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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren bzw. eine Vorrichtung gemäß dem jeweiligen
Oberbegriff des Patentanspruches 1 bzw. 2. Die gattungsbildenden Merkmale
dieser Hauptansprüche
sind aus der
DE 196
37 131 A1 bekannt.
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Das
Verfahren bzw. die Vorrichtung wird insbesondere zur blickwinkelabhängigen Beurteilung optischer
Eigenschaften einer Flüssigkristall-Zelle, insbesondere
des Reflexionsverhaltens und des Kontrasts (als dem Verhältnis der
transmissiven oder reflektiven Lichtstärken in ihren beiden Schaltzuständen), eingesetzt.
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Mit
Beleuchtungs-Vorrichtungen in Form von innenseitig beleuchteten
hohlen Reflektoren zur diffusen Bestrahlung eines elektrooptisch
zu erfassenden Objektes befaßt
sich etwa die
DE 92
02 306 U1 .
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R.A.
Cremers et al haben in „A
new method for the characterization and evaluation of the optical appearance
of reflective TN-LCDs",
DISPLAYS (1979), Vol. 1, pp 12–16,
einen goniometrischen Meßaufbau
mit einem einkanaligen Photometer beschrieben, das längs einer
Kugelfläche
einstellbar ist, um ein ausgewähltes
Flächenelement
der Zelle unter verschiedenen Blick- und Aufnahmerichtung zu erfassen.
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Die
eigenen
DE 196 02
862 C1 und
DE
196 37 131 A1 zeigen den Einsatz einer besonders hochaperturigen
Fokussieroptik zur Transformation aller räumlichen Abstrahlungsrichtungen
vor der Zelle in die Punkte-Verteilung einer flächigen Abbildung der blickrichtungsabhängigen Strahlungsintensität. Dabei
liegt die Zelle in der objektseitigen Brenn-Ebene dicht vor der
Optik, und die Abbildung entsteht in der bildseitigen Brennebene
dicht hinter der Optik. Diese auch sogenannte konoskopische Abbildung,
also die Transformation der Strahlen-Neigungen auf der Zelle in
eine Punkte-Verteilung über
der bildseitigen Brennebene der Optik, führt mit einem mehrkanaligen
Detektor zur Aufnahme der Punkte-Verteilung rasch zu reproduzierbaren
Aussagen über
die wesentlichen blickrichtungsabhängigen Eigenschaften ausgewählter Flächenelemente
der Zelle, da jeweils alle Blickrichtungen auf dieses Flächenelement
simultan mit einer einzigen Messung erfaßt werden. Dabei kann die Transformationsoptik
zugleich der Beleuchtung eines Flächenelementes der Zelle mit
einem in der Zelle zu reflektierenden, in der konoskopischen Abbildungsebene
bezüglich
seiner Einfallsrichtung auf die Zelle einstellbaren z.B. parallelen
Teststrahl dienen.
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Problematisch
sind alle vorbekannten Anordnungen zum Messen optischer Eigenschaften
bestrahlter reflektierender Körper
jedoch insofern, als das Meßergebnis
in Betrachtungs- oder
Aufnahmerichtung durch den überlagerten
Einfluß direkter Spiegeleinstrahlungen
in den Detektor verfälscht werden
kann. Das fällt
ganz besonders ins Gewicht bei der üblicherweise anzutreffenden
reflektiv betriebenen Flüssigkristall-Zelle,
da in ihr die Flüssigkristallschicht,
die mittels Modulation einer im Regelfall zweifachen Durchstrahlung
die visuelle Information vermitteln soll, in Betrachtungs- und Aufnahmerichtung
unter einem Deck- oder Schutzglas liegt, auf dessen Oberfläche das
Umgebungslicht reflektiert wird. Dadurch erreichen das Auge des
Beobachters nicht nur solche Anteile reflektierten Lichtes, die
lokal durch die Flüssigkristallschicht
moduliert wurden und dadurch eine Information beinhalten, sondern
auch solche, die bereits auf der davor gelegenen Oberfläche reflektiert
wurden, also am Übergang
von Luft zum Deckglas, bzw. zu einem darauf laminierten Polarisationsfilter
für das
Sichtbarmachen der Doppelbrechungserscheinungen im Flüssigkristall.
Die eine Information vermittelnden Modulationen, welche die aus
der Umgebung einfallende und dann hinter der Zelle wieder reflektierte
Bestrahlung in der Flüssigkristallschicht
erfährt,
werden betrachterseitig dann von den Reflexionen überlagert,
die das diffus in die Zelle einfallende Licht schon zuvor auf dem
Deckglas erfährt.
Dabei ist in vorliegendem Zusammenhang unter diffuser Bestrahlung
zu verstehen, daß im
einfallenden Licht möglichst
gleichmäßig alle
Richtungen gleichermaßen
enthalten sein sollen. Daraus resultiert, daß jede Betrachtungsrichtung
zwangsläufig auf
einen dazu gerade spekularen Lichtstrahl aus der diffusen Bestrahlung
trifft.
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Besonders
intensiv sind Oberflächenreflexionen
also für
die zur momentanen Aufnahmerichtung im diffusen Licht stets enthaltene
Beleuchtungskomponente in spekularer Richtung, d.h. in der Aufnahmeebene
der Beobachtungsrichtung zum Einfallslot diametral gegenüber (Ausfallswinkel
gleich Einfallswinkel). Denn diese momentan spekulare Beleuchtungsrichtung
aus der diffusen Bestrahlung wird, ohne Beeinflussung durch die
Flüssigkeitsschicht
in der Zelle, unmoduliert und direkt von der Zellen-Außenfläche in den
Detektor eingespiegelt und überlagert
dort ansteurungsunabhängig
die schwächere, ansteuerungsabhängig im
Innern der Zelle modulierte Strahlung. Mangels erkennbaren Unterschieds zwischen
angesteuertem und nicht angesteuertem Zustand (also mangels Kontrastes)
der Zelle findet dann, infolge des dominierenden Einflusses des Spiegelstrahles,
praktisch keine visuelle Informationsübermittlung mehr statt.
