DE19706050A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Spektralmessung von schnell bewegten Objekten - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vor­ richtung zur Spektralmessung von schnell bewegten Objekten nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 und des nebengeordneten Anspruchs 2.

Um an schnell bewegten Objekten präzise Spektralmes­ sungen vornehmen zu können, müssen alle Wellenlängen simultan detektiert werden und zugleich muß sicherge­ stellt werden, daß alle Detektoren Licht aus dem gleichen Raumgebiet angeboten bekommen, da sonst räumliche Helligkeitsunterschiede als Wellenlängen­ information mißinterpretiert werden.

Für preisgünstige Linienspektrometer sind zwei Bau­ weisen zur zeitgleichen Erfassung diskreter Wellen­ längen üblich. Bei der ersten Variante wird mittels eines Beugungsgitters eine Dispersion erzeugt. Das Gitter zerlegt das Infrarotlicht in seine spektralen Anteile. Diese werden mit Hilfe eines Diodenarrays oder einzelner Photodioden detektiert. Mit dieser Anordnung ist sichergestellt, daß alle Photodioden das gleiche Objekt detektieren und sich das auftref­ fende Licht nur in seinen spektralen Eigenschaften unterscheidet. Die Nachteile dieser Anordnung sind der vergleichsweise hohe Preis für ein Beugungsgitter und der große Aufwand für die Justage.

Die zweite Variante verwendet Strahlteiler, um zu gewährleisten, daß alle Detektoren Licht des gleichen Ortes detektieren. Die Strahlteiler teilen das vom Objekt reflektierte bzw. transmittierte Licht in meh­ rere Strahlen gleicher Intensität auf. Mit Hilfe von Interferenzfiltern können die spektralen Eigenschaf­ ten des Objekts bestimmt werden. Wie beim Beugungs­ gitter wird bei diesem Aufbau die Ortsauflösung voll­ ständig beseitigt, das heißt jeder Detektor wird von Licht, das vom selben Ort kommt, bestrahlt. Auch die­ se Methode ist recht kostenaufwendig, da die Strahl­ teiler vergleichsweise teuer sind. Als Nachteil kommt hinzu, daß die Optik sehr große Ausmaße annimmt und es schwieriger ist, eine große Optik mechanisch sta­ bil zu bauen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfah­ ren bzw. eine Vorrichtung zur Spektralmessung von schnell bewegten Objekten zu messen, die in der Lage sind, zeitgleich Intensitäten bei mehreren Wellenlän­ gen von Licht bzw. von der Strahlung eines Ortes zu messen, wobei die Vorrichtung kostengünstig, leicht zu montieren und massenproduktionstauglich sein soll.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die kenn­ zeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 und des Neben­ anspruchs 2 in Verbindung mit den Merkmalen der Ober­ begriffe gelöst.

Dadurch, daß bei dem erfindungsgemäßen Verfahren bzw. bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung die reflektier­ te bzw. transmittierte Strahlung unscharf, das heißt durch eine unscharfe Abbildung in die Faser eingekop­ pelt wird und diese unscharfe Abbildung in die Faser mit der durch Mischung in der Faser kombiniert wird, wird die Ortsauflösung vollständig aufgehoben. Dafür werden aber keine teueren optischen Bauelemente, wie Beugungsgitter benötigt. Aufgrund des erfindungsgemä­ ßen Aufbaus können kleine Abmessungen gewählt werden und die Montage ist relativ leicht. Dadurch kann die erfindungsgemäße Vorrichtung als Massenprodukt die­ nen.

Durch die in den Unteransprüchen angegebenen Maßnah­ men sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesse­ rungen möglich. Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Ansicht eines Aus­ führungsbeispiels der erfindungsgemä­ ßen Vorrichtung, und

Fig. 2 eine Vorderansicht der in Fig. 1 ver­ wendeten Empfängeranordnung.

Die in Fig. 1 dargestellte Vorrichtung weist eine Lichtquelle 1 auf, die als Halogenlampe mit einem sehr breiten Spektrum ausgebildet ist. Das von der Halogenlampe 1 ausgesandte Licht wird durch eine Lin­ se 2 in ein paralleles Strahlenbündel umgewandelt, das ein schematisch dargestelltes Objekt 3 bestrahlt. Dieses Objekt 3 bewegt sich schnell an der Bestrah­ lungsstelle vorbei, so daß eine schnelle Spektralmes­ sung aller Wellenlängen bzw. aller gewünschten Wel­ lenlängen simultan vorgenommen werden muß.

