DE2712074B2 - Vorrichtung zur Messung der diffusen Reflexion von Oberflächen - Google Patents
Vorrichtung zur Messung der diffusen Reflexion von OberflächenInfo
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Description
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung nach dem Gattungsteil des Hauptanspruchs.
ίο Derartige optische Vorrichtungen werden in weiten
Gebieten der Technik zur Qualitätskontrolle ebenso wie in der Forschung angewendet (US-PS 35 89 813).
Die sogenannten Reflexionsdensitometer messen den negativen Logarithmus der reflektierten Streustrahlung
in i.inem oder mehreren bestimmten Spektralbereichen und werden beispielsweise zur Untersuchung photografischer
Papiere, der Bildwiedergabe von Druckfarben auf Papier oder anderen Unterlagen in der Färb-,
Pigment- und Textilindustrie und in der Dünnschicht-
2C Chromatographie benutzt.
Die diffuse Reflexion ergibt sich aus dem Verhältnis der von einer Probe oder dergleichen Oberfläche
senkrecht reflektierten Strahlung zu der diese diffus beleuchtenden oder aus dem Wert der senkrecht auf die
Probe auffallenden Strahlung zu der von dieser diffus reflektierten Strahlung. Messungen der diffusen Reflexion
schließen somit eine gerichtete Reflexion aus. Im vorliegenden Fall wird auf die Messung mit diffuser
Beleuchtung entweder vermittels eines Kugelbeleuch-
iü tungsapparates oder durch Beleuchtung der Probe unter
45° Bezug genommen. Für die 45° Beleuchtung wird das Licht innerhalb eines Kreisrings konzentriert, wobei der
Auftreffwinkel von 45° geringfügig um diesen Wert schwanken kann. Das diffus reflektierte Licht fällt
J5 gesammelt senkrecht auf die Probe, gleichfalls bei geringer Streuung, um die Senkrechte auf.
Diese als 45°/0° Beleuchtungs/Auffanggeometrie bezeichnete Anordnung ist Ausgangsbasis der vorliegenden
Vorrichtung, wobei der Erfinijrig die Aufgabe
zugrunde liegt, das optische System möglichst in einfacher Weise so auszubilden, daß die Probenoberfläche
unter 45" mit geringer Streubreite und gleichmäßiger Bestrahlungsstärke aus einem geschlossenen Ringkreis
im Bereich eines kreisförmigen Probenfeldes beleuchtet wird.
Die Lösung dieser Aufgabe wird durch die im Kennzeichen des Anspruchs I angegebenen Merkmale
erreicht.
Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen
so ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Die Verwendung einer konkaven Sammeloptik ist besonders vorteilhaft, wobei diese das diffus reflektierte
Licht in einem vorbestimmten Halbwinkelbereich um die Senkrechte empfängt und wobei das Bildfeld
zugleich auf die gleichmäßig beleuchtete Region der Probenoberfläche begrenzt wird. Da die Sammeloptik
noch ein oder mehrere, beispielsweise auf einem Filterrad angeordnete Spektralfilter beinhaltet, und sich
zur Lichtleitung zum Strahlungsdetektor eines opii-
M) sehen Lichtfaserleiters bedient, ergibt sich ein besonders störunanfäiliger und vielseitiger Aufbau.
Die vorliegende Vorrichtung ist aus einfach und wirtschaftlich vorteilhaft zu fertigenden Einzelteilen
aufgebaut und vermeidet die Verwendung von teuren
h5 optischen Elementen hochwertiger Qualität. Der Aufbau
unterliegt praktisch keinen Größenbeschränkungcn und eignet sich sowohl für Geräte zur Untersuchung
kleiner Probenflächen als auch für solche mit eroßen
Probenflüchen.
Die Vorrichtung bedarf keines mechanischen Kontakts mit der Probenoberfläche und kann daher sowohl
zur Untersuchung stationärer als auch bewegter Proben mit Vorteil benutzt werden.
Im folgenden soll die Erfindung beispielshaft an der
Figur beschrieben werden, die eine vereinfachte Schnittdarstellung des erfindungsgemäß ausgebildeten
Reflektometers mit der zugehörigen Beleuchtungs- und
Strahlungssammeleinrichtung wiedergibt.
Beim Ausführungsbeispiel sind alle Bauteile kreissymmetrisch in bezug auf die optische Achse ausgebildet mit
Ausnahme der Lichtquelle 1 und den Elementen 14 bis 20 der Sammeloptik. Die Lichtquelle 1 ist ein relativ
großflächiger, also räumlich ausgedehnter Strahler und besteht vorzugsweise aus einer impulsgesteuerten
Xenonentladungsröhre. Die Strahlung der Lichtquelle 1 fällt begrenzt durch eine kreisförmige Öffnung der
Zylinderfläche 2 auf einen Keil 3, und zwar entweder direkt — entsprechend Strahl AB — oder nach ein- oder
mehrmaliger Reflexion — beispielsweise entsprechend Strahl CD. Die Zylinderfläche ist poliert, Uni ein
möglichst hohes Reflexionsvermögen zu erhnJten. Bestimmte Strahlen der Lichtquelle, wie beispielsweise
Strahl EF, erreichen den Keil 3 nicht, da sie auf Teile des Strahiungssammelsystems auftreffen.
