DE2813908A1

DE2813908A1 - Verfahren und vorrichtung zur spektralphotometrischen farbbestimmung

Info

Publication number: DE2813908A1
Application number: DE19782813908
Authority: DE
Inventors: Peter Prof Lindblom
Original assignee: SPECTROSCANDIA AB
Current assignee: SPECTROSCANDIA AB
Priority date: 1977-04-04
Filing date: 1978-03-31
Publication date: 1978-10-12
Also published as: SE400121B; FI780847A; FR2386813A1; JPS5463786A

Description

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München, den 31, März 1978

Mappe A

Firma

Spectroscandia AB

21 660 Nagu, Pinnland

Verfahren und Vorrichtung zur spektral-photometrischen Parbb e s t immung

Priorität: 4. April 1977 / SCHWEDEN

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie eine Vorrichtung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 4.

Spektral-Photometer werden zur Messung von Farbabstufungen einer Parbvorlage unter Berücksichtigung des Farbauflösungsvermögens bzw. der Farbempfindlichkeit des menschlichen Auges verwendet. In einem derartigen Spektral-Photometer-System wird häufig eine ebene Farbvorlage von einer sogenannten Integralkugel beleuchtet. Eine derartige Kugel ist innen mit einer weißen, diffus reflektierenden Farbe beschichtet und wird von einer Lichtquelle beleuchtet, welche sämtliche im sich.tbaren Bereich liegende Wellenlängen des Spektrums aussendet. Das von der zu prüfenden Farbvorlage kommende Licht wird zum Spektral-Photometer gelenkt und dort gemessen. Gleichzeitig

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wird das von einer Bezugsvorlage abgegebene Licht gemessen, wobei die Bezugsvorlage eine bekannte Farbverteilung hat; gewöhnlich ist die BfzuKSvorlage weiß angestrichen. Die Intensitäten der unterschiedlichen, gleichmäßig innerhalb des zwischen 400 nm und 700 nm liegenden sichtbaren Bereiches verteilten Wellenlängenkomponenten werden dann gemessen. Die Meßpunkte haben gewöhnlich einen Wellenlängen-Abstand von 20 nra. Die Messungen der Lichtintensität der Prüfvorlage und der Bezugsvorlage werden für jeden Wellenlängenbereich bzw. jede Wellenlängenkomponente gleichzeitig durchgeführt. Sodann wird der Quotient der von der Prüfvorlage und der Bezugsvorlage erhaltenen Meßwerte für jeden Wellenlängenbereich gebildet. Diese Quotienten sind die sogenannten Remissions- bzw. Reflexionswerte, die Ausgangspunkt der Farbanalyse der Prüfvorlage sind.

Ein ähnliches Verfahren wird verwendet zur Bestimmung der Färbung von Flüssigkeiten. Hierbei wird das Licht durch eine die Prüfvorlage, d. h. die gefärbte Flüssigkeit enthaltende Phiole geführt. Die Intensität des von der Farbvorlage durchgelassenen Lichtes wird mit der Intensität eines korrespondierenden, durch eine Bezugsvorlage geführten Strahlenbündels verglichen;· es werden hierbei also Transmissionswerte in Korrelation zueinander gesetzt.

Um einen Vergleich der gemessenen Werte mit dem Farbwahrnehmungsvermögen des Auges herstellen zu können, wird gewöhnlich eine Rechenanlage an das Spektral-Photometer angeschlossen. Mit Hilfe derartiger Spektral-Photometer-Systeme ist es möglich, Farbabstufungen festzustellen, vorzugeben und/oder Farbmischungen zu korrigieren. Spektral-Photometer-Systeme der letztgenannten Art finden große Anwendung in der Färb-, Textil- und grafischen Industrie.

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Häufig werden bei derartigen Spektral-Photometer-Systemen sogenannte Interferenz-Filter zur Aussonderung bestimmter Wellenlängenbereiche verwendet. Bei derartigen Systemen ist es notwendig, für jede Intensitäts-Messung ein Paar identischer Interferenz-Filter in den bzw. aus dem von der Prüf- und der Bezugsvorlage kommenden Strahlengang zu führen. Gewöhnlich werden hierbei für den zwischen 400 nm und 700 mn liegenden Wellenlängenbereich 16 Interferenz-Filterpaare verwendet. Die Intensitäten der aus den beiden Strahlen ausgefilterten Wellenlängenanteile werden in getrennten Foto-Multipliern bzw. Sekundärelektronvervielfachern gemessen.

