DE2740724C3

DE2740724C3 - Spektralphotometer

Info

Publication number: DE2740724C3
Application number: DE19772740724
Authority: DE
Inventors: Stanley J. Pomona N.Y. Kishner
Original assignee: Kollmorgen Technologies Corp
Current assignee: Kollmorgen Instrument Corp
Priority date: 1976-09-13
Filing date: 1977-09-08
Publication date: 1981-12-17
Also published as: DE2740724B2; FR2364437B1; DE2740724A1; GB1537933A; JPS5352183A; JPS628729B2; FR2364437A1; CH618266A5

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Spektralphotometer gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1.

Ein solches Spektralphotometer ist bereits aus der DE-OS 16 22 484 bekannt. Die bekannte Meßvorrichtung verwendet eine Xenon-Blitzlichtquelle, die in einer Photometerkugel angeordnet ist, und dient der Messung des Unterschied im Reflexionsvermögen beziehungsweise der Durchlässigkeit zwischen einer Standardprobe und einem unbekannten Material. Das Spektralphotometer leuchtet mit der pulsierenden Lichtquelle den Probekörper gleichmäßig aus, wobei die Verarbeitung des Lichtbündels über ein optisches System erfolgt, welches eine Fokussierungsoptik und einen Spalt zur Begrenzung des Lichtbündels aufweist Zur Zerlegung

ίο des Lichtes in seine verschiedenen Wellenlängen dienen einzelne Filter, die nacheinander in den Strahlengang eingebracht werden müssen, was gleichbedeutend damit ist, daß eine gleichzeitige Analyse der Gesamtheit des in seine Anteile zerlegten Lichtes nicht erfolgen kann.

is Das bekannte Spektralphotometer besitzt nur eine einzige lichtempfindliche Meßeinrichtung, wobei es bei der Messung schnellbewegter Proben schwierig wird, hier eine zeitlich aufeinanderfolgende Fassung der Spektralkomponenten in gewünschter Weis:: vornehmen zu können. Die verwendete diffuse Lichtquelle hat keinen definierten Beleuchtungswinkel.

Des weiteren ist noch ein Spektralphotometer bekannt (Rev. Sei. Instr. vol. 45,1974, S. 1349 -1352), bei dem das einfallende Licht mittels einer Kameralinse auf einen Eintrittsspalt fokussiert wird, um anschließend gesammelt auf ein Gitter zu fallen, worauf es nach der Reflexion am Gitter auf eine lineare Photodiodenanordnung derart fokussiert wird, daß die einzelnen Dioden der Anordnung jeweils unterschiedliche Spektralbereiehe gleichzeitig erfassen. Die gleichzeitig erfaßten einzelnen Spektralanteile werden elektronisch aufeinanderfolgend über ein Schieberegister im Multiplexverfahren mittels eines einzelnen Verstärkers einer Weiterverarbeitung unterworfen.

In diesem Zusammenhang soll auch noch darauf hingewiesen werden, daß es ganz allgemein bekannt ist, bei Farbmessungen verschiedene Meßgeometrien anzuwenden, also mit unterschiedlichen Beleuchtungswinkeln, so beispielsweise auch mit einem Beleuchtungswinkel von 45° zu arbeiten (Projekt W 50-662/111 d Firma Carl Zeiss, 1969).

Schließlich ist noch ein ι Vorrichtung zur Messung der diffusen Reflexion von Oberflächen vorgeschlagen worden, die gleichfalls unter einem vorzugsweise definierten Winkel von 45° beleuchtet werden, bei der die Probe von einer flächigen zur Probenoberfläche parallel ausgerichteten Lichtquelle über eine zur optischen Achse radial-symmetrisch angeordnete hohlzylindrische Beleuchtungsoptik beleuchtet wird, und bei der mehrere Blenden sowie eine Abbildungseinrichtung und ein die fokussierte, von der Probe reflektierte Strahlung einem Photodetektor zuführender faseroptischer Lichtleiter vorgesehen sind (DE-PS 27 12 074).
Von diesem Stand der Technik ausgehend liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Spektralphotometer der eingangs genannten Art so weiterzubilden, daß die Spektralcharakteristik schnell bewegter Proben sicher ermittelt und die gleichmäßig diffuse Ausleuchtung der Probe verbessert wird.

Die Lösung dieser Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im Kennzeichen des Anspruches I aufgeführten Merkmale erreicht.

Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Die besondere Art und Weise, mittels der es bei dem vorliegenden Aufbau des Spektralphotometers möglich wird, entweder den Reflexionsanteil oder den durchgelassenen Anteil des Lichtes einer Probe zu untersuchen

und für alle Wellenlängenbereiche gleichzeitig zu messen, führt zu außerordentlich vorteilhaften Ergebnissen für schnell bewegte Proben, wofür es sich auch als vorteilhaft erwiesen hat, eine an sich bekannte impulsgesteuerte Xenonlichtquelle zu verwenden. Die Geschwindigkeit der schnell bewegten Probe ist für das Meßergebnis vernachlässigbar klein gegenüber der Schnelligkeit der spektralphotometrischen Erfassung und Messung, wobei als zusätzlicher Vorteil für den Aufbau des vorliegenden Spektralphotometers noch hinzu kommt, daß dieses keine beweglichen Teile aufweist.

Die Erfindung wi^rd im folgenden anhand der Zeichnung näher erläutert, die eine schematische Darstellung des Aufbaus des Spektralphotometers wiedergibt.

In der dargestellten Ausgestaltungsform des Spektralphotometers dient dieses der diffusen Reflexionsmessung im sichtbaren Spektralbereich zur Farbbestimmung einer Probe 1. Die Probe 1 wird mit dem von einem zylindrischen Hohlkörper reflektierten Licht einer Blitzlichtquelle 3 beleuchtet, wobei die Lichtquelle vorzugsweise eine impulsgesteuerte Xenc'iblitzquelle ist mit Lichtimpulsen von etwa 10 bis 20 Mikrosekunden Dauer. Schnell bewegte Körper verändern ihre Lage während der Messung nur um eine vernachlässigbare Distanz und die hohe Lichtintensität ermöglicht, daß durch ein elektronisches System hochfrequenzgefiltert die Meßergebnisse sehr unempfindlich gegen Umlichteffekte sind.

Die Blitzlichtquelle 3 beleuchtet die Platte 17. Das von der Platte 17 unter einem Winkel von 45° ausgestrahlte Licht fällt in das optische Beleuchtungssystem, das heißi den kreissymmetrisch angeordneten zylindrischen Hohlkörper, der aus der zylindrischen, die Lichtstrahlen reflektierenden Innenwand 18 und einem Satz Streulichtblenden 19 besteht, so daß das Licht unter einem Winkel von etwa 45° auf die Probe 1 fällt.

Der Reflexionswinkel der Probe 1 ist durch den Begrenzungsstrahl 20 in seiner räumlichen öffnung begrenzt Die von der Innenwand 18 reflektierten Strahlen treffen die Probe 1 in einem gleichmäßig beleuchteten runden Punkt 21. Die gleichmäßige Helligkeit dieses Punktes wird durch den Grad der Diffusität der Platte 17 bestimmt. Der Punkt 21 liegt außerhalb des optischen Systems; dadurch werden sogenannte »kontaktlose« Messungen möglich.

Das Licht, das von der Probe 1 diffus reflektiert wird, wird von der Sammellinre 22 gesammelt und tuf den Lichtleiter 23, der auch ein Faserbündel sein kann, gerichtet. Dieser leitet lias Licht einem Analysator zu. Eine weitere Sammellinse 24 wirft das Licht von dem Lichtleiter 23 auf die Eintritts-Blendenöffnung 6.

Die Eintritts-Blendenöffnung 6 dient der Begrenzung des Streuwinkels des Lichtes, das durch den Rest des optischen Systems fällt. Die Strahlen, die durch die Blendenöffnung 6 fallen, werden mittels der Linse 7 parallel gerichtet und treffen auf ein Dispersionselement auf, welches als separierendes Element 8 entweder ein Prisma oder wie im Ausführungsbeispiel ein Beugungsgitter sein kann. Das Beugungsgitter zerlegt das Licht in seine einzelnen Spektralanteile von etwa rotem Licht mit einer Wellenlänge von 700 nm bis zu violettem Licht mit einer Wellenlänge von 400 nm. Eine

ίο Linse 9 richtet das zerlegte Licht gleichzeitig auf die lineare Anordnung einer Mehrzahl einzelner photoelektrischer Wandler 10.

Die Linse 7, das Beugungsgitter 8 und die Linse 9 können auch durch ein einziges Beugungsgitter ersetzt werden, welches eine konkave Oberfläche aufweist, die sich wie ein Spiegel verhaltend die Strahlen fokussiert.

