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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum
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Erkennen von Farben und, genauer, eine Vorrichtung zur Farbbestimmung,
die die Farben eines Farbcode-Schemas oder die Farbe von Proben unterscheiden kann,
bei denen die Farbe über Brauchbarkeit oder Unbrauchbarkeit entscheidet.
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In zahlreichen Betrieben werden Erzeugnisse hergestellt, die bemalt,
pigmentiert oder gefärbt oder auf eine andere Weise farbig gemacht sind. Als Beispiel
hierfür dienen die Textil-, Farben-, Tinten-, Papier- und Kunststoff-Industrier
wo die exakte~Farbbestimmung des Fetigproduktes für die Qualitätskontr.olle ausschlaggebend
ist.
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Im allgemeinen werden für derartige Farbbestimmungen Dreibereichs-Kolorimeter
oder Spektrophotometer verwendet. Dreibereichs-Kolorimeter messen drei Farbwerte
der Probe im roten, grünen und blauen Bereich; die Addition dieser Werte ergibt
die Farbe der zu prüfenden Probe.
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Im Gegensatz zur kolorimetrischen Methode wird beim Spektrophotometer
das reflektierte oder durchfallende Licht einer von einer Lichtquelle beleuchteten
Probe gemessen, und dann die drei Grundwerte der Probe aus den Spektraidat.en ermittelt.
Viele Spektrophotometer messen das durchfallende oder reflektierte Licht in mindestens
16 verschiedenen Spektralbereichen des sichtbaren Spektrums.
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In vielen Anwendungsbereichen, in denen Farbbestimmungen notwendig
sind, ist aber eine derart genaue Bestimmung der Farbe, wie sie durch das Auge erfolgt,
nicht erforderlich. So kann z.B. die Farbbestimmung zur Qualitätskontrolle von Produkten
dienen, wie beispielsweise Obst und Gemüse, wo zur Beurteilung von Frische deren
Farbe dient. Unterschiedliche Farben dienen ebenfalls zur- Kennzeichnung, wie beispielsweise
bei elektrischen Verkabelungen, wo Drähte unterschiedlicher Farbe verwendet werden,
um sowohl die Herstellung des Kabelbaumes als auch dessen Reparatur zu erleichtern.
Solche Kabelbäume müssen manchmal einer automatischen Kontrolle unterzogen werden.
I.nanderen Bereichen müssen Teile aufgrund ihrer natürlichen Farbe oder eines Farbcodes
sortiert werden.
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So können z.B. pharmazeutische Erzeugnisse wie Dragees oder Kapseln
häufig einfach durch Farbbestimmung sortiert bzw. identifiziert werden. In kommerzie-llen
Druckverfahren wird zur Bestimmung und Kontrolle der Qualität der Druckfarben die
Reflexion der einzelnen Farben gemessen.
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Für die o.a. Bereiche der Bestimmung von Farbabweichungen bzw. zum
Sortieren nach Farben ist die Genauigkeit von kolorimetrischen oder spektrophotometrischen
Messungen nicht erforderlich und aus diesem Grund die Kosten für eine solche Anlage
nicht gerechtfertigt. Es besteht daher ein Bedarf für eine einfachere und weniger
kostenaufwendige Vorrichtung für derartige Farbmessungen.
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Gegenstand der. vorliegenden Erfindung ist eine einfache und relativ
preiswerte Vorrichtung zur Farbbestimmung, die zum Sortieren nach Farben oder zur
Qualitätskontrolle dienen kann.
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Ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist eine Vorrichtung
zur Farbmessung, mit der die Farben eines Farbe codes unterschieden werden können
oder auch Farbtöne, die die Brauchbarkeit bzw. Unbrauchbarkeit eines Produktes angeben.
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Ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist eine zuverlässige
Vorrichtung zur Farbbestimmung, die in der Lage ist, Farben schnell und reproduzierbar
zu. bestimmen.
