EP2235503A1 - Arrangement for determining the reflectivity of a sample - Google Patents
Arrangement for determining the reflectivity of a sampleInfo
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- EP2235503A1 EP2235503A1 EP08862939A EP08862939A EP2235503A1 EP 2235503 A1 EP2235503 A1 EP 2235503A1 EP 08862939 A EP08862939 A EP 08862939A EP 08862939 A EP08862939 A EP 08862939A EP 2235503 A1 EP2235503 A1 EP 2235503A1
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- light
- measuring
- intensity
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- 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
- G01N21/25—Colour; Spectral properties, i.e. comparison of effect of material on the light at two or more different wavelengths or wavelength bands
- G01N21/27—Colour; Spectral properties, i.e. comparison of effect of material on the light at two or more different wavelengths or wavelength bands using photo-electric detection ; circuits for computing concentration
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- G01N21/276—Calibration, base line adjustment, drift correction with alternation of sample and standard in optical path
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- 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
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- G01N21/474—Details of optical heads therefor, e.g. using optical fibres
- G01N2021/4742—Details of optical heads therefor, e.g. using optical fibres comprising optical fibres
Definitions
- the invention relates to an arrangement for measuring the reflectance of the direct or scattered reflection of a sample, with a light source for separate illumination of the sample on the one hand and of comparison surfaces on the other hand, as well as with an evaluation circuit for computational linkage of the determined from the comparison surfaces intensity values to the reflectance.
- Arrangements for determining the reflectance of sample surfaces are known in the prior art in which a white standard area and a black standard area are used as comparison areas. In each case at the beginning of the measurements, a measuring scale is determined with these two standards and the measuring instrument is calibrated with this scale. Between the two standard values formed by the white standard and the black standard, both measured at the same place as the sample, the reflectance determined by the sample surface is arranged.
- the system parameters change because, for example, the intensity of the light source decreases or the sensitivity of sensors used for the optoelectronic conversion of received signals changes. To compensate for these changes, recalibrating the scale is required for repeated measurements.
- the sample is removed from the sample plane, in its place first the white standard area and then the black standard area or vice versa positioned and thus redefined the measuring scale.
- This procedure can only be used in the laboratory because of the relatively large time required for the calibration. In the process measuring, however, these interruptions are annoying and in many cases not possible.
- measuring processes must also be interrupted for the swiveling in and out of the white and black areas and thus can not run continuously.
- the invention has the object, an arrangement of the type mentioned in such a way that a more efficient determination of the reflectance of samples or sample surfaces is guaranteed than in the prior art.
- This object is achieved with an arrangement comprising: a) a light source for separate illumination of both a white surface and a measuring surface, wherein
- a white standard, a black standard and the sample surface are provided for the embodiment of the measuring surface, and
- the white surface is formed diffusely reflecting, and the light source, the white surface and the means for intensity measurement are enclosed on all sides by the housing of a measuring head, whereas the measuring surface is arranged outside the measuring head.
- the housing of the measuring head has an area which is transparent to the light emanating from the light source and to the light reflected from the measuring area. Because of the integration of the white surface in the housing enclosed by the measuring head is below also the term internal white area used.
- At least one optoelectronic transducer is provided as a means for measuring the intensity, which is referred to hereinafter as a detector in connection with the invention described herein, and are optical fibers each with upstream coupling optics for detecting and transmitting light which is reflected at the internal white area, and of light reflected at the measuring surface to the detector.
- a plurality of coupling-in optics with a downstream optical waveguide are arranged radially symmetrically with respect to the measuring surface for detecting light reflected at the measuring surface.
- a first shutter is arranged in the transmission path of the light which is reflected from the measuring surface and passes to the detector, and a second shutter is arranged in the transmission path of the light which is reflected by the internal white surface and reaches the detector.
- the two shutters are provided for blocking or release of the respective transmission path and designed accordingly.
- the measurement of intensity values depending on the blocking or release of the transmission paths is provided as follows:
- Ip the intensity of the light reflected from the sample.
- the first white standard area is inclined to the direction of propagation of the light reflected by the measuring area in such a way that this light does not strike the internal white area. This ensures that the result of the measurement of the intensity I w of light reflected from the internal white surface can not be falsified by light reflected from the measurement surface.
- the internal white surface is of annular design and a plurality of coupling optics are positioned on a centrally arranged circumference, which are each connected via optical waveguides and a shutter to a detector, the detectors are sensitive to different wavelength ranges.
- the arrangement according to the invention for an extremely broad wavelength range of the illuminating light directed at a sample.
- three detectors may be provided, one of which is sensitive to the visible light wavelength range (VIS), a second to the near infrared wavelength range (NIR) and the third to the ultraviolet light wavelength range (UV).
- VIS visible light wavelength range
- NIR near infrared wavelength range
- UV ultraviolet light wavelength range
- a light source which emits light with a spectral-isotropic intensity distribution.
- This can be formed, for example, as a reflector lamp.
- the detector may be designed as a photodiode and the evaluation circuit for registering and linking integral intensity values.
- the detector is part of a spectrometer and a having spatially resolving receiving surface.
- the spectrometer can be equipped with two light entry gaps, wherein the transmission of light reflected at the internal white surface to a first entrance slit of the spectrometer and the transmission of light reflected at the measuring surface to the other entrance slit of the spectrometer.
- the light incident through the two entrance slits is directed onto the receiving surface, and the evaluation circuit is designed to register and link spectrally resolved intensity values.
- the spatial beam intensity distribution for example, a reflector lamp is exploited in such a way that the axial and radial dependencies on the sample or sample surface resulting irradiance in the largest possible range of the working distance, that is the distance between the light source and the measuring surface, each other compensate, and so a reflection measured value is obtained, which is largely independent of the working distance.
- Fig.l is an illustration of the basic structure of the inventive arrangement
- FIG. 2 shows a plan view of the arrangement according to Fig.l
- FIG. 4 shows an example of the arrangement of a shutter in a realized by means of optical waveguide transmission path of the measuring or reference light to the spectrometer
- FIG. 6 shows a timing diagram for some measured quantities to illustrate the principle of internal referencing.
- Fig.l shows a built-in a measuring head 1 reflector lamp 2, of which a first radiation component 3 is directed through a Meßkopf needs 4 on a sample holder 5.
- the sample holder 5 is provided and designed to receive a white standard 6, a black standard 7 and a sample 8 for which the reflectance R P is to be determined.
- White standard 6, black standard 7 and sample 8 can be positioned on the sample holder 5 and are interchangeable there in a given sequence.
- a second radiation component 9 of the light coming from the reflector lamp 2 is directed to a scattered reflective surface designed as a measuring standard of another white standard, referred to below as an internal white surface 10.
- optical waveguide 11, 12, 13 and 14 are provided within the measuring head.
- the optical waveguide 11 is preceded by a coupling-in optical system 15 which is positioned so that it receives the radiation reflected by the internal white surface 10 and couples it into the optical waveguide 11.
- the light coupled into the optical waveguide 11 by means of the coupling optical system 15 passes to the light entry side of a shutter 16, the light exit side of which is optically connected to the optical waveguide 12.
- the optical waveguide 12 is in communication with a first entrance slit 17 of a spectrometer 18.
- the optical waveguide 13 is preceded by a coupling optics 19, which is provided for collecting light and is formed, which is reflected by a measuring surface, either from the located on the sample holder 5 white standard 6, black standard 7 or the surface of the sample 8 and by the Meßkopf mitogen 4 enters the measuring head 1 inside.
- the coupled from the coupling optics 19 in the optical waveguide 13 light is propagated within the optical waveguide 13 to the light entrance side of a shutter 20 and passes from the light exit side of the shutter 20 in the optical waveguide 14.
- the optical waveguide 14 terminates in a second entrance slit 21 of the spectrometer 18th
- the coupling optics 15, optical fibers 11, shutter 16 and optical fibers 12 form a transmission path for light to the spectrometer 18, which is reflected by the internal white surface 10
- the coupling optics 19, the optical waveguide 13, the shutter 12 and the optical waveguide 14 form a transmission path for reflected light from the measuring surface to the spectrometer 18th
- the spatially resolving receiving surface 22 of a detector to which both the spectrum of light entering through the entrance slit 17 and the spectrum of the light entering through the entrance slit 21 strikes.
- the signal outputs of the receiving surface 22 and the control inputs of the shutters 16 and 20 are in communication with an evaluation circuit (not shown in the drawing) for registering intensity values for light reflected at the internal white area 10 and at the measurement area, i. is formed on the white standard 6, on the black standard 7 or on the sample 8 reflected light and the mathematical combination of these intensity values.
- the measurement of the intensity values is carried out as a function of the blocking or release of the transmission paths as follows, wherein in the exemplary embodiment of spectrally measured, dependent on the wavelength intensities is to be assumed:
- Ip the intensity of the light reflected from the sample 8.
