DE69005681T2

DE69005681T2 - Transmissions-/Reflektionsdensitometer mit zwei Messköpfen.

Info

Publication number: DE69005681T2
Application number: DE69005681T
Authority: DE
Inventors: Anthony J Magistro
Original assignee: Kollmorgen Instrument Corp
Current assignee: Gretag-Macbeth Holding AG Gretagmacbeth New W LLC
Priority date: 1989-02-10
Filing date: 1990-02-09
Publication date: 1994-07-21
Anticipated expiration: 2010-02-10
Also published as: EP0391037A1; US4937637A; DE69005681D1; EP0391037B1

Description

Die Erfindung betrifft ein Spektrophotometer zur Fernablesung zum einfachen und genauen Messen der spektralen Charakteristika eines in relativ großer Entfernung angeordneten Meßobjekts. Ein Spektrophotometer nach dem Oberbegriff des Anspruch ist aus EP-A-0 081 702 bekannt.
Spektrophotometer werden weit verbreitet in vielen Anordnungen zum Bestimmen reflektierter Strahlung verwendet. Bei der industriellen Qualitätskontrolle werden Spektrophotometer verwendet zum Bestimmen, ob Fabrikationswaren eine gleichmäßig akzeptable Oberflächenbeschaffenheit aufweisen. Kurz gesagt besteht die Aufgabe darin, daß das Produktionsmaterial die Strahlung gleichmäßig über seine Länge und Breite reflektiert, so daß die Enderzeugnisse die höchstmögliche Qualität aufweisen. Textilhersteller beispielsweise verwenden Spektrophotometer während der fortlaufenden Produktion zur Überwachung der Färbevorgänge auf Gleichmäßigkeit und Wirksamkeit. Im Idealfall würden die Textilhersteller ein Spektrophotometer in der Endkontrolle an jedem einzelnen Gestell installieren, um eine einheitliche Qualität jedes Ballens im letzten Produktionsstadium vor dem Versand zu gewährleisten.
Wie jedoch nachstehend noch ausgeführt, sind Spektrophotometer herkömmlicher Bauart zur Montage an jedem einzelnen Prüfgestell ungeeignet.
Erstens müssen herkömmliche Spektrophotometer in unmittelbarer Nähe des Meßobjekts angeordnet werden, am besten in weniger als 2,5 cm Abstand von der Fertigungsstraße, um Einflüsse von umgebendem Licht auszuschließen und für eine ausreichend starke Reflexion vom Meßobjekt. Um Spektrophotometer herkömmlicher Bauart so nahe am zu prüfenden Material anbringen zu können, sind aufwendige Brückenkonstruktionen erforderlich, die für jeden Anwendungsbereich neu entwickelt werden müssen.
Zweitens ist es oft erforderlich, daß das Spektrophotometer die laufenden Produktion abtasten muß. Spektrophotometer herkömmlicher Bauart müssen über dem Meßobjekt hin- und herbewegt werden, damit sie immer in größtmöglicher Nähe des Meßobjekts sind. Diese Art der Abtastung erhöht die Kosten der Brückenkonstruktionen erheblich, da das Spektrophotometer nicht nur in unmittelbarer Nähe des Meßobjekts angebracht sein muß, sondern auch noch so, daß es in dieser unmittelbaren Nähe über dem Meßobjekt hin- und herbewegt werden kann. Es ist überflüssig, darauf hinzuweisen, daß im industriellen Bereich akzeptable Toleranzen für eine solche Abtastung nur schwer zu realisieren sind.
Aus Kostengründen ist die Montage eines Spektrophotometers auf jedem Endkontrollgestell daher nicht durchführbar. Deshalb setzen die Textilhersteller Spektrophotometer nur in den Färbeanlagen ein, vom denen es weniger gibt als Kontrollgestelle. Messungen in den Färbeanlagem sind jedoch weniger zuverlässig für die Qualität des Endproduktes als Messungen am Ende des Produktionsprozesses, so daß die Prüfgenauigkeit der Wirtschaftlichkeit geopfert wird.
Darüberhinaus hat die Erfordernis, Spektrophotometer herkömmlicher Bauart beweglich und in unmittelbarer Nähe zum Prüfobjekt anbringen zu müssen und die daraus resultierenden Kostem für entsprechende Brückenkonstruktionen den Einsatz von Spektrophotometern in der Qualitätskontrolle in einigen Industriebetrieben verhindert. In der Tat ist es vielen Industriebetrieben zu kostenaufwendig, Spektrophotometer zu installieren, und zwar wegen der für ihre Anwendung erforderlichen kostenintensiven Brückenkonstruktionen. Zusätzlich hat die Tatsache, daß herkömmliche Spektrophotometer nahe an den Fertigungsstraßen installiert werden müssen, ihren Einsatz in Bereichen, in denen das Umfeld des Meßobjekts einfach zu aggressiv für diese Geräte ist oder aber einfach nicht genügend Platz für eine Brückenkonstruktion vorhanden ist, verhindert.
In anderen Situationen können die speziellen Anwendungsbedingungen den Einbau eines Spektrophotometers herkömmlicher Bauart verbieten. So werden beispielsweise in der Nahrungsmittelindustrie Spektrophotometer nicht zur Farbmessung eingesetzt, weil aus Hygienegründen die Brückenkonstruktionen aus Edelstahl bestehen müssten. Die hohen Kosten solcher Konstruktionen haben bisher den Einsatz von Spektrophotometern in dieser Industrie verhindert.
Ein weiterer Nachteil beim Einsatz von Spektrophotometern herkömmlicher Bauart in großer Nähe zur Meßobjektoberfläche ist die Tatsache, daß mit ihnen einige Oberflächen nicht mit ausreichende Genauigkeit gemessen werden können. Spektrophotometer herkömmlicher Bauart weisen eine punktförmige Beleuchtungsquelle auf, die Licht in viele Richtungen ausstrahlt, sowie einen Detektor, der das von der zu messenden Oberfläche reflektierte Licht empfängt. Eine solche Anordnung ist für die meisten ebenen Flächen ausreichend, vorausgesetzt, Lichtquelle und Detektor sind in unmittelbarer Nähe des Meßobjekts angeordnet. Sie ist jedoch unzuverlässig bei Oberflächen mit reliefartiger Struktur, die eine räumliche Abtastung erforderlich macht.
Beispielsweise ist die Herstellung von Strukturteppichen ein Gebiet, auf dem genaueste spektrale Messungen wünschenswert wären, bisher aber nicht zu erzielen waren. Die genannten Teppiche haben eine unregelmäßige Oberflächenstruktur und ein in unmittelbarer Nähe eines solchen Teppichs angebrachtes Spektrophotometer herkömmlicher Bauart würde keine genauen Reflexionsmeßergebnisse liefern, da jeder Bereich des Strukturteppichs Licht in unterschiedliche Richtungen und mit sich ändernder Intensität reflektiert. Also ändert sich das auf den Detektor reflektierte Licht sehr stark von Bereich zu Bereich als Folge der Teppichstruktur und ein Abtasten einer solchen Oberfläche mit einem herkömmlichen Spektrophotometer würde fehlerhafte und unzuverlässige Werte ergeben.
