DE60014944T2

DE60014944T2 - Vorrichtung zur bestimmung der räumlichen verteilung der spektralen emission eines objekts

Info

Publication number: DE60014944T2
Application number: DE60014944T
Authority: DE
Inventors: Thierry Leroux
Original assignee: Eldim
Current assignee: Eldim
Priority date: 1999-10-26
Filing date: 2000-10-25
Publication date: 2005-07-28
Anticipated expiration: 2020-10-26
Also published as: JP2003516522A; EP1224444A1; JP5047435B2; FR2800163A1; FR2800163B1; WO2001031303A1; KR20020044574A; TW463036B; DE60014944D1; EP1224444B1; KR100849921B1; US6804001B1

Description

GEBIET DER TECHNIK
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Messvorrichtung der räumlichen Verteilung der Spektralemission eines Objekts.
Sie bezieht sich insbesondere auf Objekte wie beispielsweise Bildschirme, Kathodenröhren, Beleuchtungsvorrichtungen, Flachbildschirme wie z.B. Flüssigkristallbildschirme, Plasmabildschirme, elektrolumineszente Bildschirme und Bildschirme mit Mikrospitzen ("microtip screens") sowie auf reflektierende Oberflächen.
STAND DER TECHNIK
Es sind bereits mehrere Messtechniken colorimetrischer Eigenschaften der Emission oder Reflexion von Licht durch verschiedene Objekte (beispielsweise die oben aufgezählten) in Abhängigkeit von dem Beobachtungswinkel bekannt.
In dieser Hinsicht wird auf die folgenden Dokumente Bezug genommen:

[1] EP 0 286 529 A
[2] FR 2 729 220 A
[3] FR 2 749 388 A.

Insbesondere ist eine elektromechanische Technik bekannt, die darin besteht, eine Messeinrichtung wie z.B. ein Photometer um ein zu messendes Objekt herum zu verschieben. In dieser Hinsicht wird beispielsweise auf das Dokument [1] und insbesondere auf die 2a, 2b und 3 dieses Dokuments [1] Bezug genommen.
Diese bekannte Technik weist zahlreiche Nachteile auf. Genauer gesagt erfolgt die Messung durch Probenahme. Nur die gewählten Positionen werden gemessen, und es ist keine Information über die Luminanz an diesen Zwischenpositionen oder Zwischenwinkeln bekannt. Es besteht keine Sicherheit hinsichtlich des Luminanzwerts außer demjenigen der gemessenen Punkte.
Außerdem erfolgen die Messungen einer Zeitdauer T₀ in Serie der Reihe nach. Wenn eine große Anzahl N von Punkten zu messen sind, um über ein Maximum an Informationen zu verfügen, braucht die vollständige Messung des Objekts eine Zeit N × T₀.
Es ist auch eine andere Messtechnik bekannt, welche eine Fourier-Optik in Zusammenhang mit einem Maxtrix-Meßfühler vom CCD-Typ oder einem anderen Typ verwendet. In dieser Hinsicht wird beispielsweise auf das Dokument [3] und insbesondere auf die 1 dieses Dokuments [3] Bezug genommen.
Diese andere bekannte Technik besteht darin, in einem Durchgang die räumliche Verteilung des von einem zu messenden Objekt emittierten oder reflektierten Lichts an diesem Matrix-Meßfühler zu erhalten. Die verschiedenen Punkte des Bildes entsprechen den erhaltenen Messungen für die Emissionseigenschaften unter verschiedenen Winkeln des zu messenden Objekts.
Die Hauptvorteile dieser anderen bekannten Technik sind die folgenden:
Die Geschwindigkeit der Messung wird gesteigert. Tatsächlich hängt die Messung einer Dauer T₁ nicht oder nur sehr wenig von der Anzahl von gemessenen Punkten ab.
Alle Informationen sind verfügbar.
Es besteht kein Risiko, dass ein Detail der Winkelverteilung der Luminanz der Messung entgeht. Eine Integration (Summierung) der Gesamtheit der erhaltenen Werte ergibt mit Sicherheit einen Wert des von dem Objekt emittierten Lichtflusses.
Bei der Verwendung dieser anderen bekannten Technik ist jedoch ein schwerwiegender Nachteil aufgetaucht. Die Messung des Lichtflusses erfolgt nämlich (es wird auf die Dokumente [1] und [2] Bezug genommen), ohne die Verteilung der Wellenlänge des gesammelten bzw. erfassten Lichtes zu berücksichtigen. Dies kann restriktiv sein,

– wenn die spektralen Abweichungen in Abhängigkeit vom Beobachtungswinkel erhalten werden sollen,
– bei der Colorimetrie, bei der es manchmal komplex und immer ungenau ist, die colorimetrischen Koordinaten zu berechnen, ohne die Spektralverteilung des Lichts zu kennen, und
– bei der Reflektometrie, bei der die Kenntnis des Spektrums der zur Beleuchtung eines Objekts verwendeten Lichtquelle unerlässlich ist, um die Kapazität des Objekts zu ermitteln, diese oder jene Wellenlänge zu reflektieren.

