DE4202822C2

DE4202822C2 - Optische Spektralanalysevorrichtung

Info

Publication number: DE4202822C2
Application number: DE4202822A
Authority: DE
Inventors: Carthy Cornelius J Mc
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1991-01-31
Filing date: 1992-01-31
Publication date: 1997-12-11
Anticipated expiration: 2012-02-01
Also published as: US5137364A; DE4202822A1; JPH07103827A

Description

Obwohl das menschliche Sehsystem sehr fähig ist zur Wahrnehmung spektraler Energie, wie Helligkeit und Farbe oder Farbunter schiede, ist es weniger fähig, wenn es um Quantifizierung oder Erinnerung geht.

Eine Reihe von Instrumenten, im allgemeinen Densitometer, Kolorimeter, Spektrophotometer, Radiometer und Chromameter genannt, sind entwickelt worden, um diese Funktionen durchzuführen. Diese Erfindung bezieht sich auf Meßinstrumente, die hochwertige Messungen dieser Art bei niedrigen Kosten lie fern können, und insbesondere auf eine optische Spektralanalyse vorrichtung, die eine Vielzahl von Festkörperstrahlungsquellen, wie zum Beispiel Leuchtdioden, und eine Vielzahl von Festkörper strahlungsdetektoren aufweist.

Densitometer, Kolorimeter, Spektrophotometer, Radiometer und Chromameter führen alle die gleiche Art von physikalicher Messung durch. Sie berechnen jeweils eine oder mehrere gewich tete Integrationen von optischer Energie über Wellenlänge. Im Fall von Densitometern, Kolorimetern, einigen Radiometern und Chromametern wird eine kleine Anzahl von gewichteten Inte grationen normal durchgeführt. Die Gewichtungsfunktion für Densitometer und Kolorimeter ist üblicherweise das Produkt aus der spektralen Intensität einer Lichtquelle, einem Filter, einem Empfindlichkeitsprofil eines Detektors und der Reflexion oder dem Durchlaß einer Probe.