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Die elektro-optische Farbbestimmungs-Vorrichtung nach der vorliegenden
Erfindung benutzt Vergleichsmessungen in einer Vielzahl von Spektralbereichen des
von einer festen oder flüssigen Probe reflektierten oder durch diese fallenden Lichtes.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann Farbmessungen von sich schnell bewegenden
Proben durchführen, ohne diese zu berühren-und ohne Störung durch- Umlicht. Die
Vorrichtung kann zur Farbbestimmung benutzt werden-. Die Vorteile der vorliegenden
Erfindung sind zum einen die Geschwindigkeit der Messung und deren Zuverlässigkeit
(Reproduzierbarkeit)-.,
automatisch Farben zu bestimmten, und zum
zweiten der Aufbau der Vorrichtung nach der Erfindung, der wesentlich einfaches
rist als der von kolorimetrischen oder spek-trophotometrischen Farbmeß-Systemen.
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Gemäß der vorliegenden Erfindung wird zur Beleuchtung d-er Probe eine
gepulste Entladungsröhre verwendet. Das von der Probe reflektierte Licht wird gesammelt
und in eine Anzahl von Stahlenbündeln geteilt.(parallele optische Systeme), um,
die Parallelmessung der Intensität des reflektierten Lichts in einer entsprechenden
Anzahl von Spektralbereichen zu erleichtern. Diese Spektralbereiche werden entsprechend
dem Anwendungsbereich der Vorrichtung gewählt, und.zwar so, daß optimale Meßresultate
erzielt werden.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung weist ebenfalls eine simultan arbeitende
Kompensations-Vorrichtung auf, die Schwankungen der Lichtintensität sowie des Spektralbereichs
des zur Beleuchtung der Probe verwendeten Lichtes ausgleicht.
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Ein Teil des Strahles der Lichtquelle wird durch einen Strahv lenteiler
abgetrennt, durch eine optische-VergleichsVorrichtung gesammelt und die Lichtintensität
für mehrere'Spektralbereiche besti.mmt; diese entsprechen denen, die für die Messung
des von der Probe reflektierten Lichtes ausgewählt wurden. Jeder Spektralbereich
der Vergleichsvorrichtung entspricht in seiner Breite dem zur Untersuchung der Probe
ausgewählten Spektralbereich oder ist breiter als dieser; es ist also die Anzahl
der Spektralbereiche der Vergleichsvorrichtung identisch mit der Anzahl der Spektralbereiche
zur Untersuchung des von der Probe reflektierten Lichtes.
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In der Regel werden drei oder vier verschiedene Spektralbereiche zur
Bestimmung ausgewählt.
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Die Vorrichtung zur Farbbestimmung entsprechend der vorliegenden Erfindung
kann sowohl zur Farbabweichungsmessung als auch zur Farbsortierung dienen.Be'i der
Sortierung nach Farben werden die Proben nach verschiedenen Farben -getrennt.
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Dazu werden zunächst einige zulässige Vergleichsmessungen vorgenommen,
deren Ergebnisse gespeichert und mit den zu untersuchenden Mustern verglichen werden.
Jede Vergleichs-
messung ist durch ein gespeichertes Triplet des
reflektierten Lichtes gekennzeichnet, das als Vergleichs-Triplet bezeichnet wird.
Die von den zu messenden Mustern reflektierten Triplets werden mit dem Vergleichs-Triplet
verglichen und so die Farbe des Musters bestimmt.
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Beim Messen der Farbabweichung kann die Zulässigkeit mehrer Farben
des gleichen Musters bestimmt werden. Wie bei der Farbsortierung wird zunächst eine
Vergleichsmessung von Farbmustern vorgenommen. Allerdings werden bei diesem Verfahren
die Vergleichswerte sowie deren Toleranzen jeder.
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Farbe manuell eingespeichert, so daß für jede Farbe ein ein ziger
Bezugswert gespeichert ist. Jedes Strahlenbündel des reflektierten Lichtes ist zur
Bestimmung einer Farbe vorgesehen, und die gemessenen Werte des reflektierten Lichtes
werden mit dem gespeicherten Vergleichswert verglichen; so wird festgestellt, ob
die gemessenen Werte innerhalb einer bestimmten Toleranz mit dem Vergleichswert
liegen.