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Der
Betrachter einer LCD-Darbietung (etwa der elektrooptischen digitalen
Anzeige einer Armbanduhr oder eines Telefondisplays) verändert in
solchem Fall unwillkürlich
die Betrachtungsrichtung, um aus der spekularen Reflexion heraus
zu gelangen und damit wieder einen Kontrastzustand zu erreichen,
in dem er die interessierende Information erkennen kann. Bei automatischen
Meßverfahren
dagegen, etwa zur Qualitätsüberwachung
solcher Displays, ist das Meßergebnis
unbrauchbar, wenn es durch die für
die Qualitätsbeurteilung
nicht relevante spekulare Reflexion überlagert wird, woraufhin an der
Zelle praktisch kein Kontrast mehr meßbar ist, so daß die Zelle
unbrauchbar erscheint. Andererseits besteht schon angesichts der
immer detaillierteren und strengeren arbeitsmedizinischen Vorschriften
für Bildschirmarbeitsplätze ein
großer
und noch steigender Bedarf an automatischen Prüfmethoden hinsichtlich reproduzierbarer
und vergleichbarer Ergebnisse über
die relevanten Eigenschaften von Displays wie insbesondere die visuelle
Erkennbarkeit, also über den
Kontrasteindruck an der Schnittstelle zwischen Mensch und Maschine.
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Aber
auch auf anderen Gebieten können Oberflächenreflexionen
die Erkennbarkeit beeinträchtigen,
weil das, was wirklich interessiert, unter einer spiegelnden transparenten
Deckschicht liegt. Zu denken ist etwa an ein Objekt, dessen Oberfläche im Kampf
gegen Produktpiraterie und Fälschungen zum
Originalitätsnachweis
unter einer transparenten Schutzschicht mit einer holographischen
Herkunfts-Information ausgestattet ist. Die kann nicht für Kontrollzwecke
optoelektronisch aufgenommen werden, wenn der Detektor zufällig gleichzeitig
eine über die
Schutzschicht spekulare Beleuchtungskomponente der Umgebungseinstrahlung
erfaßt.
Bei Farbfotos oder in der Hochglanz-Drucktechnik ist eine automatisierte
Qualitätskontrolle
z.B. hinsichtlich Kontrasts und Färbsättigung insoweit nicht gewährleistet, als
in den Detektor einspiegelnde Oberflächenreflexe aus der Umgebung
den Testbereich, auf den der Detektor gerade ausgerichtet ist, überstrahlen.
Bei Konsumgütern
kommt es während
der Montage oder des Austausches von Komponenten. etwa einer Autotür, darauf
an, daß dessen
Farbe in Einklang mit bestimmten Vorgaben steht, etwa mit der Farbe
des Chassis übereinstimmt;
was optoelektroniseh insoweit nicht erfaßt werden kann, als womöglich von
einer schützenden
Glanzschicht über
der Lackierung gerade eine zur Blickrichtung spekulare Bestrahlungskomponente
in den Detektor eingespiegelt wird.
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In
Erkenntnis dieser Gegebenheiten liegt vorliegender Erfindung die
Aufgabe zugrunde, brauchbarere Verfahren – und Vorrichtungen zu deren
praktischer Umsetzung – etwa
für ein
automatisierbares Gewinnen von gebrauchsrelevanten optischen Kennwerten
reflektierender Körper
wie beispielsweise zur Reflexions- und Kontrastbestimmung an reflektiv
arbeitenden Flüssigkristall-Zellen
anzugeben.
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Gelöst wird
diese Aufgabe nach den Hauptansprüchen erfindungsgemäß durch
eine bestrahlungsseitige Maskierung der Art, daß aus der richtungsisotrop
gleichförmig
diffusen Bestrahlung der betrachteten Oberfläche diejenige individuelle Beleuchtungsrichtung
abgeschattet wird, die dem spekularen Beleuchtungsstrahl zur momentanen Aufnahmerichtung
des auf den Körper
gerichteten Detektors gerade entspricht. Das wird nachstehend anhand
eines Körpers
in der Form einer Flüssigkristall-Zelle
näher erläutert.
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Zu
solcher Unterdrückung
einer störenden spekularen
Reflexion an der betrachteten Oberfläche kann für eine gonioskopische Messung
vorgesehen sein, den Körper über die
bestrahlte reflektierende Innenfläche einer hohlen Halbkugel
möglichst
richtungsisotrop diffus zu beleuchten und durch diese Halbkugelfläche hindurch
den Detektor auf die Oberfläche
zu richten; wobei nun in spekularer Richtung bezüglich dieser Blickrichtung
als Abschattungs-Maske ein nicht reflektierendes Flächenelement
der Hohlkugel-Innenfläche
vorgesehen wird. Diese Abschattung kann durch Paare von spiegelsymmetrisch
zum Einfallslot auf die Zelle gelegenen diskreten Bohrungen in der
Hohlkugel realisiert sein, so daß der Blick durch die eine
Bohrung des jeweiligen Paares nach Reflexion an der Zellenoberfläche durch
die andere Bohrung in die abgedunkelte Umgebung hinaus führt, also
dort keine Reflexion erfährt und
dementsprechend dort auch keine direkte Einstrahlung vom Innern
der Hohlkugel aufnimmt; oder der Detektor wird z.B. längs eines
vom Rand zum Pol der Halbkugel sich erstreckenden Schlitzes verschoben
und verschiebt damit gegenläufig über eine
der Hemisphäre
folgende getriebliche Kopplung (wie man sie in der Ebene etwa als
Scherengitter oder als gegensinnig parallel angetriebene Zahnstangen
zur zentrierten Führung
des Papiereinzugs an Telefax- und Kopiergeräten kennt) eine kleinflächige Maske zum
Abschatten des spekularen Punktes in der Bestrahlungshemisphäre der reflektierenden
Hohlkugel-Innenfläche,
der in Richtung der Fortsetzung des Schlitzbogens jenseits des Schlitz-Apogäums oder Poles
liegt.
