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Spektralapparat
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Bei der Erfindung handelt es sich um einen Spektralapparat mit mehreren
monochromatischen Empfängern zur Messung von spektraler elektromagnetischer Strahlung
in sichtbaren und den benachbarten Gebieten.
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In den Bereichen der Technik wie der Farben- und Lackindustrie, Mbtallurgie
oder der organischen Chemie wird häufig die Aufgabe gestellt, Lichtspektren von
direktem, transmittiertem oder reflektiertem Licht in ihrer Zusammensetzung zu analysieren,
um Aussagen über die Beschaffenheit der Stoffe machen zu können. Auch ist es wichtig,
färben von Stoffen exakt zu bestimmen, umderen Farbkonstanz überwachen zu können.
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Häufig ist es nötig, wiederholte Messungen an verschiedenen Objekten
vorzunehmen, um festzustellen, ob sie gleiche farbliche Qualität aufweisen.
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Zur Lösung dieser Aufgabe werden von der Technik sogenannte Monochromatoren
verwandt. Bei einem bekannten Apparatetypus wird das zu bestimmende Licht durch
ein Filter gelenkt, daß nur für das Licht einer bestimmten Wellenlänge durchlässig
ist (z.B. Interferenzfilter, Pnsneniionochromator). Das gefilterte Licht wird anschließend
einem Photoempfänger zugeleitet und der Strahlenstärke entsprechende Photostrom
gemessen. Zur Ressung des gesamten Spektrums einer Lichtquelle werden bei diesem
Apparat nacheinander Filter mit unterschiedlicher spektra-1er Durchlässigkeit eingesetzt
und der jeweilige Strahlungsfluß gemessen. Da derartige Messungen sehr zeitaufwändig
sind,
z.li. muß, um eine verlässliche Aussage über die Spektralverteilung
machen zu können, der Wellenlängenbereich von 380 bis 780 nm alle 10 nm mit einem
derartigen Filter eine messung vorgenommen werden. Um die Zeit für die Messung zu
verkürzen, sind auch Spektralapparate bekannt, bei denen alle diese Interferenzfilter
auf einer rotierenden Scheibe befestigt sind, so daß das Licht nacheinander auf
die Interferenzfilter fällt und von dort über ein Spiegelsystem einem Photoelement
zugeleitet wird.
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Da jedoch die Spektren von Selbststrahlern bei unterschiedlichen Leuchtstärken
in der Regel einander nicht ähnlich sind, sind bei diesen Spektralapparaten Fehler
in Kauf zu nehmen, da die Leuchtstärke im Verlauf der Messungen stark schwanken
kann.
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Mit anderen Spektralapparaten wird versucht, diesen Nachteil zu vermeiden.
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Beispielsweise ist eine Anordnung bekannt geworden, bei der eine
Vielzahl von ronochromatoren mit jeweils eigenen Photoempfängern verwendet werden.
Bei diesem Monochromatoren werden auch Interferenzfilter verwendet, die sich jedoch
vor der lichtempfindlichen Oberfläche der Photoelemente befinden. Mbnochromatoren
und l'hotoelemente sind in zwei zueinander parallelen Ebenen angeordnet. Wird der
Spektralapparat mit Licht bestrahlt, können an den Photoelementen die den spektralen
Anteilen entsprechenden Meßgrößen gleichzeitig parallel abgenommen werden. Diese
Spektralgeräte haben jedoch den Nachteil, daß einmal die Empfangsfläche sehr groß
ist und die einzelnen Interferenzfilter bei schrägem Lichteinfall
oder
bei größeren Eintrittsaperturen ihr Durchlaßmaximum nach kleineren Wellenlängen
verschieben gemäß der Bezeichnung:
so daß bei schrägem Lichteinfall die Messung falsch ist.
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Nur bei parallelem Lichteinfall arbeitet ein Interferenzfilter spektral
rein.
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Bei dicsem Spektralapparat ist dieses jedoch nicht gegeben.