Keil 3 kann aus Glas oder Plastik bestehen und dient dazu, die auftreffenden Strahlen in bezug auf die
optische Achse radial nach außen abzulenken, wie beispielsweise für den Strahl AB, der vom Punkt G nach
außen zum Punkt H abgelenkt wird. Die Keiloberfiäche 4 muß nicht, wie dargestellt, konisch ausgebildet sein, sie
muß lediglich eine Form aufweisen, die bewirkt, daß die Strahlen radial nach außen abgelenkt werden. Dies wird
erreicht, wenn die Fläche 4 so beschaffen ist, daß die J5 Keildicke mit dem Radius zunimmt. So kann beispielsweise
die Fläche 4 konkav ausgeführt werden. Die Keiloberfläche 4 ist mattiert, um so für eine gleichförmige
Beleuchtungsstärke der Probenoberfläche zu sorgen. Die an der Kei.austrittsfläche gebrochene und diffus w
zerstreute Strahlung wird von der polierten zylindrischen Fläche 5 derart reflektiert, daß sie unter einem
Winkel von ca. 45° radial nach innen verläuft. Die Fläche 5 braucht nicht, wie dargestellt, Teil einer
Zylinderfläche sein, sie muß jedoch so beschaffen sein, daß sie im Zusammenwirken mit der Keilfläche 4
sicherstellt, daß die Sirahlung unter einem Winkel von etwa 45° auf die Probenfläche auftrifft. Wenn
beispielsweise die von Keil 4 kommenden Strahlen und einem von 45° abweichenden Winkel auf die Fläche 5 w
auftreffen, wird dieser eine konische Form gegeben, um so den gewünschten Auftreffwinkel zu erzielen.
Auch ringförmige Ellipsoidflächen können benutzt werden. Weiter ist es durch Ausgestaltung der Fläche 5
bzw. der Flächen 5 und/oder 4 möglich, dafür zu sorgen, y>
daß die Strahlung unter einem von 45° abweichenden Winkel auf der Probenfläche auftriff'.. Strahlungsundurchlässige
Blenden 6, 7 und 8 bewirken die Ausblendung aller Strahlen, die unter einem Winkel
auftrcffcn würden, der von 45" mit zugelassener ho Strahlung abweicht.
Eine Klarglasscheibe 9 dient als Schutz und Strahlenaustrittsfenster. Die durch die Scheibe 9
austretende Strahlung prallt auf die Probe 10 aus einer 360" umfassenden Ringfläche und unter Winkeln von
45° in bezug auf die Senkrechte zur Probenoberfläche auf. Die Mattierung der Fläche 4 bewirkt, daß die
Beleuchtung innerhalb der durch L und M markierten Kreisflächen gleichförmig ist.
Die von der Probe diffus reflektierte Strahlung wird innerhalb eines Konus von gegenüber der optischen
Achse vorbestimmten! Öffnungswinkel vermittels des Linsensystems 11 gesammelt. Der Halbwinkel wird
durch die vor der Sammellinse 11 angeordnete Aperturblende 12 bestimmt. Läßt man die Blende 12
weg, so wird der Winkel durch das Linsensystem selbst bestimmt. Die kreisförmige Fläche L-M auf der
Probenoberfläche wird vermittels des Linsensystems 11 auf dem Ende 13 des Faseroptik-Lichtleiters 14
abgebildet. Die Öffnung des Lichtle: >rs dient als
Gcsichtsfeldblende und definiert die Region der
Probenoberfläche von der Licht gesammelt und ausgewertet wird. Das Linsensystem wird daher
zweckmäßig derart gewählt, daß das gleichförmig beleuchtete Gebiet auf der Probe auf dem Ende 13 der
Faseroptik entsprechend verkleinert abgebildet wird, um der Öffnung der Faseroptik zu entsprechen. Wird
eine Zusatzblende vor der Faseroptik angeordnet, so kann damit die ausgewertete Probenfiiiche weiter
verkleinert werden.
Faseroptik-Lichtleiter können mit relativ kleinem Radius gebogen werden, was ermöglicht, den Lichtleiter
so anzuordnen, daß er weitgehend außerhalb der Lichtwege von der Lichtquelle 1 liegt. Die am Ende 15
des Lichtleiters austretende Strahlung wird vermittels einer Optik 16 durch ein Spektralfilter 17 auf die
Eintrittsöffnung des Photodetektors 18, beispielsweise einer Silikon-Photodiode, fokussiert. Wegen der geringen
Lichtverluste in Faseroptik-Lichtleitern kann der Photodetektor relativ weit entfernt von der Sammeloptik
angeordnet werden, wenn dies aus konstruktiven Gründen erwünscht ist.