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Die
Meßwerte über Oberflächenreflexionen wie
auch über
die Reflexion im Innern einer Flüssigkristall-Zelle – aufgenommen
z.B. in den beiden Schaltzuständen
der Zelle zur Quotientenbildung als der rechnerischen Ermittlung
des Kontrasts der visuellen Anzeige – werden jedoch zweckmäßiger, anstatt
nach der goniometrischen. nach der konoskopischen Methode gewonnen.
Bevorzugt erfolgt dabei die richtungs-isotrope, gleichförmig diffuse
Bestrahlung der Zelle durch die gleiche großaperturige Transformationsoptik
hindurch, welche die Richtungsabhängigkeit des reflektierten
Lichts in die sog. konoskopische Figur transformiert. Allerdings
besteht auch jetzt wieder die meßtechnische Problematik darin,
daß für jede Aufnahmerichtung
des Detektors auf ein Flächenelement
der Zelle in deren diffuser Bestrahlung zwangsläufig auch eine spekulare Beleuchtungsrichtung
existiert. Deren von der momentanen und wechselnden Ansteuerung
der Zelle unabhängige,
intensive Spiegelung auf dem Deckglas der Zelle führt zu einer
deutlichen Reduzierung des Quotienten der aufgenommenen Helligkeitswerte
für die
beiden Schaltzustände,
also wegen in beiden Schaltzuständen
praktisch gleicher Helligkeit zu einem minimalen rechnerischen Kontrast
der Zelle. Das macht wie schon erwähnt eine solche Meßanordnung
z.B. für
eine automatische Qualitätskontrolle reflektiver
Anzeigen eigentlich unbrauchbar. Diese Problematik ist aber erfindungsgemäß wieder
dadurch gelöst,
daß in
der an sich isotropen (in allen Richtungen gleichförmigen)
Bestrahlung ein kleiner zur Betrachtungsrichtung spekularer Raumwinkelbereich
von Einfallsrichtungen durch Abschattung z.B. mittels einer Maske
ausgeblendet wird, so daß für die momentane
Betrachtungs- oder Aufnahmerichtung in das Meßgerät kein spekularer Lichteinfall
aus direkter Reflexion an der äußeren Oberfläche der
Zelle auftritt.
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Diese
Abschattungs-Maske kann direkt in die bildseitige Brennebene der
Transformationsoptik (oder in die Abbildungsebene einer ihr nachgeschalteten,
gewöhnlich
verkleinernden Abbildungsoptik für die
konoskopische Figur) eingebracht werden. Denn nach dem Prinzip der
konoskopischen Transformation entspricht jedem Punkt in dieser Abbildung
eine Strahlrichtung in Bezug auf die Zelle, deren interessierendes
Flächenelement
in der objektseitigen Fokusebene der großaperturigen Konvergenzoptik
angeordnet ist. So wird eine Bestrahlungsrichtung des Objektes von
einer Abbildungsebene her durch die Transformationsoptik hindurch
für die
zur momentanen Aufnahmerichtung spekulare Richtung mittels einer
die Bestrahlung von einem Punkt der Abbildungsebene aus abschattenden
Maske vor diesem Punkt in der Abbildungsebene verhindert.
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Die
konoskopische Figur, in welche die für das Abschatten von zu den
Aufnahmerichtungen spekularen Beleuchtungsrichtungen verlagerbare Maske
eingebracht wird, kann die im Hauptstrahlengang von der Transformationsoptik
zum Detektor gelegene sein, die sowohl das am Objekt reflektierte Licht
auf seinem Weg zur Detektor-Matrix wie auch schon zuvor die beleuchtende
Bestrahlung auf dem Weg zum Objekt durchquert. Diese einen kleinen Raumwinkel
abschattende Maske kann aber auch in einer weiteren konoskopischen
Abbildungsebene außerhalb
des Hauptstrahlenganges, in einem gesonderten, in jenen hineingeblendeten
Beleuchtungsstrahlengang liegen, so daß dann das am Objekt reflektierte
Licht ohne weitere Maskierung von der Detektor-Matrix aufgenommen
werden kann.
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Zur
geometrisch definierten Abschattung kann eine starr geometrisch
lichtundurchlässig
konfigurierte Maske Einsatz finden, aber auch eine variable Maske,
etwa ein optoelektronisches Lichtventil in Form einer LCD-Matrix,
die für
den zu einer bestimmten Meßrichtung
spekularen Raumwinkel aus der diffusen Bestrahlung lichtundurchlässig schaltet.
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Wenn
die Maskierung die Geometrie eines in der bildseitigen Brennebene
der Transformations-Optik, also im konoskopischen Bild gelegenen lichtundurchlässigen radialen
Streifens aufweist, der sich längs
eines Azimutwinkels in der konoskopischen Abbildungsfigur speichenförmig vom
Zentrum zu deren Rand hin erstreckt, dann sind aus der diffusen
Bestrahlung des Objektes für
diesen Azimut die spekularen Strahlen für gleich alle Aufnahme-Neigungswinkel
ausgeblendet. Deshalb können
nun für diesen
Azimut unter keinem Aufnahmewinkel auf die Oberfläche des
Objektes mehr spekulare Reflexionen auftreten. Bei Messungen in
der konoskopischen Figur an Punkten längs der Verlängerung
der abschattenden Speiche, also dieser radialen Maske diametral
gegenüber
liegend, kommt deshalb nun keine spekulare Überstrahlung mehr vor.
