专利名称：改良的实时测角分光光度计的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种一次或二次光源的测角分光光度计、测角分光辐射度计、测角光度计或测角辐射度测量的使用，包括颜色测量、散射测量、多角光散射(MALS)和光束成型领域。
背景技术：
测角分光光度计用于特征化光谱作为光源(例如LED)角度的函数，也用于涂敷或喷印有颜料或墨水中测角明显(gonioapparent)或珍珠光颜料的材料。传统商业上可获得的系统通过使用连接至光谱分光计的光纤并把光纤在光源或样品周围移动，或通过使用定位在一系列固定角度的一系列分光计而获得测角光谱。对在光源周围的单一方位角上多个天顶角的测量时间典型地在1-20分钟的范围内。
传统实际使用探测系统(例如光纤连接的摄谱仪)在光源周围机械的扫描。图1说明了传统测角分光光度计100的示意曲线。例如，测角分光光度计100的探测器系统103可以是连接至光谱分光计的光纤光缆，以提供与光源101相关的光谱数据。同样地，探测器系统103在光源101的光辐射的接收中是高度定向的，因此能够配置成沿光源101的单一方位角的以大体单一天顶角接受光。在探测器系统103和光源101之间的距离典型地在“近场”区域内，但也可以是在“远场”区域。此“远场”区域以距光源101的距离足够远为特征，从而光源101能够被看作点源。在两个区域之间的拇指边界(thumb boundary)的通常使用的规则是“五倍规则(Five-TimesRule)”，其中探测器系统103放置在距光源101的一个距离上以至于这个距离是光源101的横向范围的至少五倍。
在操作中，探测器系统103在光源101周围扫描并停止在一系列预定天顶角的每一个位置上以用光谱计测量光谱。因此，可以获得对光源101周围的单一方位角作为角度的位置函数的光谱扫描。在一些实施例中，探测器系统103能够沿在以光源101的中心为球心的球上的大圆上旋转。探测器系统103也能够定向从而以起源于球的中心的小的立体角内收集光。
图2说明一个实例，其中光源101由光束105所照射。光束107是照射光束105从光源101处的一个反射。如图2所示，光源101可以是沉淀在基体或基底109上的材料。在一些测试情况下，光束105的散射在探测器系统103中测量。在一些测试情况下，来自光源101的光是在照射光束105被激发之后发光的结果。
然而，在每个角度位置进行光谱扫描花费大量的时间进行。因此，如图1和2所示的那些系统可能是非常慢的。如上述，在各个方位角的光谱扫描可能花费大约20分钟。因此，那个扫描的角度分布能够涉及几百至几千分钟(依赖于角的数量)去进行。
图3说明了在某种程度上减少了扫描时间的测角分光光度计300。如图3所示，测角分光光度计300包括多个探测器系统301-1至301-N。探测器系统301-1至301-N被固定在光源101周围的特别角度上，从而每一个都在特定的天顶角θ1至θN上接受来自光源101的光。如上述，探测器系统301-1至301-N的每一个都可以包括一个定位成与光源101成方位角θ1至θN上接收光的光纤。探测器系统301-1至301-N的每一个可以包括在天顶角θ1至θN相应的一个上提供光谱的分光计。
图4说明了被用于把由光束105照射的光源101特征化的测角分光光度计300。可能在基底109上的光源101反射、发光或是发射响应照射光束105的光。照射光束105被光源101反射成反射光束107。
虽然图3和4所示的测角分光光度计300的实施例减少了需要提供给光源101的光谱扫描时间，但是它们很昂贵，因为探测器系统301-1至301-N的每一个都是独立的探测器系统，所述独立的探测器系统需要独立的分光计。另外，测角分光光度计300需要校准多个探测器系统301-1至301-N。而且，由于用于固定其它探测器系统301-1至301-N就位的固定物的机械障碍，测量连续的角频谱可能有困难。
