DE2351339C3 - Digital-Spektralfotometer - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Digital-Spektralfotometer der im Oberbegriff des Anspruchs 1 genannten Art.

Viele Industriezweige, die gefärbte Artikel wie z. B. Textilien und Kunststoffe herstellen, sind durch eine dauernd ansteigende Artikelzahl belastet, die entsprechend ihren Farben klassiert oder sortiert werden müssen. In der Textilindustrie haben die Entwicklung der Qualitätskontrolle und der Automation den Bedarf für schnell arbeitende Farbauswertevorrichtungen erhöht, die ein kontinuierlich ablaufendes Verfahren kontrollieren können.

Gegenwärtig wird der größte Teil einer Sortierung nach Farbschattierungen visuell durchgeführt. Das visuelle Sortieren hat jedoch einige physikalische Grenzen. Die Metamerie kann nicht ausgewertet werden, wenn nicht das zu sortierende Material mehrmals bei

unterschiedlichen Lichtarten geprüft wird. Die Farbdeskriptoren sind nicht numerisch und werden mit Bezug auf eine der sortierten Proben festgelegt, wodurch auch die Aufgabe der Beibehaltung dauernder Aufzeichnungen für spätere Vergleichszwecke kompliziert wird. Zusätzlich besteht ein Mangel an qualifizierten Farbspezialisten. Unabhängig von den Nachteilen wird die visuelle Schattierungsprüfung in der Industrie weitläufig angewendet.

Viele Farbmeßgeräte für Grundfarben, die gegenwärtig zur Verfugung stehen, wurden vor über 20 Jahren entwickelt. Diese Instrumente werden mechanisch betätigt und arbeiten langsam. Als sie entwickelt wurden, gab es noch keine Digitalrechner, und die Reflexionsdaten wurden von Hand abgeleitet. Da die manuelle Datenableitung zeitraubend war, war auch die Datenverarbeitungszeit des Geräts nicht sehr wichtig. Durch Verbindungeines bisher üblichen Spektrofotometers mit einem Digitalrechner kann man aber die Reflexionsdaten im Bruchteil einer Sekunde ableiten, während sie jedoch durch das Instrument erst innerhalb einiger Minuten zur Verfügung stehen. Die schnelleren handelsüblichen Geräte erfordern eine Zeit von 18 Sekunden bis 2 Minuten zur Bereitstellung der Reflexionsdaten. Diese Geschwindigkeit wird durch den mechanischen Aufbau des Geräts begrenzt.

Es wurden bisher bereits viele Systeme zur Farbnotierung und -beschreibung vorgeschlagen. Das allgemein angewendete und daher am vollständigsten entwickelte ist das System der Commission Internationale de I'Eclairage (CIE-System). Dieses System verwendet drei einheitliche Farbanregungsvorschriften, die allgemein als Tristimulus-Werte bezeichnet werden. Diese Werte repräsentieren eine mathematische Transformation, ausgehend von den in nachteiliger Weise vermischten Beziehungen einer Gruppe von drei Primärfarben, und die Tristimulus-Werte, die üblicherweise mit A', Y und Z bezeichnet werden, können zur genauen Bestimmung jeder gewünschten Farbe verwendet werden.

Durch die US-Patentschrift 3531208 ist ein CoIorimeteisystem bekannt, bei dem ein logisches Netzwerk zur Analyse elektrischer Signale eingesetzt wird, die von mehreren Fotozellen geliefert werden. Jede Fotozelle empfängt das an einer Probe reflektierte Licht innerhalb eines Frequenzbandes, das allgemein als das Spektrum gleicher Energie bezeichnet wird, wodurch eine schnelle Erzeugung der Tristimulus-Werte möglich ist. Reed-Relais und Halbleiterschalter dienen zur Bildung von Summen und Verhältnissen aus Analogsignalen, die für die Tristimulus-Gleichungen nötig sind. Ferner sind Schalter zur Taktung und Zählung von Integrationszeiten bzw. zur digitalen Anzeige von Tristimulus-Spannungswerten vorgesehen.

