DE2712074C3 - Vorrichtung zur Messung der diffusen Reflexion von Oberflächen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung nach dem GattuBgsteil des Hauptanspruchs.

Derartige optische Vorrichtungen werden in weiten Gebieten der Technik zur Qualitätskontrolle ebenso wie in der Forschung angewendet (US-PS 35 89 813).

Die sogenannten Reflexionsdensitometer messen den negativen Logarithmus der reflektierten Streustrahlung in einem oder mehreren bestimmten Spektralbereichen und werden beispielsweise zur Untersuchung photografischer Papiere, der Bildwiedergabe von Druckfarben auf Papier oder anderen Unterlagen in der Färb-, Pigment- und Textilindustrie und in der Dünnschichtchromatographie benutzt.

Die diffuse Reflexion ergibt sich aus dem Verhältnis der von einer Probe oder dergleichen Oberfläche senkrecht reflektierten Strahlung zu der diese diffus beleuchtenden oder aus dem Wert der senkrecht auf die Probe auffallenden Strahlung zu der von dieser diffus reflektierten Strahlung. Messungen der diffusen Reflexion schließen somit eine gerichtete Reflexion aus. Im vorliegenden Fall wird auf die Messung mit diffuser Beleuchtung entweder vermittels eines Kugelbeleuchtungsapparates oder durch Beleuchtung der Probe unter 45° Bezug genommen. Für die 45° Beleuchtung wird das Licht innerhalb eines Kreisrings konzentriert, wobei der Auftreffwinkel von 45° geringfügig um diesen Wert schwanken kann. Das diffus reflektierte Licht fällt gesammelt senkrecht auf die Probe, gleichfalls bei geringer Streuung, um die Senkrechte auf.

Diese als 45°/0° Beleuchtungs/Auffanggeometrie bezeichnete Anordnung ist Ausgangsbasis der vorliegenden Vorrichtung, wobei der Erfindung die Aufgabe zugrunde liegt, das optische System möglichst in einfacher Weise so auszubilden, daß die Probenoberfläche unter 45° mit geringer Streubreite und gleichmäßiger Bestrahlungsstärke aus einem geschlossenen Ringkreis im Bereich eines kreisförmigen Probenfeldes beleuchtet wird.

Die Lösung dieser Aufgabe wird durch die im Kennzeichen des Anspruchs 1 angegebenen Merkmale erreicht.

Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Die Verwendung einer konkaven Sammeloptik ist besonders vorteilhaft, wobei diese das diffus reflektierte Licht in einem vorbestimmten Halbwinkelbereich um die Senkrechte empfängt und wobei das Bildfeld zugleich auf die gleichmäßig beleuchtete Region der Probenoberfläche begrenzt wird. Da die Sammeloptik noch ein oder mehrere, beispielsweise auf einem Filterrad angeordnete Spektralfilter beinhaltet, und sich zur Lichtleitung zum Strahlungsdetektor eines optischen Lichtfaserleiters bedient, ergibt sich ein besonders störunanfälliger und vielseitiger Aufbau.

Die vorliegende Vorrichtung ist aus einfach und wirtschaftlich vorteilhaft zu fertigenden Einzelteilen aufgebaut und vermeidet die Verwendung von teuren optischen Elementen hochwertiger Qualität. Der Aufbau unterliegt praktisch keinen Größenbeschränkungen und eignet sich sowohl für Geräte zur Untersuchung kleiner Probenflächen als auch für solche mit großen

Probenflächea

Die Vorrichtung bedarf keines mechanischen Kontakts mit der Probenoberfläche und kann daher sowohl zur Untersuchung stationärer als auch bewegter Proben mit Vorteil benutzt werden.

Im folgenden soll die Erfindung beispielshaft an der Figur beschrieben werden, die eine vereinfachte Schnittdarstellung des erfindungsgemäß ausgebildeten Reflektometers mit der zugehörigen Beleuchtungs- und Strahlungssammeleinrichtung wiedergibt

Beim Ausführungsbeispiel sind alle Bauteile kreissymmetrisch in bezug auf die optische Achse ausgebildet mit Ausnahme der Lichtquelle 1 und den Elementen 14 bis 20 der Sammeloptik. Die Lichtquelle 1 ist ein relativ großflächiger, also räumlich ausgedehnter Strahler und besteht vorzugsweise aus einer impulsgesteuerten Xenonentladungsröhre. Die Strahlung der Lichtquelle 1 fällt begrenzt durch eine kreisförmige Öffnung der Zylinderfläche 2 auf einen Keil 3, und zwar entweder direkt — entsprechend Strahl AB — oder nach ein- oder mehrmaliger Reflexion — beispielsweise entsprechend Strahl CD. Die Zylinderfläche ist poliert, um ein möglichst hohes Reflexionsvermögen zu erhalten. Bestimmte Strahlen der Lichtquelle, wie beispielsweise Strahl EF, erreichen den Keil 3 nicht, da sie auf Teile des Strahlungssammelsystems auftreffen.

