用於參考式測量反射的光的設備和校準這樣的設備的方法
2023-09-13 02:51:30 4
專利名稱：用於參考式測量反射的光的設備和校準這樣的設備的方法
技術領域：
本發明涉及一種用於測量在試樣上反射的光的設備，包括中空體，其具有用於照明試樣的光射出孔和在它的內部的擴散的散射層；用於照明該層的光源；沿第一檢測軸線對準的第一光接收器；沿第二檢測軸線對準的第二光接收器，以及涉及用於校準這樣的設備的方法。
背景技術：
在本發明的意義上術語「光」包括每ー種可用光學設備操作的電磁射線，亦即特別是紫外線、可見光和紅外線。這裡光接收器的檢測軸線例如說明它的視場的對稱軸線，其特別可以涉及光接收器的光學軸線。在幾何上它涉及在所涉及的光接收器內開始的一段空間
距離。每ー個光接收器例如可以是光波導或者光波導束的各自的一端，特別包括一個耦合光學器件。那時光波導例如通到光電子變換器，特別在光譜計內。該光譜計例如包括入射縫隙、角頻散元件例如光柵和光電子變換器以及可選控制単元。開頭提到的測量設備例如從DE 195 28 855 Al中得知，它的公開內容，特別是為確定輻射函數の和反射度函數P這裡儘可能參照。光源的在內部的上或內散射的光能夠通過光射出孔從中空體射出。在位於該光射出孔前的試樣上光至少部分向光射出孔反射(反饋散射和/或向那裡反射)，使得它重新進入中空體。設置第一光接收器用於檢測該向中空體內反射的光(測量光，其內編碼試樣的特徵)，設置第二光接收器用於檢測從中空體內部向擴散的散射層或在其內散射的光(參考光，其內編碼光源的特徵)。參考光的接收用於確定在反射和/或傳輸中測量的、光源的檢測光程和發射特徵的依賴波長的光學傳輸特性的不依賴暫時波動的輻射函數。這樣的測量設備首先在製造和/或在光學結果的質量控制中使用。這裡經常需要取決於光波波長測量光學特性例如反射特性和/或傳輸特性。為此的ー個例子是作為紅外濾波器作用的濾波器層的光學分析，該濾波器層應該保留熱輻射，然而儘可能不阻止可見光通過。這種濾波器層例如在車輛玻璃上敷設。另ー個例子是消除反射層，特別為消除寬帶反射，它在可見光的區域內應該具有儘可能小的反射。無論在該層的製造過程中還是層的光學特性的最終控制期間都需要測量它的光譜依賴性。為能夠與光源的檢測光程和發射特徵取決于波長的光學傳輸特性的長期變化無關地確定感興趣的試樣平面的在反射和/或傳輸中測量的輻射函數，需要通過在測量設備的檢測光程中測量一個參考標準校準該測量設備。通常至少使用一個所謂的白標準，其擴散地散射入射光，並且通常在所有要在試樣上測量的波長的情況下具有最大的反射度或者傳輸度。在已知的測量設備中為進行校準要麼在檢測光程內在試樣前或者到它的位置移動參考標準，或者把測量設備離開試樣向測量位置移動，例如像在DE 195 28 855 Al中那樣平行移動。在所有的情況下在定位被移動的物體時都通過相對移動而導致不準確性。由此參考標準不總是像試樣那樣離開光射出孔同樣的距離。參考標準對於光射出孔的傾斜度也能夠由此改變。然而距離或者定向的微小的波動會導致測量的光強度的大的差異，也就是說導致校準測量的大的測量誤差。校準中的大的誤差波及對於試樣的測量。此外通過相對移動會導致幹擾測量幾何學。例如當使光導運動時它的光學特性變化。此外參考標準在已知的測量設備中會被汙染。這點特別能夠通過被監視的製造過程，例如濺射法(英語為「sputtering」)產生。在已知的測量設備中環境溫度也能夠影響參考標準。校準的準確度由此能夠被極大地影響。此外當試樣必須在真空中加工和測量時參考標準的處理花費很大。
發明內容
本發明所要解決的技術問題在於，給出ー種本申請說明書開始時提到的類型的設備，其能夠以較高的準確度校準，以及用於這樣的設備的校準方法。上述技術問題通過具有如權利要求I或者10所述特徵的設備、和通過具有如權利
要求21或者22所述特徵的方法解決。本發明的有利的擴展設計在從屬權利要求中給出。根據本發明的第一方面規定，該設備可從測量位置向校準位置轉換，其中光射出孔在測量位置位於第一檢測軸線上(但是不在第二檢測軸線上)，在校準位置位於第二檢測軸線上(但是不在第一檢測軸線上)。在本發明的意義上，光射出孔位於給出的軸線上的陳述意味著，該軸線通過光射出孔延伸。這ー解釋也相應地適用於有夫「擴散的散射層位於軸線上」的描述內容。在測量位置如此設置光射出孔，使得它照明試樣，並且第一光接收器接收穿過光射出孔從試樣來的光。在校準位置如此設置光射出孔，使得代替試樣照明一個位於第二檢測軸線上的另選的測量位置。光接收器的定位和它的檢測軸線在轉換位置時也保持不變。由此在校準位置第二光接收器接收該另選的測量位置的光。也就是說用同一個測量設備能夠在兩個不同的測量位置進行測量，不必把該設備移動到另ー個位置。