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Eine
Einrichtung zum meßtechnischen
Bewerten von Reflexionen an bestrahlten Objekten wie insbesondere
Flüssigkristall-Displays
ist aus der
DE 199
62 407 A1 als goniometrischer Meßaufbau mit längs einer
starren Hohlkugelschale verfahrbarem Detektor bekannt. Das Meßobjekt
wird aus der Hemisphäre
ganzflächig
diffus beleuchtet, indem die Innenmantelfläche einer Hohlhalbkugel aus
der Durchmesserebene, in der das Meßobjekt angeordnet ist, ungerichtet
bestrahlt wird. Damit kein bezüglich
der Aufnahmerichtung des Detektors spekularer Strahl aus der Beleuchtung
auf das Meßobjekt
fällt,
wird eine punktförmige
Maskierung in der Bestrahlungshemisphäre in getrieblicher Kopplung
mit dem Detektor immer so längs
der Hohlkugelfläche
verschoben, daß genau
in der Spiegelrichtung bezüglich
der momentanen Ausrichtung des Detektors gerade keine Beleuchtung
des Meßobjektes
stattfindet. Eine solche verschiebbare Kopplung ist aber mechanisch aufwendig
und funktionskritisch hinsichtlich der anzustrebenden Reproduzierbarkeit
der winkelabhängigen
Intensitätsmeßergebnisse.
Und hinsichtlich der Beleuchtung des Meßobjektes ist nachteilig, daß eine sphärische Reflexion
zu einer großflächigen und dementsprechend
wenig intensiven Bestrahlung über
den tatsächlich
interessierenden, geometrisch begrenzten Meßbereich in der Objektebene
hinaus führt;
wobei dann das Erfassen des beleuchteten Bereiches mit dem ebenfalls
nicht fokussierten Detektor auch keine nur von einem definierten
kleinen Meßfleck
stammenden und dadurch reproduzierbaren Meßergebnisse erbringt.
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Aus
der
EP 0 383 244 A1 ist
die richtungsabhängige
Einkopplung von an einer Probe auftretendem Reflexlicht über Lichtleitfasern
in ein lineares Detektorarray bekannt.
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Die
US 6,018,396 A beschreibt
eine Einrichtung zur Klassifizierung von z.B. Obst aufgrund des Glanzes
seiner Haut. Beispielsweise eine Tomate wird in eine Aufnahmeschale
im Zentrum des Durchmessers eines halbkreisförmigen Bogens gelegt, der längs eines
Viertelkreises mit Photoelementen als optischen Detektoren bestückt ist.
Längs eines
dagegen verschwenkt angeordneten Halbkreises ist eine auf die Tomate
ausgerichtete Laserquelle verschiebbar, die je nach der Orientierung
einen Leuchtpunkt über
die Oberfläche
der Tomate wandern läßt. Wenn dieser
Leuchtpunkt von den Detektoren erfaßt wird, werden diese davon
zusätzlich
zur Einwirkung der Umgebungshelligkeit angeregt, und zwar desto
intensiver, je stärker
der Glanz auf der Oberfläche
der Tomate ist. Allerdings stellt sich ein nicht reproduzierbarer
Intensitätssprung
ein, wenn ein Detektor zufällig
gerade einen Spiegelstrahl zur Laserbeleuchtung erfaßt.
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Aus
der
US 5,313,542 A ist
das Messen der so genannten Streuindikatrix oder BRDF (Bidirectional
Reflectance Distribution Function) bekannt. In einer aufwendig ausgestatteten
Apparatur wird durch ein spezielles Lichtleitersystem das im Messfleck
reflektierte Licht aufgenommen und aufgrund der eindeutigen Zuordnung
der Fasern an beiden Endflächen
direkt ein Bild der Richtungsverteilung der Reflexion (also der
reflektierten Intensität
als Funktion der Betrachtungsrichtung auf den Messpunkt) erzeugt.
