WO1998035220A1 - Verfahren und vorrichtung zur spektralmessung von schnell bewegten objekten - Google Patents

Verfahren und vorrichtung zur spektralmessung von schnell bewegten objekten Download PDF

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Andreas Katerkamp
Martin BLÄSNER
Frank Kowol
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    • G01N21/4738—Diffuse reflection, e.g. also for testing fluids, fibrous materials
    • G01N21/474—Details of optical heads therefor, e.g. using optical fibres

Definitions

  • the invention relates to a method and a device for spectral measurement of rapidly moving objects according to the preamble of claim 1 and the independent claim 2.
  • a dispersion is generated using a diffraction grating.
  • the grating breaks down the infrared light into its spectral components. These are detected using a diode array or individual photodiodes.
  • This arrangement ensures that all photodiodes detect the same object and that the incident light differs only in its spectral properties.
  • the disadvantages of this arrangement are the comparatively high price for a diffraction grating and the great effort for the adjustment.
  • the second variant uses beam splitters to ensure that all detectors detect light from the same location.
  • the beam price split the light reflected or transmitted by the object into several more rays of the same intensity.
  • the spectral properties of the object can be determined with the aid of interference filters.
  • the spatial resolution is completely eliminated in this construction, which means that every detector is irradiated with light that comes from the same location.
  • This method is also very expensive, since the jet costs are comparatively expensive.
  • Another disadvantage is that the optics take on very large dimensions and it is more difficult to build a large optics mechanically stable.
  • the invention is based on the object of measuring a method and a device for the spectral measurement of rapidly moving objects which are capable of simultaneously measuring intensities at several wavelengths of light or of the radiation from a location, the device being cost-effective, easy to assemble and suitable for mass production.
  • the reflected or transmitted radiation is injected into the fiber in an unsharp manner, that is to say by an unsharp image, and this unsharp image is combined in the fiber with that by mixing in the fiber , the spatial resolution is blurred.
  • no expensive optical components such as diffraction gratings are required for this. Due to the construction according to the invention, small dimensions can be selected and the assembly days is relatively easy. As a result, the device according to the invention can serve as a mass product.
  • the mixing of the radiation in the fiber is further improved if the length of the fiber is chosen sufficiently and / or the fiber is bent one or more times.
  • Another improvement for a complete triggering of the location information lies in the use of a diffusing screen behind the fiber.
  • FIG. 1 shows a schematic view of an exemplary embodiment of the device according to the invention.
  • Fig. 2 is a front view of the receiver arrangement used in Fig. 1.
  • the device shown in FIG. 1 has a light source 1 which is designed as a halogen lamp with a very wide spectrum.
  • the light emitted by the halogen lamp 1 is converted by a lens 2 into a parallel beam which irradiates a schematically represented object 3.
  • This object 3 moves quickly past the radiation site, so that a quick spectral measurement of all wavelengths or all desired wavelengths must be carried out simultaneously.
  • the light reflected by the object 3 is collected with a convex lens 4 and coupled into a fiber.
  • the light emerging from the fiber 5 is made parallel with the aid of a convex lens 6 and applied to an interference filter arrangement 7.
  • the conversion into parallel beams by the convex lens 6 is only of importance if narrow-band interference filters are used.
  • the filter arrangement 7 is followed by a receiver arrangement, which in the present case is designed as a photodiode.
  • a receiver arrangement which in the present case is designed as a photodiode.
  • four different interference filters 7 are provided, a quadrant photodiode 9 being used as the receiver arrangement in accordance with these four different interference filters, the interference filters 7 preferably being vapor-deposited directly onto the window of the square photodiode 9 in accordance with FIG. 2.
  • the four detectors of the quadrant photodiode 9 detect the intensities of the four wavelengths and pass these signals on to amplifier electronics 10.
  • the interference filter can also be deposited directly onto the photodiode.