特別可以在該另選的測量位置設置參考標準並且也可以永久保留，而不必為測量參考標準(包括接收擴散的散射面的參考光)線性地移動該設備。前提僅是不幹擾試樣設置參考標準。由此能夠以比常規的測量設備更高的準確度校準設備。為在測量和校準時得到最大可能的準確度，在測量位置時的第一光接收器和光射出孔之間的距離可以與在校準位置時的第二光接收器和光射出孔之間的距離相同。相應有利的是那樣的實施方式，其中在中空體外如此設置用於參考標準的支架或者參考標準，使得參考標準位於第二檢測軸線上。由此能夠把參考標準和第二光接收器之間的距離調整到與試樣和第一光接收器之間的距離相同。該距離也可以在後來的校準過程中保持不變。這點對於參考標準對於第二光接收器的傾斜也適用。由此能夠以比常規的測量設備更高的準確度校準設備。每一個光接收器都可以在中空體內或者在中空體外設置。對於姆一個在外面設置的光接收器，中空體適宜地具有各自的檢測孔。中空體可以如此適宜地構造，使得在測量位置擴散的散射層的第一區域位於第二檢測軸線上，而在校準位置擴散的散射層的第二區域位於第一檢測軸線上。由此在兩個位置接收擴散的散射層的參考光-在測量位置藉助第二光接收器，在校準位置藉助第一光接收器。也就是說在從測量位置向校準位置更換時兩個光接收器交換它們的功能。在擴散的散射層的第一區域和第二區域具有相同的反射特性的假定下，能夠用很少的花費確定第一和第二光接收器的靈敏度的比例，並且在校準中應用。位置之間的可轉換性通過有效地改變光射出孔的位置實現。這例如用很小的花費如下實現，要麼a)把光射出孔從在第一檢測軸線上的位置向在第二檢測軸線上的位置或者反向移動，或者b)中空體在第二檢測軸線上具有一個參考光射出孔，其中試樣光射出孔和參考光射出孔至少可交替地關閉。在情況a)，中空體例如可以這樣操作，使得光射出孔可在第一位置和第二位置之間往復運動，在第一位置第一檢測軸線通過光射出孔延伸，第二檢測軸線通過擴散的散射層延伸；在第二位置第一檢測軸線通過擴散的散射層延伸，第二檢測軸線通過光射出孔延伸。特別中空體為提供該操作性能夠可動地特別是可轉動地被支承。另外的方案是，也可以是中空體的僅包括光射出孔的段可動，例如一個圍繞中空體的條，而中空體的其餘部分
固定。如果該設備具有ー個或者多個在中空體外部設置的光接收器，則該中空體為該每一個光接收器適宜地具有與可能的位置的數量相同數量的檢測孔。這裡優選相鄰的光接收器的各兩個檢測孔彼此相同。在情況b)，中空體具有兩個測量光射出孔，其中第一檢測軸線通過試樣光射出孔延伸，第二檢測軸線通過參考光射出孔延伸。為此目的，例如可以在中空體內或外設置遮光器，其可以在試樣光射出孔和參考光射出孔之間往復運動。另外的方案是兩個光射出孔可彼此獨立地關閉，例如各通過ー個光闌，特別通過可變光闌。適宜的是第一光接收器定向設置成用於在測量位置接收通過光射出孔進入中空體的光而在校準位置接收由層散射的光。適宜的是第二光接收器定向設置成用於在測量位置接收由層散射的光而在校準位置接收通過光射出孔進入中空體的光。優選第一光接收器以光學方式如此構造，使得它在測量位置僅接收通過光射出孔進入中空體的光。優選第二光接收器以光學方式如此構造，使得它在測量位置僅接收由內部層散射的光。為此可以在光接收器前例如各接入一個光闌和/或各一個透鏡光學器件。光接收器和檢測軸線不依賴於位置在空間固定的實施方式是特別有利的。由此避免由於不準確的定位和通過移動後的光波導的光學特性的改變引起的問題。一種實施方式使得能夠特別準確地校準，其中，第二檢測軸線在設備處於測量位置時與擴散的散射層在第二檢測軸線通過該散射層的交會點處的表面法線形成的夾角，與第一檢測軸線在設備處於校準位置時與擴散的散射層在第一檢測軸線通過該散射層的交會點處的表面法線形成的夾角相同。由此測量幾何學在測量參考標準時在很大程度上與在測量位置測量試樣的測量幾何學相同。特別可以在測量位置時第一檢測軸線(優選僅為擴散的反射試樣)與光射出孔的中心軸線相同或者(優選為部分對準的反射試樣)成8°的角。在一種特別的實施方式中設備另外可以轉換到一個參考位置，在該位置第一和第ニ檢測軸線通過擴散的散射層延伸。由此例如通過計算光接收器的信號值的商能夠確定第一光接收器和第二光接收器的相對靈敏度，即靈敏度之比。而且兩個光接收器在參考位置對準層的不同的位置。然而在層足夠均勻的情況下散射特性相同。擴散的散射層的ー個在測量位置時位於第二檢測軸線之上或者附近的部位尤其可在該參考位置時位於第一檢測軸線之上或者附近。在本發明的意義上「附近」意味著小於中空體的光射出孔的直徑的距離。在該特別有利的參考位置，可以用第一光接收器檢測擴散的散射層的ー個區域，從該區域在測量位置藉助第二光接收器接收參考光。