Die gattungsbildenden Merkmale der beiden Hauptansprüche sind zur blickwinkelabhän
gigen Beurteilung optischer Eigenschaften einer Flüssigkristall-Zelle wie insbesondere des
Reflexionsverhaltens und des Kontrasts (als dem Verhältnis der transmissiven oder reflek
tiven Lichtstärken in ihren beiden Schaltzuständen) bekannt.
Mit Beleuchtungs-Vorrichtungen in Form von innenseitig beleuchteten hohlen Reflektoren
zur diffusen Bestrahlung eines elektrooptisch zu erfassenden Objektes befaßt sich etwa die
DE 29 20 2306 U1.
R. A. Cremers et al haben in "A new method for the characterization and avaluation of the
optical appearance of reflective TN-LCDs", DISPLAYS (1979) pp 14-16, einen goniome
trischen Meßaufbau mit einem einkanaligen Photometer beschrieben, das längs einer Ku
gelfläche einstellbar ist, um ein ausgewähltes Flächenelement der Zelle unter verschiede
nen Blick- und Aufnahmerichtung zu erfassen.
Die eigenen DE 196 02 862 A1 und DE 196 37 131 A1 zeigen den Einsatz einer beson
ders hochaperturigen Fokussieroptik zur Transformation aller räumlichen Abstrahlungs
richtungen vor der Zelle in die Punkte-Verteilung einer flächigen Abbildung der blick
richtungsabhängigen Strahlungsintensität. Dabei liegt die Zelle in der objektseitigen
Brenn-Ebene dicht vor der Optik, und die Abbildung entsteht in der bildseitigen Brennebe
ne dicht hinter der Optik. Diese auch sogenannte konoskopische Abbildung, also die
Transformation der Strahlen-Neigungen auf der Zelle in eine Punkte-Verteilung über der
bildseitigen Brennebene der Optik, führt mit einem mehrkanaligen Detektor zur Aufnahme
der Punkte-Verteilung rasch zu reproduzierbaren Aussagen über die wesentlichen blick
richtungsabhängigen Eigenschaften ausgewählter Flächenelemente der Zelle, da jeweils
alle Blickrichtungen auf dieses Flächenelement simultan mit einer einzigen Messung erfaßt
werden. Dabei kann die Transformationsoptik zugleich der Beleuchtung eines Flächenele
mentes der Zelle mit einem in der Zelle zu reflektierenden, in der konoskopischen Abbil
dungsebene bezüglich seiner Einfallsrichtung auf die Zelle einstellbaren z. B. parallelen
Teststrahl dienen.
Problematisch sind alle vorbekannten Anordnungen zum Messen optischer Eigenschaften
bestrahlter reflektierender Körper jedoch insofern, als das Meßergebnis in Betrachtungs-
oder Aufnahmerichtung durch den überlagerten Einfluß direkter Spiegeleinstrahlungen in
den Detektor verfälscht werden kann. Das fällt ganz besonders ins Gewicht bei der übli
cherweise anzutreffenden reflektiv betriebenen Flüssigkristall-Zelle, da in ihr die Flüssig
kristallschicht, die mittels Modulation einer im Regelfall zweifachen Durchstrahlung die
visuelle Information vermitteln soll, in Betrachtungs- und Aufnahmerichtung unter einem
Deck- oder Schutzglas liegt, auf dessen Oberfläche das Umgebungslicht reflektiert wird.
Dadurch erreichen das Auge des Beobachters nicht nur solche Anteile reflektierten Lichtes,
die lokal durch die Flüssigkristallschicht moduliert wurden und dadurch eine Information
beinhalten, sondern auch solche, die bereits auf der davor gelegenen Oberfläche reflektiert
wurden, also am Übergang von Luft zum Deckglas, bzw. zu einem darauf laminierten Po
larisationsfilter für das Sichtbarmachen der Doppelbrechungserscheinungen im Flüssigkri
stall. Die eine Information vermittelnden Modulationen, welche die aus der Umgebung
einfallende und dann hinter der Zelle wieder reflektierte Bestrahlung in der Flüssigkristall
schicht erfährt, werden betrachterseitig dann von den Reflexionen überlagert, die das diffus
in die Zelle einfallende Licht schon zuvor auf dem Deckglas erfährt. Dabei ist in vorlie
gendem Zusammenhang unter diffuser Bestrahlung zu verstehen, daß im einfallenden
Licht möglichst gleichmäßig alle Richtungen gleichermaßen enthalten sein sollen. Daraus
resultiert, daß jede Betrachtungsrichtung zwangsläufig auf einen dazu gerade spekularen
Lichtstrahl aus der diffusen Bestrahlung trifft.
Besonders intensiv sind Oberflächenreflexionen also für die zur momentanen Aufnahme
richtung im diffusen Licht stets enthaltene Beleuchtungskomponente in spekularer Rich
tung, d. h. in der Aufnahmeebene der Beobachtungsrichtung zum Einfallslot diametral ge
genüber (Ausfallswinkel gleich Einfallswinkel). Denn diese momentan spekulare Be
leuchtungsrichtung aus der diffusen Bestrahlung wird, ohne Beeinflussung durch die Flüs
sigkeitsschicht in der Zelle, unmoduliert und direkt von der Zellen-Außenfläche in den
Detektor eingespiegelt und überlagert dort ansteurungsunabhängig die schwächere, an
steuerungsabhängig im Innern der Zelle modulierte Strahlung. Mangels erkennbaren Un
terschieds zwischen angesteuertem und nicht angesteuertem Zustand (also mangels Kon
trastes) der Zelle findet dann, infolge des dominierenden Einflusses des Spiegelstrahles,
praktisch keine visuelle Informationsübermittlung mehr statt.
