DE3311954C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein zweistrahliges Spektralfotometer gemäß Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Ein solches Spektralfotometer ist aus der DE-OS 26 06 675 bekannt.

Ein derartiges Spektralfotometer hat eine Integrationskugel mit zwei Öffnungen zum Anbringen je einer Meßprobe und eines Standards, zwei Öffnungen zum Einleiten von Licht zur Bestrahlung der beiden Proben sowie eine Öffnung zur bündigen Aufnahme eines Detektors. Durch die Integrationskugel verlaufen die einfallenden Lichtstrahlen durch das Zentrum und fallen unter 90° auf die Proben auf. Es gibt zwei Verfahren zur Messung des von der Fläche eines Objektes reflektierten Lichts unter Verwendung einer Integrationskugel. Ein Verfahren soll nur den diffusen Reflexionsanteil messen, das andere Verfahren das gesamt reflektierte Licht, das sowohl den diffus reflektierten als auch den direkt reflektierten Anteil enthält. Bei der Durchführung dieser beiden Meßverfahren mit einem herkömmlichen Spektralfotometer, das eine einzige Integrationskugel hat, ist ein zusätzlicher Bauaufwand nötig. Um beide Messungen an einer Integrationskugel durchführen zu können, muß ein zusätzliches Bauteil an einer der Probenöffnungen angeordnet werden. Ein weiterer Nachteil ist, daß ein Teil des zur Messung benötigten reflektierten Lichtes an diesem zusätzlichen Bauteil reflektiert wird und die Messung verfälscht.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Spektralfotometer gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 zu schaffen, bei dem zur Durchführung beider Messungen kein zusätzlicher Bauaufwand betrieben werden muß.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 gelöst.

Anmeldungsgemäß braucht kein zusätzliches Bauteil an einer Probenöffnung der Integrationskugel angebracht bzw. ausgetauscht werden. Die Lage einer der Eintrittsöffnungen ist so gewählt, daß der zugehörige Lichtstrahl schräg auf die zugehörige Probe auftrifft. Zur Durchführung beider Messungen müssen lediglich die beiden Proben ausgetauscht werden.

Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung sind eine Öffnung des ersten Paars und die entsprechende des zweiten Paars so angeordnet, daß eine gerade Linie, die den Mittelpunkt der ersten und den der zweiten dieser entsprechenden Öffnung verbindet, nicht durch den Mittelpunkt der Integrationskugel geht. Durch diese außermittige Anordnung trifft der durch diese zweite Öffnung in die Integrationskugel eintretende Lichtstrahl schräg auf die Meßprobe bzw. den Standard in dieser ersten Öffnung auf.

Die Meßprobe (bzw. das Muster) und der Standard (bzw. das Bezugsmuster) im ersten Paar der Öffnungen wird je nach Art der Messung vertauscht. In anderen Worten: Die Lagen des Musters und des Bezugsmusters an der Integrationskugel beim Messen lediglich des diffusen Anteils des vom Muster reflektierten Lichts werden vertauscht, wenn das gesamte reflektierte Licht einschließlich sowohl des diffusen als auch des direkten Reflexionsanteils gemessen werden soll.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand schematischer Zeichnungen nachstehend näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1a eine Schnittansicht einer erfindungsgemäßen Integrationskugel, die zur Messung lediglich des diffusen Reflexionsanteils des von einem Muster reflektierten Lichts verwendet wird,

Fig. 1b eine Schnittansicht der Integrationskugel gemäß Fig. 1a, die zur Messung sowohl des diffusen als auch direkten Reflexionsanteils des von einem Muster reflektierten Lichts verwendet wird,

Fig. 2a eine Fig. 1a ähnliche Ansicht einer etwas veränderten Integrationskugel,

Fig. 2b eine Fig. 1b ähnliche Ansicht der etwas veränderten Integrationskugel gemäß Fig. 2 und

Fig. 3 ein Aufbaudiagramm des erfindungsgemäßen zweistrahligen Spektralfotometers mit der Integrationskugel gemäß den Fig. 1a und 1b.

Fig. 1a zeigt ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Integrationskugel IS. Sie ist mit einer Öffnung W₁, in der ein Muster S abnehmbar angebracht ist, und einer Öffnung W₂ versehen, in der ein Bezugsmuster R ebenfalls abnehmbar angebracht ist. Diametral gegenüber der Öffnung W₁ befindet sich eine Eintrittsöffnung WI₁, durch welche ein Lichtstrahl L_S in die Integrationskugel eintritt und senkrecht auf die innere Fläche des Musters S in der Öffnung W₁ fällt.