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Die
in der konoskopischen Figur diametral gegenüber zunächst unter der Maske gelegenen Meßpunkte
werden danach erfaßt,
wenn die Maske dann azimutal um 180° verdreht oder einfach in die Gegenrichtung
umgeklappt wurde, bzw. das lokal abschattende Lichtventil wird zentralsymmetrisch
umgeschaltet, so daß dann
die andere Hälfte
der Neigungswinkel auf der Objektoberfläche flächig als konoskopische Punkte-Verteilung
auf azimutal der selben Diametralen ungestört von spekularen Reflexionen
hinsichtlich ihrer Intensitäten
ausgemessen werden kann. Statt dieses Richtungswechsels um gleich 180° kann aber
auch vorgesehen sein, die radial abschattende Maske jeweils nur
um einen kleineren azimutalen Winkelschritt weiterzudrehen, um so
nach Maßgabe
der interessierenden Azimutauflösung
die blickrichtungsabhängige
Reflexstrahlung vom Objekt – stets
ohne Überlagerung
spekularer Beleuchtungsreflexion von ihrer Oberfläche – stern-
oder speichenförmig
umlaufend Punkt für
Punkt in der Ebene der konoskopischen Figur aufzunehmen.
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Für diese
erfindungsgemäß unter
Ausblenden spekularer Einstrahlung erfolgende Aufnahme der konoskopischen
Abbildung des am Objekt reflektierten Lichts kann ein diskreter,
einkanaliger Detektor vorgesehen sein, welcher eine dichte Folge
von gerade nicht abgeschatteten aber von spekularer Reflexion freien
Meßpunkten
in der konoskopischen Figur nacheinander abtastet. Zweckmäßiger ist
allerdings eine großformatigere
Abfrage der konoskopischen Figur mittels eines ortsauflösenden Detektors in
Form eines eindimensionalen Arrays von Sensorelementen (z.B. in
einer elektronischen Zeilenkamera) oder mittels eines zweidimensionalen
Arrays (etwa in Form einer elektronischen Flächenkamera).
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Schneller
als selbst mit einer z.B. Schritt für Schritt erfolgenden motorischen
Winkelveränderung der – einen
Raumwinkel in der Bestrahlung abschattenden – Speichen-Maske lassen die
Meßpunkte sich – wieder
ungestört
durch spekulare Erscheinungen – detektorisch
erfassen, wenn in der bildseitigen Brennebene der Transformationsoptik
anstelle der verdrehbaren Speiche eine mechanisch verlagerbare oder
elektrisch umschaltbare Matrix aus abwechselnd lichtdurchlässigen und
lichtundurchlässigen Bezirken
vorgesehen wird, um möglichst
viele Punkte in der konoskopischen Figur mittels des Flächendetektors
gleichzeitig erfassen zu können.
Bei Maskierung im Hauptstrahlengang ist die umschaltbare Maske komplementär zum Zentrum
der konoskopischen Figur. Das bedeutet, daß ein die – im übrigen gleichmäßig diffuse – Bestrahlung
in dieser Raumrichtung abschattender da nicht-transparenter Bezirk der
Maske einem transparenten Bezirk diametral gegenüberliegt, um nur für die gerade
jenem transparenten Bezirk zugeordnete Aufnahmerichtung dem vom
Objekt reflektierten, von spekularem Anteil freie Licht den Weg
zum Detektor freizugeben.
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Die
Dichte der Meßpunkte
kann bei solchen komplementären
Masken verdoppelt werden, wenn jeweils eine Messung des reflektierten
Lichts bei einer ersten Orientierung der Maske durchgeführt und die
Maske dann so verdreht oder verschoben wird, daß an die zuvor transparenten
Bezirke nun nicht-transparente treten, und umgekehrt. Wenn dieses
Maskenmuster nicht diametral komplementär ist, kann es allerdings nicht
im Hauptstrahlengang liegen, dann muß die Abschattung in einem
externen Bestrahlungs-Strahlengang erfolgen. Im Beispielsfalle eines
Schachbrettmusters wird zu jeder abgeschatteten Bestrahlungs-Spiegelrichtung
die Reflexstrahlung vom Objekt vom Detektor direkt aufgenommen,
in der aufgrund der Abschattung wieder kein direkt gespiegeltes
(spekulares) Licht enthalten ist. Sodann wird die schachbrettartige
Maske um eine Teilung verschoben bzw. umgeschaltet, so daß nun die bisher
abgeschatteten Bezirke für
die Bestrahlung lichtdurchlässig
sind, aufgrund der gegenüber
gelegenen Abschattungen aber wiederum nicht durch direkt (spekular)
auf dem Objekt reflektiertes Licht beaufschlagt werden.
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Bei
Maskierung im Beleuchtungsstrahlengang werden die Meßpunkte
in der konoskopischen Figur also an solche Stellen plaziert, die
diametral zu den nicht lichtdurchlässigen Bezirken in der Maske liegen,
weil dort direkte Spiegelreflexe von der Objektoberfläche unterdrückt sind.
Wenn sich die einen Raumwinkel der Bestrahlung ausblendende Maske somit
nicht im Hauptstrahlengang aus Beleuchtung und Reflex (z.B. vom
Innern der reflektiv betriebenen Zelle) befindet, besteht keine
Notwendigkeit zur komplementären
Gestaltung der abwechselnd nur bereichsweise lichtdurchlässigen Maske.
Vielmehr kann die Maske nun unter Berücksichtigung auch anderer Kriterien
gestaltet werden. Die sind insbesondere Sicherstellung einer optimalen
Isotropie (also einer geringstmöglichen
Anisotropie) der diffusen Bestrahlung trotz daraus ausgeblendeter
Raumwinkel. Zusätzlich
können
unerwünschte
Reflexe etwa vom nicht idealen Linsensystem für die Transformation der Strahlwinkel
in die Flächenkoordinaten
der konoskopischen Figur unterdrückt
werden, indem entsprechende Bezirke der Maske im externen Beleuchtungsstrahlengang
zusätzlich
lichtundurchlässig
gestaltet werden. Wenn das Objekt eine TN-Flüssigkristallzelle ist, wird
im externen Bestrahlungsgang zweckmäßigerweise – in Abhängigkeit von den Streueigenschaften
des Reflektors im Innern der Zelle hinter der Flüssigkristallschicht – ein bestimmter Mindestwert
des Winkelabstandes zwischen dem Zentrum von beleuchteten und nicht
beleuchteten Raumwinkeln realisiert.