Der Betrachter einer LCD-Darbietung (etwa der elektrooptischen digitalen Anzeige einer
Armbanduhr oder eines Telefondisplays) verändert in solchem Fall unwillkürlich die Be
trachtungsrichtung, um aus der spekularen Reflexion heraus zu gelangen und damit wieder
einen Kontrastzustand zu erreichen, in dem er die interessierende Information erkennen
kann. Bei automatischen Meßverfahren dagegen, etwa zur Qualitätsüberwachung solcher
Displays, ist das Meßergebnis unbrauchbar, wenn es durch die für die Qualitätsbeurteilung
nicht relevante spekulare Reflexion überlagert wird, woraufhin an der Zelle praktisch kein
Kontrast mehr meßbar ist, so daß die Zelle unbrauchbar erscheint. Andererseits besteht
schon angesichts der immer detaillierteren und strengeren arbeitsmedizinischen Vorschrif
ten für Bildschirmarbeitsplätze ein großer und noch steigender Bedarf an automatischen
Prüfmethoden hinsichtlich reproduzierbarer und vergleichbarer Ergebnisse über die rele
vanten Eigenschaften von Displays wie insbesondere die visuelle Erkennbarkeit, also über
den Kontrasteindruck an der Schnittstelle zwischen Mensch und Maschine.
Aber auch auf anderen Gebieten können Oberflächenreflexionen die Erkennbarkeit beein
trächtigen, weil das, was wirklich interessiert, unter einer spiegelnden transparenten Deck
schicht liegt. Zu denken ist etwa an ein Objekt, dessen Oberfläche im Kampf gegen Pro
duktpiraterie und Fälschungen zum Originalitätsnachweis unter einer transparenten
Schutzschicht mit einer holographischen Herkunfts-Information ausgestattet ist. Die kann
nicht für Kontrollzwecke optoelektronisch aufgenommen werden, wenn der Detektor zu
fällig gleichzeitig eine über die Schutzschicht spekulare Beleuchtungskomponente der
Umgebungseinstrahlung erfaßt. Bei Farbfotos oder in der Hochglanz-Drucktechnik ist eine
automatisierte Qualitätskontrolle z. B. hinsichtlich Kontrasts und Farbsättigung insoweit
nicht gewährleistet, als in den Detektor einspiegelnde Oberflächenreflexe aus der Umge
bung den Testbereich, auf den der Detektor gerade ausgerichtet ist, überstrahlen. Bei Kon
sumgütern kommt es während der Montage oder des Austausches von Komponenten, etwa
einer Autotür, darauf an, daß dessen Farbe in Einklang mit bestimmten Vorgaben steht,
etwa mit der Farbe des Chassis übereinstimmt; was optoelektronisch insoweit nicht erfaßt
werden kann, als womöglich von einer schützenden Glanzschicht über der Lackierung ge
rade eine zur Blickrichtung spekulare Bestrahlungskomponente in den Detektor eingespie
gelt wird.
In Erkenntnis dieser Gegebenheiten liegt vorliegender Erfindung die Aufgabe zugrunde,
brauchbarere Verfahren - und Vorrichtungen zu deren praktischer Umsetzung - etwa für
ein automatisierbares Gewinnen von gebrauchsrelevanten optischen Kennwerten reflektie
render Körper wie beispielsweise zur Reflexions- und Kontrastbestimmung an reflektiv
arbeitenden Flüssigkristall-Zellen anzugeben.
Gelöst wird diese Aufgabe nach den Hauptansprüchen erfindungsgemäß durch eine be
strahlungsseitige Maskierung der Art, daß aus der richtungsisotrop gleichförmig diffusen
Bestrahlung der betrachteten Oberfläche diejenige individuelle Beleuchtungsrichtung ab
geschattet wird, die dem spekularen Beleuchtungsstrahl zur momentanen Aufnahmerich
tung des auf den Körper gerichteten Detektors gerade entspricht. Das wird nachstehend
anhand eines Körpers in der Form einer Flüssigkristall-Zelle näher erläutert.
Zu solcher Unterdrückung einer störenden spekularen Reflexion an der betrachteten Ober
fläche kann für eine gonioskopische Messung vorgesehen sein, den Körper über die be
strahlte reflektierende Innenfläche einer hohlen Halbkugel möglichst richtungsisotrop dif
fus zu beleuchten und durch diese Halbkugelfläche hindurch den Detektor auf die Oberflä
che zu richten; wobei nun in spekularer Richtung bezüglich dieser Blickrichtung als Ab
schattungs-Maske ein nicht reflektierendes Flächenelement der Hohlkugel-Innenfläche
vorgesehen wird. Diese Abschattung kann durch Paare von spiegelsymmetrisch zum Ein
fallslot auf die Zelle gelegenen diskreten Bohrungen in der Hohlkugel realisiert sein, so
daß der Blick durch die eine Bohrung des jeweiligen Paares nach Reflexion an der Zellen
oberfläche durch die andere Bohrung in die abgedunkelte Umgebung hinaus führt, also
dort keine Reflexion erfährt und dementsprechend dort auch keine direkte Einstrahlung
vom Innern der Hohlkugel aufnimmt; oder der Detektor wird z. B. längs eines vom Rand
zum Pol der Halbkugel sich erstreckenden Schlitzes verschoben und verschiebt damit ge
genläufig über eine der Hemisphäre folgende getriebliche Kopplung (wie man sie in der
Ebene etwa als Scherengitter oder als gegensinnig parallel angetriebene Zahnstangen zur
zentrierten Führung des Papiereinzugs an Telefax- und Kopiergeräten kennt) eine kleinflä
chige Maske zum Abschauen des spekularen Punktes in der Bestrahlungshemisphäre der
reflektierenden Hohlkugel-Innenfläche, der in Richtung der Fortsetzung des Schlitzbogens
jenseits des Schlitz-Apogäums oder Poles liegt.