Der direkte Reflexionsanteil des vom Muster S reflektierten Lichts geht durch die Eintrittsöffnung WI₁ und wird somit nicht bestimmt.

Diametral gegenüber und seitlich versetzt zur Öffnung W₂ befindet sich in der Kugel IS eine weitere Eintrittsöffnung WI₂, durch welche ein Bezugslichtstrahl L_R in die Kugel eintritt und schräg auf das in der Öffnung W₂ befindliche Bezugsmuster R fällt. Falls das von der Fläche des Bezugsmusters R reflektierte Licht einen direkten Reflexionsanteil enthält, ist es unmöglich, diesen Anteil zu entfernen. Das Bezugsmuster R ist jedoch nur deshalb vorgesehen, um ein Signal zur Korrektur der Zeitbasis des aus der Messung des Musters S erhaltenen Signals zu bekommen. Für diesen Zweck muß das Bezugsmuster R nur der Wellenlängencharakteristik der Lichtquelle und der Drift des messenden elektrischen Schaltkreises entsprechen. Deshalb ist es nicht erforderlich, den direkten Reflexionsanteil des vom Bezugsmuster R reflektierten Lichts zu eliminieren. Die Kugel IS ist ferner mit einer Austrittsöffnung WO versehen, an deren Außenseite ein Fotodetektor (nicht gezeigt) zum Empfang des aus der Innenseite der Kugel austretenden Lichts angeordnet ist.

In Fig. 1b sind die Lagen des Bezugsmusters R und des Musters S bezüglich Fig. 1a vertauscht, so daß sich das Muster S in der Öffnung W₂ und das Bezugsmuster R in der Öffnung W₁ befindet. Bei dieser Anordnung tritt der Strahl L_S für das Muster durch die Eintrittsöffnung WI₂ in die Integrationskugel IS ein und trifft schräg auf dem Muster F auf, so daß der direkte Reflexionsanteil des vom Muster reflektierten Lichts auf die innere Fläche der Integrationskugel fällt. Dies bedeutet, daß das gesamte vom Muster reflektierte Licht, das sowohl den diffusen als auch den direkten Reflexionsanteil enthält, gemessen wird.

In Fig. 1b fällt der Bezugslichtstrahl L_R senkrecht auf das Bezugsmuster R auf, so daß dessen direkter Reflexionsanteil durch die Eintrittsöffnung WI₁ austritt. Aus dem gleichen Grund wie oben erwähnt hat dies keinen schädlichen Einfluß auf die Korrektion der Zeitbasis.

In Fig. 3 ist schematisch ein Zweistrahl-Spektralfotometer dargestellt, das die Integrationskugel IS gemäß den Fig. 1a und 1b aufweist. Eine Lichtquelle L sendet Licht in einem Bereich der messenden Wellenlängen aus. Ein Monochromator M empfängt dieses Licht und erzeugt ein monochromatisches Licht mit ausgewählter Wellenlänge, das von einem Spiegel M₁ auf einen Strahlteiler reflektiert wird, der einen drehbaren Sektorspiegel SM umfaßt, der als Zerhacker dient und von einem geeigneten Antrieb DR angetrieben wird.

Durch die Drehung des Sektorspiegels SM verläuft das monochromatische Licht wechselweise entlang eines ersten und zweiten optischen Wegs. Der erste optische Weg und der dazugehörende Lichtstrahl sind gemeinsam mit Bezugszeichen L₁ versehen, während der zweite optische Weg und der dazugehörende Lichtstrahl mit Bezugszeichen L₂ versehen sind.

Das durch den Sektorspiegel SM hindurchgehende Licht wird von den Spiegeln M₄, M₅ und M₆ reflektiert und tritt daher durch die Eintrittsöffnung WI₁ in die Integrationskugel IS ein. Das vom Sektorspiegel SM reflektierte Licht L₂ wird weiter von den Spiegeln M₂ und M₃ reflektiert und tritt dadurch abwechselnd mit dem durch die Eintrittsöffnung WI₁ eintretenden Lichtstrahl L₁ durch die Eintrittsöffnung WI₂ in die Integrationskugel ein.

Ein Fotodetektor PD deckt die Öffnung WO der Integrationskugel ab und empfängt das aus dieser austretende Licht. Der Fotodetektor kann z. B. eine Fotomultiplikationsröhre sein, deren Ausgangssignal an einen Vorverstärker PA angelegt ist, dessen Ausgangssignal durch ein nachfolgendes paralleles Paar von Schaltern SW_R und SW_S an ein paralleles Paar von Signalspeicherschaltkreisen H_R und H_S angelegt ist.