Ein solches Lichtleitersystem hat in diesem Fall etwa die Form einer
Zwiebel, wobei die einzelnen Lichtleitfasern am dickeren Ende radial
auf den Messpunkt ausgerichtet sind (d.h. senkrecht auf einer Kugelschale
stehen) und dort mit ihren Endflächen
auf der konkaven Kugelschale etwa einer Hemisphäre liegen. Hier werden die
vom Messpunkt reflektierten Lichtstrahlen aufgenommen. An den gegenüberliegenden
Enden sind die Lichtleitfasern mit ihren Endflächen in einer Ebene angeordnet,
wobei – im
Gegensatz zu den Verhältnissen
bei dem ungeordneten Lichtleiterbündel nach
DE 198 26 409 A1 – eine fertigungstechnisch
festgelegte, eindeutige Zuordnung zwischen der Richtung der Faser
am Eintrittsende und dem Ort in der ebenen Austrittsfläche am anderen
Ende besteht. Die am ebenen Ende dieses Lichtleitersystems entstehende
Darstellung der Richtungsverteilung des reflektierten Lichts wird
von einem zweidimensionalen Detektor-Array (z.B. von einer elektronischen
Kamera) zur Speicherung und Weiterverarbeitung aufgenommen. Maßgeblich
für jene
Messungen ist, daß das
unter dem Pol der Hemisphäre
im Sphären-Mittelpunkt liegende
reflektierende Objekt mittels eines kollimierten Strahles aus einer
externen Laserquelle beleuchtet wird. Diese Beleuchtung definiert
den Punkt auf der Oberfläche, in
dem das Reflexionsverhalten des Objektes erfaßt wird. Dazu wird die von diesem,
alleine durch die Beleuchtung definierten, Punkt ausgehende räumliche Reflexionsverteilung
(also die BRD-Funktion) von den Detektoren über die Lichtleiter aufgenommen. Die
Ausführung
des Lichtleitersystems muß dafür die korrekte
Zuordnung zwischen Einfallsrichtung und Austrittsort sicherstellen.
Wenn der zur Beleuchtung spekulare Strahl die Dynamik der Messung
stört,
wird er über
eine Lichtfalle in Spiegelrichtung zur aktuellen Bestrahlung der
Oberfläche
ausgeblendet. Im übrigen
wird der angestrahlte Punkt auf dem Objekt von den Detektoren über ihre
Lichtleiter aus allen Richtungen des Halbraumes simultan erfaßt, so daß die Reflexionsintensitäten in allen
Raumrichtungen gleichzeitig vermessen, nämlich als flächiges Richtungsbild
dargestellt werden, ohne dafür
teurer da apparativ sehr aufwendiger Positioniermechanismen oder
Linsensysteme wie im Falle eines mechanischen oder eines konoskopischen
Goniometers zu bedürfen.
Aber auch das in jener Vorveröffentlichung beschriebene,
zwiebelförmig
gestaltete Lichtleitersystem wird am Markt in einer Preiskategorie
angeboten, die durchaus mit den Kosten eines optimierten Linsensystemes
vergleichbar ist.
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In
jener Publikation wird beiläufig
erwähnt, das
Objekt auch über
einen der Lichtleiter beleuchten zu können; aber so etwas wird vom
Fachmann sogleich als nicht in Betracht kommend verworfen, denn die
stark von Null verschiedene numerische Apertur der dann zur Beleuchtung
verwendeten Lichtleitfaser würde
zu einer größerflächigen Beleuchtung
des Objektes unter verschiedenen Einfallswinkeln an verschiedenen
Orten seiner Oberfläche
führen
und deshalb – mangels
nur „punktförmiger" Beleuchtung der Oberfläche des
Objektes aus einer einzigen definierten Richtung – die BRDF-Messung
zumindest stark verfälschen
oder sie sogar unmöglich
machen.
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Die
BRDF-Messung liefert also Aussagen über die physikalischen reflektiven
Eigenschaften des Objekts im Messpunkt. Das ermöglicht jedoch noch keinerlei
Bewertung des visuellen Eindrucks der beleuchteten Oberfläche des
Objekts, wie sie ein menschlicher Beobachter wahrnehmen würde, z.B. den
Kontrast einer auf dem Objekt dargestellten Information. Das ist
hauptsächlich
darin begründet, daß visuelle
Anzeigen (d.h. Displays) normalerweise nicht mit einem einzigen
parallelen Strahl beleuchtet werden (dieser Sonderfall tritt nur
an völlig
wolkenlosen klaren Tagen durch direkte Sonnen-Beleuchtung auf),
sondern eher durch eine Mischung unterschiedlicher Beleuchtungsintensitäten aus
unterschiedlichen Richtungen des Halbraums, wobei der Kopf des Betrachters
eine erhebliche Abschattung bewirken kann.
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Außerdem ist
es in der Praxis von Interesse, die Beleuchtungsgeometrie vor Ort,
beim Messobjekt, zu kontrollieren, nämlich gezielt und reproduzierbar
variieren zu können.