這有利地用於，通過以高準確度接收(至少以近似方式)層的同一位置的光來確定第一光接收器和第二光接收器的相對靈敏度。在另ー種有利的實施方式中，設備包括ー個第三光接收器，其沿第三檢測軸線對準，其中該設備另外可轉換到一個輔助校準位置，在該輔助校準位置時，光射出孔位於第三檢測軸線上，特別如此設置一個用於附加參考標準的支架或者一個附加參考標準，使得該附加參考標準在中空體外位於第三檢測軸線上。光射出孔在輔助校準位置如此設置，使得它照明ー個第二可選的測量位置。為此目的，可以相應操作中空體。如果第三光接收器在中空體外設置，則中空體為該第三光接收器具有三個檢測孔，它們能夠部分地與其他的檢測孔(只要存在)重疊。第三光檢測器在第三位置可以用於測量輔助參考標準，它在第三檢測軸線上設置，並且特別可以在那裡永久保持。輔助參考標準例如可以涉及ー個具有50%
的反射度的灰色標準。根據輔助參考標準的ー個以這種方式確定的反射度函數，例如可以通過設備的控制單元檢驗，關閉光射出孔的保護窗ロ是否被顯著汙染。如果是，則控制単元可以輸出ー個光學的或者聲學的報警消息。優選為在所有位置之間轉換設備而可轉動地支承中空體，優選僅圍繞ー個轉動軸線。根據本發明的第二方面規定，包括光射出孔和光接收器的中空體為從測量位置向校準位置轉換設備而圍繞ー個與第一檢測軸線不同的軸線可轉動地被支承，其中，第一光接收器定向設置成用於在兩個位置接收通過光射出孔進入中空體內的光，第二光接收器定向設置成用於在兩個位置接收由層散射的光。也就是說用同一個測量設備能夠在兩個不同的測量位置進行測量，而不必把該設備移動到另ー個位置。特別可以在該另選的測量位置設置ー個參考標準，並且還永久地保持，而不必為測量該參考標準(包括接收擴散的散射面的參考光)線性地移動該設備。前提僅是不幹擾試樣地一次性地設置定位參考標準。由此能夠以比常規的測量設備更高的準確度校準設備。相應有利的是這樣的實施方式，其中在中空體外如此設置用於參考標準的支架或者參考標準，使得該參考標準在校準位置位於第一檢測軸線上。由此能夠調整參考標準和第一光接收器之間的距離與試樣和第一光接收器之間的距離相同。該距離也可以在後來的校準過程中保持相同。這點對於參考標準相對第二光接收器的傾斜也適用。下面說明的變型方案對於本發明的兩個方面都適用。中空體的運動通過ー個或者多個止擋被確定地限定是有利的。特別在本發明的第二方面的情況下由此能夠避免參考標準和中空體的相對定向的波動。在支架/參考標準和試樣之間設置屏蔽是有利的。由此保護參考標準不受試樣周圍環境的影響。由此參考標準能夠機械方面少受影響，這能夠長期獲得校準的準確性。優選在這樣的實施方式中屏蔽是圍繞支架/參考標準的外殼，其朝向中空體敞開。由此參考標準被特別保護。中空體的光射出孔在這樣的情況下用防護玻璃透光地關閉是適宜的。圍繞參考標準的外殼特別可以用密封特別保護不受外殼的周圍環境影響，這允許以小的花費特別在真空中使用測量設備，因為參考標準也能夠在對於試樣的處理和/或測量期間保持在其位置。對於僅屏蔽參考標準的另外可選的方案是，屏蔽相對於試樣屏蔽中空體、支架/參考標準和光接收器，並且在ー個光射出孔位於測量位置的區域內具有光透過孔，其內設置透光的防護玻璃。由此包括參考標準保護設備不受試樣的周圍環境影響。通過屏蔽是ー個包圍中空體、支架/參考標準和光接收器的公共的外殼，能夠實現特別可靠的保護。這種實施方式也特別能夠以小的花費在真空中使用，因為參考標準也能夠在對於試樣的處理和/或測量期間保持在其位置。有利的是中空體可以是烏布利希光度球(Ulbricht-Kugel)或者烏布利希光度管(Ulbricht-Roehre)，特別是具有多個平行錯開的分別由第一和第二光接收器組成的光接收器對。光度管在內部像光度球，除孔外在各方面都提供有擴散的散射層，然而與光度球不
同的是例如在整個末端區上除孔外具有平移不變的橫截面。對於這種管參見DE 10 2010041 749(A1)，它的公開內容儘可能包括在本申請內容中。優選兩個檢測軸線通過中空管延伸。由此在試樣和光射出孔之間的距離在測量位置可接近零，這使得能夠實現高的測量準確度。通過把設備轉換到校準位置，接著藉助第二光接收器接收通過光射出孔進入的光作為參考標準輻射函數，以及藉助第一光接收器接收由擴散的散射層散射的光作為光源輻射函數，和根據這兩個輻射函數確定參考標準反射度函數根據，本發明的第一方面的設備以其所有可能的實施方式能夠被校準。輻射函數可以藉助一個在光接收器後面接入的光譜計以取決于波長的方式確定。相應地可以以取決于波長的方式確定參考標準的反射度函數。