Die Erfindung betrifft ein Verfahren gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1 und eine
Einrichtung gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 4.
Die gattungsgemäßen Maßnahmen sind etwa aus den Beiträgen von I. Ghilczy et al "Tri
stimulus colorimetry with CCD cameras for video display units" in Proc. Eurodisplay
1993, Beitrag VIQ-P6 (Seiten 427 bis 430), oder von I. Réti et al "Filter matching for ima
ging colorimetry" in Optical Engineering Vol. 32 No. 10 Seiten 2578 bis 2580, bekannt. Sie
beruhen darauf, typisch drei (u. U. auch vier) individuell angepaßte Farbfilter nacheinander
in den Strahlengang vom Test-Objekt zum Helligkeitsmeßgerät hineinzuschwenken und so
die aktuelle Helligkeit für die jeweilige dieser drei (oder vier) Grundfarben zu erfassen.
Die Anpassung der spektralen Empfindlichkeit der drei (oder vier) Kanäle an die dort dar
gestellte Spektralwertfunktionen CIE x(lambda), y(lambda) und z(lambda) muß aber insbe
sondere für die Messung der farbmetrischen Charakteristika von Selbstleuchtern, zu denen
auch elektronische Bildschirme auf der Basis der Kathodenstrahlröhren oder auf der Basis
von hinterleuchteten Flüssigkristall-Anzeigen gehören, sehr genau erfolgen (H. Terstiege,
D. Gundlach, "Characterizing the quality of colorimeters", SID 1991 Digest, pp. 641). Um
eine solche Anpassung durchzuführen, müssen deshalb die spektralen Empfindlichkeiten
der Detektorelemente sehr genau ermittelt werden, was einen sehr zeitraubenden und ar
beitsintensiven Anpassungsprozess bedingt (vergleiche I. Résti, et. al.).
Die Genauigkeit einer spektralen Anpassung der opto-elektrischen Empfänger im Meßgerät
mit vorgeschalteten Farbglasfiltern läßt sich zwar umso genauer realisieren, je kleiner die
Gesamttransmission der Filter wird. Damit wird aber das Signal-Rausch-Verhältnis der
Meßeinrichtung oft unzulässig verschlechtert.
Eine weitere in der Praxis stark einschränkende Randbedingung ist durch die Forderung
gegeben, daß alle Filter, die z. B. für eine Kamera als dem Intensitäts-Meßgerät gefertigt
werden, gleiche optische Dicke aufweisen müssen, damit die Fokuslage der Abbildung auf
dem Detektor-Array der Kamera bei allen Filtern die gleiche bleibt.
Trotz aller Aufwendungen kann eine spektrale Anpassung mit Farbglasfiltern bei hinrei
chender Genauigkeit nur jeweils für eine spezifische spektrale Detektorempfindlichkeit
durchgeführt werden. Jegliche Abweichung von dieser, der Anpassung zugrunde gelegten,
Empfindlichkeitsfunktion bedingt einen neuen zeitaufwendigen Anpassungs- und Optimie
rungsprozeß für alle im Strahlengang vor dem Meßgerät zu verwendenden Filter.
Jedoch ist nicht nur die Erfassung von farbmetrischen Charakteristika einer strahlenden
Fläche von technischem Interesse; immer stärker trifft man auch eine manchmal durchaus
gewollte, andererseits aber nur schwer zu vermeidende Verschiebung von Farbeindrücken
mit der Betrachtungsrichtung an. Solche Effekte werden beispielsweise zur Erhöhung der
Fälschungssicherheit von Geldscheinen und anderen Dokumenten durch Anwendung von
Sicherheits-Druckfarben oder -Schreibtinten eingesetzt, aber auch zur Erhöhung der At
traktivität von Konsumgüter-Produkten wie im Falle etwa der Effektlacke bei Automobilen
oder tragbaren Telefonen; oder man erfährt sie als nicht-ideale, ungewollte, aber durch
technische Zusammenhänge gegebene Abhängigkeiten, wie zum Beispiel in Form der Ver
schiebung von Farbeindruck und Leuchtdichte in Abhängigkeit von der Betrachtungsrich
tung bei Bildschirmen auf der Basis von Flüssigkristall-Zellen.
