DE3831287C2 - Optisches Colorimeter - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein optisches Colorimeter gemäß dem Oberbegriff des Hauptanspruchs.

Das üblicherweise verwendete Instrument zum Messen von Farben ist das Spektrophotometer. Bei diesem muß eine Veränderung der Lichtintensität bestimmt werden, bevor eine Probe ausgemessen wird, um sicherzustellen, daß genaue Daten erhalten werden. Durch dieses Verfahren wird sehr viel Zeit verloren, und der Farbwert oder die Chrominanz der gemessenen Probe ist nicht besonders genau. Ein größerer Fehler kann durch Bedienungs­ fehler, die Lichtquelle oder durch Übertragungsverluste im Lichtleiter bewirkt werden.

Aus DE 32 44 286 A1 ist ein Colorimeter bekannt, das das von der Oberfläche einer Probe reflektierte Licht in drei Zweige aufteilt und mittels optischer Filter und Photodetektoren die Intensität dieses reflektierten Lichts in drei Spektralberei­ chen mißt. Die Lichtquelle wird dabei laufend sowohl im Hinblick auf ihre Intensität als auch im Hinblick auf ihre spektrale Zusammensetzung überwacht. Dazu sind zusätzliche optische Filter und Photodetektoren erforderlich. Es ist also ein sehr hoher Aufwand erforderlich, um lediglich die Intensität des reflektierten Lichts in drei Spektralbereichen zu messen.

Aus DE 27 40 724 B2 ist ein Spektralphotometer bekannt, dessen spektrales Auflösungsvermögen durch die Anwendung eines Beugungsgitters gegenüber dem in DE 32 44 286 A1 beschriebenen Colorimeter wesentlich erhöht ist. Als Lichtquelle kommt hier eine Blitzlichtquelle, vorzugsweise eine Xenonblitzquelle zum Einsatz. Deren Intensität wird mittels eines photoelektrischen Wandlers laufend überwacht. Da eine Gasentladung stets ein konstantes Spektrum aufweist, ist eine laufende Überwachung der spektralen Zusammensetzung des vom Blitzlicht ausgestrahl­ ten Lichts nicht erforderlich. Die ständige Überwachung der Intensität der Blitzlichtquelle wird aber für unabdingbar gehalten. Daher ist auch dieses bekannte Spektralphotometer verhältnismäßig aufwendig.

Aus DE 25 46 253 A1 ist es grundsätzlich bekannt, einen Photoempfänger für ein Spektralanalysegerät mit einem Multi­ plexer, einem Analog-Digital-Wandler und einem Rechner zum Auswerten der Messung auszurüsten.

Aus J. Phys. E: Sci. Instrum., Vol. 18, 1985, Seite 914-919 ist ein Dioden-Array-Spektrometer bekannt, das ein holographi­ sches Gitter verwendet.

DE 29 23 468 C2 offenbart eine Schaltungsanordnung zum Erken­ nen von Farben, bei der das Licht von Lichtquellen bekannter Spektralzusammensetzung in drei Teilstrahlen aufgespalten und zur Messung des Farbwertes von Probenmaterial genutzt wird. Der Aufbau dieser Vorrichtung ist ebenfalls recht kompliziert, zudem ist eine Lichtquelle bekannter Spektralzusammensetzung erforderlich.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein in Aufbau und Handhabung einfaches und kostengünstiges Colorimeter der eingangs genannten Art zu schaffen.

Die Erfindung löst diese Aufgabe durch die Merkmale des Hauptanspruchs. Eine vorteilhafte Weiterbildung ist in An­ spruch 2 angegeben.

Durch die Erfindung wird ein Colorimeter geschaffen, das die oben genannten Nachteile vermeidet und das die normalerweise verwendeten Colorimeter ersetzen kann. Das erfindungsgemäße Colorimeter vom Typ mit optischen Lichtleitern ist ein Colorimeter zum Messen der Farbe von Materiali­ en und insbesondere zum Messen der Farbe eines festen Erzeug­ nisses wie Textilien, Papier oder Ziegeln, Backsteinen oder Bauklötzen.

Ein Hauptziel der Erfindung ist es, die Chrominanz oder Farb­ wert einer Bezugsprobe (z. B. eine Standardfarbkarte) unter Testbedingungen zu messen. Das Ergebnis wird dann als Bezugs­ daten verwendet, die mit dem Farbwert einer Probe verglichen werden, die in einem anschließenden Schritt gemessen wird. Ein wesentliches Merkmal besteht darin, daß Wirkungen von Ände­ rungen der Lichtquelle oder Übertragungsverlusten im Lichtlei­ ter beseitigt werden können.