因此，对于需要测角光谱分光的分析的应用，需要从材料样本或光源经济而快速地获得光的色谱的角度相关性的方法。
发明内容
根据本发明，测角分光光度计包括抛物线的反射镜，所述抛物线的反射镜允许在抛物线焦点的光源的角间距的光转换成直线间距。然后单一的衍射元件和表面照相机能够同时用于测量光源的角光谱。
根据本发明的一些实施例获得角光谱的方法包括从光源抛物线地反射光以提供光束，所述光束包括与光源成特定方位角的一个天顶角范围的光，光谱地分散光束的光；捕捉相应光束的测角光谱，所述测角光谱包括相应于天顶角范围的光谱。在一些实施例中，光束包括一系列离散的光束，这一系列离散的光束中的每一个相应于在天顶角范围内一个天顶角。在一些实施例中，这一系列离散的光束可以被校准。在一些实施例中，从光束光谱分散的光包括在射线光栅中的衍射光束。在一些实施例中，光束可以在光谱分散之前聚焦。在一些实施例中，捕捉测角光谱包括探测在天顶角范围内相应于多个天顶角的衍射光栅的光谱。在一些实施例中，光谱是零次光谱，虽然更高次的光谱可以使用。在一些实施例中，衍射光栅的光谱能够在屏幕上投影。在一些实施例中，探测光谱包括数字地捕捉在数字照相机内的光谱的镜象。照相机可以是CCD阵列。在一些实施例中，光源可以是由照射光束照射的一个样本。在一些实施例中，照射光束来源于通过光纤连接至相同的照射光源上的光源。
根据本发明的一些实施例的测角光谱分度计可以包括抛物线形的反射器，所述反射器定位成接收光源的光并产生光束；光谱元件，所述光谱元件定位成接收抛物线形的反射器的光束并产生离散的光束；和光探测器系统，所述光探测器系统连接成探测离散光束的测角光谱。在一些实施例中，抛物线形的反射器可以包括反射和非反射材料交替的条。在一些实施例中，测角光谱分度计可以包括定位在抛物线形反射器和衍射元件之间的校准元件。此校准元件可以是一系列平行的板。在一些实施例中，光谱元件可以是衍射光栅。在一些实施例中，光学探测器系统包括定位成捕捉测角光谱的照相机。在一些实施例中，照相机可以是CCD阵列。在一些实施例中，照相机可以是数字照相机。在一些实施例中，测角光谱分度计可以包括耦合在光谱元件和探测器之间的聚焦光学元件以把光聚焦至照相机。在一些实施例中，计算机能够被连接至光学探测器系统以分析由光学探测器系统探测的测角光谱。
用根据本发明的一些实施例的测角光谱分度计检测工件的方法包括提供照射光源；定位工件，从而工件的一部分被照射光源所照射；收集在抛物线形反射器上的相应于天顶角范围的这部分工件的离散的光并形成从抛物线形反射器所反射的光束；衍射此光束以形成衍射光束；探测衍射光束的测角光谱；确定是否测角光谱落入在规定范围内；基于确定是否测角光谱在规定范围内落下的结果通过或拒收工件。在一些实施例中，提供照射光源包括把光从灯连接至光纤，所述光纤放置在工件的上面。在一些实施例中，衍射光束以形成离散的光束包括在光束中定位衍射光栅。在一些实施例中，探测测角光谱包括用位置感光探测器测量衍射光束。位置感光探测器可以是CCD阵列。
根据本发明的实施例提供了获得测角光谱分度分析需要使用的色谱与材料样本或光源的角度的关系曲线的快速方法。根据本发明的方法应用于许多其它应用领域，例如测角仪、固定多角仪和具有椭圆物镜的离散计。
本发明的这些和其他实施例参照如下图形将下下面进一步说明。
图1说明探测器系统在光源周围扫描的测角光谱分度计的一个实施例；图2说明如图1所示的光源是照明的材料的测角光谱分度计的一个实施例；图3说明包括位于光源周围固定角度上的多个探测器/分光计的测角光谱分度计的一个实施例；图4说明图3所示的光源是照明材料的测角光谱分度计的一个实施例；图5说明根据本发明的一些实施例的测角光谱分度的仪器；图6说明能够被用于本发明的实施例中的抛物线形反射器的一个实施例；图7说明能够被用于本发明的实施例中的准直仪的一个实施例；图8A说明根据本发明的测角光谱分度计的实施例的截面图；