Dieser Nachteil ist in hohem Maße für die Weigerung der Teppichindustrie verantwortlich, Spektrophotometer einzusetzen, da Teppichhersteller eine Abneigung gegen eine Vorrichtung zur Qualitätskontrolle haben, die nur für einige, nicht aber für alle ihre Produkte verwendet werden kann.
Es ist daher eine Aufgabe dieser Erfindung, ein Spektrophotometer zur Verfügung zu stellen, das auch beim Einsatz in relativ großen Entfernungen vom Meßobjekt sehr genaue Spektralmessungen liefert.
Es ist eine weitere Aufgabe der Erfindung, ein Spektrophotometer zur Verfügung zu stellen, das in relativ großen Entfernungen vom Meßobjekt eingesetzt werden kann und mit dem von Streulicht nicht beeinträchtigte Meßergebnisse erzielt werden können.
Es ist eine weitere Aufgabe der Erfindung, ein Spektrophotometer zur Verfügung zu stellen, das ohne eine aufwendige Brückenkonstruktion in relativ großen Entfernungen vom Meßobjekt oder Muster eingesetzt werden kann.
Es ist noch eine andere Aufgabe der Erfindung, ein Spektrophotometer zur Verfügung zu stellen, das von einem festen Punkt in relativ großer Entfernung vom Meßobjekt eingesetzt werden kann und ein genaues Abtasten der Meßobjekts ermöglicht.
Es ist noch eine andere Aufgabe der Erfindung, ein Spektrophotometer zur Verfügung zu stellen, das in relativ großer Entfernung vom Meßobjekt eingesetzt werden kann, ohne es neu zu positionieren oder einzustellen, sollte sich die Entfernung zwischen Spektrophotometer und Meßobjekt ändern.
Es ist noch eine andere Aufgabe der Erfindung, ein Spektrophotometer zur Verfügung zu stellen, das in relativ großer Entfernung vom Meßobjekt eingesetzt werden kann, bei dem die Lichtquelle und die Detektoreinrichtung benachbart und in einem einzigen Gehäuse angebracht sind.
Das Spektrophotometer zur Fernablesung nach der Erfindung weist eine Breitband-Beleuchtungseinrichtung hoher Intensität zum Beleuchten eines Meßobjekts auf, eine Vergleichsstrahl-Einrichtung zum Erhalten eines Vergleichsstrahls und eine Vergleichsmeßeinrichtung zum Messen der Intensität des von der genannten Beleuchtungseinrichtung emittierten Lichtes in einer Vielzahl von Spektralbereichen, eine Reflexions-Meßeinrichtung zum Messen des reflektierten Lichtes, das vom Meßobjekt reflektiert wird, in einer Vielzahl von Spektralbereichen, einen Polychromator, eine mit dem Polychromator verbundene Rechner- und Analysier-Einrichtung zum Normalisieren der Reflexionsmessungen und zum Analysieren des Vergleichsstrahls und des reflektierten Meßobjekt-Abbildes über einen Wellenlängenbereich, um die spektralen Charakteristika des beleuchteten Meßobjekts zu bestimmen, und ist dadurch gekennzeichnet, daß es eine erste optische Einrichtung aufweist mit einem Kondensor-Linsenelement zum Erfassen des Lichtes von der Beleuchtungsquelle und Weiterleiten dieses Lichtes, einer Blendeneinrichtung im optischen Weg des vom Kondensor-Linsenelement weitergeleiteten Lichtes, einem Beleuchtungs-Linsenelement zum gleichmäßigen Beleuchten eines Bezirkes eines entfernt angeordneten Meßobjekts durch Projizieren eines Abbildes der Beleuchtung von der Blendeneinrichtung auf den genannten Bezirk des Meßobjekts; eine zweite optische Einrichtung mit einem optischen Element zum sequentiellen Ausrichten des Vergleichsstrahls und eines reflektierten Abbildes eines wesentlichen Bereichs des beleuchteten Meßobjektbezirks auf den Polychromator; die erste und die zweite optische Einrichtung sind entfernt vom Meßobjekt angeordnet, so daß der Winkel zwischen dem auf das Meßobjekt gerichteten Beleuchtungsstrahl und dem von dem Meßobjekt reflektierten Strahl relativ klein ist, wobei der relativ große beleuchtete Meßobjektbezirk und der reflektierte Bildbezirk eine große Tiefenschärfe liefern; und einer bildfokussierenden optischen Einrichtung im optischen Weg zwischen der genannten optischen Bildausrichtenden Einrichtung und dem genannten Polychromator zum Fokussieren des Lichtes, das von der genannten zweiten optischen Einrichtung auf den Polychromator gerichtet ist.
Das Spektrophotometer nach der Erfindung enthält eine Polychromatoreinrichtung zum Empfangen des reflektierten Meßobjekt-Abbildes und eine Vergleichsstrahl-Detektoreinrichtung, die beide mit der genannten Analysier- Einrichtung verbunden sind.
In einer anderen Ausführungsform enthält das Spektrophotometer eine mit der genannten Analysier-Einrichtung verbundene Polychromatoreinrichtung, eine optische Strahlenschalt-Einrichtung zum aufeinanderfolgenden Ausrichten des genannten Vergleichsstrahls und des reflektierten Meßobjekt-Abbildes auf die genannte Polychromatoreinrichtung, und eine optische Einrichtung angeordnet im optischen Weg zwischen dem Strahlenschalter und dem Polychromator zum Fokussieren des Lichtes auf die Polychromatoreinrichtung.
Mit dem Spektrophotometer nach der Erfindung können genaue Spektralmessungen bei beträchtlichen Entfernungen zwischen dem Meßobjekt oder Muster und dem Spektrophotometer vorgenommen werden, und es weist ebenfalls Abtasteigenschaften auf. In einer bevorzugten Ausführungsform wird als Lichtquelle eine pulsierende Xenonlampe verwendet. Eine fokussierende Beleuchtungslinse wirft ein vergrößertes Bild der Lichtquelle oder, alternativ, projiziert einen kollimierten Strahl von der Lichtquelle auf einen zu messenden Bereich des Meßobjekts. Ein Ende mindestens einer Vergleichsfaseroptik wird in den Strahlengang gebracht, um so einen Referenzstrahl für Vergleichszwecke zu erhalten. Das andere Ende der Faseroptik wird mit einem Bandpaß-Filter verbunden, der benachbart zu einem Vergleichsdetektor angebracht ist.
Eine Abbildungslinse ist auf einen Teil des beleuchteten Bereichs des Meßobjekts ausgerichtet und fokussiert das Abbild auf einen Polychromator, der so angeordnet ist, daß das vom Meßobjekt reflektierte Licht in die einzelnen Wellenlängen aufgespalten wird zum getrennten Erfassen durch eine Anzahl von Detektoren. Die so erfaßte, vom Meßobjekt reflektierte und die Vergleichsstrahlung werden verstärkt und in digitale Signale umgewandelt und in einem Mikroprozessor verarbeitet. Der Mikroprozessor bestimmt die Spektralreflexion des Meßobjekts unter Verwendung der Werte des Vergleichsstrahls als Basis zum Bestimmen der Charakteristika der Meßobjekt-Beleuchtung. Vorzugsweise wird ein Durchschnittswert des vom Meßobjekt reflektierten Strahls über einen relativ großen Oberflächenbeich des Meßobjekts ermittelt.