Die beschriebenen Spektral-Photometer-Systeme haben den offensichtlichen Nachteil, daß das auf mechanischem Wege durchgeführte Ein- und Herausführen der Interferenzfilter relativ zeitaufwendig ist. Jede Messung dauert dann etwa 30 Sekunden.

Außerdem ist es unmöglich, den einmal ausgewählten Wellenlängenbereich für die Farbbestimmung oder die Stufen der bzw. Abstände zwischen den Meßpunkten zu ändern, ohne das Spektral-Photometer umzubauen.

Schließlich hat das auf mechanischem Wege durchgeführte Auswechseln der Interferenz-Filter den weiteren Nachteil, daß sich diese abnutzen und daher in ihrer Leistung nachlassen.

Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, das eingangs genannte Verfahren und die eingangs genannte Vorrichtung weiterzuentwickeln, insbesondere derart, daß die oben genannten Nachteile behoben werden.

Hierzu sieht die Erfindung eine lichtempfindliche Bildröhre zur Messung der Intensitäten sowie zur Auswahl der zu messenden

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Wellenlängenbereiohe bzw. -komponenten vor. Insgesamt zeichnet sich die Erfindung durch folgende Merkmale aus: Beleuchten der Farbvorlage des zu prüfenden Gegenstandes und einer bekannten Bezugsvorlage mit derselben Lichtquelle, Führung der von der Prüfvorlage und der Bezugsvorlage jeweils ausgehenden Lichtbündel zu identischen spektrographisehen Einheiten,

Aufspalten (Dispergieren) der Lichtbündel-Strahlung in Wellenlängenbereiche bzw. -komponenten mit Hilfe von Beugungsgittern, Fokussieren der Wellenlängenbereiche in Form gleicher Spektralbandanteile auf die Foto-Kathode einer Bildröhre, welche von Magnetfeld erzeugenden Magnetspulen umgeben ist, Auswählen der Wellenlängenbereiche durch Steuerung der. magnetischen Felder,

Bewerten der Intensität der Wellenlängenbereiche und Vergleichen der Meßwerte der Prüfvorlage mit denen der Bezugsvorlage mit Hilfe einer an die Bildröhre angeschlossenen Rechenanlage,

Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens zeichnet sich aus durch:

eine Einrichtung zur gleichzeitigen Beleuchtung der Farbvorlage des zu prüfenden Gegenstandes und einer bekannten Bezugsvorlage mit der gleichen Lichtquelle sowie zur Abgabe eines von den beiden Vorlagen kommenden Strahlenbündels, eine Bildröhre sowie magnetische Spulen, welche in der Bildröhre magnetische Felder erzeugen,

Beugungsgitter zur Aufspaltung der Strahlen in Spektralbandanteile und Fokussierung der Spektralbandanteile auf die Foto-Kathode der Bildröhre,

eine Steuereinrichtung für die Magnetspulen, welche die jeweils benötigten Wellenlängenbereiche der Spektralbänder auswählt und

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eine an die Bildröhre angeschlossene Rechenanlage, welche die Intensitäten der Hpektralanteile bewertet und die Intensitätswerte der Prüfvorlai'.e mit denen der Bezugsvorlage vergleicht.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand der beigefügten schematischen Darstellungen näher erläutert.

In den Zeichnungen zeigen:

Fig. 1 eine Einzelheit des Ausführungsbeispieles, nämlich eine Bildröhre vom Bildzerlegertyp,

Fig. 2 eine andere Ausführungsform der in Fig. 1 dargestellten Einzelheit,

Fig. 3 ein vollständiges Ausführungsbeispiel und

Fig. 4 eine Einzelheit eines Ausführungsbeispiels, nämlich die von den Spektographen auf die Foto-Kathode· der Bildröhre fokussierten Spektralbänder.

Fig. 1 zeigt eine Bildröhre, deren Foto-Kathode 10 hinter ein Fenster 11 eingepaßt ist. Ferner ist ein mit seinem einen Ende dicht an der Foto-Kathode 10 angeordneter Metallzylinder 12 vorgesehen. Dieses in der Nähe der Foto-Kathode 10 vorgesehene Ende des Metallzylinders 12 wird von einem Metallgitter 13 überspannt. An dem dem Metallgitter 13 gegenüberliegenden Ende des Metallzylinders 12 ist eine Metallblende 14 mit mittig darin angeordneter Blendenöffnung 15 vorgesehen. Die Größe und Form der Blendenöffnung muß bestimmten, weiter unter erörterten Bedingungen genügen. Die Bildröhre ist weiterhin mit einem (Sekundär-) Elektronenvervielfacher 16 bekannter Bauart und einer Anode 17 bestückt. Sobald Licht bzw. ein Spektrum auf die Foto-Kathode 10 der Bildröhre projeziert wird, löst dieses Licht einen von der Fotb-Kathode 10 ausgehenden Foto-Elektronenstrom aus.