Keil 3 kann aus Glas oder Plastik bestehen und dient dazu, die auftreffenden Strahlen in bezug auf die optische ^chse radial nach außen abzulenken, wie beispielsweise für den Strahl AB, der vom Punkt G nach außen zum Punkt H abgelenkt wird. Die Keiloberfläche 4 muß nicht, wie dargestellt, konisch ausgebildet sein, sie muß lediglich eine Form aufweisen, die bewirkt, daß die Strahlen radial nach außen abgelenkt werden. Dies wird erreicht, wenn die Fläche 4 so beschaffen ist, daß die Keildicke mit dem Radius zunimmt. So kann beispielsweise die Fläche 4 konkav ausgeführt werden. Die Keiloberfläche 4 ist mattiert, um so für eine gleichförmige Beleuchtungsstärke der Probenoberfläche zu sorgen. Die an der Keilaustrittsfläche gebrochene und diffus zerstreute Strahlung wird von der polierten zylindrischen Fläche 5 derart reflektiert, daß sie unter einem Winkel von ca. 45° radial nach innen verläuft. Die Fläche 5 braucht nicht, wie dargestellt. Teil einer Zylinderfläche sein, sie muß jedoch so beschaffen sein, daß sie im Zusammenwirken mit der Keilfläche 4 sicherstellt, daß die Strahlung unter einem Winkel von etwa 45° auf die Probenfläche auftrfft. Wenn beispielsweise die von Keil 4 kommenden Strahlen und einem von 45° abweichenden Winkel auf die Fläche 5 auftreffen, wird dieser eine konische Form gegeben, um so den gewünschten Auftreffwinkel zu erzielen.

Auch ringförmige Ellipsoidflächen können benutzt werden. Weiter ist es durch Ausgestaltung de·· Fläche 5 bzw. der Flächen 5 und/oder 4 möglich, dafür zu sorgen, daß die Strahlung unter einem von 45° abweichenden Winkel auf der Probenfläche auftrifft. Strahlungsundurchlässige Blenden 6, 7 und 8 bewirken die Ausblendung aller Strahlen, die unter einem Winkel auftreffen würden, der von 45° mit zugelassener Strahlung abweicht.

Eine Klarglasscheibe 9 dient als Schutz und Strahlenaustrittsfenster. Die durch die Scheibe 9 austretende Strahlung prallt auf die Probe 10 aus einer 360° umfassenden Ringfiäche urd unter Winkeln vor. 45° in bezug auf die Senkrechte zur Probenoberfläche auf. Die Mattierung der Fläche 4 bewirkt, daß die Beleuchtung innerhalb der durch L und M markierten Kreisflächen gleichförmig ist

Die von der Probe diffus reflektierte Strahlung wird innerhalb eines Konus von gegenüber der optischen Achse vorbestimmtem öffnungswinkel vermittels des Linsensystems 11 gesammelt Der Halbwinkel wird durch die vor der Sammellinse 11 angeordnete Aperturblende 12 bestimmt Läßt man die Blende 12 weg, so wird der Winke! durch das Linsensystem selbst bestimmt Die kreisförmige Fläche L-M auf der Probenoberfläche wird vermittels des Linsensystems 11 auf dem Ende 13 des Faseroptik-Lichtleiters 14 abgebildet Die öffnung des Lichtleiters dient als Gesichtsfeldblende und definiert die Region der Probenoberfläche von der Licht gesammelt und ausgewertet wird. Das Linsensystem wird daher zweckmäßig derart gewählt daß das gleichförmig beleuchtete Gebiet auf der Probe auf dem Ende 13 der Faseroptik entsprechend verkleinert abgebildet wird, um der öffnung der Faseroptik zu entsprechen. Wird eine Zusatzblende vor der Faseroptik angeordnet, so kann damit die ausgewertete Probenfläche weiter

jo verkleinert werden.