- I W I- (R F + R W. [ ⁇ - R F ] 2 ) + I D
- I S I- (R F + R S - [IR F ] 2 ) + I D
- I P I- (R F + R P - [ ⁇ - R F ] 2 ) + I D
- R N reflectance of white standard 6
- R Wl reflectance of internal white 10
- R 3 reflectance of black standard 7
- Rp reflectance of the sample 8
- an output calibration is first carried out based on the measurement surface as used in a predetermined sequence white standard 6 and black standards 7 by the intensity values I w, I Wl, s are measured I 0 and I.
- the intensity values at time t ⁇ of the output calibration are calculated together as follows:
- the intensity I 0 of the unlit detector surface is calculated out of the measured intensities I w , Is and I Wl .
- the calculated differences D ws , D 5 and D Wl o are retained until the next external calibration.
- the output calibration is successfully completed when the intensities remitted by the corresponding external standards 6 and 7 and by the internal white area 10 have been measured as intensity values I W1 , I D , Is and I w with the integration time it.
- an internal referencing for the purpose of recalibration is carried out at predetermined time intervals ⁇ t in order to compensate for the change in system parameters and thereby obtain the long-term stability.
- the quotient display is updated.
- the reflectance R P (t) of the sample 8 or sample surface at time t results from the quotient of the measured values Q (t) and the certified values of the white or black standards R w and Rs used in the initial calibration:
- the measured reflectivities Rp (t) are then valid only with respect to the specific instances of the standards R w and R s and not independent of them.
- FIG. 6 shows by way of example a time diagram for a few values.
- the internal white surface 10 is formed annularly on the inside of a truncated cone, which is centered to the propagation direction of the reflector lamp 2 for measuring head window 4 or to the sample holder 5 is directed. This can be seen in connection with Figure 2, a plan view in the direction D from Fig.l on the truncated cone.
- FIG. 2 further shows a circumference 24 arranged concentrically thereon, on which - optionally in a special embodiment of the arrangement according to the invention - in addition to the already described coupling optics 15 and 19, to the optical waveguides 11, 12, 13, 14, to the shutters 16 and 20 and to the spectrometer 18 further, not provided with separate reference numerals coupling optical waveguide and shutter and connected in the same manner as already described with spectrometers, the additional spectrometers are sensitive to different wavelength ranges.
- FIG. 3 a likewise advantageous embodiment of the arrangement according to the invention.
- This embodiment has the purpose of exploiting the spatial beam intensity distribution of the reflector lamp 2 used here, for example, in such a way that compensate the axial and radial dependencies of the irradiation intensity resulting on the surface of the sample 8 in the largest possible range of the working distance z and so the to be determined reflection measurement R P from the working distance z is largely independent.
- Angle ⁇ > 4 °, where the apex of the angle ⁇ is at z 100 mm.
- FIG. 4 An integration of the shutter 16, 20 in the optical waveguide 11, 12 and 13, 14 is shown in Figure 4 by way of example with reference to the shutter 16.
- FIG. 5 shows, with a view from the reflector lamp 2 on the circular Meßkopf cup 4 an example of the arrangement of several coupling optics radially symmetrical to the direction of irradiation of the light on the measuring surface.
- the other coupling optics like the coupling optics 19, are each followed by an optical waveguide in which the measuring surface is reflected by the measuring head window 4 into the measuring head 1 and deflected by the coupling optics collected light is first forwarded to the shutter 20, from where it via the common optical waveguide 14 and the entrance slit 21 on the receiving surface 22 passes.
- embodiments are included in the inventive concept in which the spectrometer has only one entrance slit, the light paths are brought together in front of the spectrometer and then the light passes through the one entrance slit and the respective spectrum is imaged on the receiving surface 22.
- a particular advantage of the arrangement according to the invention is that it can be used both for measuring the direct reflection from a sample surface and for measuring the scattered reflection of a sample.
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Abstract
The invention relates to an arrangement for measuring the reflectivity of the direct or scattered reflection of a sample (8), having a light source for separately lighting the sample (8) and of comparative surfaces. The arrangement comprises, in addition to the light source, preferably a reflector lamp (2), - a white standard (6), a black standard (7), and the surface of the sample (8) for embodying a measurement surface, wherein the exchange of the white standard (6), the black standard (7) and the sample (8) is provided in a prescribed sequence relative to each other, - means for measuring the intensity of the light reflected from an internal white surface (10) and for measuring the intensity of the light reflected from each measuring surface, and - an evaluation circuit designed for registering the measured intensity values and for linking the same mathematically to the reflectivity.
Description
Anordnung zum Bestimmen des Reflexionsgrades einer Probe Arrangement for determining the reflectance of a sample
Die Erfindung bezieht sich auf eine Anordnung zum Messen des Reflexionsgrades der direkten oder gestreuten Reflexion einer Probe, mit einer Lichtquelle zur gesonderten Beleuchtung der Probe einerseits und von Vergleichsflächen andererseits, sowie mit einer Auswerteschaltung zur rechnerischen Verknüpfung der von den Vergleichsflächen ermittelten Intensitätswerte zu dem Reflexionsgrad.The invention relates to an arrangement for measuring the reflectance of the direct or scattered reflection of a sample, with a light source for separate illumination of the sample on the one hand and of comparison surfaces on the other hand, as well as with an evaluation circuit for computational linkage of the determined from the comparison surfaces intensity values to the reflectance.
Im Stand der Technik sind Anordnungen zur Bestimmung des Reflexionsgrades von Probenoberflächen bekannt, bei denen als Vergleichsflächen eine Weißstandardfläche und eine Schwarzstandardfläche verwendet werden. Jeweils zu Beginn der Messungen wird mit diesen beiden Standards eine Meßskala festgelegt und mit dieser Skala das Meßgerät kalibriert. Zwischen den beiden von dem Weißstandard und dem Schwarzstandard gebildeten Eckwerten, beide am selben Ort wie die Probe gemessen, ordnet sich der von der Probenoberfläche ermittelte Reflexionsgrad ein.Arrangements for determining the reflectance of sample surfaces are known in the prior art in which a white standard area and a black standard area are used as comparison areas. In each case at the beginning of the measurements, a measuring scale is determined with these two standards and the measuring instrument is calibrated with this scale. Between the two standard values formed by the white standard and the black standard, both measured at the same place as the sample, the reflectance determined by the sample surface is arranged.
Allerdings ändern sich bei den zur Reflexionsmessung genutzten Meßgeräten die Systemparameter, da beispielsweise die Intensität der Lichtquelle nachläßt oder sich die Empfindlichkeit von Sensoren ändert, die zur optoelektronischen Wandlung von Empfangssignalen dienen. Um diese Änderungen zu kompensieren, ist bei wiederholt durchzuführenden Messungen eine Rekalibrierung der Meßskala erforderlich.However, in the measuring devices used for reflection measurement, the system parameters change because, for example, the intensity of the light source decreases or the sensitivity of sensors used for the optoelectronic conversion of received signals changes. To compensate for these changes, recalibrating the scale is required for repeated measurements.
Im einfachsten Fall wird dazu die Probe aus der Probenebene entfernt, an deren Stelle zunächst die Weißstandardfläche
und danach die Schwarzstandardfläche oder umgekehrt positioniert und damit die Meßskala neu definiert. Diese Verfahrensweise ist wegen der für die Kalibrierung erforderlichen verhältnismäßig großen Zeitdauer lediglich im Labor einsetzbar. In der Prozeßmeßtechnik dagegen sind diese Unterbrechungen störend und in vielen Fällen auch gar nicht möglich.In the simplest case, the sample is removed from the sample plane, in its place first the white standard area and then the black standard area or vice versa positioned and thus redefined the measuring scale. This procedure can only be used in the laboratory because of the relatively large time required for the calibration. In the process measuring, however, these interruptions are annoying and in many cases not possible.
Zwar sind Systeme bekannt, bei denen die Dauer der Unterbrechung reduziert wird, indem nur einmal zu Beginn eines Meßprozesses mit den beiden Standards das System kalibriert wird und dann jeweils nach einem vorgegebenen Zeitabschnitt, beispielsweise einer Stunde, Änderungen der Systemparameter kompensiert dadurch werden, daß innerhalb der Meßeinrichtung zusätzliche Flächen, jeweils eine für Schwarz und eine für Weiß, zeitlich nacheinander in den Meßlichtstrahlengang eingeschwenkt werden und als Vergleichsflächen dienen.Although systems are known in which the duration of the interruption is reduced by the system is calibrated only once at the beginning of a measurement process with the two standards and then after a predetermined period of time, for example one hour, changes in the system parameters are compensated by that within the measuring device additional surfaces, one each for black and one for white, are temporally successively pivoted into the Meßlichtstrahlengang and serve as reference surfaces.
Für das Ein- und Ausschwenken der Weiß- und Schwarzflächen müssen allerdings ebenfalls Meßprozesse unterbrochen werden und können somit nicht kontinuierlich ablaufen.However, measuring processes must also be interrupted for the swiveling in and out of the white and black areas and thus can not run continuously.