Dadurch kann die Meßapparatur
an reale Beleuchtungsverhältnisse
angepaßt
werden, wie sie im jeweiligen Anwendungsfall vorliegen. So ist die
Beleuchtung eines Computermonitors durch den Arbeitsplatz und dessen
Gestaltung gegeben. Andererseits sollte die Beleuchtung der Anzeige
in einem tragbaren elektronischen Gerät durch mehrere mögliche,
typische Umfeldgegebenheiten von fast ideal kollimiert – wie im
Sommer unter klarem Himmel – bis
fast ideal diffus – im
Winter bei Nebel auf der Piste – repräsentiert
werden können.
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Vorliegender
Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, in Erkenntnis dieser
Zusammenhänge
die gattungsgemäße Einrichtung
dahingehend weiterzubilden, daß die
meßtechnische
Beurteilungsmöglichkeit
den realen visuellen Gegebenheiten hinsichtlich blickrichtungsabhängiger Reflexionserscheinungen
besser entspricht, und solche Messungen mit einer flexibler einsetzbaren
Apparatur unter reproduzierbaren realistischen Beleuchtungsgegebenheiten
insbesondere etwa für
den mobilen Einsatz in der Fertigung, am Einsatzort der Anzeige
oder in der Arbeitsmedizin durchführen zu können.
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Die
Aufgabe ist gemäß der Merkmalsangabe im
Hauptanspruch dadurch gelöst,
daß das
Objekt gezielt und kontrolliert aus möglichst vielen unterschiedlichen
Richtungen des Halbraums „diffus" beleuchtet wird.
Aus der so beleuchteten Fläche,
die deshalb größer ausfällt als
der für
die Messung interessierende Messfleck, wird über refraktiv oder reflektiv
abbildende optische Systeme nur die Abstrahlung von einem darin
gelegenen kleinen Flächenelement (dem
sogenannten Meßfleck)
aufgenommen, dessen Ausdehnung allerdings signifikant größer ist
als bei der infolge Bestrahlung mit einem kollimierten sehr dünnen Strahl
nur punktförmigen
Aufnahme der BRD-Funktion.
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Dieser
variabel (kontrollierbar) aus unterschiedlichen Richtungen beleuchtete
Meßfleck
ist also allein durch jene Empfänger-Optik
definiert. Bei solchen abbildenden Systemen handelt es sich vorzugsweise
um Konvergenzlinsen, die auf das interessierende Element in der
reflektierenden Fläche
gerichtet sind, um diesen kleinen Bereich- gegebenenfalls über Lichtleiter – auf die
Detektoren abzubilden. Die Aufnahme des im Messfleck reflektierten
Lichts erfolgt in der Mantelfläche
eines Hohlkugelabschnittes, nachstehend auch als Hemisphäre bezeichnet, in
der die Linsen (die im folgenden begrifflich auch Abbildungssysteme
anderer Art umfassen sollen) sowie die Strahler oder Reflektoren
zur kontrollierten Be leuchtung des Objektes angeordnet und alle
auf den Messfleck am, unter dem Pol in einer Querschnittsebene liegenden,
Objekt ausgerichtet sind.
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Eine
direkte Einstrahlung in die Empfänger über Spiegelreflexionen
auf der glatten Oberfläche des
Messobjekts wird gemäß einer
Weiterbildung der Erfindung dadurch vermieden, daß in direkter
Spiegelrichtung zum jeweiligen Empfänger (d.h. in unter gleichem
Neigungswinkel um 180° verdrehter
Richtung) keine selbst strahlende oder reflektierende Lichtquelle
angeordnet ist. Der Winkelbereich um diese spekulare Richtung herum,
innerhalb dessen auch keine auf den Meßfleck gerichtete direkte oder reflektive
Lichtquelle angebracht sein soll, wird durch die Details der Empfänger-Optik
bestimmt.
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Die
Linsen der Empfänger,
die den Messfleck auf die Detektoren abbilden, können dies direkt tun, oder
aber durch Lichtleiter. Dabei können
die Linsen selbst diskret vorliegen und z.B. in Bohrungen in einer
Halbkugelschale untergebracht sein, oder sie können aus dem transparenten
Material der Kugelschale selbst geformt sein. Die Abbildung des
Messflecks in den Detektor kann in einem bestimmten Vergrößerungsverhältnis oder
mittels eines kollimierten Strahls erfolgen, wobei dann die effektive Öffnung der
Linse, deren Brennweite und die Größe des Detektors (oder der
aktive Durchmesser des Lichtleiters) die Messfleckgröße bestimmen.