Allgemein ist es oft wünschenswert, aus der Aufnahme einer zweidimensionalen Strah
lungsverteilung lichttechnische Kennwerte wie etwa die Leuchtdichte oder die Farbkoordi
naten bestimmen zu können, um so den apparativen und zeitlichen Aufwand des her
kömmlichen flächigen Abtastens mittels motorisch gesteuerter mechanischer Filter-Verstellelemente
im Strahlengang vom Objekt zum Meßgerät reduzieren zu können. In der
Erkenntnis dieser Anforderungen der Praxis, auch etwa hinsichtlich schnell aber reprodu
zierbar durchzuführender Messungen von Farbort und Leuchtdichte beliebiger Testobjekte
(emissiver, transmissiver und reflektiver Art) als Funktion der Betrachtungsrichtung ohne
aufwendige motorisierte mechanische Detektor-Verstellelemente und simultan zum glei
chen Zeitpunkt oder zumindest zeitnah (um so Intensitätsvariationen während eines zeitlich
ausgedehnten Abtastvorgangs auszuschließen), liegt die Aufgabenstellung zu vorliegender
Erfindung.
Diese Aufgabe ist gemäß den Hauptansprüchen dadurch gelöst, daß die Messung nicht
mehr aus einer Meßserie mit typisch drei (oder allenfalls vier) alternativ in den Strahlen
weg eingeschwenkten diskreten Filter besteht. Vielmehr wird nun auf einen mechanischen
Filterwechsel ganz verzichtet und stattdessen ein als solches bekanntes elektrisch durch
stimmbares optisches Bandpass-Filter (ein sog. Monochromator) eingesetzt, um für vorge
gebene Beobachtungsrichtungen bezüglich des Objekts bei stufenloser Farbvorgabe jeweils
eine genaue farbmetrische Beschreibung aufnehmen zu können.
Bei dem Verfahren und der Einrichtung zum Bestimmen der spektralen Zusammensetzung
und daraus ableitbarer farbmetrischer Kenngrößen von selbststrahlenden oder reflektiv
strahlenden Objekten werden also nach vorliegender Erfindung die Intensitäten der vom
Test-Objekt aufnehmbaren Strahlung nacheinander für unterschiedliche Spektralbereiche
durch ein unmittelbar elektrisch einstellbares Farb-Filter hindurch gemessen. Hierbei kann
der Abstand der Mittenwellenlängen des optischen Bandpasses den jeweiligen Erfordernis
sen und Genauigkeitsansprüchen angepaßt werden und so die zur Messung und Auswer
tung erforderliche Zeitdauer optimiert werden. Diese Lösung zeichnet sich durch genauere
Arbeitsweise bei dennoch größerer Zuverlässigkeit des Meßergebnisses aus, verglichen mit
dem herkömmlichen, sukzessiven Einschwenken von drei oder vier individuellen Farbfil
tern in den Strahlengang zunächst zum Kalibrieren und dann auch wieder zum Messen.
Um die Richtungsabhängigkeit der Farbsättigung mit zu erfassen, werden konisch vom
Test-Objekt ausgehende, in sich parallele Bündel von Elementarstrahlen zunächst mittels
einer großaperturigen Sammel-Linse als "konoskopische Figur" in deren bildseitiger Fo
kalebene abgebildet, um dann diese - vorzugsweise depolarisiert - durch das Farb-Filter mit
elektrisch durchstimmbarem optischem Bandpaßverhalten hindurch auf ein Detektor-Array
zu projizieren. So können ohne bewegliche Elemente oder Einstellungserfordernisse im
Strahlengang für unterschiedliche Betrachtungsrichtungen die unterschiedlichen Farbinten
sitäten selektiv aufgenommen werden. Dadurch werden objektspezifische Richtungsabhän
gigkeiten von Leuchtdichte und Farbe gleichzeitig erfaßt, da die konisch von einem Flä
chenelement am Test-Objekt ausgehenden, in sich parallelen Elementarstrahlenbündel
mittels der großaperturigen fokussierenden Optik strahlengeometrisch so transformiert
werden, daß jeder Punkt in der hinteren Brennebene der Transformationslinse einer Aus
breitungsrichtung des von dem Meßfleck kommenden Lichtes entspricht. Die so entstehen
de farbige Figur, "konoskopische Figur" genannt, enthält die komplette Information über
die Variation von Leuchtdichte und Farbe des vom Meßfleck ausgehenden Lichts in Ab
hängigkeit von der Betrachtungsrichtung in einer zweidimensionalen Darstellung. Sie wird
für eine quantitative Auswertung nach Farbe und Intensität (Leuchtdichte) auf das Detek
tor-Array des nachfolgenden Meßgerätes projiziert.