Für Chromameter und Radiometer ist die Probe eine strahlende Quelle, und die Gewichtungsfunktion ist das Produkt aus der spektralen Intensität der Quelle, einem Filterparameter und der spektralen Empfindlichkeit eines Detektors. In der üblichen Praxis dient zur Messung des Reflexionsgrades oder Durchlasses der Lichtquelle ein Breitbandstrahler, wie zum Beispiel eine Wolframlampe, und der Detektor hat einen weiten Empfindlich keitsbereich. Im allgemeinen werden die gleichen Lichtquellen- und Detektorprofile für jede gewichtete Integration benutzt und nur das Filterprofil ändert sich. Diese Instrumente werden üblicherweise zum Gebrauch kalibriert unter Verwendung einer Probe mit bekanntem Durchlaß- oder Reflexionsgrad. Spektro photometer und spektrale Radiometer können im allgemeinen zig- bis tausende von gewichteten Integrationen auswerten. Für Spektrophotometer und spektrale Radiometer haben die Gewichtungsfunktionen üblicherweise jeweils eine gemeinsame Form, die idealer Weise ein schmales Dreieck ist. Mehrfach gewichtete Integrationen werden erhalten durch Auswahl mehrerer Positionen für die Mitte der Gewichtungsfunktion entlang der Wellenlängenachse. Spektrophotometer benutzen im allgemeinen Breitbandlichtquellen und -detektoren, aber weil sie einen größeren Wellenlängenbereich umfassen können, können sie eine Vielzahl von Quellen oder Detektoren haben. Die Gewichtungs funktion ist durch kontinuierliche Filter, mehrfache Filter, Monochromatoren, Spektrographen oder durch Interferenztechniken gegeben. Densitometer, Kolorimeter und Chromameter sind so konstruiert, daß sie spezifisch gewichtete Integrationen durchführen können. Für Densitometer im graphischen Bereich soll die Gewichtung der Integrationen die Reaktion auf den Reflexionsgrad von beim Drucken benutzten Standardfarben optimieren. Für Kolorimeter und Chromameter soll die Gewichtung der Integrationen Chromatizitätskoordinaten (Farbtonkoordinaten) erzeugen, wie durch CIE oder ASTM definiert. Spektrophotometer und spektrale Radiometer sollen es gestatten, den Reflexions grad, den Durchlaßgrad oder das Intensitätsspektrum bezüglich der Wellenlänge des Musters oder Probe als eine Reihe von Punkten oder eine Kurve oder ein Spektrum darzustellen. Da alle dieser gewichteten Integrationen lineare Summen über die Wellenlänge sind, kann jede Integration als ein Vektor in einem gemeinsamen Vektorraum angesehen werden. Ein bestimmter Satz oder Menge von gewichteten Integrationen wird einer Gruppe von Vektoren aus diesem Raum entsprechen, die einen Unterraum bilden. Solche Unterräume sollen aufgespannt sein durch die Menge der gewichteten Integrationen, aus der ihre Komponenten (Vektoren) berechnet werden können. In diesem Zusammenhang kann man von jeder Art von Instrument sagen, daß es die Untermenge des Raums mißt, der durch die Vektoren aufgespannt ist, welche durch die gewichteten Integrationen dargestellt sind. Im allgemeinen spannen die in den Densitometern, Kolorimetern und Chromametern gebildeten, gewichteten Integrationen eine Untermenge des Raums auf, der durch die in Spektrophotometern und spektralen Radiometern gebildeten Gewichtungsfunktionen aufgespannt ist. Wenn Kolorimeter, Densitometer und Chromameter nach veröffentlichten Standards konstruiert sind, werden die bezeichneten Integrationen als Summen über Spektren angegeben, und diese Instrumente werden üblicherweise kalibriert gegen die Messungen eines hochwertigen Spektrophotometers oder spektralen Radiometers oder gegen Proben, für die der Reflexions- oder der Durchlaßgrad oder die spektrale Intensität als eine Funktion der Wellenlänge unabhängig bestimmt worden ist. Angenommen, daß jede Menge dieser gewichteten Integrationen ausgedrückt werden kann als Untermengen desselben Vektorraums, dann folgt, daß jegliche Menge von gewichteten Integrationen transformiert werden kann in jegliche andere Menge innerhalb der Untermenge des Raums, der durch beide Mengen aufgespannt ist, und des weiteren folgt, daß diese Berechnung eine lineare Transformation sein wird, die als eine Matrixmultiplikation durchgeführt werden kann. Dies erfolgt, wenn Chromatizitäts-(oder Farbton-) Koordinaten oder Dichten aus spektralen Daten berechnet werden, die von Spektrophotometern oder spektralen Radiometern hergestellt wurden. Daraus folgt auch, daß es eine Gruppe von anderen Mengen von gewichteten Integrationen geben wird, die die Untermenge des Raumes aufspannen, der durch die Chromatizitäts-Koordinaten und durch Dichtebestimmungen aufgespannt ist. Jede solche Untermenge kann gemessen werden und benutzt werden, um die Chromatizitäts-Koordinaten oder Dichtefunktionen zu berechnen.

US-PS 4 505 583 zeigt eine spektroskopische Analyse-Vorrichtung, bei der von einer Lichtquelle ausgesandtes Licht durch eine Vielzahl von Interferenzfiltersätzen in eine Reihe von Lichtstrahlen mit unterschiedlicher Wellenlänge unterteilt wird, und zwar für Zwei-Wellen längen-Photometrie, die geeignet ist, um zeitweise und aufeinanderfolgend Licht von der Lichtquelle abzufangen oder um durch das Licht durch einen drehbaren Schlitz abgetastet zu werden. Ein Testobjekt wird aufeinander folgend beleuchtet durch die Reihe von Lichtstrahlen, welche durch ein Bündel optischer Fasern übertragen werden. Reflektierte Lichtstrahlen, die Informationen über das Objekt enthalten, werden aufeinanderfolgend an einen photoelektrischen Wandler angelegt. So erzeugte elektrische Signale werden digitalisiert und arithmetisch verarbeitet, um eine Vielzahl von Daten zu erhalten, die der Vielzahl von Interferenzfiltersätzen entsprechen.