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Hier fällt im wesentlichen ungerichtetes Licht ein, da die Empfangsfläche
sehr groß ist.
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Auch ist bereits versucht worden, die Abmessungen der Lichteintrittsfläche
zu verkleinern, in dem das zu messende Licht durch einen rotierenden Spiegel auf
Monochromatoren, die in einer Ebene angeordnet sind, umgelenkt wird.
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Durch eine in der Nähe des Spiegels befindliche Sammellinse wird das
zu messende Objekt scharf auf den ßonochromatoren abgebildet. Bei dieser Geräteart
wird zwar die Reinheit der einzelnen spektralen Anteile des Lichts, die von den
Photoelementen empfangen werden, wieder erhöht, jedoch können hier die spektralen
Anteile des Lichts wiederum nicht parallel gemessen sondern nacheinander gemäß der
Umdrehungsgeschwindigkeit des rotierenden Spiegels. Außerdem ist dieser Spektralapparat
wegen der bewegten Teile nicht wartungsfrei und daher anfällig.
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Aufgabe der Erfindung ist es nun, alle genannten Nachteile der bekannten
Spektralapparate zu vermeiden und ein einfaches und robustes Cerät ohne bewegte
Teile zu schaffen, das eine hohe spektrale Reinheit aufweist und das dennoch eine
hohe Empfindlichkeit gerade in den lichtschwachen Wellenlängen besitzt.
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Es soll weiter auch Objekte mit sehr kleinen Abmessungen präzise zu
messen gestatten.
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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe bei einem Spektralapparat mit mehreren
monochromatischen Empfängern zur Messung von spektraler elektromagnetischer Strahlung
im sichtbaren und benachbarten Gebieten (IR und UV) dadurch gelöst, daß das zu messende
Licht von einem Bündel von einzelnen Lichtleitern aufgefangen wird und daß an den
Lichtaustrittsstellen der Mehrzahl der Lichtleiter jeweils Monochromatoren, deren
spektrale Durchlässigkeit zumindest zum Teil nicht einander gleich sind, angebracht
sind, über die das jeweilige Teillicht eines Lichtleiters gefiltert und jeweils
einem lichtempfindlichen Empfänger zugeleitet wird.
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Eine günstige Ausführung eines Spektralapparates ist darin zu sehen,
daß die Monochromatoren jeweils eine Vorswmnellinse besitzen, in deren einem Brennpunkt
sich die Lichtaustrittsstelle eines Lichtleiters befindet und daß im Strahlengang
hinter den Vorsamnellinsen Interferenzfilter angebracht sind.
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Eine günstige Gestaltung ist darin zu sehen, daß die Monochromatoren
zwischen den Interferenzfiltern und den Empfängern jeweils eine Nachsammellinse
aufweisen, wobei sich die Empfänger in den Brennpunkten der Nachsammellinsen befinden.
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Eine ebenfalls günstige Gestaltung ist darin zu sehen, daß alle Lichtleiter
an einer Lichteintrittsöffnung stumpf in einer polierten Fläche enden und die Lichteintrittsstelle
eben oder gekrümmt ausgebildet ist.
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Eine vorteilhafte Gestaltung liegt dann vor, wenn die Lichtleiter
aus einzelnen Fasern bestehen, die so gemischt werden, daß die einzelnen-Fasern
der einzelnen Lichtleiter über die ganze Lichteintrittsfläche verteilt enden.
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Auch dann liegt eine vorteilhafte Gestaltung gemäß der Erfindung vor,
wenn ein Teil der Monochromatoren gleiche spektrale Durchlässigkeit aufweisen und
wenn die Empfänger , vorzugsweise Photoelemente, die von den spektral gleichen Mbnochromatoren
bestrahlt werden, paralleIgeschaltet sind.
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Auch vorteilhaft ist ein Spektralapparat, bei dem einzelne Austrittslichtleiter
unterschiedliche Querschnitte besitzen.
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Weiter ist ein Spektralapparat günstig, bei dem die Lichtleiter aus
elastischem Material, vorzugsweise aus 6lasfasern, bestehen.