In einer Ausführungsform wird eine Kohler-Beleuchtungsoptik verwendet, ähnlich den in Filmprojektoren verwendeteten Optiken. In diesem Fall trifft das vom der vorzugsweise verwendeten pulsierenden Xenonlampe ausgesandte Licht auf eine Kondensorlinse und geht durch eine Spaltöffnung auf eine Objektivlinse. Die Objektivlinse fokussiert ein Abbild der Spaltöffnung auf einen Bereich des Meßobjekts und bewirkt dessen sehr gleichmäßige Beleuchtung. In einer bevorzugten Ausführungsform wird ein Strahlenteiler zwischen der Kondensorlinse und der Objektivlinse angeordnet, um einem Vergleichsstrahl zu erhalten, der auf die entfernte Wand einer innen mit einem gleichmäßigen weißen Überzug versehenen Integrationskugel fokussiert wird, so daß eine integrierte diffuse Vergleichslichtquelle erzeugt wird.
Im dieser Ausführungsform führt der optische Weg vom beleuchteten Bereich des Meßobjekts zur Abbildungslinse durch die oder entlang der Integrationskugel. Mit Hilfe eines Strahlenteilers wird abwechselnd der integrierte Vergleichsstrahl, wie er auf der inneren Oberfläche der Integrationskugel abgebildet ist, und der reflektierte Meßobjektstrahl während zweier aufeinanderfolgender Blitze der pulsierenden Xenonlampe dem Polychromator zugeführt. Ein oder mehrere Detektoren für bestimmte Wellenlängen, die vorzugsweise aus einer mit einem Bandpaß-Filter verbundenen optischen Faser und einem Vergleichsdetektor bestehen, sind der Integrationskugel zugeordnet, um die Spektralcharakteristika der Lichtquelle während des Meß- und des Vergleichsblitzes zu überwachen.
In dieser Ausführungsform normalisiert der Mikroprozessor mit Hilfe der vom Wellenlängen-Detektor gelieferten Information die Beleuchtungsquelle zwischen den beiden Blitzen und vergleicht dann die Messungen vom Meß- und Vergleichsstrahl auf der Basis der normalisierten Beleuchtung. Aus diesem Vergleich werden die Spektralcharakteristika des Meßobjekts bestimmt. Vorzugsweise überlappen die Meß- und Beleuchtungsbereiche, um - wenn das System einmal ausgerichtet ist - einen relativ großen Meßbereich zu überstreichen. Da die Meßobjektbeleuchtung sehr einheitlich ist, liefert dieses System exakte Meßergebnisse der reflektierten Strahlung über einen großen Meßbereich, ohne daß eine Neuausrichtung oder Neueichung erforderlich wären. Durch Erfassen eines relativ großen, einheitlich beleuchteten Oberflächenbereichs liefert die vorliegende Erfindung genaue spektrale Reflexionsmeßergebnisse, die weniger abhängig von Vibrationen der Oberfläche sind als bei herkömmlichen Spektrophotometern.
Abweichende Ausführungsformen der Erfindung sind vorgesehen. Bei einer wird ein zweiter Polychromator vorgesehen, der die Spektralcharakteristika der einzelnen Wellenlängen-Detektoren erfaßt und in verständlicher Form analysiert. In einer weiteren Abwandlung mit zwei Polychromatoren wird der Vergleichsstrahl direkt auf den zweiten Polychromator unter Ausschaltung der Integrationskugel gerichtet.
In einer anderen Anordnung wird der Vergleichsstrahl mittels einer konjugierten Objektivlinse auf einen Diffuser gerichtet und der Strahlenschalter lenkt wechselweise den vom Diffuser kommenden Vergleichsstrahl oder den reflektierten Meßobjektstrahl auf den Polychromator. In dieser Anordnung stellen die Detektoren bestimmter Wellenlängen zum Liefern eines normalisierten Vergleichsstrahls vorzugsweise Faserbündel dar, die im Strahlengang der diffusen Beleuchtung angeordnet sind.
Andere Ausführungsformen weisen einen integrierenden Stab auf als Teil der Beleuchtungsoptik und einen Rücklauf-Abtastspiegel, um die Verwendung des Spektrophotometers nach der Erfindung als Winkel- oder Zeilenabtaster zu ermöglichen.
Der Vorteil der Erfindung besteht darin, daß ein Spektrophotometer beschrieben wird, das es auf bemerkenswerte Weise ermöglicht, das spektrale Reflexionsvermögen eines Meßobjekts aus relativ großer Entfernung zu diesem zu bestimmen. Das ermöglicht die Montage des Spektrophotometers nach der Erfindung in vergleichsweise großem Abstand vom Meßobjekt ohne kostenintensive Brückenkonstruktionen.
Es ist auch offensichtlich, daß es aufgrund der Eigenschaften des Spektrophotometers nach der Erfindung, das spektrale Reflexionsvermögen aus relativ großer Entfernung zu einem Meßobjekt zu bestimmen, möglich ist, das Spektrophotometer aus dem unmittelbaren Produktionsbereich des Meßobjekts zu entfernen und es beispielsweise hinter einer Klarglasscheibe getrennt von der Fertigungsstraße zu montieren.
Ein weiterer Vorteil der Erfindung besteht darin, daß das Spektrophotometer in der Lage ist, die Meßdaten eines gleichmäßig beleuchteten Meßobjekt-Bereichs genau zu mitteln, um so Ungenauigkeiten vorteilhaft zu reduzieren, wie sie sonst durch Messen eines begrenzten Bezirks einer unregelmäßig ausgebildeten Oberfläche entstehen würden.
Als weiterer Vorteil der Erfindung gilt die bemerkenswert genaue Messung des spektralen Reflexionsvermögens eines Meßobjekts mittels der Zweistrahl- Vergleichstechnik
Als ein weiterer Vorteil der Erfindung muß angeführt werden, daß genaueste Winkelabtastung in bemerkenswerter Weise möglich ist aus einer stationären und vom Meßobjekt weit entfernten Position.
Die beigefügten Zeichnungen, auf die hier Bezug genommen wird und die einen Teil der Erfindung darstellen, zeigen vorzugsweise Ausführungsformen des nach der Erfindung hergestellten Spektrophotometers.
Fig. 1 ist eine Draufsicht eines ersten geeigneten Polychromator- und Analysatorschaltkreises nach der Erfindung.
Fig. 2 ist eine Draufsicht eines zweiten geeigneten Polychromator- und Analysatorschaltkreises mit Faseroptik-Vergleichsstrahlleitern, die direkt mit dem Polychromator verbunden sind.
Fig. 3 ist eine Draufsicht eines Spektrophotometers zur Fernablesung nach der Erfindung.
Fig. 4A ist eine Teildraufsicht des Spektrophotometers nach der Erfindung und stellt eine Alternative der Integrationskugel dar.
Fig. 4B ist eine Seitenansicht der Alternative der Integrationskugel von Fig. 4A, entlang der Linie 4B-4B.
Fig. 4C ist eine Teildraufsicht des Spektrophotometers nach der Erfindung und stellt eine erste Alternative der Vergleichsstrahl-Optik dar.
Fig. 5 ist eine Teildraufsicht des Spektrophotometers nach der Erfindung mit zwei Polychromatoren.
Fig. 6 ist eine Draufsicht des Spektrophotometers nach der Erfindung mit zwei Polychromatoren und stellt eine zweite Alternative der Vergleichsstrahl-Optik dar.