Das vom Objekt 3 reflektierte Licht wird mit einer Konvexlinse 4 gesammelt und in eine Faser eingekop­ pelt. Im Ausführungsbeispiel wird das aus der Faser 5 austretende Licht mit Hilfe einer Konvexlinse 6 parallel gemacht und auf eine Interferenzfilteranord­ nung 7 gegeben. Die Umwandlung in parallele Strahlen durch die Konvexlinse 6 ist aber nur dann von Bedeu­ tung, wenn schmalbandige Interferenzfilter verwendet werden. Der Filteranordnung 7 ist eine Empfängeran­ ordnung nachgeschaltet, die im vorliegenden Fall als Photodiode ausgebildet ist. Im vorliegenden Ausfüh­ rungsbeispiel sind vier verschiedene Interferenzfil­ ter 7 vorgesehen, wobei entsprechend diesen vier ver­ schiedenen Interferenz filtern eine Quadrantenphoto­ diode 9 als Empfängeranordnung verwendet wird, wobei entsprechend Fig. 2 vorzugsweise die Interferenzfil­ ter 7 direkt auf das Fenster der Quadratenphotodiode 9 aufgedampft sind. Die vier Detektoren der Quadran­ tenphotodiode 9 detektieren die Intensitäten der vier Wellenlängen und geben diese Signale an eine Verstär­ kerelektronik 10 weiter. Die Interferenzfilter können auch direkt auf die Photodiode aufgedampft sein.

Da alle Detektoren der Quadrantenphotodiode 9 die Strahlung aus jeweils dem gleichen Raumgebiet angebo­ ten bekommen müssen, darf auf der Quadrantenphotodio­ de keine örtliche Zuordnung zu dem Objekt 3 vorhanden sein. Dies wird dadurch erreicht, daß die von dem Objekt 3 reflektierte Strahlung durch die Konvexlinse 4 unscharf in die Faser eingekoppelt wird, das heißt durch die unscharfe Abbildung in die Faser 5 wird die Ortsauflösung hinsichtlich des Objektes zumindest zum Teil verwischt. Da an den Begrenzungsflächen der Faser 5 das aus verschiedenen Raumwinkeln einge­ strahlte Licht mit unterschiedlichen Winkeln reflek­ tiert wird, durchmischt die Faser zusätzlich das aus verschiedenen Raumwinkeln eingestrahlte Licht. Auf diese Weise wird die Ortsauflösung der Anordnung auf­ gehoben.

Wie aus Fig. 2 zu erkennen ist, sind die Interferenz­ filter im Ausführungsbeispiel als vier Segmente aus­ gebildet, die jeweils vier Detektoren der Photodiode 9 zugeordnet sind. Selbstverständlich sind andere Formen der Interferenzfilter und der Empfänger sowie eine unterschiedliche Anordnung derselben denkbar.

Claims (7)

1. Verfahren zur Spektralmessung von schnell beweg­ ten Objekten, bei dem das Objekt mit Strahlung eines breiten Spektrums beleuchtet wird und vom Objekt reflektierte oder transmittierte Strah­ lung auf eine Empfängeranordnung derart geleitet wird, daß die gesamte Empfängeranordnung Strah­ lung aus dem gleichen Raumgebiet empfängt, wobei die Strahlung spektral aufgeteilt wird, dadurch gekennzeichnet, daß die vom Objekt reflektierte oder transmit­ tierte Strahlung in einer unscharfen Abbildung in eine Faser eingekoppelt wird, in der die aus verschiedenen Raumwinkeln eingestrahlte Strah­ lung durchmischt wird und daß nach Austritt aus der Faser die Strahlung spektral gefiltert wird.

2. Vorrichtung zur Spektralmessung von schnell be­ wegten Objekten mit einer das Objekt bestrahlen­ den Strahlungsquelle (1) mit einem breiten Spek­ trum, einer Anordnung zum Weiterleiten der vom Objekt reflektierten oder transmittierten Strah­ lung, einer Anordnung zur spektralen Zerlegung der Strahlung und einer Empfängeranordnung, wo­ bei die Anordnung zum Weiterleiten die Strahlung derart weiterleitet, daß der gesamten Empfänger­ anordnung Strahlung aus demselben Raumgebiet angeboten wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung zum Weiterleiten eine Linse (4) und eine Faser (5) umfaßt, wobei die vom Objekt (3) reflektierte oder transmittierte Strahlung über die Linse (4) in unscharfer Ab­ bildung in die Faser (5) eingekoppelt wird, die zusätzlich die aus verschiedenen Raumwinkeln eingestrahlte Strahlung durchmischt.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Anordnung zur spektralen Zer­ legung der Strahlung Interferenzfilter (7) auf­ weist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Empfängeranordnung eine Photodiode (8) ist.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Interferenzfil­ ter (7) auf ein Fenster einer mehrere Detektoren aufweisenden Photodiode (9) oder direkt auf die­ se aufgebracht sind.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Photodiode eine Quadrantenpho­ todiode (9) ist und vier Interferenzfilter auf das Fenster aufgedampft sind.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Strahlungsquelle eine Halogenlampe (1) ist.