Ein weiteres Merkmal der Erfindung besteht darin, daß das op­ tische System aus Linsen besteht. Dieses System ist kompakter als konventionelle optische Systeme, die reflektierende Spiegel oder integrierende Kugeln aufweisen.

Ein weiteres Merkmal der Erfindung besteht darin, daß die Her­ stellungskosten durch Benutzung von Linsen anstelle von konventionellen reflektierenden Spiegeln reduziert werden.

Reflektierende Spiegel wie elliptische Spiegel oder parabo­ lische Spiegel sind nämlich sehr teuer.

In Fig. 1 ist eine schematische Darstellung einer Ausfüh­ rungsform der Erfindung beispielsweise gezeigt.

Bei der in Fig. 1 gezeigten Ausführungsform wird die 45°/0° Beleuchtungs- und Empfangsmethode verwendet, die durch CIE empfohlen ist. Dies bedeutet, daß das Licht auf die Probe oder das Bezugsmaterial unter 45° einfällt, während der Empfänger für das reflektierte Licht senkrecht zur Probe oder zum Bezugsmaterial angeordnet ist. Auf diese Weise soll der Chrominanzwert oder Farbwert der Probe (oder des Bezugsmate­ rials) gemessen werden. Die Lichtquelle 1 sendet Licht durch die Linse 2 in den optischen Lichtleiter oder die optische Faser 3. Um die Wirkungen von Umgebungsänderungen auf die Genauigkeit zu beseitigen, ist eine Abschirmung 4A im Meßbe­ reich 4 zum Abschirmen von äußerem Licht vorgesehen. Durch den optischen Lichtleiter 3 wird Licht zur Probenoberfläche unter einem Einfallswinkel von 45° projiziert, während der optische Lichtleiter 5 rechtwinklig gestreutes Licht von der Probe empfängt und dann den Lichtstrahl zum Spektralsystem auf der Rückseite überträgt.

Das Licht vom Ende des optischen Lichtleiters 5 wird auf den einzelnen Spalt 7 projiziert. Eine Linse 8 ist hinter dem einzelnen Spalt 7 angeordnet. Durch das optische Gitter 9 wird der Lichtstrahl in ein Spektrum aufgespalten, das auf die Detektoranordnung 11 mit Hilfe der Linse 10 fokussiert wird. Diese Detektoranordnung 11 ist ein PN-Übergangs-Photodetektor mit geladenem Verstärker; sie kann im wesentlichen 35 Elemente haben. Ihre Treiberschaltung 13 schließt einen Multiplexer 13A und einen Hochgeschwindigkeitsintegrator 13B ein und kann Elemente aus der Anordnung auswählen, integrieren, verstärken und dann Signale aussenden, die den auf die Anordnung tref­ fenden Signalen entsprechen. Als Beispiel sei eine Hamamatsu C2334-35Q Schaltung erwähnt. Ein Pulswellengenerator 12 wird verwendet, um die Empfindlichkeit der Detektoranordnung einzustellen. Durch sie kann die Integrationszeit verändert werden, so daß eine Anpassung an verschiedene Materialien und Lichtquellen möglich ist.

Das Signal vom Multiplexer 13A wird an den Rechner 13 durch einen A/D (Analog/Digital)-Wandler 14 weitergeleitet. Dann kann der Farbwert der Probe aus dem CIE-Farbwert oder den CIE L*, a*, b* Kubikwurzel-Farbkoordinaten bestimmt werden.

Das Gitter ist ein hologra­ phisches Gitter, durch das man eine gute Dispersion erhält und Bilder des einzelnen Spaltes von verschiedenen Wellenlängen auf die Detektoranordnung 11 projizieren kann. Dadurch wird das mechanische Abtasten konventioneller Spektrometer ersetzt.

Die Chrominanz oder der Farbwert bzw. Farbton der Probe wird durch den spektralen Reflektionsgradfaktor β (λ) bestimmt, der definiert ist als

wobei Φ λ (w) der Lichtstrom ist, der unter einem Seitenwinkel zur Oberfläche der Probe empfangen wird, und wobei ϕ_o λ(w) der Lichtstrom ist, der unter einem Raumwinkel zur Oberfläche des Bezugsmaterials empfangen wird.