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Wird
das im Messfleck reflektierte Licht von den abbildenden optischen
Systemen in Lichtleiter eingekoppelt, können diese Lichtleiter wieder
mit ihren anderen Enden so zusammengefaßt werden, daß die Endflächen in
einer Ebene liegen und daß in dieser
Ebene eine eindeutige Zuordnung zwischen Empfänger-Faser-Richtung und Ort
in der Austrittsebene besteht. Eine bevorzugte Zuordnung ist dadurch
gegeben, daß der
Neigungswinkel des Empfängers
durch den Abstand zur Mitte der ebenen Austrittsfläche repräsentiert
ist und der Drehwinkel erhalten bleibt. Durch eine solche Zuordnung
entsteht (insoweit wie im Fall des zwiebelförmigen Lichtleitersystems aus
US 5,313,542 A )
an der ebenen Austrittsfläche
direkt das Bild der Richtungsverteilung des im Messfleck reflektierten
Lichts.
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Die
Beleuchtung des Objektes erfolgt also nicht mehr kollimiert wie
bei der BRDF-Messung, sondern
im oben definierten Sinne „diffus", also in unterschiedlichen
Richtungen aus der Hemisphäre, nämlich unmittelbar
von darin verteilt angeordneten, auf das Objekt gerichteten Quellen
oder mittelbar durch Reflexionen an der etwa vom Äquator der Sphäre her angestrahlten
konkaven inneren Oberfläche
der Hemisphäre.
In letzterem Falle weist die Reflexionsfläche zweckmäßigerweise keine exakte Hohlkugelform
auf, sondern einen parametrisierten parabolischen oder elliptischen
Querschnitt oder unterschiedlich geneigte ringförmig umlaufende Flächenbereiche,
um die eingestrahlte und dann reflektierte Beleuchtung möglichst
vollständig
auf das Objekt zu konzentrieren; zur Erleichterung des Verständnisses
wird nachfolgend trotz möglicherweise abweichender
Form dennoch allgemein von einer „Hemisphäre" gesprochen. Für die indirekte, konkav reflektierte
Beleuchtung kann ein Kranz von schräg einstrahlenden Lichtleiterenden
oder von Einzelleuchten etwa längs
des Sphärenäquators
angeordnet sein; oder wenigstens eine kreisbogenförmig gebogene
Leuchtstoffröhre
dient als Lichtquelle für
die ungerichtete indirekte Beleuchtung des Objektes. Andererseits
ist es im Rahmen vorliegender Erfindung auch möglich, über eine externe optische Einrichtung,
etwa nach Art eines Parabolspiegels, Umgebungslicht einzufangen
und für
die ungerichtete Beleuchtung des Objektes in die Hemisphäre einzukoppeln.
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Für einen
möglichst
variablen, vielseitigen Einsatz der erfindungsgemäßen Einrichtung
ist die konkave Fläche
der Hemisphäre
zweckmäßigerweise
nicht geschlossen integral ausgeführt, sondern in Form einer
raumstabilen, etwa in ein Trägernetzwerk eingesetzten
Anordnung von vorzugsweise hexagonal berandeten, gelocht vollflächigen oder
durchbrochenen, scheibenförmigen
Segmenten. Die sind je nach Bedarf für eine aktuelle Meßaufgabe,
austauschbar mit Detektoren oder abbildenden optischen Systemen
(z.B. Lichtleitern mit Linsen) und mit Strahlern bzw. mit Reflektoren
und gegebenenfalls als Lichtfalle (in Form von dunkler absorbierender Oberflächengestaltung,
oder am besten einfach durch ein Loch realisiert) bestückt, in
die Trägerkonstruktion
einsetzbar. Im Rahmen dieser Erfindung ist es jedoch auch möglich, solche
einzelnen kachelförmigen
Hohlkugel-Segmente selbst eine konvexe Kuppelschale nach Art eines
Hohlkugelabschnitts bilden zu lassen, indem man sie direkt zusammensteckt oder
z.B. magnetisch aneinander koppelt.