Die Meßwerte über Oberflächenreflexionen wie auch über die Reflexion im Innern einer
Flüssigkristall-Zelle - aufgenommen z. B. in den beiden Schaltzuständen der Zelle zur
Quotientenbildung als der rechnerischen Ermittlung des Kontrasts der visuellen Anzeige -
werden jedoch zweckmäßiger, anstatt nach der goniometrischen, nach der konoskopischen
Methode gewannen. Bevorzugt erfolgt dabei die richtungs-isotrope, gleichförmig diffuse
Bestrahlung der Zelle durch die gleiche großaperturige Transformationsoptik hindurch,
welche die Richtungsabhängigkeit des reflektierten Lichts in die sog. konoskopische Figur
transformiert. Allerdings besteht auch jetzt wieder die meßtechnische Problematik darin,
daß für jede Aufnahmerichtung des Detektors auf ein Flächenelement der Zelle in deren
diffuser Bestrahlung zwangsläufig auch eine spekulare Beleuchtungsrichtung existiert.
Deren von der momentanen und wechselnden Ansteuerung der Zelle unabhängige, intensi
ve Spiegelung auf dem Deckglas der Zelle führt zu einer deutlichen Reduzierung des Quo
tienten der aufgenommenen Helligkeitswerte für die beiden Schaltzustände, also wegen in
beiden Schaltzuständen praktisch gleicher Helligkeit zu einem minimalen rechnerischen
Kontrast der Zelle. Das macht wie schon erwähnt eine solche Meßanordnung z. B. für eine
automatische Qualitätskontrolle reflektiver Anzeigen eigentlich unbrauchbar. Diese Pro
blematik ist aber erfindungsgemäß wieder dadurch gelöst, daß in der an sich isotropen (in
allen Richtungen gleichförmigen) Bestrahlung ein kleiner zur Betrachtungsrichtung spe
kularer Raumwinkelbereich von Einfallsrichtungen durch Abschattung z. B. mittels einer
Maske ausgeblendet wird, so daß für die momentane Betrachtungs- oder Aufnahmerich
tung in das Meßgerät kein spekularer Lichteinfall aus direkter Reflexion an der äußeren
Oberfläche der Zelle auftritt.
Diese Abschattungs-Maske kann direkt in die bildseitige Brennebene der Transformation
soptik (oder in die Abbildungsebene einer ihr nachgeschalteten, gewöhnlich verkleinern
den Abbildungsoptik für die konoskopische Figur) eingebracht werden. Denn nach dem
Prinzip der konoskopischen Transformation entspricht jedem Punkt in dieser Abbildung
eine Strahlrichtung in Bezug auf die Zelle, deren interessierendes Flächenelement in der
objektseitigen Fokusebene der großaperturigen Konvergenzoptik angeordnet ist. So wird
eine Bestrahlungsrichtung des Objektes von einer Abbildungsebene her durch die Trans
formationsoptik hindurch für die zur momentanen Aufnahmerichtung spekulare Richtung
mittels einer die Bestrahlung von einem Punkt der Abbildungsebene aus abschattenden
Maske vor diesem Punkt in der Abbildungsebene verhindert.
Die konoskopische Figur, in welche die für das Abschauen von zu den Aufnahmerichtun
gen spekularen Beleuchtungsrichtungen verlagerbare Maske eingebracht wird, kann die im
Hauptstrahlengang von der Transformationsoptik zum Detektor gelegene sein, die sowohl
das am Objekt reflektierte Licht auf seinem Weg zur Detektor-Matrix wie auch schon zu
vor die beleuchtende Bestrahlung auf dem Weg zum Objekt durchquert. Diese einen klei
nen Raumwinkel abschaffende Maske kann aber auch in einer weiteren konoskopischen
Abbildungsebene außerhalb des Hauptstrahlenganges, in einem gesonderten, in jenen hin
eingeblendeten Beleuchtungsstrahlengang liegen, so daß dann das am Objekt reflektierte
Licht ohne weitere Maskierung von der Detektor-Matrix aufgenommen werden kann.
Zur geometrisch definierten Abschattung kann eine starr geometrisch lichtundurchlässig
konfigurierte Maske Einsatz finden, aber auch eine variable Maske, etwa ein optoelektro
nisches Lichtventil in Form einer LCD-Matrix, die für den zu einer bestimmten Meßrich
tung spekularen Raumwinkel aus der diffusen Bestrahlung lichtundurchlässig schaltet.
Wenn die Maskierung die Geometrie eines in der bildseitigen Brennebene der Transfor
mations-Optik, also im konoskopischen Bild gelegenen lichtundurchlässigen radialen
Streifens aufweist, der sich längs eines Azimutwinkels in der konoskopischen Abbildungs
figur speichenförmig vom Zentrum zu deren Rand hin erstreckt, dann sind aus der diffusen
Bestrahlung des Objektes für diesen Azimut die spekularen Strahlen für gleich alle Auf
nahme-Neigungswinkel ausgeblendet. Deshalb können nun für diesen Azimut unter kei
nem Aufnahmewinkel auf die Oberfläche des Objektes mehr spekulare Reflexionen auf
treten. Bei Messungen in der konoskopischen Figur an Punkten längs der Verlängerung der
abschaffenden Speiche, also dieser radialen Maske diametral gegenüber liegend, kommt
deshalb nun keine spekulare Überstrahlung mehr vor.