ABRISS DER ERFINDUNG
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, diese Nachteile zu beseitigen.
Gegenstand der Erfindung ist eine Vorrichtung, welche die Vorteile der im Dokument [3] beschriebenen Technik, Vorteile, die vorstehend beschrieben wurden, mit den Vorteilen einer Spektralmessung kombiniert.
Man könnte sicherlich vorsehen (wie es die Dokumente [2] und [3] tun), in die Bahn des Lichtsignals eine Reihe selektiver Filter zu plazieren, die es ermöglichen, einen Bereich von Wellenlängen auszuwählen.
Da jedoch der Bereich des sichtbaren Spektrums 340 nm beträgt, (da dieses sichtbare Spektrum von 380 nm bis 720 nm reicht), und die zur photometrischen Messung notwendige Auflösung von der Größenordnung von 4 nm ist, wären 85 aufeinanderfolgende Filter (und 85 aufeinanderfolgende Messungen) notwendig. Eine solche Technik würde also zu sehr langen Messzeiten führen.
Außerdem ist die Anordnung von 85 Filtern in der Bahn des Lichtsignals nicht einfach, und die Kosten dieser 85 Filter ist nicht vernachlässigbar, da die Herstellung von Filtern eines Passierbandes von 4 nm besonders schwierig ist.
Trotzdem könnte daran gedacht werden, eine beschränkte Anzahl von Filtern einzusetzen, wobei jedes Filter ein Passierband von 10 nm aufweist. Hierbei würde man jedoch nur über 34 Filter verfügen, und die Präzision der Messvorrichtung würde dadurch beeinträchtigt.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung kombiniert die oben angegebenen Vorteile, ohne die bezüglich dieser Verwendung einer Reihe selektiver Filter dargelegten Nachteile aufzuweisen.
Genauer gesagt ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine Vorrichtung zum Messen der räumlichen Verteilung einer Spektralemission einer Messzone eines Gegenstands, wobei diese Vorrichtung dadurch gekennzeichnet ist, dass sie umfasst:

– ein erstes Objektiv, das dazu vorgesehen ist, in der Fourier-Ebene dieses ersten Objektis von erstes Bild zu erzeugen, das die erste optische Fourier-Transformierte der Messzone darstellt,
– eine erste Membran,
– ein zweites Objektiv, das zwischen dem ersten Objektiv und der ersten Membran angeordnet ist und mit diesem ersten Objektiv zusammenwirkt, damit die Öffnung der ersten Membran optisch in Übereinstimmung mit der Messzone durch die ersten und zweiten Objektive gebracht wird, und dass die Messzone, wenn sie über die erste Membran beobachtet wird, eine von der Beobachtungsrichtung fast unabhängige Scheinoberfläche aufweist, wobei das erste und zweite Objektiv eine gemeinsame optische Achse haben, welche die optische Achse der Vorrichtung bildet,
– ein nach der ersten Membran angeordnetes Übertragungsobjektiv zur Übertragung des ersten Bildes zu einem zweidimensionalen Bilderfassungselement,
– das zweidimensionale Bilderfassungselement,
– Behandlungsmittel von durch das Bilderfassungselement gelieferten Signale, gekennzeichnet durch
– Mittel zur Auswahl eines geradlinigen Abschnitts des ersten Bildes gemäß einer Auswahlrichtung,
– Mittel zur Streuung von Licht, die vorgesehen sind, um das dem ausgewählten Abschnitt des ersten Bildes entsprechende Licht zu zerstreuen,
– wobei das zweidimensionale Bilderfassungselement das so verteilte Licht empfangen kann und für dieses verteilte Licht repräsentative Signale liefern kann, und
– Mittel zur Behandlung dieser Signale, die in der Lage sind, die Spektralantwort der Messzone für jeden Punkt des geradlinigen Abschnitts des ersten Bildes zu bestimmen.

Vorzugsweise sind ferner die Streu- bzw. Verteilungsmittel in der Lage, das Licht in einer zur Auswahlrichtung senkrechten Verteilungsrichtung zu verteilen.
Gemäß einer speziellen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung umfassen die Auswahlmittel einen geradlinigen Spalt, der durch ein Material gebildet ist, das gegenüber dem vom Gegenstand kommenden Licht undurchlässig ist.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung geht die Auswahlrichtung durch die optische Achse der Vorrichtung hindurch.
In diesem Fall kann die erfindungsgemäße Vorrichtung außerdem Mittel zur Drehung des Gegenstandes um die optische Achse der Vorrichtung aufweisen. Dies ermöglicht eine Messung der Eigenschaften der Messzone für verschiedene Werte des Azimuts ϕ.
Als Variante kann die erfindungsgemäße Vorrichtung außerdem Mittel zur Verschiebung bzw. Versetzung der Auswahlmittel aufweisen, und zwar derart, dass die Auswahlrichtung das erste Bild abtastet, wobei die Auswahlmittel auf diese Weise aufeinanderfolgende geradlinige Abschnitte dieses ersten Bildes auswählen.
In diesem Fall umfassen gemäß einer speziellen Ausführungsform der Erfindung die Auswahlmittel einen geradlinigen Spalt, der quer durch ein Material ausgebildet ist, das gegenüber dem vom Gegenstand kommenden Licht undurchlässig ist und das die Auswahlrichtung festlegt, wobei die Verschiebemittel Mittel zur Drehung des Spaltes um die optische Achse sind und die Verteilungsmittel in der Lage sind, das Licht in einer Verteilungsrichtung zu verteilen, die senkrecht zur Auswahlrichtung und damit zum Spalt gehalten wird.
In diesem Fall umfassen gemäß einer weiteren speziellen Ausführungsform die Auswahlmittel ferner einen geradlinigen Spalt, der quer durch ein Material gebildet ist, das gegenüber dem vom Gegenstand kommenden Licht undurchlässig ist und das die Auswahlrichtung festlegt, wobei dieser Spalt durch die optische Achse der Vorrichtung hindurchgeht, und die Verschiebemittel Mittel zur Drehung des Spalts um diese optische Achse sind, und die Vorrichtung außerdem Gegendrehmittel umfasst, die zwischen dem Spalt und den Verteilungsmitteln angeordnet und dazu vorgesehen sind, die Ausrichtung des verteilten Lichts, das von dem Messfühler empfangen wird, konstant zu halten.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann außerdem eine Lichtquelle und halb-reflektierende Mittel umfassen, die dazu vorgesehen sind, das von dieser Lichtquelle emittierte Licht zu dem Gegenstand hin zu reflektieren, um eine die Messzone enthaltende Zone desselben zu beleuchten, und um das Licht, das aus dieser so beleuchteten Messzone hervortritt und das zur ersten Membran hin gerichtet ist, passieren zu lassen.
In diesem Fall sind gemäß einer ersten speziellen Ausführungsform die halb-reflektierenden Mittel zwischen dem zweiten Objektiv und der ersten Membran angeordnet, und die Vorrichtung umfasst ferner:

– eine zweite Membran, deren Öffnung die beleuchtete Zone begrenzt, wobei diese Öffnung der zweiten Membran optisch der Zone zugeordnet ist, die von der von dem ersten und zweiten Objektiv gebildeten Einheit beleuchtet wird, und
– ein drittes Objektiv, wobei die Lichtquelle in einer Ebene angeordnet ist, welche optisch der Fourier-Ebene des ersten Objektivs durch die von dem zweiten und dritten Objektiv gebildete Einheit zugeordnet ist.