Das Ausgangssignal des Speicherschaltkreises H_R wird durch einen negativen Hochspannungsschaltkreis NV zum Fotodetektor PD zurückgeführt, um dessen Empfindlichkeit abzustimmen, wodurch sein vom Bezugsstrahl erzeugtes Ausgangssignal konstant gehalten wird. Das Ausgangssignal des Signalspeicherschaltkreises H_S entspricht dem bei der Messung durch das vom Muster reflektierte Licht erzeugten Ausgangssignals des Fotodetektors PD und ist durch einen Analog/Digitalumwandler AD an einen Computer CP angelegt, dessen Ausgangssignal durch einen Digital/ Analogwandler DA an einem Aufzeichengerät RD anliegt und dadurch aufgezeichnet wird.

Wie zuvor erwähnt, werden die Lage des Bezugsmusters R und des Musters S an der Integrationskugel in Abhängigkeit der Art der Messung, die durchgeführt werden soll, vertauscht, d. h. ob das gesamte vom Muster reflektierte Licht oder nur der diffuse Anteil gemessen werden soll, wobei in Abhängigkeit der Lage des Musters und des Bezugsmusters an der Integrationskugel bestimmt wird, welcher der Strahlen des ersten und zweiten optischen Wegs L₁ und L₂ der Bezugs- bzw. Musterstrahl wird. Es ist erforderlich, daß unabhängig davon, welcher der beiden Lichtstrahlen entlang welchem optischen Weg läuft, das vom Lichtstrahl für das Bezugsmuster erzeugte Ausgangssignal des Fotodetektors PD immer an den Signalspeicherschaltkreis H_R angelegt ist, während das vom Musterlichtstrahl erzeugte Ausgangssignal des Fotodetektors PD immer an den Signalspeicherschaltkreis H_S angelegt ist.

Um diese Anforderung zu erfüllen, betätigt ein Schaltersteuergerät SC in Abhängigkeit eines Synchron-Signalerzeugers GE die Schalter SW_R und SW_S auf folgende Weise, um wechselseitiges Öffnen und Schließen zu bewirken:
Es sei angenommen, daß das Muster S und das Bezugsmuster R in den Öffnungen W₁ und W₂ der Integrationskugel IS gemäß Fig. 1a angebracht sind, um nur den diffusen Reflexionsanteil des vom Muster reflektierten Lichts zu messen, so daß der Lichtstrahl im ersten bzw. zweiten optischen Weg L₁ bzw. L₂ der Muster- bzw. Bezugslichtstrahl ist.

Der Signalerzeuger GE arbeitet synchron mit der Drehung des Sektorspiegels SM und erzeugt dadurch wechselweise ein erstes Signal SL₁, während der Sektorspiegel SM den Eintritt des Lichtstrahls für das Muster im ersten optischen Weg L₁ in die Integrationskugel und das Auftreffen auf das Muster S gestattet, und ein zweites Signal SL₂, während der Sektorspiegel SM ein Eintreten des Bezugsstrahls im zweiten optischen Weg L₂ in die Integrationskugel und Auftreffen auf das Bezugsmuster R zuläßt.

Das Schaltersteuergerät SC beinhaltet ein Paar von Schaltern K₁ und K₂, die jeweils ein Paar feststehender Kontakte K_1R und K_1S sowie K_2R und K_2S haben. In Abhängigkeit der Lagen des Musters S und des Bezugsmusters R bestimmt der Computer CP, durch welchen der feststehenden Kontakte jeder der Schalter K₁ und K₂ geschlossen sein soll, wobei im Beispiel gemäß Fig. 1a (das Muster S bzw. Bezugsmuster R befindet sich in der Öffnung W₁ bzw. W₂) die Schalter K₁ bzw. K₂ durch K_1S und K_2R geschlossen sind. Deshalb schließt das während dem Einfall des Strahls L₁ auf das Muster S erzeugte Steuersignal SL₁ den Schalter SW_S, während der andere Schalter SW_R gleichzeitig offen ist, so daß das vom Lichtstrahl L₁ des Musters erzeugte Ausgangssignal des Fotodetektors PD über den geschlossenen Schalter SW_S an den Signalspeicherschaltkreis H_S angelegt ist; das abwechselnd mit dem Signal SL₁ während dem Einfallen des Strahls L₂ auf das Bezugsmuster R erzeugte Steuersignal SL₂ schließt den Schalter SW_R, wobei der andere Schalter SW_S gleichzeitig geöffnet wurde, so daß das durch den Bezugslichtstrahl L₂ erzeugte Ausgangssignal des Fotodetektors PD über den geschlossenen Schalter SW_R an den Signalspeicherschaltkreis H_R angelegt ist.