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Um
eine besonders leichtbauende und variabel einsetzbare, preiswerte
Apparatur für
die Meßeinrichtung
zur Verfügung
zu stellen, muß gemäß einer Weiterbildung
dieser Erfindung nicht eine komplette (einteilige oder mehrteilig
aus ebenen oder unebenen Segmenten angenäherte) Sphäre einerseits hinter den Abbildungslinsen
mit den Lichtleiterenden oder direkt mit den Detektoren sowie andererseits
mit Strahlern oder Reflektoren bestückt werden, sondern nur ein
streifenförmiger,
durch den Pol verlaufender und um ihn verdrehbarer halber Großkreis-Streifen. Mit
einer manuell oder motorisch durchgeführten Volldrehung entsteht
das komplette Bild der Betrachtungsrichtungsabhängigkeit der Reflexstrahlung
von der Oberfläche
des kontrolliert diffus beleuchteten Objektes. Die dafür auf das
Objekt gerichteten Strahler oder Reflektoren sind dann nicht direkt
auf dem – an
den mit den Empfängerlinsen
bestückten
Viertelkreisbogen sich jenseits des Poles anschließenden – Viertelkreisbogen
gelegen, sondern zur Vermeidung spekularer Anregung der Empfänger aus
diesem Großkreis
durch die Linsen nach beiden Seiten heraus etwas winkelmäßig versetzt,
also in der Draufsicht etwa V-förmig
beiderseits der spekularen Richtung.
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Zusätzliche
Einzelheiten, Vorteile und Weiterbildungen der Erfindung ergeben
sich aus den weiteren Ansprüchen
und aus nachstehender Beschreibung von auf das Wesentliche abstrahierten
und deshalb auch nicht maßstabsgerechten
Prinzipskizzen zu bevorzugten Ausführungsbeispielen zur Realisierung
der Erfindung. In der Zeichnung zeigt
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1 eine
direkte kontrollierte Beleuchtung eines in der Äquator-Ebene liegenden ebenen
Messobjekts aus einer halbkugelförmigen
Kuppel heraus im Aufriß,
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2 entsprechend
der Darstellung der 1 eine indirekte kontrollierte
Beleuchtung des in der Äquator-Ebene
liegenden ebenen Messobjekts, nämlich
durch Reflexion an der inneren konkaven Oberfläche der hier wieder hemisphärischen
Kuppel,
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3 in
Aufsicht ein mit Empfängern
bestücktes
verdrehbares Großkreis-Segment
zum Einsatz innerhalb einer Beleuchtungskuppel nach 1 oder 2,
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4 in Seitenansicht (4b)
und in Aufsicht (4a) ein um die Polarachse rotierbares,
mit Empfänger-Optiken
bestücktes
Segment,
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5 analog
zur Beleuchtung nach 2 eine Reflexion des am Meßobjekt
reflektierten Lichts auf eine Detektoranordnung außerhalb
der Hemisphäre
und
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6 das
Umsetzen einer Richtungsverteilung des auf dem Objekt reflektierten
Lichts in eine Detektor-Ortsverteilung unter Verwendung eines Ausschnittes
aus einer positiven Linse.
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Beim
Objekt 11 handelt es sich um eine mit jedenfalls bereichsweise
ebener Oberfläche
reflektierende Anordnung, bevorzugt um eine Flüssigkristall-Anzeige oder um
eine Druckprobe, deren Reflexionsverhalten unter kontrollierten
Beleuchtungsbedingungen meßtechnisch
erfaßt
werden soll. Dies bedeutet, daß reproduzierbar
und kontrolliert eingestellt werden kann, aus welchen Richtungen
das Messobjekt 11 mit welcher Intensität (auch, mit welchem Spektrum)
beleuchtet wird. Dafür
ist das Objekt 11 im Beispielsfalle der 1 im
Halbraum 12 unter dem Pol 13 einer hohlen Halbkugel 14 in
deren äquatorialer
Ebene gelegen, wo die Oberfläche
des Objekts 11, aus unterschiedlichsten Richtungen dieser
Hemi sphäre
gleichzeitig (also „diffus"), kontrollierbar
beleuchtet wird. Die Halbkugel 14 ist im Beispielsfalle der 1 auf
ihrer konkaven Oberfläche
mit Lichtquellen 15 ausgestattet, die hier mit ihrer jeweils
in sich nicht parallelen, kegelförmigen
Abstrahlung 16 aus unterschiedlichen Richtungen auf das
Zentrum des Objektes 11 ausgerichtet sind und dadurch dessen
Oberfläche
kontrollierbar beleuchten. Alternativ kann auch die Beleuchtung
durch abbildende optische Systeme erfolgen, womit die Effizienz
der Beleuchtungseinrichtung verbessert wird. Außerdem ist die Halbkugel 14 auf
ihrer konkaven Oberfläche
mit abbildenden Systemen, hier in Form von Linsen 19, ausgestattet,
deren optische Achsen ebenfalls auf das Zentrum des Objektes 11 ausgerichtet
sind und dadurch ein Flächenelement
aus der Oberfläche
des Objektes 11, nämlich
einen Messfleck – direkt
oder über
Lichtleitfasern 18 – auf
einen einzelnen Detektor, oder ein-, oder zweidimensionale Anordnungen von
Detektoren 17 abbilden. Die Kombination aus abbildendem
optischem System (z.B. Linse 19) und opto-elektrischem
Wandler (Detektor 17) wird nachstehend auch als Empfänger bezeichnet.