Außerdem kann bei den aus dem Stand der Technik bekannten Meßgeräten nicht ausgeschlossen werden, daß von der Probenoberfläche reflektiertes Licht auf die Sensoren einstrahlt und dadurch eine exakte Kalibrierung verhindert wird.In addition, it can not be ruled out in the measuring devices known from the prior art that light reflected from the sample surface irradiates the sensors, thereby preventing exact calibration.
Davon ausgehend liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Anordnung der eingangs genannten Art so weiterzubilden, daß eine effizientere Bestimmung des Reflexionsgrades von Proben bzw. Probenoberflächen als bisher im Stand der Technik gewährleistet ist.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst mit einer Anordnung, umfassend: a) eine Lichtquelle zur gesonderten Beleuchtung sowohl einer Weißfläche als auch einer Meßfläche, wobeiOn this basis, the invention has the object, an arrangement of the type mentioned in such a way that a more efficient determination of the reflectance of samples or sample surfaces is guaranteed than in the prior art. This object is achieved with an arrangement comprising: a) a light source for separate illumination of both a white surface and a measuring surface, wherein
- zur Verkörperung der Meßfläche ein Weißstandard, ein Schwarzstandard und die Probenoberfläche vorgesehen sind, unda white standard, a black standard and the sample surface are provided for the embodiment of the measuring surface, and
- ein Austausch des Weißstandards, des Schwarzstandards und der Probe in einer vorgegebenen Folge gegeneinander vorgesehen ist, b) Mittel zur Messung der Intensität des von der Weißfläche reflektierten Lichts und zur Messung der Intensität des jeweils von der Meßfläche reflektierten Lichts, c) eine Auswerteschaltung, ausgebildet zum Registrieren der gemessenen Intensitätswerte und zu deren rechnerischer Verknüpfung zu dem Reflexionsgrad.b) means for measuring the intensity of the light reflected from the white surface and for measuring the intensity of the light reflected from the measuring surface, c) an evaluation circuit, configured to register the measured intensity values and their computational link to the reflectance.
Damit wird vorteilhaft erreicht, daß die Kalibrierung während eines Meßprozesses beliebig oft und in beliebig vorgegebenen Zeitabschnitten erneut vorgenommen werden kann ohne den Meßablauf erheblich zu stören, wie weiter unten anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert wird.This is advantageously achieved that the calibration during a measuring process as often as desired and in any predetermined periods of time can be made without significantly disturbing the measurement process, as will be explained below with reference to exemplary embodiments.
Vorteilhaft ist die Weißfläche diffus reflektierend ausgebildet, und die Lichtquelle, die Weißfläche und die Mittel zur Intensitätsmessung sind allseitig vom Gehäuse eines Meßkopfes umschlossen, wohingegen die Meßfläche außerhalb des Meßkopfes angeordnet ist. Diesbezüglich weist das Gehäuse des Meßkopfes einen Bereich auf, der für das von der Lichtquelle ausgehende und für das von der Meßfläche reflektierte Licht transparent ist. Wegen der Integration der Weißfläche in den vom Gehäuse umschlossenen Meßkopf wird
nachfolgend auch die Bezeichnung interne Weißfläche verwendet.Advantageously, the white surface is formed diffusely reflecting, and the light source, the white surface and the means for intensity measurement are enclosed on all sides by the housing of a measuring head, whereas the measuring surface is arranged outside the measuring head. In this regard, the housing of the measuring head has an area which is transparent to the light emanating from the light source and to the light reflected from the measuring area. Because of the integration of the white surface in the housing enclosed by the measuring head is below also the term internal white area used.
Als Mittel zur Intensitätsmessung ist mindestens ein optoelektronischer Wandler vorgesehen, der im Zusammenhang mit der hier beschriebenen Erfindung nachfolgend als Detektor bezeichnet wird, und es sind Lichtwellenleiter mit jeweils vorgeordneter Einkoppeloptik zur Erfassung und zur Übertragung von Licht, das an der internen Weißfläche reflektiert wird, und von Licht, das an der Meßfläche reflektiert wird, zu dem Detektor vorhanden.At least one optoelectronic transducer is provided as a means for measuring the intensity, which is referred to hereinafter as a detector in connection with the invention described herein, and are optical fibers each with upstream coupling optics for detecting and transmitting light which is reflected at the internal white area, and of light reflected at the measuring surface to the detector.
In einer bevorzugten Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Anordnung sind zur Erfassung von an der Meßfläche reflektiertem Licht mehrere Einkoppeloptiken mit einem nachgeord- neten Lichtwellenleiter radialsymmetrisch zur Meßfläche angeordnet. Damit ist der Einfluß von Strukturen auf das Ergebnis der Intensitätsmessung vermindert, da der Messung nicht nur das Licht zugrunde liegt, das von lediglich einer Reflektionsrichtung zum Detektor gelangt. Der Einfluß von Strukturen wird um so besser kompensiert, je mehr Einkoppelpositionen rings um die Meßfläche positioniert sind.In a preferred refinement of the arrangement according to the invention, a plurality of coupling-in optics with a downstream optical waveguide are arranged radially symmetrically with respect to the measuring surface for detecting light reflected at the measuring surface. Thus, the influence of structures on the result of the intensity measurement is reduced because the measurement is not only based on the light that passes from only one direction of reflection to the detector. The influence of structures is better compensated the more coupling positions are positioned around the measuring surface.
In den Übertragungsweg des Lichts, das von der Meßfläche reflektiert wird und zum Detektor gelangt, ist ein erster Shutter eingeordnet, und in den Übertragungsweg des Lichts, das von der internen Weißfläche reflektiert wird und zum Detektor gelangt, ist ein zweiter Shutter eingeordnet. Die beiden Shutter sind zur Sperrung oder Freigabe des jeweiligen Übertragungsweges vorgesehen und entsprechend ausgebildet.
Dabei ist die Messung von Intensitätswerten in Abhängigkeit von der Sperrung oder Freigabe der Übertragungswege wie folgt vorgesehen:A first shutter is arranged in the transmission path of the light which is reflected from the measuring surface and passes to the detector, and a second shutter is arranged in the transmission path of the light which is reflected by the internal white surface and reaches the detector. The two shutters are provided for blocking or release of the respective transmission path and designed accordingly. The measurement of intensity values depending on the blocking or release of the transmission paths is provided as follows:
mit :With :
Iw der Intensität des vom Weißstandard reflektierten Lichts,Iw the intensity of the light reflected by the white standard,
Iwi der Intensität des von der internen Weißfläche reflektierten Lichts,Iwi the intensity of the light reflected from the internal white area,
ID der Intensität bei unbeleuchteter Detektoroberfläche,I D intensity with unlit detector surface,
I3 der Intensität des vom Schwarzstandard reflektierten Lichts, undI 3 the intensity of the light reflected by the black standard, and
Ip der Intensität des von der Probe reflektierten Lichts .Ip the intensity of the light reflected from the sample.
Aus den so ermittelten Intensitätswerten ist die Ermittlung eines korrigierten Reflexionsgrades RP in der Weise vorgesehen, wie weiter unten an einem Beispiel erläutert wird.From the intensity values thus determined, the determination of a corrected reflectance R P is provided in the manner explained below on an example.
Von besonderem Vorteil ist es, wenn die erste Weißstandardfläche zu der Ausbreitungsrichtung des von der Meßfläche reflektierten Lichts so geneigt ist, daß dieses Licht nicht auf die interne Weißfläche trifft. Damit wird sichergestellt, daß das Ergebnis der Messung der Intensität Iw des
von der internen Weißfläche reflektierten Lichts nicht von Licht verfälscht werden kann, das von der Meßfläche reflektiert wird.It is particularly advantageous if the first white standard area is inclined to the direction of propagation of the light reflected by the measuring area in such a way that this light does not strike the internal white area. This ensures that the result of the measurement of the intensity I w of light reflected from the internal white surface can not be falsified by light reflected from the measurement surface.
Weiterhin ist es von Vorteil, wenn die interne Weißfläche kreisringförmig ausgebildet ist und auf einem zentrisch dazu angeordneten Umkreis mehrere Einkoppeloptiken positioniert sind, die jeweils über Lichtwellenleiter und einen Shutter mit einem Detektor verbunden sind, wobei die Detektoren für unterschiedliche Wellenlängenbereiche empfindlich sind.Furthermore, it is advantageous if the internal white surface is of annular design and a plurality of coupling optics are positioned on a centrally arranged circumference, which are each connected via optical waveguides and a shutter to a detector, the detectors are sensitive to different wavelength ranges.
