DE4013422C2 - Beleuchtungseinrichtung für ein Dreibereichs-Farbmeßgerät - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Beleuchtungseinrichtung für ein Dreibereichs-Farbmeßgerät mit einer elektrischen Lampe und einer das Lampenlicht auf einen Meßfleck projizierenden Optik.

Als Lichtquelle in optischen Remissionsmeßgeräten werden häufig Halogenglühlampen eingesetzt, da sie neben einer technisch einfachen und kostengünstigen elektrischen Ansteue­ rung noch den Vorteil haben, daß von der Lampenwendel Strah­ lung emittiert wird, die den gesamten, vom menschlichen Auge wahrnehmbaren Spektralbereich ausfüllt.

Beim Einsatz von Halogenglühlampen in Dreibereichs-Farbmeß­ geräten muß die Farbtemperatur der Lampenwendel auf einem konstanten Wert gehalten werden, um reproduzierbare farb­ metrische Werte erzielen zu können. Dies ist deshalb notwen­ dig, weil sich die farbmetrischen Werte immer auf eine be­ stimmte Lichtart (z. B. D65 oder C) beziehen, und eine Ver­ änderung der Farbtemperatur der Lampenwendel rechnerisch nicht korrigiert werden kann (siehe DIN 5033/Teil 6/Punkt 5, Beleuchtung der Probe).

Aus der WO 87/02765 A1 ist eine gesteuerte Lichtquelle bekannt, bei welcher das über einen Lichtleiter und einen Strahlteiler aufgeteilte Licht mittels entsprechender Filter in einem roten und einem blauen Kanal separiert wird. Dem roten und dem blauen Kanal ist jeweils ein Detektor zugeordnet, so dass aus einem Vergleich der Intensitäten auf die Farbtemperatur geschlossen und ein entsprechendes Signal generiert werden kann. Dieses der Farbtemperatur entsprechende Signal wird zur Steuerung (Regelung) der Lichtquelle verwendet.

Der im Anspruch 1 angegebenen Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Farbtemperatur der Lampe mit einfachen Mitteln konstant zu halten.

Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.

Die Erfindung macht von dem Umstand Gebrauch, daß sich mit der Farbtemperatur eines Strahlers die spektrale Verteilung der abgestrahlten Energie ändert, wobei sich das Verhältnis der Energieinhalte schmaler Spektralbereiche ändert. Durch Messung der Energien in unterschiedlichen Spektralbereichen und Bildung des Verhältnisses kann man daher durch Vergleich mit einem Verhältnis-Sollwert feststellen, ob sich die Farb­ temperatur des Strahlers ändert, und dann mit Hilfe einer geeigneten Regelschaltung die Energiezufuhr zum Strahler so regeln, daß das Energieverhältnis wieder auf den Sollwert kommt, der einer gewünschten Farbtemperatur entspricht.

Die Strahlung, die von der Halogenlampenwendel abgestrahlt wird, richtet sich weitgehend nach dem Planck'schen Strah­ lungsgesetz. Ein gewisser Fehler tritt auf, da das Planck'sche Strahlungsgesetz nur für einen in der Physik bekannten "Schwarzen Körper" definiert ist. Da beim Lampenbetrieb je­ doch auch Gestell- und Kolbenteile Energie der Lampenwendel aufnehmen, spricht man hier von einer "ähnlichsten Farb­ temperatur". Diesen sekundären Effekt kann man jedoch im vorliegenden Anwendungsfall außer acht lassen.

Gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung enthält eine Einrichtung zum Konstanthalten der Farbtempera­ tur einer Halogenglühlampe zwei optische Referenzkanäle mit lichtempfindlichen Sensoren, z. B. Si-Photodioden. Auf beide Dioden muß das gesamte Licht der Lampenwendel, das in einem bestimmten Raumwinkel abgestrahlt wird, treffen. Dies er­ reicht man zweckmäßigerweise dadurch, daß man optisch einen bestimmten Teil der Strahlung auskoppelt und über einen Strahlenteiler das Licht für die beiden Referenzdioden auf­ teilt. In beiden Kanälen sind optische Filter für schmale Spektralbänder am oberen und unteren Ende des sichtbaren Spektralbereiches, also beispielsweise bei 430 und bei 620 nm angeordnet. Ihre Halbwertsbreite soll nicht mehr als ca. 10 bis 20 nm betragen. Zweckmäßigerweise verwendet man daher Interferenzfilter.

