DE2207748A1

DE2207748A1 - Beleuchtungsanordnung

Info

Publication number: DE2207748A1
Application number: DE2207748A
Authority: DE
Inventors: Fred Dr Mast
Original assignee: Gretag AG
Current assignee: Gretag AG
Priority date: 1971-12-31
Filing date: 1972-02-18
Publication date: 1973-08-02
Also published as: IT973171B; CH541140A; NL7217725A; FR2166202B1; JPS4878954A; FR2166202A1; US3825322A; GB1421991A

Description

GRETAG AKTIENGESELLSCHAFT, Regensdorf

Case 87-7959/GTP 380

Beleuchtungsanordnung

Die Erfindung betrifft eine Beleuchtungsanordnung in ?*sss~ köpfen zur Bestimmung der Remissionseigenschaften von Oberflächen, insbesondere für Messungen nach den US-Standard PH2.17 - 19 58, mit zwei sphärischen Ringspiegeln und einem Glaskörper.

Der US-Standard PH2.17 - 1958 schreibt vor, dass die auszumessende Oberfläche mit einem Lichtstrahlenbündel zu beleuchten ist, welches eine Neigung von 45° gegenüber äer zu messenden Oberfläche und einen Oeffnungswinkel von 10° besitzt. Von dem remittierten Licht wird ein Lichtstrahlen-

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bündel unter einem Austrittswinkel von 90° und innerhalb eines Oeffnungswinkels von 10° ausgeblendet und gesammelt. Weiter hat die Beleuchtung für alle Azimutalwinkel im gleichen Winkelbereich 45° + 5° zu erfolgen, d.h. sie muss eine 360°-Ringbeleuchtung sein. Die umgekehrte Anordnung ist ebenfalls zulässig.

Bei bekannten Anordnungen der oben erwähnten Art werden zur Realisierung der 36O°-Ringbeleuchtung sogenannte Ringspiegel verwendet, welche zur Erzielung einer guten Bildqualität asphärisch sein sollten. Asphärische Ringspiegel sind jedoch sehr kostspielig. Sphärische Ringspiegel allein liefern andererseits nur eine äusserst bescheidene Bildqualität. Auch die Verwendung von Spiegelanordnungen, wie sie in Teleskopen vorkommen, ist ungünstig. Beispielsweise ist bei einer umgekehrten Cassegrain-Anordnung eine Aberrationskorrektur unmöglich:»

Die Erfindung vermeidet diese Nachteile und ist dadurch gekennzeichnet, dass

- die sphärischen Spiegel konzentrisch sind, der Glaskörper zwischen den beiden Spiegeln liegt und eine innere sowie eine äussere Kugelfläche aufweist, welche je einen sphärischen Ringspiegel tragen, wobei der aussere Ringspiegel auf der äusseren Kugelfläche des Glaskörpers einen Kugelabschnitt als Oeffnung begrenzt, dessen Projektion in Richtung der optischen Achse der Anordnung die Projektion des inneren Ringspiegels einschliesst,

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- der Glaskörper eine sphärische Austrittstlache aufweist, deren Mittelpunkt den abzutastenden Bereich der zu messenden Oberfläche festlegt, und dass

- die Krümmungsradien der Spiegel, der Krümmungsradius der Austrittsfläche, der Abstand zwischen dem Krümmungsmitte1-pnnkt der Ringspiegel und dem Krümmungsmittelpunkt der Austrittsfläche sowie der Brechungsindex des Glaskörpers so beschaffen sind, dass die sphärische Aberration der Anordnung Null ist und die Sinus-Bedingung exakt erfüllt ist.

Die erfindungsgemässe Anordnung weist folgende Vorteile auf:

- Sie besitzt ausschliessldch sphärische Flächen, wobei zwei davon sogar konzentrisch sind, Infolgedessen lässt sie sich sehr einfach herstellen.

- Sie stellt praktisch ein einziges festes optisches Bauteildar. Daher braucht sie bei der Herstellung und beim Betrieb niemals justiert zu werden.

- Sie ist sehr kompakt in der Bauweise.