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Auch günstig ist ein Spektralapparat, bei dem die Monochromatoren
einschließlich der Empfänger durch lichtundurchlässige Kammern getrennt sind.
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Eine weitere günstige Gestaltung liegt dann vor, wenn von mindestens
einem Lichtleitex Licht einem Empfänger ohne Zwischenschal tung eines Monochromators
zugeleitet wird.
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Letztlich liegt eine vorteilhafte Ausführung gemäß der Erfindung vor,
wenn die Lichteintrittsfläche sich in der Abbildungsebene eines vorgeschalteten
Linsensystems befindet, die die zu messende Lichtquelle scharf auf der Lichteintrittsfläche
abbildet.
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Vorteilhaft sind Spektralapparate gemäß der Erfindung durch hohe spektrale
Reinheit der einzelnen auf die Photoeitpfänger fallenden Teilstrahlungseinfltsse,
die durch den praktisch parallelen Strahlengang des Teillichtes durch die Interferenzfilter
ermöglicht wird. Das Teillicht, daß sich an den Lichtaustrittsstellen der Lichtleiter,
auch bei parallelem Lichteinfall, praktisch keulenförmig ausweitet, wird durch die
Sanr mellinsen parallel gerichtet, so daß auf die Interferenzfilter
kein
ungerichtetes Licht mehr fallen kann. Auch ist es nicht mehr nötig, dafür zu sorgen,
daß das zu messende Licht senkrecht und/oder parallel auf die Lichteintrittsfläche
des Lichtleiterbündels fällt, da sich die ebenfalls schräg zur Lichtaustrittsfläche
bildende Teillichtkeule durch die vor den Interferenzfiltern befindlichen Sammellinsen
gerichtet das Filter durchstrahlt.
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Durch die gerichtete Strahlung ist es nicht mehr erforderlich die
Interferenzfilter exakt senkrecht zur optischen Achse anzuordnen, da sich die spektrale
Reinheit nicht verschlechtert; das Durchlaßmaximun zu niedrigeren Wellenlängen verlagert
wird.
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Die hinter den Interferenzfiltern befindlichen Sammellinsen ermöglichen
kleine Photoelemente mit kleinen Kapazitäten zu verwenden, so daß als Folge davon
die Photoelemente durch Folgeschaltungen sehr schnell abgetastet werden können.
Auch kann die Empfindlichkeit des Spektralapparates in den schwachen Wellenlängenbereichen
durch Parallelschalten mehrerer Photoelemente entsprechend erhöht werden. Die Mbnochromatoren
dieser Photoelemente haben dann allerdings alle gleiche spektrale Durchlässigkeit.
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Wenn die Austrittslichtleiter eines Bündels wiederum aus einer Vielzahl
von einzelnen Fasern bestehen, deren Enden über die ganze Lichteintrittsfläche statistisch
oder quasistatistisch verteilt sind, so wird in jedem Lichtleiter das Licht von
der Gesamteintrittsoberfläche geführt und kein Ort der beleuchteten Oberfläche ist
dann gegenüber einem anderen bevorzugt.
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Weitere Vorteile der Erfindung sollen anhand eines AusführLulgsbcispieles
doutlicl1 gemacht werden.
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Von einer Lichtquelle ( 1 ) wird Licht in Richtung eines Pfeils (
2 ) ausgesandt und fällt auf eine Lichteintrittsfläche ( 3 ) eines Bündels ( 4 )
von Lichtleitern ( 5 ).
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Ein Austrittslichtleiter ( 6 ) ist zur Erläuterung in der Darstellung
besonders hervorgehoben, obwohl in der tatsächlichen Ausführun ein Lichtleiter gegenüber
einem anderen bevorzugt ist. üblich ist es, die Lichtleiter ( 5 ) ganz eng zu bündeln,
so daß zwischen ihnen praktisch keine Zwischenräume auftreten. Hier ist die enge
Bündelung durch eine elastische, zylindrische Teile ( 7 ) erreicht worden, die die
einzelnen Lichtleiter fest umschließt und gleichzeitig Lichteintritt von der Zylinderwand
her verhindert.