Nach dem Planck'schen Strahlungsgesetz kann die abgestrahlte Leistung für einen bestimmten Wellenlängenbereich von λ bis d λ bestimmt werden. Dieser Wellenlängenbereich wird bei­ spielsweise durch eingesetzte Interferenzfilter nachgebildet. Die abgestrahlte Leistung ist dann neben einigen physikali­ schen Konstanten nur noch abhängig von der Fläche und der Temperatur des Strahlers. Die Fläche des Strahlers, hier die Oberfläche der Lampenwendel, verändert sich bei kleinen Änderungen der Energiezufuhr nur sehr geringfügig, so daß diese Fläche hier ebenfalls als konstant angenommen werden kann.

Betreibt man die Halogenglühlampe bei ihrem vorgesehenen Betriebspunkt, so wird man in beiden Referenzkanälen eine bestimmte Lichtmenge bzw. nach der elektrischen Umwandlung in den Photodioden eine bestimmte Spannung oder einen be­ stimmten Strom messen und kann aus diesen beiden Werten den Quotienten bilden.

Im Laufe ihrer Lebensdauer verändert die Lampe ihre Eigen­ schaften und damit ihr Emissionsspektrum, also die Farbtem­ peratur. Bezieht man die Stromversorgung der Lampe aber in einen Regelkreis ein, bei dem der oben beschriebene Quotient der Referenzkanalwerte konstant gehalten wird, so erreicht man dadurch, daß auch die Farbtemperatur der Lampenwendel auf einem konstanten Wert gehalten wird. Die durch den Regel­ kreis vorgenommene Änderung von Lampenspannung und -strom bewirkt eine Änderung der Speiseleistung für die Lampe und damit eine Veränderung des abgestrahlten Energiespektrums und somit der Farbtemperatur.

Eine hinreichend genaue Quotientenbildung der beiden Referenz­ kanalwerte erfordert bei Durchführung in Analogtechnik einen relativ großen Aufwand. Daher benutzt die Erfindung zwei andere Alternativen:

Die beiden Referenzkanalwerte können am Verstärkerausgang mittels eines A/D-Wandlers in digitale Signale umgewandelt und in ein Rechnersystem eingelesen werden. Dort erfolgt die numerische Division und anschließend wird über einen Regel­ algorithmus die Lampenspannung über einen D/A-Wandler korri­ giert.

Eine andere Möglichkeit, die Division auszuführen, besteht darin, daß man die elektrische Verstärkung in einem der bei­ den Referenzkanäle so einstellt, daß der Quotient der beiden Werte im Falle der Soll-Farbtemperatur gleich eins wird, also beide Referenzkanalwerte denselben Betrag aufweisen und eine Subtraktion beider Werte Null ergibt. Diese Subtraktion kann in einem elektrischen Komparator mit der erforderlichen Ge­ nauigkeit erfolgen.

Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung sei im folgenden anhand der beiliegenden Zeichnung näher erläutert.

In der Figur erkennt man eine Halogenlampe 1 mit Anschluß­ stiften 2, 3 zur Zuführung elektrischer Energie über Leitun­ gen 4, 5 aus einem regelbaren Stromversorgungsteil, der in einer insgesamt mit 6 bezeichneten Regelschaltung enthalten ist und seinerseits an eine mit U_Lp bezeichnete Spannungs­ quelle angeschlossen ist. Die von der Halogenlampe 1 aus­ gehenden Lichtstrahlen werden über eine Meßkanaloptik 7 auf einen nicht dargestellten Meßfleck gerichtet.