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Eine
solche nicht mehr im direkten Strahlengang von der Zelle zum Detektor
liegende Maske muß also
nicht komplementär
sein, sie kann auch spiegelsymmetrisch sein; sie kann also beispielsweise
auch über
die Erstreckung der Speiche diametral hinaus noch eine Abschattung
aufweisen.
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Alternativ
zu elektrisch schaltbaren oder mechanisch zwischen mindestens zwei
komplementären
Konfigurationen verstellbaren Masken, die sich entweder im Haupt-
oder im Beleuchtungsstrahlengang befinden, kann die Maskierung auch
durch eine kontinuierlich rotierende Blende im Beleuchtungsstrahlengang
und eine weitere kontinuierlich rotierende Blende im Hauptstrahlengang,
dort in einer Abbildungsebene der konoskopischen Figur hinter der Einkopplung
der Bestrahlung in den Hauptstrahlengang, realisiert werden. Beide
Blenden, die etwa als radiale Streifen ausgebildet sind (z.B. radiale
Abmaskierung im Beleuchtungsstrahlengang mit durchlässig radialer
Streifenblende im Beobachtungs- oder Hauptstrahlengang; diese Blenden
können
aber auch diametral gestaltet sein), sind in ihrer Bewegung so synchronisiert,
daß die
Blende, die den Meßstrahlengang
freigibt, nur solches Licht durchläßt, das frei von spekularer
Oberflächenreflexion
ist; d.h. der Drehwinkel der Beleuchtungsmaske ist gleich dem Drehwinkel
der Meßmaske
(ggf. mit einem Offset von 180 Grad).
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Bezüglich weiterer
Abwandlungen und Vorteile der erfindungsgemäßen Lösungen wird auf die weiteren
Ansprüche
verwiesen, und auf nachstehende Beschreibung von in der Zeichnung
unter Beschränkung
auf das Wesentliche nicht ganz maßstabsgerecht skizzierten bevorzugten
Realisierungsbeispielen für
Vorrichtungen zum Ausüben
des erfindungsgemäßen Verfahrens
bei einem reflektierenden Objekt in Form einer reflektiv betriebenen
Flüssigkristall-Zelle
mit Deckglas. In der Zeichnung zeigt unter stark vergrößerter Berücksichtigung
des Schichtenaufbaus der Zelle:
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1 den
grundsätzlichen
Strahlengang in einer goniometrischen Vorrichtung zum Ausüben des erfindungsgemäßen Verfahrens
mit punktförmiger Maskierung
der Bestrahlungshemisphäre,
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2 den
grundsätzlichen
Strahlengang in einer konoskopischen Vorrichtung zum Ausüben des erfindungsgemäßen Verfahrens
mit speichenförmiger
Maskierung der diffusen Bestrahlung aus der Ebene der konoskopischen
Figur, ohne Darstellung eines Detektor-Array zur meßtechnischen
Abtastung der konoskopischen Figur,
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3 die
azimutal einstellbare Speichenmaske aus dem Hauptstrahlengang gemäß 2 in Draufsicht,
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4 eine
verschwenkbare Sechsecksmaske für
den Hauptstrahlengang gemäß 2,
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5 eine
erweiterte Speichenmaske in einem externen Strahlengang der Bestrahlung
und
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6a/6b die
beiden Stellungen einer linear verschiebbaren Schachbrettmaske für den externen
Strahlengang.
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Die
in 1 im Längsschnitt
durch ihre optische Achse 11 quer zur Aufnahmeebene skizzierte erfindungsgemäße Bestrahlungs-Vorrichtung 12 zum Ausüben des
beanspruchten Meßverfahrens
dient der möglichst
richtungs-isotropen, gleichmäßig diffusen
Bestrahlung 13 eines Test-Objektes, hier in Form einer
reflektiv betriebenen Flüssigkristall-Zelle 14 mit ihrer
elektrisch beeinflußbaren
Flüssigkristallschicht 15 unter
einem Schutz- oder Deckglas 16 und vor einem, hinter der
Schicht 15 liegenden, Reflektor 17. Die in einem
Flächenelement 18 der
Flüssigkristallschicht 15 modulierte
und dahinter reflektierte Bestrahlung 13 wird als von der
Betrachtungs- oder Aufnahmerichtung 21 abhängige Reflexion 19 mittels
eines Detektors 20 für
verschiedene Aufnahmerichtungen 21 – 21 nacheinander
aufgenommen und hinsichtlich ihrer Intensität über den Winkelkoordinaten meßtechnisch
ausgewertet.
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Die
Betrachtung eines Flächenelementes 18 der
Zelle 14 unter dem Winkel der jeweiligen – zur Reflexion 19 entgegengesetzt
gerichteten – Aufnahmerichtung 21 führt durch
das Deckglas 16 hindurch. An dessen Oberfläche 22 tritt
eine Spiegelung auf, die durch den spekularen, d.h. bezüglich des
Betrachtungswinkels zum Einfallslot gerade winkelsymmetrisch in
der Aufnahme- oder Neigungsebene des Detektors 20 (also
in der Detektionsebene) gelegenen Strahl 23 charakterisiert
ist. Der innerhalb der diffusen Bestrahlung 13 gerade in
dieser Richtung auf die Zelle 14 einfallende (spekulare)
Strahl 23 überlagert
sich deshalb nach Oberflächenreflexion
mit großer
Intensität
der eigentlich nur interessierenden Reflexion 19 aus der
erst dahinter gelegenen Flüssigkristallschicht 15 und
bestimmt anstelle letzterer das mittels des Detektors 20 gewinnbare – nun infolge der
von der elektrischen Zellenansteuerung unabhängig intensiven spekularen
Anregung extrem verfälschte – Intensitäts-Meßergebnis
des Detektors 20.