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Durch eine zwischen der Foto-Kathode 10 und dem Metallgitter

13 angelegte Spannung werden die Fotoelektronen beschleunigt und haben beim Durchgang durch das Metallgitter 13 alle die gleiche Geschwindigkeit. Im Metallzylinder 12 bewegen sich die Elektronen mit einheitlicher Geschwindigkeit zu der am anderen Ende des Metallzylinders 12 gelegenen Metallblende

14. Mit Hilfe der außerhalb der Bildröhre angeordneten Magnetspulen 18 kann ein annähernd homogenes, parallel zur Symmetrieachse der Bildröhre gerichtetes magnetisches Feld aufgebaut werden. Dieses magnetische Feld wird durch den dargestellten, in Richtung der Beschleunigungsspannung zwischen der Foto-Kathode 10 und dem Ketallgitter 13 weisenden Pfeil symbolisiert, Durch dieses Feld können die Elektronen auf die Blendenplatte

14 des Metallzylinders 12 fokussiert werden, wobei ein Bild des optischen Spektrums auf der Foto-Kathode 10 mit Hilfe der Elektronen erzeugt wird. Die Magnetspulen 18 umfassen in bekannter Weise auch Ablenkspulen zur Erzeugung von zueinander sowie zum fokussierenden Feld orthogonaler Ablenkfelder. Mit Hilfe dieser Ablenkfelder kann das Bild auf der Metallblende 14 derart geändert v/erden, daß Fotoelektronen eines vorgegebenen Abschnittes der Foto-Kathode 10 die Blendenöffnung 15 passieren. Ob die Fotoelektronen die Blendenöffnung 15 passieren oder nicht, hängt natürlich auch von der Gestalt und Größe der Blendenöffnung 15 selbst ab. Dieser Foto-Elektronenstrom wird in bekannter Weise von einem Elektronenvervielfacher 16 verstärkt. Der verstärkte Fotostrom gelangt dann zur Anode lter durch die Blendenöffnung 15 durchtretende und vom Elektronenvervielfacher 16 verstärkte Fotostrom ist proportional der Intensität des entsprechenden, auf die Foto-Kathode 10 auftreffenden Spektralanteiles und wird durch Steuerung der Ablankfeider ausgewählt.

Fig. 2 zeigt eine andere Ausgestaltung der Bildröhre. Diese Bildröhre stimmt mit der in Fig. 1 dargestellten bezüglich

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der Foto-Kathode 10, der Metallblende 14 einschließlich der Blendenöffnung 15, des Elektronenvervielfacher 16 sowie der Anode 17 überein. Abweichend von dem in Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiel weist das in Fig. 2 dargestellte Ausführungsbeispiel Spannung führende Ringelektroden 20 auf. Die Ringelektroden 20 ba/uen ein homogenes elektrostatisches Feld zwischen der Foto-Kathode 10 und der Metallblende 14 auf. Der von der Foto-Kathode 10 ausgehende Fotostrom wird aufgrund des elektrostatischen Feldes kontinuierlich beschleunigt und mit Hilfe des von den Magnetspulen 18 aufgebauten Magnetfeldes auf die Blendenplatte 14 fokussiert. Die Steuerung der Bildröhre mittels der Ablenkfelder ist die gleiche wie bei dem in Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiel.

In Fig. 3 sind die Bildröhre mit der Bezugszahl 30 und die Fokussier- und Ablenkspulen mit der Bezugszahl 31 versehen. Eine sogenannte Integralkugel 32 bekannter Bauart ist innen mit einer diffus reflektierenden, weißen Farbe bestrichen. Die Integralkugel 32 wird mittels einer Lichtquelle 33 beleuchtet. Die Lichtquelle 33 kann eine gewöhnliche Glühlampe oder eine Hochdruck-Lichtbogenlampe sein. In jedem Fall emittiert die Lichtquelle 33 sämtliche im sichtbaren Bereich liegenden Wellenlängen. In entsprechenden Öffnungen der Integralkugel 32 sind eine Prüfvorlage 34 und eine Bezugsvorlage 34a angeordnet. Die von diesen Vorlagen 34 und 34a ausgehenden Lichtbündel bzw. -strahlen 50, 51 werden auf Linsensysteme 36 und 37 gerichtet und in die Eintrittsspalte 38 und 39 zwei spektrographischer Einheiten fokussiert. Die die Eintrittsspalte 38 und 39 durchlaufenden Lichtbündel 50 und 51 werden von Konkavspiegeln 40 und 41 gebündelt, gegebenenfalls parallelisiert und auf konkave Beugungsgitter 42 und 43 gelenkt. Die beiden Konkavgitter 42 und 43 fokussieren dann die spektralzerlegte Strahlung auf die Foto-Kathode 44 der Bildröhre 30.