Durch die Zeitschrift »Die Farbe«, Band 14 (1965), Seiten 158 bis 165, ist es bereits bekannt, mit einem Spektralfotometer eingangs genannter Art eine Farbanaiyse durchzuführen, wobei mit einer Revolveranordnung mehrere schmalbandige Farbbereiche nacheinander ausgewählt und für die Messung geeicht werden können. Ferner ist aus der DE-AS 1133570 ein Farbmeßgerät bekannt, das mit einem ähnlichen Spektralfotometer arbeitet. Hier sind jedoch keine besonderen Maßnahmen zur Eichung angegeben.

Eine Schwierigkeit, die bisher bei den bekannten Farbmeßsystemen auftrat, bestand aber darin, daß

eine schnelle Drift aus einem geeichten Anfangszustand auftrat, so daß fehlerhafte Meßergebnisse die Folge waren. Die Aufgabe der Erfindung besteht in der Elimination des Einflusses von Drifterscheinungen auf das Meßergebnis. Diese Aufgab: wird durch die im Kennzeichen des Anspruchs 1 angegebenen Maßnahmen gelöst

In einem noch zu beschreibenden Ausführungsbeispiel der Erfindung wird durch manuelle Betätigung eines Kolbens zur Bewegung eines als Standardprobe dienenden Glasplättchens in Kontakt mit der klaren Glasabdeckung über der Betrachtungsöffnung ohne Zwischenschaltung einer Probe ein Schalter betätigt, wodurch ein Meßzyklus eingeleitet wird. Die von den Fotodioden abgeleiteten Spannungssignale werden dann durch den Rechner ausgewertet. Nachdem der Kolben losgelassen und in seine Ruhestellung zurückbewegt ist, wird ein Blatt aus schwarzem Normalmaterial mit einem zweiten Handgriff in eine Position über der Betrachtungsöffnung gebracht. Die Signale der damit erfoJgten beiden Messungen werden dann durch den Rechner zur Eichung des Systems für die nachfolgende Messung einer Probe ausgewertet, die dann derart erfolgt, daß der Kolben von Hand niedergedrückt wird, so daß das Glasplättchen die Probe auf die Abdeckung über der Betrachtungsöffnung drückt und damit möglichst viel Streulicht ausgeschlossen wird. Der Rechner ermöglicht eine kurze Zeit von beispielsweise 10 Sekunden zur Beendung der Eichung und Messung nach der anfänglichen Schalterbetätigung.

Einer der größten Vorteile der Erfindung besteht in der schnellen Arbeitsweise des Spektrofotometers. Abgesehen von der Bedienungszeit zum Einsetzen einer Probe ist eine Zeit von 0,64 Sekunden pro Messung erforderlich. Bei Verwendung einer schnell arbeitenden Ausgabeeinrichtung, z. B. eines Druckers oder einer Magnetbandeinheit, kann das System Proben mit einer Geschwindigkeit von 12 pro Minute messen, wenn ca. 4 Sekunden Bedienungszeit pro Messung erforderlich sind. Durch Einsatz enes automatischen Probenförderers kann die volle Kapazität des Geräts von beispielsweise 1 (K) Proben pro Minute verwirklicht werden.

Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird im folgenden anhand der Figuren beschrieben. Es zeigt Fig. 1 ein Spektralfotometer im Schniit,

Fig. 2 eine Explosionsdarstellung zweier Gehäuseelemente,

Fig. 3 eine Draufsicht auf die Auswerteeanordnung ohne obere Halterung,

Fig. 4 eine Seitenansicht der in Fig. 3 gezeigter. Anordnung,

Fig. 5 eine Unteransicht der in Fig. 3 gezeigten Anordnung,

Fig. 6 die Draufsicht auf eine Gebläseanordnung zur Kühlung,

Fig. 7 eine schematische Darstellung einer Schaltung zur Analysierung elektrischer Signale, die durch die lichtempfindlichen Sensoren geliefert werden, und

Fig. 8 ein Flußdiagramm der durch den Rechner ausgeführten Arbeitsgänge zur Berechnung und Anzeige des Farbtons, der Farbsättigung und der Helligkeit einer Probe unter Anwendung der Reflexionswerte.