Fig. 7 ist eine Draufsicht des Spektrophotometers nach der Erfindung und stellt eine dritte Alternative der Vergleichsstrahl-Optik dar mit zugeordneten Vergleichsstrahl-Optiken.
Fig. 8A ist eine Teildraufsicht des Spektrophotometers nach der Erfindung und stellt eine vierte Alternative der Vergleichsstrahl-Optik dar mit einem integrierenden Stab als Teil der Beleuchtungsoptik.
Fig. 8B ist eine Teildraufsicht des Spektrophotometers und stellt eine fünfte Alternative der Vergleichsstrahl-Optik dar mit einem geteilten integrierenden Stab als Teil der Beleuchtungsoptik.
Fig. 9 ist eine Draufsicht des Spektrophotometers nach der Erfindung und stellt die sich überlappenden Beleuchtungs- und Meßfelder dar.
Fig. 10 ist eine Draufsicht des Spektrophotometers nach der Erfindung mit einer Abtastvorrichtung.
Fig. 11 ist eine perspektivische Ansicht einer kommerziellen Anwendung des in Fig. 10 dargestellten Abtast-Spektrophotometers.
Eine geeignete Polychromator-Anordnung ist in Fig. 1 dargestellt. Der Polychromator 22 weist einen engen Spalt 23 im Brennpunkt der Linse 30 auf, eine Kollimatorlinse 34, eine Trennfilter-Anordnung 36 wie beispielsweise ein Beugungsgitter oder ein Prisma, auf das der von der Kollimatorlinse 34 kommende kollimierte Strahl trifft und den Strahl in dessen Wellenlängen zerlegt, und eine fokussierende Linse 38, die das zerlegte Licht von der Trennfilter-Anordnung 36 auf eine Detektoranordnung 32 fokussiert. Die Detektoranordnung 32 weist Detektoren auf, die so angeordnet sind, daß sie das jedem Wellenlängenbereich entsprechende Licht auffangen und so eine Mehrkanal-Detektoranordnung darstellen. Der Übersichtlichkeit halber ist die Detektoranordnung 32 als Anordnung mit 10 Detektoren dargestellt und bildet ein 10-Kanalsystem. Vorzugsweise werden jedoch 20- oder 40-Kanalsysteme verwendet, die Licht in Intervallen von 20 bzw. 10 Nanometern über das gesamte sichtbare Spektrum auffangen. Es wurde auch erwogen, das vorliegende Spektrophotometer auch im nicht sichtbaren Bereich des Spektrums einzusetzen. Eine Polychromator-Anordnung wie die hier beschriebene ist in US-A 4,076,421 dargestellt und beschrieben.
Der Schaltkreis 46 erhält Signale von jedem einzelnen Detektor der Anordnung 32 zur Weiterverarbeitung in geeigneter Weise. Die Weiterverarbeitung kann Verstärken und Integrieren der Signale zum Übertragen auf den Mikroprozessor 40 einschließen. Selbstverständlich ist ein A/D-Konverter erforderlich, vorzugsweise im Mikropozessor 40 integriert, damit dieser die verstärkten analogen Detektorsignale verstehen und verarbeiten kann.
Fig. 2 stellt eine abgewandelte Variante der Polychromator-Anordnung dar. Darin werden die Faseroptiken 28 direkt zum Polychromator geführt, der zugeordnete Filter 29 und Vergleichsdetektoren 18 aufweist. Die Vergleichsdetektoren 18 können einfach auch eine Fortsetzung der Detektoranordnung 32 sein.
Obwohl die oben beschriebenen und in den Fig. 1 und 2 dargestellten Polychromator-Anordnungen vorzugsweise Anordnungen sind, sind auch andere Polychromator-Anordnungen geeignet. So können die einzelnen zu messenden Wellenlängen des vom Meßobjekt reflektierten Lichts nacheinander auf einen einzigen Detektor gerichtet werden durch entsprechendes Einstellen der Farbtrennvorrichtung. Wie in der vorzugsweise verwendeten Polychromator-Anordnung würde dann das Einzeldetektor-Signal auf den Verstärker- und Mikroprozessor-Kreis übertragen.
Vorzugsweise ist der A/D-Konverter im Mikroprozessor 40 enthalten, der die von den Vergleichsdetektoren und von der Detektoranordnung 32 gelieferten Daten empfängt und speichert. Die Daten der Vergleichsdetektoren dienen zur Normalisierung der Beleuchtung des Meßobjekts, um Veränderungen auszugleichen, die seit dem Eichen des Instruments aufgetreten sein können, und die Daten vom Meßobjekt werden dann verarbeitet, um die Spektralcharakteristika des Meßobjekts zu bestimmen. Der Mikroprozessor kann dann eine Darstellung der Spektralcharakteristika des Meßobjekts geben, beispielsweise den Grad des Reflexionsvermögens des Meßobjekts bei jeder gemessenen Wellenlänge, und/oder zur automatischen Steuerung des Systems aufgrund der Meßergebnisse dienen.
Die vorzugsweise Beleuchtungsquelle ist eine lichtstarke pulsierende Xenonlampe. Wird diese ansich leicht erhältliche Beleuchtungsquelle mit der Zweistrahl-Meßtechnik dieser Erfindung verwendet, so kann die Raumbeleuchtung praktisch außer Acht gelassen werden. Darüberhinaus wird eine bisher unbekannte Genauigkeit erzielt, da erfindungsgemäß die Charakteristika sowohl des einfallenden als auch des reflektierten Lichtes gemessen werden. Folglich kann das Spektrophotometer nach der Erfindung bei Raumbeleuchtung in relativ großen Entfernungen ohne Störung durch Streulicht arbeiten. In der Tat erlaubt die Erfindung genaue spektrale Reflexionsmessung aus Entfernungen von 122 cm bis 610 cm.
Selbstverständlich können auch andere Lichtquellen als die vorzugsweise lichtstarke pulsierende Xenonlampe verwendet werden, beispielsweise eine lichtstarke pulsierende Kryptonlampe oder andere pulsierende Edelgaslampen. Es wird auch angenommen, daß eine nicht-pulsierende Lichtquelle wie beispielsweise eine Bogenlampe, die starke Beleuchtung liefert, oder eine Lichtquelle, die im Frequenzbereich oberhalb des umgebenden Lichtes arbeitet, verwendet werden könnten.
Es wurde festgestellt, daß die vorzugsweise verwendete Beleuchtung mit der Xenonlampe in einem kleinen Bereich des beleuchteten Punktes anbhängig von den "heißen Punkten" der Lampe auf dem Abbild variieren kann. Da die Lichtquellen und besonders die bevorzugte Xenonlampe häufig unter Driften einzelner Lichtstrahlen oder Bogenwanderung leiden, neigt die Beleuchtung am Meßobjekt zu Schwankungen, sogar ohne Anpassen der Optiken oder Bewegung des Meßobjekts. Die Auswirkungen der Beleuchtungsschwankungen an den relativ engen Vergleichsstrahl-Eintrittsöffnungen 28 können sogar noch deutlicher sein.
Wo es, wie hier, wünschenswert ist, mit der Vorrichtung in unterschiedlichen Abständen vom Meßobjekt zu arbeiten und unter Bedingungen, bei denen die Lage des Meßobjekts sich während des Messens ändern könnte, können Beleuchtungsschwankungen zu ungenauen Meßergebnissen führen und eine Wiederholbarkeit unmöglich machen. Der hinter der Lichtquelle 12 angebrachte gebogene Spiegel 26 trägt zur Reduzierung der Auswirkungen des Driftens des Lichtstrahls oder der Bogenwanderung bei, aber eine absolute Einheitlichkeit wird durch diese Verbesserung allein nicht erzielt.