US-PS 4 648 051 offenbart ein Verfahren zum Trennen der Wirkung von Umgebungslicht von den Wirkungen des Ober flächenreflexionsvermögens, um die Oberflächeneigen schaften von Materialien besser analysieren zu können. Das Verfahren verwenden die von N+1 Sensorklassen abgefühlten Daten, um eine endlich dimensionale Annäherung einer Oberflächenreflexionsvermögensfunktion an jedem Bildpunkt sowie eine endlich dimensionale Annäherung des Umgebungs lichts zu definieren.

US-PS 4 158 505 offenbart ein Spektralanalysesystem, das die colorimetrischen Eigenschaften eines Testmusters bei einer vorgewählten Wellenlänge oder einem Bereich von Wellenlängen innerhalb des ultravioletten Bereichs, des sichtbaren Bereichs und des nahen Infrarotbereichs mißt oder analysiert. Das System umfaßt ein mit einer Breit bandlichtquelle ausgestattetes Spektrophotometer, optische Einrichtungen, die einen Musterlichtpfad und einen Bezugs- oder Referenzlichtpfad vorsehen, ein Zerhackerrad (chopper wheel), das gestattet, daß Licht abwechselnd entlang des Musterlichtpfads und des Bezugslichtpfads geleitet wird, und zwar unterbrochen durch dunkle Zeitperioden, während derer entlang beider Pfade kein Licht geleitet wird, ein Dispersionsgitter zum Streuen des Lichts von beiden Pfaden, eine Reihe von Neutraldichtefiltern um die entlang jedes Pfades ge leitete Lichtmenge in unterschiedlichem Maße zu begren zen, und eine lineare Anordnung von Photodioden zum Detektieren des gestreuten Lichts bei unterschiedlichen Wellenlängen. Das System umfaßt ferner einen elektro nischen Steuerteil einschließlich einer programmierbaren Leistungsversorgung zum Steuern der Lichtintensität von der Lichtquelle, wodurch die Kombination der Verwendung der Neutraldichtefilter in Verbindung mit der Steuerung der Lichtintensität der Lichtquelle verwendet werden kann, um die Photodiodenanordnung so zu betreiben, daß deren Betrieb nahe des Sättigungsstrompegels und des Dunkelstrompegels verhindert wird, und wobei das System ferner Mittel zum Abtasten der Photodiodenanordnung mit hoher Geschwindigkeit während einer Drehung des Zer hackerrades umfaßt, um eine Hochgeschwindigkeits spektralmessung vorzusehen.

Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, die Nachteile des obengenannten Standes der Technik zu vermeiden und eine optimierte Vorrichtung zur kostengünstige Messung von Lichtenergie trotz Veränderungen der Bauteileigenschaften oder der Temperatur vorzusehen.

Diese Aufgabe wird gemäß der vorliegenden Erfindung durch eine optische Spektralanalysevorrichtung gemäß Anspruch 1 bzw. eine Vorrichtung für die Bestimmung von mehrfachen Messungen von Strahlungsenergie gemäß Anspruch 15 gelöst. Bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Zusammenfassung der Erfindung