Mit dieser Ausgestaltung ist es möglich, die erfindungsgemäße Anordnung für einen extrem breiten Wellenlängenbereich des auf eine Probe gerichteten Beleuchtungslichts zu nutzen. So können beispielsweise drei Detektoren vorgesehen sein, von denen einer für den Wellenlängenbereich des visuell wahrnehmbaren Lichts (VIS) , ein zweiter für den nahen Infrarot-Wellenlängenbereich (NIR) und der dritte für den Wellenlängenbereich des ultravioletten Lichts (UV) empfindlich ist.With this embodiment, it is possible to use the arrangement according to the invention for an extremely broad wavelength range of the illuminating light directed at a sample. For example, three detectors may be provided, one of which is sensitive to the visible light wavelength range (VIS), a second to the near infrared wavelength range (NIR) and the third to the ultraviolet light wavelength range (UV).
Ebenfalls besonders vorteilhaft ist es, eine Lichtquelle vorzusehen, die Licht mit spektral-isotroper Intensitätsverteilung abstrahlt. Diese kann beispielsweise als Reflektorlampe ausgebildet sein.It is also particularly advantageous to provide a light source which emits light with a spectral-isotropic intensity distribution. This can be formed, for example, as a reflector lamp.
Im einfachen Fall können der Detektor als Photodiode und die Auswerteschaltung zur Registrierung und Verknüpfung integraler Intensitätswerte ausgebildet sein.In the simple case, the detector may be designed as a photodiode and the evaluation circuit for registering and linking integral intensity values.
Höhere Meßgenauigkeiten lassen sich jedoch erzielen, wenn der Detektor Bestandteil eines Spektrometers ist und eine
ortsauflösende Empfangsfläche aufweist. Dabei kann das Spektrometer mit zwei Lichteintrittsspalten ausgestattet sein, wobei die Übertragung von an der internen Weißfläche reflektiertem Licht zu einem ersten Eintrittsspalt des Spektrometers und die Übertragung von an der Meßfläche reflektiertem Licht zu dem anderen Eintrittsspalt des Spektrometers erfolgt.Higher accuracy can be achieved, however, if the detector is part of a spectrometer and a having spatially resolving receiving surface. In this case, the spectrometer can be equipped with two light entry gaps, wherein the transmission of light reflected at the internal white surface to a first entrance slit of the spectrometer and the transmission of light reflected at the measuring surface to the other entrance slit of the spectrometer.
Innerhalb des Spektrometers ist das durch die beiden Eintrittsspalte einfallende Licht auf die Empfangsfläche gerichtet, und die Auswerteschaltung ist zur Registrierung und Verknüpfung spektral aufgelöster Intensitätswerte ausgebildet .Within the spectrometer, the light incident through the two entrance slits is directed onto the receiving surface, and the evaluation circuit is designed to register and link spectrally resolved intensity values.
Bei einer ebenfalls bevorzugten Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Anordnung schließt die Ausbreitungsrichtung des von der Lichtquelle auf die Meßfläche treffenden Lichts mit der Normalen NM der Meßfläche einen Winkel α > 0 ein, und die Ausbreitungsrichtung des von der Meßfläche zur Einkoppeloptik gelangenden Lichts schließt mit der Normalen der Meßfläche einen Winkel γ = α + ß mit dem Winkel ß > 0 ein.In a likewise preferred embodiment of the arrangement according to the invention, the propagation direction of the incident of the light source on the measuring surface light with the normal N M of the measuring surface forms an angle α> 0, and the propagation direction of the light coming from the measuring surface for coupling optics closes with the normal of Measuring surface an angle γ = α + ß with the angle ß> 0 a.
Damit wird die räumliche Strahlstärkeverteilung beispielsweise einer Reflektorlampe in der Weise ausgenutzt, daß sich die axialen und radialen Abhängigkeiten der sich auf der Probe bzw. Probenoberfläche ergebenden Bestrahlungsstärke in einem möglichst großen Bereich des Arbeitsabstandes, das heißt des Abstandes zwischen der Lichtquelle und der Meßfläche, gegenseitig kompensieren und so ein Reflexionsmeßwert erhalten wird, der vom Arbeitsabstand weitestge- hend unabhängig ist.
Die Erfindung soll nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispieles näher erläutert werden. In den zugehörigen Zeichnungen zeigenThus, the spatial beam intensity distribution, for example, a reflector lamp is exploited in such a way that the axial and radial dependencies on the sample or sample surface resulting irradiance in the largest possible range of the working distance, that is the distance between the light source and the measuring surface, each other compensate, and so a reflection measured value is obtained, which is largely independent of the working distance. The invention will be explained in more detail with reference to an embodiment. In the accompanying drawings show
Fig.l eine Darstellung des prinzipiellen Aufbaues der erfindungsgemäßen Anordnung,Fig.l is an illustration of the basic structure of the inventive arrangement,
Fig.2 eine Draufsicht auf die Anordnung nach Fig.l,2 shows a plan view of the arrangement according to Fig.l,
Fig.3 die Darstellung vorteilhafter Ausbreitungsrichtungen des von der Lichtquelle auf die Meßfläche treffenden Lichts und des von der Meßfläche zur Einkoppeloptik gelangenden Lichts relativ zur Normalen der Meßfläche,3 shows the representation of advantageous propagation directions of the light striking the measuring surface from the light source and the light reaching from the measuring surface to the coupling optical light relative to the normal of the measuring surface,
Fig.4 ein Beispiel für die Einordnung eines Shutters in einen mittels Lichtwellenleiter realisierten Übertragungsweg des Meß- oder Referenzlichts zum Spek- trometer,4 shows an example of the arrangement of a shutter in a realized by means of optical waveguide transmission path of the measuring or reference light to the spectrometer,
Fig.5 ein Beispiel für die Anordnung mehrerer Einkoppeloptiken radialsymmetrisch zur Meßfläche,5 shows an example of the arrangement of several coupling optics radially symmetrical to the measuring surface,
Fig.6 ein Zeitdiagramm für einige Meßgrößen zur Veranschaulichung des Prinzips der internen Referenzie- rung.6 shows a timing diagram for some measured quantities to illustrate the principle of internal referencing.
Fig.l zeigt eine in einen Meßkopf 1 integrierte Reflektorlampe 2, von der ein erster Strahlungsanteil 3 durch ein Meßkopffenster 4 hindurch auf eine Probenhalterung 5 gerichtet ist.Fig.l shows a built-in a measuring head 1 reflector lamp 2, of which a first radiation component 3 is directed through a Meßkopffenster 4 on a sample holder 5.
Die Probenhalterung 5 ist vorgesehen und ausgebildet zur Aufnahme eines Weißstandards 6, eines Schwarzstandards 7 und einer Probe 8, für die der Reflexionsgrad RP bestimmt werden soll. Weißstandard 6, Schwarzstandard 7 und Probe 8 sind auf der Probenhalterung 5 positionierbar und dort in einer vorgegebenen Folge gegeneinander austauschbar.
Innerhalb des Meßkopfes 1 ist ein zweiter Strahlungsanteil 9 des von der Reflektorlampe 2 kommenden Lichts auf eine gestreut reflektierende, als Maßverkörperung eines weiteren Weißstandards ausgebildete Fläche gerichtet, im Folgenden als interne Weißfläche 10 bezeichnet.The sample holder 5 is provided and designed to receive a white standard 6, a black standard 7 and a sample 8 for which the reflectance R P is to be determined. White standard 6, black standard 7 and sample 8 can be positioned on the sample holder 5 and are interchangeable there in a given sequence. Within the measuring head 1, a second radiation component 9 of the light coming from the reflector lamp 2 is directed to a scattered reflective surface designed as a measuring standard of another white standard, referred to below as an internal white surface 10.
Weiterhin sind innerhalb des Meßkopfes 1 Lichtwellenleiter 11, 12, 13 und 14 vorgesehen. Dem Lichtwellenleiter 11 ist eine Einkoppeloptik 15 vorgeordnet, die so positioniert ist, daß sie die von der internen Weißfläche 10 gestreut reflektierte Strahlung aufnimmt und in den Lichtwellenleiter 11 einkoppelt. Das mittels der Einkoppeloptik 15 in den Lichtwellenleiter 11 eingekoppelte Licht gelangt zur Lichteintrittsseite eines Shutters 16, dessen Lichtaustrittsseite optisch mit dem Lichtwellenleiter 12 verbunden ist. Der Lichtwellenleiter 12 steht mit einem ersten Eintrittsspalt 17 eines Spektrometers 18 in Verbindung.Furthermore, 1 optical waveguide 11, 12, 13 and 14 are provided within the measuring head. The optical waveguide 11 is preceded by a coupling-in optical system 15 which is positioned so that it receives the radiation reflected by the internal white surface 10 and couples it into the optical waveguide 11. The light coupled into the optical waveguide 11 by means of the coupling optical system 15 passes to the light entry side of a shutter 16, the light exit side of which is optically connected to the optical waveguide 12. The optical waveguide 12 is in communication with a first entrance slit 17 of a spectrometer 18.