In Fig. 3 ist die Ausführungsform der Vorrichtung nach der Erfindung mit einer "Kohler-Typ" optischen Anordnung dargestellt, die eine einheitliche Beleuchtung des Meßobjekts gewährleistet. In dieser Ausführungsform weist die bevorzugte pulsierende Xenon-Lichtquelle 12 einen gebogenen Reflektor 26 auf, um das auf eine erste Beleuchtungslinse 48 gerichtete Licht zu maximieren und den Drifteffekt zu reduzieren. Eine Vorrichtung zum Einstellen der Durchlaßöffnung, wie beispielsweise eine Platte, ist in der Nähe der ersten Linse 48 angebracht und definiert eine bestimmte Durchlaßöffnung. Die Linse 48 ist vorzugsweise ein Kondensorlinse, die so angeordnet ist, daß sie das Licht von der Lichtquelle 12 auf eine Objektivlinse 50 fokussiert, die ihrerseits ein Abbild der Durchlaßöffnung auf Probe A fokussiert, was eine sehr einheitliche Beleuchtung der Probe A zur Folge hat. Vorteilhafterweise kompensiert die Linse 50 jede kleinste Schwankung von Lichtquelle 12, so daß der beleuchtete Bereich von Probe A konstant bleibt. So liefert die Beleuchtungsoptik dieser Ausführungsform einen gleichmäßig beleuchteten Punkt auf der Probe A. Das erleichtert die Einstellung der Beleuchtungs- und Bestimmungsoptiken und gewährleistet ein sich überlappendes Gesichtsfeld und zwangsläufig eine genaue Bestimmung der reflektierten Strahlung.
In dieser Ausführungsform wird der Vergleichsstrahl durch einen Strahlenteiler 52 hergestellt, der zwischen dem ersten und zweiten Linsenelement 48 und 50 angeordnet ist. Der Strahlenteiler 52 reflektiert einen Teil der Meßobjekt-Beleuchtung vom ersten Linsenelement 48 auf eine Integrationskugel 54 durch eine darin befindliche erste Öffnung 56. Vorzugsweise wird der Vergleichsstrahl auf einen auf der der Öffnung 56 gegenüberliegenden entfernten Punkt der Wand der Integrationskugel 54 fokussiert, und die Innenwände der Integrationskugel 54 sind mit einer einheitlichen weißen Schicht überzogen, so daß die gesamte Kugel vom diffusen Abbild des Vergleichsstrahls beleuchtet wird. Die Integrationskugel 54 ist mit einer zweiten und dritten Öffnung, 58 und 60, versehen. Der von einem Teil des beleuchteten Bereichs von Probe A reflektierte Strahl durchquert die Integrationskugel 54 entlang einer durch die Öffnungen 58 und 60 definierten Linie und trifft auf die fokussierende Linse 30, die den Strahl auf den Polychromator 22 fokussiert. Der Strahl wird von der Detektoranordnung 32 (nicht dargestellt) erfaßt, vom Verstärker- und Integrationskreis 46 verarbeitet und dann dem Mikroprozessor 40 zugeführt, wo die Informationen in verwertbare numerische Daten übertragen werden können, die den spektralen Reflexionscharakteristika von Probe A entsprechen.
Vorteilhafterweise ist ein Strahlenschalter 64 in der Nähe der dritten Öffnung 60 der Integrationskugel angeordnet. In einer Stellung erlaubt der Strahlenschalter 64 das ungehinderte Erfassen des Meßstrahls durch die fokussierende Linse 30, und in einer anderen Stellung wird ein Vergleichsstrahl von einem Bereich der weißen Wand der Integrationskugel 54 auf die fokussierende Linse 30 geführt, wobei das vom Meßobjekt reflektierte Bild ausgeschlossen wird. Auf diese Weise ermöglicht es der Strahlenschalter 64, der beispielsweise ein drehbar montiertes Prisma sein kann, daß entweder der eintreffende Vergleichsstrahl oder der Meßobjektstrahl wechselweise durch die fokussierende Linse 30 auf den Polychromator 22 gelangt. Wird nun, wie in der Praxis bevorzugt, als Beleuchtungsquelle 12 eine pulsierende Xenonlampe verwendet, werden zwei aufeinanderfolgende Lichtblitze erzeugt. Während des einen Lichtblitzes leitet der Strahlenschalter 64 den Meßstrahl auf die fokussierende Linse 30, um vom Polychromator erfaßt zu werden. Die Spektralinformation vom Meßobjekt wird während dieses Blitzes erfaßt und im Mikroprozessor 40 gespeichert. Während des zweiten Blitzes ändert der Strahlenschalter 64 die Sichtlinie der fokussierenden Linse 30 und richtet sie auf einen Bereich der Innenwand der Integrationskugel 54, so daß der Integrations-Vergleichsstrahl auf den Polychromator 22 fokussiert wird. Die Spektralinformation des Vergleichsblitzes wird ebenfalls im Mikroprozessor 40 gespeichert. Nach den beiden Blitzen sind im Mikroprozessor 40 sämtliche Spektralcharakteristika sowohl des Vergleichsstrahls als auch des Meßobjektstrahls gespeichert. Folglich können die Daten des Meßobjektstrahls im Bezug auf diejenigen des Vergleichsstrahls ausgewertet werden, um die Spektralcharakteristika von Probe A zu bestimmen.
Es ist auch wünschenswert, innerhalb der Integrationskugel 54 einen oder mehrere getrennte optische Empfänger 128 für den Vergleichsstrahl vorzusehen, wie beispielsweise optische Faserbündel, zum Überwachen der Beleuchtung bei einer oder mehreren Wellenlängen während beider Blitze. So werden zwei optische Empfänger 128 vorzugsweise von der Integrationskugel 54 direkt zum Polychromator 22 geführt, wo sie mit den Bandpaßfiltern 29 und den zugehörigen Vergleichsdetektoren 18 (s. Fig. 2) verbunden werden. Es wurde festgestellt, daß diese Art des Hessens während zweier Blitze bei nur zwei Wellenlängen, wie beispielsweise 440 und 620 Nanometern, dazu dienen kann, verläßliche Angaben über Verschiebungen oder Ausfälle der Lichtquelle zu erhalten. Bei höheren Anforderungen können Messungen bei diesen bestimmten Wellenlängen dazu dienen, Veränderungen bei anderen Wellenlängen festzustellen, so daß Vergleichs- und Meßobjektblitze ausgeglichen werden können, um so einen genaueren Vergleich zwischen dem Meß- und dem Vergleichsstrahl zu ermöglichen.