Diese Transformation von Lichtausbreitungsrichtung in die flächige Darstellung einer ko
noskopische Figur mittels einer Linse mit großer Apertur ist aus der DE-AS 14 72 290
(dort insbesondere. Fig. 2) als solche vorbekannt. Die Transformationsoptik fokussiert die
einzelnen vom erfaßten Flächenelement des Test-Objektes konisch ausgehenden parallelen
Elementarstrahlenbündel in eine Abbildungsebene, in welcher dann jeder Punkt strahlen
geometrisch der Abstrahlrichtung eines der Strahlenbündel zugeordnet ist.
Zusätzliche Weiterbildungen und Alternativen sowie weitere Merkmale und Vorteile der
Erfindung ergeben sich aus nachstehender Beschreibung eines auf das Wesentliche abstra
hierten Ausführungsbeispiels für eine erfindungsgemäße Einrichtung zum Ausüben des
erfindungsgemäßen Verfahrens.
Die einzige Figur der Zeichnung zeigt das Prinzip des erfindungsgemäßen Einsatzes eines
durchstimmbaren Farbfilters im Strahlengang hinter einem Test-Objekt, dessen farbmetri
schen Kennwerte über einen opto-elektrischen Wandler ermittelt werden.
Im Strahlengang 11 zwischen einem Test-Objekt 12 und einem Meßgerät 13 liegt ein ein
stellbares Farb-Filter 14. Das Objekt 12 ist eine beispielsweise im sichtbaren Spektrum
wirkende Strahlungsquelle. Diese kann gleichermaßen etwa als strahlungsemittierende
Halbleiterdiode selbst-strahlend (also optisch aktiv) oder als Flüssigkristallanordnung
transmissiv strahlend bzw. als bedruckte Oberfläche reflektierend (also optisch passiv)
sein. Das Meßgerät 13 ist der Strahlenausbreitung entgegen gerichtet, nimmt also die Ab
strahlung vom Objekt 12 durch das Filter 14 hindurch auf. Dieses dient als elektrisch ein
stellbarer optischer Bandpaß und beschränkt dadurch die Messung auf einen bestimmten
auswählbaren Spektralanteil der Strahlung.
Wenn der auszumessende Spektralanteil des das Meßgerät 13 erreichenden Lichts geändert
werden soll, um die Strahlungsintensität des Test-Objekts 12 auch für andere Spektralge
biete zu erfassen, wird somit nun im Gegensatz zu den Vorkehrungen nach dem Stand der
Technik das Filter 14 nicht mehr körperlich ausgetauscht, sondern es wird erfindungsge
mäß ein Filter 14 angewandt, dessen spektrale Durchlaßcharakteristik sich mittels einer
elektrischen Ansteuerung 15 kontinuierlich verändern läßt. Wenn auch das Meßgerät 13
möglichst unabhängig von der momentanen Intensität der aufgenommenen Strahlung ar
beitet, wird doch vorzugsweise die Mittenwellenlänge 29 der momentanen Farbvorgabe
aus der Ansteuerung 15 auch in das Meßgerät 13 bzw. in eine ihm nachgeschaltete Aus
werte-Elektronik 28 eingegeben, schon um für weitere Auswertungen die aktuell gemesse
ne Strahlungsintensität in einem vom Meßgerät 13 oder der Auswerteeinheit 28 auszuge
benden Meßprotokoll der momentanen Durchlaßwellenlänge des Filters 14 zuordnen zu
können.
Die in der Praxis unvermeidbaren Nichtidealitäten der spektralen Transmission des opti
schen Bandpassfilters 14 werden einmal zusammen mit der nicht-ideal konstanten spek
tralen Empfindlichkeit der Empfängeranordnung des Meßgerätes 13 individuell für jede
Kombination von Bandpaß 14 und Empfänger 13 als Funktion der Wellenlänge des Lichts
ausgemessen und können dann bei der Auswertung 28 numerisch kompensiert werden.
Ein solches elektrisch durchstimmbares Farb-Filter 14 mit Bandpaßverhalten kann eine
Interferometeranordnung sein, wie sie unter der Handelsbezeichnung "SpectraCube" am
Markt ist. Für den Einbau in den Strahlengang 11 vorteilhafter, da flacher bauend, sind die
sog. Lyot- oder Solc-Filter 14 mit elektrisch steuerbaren doppelbrechenden Elementen.