Dem Lichtwellenleiter 13 ist eine Einkoppeloptik 19 vorgeordnet, die zum Aufsammeln von Licht vorgesehen und ausgebildet ist, das von einer Meßfläche, nämlich entweder von dem sich auf der Probenhalterung 5 befindenden Weißstandard 6, Schwarzstandard 7 oder der Oberfläche der Probe 8 reflektiert wird und das durch das Meßkopffenster 4 in den Meßkopf 1 hinein gelangt.The optical waveguide 13 is preceded by a coupling optics 19, which is provided for collecting light and is formed, which is reflected by a measuring surface, either from the located on the sample holder 5 white standard 6, black standard 7 or the surface of the sample 8 and by the Meßkopffenster 4 enters the measuring head 1 inside.
Das von der Einkoppeloptik 19 in den Lichtwellenleiter 13 eingekoppelte Licht wird innerhalb des Lichtwellenleiters 13 zur Lichteintrittsseite eines Shutters 20 fortgeleitet und gelangt von der Lichtaustrittsseite des Shutters 20 in den Lichtwellenleiter 14. Der Lichtwellenleiter 14 endet in einem zweiten Eintrittsspalt 21 des Spektrometers 18.
Somit bilden die Einkoppeloptik 15, Lichtwellenleiter 11, Shutter 16 und Lichtwellenleiter 12 einen Übertragungsweg für Licht zum Spektrometer 18, das von der internen Weißfläche 10 reflektiert wird, und die Einkoppeloptik 19, der Lichtwellenleiter 13, der Shutter 12 und der Lichtwellenleiter 14 bilden einen Übertragungsweg für von der Meßfläche reflektiertes Licht zum Spektrometer 18.The coupled from the coupling optics 19 in the optical waveguide 13 light is propagated within the optical waveguide 13 to the light entrance side of a shutter 20 and passes from the light exit side of the shutter 20 in the optical waveguide 14. The optical waveguide 14 terminates in a second entrance slit 21 of the spectrometer 18th Thus, the coupling optics 15, optical fibers 11, shutter 16 and optical fibers 12 form a transmission path for light to the spectrometer 18, which is reflected by the internal white surface 10, and the coupling optics 19, the optical waveguide 13, the shutter 12 and the optical waveguide 14 form a transmission path for reflected light from the measuring surface to the spectrometer 18th
Innerhalb des Spektrometers 18 befindet sich die ortsauflösende Empfangsfläche 22 eines Detektors, auf welche sowohl das Spektrum des durch den Eintrittsspalt 17 eintretenden Lichts als auch das Spektrum des durch den Eintrittsspalt 21 eintretenden Lichts trifft.Within the spectrometer 18 is the spatially resolving receiving surface 22 of a detector to which both the spectrum of light entering through the entrance slit 17 and the spectrum of the light entering through the entrance slit 21 strikes.
Die Signalausgänge der Empfangsfläche 22 und die Steuereingänge der Shutter 16 und 20 stehen mit einer (zeichnerisch nicht dargestellten) Auswerteschaltung in Verbindung, die zum Registrieren von Intensitätswerten für an der internen Weißfläche 10 reflektiertes Licht und für an der Meßfläche, d.h. am Weißstandard 6, am Schwarzstandard 7 oder an der Probe 8 reflektiertes Licht sowie zur rechnerischen Verknüpfung dieser Intensitätswerte ausgebildet ist.The signal outputs of the receiving surface 22 and the control inputs of the shutters 16 and 20 are in communication with an evaluation circuit (not shown in the drawing) for registering intensity values for light reflected at the internal white area 10 and at the measurement area, i. is formed on the white standard 6, on the black standard 7 or on the sample 8 reflected light and the mathematical combination of these intensity values.
Die Messung der Intensitätswerte wird dabei in Abhängigkeit von der Sperrung oder Freigabe der Übertragungswege wie folgt vorgenommen, wobei hier im Ausführungsbeispiel von spektral gemessenen, von der Wellenlänge abhängigen Intensitäten ausgegangen werden soll:The measurement of the intensity values is carried out as a function of the blocking or release of the transmission paths as follows, wherein in the exemplary embodiment of spectrally measured, dependent on the wavelength intensities is to be assumed:
mit :With :
Iw der Intensität des vom Weißstandard 6 reflektierten Lichts,I w the intensity of the light reflected by the white standard 6,
IWl der Intensität des von der internen Weißflache 10 reflektierten Lichts,I Wl the intensity of the light reflected from the internal white surface 10,
ID der Intensität bei unbeleuchteter Detektoroberflache,I D intensity with unlit detector surface,
I3 der Intensität des vom Schwarzstandard 7 reflektierten Lichts, undI 3 the intensity of the light reflected by the black standard 7, and
Ip der Intensität des von der Probe 8 reflektierten Lichts.Ip the intensity of the light reflected from the sample 8.
Für die reflektierten Intensitäten gilt jeweils:The following applies to the reflected intensities:
IW=I-(RF+RW.[\-RF]2)+ID I W = I- (R F + R W. [\ - R F ] 2 ) + I D
IS=I-(RF+RS-[I-RF]2)+ID I S = I- (R F + R S - [IR F ] 2 ) + I D
IP=I-(RF+RP-[\-RF]2)+ID I P = I- (R F + R P - [\ - R F ] 2 ) + I D
mitWith
I : Intensität des Strahlungsanteils 3 zur externenI: intensity of the radiation component 3 to the external
Meßflache, I2 : Intensität des Strahlungsanteils 9 zur internenMeasuring surface, I 2 : intensity of the radiation component 9 to the internal
Weißflache 10,White surface 10,
RN : Reflexionsgrad des Weißstandards 6, RWl : Reflexionsgrad der internen Weißflache 10, R3 : Reflexionsgrad des Schwarzstandards 7,
Rp : Reflexionsgrad der Probe 8,R N : reflectance of white standard 6, R Wl : reflectance of internal white 10, R 3 : reflectance of black standard 7, Rp: reflectance of the sample 8,
RF : Reflexionsgrad des Meßkopffensters 4,R F : reflectance of Meßkopffensters 4,
Meßablauf und Ermittlung des Reflexionsgrades sind beispielhaft wie folgt vorgesehen:Measurement sequence and determination of the reflectance are provided as an example as follows:
Zu einem Zeitpunkt tθ zu Beginn eines Meßprozesses wird zunächst eine Ausgangskalibrierung anhand des in vorgegebener Folge als Meßfläche genutzten Weißstandards 6 und Schwarzstandards 7 vorgenommen, indem die Intensitätswerte Iw, IWl, I0 und Is gemessen werden.At a time tθ at the beginning of a measuring process an output calibration is first carried out based on the measurement surface as used in a predetermined sequence white standard 6 and black standards 7 by the intensity values I w, I Wl, s are measured I 0 and I.
Die Messungen erfolgen zum Zeitpunkt tθ und zu allen späteren Zeitpunkten t > tθ einheitlich mit der Integrationszeit it = min(ite, It1), wobei ite und iti die Integrationszeiten bei vollausgesteuerten Signalen Iw bzw. IWl zum Zeitpunkt tθ der Ausgangskalibrierung sind.The measurements take place at time tθ and at all subsequent times t> tθ uniformly with the integration time it = min (it e , It 1 ), where it e and iti the integration times for fully controlled signals I w and I Wl at time tθ the output calibration are.
Die Intensitätswerte zum Zeitpunkt tθ der Ausgangskalibrierung werden wie folgt miteinander verrechnet:The intensity values at time tθ of the output calibration are calculated together as follows:
Berechnung einer Differenz Dws(t0) :Calculation of a difference D ws (t0):
Dws(tθ) = Iw(tθ) -ls(tθ) = I(tO) -[l-RF]2-(Rw - Rs) Berechnung einer Differenz DWl(t0) :D ws (t θ) = I w (t θ) -l s (t θ) = I (to) - [I R F ] 2 - (R w - R s ) Calculate a difference D Wl (t0):
Dw, (O) = lWl (f0) - ID(tθ) = I1(tθ) • RWl Berechnung einer Differenz Ds(t0) :Dw, (O) = l Wl (f0) - I D (tθ) = I 1 (tθ) • R Wl Calculation of a difference D s (t0):
Ds(tθ) = Is (tθ) - ID(tθ) = I(tO) ■ (RF + Rs ■ [l - RF ]2 )D s (t θ) = I s (t θ) - I D (t θ) = I (to) ■ (R F + R s ■ [l - R F ] 2 )
Durch die Differenzbildung wird die Intensität I0 der unbeleuchteten Detektorfläche aus den gemessenen Intensitäten Iw, Is und IWl herausgerechnet.
Die berechneten Differenzen Dws, D5 und DWlo bleiben bis zur nächsten externen Kalibrierung erhalten.Due to the difference formation, the intensity I 0 of the unlit detector surface is calculated out of the measured intensities I w , Is and I Wl . The calculated differences D ws , D 5 and D Wl o are retained until the next external calibration.
Die Ausgangskalibrierung ist erfolgreich abgeschlossen, wenn die von den entsprechenden externen Standards 6 und 7 sowie von der internen Weißfläche 10 remittierten Intensitäten als Intensitätswerte IWl, ID, Is und Iw mit der Integrationszeit it gemessen worden sind.The output calibration is successfully completed when the intensities remitted by the corresponding external standards 6 and 7 and by the internal white area 10 have been measured as intensity values I W1 , I D , Is and I w with the integration time it.