Die in der konoskopischen Figur diametral gegenüber zunächst unter der Maske gelegenen
Meßpunkte werden danach erfaßt, wenn die Maske dann azimutal um 180° verdreht oder
einfach in die Gegenrichtung umgeklappt wurde, bzw. das lokal abschaffende Lichtventil
wird zentralsymmetrisch umgeschaltet, so daß dann die andere Hälfte der Neigungswinkel
auf der Objektoberfläche flächig als konoskopische Punkte-Verteilung auf azimutal der
selben Diametralen ungestört von spekularen Reflexionen hinsichtlich ihrer Intensitäten
ausgemessen werden kann. Statt dieses Richtungswechsels um gleich 1801 kann aber auch
vorgesehen sein, die radial abschattende Maske jeweils nur um einen kleineren azimutalen
Winkelschritt weiterzudrehen, um so nach Maßgabe der interessierenden Azimutauflösung
die blickrichtungsabhängige Reflexstrahlung vom Objekt - stets ohne Überlagerung spe
kularer Beleuchtungsreflexion von ihrer Oberfläche - stern- oder speichenförmig umlau
fend Punkt für Punkt in der Ebene der konoskopischen Figur aufzunehmen.
Für diese erfindungsgemäß unter Ausblenden spekularer Einstrahlung erfolgende Aufnah
me der konoskopischen Abbildung des am Objekt reflektierten Lichts kann ein diskreter,
einkanaliger Detektor vorgesehen sein, welcher eine dichte Folge von gerade nicht abge
schatteten aber von spekularer Reflexion freien Meßpunkten in der konoskopischen Figur
nacheinander abtastet. Zweckmäßiger ist allerdings eine großformatigere Abfrage der ko
noskopischen Figur mittels eines ortsauflösenden Detektors in Form eines eindimensiona
len Arrays von Sensorelementen (z. B. in einer elektronischen Zeilenkamera) oder mittels
eines zweidimensionalen Arrays (etwa in Form einer elektronischen Flächenkamera).
Schneller als selbst mit einer z. B. Schritt für Schritt erfolgenden motorischen Winkelver
änderung der - einen Raumwinkel in der Bestrahlung abschattenden - Speichen-Maske
lassen die Meßpunkte sich - wieder ungestört durch spekulare Erscheinungen - detekto
risch erfassen, wenn in der bildseitigen Brennebene der Transformationsoptik anstelle der
verdrehbaren Speiche eine mechanisch verlagerbare oder elektrisch umschaltbare Matrix
aus abwechselnd lichtdurchlässigen und lichtundurchlässigen Bezirken vorgesehen wird,
um möglichst viele Punkte in der konoskopischen Figur mittels des Flächendetektors
gleichzeitig erfassen zu können. Bei Maskierung im Hauptstrahlengang ist die umschaltba
re Maske komplementär zum Zentrum der konoskopischen Figur. Das bedeutet, daß ein die
- im übrigen gleichmäßig diffuse - Bestrahlung in dieser Raumrichtung abschattender da
nicht-transparenter Bezirk der Maske einem transparenten Bezirk diametral gegenüber
liegt, um nur für die gerade jenem transparenten Bezirk zugeordnete Aufnahmerichtung
dem vom Objekt reflektierten, von spekularem Anteil freie Licht den Weg zum Detektor
freizugeben.
Die Dichte der Meßpunkte kann bei solchen komplementären Masken verdoppelt werden,
wenn jeweils eine Messung des reflektierten Lichts bei einer ersten Orientierung der Mas
ke durchgeführt und die Maske dann so verdreht oder verschoben wird, daß an die zuvor
transparenten Bezirke nun nicht-transparente treten, und umgekehrt. Wenn dieses Mas
kenmuster nicht diametral komplementär ist, kann es allerdings nicht im Hauptstrahlen
gang liegen, dann muß die Abschattung in einem externen Bestrahlungs-Strahlengang er
folgen. Im Beispielsfalle eines Schachbrettmusters wird zu jeder abgescharteten Bestrah
lungs-Spiegelrichtung die Reflexstrahlung vom Objekt vom Detektor direkt aufgenommen,
in der aufgrund der Abschattung wieder kein direkt gespiegeltes (spekulares) Licht enthal
ten ist. Sodann wird die schachbrettartige Maske um eine Teilung verschoben bzw. umge
schaltet, so daß nun die bisher abgeschatteten Bezirke für die Bestrahlung lichtdurchlässig
sind, aufgrund der gegenüber gelegenen Abschattungen aber wiederum nicht durch direkt
(spekular) auf dem Objekt reflektiertes Licht beaufschlagt werden.
Bei Maskierung im Beleuchtungsstrahlengang werden die Meßpunkte in der konoskopi
schen Figur also an solche Stellen plaziert, die diametral zu den nicht lichtdurchlässigen
Bezirken in der Maske liegen, weil dort direkte Spiegelreflexe von der Objektoberfläche
unterdrückt sind. Wenn sich die einen Raumwinkel der Bestrahlung ausblendende Maske
somit nicht im Hauptstrahlengang aus Beleuchtung und Reflex (z. B. vom Innern der re
flektiv betriebenen Zelle) befindet, besteht keine Notwendigkeit zur komplementären Ge
staltung der abwechselnd nur bereichsweise lichtdurchlässigen Maske. Vielmehr kann die
Maske nun unter Berücksichtigung auch anderer Kriterien gestaltet werden. Die sind ins
besondere Sicherstellung einer optimalen Isotropie (also einer geringstmöglichen Ani
sotropie) der diffusen Bestrahlung trotz daraus ausgeblendeter Raumwinkel. Zusätzlich
können unerwünschte Reflexe etwa vom nicht idealen Linsensystem für die Transformati
on der Strahlwinkel in die Flächenkoordinaten der konoskopischen Figur unterdrückt wer
den, indem entsprechende Bezirke der Maske im externen Beleuchtungsstrahlengang zu
sätzlich lichtundurchlässig gestaltet werden. Wenn das Objekt eine TN-Flüssigkristallzelle
ist, wird im externen Bestrahlungsgang zweckmäßigerweise - in Abhängigkeit von den
Streueigenschaften des Reflektors im Innern der Zelle hinter der Flüssigkristallschicht - ein
bestimmter Mindestwert des Winkelabstandes zwischen dem Zentrum von beleuchteten
und nicht beleuchteten Raumwinkeln realisiert.