Wenn das vom Muster gesamte reflektierte Licht gemessen werden soll, werden die Lagen des Musters S und des Bezugsmusters R in Fig. 1a vertauscht, so daß das Muster S bzw. das Bezugsmuster R in der Öffnung W₂ bzw. W₁ sitzt, wie in Fig. 1b gezeigt. Der Computer schließt dann die Schalter K₁ und K₂ an den gegenüberliegenden Seiten K_1R und K_2S, wie in gestrichelten Linien dargestellt ist. In diesem Fall wird der Strahl auf dem ersten optischen Weg L₁ der Bezugs- und der Strahl auf dem zweiten optischen Weg L₂ der Musterlichtstrahl. Deshalb schließt das während des Einfalls des Bezugslichtstrahls L₁ auf das Bezugsmuster R erzeugte Steuersignal SL₁ den Schalter SW_R, wobei der andere Schalter SW_S gleichzeitig geöffnet wird; das abwechselnd mit dem Steuersignal SL₁ während des Auftreffens des Strahls L₂ auf das Muster F erzeugte Steuersignal SL₂ schließt den Schalter SW_S, wobei der andere Schalter SW_R gleichzeitig geöffnet wurde.

Ein anderes Ausführungsbeispiel der Integrationskugel ist in den Fig. 2a und 2b dargestellt, wobei gleiche Bezugszeichen wie in Fig. 1a und 1b entsprechende Teile bezeichnen.

In den Fig. 2a und 2b treten die beiden Strahlen L_R und L_S so in die Integrationskugel IS ein, daß sie sich senkrecht schneiden, und die Öffnungen W₁ und W₂, in denen das Muster S und das Bezugsmuster R sitzen, sind so angeordnet, daß die Ebene einer der Öffnungen, z. B. W₁, senkrecht zum einfallenden Lichtstrahl ist, während die Ebene der anderen Öffnung W₂ relativ zum darauf einfallenden Lichtstrahl geneigt oder schräg ist.

Wenn lediglich die diffuse Reflexionskomponente des von einem Muster S reflektierten Lichts gemessen werden soll, wird das Muster in der Öffnung W₁ angebracht, während ein Bezugsmuster R in der anderen Öffnung W₂ gemäß Fig. 2a angebracht wird. Wenn das vom Muster gesamt reflektierte Licht einschließlich des diffusen und direkt reflektierten Anteils gemessen werden soll, wird das Muster S in der Öffnung W₂ und das Bezugsmuster R in der Öffnung W₁ gemäß Fig. 2b angeordnet.

Die Integrationskugel IS gemäß den Fig. 2a und 4b kann in der Anordnung gemäß Fig. 3 auf die gleiche wie zuvor erwähnte Art und Weise verwendet werden.

Bei der Anordnung gemäß Fig. 3 treten der Bezugs- und Musterlichtstrahl durch die Eintrittsöffnungen in die Integrationskugel ein, während der Fotodetektor neben der Austrittsöffnung WO angeordnet ist. Es ist möglich, die Positionen der Lichtquelle und des Fotodetektors zu vertauschen, so daß das Licht von der Lichtquelle durch die einzige Öffnung WO in die Integrationskugel eintritt und der Muster- und Bezugslichtstrahl durch die Öffnungen WI₁ und WI₂ abgenommen werden. Diese Anordnung ist nützlich zur Messung fluoreszierender Stoffe oder zur Vermeidung des nachteiligen Einflusses der Strahlung eines beheizten Musters, wenn zur Messung Licht im oder in der Nähe des Infrarotbereichs verwendet wird.