  • the quadrant photodiode 9 Since all detectors of the quadrant photodiode 9 must be provided with the radiation from the same spatial area in each case, the quadrant photodiode must not have a local assignment to the object 3, ie the location information of a light beam coupled into the glass fiber 5 must be resolved for the entire device to function optimally become. This is achieved in that the radiation reflected from the object 3 is coupled into the fiber through the convex lens 4, that is to say the image plane does not match the end face of the fiber. Due to the blurred image in the Fiber 5 at least partially blurs the spatial resolution with respect to the object.
  • the information content of a glass fiber is reflected in intensity anisotropies within the azimuth and lateral angles. Since a light beam in a fiber optic cable is very often broken at the transition zone between its reflective cladding and the fiber optic core, it naturally loses anisotropies in the lateral angle if the cable is long enough. From a certain length (e.g. 20 cm) a relatively homogeneous distribution of the intensity is obtained, which is reinforced by bending or winding up the fiber.
  • the light is emitted according to a cosine square radiation characteristic.
  • this emission characteristic is achieved by two narrow loops
  • Optical fiber 5 is brought about, the loop planes being perpendicular to one another. In these loops, the light is very often reflected back and forth in the fiber, so that an even mixing can take place.
  • the fibers can also be bent in another way in order to achieve thorough mixing of the radiation. In this way, the spatial resolution of the arrangement is canceled.
  • a diffusing screen 11 is additionally introduced between the glass fiber 5 and the detector arrangement, that is to say the converging lens 6.
  • the lens is roughened, whereby the average roughness must be greater than the wavelength to be examined. This measure ensures that an isotropic distribution of the light intensity is achieved even with inhomogeneous azimuth angles.
  • the diffusing screen can also be designed differently, it is essential that the aforementioned isotropic distribution of the light intensity is achieved.
  • the interference filters in the exemplary embodiment are designed as four segments, each of which is assigned to four detectors of the photodiode 9.
  • the interference filter and the receiver as well as a different arrangement of the same are conceivable.
  • a halogen lamp is used as the radiation source.
  • Other radiation sources with broadband radiation characteristics can also be provided, with “broadband” being understood to mean that the emitted spectrum extends at least over all the wavelengths required for further analysis.

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Abstract

Es wird ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Spektralmessung von schnell bewegten Objekten vorgeschlagen, bei denen das Objekt mit Strahlung eines breiten Spektrums beleuchtet wird und vom Objekt reflektierte oder transmittierte Strahlung auf eine Empfängeranordnung derart geleitet wird, daß die gesamte Empfängeranordnung Strahlung aus dem gleichen Raumgebiet empfängt, wobei die Strahlung spektral aufgeteilt wird. Die vom Objekt reflektierte oder transmittierte Strahlung wird über eine Linse in einer unscharfen Abbildung in eine Faser eingekoppelt, in der die aus verschiedenen Raumwinkeln eingestrahlte Strahlung durchmischt wird und daß nach Austritt aus der Faser die Strahlung spektral gefiltert wird.

Description

Verfahren und Vorrichtung zur Spektralmessung von schnell bewegten Objekten
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Spektralmessung von schnell bewegten Objekten nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 und des nebengeordneten Anspruchs 2.
Um an schnell bewegten Objekten präzise Spektralmessungen vornehmen zu können, müssen alle Wellenlängen simultan detektiert werden und zugleich muß sichergestellt werden, daß alle Detektoren Licht aus dem gleichen Raumgebiet angeboten bekommen, da sonst räumliche Helligkeitsunterschiede als Wellenlängeninformation mißinterpretiert werden.
Für preisgünstige Linienspektrometer sind zwei Bauweisen zur zeitgleichen Erfassung diskreter Wellen- längen üblich. Bei der ersten Variante wird mittels eines Beugungsgitters eine Dispersion erzeugt . Das Gitter zerlegt das Infrarotlicht in seine spektralen Anteile. Diese werden mit Hilfe eines Diodenarrays oder einzelner Photodioden detektiert. Mit dieser Anordnung ist sichergestellt, daß alle Photodioden das gleiche Objekt detektieren und sich das auftreffende Licht nur in seinen spektralen Eigenschaften unterscheidet. Die Nachteile dieser Anordnung sind der vergleichsweise hohe Preis für ein Beugungsgitter und der große Aufwand für die Justage.