Eine solche nicht mehr im direkten Strahlengang von der Zelle zum Detektor liegende
Maske muß also nicht komplementär sein, sie kann auch spiegelsymmetrisch sein; sie kann
also beispielsweise auch über die Erstreckung der Speiche diametral hinaus noch eine Ab
schattung aufweisen.
Alternativ zu elektrisch schaltbaren oder mechanisch zwischen mindestens zwei komple
mentären Konfigurationen verstellbaren Masken, die sich entweder im Haupt- oder im
Beleuchtungsstrahlengang befinden, kann die Maskierung auch durch eine kontinuierlich
rotierende Blende im Beleuchtungsstrahlengang und eine weitere kontinuierlich rotierende
Blende im Hauptstrahlengang, dort in einer Abbildungsebene der konoskopischen Figur
hinter der Einkopplung der Bestrahlung in den Hauptstrahlengang, realisiert werden. Beide
Blenden, die etwa als radiale Streifen ausgebildet sind (z. B. radiale Abmaskierung im Be
leuchtungsstrahlengang mit durchlässig radialer Streifenblende im Beobachtungs- oder
Hauptstrahlengang; diese Blenden können aber auch diametral gestaltet sein), sind in ihrer
Bewegung so synchronisiert, daß die Blende, die den Meßstrahlengang freigibt, nur sol
ches Licht durchläßt, das frei von spekularer Oberflächenreflexion ist; d. h. der Drehwinkel
der Beleuchtungsmaske ist gleich dem Drehwinkel der Meßmaske (ggf. mit einem Offset
von 180 Grad).
Bezüglich weiterer Abwandlungen und Vorteile der erfindungsgemäßen Lösungen wird
auf die weiteren Ansprüche verwiesen, und auf nachstehende Beschreibung von in der
Zeichnung unter Beschränkung auf das Wesentliche nicht ganz maßstabsgerecht skizzier
ten bevorzugten Realisierungsbeispielen für Vorrichtungen zum Ausüben des erfindungs
gemäßen Verfahrens bei einem reflektierenden Objekt in Form einer reflektiv betriebenen
Flüssigkristall-Zelle mit Deckglas. In der Zeichnung zeigt unter stark vergrößerter Berück
sichtigung des Schichtenaufbaus der Zelle:
Fig. 1 den grundsätzlichen Strahlengang in einer goniometrischen Vorrichtung
zum Ausüben des erfindungsgemäßen Verfahrens mit punktförmiger Mas
kierung der Bestrahlungshemisphäre,
Fig. 2 den grundsätzlichen Strahlengang in einer konoskopischen Vorrichtung zum
Ausüben des erfindungsgemäßen Verfahrens mit speichenförmiger Maskie
rung der diffusen Bestrahlung aus der Ebene der konoskopischen Figur, oh
ne Darstellung eines Detektor-Array zur meßtechnischen Abtastung der ko
noskopischen Figur,
Fig. 3 die azimutal einstellbare Speichenmaske aus dem Hauptstrahlengang gemäß
Fig. 2 in Draufsicht,
Fig. 4 eine verschwenkbare Sechsecksmaske für den Hauptstrahlengang gemäß
Fig. 2,
Fig. 5 eine erweiterte Speichenmaske in einem externen Strahlengang der Be
strahlung und
Fig. 6a/6b die beiden Stellungen einer linear verschiebbaren Schachbrettmaske für den
externen Strahlengang.
Die in Fig. 1 im Längsschnitt durch ihre optische Achse 11 quer zur Aufnahmeebene skiz
zierte erfindungsgemäße Bestrahlungs-Vorrichtung 12 zum Ausüben des beanspruchten
Meßverfahrens dient der möglichst richtungs-isotropen, gleichmäßig diffusen Bestrahlung
13 eines Test-Objektes, hier in Form einer reflektiv betriebenen Flüssigkristall-Zelle 14 mit
ihrer elektrisch beeinflußbaren Flüssigkristallschicht 15 unter einem Schutz- oder Deckglas
16 und vor einem, hinter der Schicht 15 liegenden, Reflektor 17. Die in einem Flächenele
ment 18 der Flüssigkristallschicht 15 modulierte und dahinter reflektierte Bestrahlung 13
wird als von der Betrachtungs- oder Aufnahmerichtung 21 abhängige Reflexion 19 mittels
eines Detektors 20 für verschiedene Aufnahmerichtungen 21-21 nacheinander aufgenom
men und hinsichtlich ihrer Intensität über den Winkelkoordinaten meßtechnisch ausge
wertet.
Die Betrachtung eines Flächenelementes 18 der Zelle 14 unter dem Winkel der jeweiligen
- zur Reflexion 19 entgegengesetzt gerichteten - Aufnahmerichtung 21 führt durch das
Deckglas 16 hindurch. An dessen Oberfläche 22 tritt eine Spiegelung auf, die durch den
spekularen, d. h. bezüglich des Betrachtungswinkels zum Einfallslot gerade winkelsymme
trisch in der Aufnahme- oder Neigungsebene des Detektors 20 (also in der Detektionsebe
ne) gelegenen Strahl 23 charakterisiert ist. Der innerhalb der diffusen Bestrahlung 13 gera
de in dieser Richtung auf die Zelle 14 einfallende (spekulare) Strahl 23 überlagert sich
deshalb nach Oberflächenreflexion mit großer Intensität der eigentlich nur interessierenden
Reflexion 19 aus der erst dahinter gelegenen Flüssigkristallschicht 15 und bestimmt an
stelle letzterer das mittels des Detektors 20 gewinnbare - nun infolge der von der elektri
schen Zellenansteuerung unabhängig intensiven spekularen Anregung extrem verfälschte -
Intensitäts-Meßergebnis des Detektors 20.