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Die einzelnen Lichtleiter ( 5 ) enden stumpf an der Lichteintrittsfläche
( 3 ). Diese Oberfläche ist glatt poliert, so daß hier nur geringe Verluste beim
Obertritt des Lichtes von dem einem medium in das andere zu verzeichnen sind.
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Trotz der Ummantelung der Lichtleiter ( 5 ) durch die Hülle ( 7 )
ist dieser Teil des Spektralapparates noch beweglich.
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Dies wurde durch die gebogene Form des Bündels ( 4 ) versucht darzustellen.
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Das Bündel ( 4 ) der Lichtleiter ( 5 ) ist in ein lichtundurchlässiges
(gehäuse ( 8 ) eingeführt. Innerhalb des häuses ( 8 ) werden die Austrittslichtleiter
einzeln zu einem Steckrahmen geführt ( 9 ). Dieser Steckrahmen ( 9 ) enthält entsprechend
der Anzahl Lichtleiter Aufnahmelöcher, in die die Lichtleiter ( 5 ) zur örtlichen
Sicherung eingeführt sind. Die Unterseite des Steckrahmens ist so in einzelne Kanrintern
t 11 ) aufgeteilt, daß das Licht zweier benachbarter
Lichtleiter
sich nicht vermischen kann. In jeder Kæmmrr, wie in der besonders hervorgehobenen
dargestellt, befinden sich im Strahlengang des Teillichtes eines Lichtleiters nacheinander
eine Vorsammeflinse ( 12 ), ein Interferenzfilter ( 13 3 einer bestinnuten Wellenlänge
und eine Nachsammellinse ( 14 ).
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Wird ein größeres Photoelement verwendet, kann die Nachsammellinse
entfallen. Das Ende des Austrittslichtleiters ( 6 ) befindet sich im Brennpunkt
der Vorsammellinse ( 12 ). Dadurch wird erreicht, daß das Interferenzfilter ( 13
) mit zur optischen Achse gerichtetem Licht durchstrahlt wird. Bei Bestrahlung mit
gerichtetem Licht geringer Apertur haben Interferenzfilter ihr definiertes DurchlaRmaximum,
so daß hinter den Interferenzfiltern ( 13 ) spektral sehr reines Licht zu verzeichnen
ist. Dies wird durch die Nachsammellinse (14 ) auf eine lichtempfindliche Oberfläche
eines Empfängers ( 15 ) fokussiert.
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Diese Linse kann entfallen, wenn ein Photoelement mit größerer lichtempfindlicher
Fläche verwendet wird. An elektrischen DU-leitungen ( 16 ) können dann den spektralen
Anteilen der Teillichtströme entsprechende Meßgrößen abgenommen werden.
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Bei Verwendung der Nachsammellinsen (14 ) wird erreicht, daß die Empfänger
( 15 ) in ihren geometrischen Abmessungen sehr klein ausgebildet seien können. Damit
weisen dann diese Empfänger nur eine sehr kleine elektrische Kapazität auf und können
dann durch Folgeschaltungen sehr schnell abgetastet werden.
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Die in den verschiedenen Kammern ( 11 ) befindlichen Interferenzfilter
( 13 ) haben jeweils unterschiedliche spektrale Durchlässigkeit, so daß an allen
lichtempfindlichen Empfängern gleichzeitig die den spektralen Anteilen des Lichtes
der Lichtquelle
( 1 ) entsprechende meßgrößen anstehen. Günstig
ist es auch, mehrere Interferenzfilter gleicher spektraler Durchlässigkeit vorzusehen
und die der gleichen Strahlung ausgesetzten lichtempflindlichen Empfänger parallel
zu schalten. Es läßt sich damit eine einfache Verstärkung der Meßgrößen in den sehr
schwachen Spektralbereichen des Lichtes erzielen.
