DE3032586C2

DE3032586C2 - Reflektometer mit ringförmiger Beleuchtungsoptik

Info

Publication number: DE3032586C2
Application number: DE3032586A
Authority: DE
Inventors: Calvin S. Wappingers Falls N.Y. McCamy
Original assignee: Kollmorgen Technologies Corp
Current assignee: Kollmorgen Technologies Corp
Priority date: 1979-10-11
Filing date: 1980-08-27
Publication date: 1987-01-02
Also published as: US4320442A; JPS5661702A; DE3032586A1; JPS639321B2

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Reflektometer mit ringförmiger Beleuchtungsoptik und einer Reflektoranordnung, mit der der zu untersuchende Gegenstand unter einem Winkel von 40° bis 50° beleuchtet wird.
Wird eine Oberfläche kritisch betrachtet, beispielsweise zur Untersuchung ihrer Farbe oder ihrer Struktur oder ihres Musters, so ist es vorteilhaft, die zu untersuchende Oberfläche so zu beleuchten, daß kein Licht spiegelnd in das betrachtete Auge reflektiert wird. Diese Bedingung wird erfüllt, wenn das Licht auf die Oberfläche des zu untersuchenden Objektes in einem Winkel von 45° auftrifft. Tatsächlich ist die Beleuchtung unter 45° in zahlreichen Fällen zur Untersuchung von Oberflächeneigenschaften eingeführt worden, wie beispielsweise in der Kolorimetrie.
Es sind in der Technik eine ganze Reihe von Beleuchtungsoptiken bekannt und eingeführt worden. Beispielsweise wird nach der US-PS 40 22 534 eine Beleuchtungsoptik beschrieben, die eine 45/0° Kollektorbeleuchtungs- Geometrie benutzt, einen keilförmigen Diffuser und einen zylindrischen Reflektor, um eine Beleuchtung unter 45° zu erzielen. In der US-PS 14 45 306 wird ein Reflektor beschrieben, dessen Lichtquelle zwischen einer halb-ellipsoiden und einer sphärischen reflektierenden Oberfläche angeordnet ist. Die US-PS 39 82 824 beschreibt eine katoptrische Linsenanordnung, nach welcher ein primärer Parabolspiegel in einem sekundären elliptischen Spiegel angeordnet ist. Die US-PS 17 11 478 beschreibt einen Reflektor, der in einem Teil parabolisch und in zwei anderen Teilen sphärisch mit verschiedenen Radien gekrümmt ist. In der US-PS 32 57 574 wird ein Reflektor, der aus einem elliptischen und einem angrenzenden sphärischen Hohlspiegel besteht, beschrieben. Die US-PS 38 93 754 beschreibt ein Spiegelsystem, bestehend aus einer Kombination eines parabolischen und eines ellipsoiden Spiegels, die US-PS 38 01 773 beschreibt einen Reflektor, bestehend aus zwei Paaren kongruenter, flacher, koaxialer sphärischer Oberflächenabschnitte. Die US-PS 34 49 561 beschreibt einen Spiegelreflektor, der durch Drehung von Ellipsenabschnitten um die Generatorachse gebildet wird. Die Hauptachsen der Ellipsen treffen die Generatorachse im spitzen Winkel. Schließlich wird in der US-PS 40 02 499 ein Energie-Kollektor beschrieben, der aus einem Paar von involuten Abschnitten besteht; eine solche Anordnung wird auch als "gull wing" ("Knickflügel")-Anordnung bezeichnet.
