EP0648327A1 - Anordnung zur punktuellen messung der remission von flächen - Google Patents

Anordnung zur punktuellen messung der remission von flächen

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EP0648327A1
EP0648327A1 EP94914419A EP94914419A EP0648327A1 EP 0648327 A1 EP0648327 A1 EP 0648327A1 EP 94914419 A EP94914419 A EP 94914419A EP 94914419 A EP94914419 A EP 94914419A EP 0648327 A1 EP0648327 A1 EP 0648327A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
concentrator
arrangement according
light
surface normal
radiation sources
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP94914419A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Thomas Morgenstern
Jost SCHÜLER
Lutz Papenkordt
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Jenoptik AG
Original Assignee
Jenoptik Jena GmbH
Jenoptik AG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Jenoptik Jena GmbH, Jenoptik AG filed Critical Jenoptik Jena GmbH
Publication of EP0648327A1 publication Critical patent/EP0648327A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
    • G01N21/17—Systems in which incident light is modified in accordance with the properties of the material investigated
    • G01N21/47—Scattering, i.e. diffuse reflection
    • G01N21/4738—Diffuse reflection, e.g. also for testing fluids, fibrous materials
    • G01N21/474—Details of optical heads therefor, e.g. using optical fibres
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B6/00—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
    • G02B6/24—Coupling light guides
    • G02B6/42—Coupling light guides with opto-electronic elements
    • G02B6/4298—Coupling light guides with opto-electronic elements coupling with non-coherent light sources and/or radiation detectors, e.g. lamps, incandescent bulbs, scintillation chambers

Definitions

  • the invention relates to an arrangement for measuring the reflectance of small areas of solid and liquid bodies in several spectral ranges (in the VTS, near and middle IR), whereby the areal distribution of the spectral reflectance and / or the body color is possible.
  • the invention can be used in a wide variety of sectors of industry and manufacturing, in order to ensure that the colors of products are the same, to detect color deviations or to match colors.
  • the latter plays e.g. also play a major role in the manufacture of dentures, where it is important to match the color of the denture as closely as possible to the natural tooth color.
  • a large number of arrangements for determining the spectral reflectance of bodies are known from the prior art, which generally work with a plurality of spectrally selective radiation sources which can be controlled sequentially and a receiver.
  • the optical part of these arrangements differs essentially in the supply of the emitted radiation to the surface to be tested.
  • the surface to be examined is directly irradiated, so that the size of the "punctiform" areas to be measured is determined by the radiation cone of the
  • LED and the necessary distance between the object to be measured and the radiation source is determined and therefore cannot be chosen to be sufficiently small. Due to the divergence of the radiation, very high light intensities are required to obtain accurate measurement results with strongly absorbing surfaces. In addition, the overexposure accuracy of the various LEDs on the surface to be measured is inadequate due to the angular scatter in the radiation characteristics of the LEDs.
  • DE-PS 36 26 373 describes a device in which the radiation from the individual radiation sources is guided via two filter units onto a lens arrangement which focuses the radiation onto the sample to be examined. This beam guidance requires a high adjustment effort and a high mechanical stability. The achievable area resolution is just as in the abovementioned writings the emission characteristics of the LEDs determine and limit. In addition, the radiation intensity is reduced by the filter units and limited by the opening of the imaging system.
  • Optical fiber bundle is directed to the area to be examined. With a small distance between the light exit surface and the surface to be examined and the additional lenticular grinding of this exit surface, it is possible to concentrate the light on a very small measurement spot. The problem with such an arrangement is the coupling of sufficient radiation energy into it
  • the object of the invention is to provide an arrangement for the punctiform measurement of the reflectance in different spectral ranges, in which the radiation of several radiation sources with different radiation characteristics is concentrated with as little means and little loss of radiation energy as possible on a small section of the area to be examined.
  • the object is achieved with an arrangement for the punctiform measurement of the remission of surfaces of solid or liquid bodies in different spectral ranges with at least two radiation sources of different spectral ranges and a receiver which is sensitive at least for the selected different spectral ranges, the angular position being different for incident and reflected light and on the one hand corresponds to the surface normal of the surface and on the other hand to an angle which is substantially different from the surface normal and parallel to the surface, solved in that the radiation sources are followed by a concentrator which has the shape of a
  • the concentrator advantageously consists of any transparent material with a lacquer layer produced by dipping or spraying on as a lower-refractive coating.
  • the concentrator consists of glass, in particular quartz glass, the lower-refractive coating of which is produced by tapping the glass.
  • half the cone angle of the quartz glass concentrator is preferably about one fifth of the numerical aperture of an optical waveguide made of the same material.
  • the concentrator is preferably glued to the window of the LED used, the adhesive layer being the refractive index of window material of the LED and that of the
  • the radiation sources are preferably arranged as separate LEDs around the receiver arranged in the direction of the surface normal at a uniform angular distance from one another and at approximately 45 ° to the surface normal.
  • the light exit surfaces of the concentrators are expediently designed spherically.