图8B说明根据本发明的测角光谱分度计的实施例的图8A所示的沿AA方向的截面图；图8C说明在根据本发明的测角光谱分度计的实施例中由探测器所探测的样本测角光谱；图9说明在生产过程中根据本发明的实施例的测角光谱分度计的使用。
在这些图中，具有相同名称的元件具有相同或相似的功能。
具体实施例方式
本发明的一些实施例在30毫秒内获得大于90°的角度范围的完全的测角的光谱(测角光谱)。带着定位在抛物线焦点处的光源的抛物线形反射器的使用允许在一系列离散的角度上数据的即时捕捉。通过这样的构造，具有角度的发射光转化成准直射束，与抛物线轴平行地传播。因此，带着角度发射的光然后在反射束的横截面上相对抛物线形反射器的轴直线并放射性地分布，具有角度和半径的二次方的一对一的关系。
在反射光束中的连接至CCD表面传感器的衍射光栅或其它光谱分散元件对由抛物线形反射器所收集的所有角度提供即时的测量。在一些实施例中，沿抛物线形反射器的狭缝可以作为衍射光栅分光计的进入孔。可选择地，抛物线形反射器本身可以是一个抛物线的一薄段。可选择的有角的视野-范围(FOV)元件能够限制在光栅上的入射光的有角扩散。可选择的光挡板可以定位在光源和光栅之间。这样一个挡板可以阻碍光直接从光源散发。在一些实施例中，准直仪可以定位在抛物线形反射器和光谱分散元件之间。在一些实施例中，或者准直仪，或者抛物线形反射器可以产生一系列平行的光速，其中每一束平行的光束对应一个离散的天顶角。角强度分布图通过把每一个天顶角上的光谱集合一起而获得。可选择地，强度分布图能够使用位于校直的光束间距的直线形阵列而没有光谱分散元件而获得。
图5说明根据本发明的测角光谱分度计500的一个实施例。光源101位于抛物线形反射器520的焦点上。光源101可以是照射源，例如LED、灯泡或其它发光源。可选择地，光源101可以是反射(离散)光或根据照射光束(在图5未出示)而发荧光的照射材料。此外，狭缝(未出示)可以定位在光源101和抛物线形反射器502之间以作为进入狭缝。这样的进入狭缝能够定位成允许从光源101来的光相应于天顶角θ的范围同时仅允许在特定方位角周围的窄带光进入。
光源101能够根据抛物线形反射器502的抛物线轴以任意角度、顶点和方位角(è，)定向。抛物线形反射器502可以是任何抛物线形的表面，所述表面在由测角分光光度计500所测的波长范围内反射光。在一些实施例中，抛物线形反射器502可以是轴外抛面镜的一段。然后，抛物线形反射器502捕捉相应于在特定方位角处天顶角θ范围的光。
在一些实施例中，光源101可以由照射样本制成。在一些实施例中，灯和多模型光纤束可以被用于把照射光传递至样本以产生光源101。在一些实施例中，具有大约0.55的数值孔径的各个具有公称直径40μm的光纤组成的2.4mm直径光纤束能够被用于把光传递至材料以形成光源101。来自由直流电能供应所驱动的高强度钨灯丝灯的光或来自高强度脉冲的氙闪光灯的光能够连接至光纤。任何其它灯也可以使用，依赖于光波长度的范围，所述光波长度在调查研究中。
在天顶角θ1和θ2之间的光源101的光的散射对向抛物线形反射器502。另外，抛物线形反射器502可以设定在特别的方位角上。在一些实施例中，抛物线形反射器502可以横断大于90°的|θ2-θ1|的天顶角，但是也可以使用横断少于方位角的展开范围的抛物线形反射器502。在本发明的一些实施例中，抛物线形反射器502可以包括狭缝孔或否则是反射材料的窄带以在角θ1和θ2之间的特定离散天顶角处反射光。在一些实施例中，抛物线形反射器502可以是持续的反射器，反射相应于在天顶角θ1至θ2范围内的所有角的光。在一些实施例中，抛物线形物镜502可以是薄的，从而仅从预定方位角周围的窄范围的方位角收集光。在一些实施例中，抛物线形反射器能够在从初始经机械加工的部件的复制过程中形成。