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Es ist also-bei der Vorrichtung nach der-vorliegenden Erfindung nicht
erforderlich, eine bestimmte Farbe eines bestimmten Musters zu messen. Es wird vielmehr
festgestellt, ob Reflexionsmessungen der Probe innerhalb besti-.mmter-, gespeicherter
Toleranzwerte liegen, wie diese unter gleichen Bedingung.en durch Messen einer im
Zulässigkeitsbereich liegenden Probe als Vergleighswerte bestimmt wurden. Auf diese.
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Weise werden Ungenauigkeiten, wie sie bei Messungen mit verschiede.nen
Instrumenten auftreten können, ausgeschlossen.
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.Mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist es auch möglich, schnell
und einfach festzustellen, ob ein Muster farblich in Ordnung ist oder ob es eine
gewünschte Farbe aufweist.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung stellt ein einfaches und zuverlässiges
Instrument zur Farbbestimmung in der Faö,rikation dar.
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Fig. 1 ist eine Gesamtansicht der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur
Farbbestimmung.
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Fig. 2 und 3 ist ein Ablaufdiagramm der Verfahrensschritte des Mikroprozessors
(31) bei der'Farbsortierung'.
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Fig. 4 und 5 ist ein Ablaufdiagramm der Verfahrensschritte des Mikroprozessors
(31) bei der1Farbabweichungs-Messung, für ein Strahlenbündel).
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Eine Gesamtansicht der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist in Fig. 1
dargestellt. Als Lichtquelle dient eine gepulste-Xenon-Entladungsröhre 1. Es können
auch ande-re.Lichtquellen verwendet werden, aber für die erfindungsgemäße .Vorrichtung
eignet, sich eine solche gepulste Xenon-Entladungsröhre am besten. Die Entladungsröhre
1 wird durch, eine Auslöseschaltung 2 in Betrieb gesetzt, die von der Stromquelle
3 mit Strom versorgt wird. Die Linse 4, oder ein gleichwertiges optisches System,
wird so gewählt, daß der Lichtbogen-der Entladungsröhre 1 in exakter Vergrößerung
am Ende des Lichtleiterbündels 5 erscheint.
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Das vom Lichtleiterbündel 5 ausgestrahlte Licht wird durch eine Linse
6 oder ein entsprechendes optisches System auf die zu untersuchende Probe 7 projiziert.
Vorzugsweise, aber nicht notwendigerweise, trifft das Licht unter einem Winkel von
45" auf die zu untersuchende Probe auf. Das von der Probe reflektierte Licht wird
mit der Linse 8 oder einem entsprechenden optischen System gesammelt und auf das
Lichtleiterbündel 9 fokussiert; dieses aus einer Anzahl von, Lichtleitern bestehende
Faserbündel wird in verschidene Zweige aufgeteilt.
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In einer vorzugsweisen Ausgestaltungsform der vorliegenden Erfindung
wird das Lichtleiterbündel 9 je nach Arbeitsweise in drei'oder vier Lichtleiterzweige
aufgeteilt. Fig. 1 zeigt drei Lichtleiterzweige 10, 11 und 12, die zur Farbsortierung
dienen, wobei jeder Zweig eine Gruppe der Ges-amtzahl der Lichtleiter aufweist.