In diesem Fall sind ferner gemäß einer zweiten speziellen Ausführungsform die halb-reflektierenden Mittel zwischen dem ersten Objektiv und dem zweiten Objektiv angeordnet, und die Vorrichtung umfasst ferner:

– dritte und vierte Objektive, sowie
– eine zweite Membran, deren Öffnung die beleuchtete Zone begrenzt, wobei diese Öffnung der zweiten Membran optisch der von der durch die ersten und vierten Objektive gebildeten Einheit beleuchteten Zone zugeordnet ist, wobei die Lichtquelle in einer Ebene angeordnet ist, die optisch der Fourier-Ebene des ersten Objektivs durch die von dem dritten und vierten Objektiv gebildete Einheit zugeordnet ist.

KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Die vorliegende Erfindung ist aus der Lektüre der Beschreibung von nachstehend aufgeführten Ausführungsbeispielen, die lediglich der Angabe dienen und keineswegs einschränkend sind, unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen besser verständlich, in denen zeigen:
1 eine schematische Ansicht einer Zone eines Objekts, das mit einer Vorrichtung gemäß der Erfindung entlang einer bestimmten Beobachtungsebene gemessen werden soll,
2A eine schematische Ansicht einer speziellen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung in dieser Beobachtungsebene,
2B eine schematische und teilweise Ansicht dieser speziellen Ausführungsform in einer Ebene, die senkrecht zu der Beobachtungsebene liegt und in der das Licht der Messzone gemäß der Erfindung verteilt wird,
2C eine schematische Darstellung der in der Ebene des Messfühlers der einen Teil der Vorrichtung der 2A und 2B bildet, gesammelten Informationen,
3 eine schematische Ansicht von Drehmitteln eines zu messenden Objekts in einer erfindungsgemäßen Vorrichtung,
4 eine schematische Darstellung eines Beispiels von Lichtstreu- bzw. Verteilungsmitteln, die in der Erfindung einsetzbar ist,
5 eine schematische Darstellung eines Beispiels von Gegendrehmitteln, das in der Erfindung anwendbar ist, und
6 und 7 schematische Teilansichten von zwei speziellen Ausführungsformen der Erfindung, die beide die Beleuchtung eines zu messenden Objekts gestatten.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG VON SPEZIELLEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
In 1 ist ein Objekt 2, beispielsweise ein eingeschalteter Anzeigebildschirm (oder ein Projektionsbildschirm, der von nicht dargestellten Mitteln beleuchtet ist) erkennbar.
Es soll die räumliche Verteilung der Spektralemission einer Zone 4 der Oberfläche des Objekts 2, als "Messzone" bezeichnet, gemessen werden.
Hierzu wird eine erfindungsgemäße Vorrichtung verwendet, von der nur die optische Achse Z in 1 dargestellt ist. Die Messzone 4 wird gegenüber dieser Vorrichtung derart angeordnet, dass die optische Achse Z der letzteren senkrecht zur Oberfläche des Objekts ist und durch das Zentrum 0 der Messzone 4 hindurchgeht. In 1 sind außerdem zwei weitere Achsen X und Y der Oberfläche des Objekts 2 zu erkennen, wie z.B. der Trieder bzw. Dreiflach OXYZ, d.h. ein direktes Trieder mit drei rechten Winkeln.
Um eine andere Zone des Objekts 2 zu messen, genügt es, dieses Objekt in bezug auf die Vorrichtung (oder umgekehrt) so zu verschieben, dass diese andere Zone der Vorrichtung zugewandt angeordnet wird.
Zn 1 ist auch eine Achse U der Ebene OXY zu erkennen. Diese Achse U legt mit der Achse Z eine Beobachtungsebene der Messzone 4 fest. Außerdem ist eine in dieser Beobachtungsebene eingeschlossene Beobachtungsachse D dargestellt.
Der Winkel zwischen der Achse X und der Achse U wird mit ϕ angegeben und als "Azimut" bezeichnet. Der Winkel zwischen der Achse Z und der Achse D (die eine Beobachtungsrichtung bilden) wird mit θ bezeichnet. Außerdem ist in 1 eine V-Achse der Oberfläche des Objekts zu erkennen, die senkrecht zur U-Achse ist.
Ein Beispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung, welche die Messung der Zone 4 der 1 ermöglicht, ist schematisch in 2A in der von der U-Achse und Z-Achse gebildeten Beobachtungsebene dargestellt, wobei die Z-Achse, wie bereits beschrieben wurde, die optische Achse dieser Vorrichtung ist. Diese Beobachtungsebene ist somit die gerade Schnittebene der einer Analyse unterzogenen Zone 4.
Die Vorrichtung der 2A umfasst eine Winkel-Ebenen-Umwandlungseinheit, die nacheinander ein erstes Konvergenzobjektiv 6, ein zweites Konvergenzobjektiv 8 oder Feldobjektiv ("field objective") sowie eine Membran 10 umfasst.
Im Hinblick auf eine solche Winkel-Ebenen-Umwandlungseinheit wird auf die Dokumente [1] bis [3] und insbesondere auf das Dokument [3] Bezug genommen.