Es ist natürlich auch zu erwägen, den Meßobjektstrahl nicht durch die Integrationskugel 54 zu führen. Eine geeignete Ausführungsform des Spektrophotometers nach der Erfindung, bei dem der Meßobjektstrahl nicht durch die Integrationskugel geführt wird, ist in den Figuren 4A und 4B gezeigt. In Fig. 4A wird der Vergleichsstrahl vom Strahlenteiler 52 in die Integrationskugel 154 durch die Öffnung 156 reflektiert. Bei dieser Anordnung geht der Meßobjektstrahl entlang der Integrationskugel in der Nähe der Vergleichsöffnung 156a entlang. In Figur 4B, entlang der Linie 4B-4B aus Fig. 4A ist dargestellt, daß der Strahlenschalter 52 zwei Positionen einnehmen kann: in der Position 164 wird der aus der Integrationskugel 154 kommende Vergleichsstrahl auf die fokussierende Linse 30 gerichtet, während in der Position 164a, als gestrichelte Linie gezeichnet, in der sich der Strahlenschalter außerhalb des Pfades des Meßobjektstrahls befindet, der Meßobjektstrahl unter Ausschluß des Vergleichsstrahls auf die fokussierende Linse gerichtet wird. Als Folge davon empfängt und verarbeitet der Polychromator 22 abwechselnd Licht der Vergleichs- und der Meßobjektstrahlen. Wie in Fig. 3 dargestellt, liefern die Faseroptik-Eingänge 128 während der beiden Blitze einen Teilvergleichsstrahl bestimmter Wellenlängen.
Alternativ hierzu ist natürlich auch zu erwägen, die Integrationskugel durch eine andere geeignete optische Einrichtung zu ersetzen, die einen einheitlichen durchschnittlichen Vergleichsstrahl liefert. Eine derartige Anordnung ist in Fig. 4C gezeigt. Dort wird der Vergleichsstrahl vom Strahlenteiler 52 mittels einer konjugierten Objektivlinse 150, ähnlich der Beleuchtungslinse 50, auf einen Diffuser 70 fokussiert. Der Strahlenschalter 164 richtet abwechselnd den Meßobjektstrahl (Position 164a) oder den diffusen Vergleichsstrahl (Position 164) auf die fokussierende Linse 30 und den Polychromator 22. In dieser Ausführungsform wären die Faseroptik-Eingänge 228 im vom Diffuser 70 kommenden Vergleichsstrahl angeordnet. Allerdings sind die Faseroptiken 228 keinen Beleuchtungsschwankungen unterworfen wie im Fall der Faserbündel 28, da die Faserbündel 228 im Strahlengang der uniformen diffusen Beleuchtung angeordnet sind und nicht im Abbild der Lichtquelle 12.
Es kann auch erwogen werden, eine Faseroptik mit dem Eingang 128, wie in Fig. 3 dargestellt, mit einem zweiten Polychromator 122 zu verbinden, wie in Fig. 5 dargestellt, zum Bestimmen des Gesamtvergleichsstrahls in allen Wellenlängenbereichen während beider Lichtblitze. Wie in Fig. 5 gezeigt, können beide Polychromatoren mit änlichen Analysierkreisen verbunden werden. Diese besondere Ausführungsform ist erwünscht, da sie eine vollständige Auswertung der Lichtquelle 12 in allen brauchbaren Wellenlängenbereichen während beider Lichtblitze, dem Meßobjekt- und dem Vergleichsblitz, ermöglicht. Auf diese Weise kann jegliche Abweichung in der Beleuchtungsquelle 12 mittels des zweiten Polychromators 122 festgestellt und zur Anpassung beider Strahlen benutzt werden, um so sehr genaue Angaben der Spektralreflexion des Meßobjekts zu erhalten.
In einer in Fig. 6 dargestellten Weiterbildung dieser Ausführung mit zwei Polychromatoren können die Vergleichs- und Meßobjektstrahlen gleichzeitig von zwei Polychromatoren während eines einzigen Blitzes der bevorzugt verwendeten gepulsten Xenonlampe gemessen werden. Wie gezeigt, wird der Vergleichsstrahl vom Strahlenteiler 52 auf eine fokussierende Linse 150 reflektiert und auf den zweiten Polychromator fokussiert, um so die Meßobjektbeleuchtung zu simulieren. Wie in Fig. 5 gezeigt, können die Daten der beiden Polychromatoren, 22 und 122, von ähnlichen Verstärker- und Integrationsschaltkreisen 46 und dem Mikroprozessor 40 weiterverarbeitet werden. Der Nachteil der in Fig. 6 gezeigten Ausführung ist der, daß, um unverfälschte Ergebnisse zu erhalten, beide Polychromatoren 22 und 122 genau aufeinander abgestimmt geeicht sein müssen.
Eine weitere alternative Ausführungsform der Erfindung ist in Fig. 7 dargestellt. Danach wird der Vergleichsstrahl durch Anordnen eines Strahlenteilers 152 zwischen der Beleuchtungsquelle 12 und dem ersten Linsenelement 48 erhalten. Der Strahlenteiler 152 reflektiert einen Teil des Lichts von der Beleuchtungsquelle 12 auf ein konjugiertes Linsenelement 148, das das Licht durch die Öffnung 56 auf die gegenüberliegende Wand der Integrationskugel 54 fokussiert. Wie in Fig. 3 gezeigt, durchquert der Meßobjektstrahl die Integrationskugel durch die zweiten und dritten Öffnungen 58, 60 und wird mittels der fokussierenden Linse 30 auf den Polychromator 22 fokussiert. Ähnlich ermöglicht Strahlenschalter 64 das Messen sowohl des Meßobjekt- als auch des Vergleichsstrahls, während die Faseroptik-Eingänge 128 die Überwachung der Beleuchtung beider Blitze in bestimmten Wellenlängenbereichen ermöglichen.
Selbstverständlich kann die in Fig. 7 gezeigte Zweistrahl-Ausführung mit der Doppel-Polychromator-Ausführung (Fig. 6) oder der Ausführung mit Diffuser (Fig. 4) kombiniert werden, anstatt die Integrationskugel zu verwenden. Es wird auch erwogen, die erste Beleuchtungsoptik 14 mit einem integrierenden Stab wie einem optischen Faserbündel auszustatten. Solche Ausführungsformen sind in den Figuren 8A und 8B dargestellt. In Fig. 8A weist das erfindungsgemäße Spektrophotometer einen integrierenden Stab 68 auf. Der integrierende Stab 68 stellt sicher, daß die vom ersten Linsenelement 48 kommende Strahlung genau auf das zweite Linsenelement 50 gerichtet wird, um so auch eine einheitliche Beleuchtung des Meßobjekts zu gewährleisten. Der Strahlenteiler 52 ist zwischen dem integrierenden Stab 68 und dem zweiten Linsenelement 50 angeordnet, wie abgebildet, um den Vergleichsstrahl auf ein zweites konjugiertes Linsenelement 150 zu richten, ähnlich wie in Fig. 7 dargestellt. Selbstverständlich könnte das Linsenelement 50 auch das Abbild des Stabendes 68 auf das Meßobjekt fokussieren, oder eine optische Kohler-Anordnung könnte anstelle des Linsenelements 50 verwendet werden, um eine noch einheitlichere Beleuchtung zu erzielen.
Eine Alternative der Beleuchtungsoptik mit einem integrierenden Stab 168 ist in Fig. 8B dargestellt. Der integrierende Stab 168 ist geteilt, um sowohl den Meßobjekt- als auch dem Vergleichsstrahl zu liefern, so daß die Beleuchtung von der Beleuchtungsquelle 12 den integrierenden Stab 168 zunächst über das erste Linsenelement 48 erreicht und geteilt wird, um sowohl das zweite Linsenelement 50 zu beleuchten als auch den Vergleichsstrahl zu erzeugen. Der Vergleichsstrahl vom integrierenden Stab 168 kann beispielsweise durch eine konjugierte Linse 150 auf einen zweiten Polychromator 122 gerichtet werden, ähnlich wie im Zusammenhang mit Fig. 6 beschrieben. Selbstverständlich könnte der den Vergleichsstrahl erzeugende Teil des geteilten integrierenden Stabes 168 auch mit anderen, hier beschriebenen Vergleichsstrahl-Beleuchtungssystemen verbunden werden. Es ist offensichtlich, daß sich hierfür Faseroptiken besonders gut eignen.