Die Verwendung einer
Vielzahl von Lichtleiterzweigen gestattet
Parallelmessungen in vielen verschiedenen Spektralbereichen des von der Probe reflektierten
Lichtes. Das Licht der Lichtleiterzweige 10, 11 und 12 des Lichtleiterbündels 9
geht durch die entsprechenden optischen Filter 13, 14 und 15, die aus geärbtem'
Glas, Gelatine, Kunststoff, oder aus einem jnterferenz-Vielschichtmaterial - je
nach Anwendungsgebiet -hergestellt sind. Das gefilterte Licht wird dann von entsprechenden
Photodetektoren 16, 17 und 18 erfaßt, wobei es sich vorzugsweise um Silikonphotodioden
handelt. Jeder Photodetektor mißt dann ein Signal, das proportional zum Reflexionsvermögen
des Musters in dem Spektra-lbereich ist, der durch den entsprechenden Filter bestimmt
ist. Die Photodetektoren 16, 17 und 18 sind ihrerseits mit einer elektronischen
Analog-Einheit 19 verbunden, wobei jeder Kanal, der einem der Photodetektoren 16,
17 oder 18 entspricht, einen Verstärker, einen Integrator und einen Analog-Digitalumwandler
aufweist. Es wird so für jeden Lichtimpuls eine Digitalanzeige für jeden Kanal erzeugt,
die der Menge des in jedem Kanal durch den diesem zugeordeneten Filter gemessenen
Licht'entspricht.
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Die in den Photodetektoren 16, 17 und 18 erzeugten Signalströme sind
proportional der Ausgangsstärke und Wellenlänge des von der gepulsten Entladungsröhre
1 ausgehenden Lichts, das von Puls zu Puls schwanken kann. Um diese Schwankungen
aus-zugleichen, werden Intensität und Well.enlänge eines jeden, von der gepulsten
Entladungsröhre 1 ausgehenden Lichtimpulses gemessen, und zwar wird hierzu ein kleiner
Teil (8%) des Lichtstrahl es durch einen Strahlenteiler 20 abgeteilt; der Strahlenteiler
besteht vorzugsweise aus einem dünnen Abdeckglasplättchen, wie es in der Mikroskopie
verwendet wird.
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Der vom Lichtstrahl abgeteilte Bereich wird in einem Vergleichs-Lichtleiterbündel
21 zusammengefaßt; das wiederum in drei Zweige 22, 23 und 24 aufgeteilt wird. Das
durch die Zweige 22,.23 und 24 gehende Licht wird durch die optischen Filter 25,
26 und 27 gefiltert und dann von den Vergleichs-
PhOtodetek,toren
28, 29 und 30 erfaßt. Die Filter 25, 26 und 27 sind mit den Filtern 13, 14 und 15
identisch oder diesen sehr ähnlich. Die Photodetektoren 28, 29'und 30 sind ebenfalls
mit der elektronischen Analog-Einheit 19 verbunden, die für jeden einem der De-tektoren
entsprechenden Kanal einen Verstärker, einen Integrator und einen Analog-Digital-Umwandler
aufweist, wodurch eine Digitalanzeige für jeden Kanal erzeugt wird.
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Die Digital-Daten der Probenreflexions- und -vergleichsbeleuchtungs-Kanäle
werden dann einem Mikrocomputer 31 eingegeben, der zur Kontrolle der Gesamtvorrichtung
dient und alle für die verschiedenen Betriebsarten wie Farbsortierung und Farbabwei
ch ungsme ssu ng erforderlichen Berechnungen durchführt. Bei dem Mikrocomputer 31
handelt es sich um ein handelsübliches Fabrikat.
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Für die Farbsortierung wird die Anlage zun-ächst "trainiert", indem
die Reflexionswerte von Vergleichsproben gemessen werden. Diese Vergleichswerte
werden dann gespeichert und dienen später zum Vergleichen. Auch für die Messung
der Farbabweichung kann die Vorrichtung zunächst "trainiert" werden,. jedoch werden
in diesem Fall die Vergleichswerte von Hand eingegeben.
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Die Fig. 2-5 zeigen typische Ablaufdiagramme der Verfahrensschritte
von zwei Funktionsarten, die dem Mikrocomputer 31 einprogrammiert werden können:
die Farbsortierung und die Messung der Farbabweichung. Die Fig. -2 und 3 zeigen
ein Ablaufdiagramm der Verfahrensschritte für die Farbsortierung.
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Jede Vergleichsfarbe ist in Form eines Vergleichs-Triplets 43 gespeichert.