图6说明根据本发明的一些实施例的抛物线形物反射器502的一部分的横截面。图6所示的抛物线形物反射器502的实施例包括反射区域601和非反射区域602。非反射区域可以是在抛物线形反射器502上的吸收带或可以是制在抛物线形反射器502内的狭缝。光束603由从光源101通过反射而产生，然后，可以包括一系列离散的光束，在这一系列离散的光束中的每一束对应于在相应的特定天顶角θn处所收集的光。光源101的光实质上以平行光线的方式从抛物线形物镜502处被反射，所述平行光线的每一束光线都与光源101成相应天顶角处与从光源101所发射的光相关。在一些实施例中，能够获得大约5/8的天顶角数据，所述数据与用于表观测角材料的ASTM起草的标准WK1164一致。光束603从抛物线形反射器502粗反射，然后能够处于光的伪-校直的薄光束形式，每一个光束相应于在角θ1和θ2之间的不同的顶角。抛物线形反射器302的一些实施例提供连续的光束603，其中在特定天顶角θn处所发射的光相应于光束603中的特定位置。
在一些实施例中，抛物线形反射器502可以具有大约10mm的焦点尺寸。然而，通常，抛物线形反射器502可以具有任何焦点尺寸。具有10mm焦点尺寸的情况下，光源101可以具有大约1mm的横向长度并保持角度分辨率至几度。在操作中，光源101定位在抛物线形反射器502的焦点上。
在本发明的一些实施例中，从抛物线形反射器502反射的光束603可以进一步被图5所示的校直器504校直。如图7所示，在一些实施例中，校直器504可以是由隔板(未出示)分离的薄板701的机械阵列，所述隔板进一步缩窄视野。在一些实施例中，校直器504可以包括任何交替透明和反射表面的排列，所述排列进一步校直光束603。在实施例中，其中光束603包括一系列离散的光束，校直器504可以包括相应的一系列平行板。在一些实施例中，其中光束603是连续的光束，校直器504可以包括一系列平行板从而激发校直器504的光束603包括一系列的离散光束。在一些实施例中，校直器504可以包括一对板以整体上校直光束603。
另外，在一些实施例中，光隔板503(图5)可以被相邻光源101固定以阻隔光源101的光，所述光在来自进入校直器504的方位角在θ1至θ2范围外。在使用连续光束603的实施例中，校直器504可省略。
参照图5，光束603导向至光谱元件506上，所述光束603可以或不可包括离散光束。光谱元件506可以是光谱上分散光束603内的光的任何装置。
在一些实施例中，引入聚焦光学器件505以导向光束603至光谱元件506上。在一些实施例中，聚焦光学器件505可以是圆柱光束形光学器件，所述圆柱光束形光学器件在入射至光谱元件506之前减小平行光束的线性长度。在一些实施例中，聚焦光学器件505可以包括由校直透镜512所跟随的聚焦透镜511。
光谱元件506可以包括任何把光束分离成各自波长的装置，例如衍射光栅或三棱镜。在一些实施例中，使用具有带着1500线/mm的传送光栅的衍射光栅，优选地为最大效率在大约360至800nm的光谱范围上。典型地，光束603被光谱元件506所衍射成多序列光谱。然后，测角光谱分布能够通过测量在光束603的一个衍射序列的光强度而确定。来自光谱元件506的衍射光束在图5中出示作为光谱507。光谱507包括衍射的所有序列。图8C说明根据本发明的测角分光光度计的一个实施例，所述实施例使用零次衍射。本领域普通技术人员将意识到测角光谱也能够从更高次的衍射获得。
参照图5，在光谱507中衍射的单一序列的光能够由透镜系统508所收集并且导向至探测器509上。当透镜系统508在测角分光光度计500的实施例中存在时，透镜系统508可以包括由校直透镜514跟随的聚焦透镜513。
探测器509可以是任何三维灵敏探测装置，例如电耦合探测器(CCD)阵列。在一些实施例中，例如，图8所示，光谱能够在被探测器509探测之前被投影至屏幕801上。也能够使用其它三维灵敏光探测器，例如，CMOS照相机或Vidicon照相机。然后，来自探测器509的信号被输入分析器或计算机系统510，所述来自探测器509的信号能够依赖于特定探测器系统而或者是模拟的或者是数字的。然后，计算机系统510提供来自所收集的数据的测角光谱以进一步记录、处理或显示。