Die zweite Variante verwendet Strahlteiler, um zu gewährleisten, daß alle Detektoren Licht des gleichen Ortes detektieren. Die Strahlteuer teilen das vom Objekt reflektierte bzw. transmittierte Licht in meh- rere Strahlen gleicher Intensität auf. Mit Hilfe von Interferenzfiltern können die spektralen Eigenschaften des Objekts bestimmt werden. Wie beim Beugungsgitter wird bei diesem Aufbau die Ortsauflösung voll- ständig beseitigt, das heißt jeder Detektor wird von Licht, das vom selben Ort kommt, bestrahlt. Auch diese Methode ist recht kostenaufwendig, da die Strahl - teuer vergleichsweise teuer sind. Als Nachteil kommt hinzu, daß die Optik sehr große Ausmaße annimmt und es schwieriger ist, eine große Optik mechanisch stabil zu bauen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren bzw. eine Vorrichtung zur Spektralmessung von schnell bewegten Objekten zu messen, die in der Lage sind, zeitgleich Intensitäten bei mehreren Wellenlängen von Licht bzw. von der Strahlung eines Ortes zu messen, wobei die Vorrichtung kostengünstig, leicht zu montieren und massenproduktionstauglich sein soll.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 und des Nebenanspruchs 2 in Verbindung mit den Merkmalen der Oberbegriffe gelöst.
Dadurch, daß bei dem erfindungsgemäßen Verfahren bzw. bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung die reflektierte bzw. transmittierte Strahlung unscharf, das heißt durch eine unscharfe Abbildung in die Faser eingekop- pelt wird und diese unscharfe Abbildung in die Faser mit der durch Mischung in der Faser kombiniert wird, wird die Ortsauflösung verwischt . Dafür werden aber keine teueren optischen Bauelemente, wie Beugungsgitter benötigt. Aufgrund des erfindungsgemäßen Aufbaus können kleine Abmessungen gewählt werden und die Mon- tage ist relativ leicht. Dadurch kann die erfindungsgemäße Vorrichtung als Massenprodukt dienen.
Durch die in den Unteransprüchen angegebenen Maßnah- men sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen möglich.
Die Durchmischung der Strahlung in der Faser wird weiter verbessert, wenn die Länge der Faser ausrei- chend gewählt wird und/oder die Faser ein- oder mehrfach gebogen wird. Eine weitere Verbesserung für eine vollständige Auslösung der Ortsinformation liegt in der Verwendung einer Streuscheibe hinter der Faser.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der
Zeichnung dargestellt und wird in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 eine schematische Ansicht eines Aus- führungsbeispiels der erfindungsgemäßen Vorrichtung, und
Fig. 2 eine Vorderansicht der in Fig. 1 verwendeten Empfängeranordnung.