  • the radiation sources In order to realize a particularly small measuring head, it is generally favorable to arrange the radiation sources at any point away from the surface and to glue optical fibers to the light exit surface of the concentrators, the ends of the optical fibers being around those in the direction of the surface normal
  • Receivers are arranged at an even angular distance and at approximately 45 ° to the surface normal.
  • the radiation divergence is expediently reduced by spherical design of the light exit surfaces of the optical fibers.
  • a fundamentally different advantageous design of the arrangement according to the invention is achieved by using a three-color LED, in that only a single concentrator follows the LED (as a combination of three radiation sources) and the three-color LED and concentrator are arranged in the direction of the surface normals and a fiber bundle arranged concentrically thereto of fiber optic cables (LWL), which transmits reflected light at an angle of about 45 ° to the receiver, the
  • the colors of the three-color LED can be switched on in series.
  • the fiber optic cables (with the end surface perpendicular to the fiber optic axis) can easily be arranged at an angle of approx. 45 °.
  • the measuring head with its light entry and exit surfaces has a uniform, smooth surface and the fiber optic cables are therefore beveled at their ends.
  • LWL air refractive index ratio
  • Quartz glass results in an angular position of approximately 30 ° to the surface normal for the FO. It is furthermore expedient to rigidly connect the concentrator to the three-color LED by means of an adhesive layer, the adhesive layer in turn adapting the refractive indices of the LED window and the concentrator to one another.
  • the light exit surface of the concentrator is advantageously also spherically shaped.
  • 0745 ° - measurement geometry are known, and adapted and modified according to the special features of the point remission measurement according to the invention. With the arrangements according to the invention, it is possible to align the remission measurements on the smallest areas of a body surface and to utilize the radiation from divergent light sources of low power for precise remission measurements with low radiation losses.
  • the reflectance measurements for color matching can be used particularly advantageously in a wide variety of industrial and commercial sectors.
  • the invention proves to be advantageous and suitable for use in dentistry (manufacture of dentures) and forensic medicine (e.g. determining the age of hematomas), since the critical surfaces are easy to keep sterile.
  • Fig. 1 shows the schematic diagram of an arrangement according to the invention in a
  • FIG. 1 shows the top view of FIG. 1
  • Fig. 3 shows the schematic diagram of a further arrangement according to the invention in
  • the arrangement according to the invention for measuring the reflectance of surfaces 1 of solid and liquid bodies preferably contains in its basic structure a 0745 ° measurement geometry from radiation sources 3 of different spectral ranges, wherein according to the invention a radiation concentrator 2 is arranged downstream of each radiation source 3 to collect its diverging light.
  • the concentrator 2 is made of transparent material and is in the form of a truncated cone, the outer surface of which reflects the radiation totally and at the same time concentrates.
  • FIG. 1 - An arrangement according to the invention - as shown schematically in FIG. 1 - shows the 0745 ° structure typical for reflectance measurements, with the receiver 5 in here
  • Each of the red, green and blue LEDs 3.1 to 3.3 forms together with the concentrator 2 one of the assemblies 4, which in this case are arranged at 120 ° around the receiver 5, as shown in FIG. 2 as a top view.
  • the area 1 to be examined is successively irradiated by the red, green and blue LEDs 3.1, 3.2 and 3.3 at an angle of essentially 45 ° in a pulsed manner.
  • the respective downstream concentrator 2 detects the radiation emitted by the LED and concentrates it on a narrowly limited section of the area to be examined 1.
  • the size of this section does not depend on the different radiation characteristics of the LEDs, but is dependent on parameters of the concentrators 2 ( Cone angle, refractive index ratio between the higher refractive truncated cone and the lower refractive cladding) and the distance between the light exit surface of the concentrator 2 and surface 1.
  • the refractive index ratio of the concentrators 2 is therefore similar to that of conventional optical fibers, with approximately 1.45 and n M being approximately 1.43.
  • the concentrators 2 essentially match the fiber optics from Ensign-Bickford Optics Company (USA). Because of the divergence of the emerging light that also occurs at the light exit of the concentrators 2 and that is somewhat larger than conventional optical fibers, the distance to the surface 1 must be chosen to be small.
  • a conflicting condition is the fact that the distance must always remain so large that the light cones of all radiation sources 3, starting from the light exit of the concentrators 2, illuminate the area 1 detected by the receiver 5 as completely as possible. Since the receiver 5 advantageously receives the remitted light via an optical fiber 6, which is embedded in a metal cannula 7 to avoid the incidence of extraneous light, the distance from the surface 1 can hardly be less than 2 mm. The distance is realized with respect to the metal cannula 7, while the entry surface of the fiber optic cable 6 is slightly shifted back by the
  • the half cone angle is approximately 2.5 °, a length of less than 2 cm.
  • the half cone angle should not be more than 10% larger than a fifth of the numerical aperture. Because of the relatively short length of the concentrators 2 and the advantageous 45 ° position with respect to the surface normal to the surface 1, it is advantageous in the interest of a compact, slim design of the arrangement according to the invention not to arrange the light sources 3 directly in the vicinity of the surface 1, but instead to bring their light to the appropriate position via fiber optics (not shown in this configuration).