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Es
sind bevorzugt jeweils in der Spiegelrichtung bezüglich der
Empfänger
keine Lichtquellen in der Hohlkugel 14 angeordnet, um die
Detektoren 17 nicht über
die glatte Oberfläche
des Objekts 11 spekular zu bestrahlen. Wenn das zu vermessende
Objekt 11 z.B. ein Stück
Kunstdruck-Papiers ist, werden eventuell vorhandene spekulare Reflexionen
auch dem visuellen Eindruck des Drucks entsprechen. Liegt der Druck
allerdings hinter einem Schutzglas, so können durch Spiegelreflexionen
an der vorderen Luft-Glas-Trennfläche Reflexionen entstehen,
welche die visuelle Wahrnehmung empfindlich stören und sogar dazu führen, daß die Bedruckung
nicht mehr erkannt werden kann. Dieses Problem ist wohlbekannt von
der Auswahl geeigneter Orte zum Aufhängen von verglasten Drucken
oder Zeichnungen. Man wird diese, um die erwähnten Reflexionen und deren
Auswirkungen zu vermeiden, nicht gegenüber von Fenstern oder anderen
Lichtquellen plazieren. Bei Flüssigkristall-Anzeigen
tritt ein ähnliches
Problem auf: Hier wird die visuelle Information in der Flüssigkristall-Schicht,
d.h. zwischen zwei Substrat-Gläsern
generiert. Eventuell an der ersten Glas-Luft-Trennschicht auftretende
Spiegelreflexe stören
die Ablesbarkeit der angezeigten Information bzw. können diese
komplett verhindern. Der menschliche Betrachter ist allerdings immer
instinktiv bemüht,
durch entsprechende Plazierung der Person oder des betrachteten
Objekts (z.B. einer Armbanduhr) solche Spiegelreflexe zu vermeiden.
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Der
erfindungsgemäße Messaufbau
bietet die Möglichkeit,
Spiegelreflexionen zu kontrollieren und, falls gewollt, gezielt
zu unterdrücken.
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Die
Detektoren 17, die unmittelbar oder über die Lichtleiter 18 bei
der Halbkugel 14 oder weiter entfernt davon angeordnet
sind, nehmen jeweils über die
auf einen kleinen Flächenbereich
im Zentrum der Oberfläche
des Objektes 11 fokussierten Linsen 19 die Reflexstrahlung
aus diesem Flächenbereich
auf, um sie in ein auf die entsprechende Raumrichtung bezogenes
helligkeitsabhängiges
elektrisches Signal umzusetzen. Bei diesen Detektoren 17 handelt
es sich vorzugsweise um einzelne opto-elektrische Wandler, auf die
der vom Messfleck kommende Lichtstrom entweder direkt oder über Lichtleiter
gelenkt wird.
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Wie
in 1 angedeutet, sind die Linsen 19 eines
refraktiven Abbildungssystemes beispielsweise diskret in Abstand
vor den Detektoren 17 oder vor den Eintrittsflächen ihrer
Lichtleiter 18 angeordnet. Grundsätzlich können sie aber auch direkt in
der wenigstens bereichsweise aus klarem, durchsichtigem Material
bestehenden Wandung 20 der halben Hohlkugel 14 ausgebildet
sein.
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Durch
radiale Trennstriche ist in 1 angedeutet,
daß die
Kuppel nicht einteilig erstellt sein muß, sondern aus (vorzugsweise
hexagonal berandeten) Segmenten 21 zusammengesetzt sein
kann, in deren Löcher 22 die
Empfänger
(d.h. Linsen 19 mit Detektoren 17) und die Strahler 15 oder
Reflektoren eingesetzt sind. Entsprechend ausgelegte weitere Segmente 21 wirken
mit ihrer gesamten Oberfläche als
je nach Bedarf diffuse oder spiegelnde, metallisch oder dielektrisch
beschichte Reflektoren.