在執行根據上述權利要求的校準方法後，可以之後把設備轉換到測量位置，接著藉助第一光接收器接收通過光射出孔進入的光作為試樣輻射函數，藉助第二光接收器接收由擴散層散射的光作為光源輻射函數，並且根據這兩個輻射函數和根據在校準方法中已經確定的參考標準反射度函數確定試樣反射度函數。不言而喻，校準方法也可以僅在一次或者多次測量後執行。適宜的方式是它在之前和之後執行。然後為確定試樣反射度函數例如使用一個在兩次校準之間內插的參考標準反射度函數。根據本發明的第一方面的對於在試樣上反射的光的測量在一般情況下包括下列步驟I.在第一檢測軸線上設置試樣，2.在第二檢測軸線上設置參考標準，3.在第一檢測軸線上在試樣前設置擴散的散射層，4.照明擴散的散射層用於產生擴散的光，5.把一部分產生的光引導到參考標準上，6.沿第二檢測軸線接收參考標準的光作為參考標準輻射函數，7.沿第一檢測軸線接收擴散的散射層的光作為對於參考標準輻射函數的光源輻射函數，8.從第一檢測軸線中去掉擴散的散射層， 9.在第二檢測軸線上在參考標準前設置擴散的散射層，
10.把產生的光的一部分引導到試樣上，11.沿第一檢測軸線接收試樣的光作為試樣輻射函數，和12.沿第二檢測軸線接收擴散的散射層的光作為對於試樣輻射函數的光源輻射函數。另外可選的方案是，僅在由步驟9/10/11/12組成的步驟組後才執行由步驟3/5/6/7組成的步驟組。步驟6和7的順序是任意的。特別是它們可以同時執行。這點對於步驟11和12也適用。不言而喻照明(步驟4)必須至少在接收步驟(5/6/7和10/11/12)期間保持。步驟1、2和3的順序是任意的，特別是它們可以同時執行。層的設置和去除可以通過平移和/或轉動層進行。層的各個不同的區域可以位於各檢測軸線上。上面的步驟例如可以由各自一個軟體模塊執行。另選的方案是可以執行多個或者所有步驟的一個軟體模塊。作為使用上述設備的測量的結果，應該確定ー個試樣反射度函數。這通過下面的步驟實現-根據參考標準輻射函數和根據對於參考標準輻射函數的光源輻射函數確定參考標準反射度函數，-根據試樣輻射函數和根據對於試樣輻射函數的光源輻射函數確定試樣反射度函數。這些步驟例如也可以由各自一個軟體模塊執行。另選的方案是可以執行多個或者所有步驟的一個軟體模塊。在確定試樣反射度函數之前，以適宜的方式使參考標準反射度函數藉助第一和第ニ光接收器的相對靈敏度適應不同的靈敏度根據參考標準輻射函數和根據對於參考標準輻射函數的光源輻射函數確定參考標準反射度函數可以在接收參考標準輻射函數和對於參考標準輻射函數的光源輻射函數(上面的步驟6/7)之後任何時間執行，不必在即將確定試樣反射度函數前才執行。優選參考標準的光和試樣的光通過其內設置有擴散的散射層的中空體的光射出孔接收。在本發明的所有方面，兩個或者三個檢測軸線優選所有檢測軸線都位於同一個空間平面內。本發明還包括電腦程式和控制單元，它們為執行這樣的校準或者測量方法建立，特別通過上述軟體模塊。還包括具有這樣的控制單元的設備。本發明特別適合在大面積試樣的連續的製造處理期間(英語「in line」)或者在連續測試時進行重複的測量，該試樣連續從本發明設備旁邊經過。除測量在試樣上反射的光外，本發明的設備可交替地或者同時用於測量穿透試樣傳輸的光。為此需要在試樣的與光射出孔對面側設置至少ー個光接收器。在本發明的兩個方面可以僅在測量位置時測量穿透試樣傳輸的光。
下面根據實施例詳細說明本發明。
附圖中，圖IA至圖IB表示在測量位置和在校準位置的第一測量設備，圖2A至圖2C表示在測量位置和在校準位置的第二測量設備，圖3表示對於第二測量設備的一種測量和校準方法的流程圖，圖4表不在第三位置的第三測量設備。在所有附圖中，一致的部分具有相同的附圖標記。
具體實施例方式圖IA至圖IB表示根據本發明的第二方面的一個示範的測量設備I的橫剖面，其可在測量位置和校準位置之間轉換。在分圖IA中設備I位於測量位置，在分圖IB中位於校準位置。設備I是生產監視設備的一部分，在該生產監視設備內，試樣X，例如塗層的平板玻璃從設備I旁傳輸經過。設備I包括外殼2，其內包圍ー個形式為烏布利希光度球的中空體3、分別構造為各光波導內的稱合部位的第一光接收器4和第二光接收器5、光源6、參考標準7、兩個光學遮光器8和光譜計9。外殼2具有帶透光防護玻璃11的透光孔10。在光譜計9內例如設置入射縫隙12、成像的衍射光柵13和例如矽制的光電子式檢測器14。參考標準在支架24