In einer vorzugsweisen Ausgestaltungsform werden als photoelektrische Wandler Siliziumdioden verwendet. Jede einzelne Photodiode mißt nur einen sehr engen Wellenlängenbereich. Die Breite des Wellenlängenbereiches hängt von der Breite der Tintritts-BIendenöffnung 6 ab und von der Breite der einzelner. Photodioden. Die gemessenen Wellenlängen hängen von der Stellung der Photodiode in der Gesamtanordnung der photoelektrischen Wandler ab. Die Zahl der Photodioden entspricht der Zahl der Wellenlängenbereiche, die gleichzeitig gemessen werden sollen. Eine vorzugsweise Ausgestaltungsform weist 18 Photodioden auf, die Wellenlangen zwischen 380 und 720 um messen, was bedeutet, daß jede Photodiode eine Bandbreite von 20 nm aufnimmt. Es wurde festgestellt, daß der Abstand der Mittellinien der Photodioden für einige Farben die Genauigkeit der Messung beeinflußt. Entsprechend sollte das Verhältnis der Breite der Wandler 10 zum Abstand zwischen den einzelnen Wandlern, gemessen von Mittellinie zu Mittellinie, zwischen 0,6 und 0,9, vorzugsweise bei 0,8, liegen.

Ein weiterer photoelektrischer Wandler 12 ist in der dargestellten Weise unmittelbar neben der Rlitzlichtquelle 3 angebracht, um die Intensität der Lichtimpulse zu steuern. Das von diesem Wandler 12 erhaltene Signal v· ird zur Normierung der von der linearen Anordnung der Wandler 10 erhaltenen Signale verwendet, beispielsweise zur Kompensation von Intensitätsschwankungen der Blitzlichtquelle 3.

Die von den photoelektrischen Wandlern 10 und 12 abgegebenen Signale werden einer Elektronikeinrichtung 11 zugeleitet, welche diese Signale in eine auswertbare Form für den jeweiligen Anwendungsbereich umwandelt. Diese Umwandlung kann entweder eine Verstärkung der Signale oder auch deren Umwandlung zur Digitalanzeige beinhalten, die sichtbar gemacht oder zur Steuerung von entsprechenden Programmen verwendet werden kann.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Spektralphotometer mit

a) einer Blitzlichtquelle,

b) einer von den Lichtblitzen der Blitzlichtquelle beaufschlagten optischen Anordnung zur diffusen Ausleuchtung einer zu untersuchenden Probe,

c) einer spektralselektiven Einrichtung zur Trennung von unterschiedlichen Spektralanteilen des von der Probe ausgehenden Lichts, welche eine Eintritts-Blendenöffnung aufweist,

d) einem photoelektrischen Empfänger zur getrennten Erfassung der Intensitäten der unterschiedlichen Spektralanteile,

dadurch gekennzeichnet, daß,

e) die optische Anordnung folgende Einrichtungen umfaßt:

1. eine vor der Blitzlichtquelle (3) angeordnete licliiüireuende Platte (17),

2. einen in Strahlungsrichtung vor der Platte (17) und koaxial zu deren Mittellot angeordneten hohlzylindrischen Körper, dessen Innenwand (18) zur Reflexion des einfallenden Lichts auf die Probe (1) verspiegelt ist,

3. eine Kondensoroptik (22,23,24) zur Fokussierung des von der Probe ausgehenden Lichts auf die Eintritts-Blendenöffnung (6),

f) die spektralselektive Einrichtung ein die Spektralanteile räumlich separierendes Element (8) sowie Mittsl (9) zur Fokussierung der Spektralanteile jeweils an unterschiedlichen Stellen einer Ebene aufweist, und

g) der photoelektrische Empfänger eine Anzahl von photoelektrischen Wandlern (10) aufweist, die zur gleichzeitigen Erfassung jeweils eines der fokussierten Spektralanteile in der Ebene angeordnet sind.

2. Spektralphotometer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die optische Anordnung zur Begrenzung des Beleuchtungswinkels der Probe (1) auf einen bestimmten Wert mit Streulichtblenden (19) ausgestattet ist.

3. Spektralphotometer nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Streulichtblenden (19) so angeordnet sind, daß der Beleuchtungswinkel 45° beträgt.

4. Spektralphotometer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Kondensoroptik eine erste Sammellinse (22), einen nachgeordneten Lichtletter (23), sowie eine zweite Sammellinse (24) umfaßt.

5. Spektralphotometer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die photoelektrischen Wandler (10) in einer Reihe angeordnet sind, und daß das Verhältnis der Breite zum Mittelabstand der Wandler (10) zwischen 0,6 und 0,9 und vorzugsweise 0,8 beträgt.