DE3332986A1

DE3332986A1 - Reflexionsmessgeraet fuer die messung des spektralen strahldichtefaktors fuer die 45/0-messgeometrie

Info

Publication number: DE3332986A1
Application number: DE19833332986
Authority: DE
Inventors: Johannes Dr.-Ing. 1000 Berlin Fleischer
Original assignee: Optronik 1000 Berlin GmbH; OPTRONIK GmbH
Current assignee: Optronik Opto - Elektronische - Systeme 1000 GmbH
Priority date: 1983-09-10
Filing date: 1983-09-10
Publication date: 1985-04-04
Also published as: DE3332986C2

Description

Reflexionsmeßgerät für die Messung des spektralen Strahl-
dichtefaktors für die "45/0-Meßgeometrie" Bei der Erfindung handelt es sich um ein Refiexionsmeßgerät zur Messung des spektralen Strahldichtefaktors von Körperoberflächen im optischen Spektralbereich mit einer Strahlenteileranordnung, die den Meßfehler infolge des geometrischen Einflußes verschiedener Entladungswege bei Blitzlampen sowie infolge des "Bogenspringens" bei Xenonkurzbogenlampen niedriger Leistung (e 150 W) eliminiert. Die genaue Messung des spektralen Strahldichtefaktors ist u.a. auch die Voraussetzung der Farbberechnung nach der farbvalenzmetrischen Auswertung.
So berechnen sich die Normfarbwerte nach folgenden Gleichungen: Hierin bedeutet Km: Proportionalitätsfaktor S ( ): Spektrale Strahlungsverteilung der von der Probe reflektierten Strahlung x,y,z,: Normspektralwertanteile ( ß : Spektraler Leuchtdichtefaktor Die strahlungstechnische Definition des spektralen Strahldichtefaktors lautet bekannterweise: Der spektrale Strahldichtefaktor ß (A ) ist das Verhältnis der spektralen Strahl dichte Le(#)p der Probe zur Strahldichte Le (#)w)w eines ideal P streuenden Weißstandards bei gleicher Bestrahlunysstärke In Fig. 1 ist eine bekannte Meßanordnung nach DIN 5033 für die Meßung von ß() für die fl45/0MeßgeometrieU gezeigt.
Das eingezeichnete Filter F ist zweckmäßig ein Interferenzfilter und wird entsprechend den auisgewählten Meßwellenlängen >h ausgewechselt.
Für jede Wellenlänge werden jeweils nacheinander der Photostrom Iph (> )p erzeugt durch die Probe und der Photostrom Iph (>~')w erzeugt durch den Weißstandard gemessen, wobei sich der spektrale Strahldichtefaktor der Probe ergibt zu spektrale Strahldichtefaktor S (r,), liegt für den Weißstandard-Pressling BaS04 nahe bei 1 und ist bekannt.
Voraussetzung für eine genaue Messung von ß(X ) ist eine möglichst hohe zeitliche Konstanz der ausgesendeten Strahlung der Lichtquelle bei nacheinander folgenden Messungen Für Betriebsmessungen ist dieses Verfahren viel zu zeitraubend, daher sind automatisierte Verfahren zur Messung des Strahldichtefaktors, insbesondere eine Meßanordnung nach dem Zweistrahl-Verfahren entwickelt und bekannt geworden, die in Fig. 2 gezeigt ist.
Für eine kurze Zeit fällt die gefilterte Strahlung der Lampe durch Öffnungen in einer rotierenden Scheibe auf die Probe und die von der Probe reflektierte Strahlung auf den Empfänger (Fig. 2a). Kurze Zeit später fällt die gefilterte Strahlung der Lampe über zwei Umlenkspiegel direkt auf den Empfänger.
Ähnliche Verfahren gibt es für verschiedene Meßgeometrien.
Das Verhältnis der zeitlich nacheinander folgenden Photostromimpulse ist proportional zum spektralen Strahidichtefaktor, wenn die Anordnung zuvor mit einem Weißstandard kalibriert wurde. Das "Zweistrahlverfahren" erlaubt die Überwachung der Drift des Empfängers (meist Photomultiplier), die bei jedem Meßzyklus eliminiert wird.
Das "Zweistrahlverfahren" hat sich in den vergangenen Jahren fast überall in der Farbmeßtechnikurchgesetzt. In den letzten Jahren sind jedoch die Ansprüche an die Reproduzierbarkeit und die Meßgeschwindigkeit bei der !Farbmessung beträchtlich gestiegen. Es ist heute keine Seltenheit, daß die Reprod.uzierbarkeit von X,Y,Z bei 10-4 gefordert wird. Nach dem Fehlerfortpflanzungsgesetz muß die Messung des spektralen Strahldichtefaktors dann immer noch besser sein als 10 3.
Diese Anforderungen können bei der Meßgeometrie 45/0 Grad (450 Beleuchtung, 00 Beobachtung) bis jetzt nur mit Glühlampenlicht oder mit Xenonkurzbogenlampen hoher Leistungsaufnahme (150 W) erfüllt werden.
Mit der immer weiter vordringenden Mikroprozessortechnik und neuen driftarmen schnellen Photoempfängern sind in jüngster Zeit Farbmeßgeräte und Spektralapparate bekannt geworden,die das immer noch langwierige "Zweistrahlverfahren" entscheidend verkürzen. Hierbei wird die Messung des Strahldichtefaktors innerhalb der Zeitspanne eines Xenon-Blitzes durchgeführt.
Zwei Verfahren unterschiedlicher Meßgeometrien sind in Fig.3a und Fig.3b gezeigt.
Die von der Lampe an der weißen Innenwand der Kugel (3) reflektierte Strahlung fällt auf die Probe. Die von der Probe reflektierte Strahlung wird einem schnellen, parallel arbeitenden Meßspektralapparat (1) zugeführt, wobei gleichzeitig ein Teil der Strahlung der Blitzlampe direkt auf einen gleichgebauten Referenz-Spetralapparat (2) fällt.
Das Verhältnis der jeweiligen Photoströme bei gleichen Wellenlängen ist wieder proportional zum spektralen Strahldichtefaktor, wenn vorher die Apparatur mit einem Weißstandard kalibriert wurde. Voraussetzung ist, daß die zeitliche Stabilität der Empfänger und der nachgeschalteten Verstärker hinreichend groß ist.