Weiterhin ist aus der US-PS 13 02 492 eine Beleuchtungsanordnung für allgemeine Beleuchtungszwecke bekannt, deren Reflektor in der Weise ausgeführt ist, daß für den Beobachter keine Blendung auftritt. Dabei wird ein Reflektor verwendet, der durch Rotation eines Ellipsenbogens um die Leuchtenachse gebildet wird, wobei die Drehachse durch den mit der Lichtquelle zusammenfallenden ersten Brennpunkt geht und infolge der Rotation aus dem zweiten Brennpunkt der Ellipse eine kreisförmige Brennlinie entsteht. Unterhalb der Lichtquelle befindet sich ein zu dieser konzentrischer sphärischer Reflektor. Die FR-PS 8 18 496 beschreibt eine Beleuchtungsanordnung, die den in allen Richtungen ausgestrahlten Lichtstrom einer Punktlichtquelle in mindestens zwei gleiche Lichtstrahlenbündel aufspaltet, wobei die Beleuchtungsanordnung zur Beleuchtung von Straßen oder entsprechenden langgestreckten Oberflächen dient. Diese bekannte Beleuchtungsanordnung weist ebenfalls einen Reflektor in Form einer elliptischen Rotationsfläche und einen sphärischen Reflektor unterhalb der Lichtquelle auf. Weiterhin beschreibt die DE-OS 26 00 604 einen Meßkopf zur Bestimmung von optischen Remissionseigenschaften, bei der bei Vertauschung der Lichtwege Meßobjekt-Lichtquelle und Meßobjekt-Empfänger ein Reflektometer mit einer Lichtquelle und einem Reflektor bekannt ist, der aus mehreren, kreissymmetrischen Teilen besteht und das Licht der Lichtquelle kegelmantelförmig unter einem Winkel von 45° mit der durch die Divergenz der Lichtstrahlen bedingten Abweichung auf eine Probe richtet, die mit der Lichtquelle und dem Reflektor auf einer Achse liegt.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Reflektometer mit ringförmiger Beleuchtungsoptik und einer Reflektoranordnung, mit der der zu untersuchende Gegenstand unter einem Winkel von 40° bis 50° beleuchtet wird, zu schaffen, das eine gute Lichtausbeute aufweist.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des Hauptanspruchs gelöst.
Durch die erfindungsgemäße Anordnung des Reflektometers wird fast die gesamte Lichtstrahlung, bis auf die Strahlung, die in einem sehr kleinen Winkel zur Rotationsachse auftritt, verwertet, so daß die Lichtausbeute sehr gut ist.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Die einzige Figur zeigt im Schnitt den optischen Aufbau eines erfindungsgemäßen Reflektometers.
Die ringförmige Beleuchtungsoptik besteht aus einer ellipsoiden Oberfläche 10, einer zylindrischen Oberfläche 12 und einer sphärischen Oberfläche 14. Alle drei Oberflächen sind symmetrisch zur optischen Achse O _z angeordnet und alle drei Oberflächen sind Rotationsflächen um diese optische Achse.
Eine Lichtquelle S ist in Punkt D angeordnet und liegt in einem Brennpunkt der Ellipse auf der optischen Achse. Die Hauptachse der Ellipse 16 trifft die optische Achse in einem spitzen Winkel α. Strahlen von der Lichtquelle S, die vom ellipsoiden Spiegel 10 reflektiert werden, treffen sich in einem Brennpunkt auf einem Kreis mit dem Radius r weit von der optischen Achse entfernt und werden vom zylindrischen Reflektor 12 aufgefangen und reflektiert. Die sphärische Oberfläche 14 reflektiert die Strahlen, die sonst verlorengehen würden, zurück in das Beleuchtungssystem.
