DE4120749A1 - Verfahren zur punktualen ermittlung der spektralen remissionsfunktion mittels eines optoelektronischen farbmesskopfes - Google Patents

Verfahren zur punktualen ermittlung der spektralen remissionsfunktion mittels eines optoelektronischen farbmesskopfes

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Description

Die Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der Spektralphotometrie und kann zur Kontrolle/Überwachung von verfahrenstechnischen Prozessen, in denen spektrale Veränderungen oder zeitliche Konstanz von Materialien im sichtbaren und nahen infraroten Bereich von Bedeutung sind, sowohl in großtechnischen Anlagen als auch in der Forschung zur schnellen, genauen und billigen Farbmessung eingesetzt werden.
Es ist bekannt, daß Anordnungen mit zumindest drei jeweils Licht eines vorgegebenen schmalbandigen Wellenlängenbereiches emittierenden optoelektronischen Lichtsendern und einem elektronischen Lichtempfänger unter Verwendung verschiedener Meßgeometrien dazu geeignet sind, Meßwerte von Proben zu erhalten, welche bezogen auf die Referenzwerte eines Weißstandards durchaus dazu verwendet werden können, Farben zu charakterisieren bzw. zu unterscheiden (Patentschrift GB G01N 21/27 2 16 542), (Patentschrift G01J 3/50 99 439), (Patentschrift EP-A-01 09 686), (Patentschrift EP-A-03 19 769). Die Verarbeitung der durch die angeführten Meßanordnungen erhaltenen Meßwerte ist je nach Anwendungsfall sehr unterschiedlich. Sie reicht von der Ja-Nein-Aussage mittels Schwellwertindikator über das Vorhandensein der durch die einzelnen Lichtsender festgelegten Farbkomponenten (Patentschrift EP-A-01 09 686), über die qualitative Auswertung der Intensität der pro LED verschiedener Peakwellenlänge empfangenen Meßwerte (Patentschrift GB G01N 21/27 2 16 542), (Patentschrift EP-A-03 19 769) bis zur Bereitstellung der für Registration und Regelung des technologischen Prozesses erforderlichen Ausgangssignale (Patentschrift G01J 3/50 99 439). Mit Hilfe der aufgeführten Meßanordnungen können Farben mit unterschiedlicher Genauigkeit unterscheiden (nach vorangegangener TEACH-IN-Phase bzw. bei bekanntem Remissionsspektrum der Farbprobe), jedoch nicht gemessen werden.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zu entwickeln, daß durch den Einsatz von optoelektronischen Bauelementen zur Farbmessung den Aufbau eines zuverlässigen, universell einsetzbaren, leicht zu handhabenden, mobilen Farbmeßgerätes erlaubt, welches kleine Meßausschnitte realisiert, den Einfluß des Glanzes der Probe (13) ausschließt, unabhängig von Umgebungslicht und bis zum gewissen Grade staub- und wasserunempfindlich ist.
Erfindungsgemäß wird entsprechend Fig. 1 die zu untersuchende Probe (13) nacheinander durch verschiedene, in eng begrenzten Bereichen emittierende optoelektronische Strahlungsquellen (D1 . . . Dn) beleuchtet, wobei die optoelektronischen Strahlungsquellen (D1 . . . Dn) so angeordnet sind, daß ihre Strahlungsrichtungen den gleichen Winkel mit der Normalen der beleuchteten Fläche der Probe (13) bilden.Von der Probe (13) remittierte Strahlung gelangt synchron zur Ansteuerung der optoelektronischen Strahlungsquellen (D1 . . . Dn) in den optoelektronischen Strahlungsempfänger (11) und wird in ein Stromsignal gewandelt, woraus man, bezogen auf den Weißstandard entsprechend der bekannten Formel:
pro optoelektronischer Strahlungsquelle (D1 . . . Dn) einen Punkt des Remissionsspektrums erhält.
Dabei ist β der Remissionsgrad
Ip die Strahlstärke der Probe (13),
In die Strahlstärke des Normalweiß,
Φp der auf die Probe (13) fallende Strahlungsfluß,
Φn der auf das Normalweiß fallende Strahlungsfluß,
 die spektrale Strahldichteverteilung des optoelektronischen Strahlungssenders (D1 . . . Dn),
βp der spektrale Remissionsgrad der Probe (13),
βn der spektrale Remissionsgrad von Normalweiß,
ε(λ) Spektralempfindlichkeit des optoelektronischen Empfängers (11).
Als optoelektronische Strahlungsquellen (D1 . . . Dn) werden dabei LED, LD bzw. in geeigneter Weise dotierte Halbleiterkristalle/ Halbleiteranordnungen verwendet.
Aus den n spektralen Remissionsgraden erhält man durch Interpolation das Remissionsspektrum, welches z. B. zur Berechnung der CIE- Farbmaßzahlen bzw. anderer interessierender Größen verwendet werden kann.
Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin, daß eine Farbmessung ohne Verwendung von Halogen- oder Blitzlampen als Strahlungssender bzw. Filter, Gitter oder Prismen zur spektralen Zerlegung des Lichtes bzw. Diodenzeilen als Strahlungsempfänger, nur unter Verwendung von optoelektronischen Bauelementen möglich ist. Dies gestattet den Aufbau eines sehr kleinen, robusten und billigen Farbmeßgerätes.
Ein Ausführungsbeispiel der Ergebnisse ist in den Zeichnungen dargestellt und wird im folgenden näher beschrieben.
Es zeigt
Fig. 1 die mögliche gerätetechnische Realisierung des erfindungsgemäßen Verfahrens (in der Abbildung ist der optoelektronische Farbmeßkopf mit der Meßgeometrie 45°/0° und 12 optoelektronischen Strahlungssendern (D1 . . . Dn) realisiert),
Fig. 2 Blockschaltbild zur sequentiellen Ansteuerung der optoelektronischen Strahlungssender (D1 . . . Dn) und Weiterverarbeitung der gewonnenen Meßwerte des optoelektronischen Strahlungsempfängers (11).
Der Impulsgenerator (1) erzeugt Impulse definierter Impulsbreite, welche dem Impulsteiler (2) und den LED-Treibern (3) zur Verfügung gestellt werden, wobei die LED-Treiber (3) für die Zeitdauer des Impulses über die jeweilige Konstantstromquelle (S1 . . . Sn) einen definierten, konstanten Impulsstrom für den jeweiligen am Ausgang angeschlossenen optoelektronischen Strahlungssender (D1 . . . Dn) erzeugen. Impulsteiler (2) teilt die Impulsfrequenz in einem definierten Verhältnis, welches von dem Steuerlogikcontroller (9) übernommen und vom Rechner initialisiert wird. Das Ausgangssignal des Impulsteilers steuert in der LED- Steuerung (4a) 1 . . .n Schalter, die nach einem Ringzählerprinzip konfiguriert sind, so daß eine sequentielle Ansteuerung der optoelektronischen Strahlungssender (D1 . . . Dn) für eine bestimmte Anzahl von Impulsen, die vom Teilerverhältnis des Impulsteilers (2) bestimmt werden, erfolgt. LED-Logikcodierer (4b) nimmt Einfluß auf die sequentielle Ablaufsteuerung in der LED-Steuerung (4a) derart, daß der Zählbereich des Ringzählers so verkürzt wird, daß die Anzahl der Zählstufen mit der Anzahl der angeschlossenen optoelektronischen Strahlungssender (D1 . . . Dn) übereinstimmt und somit eine kontinuierliche sequentielle Ansteuerung erreicht wird. Des weiteren ist es nach dem obengenannten Prinzip mittels des Logikcodierers (4b) möglich, aus n angeschlossenen optoelektronischen Strahlungssendern (D1 . . . Dn) eine beliebige Anzahl i von optoelektronischen Strahlungssendern (D1 . . . Dn) auszuwählen und nur diese in den Meßvorgang einzubeziehen. Die dazu nötigen Steuersignale werden analog zur Teilerverhältnissteuerung über den Steuerlogikcontroller und der Schnittstelle zum PC bereitgestellt. Gleiches gilt für die Synchronisierung des Impulsgenerators, wobei hier der Synchronimpuls über eine Zeitgebereinheit im Steuerlogikcontroller (9) bereitgestellt wird, die gleichzeitig Einfluß nimmt auf die S & H-Schaltung (7) und ADU (8) und somit einen Synchronlauf von Sende- und Empfangseinheit gewährleistet. Die von den 1 . . . n optoelektronischen Strahlungssendern (D1 . . . Dn) abgegebenen Impulsfolgen, welche durch die Probe (13) remittiert werden, werden durch den optoelektronischen Strahlungsempfänger (11) in elektrische Größen umgesetzt, die im Verstärker (5) und Filter (6) vorverarbeitet, von Störsignalen getrennt und aufgrund der kurzen Impulsdauer und einer längeren Umsetzzeit der ADU (8) in der S & H-Schaltung zwischengespeichert werden. Über die Schnittstelle zum PC (10) werden die in der ADU (8) gewandelten Meßwerte dem PC zur weiteren rechentechnischen Auswertung, welche spezielle Software realisiert wird, für den Anwender zur Verfügung gestellt.
Aufstellung der verwendeten Bezugszeichen
1 Taktgenerator
2 Impulsteiler
3 LED-Treiber
4a LED-Steuerung
4b LED-Logikcodierer
5 Verstärker
6 Filter
7 S & H-Schaltung
8 ADU
9 Steuerlogikcontroller
10 Schnittstelle zum PC
11 optoelektronischer Strahlungsempfänger
12 Vorrichtung zur Aufnahme der optoelektronischen Strahlungssender und -empfänger
13 Probe
14 stark absorbierende schwarze Schicht
D1 . . . Dn optoelektronische Strahlungssender
S1 . . . Sn Konstantstromquellen