In Fig. 1 ist ein Schnitt eines Auswertekopfes dargestellt, der zu einem Spektralfotometer gehört. Wie bereits ausgeführt, erthält dieser zwei halbkugelige Elemente 20 und 22, die in Fig. 2 auseinandergenommen dargestellt sind und zusammengesetzt einander angepaßt sind. Sie sind durch Niete oder andere geeignete Elemente miteinander verbunden und bilden ein Gehäuse mit praktisch kugeliger Innenfläche, die reflexionsfähig ist und in der drei Öffnungen 24, 26 und 28 vorgesehen sind. Eine Beleuchtungjanordnung 30 ist nahe der Öffnung 26 angeordnet und beleuchtet die kugelige Innenfläche der beiden Elemente 20 und 22. Die Beleuchtungsanordnung 30 umfaßt eine Lampe 32, die beispielsweise eine Quarz-Projektionslampe mit 120VoIt Betriebsspannung und 500 Watt Leistung sein kann. Zwei Filter 34 und 36 dienen zur Sperrung infraroter Strahlung. Die Lampe 32 ist durch eine geeignete Vorrichtung innerhalb eines Reflektors 38 montiert, der durch ein Wärmeleitblech 42 umgeben ist, welches die Lampenanordnung 30 kühlt.

Der Auswertekopf enthält eine weitere Anordnung 50, die zur Halterung von Proben und Normalelementen bei der Messung und Eichung dient. Die Anordnung 50 enthält eine Halterung 52, die an einem Element 22 in geeigneter Weise befestigt ist. Kühlbleche 54 sind an der Halterung 52 befestigt und begünstigen die Wärmeableitung. Eine weitere Halterung 60 ist starr an der Halterung 52 befestigt und ist mit einer schwenkbaren Achse 62 versehen, deren Arm 64 eine Glasplatte aus schwarzem Normalmaterial 66 hält. Der Arm 64 und die schwarze Platte 66 können mit einem Handgriff 68 von einer Ruhestellung in die dargestellte Lage gebracht werden, in der sich das schwarze Material 66 über der öffnung 24 des Halbkugelelements 22 befindet. Wenn das schwarze Material 66 über der Öffnung 24 angeordnet ist, kann der Handgriff 90 niedergedrückt werden, so daß eine Standardprobe in Form einer Glasplatte 89 in Kontakt mit dem Arm 64 kommt. Eine weitere Bewegung des Handgriffs 90 bringt die schwarze Platte 66 in Berührung mit der Glasplatte 72, die die Öffnung 24 abdeckt und eine runde öffnung von ca. 5 cm Durchmesser bildet. Die schwarze Platte 66 dient zur Eichung in noch zu beschreibender Weise.

Ein weiteres Element 80 ist an der Halterung 52 mit einer Schraube 82 und einer Abdeckung 84 befestigt. Es hat eine Bohrung, in der die Achse 86 nach unten gegen eine Feder 88 bewegt werden kann, um in ähnlicher Weise die Glasplatte 89 in Kontakt mit der klaren Glasabdeckung 72 über der Öffnung 24 zu bringen. Ein manuelles Niederdrücken des Handgriffs 90 bewegt diesen gegen die Kraft der Feder 88 abwärts, bis die Platte 89 in Berührung mit der klaren Glasabdeckung 72 steht. Dann wird der Handgriff 90 gegen die Feder 92 weiterbewegt, bis der Stift 94 seine Grenzlage erreicht hat. Ein Haltering 100 bewegt sich mit der Achse 86 abwärts und berührt in seiner obersten Stellung einen Ring 102, der die Aufwärtsbewegung des Ringes 100 und damit der Achse 86 begrenzt.

Eine Schalteranordnung 106 üblicher Art ist in einer Bohrung des Elements 80 angeordnet. Der Schalter 106 wird durch einen auf einem Gewindebolzen 110 vertikal verstellbaren Anschlag 108 in einer solchen Lage gehalten, daß bei Berührung zwischen der Platte 8'9 und der klaren Glasabdeckung 72 eine Schalterbetätigung erfolgt und der noch zu beschreibende Meßzyklus eingeleitet wird.