Die Oberfläche des gerade analysierten Objekts 2 befindet sich vorzugsweise in der Objekt-Fokalebene des ersten Konvergenzobjektivs 6. Außerdem führt dieses Objektiv 6 in seiner Fourier-Ebene P1 die optische Fourier-Transformation der Messzone 4 aus. Diese Fourier-Transformation gestattet es, in ebener Form die Winkelverteilung des von dem Objekt 2 in der Messzone 4 emittierten Lichtflusses darzustellen. Dieses Bild der Winkelverteilung wird also in der Ebene P1 gebildet.
Das zweite Konvergenzobjektiv 8 wird in der Nähe der Fourier-Ebene P1 angeordnet und gestattet gemeinsam mit dem Objektiv 6 die Ausführung der optischen Konjugation zwischen der Messzone 4 und der Membran 10, oder genauer gesagt der Öffnung dieser Membran.
Die von den Objektiven 6 und 8 sowie der Membran 10 gebildete Winkel-Ebenen-Umwandlungseinheit ist so gestaltet, dass die erscheinende Oberfläche der Messzone 4, wenn sie über die Membran beobachtet wird, für jede Beobachtungsrichtung D (durch einen Winkel θ gekennzeichnet) einer beliebigen Beobachtungsebene einen annähernden konstanten Wert S₀ annimmt. Diese in Erscheinung tretende Oberfläche hat den Wert S₀, wenn sie entlang der optischen Achse Z beobachtet wird.
Die Projektion dieser in Erscheinung tretenden Oberfläche auf die Ebene XOY der Messzone 4 variiert also annähernd wie S₀/cosθ.
Die Membran 10, deren Größe und Form diejenige der Messzone entlang der optischen Achse Z bestimmt, ist vorteilhafterweise kreisförmig. Die Messzone ist so elliptischer Form, und wenn die Nebenachse dieser Zone mit D₀ bezeichnet wird, entspricht ihre Hauptachse hierbei annähernd D₀/cosθ. Diese Hauptachse ist in diesem Fall in der von der optischen Achse Z und der Messrichtung D gebildeten Ebene enthalten.
Wie bereits beschrieben, wird diese Membran optisch in der Zone 4 mittels der Objektive 6 und 8 konjugiert.
Bei der Herstellung der Vorrichtung der 2A wird die Vergrößerung (Verhältnis der Größe der Öffnung) der Membran 10 zur Größe der Messzone 4), die bei dieser Konjugation eingesetzt werden soll, gewählt.
Die Vorrichtung der 2A umfasst auch ein weiteres Objektiv 12 oder Relais-Objektiv ("relay objective"), das anschließend an die Membran 10 vorzugsweise in Nähe letzterer derart angeordnet wird, dass das Bild der Fourier-Transformierten, das sich in der ersten Ebene P1 befindet, in eine zweite Ebene P2 transportiert wird. Diese Übertragung kann von einer Maßstabsanpassung begleitet sein, so dass das Bild, das sich in der Ebene P1 befindet, auf eine mit einer Bildmesseinrichtung 14, welche die Vorrichtung der 2A umfasst, und mit dem Rest der optischen Mittel dieser Vorrichtung kompatible Größe reduziert wird.
Die Vorrichtung der 2A umfasst auch Auswahlmittel eines geraden Schnitts oder Abschnitts des Bildes, das in der Fourier-Ebene P1 vorhanden ist.
In dem betrachteten Beispiel ist dieser Schnitt oder Abschnitt vorteilhafterweise derart angeordnet, dass er durch die optische Achse Z der Vorrichtung hindurchgeht. Die Auswahlmittel führen in diesem Fall eine Auswahl mit konstantem Azimut durch (Winkel ϕ der 1).
Diese Auswahlmittel können beliebig in der Ebene P1 oder der Ebene P2 angeordnet werden.
In dem betrachteten Beispiel wird als Auswahlmittel ein in einem lichtundurchlässigen Material ausgebildeter geradliniger Spalt 16 verwendet. In diesem Beispiel befindet sich der Spalt 16 in der von den Achsen U und Z gebildeten Ebene und ist parallel zur U-Achse.
Die Vorrichtung der 2A umfasst auch Mittel 18 zur Lichtstreuung, die beispielsweise ein Brechungsnetz ("diffraction grating") umfassen, welche bei der Übertragung oder der Reflexion oder als Prisma eingesetzt werden. Diese Streu- bzw. Verteilungsmittel sind nach der Ebene P2 angeordnet. Außerdem sind diese Streu- bzw. Verteilungsmittel vorteilhafterweise derart angeordnet, dass die Streurichtung senkrecht zur Auswahlrichtung ist (Richtung des Spalts 16).
Die 2B ist eine schematische Teilansicht der 2A, in der diese Streumittel 18 dargestellt sind. Im Fall der 2B ist diese Vorrichtung in derjenigen Richtung oder genauer gesagt derjenigen Ebene dargestellt, die senkrecht zu dem geraden Analyseschnitt ist, d.h. senkrecht zu der Streuebene. In dem betrachteten Beispiel handelt es sich um die von den Achsen Z und V festgelegte Ebene.
Das so gestreute Licht gelangt zum Messfühler 14 und kann je nach der spektralen Zusammensetzung des von der in Betracht gezogenen Messzone 4 emittierten Lichts von einem roten Lichtstrahl 20 bis zu einem violetten Lichtstrahl 22 über einen grünen Lichtstrahl 24 gehen.