Oberhalb der Halogenlampe 1 erkennt man ein insgesamt mit 10 bezeichnetes optisches System mit einer Sammellinse 11, welche die von der Halogenlampe kommenden Lichtstrahlen parallel auf einen halbdurchlässigen Spiegel 12 wirft, der wiederum die parallelen Lichtstrahlen in zwei getrennte Strahlenbündel 13 und 14 aufteilt. Das Strahlenbündel 13 durchläuft ein schmalbandiges Spektralfilter 15, welches einen schmalen Spektralbereich, beispielsweise bei 430 nm ausfiltert. Das Strahlenbündel 14 durchläuft ein schmalbandi­ ges Spektralfilter 16, welches ebenfalls einen schmalbandigen Spektralbereich, beispielsweise im Bereich 620 nm, ausfiltert. Je eine weitere Sammellinse 17 bzw. 18 projiziert die ausge­ filterten Strahlen auf je eine Photodiode 19 bzw. 20, deren Ausgangssignale je einem Verstärker 21 bzw. 22 zugeführt werden. Die Ausgangssignale dieser Verstärker werden auf einen Quotientenbildner 23 gegeben, der das Verhältnis der Verstärkerausgangssignale bildet, welches gleich dem Verhält­ nis der Beleuchtungsstärken der Photodioden 19 und 20 und damit der Energieinhalte der entsprechenden Spektralbereiche ist. Das Ausgangssignal des Quotientenbildners 23 wird der den Stromversorgungsteil enthaltenden Regelschaltung 6 zuge­ führt und mit einem Sollwert verglichen, den der Quotient bei der gewünschten Farbtemperatur der Halogenlampe 1 haben soll. Bei Abweichungen wird die Speiseenergie für die Halogen­ lampe 1 so weit verändert, bis der Quotient mit dem Sollwert übereinstimmt, also die gewünschte Farbtemperatur stimmt.

Claims (9)

1. Beleuchtungseinrichtung für ein Dreikanal-Farbmeßgerät mit einer elektrischen Lampe und einer das Lampenlicht auf einen Meßfleck projizierenden Optik, gekennzeichnet durch
eine Auskoppelvorrichtung (10) zur Auskoppelung von zwei schmalen auseinanderliegenden Spektralbereichen aus dem Strahlengang,
eine Meßvorrichtung (19-22) zur Ermittlung der Energieinhalte in beiden ausgekoppelten Spektralbereichen,
einen Quotientenbildner (23) zur Bestimmung des Energiever­ hältnisses der beiden Spektralbereiche,
und eine Vergleichsschaltung (in 6), welche den das Energie­ verhältnis ausdrückenden Quotienten mit einem Sollwert ver­ gleicht und bei Abweichungen ein Regelsignal für die Speise­ leistung der Lampe (1) zu deren Regelung auf konstante Farb­ temperatur liefert.

2. Beleuchtungseinrichtung nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die beiden Spektralbereiche am oberen und unteren Ende des sichtbaren Spektrums liegen.

3. Beleuchtungseinrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Spektralbereiche bei 430 nm und 620 nm liegen.

4. Beleuchtungseinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Halbwertsbreite der Spektralbereiche etwa 10 bis 20 nm beträgt.

5. Beleuchtungseinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Auskoppelvorrichtung einen Auskop­ pelspiegel mit Strahlenteiler (12) und in den Teilstrahlen angeordnete schmalbandige Spektralfilter (15, 16) aufweist.

6. Beleuchtungseinrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Spektralfilter (15, 16) Interferenz­ filter sind.

7. Beleuchtungseinrichtung nach Anspruch 1 oder 5, gekennzeichnet durch die Strahlungsenergie in den beiden Spektralbereichen in elektrische Signale umformende Meß­ wandler (19, 20), vorzugsweise in Form von Photodioden.

8. Beleuchtungseinrichtung nach Anspruch 7, gekenn­ zeichnet durch den Meßwandlern (19, 20) nachgeschaltete Analog/Digital-Wandler, deren Ausgangssignale einer geeigne­ ten Digitalschaltung zur Quotientenbildung zugeführt werden.

9. Beleuchtungseinrichtung nach Anspruch 7, gekenn­ zeichnet durch den Meßwandlern (19, 20) nachgeschaltete Ver­ stärker (21, 22) mit derart einstellbarer Verstärkung, daß bei der gewünschten Farbtemperatur die Ausgangssignale beider Verstärker gleich groß sind, und durch eine den Verstärker nachgeschaltete Subtrahierschaltung für deren Ausgangssignale.