Wie in der Abbildung gezeigt, ist die zu betrachtende Probe in 0 angeordnet, beispielsweise x=y=z=0. Der Radius der kreisförmigen zylindrischen Oberfläche ist 1 Einheit, beispielsweise y=1 und x=0, entsprechend der vorliegenden Abbildung.
Folglich ist:
Die Lichtquelle S muß auf der optischen Achse O _z liegen, und ihr Abstand D muß größer sein als C, um zu vermeiden, daß der sphärische Reflektor in sich selbst reflektiert. Der sphärische Reflektor muß sich bis zur Linie CD, aber nicht über diese hinaus, erstrecken, so daß die zylindrische Oberfläche kein direktes Licht erhält. Die sphärische Oberfläche kann sich bis zur Linie AR erstrecken, nicht aber über diese hinaus, so daß der zylindrische Reflektor ausschließlich Licht erhält, das vom ellipsoiden Reflektor reflektiert ist. Deshalb muß die Lichtquelle S zwischen C und E liegen, beispielsweise in einem Abstand zwischen 1,1918 und 1,6782, vorzugweise in einem Abstand von 1,5 Einheiten. Das Zentrum K der Ellipse liegt beispielsweise im Punkt (0, 1, 0,75).
Eine Ellipse wird allgemein durch die folgende Gleichung beschrieben: °=c:30&udf54;H&udf53;vu10&udf54;@W:°KX°k¥:°Ka°k¥&udf54; + @W:°KY°k¥:°Kb°k¥&udf54; = 1¤,&udf50;&udf53;vu10&udf54;worin X und Y die Koordinaten des Hilfskoordinaten-Systems sind, a die halbe Hauptachse und b die halbe Nebenachse. Der Abstand vom Zentrum der Ellipse zu einem Brennpunkt ist c, dann ist a²=b²+c². Im vorliegenden Fall ist °=c:30&udf54;H&udf53;vu10&udf54;°Kc°k = °KDK°k = &udf58;w&udf56;&udf53;lu,4,,100,5,1&udf54;1¥ + (0,75)¥&udf53;lu&udf54; = 1,250 und&udf50;°Kc°k¥ = 1,5625.&udf50;&udf53;vu10&udf54;
Da sin α=1/c=0,8 ist, ist der Winkel α zwischen der Hauptachse der Ellipse und der optischen Achse O _z 53,13°. Das ist der Winkel zwischen der z-Achse und der X-Achse. Beide Brennpunkte liegen auf der X-Achse; nur ein Brennpunkt der Ellipse liegt auf der z-Achse, nämlich in der Lichtquelle. Die Ellipse muß durch den Punkt C gehen. Im (y, z) System liegt C im Punkt (1; 1,1918). CK hat die Länge 1,1918-0,75=0,4418. Im (X, Y) System hat C die Korrdinaten °=c:30&udf54;&udf53;vu10&udf54;&udf53;ee&udf54;°KY°kÆ@1=Æ@20,4418Æsin¤&udf57;°Ka&udf56;Æ@3=Æ0,3534,&udf50;@0°KX°k@1=@20,4418Æcos¤&udf57;°Ka&udf56;@3=Æ0,2651.&udf50;@¿&udf50;&udf53;vu10&udf54;@0
Wenn a²=P, b²=Q und c²=R sind, kann die Ellipsengleichung wie folgt geschrieben werden:
QX ² + PY ² = PQ,
wobei P=Q+R ist. Wird P durch die Kombination der beiden letzten Gleichungen herausgenommen und dann entsprechend umgeformt, ergibt sich die folgende quadratische Gleichung für Q, in welcher R eine Konstante und X und Y bekannte Punkte sind:
Q ² + (R - X ² - Y ²) Q - RY ² = 0.
Daraus ergibt sich °=c:50&udf54;&udf53;vu10&udf54;&udf53;ee&udf54;°KQ°kÆ@1=Æ@20,1303Æ@3=Æ°Kb°k¥,&udf50;@0°Kb°k@1=@20,3610,&udf50;@0°KP°k@1=@2°KR°k + °KQ°k@3=Æ1,6928Æ=Æ°Ka°k¥ und&udf50;@0°Ka°k@1=@21,30108.&udf50;@0&udf53;vu10&udf54;
So kann die räumliche Ellipsengleichung in (X, Y) wie folgt ausgedrückt werden: °=c:30&udf54;&udf53;vu10&udf54;@W:°KX°k¤¥:1,693&udf54; + @W:°KY°k¤¥:0,1303&udf54; = 1&udf50;&udf53;vu10&udf54;und die Konstanten der Ellipse sind die folgenden:

halbe Hauptachse a = 1,301
halbe Nebenachse b = 0,3610
halbe Brennweite c = 1,2500

Der Zylinder hat einen Durchmesser von 1 Einheit und eine Länge von AC=0,3527 Einheiten.
Entsprechend der Abbildung muß der sphärische Reflektor einen Radius haben, der geringer ist als DJ, beispielsweise weniger als 0,36 Einheiten.
Auf diese Weise benutzt die Linse Licht, das unter einem Winkel zwischen 72,9° und 126,2°, bezogen auf die optische Achse, ausgestrahlt wird. Das sich dieser Bereich von 17,2° unter normal bis 36,2° über normal erstreckt, ergibt sich ein Bereich von 36,2-17,2=19°. Das unter diesem Winkelbereich einfallende Licht würde für die Beleuchtung des zu untersuchenden Gegenstandes verlorengehen, wenn es nicht vermittels der sphärischen Oberfläche 14 in das Beleuchtungssystem reflektiert würde. Durch die Verwendung des sphärischen Reflektors wird die Lichtausbeute stark erhöht, und alles Licht, das zwischen einem Winkel von 53,8° bis 126,2°=72° einfällt, wird ausgenutzt. Damit ist die Lichtausbeute fünfmal größer als bei Verwendung eines einzigen elliptischen Reflektors. Der verwendete Bereich ist genau auf der Normalen zentriert.
Statt der glatten Reflektoroberflächen können solche verwendet weden, die aus einzelnen Facetten bestehen. Des weiteren wird der Fachmann auch solche Reflektoroberflächen verwenden, die nicht durch Drehung der Erzeugenden um 360° beschrieben werden, sondern durch Drehung um einen geringeren Winkelbetrag. Die hier bisher beschriebenen Oberflächen entstanden sämtlich durch Drehung um 360°; dennoch sind auch solche Oberflächen brauchbar, die durch Drehen um einen Winkel von weniger als 360° beschrieben werden.

Claims

1. Reflektometer mit einer Lichtquelle und einer Reflektoranordnung, mit der der zu untersuchende Gegenstand unter einem Winkel von 40° bis 50° beleuchtet wird, dadurch gekennzeichnet, daß der Reflektor aus folgenden Teilen besteht:
der Innenseite eines Zylindermantelabschnittes, dessen Radius sich nach einer Einheit bemißt;
der Innenseite eines torusförmigen Teils, der von der Systemachse bis an den zylindrischen Teil reicht, dessen Erzeugende ein Sigment einer Ellipse ist, die sich wie folgt bemißt: im Zentrum ist 1 Einheit von der Systemachse entfernt; die Lichtquelle liegt in einem Brennpunkt der Ellipse;
der Innenseite einer Kugelkalotte, die der Lichtquelle mit dem torusförmigen Teil gegenüber angeordnet ist und sich wie folgt bemißt: der Radius der Kugel ist 0,36 Einheiten, die Kalotte ist so groß, daß direkte Strahlung der Lichtquelle den zylindrischen Teil gerade nicht mehr erreicht, aber den torusförmigen Teil voll ausleuchtet.

2. Reflektometer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der zu beleuchtende Gegenstand im Punkt 0 eines rechteckigen Koordinatensystems angeordnet ist und, wenn der Radius des zylindrischen Reflektors einer Einheit entspricht, die Lichtquelle auf der optischen Achse im Abstand zwischen 1,19 bis 1,68 Einheiten vom Punkt 0 des Koordinatensystems entfernt angeordnet ist.

3. Reflektometer nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtquelle im Abstand von 1,5 Einheiten vom Punkt 0 des Koordinatensystems auf der optischen Achse angeordnet ist.

4. Reflektometer nach einem der Ansprüche 1-3, dadurch gekennzeichnet, daß die Beleuchtungsoptik durch Drehung aller Erzeugenden um 360° entsteht.

5. Reflektometer nach einem der Ansprüche 1-3, dadurch gekennzeichnet, daß die Beleuchtungsoptik durch Drehung aller Erzeugenden um weniger als 360° entsteht.