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Deshalb
wird erfindungsgemäß der zur
momentanen Aufnahmerichtung 21 spekulare Strahl 23 mittels
einer in der Detektionsebene gelegenen Maske 24 aus der
Bestrahlung 13 ausgeblendet. Die gleichmäßig richtungsunabhängig diffuse
Bestrahlung 13 der Zelle 14, durch welche die üblichen
Umgebungsbedingungen des praktischen Einsatzes einer solchen Zelle 14 simuliert
sind, wird dadurch hervorgerufen, daß die Zelle 14 etwa
in der Basis 26 einer innen reflektierenden Kugelkappe 27 angeordnet ist.
Deren innere Hemisphäre
wird, vom azimutal oder äquatorial
umlaufenden Rand der Basis 26 aus, von ringförmig umlaufenden
oder diskreten Lichtquellen 28 (etwa einzelnen Lampen;
oder Austrittsenden von Lichtleitfasern) angestrahlt. Deren Reflexionen
ergeben die diffuse Bestrahlung 13. Der Detektor 20 ist
innerhalb der Hohlkugelkappe 27 verschwenkbar angeordnet,
oder er durchbricht sie, wie in der skizzierten Ausführung vorgesehen.
In spekularer Richtung zur momentanen Position (Aufnahmerichtung 21)
des Detektors 20 ist nun eine Reflexion in der Hohlkugel 27 unterbunden,
um den spekularen Strahl 23 aus der Bestrahlung 13 auszublenden.
Dafür ist
die Hohlkugelkalotte 27 auch dort durchbrochen, oder vor
ihrer reflektierenden Innenfläche
ist dort die lichtundurchlässige
und nicht reflektierende Maske 24 angeordnet. Die folgt
betrachtungswinkelabhängig
mittels einer gegenläufig
zur Verschwenkung des Detektors 20 arbeitenden Getriebekopplung 25 der
von der Neigung der Aufnahmerichtung 21 abhängigen Verschwenkung
des spekularen Strahls 23. Dadurch ist sichergestellt,
daß der
Detektor 20 in allen Aufnahmerichtungen 21 stets
nur die aus dem Innern der Zelle 14 stammende Reflexion 19 aufnimmt;
diese kann nun nicht mehr durch Oberflächenreflexe spekularer Beleuchtungsanteile
(23) überstrahlt
werden.
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Für ein kontinuierliches
Verschwenken der Aufnahmerichtung 21 ist die Hohlkugelkappe 27 mit einem
Schlitz 29 ausgestattet, der sich wenigstens angenähert von
der Ebene der Basis 26 bis über den Pol 30 – als dem
Apogäum
oberhalb der Zelle 14 – hinaus
bis gegenüberliegend
zur Basis 26 zurück
erstreckt. Der Schlitz 29 ist zweckmäßigerweise mit einer zum Innern
der Halbkugel 27 hin reflektierenden Abdeckung 31 versehen,
die sich nach Maßgabe
der Verlagerung des Detektors 20 (und der damit mechanisch
gekoppelten Maske 24) nach Art einer schuppenförmigen Jalousie
oder wie skizziert eines Faltenbalges verschiebt, um die Hohlkugel-Innenfläche im Interesse
möglichst
ungestört
diffuser Bestrahlung 13 nicht zu unterbrechen und zugleich
das Innere der Hohlkugel 27 gegen externes Umgebungslicht
abzuschirmen. Für
Betrachtung der Zelle 14 unter einem anderen Azimut wird
einfach die Hohlkugel 27 auf ihrer Basis 26 und
somit der Schlitz 29 um die Achse 11 gegenüber der
Zelle 14 oder aber die Zelle 14 selbst entsprechend
peripher verdreht. So bleibt bei der goniometrischen Vermessung
der optischen Zelleneigenschaften stets der spekulare Strahl 23 für die momentane
Aufnahmerichtung 21 nach Azimut und Elevation automatisch
ausgeblendet, aber im übrigen eine
praktisch gleichförmig
diffuse Bestrahlung 13 der Zelle 14 sichergestellt.
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Für eine nicht
gemäß 1 goniometrisch, sondern
gemäß 2 bzw. 5 konoskopisch
erfolgende Vermessung der blickwinkelabhängigen Reflexionseigenschaften
wird die gleichförmig
diffuse Bestrahlung 13 (2) der Zelle 14 von
der bildseitigen Brennebene 32 einer hochaperturigen fokussierenden
Transformations-Optik 33 aus hervorgerufen, in deren objektseitiger
Brennebene 34 dicht vor der Optik 33 die Zelle 14 angeordnet
ist. Für
diese diffuse Bestrahlung 13 der Zelle 14 ist
als Beleuchtungs-Vorrichtung 12 in der bildseitigen Brennebene 32 der Transformations-Optik 33 eine
großflächige, kollimiert
oder streuend strahlende Lichtquelle 38 angeordnet. Die
Lichtquelle 38 muß nicht
gemäß 2 hier
körperlich
gelegen sein, ihre Abstrahlung kann auch gemäß 5 von einem
externen Lichtgenerator 39 stammen und in die Brennebene 32 eingespiegelt
sein.