Faseroptik-Lichtleiter können mit relativ kleinem Radius gebogen werden, was ermöglicht, den Lichtleiter so anzuordnen, daß er weitgehend außerhalb der Lichtwege von der Lichtquelle 1 liegt Die am Ende 15 des Lichtleiters austretende Strahlung wird vermittels einer Optik 16 durch ein Spektralfilter 17 auf die Eintrittsöffnung des Photodetektors 18, beispielsweise einer Silikon-Photodiode, fokussiert Wegen der geringen Lichtverluste in Faseroptik-Lichtleitern kann der Photodetektor relativ weit entfernt von der Sammeloptik angeordnet werden, wenn dies aus konstruktiven Gründen erwünscht ist

Als Spektralfilter dient bevorzugt ein Interferenzfilter mit einer Bandbreite von ca. 10 bis 20 nm, die zweckmäßig entsprechend dem Absorptionsmaximum der Probe gewählt wird. Schmalbandfilter gestatten es, gegenüber Galatinfiltern, mit breiteren Durchlaßbereichen eine höhere Empfindlichkeit zu erreichen und damit bereits geringere Farbabweichungen zu konstatieren. Zweckmäßigerweise kann anstelle eines Filters 17 eine Filterscheibe bzw. ein Filterrad mit einer Mehrzahl von Filtern angeordnet werden, um so in einfacher Weise Messungen in verschiedenen Durchlaßgebieten auszuführen. In der Darstellung besteht der Vergleichslichtweg aus dem Faseroptik-Lichtleiter 19 und dem Photodetektor 20. Eine nur geringe Menge der Strahlung der Lichtquelle 1 wird von der Eintrittsöffnung O der Faseroptik gesammelt, wie beispielsweise für den Strahl /tOdargestellt.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (8)

Patentansprüche:

1. Vorrichtung zur Messung der diffusen Reflexion von Oberflächen, die unter einem definierten Winkel, vorzugsweise 45°, beleuchtet werden und deren senkrecht weggehende Streustrahlung geraessen wird, gekennzeichnet durch eine flächige zur Probenoberfläche (10) parallel ausgerichtete Lichtquelle (1) mit einer zur optischen Achse radialsymmetrisch angeordneten, die von der Lichtquelle ausgehende Strahlung radial nach außen ablenkende konkave Optik (3), eine radialsymmetrisch zur optischen Achse angeordnete Strahlung, radial nach innen auf die Probenoberfläche (10) zu reflektierende Reflektorfläche (5) für die von der konkaven Optik (3) abgegebene Strahlung, weiter durch eine Mehrzahl zwischen der konkaven Optik (3) und der Probenoberfläche (10) angeordnete Blenden (6, 7, 8) zum Ausblenden derjenigen Strahlung, die die Probenoberfläche unter einem anderen Winkelbereich erreichen würde als den gewünschten Winkel zusätzlich eines definierten Streu- beziehungsweise Abweichungsbereichs, durch eine Abbildungseinrichtung (11,12,13), deren optische Achse mit der der Beleuchtungsoptik zusammenfällt und die die von der Probenoberfläche diffus reflektierte Strahlung fokussiert und diejenige Strahlung ausschließt, die außerhalb eines Winkels von 0° mit definiertem Abweichungsbereich zur optischen Achse und damit zur Senkrechten auf die Probenoberfläche (10) von der Probe reflektierbar ist, und durch einen die fokussierte, von der Probe reflektierte Strahlung einem Lichtempfänger, wie einem Photodetektor (18) zuführenden faseroptischen Lichtleiter (14).

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Lichtaustrittsende (15) des Lichtleiters (14) und dem Photodetektor (18) eine Fokussieroptik (16) und ein oder mehrere, vorzugsweise auf einer Wechseleinrichtung angebrachte Spektralfilter(17) angeordnet sind.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Fokussieroptik (16) aus einer sphärischen Linse besteht und daß der oder die einzelnen Filter (17) eine Bandweite von etwa 10 bis 20 nm und einen Durchlaßbereich, der der maximalen Absorption auf der Probenoberfläche entspricht, aufweisen.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die konkave Optik (3) keilförmig und die Reflektorfläche (5) zylindrisch ausgebildet sind.

5. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichteintrittsöffnung (13) des Lichtleiters (14) die Bildfeldblende vorgibt.

6. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß von dem Linsensystem (11) zum Fokussieren der von der Probeoberfläche (10) reflektierten Strahlung eine Feldbegrenzungs- bo blende (12) angeordnet ist.

7. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß ein Vergleichslichtweg vorgesehen ist, der aus einem optischen Lichtleiter (19) besteht, dessen Eintrittsöffnung (O) in der Nähe der Lichtquelle (1) angeordnet ist und der die Strahlung einem Vergleichs-Photodetektor (20) zuführt.

8. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Photodetektor (18) ein Silikon-Photodetektor ist.