图8A说明根据本发明的一些实施例的测角分光光度计800的横截面。如图5所示，相应于天顶角θ1至θ2范围的光源101的光被抛物线形反射器502所捕捉并且导入光束603。如前述，光束603可以是连续的光束或离散的一系列光束，每一个分离的光束对应离散天顶角θn。在连续光束中，天顶角θn的光能够由在光束内的位置所探测。
光束603入射在光谱元件506上，在图8A中的所述光谱元件506是衍射光栅，其母线平行于图8A所示的横截面的平面。然后，衍射光束507在屏幕801上显示并由探测器803所探测。在图8A中，光谱元件506在参考平面上将这样定向，从而光束603直接在光谱元件506的表面上入射。
图8B说明沿图8A中的方向AA切开的测角分光光度计800的垂直横截面。相应于天顶角θn的一部分光束603显示被抛物线形反射器502所衍射。在这个平面上，光谱元件506的衍射光栅相对光束603设成一个角度。衍射光栅的母线是与图8B所示的测角分光光度计800的横截面垂直。相应于天顶角θn的衍射光束507的零次光谱在屏幕801上显示。探测器803然后探测相应于天顶角θn的光谱，所述探测器803可以是数字照相机(例如CCD照相机)。
图8C说明投影在屏幕801上的光谱的全部系列、测角光谱。以测角光谱为例，通过阴影图解说明了光的强度。然后，探测器803能够即时地为在单一方向上的θ1至θ2范围内的所有天顶角测量作为天顶角函数的光谱。波长方向上的的每一部分相应于单一角θn的(或更精确地是在θn的周围角Δθ的小系列)。因此，能够测量为任何特定角的光谱，如表示在图8C中所示的天顶角θn的处光谱所图解说明的一样。
在一些实施例中，照相机803可以是具有6.45μm四方象素的1037×1376阵列的12位数字CCD照相机。CCD图象能够在运行数字系统抓取器软件(例如由Photon，Inc.生产的光束模拟软件)的计算机系统510上获得。在一些实施例中，图象获得时间是大约90ms，基于数字系统抓取器的最大速率。
在一些实施例中，由数字系统抓取器软件所捕捉的图象能够输入分析软件，例如MatLab，而进行分析。例如，数据分析能够涉及材料反射与角度的关系的确定，或角频谱数据转换成CIE色度间距。在一些实施例中，计算机510可以仅检测角频谱以确保光谱在特定制造范围内照射。在这种情况下，如果测角光谱在落入预定范围外部，则计算机510可以提醒操作者。
图9说明在制造环境900内根据本发明的一些实施例的测角分光光度计901的使用。如图9所示，光源905连接至光纤907，从而工件903能够被照射。测角分光光度计901这样定位从而获得从工件903离散的光的测角光谱。在一些实施例中，能够获得在工件903上不同位置的许多测角光谱。然后，测角分光光度计901确定是否所获得的测角光谱落在预定范围内，然后根据确定通过或拒收工件903。
工件903可以是测角光谱是重要参数的任何部件，例如着色、颜料层或其它特性。另外，工件903可以在装配线上，因此一旦工件903已经被检测随后跟着另一个工件909。
此处所说明的测角分光光度计的实施例提供了更快更廉价地获得测角光谱。在数字照相机中获取对在光源101周围的一系列天顶角中的每一个的光谱数据，所述数字照相机也能够即时地从这一系列天顶角中的每一个中捕捉每一个光谱。因此，根据本发明的测角分光光度计的实施例能够仅使用单一的数字照相机或CCD探测器，并能够在单一照相机所得数据的时间内获取即时的光谱。
在此说明书中所说明的实施例仅是实例，并不仅限于此。同样地，本发明仅由下述权利要求所限制。
权利要求
1.一种获得角频谱的方法，包括抛物线地反射光源的光以提供光束，所述光束包括在与光源成特定方位角的一个天顶角范围的光；光谱地分散此光束的光；和捕捉相应于此光束的测角光谱，所述测角光谱包括相应于天顶角范围的光谱。
2.根据权利要求1所述的方法，其中所述光束包括一系列离散的光束，在这一系列离散光束中的每一束相应于天顶角范围内的一天顶角。
