _v and / _s formed on the cathode 9 can be made in the usual way by making the light spot of the analyzer tube pass over each of the successive groups of three monochromatic images by e.g. B. scans η lines in the horizontal direction.

Im Zuge dieser fotometrischen Punktanalyse liefert der Lichtfleck der Analysatorröhre 10. die /. B. eine Orthikon-Röhre ist, ein zusammengesetztes Video-Signal, das ein Bildsynchronisationssignal, ein /eilensynchronisationssignal und Videoinformatioiien umfaßt, die durch eine Gruppe von Impulsen dargestellt werden.In the course of this photometric point analysis, the light spot of the analyzer tube 10 delivers the /. B. is an orthicon tube, a composite one Video signal that includes a frame sync signal, a line sync signal, and video information which are represented by a group of pulses.

Im vorliegenden Falle einer Dreifarbenanalyse wird die Gruppe von Impulsen durch drei Impulse gebildet, von denen je einer einer der Primärfarben Blau bzw. Grün bzw. Rot zugeordnet ist.In the present case of a three-color analysis, the group of impulses is divided by three impulses formed, each of which is assigned to one of the primary colors blue or green or red.

Demzufolge können diese verschiedenen Informationen je nach dem gewünschten Resultat in unterschiedlicher Art und Weise weiterverarbeitet werfen. Die vorliegende Erfindung bezieht sich nicht auf diese Weiterverarbeitung der Information, und diese Frage wird nachstehend nicht weiter behandelt.As a result, these different pieces of information can be transformed into different ones depending on the desired result Throw processed way. The present invention does not relate to these Further processing of the information, and this question is not discussed further below.

Fig. 3 zeigt schematisch ein spektrofotografisches Analysiergerät, wobei diejenigen Teile des Analysiergerätes, die mit denjenigen der Fig. 1 gleich sind, die gleichen Bezugszeichen haben. Fig. 3 shows schematically a spectrophotographic analyzer, those parts of the analyzer which are the same as those of Fig. 1 have the same reference numerals.

Das zu beobachtende Objekt ist im vorliegenden Fall ein Diapositiv 12, das durch einen Projektor 13 beleuchtet wird. In the present case, the object to be observed is a slide 12 which is illuminated by a projector 13.

Ein Bild des Diapositivs IZ wird auf dem konkaven Gitter 4 mit Hilfe eines sphärischen Spiegels 14 entworfen, der mit einer Blende 15 versehen ist, welche die Eintrittspupille 16 der Vorrichtung bestimmt, die vorzugsweise im mittleren Teil des Spiegels 14 liegt.An image of the slide IZ is drawn on the concave grating 4 with the aid of a spherical mirror 14 which is provided with a diaphragm 15 which defines the entrance pupil 16 of the device, which is preferably located in the central part of the mirror 14.

Das konkave Gitter 4 beugt die empfangenen Strahlen in Richtung zur Maske 6 hin, mit der ein sphärischer Spiegel 7 verbunden oder verkittet ist, wobei die Maske 6 und die Pupille 16 auf dem Rowlandschen Kreis des konkaven Gitters 4 liegen. Sowohl die Maske 6 mit ihrem zugeordneten Spiegel 7 als auch das Gitter 4 sind austauschbar, ohne daß sich das Ergebnis ändert, vorausgesetzt, daß die Maske 6 und die Pupille 16 auf dem Rowland-Kreis des konkaven Gitters 4 verbleiben.The concave grating 4 bends the received rays in the direction of the mask 6 , to which a spherical mirror 7 is connected or cemented, the mask 6 and the pupil 16 lying on the Rowland's circle of the concave grating 4. Both the mask 6 with its associated mirror 7 and the grating 4 are interchangeable without changing the result, provided that the mask 6 and the pupil 16 remain on the Rowland circle of the concave grating 4.

Das Bild des Gitters 4 wird mit Hilfe eines entfernbaren Plan-Spiegels 18· auf einer Unterlage 17,The image of the grid 4 is created with the aid of a removable plane mirror 18 on a base 17,

ίο die eine fotoempfindliche Platte trägt, entworfen. Dieses Bild kann aber auch, nachdem der Strahlengang eine Feldlinie 20 und ein Vergrößerungsobjektiv 21 durchlaufen hat, auf dem Schirm 19 entworfen werden.ίο that carries a photosensitive plate, designed. This image can, however, also after the beam path has a field line 20 and a magnifying lens 21 has to be designed on the screen 19.

Wie im Falle der Kamera nach Fig. 1 ist die Übertragungsfunktion des Geräts eine zusammengesetzte Funktion, die aus der Funktion der Maske und der Funktion der Pupille gebildet ist.As in the case of the camera of FIG. 1, the Transfer function of the device is a composite function resulting from the function of the mask and the function of the pupil is formed.

Die Maske wird in diesem Fall so berechnet, daßIn this case the mask is calculated so that

ao sie gleichzeitig ein oder mehrere Wellenlängen auswählt, die nach Maßgabe der spektralen Untersuchung, die durchgeführt werden soll, festgelegt sind.ao it selects one or more wavelengths at the same time, determined according to the spectral investigation to be carried out are.