Mittels eines einzelligen Meßgerätes 13 können die farbmetrischen Kenngrößen eines Ob
jektes 12 für das Integral der Strahlungsintensität von dessen erfaßter Elementarfläche 21
ermittelt werden, nämlich über alle Abstrahlungs- oder Betrachtungsrichtungen dieser
Elementarfläche 21 gemittelt. Für eine richtungsselektive Messung dagegen wird die ko
nisch sich aufweitende Abstrahlung 20-20 vom Objekt 12 mittels einer dafür hinreichend
großaperturigen Konvergenz-Linse 17 in deren bildseitige Fokus- oder Abbildungsebene
18 projiziert. In dieser entspricht dadurch, also aufgrund der Strahlengeometrie durch die
Linse 17, jeder Punkt 19 dem Abstrahlwinkel eines der Elementar-Strahlen 20, die emissiv
oder reflektiv vom Test-Objekt 12 ausgehen. Die dadurch in der Bildebene 18 erzeugte
sog. konoskopische Figur wird mittels einer zweiten Optik 22 auf ein nun nicht einzellig
arbeitendes Meßgerät, sondern auf ein Array-Meßgerät 13 projiziert, etwa eine nicht far
bempfindliche CCD-Flächenkamera. Dadurch ist dort jedes deren Empfänger- oder De
tektorelemente (in der Skizze nicht eigens dargestellt) einem bestimmten Abbildungspunkt
19 (oder mehreren einander benachbarten Punkten 19, über deren Intensitäten dann in die
sem Detektorelement gemittelt wird), und somit auch einer bestimmten Abstrahlrichtung
am Test-Objekt 12 (bzw. einem engen Bündel von Abstrahlrichtungen) strahlengeome
trisch eindeutig zugeordnet. Das elektrische Ausgangssignal 24 des jeweiligen Detekto
relementes im Detektorarry des Meßgerätes 13 ist deshalb ein Maß für die Strahlungsinten
sität in der bestimmten Richtung des diesem Abbildungs-Punkt 19 zugeordneten Elemen
tar-Strahles 20 über einen gewissen engen Spektralbereich, der am Filter 14 eingestellt
wurde.
Durch Blenden 23 im Strahlengang 11 können je nach deren Apertur und Positionierung
bezüglich der optischen Systemachse die Lage und Größe der auf dem Test-Objekt 12 er
faßten Elementarfläche 21 bestimmt oder bestimmte Abbildungs-Punkte 19 - also ausge
wählte Elementarstrahlrichtungen 20 vom Objekt 12 - ausgeblendet werden. Beispielswei
se führt eine Blende 23 im Bereich der konoskopischen Figur, da in deren Abbildungsebe
ne 18 jeder Punkt einer spezifischen Ausbreitungsrichtung des Lichtes 20 entspricht, zum
Ausblenden bestimmter Betrachtungsrichtungen, die dadurch von der Messung ausge
schlossen werden. So kann für die Messung eine Beschränkung auf bestimmte bevorzugte
Betrachtungsrichtungen erfolgen. Andererseits kann auch eine Blende 23 so angeordnet
werden, daß sie in der Ebene 18 des Objektbildes - und damit für die Auswertung über das
Detektor-Array des Meßgerätes 13 etwa in Form einer CCD-Kamera - zur Begrenzung des
dargestellten, also des meßtechnisch erfaßten Flächenelementes 21 führt.
Da durchstrahlbare Gegenstände mit doppelbrechenden Eigenschaften wie die erwähnten
Solc-Filter 14 zum visuellen Sichtbarmachen der Effekte der optischen Doppelbrechung
mit linearen Polarisatoren ausgestattet sind, können die Messungen störende Effekte auf
treten, wenn auch das Objekt 12 linear polarisiertes Licht liefert, wie im Falle der mit Pol
folien (Polarisator und Analysator) belegten Flüssigkristall-Displays als den Test-Objekten
12. Deshalb ist dann in dem - über das durchstimmbare optische Bandpaß-Filter 14 verlau
fenden - Strahlengang 11 ein Depolarisator 16 zweckmäßig, wie er als Quarz-(Keil-)Platte
oder als Lichtleitfaser-Platte handelsüblich ist. Ein Depolarisator 16, der nicht aus diskreten
Elementen zusammengesetzt ist, wie z. B. im Falle der Quarz-(Keil-)Platten, kann an
grundsätzlich beliebigen Stellen im richtungsselektiv erfaßten Strahlengang 11 angebracht
werden. Wenn der Depolarisator 16 aber ein regelmäßiges flächiges Muster aufweist (wie
z. B. die Pixelstruktur im Querschnitt einer Glasfaserplatte), dann wird ein solcher Depola
risator 16 in der Nähe der Stelle angebracht, wo im Strahlengang 11 die auf das Meßgerät
13 abzubildende konoskopische Figur - als das von der großaperturigen Sammel-Linse 17
erzeugte reelle Bild der Abstrahlung 20-20 vom Objekt 12 - vorliegt, wie insbesondere in
der hinteren Brennebene 18 der Linse 17.