Die in Fig. 1 dargestellte Vorrichtung weist eine Lichtquelle 1 auf, die als Halogenlampe mit einem sehr breiten Spektrum ausgebildet ist . Das von der Halogenlampe 1 ausgesandte Licht wird durch eine Lin- se 2 in ein paralleles Strahlenbündel umgewandelt, das ein schematisch dargestelltes Objekt 3 bestrahlt. Dieses Objekt 3 bewegt sich schnell an der Bestrahlungsstelle vorbei, so daß eine schnelle Spektralmessung aller Wellenlängen bzw. aller gewünschten Wel- lenlängen simultan vorgenommen werden muß. Das vom Objekt 3 reflektierte Licht wird mit einer Konvexlinse 4 gesammelt und in eine Faser eingekoppelt. Im Ausführungsbeispiel wird das aus der Faser 5 austretende Licht mit Hilfe einer Konvexlinse 6 parallel gemacht und auf eine Interferenzfilteranordnung 7 gegeben. Die Umwandlung in parallele Strahlen durch die Konvexlinse 6 ist aber nur dann von Bedeutung, wenn schmalbandige Interferenzfilter verwendet werden. Der Filteranordnung 7 ist eine Empfängeran- Ordnung nachgeschaltet, die im vorliegenden Fall als Photodiode ausgebildet ist. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel sind vier verschiedene Interferenzfilter 7 vorgesehen, wobei entsprechend diesen vier verschiedenen Interferenzfiltern eine Quadrantenphoto- diode 9 als Empfängeranordnung verwendet wird, wobei entsprechend Fig. 2 vorzugsweise die Interferenzfilter 7 direkt auf das Fenster der Quadratenphotodiode 9 aufgedampft sind. Die vier Detektoren der Quadran- tenphotodiode 9 detektieren die Intensitäten der vier Wellenlängen und geben diese Signale an eine Verstärkerelektronik 10 weiter. Die Interferenzfilter können auch direkt auf die Photodiode aufgedampft sein.
Da alle Detektoren der Quadrantenphotodiode 9 die Strahlung aus jeweils dem gleichen Raumgebiet angeboten bekommen müssen, darf auf der Quadrantenphotodiode keine örtliche Zuordnung zu dem Objekt 3 vorhanden sein, d.h. für eine optimale Funktion der gesamten Vorrichtung muß die Ortsinformation eines in die Glasfaser 5 eingekoppelten Lichtstrahles aufgelöst werden. Dies wird dadurch erreicht, daß die von dem Objekt 3 reflektierte Strahlung durch die Konvexlinse 4 unscharf in die Faser eingekoppelt wird, das heißt die Bildebene stimmt nicht mit der Endfläche der Fa- ser überein. Durch die unscharfe Abbildung in die Faser 5 wird die Ortsauflösung hinsichtlich des Objektes zumindest zum Teil verwischt.
Der Informationsgehalt einer Glasfaser spiegelt sich in Intensitätsanisotropien innerhalb des Azimuts- und Lateralwinkels wider. Da ein Lichtstrahl in einem Glasfaserkabel sehr häufig an der Übergangszone zwischen seinem reflektierenden Mantel (cladding) und den Glasfaserkern (core) gebrochen wird, verliert er bei ausreichend langem Kabel bereits auf natürliche Weise Anisotropien im Lateralwinkel. Ab einer gewissen Länge (z.B. 20 cm) wird eine relativ homogene Verteilung der Intensität erhalten, die durch Biegen oder Aufwickeln der Faser verstärkt wird.
Bei einer optimalen Durchmischung des Azimutwinkels wird das Licht entsprechend einer Cosinusquadrat -Abstrahlcharakteristik abgestrahlt. Entsprechend einem Ausführungsbeispiel der Erfindung wird diese Ab- Strahlcharakteristik durch zwei enge Schlaufen der
Lichtleitfaser 5 herbeigeführt, wobei die Schlaufenebenen senkrecht zueinander stehen. In diesen Schlaufen wird das Licht sehr häufig in der Faser hin- und herreflektiert, so daß eine gleichmäßige Durchmi- schung stattfinden kann. Selbstverständlich können die Faser auch auf andere Art und Weise gebogen werden, um eine Durchmischung der Strahlung zu erreichen. Auf diese Weise wird die Ortsauflösung der Anordnung aufgehoben .
Es kann aber sein, daß die angestrebte Durchmischung bzw. Ortsauflösung noch nicht mit ausreichender Qualität erreicht wird. Daher wird zusätzlich eine Streuscheibe 11 zwischen Glasfaser 5 und Detektoran- Ordnung, d.h. Sammellinse 6 eingeführt. Im Ausfüh- rungsbeispiel ist die Streuscheibe stark angerauht, wobei die mittlere Rauhigkeit größer als die zu untersuchende Wellenlänge sein muß. Durch diese Maßnahme läßt sich gewährleisten, daß auch bei inhomogenen Azimutwinkeln eine isotrope Verteilung der Lichtintensität erreicht wird. Selbstverständlich kann die Streuscheibe auch anders ausgebildet sein, wesentlich ist, daß die erwähnte isotrope Verteilung der Licht- intensität erzielt wird.