Wie aus der vorstehenden Beschreibung ersichtlich ist, besteht der Grundgedanke der Erfindung darin, daß das durch Messung des Bezugsmusters erhaltene Ausgangssignal nur auf die Fluktuation der Lichtquellen oder die Drift des messenden elektrischen Schaltkreises ansprechen muß und es nichts ausmacht, ob der Lichtstrahl senkrecht oder schräg auf das Bezugsmuster auftrifft, oder ob der direkte Reflexionsanteil des vom Bezugsmuster reflektierten Lichts eliminiert wird oder nicht. Deshalb ist die erfindungsgemäße Integrationskugel mit zwei Öffnungen zur Aufnahme eines Musters und eines Bezugsmusters versehen, und der Muster- bzw. Bezugslichtstrahl fällt senkrecht auf die Ebene der einen Öffnung und schräg auf die Ebene der anderen Öffnung auf. Die Lage des Musters und des Bezugsmusters werden in Abhängigkeit der Art der durchzuführenden Messung vertauscht.

Bei dieser erfindungsgemäßen Anordnung ist es nicht mehr erforderlich, an die Integrationskugel ein zusätzliches Bauteil anzubringen bzw. zu entfernen. Die Erfindung löst auch das Problem, daß sich die optische Charakteristik eines zusätzlichen Bauteils mit der Zeit ändert und daß das zusätzliche Bauteil wahrscheinlich während der Messung einen Teil der diffus reflektierten Komponente des vom Muster reflektierten Lichts abblendet. Es ist vorteilhaft möglich, sowohl das Muster als auch das Bezugsmuster dicht an der inneren Fläche der Integrationskugel anzuordnen.

Bei der vorstehenden Beschreibung enthält das gesamte vom Muster reflektierte Licht immer sowohl den diffus reflektierten als auch direkt reflektierten Anteil. Falls das Muster einem aufgedampften Spiegel ähnlich ist, dessen reflektiertes Licht geringen oder keinen diffusen Anteil enthält, ist es möglich, durch Messung des gesamten vom Muster reflektierten Lichts den direkten Reflexionsanteil zu messen.

Claims (4)

1. Zweistrahliges Spektralfotometer mit einer Einrichtung zur Bildung eines ersten und zweiten Lichtstrahls, einer Integrationskugel mt einem ersten Paar von Öffnungen, in denen ene Meßprobe und ein Standard anordbar sind, und mit einem zweiten Paar von Öffnungen zum Einleiten der Lichtstrahlen zur Bestrahlung der Meßprobe und des Standards und einer Einrichtung zur Messung des aus der Integrationskugel austretenden Lichts, dadurch gekennzeichnet, daß Meßprobe (S) und Standard (R) austauschbar sind und daß entweder der erste (L₁) oder der zweite (L₂) Lichtstrahl senkrecht auf die Meßprobe (S) oder den Standard (R) trifft, während der andere Lichtstrahl schräg auf den Standard (R) oder die Meßprobe (S) trifft.

2. Zweistrahliges Spektralfotometer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine der Öffnungen des zweiten Paars (WI₁, WI₂) der Integrationskugel diametral gegenüber einer Öffnung des ersten (W₁, W₂) Paars angeordnet ist, während die andere Öffnung des zweiten Paars (WI₁, WI₂) seitlich versetzt diametral gegenüber der anderen Öffnung des ersten Paars (W₁, W₂) angeordnet ist.

3. Zweistrahliges Spektralfotometer nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zur Bildung eines ersten und zweiten Lichtstrahls eine Einrichtung (M) zur Erzeugung eines monochromatischen Lichtstrahls und einen Strahlteiler (SM) zur Aufteilung des monochromatischen Lichtstrahls in den ersten (L₁) und zweiten (L₂) Lichtstrahl umfaßt.

4. Zweistrahliges Spektralfotometer nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zur Messung des aus der Integrationskugel austretenden Lichts einen Photodetektor (PD), der ein Ausgangssignal erzeugt, einen mit dem Photodetektor (PD) verbundenen Rückkopplungsschaltkreis (PA, NV), eine mit dem Photodetektor verbundene Signalverarbeitungseinrichtung (H_R, H_S) und eine Schalteinrichtung (SW_R, SW_S, SC) umfaßt, wobei die Schalteinrichtung (SW_R, SW_S, SC) in Verbindung mit dem Strahlteiler (SM) betätigt wird, um abwechselnd das Ausgangssignal, wenn entweder der erste (L₁) oder zweite (L₂) Lichtstrahl auf die Meßprobe (S) auftrifft, an die Signalverarbeitungseinrichtung (H_R, H_S) anzulegen oder um das Ausgangssignal, wenn der andere der beiden Lichtstrahlen auf den Standard (R) auftrifft, an den Rückkopplungsschaltkreis (PA, NV) anzulegen, wodurch die Empfindlichkeit des Photodetektors (PD) konstant gehalten wird.