Wie man sofort einsehen wird, heben sich bei der Chrominanz oder dem Farbton von Gleichung 1 Unterschiede aufgrund von Unterschieden in Lichtquellen, optischen Lichtleitern und Linsen auf.

Das Colorimeter ist in erster Linie für Texti­ lien, Papier, Bausteine, Ziegelsteine und Bauklötze bestimmt. Der Farbton von flüssigen Proben wie Farben, Färbemitteln usw. kann ebenfalls gemessen werden, wenn entsprechende periphere Vorkehrungen getroffen werden und entsprechende Behälter verwendet werden.

Man erhält man einen genauen Farbwert durch Vergleich. Das Ergebnis ist nicht mehr durch eine Änderung in der Umgebung, instrumentale Fehler oder Bedienungsfehler beeinflußt. Eine Standardfarbtonkarte wird in das Gerät oder den Rechner eingegeben. Die Chrominanz einer Probe in dersel­ ben Umgebung wird dann eingegeben, um einen objektiven Farb­ wert durch Vergleich zu erhalten.

Es sollte schließlich noch erwähnt werden, daß optische Lichtleiter zum Leiten von Licht verwendet werden. Außerdem werden Linsen anstelle von reflektierenden Spiegeln verwendet. Hierdurch wird nicht nur eine genaue Analyse der Farbwerte ermöglicht. Vielmehr werden auch die Herstellungskosten sehr stark verringert.

Claims (2)

1. Optisches Colorimeter, das aufweist:
eine Lichtquelle,
eine hinter der Lichtquelle angeordnete erste Linse,
einen ersten optischen Lichtleiter, der unter 45° zur im Meßbereich vorgesehenen Probe oder Referenzsubstanz angeordnet ist und der Licht von der Lichtquelle empfängt,
einen zweiten optischen Lichtleiter, der senkrecht zur im Meßbereich vorgesehenen Probe oder Referenzsubstanz angeordnet ist und von der Oberfläche derselben gestreutes Licht empfängt,
dadurch gekennzeichnet, daß es weiter aufweist:
eine Abschirmung (4A), die so ausgebildet ist, daß sie äußeres Licht von der im Meßbereich (4) vorgesehenen Probe oder Referenzsubstanz abschirmt,
eine zweite Linse (6), die unmittelbar hinter dem zweiten Lichtleiter (5) angeordnet ist,
einen einzelnen Spalt (7), der zwischen der zweiten Linse (6) und einer dritten Linse (8) angeordnet ist, die Licht vom Spalt (7) zu einem optischen Gitter (9) weiterleitet, wobei das optische Gitter (9) ein holographisches Gitter ist und verwendet wird, um das aus verschiedenen Wellen­ längen bestehende Licht spektral zu zerlegen,
eine vierte Linse (10) hinter dem Gitter (9), die Bilder des Spaltes (7) in den verschiedenen Wellenlängen auf eine Detektoranordnung (11) fokussiert, wobei die Detektoran­ ordnung (11) aus einer Vielzahl von Elementen besteht und hinter der vierten Linse (10) angeordnet ist und die Bilder des Spaltes (7) in elektronische Signale umwandelt,
eine Treiberschaltung (13) zum Auswählen von Elementen der Detektoranordnung (11), wobei die Treiberschaltung (13) aus einem Multiplexer (13A) und einem Hochgeschwindig­ keitsintergrator (13B) besteht, und
einen Analog/Digitalwandler (14), durch den die Treiber­ schaltung (13) mit einem Rechner (15) verbunden ist,
wobei die Anordnung so getroffen ist, daß bei Testbetrieb die Chrominanz einer Referenzsubstanz ausschließlich im genannten Lichtweg meßbar ist und der so erhaltene Farb­ wert als Bezugsstandard verwendbar ist, der im Rechner (15) für Vergleich mit Farbwerten von Proben speicherbar ist, die in einem anschließenden Schritt ausschließlich im genannten Lichtweg gemessen werden.

2. Colorimeter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Detektoranordnung (11) ein PN-Übergangs-Photodetektor mit einem Verstärker verwendet ist, und daß eine Einrich­ tung (12) zum Abgeben einer Pulswelle zum Einstellen der Empfindlichkeit der Detektoranordnung (11) und zum Verän­ dern der Integrationszeit vorgesehen ist.