Die Erfindung wird nun mit Hilfe der Figuren an einigen Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine schematisclie Darstellung der USA-Standard-Anordnung für die Remissions-Messung,

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Fig. 2 eine schematische Darstellung eines ersten Ausführungsbeispieles der erfindungsgemässen optischen Beleuchtungsanordnung,

Fig. 3 eine Detailvariante der Anordnung nach Fig. 2,

Fig. 4 eine schematische Darstellung einer Anwendung der Anordnungen von Fig. 2 in einem Einzelmesskopf zur Messung der Remissionseigenschaften einer Oberfläche, und

Fig. 5 eine schematische Darstellung einer Anwendung der Anordnung von Fig. 2 in einem Mehrfach-Messkopf zur simultanen Messung der Remissionseigenschaften verschiedener Punkte einer Oberfläche.

Gemäss Fig. 1 wird der Messfleck B auf der Oberfläche einer Vorlage 1 mit einem Lichtstrahlenbündel 0, unter einem Einfallswinkel oL = 45 gegenüber der zu messenden Oberfläche beleuchtet. Das Lichtstrahlenbündel #, besitzt einen Oeffnungswinkel 2/5a. mit /It* = 5 . Aus dem remittierten Licht wird ein Lichtstrahlenbündel 0₂ unter dem Remissionswinkel /* = 90° und mit dem Oef fnungswinkel 2Δβ mit Δβ = 5° ausgeblendet. Die Anordnung ist um die Normale auf der Mess-

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oberflache durch den Messpunkt B rotationssymmetrisch, so dass der Messpunkt B durch das Lichtstrahlenbündel #, einer 360°-Ringbeleuchtung beleuchtet wird.

Gemäss Fig. 2 fällt ein Teil des von der Lampe 0 ausgesandten Lichtes durch die konvexe äussere Kugelfläche 57 eines Glaskörpers 11 hindurch auf einen Primärspiegel 12. Von diesem wird das Licht auf einen an der äusseren Kugelfläche 57 angeordneten Sekundärspiegel 13 reflektiert und von diesem auf den Messfleck B geworfen. Das von dem Messfleck reflektierte Licht wird von einer Linse 31 gesammelt, durchläuft den Glaskörper 11 und wird von einem Spiegel 34 auf die Seite abgelenkt. Durch Zusammenwirkung der Linse 31 mit dem Glaskörper 11 wird der Messfleck B in die Oeffnung einer Blende 35 als Bild B¹ abgebildet, welche Blende die Grosse des ausgeblendeten Messfeldes bestimmt. Anschliessend fällt das Licht auf einen Photodetektor 36»

Die optisch wirksamen Begrensungsflachen 56, 57, 14 des Glaskörpers 11 sind Kugelflächen; die äussere Kugelfläche mit dem Radius rl und die innere Kugelfläche 56 mit dem Radius r2 besitzen einen gemeinsamen Mittelpunkt Z_s sind also konzentrisch. Die dritte Kugelfläche 14 mit dem Radius r3 ist die Fläche, durch welche die vom Sekundärspiegel 13 auf den

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Messfleck B reflektierten Strahlen aus dem Glaskörper 11 austreten. Der Mittelpunkt der dritten Kugelfläche 14 fällt mit dem Messfleck B zusammen. Dabei ist der Abstand der beiden Mittelpunkte Z und B der verschiedenen Kugelflächen gleich d. Trotz des sehr grossen Austrittswinkels <& von 45 können infolge der günstigen Geometrie der Anordnung durch geeignete Wahl der Krümmungsradien rl, r2, r3 sowie des Brechungsindex für den Glaskörper 11 die zentralen Oeffnungsfehler vollständig korrigiert und die Sinusbedingung ideal erfüllt werden. Infolge der kleinen Abmessungen des Messfleckes B ist es ferner möglich, die Farbfehler und die Verzeichnung innerhalb sehr kleiner Grenzen zu halten.

Die Sammlung des von dem Messfleck B der Messunterlage reflektierten Lichtes erfolgt durch die Linse 31, welche am Glaskörper 11 anliegt. Vorteilhafterweise wird für die Linse 3L die gleiche Glassorte wie für den Körper 11 gewählt. Somit erfolgt die Abbildung des Messfleckes B durch eine Sammeloptik, welche aus einer dicken Linse mit den Begrenzungsflächen 57 und 58 besteht. Zur Begrenzung des Sammelwinkels .'iß kann eine Blende 33 verwendet werden.

Gemäss Fig. 3 kann der Spiegel 12 auf die Linse 31 aufgedampft und in der Grosse so gewählt sein,, dass er gleich-

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zeitig die Funktion der Blende 33 für die Sammeloptik übernimmt .