  • the light exit surfaces of the concentrators 2 are advantageously glued to the end faces of the optical fiber. Those of the HCG-MO365T-10 type from Ensign-Bickford Optics Company (USA) are expediently used as optical fibers.
  • FIG. 3 shows an arrangement according to the invention which is fundamentally different, which is changed compared to the first example in the position of radiation sources 3 and receiver 5.
  • the radiation sources 3 are arranged in the direction of the surface normal of the surface 1.
  • a three-color LED 8 (for example of the type CMS 124 from ELCOS GmbH Pfaffenhofen, Germany), the color segments in turn being driven in a pulsed, serial manner.
  • the three-color LED 8 is in turn advantageously coupled via an adhesive layer 9 to the concentrator 2, which is designed in the same way as in the first example. The coupling is carried out in such a way that the window material of the three-color LED 8 via the adhesive layer
  • the remitted light is received by means of a receiver 5 via a fiber bundle composed of a plurality of optical fibers 6 which is concentric, even around the radiation sources arranged along the surface normal.
  • Concentrator unit is distributed.
  • step index fibers of the type HCG-M 0200 T-10 (numerical aperture: 0.22, manufacturer: Ensign-Bickford Optics Company, USA) are advantageously used.
  • the FO 6 are advantageously arranged so that they receive the remitted light at an angle of preferably 45 ° with respect to the surface normal. Two constructive solutions are possible for this.
  • the ends of the FO 6 are adjusted under the selected angle setting (e.g. exactly 45 °) and cast in advantageously.
  • the end faces of the FO 6 remain perpendicular to the fiber axis and practically protrude from the composite surface.
  • Fig. 3 illustrates the other variant in which the refractive index of quartz glass and the often advantageous fact that the surface of a sensor should be as smooth as possible are taken into account.
  • the fiber optic cables 6 are adjusted at an angle of 30 ° to the surface normal of surface 1 (e.g. by embedding them in a casting resin).
  • the ends of the LWL 6 have bevels with the same angle of 30 °, so that the sensor has a flat, smooth surface parallel to the surface 1.
  • the angular dimension of 30 ° results from the selection of an optical fiber 6 made of quartz glass and a receiving angle for the reflected light of 45 ° and for this reason does not limit the scope of the teaching according to the invention as a fixed angle. It is important that preferably the light remitted at 45 ° is broken into the fiber optic cable 6 almost parallel to the fiber axis due to the refractive index jump at the slanted light entry surface of the fiber optic cable 6.
  • An additional advantage is that the distance between the sensor and the surface can be reduced from 1 to almost 1 mm, so that with a light exit surface the Concentrator 2 of 1.4 mm a measured area 1 of about 2 mm in diameter is realized.
  • the smooth sensor surface fulfills the requirement of medical technology that it can be kept sterile particularly easily.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Messung der Remission von kleinen Flächen fester, flüssiger oder gasförmiger Körper in mehreren Spektralbereichen (VIS, nahes/mittleres IR), wodurch die Erfassung der flächenmäßigen Verteilung des spektralen Remissionsgrades und/oder der Körperfarbe möglich ist. Durch die erfindungsgemäße Nachordnung von speziellen Konzentratoren hinter die einzelnen Strahlungsquellen ist es möglich, ohne großen konstruktiven und Justier aufwand, sowie nur geringen Verlusten von Strahlungsenergie, die Strahlung auf einen sehr kleinen Ausschnitt der zu untersuchenden Fläche zu konzentrieren.

Description

Beschreibung
Anordnung zur punktuellen Messung der Remission von Flächen
Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Messung der Remission von kleinen Rächen fester und flüssiger Körper in mehreren Spektralbereichen (im VTS, nahen und mittleren IR), wodurch die Erfassung der flächenmäßigen Verteilung des spektralen Remissionsgrades und/oder der Körperfarbe möglich ist.
Anwendbar ist die Erfindung in den verschiedensten Branchen der Industrie und des produzierenden Gewerbes, um die Farbgleichheit von Produkten zu gewährleisten, Farbabweichungen zu erkennen öder Farben aufeinander abzustimmen. Letztgenanntes spielt z.B. auch in der Zahnprothesenherstellung eine große Rolle, wo es darauf ankommt, die Farbe der Zahnprothese möglichst genau der natürlichen Zahnfarbe anzupassen.
Aus dem Stand der Technik sind eine Vielzahl von Anordnungen zur Bestimmung des spektralen Remissionsgrades von Körpern bekannt, die in der Regel mit mehreren sequentiell ansteuerbaren- spektral selektiven Strahlungsquellen und einem Empfänger arbeiten. Der optische Teil dieser Anordnungen unterscheidet sich im wesentlichen in der Zuführung der emittierten Strahlung auf die zu prüfende Fläche.