Deshalb wird erfindungsgemäß der zur momentanen Aufnahmerichtung 21 spekulare
Strahl 23 mittels einer in der Detektionsebene gelegenen Maske 24 aus der Bestrahlung 13
ausgeblendet. Die gleichmäßig richtungsunabhängig diffuse Bestrahlung 13 der Zelle 14,
durch welche die üblichen Umgebungsbedingungen des praktischen Einsatzes einer sol
chen Zelle 14 simuliert sind, wird dadurch hervorgerufen, daß die Zelle 14 etwa in der Ba
sis 26 einer innen reflektierenden Kugelkappe 27 angeordnet ist. Deren innere Hemisphäre
wird, vom azimutal oder äquatorial umlaufenden Rand der Basis 26 aus, von ringförmig
umlaufenden oder diskreten Lichtquellen 28 (etwa einzelnen Lampen; oder Austrittsenden
von Lichtleitfasern) angestrahlt. Deren Reflexionen ergeben die diffuse Bestrahlung 13.
Der Detektor 20 ist innerhalb der Hohlkugelkappe 27 verschwenkbar angeordnet, oder er
durchbricht sie, wie in der skizzierten Ausführung vorgesehen. In spekularer Richtung zur
momentanen Position (Aufnahmerichtung 21) des Detektors 20 ist nun eine Reflexion in
der Hohlkugel 27 unterbunden, um den spekularen Strahl 23 aus der Bestrahlung 13 aus
zublenden. Dafür ist die Hohlkugelkalotte 27 auch dort durchbrochen, oder vor ihrer re
flektierenden Innenfläche ist dort die lichtundurchlässige und nicht reflektierende Maske
24 angeordnet. Die folgt betrachtungswinkelabhängig mittels einer gegenläufig zur Ver
schwenkung des Detektors 20 arbeitenden Getriebekopplung 25 der von der Neigung der
Aufnahmerichtung 21 abhängigen Verschwenkung des spekularen Strahls 23. Dadurch ist
sichergestellt, daß der Detektor 20 in allen Aufnahmerichtungen 21 stets nur die aus dem
Innern der Zelle 14 stammende Reflexion 19 aufnimmt; diese kann nun nicht mehr durch
Oberflächenreflexe spekularer Beleuchtungsanteile (23) überstrahlt werden.
Für ein kontinuierliches Verschwenken der Aufnahmerichtung 21 ist die Hohlkugelkappe
27 mit einem Schlitz 29 ausgestattet, der sich wenigstens angenähert von der Ebene der
Basis 26 bis über den Pol 30 - als dem Apogäum oberhalb der Zelle 14 - hinaus bis gegen
überliegend zur Basis 26 zurück erstreckt. Der Schlitz 29 ist zweckmäßigerweise mit einer
zum Innern der Halbkugel 27 hin reflektierenden Abdeckung 31 versehen, die sich nach
Maßgabe der Verlagerung des Detektors 20 (und der damit mechanisch gekoppelten Mas
ke 24) nach Art einer schuppenförmigen Jalousie oder wie skizziert eines Faltenbalges
verschiebt, um die Hohlkugel-Innenfläche im Interesse möglichst ungestört diffuser Be
strahlung 13 nicht zu unterbrechen und zugleich das Innere der Hohlkugel 27 gegen exter
nes Umgebungslicht abzuschirmen. Für Betrachtung der Zelle 14 unter einem anderen
Azimut wird einfach die Hohlkugel 27 auf ihrer Basis 26 und somit der Schlitz 29 um die
Achse 11 gegenüber der Zelle 14 oder aber die Zelle 14 selbst entsprechend peripher ver
dreht. So bleibt bei der goniometrischen Vermessung der optischen Zelleneigenschaften
stets der spekulare Strahl 23 für die momentane Aufnahmerichtung 21 nach Azimut und
Elevation automatisch ausgeblendet, aber im übrigen eine praktisch gleichförmig diffuse
Bestrahlung 13 der Zelle 14 sichergestellt.
Für eine nicht gemäß Fig. 1 goniometrisch, sondern gemäß Fig. 2 bzw. Fig. 5 konoskopisch
erfolgende Vermessung der blickwinkelabhängigen Reflexionseigenschaften wird die
gleichförmig diffuse Bestrahlung 13 (Fig. 2) der Zelle 14 von der bildseitigen Brennebene
32 einer hochaperturigen fokussierenden Transformations-Optik 33 aus hervorgerufen, in
deren objektseitiger Brennebene 34 dicht vor der Optik 33 die Zelle 14 angeordnet ist. Für
diese diffuse Bestrahlung 13 der Zelle 14 ist als Beleuchtungs-Vorrichtung 12 in der bild
seitigen Brennebene 32 der Transformations-Optik 33 eine großflächige, kollimiert oder
streuend strahlende Lichtquelle 38 angeordnet. Die Lichtquelle 38 muß nicht gemäß Fig. 2
hier körperlich gelegen sein, ihre Abstrahlung kann auch gemäß Fig. 5 von einem externen
Lichtgenerator 39 stammen und in die Brennebene 32 eingespiegelt sein.
Die in der Flüssigkristallschicht 15 modulierten Reflexionen 19 werden von der Optik 33
nach Richtung und Intensität in deren Bild-Brennebene 32 als Verteilung unterschiedlich
heller Punkte 35 abgebildet. In dieser sogenannten konoskopischen Figur entspricht also
jeder Punkt 35 einem Abstrahl- bzw. Betrachtungswinkel (Strahl 19) bezüglich der Zelle
14. Erfindungsgemäß werden dabei wieder die zu den interessierenden Reflexionen 19
spekularen Strahlen 23 in der diffusen Bestrahlung 13 ausgeblendet. Dafür ist nun eine
Maske 24 vorgesehen, die sich gewissermaßen als radiale Speiche in der Bild-Brennebene
32 der Transformations-Optik 33 vom Zentrum der konoskopischen Figur bis zu deren
Rand erstreckt, wie in Fig. 3 skizziert. Deshalb können beim sensorischen Erfassen der
Meßpunkte 35 in der konoskopischen Abbildungsebene 32 keine störenden, da schon un
mittelbar an der Zellenoberfläche 22 reflektierten spekularen Strahlen 23 bezüglich derje
nigen Meß-Punkte 35 mehr erscheinen, die auf dem der Maske 24 (links in Fig. 3) diame
tral gegenüberliegenden Radius liegen (rechts in Fig. 3).