Die Bildsonde 14 ist eine zweidimensionale Sonde (beispielsweise mit einer Photodetektormatrix oder einer CCD- Vorrichtung) und gestattet die Analyse, für eine gegebene Position der Auswahlmittel, der Lichtintensität des Winkels θ in einer Richtung sowie andererseits der Lichtintensität in Abhängigkeit von der Wellenlänge in der hierzu senkrechten Richtung.
Vorteilhafterweise wird diese Sonde 14 derart angeordnet, dass ihre Achsen den beiden oben genannten Richtungen entsprechen.
Wenn diese Sonde eine Sonde vom CCD-Typ ist, kann die Richtung der Lichtstreuung, wenn sie senkrecht zu Säulen bzw. Spalten dieses Messfühlers vom CCD-Typ ausgerichtet ist, durch Verwendung einer Gruppierung der in den Pixeln enthaltenen Ladungen ("binning") ermöglichen, die Empfindlichkeit der Messvorrichtung in Abhängigkeit von der Wellenlänge zu modulieren.
Die Sonde bzw. der Messfühler 14 ist elektronischen Verarbeitungsmitteln 26 zugeordnet, die zur Verarbeitung der von der Sonde aufgenommenen Informationen vorgesehen sind, sowie dazu, jedem Punkt des gemessenen geraden Schnitts die spektrale Antwort der Messzone 4 zuzuordnen. Diese Inforrnation wird um die Eigenreaktion der Messvorrichtung durch eine angepasste Abgleichprozedur korrigiert.
Die so erhaltenen spektralen Informationen gestatten durch Gewichtung über geeignete Koeffizienten die Berechnung der colorimetrischen Koordinaten für jeden in Betracht kommenden Winkel θ.
Die elektronischen Verarbeitungsmittel 26 sind mit Mitteln zur Anzeige der Ergebnisse (nicht dargestellt) ausgestattet.
In der 2C sind die von der Sonde 14 aufgenommenen Lichtsignale symbolisiert. Diese Signale sind in der Ebene dieser Sonde symbolisiert. Die Punkte dieser Ebene werden mit Hilfe der beiden Achsen x und y markiert. Auf der y-Achse befinden sich die Daten in bezug auf die untersuchten Winkel θ, und auf der x-Achse befinden sich die Daten bezüglich der Wellenlängen.
Eine Analyse der mittels der Sonde 14 gesammelten Informationen ergibt also die Informationen gemäß den verschiedenen Auftreffwinkeln in einem geraden Schnitt für alle Wellenlängen des sichtbaren Spektrums, die sich in dem von der untersuchten Messzone emittierten Licht befinden. Die Vorrichtung der 2A und 2B gestattet es somit, für einen beliebigen Abschnitt in der Fourier-Ebene P1 die räumlichen und spektralen Verteilungseigenschaften gleichzeitig zu messen. Bei dem in Betracht kommenden Beispiel ist dieser Abschnitt ein Abschnitt mit konstantem Azimut.
Wenn die Auswahlmittel eine Auswahl eines geraden Schnitts des Bildes der Ebene P1 ermöglichen, wobei dieser gerade Schnitt durch die optische Achse Z der Vorrichtung verläuft (was in. dem betrachteten Beispiel der Fall ist), ist es möglich, das Objekt und damit die Messzone 4 um diese optische Achse Z derart zu drehen, dass verschiedene gerade Schnitte des in der Ebene P1 enthaltenen Bildes, die verschiedenen Azimuts entsprechen, untersucht werden können, sowie die Antwort der Messzone 4 in dem gesamten Analyse-Halbraum rekonstruiert werden kann.
Dies ist schematisch in 3 dargestellt, in der das Objekt 2 zu erkennen ist, das auf einem Träger 34 angeordnet ist, der mit Mitteln versehen ist, welche durch den Teil 36 symbolisiert sind und ein Drehen des Objekts 2 und damit der Messzone 4 um die optische Achse Z der Messvorrichtung 38 gestattet, die mit Bezug auf 2A und 2B beschrieben wurde.
Es ist auch möglich, die Auswahlmittel 16 in der Fourier-Ebene P1 oder der oben erwähnten Ebene P2 derart zu verschieben, dass durch Abtasten das Verhalten der Messzone für alle Winkel θ und ϕ rekonstruiert wird.
Vorzugsweise ist diese Ortsveränderung bzw. Verschiebung eine Drehung um die optische Achse Z des Spalts 16, der, wie bereits beschrieben wurde, in der Ebene P1 oder in der Ebene P2 angeordnet ist.
Wie in 2A symbolisiert ist, wird hierbei dieser Spalt durch angepasste mechanische Mittel 40, die beispielsweise einen Motor sowie mechanische Drehantriebsmittel des Spalts und zugeordnete elektronische Antriebsmittel umfassen, in Drehung versetzt.
Um zu garantieren, dass die Streuung bzw. Verteilung des Lichts orthogonal zu dem geraden Schnitt erfolgt, müssen die Streu- bzw. Verteilungsmittel 18 hierbei in der Rotation mit den Auswahlmitteln (in dem betrachteten Beispiel mit dem Spalt 16) verknüpft sein bzw. werden (was ein Fachmann durchführen kann).
Um die Analyse in der Ebene der Sonde 14 zu vereinfachen, wird der Vorrichtung der 2A und 2B vorzugsweise eine Gegendrehvorrichtung 42 hinzugefügt, die in der optischen Bahn des Lichts derart angeordnet wird, dass eine gleiche Ausrichtung der von der Sonde 14 gesammelten Daten unabhängig von der Winkelposition des Spalts 16 beibehalten werden kann.