Es ist eine Vorrichtung vorgese hen, die jede Art von linearer Transformation von einer kleinen Anzahl von Eingaben durchführen kann. Die Vorrichtung ist so konstruiert, daß sie jegliche Menge von gewichteten Integra tionen messen kann, aus denen die gewünschten Ergebnisse errechnet werden können. Genauer wurde gemäß dieser Erfindung entdeckt, daß eine Menge von gewichteten Integrationen ausge wählt werden kann auf Grund von Überlegungen bezüglich Kosten und Vorrichtungsqualität anstatt auf Grund von Übereinstimmung mit den Gewichtungsfunktionen, für die die Vorrichtung Messungen anzeigen wird. Eine Menge von gewichteten Integrationen kann ge schaffen werden, die eine so große Untermenge des Vektorraumes aufspannt, wie es mit der kleinsten Anzahl von billigen Bauteilen praktikabel ist. Zur Messung des Reflexionsgrades und der Durchlässigkeit bei der optischen Spektralanalysevorrichtung gemäß der Erfindung wird eine kleine Anzahl von Beleuchtungs quellen, von denen jede optische Energie über eine Untermenge des Wellenlängenbereichs, der von Interesse ist, vorsieht, und eine kleine Anzahl von Detektoren benutzt, von denen jeder über den gesamten Wellenlängenbereich empfindlich ist, aber jeweils mit einer unterschiedlich gewichteten Empfindlichkeit als eine Funktion der Wellenlänge. Jede Beleuchtungsquelle ist so gemacht, daß sie nacheinander das Probenmaterial beleuchtet, und Licht von dem Muster wird zu allen Detektoren geleitet und die Detektorausgabe wird aufgezeichnet. Dann, nachdem alle Beleuchtungsquellen durchlaufen sind, wird eine Menge von gewichteten Integrationen abgeleitet, deren Anzahl gleich ist zu dem Produkt der Anzahl der Beleuchtungsquellen mal der Anzahl der Detektoren. Die Gewichtungsfunktionen dieser Integrationen werden die Produkte der einzelnen Illuminationsgewichtungs funktionen mit den einzelnen Detektorempfindlichkeitsfunktionen sein. In bevorzugten Ausgestaltungen der Vorrichtung zum Messen der Reflexion und des Durchlaßgrades sind die Beleuchtungs quellen Leuchtdioden und die Detektoren sind Photodioden, die behandelt oder gefiltert worden sind, um unterschiedliche Empfindlichkeitskurven als eine Funktion der Wellenlänge herzustellen.

Die folgende Tabelle listet eine Reihe von Zusammenstellungen auf.

In der bevorzugten Ausgestaltung können die Leuchtdioden (LED′s) und die Detektoren in der Form von unbefestigten Halbleiterchips sein. Für Reflexionsgradanwendungen ist eine ausgewählte Gruppe von Detektoren und LED′s auf einem gemeinsamen Substrat befe stigt. Bei konstanter Temperatur und wenn sie vor Feuchtigkeit geschützt werden, sind Leuchtdioden und Photodioden stabile Bauteile. Daher werden ein Temperaturfühler und wahlweise Temperatursteuerbauteile auf dem Substrat befestigt. Die gesamte Anordnung wird dann gegen Feuchtigkeit abgedichtet, um dann zu erreichen, daß die Fühlerausgabe benutzt wird, um Temperatur veränderungen auszugleichen durch Anpassen der linearen Transformation zwischen gewichteten Integrationen und be richteten Ausgabeinheiten. Bei Reflexionsgradmeßanwendungen wird ein körperlicher Schild oder Blende benutzt, um zu verhindern, daß direktes Licht von den LED′s die Detektoren erreicht, und die gesamte Anordnung kann auf die Probenoberfläche gerichtet werden ohne andere optische Bauteilen außer einem Schutzsiegel aus Epoxidharz. In der Praxis sind die LED′s für das rote Ende des sichtbaren Wellenlängenbereichs wirksamer als die LED′s für das blaue Ende. Obwohl eine elektronische Kompensation umfaßt wäre, mag es wünschenswert sein, das System dadurch auszuglei chen, daß mehr LED-Chips bei unteren Wellenlängen benutzt wer den, um den Lichtausgabe in diesem spektralen Bereich zu erhö hen. Somit kann die Erfindung, wenn sie mit sechs Beleuchtungs quellen umgesetzt wird, mehr als sechs LED-Chips haben wegen der Notwendigkeit der Verdopplung für einige Wellenlängen.

Für präzises Probenehmen von kleinen Gebieten kann eine Faseranordnung benutzt werden. In diesem Fall wird eine kleine Anzahl von kurzen optischen Fasern benutzt, um Licht von den LED′s zu der Probe zu leiten und umgekehrt zu den Detektoren. Da es das Ziel ist, ein kleines Probengebiet zu erreichen, werden Fasern mit einer dünnen Mantelschicht und somit einem großen Kerndurchmesser gegenüber dem Manteldurchmesser benutzt. Ein Ende der Fasern wird in direktem Kontakt mit den Detektoren und den LED′s angeordnet. Optisches Epoxidharz wird aufgebracht, um optisches Koppeln sicherzustellen, und tragendes Epoxidharz wird die Faseranordnung starrhalten. Fig. 2 und 3 zeigen die Enden von Faseranordnungen für bevorzugte Ausgestaltungen. Fig. 4 zeigt eine Seitenansicht einer Anordnung. Spezielle Kombinationen von Detektoren und Beleuchtungs-Gewichtungs-Funktionen können auch benutzt werden, um Faktoren zu berechnen, die nicht einfache gewichtete Integrationen des Reflexionsgrades oder der Durchlässigkeit sind. Wenn einer der Detektoren so ein gestellt ist, daß er nicht empfindlich auf Beleuchtung ist bei Wellenlängen, die von einer der Beleuchtungsquellen ausgesandt werden, dann kann das Ansprechen dieses Detektors (wenn nur diese eine Beleuchtungsquelle aktiv ist) ein Maß für die Fluoreszenz der Probe sein.