Im Verlauf der dann folgenden langzeitlichen Vermessung des Probenmaterials wird in vorgegebenen Zeitabständen Δt eine interne Referenzierung zum Zweck einer Rekalibrierung vorgenommen, um die Änderung von Systemparametern auszugleichen und dadurch die Langzeitstabilität zu erhalten.In the course of the subsequent long-term measurement of the sample material, an internal referencing for the purpose of recalibration is carried out at predetermined time intervals Δt in order to compensate for the change in system parameters and thereby obtain the long-term stability.
Dazu werden lediglich die Intensitätswerte IWl(t) und ID(t) sowie der Intensitätswert IP(t) zu den Zeitpunkten t=tO+Δt anhand der Probe 8 gemessen.For this purpose, only the intensity values I W1 (t) and I D (t) and the intensity value I P (t) at the times t = t0 + Δt are measured on the basis of the sample 8.
Die Intensitätswerte werden wie folgt miteinander verrechnet: Berechnung einer Differenz DWi(t) :The intensity values are calculated as follows: Calculation of a difference D W i (t):
DW,(0 = im(0-Λ>(0 = IM) Rw,D W , (0 = i m (0-Λ> (0 = IM) Rw,
Berechnung einer Differenz DP(t) :
DP(t) = IP(t)-ID(t) = W-(RF +RP(t)-[\ -RF]2)Calculation of a difference D P (t): D P (t) = I P (t) -I D (t) = W- (R F + R P (t) - [\ -R F ] 2 )
Während die berechneten Differenzen Dws, D5 und DWlo bis zur nächsten externen Kalibrierung erhalten bleiben, werden die berechneten Differenzen DWl(t) und DP(t) zu jedem Zeitpunkt t > tθ aktualisiert.While the calculated differences D ws , D 5 and D Wl o are maintained until the next external calibration, the calculated differences D Wl (t) and D P (t) are updated at each time t> tθ.
Nach jeder internen Referenzierung wird die Quotientenbil- dung aktualisiert.
After each internal referencing, the quotient display is updated.
Sie beschreibt die relative Änderung der Empfindlichkeit und der Meßintensität, die am internen und externen Meßort gleich ist.It describes the relative change in sensitivity and measurement intensity, which is the same at the internal and external measurement location.
Die Rekalibrierung ist erfolgreich abgeschlossen, wenn die aktuellen Werte IWl(t), Io(t) gemessen und in die Berechnung des Ergebniswertes RP(t) nach unten stehender Formel eingebracht wurden:The recalibration is successfully completed when the current values I W1 (t), I0 (t) have been measured and introduced into the calculation of the result value R P (t) according to the formula below:
Die so ermittelten Differenzen und der Quotient q(t) der internen Referenzierung werden zu jedem Zeitpunkt t > tθ miteinander verrechnet in dem Quotienten Q(t) :
Dp(t) q(t) - DSQ The differences thus determined and the quotient q (t) of the internal referencing are computed with one another at each time t> tθ in the quotient Q (t): Dp (t) q (t) - D SQ
Q(O =Q (O =
D WSOD WSO
Der Reflexionsgrad RP (t) der Probe 8 bzw. Probenoberfläche zum Zeitpunkt t ergibt sich aus dem Quotienten der Messwerte Q(t) und den zertifizierten Werten der bei der Ausgangskalibrierung verwendeten Weiß- bzw. Schwarzstandards Rw und Rs:The reflectance R P (t) of the sample 8 or sample surface at time t results from the quotient of the measured values Q (t) and the certified values of the white or black standards R w and Rs used in the initial calibration:
Werden nicht zertifizierte Standards verwendet, muss Rw = 1 und R3 = 0 angenommen werden. Die gemessenen Reflexionsgrade Rp (t) sind dann nur in Bezug auf die speziellen Exemplare der Standards Rw und Rs gültig und nicht unabhängig von diesen.If non-certified standards are used, R w = 1 and R 3 = 0 must be assumed. The measured reflectivities Rp (t) are then valid only with respect to the specific instances of the standards R w and R s and not independent of them.
Zur Veranschaulichung des Prinzips der internen Referenzie- rung ist in Fig.6 beispielhaft ein Zeitdiagramm für einige Werte dargestellt.To illustrate the principle of internal referencing, FIG. 6 shows by way of example a time diagram for a few values.
Aus Fig.l ist weiterhin ersichtlich, daß die interne Weißfläche 10 mit der Meßfläche einen Winkel δ einschließt, welcher gewährleistet, daß die interne Weißfläche zu der Ausbreitungsrichtung des von der Meßfläche reflektierten Lichts so geneigt ist, daß dieses Licht nicht auf diese interne Weißfläche treffen kann. In Fig.l ist dieser Umstand durch eine gestrichelte Linie 23 angedeutet.From Fig.l is further seen that the internal white surface 10 with the measuring surface forms an angle δ, which ensures that the internal white surface is inclined to the propagation direction of the reflected light from the measuring surface so that this light does not hit this internal white surface can. In Fig.l this fact is indicated by a dashed line 23.
Die interne Weißfläche 10 ist auf der Innenseite eines Kegelstumpfes kreisringförmig ausgebildet, der zentrisch zur Ausbreitungsrichtung des von der Reflektorlampe 2 zum Meß-
kopffenster 4 bzw. zur Probenhalterung 5 gerichtet ist. Dies ist im Zusammenhang mit Fig.2 zu erkennen, einer Draufsicht in Richtung D aus Fig.l auf den Kegelstumpf.The internal white surface 10 is formed annularly on the inside of a truncated cone, which is centered to the propagation direction of the reflector lamp 2 for measuring head window 4 or to the sample holder 5 is directed. This can be seen in connection with Figure 2, a plan view in the direction D from Fig.l on the truncated cone.
Fig.2 zeigt weiterhin einen zentrisch dazu angeordneten Umkreis 24, auf dem - optional in einer besonderen Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Anordnung - zusätzlich zu den bereits beschriebenen Einkoppeloptiken 15 und 19, zu den Lichtwellenleitern 11, 12, 13, 14, zu den Shuttern 16 und 20 und zu dem Spektrometer 18 weitere, hier nicht mit gesonderten Bezugszeichen versehene Einkoppeloptiken, Lichtwellenleiter und Shutter vorhanden und in derselben Weise wie bereits beschrieben mit Spektrometern verbunden sind, wobei die zusätzlichen Spektrometer für unterschiedliche Wellenlängenbereiche empfindlich sind.2 further shows a circumference 24 arranged concentrically thereon, on which - optionally in a special embodiment of the arrangement according to the invention - in addition to the already described coupling optics 15 and 19, to the optical waveguides 11, 12, 13, 14, to the shutters 16 and 20 and to the spectrometer 18 further, not provided with separate reference numerals coupling optical waveguide and shutter and connected in the same manner as already described with spectrometers, the additional spectrometers are sensitive to different wavelength ranges.
Wie bereits dargelegt, ist es mit dieser Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Anordnung möglich, den Reflexionsgrad für einen sehr breiten Wellenlängenbereich des auf die Probe 8 gerichteten Beleuchtungslichts zu ermitteln, wie beispielsweise VIS, NIR oder UV.As already explained, it is possible with this embodiment of the arrangement according to the invention to determine the reflectance for a very broad wavelength range of the illuminating light directed onto the sample 8, such as VIS, NIR or UV.
Anhand Fig.3 wird auf eine ebenfalls vorteilhafte Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Anordnung verwiesen. Diese Ausgestaltung hat den Zweck, die räumliche Strahlstärkeverteilung der hier beispielsweise verwendeten Reflektorlampe 2 in der Weise auszunutzen, daß sich die axialen und radialen Abhängigkeiten der sich auf der Oberfläche der Probe 8 ergebenden Bestrahlungsstärke in einem möglichst großen Bereich des Arbeitsabstandes z gegenseitig kompensieren und so der zu ermittelnde Reflexionsmeßwert RP vom Arbeitsabstand z weitestgehend unabhängig ist.
Erreicht wird dies, indem die Ausbreitungsrichtung des von der Reflektorlampe 2 auf die jeweilige Meßfläche treffenden Lichts mit der Normalen NM der Meßfläche einen Winkel α > 16° einschließt, und die Ausbreitungsrichtung des von der Meßfläche zur Einkoppeloptik gelangenden Lichts mit der Normalen NM der Meßfläche einen Winkel γ = α + ß mit demReference is made to FIG. 3 to a likewise advantageous embodiment of the arrangement according to the invention. This embodiment has the purpose of exploiting the spatial beam intensity distribution of the reflector lamp 2 used here, for example, in such a way that compensate the axial and radial dependencies of the irradiation intensity resulting on the surface of the sample 8 in the largest possible range of the working distance z and so the to be determined reflection measurement R P from the working distance z is largely independent. This is achieved by the propagation direction of the incident of the reflector lamp 2 to the respective measuring surface light with the normal N M of the measuring surface forms an angle α> 16 °, and the propagation direction of the light coming from the measuring surface for coupling light with the normal N M of Measuring surface an angle γ = α + ß with the
Winkel ß > 4° einschließt, wobei der Scheitel des Winkels γ sich bei z = 100 mm befindet.Angle β> 4 °, where the apex of the angle γ is at z = 100 mm.