Diese Gegendrehvorrichtung 42 wird nach diesem Spalt 16 eingefügt, damit die Gegendrehvorrichtung ihre Funktion ausüben kann.
Wenn die Auswahlmittel (in dem betrachteten Beispiel der Spalt 16) auf Höhe der Ebene P1 angeordnet sind, wird die Gegendrehvorrichtung 42 zwischen dem Objektiv 8 und dem Objektiv 12 oder zwischen diesem Objektiv 12 und den Streumitteln 18 angeordnet.
Wenn diese Auswahlmittel auf Höhe der Ebene P2 angeordnet sind, wird die Gegendrehvorrichtung 42 zwischen diesen Auswahlmitteln und den Streu- bzw. Verteilungsmitteln 18 angeordnet.
Wenn diese Gegendrehvorrichtung 42 verwendet wird, ist es nicht mehr nötig, die Streu- bzw. Verteilungsmittel mit den Auswahlmitteln in der Drehung zu verknüpfen (in dem betrachteten Beispiel dem Spalt 16), da diese Streumittel eine feststehende Position in bezug auf die Sonde bzw. den Messfühler 14 aufgrund der Gegendrehung beibehalten.
Diese Lichtstreumittel können auf der Verwendung eines oder mehrerer Brechungsnetze oder eines oder mehrerer Prismen begründet sein.
Ein Beispiel solcher Lichtstreu- bzw. Verteilungsmittel ist schematisch in 4 dargestellt und umfasst der Reihe nach ein Konvergenzobjektiv 44, ein Streuungsnetz 46 und ein weiteres Konvergenzobjektiv 48.
In dieser 4 ist die optische Achse Z der Messvorrichtung zu erkennen, die dieses Beispiel der Streumittel einsetzt. In diesem Beispiel ist zu erkennen, dass der Messfühler bzw. die Sonde 14 sich nicht auf der Z-Achse befindet.
Es ist anzumerken, dass die 4 das Beispiel der Streumittel in derjenigen Ebene zeigt, in der die Streuung beobachtet wird. Diese Ebene ist senkrecht zur betrachteten Auswahlebene am Ausgang der Gegendrehvorrichtung, wenn letztere verwendet wird, oder am Ausgang des Spalts 16, wenn diese Gegendrehvorrichtung nicht verwendet wird.
Es ist zu erkennen, dass das Bild 50 des Spalts 16 kollimiert ist (der von diesem Spalt austretende divergierende Strahl wird in ein paralleles Lichtbündel umgewandelt).
Dieses parallele Lichtbündel wird dem Brechungsnetz 46 zugeführt (anstelle dieses Brechungsnetzes kann aber auch ein Prisma aus streuendem Material verwendet werden). Das parallele Lichtbündel wird hierbei in eine Vielzahl von Strahlen gestreut bzw. verteilt, deren Wellenlängen unterschiedlich sind.
Diese Lichtstrahlen mit unterschiedlicher Wellenlänge werden mit Hilfe eines weiteren Konvergenzobjektivs 48 fokalisiert, wobei die Lichtstrahlen gleicher Wellenlänge in ein und demselben Punkt fokalisiert werden. Das so erhaltene Bild wird dann von der Sonde 14 aufgenommen.
Es wird nun wieder auf die Gegendrehvorrichtung 42 eingegangen.
Die Aufgabe dieser Gegendrehvorrichtung besteht darin, eine Drehung der Achse eines Bildes um deren optische Achse auszuführen. Ihre Verwendung in der mit Bezug auf die 2A und 2B beschriebenen Messvorrichtung ermöglicht es, die Achsen des an der Sonde 14 erhaltenen Bildes unabhängig von der Winkelposition der Auswahlmittel 16 auszurichten.
In der Praxis werden zur Herstellung einer solchen Gegendrehvorrichtung Prismen oder Spiegel verwendet.
Es sind verschiedene Gegendrehvorrichtungen bekannt. In dieser Hinsicht ist beispielsweise das Buch von W.J. Smith mit dem Titel "Modern Optical Engineering" anzuführen. Lediglich als Hinweis und in keiner Weise einschränkend können zur Herstellung einer solchen Gegendrehvorrichtung Prismen vom Typ Dove, Abbé ohne Dach ("Roofless-Abbé") oder Pechan eingesetzt werden.
Das schematisch in 5 dargestellte Beispiel der Gegendrehvorrichtung umfasst ein Prisma vom Abbé-Typ ohne Dach. Die Bahn des Lichts in einer solchen Gegendrehvorrichtung ist für ein paralleles Strahlenbündel angegeben worden.
Es ist auch die (geometrische) Drehachse z dieser Gegendrehvorrichtung zu erkennen, die durch geeignete Mittel, die durch Pfeile 51 in 5 dargestellt sind, in Drehung versetzt wird. Diese Achse z ist auch die Drehachse der in der Vorrichtung der 2A und 2B verwendeten Auswahlmittel.
Bei dem Beispiel der 5 wird die Tatsache verwendet, dass, wenn die Gegendrehvorrichtung dieser Figur in die Bahn eines Lichtstrahls gebracht wird, das resultierende Bild, das am Ausgang dieser Gegendrehvorrichtung erhalten wird, eine Drehung um einen Winkel 2α erfährt, wenn die Gegendrehrichtung eine Drehung um einen Winkel α erfährt. Um eine Drehung eines Azimut ϕ auszugleichen, muss die Gegendrehvorrichtung also eine Drehung um einen Winkel α erfahren, so dass ϕ = –2α.
Zn der erfindungsgemäßen Messvorrichtung der 2A wird die Gegendrehvorrichtung 42 mit Hilfe geeigneter Mittel 52 in Drehung versetzt, die einen Motor und zugeordnete elektronische Steuermittel umfassen, um die Drehung der Auswahlebene exakt auszugleichen.