In dem in der DE-OS 41 20749 beschriebenen Verfahren und der in der DD-PS 99439 beschriebenen Vorrichtung wird die zu untersuchende Oberfläche direkt bestrahlt, so daß die Größe der zu messenden "punktuellen" Räche durch den Strahlungskegel der
LED und den notwendigen Abstand zwischen Meßobjekt und Strahlungsquelle bestimmt wird und damit nicht ausreichend klein gewählt werden kann. Auf Grund der Divergenz der Strahlung sind zur Erlangung genauer Meßergebnisse bei stark absorbierenden Oberflächen sehr hohe Lichtintensitäten erforderlich. Außerdem ist die Überstrahlungsgenauigkeit der verschiedenen LED's auf der zu messenden Oberfläche aufgrund der Winkelstreuung in der Abstrahlcharakteristik der LED's nur unzureichend erreichbar.
In der DE-PS 36 26 373 ist eine Vorrichtung beschrieben, bei welcher die Strahlung der einzelnen Strahlungsquellen über zwei Filtereinheiten auf eine Linsenanordnung geführt wird, welche die Strahlung auf die zu untersuchende Probe fokussiert. Diese Strahlführung erfordert einen hohen Justieraufwand und eine hohe mechanische Stabilität. Die erreichbare Rächenauflösung ist ebenso wie in den o.g. Schriften durch die Abstrahlcharakteristik der LED's bestimmt und begrenzt. Außerdem wird die Strahlungsintensität durch die Filtereinheiten reduziert und durch die Öffnung des Abbildungssystems begrenzt.
Aus der DE-OS 30 38 786 ist eine Einrichtung zur Messung der Farbe des Zahnfleisches bekannt, bei welcher das Licht einer Lichtquelle über ein flexibles
Lichtleiterbündel zur untersuchenden Fläche geleitet wird. Bei geringem Abstand der Lichtaustrittsfläche zu der zu untersuchenden Fläche und dem zusätzlichen linsenförmigen Anschleifen dieser Austrittsfläche ist es möglich, das Licht auf einen sehr kleinen Meßfleck zu konzentrieren. Das Problem in einer solchen Anordnung besteht in der Einkopplung von ausreichend viel Strahlungsenergie in das
Lichtleitbündel.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Anordnung zur punktuellen Messung der Remission in verschiedenen Spektralbereichen zu schaffen, bei welcher die Strahlung mehrerer Strahlungsquellen mit unterschiedlicher Abstrahlcharakteristik mit einfachen Mitteln und wenig Verlusten an Strahlungsenergie auf einen möglichst kleinen Ausschnitt der zu untersuchenden Fläche konzentriert wird.
Die Aufgabe wird bei einer Anordnung zur punktuellen Messung der Remission von Flächen fester oder flüssiger Körper in verschiedenen Spektralbereichen mit mindestens zwei Strahlungsquellen unterschiedlicher Spektralbereiche und einem Empfanger, der mindestens für die ausgewählten unterschiedlichen Spektralbereiche empfindlich ist, wobei die Winkellage für eingestrahltes und remittiertes Licht unterschiedlich ist und einerseits der Flächennormale der Fläche und andererseits einem Winkel, der wesentlich verschieden ist von Flächennormale und Flächenparallele, entspricht, dadurch gelöst, daß den Strahlungsquellen ein Konzentrator nachgeordnet ist, der die Form eines
Kegelstumpfes besitzt und aus einem höher brechenden lichttransparenten Material, ummantelt von einem niedriger brechenden Material, besteht, so daß die Strahlung im wesentlichen durch Totalreflexion auf einen kleinen Ausschnitt der Fläche konzentriert wird.
Vorteilhaft besteht der Konzentrator aus einem beliebigen transparenten Material mit einer durch Tauchen oder Aufsprühen erzeugten Lackschicht als niedriger brechende Ummantelung. In einer weiteren vorteilhaften Gestaltung besteht der Konzentrator aus Glas, insbesondere Quarzglas, dessen niedriger brechende Ummantelung durch Tapern des Glases erzeugt wird. Vorzugsweise beträgt der halbe Kegelwinkel des aus Quarzglas bestehenden Konzentrators bei Einsatz von divergenten LED's etwa ein Fünftel der numerischen Apertur eines aus gleichem Material bestehenden Lichtwellenleiters. Dabei wird der Konzentrator vorzugsweise auf das Fenster der verwendeten LED aufgeklebt, wobei die Kleberschicht dem Brechungsindex von Fenstermaterial der LED und dem des
Konzentrators angepaßt wird. Die Strahlungsquellen sind vorzugsweise als separate LED um den in Richtung der Flächennormalen angeordneten Empfangers in gleichmäßigem Winkelabstand untereinander und unter annähernd 45° zur Flächennormale angeordnet. Zum Ausgleich der Divergenz der Strahlungsquellen in Form von LED's sind zweckmäßig die Lichtaustrittsflächen der Konzentratoren sphärisch gestaltet.