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Im
Gegensatz zur direkten Beleuchtung des Objektes 11 mittels über die
Hemisphäre
verteilter Strahler 15 nach 1 dient
die halbe Hohlkugel 14 nach 2 nicht
als Träger
von Lichtquellen, sondern mit ihrer konkaven inneren Oberfläche als
Reflektor für
Licht, das etwa längs
des Umfanges der Querschnittsebene der gedachten Hohlkugel (also z.B.
längs des Äquators)
von einem Kranz individueller Lichtquellen 15 (als Strahler
oder auch als Lichtleiterenden ausgebildet) oder von wenigstens
einer kreisbogenförmig
umlaufenden Lampe 23 etwa nach Art einer Leuchtstoffröhre gegen
die Innenfläche 25 des
Hohlkugelabschnittes 14 eingestrahlt wird. Die dort reflektierten
Lichtstrahlen 24 würden
allerdings die gesamte Basis 26 des Halbraumes 12,
also auch die Umgebung des allein interessierenden Messflecks auf
dem Objekt 11 ausleuchten. Um eine intensive Beleuchtung
aus unterschiedlichen Richtungen auf das Zentrum des Objektes 11 zu
konzentrieren, kann die Geometrie der konkaven Innenfläche 25 vom
halbkreisförmigen
zum parabolischen oder elliptischen Aufriß verformt werden. Für die Belange
der Praxis ist es jedoch vorteilhaft, wie in 2 skizziert die
Innenfläche 25 durch
umlaufende Ringe im Aufriß stufenförmig auszubilden.
Die einzelnen umlaufenden oder auch aus Bogenstücken zusammengesetzten reflektierenden
Ringflächen 27 sind
derart geneigt – also
wie skizziert zum Pol 13 des Halbraumes 12 hin
gelegen flacher als zum Äquator 29 hin-,
daß sie
alle überwiegend
zum Zentrum des Äquators
hin, also auf den Messfleck reflektieren.
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Wenn
die Innenfläche 25 entsprechend
den Gegebenheiten nach 1 auch wieder mit Linsen für die Abbildung
eines Flächenelementes
des Objektes auf die Detektoren ausgestattet ist, dann ist in jeweils
spekularer Richtung dazu die reflektierende Oberfläche 25 lokal
absorbierend ausgelegt, vorzugsweise durch Anordnung eines derart
dimensionierten Loches, daß keine
spekulare Beleuchtung auftritt.
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In 2 ist
ferner berücksichtigt,
daß eine ausgezeichnete
Betrachtungsrichtung auf ein Objekt 11 durch die Flächennormale
der Anzeige 13 gegeben ist. Eine Abschattung des betrachteten
Objektes gegen Umgebungslicht durch den Kopf des Betrachters ist
deshalb als Kreisfläche 30 um
den Pol 13 herum (vgl. 3) darstellbar,
in dem keine Lichtquellen oder Reflektoren an der Hohlkugel-Innenfläche 25 vorgesehen
sind, so daß eine
Beleuchtung des Objektes 11 aus diesen Richtungen entfällt. Durch Weglassen
von reflektierendem Material um den Pol 13 herum wird also
das Messobjekt 11 aus diesem Richtungsbereich 31 kontrolliert
nicht beleuchtet. Entsprechend werden durch Weglassen von reflektierendem
Material gegenüber
dem Empfänger-Segment 17 längs eines
Streifens 32 störende
Spiegelreflexionen über
die glatte Oberfläche
des Messobjekts 11 vermieden.
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In
der erfindungsgemäßen Variante
nach 3 ist zwar die Hohlkugel-Innenfläche 25 wieder mit
Strahlern 15 gemäß 1 (oder
mit Reflektoren gemäß 2)
bestückt,
aber nicht mit Empfängern. Diese
sind nun nur längs
des Großkreises
auf einem Viertelkreisbogen eines den Pol 13 überspannenden halbkreisbogenförmigen Trägers vorgesehen,
der um den Pol 13 verdrehbar ist. Zum Vermeiden spekularer Anregung
der Detektoren 17 wirkt der gegenüberliegende viertelkreisbogenförmige Streifen 32 des
Trägers
als streifenförmige
Abschattung der Einstrahlung auf den Messfleck. In der Umgebung
des Poles 13 ist der Streifen aufgeweitet, um die oben
erwähnte Abschattung
der Umgebungsbeleuchtung durch den Kopf eines Betrachters des Objektes 11 nachzubilden.
Je nach dem Abstand des Betrachter-Kopfes von der Anzeige ändert sich
die Größe dieses
abgeschatteten Richtungsbereiches, wofür die Messeinrichtung eine
leichte Verstellbarkeit erlaubt, indem ein maximaler Winkelbereich
um die Flächennormale der
Anzeige (etwa bis 35° Neigung)
z.B. wahlweise mit reflektierenden oder nicht-reflektierenden Kacheln
ausgefüllt
wird.