Als Einkoppeloptik 19 kann beispielsweise eine Linse mit einer Brennweite von f = 5 mm vorgesehen sein.As a coupling optics 19, for example, a lens with a focal length of f = 5 mm can be provided.
Eine Einbindung der Shutter 16, 20 in die Lichtwellenleiter 11, 12 bzw. 13, 14 ist in Fig.4 beispielhaft anhand des Shutters 16 dargestellt. Dabei führt von der Einkoppeloptik 15 bis zum Shutter 16 ein Lichtwellenleiterbündel mit einem Durchmesser von 1 mm und einer numerischen Apertur NA = 0,22, und vom Shutter 16 zum Eintrittsspalt 17 ein Lichtwellenleiter 12 mit einem Durchmesser von 0,6 mm und einer numerischen Apertur NA = 0,37.An integration of the shutter 16, 20 in the optical waveguide 11, 12 and 13, 14 is shown in Figure 4 by way of example with reference to the shutter 16. In this case, from the coupling optics 15 to the shutter 16, an optical waveguide bundle with a diameter of 1 mm and a numerical aperture NA = 0.22, and from the shutter 16 to the entrance slit 17 an optical waveguide 12 with a diameter of 0.6 mm and a numerical aperture NA = 0.37.
Fig.5 zeigt mit Blickrichtung von der Reflektorlampe 2 auf das kreisrunde Meßkopffenster 4 ein Beispiel für die Anordnung mehrerer Einkoppeloptiken radialsymmetrisch zur Einstrahlrichtung des Lichts auf die Meßfläche. Mit einem Bezugszeichen versehen ist hier der Übersichtlichkeit halber wiederum lediglich die Einkoppeloptik 19. Den übrigen Einkoppeloptiken ist, wie der Einkoppeloptik 19 auch, jeweils ein Lichtwellenleiter nachgeordnet, in welchem von der Meßfläche durch das Meßkopffenster 4 in den Meßkopf 1 hinein reflektiertes und von der Einkoppeloptik aufgesammeltes Licht zunächst zum Shutter 20 fortgeleitet wird, von wo es
über den gemeinsamen Lichtwellenleiter 14 und den Eintrittsspalt 21 auf die Empfangsfläche 22 gelangt.5 shows, with a view from the reflector lamp 2 on the circular Meßkopffenster 4 an example of the arrangement of several coupling optics radially symmetrical to the direction of irradiation of the light on the measuring surface. The other coupling optics, like the coupling optics 19, are each followed by an optical waveguide in which the measuring surface is reflected by the measuring head window 4 into the measuring head 1 and deflected by the coupling optics collected light is first forwarded to the shutter 20, from where it via the common optical waveguide 14 and the entrance slit 21 on the receiving surface 22 passes.
In den Erfindungsgedanken eingeschlossen sind selbstverständlich auch Ausgestaltungen, bei denen das Spektrometer nur einen Eintrittsspalt aufweist, die Lichtwege vor dem Spektrometer zusammengeführt werden und dann das Licht durch den einen Eintrittsspalt hindurch tritt und das jeweilige Spektrum auf die Empfangsfläche 22 abgebildet wird.Of course, embodiments are included in the inventive concept in which the spectrometer has only one entrance slit, the light paths are brought together in front of the spectrometer and then the light passes through the one entrance slit and the respective spectrum is imaged on the receiving surface 22.
Ein besonderer Vorteil der erfindungsgemäßen Anordnung besteht darin, daß sie sowohl zur Messung der direkten Reflexion von einer Probenoberfläche als auch zur Messung der gestreuten Reflexion einer Probe angewendet werden kann.
A particular advantage of the arrangement according to the invention is that it can be used both for measuring the direct reflection from a sample surface and for measuring the scattered reflection of a sample.
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
1 Meßkopf1 measuring head
2 Reflektorlampe2 reflector lamp
3 Strahlungsanteil3 radiation component
4 Meß köpffenster4 measuring heads
5 Probenhalterung5 sample holder
6 Weißstandard6 white standard
7 Schwarzstandard7 black standard
8 Probe8 sample
9 Strahlungsanteil9 radiation component
10 interne Weißfläche10 internal white area
11, 12,11, 12,
13, 14 Lichtwellenleiter13, 14 optical fibers
15 Einkoppeloptik15 Einkoppeloptik
16 Shutter16 shutters
17 Eintrittsspalt17 entrance gap
18 Spektrometer18 spectrometers
19 Einkoppeloptik19 coupling optics
20 Shutter20 shutters
21 Eintrittsspalt21 entrance gap
22 Empfangsfläche22 reception area
23 gestrichelte Linie23 dashed line
24 Umkreis24 perimeter
Arbeitsabstand
working distance
Claims
Patentansprüche claims
1. Anordnung zum Messen des Reflexionsgrades an einer Probe (8) , umfassend, a) eine Lichtquelle zur gesonderten Beleuchtung sowohl einer Weißfläche (10) als auch einer Meßfläche, wobeiAn arrangement for measuring the reflectance on a sample (8), comprising, a) a light source for separately illuminating both a white area (10) and a measuring area, wherein
- zur Verkörperung der Meßfläche ein Weißstandard (6) , ein Schwarzstandard (7) und die Probe (8) vorgesehen sind, und- For the embodiment of the measuring surface, a white standard (6), a black standard (7) and the sample (8) are provided, and
- in einer vorgegebenen Folge der Austausch des Weißstandards (6) , des Schwarzstandards (7) und der Probe (8) gegeneinander vorgesehen ist, b) Mittel zur Messung der Intensität des von der Weißfläche (10) reflektierten Lichts und zur Messung der Intensität des jeweils von der Meßfläche reflektierten Lichts, und c) eine Auswerteschaltung, die zum Registrieren der gemessenen Intensitätswerte und zu deren rechnerischer Verknüpfung zu dem Reflexionsgrad ausgebildet ist.in a predetermined sequence the exchange of the white standard (6), the black standard (7) and the sample (8) is provided for each other, b) means for measuring the intensity of the light reflected from the white surface (10) and for measuring the intensity of the white each reflected light from the measuring surface, and c) an evaluation circuit, which is designed to register the measured intensity values and their computational link to the reflectance.
2. Anordnung nach Anspruch 1, wobei mindestens die Weißfläche (10) diffus reflektierend ausgebildet ist.2. Arrangement according to claim 1, wherein at least the white surface (10) is formed diffusely reflecting.
3. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Lichtquelle, die Weißfläche und die Mittel zur Intensitätsmessung allseitig vom Gehäuse eines Meßkopfes (1) umschlossen sind, wohingegen die Meßfläche außerhalb des Meßkopfes (1) angeordnet ist.3. Arrangement according to claim 1 or 2, wherein the light source, the white surface and the intensity measuring means are enclosed on all sides by the housing of a measuring head (1), whereas the measuring surface outside the measuring head (1) is arranged.
4. Anordnung nach Anspruch 3, bei welcher das Gehäuse des Meßkopfes (1) einen Bereich in Form eines Meßkopffen-
sters (4) aufweist, der für das von der Lichtquelle ausgehende und für das von der Meßfläche reflektierte Licht transparent ist.4. Arrangement according to claim 3, wherein the housing of the measuring head (1) has a region in the form of a Meßkopffen- Sters (4), which is transparent to the emanating from the light source and the reflected light from the measuring surface.
5. Anordnung nach einem der vorgenannten Ansprüche, bei welcher5. Arrangement according to one of the preceding claims, wherein
- als Mittel zur Intensitätsmessung mindestens ein optoelektronischer Detektor vorgesehen ist, und- Is provided as means for measuring the intensity of at least one optoelectronic detector, and
- Lichtwellenleiter (11, 13) mit jeweils vorgeordneter Einkoppeloptik (15, 19) zur Erfassung und Übertragung von an der Weißfläche (10) reflektiertem Licht und an der Meßfläche reflektiertem Licht zu dem Detektor vorhanden sind.- Optical waveguide (11, 13), each with upstream coupling optics (15, 19) for detecting and transmitting light reflected at the white surface (10) and light reflected at the measuring surface to the detector are present.
6. Anordnung nach Anspruch 5, bei welcher zur Erfassung von an der Meßfläche reflektiertem Licht mehrere Einkoppeloptiken mit einem nachgeordneten Lichtwellenleiter radialsymmetrisch zur Meßfläche angeordnet sind.6. Arrangement according to claim 5, wherein a plurality of coupling optics are arranged with a downstream optical waveguide radially symmetrical to the measuring surface for the detection of light reflected on the measuring surface.