Um einen besonders kleinen Meßkopf zu realisieren, ist es in der Regel günstig, die Strahlungsquellen an beliebiger Stelle entfernt von der Oberfläche anzuordnen und an die Lichtaustrittsfläche der Konzentratoren Lichtleitfasern aufzukleben, wobei die Enden der Lichtleitfasern um den in Richtung der Flächennormalen befindlichen
Empfänger in gleichmäßigem Winkelabstand und unter annähernd 45° zur Flächennormale angeordnet sind. In diesem Fall ist die Strahlungsdivergenz zweckmäßig durch sphärische Gestaltung der Lichtaustrittsflächen der Lichtleitfasern zu verringern. Eine grundsätzlich andere vorteilhafte Gestaltung der erfindungsgemäßen Anordnung wird durch den Einsatz einer Dreifarb-LED erreicht, indem nur ein einziger Konzentrator der LED (als Vereinigung dreier Strahlungsquellen) folgt und Dreifarb- LED und Konzentrator in Richtung der Flächennormalen angeordnet sind und ein konzentrisch dazu angeordnetes Faserbündel aus Lichtwellenleitern (LWL), das unter einem Winkel von etwa 45° remittierte Licht auf den Empfänger leitet, wobei die
Farben der Dreifarb-LED seriell eingeschaltet werden.
Dabei gibt es zwei vorteilhafte Varianten der Anordnung der LWL zur Aufnahme des Remissionslichtes. Zum einen lassen sich die LWL (mit senkrecht zur LWL-Achse stehender Endfläche) einfach unter einem Winkel von ca. 45° anordnen. Zum anderen ist es jedoch vielfach von Vorteil, wenn der Meßkopf mit seinen Lichtein- und - austrittsflächen eine einheitliche, glatte Oberfläche besitzt und demzufolge die LWL an ihren Enden abgeschrägt sind. Um wiederum das unter einem Winkel um 45° remittierte Licht auf den Empfänger zu leiten, ist auf Basis des Brechzahlverhältnisses LWL Luft (hier für Quarzglas/Luft) der Winkel zwischen den LWL und der Flächennormale der Körperoberfläche zu verringern. Aufgrund der Lichtbrechung beim Übergang Luft-
Quarzglas ergibt sich damit für die LWL eine Winkellage zur Flächennormale von annähernd 30°. Weiterhin zweckmäßig ist es, den Konzentrator über eine Kleberschicht mit der Dreifarb-LED starr zu verbinden, wobei die Kleberschicht wiederum die Brechungsindizes von LED-Fenster und Konzentrator aneinander anpaßt. Die Lichtaustrittsfläche des Konzentrators ist vorteilhaft zusätzlich sphärisch geformt. Die Grundidee liegt in der Überlegung, die divergente Strahlung und unterschiedliche
Abstrahlungscharakteristik mehrerer Strahlungsquellen, insbesondere LED's, mit einfachen, innen totalreflektierenden Kegelstümpfen aus transparentem Material zu konzentrieren, um damit eine ausreichende Strahlungsintensität auf punktuelle Bereiche einer Körperoberfläche für Remissionsmessungen zur Verfugung zu haben. Dabei werden an sich bekannte Prinzipien einer Dunkelfeldbeleuchtung genutzt, die auch als
0745°- Meßgeometrie bekannt sind, und entsprechend den Besonderheiten der erfindungsgemäßen punktuellen Remissionsmessung angepaßt und modifiziert. Mit den erfindungsgemäßen Anordnungen ist es möglich, die Remissionsmessungen auf kleinsten Flächen einer Körperoberfläche auszurichten und mit geringen Strahlungsverlusten die Strahlung von divergenten Lichtquellen kleiner Leistung für genaue Remissionsmessungen auszunutzen.
Besonders vorteilhaft lassen sich die Remissionsmessungen für Farbabstimmungen in verschiedensten Branchen von Industrie und Gewerbe anwenden.
Vor allem die ebenflächige und kompakte Bauform einer speziellen Ausgestaltung der
Erfindung erweist sich als vorteilhaft und geeignet für den Einsatz in der Zahnmedizin (Zahnprothesenherstellung) und Gerichtsmedizin (z.B. Altersbestimmung von Hämatomen), da die kritischen Flächen leicht steril zu halten sind.
Die Erfindung soll nachstehend anhand zweier Ausführungsbeispiele näher erläutert werden. Die Zeichnungen zeigen:
Fig. 1 die Prinzipdarstellung einer erfindungsgemäßen Anordnung in einer
(unvollständigen) Seitenansicht
Fig. 2 die Draufsicht zu Fig. 1
Fig. 3 die Prinzipdarstellung einer weiteren erfindungsgemäßen Anordnung in
Seitenansicht
Fig. 4 die Draufsicht zu Fig. 3 Die erfindungsgemäße Anordnung zur Messung der Remission von Flächen 1 fester und flüssiger Körper beinhaltet in ihrem Grundaufbau vorzugsweise eine 0745°- Meßgeometrie aus Strahlungsquellen 3 unterschiedlicher Spektralbereiche, wobei gemäß der Erfindung jeder Strahlungsquelle 3 zum Sammeln ihres divergierenden Lichts ein Konzentrator 2 nachgeordnet ist. Der Konzentrator 2 besteht aus transparentem Material und ist in Form eines Kegelstumpfes, dessen Mantelfläche die Strahlung totalreflektiert und gleichzeitig konzentriert, ausgebildet.