上設置。中空體3在其內側提供擴散的散射層15，例如硫化鋇制的白色塗層，並且例如具有三個孔在光進入孔16處例如連接ー個具有用於照明層15的光源6的密封套筒。從光源6輸出的光在層15上擴散反射，使得光在中空體3內在所有的空間方向上擴展，由此層15上的擴散反射多次重複。這種散射的光的一部分可以通過光射出孔17離開中空體3。取決於設備I的位置，然後它要麼到達試樣X(測量位置)，要麼到達參考標準7 (校準位置)。從那裡它至少部分地通過光射出孔17向中空體3內反射，在那裡它由第一光接收器4接收。光接收器4對準光射出孔17，並且只接收通過光射出孔17進入中空體內的光的一部分。為此目的，在第一光接收器4前接入一個聚光光學器件。在層15上散射的光的另一部分由第二光接收器5接收，在其前面例如接入一個管形的光闌，它通過檢測器孔18導入中空體3內。所述管形光闌的外側例如同樣以擴散散射方式塗層，就像中空體3的內側。兩個光接收器4、5都設計成帶有稱合光學器件20的光波導19的末端。光波導19通過可關閉的遮光器8繼續向光譜計9傳導。取決於遮光器8的調整，光譜計9要麼檢測由第一光接收器4接收的、通過光射出孔17進入中空體內的測量光；要麼檢測由第二光接收器5從層15接收的參考光,該參考光代表瞬時的光源福射並且用於補償光源6的亮度波動。在光譜計9中通過縫12入射的光通過光柵13以空間光譜的方式分開並且被引導到檢測器14上，在那裡能夠以光譜分辨方式被檢測。檢測器14與控制單元21連接，後者除採集測量值外還用於控制遮光器8、光源6以及藉助驅動器22對設備I的位置進行控制。驅動器22如此構造，使得光度球3能夠圍繞它的中心軸線轉動，例如圍繞垂直進入附圖平面的中心軸線。在這樣轉動時光接收器4、5隨同中空體3 —起轉動，因為它們在圖示情況下與中空體3剛性連接。從測量位置向校準位置的轉換現在通過中空體3藉助驅動器22的轉動如此進行，使得光射出孔17和通過光射出孔17延伸的第一檢測軸線A不再對準試樣X，而對準參考標準7。第二檢測軸線B在該運動時也一同轉動。由此在該例中第ニ光接收器5與設備I的位置無關始終接收擴散的散射層15的同一部位的參考光。從校準位置時的第一光接收器4輸出的信號由控制單元21數位化並且作為參考標準輻射函數存儲。從校準位置時的第二光接收器5輸出的信號由控制單元21數位化並且作為參考光源輻射函數存儲。根據這兩個輻射函數，控制單元21例如根據DE 195 28 855Al確定參考標準反射度函數。為測量試樣特性控制單元21藉助驅動器22把設備I轉換到測量位置。於是第一檢測軸線A通過試樣X。由測量位置時的第一光接收器4輸出的信號由控制單元21數位化並且作為目前測量位置的試樣輻射函數存儲。由測量位置時的第二光接收器5輸出的信號由控制單元21數位化並且作為對試樣輻射函數的光源輻射函數存儲。根據這兩個輻射函數並根據參考標準反射度函數，控制單元21例如根據DE 195 28 855 Al確定用於目前測量位置的試樣反射度函數。通過分析試樣反射度函數，控制單元例如監視試樣特性的ー個值，並且與額定值或者額定區間比較。如果控制單元確定有偏差，則它例如記錄該偏差和/或輸出ー個光學的和/或聲學的報警信號。外殼2例如具有圓筒形的壁段23，其例如可以按照DE 195 28 855 Al構造為光導裝置。但是也可以不要壁段23。在可能的另選的實施方式(未圖示)中，光接收器4、5獨立於中空體3可轉動地被支承，此時，光接收器4、5的轉動軸線與中空體3的轉動軸線Q相同。所示實施方式具有缺點測量可能通過在轉換位置時光波導19的運動而影響。圖2A至圖2C在橫剖面圖中表示根據本發明的第一方面的測量設備I。它沒有該缺點。分圖2A表示位於測量位置的設備1，分圖2B表示位於校準位置，分圖2C表示位於參考位置。設備I例如是生產監視設備的一部分，在該生產監視設備內，試樣X，例如塗層的平板玻璃從設備I 一旁被傳送經過。設備I包括ー個形式為光度球的中空體3、分別構造為各光波導內的稱合部位的第一光接收器4、第二光接收器5、光源6和參考標準7。圍繞光源6設置ー個側面的屏蔽28，其直接阻止從光源6向光接收器4和5傳播光。中空體3具有光射出孔17，用於用散射的光照明試樣X,光射出孔17通過透光的防護玻璃11關閉。參考標準由自己的外殼25包圍，該外殼朝向中空體3敞開。在其與中空體3的邊界處設置密封26，以便保護參考標準不受試樣X的周圍環境的作用。中空體3在其內側提供擴散的散射層15，例如硫化鋇制的白色塗層。從光源6輸出的光在該層15上擴散反射，使得光在中空體3內在所有的空間方向上擴展，由此擴散反射在層15上多次重複。這種散射光的一部分能夠通過光射出孔17離開中空體3。取決於設備I的位置，然後它要麼到達試樣X(測量位置)，要麼到達參考標準7 (校準位置)。然後從那裡它至少部分地通過光射出孔17向中空體3內反射。設備I可以在測量位置和校準位置之間轉換。此外中空體3例如能夠藉助驅動器如在圖IA至圖IB中那樣圍繞它的一條中心軸線例如圍繞垂直進入附圖平面的中心軸線轉動。