Gemäss Fig. 4 ist die in Fig. 2 dargestellte Anordnung bei Verwendung in einem Einzelmesskopf zur Messung der Remissionseigenschaften von Oberflächen durch eine Kondensoranordnung 18 ergänzt, welche von der Lampe 0 in der Oeffnung einer Blende 30 ein Zwischenbild O¹ erzeugt. Dadurch können einige ungünstige optische Eigenschaften des Ouarzkolbens der Lampe 0 eliminiert werden. Ausserdem können dadurch das Streulicht der Anordnung und die definitiven Abmessungen des Messfleckes B beeinflusst werden. Wie der Fig. 4 zu entnehmen ist, wird als Kondensoranordnung die umgekehrt bestrahlte Beleuchtungsanordnung (Fig. 2) verwendet. Das von der Lampe 0 ausgesandte Licht fällt durch die konkave innere Kugelfläche des Glaskörpers 11 auf den an der äusseren Kugelfläche angeordneten Spiegel und wird von diesem auf den an der inneren Kugelfläche angeordneten Spiegel reflektiert. Von diesem wird das Strahlenbündel durch den Glaskörper 11 hindurch auf die Oeffnung der Blende 30 gelenkt. Das vom Messfleck B reflektierte, gesammelte und durch den Spiegel 34 umgelenkte Licht wird mit Hilfe eines halbdurchlässxgen Spiegels 22 in zwei Teile geteilt, so dass zwei Bilder des Messfleckes B in der Oeffnung der Blende

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35 bzw. 25 entstehen. Damit ist prinzipiell die Möglichkeit gegeben, das von dem Messfleck B stammende, gesammelte Informationssignal in zwei (oder mehrere) Arten zu verarbeiten. Ist zum Beispiel die Oeffnung der Blende 25 kleiner als das Bild des Messfleckes B, dann können mit dem Photodetektor 26 feinere Details innerhalb des Messfleckes B ausgemessen werden. Andererseits ist es möglich, die Information beispielsweise nach der Blende 35 farbig zu analysieren, indem ein dichroitisches System 23 und drei Photodetektoren 27, 28 und 29 mit dem Teilstrahl bestrahlt werden. Eine Kombination dieser zwei Möglichkeiten wird z.B. bei der Messung der Farbgebung an laufenden Tiefdruckmaschinen angewendet, bei der das Messobjekt eine normierte Skala aus Farbfeldern (grosse Felder) und Synchronisationsfeldern (kleine Felder) ist.

Die wichtigsten Daten über die Abmessungen des in Fig. 4 gezeigten Einzelmesskopfes sind:

Beleuchtungsteil;

a) Kondensoroptik 18

rl^f = 38 mm; r2' - 12 rnm; r3^f = 21,5 mm; d¹ = 10 mm; Glaskörper 11: Schott BK7

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b) Abbildungsoptik

rl = 32,5 mm; r2 = 13,5 mm; r3 = 21,5 mm; d = 11,5 mm, .Glaskörper 11: Schott BK7

c)-Lampe 0: Halogen 50 W, 2340 Sb, Lichtmenge: 1400 Lumen,

Grosse des Lichtfleckes: 3,3 χ 1,5 mm -Abbildungsmassstab Lampe 0 - Messfleck B = 1,4 : -Grosse des Messfleckes B: 2,4 χ 1,1 mm

-Strahlengang auf der Beleuchtungsseite: 45° + 5°/360° Ringtyp

-Numerische Apertur der Anordnung: 0,41

-Beleuchtungsstärke im Messfleck ca. 10 Lux -Lichtmenge in Messfleck B: ca. 30 Lumen

S ammlung s te i1

a) Strahlengang der Sammlung: 90+5

b) Abbildungsmassstab des Messflscks B auf die Blenden 35 und 25: ca. 1 : 3

c) Numerische Apertur der Sammelpptik: 0,087

d) Gesammelte Lichtmenge_r wenn auf den Messfleck B die Lichtinenge von 30 Lumen fällti ca. 250 m Lumen«,