Eine erfindungsgemäße Anordnung - wie sie in Fig. 1 schematisch dargestellt ist - zeigt den für Remissionsmessungen typischen 0745°- Aufbau, wobei hier der Empfanger 5 in
Richtung der Flächennormale der Fläche 1 und die Strahlungsquellen 3 in 45°-Stellung zur Flächennormalen angeordnet sind. Von den Strahlungsquellen 3, die erweitert durch Konzentratoren 2 Baugruppen 4 bilden, ist in Fig. 1 lediglich eine dargestellt. Solche Baugruppen 4 sind je nach Anzahl der verwendeten Spektralbereiche in gleichmäßigem Winkelabstand um die Flächennormale, auf der der Empfänger 5 angeordnet ist, verteilt.
Im Beispiel soll (wie die Draufsicht aus Fig. 2 verdeutlicht) von drei verschiedenfarbigen LED's ausgegangen werden. Dabei werden vorteilhaft eine rote LED 3J (z.B. TLS 181 P mit p = 635 nm von der Firma Toshiba, Japan), eine grüne
LED 3.2 (z.B. TLGP 181 P mit λp = 555 nm vom gleichen Hersteller) sowie eine blaue LED 3.3 (z.B. E 470 mit λp = 470 nm von der Firma Optosys, Chiphersteller Cree, USA) eingesetzt. Jede der roten, grünen und blauen LED 3.1 bis 3.3 bildet zusammen mit dem Konzentrator 2 eine der Baugruppen 4, die in diesem Fall um 120° versetzt um den Empfanger 5 angeordnet sind, wie es in Fig. 2 als Draufsicht dargestellt ist.
Die zu untersuchende Fläche 1 wird aufeinanderfolgend von der roten, grünen und blauen LED 3.1, 3.2 und 3.3 unter einem Winkel von im wesentlichen 45° impulsartig bestrahlt. Dabei erfaßt der jeweils nachgeordnete Konzentrator 2 die von der LED emittierte Strahlung und konzentriert diese auf einen eng begrenzten Ausschnitt der zu untersuchenden Fläche 1. Die Größe dieses Ausschnittes ist dabei nicht von der unterschiedlichen Abstrahlcharakteristik der LED's abhängig, sondern wird von Parametern der Konzentratoren 2 (Kegelwinkel, Brechzahlverhältnis zwischen höher brechendem Kegelstumpf und niedriger brechender Ummantelung) sowie dem Abstand der Lichtaustrittsfläche des Konzentrators 2 zur Fläche 1 bestimmt. Für das
Brechzahlverhältnis gilt die für Lichtwellenleiter (LWL) allgemein bekannte Beziehung bezüglich des halben Aperturwinkels sin u = Ynκ - nM 2 wobei nκ und nM die Brechungsindizes von Kern und Ummantelung sind. Das Brechzahlverhältnis der Konzentratoren 2 ist deshalb dem von herkömmlichen LWL ähnlich, wobei ca. 1,45 und nM etwa 1,43 betragen. Damit stimmen die Konzentratoren 2 materialseitig im wesentlichen mit LWL der Firma Ensign-Bickford Optics Company (USA) überein. Wegen der am Lichtaustritt der Konzentratoren 2 ebenfalls auftretenden Divergenz des austretenden Lichts, die gegenüber herkömmlichen LWL etwas größer ist, ist der Abstand zur Fläche 1 unbedingt klein zu wählen. Eine dem entgegenstehende Bedingung stellt die Tatsache dar, daß der Abstand stets so groß bleiben muß, daß die Lichtkegel aller Strahlungsquellen 3, vom Lichtaustritt der Konzentratoren 2 ausgehend, möglichst sicher die vom Empfanger 5 erfaßte Fläche 1 vollständig ausleuchten. Da der Empfänger 5 günstigerweise das remittierte Licht über einen LWL 6, der zur Vermeidung von Fremdlichteinfall in eine Metallkanüle 7 eingebettet ist, zugeführt bekommt, ist zur Fläche 1 ein Abstand von 2 mm kaum zu unterschreiten. Der Abstand wird dabei bezüglich der Metallkanüle 7 realisiert, während die Eintrittsfläche des LWL 6 etwas zurückverlagert ist, um den
Einfall von nicht an der Fläche 1 remittierter Strahlung zu vermeiden. Für einen Konzentrator 2, der eine LED mit 3 mm Durchmesser auf eine Austrittsfläche von 1,4 mm konzentriert, ergibt sich mit der Maßgabe, daß der halbe Kegelwinkel ca. 2,5° beträgt, eine Länge von weniger als 2 cm. Der halbe Kegelwinkel sollte dabei nicht mehr als 10% größer als ein Fünftel der numerischen Apertur sein. Wegen der relativ kurzen Länge der Konzentratoren 2 und der vorteilhaften 45°-Lage bezüglich der Flächennormale zur Fläche 1 ist es im Interesse einer kompakten, schlanken Bauform der erfindungsgemäßen Anordnung von Vorteil, die Lichtquellen 3 nicht unmittelbar in der Nähe der Fläche 1 anzuordnen, sondern ihr Licht über LWL (in dieser Konfiguration nicht dargestellt) an die entsprechende Position zu bringen. Dabei sind die Lichtaustrittsflächen der Konzentratoren 2 vorteilhaft auf die Stirnflächen der LWL aufgeklebt. Als LWL werden zweckmäßig solche vom Typ HCG-MO365T-10 der Fa. Ensign-Bickford Optics Company (USA) verwendet.