Das Vergl-eichs-Triplet 43 wird folgendermaßen erhalten: durch Messen der Intensität
der Lichtquelle 40 durch alle drei Zweige der Lichtleiteroptik 21 (Fig. -1) als
Reaktion auf einen ersten Lichtimpuls; Messen der Intensität des von einer Vergleichsprobe
reflektierten Lichts 41 durch alle drei Zweige der Lichtleiteroptik 9 (Fig. 1);
Errechnen eines normierten Meßwertes 42, indem der Meßwert 41 durch den Meßwert
40 dividiert wird.
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Das Sortieren nach Farben wird folgendermaßen durchgeführt: zweites
Messen der Intensität der Lichtquelle 44 durch alle drei Zweige der Lichtleiteroptik
21 (Fig. 1) als Reaktion auf einen nachfolgenden Lichtimpuls; Messen der Intensitä-t
des von der Probe reflektierten Lichtes 45 durch die drei Zweige der Lichtleiteroptik
9 (Fig. 1); Errechnen eines normierten Wertes 46 durch Dividieren des Meßwertes
45 durch den Wert 44; und Vergleichen 47, um festzustellen, ob .der so erhaltene.
Wert 46 innerhalb eines vom Vergleichs-Triplet 43 gespeicherten Farbwertes ist,
der der gewünschte.n. Farbe der Probe entspricht. Der Schri:tt 44 sowie die folgenden
werden für jede Probe wiederholt.
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Die Ablaufdiagramme der Verfahrensschritte gemäß den Fig.
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2 und -3 stellen die Verwendung eines Vergleichs-Triplets für nur
eine Farbe dar. Mit der erfindungsgemäßen Vorrich-.
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tung ist es ohne weiteres möglich, praktisch jede.beliebige Anzahl
von Triplets zu speichern, wobei jedes Triplet für eine bestimmte Farbe dient. Für
zusättliche Vergleichs-Triplets würde Schritt 53 in einem NEIN resultieren und die
Anordnung müßte, wie zuvor erläutert, "trainiert" werden.
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Die Fig. 4 und 5 zeigen ein Ablaufdiagramm der Verfahrensschritte
für die Farbabweichungsmessung mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung. Hier ist jede
Farbe durch einen gespeicherten Vergleichswert 63 charakterisiert, welcher von Hand
eingegeben wird 72. Die Werte fUr die verschiedenen zu prüfenden Farben sind Erfahrungswerte,
gewonnen durch Vorangegangenen "Training" der Vorrichtung. Bei dem "Training" wird
der Vergleichswert 63 durch Messen der Lichtintensität 60 eines ersten Lichtimpulses
durch einen einzigen Zweig der Lichtleiteroptik 21 (Fig. 1) erhalten; anschließend
wird die Intensität des reflektierten Lichtes einer Vergleichsprobe gemessen 61;
hierzu wird ebenfalls nur ein'einziger Zweig der Lic.htleiteroptik 9 (Fig. 1) verwendet.
Der normierte Wert 62 wird durch Dividieren des Wertes 61 durch den Wert 60 erhalten.
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Zur Farbbestimmung der Probe wird nun die Intensität einer zweiten
Lichtquelle gemessen 64, und zwar durch einen Zweig
der Lichtleiteroptik
21 (Fig. 1) für einen späteren Lichtimpuls; dann wird die Intensität des von der
Probe reflektierten Lichtes 65 durch einen Zweig der Lichtleiteroptik 9 (Fig. 1)
gemessen; und der normierte Wert 66 wird durch -Dividieren des Wertes 65 durch den
Wert 64 erhalten; und durch einen Vergleich 67 wird bestimmt, ob die Messung 66
innerhalb des Toleranzbereiches des Verglei.chswertes 63 liegt und so entschieden,
ob die Probe brauchbar ist oder nicht.