Selbstverständlich kann man an Stelle des Diapositivs 12 eine beliebige Vorlage verwenden.Of course you can instead of the slide 12 use any template.

Wenn es sich um ein in unendlichem Abstand gelegenes Objekt handelt, muß man den Strahlengang mit Hilfe des Objektivs 21 auf die Fcldlinse 20 fokussieren, und das Gerät arbeitet dann in umgekehrter Richtung. Die Maske 6 spielt dann die Rolle der Eintritlspupille, wobei das Gitter 4 die Strahlen in Richtung auf die Blende 15 beugt, die die gewählte Wellenlänge bzw. den gewählten spektralen Bereich bestimmt.If it is an object at an infinite distance, you have to use the beam path focus on the field lens 20 with the aid of the objective 21, and the device then works in reverse Direction. The mask 6 then plays the role of the entrance pupil, the grating 4 showing the rays in The direction of the diaphragm 15 bends the selected wavelength or the selected spectral range definitely.

Der Spiegel 14 fokussiert dann das Bild des Gitters auf einem Schirm oder auf eine (nicht dargestellte) fotoempfindliche Platte, die dann in der Ebene des Diapositivs 12 angeordnet wird. Der Strahlengang verläuft dann entgegen der in Fig. 3 angegebenen Pfeilrichtung.The mirror 14 then focuses the image of the grating on a screen or on a photosensitive plate (not shown), which is then in the plane of the Slide 12 is arranged. The beam path then runs counter to that indicated in FIG. 3 Direction of arrow.

Diese Besonderheit, des Geräts macht es überflüssig, die gesamte Einheit vcn Objektiv 21 und Linse 20 an die Stelle des Projektors 13 einzusetzen, wenn man ein fernliegendes Objekt studieren will.This special feature of the device makes it superfluous to use the entire unit of objective 21 and lens 20 in place of the projector 13, if you want to study a distant object.

Unter den verschiedenen Anwendungsmöglichkeiten dieses Geräts ist u. a. diejenige zu erwähnen. Farbtöne kinematografischer Farbfilme auszugleichen bzw, aufeinander abzustimmen, die für das Farbfernsehen verwendet werden, ferner die Farbe zu bestimmen, die für ein Bild verwendet werden soll, wenn man im Bereich 'ler Kunst, der Fotografie oder der Kinematografie spezielle Effekte erzielen will. Schließlich können auch schnelle Spektralanalysen bei der Prüfung von Lebensmitteln, Mc-The various uses of this device include: the one to mention. To compensate for the color tones of cinematographic color films or to coordinate them for color television can also be used to determine the color to be used for an image, when you achieve special effects in the field of art, photography or cinematography want. Finally, fast spectral analyzes can also be used when testing foodstuffs, Mc-

lallen, Textilstoffen u. dgl. durchgeführt werden.lallen, textiles and the like.

Claims

Patent claims:

1. A device for the spectral analysis of objects, characterized in that an optical device (2, 3 or 14 to 16) for imaging the object on a concave grating (4) and a concave mirror (7) for imaging the grating (4 ) or for imaging the object, a mask (6) being arranged on the concave mirror (7) .

which is designed to select at least one limited band of wavelengths, and that also the entrance pupil (2 or 16) and the mask (6) on the Rowland circle of the concave Grid (4).

2. Apparatus according to claim 1 for achieving color television recordings, characterized in that a lens (2 or 14) and a mask (6) are arranged in the camera housing (1), the mask (6) selecting three spectral ranges, which Im Blue, in the OfUn or in red, that a spherical mirror (?) Is also provided, which is attached behind the mask (6) and rests against it, and that the receiving surface (9 or 19) through the cathode of the Ana - Lysatorröhre (10) is formed and the device for focusing the beam path coming from the mask (6) or from the grid (4) consists of a lenticular system (S) whose grid plane is in the image plane of the grid * o and whose focal plane on the image side coincides with the cathode (9) of the analyzer tube.

3. Apparatus according to claim 1, characterized in that the device for focusing of the beam path coming from the object consists of a spherical mirror (14) which is provided with a diaphragm (15, 16) which represents the entrance pupil of this device (Fig. 3).

4. Apparatus according to claim 3, characterized in that the receiving surface (17) is a photosensitive plate.

5. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Aufnahmefläche ein Schirm (19) ist und die Vorrichtung zur Fokussierung des Bildes des zu beobachtenden Objekts aus einem Objektiv (21) in Verbindung mit einer Feldlinie (20) besteht.5. Apparatus according to claim 3, characterized in that the receiving surface is a Screen (19) and the device for focusing the image of the object to be observed consists of an objective (21) in connection with a field line (20).

6. The device according to claim 3 *, characterized in that a distant object to be observed is imaged on the entrance pupil (mask 6 'of the device through a suitable lens, preferably used by the sons for imaging the intermediate image ( lens system (20, 21; Fig . 3).

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen1 sheet of drawings