Als Strahlungsquellen 3 können anstelle der im Beispiel verwendeten LED's auch spezielle Halbleiteranordnungen oder Glühlampen-Filter-Anordnungen verwendet werden. Die Konzentratoren 2 sind dann bezüglich ihrer Lichteintrittsfläche und Länge entsprechend anzupassen.
Fig. 3 zeigt eine prinzipiell anders aufgebaute erfindungsgemäße Anordnung, die gegenüber dem ersten Beispiel in der Stellung von Strahlungsquellen 3 und Empfänger 5 verändert ist. Hier sind die Strahlungsquellen 3 in Richtung der Flächennormalen der Fläche 1 angeordnet. Vorteilhaft wird dafür eine Dreifarb-LED 8 (z.B. vom Typ CMS 124 der Fa. ELCOS GmbH Pfaffenhofen, Deutschland) eingesetzt, wobei die Farbsegmente wiederum impulsartig, seriell angesteuert werden. Die Dreifarb-LED 8 wird wiederum vorteilhaft über eine Kleberschicht 9 an den Konzentrator 2, der in gleicher Weise wie im ersten Beispiel gestaltet ist, angekoppelt. Die Ankopplung erfolgt in der Art, daß das Fenstermaterial der Dreifarb-LED 8 über die Kleberschicht
9 an das Material des Konzentrators 2 bezüglich ihrer Brechungsindizes angepaßt wird (index matching). Wegen der nach der Lichtaustrittsfläche des Konzentrators 2 auftretenden Divergenz des Lichts ist wie im ersten Beispiel ein geringer Abstand zur Fläche 1 geboten. Infolge der senkrechten Stellung der Dreifarb-LED 8 mit dem vorgelagerten Konzentrator 2 ist eine Distanz von 1 bis 1,6 mm zur Fläche 1 realisierbar, wenn die Aufnahme des Remissionslichtes geeignet organisiert ist. In diesem Beispiel wird - wie Fig. 3 in Verbindung mit Fig. 4 (als Draufsicht) deutlich macht - das remittierte Licht mittels eines Empfangers 5 über ein Faserbündel aus mehreren LWL 6 aufgenommen, das konzentrisch, gleichmäßig um die entlang der Flächennormale angeordnete Strahlungsquellen-Konzentrator-Einheit verteilt ist. Dazu werden vorteilhaft Stufenindexfasern vom Typ HCG-M 0200 T-10 (Numerische Apertur: 0,22, Hersteller: Ensign-Bickford Optics Company, USA) eingesetzt. Die LWL 6 sind dabei vorteilhaft so angeordnet, daß sie das remittierte Licht unter einem Winkel von vorzugsweise 45° bezüglich der Flächennormale aufnehmen. Dazu sind zwei konstruktive Lösungen möglich.
Zum einen werden die Enden der LWL 6 unter der gewählten Winkeleinstellung (z.B. exakt 45°) justiert und vorteilhaft eingegossen. Dabei bleiben die Stirnflächen der LWL 6 senkrecht zur Faserachse und ragen praktisch aus der Verbundoberfläche heraus. Diese Variante ist nicht explizit in der Zeichnung dargestellt. Fig. 3 verdeutlicht die andere Variante, bei der der Brechungsindex von Quarzglas und der häufig vorteilhafte Umstand, daß die Oberfläche eines Meßfühlers möglichst glatt sein sollte, berücksichtigt. Hier sind die LWL 6 unter einem Winkel von 30° zur Flächennormale der Fläche 1 justiert (z.B. durch Einbettung in ein Gießharz). Die Enden der LWL 6 besitzen mit dem gleichen Winkelmaß von 30° angeschrägte Stirnflächen, so daß der Meßfühler eine ebene, glatte Oberfläche parallel zur Fläche 1 aufweist. Das Winkelmaß von 30° resultiert aus der Wahl eines LWL 6 aus Quarzglas und eines Aufhahmewinkels für das remittierte Licht von 45° und beschränkt aus diesem Grund nicht als feste Winkelangabe den Umfang der erfindungsgemäßen Lehre. Wesentlich ist, daß vorzugsweise das unter 45° remittierte Licht auf Grund des Brechzahlsprungs an der abgeschrägten Lichteintrittsfläche des LWL 6 nahezu parallel zur Faserachse in den LWL 6 hineingebrochen wird.