在這樣的轉動時，光接收器4、5不隨同中空體3 —起轉動，因為它們彼此以固定的距離用空間固定的檢測軸線A或者B空間固定地定位和空間固定地取向，所述檢測軸線A或者B例如與試樣法線(第一光接收器)或者參考標準法線(第二光接收器)形成8°的夾角。檢測軸線A和B在所述位置轉換時也保持恆定不變。通過空間固定地設置光接收器4、5，試樣和第一光接收器之間以及參考標準和第二光接收器之間的距離不僅獨立於設備I的位置恆定，而且例如相同。在測量位置通過光射出孔17反射的光由第一光接收器4接收。光接收器4沿第ー檢測方向A對準光射出孔17，並且僅接收通過光射出孔17進入中空體3內的光的一部分。另一部分在層15上散射的光由沿第二檢測方向的第二光接收器接收。兩個光接收器的檢測軸線A、B通過各檢測孔18穿過中空體3。與圖IA至圖IB相同，光接收器4、5可切換地與光譜計(未圖示)連接。第一光接收器4用於接收通過光射出孔17的測量光，從該測量光確定試樣的當前或瞬時測量位置的試樣輻射函數。第二光接收器5用於接收擴散的參考光，從該參考光確定對於試樣福射函數的光源福射函數。從測量位置向校準位置的轉換通過轉動中空體3如此進行，使得光射出孔17不再
位於第一檢測軸線A上，而位於第二檢測軸線B上。那時第一光接收器4不再對準試樣X，而對準擴散的散射層15。那時第二光接收器5不再對準擴散的散射層15，而對準參考標準7。現在第二光接收器5用於接收通過光射出孔17的測量光，從該測量光確定參考標準輻射函數。相反第一光接收器5現在用於接收擴散的參考光,從該參考光確定對於參考標準輻射函數的光源輻射函數。為能夠以公知的方式使用參考標準反射度函數計算試樣反射度函數，必須根據從光接收器4、5直到光譜計9的兩個檢測通道的相對靈敏度對所述參考標準反射度函數進行調節，例如通過乘以相對靈敏度。這裡相對靈敏度可以依賴于波長。相對靈敏度例如可以通過把設備I從測量位置向參考位置轉換來確定。這例如通過把中空體3圍繞相同的轉動軸線Q轉動和在測量位置和校準位置之間轉換時相同的角度實現，然而以相反的轉動方向。由此第一光接收器4對準擴散的散射層15的部位與第二檢測器15在測量位置時對準的部位相同。由此現在能夠接收用於調準輻射函數的測量光，該調準輻射函數與在測量位置時的光源輻射函數(或者另外可選與在參考位置時用第二光接收器5接收的光源輻射函數)之比例說明檢測通道的相對靈敏度。為補償在用第一光接收器4接收測量光期間光源6的亮度波動，可以以公知的方式用第二光接收器5接收參考光。作為測算相對靈敏度的替代手段，也可將所述參考標準7或一個同樣的參考標準7替換試樣X地放置在試樣X所在位置上，並在設備I處於測量位置時用第一光接收器接收測量光而求出輻射函數，然後求出該輻射函數與藉助第二光接收器測出的輻射函數的比例。為補償光源6在用第一光接收器4接收測量光期間的亮度波動，可以以公知的方式用第二光接收器5接收參考光並且反之亦然。為測量試樣特性，控制單元21藉助驅動器(未圖示)把設備I轉換到測量位置。由測量位置時的第一光接收器4輸出的信號由控制單元21數位化，並且作為瞬時測量位置的試樣輻射函數存儲。由測量位置時的第二光接收器5輸出的信號由控制單元21數位化，並且作為對於試樣輻射函數的光源輻射函數存儲。根據這兩個輻射函數和根據調節匹配的參考標準反射度函數，控制單元21例如按照DE 195 28 855確定關於目前或瞬時測量位置的試樣反射度函數。
通過分析試樣反射度函數，控制單元例如能夠監視試樣特性的一個值，並且與額定值或者額定區間比較。如果控制單元確定有偏差，則它例如記錄該偏差和/或輸出ー個光學的和/或聲學的報警信號。所示設備I可以如圖IA至圖IB所示在ー個公共的外殼2內設置並且通過光波導19與光譜計22連接。圖3表示在按照圖2A至圖2C的設備的情況下校準和測量的方法的流程圖。圖4表示ー個類似圖2A至圖2C的設備1，其另外可以轉換到一個輔助校準位置。在該圖中設備I位於該輔助校準位置。所示設備I超出於按照圖2A至圖2C的設備地還在第三檢測孔18處具有第三光接收器，後者沿第三檢測軸線C對準，並例如通過第三光學遮光器可切換地與光譜計連接。在該輔助校準位置時，光射出孔17位於第三檢測軸線C上。在該第三檢測軸線C上在中空體3外設置另ー個參考標準29，它例如具有50%的中間的反射度。該附加參考標準29例如在自己的帶有密封26的外殼25內設置，該外殼包括ー個支