3.根据权利要求2所述的方法，进一步包括校直这一系列离散光束。
4.根据权利要求1所述的方法，其中从光束中光谱地分散光包括在衍射光栅内衍射光。
5.根据权利要求1所述的方法，进一步包括在从光束中光谱地分散光之前进行光束聚焦。
6.根据权利要求1所述的方法，其中捕捉测角光谱包括探测来自在天顶角范围内相应于多个天顶角的衍射光栅的光谱。
7.根据权利要求6所述的方法，其中光谱是零次光谱。
8.根据权利要求6所述的方法，其中光谱是更高次光谱。
9.根据权利要求6所述的方法，其中来自衍射光栅的光谱投影在屏幕上。
10.根据权利要求6所述的方法，其中探测光谱包括数字地捕捉在数字照相机内光谱的镜象。
11.根据权利要求10所述的方法，其中照相机是CCD照相机。
12.根据权利要求1所述的方法，其中光源是由照射光束照射的样本。
13.根据权利要求12所述的方法，其中照射光束来源于通过光纤连接至相同的照射光源上的光源。
14.一种测角分光光度计，包括抛物线形的反射器，所述反射器定位成接收光源的光并产生光束；光谱元件，所述光谱元件定位成从抛物线形的反射器接收光束并产生离散的光束；和光探测器系统，所述光探测器系统连接成探测离散光束的测角光谱。
15.根据权利要求14所述的测角分光光度计，其中抛物线形的反射器可以包括反射和非反射材料交替的条。
16.根据权利要求14所述的测角分光光度计，进一步包括定位在抛物线形反射器与衍射元件之间的校准元件。
17.根据权利要求16所述的测角分光光度计，其中校准元件是一系列平行的板。
18.根据权利要求14所述的测角分光光度计，其中光谱元件是衍射光栅。
19.根据权利要求14所述的测角分光光度计，其中光学探测器系统包括定位成捕捉测角光谱的照相机。
20.根据权利要求19所述的测角分光光度计，其中照相机是CCD阵列。
21.根据权利要求19所述的测角分光光度计，其中照相机是数字照相机。
22.根据权利要求14所述的测角分光光度计，进一步包括耦合在光谱元件和探测器之间的聚焦光学元件。
23.根据权利要求14所述的测角分光光度计，进一步包括耦合在光谱元件和探测器之间的聚焦光学元件。
24.根据权利要求14所述的测角分光光度计，进一步包括计算机，所述计算机连接至光学探测器系统以分析由光学探测器系统探测的测角光谱。
25.一种测角分光光度计，包括在一个方位角的天顶角范围内捕捉光源的光并提供光束的装置；光谱地分散光束中的光的装置；和捕捉相应于天顶角范围的测角光谱的工具。
26.一种检测工件的方法，包括提供照射光源；定位工件，从而工件的一部分被照射光源所照射；收集相应于在抛物线形反射器中的天顶角范围的工件部分的离散的光并形成从抛物线形反射器所反射的光束；衍射此光束以形成衍射光束；探测衍射光束的测角光谱；确定是否测角光谱落入规定范围内；基于确定是否测角光谱落入规定范围内结果通过或拒收工件。
27.根据权利要求26所述的方法，其中提供照射光源包括把光从灯耦合至光纤，所述光纤放置在工件的上面。
28.根据权利要求26所述的方法，其中衍射光束以形成离散的光束包括在光束中定位衍射光栅。
29.根据权利要求26所述的方法，其中探测测角光谱包括用位置感光探测器测量衍射光束。
30.根据权利要求29所述的方法，其中位置感光探测器可以是CCD阵列。
全文摘要
根据本发明的实施例，提供一种测角光谱分度计，其用于快速获得测角光谱。在一些实施例中，抛物线形反射器用于把在抛物线焦点的光源的角间距光学地转换成线性间距并促进单一衍射元件和表面照相机的使用以即时地测量光源的角光谱。相应于由抛物线形反射器所反射光的顶角的光谱能够被探测器获得并在计算机内分析。
文档编号G01N21/47GK1601241SQ200410057738
公开日2005年3月30日 申请日期2004年8月16日 优先权日2003年8月15日
发明者杰弗里·L·格特曼 申请人:沃顿有限公司
专业数控铣床产品供应商
20年生产经验，实力工厂，精工品质，质量有保障