Claims (6)

1. Verfahren zur punktualen Ermittlung der spektralen Remissionsfunktion mittels eines optoelektronischen Farbmeßkopfes, dadurch gekennzeichnet, daß
  • 1. n optoelektronische Strahlungssender (D1 . . . Dn) unterschiedlicher, spektraler Bandbreite die Probe (13) bestrahlen,
  • 2. der von der Probe (13) remittierte Strahlungsfluß Φ(λ) mit Hilfe eines optoelektronischen Empfängers (11) gemessen wird,
  • 3. die optoelektronischen Strahlungssender (D1 . . . Dn) sequentiell nacheinander von Konstantstromquellen (S1 . . . Sn) gespeist werden, wobei
  • 4. der die optoelektronischen Strahlungssender (D1 . . . Dn) speisende Strom im Ampere-Bereich liegt,
    • 4.1. vorzugsweise der Impulsstrom 0,01 . . . 10 A beträgt und die Impulsdauer im ns . . . µs-Bereich liegt,
  • 5. die n optoelektronischen Strahlungssender (D1 . . . Dn) so angeordnet sind, daß sich ihre Abstrahlkegel auf der zu messenden Probe (13) überlagern,
  • 6. ein direkter Strahlungsempfang von den optoelektronischen Strahlungssendern (D1 . . . Dn) durch den optoelektronischen Strahlungsempfänger (11) ausgeschlossen ist und kein Streulicht von der Probe (13) durch Reflexion an den Innenwänden auf den optoelektronischen Strahlungsempfänger (11) trifft,
  • 7. die Strahlungsrichtungen der einzelnen optoelektronischen Strahlungssender (D1 . . . Dn) im gleichen Winkel zur Normalen der beleuchteten Probe (13) stehen,
  • 8. die Ansteuerung von optoelektronischen Strahlungssendern (D1 . . . Dn) und -empfänger (11) synchronisiert abläuft,
  • 9. entsprechend der geforderten Genauigkeit immer mehrere Meßwerte einer optoelektronischen Strahlungsquelle (D1 . . . Dn) gemittelt werden,
  • 10. entsprechend der geforderten Genauigkeit in bestimmten zeitlichen Abständen Referenzwerte mittels eines Weißstandards aufgenommen und für die Berechnung zur Verfügung gestellt werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß zur Erhöhung der Strahlstärke und zur besseren Probenausleuchtung die gegenüberliegenden optoelektronischen Strahlungssender (D1 . . . Dn) synchron angesteuert werden.
3. Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß verschiedene Meßgeometrien realisiert werden können.
4. Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß die optoelektronischen Strahlungssender (D1 . . . Dn) verschiedener Peakwellenlänge nacheinander impulsförmig angesteuert werden und (Patentschrift EP-A-03 19 769) das vom optoelektronischen Strahlungsempfänger (11) synchron aufgenommene Signal durch Filterung von Stör- und Gleichanteilen befreit wird.
5. Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß die Wahl der optoelektronischen Strahlungssender (D1 . . . Dn) verschiedener Emissionsspektren entsprechend dem Verlauf der Remissionsfunktion der Probe (13) bzw. der erforderlichen Genauigkeit erfolgt.
6. Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß der zeitliche Abstand zwischen den Referenzwertmessungen mittels Weißstandard eine Woche bis mehrere Monate beträgt.
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