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Alternativ oder zusätzlich dazu lassen sich die einzelnen Lichtleiter
jedoch auch unterschiedlich dick ausführen, so daß die den schwachen Spektralbereichen
zugehörigen Lichtleiter größere Querschnitte aufweisen und somit auch mit mehr Licht
führen.
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In Bild 2 ist eine vergrößerte Darstellung der Lichteintrittsfläche
( 3 ) des Bündels ( 4 ) der Lichtleiter ( 5 ) gegeben.
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Hier soll am Beispiel des Lichtleiters ( 6 ) veranschaulicht werden,
daß der Lichtleiter ( 6 ), wie die anderen auch, wieder 4 us einzelnen Fasern (
17 ) besteht. Diese Fasern sind entflochten und ihre Enden über die gesamte Lichteintrittsfläche
verstreut. Da die Fasern der anderen Lichtleiter ebenfalls über die gesamte Fläche
verstreut sind, wird in jedem Lichtleiter Licht von der gesamten bestrahlten Lichteintrittsfläche
geführt. Jeder lichtempfindliche Empfänger erhält somit letztlich Licht von allen
Teilen der Lichteintrittsfläche nach einer statistischen oder quasistatistischen
Verteilung.
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Mit dem Bild 3 soll veranschaulicht werden, wie durch die Mbrsammellinse
( 12 ) erreicht wird, daß auch bei schrägem Lichteinfall an der Lichteintrittsfläche,
das Interferenzfilter mit gerichtetem Licht bestrahlt wird.
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Ein schräger Lichteinfall ( 18 ) mit der Apertur und dem Lichteinfallswinkel
bs zieht einen ebenfalls schrägen Lichtaustritt ( 19 ) aus dem Lichtleiter unter
dem Lichtaustrittswinkel
0 und einer anderen Apertur GJznach sich.
Dieses soll durch die schräge Lichtkeule (19 ) verdeutlicht werden.
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Die Vorsajiinellinse lenkt jedoch auch dieses Licht zu einem gerichteten
Lichtstrahl um. Das Interferenzfilter wird dann nicht in seinem Zentrum sondern
am Rand mit gerichtetem Licht bestrahlt.
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Bei Bild 4 ist eine Anordnung dargestellt, die vor der Lichteintritts
fläche ( 3 ) des Bündels ( 4 ) noch eine Sammellinse ( 20 ) aufweist. Dadurch ist
es möglich, auch sehr entfernte oder sehr kleine Lichtquellen zu analysieren, da
mit dem Linsensystem ( 20 ) die Lichtquelle ( 1 ) auf der Lichteintrittsfläche abgebildet
werden kann.
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In einer bevorzugten Ausfuhrungsform, die hier nicht weiter dargestellt
wurde, wird dasTeillicht eines Lichtleiters direkt ohne Monochromator einem Empfänger
zugeführt. Dadurch kann die hier abgenommene Meßgröße zu Vergleichszwecken oder
zur Eichung des Spektralapparates verwendet werden.
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Generell läßt sich ein Spektralapparat gemäß der Erfindung sehr leicht
eichen, indem Licht bekannter spektraler Zusamnensetzung gemessen wird. Die hier
festgestellten Meßgrößen dienen dann als Bezugswerte.
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Abschließend sei ausgeführt, daß Spektralapparate gemäß der Erfindung
sich durch ihre kleinen Abmessungen, insbesondere sehr kleine Eintrittsfläche, auszeichnen
und in ihrer Funktionsweise, was besonders hervorzuheben ist, arbeiten sie bei der
Erfassung des gesamten Spektrums ohne bewegte Teile, sie eignen sich daher sehr
gut zum Einbau in Farbmeßgeräte. Ihre Empfindlichkeit, u.a. bei der Messung kleiner
Objekte, ist wesentlich höher als die zur Zeit bekannten üblichen Spektralgeräte.
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Die gleichzeitige Aufnahme aller spektraler Anteile des zu messenden
Lichtes ist mit einem Spektralapparat gemäß der Erfindung möglich.