Mit dem Fernmeß-Spektrophotometer nach der Erfindung wird, im wesentlichen unabhängig vom Abstand zum Meßobjekt, eine bemerkenswert gleichmäßige Beleuchtung erzielt. Wie in Fig. 9 dargestellt, überlappen die Beleuchtungs- und Meßfelder stark, um eine große Feldtiefe zu erhalten. Wird das Spektrophotometer 10 so geeicht, daß die größte Meßgenauigkeit bei Abstand A erzielt wird, überlappt das Meßfeld das Beleuchtungsfeld auch in den Positionen B und C völlig. Wird beispielsweise das Sektrophotometer nach der Erfindung auf eine Entfernung von ca. 275 cm vom Meßobjekt ausgerichtet, reicht die Tiefenschärfe von ca. 122 cm bis unendlich. Da die beschriebene Einrichtung eine gleichmäßige Beleuchtung gewährleistet, werden durch Verschieben der "hot spots" im beleuchteten Bereich entstehende Meßschwankungen minimiert. Darüberhinaus kann Mittelbildung über einen Teil des beleuchteten Bereichs der Meßobjekt-Oberfläche erreicht werden mit dem Ergebnis, daß die mit der Beleuchtungsquelle erzielbare Helligkeit die einzige den Abstand zum Meßobjekt einschränkende Größe darstellt.
Ein weiterer Vorteil der Vorrichtung nach der Erfindung besteht darin, daß durch das große Meßfeld, über das integriert werden kann, eine wesentlich genauere Bestimmung der Spektralreflektanz möglich ist. Da die Meßobjekt- Oberflächen von einem Bereich zum nächsten Schwankungen aufweisen, trägt diese Mittelbildung zu den außerordentlich genauen Meßergebnissen der vorliegenden Vorrichtung im Vergleich zu herkömmlichen Spektrophotometern bei. Tatsächlich war dieser Mangel der herkömmlichen Spektrophotometer zum Teil der Grund dafür, daß diese sich auf dem Markt nicht durchsetzen konnten, weil Messungen von reliefartigen Oberflächen wie bespielsweise Strukturteppichen nicht möglich waren. Mit den bekannten Spektrophotometern führen die Schwankungen in den Konturen derartiger Teppiche zu dramatischen Veränderungen der relativen Entfernung zwischen Spektrophotometer und Meßobjekt, was wiederum große Schwankungen der Meßdaten zur Folge hat. Mit dem Spektrophotometer nach der Erfindung ist das genaue Messen der Spektralcharakteristika unregelmäßiger Oberflächen aus der Entfernung möglich, weil aus dem relativ großen Abstand ein großes Meßfeld beleuchtet wird und die einzelnen Meßdaten gemittelt werden. Als Folge davon sind Schwankungen der relativen Entfernung zwischen Spektrophotometer und Meßobjekt praktisch unerheblich und die sich daraus ergebenden unterschiedlichen Meßergebnisse ohne Folgen.
Zusammenfassend kann festgestellt werden, das das erfindunsgemäße Spektrophotometer die folgenden Vorzüge miteinander verbindet: Messung aus relativ großer Entfernung, große Tiefenschärfe und großes Meßfeld, über das gemittelt exakte Meßdaten erhalten werden. Diese einmalige Kombination günstiger Eigenschaften ermöglicht die Montage des Spektrophotometers nach der Erfindung in relativ großer Entfernung von der Oberfläche des Meßobjekts. Deshalb sind die Kosten für die Montage verglichen zu herkömmlichen Spektrophotometern niedrig, da keine aufwendigen, an den jeweiligen Einsatz angepaßte Brückenkonstruktionen erforderlich sind. Aufgrund des Abstands zum Meßobjekt eröffnen sich für das erfindungsgemäße Spektrophotometer Anwendungsbereiche, für die herkömmliche Spektrophotometer nicht einmal in Betracht gezogen werden.
Weiterhin machen es die einmaligen Eigenschaften des Spektrophotometers nach der Erfindung möglich, dieses ohne großen Aufwand auch zum Abtasten zu verwenden, da der Beleuchtungs- und der Meßstrahl einen verhältnismäßig kleinen Winkel bilden. Als Folge davon können entsprechende optische Öffnungen in geringem Abstand voneinander angebracht werden.
Wie aus Fig. 10 ersichtlich, kann das Fernmeß-Spektrophotometer nach der Erfindung, wie in Fig. 3 dargestellt, durch Anbringen eines Abtastspiegels 76, der auf einem Zapfen drehbar im Punkt 78 montiert ist, in eine Abtastvorrichtung umgewandelt werden. Vorzugsweise wird der Abtastspiegel 76 im Rückstell- oder Sägezahnmuster angetrieben für eine Winkelabtastung der Oberfläche von Probe A. Wie gezeigt, wird der Beleuchtungsstrahl auf die Probe A reflektiert und der entstehende reflektierte Vergleichsstrahl verbleibt im Meßfeld. Ebenfalls kann eine Rasterabtastung erfolgen, entweder durch Hin- und Herbewegen des Spiegel 76 in zwei Richtungen oder mittels eines zweiten Spiegels in bekannter Weise.
Eine kommerzielle Anwendung des Abtast-Spektrophotometers von Fig. 10 ist in Fig. 11 dargestellt. Das Abtast-Spektrophotometer 10 ist hoch über dem durchlaufenden Bandmaterial angebracht und tastet dieses während der Schwenkbewegung des Abtastspiegel 76 (siehe Fig. 10) winkelmäßig ab. Vorzugsweise wird am Meßstand, in der Nähe des zu messenden Objekts, eine Standard-Eichkurve angebracht, die regelmäßig bei der Abtastbewegung des Abtast-Spektrophotometers 10 mit überstrichen wird. In der Praxis wird das Abtast-Spektrophotometer nach der Erfindung in einem festen Abstand vom zu messenden Objekt montiert. Die Beleuchtungs- und Meßoptiken werdem in einer mittleren Entfernung vom zu messenden Objekt eingestellt und eine Standard- Eichung wird in der Nähe des Meßobjekts angebracht. Dann wird das Abtast- Spektrophotometer entsprechend geeicht und kann anschließend zum Messen der Spektralreflektanz eines Meßojekts verwendet werden.
Es wurde auch vorgeschlagen, für das Abtast-Spektrophotometer Eichungen in drei verschiedenen Punkten, zum Beispiel links, rechts und in der Mitte, durchzuführen, um Farbabweichungen aufgrund unterschiedlicher Abtastwinkel auszugleichen. Selbstverständlich muß das Abtast-Spektrophotometer in regelmäßigen Abständen nachgeeicht werden, um die Meßgenauigkeit unverändert zu gewährleisten.
Es versteht sich von selbst, daß jede der hier beschriebenen und dargestellten Ausführungsformen im Rahmen des fachmännischen Könnens je nach Bedarf weiter variiert werden kann, und daß die einzelnen Elemente miteinander kombiniert werden können. Es können beispielsweise Projektionsoptiken durch eine oder mehrere der hier beschriebenen Linsen ersetzt werden, speziell für Abtasten im nicht sichtbaren Bereich.