Als Zusatzvorteil ergibt sich damit, daß der Abstand des Meßfühlers zur Fläche 1 bis nahezu auf 1 mm verringert werden kann, so daß bei einer Lichtaustrittsfläche des Konzentrators 2 von 1,4 mm eine ausgemessene Fläche 1 von etwa 2 mm Durchmesser realisiert wird. Außerdem erfüllt die glatte Meßfühleroberfläche die Forderung der Medizintechnik, daß sie besonders leicht steril gehalten werden kann.

Claims

Patentansprüche
1. Anordnung zur punktuellen Messung der Remission von Flächen (1) fester oder flüssiger Körper in verschiedenen Spektralbereichen mit mindestens zwei Strahlungsquellen (3) unterschiedlicher Spektralbereiche und einem Empfänger (5), der mindestens für die ausgewählten unterschiedlichen Spektralbereiche empfindlich ist, wobei die Winkellage für eingestrahltes und remittiertes Licht unterschiedlich ist und einerseits der Flächennormale der Fläche (1) und andererseits einem Winkel, der wesentlich verschieden ist von Flächennormale und Flächenparallele, entspricht, dadurch gekennzeichnet, daß den Strahlungsquellen (3) ein Konzentrator (2) nachgeordnet ist, der die Form eines Kegelstumpfes besitzt und aus einem höher brechenden lichttransparenten Material, ummantelt von einem niedriger brechenden Material, besteht, so daß die Strahlung im wesentlichen durch Totalreflexion auf einen kleinen Ausschnitt der Fläche (1) konzentriert wird.
2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Konzentrator (2) ein beliebiges transparentes Material ist mit einer durch Tauchen oder Aufsprühen erzeugten Lackschicht als niedriger brechende Ummantelung, wobei das transparente Material eine möglichst wenig größere
Brechzahl gegenüber Luft besitzt.
3. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Konzentrator (2) aus Glas, insbesondere Quarzglas besteht, wobei die niedriger brechende Ummantelung durch Tapern des Glases entsteht.
4. Anordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Konzentrator (2) bei Verwendung herkömmlichen Quarzlichtleitermaterials und unter Einsatz divergenter Strahlungsquellen (3) in Form von LED einen halben Kegelwinkel von etwa einem Fünftel der numerischen Apertur eines aus gleichem
Material bestehenden Lichtwellenleiters besitzt.
5. Anordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Konzentrator (2) auf das Fenster der LED aufgeklebt ist, wobei mittels der Kleberschicht (9) der Brechungsindex von Fenstermaterial der LED und dem des
Konzentrators (2) angepaßt ist.
6. Anordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Strahlungsquellen (3) als separate LED's (3J, 3.2, 3.3) um den in Richtung der Flächennormalen angeordneten Empfänger (5) in gleichmäßigem Winkelabstand untereinander und unter annähernd 45° zur Flächennormale angeordnet sind.
7. Anordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtaustrittsflächen der Konzentratoren (2) sphärisch gestaltet sind.
8. Anordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Strahlungsquellen (3) an beliebiger Stelle entfernt von der Oberfläche angeordnet sind und an die Lichtaustrittsfläche der Konzentratoren (2) Lichtleitfasern aufgeklebt sind, wobei die Enden der Lichtleitfasern um den in Richtung der Flächennormalen befindlichen Empfanger (5) in gleichmäßigem Winkelabstand und unter annähernd 45° zur Flächennormale angeordnet sind.
9. Anordnung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtaustrittsflächen der Lichtleitfasern sphärisch gestaltet sind.
10. Anordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die unterschiedlichen Strahlungsquellen (3) in einer Dreifarb-LED (8) vereinigt sind, der ein einziger Konzentrator (2) nachgeordnet ist, wobei Dreifarb-LED (8) und Konzentrator (2) in Richtung der Flächennormale zur Fläche (1) angeordnet sind, und zur Aufnahme und Zuleitung des remittierten Lichts auf dem Empfänger (5) ein konzentrisch angeordnetes Faserbündel aus Lichtwellenleitern (6) vorgesehen ist, wobei die Farben der Dreifarb-LED (8) seriell einschaltbar sind.
11. Anordnung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Enden der Lichtwellenleiter (6) unter einem Winkel von annähernd 45° zur Flächennormale der Fläche (1) angeordnet sind.
12. Anordnung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Enden der Lichtwellenleiter (6) unter einem Winkel von etwa 30° zur Flächennormale der Fläche (1) angeordnet sind und deren Stirnflächen um den gleichen Winkel abgeschrägt sind, wobei die Lichtwellenleiter (6) aus Quarzglas bestehen und deren Stirnflächen in derselben Ebene wie der über den Konzentrator (2) vermittelten
Lichtaustritt der Dreifarb-LED (8) parallel zur Fläche (1) liegen.
13. Anordnung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Konzentrator (2) über eine Kleberschicht (9) mit der Dreifarb-LED (8) verbunden ist, wobei über die Kleberschicht (9) die Brechungsindizes vom Fenster der Dreifarb-LED (8) und vom Konzentrator (2) einander angepaßt sind.
14. Anordnung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtaustrittsfläche des Konzentrators (2) sphärisch geformt ist.
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