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Die
in der Flüssigkristallschicht 15 modulierten
Reflexionen 19 werden von der Optik 33 nach Richtung
und Intensität
in deren Bild-Brennebene 32 als Verteilung unterschiedlich
heller Punkte 35 abgebildet. In dieser sogenannten konoskopischen
Figur entspricht also jeder Punkt 35 einem Abstrahl- bzw. Betrachtungswinkel
(Strahl 19) bezüglich
der Zelle 14. Erfindungsgemäß werden dabei wieder die zu den
interessierenden Reflexionen 19 spekularen Strahlen 23 in
der diffusen Bestrahlung 13 ausgeblendet. Dafür ist nun
eine Maske 24 vorgesehen, die sich gewissermaßen als
radiale Speiche in der Bild-Brennebene 32 der Transformations-Optik 33 vom
Zentrum der konoskopischen Figur bis zu deren Rand erstreckt, wie
in 3 skizziert. Deshalb können beim sensorischen Erfassen
der Meßpunkte 35 in
der konoskopischen Abbildungsebene 32 keine störenden,
da schon unmittelbar an der Zellenoberfläche 22 reflektierten
spekularen Strahlen 23 bezüglich derjenigen Meß-Punkte 35 mehr
erscheinen, die auf dem der Maske 24 (links in 3)
diametral gegenüberliegenden
Radius liegen (rechts in 3).
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Zum
Erfassen von Meß-Punkten 35 auf
einem anderen, dagegen verschwenkten Radius wird die Maske 24 um
einen entsprechenden Azimutwinkel verdreht, um wieder den Raumwinkel
der Bestrahlung 13 abzuschatten, aus dem spekulare Strahlen 29 an
der Zel lenoberfläche 22 in
die interessierenden Reflexionen 19 aus der Zelle 14 einspiegeln
könnten.
Dafür ist
die Maske 24 an einem Ring oder an einer im übrigen strahlungsdurchlässigen Scheibe 40 angeordnet,
die beispielsweise (3) mittels eines programmgesteuerten
Motors 41 und ggf. über
ein Ritzel um einen Winkelschritt weitergedreht wird, sobald die
Punkte 35 längs
eines Radius vom Detektor 20 (5) erfaßt wurden.
So werden nach einer halben Umdrehung, also nach einem Azimut von
180°, schließlich auch
diejenigen Meßpunkte 35 für den Detektor 20 zugänglich,
die anfangs von der Maske 24 verdeckt waren.
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Die
von der Optik 33 in der Bildebene 32 erzeugte
konoskopische Figur (die richtungsabhängige Intensitätsverteilung
von einander dicht benachbarten Punkten 35) kann in Verlängerung
der speichenförmigen
Maske 24 Punkt für
Punkt von einem darüber
hinweg bewegten einkanaligen Sensor (einem einzelnen Detektorelement)
abgetastet werden. Unkomplizierter werden jedoch Lage und Helligkeit
der Punkte 35 in der ersten konoskopischen Abbildungsebene 32 alle
in einem Zuge von zeilen- oder flächenförmig im Array angeordneten
Sensorelementen 36 des Detektors 20 (5)
aufgenommen. Dafür
sind die Sensorelemente 36 entweder direkt in der ersten Abbildungsebene,
also direkt in der bildseitigen Brennebene 32 der Transformations-Optik 33 angeordnet, oder
die konoskopische Abbildung (d.h. die Verteilung der Punkte 19 und
deren Helligkeiten) wird gemäß 5 aus
der Bildebene 32 mittels eines Systems nachfolgenden Abbildungsoptiken 37 verkleinert
auf ein z.B. längs
der optischen Systemachse 11 abgesetztes Array von Sensorelementen 36 projiziert,
etwa eine CCD-Flächenkamera.
Die elektrischen Detektor-Ausgangssignale
stellen deshalb ein Maß für die Strahlungsintensitäten der
in der bestimmten azimutalen und elevativen Richtungen vom Flächenelement 18 der
Zelle 14 ausgehenden Reflexionen 19 dar, die in
einem nachgeschalteten Rechner analysiert und verarbeitet werden
können,
z.B. um Kontrastberechnungen durchzuführen.
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Eine
gemäß 4 gerasterte
Maske 24 beschränkt
den jeweiligen Meßvorgang
entgegen den Verhältnissen
nach 2 nicht auf die längs eines Radius liegenden
Punkte 35 der konoskopischen Abbildung, sondern erlaubt
es, mit beispielsweise einer elektronischen Flächenkamera als dem Detektor 20 (5)
die gesamte Abbildung in einem Raster von im regelmäßigen Sechseck
rautenförmig
gegeneinander versetzten Dreiecken zu erfassen. Die Rauten sind
jeweils zur Hälfte
maskiert, während
die andere Hälfte
strahlungsdurchlässig
ist. Wie sich aus 4 im einzelnen ergibt, wechseln
sich dadurch in einem regelmäßigen Sechseck
drei maskierte mit drei durchlässigen
Dreiecken ab, so daß immer
einem dreieckförmigen
durchlässigen
Bezirk – in
Bezug auf einen Durchmesser durch die konoskopische Abbildung – diametral
gegenüber
ein gerade die spekulare Beleuchtungsrichtung (23 in 2)
dazu abschattendes Dreieck liegt. Durch azimutale Verdrehung der Maske 24 um
60° wechseln
die offenen mit den abschattenden dreieckförmigen Masken-Bezirken, so daß nun in
einem zweiten Meßvorgang
die zuvor noch nicht erfaßten
Punkte der konoskopisch erzeugten Abbildung erfaßt werden. Die meßtechnische
Auflösung
ist also durch die Größe der Dreiecke bestimmt;
und infolge der gleichmäßigen Verteilung von
lichtdurchlässigen
und undurchlässigen
Bezirken über
die Maske 24 ist die Beeinträchtigung der isotrop diffusen
Bestrahlung 13 (2) minimal.
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Masken 24 nach 3 oder 4 können gemäß 2 im
Hauptstrahlengang liegen (in 5 links
berücksichtigt),
wenn jedem undurchlässigen Bezirk
ein "spekular angeordneter" durchlässiger (i.e. diametral
komplementärer)
Bezirk entspricht, durch welchen das optische Mess-Signal vom Abbildungspunkt 35 zum
Detektor 20 (5) gelangen kann.