Wie aus Fig. 2 zu erkennen ist, sind die Interferenz- filter im Ausführungsbeispiel als vier Segmente ausgebildet, die jeweils vier Detektoren der Photodiode 9 zugeordnet sind. Selbstverständlich sind andere Formen der Interferenzfilter und der Empfänger sowie eine unterschiedliche Anordnung derselben denkbar.
In dem Ausführungsbeispiel wird eine Halogenlampe als Strahlungsquelle verwendet. Es können auch andere Strahlungsquellen mit breitbandiger Abstrahlcharakteristik vorgesehen werden, wobei unter "breitbandig" verstanden werden soll, daß das abgestrahlte Spektrum sich mindestens über alle zur weiteren Analyse benötigten Wellenlängen erstreckt.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur Spektralmessung von schnell bewegten Objekten, bei dem das Objekt mit Strahlung eines breiten Spektrums beleuchtet wird und vom
Objekt reflektierte oder transmittierte Strahlung auf eine Empfängeranordnung derart geleitet wird, daß die gesamte Empfängeranordnung Strahlung aus dem gleichen Raumgebiet empfängt, wobei die Strahlung spektral aufgeteilt wird, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die vom Objekt reflektierte oder transmittierte Strahlung in einer unscharfen Abbildung in eine Faser eingekoppelt wird, in der die aus verschiedenen Raumwinkeln eingestrahlte Strahlung durchmischt wird und daß nach Austritt aus der Faser die Strahlung spektral gefiltert wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich- net, daß die Faser gebogen wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die aus der Faser austretende Strahlung zur Erzielung einer isotropen Vertei- lung der Strahlungsintensität gestreut wird.
4. Vorrichtung zur Spektralmessung von schnell bewegten Objekten mit einer das Objekt bestrahlenden Strahlungsquelle mit einem breiten Spektrum, einer Anordnung zum Weiterleiten der vom Objekt reflektierten oder transmittierten Strahlung, einer Anordnung zur spektralen Zerlegung der Strahlung und einer Empfängeranordnung, wobei die Anordnung zum Weiterleiten die Strahlung derart weiterleitet, daß der gesamten Empfänger- anordnung Strahlung aus demselben Raumgebiet angeboten wird, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die Vorrichtung zum Weiterleiten eine Linse (4) und eine Faser (5) umfaßt, wobei die vom
Objekt (3) reflektierte oder transmittierte Strahlung über die Linse (4) in unscharfer Abbildung in die Faser (5) eingekoppelt wird, die zusätzlich die aus verschiedenen Raumwinkeln eingestrahlte Strahlung durchmischt.
5. Vorrichtung nach Anspruch 4 , dadurch gekennzeichnet, daß die Faser (5) gebogen ist und/oder in ihrer Länge so gewählt wird, daß die aus ihr austretende Strahlung eine möglichst homogene Verteilung der Strahlungsintensität aufweist .
6. Vorrichtung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch ge- kennzeichnet, daß der Faser eine Streuscheibe nachgeschaltet ist.
7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Streuscheibe angerauht ist, wobei die mittlere Rauhigkeit größer als die untersuchte Wellenlänge ist.
8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Anordnung zur spektralen Zerlegung der Strahlung Interferenz- filter (7) aufweist.
9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Empf ngeranord- nung eine Photodiode (8) ist.
10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Interferenzfilter (7) auf ein Fenster einer mehrere Detektoren aufweisenden Photodiode (9) oder direkt auf die- se aufgebracht sind.
11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Photodiode eine Quadrantenpho- todiode (9) ist und vier Interferenzfilter auf das Fenster aufgedampft sind.
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