Der eigentliche Auswertekopf ist ^n Fig. 1 mit 120

bezeichnet. Er besteht aus einer hohlen Halterung 122, in der symmetrisch zur Achse Ä-ß'eine Anzahl Halbleiteranordnungen angeordnet ist, deren Eigenschaften sich mit der Intensität einfallenden Lichts ändern. Bei dem in Fig. 1 gezeigten Ausführungsbeispiei sind hierzu 16 Fotodioden 124 vorgesehen. Jede dieser Dioden ist in dargestellter Weise befestigt und empfängt das innerhalb des Bereichs A der Öffnung 24 einfallende Licht, so daß alle Dioden im wesentlichen Licht aus demselben Bereich einer Probe oder eines Normalelements in der Betrachtungsöffnung 24 empfangen. 16 schmalbandige Interferenzfilter 126 sind über den Fotodioden angeordnet, und jedes Filter sperrt das Licht mit Ausnahme eines schmalen Bandes vorbestimmter Frequenzen. Ein Bereich von 4000 Ängströmeinheiten bis 7000 Angströmeinheiten mit gegenseitigen Filterabständen von 200 Angströmeinheiten bringt zufriedenstellende Ergebnisse. Falls erwünscht, können auch Lichtleitfasern zur Übertragung von Licht eingesetzt werden.

Ein Heizgerät 128 ist in der Halterung 122 angeordnet und dient zur Haltung der Temperatur der Fotodioden auf einem konstanten Wert. Zufriedenstellend arbeitet ein Heizelement mit einem Widerstand von 10 Ohm. Die Leistung für das Heizelement wird vorzugsweise durch einen Thermistor 130 gesteuert, der in dem Auswertekopf 120 angeordnet ist. Eine Temperatursteuerung mit einem Thermistor von 15 kOhm ist kommerziell erhältlich.

Die in Fig. 1 gezeigte Auswerteanordnung ist vorzugsweise in der dargestellten Weise auf einem Tisch 140 mittels einer Halterung 142 montiert, die in F i g. 4 gezeigt ist.

Fig. 3 bis 5 zeigen die Ausweileanordnung mit Kühlblech 150, die vorzugsweise auf der Außenseite der Kugelelemente 20 und 22 angeordnet sind und den Innenraum und damit die Fotodioden 124 auf einer konstanten Temperatur halten.

Fig. 6 zeigt eine einfache Anordnung zur Entfernung heißer Luft aus dem Bereich des Auswertekopfes und der Lichtanordnung 38. Bei dieser Anordnung ist ein Gebläse 198 unter dem Tisch 140 nahe dem Auswertekopf vorgesehen. Das Gebläse 198 saugt die Luft aus dem Bereich des Auswertekopfes in der durch die Pfeile B dargestellten Weise heraus und führt sie über eine Leitung 148 ab, wobei sie über die Lampe 32 der Lichtanordnung 38 geführt wird. Die die Auswerteanordnung umgebende warme Luft wird also abgeführt, und es wird Frischluft eingeführt, wie bei den Pfeilen C dargestellt.

In Fig. 7 ist ein Blockdiagramm einer Schaltung dargestellt, mit der die Farbinformationen einer Probe oder eines Normalmaterials mittels der in Fig. 1 gezeigten Auswerteanordnung analysiert werden können. Die von jeder der 16 Fotodioden abgeleiteten Signale werden einer Verstärkereinheit 200 zugeführt, die 16 separate Stromverstärker enthalt, die mit jeweils einer Fotodiode verbunden sind. Bei dem in Fig. 7 gezeigten Ausführungsbeispiel arbeitet jeder Einzelverstärker mit einem modularen Operationsverstärker mit Feldeffekt-Eingangstransistor.

Die Einzelverstärker der Verstärkereinheit 200 arbeiten stromgesteuert und bilden einen niedrigen Belastungswiderstand für die Fotodioden. Diese Verstärker liefern eine Ausgangsspannung proportional dem Fotodiodenstrom, der wiederum proportional der Strahlungsleistung ist, die durch den aktiven Bereich der jeweiligen Diode absorbiert wird. Die der Verstärkeleinheit 200 zugeführtcn Sensorsignale werden beispielsweise auf einen Pegel von — 10 bis + K) Volt verstärkt, um ein Signal zu erhalten, <Αρλ durch einen üblichen Analog-Digitalumsetzer 202 verarbeitet werden kann.