架(未圖示)。藉助第三光接收器27可以接收附加參考標準29的測量光，用於確定附加的參考標準反射度函數。在同一輔助校準位置時，可以藉助第一光接收器4和藉助第二光接收器5接收層15的參考光，用以確定檢測通道的相對靈敏度。代替用於所有檢測通道的公共的光譜計，也可以所有的或者至少ー個檢測通道具有単獨的光譜計。在此情況下可相應確定用於調節匹配各輻射函數的相對靈敏度。附圖標記列表I測量設備2 外殼3中空體4第一光接收器5第二光接收器6 光源7參考標準8遮光器9光譜計10透光孔11防護玻璃12入射縫隙13 光柵14檢測器15擴散的散射層16光進入孔17光射出孔18檢測器孔19光波導20耦合光學器件21控制單元
22驅動器23 壁段24 支架25 外殼26 密封27第三光接收器28 屏蔽29附加參考標準X 試樣A第一檢測軸線B第二檢測軸線C第三檢測軸線Q轉動軸線
權利要求
1.一種用於測量在試樣OO上反射的光的設備(1)，包括 -中空體(3)，它具有用於照明試樣(X)的光射出孔(17)和在其內部的擴散的散射層(15)； -光源(6)，用於照明所述散射層(15)； -第一光接收器(4)，其沿第一檢測軸線(A)對準；和 -第二光接收器(5)，其沿第二檢測軸線(B)對準， 其特徵在於，設備(I)可從測量位置向校準位置轉換，其中光射出孔(17)在測量位置位於第一檢測軸線(A)上，在校準位置位於第二檢測軸線(B)上。
2.根據權利要求I所述的設備(I)，其中，第一光接收器(4)定向設置成用於接收 -在測量位置通過光射出孔(17)進入中空體(3)內的光；和 -在校準位置由層(15)散射的光。
3.根據權利要求I或2所述的設備(I)，其中，第二光接收器(5)定向設置成用於接收 -在測量位置由層(15)散射的光；和 -在校準位置通過光射出孔(17)進入中空體(3)內的光。
4.根據上述權利要求之一所述的設備(I)，其中，光接收器(4、5)和檢測軸線(A、B)不依賴所述位置地在空間固定。
5.根據上述權利要求之一所述的設備(1)，其中，第二檢測軸線(B)在設備的測量位置時與擴散的散射層(15)在第二檢測軸線(B)通過該散射層(15)的交會點處的表面法線形成的角，與第一檢測軸線(A)在設備的校準位置時與擴散的散射層(15)在第一檢測軸線(A)通過該散射層(15)的交會點處的表面法線形成的角相同。
6.根據上述權利要求之一所述的設備(I)，其中，在中空體(3)外如此設置用於參考標準(7)的支架(24)或參考標準(7)，使得該參考標準(7)位於第二檢測軸線⑶上。
7.根據上述權利要求之一所述的設備(1)，其中，設備(I)另外可轉換到一個參考位置，在該位置時，第一和第二檢測軸線(A、B)通過擴散的散射層(15)延伸，特別是所述擴散的散射層(15)的一個在測量位置位於第二檢測軸線(B)之上或者附近的部位位於第一檢測軸線(A)之上或者附近。
8.根據上述權利要求之一所述的設備(I)，包括第三光接收器(27)，其沿空間固定的第三檢測軸線(C)對準，其中設備(I)另外可轉換到一個輔助校準位置，在該位置光射出孔(17)位於第三檢測軸線(C)上，特別如此設置一個用於附加參考標準(29)的支架(24)或者一個附加參考標準(29)，使得該附加參考標準(29)在中空體(3)外位於第三檢測軸線(C)上。
9.根據上述權利要求之一所述的設備(I)，其中，中空體(3)為在所述位置之間轉換可轉動地被支承，優選僅圍繞一個轉動軸線(Q)。
10.一種用於測量在試樣(X)上反射的光的設備(1)，包括 -中空體(3)，它具有用於照明試樣(X)的光射出孔(17)和在其內部的擴散的散射層(15)； -光源(6)，用於照明層(15)； -第一光接收器(4)，其沿第一檢測軸線(A)對準；和-第二光接收器(5)，其沿第二檢測軸線(B)對準， 其特徵在於，所述包括光射出孔(17)的中空體(3)和所述光接收器(4、5)為使設備(I)從測量位置向校準位置轉換而圍繞一個與第一檢測軸線(A)不同的軸線(Q)可轉動地被支承，其中，第一光接收器(4)定向設置成用於在所述兩個位置接收通過光射出孔(17)進入中空體(3)內的光，第二光接收器(5)定向設置成用於在所述兩個位置接收由層(15)散射的光。
11.根據上述權利要求所述的設備(I)，其中，在中空體(3)外如此設置用於參考標準(7)的支架(24)或者參考標準(7)，使得該參考標準(7)在校準位置時位於第一檢測軸線(A)上。
12.根據上述權利要求之一所述的設備(I)，其中，在支架/參考標準(24/7)和試樣(X)之間設置屏蔽。
13.根據權利要求12所述的設備(I)，其中，所述屏蔽是圍繞支架/參考標準(24/7)的外殼(25),其朝向中空體(3)敞開,特別具有相對於外殼(25)外面的密封(26)。
14.根據權利要求12所述的設備(I)，其中，所述屏蔽相對於試樣(X)屏蔽中空體(3)、支架/參考標準(24/7)和光接收器(4、5)，並且在光射出孔(17)在測量位置時所處的區域內具有透光孔(10)，在該透光孔(10)內設置透光的防護玻璃(11)。