Zum Erfassen von Meß-Punkten 35 auf einem anderen, dagegen verschwenkten Radius
wird die Maske 24 um einen entsprechenden Azimutwinkel verdreht, um wieder den
Raumwinkel der Bestrahlung 13 abzuschatten, aus dem spekulare Strahlen 29 an der Zel
lenoberfläche 22 in die interessierenden Reflexionen 19 aus der Zelle 14 einspiegeln
könnten. Dafür ist die Maske 24 an einem Ring oder an einer im übrigen strahlungsdurch
lässigen Scheibe 40 angeordnet, die beispielsweise (Fig. 3) mittels eines programmgesteu
erten Motors 41 und ggf. über ein Ritzel um einen Winkelschritt weitergedreht wird, so
bald die Punkte 35 längs eines Radius vom Detektor 20 (Fig. 5) erfaßt wurden. So werden
nach einer halben Umdrehung, also nach einem Azimut von 180°, schließlich auch diejeni
gen Meßpunkte 35 für den Detektor 20 zugänglich, die anfangs von der Maske 24 verdeckt
waren.
Die von der Optik 33 in der Bildebene 32 erzeugte konoskopische Figur (die richtungsab
hängige Intensitätsverteilung von einander dicht benachbarten Punkten 35) kann in Ver
längerung der speichenförmigen Maske 24 Punkt für Punkt von einem darüber hinweg
bewegten einkanaligen Sensor (einem einzelnen Detektorelement) abgetastet werden. Un
komplizierter werden jedoch Lage und Helligkeit der Punkte 35 in der ersten konoskopi
schen Abbildungsebene 32 alle in einem Zuge von zeilen- oder flächenförmig im Array
angeordneten Sensorelementen 36 des Detektors 20 (Fig. 5) aufgenommen. Dafür sind die
Sensorelemente 36 entweder direkt in der ersten Abbildungsebene, also direkt in der bild
seitigen Brennebene 32 der Transformations-Optik 33 angeordnet, oder die konoskopische
Abbildung (d. h. die Verteilung der Punkte 19 und deren Helligkeiten) wird gemäß Fig. 5
aus der Bildebene 32 mittels eines Systems nachfolgenden Abbildungsoptiken 37 verklei
nert auf ein z. B. längs der optischen Systemachse 11 abgesetztes Array von Sensorele
menten 36 projiziert, etwa eine CCD-Flächenkamera. Die elektrischen Detektor-
Ausgangssignale stellen deshalb ein Maß für die Strahlungsintensitäten der in der be
stimmten azimutalen und elevativen Richtungen vom Flächenelement 18 der Zelle 14 aus
gehenden Reflexionen 19 dar, die in einem nachgeschalteten Rechner analysiert und verar
beitet werden können, z. B. um Kontrastberechnungen durchzuführen.
Eine gemäß Fig. 4 gerasterte Maske 24 beschränkt den jeweiligen Meßvorgang entgegen
den Verhältnissen nach Fig. 2 nicht auf die längs eines Radius liegenden Punkte 35 der ko
noskopischen Abbildung, sondern erlaubt es, mit beispielsweise einer elektronischen Flä
chenkamera als dem Detektor 20 (Fig. 5) die gesamte Abbildung in einem Raster von im
regelmäßigen Sechseck rautenförmig gegeneinander versetzten Dreiecken zu erfassen. Die
Rauten sind jeweils zur Hälfte maskiert, während die andere Hälfte strahlungsdurchlässig
ist. Wie sich aus Fig. 4 im einzelnen ergibt, wechseln sich dadurch in einem regelmäßigen
Sechseck drei maskierte mit drei durchlässigen Dreiecken ab, so daß immer einem dreieck
förmigen durchlässigen Bezirk - in Bezug auf einen Durchmesser durch die konoskopische
Abbildung - diametral gegenüber ein gerade die spekulare Beleuchtungsrichtung (23 in
Fig. 2) dazu abschaffendes Dreieck liegt. Durch azimutale Verdrehung der Maske 24 um
60° wechseln die offenen mit den abschattenden dreieckförmigen Masken-Bezirken, so
daß nun in einem zweiten Meßvorgang die zuvor noch nicht erfaßten Punkte der konosko
pisch erzeugten Abbildung erfaßt werden. Die meßtechnische Auflösung ist also durch die
Größe der Dreiecke bestimmt; und infolge der gleichmäßigen Verteilung von lichtdurch
lässigen und undurchlässigen Bezirken über die Maske 24 ist die Beeinträchtigung der
isotrop diffusen Bestrahlung 13 (Fig. 2) minimal.
Masken 24 nach Fig. 3 oder Fig. 4 können gemäß Fig. 2 im Hauptstrahlengang liegen (in
Fig. 5 links berücksichtigt), wenn jedem undurchlässigen Bezirk ein "spekular angeordne
ter" durchlässiger (i. e. diametral komplementärer) Bezirk entspricht, durch welchen das
optische Mess-Signal vom Abbildungspunkt 35 zum Detektor 20 (Fig. 5) gelangen kann.