Das digitale Ausgangssignal des Umsetzers 202 wird einem kleinen Digitalrechner 204 zugeführt, der die automatische Messung steuert und die erforderlichen Rechnungen durchführt. Der Digitalrechner 204 liefert Signale an ein Sichtgerät 206 und an einen Datendrucker 208.

In dem dargestellten Ausführungsbeispiel besteht der Digitalrechner 204 aus einer Einheit mit einem 4K-Kernspeicher, einer Einheit für zusätzliche 4K-Speicherkapazität, einer Einheit zur Taktung entsprechend der Zeit und einer Einheit zur Anpassung des Datendruckers 208. In Verbindung mit diesem Rechner ist ferner eine Einheit vorgesehen, die eine Datenübertragung zwischen der zentralen Einheit und den Peripheriegeräten ermöglicht, zu denen der Umsetzer 202 und das Sichtgerät 206 gehören.

Während dieser Rechner zufriedenstellend arbeitet, können jedoch auch andere Funktionseinheiten eingesetzt werden, die gegenwärtig erhältlich sind. Der Betrieb des beschriebenen Rechners wird eingehend in einer Broschüre der Digital Equipment Corporation mit dem Titel »PDP 8/E SMALL COMPUTER HANDBOOK« erläutert. Die Kenntnis des Inhalts dieser Broschüre wird für die vorliegende Beschreibung vorausgesetzt.

Als Sichtgerät wurden in dem beschriebenen Ausführungsbeispiel drei Gruppen von Neon-Gasentladungsröhren mit drei Stellen und sieben Segmenten, neun bistabile Schaltungen, neun Decoderverstärker und eine Wahlvorrichtung verwendet, um drei Farbdeskriptoren darzustellen, die aus den Reflexionsdaten der gemessenen Probe erhalten wurden. Jedes andere Sichtgerät mit entsprechenden Verarbeitungsmöglichkeiten der durch den Rechner 204 gelieferten Informationen kann gleichfalls eingesetzt werden.

Wie bereits ausgeführt, bestand bisher ein Problem der bekannten Einrichtungen darin, daß der Eichzustand sich sehr schnell ändert. Zur Vermeidung dieses Problems wird vor jeder Messung eine Zweipunkt-Eichung oder Normalstellung durchgeführt. Die Messung wird eingeleitet, indem zuerst entweder manuell oder automatisch die Standardproben-Glasplatte 89 in innige Berührung mit der Glasabdeckung 72 gebracht wird. Kurz vor der Berührung gibt der Schalter 106 ein Anfangssignal an den Rechner 204, wie dies in Fig. 7 schematisch dargestellt ist. Der Rechner 204 wertet dann die verstärkten Spannungen an jeder der 16 Dioden aus, die durch den Umsetzer 202 geliefert werden, und vergleicht die Reflexionswerte mit den zu erwartenden Werten für die Glasplatte 89, die als Normalfarbe für einen der Eichpunkte dient. Das schwarze Normalblatt 66 wird dann über der Betrachtungsoffnung 24 auf die Abdeckung 72 gebracht, um eine zweite Gruppe von Eichsignalen für den Rechner 204 zu liefern. Unmittelbar nach der Betätigung des Schalters 106 setzt der Digitalrechner 204 einen Zeitgeber, der ein kurzes Intervall erzeugt, in dem die Bedienungsperson das schwarze Blatt 66 an seinen Platz schwenken und danach eine Materialprobe auf die Abdeckung 72 bringen sowie nochmals den Handgriff 90 drücken kann, bis die Platte 89 die Probe fest gegen die Abdeckung 72 drückt. Dabei wird verhindert, daß Streulicht in die Auswerteanordnung durch die Be-

ti achUingsöff nung 24 hindurch eintritt.

Alternativ und geiiäß einem anderen Ausführungsbeispiel kann der fcich- oder Normalisierungsvorgang vor jeder Messung auf eine Auswertung der Glasplatte 89 und Korrektur entsprechend dieser Auswertung beschränkt werden. Für die Anheizzeit und periodisch danach, beispielsweise in Abständen von 30 Minuten, werden die Probenmessungen unterbrochen, um eine vollständige Eichung durchzuführen, wozu mindestens zwei unterschiedliche Normale verwendet werden, beispielsweise die Glasplatte 89 und das schwarze Blatt 66.