Claims

1. Ein Spektrophotometer zur Fernablesung mit einer Breitband-Beleuchtungseinrichtung hoher Intensität zum Beleuchten eines Meßobjekts, einer Vergleichsstrahl-Einrichtung zum Erhalten eines Vergleichsstrahls und einer Vergleichsmeßeinrichtung zum Messen der Intensität des von der genannten Beleuchtungseinrichtung emittierten Lichtes in einer Vielzahl von Spektralbereichen, einer Reflexions-Meßeinrichtung zum Messen des reflektierten Lichtes, das vom Meßobjekt reflektiert wird, in einer Vielzahl von Spektralbereichen, einem Polychromator, einer mit dem Polychromator verbundenen Rechner- und Analysier-Einrichtung zum Normalisieren der Reflexionsmessungen und zum Analysieren des Vergleichsstrahls und des reflektierten Meßobjekt-Abbildes über einen Wellenlängenbereich, um die spektralen Charakteristika des beleuchteten Meßobjekts zu bestimmen, dadurch gekennzeichnet, daß dieses aufweist:

eine erste optische Einrichtung mit einem Kondensor-Linsenelement (48) zum Erfassen des Lichtes von der Beleuchtungsquelle (12) und Weiterleiten dieses Lichtes, einer Blendeneinrichtung (51) im optischen Weg des vom Kondensor-Linsenelement (48) weitergeleiteten Lichtes, einem Beleuchtungs-Linsenelement (50) zum gleichmäßigen Beleuchten eines Bezirkes eines entfernt angeordneten Meßobjekts (A) durch Projizieren eines Abbildes der Beleuchtung von der Blendeneinrichtung auf den genannten Bezirk des Meßobjekts;

eine zweite optische Einrichtung mit einem optischen Element (20) zum sequentiellen Ausrichten des Vergleichsstrahls und eines reflektierten Abbildes eines wesentlichen Bereichs des beleuchteten Meßobjektbezirks auf den Polychromator; die erste und die zweite optische Einrichtung sind entfernt vom Meßobjekt angeordnet, so daß der Winkel zwischen dem auf das Meßobjekt gerichteten Beleuchtungsstrahl und dem von dem Messobjekt reflektierten Strahl relativ klein ist, wobei der relativ große beleuchtete Meßobjektbezirk und der reflektierte Bildbezirk eine große Tiefenschärfe liefern; und einer bildfokussierenden optischen Einrichtung (30) im optischen Weg zwischen der genannten optischen Bildausrichtenden Einrichtung (20) und dem genannten Polychromator zum Fokussieren des Lichtes, das von der genannten zweiten optischen Einrichtung auf den Polychromator gerichtet ist.

2. Das Spektrophotometer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Vergleichsstrahl-Einrichtung (52, 128, Fig.3) im optischen Weg der genannten Beleuchtungseinrichtung zwischen der Blendeneinrichtung (51) und den Beleuchtungs-Linsenelement (50) angeordnet ist.

3. Das Spektrophotometer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die genannte Beleuchtungslinse die Beleuchtung in einem im wesentlichen gerichteten Strahl auf das entfernt angeordnete Meßobjekt leitet.

4. Das Spektrophotometer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Winkel zwischen dem auf das Meßobjekt gerichteten Strahl und dem von diesem reflektierten Strahl annähernd Null ist.

5. Das Spektrophotometer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Vergleichsstrahl-Einrichtung einen Strahlenteiler (52) aufweist, der im optischen Weg der Beleuchtungseinrichtung zwischen der Blendeneinrichtung und dem Beleuchtungs-Linsenelement angebracht ist.

6. Das Spektrophotometer nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß es weiterhin eine Ulbricht'sche Integrationskugel (54) enthält mit einer ersten Öffnung (56) zur Aufnahme des Strahls vom Strahlenteiler (52).

7. Das Spektrophotometer nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Integrationskugel (54) weiterhin eine zweite Eingangsöffnung (58) aufweist und eine dieser gegenüber liegende dritte Ausgangsöffnung (60) entlang einer Sehne durch die Kugel, so daß der optische Weg des vom Meßobjekt-Abbild reflektierten Strahls direkt durch die Integrationskugel verläuft.

8. Das Spektrophotometer nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die das Bild ausrichtende optische Einrichtung weiterhin einen Strahlenschalter (64) aufweist, der benachbart zur dritten Ausgangsöffnung der Integrationskugel angeordnet ist, wobei der Strahlenschalter (64) es erlaubt, den integrierten Vergleichsstrahl aus der Integrationskugel und den vom Meßobjekt-Abbild reflektierten Strahl mittels der optischen Fokussiereinrichtung nacheinander auf den Polychromator zu fokussieren.

9. Das Spektrophotometer nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß es weiterhin eine innerhalb der Integrationskugel angebrachte optische Überwachungs-Einrichtung aufweist zum ständigen Erfassen und Überwachen des integrierten Vergleichsstrahls in wenigstens einer Wellenlänge, während der Vergleichsstrahl und der vom Meßobjekt-Abbild reflektierte Strahl nacheinander auf den Polychromator gerichtet wer-den.

10. Das Spektrophotometer nach Anspruch 1, dadurch ge- kennzeichnet, daß es weiterhin eine Abtastvorrichung mit einem ebenen Abtastspiegel (76) aufweist zum aufeinanderfolgenden Ausrichten des Beleuchtungsabbildes vom Beleuchtungs-Linsenelement auf aufeinanderfolgende Bereiche des entfernt angeordneten Meßobjekts, wobei die Abtastvorrichtung das von dem entfernt angeordneten Meßobjekt reflektierte Bild aufnimmt und das reflektierte Bild der optischen Bildrichtungs-Einrichtung zuführt.

11. Das Spektrophotometer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Analysier-Einrichtung weiterhin einen Computer enthält.