Fig. 5 bringt zusätzlich zu den Gegebenheiten nach Fig. 2 als andere Bestrahlungsalternative
zum Ausdruck, daß im Rahmen der erfindungsgemäßen Beleuchtungs-Vorrichtung 12 eine
Abschattungs-Maske 24 entgegen der Prinzipdarstellung der Fig. 2 (in Fig. 5 links berück
sichtigt) nicht unbedingt in der Ebene 32 der ersten konoskopischen Figur angeordnet sein
muß, also nicht unbedingt in der bei der Transformations-Optik 33 gelegenen bildseitigen
Brennebene 32. Größere konstruktive Freiheiten ergeben sich nämlich, wenn aus dieser
ersten konoskopisch erzeugten Figur mittels wenigstens einer - gewöhnlich verkleinernden
- Abbildungsoptik 37 ein Bild des Meßflecks in eine weiter abgelegene Abbildungsebene
42 projiziert wird, in der z. B. eine einstellbare Blendenöffnung 43 zur Begrenzung des an
der Zelle 14 erfaßten Flächenelementes 18 und/oder das Array der Detektor-
Sensorelemente 36 angeordnet sein kann. Eine verkleinerte Abbildung der konoskopischen
Figur erfolgt mit der Kombination von Linsen 37-37 in eine noch weiter versetzte Ebene
42 der Sensorelemente 36 des Detektors 20.
Insbesondere ist in Fig. 5 vorgesehen, mittels eines Strahlteilers 44 etwa in Form eines
halbdurchlässigen Spiegels oder Prismas eine weitere konoskopische Figur in eine Ebene
42 außerhalb des Hauptstrahlenganges längs der optischen Systemachse 11 zu verlegen
und - entgegen den Verhältnissen im Hauptstrahlengang nach Fig. 2, die in Fig. 5 ver
gleichshalber strichpunktiert berücksichtigt sind - in jener externen Ebene 42 den Lichtge
nerator 38 durch die Abschattungs-Maske 24 hindurch einstrahlen zu lassen. Weil hier im
gesondert herausverlegten Beleuchtungsstrahlengang 45 keine Abschattung auch des De
tektors 20 durch die Maske 24 mehr auftritt, braucht die Maske 24 nun nicht mehr diame
tral, spekular komplementär ausgebildet zu sein, um in einem der Abschattung diametral
gegenüberliegenden Bezirk das durch spekulare Strahlen 23 (Fig. 2) unbeeinflußte Ausmes
sen der blickrichtungsabhängig verteilten Abbildungspunkte 35 zu ermöglichen. Das ist in
Fig. 5 mittels der nicht mehr nur radialen sondern nun diagonal durchgehenden Abschat
tung der Maske 24 symbolisch veranschaulicht, was vielfältige Möglichkeiten eröffnet,
weitere (z. B. durch Nichtidealitäten im optischen System selbst, wie in Form von Reflexen
im kompliziert zusammengesetzten Linsensystem, verursachte) Störeinflüsse durch lokale
Beleuchtungs-Abschattung für das Meßergebnis auszublenden.
Vergleichbare Verhältnisse wie bei Fig. 4 liegen insofern bei einer schachbrettartig gera
sterten Maske 24 gemäß Fig. 6 vor, als durch Umschalten in eine komplementäre Konfigu
ration die Dichte der Meß-Punkte 35 wieder erhöht wird. Der Vergleich von Fig. 6a mit
Fig. 6b zeigt, daß bei Linearverschiebung um eine Rastereinheit die zunächst offenen Po
sitionen abgeschattet sind, und komplementär umgekehrt. Stets gehört zu einem offenen
Feld ein abgeschattetes. Masken nach Fig. 6 können allerdings nicht im Hauptstrahlengang
zum Detektor 20, sondern nur in einem externen Beleuchtungsstrahlengang 45 liegen, da
sie keine diametrale Komplementarität aufweisen.
Stets wird also aus einer gleichmäßig diffusen, alle praktisch vorkommenden Beleuch
tungssituationen sowohl im Raum wie auch im Freien hinreichend erfassenden Bestrahlung
13 des gerade betrachteten Flächenelementes 18 eines Testobjektes, etwa einer reflektiv
betriebenen Flüssigkristall-Zelle 14, erfindungsgemäß zumindest derjenige Raumwinkel
mittels einer verlagerbaren Maske 24 abgeschattet, in dem sonst ein zur momentanen De
tektor-Aufnahmerichtung 21 spekularer Strahl 23 auftreten und an der Oberfläche 22 ge
nau in den Detektor 20 hinein gespiegelt werden würde. Dabei ist die Abschattung so
kleinflächig, daß die richtungsmäßige Gleichförmigkeit (Isotropie) der diffusen Bestrah
lung 13 kaum spürbar beeinträchtigt wird. Das Verfahren ist sowohl bei goniometrischer
wie auch bei konoskopischer Messung anwendbar. In letzterem Falle liegt die Abschat
tungs-Maske 24 in einer der Abbildungs-Ebenen 32, 42 der konoskopisch erzeugten Figur
der die verschiedenen Aufnahmerichtungen 21 der Zelle 14 repräsentierenden Punkte-
Verteilung 35-35, zweckmäßigerweise in einem gesondert extern eingeblendeten Be
leuchtungsstrahlengang 45 außerhalb der Haupt-Strahlrichtung von der Transformations-
Optik 33 zum Sensor-Array 36 des Detektors 20.
Das Verfahren ist nicht nur auf die Überprüfung des Kontrasts von Flüssigkristall-Zellen
14, sondern auf alle reflektierenden Objekte anwendbar, sondern insbesondere dann be
deutsam, wenn die Reflexionseigenschaften richtungsabhängig oder (wie z. B. bei hologra
phischen Elementen) stark farblich modulierend sind. Die gleiche Problematik wie bei
LCDs ergibt sich auch z. B. bei farbigen Lacken, die mit einem transparenten Schutzlack
überzogen sind, bei Hochglanz-Farbphotos, etc.