7. Anordnung nach Anspruch 5 oder 6, wobei7. Arrangement according to claim 5 or 6, wherein
- in den Übertragungsweg von an der Meßfläche reflektiertem Licht zum Detektor ein erster Shutter (20) eingeordnet ist, und- In the transmission of reflected light on the measuring surface to the detector, a first shutter (20) is arranged, and
- in den Übertragungsweg von an der Weißfläche (10) reflektiertem Licht zum Detektor ein zweiter Shutter (16) eingeordnet ist, und- In the transmission of light reflected at the white surface (10) light to the detector, a second shutter (16) is arranged, and
- die beiden Shutter (16, 20) zur Sperrung oder Freigabe des jeweiligen Übertragungsweges ausgebildet sind.- The two shutters (16, 20) are designed to block or release the respective transmission path.
8. Anordnung nach Anspruch 7, bei welcher die Messung von Intensitätswerten in Abhängigkeit von der Sperrung
oder Freigabe der Übertragungswege wie folgt vorgesehen ist:8. Arrangement according to claim 7, wherein the measurement of intensity values in dependence on the blocking or release of the transmission paths is provided as follows:
mit :With :
Iw der Intensität des vom Weißstandard (6) reflektierten Lichts,I w the intensity of the light reflected from the white standard (6),
Iwi der Intensität des von der Weißfläche (10) reflektierten Lichts,Iwi the intensity of the light reflected from the white surface (10),
I0 der Intensität bei unbeleuchteter Detektoroberfläche,I 0 intensity with unlit detector surface,
I3 der Intensität des vom Schwarzstand (7) reflektierten Lichts, undI 3 the intensity of the light reflected from the black level (7), and
Ip der Intensität des von der Probe (8) reflektierten Lichts .Ip the intensity of the light reflected from the sample (8).
Anordnung nach Anspruch 7, bei welcher anhand der Intensitätswerte Iw, Iwi, ID und I3 zunächst eine Ausgangskalibrierung und danach in vorgegebenen Zeitabständen tΔ anhand der Intensitätswerte Iwi, ID und des Intensitätswertes IP anhand einer Probenmessung eine interne Referenzierung vorgesehen ist zum Zweck der Rekalibrierung der Anordnung und dadurch zur Kompensation von Änderungen von Systemparametern .
Arrangement according to claim 7, wherein on the basis of the intensity values I w , Iwi, I D and I 3 an initial calibration and then at predetermined time intervals tΔ based on the intensity values Iwi, ID and the intensity value I P based on a sample measurement internal referencing is provided for the purpose the recalibration of the arrangement and thereby to compensate for changes in system parameters.
10. Anordnung nach einem der Ansprüche 5 bis 9, bei der von der jeweiligen Einkoppeloptik (15, 19) bis zum Shutter (16, 20) ein Lichtwellenleiterbündel (11, 13) mit einem Durchmesser von 1 mm und einer numerischen Apertur NA = 0,22 vorgesehen ist, und10. Arrangement according to one of claims 5 to 9, wherein from the respective coupling optics (15, 19) to the shutter (16, 20) an optical waveguide bundle (11, 13) with a diameter of 1 mm and a numerical aperture NA = 0 , 22 is provided, and
- vom jeweiligen Shutter (16, 20) zum Detektor ein Lichtwellenleiter (12, 14) mit einem Durchmesser von 0,6 mm und einer numerischen Apertur NA = 0,37 vorgesehen ist.- From the respective shutter (16, 20) to the detector, an optical waveguide (12, 14) with a diameter of 0.6 mm and a numerical aperture NA = 0.37 is provided.
11. Anordnung nach einem der vorgenannten Ansprüche, bei welcher die Weißfläche (10) zu der Ausbreitungsrichtung des von der Meßfläche reflektierten Lichts so geneigt ist, daß dieses Licht nicht auf die Weißfläche (10) trifft.11. Arrangement according to one of the preceding claims, wherein the white surface (10) to the propagation direction of the reflected light from the measuring surface is inclined so that this light does not hit the white surface (10).
12. Anordnung nach einem der der vorgenannten Ansprüche, bei welcher12. Arrangement according to one of the preceding claims, wherein
- die Weißfläche (10) kreisringförmig ausgebildet ist, und- The white surface (10) is annular, and
- auf einem zentrisch dazu angeordneten Umkreis (24) mehrere Einkoppeloptiken positioniert sind, die jeweils über Lichtwellenleiter und einen Shutter mit einem Detektor verbunden sind, wobei- On a centrally arranged circumferentially (24) a plurality of coupling optics are positioned, which are each connected via optical waveguides and a shutter to a detector, wherein
- die Detektoren für unterschiedliche Wellenlängenbereiche empfindlich sind.- The detectors are sensitive to different wavelength ranges.
13. Anordnung nach Anspruch 12, mit drei Detektoren, von denen einer für den Wellenlängenbereich des visuell wahrnehmbaren Lichts (VIS) , ein zweiter für den nahen Infrarot-Wellenlängenbereich (NIR) und der dritte für
den Wellenlängenbereich des ultravioletten Lichts (UV) empfindlich ist.13. Arrangement according to claim 12, with three detectors, one for the wavelength range of the visually perceptible light (VIS), a second for the near infrared wavelength range (NIR) and the third for the wavelength range of ultraviolet light (UV) is sensitive.
14. Anordnung nach einem der vorgenannten Ansprüche mit einer Lichtquelle, die Licht mit spektral-isotroper Intensitätsverteilung abstrahlt, bevorzugt ausgebildet als Reflektorlampe (2) .14. Arrangement according to one of the preceding claims with a light source which emits light with spectral-isotropic intensity distribution, preferably designed as a reflector lamp (2).
15. Anordnung nach einem der vorgenannten Ansprüche, bei welcher der Detektor als Photodiode und die Auswerteschaltung zur Registrierung und Verknüpfung integraler Intensitätswerte ausgebildet ist.15. Arrangement according to one of the preceding claims, wherein the detector is designed as a photodiode and the evaluation circuit for registering and linking integral intensity values.
16. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 14, bei welcher16. Arrangement according to one of claims 1 to 14, wherein
- der Detektor Bestandteil eines Spektrometers (18) ist und eine ortsauflösende Empfangsfläche (22) aufweist, die Übertragung von der Weißfläche (10) reflektiertem Licht zu einem ersten Eintrittsspalt (17) des Spektrometers ( 18 ) , und die Übertragung von der Meßfläche reflektiertem Licht zu einem zweiten Eintrittsspalt (21) des Spektrometers (18) vorgesehen ist, wobei innerhalb des Spektrometers (18) das durch die beiden Eintrittsspalte (17, 21) einfallende Licht auf die Empfangsfläche (22) gerichtet ist, und die Auswerteschaltung zur Registrierung und Verknüpfung spektral aufgelöster Intensitätswerte ausgebildet ist.- The detector is part of a spectrometer (18) and a spatially resolving receiving surface (22), the transmission of the white surface (10) reflected light to a first entrance slit (17) of the spectrometer (18), and the transmission of reflected light from the measuring surface to a second entrance slit (21) of the spectrometer (18) is provided, wherein within the spectrometer (18) through the two entrance slits (17, 21) incident light is directed to the receiving surface (22), and the evaluation circuit for registration and linkage spectrally resolved intensity values is formed.
17. Anordnung nach einem der vorgenannten Ansprüche, bei welcher
- die Ausbreitungsrichtung des von der Lichtquelle auf die Meßfläche treffenden Lichts mit der Normalen NM der Meßfläche einen Winkel α > 0 einschließt, und17. Arrangement according to one of the preceding claims, wherein the propagation direction of the light striking the measuring surface from the light source with the normal N M of the measuring surface encloses an angle α> 0, and
- die Ausbreitungsrichtung des von der Meßfläche zur Einkoppeloptik gelangenden Lichts mit der Normalen der Meßfläche einen Winkel γ = α + ß mit dem Winkel ß > 0 einschließt .- The propagation direction of the light reaching from the measuring surface to the coupling optics with the normal of the measuring surface an angle γ = α + ß with the angle ß> 0 includes.
18. Anordnung nach Anspruch 17, bei welcher18. Arrangement according to claim 17, wherein
- der Abstand z zwischen der Lichtquelle und der Meßfläche im Bereich z = 100 mm bis 200 mm liegt,the distance z between the light source and the measuring surface is in the range z = 100 mm to 200 mm,
- der Winkel α = 16° beträgt,- the angle α = 16 °,
- der Winkel ß = 4° beträgt,the angle β = 4 °,
- der Scheitel des Winkels γ bei z = 100 mm liegt, undthe vertex of the angle γ is z = 100 mm, and
- als Einkoppeloptik eine Linse mit einer Brennweite von f = 5 mm vorgesehen ist.
- Is provided as a coupling lens, a lens with a focal length of f = 5 mm.
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