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Die in Pig. 3 dargestellte Rechenanlage 45 steuert eine Versorgungseinheit 46, fieren Ausgang an den Fokussier- und Ablenkspulen 31 liegt. Ferner steuert die Rechenanlage 45 einen elektronischen Verstärker 47, der d?n von der Anode der Bildröhre kommenden Anodenstrom programmgemäß steuert. Da sowohl die Richtung als auch die räumliche Lage der beiden auf die Foto-Kathode 44 auftreffenden Spektren bekannt sind, können mit Hilfe der Rechenanlage 45 jeweils diejenigen magnetischen Felder berechnet werden, die dazu benötigt werden, mit Hilfe der Bildröhre 30 Schritt für Schritt die von den beiden Vorlagen 34 und 34a ausgesandten Spektralbereiche von der Foto-Kathode 44 ablesen zu können.

In Fig. 3 sind ferner Phiolenhalterungen 48 und 49 dargestellt. Diese Phiolenhalterungen können Phiolen aufnehmen, in denen eine zu prüfende gefärbte Flüssigkeit und eine Bezugsflüssigkeit enthalten sind, wobei bei einer derartigen Meßanordnung jeweils die Transmissionen gemessen werden.

Mit Hilfe des erfindungsgemäßen Spektral-Photometer-Systems kann die Auswahl der zu messenden Wellenlängenbereiche sowie die Meßwertbewertung elektronisch von einer Rechenanlage durchgeführt werden, welche die Meßwerte auch analysiert. Ferner hat die Erfindung den Vorteil, daß die Messungen äußerst schnell und ohne mechanisch bewegte Teile durchgeführt werden können.

In Fig. 4 ist der Begrenzungskreis 60 der Oberfläche der Foto-Kathode 10 oder 44 dargestellt. Die Spektralbänder 61 und 62 zeigen, wie die von der Prüfvorlage 34 oder 48 und Bezugsvorlage 34a oder 49 jeweils ausgehenden Spektren auf die Foto-Kathode 10 oder 44 fokussiert werden. Bei der Bemessung der Blendenöffnung der Bildröhre (bei den in den Figuren 1 und 2 dargestellten Ausführungsbeispielen wäre dies die Blendenöff-

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nung 15) muß die Größe bzw. Höhenabraessung der beiden Spektralbänder berücksichtigt werden. Jede Blendenöffnung 15 ist vorzugsweise rechteckig, hat eine der Höhe des Spektralbandes entsprechende Höhenabmessung und eine Breite, die der jeweils gewünschten Breite des Wellenlängenbereiches bzw. -bandes, das jeweils gemessen werden soll, entspricht; gewöhnlich hat dieser Wellenlängenbereich eine Bandbreite von 5 bis 10 mn.

Die konkaven Beugungsgitter 42 und 43 sind so angeordnet, daß sie die Spektralbänder auf die Foto-Kathode 10 oder 44 der Bildröhre 30 unter derartigen Beugungswinkeln fokussieren, daß von der Foto-Kathode 10 oder 44 und/oder dem Fenster 11 auf die konkaven Beugungsgitter 42 und 43 reflektiertes Licht nicht wieder in die Bildröhre reflektiert wird.

Im Rahmen der Erfindung liegt es auch, anstelle einer Bildröhre vom Bildzerlegertyp andere Bildröhrenarten zu verwenden, gegebenenfalls auch eine Bildröhre vom Bildzerlegertyp mit einer anderen Bildröhre zu kombinieren. Auch können andere Anordnungen von Beugungsgittern zur Fokussierung der Spektralbänder 60 und 61 auf die Foto-Kathode 44 oder 10 der Bildröhre 30 verwendet werden.