In Fig. 8 ist ein Flußdiagramm des mit dem Digitalrechner 204 durchgeführten Auswerteverfahrens dargestellt. Der Rechner prüft zuerst, ob das kurze Zeitintervall zur Ausführung der Messung nach der Betätigung der Starttaste oder des Schalters 106 bereits überschritten ist. Ist dies nicht der Fall, so werden die Auswerteergebnisse von dem Analog-Digitalumsetzer übernommen, und es werden mindestens 120

altei nierer.de Auswertungen von jedem Ausgang der 16 Sensoren durchgeführt. Durch eine große Anzahl Auswertungen, die in sehr kurzer Zeit übernommen werden kann, werden die Netzfrequenz und hochfre-

^r> quentes Rauschen innerhalb der Probengruppe ausgemittelt. Danach wird eine Prüfung durchgeführt, um festzustellen, ob die vom Analog-Digitalumsetzer 202 gelieferten Spannungen zu hoch sind. Zu diesem Zweck wird jedes Ausgangssignal der Fotodioden in

'.<> einem Summierer addiert, um eine Summe zu erhalten, die mit einem gespeicherten Wert verglichen wird. Wenn die Gesamtspannung einen erlaubten Wert hat, prüft der Rechner dann, ob das System schon für diese Messung geeicht ist. Ist dies nicht der Fall, so wird

ΙΊ die Eichung durchgeführt, und die vorstehenden Schritte werden entsprechend dem Flußdiagramm wiederholt. Nach Abschluß der Eichung berechnet der Rechner die verschiedenen gewünschten Farbwerte und erzeugt die Signale, welche dem Sichtgerät oder

2(i dem Drucker zugeführt werden.

Hierzu 5 Blatt Zeichnungen

Claims (3)

Patentansprüche:

1. Digital-Spektralfotometer mit einem Gehäuse, das eine Öffnung zur Aufnahme einer Meßprobe aufweist, mit einer Lichtquelle zur Beleuchtung der Meßprobe vom Innenraum des Gehäuses aus, mit mehreren in unterschiedlichen Wellenlängenbereichen ansprechenden, lichtelektrischen Wandlern, die von der Meßprobe in den Innenraum des Gehäuses reflektiertes Licht in elektrische Signale umwandeln, und mit einer mittels wenigstens einer Standardprobe eichbaren Auswerteschaltung, dadurch gekennzeichnet, daß Einrichtungen (SO) zur Anordnung der Standardprobe (66, 89) anstelle der Meßprobe in der öffnung (24) vorgesehen sind, daß die Auswerteschaltung (204) einen Speicher enthält, in de.tn den Standard-Reflexionswerten der wenigstens einen Standardprobe (66, 89) in den unterschiedlichen Wellenlängenbereichen entsprechende Signale gespeichert sind, daß die Auswerteschaltung (204) eine erste Verarbeitungsschaltung enthält, die diese den Standard-Reflexionswerten entsprechenden Signale mit Signalen vergleicht, die den Reflexionswerten der jeweils in der öffnung (24) angeordneten Standardprobe (66,89) entsprechen, und dem Vergleichsergebnis entsprechende Korrektursignale speichert, und daß die Auswerteschaltung (204) eine zweite Verarbeitungsschaltung enthält, die nach dem Austausch der Standardprobe (66,89) gegen die Meßprobe die unkorrigierten Signale, die den Reflexionswerten der Meßprobe entsprechen, mit Hilfe der Korrektursignale in korrigierte Signale umwandelt, die den Reflexionswerten der Meßprobe entsprechen.

2. Spektralfotometer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Signale der Auswcrteschaltung (204) über einen Multiplexer und einen Analog-Digital-Wandler (202) zugeführt sind.

3. Spektralfotometer nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch eine Zeitschaltung, die die Auswerteschaltung (204) abstellt, wenn seit dem Zeitpunkt der Speicherung der Korrektursignale ein vorgegebener Zeitraum verstrichen ist.