Eine spektrale Abweichung von aufeinander folgenden Strahlungsi mpu 1 sen wird durch den g 1 n y gleichgebauterl Pcferenzspek tra 1 appara L kompensiert.
f-s Iiat sich jedoch gezeigt, daß sich bis jetzt keine Meßanordnung finden ließ,die nach der "45/0-Meßgeometrie" einwandfrei arbeitet. Bisher sind nur Verfahren bekanntgeworden, die die Probe mehr oder weniger diffus beleuchten. Die absoluten spektralen Strahldichtefaktoren sowie die daraus berechneten. Farbwerte können nicht mit der genormten "45/0-Meßgeometrie" verglichen werden. Es ist bekannt, daß insbesondere bei glänzenden Proben eine diffuse Beleuchtung zu Meßfehlern führen kann, wogegen bei der "45/0-Meßgeometrie der Glanzeinfluß fast völlig unterdrückt wird.
Der Grund hierfür ist darin zu suchen, daß die räumliche Bahn der Bogenentladung aufeinander folgender Blitze geringfügig verschieden ist,so daß infolge dieses Einflußes beide Spektralapparate nicht proportionale Änderungen der eintretenden Strahlung erhalten.
Die eingangs erwähnten hohen Anforderungen an die Reproduzierbarkeit können deshalb nicht erfüllt werden. In Fig. 4 ist der geometrische Einfluß verschiedener Bogenentladungen im Entladungsgefäß (4) dargestellt.
Wie aus Fig. 4 leicht zu ersehen ist, erhält die Probe bei der Lage (6) der Bogenentladung einen relativ zur Eingangsapertur des Referenzspektralapparates größeren Strahlenanteil als bei Lage (5) der Bogenentladung.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch ein Reflexionsmeßgerät für die Messung des spektralen Strtahldichtefaktors für die "45/0-Meßgeometrie" dadurch gelöst, daß zwischen beleuchtender Lichtquelle und Meßprobe ein Strahlenteiler in Form einer optisch klaren teildurchlässigen Schicht mit ebenen Begrenzungsflächen, vorzugsweise eine Glasplatte, so angebracht wird, daß Änderungen infolge räumlicher Veränderungen der Bogenentladung bei aufeinander folgenden Messungen der von der Meßprobe reflektierten Strahlung die auf die Meßapertur, vorzugsweise die Eintrittsapertur eines Spektralapparates, fällt, gleichen proportionalen Änderungen der Strahlung entsprechen, die von der Referenzprobe reflektiert auf die Referenzapertur, vorzugsweise ebenfalls die Eintrittsapertur eines zweiten Spektralapparates, fällt.
Eine günstige Ausgestaltung einer Meßeinrichtung für die Bestimmung des spektralen Reflexionsgrades ist darin zu sehen, daß die Lichtquelle eine ringförmige Entladungsstrecke aufweist Eine günstige Ausführungsform ist darin zu sehen, daß die Lichtquelle eine Kurzbogenentladungslampe ist.
Eine ebenfalls vorteilhafte Gestaltung liegt dann vor, wenn der Strahlenteiler aus spektral selektivem Glas (Filter) besteht, so daß unerwünschte Strahlungsanteile der Lichtquelle weggefiltert werden können. Auch günstig ist eine einseitige Bedampfung des Strahlenteilers mit einer reflektierenden Schicht, um die Meß- und Referenzpegel anzugleichen.
Weiterhin kann es günstig sein, daß die Meßapertur durch einen Meßempfänger und die Referenzapertur ebenfalls durch einen Referenzempfänger gebildet werden.
Außerdem ist es günstig, daß als Spektralapparate für den Meß-und Referenzstrahlengang Gitterspektralapparate, vorzugsweise holographische Gitterspektralapparate, verwendet werden.
Auch sehr günstig ist, daß für den Meß- und Referenzstrahlengang Spektralapparate mit Lichtleitern und Interferenzfiltern verwendet werden (siehe Offenlegungsschrift 2823514).
Schließlich kann es ebenfalls vorteilhaft sein, daß als Meßgeometrie eine nicht genormte U2/E1Meßgeometrie verwendet wird.
Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin, daß nunmehr auch bei der Messung des spektralen Strahldichtefaktors unter Wahrung der genormten "45/0-Meßgeometrie" mit Entladungslampen als beleuchtende Lichtquelle gemessen werden kann, da eine Bogenunruhe oder der geometrische Einfluß unterschiedlicher räumlicher Entladungswege im Entladungsqefäß bei der Blitzentladung keinen meßbaren einfluß auf das Meßergebnis ausüben. Weiterhin ermöglicht diese Erfindung einen außerordentlich kompakten Aufbau, da die vorzugsweise ringför- mige Blitzlampe dicht über der Probe angebracht werden kann.
Ein Ausführungsbeispiel ist in der Fig.5b dargestellt: Von der Bogenentladung (5) der Strahlungsquelle (4) gelangt die Strahlung unter dem mittleren tinfallswinkel von £2= 45" durch eine horizontal liegende optisch klare Scheibe (St.rahlenleiter (8)) auf die Meßprobe (3).
Ein Teil der Strahlung wird an der Scheibe (8), dem Strahlenteiler,'reflektiert und gelangt auf die Referenzprobe (7), die axial im Spiegelabstand über der Meßprobe (3) angebracht ist.
Ein Abschattring (9) verhindert, daß direkte Strahlung von der Lampe die Eingangsapertur des Referenzspektralapparates (2) erreicht.
Da die Entfernungen Reflexionsschicht-Meßprobe und Reflexionsschicht-Referenzprobe gleich sind, ist das Verhältnis der Strahlungsanteile, die von der Probe (3) auf die Eingangsapertur des Spektralapparates (1) gelangen, zu denen, die von der Referenzprobe (7) auf die Eingangsapertur des Spektralapparates (2) gelangen, unabhängig von der Lage (5) und Lage (6) der Bogenentladung konstant! Anstelle der Referezprobe kann eine Trdbglasfläche als Auffangfläche für den unmittelbar dahinter anzubringenden Spektralapparat (2) verwendet werden.