15.根據上述權利要求所述的方法，其中，屏蔽是一個包圍中空體(3)、支架/參考標準(24/7)和光接收器(4、5)的公共的外殼(2)。
16.根據上述權利要求之一所述的設備(I)，其中，所述支架(24)如此設置，使得在校準位置時參考標準(7)和光射出孔(17)之間的距離與在測量位置時試樣(X)和光透過孔(10)之間的距離相同。
17.根據上述權利要求之一所述的設備(I)，其中，兩個檢測軸線(A、B)通過中空體(3)延伸。
18.根據上述權利要求之一所述的設備(I)，其中，在測量位置時第一檢測軸線(A)與光射出孔(17)的中心軸線相同或者成8°的角。
19.根據上述權利要求之一所述的設備(I)，其中，第二檢測軸線(B)在設備的測量位置時與擴散的散射層(15)在第二檢測軸線通過該散射層的交會點處的表面法線形成的角，與第一檢測軸線(A)在校準位置時與擴散的散射層(15)在第一檢測軸線(A)通過該散射層(15)的交會點處的表面法線形成的角相同。
20.根據上述權利要求之一所述的設備(I)，其中，中空體(3)是烏布利希光度球或者烏布利希光度管，特別具有多個平行錯開的分別由第一和第二光接收器(4、5)組成的光接收器對。
21.一種用於校準根據權利要求I到6或者9到17之一所述的設備(I)的方法，其中，把設備(I)轉換到校準位置，接著藉助第二光接收器(5)接收通過光射出孔(17)進入的光作為參考標準輻射函數，並且藉助第一光接收器(4)接收由擴散的散射層(15)散射的光作為光源輻射函數，和根據這兩個輻射函數確定參考標準反射度函數。
22.一種用於測量在試樣(X)上反射的光的方法，其中，執行根據上述權利要求所述的校準方法，其後把設備(I)轉換到測量位置，接著藉助第一光接收器(4)接收通過光射出孔(17)進入的光作為試樣輻射函數，並且藉助第二光接收器(5)接收由擴散層(15)散射的光作為光源輻射函數，和根據這兩個輻射函數和根據在校準方法中已經確定的參考標準反射度函數確定試樣反射度函數。
23.一種用於測量在試樣(X)上反射的光的方法，其中執行下列步驟 -在第一檢測軸線(A)上設置試樣(X)， -在第二檢測軸線(B)上設置參考標準(7)， -在第一檢測軸線(A)上在試樣(X)前設置擴散的散射層(15)， -照明擴散的散射層(15)用於產生擴散的光， -把一部分產生的光引導到參考標準(7)上， -沿第二檢測軸線(B)接收參考標準(7)的光作為參考標準輻射函數， -沿第一檢測軸線接收擴散的散射層(15)的光作為對於參考標準輻射函數的光源輻射函數， -從第一檢測軸線(A)中去掉擴散的散射層(15)， -在第二檢測軸線(B)上在參考標準(7)前設置擴散的散射層(15)， -把產生的光的一部分引導到試樣(X)上， -沿第一檢測軸線(A)接收試樣(X)的光作為試樣輻射函數，和-沿第二檢測軸線(B)接收擴散的散射層(15)的光作為對於試樣輻射函數的光源輻射函數。
24.根據上述權利要求之一所述的方法，包括下列步驟 -根據參考標準輻射函數和根據對於參考標準輻射函數的光源輻射函數確定參考標準反射度函數， -根據試樣輻射函數和根據對於試樣輻射函數的光源輻射函數確定試樣反射度函數。
25.根據上述權利要求之一所述的方法，其中，參考標準(7)的光和試樣(X)的光通過其內設置有擴散的散射層(15)的中空體(3)的光射出孔(17)接收。
26.電腦程式或者控制單元(21)，設計或構造用於執行根據上述方法權利要求之一的方法。
27.根據權利要求I到20之一所述的設備(I)，具有根據權利要求26所述的控制單元(21)。
全文摘要
本發明涉及一種用於參考式測量反射的光的設備和方法以及一種校準這樣的設備的方法，其中，為了能夠實現較為準確的校準，按照本發明，設備(1)能夠從測量位置轉換到校準位置，其中光射出孔(17)在測量位置位於第一檢測軸線(A)上，在校準位置位於第二檢測軸線(B)上。另外的可選方案是，包括光射出孔(17)和光接收器(4、5)的中空體(3)為把設備(1)從測量位置轉換到校準位置而圍繞一個與第一檢測軸線(A)不同的軸線(Q)可轉動地被支承，其中，第一光接收器(4)定向設置用於在兩個位置接收通過光射出孔(17)進入中空體(3)內的光，第二光接收器(5)定向設置用於在兩個位置接收由層(15)散射的光。
文檔編號G01N21/55GK102854168SQ20121029487
公開日2013年1月2日 申請日期2012年6月11日 優先權日2011年6月9日
發明者J·馬格拉夫, P·拉姆帕特 申請人:卡爾蔡司微成像有限責任公司