Die elektronischen Steuermittel (nicht dargestellt), welche der Gegendrehvorrichtung zugeordnet sind, sind mit elektronischen Steuermitteln (nicht dargestellt) gekoppelt, welche den Auswahlmitteln 16 zugeordnet sind.
Diese Koppelung erfolgt mit Hilfe von Regelungsmitteln 54, die dafür sorgen, dass die Beziehung ϕ = –2α mit der erforderlichen Präzision erfüllt wird.
Die Messung von Objekten, insbesondere reflektierenden Objekten, unter einem Lichtfluß kann mit der Vorrichtung der 2A und 2B vorgenommen werden, indem diese Vorrichtung so modifiziert wird, wie im folgenden mit Bezug auf die 6 und 7 erläutert ist.
Eine halb-reflektierende Vorrichtung 56 (Trennkubus oder ähnliches) wird in die optische Bahn bzw. den Strahlengang entweder nach dem Objektiv 8 (6) oder zwischen die Objektive 6 und 8 (7) eingefügt.
Die 6 und 7 stellen detailliert die Funktionsweise der so modifizierten Messvorrichtung dar, ohne die zur Spektralanalyse notwendigen Elemente zu zeigen, um die Beschreibung zu vereinfachen.
Die halb-reflektierende Vorrichtung 56 verhindert nicht die Ausbreitung der Lichtstrahlen in Richtung auf den Rest der Messvorrichtung. Es ist also möglich, eine Messung vorzunehmen und dabei das Objekt 2 zu beleuchten.
Es wird zunächst auf das Beispiel der Messvorrichtung der 6 eingegangen.
Es soll eine Zone 57 der Oberfläche des Objekts 2 bestrahlt werden, welche die Messzone 4 enthält (die in der Beschreibung der 1 und 2A erwähnt wurde). Eine Membran 58 mit vorzugsweise kreisförmiger Öffnung, die optisch mit der Beleuchtungszone 57 durch die Objektive 6 und 8 (über halb-reflektierende Mittel 56) konjugiert ist, wird zur Festlegung dieser Zone 57 verwendet.
Die Konjugationseigenschaften zwischen der Membran 58 und der Beleuchtungszone 57 sind denjenigen vergleichbar, die zwischen der Zone 4 und der Membran 10 angewandt werden, insbesondere was die Vergrößerung und den Oberflächenausgleich betrifft, der wie 1/cosθ₁ variiert, wobei θ₁ der Auftreffwinkel auf die Zone 57 eines von der Membran 58 kommenden Lichtstrahls ist.
Ein Konvergenzobjektiv 60, das nach der Membran 58 in bezug auf die halb-reflektierende Vorrichtung angeordnet ist, führt im Zusammenwirken mit dem Objektiv 8 (über die halbreflektierende Vorrichtung 56, wie aus 6 ersichtlich ist) die Konjugation zwischen der Ebene der Fourier-Transformierten P1 und einer Ebene P3 durch.
Eine Lichtquelle 62 ist in diese Ebene P3 eingefügt. Diese Lichtquelle 62 kann eine ausgedehnte Quelle sein, eine punktuelle Quelle, die an jedem Punkt der Ebene P3 planiert sein kann, oder irgendeine andere Quelle, welche an der Beleuchtungszone 57 die gewünschte Winkelverteilung der Beleuchtung reproduzieren kann.
Es wird nun auf das Beispiel der 7 eingegangen, in der das Objektiv 8 (nicht dargestellt) sich nun auf der Z-Achse rechts von der Vorrichtung 56 befindet.
Hierbei wird ein zusätzliches Konvergenzobjektiv 64 der Messvorrichtung der 6 zwischen der halb-reflektierenden Vorrichtung 56 und der Membran 58 hinzugefügt, wie in 7 zu erkennen ist, um zusammen mit dem Objektiv 6 die optische Konjugation zwischen der Beleuchtungszone 57 und der Membran 58 realisieren zu können.
Um diese Messvorrichtung steuern und die Daten sammeln zu können, sind die elektronischen Verarbeitungsmittel 26 der von der Sonde 14 gelieferten Signale und die elektronischen Steuermittel 40, 52 und 54 der Auswahlmittel 16 und der Gegendrehvorrichtung 42 mit einer Steuereinheit oder einem Computer beliebiger Art 66 verbunden.
Die soeben beschriebene Messvorrichtung erfüllt hierbei die erforderliche Funktion, die darin besteht, schnell, kollektiv und gleichzeitig Informationen einer Winkelverteilung und Spektralverteilung jeder lichtemittierenden, reflektierenden oder streuenden Vorrichtung zu erhalten.
Die Kapazitäten dieser Messvorrichtung können den Anforderungen der Anwender angepasst werden:
Es kann eine erfindungsgemäße "Basis"-Vorrichtung konzipiert werden, welche die Messung in einer oder mehreren geraden Schnittebenen gestattet.
Dieser Basisvorrichtung können Messkapazitäten von Proben im reflexiven Modus (unter Lichtfluß) hinzugefügt werden.
Die Verwendung einer Gegendrehvorrichtung gestattet es außerdem, alle möglichen Azimuts gemäß den Bedürfnissen der Anwender zu analysieren.
Beispielsweise ist es in einer Herstellungseinheit von emittierenden oder reflektierenden Objekten von der hier in Betracht kommenden Art möglich, nur zwei Richtungen zu analysieren, deren Azimuts jeweils ϕ = 0° und ϕ = 90° entsprechen.