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Der
Messfleck 11 muß durchaus
auch nicht aus allen Richtungen des Halbraumes 12 gleichzeitig und
gleichmäßig bestrahlt
werden. Es genügt,
dieses gemäß der Weiterbildung
nach 4 für einen Großkreis-Streifen 32 zu
gewährleisten,
der dann um eine durch den Pol 13 verlaufende Achse 33 verdreht
wird und dadurch, gewissermaßen
in Umfangsrichtung der Basis 26 seriell, alle Beobachtungsrichtungen des
Halbraumes 12 erfaßt.
Damit dabei wieder keine spekularen Strahlen der Beleuchtung auf
einen der Empfänger
gelangen, sind die Lichtquellen 15 winkelmäßig nach
beiden Seiten etwas aus dem Großkreis
durch die Empfänger,
also deren Detektoren 17 bzw. deren Linsen 19 heraus
versetzt; wie für
eine schmale V-förmig
symmetrische Beleuchtung des Objektes 11 in 4a rechts
zu sehen.
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Die
Erfindung umfaßt
also verschiedene Methoden zur effektiven Beleuchtung des Messobjekts
11 sowie
unterschiedliche Verfahren, um die vom Messfleck reflektierten Lichtstrahlen
nach ihrer Richtung sortiert auf Detektoranordnungen
17 zu
projizieren. Diese Sortierung kann durch ein Lichtleitersystem mit
entsprechender fertigungsbedingter Zuordnung von Eintrittsrichtung
und Austrittsort entweder in einer oder in zwei Dimension erfolgen,
wobei der eindimensionale Ansatz in
4 (links)
skizziert ist als lineare Anordnung von Lichtleitern zum Umsetzen
des Neigungswinkels in einen Austrittsort; ein zweidimensionaler
Ansatz ist mit dem zwiebelförmigen
Lichtleitersystem nach
US
5,313,542 A beschrieben.
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Entsprechend
der indirekten Beleuchtung des Messflecks über die Reflexion einzelner
Ringzonen 27 mit unterschiedlicher Neigung, wie in 2 dargestellt,
kann auch das im Messfleck reflektierte Licht aufgenommen und je
nach Neigungswinkel zur Flächennormalen
des Messobjekts "sortiert" werden. Dazu wird
in einer Großkreisebene,
wie in 3 in der Aufsicht dargestellt, gemäß 5 eine
lineare Anordnung von Detektoren 17 außerhalb der Kuppel angebracht
und gegenüber
in der Kuppel ein Streifen 32 eines Großkreis-Sektors mit einzelnen Reflektoren eingebracht.
Die einzelnen Reflektoren werden in diesem Fall nach Form bzw. Neigung
so ausgelegt, daß das
Licht je nach Neigungswinkel des vom Messfleck kommenden Strahls
an unterschiedliche Stellen außerhalb
der Kuppel abgebildet wird, wie in 5 schematisch
dargestellt. Dann ergibt sich auf einer eindimen sionalen Detektor-Anordnung 17 direkt
das Bild der Neigungswinkelabhängigkeit
der Reflexion für
jeweils einen Wert des Drehwinkels (Azimut).
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Eine
weitere Alternative zur Umsetzung der Richtungsverteilung der vom
Messfleck kommenden reflektierten Lichtstrahlen in eine Ortsverteilung
ist durch eine positive Linse bzw. einen Abschnitt davon gegeben,
wie in 6 skizziert. Aus den Grundregeln der geometrischen
Optik dünner
Linsen folgt die Umsetzung von einfallenden parallelen Strahlenbündeln in
Punkte in der bildseitigen Brennebene, wobei der Abstand dieser
Fokuspunkte von der optischen Achse eine Funktion des Neigungswinkels
der einfallenden Strahlen ist. Demzufolge kann über einen streifenförmigen Linsenabschnitt 34,
der in den Großkreis-Schlitz 32 nach 3 eingebracht
ist, in der bildseitigen Brennebene direkt das Bild der Neigungswinkelverteilung
der im Messfleck auf dem Objekt 11 reflektierten Strahlen
dargestellt werden. Dieses hinter dem Linsenabschnitt 34 entstehende
Bild kann dann, falls nötig
entsprechend verkleinert, auf eine eindimensionale Detektor-Anordnung
abgebildet werden.