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Leerseite

Claims

PATENTANSPRÜCHE

Verfahren zur Farbfcestimmung einer Vorlage, gekennzeichnet durch folgende Verfahrensschritte:

Beleuchten Führen

Fokussieren

Auswählen

der zu prüfenden Farbvorlage (34; 48) und einer bekannten Bezugsvorlage (34a; 49) mit derselben Lichtquelle (33),

des von jeder Vorlage (34, 34a; 48, 49) ausgeheis 4 en Lichtbündels (50, 51) zu identischen spejitrographischen Einheiten und Aufspalten der Lichtbündel (50, 51) mit Hilfe von Beugungsgittern in einzelne Wellenlängenkomponenten bzw. -bej'ejphe,

det¹ Wpllenlängenbereiche in Form untereinander gleicher Spektralbänder (61, 62) auf die Foto-Kathode (10; 44) einer Bildröhre (30), welche von Magnetfeld erzeugenden Magnetspulen (18; 31) uneben ist, und

der Wejlenlängenboreiche durch Steuerung der Magnetfelder,Bewerten der Intensität der Wellenlängenbereiche und Vergleichen der von den beiden

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Vorlagen (34, 34a; 48, 49) abgegebenen Intensitätswerte mit Hilfe einer an die Bildröhre (30) angeschlossenen Rechenanlage (45).
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Farbvorlage (*34) und die Bezugsvorlage (34a) in den Öffnungen einer im Innern von einer Lichtquelle (33) beleuchteten Integralkugel (32) angeordnet werden.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtbündel (50, 51) unter Verwendung von Konkavspiegeln (40, 41) gebündelt und auf konkave Beugungsgitter (42, 43)» welche die Spektralbänder (61, 62) auf die Fotokathode (10; 44) der Bildröhre fokussieren, gelenkt werden, wobei die konkaven Beugungsgitter (42, 43) so angeordnet werden , daß eine Rückreflexion des von der Fotokathode (10; 44) auf die Konkavgitter (42, 43) reflektierten Lichtes in die Bildröhre (30)verhindert wird.
4. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine Einrichtung zur gleichzeitigen Beleuchtung einer zu prüfenden Farbvorlage (34; 48) und einer bekannten Bezusrsvorlage (34a; 49) mit der gleichen Lichtquelle (33) und zur Abgabe von Lichtbündeln (50, 51) von den Vorlagen (34, '-54η; 48, 49),

eine Bildröhre (30) sowie Magnetspulen (18; 31) zur Erzeugung von magnetischen Feldern in der Bildröhre (30), Beugungsgitter zur Aufspaltung der Lichtbündel (50, 51) in Spektralbänder (61, 62) und Fokussierung der Spektralbänder (61, 62) auf die Fotokathode (10; 44) der Bildröhre (30), eine Einrichtung (46) zur Steuerung der Magnetspulen (18; 31) für die Auswahl de: ,-jeweils gewünschten Wellenlängenabschnitte aus den Spektralbändern (61, 62) und

eine an die Bildröhre angeschlossene Rechenanlage (45), welche die Intensität der Spektralkomponenten bewertet und die von

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den Prüf- (34; 48) und Bezugsvorlagen (34a; 49) erhaltenen Werte miteinander vergleicht.
5.■ Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Beleuchtungseinrichtung eine sogenannte Integralkugel (32) umfaßt, die in ihrer Oberfläche Öffnungen zur Aufnahme der Prüfvorlage (34) und der Bezugsvorlage (34a) sowie zur Aussendung der von den Vorlagen (34, 34a) abgegebenen Lichtbündel (50, 51) aufweist und im Innern von der Lichtquelle (33) beleuchtbar ist.
6. Vorrichtung nach Anspruch 4 oder 5_t dadurch gekennzeichnet, daß die Bildröhre (30) eine Bildzerlegerröhre ist.
7. Vorrichtung nach Anspruch 4 oder folgende, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden konkaven Spiegel (40, 41) so angeordnet sind, daß jeder einen der Lichtbündel (50, 52) auffängt und zu einem Beugungsgitter lenkt.
8. Vorrichtung nach Anspruch 7» dadurch gekennzeichnet;, daß die Beugungsgitter (42, 43) konkav sind.

9. Vorrichtung· nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die konkaven Gitter (42, 43) derart angeordnet und/oder ausgestaltet sind, daß sie die Spektralbänder (61, 62) unter solchen Beugungswinkeln auf die Fotokathode (10; 44) der Bildröhre (30) fokussieren, daß von der Fotokathode (10; 44) reflektiertes Licht nicht zur Bildröhre (30) rückreflektiert wird.

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