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5 bringt
zusätzlich
zu den Gegebenheiten nach 2 als andere
Bestrahlungsalternative zum Ausdruck, daß im Rahmen der erfindungsgemäßen Beleuchtungs-Vorrichtung 12 eine
Abschattungs-Maske 24 entgegen der Prinzipdarstellung der 2 (in 5 links
berücksichtigt)
nicht unbedingt in der Ebene 32 der ersten konoskopischen
Figur angeordnet sein muß,
also nicht unbedingt in der bei der Transformations-Optik 33 gelegenen
bildseitigen Brennebene 32. Größere konstruktive Freiheiten
ergeben sich nämlich,
wenn aus dieser ersten konoskopisch erzeugten Figur mittels wenigstens
einer – gewöhnlich verkleinernden – Abbildungsoptik 37 ein Bild
des Meßflecks
in eine weiter abgelegene Abbildungsebene 42 projiziert
wird, in der z.B. eine einstellbare Blendenöffnung 43 zur Begrenzung
des an der Zelle 14 erfaßten Flächenelementes 18 und/oder das
Array der Detektor-Sensorelemente 36 angeordnet
sein kann. Eine verkleinerte Abbildung der konoskopischen Figur
erfolgt mit der Kombination von Linsen 37 – 37 in
eine noch weiter versetzte Ebene 42 der Sensorelemente 36 des
Detektors 20.
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Insbesondere
ist in 5 vorgesehen, mittels eines Strahlteilers 44 etwa
in Form eines halbdurchlässigen
Spiegels oder Prismas eine weitere konoskopische Figur in eine Ebene 42 außerhalb
des Hauptstrahlenganges längs
der optischen Systemachse 11 zu verlegen und – entgegen
den Verhältnissen
im Hauptstrahlengang nach 2, die in 5 vergleichshalber
strichpunktiert berücksichtigt
sind – in
jener externen Ebene 42 den Lichtge nerator 38 durch
die Abschattungs-Maske 24 hindurch einstrahlen zu lassen.
Weil hier im gesondert herausverlegten Beleuchtungsstrahlengang 45 keine
Abschattung auch des Detektors 20 durch die Maske 24 mehr
auftritt, braucht die Maske 24 nun nicht mehr diametral, spekular
komplementär
ausgebildet zu sein, um in einem der Abschattung diametral gegenüberliegenden Bezirk
das durch spekulare Strahlen 23 (2) unbeeinflußte Ausmessen
der blickrichtungsabhängig verteilten
Abbildungspunkte 35 zu ermöglichen. Das ist in 5 mittels
der nicht mehr nur radialen sondern nun diagonal durchgehenden Abschattung
der Maske 24 symbolisch veranschaulicht, was vielfältige Möglichkeiten
eröffnet,
weitere (z.B. durch Nichtidealitäten
im optischen System selbst, wie in Form von Reflexen im kompliziert
zusammengesetzten Linsensystem, verursachte) Störeinflüsse durch lokale Beleuchtungs-Abschattung
für das
Meßergebnis
auszublenden.
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Vergleichbare
Verhältnisse
wie bei 4 liegen insofern bei einer
schachbrettartig gerasterten Maske 24 gemäß 6 vor, als durch Umschalten in eine komplementäre Konfiguration
die Dichte der Meß-Punkte 35 wieder
erhöht
wird. Der Vergleich von 6a mit 6b zeigt
, daß bei
Linearverschiebung um eine Rastereinheit die zunächst offenen Positionen abgeschattet
sind, und komplementär
umgekehrt. Stets gehört
zu einem offenen Feld ein abgeschattetes. Masken nach 6 können
allerdings nicht im Hauptstrahlengang zum Detektor 20,
sondern nur in einem externen Beleuchtungsstrahlengang 45 liegen,
da sie keine diametrale Komplementarität aufweisen.
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Stets
wird also aus einer gleichmäßig diffusen,
alle praktisch vorkommenden Beleuchtungssituationen sowohl im Raum
wie auch im Freien hinreichend erfassenden Bestrahlung 13 des
gerade betrachteten Flächenelementes 18 eines
Testobjektes, etwa einer reflektiv betriebenen Flüssigkristall-Zelle 14,
erfindungsgemäß zumindest
derjenige Raumwinkel mittels einer verlagerbaren Maske 24 abgeschattet,
in dem sonst ein zur momentanen Detektor-Aufnahmerichtung 21 spekularer
Strahl 23 auftreten und an der Oberfläche 22 genau in den
Detektor 20 hinein gespiegelt werden würde. Dabei ist die Abschattung so
kleinflächig,
daß die
richtungsmäßige Gleichförmigkeit
(Isotropie) der diffusen Bestrahlung 13 kaum spürbar beeinträchtigt wird.
Das Verfahren ist sowohl bei goniometrischer wie auch bei konoskopischer Messung
anwendbar. In letzterem Falle liegt die Abschattungs-Maske 24 in
einer der Abbildungs-Ebenen 32, 42 der konoskopisch
erzeugten Figur der die verschiedenen Aufnahmerichtungen 21 der
Zelle 14 repräsentierenden
Punkte-Verteilung 35 – 35,
zweckmäßigerweise
in einem gesondert extern eingeblendeten Be leuchtungsstrahlengang 45 außerhalb
der Haupt-Strahlrichtung von der Transformations-Optik 33 zum Sensor-Array 36 des
Detektors 20.
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Das
Verfahren ist nicht nur auf die Überprüfung des
Kontrasts von Flüssigkristall-Zellen 14,
sondern auf alle reflektierenden Objekte anwendbar, sondern insbesondere
dann bedeutsam, wenn die Reflexionseigenschaften richtungsabhängig oder (wie
z.B. bei holographischen Elementen) stark farblich modulierend sind.
Die gleiche Problematik wie bei LCDs ergibt sich auch z.B. bei farbigen
Lacken, die mit einem transparenten Schultzlack überzogen sind, bei Hochglanz-Farbphotos,
etc.