Claims

Patentansprüche <9 Reflexionsmeßgerät für die Messung des spektralen Strahldichtefaktors für die "45/0-Meß0eometrie" dadurch gekennzeichnet, daß zwischen beleuchtender Lichtquelle und Meßprobe ein Strahlenteiler in Form einer optisch klaren teildurchlässigen Schicht mit ebenen Begrenzungsflächen, vorzugsweise eine Glasplatte, so angebracht wird, daß Änderungen infolge räumlicher Veränderungen der Bogenentladung bei aufeinander folgenden Messungen der von der Meßprobe reflektierten Strahlung die auf die Meßapertur, vorzugsweise die Eintrittsapertur eines Spektralapparates.

fällt, gleichen proportionalen Änderungen der Strahlung entsprechen, die von der Referenzprobe reflektiert auf die Referenzapertur, vorzugsweise ebenfalls die Eintrittsapertur eines zweiten Spektralapparates fällt.
2. Messeinrichtungen nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtquelle eine ringförmige Entladungsstrecke aufweist.
3. Messeinrichtuny nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtquelle eine Kurzbogenlampe niedriger Leistung (<150 W) ist.
4. Messeinrichtung nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß der Strahlenteiler spektral selektiv ist.
5. Messeinrichtung nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß der Strahlenteiler mit einer reflektierenden dünnen Schicht bedampft ist.
6. Messeinrichtung nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß der Strahlenteiler aus Kunststoff besteht.
7. Messeinrichtung nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß die Meßapertur der Oberfläche eines Meßempfängers entspricht.
8. Messeinrichtung nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß anstelle der Referenzprobe die Eintrittsapertur des Referenz-Spektralapparates angebracht wird.
9. Messeinrichtung nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß anstelle der Referenzprobe ein trübdurchlässiges streuendes Medium angebracht ist und die Eintrittsapertur des Referenz-Spektralapparates unmittelbar dahinter angebracht ist.
10. Messeinrichtung nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß als Spektralapparate für den Meß- und Referenzstrahlengang Gitterspektralapparate, vorzugsweise holographische Gitterspektralapparate, verwendet werden.
11. Messeinrichtung nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß als Spektralapparate vorzugsweise Spektralapparate mit Lichtleitern und Interferenzfiltern verwendet werden.
12. Messeinrichtung nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß als Meßgeometrie eine nicht gencrmte " -Meßgeome-Z 1 trie" verwendet wird.