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Das Ablaufdiagramm der Fig. 4 und 5 zeigt die Farbabweichungsmessung
für einen einzelnen Zweig des Lichtleiterbündels für die -Messung des reflektierten
Lichtes und damit für eine einzige Farbe. Im Normalbetrieb wird die Messung allerdings
für drei Zweige durchgeführt und damit für -drei zusätzliche Farben. Danach kann
mit der Vorrichtung mit vier Zweigen eine eine Abweichungsmessung für vier Farben
durchgeführt werden. Mit einer solchen Vorrichtung können beispielsweise Farben
in kommerziellen Druckverfahren gesteuert werden. Die Steuerung von Cyan (blau),
Magenta (rot), gelb und schwarz bei Druckfarben erfolgt durch die manuelle Eingabe
von Vergleichswerten und deren Toleranzbreitee für jede einzelne Farbe. Die spektrale
Empfindlichkeit der optischen Filter 13, 14 und 15 und eines vierten, in Fig. 1
nicht gezeigten Filters, wird. so ausge'wählt, daß eine optimale Empfindlichkeit
für jede Farbänderung erreicht wird Zum Ausgleich für den vierten Zweig zum Messen
des reflektierten Lichtes muß auch ein vierter Zweig zum Messen der Lichtintensität
verwendet werden.
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Bei einigen Anwendungsbereichen kann die erfindung-sgemäße Vorrichtung
eine verdrahtete digital-logistische oder Analog-Schaltung aufweisen, mit der alle
erforderlichen Berechnungen durchgeführt werden. In diesem Fall ist der Mikrocomputer
31 entbehrlich.
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Die der Probe 7 am nächsten liegenden Enden der Lichtleiterbündel
9 und 5, sowie die Beleuchtungs- und Sammeloptik werden in einer Einheit zusammengefaßt,
die als "optischer Kopf" 32.bezeichnet wirdiund sich'in der Nähe der zu unter-
suchenden
Probe befindet. Die kleinen Abmessungen des Kopfes 32 sowie die Flexibilität der
Lichtleiterbündel 5 und 9 erlauben einen verhältnismäßig großen Spielraum für die
Montage des Kopfes. Bei bestimmten Anwendungsarten wird der Kopf 32 wiederholt bewegt,
und entweder zum Abtasten der Position der zu untersuchenden Pr-obe oder zum Bestimmen
der Einheitlichkeit der Farbe der Probe benutzt.
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Für andere Anwendungsbereiche, beispielsweise zum Mes-sen der Lichtdurchlässigkeit,
des Oberflächenglanzes oder irgendwelcher anderen optischen Eigenschaften der Probe,
kann die geometrische Anordnung der einzelnen Komponenten im "optischen Kopf" 32
entsprechend angepaßt werden.
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Die übrigen Bestandteile der Vorrichtung sind in der Konsole 33 untergebracht,
die sich zwischen dem Bedienungspersonal oder der automatischen Steuerung- und dem
optischen System befindet. Bei Handsteuerung, kann eine Schalteranlage mit Steuerschaltern
und einer Anzeigev-orrichtung' benutzt werden. Bei automatischer, Steuerung besteht
dieser Teil nur aus elektrischen Verdrahtungen oder Digital-Verbi nd-ungsl e,itungen.
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Bei. der Farbabwei-chungsmessung entsprechend der vorliegenden Erfindung
in der Druck- oder Verpackungsindustrie bilden der optische Kopf 32 und die Konsole
33 eine Einheit.
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Die Entladungsröhre 1 befindet sich dann in der Nähe der Probe 7,
und das Lichtleiterbündel 5 entfällt zugunsten eines optimalen optischen Wirkungsgrades.
In diesem Fall werden die Linsen 4 und 6 zu einer Linse zusammengefaßt und die Probe
7 wird direkt vom Abbild des Li-chtboge-ns der Entladungsröhre 1 beleuchtet.
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Nach einer weiteren Ausgestaltungsform der vorliegenden Erfindung
können beispielsweise mehr oder weniger. als 3 bzw.
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4 Lichtleiterbündel zur Beleuchtung und Reflexion vorhanden sein.
So ist in einigen Anwendungsbereichen das Messen von nur zwei Sepktralbereichen
erforderlich, wobei sowohl bei der Farbsortierung als auch bei der Farbabweichungsmessung
das Verhältnis der Reflexionen der entscheidende Parameter ist.