Zur Korrektur des nichtidealen Verhaltens der gesamten Meßanordnung 13 über dem
Strahlengang 11 kann die Emission einer nach spektraler Intensitätsverteilung bekannten
Referenzquelle als Test-Objekt 12 ausgemessen und damit eine spektrumsabhängige Ta
belle erstellt werden, die dann bei der Verarbeitung der Ausgangssignale 24 im Rechner 28
zum rechnerischen Ausgleich des nichtidealen Verhaltens der Gesamtanordnung dient. Im
Gegensatz zu den herkömmlicherweise eingesetzten diskreten Farbfiltern auf Farbglas-Ba
sis, bei deren Verwendung alle Detektorelemente des Meßgerätes 13 untereinander gleich
sein müssen, um für verschiedene Spektralbereiche und für verschiedene Beobachtungs
richtungen miteinander vergleichbare Meßergebnisse zu erzielen, kann deshalb nach die
sem erfindungsgemäßen Verfahren jedes einzelne Meßgerät 13 sehr genau auf die in der
Praxis nie idealen Eigenschaften des verwendeten Detektorelemente (z. B. hinsichtlich ihrer
unterschiedlichen spektralen Empfindlichkeiten) kalibriert werden.
Über die konoskopische Abbildung in der Ebene 18 ist also im Detektor-Ausgangssignal
24 die spezifische spektrale Abhängigkeit enthalten, wenn sich im Strahlengang 11 das
elektrisch durchstimmbare optische Bandpaßfilter 14 befindet. Auch das ist vorzugsweise
wie dargestellt in der Nähe der Abbildungsebene 18 für die konoskopische Figur plaziert,
aber ggf. hinter dem Depolarisator 16, damit unpolarisiertes Licht innerhalb der apparativ
gegebenen geometrischen Grenzen durch das Filter 14 hindurchtreten kann. Je nach der
Konstruktion und Anordnung der konoskopischen Optik 17 im Detail kommen aber auch
andere Stellen im Strahlengang 11 für die Lage des durchstimmbaren optischen Band
paß-Filters 14 samt ggf. davorgelegenem Depolarisator 16 in Betracht (z. B. an den Orten
weiterer Bilder der konoskopischen Figur oder des Objektes 12).
Zur Messung der spektralen Verteilung des - beispielsweise von Objekten 12 wie Bankno
ten bzw. von Konsumgütern oder Printmedien mit sicherheitstechnischen bzw. mit dekora
tiven Druckbildern - reflektierten Lichts in spektraler Abhängigkeit von der Betrachtungs
richtung wird das reflektierende Test-Objekt 12 zunächst mit einem Lichtbündel von ein
stellbarer Geometrie beleuchtet, in dessen Grundfläche das Objekt 12 liegt. Diese Bestrah
lung 25 wird zweckmäßigerweise dadurch erzielt, daß ein variabel geneigter paralleler
Strahl weißen Lichts dem oben besprochenen Strahlengang 11 entgegen, also von der Linse
17 her gegen die Oberfläche des Objektes 12 gerichtet wird. Das wird vorzugsweise wie
zeichnerisch skizziert über einen nahe der ersten Bildebene 18 quer zum Strahlengang 11
verschiebbaren Projektor mit divergierendem Licht durch die Linse 17 hindurch realisiert.
Der Projektor seinerseits wird dafür zweckmäßigerweise über einen flexiblen Lichtleiter 31
aus einer abseits angeordneten Lichtquelle 30 gespeist (wie diesbezüglich, und auch hin
sichtlich einer Bestrahlungsalternative, detaillierter in der eigenen DE 196 37 131 A1 nä
her beschrieben; worauf hier zur Vermeidung von Wiederholungen voll-inhaltlich Bezug
genommen wird).
Bei einem translucenten Test-Objekt 12 dagegen wird vorteilhafterweise konzentrisch zur
optischen Achse des System-Strahlenganges 11 ein konvergierendes Bündel weißen Lichts
von hinten direkt auf das Objekt 12 fokussiert; oder es wird in oder nahe bei der rückwärti
gen, (in der Zeichnung links, nicht dargestellt) hinter dem Objekt 12 gelegenen Brennebene
einer Linse paralleles weißes Licht auf das Objekt 12 fokussiert. Alternativ kann das
Test-Objekt 12 aber auch durch eine flächig gleichmäßig diffus abstrahlende Beleuch
tungseinrichtung hinterleuchtet werden, um die richtungsabhängig auszumessende geneigte
Abstrahlung 20 zu erzielen.