Als Spektralfilier dient bevorzugt ein interferenzfilter
mit einer Bandbreite von ca. 10 bis 20 nm, die zweckmäßig entsprechend dem Absorptionsmaximum
der Probe gewählt wird. Schmalbandfilter gestatten es, gegenüber Galatinfiltern, mit breiteren Durchlaßbereichen
eine höhere Empfindlichkeit zu erreichen und damit bereits geringere Farbabweichungen zu konstatieren.
Zweckmäßigerweise kann anstelle eines Filters 17 eine Filterscheibe bzw. ein Filterrad mit einer
Mehrzahl von Filtern angeordnet werden, um so in einfacher Weise Messungen in verschiedenen Durchlaßgebieten
auszuführen. In der Darstellung besteht der Vergleichslichtweg aus dem Faseroptik-Lichtie'.tcr 19
und dem Photodetektor 20. Eine nur geringe Menge der Strahlung der Lichtquelle 1 wird von der Einlrittsöffnung
O der Faseroptik gesammelt, wie beispielsweise
fürden Strahl 4Odargostellt.
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen
Claims (8)
- Patentansprüche:!.Vorrichtung zur Messung der diffusen Reflexion von Oberflächen, die unter einem definierten Winkel, vorzugsweise 45°, beleuchtet werden und deren senkrecht weggehende Streustrahlung gemessen wird, gekennzeichnet durch eine flächige zur Probenoberfläche (10) parallel ausgerichtete Lichtquelle (1) mit einer zur optischen Achse radialsymmetrisch angeordneten, die von der Lichtquelle ausgehende Strahlung radial nach außen ablenkende konkave Optik (3), eine radialsymmetrisch zur optischen Achse angeordnete Strahlung, radial nach innen auf die Probenoberfläche (10) zu reflektierende Reflektorfläche (5) für die von der konkaven Optik (3) abgegebene Strahlung, weiter durch eine Mehrzahl zwischen der konkaven Optik (3) und der Probenoberfläche (10) angeordnete Blenden (6, 7, 8) zum Ausblenden derjenigen Strahlung, dk die Probenoberfläche unter einem anderen Winkelbereich erreichen würde als den gewünschten Winkel zusätzlich eines definierten Streu- beziehungsweise Abweichungsbereichs, durch eine Abbildungseinrichtung (11,12, 13), deren optische Achse mit der der Beleuchtungsoptik zusammenfällt und die die von der Probenoberfläche diffus reflektierte Strahlung fokussiert und diejenige Strahlung ausschließt, die außerhalb eines Winkels von 0° mit definiertem Abweichungsbereich zur optischen Achse und damit zur Senkrechten auf die Probenoberfläche (10) von der Probe reflektierbar ist, und durch einen die fokussierte, von der Probe reflektierte Strahlung einem Lieh tem pf anger, wie einem Photodetektor (18) zuführenden faseroptischen Lichtleiter (14).
- 2. Vorrichtung nach Anspruch I, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Lichtaustrittsende (15) des Lichtleiters (14) und dem Photodetektor (18) eine Fokussieroptik (16) und ein oder mehrere, vorzugsweise auf einer Wechseleinrichtung angebrachte Spektralfilter (}7) angeordnet sind.
- 3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Fokussieroptik (16) aus einer sphärischen Linse besteht und daß der oder die einzelnen Filter (17) eine Bandweite von etwa 10 bis 20 nm und einen Durchlaßbereich, der der maximalen Absorption auf der Probenoberfläche entspricht, aufweisen.
- 4. Vorrichtung nach Anspruch I bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die konkave Optik (3) keilförmig und die Reflektorfläche (5) zylindrisch ausgebildet sind.
- 5. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichteintrittsöffnung (13) des Lichtleiters (14) die Bildfeldblende vorgibt.
- 6. Vorrichtung nach den Ansprüchen I bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß von dem Linsensystem (11) zum Fokussieren der von der Probeoberfläche (10) reflektierten Strahlung eine Feldbegrenzungsblende (12) angeordnet ist.
- 7. Vorrichtung nach den Ansprüchen I bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß ein Vergleichslichtweg vorgesehen ist, der aus einem optischen Lichtleiter (19) besteht, dessen Eintrittsöffnung (O)\n der Nähe der Lichtquelle (1) angeordnet ist und der die Strahlung einem Vergleichs-Photodetektor (20) zuführt.
- 8. Vorrichtung nach Anspruch I, dadurch gekennzeichnet, daß der Photodeleklor (18) ein Silikon-Photodetektor ist.
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