Claims

Vorrichtung zum Messen der räumlichen Verteilung einer Spektralemission einer Messzone (4) eines Gegenstands (2), wobei diese Vorrichtung dadurch gekennzeichnet ist, dass sie umfasst – ein erstes Objektiv (6), das dazu vorgesehen ist, in der Fourier-Ebene (P1) dieses ersten Objekts ein erstes Bild zu erzeugen, das die erste optische Fourier-Transformierte der Messzone darstellt, – eine erste Membran (10), – ein zweites Objektiv (8), das zwischen dem ersten Objektiv (6) und der ersten Membran angeordnet ist und mit diesem ersten Objektiv (6) zusammenwirkt, damit die Öffnung der ersten Membran mit der Messzone (4) durch die ersten und zweiten Objektive optisch in Übereinstimmung gebracht wird, und damit die Messzone, wenn sie über die erste Membran (10) beobachtet wird, eine von der Beobachtungsrichtung fast unabhängige Scheinoberfläche aufweist, wobei das erste und zweite Objektiv eine gemeinsame optische Achse (Z) haben, welche die optische Achse der Vorrichtung bildet, – ein nach der ersten Membran (10) angeordnetes Übertragungsobjektiv (12) zur Übertragung des ersten Bildes zu einem zweidimensionalen Bilderfassungselement (14), – das zweidimensionale Bilderfassungselement (14), – Behandlungsmittel (26) von durch das Bilderfassungselement gelieferten Signalen, gekennzeichnet durch – Mittel (16) zur Auswahl eines geradlinigen Abschnitts des ersten Bildes gemäß einer Auswahlrichtung, – Mittel (18) zur Streuung bzw. Verteilung von Licht, die vorgesehen sind, um das dem ausgewählten Abschnitt des ersten Bildes entsprechende Licht zu streuen bzw. zu verteilen, – wobei das zweidimensionale Bilderfassungselement (14) das so verteilte Licht empfangen kann und für dieses verteilte Licht repräsentative Signale liefern kann, und – Mittel (26) zur Behandlung dieser Signale, die die Spektralantwort der Messzone (4) für jeden Punkt des geradlinigen Abschnitts des ersten Bildes bestimmen können.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die erste Membran (10) eine kreisförmige Öffnung aufweist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, wobei die Streu- bzw. Verteilungsmittel (18) in der Lage sind, das Licht in einer zur Auswahlrichtung senkrechten Verteilungsrichtung zu verteilen.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Auswahlmittel einen geradlinigen Spalt (16) aufweisen, der durch ein Material gebildet ist, das gegenüber dem vom Gegenstand (2) kommenden Licht undurchlässig ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Auswahlrichtung durch die optische Achse (Z) der Vorrichtung hindurchgeht.
Vorrichtung nach Anspruch 5, ferner umfassend Mittel (34,36) zur Drehung des Gegenstandes (2) um die optische Achse (Z) der Vorrichtung.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, ferner umfassend Mittel (40) zur Verschiebung bzw. Versetzung der Auswahlmittel (16) derart, dass die Auswahlrichtung das erste Bild abtastet, wobei die Auswahlmittel auf diese Weise aufeinanderfolgende geradlinige Abschnitte dieses ersten Bildes auswählen.
Vorrichtung nach Anspruch 7, wobei die Auswahlmittel einen geradlinigen Spalt (16) umfassen, der quer durch ein Material ausgebildet ist, das gegenüber dem vom Gegenstand (2) kommenden Licht undurchlässig ist und das die Auswahlrichtung festlegt, wobei dieser Spalt durch die optische Achse (Z) der Vorrichtung hindurchgeht, und wobei die Verschiebemittel Mittel (40) zur Drehung des Spaltes um diese optische Achse sind und die Verteilungsmittel (18) in der Lage sind, das Licht in einer Verteilungsrichtung zu verteilen, die senkrecht zur Auswahlrichtung und damit zum Spalt gehalten wird.
Vorrichtung nach Anspruch 7, wobei die Auswahlmittel einen geradlinigen Spalt (16) umfassen, der quer durch ein Material ausgebildet ist, das gegenüber dem vom Gegenstand (2) kommenden Licht undurchlässig ist und das die Auswahlrichtung festlegt, wobei dieser Spalt durch die optische Achse (Z) der Vorrichtung hindurchgeht, und wobei die Verschiebemittel Mittel (40) zur Drehung des Spalts um diese optische Achse sind und die Vorrichtung außerdem Gegendrehmittel (42) umfassen, die zwischen dem Spalt (16) und den Verteilungsmitteln (18) angeordnet sind und dazu vorgesehen sind, die Ausrichtung des verteilten Lichts, das von dem Messfühler (14) empfangen wird, konstant zu halten.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, ferner umfassend eine Lichtquelle (62) und halb-reflektierenden Mitteln (56), die dazu vorgesehen sind, das von dieser Lichtquelle emittierte Licht zu dem Gegenstand (2) hin zu reflektieren, um eine die Messzone (4) enthaltende Zone (57) desselben zu beleuchten, und um das Licht, das aus dieser so beleuchteten Messzone (4) hervortritt und das zur ersten Membran (10) hin gerichtet ist, passieren zu lassen.
Vorrichtung nach Anspruch 10, wobei die halbreflektierenden Mittel (56) zwischen dem zweiten Objektiv (8) und der ersten Membran (10) angeordnet sind, und die Vorrichtung ferner umfasst: – eine zweite Membran (58), deren Öffnung die beleuchtete Zone (57) begrenzt, wobei diese Öffnung der zweiten Membran optisch der Zone zugeordnet ist, die von der von dem ersten und zweiten Objektiv (6,8) gebildeten Einheit beleuchtet wird, und – ein drittes Objektiv (60), wobei die Lichtquelle (62) in einer Ebene (P3) angeordnet ist, die optisch der Fourier-Ebene (P1) des ersten Objektivs (6) durch die von dem zweiten und dritten Objektiv (8,60) gebildete Einheit zugeordnet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 10, wobei die halbreflektierenden Mittel (56) zwischen dem ersten Objektiv (6) und dem zweiten Objektiv (8) angeordnet sind, und die Vorrichtung ferner umfasst: – dritte und vierte Objektive (60,64), sowie – eine zweite Membran (58), deren Öffnung die beleuchtete Zone (57) begrenzt, wobei diese Öffnung der zweiten Membran optisch der von der durch die ersten und vierten Objektive (6,64) gebildeten Einheit beleuchteten Ozone zugeordnet ist, wobei die Lichtquelle (62) in einer Ebene (P3) angeordnet ist, die optisch der Fourier-Ebene (P1) des ersten Objektivs (6) durch die von dem dritten und vierten Objektiv (60,64) gebildete Einheit zugeordnet ist.