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Gemäss Fig. 5, welche einen Mehrfachmesskopf für die Ueberwachung der Farbgebung bei Offsetmaschinen zeigt, werden von der Lampe 0 vier Lichtstrahlenbündel 60 - 63 abgeleitet, von denen jedes je eine der in Fig. 2 dargestellten Beleuchtungsanordnungen 52, 53, 54 und 55 beaufschlagt. Die Kondensoren 38 und 39 entsprechen je der Kondensoranordnung 18 von Fig. 4. Aus dem Kondensor 39 werden mit Hilfe der Strahlenteiler 46 und 47 drei Lichtstrahlenbündel 60, 61 und 62 abgeleitet, welche über Feldlinsen 49, 50 und 51 zu den Beleuchtungsanordnungen 53, 54 und 55 geleitet werden. Im Strahlengang von zweien (60, 62) dieser Lichtstrahlenbündel befinden sich optische Ausgleichglieder 44 und 45. Vorzugsweise sind die Strahlenteiler 46 und 47 dichroitische Farbspalter, so dass prinzipiell eine Farbanalyse der Vorlage an den Messflecken 65, 66, 67 z.B. in die Grundfarben Rot, Grün, Blau möglich ist. Der vierte Lichtstrahl 63 wird hin-gegen über den Kondensor 38 abgeleitet und über Feldlinsen 42, 43 und 48 sowie zwei Spiegel 40 und 41 zu der Beleuchtungsanordnung 52 geführt. Vorzugsweise wird dieser Strahl geeignet gefiltert und zur Messung der Helligkeit am Messfleck 64 der Vorlage 68 verwendet.

Jeder der hier dargestellten optischen Kanäle weist eine numerische Apertur von 0,41 auf; die numerische Apertur jeder Sammeloptik beträgt 0,087.

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Claims

A η s p r ü c h e

L. Beleuchtungsanordnung in Messköpfen zur Bestimmung der Remissionseigenschaften von Oberflächen, insbesondere für Messungen nach dem US-Standard PH2.17 - 1958, mit zwei sphärischen Ringspiegeln und einem Glaskörper, dadurch gekennzeichnet, dass

- die sphärischen Ringspiegel (12, 13) konzentrisch sind, der Glaskörper (11) zwischen den beiden Spiegeln liegt und eine innere (56) sowie eine äussere Kugelfläche (57) aufweist, welche je einen sphärischen Ringspiegel tragen, wobei der äussere Ringspiegel (13) auf der äusseren Kugelfläche (57) des Glaskörpers einen Kugelabschnitt als Oeffnung begrenzt, dessen Projektion in Richtung der optischen Achse der Anordnung die Projektion des inneren Ringspiegels

(12) einschliesst,

- der Glaskörper eine sphärische Austrittsfläche (14) aufweist, deren Mittelpunkt (B) den abzutastenden Bereich der zu messenden Oberfläche festlegt, und dass

- die Krümmungsradien (rl, r2) der Spiegel, der Krümmungsradius (r3) der Austrittsfläche, der Abstand (d) zwischen

dem Krümmungsmittelpunkt (Z) der Ringspiegel und dem Krümmungs-. mittelpunkt der Austrittsfläche sowie der Brechungsindex des Glaskörpers so beschaffen sind, dass die sphärische Aberration

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der Anordnung Null ist und die Sinus-Bedingung exakt erfüllt ist.

2-Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet/ dass die sphärischen Ringspiegel (12, 13) und der Glaskörper (11) eine Baueinheit bilden, wobei vorzugsweise die Ringspiegel auf den zugeordneten Kugelflächen (56, 57) des Glaskörpers aufgedampft sind.

- Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch eine in der optischen Achse angeordnete Zusatz linse (31), welche einseitig in Kontakt mit einem Teil der inneren Kugelfläche (56) des Glaskörpers (11) steht und so dimensioniert ist, dass der Glaskörper und die Zusatzlinse gemeinsam eine Sammellinse für das vom abzutastenden Bereich der zu messenden Oberfläche remittierte Licht bilden.

ti Anordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der innere sphärische Ringspiegel (12) auf der der inneren Kugelfläche (56) des Glaskörpers (11) zugewandten Fläche der Zusatzlinse (31) aufgedampft ist.

5. Anordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der auf der Zusatzlinse (31) aufgedampfte innere sphärische Ring-

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spiegel (12) gleichzeitig die Begrenzungsblende für die aus dem Glaskörper (11) und der Zusatzlinse bestehende Sammellinse bildet.

6. Anordnung nach einem oder mehreren der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Glaskörper

(11) eine derartige Dicke aufweist, dass er einen Explosionsschutz für die Anordnung darstellt.

7. Anordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Austrittsfläche (14) des Glaskörpers (11) an die innere Kugelfläche (56) des Glaskörpers anschliesst und dass die Projektion der Austrittsfläche (14) in Richtung der optischen Achse der Anordnung innerhalb derjenigen des äusseren sphärischen Ringspiegels (13) liegt«

Für GRET/\G AKTIENGESELLSCHAFT der Vertreter:

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