Fig. 1a und 1b sind eine Draufsicht bzw. ein Schnitt (entlang 1b-1b in Fig. 1a) der Strahler/Detektor-Anordnung einer opti schen Spektralanalysevorrichtung für den Reflexionsgrad gemäß der Erfindung. Fig. 1c zeigt den Computer, der die Vorrichtung betätigt.

Fig. 2 und 3 sind Endansichten von optischen Faseranordnungen, die benutzt werden können, um eine Strahler/Detektoranordnung ähnlich der von Fig. 1 an eine Reflexionsgradprobe optisch zu koppeln.

Fig. 4 ist eine Seitenansicht einer Faseranordnung ähnlich der von Fig. 2 oder Fig. 3.

Fig. 5a und 5b sind logische Flußdiagramme des Programms für Vorbereitungs- bzw. Meßvorgänge der Vorrichtung, das in dem Computer, der von der Vorrichtung umfaßt ist, umgesetzt ist.

Fig. 1 zeigt eine Draufsicht und einen Schnitt durch die Mitte der Anordnung von Detektoren und Strahlern für direkte Beleuchtung und Lichtaufnahme. Gegenstand 1 ist eine schützende äußere Schale 1. Diese Schale dient 1) zum Blockieren von exter nem Licht, 2) zum Reflektieren von Licht, das von den Strahlern 2 nach außen divergiert, zur Mitte hin, und 3) zur Aufnahme des optischen Epoxidharzes 5 über den Strahlern. Ein Satz von Strahlern in der Form von LED-Würfeln 2 ist auf den Umfang der Anordnung verteilt. Detektoren 3 mit optischen Filterlagen 4 sind in der Mitte der Anordnung angeordnet. Ein Zylinder von lichtundurchlässigem Material 6 dient dazu, direktes Licht von den Strahlern 2 daran zu hindern, die Detektoren 3 zu erreichen, sowie zur Aufnahme von optischem Epoxidharz 5. Das optische Epoxidharz 5 wird über die Strahler und Detektoren gebracht, so daß es ein hermetisches Siegel bildet und so daß seine Oberseite eben ist. Ein Substrat 7 trägt elektrische Verbindungen und lie fert thermischen Kontakt zwischen den Strahlern 2, den Detektoren 3 und einem wahlweise anzubringenden thermischen Fühlelement 8.

Fig. 2 zeigt die Endansicht der Probe und Zuweisungen für eine Faseranordnung mit acht Beleuchtungsfasern und drei Detektorfasern. Diese sind vorzugsweise Fasern mit einem Durchmesser von 1 mm, so daß die maximale Breite des Probenendes der Faseranordnung 4 mm ist. Die Detektorfasern sind in der Mitte und mit D1, D2 und D3 bezeichnet. Die Beleuchtungsfasern befinden sich um den Umfang der Anordnung herum und sind be zeichnet mit der mittleren Wellenlänge in Nanometern der ent sprechenden Leuchtdiode. Die unteren Wellenlängen, 470 Nanometer (nm) und 555 nm werden in diesem Muster wiederholt.

Fig. 3 zeigt die probenseitige Ansicht und Zuweisungen für eine Faseranordnung mit sechs Beleuchtungsfasern und einer Detektor faser. Die eine Detektorfaser, die mit D bezeichnet ist, ist optisch an zwei Detektoren gekoppelt. Die Beleuchtungsfasern umgeben die Detektorfaser. Diese sind durch die mittlere Wellenlänge in Nanometern der beleuchtenden Leuchtdiode bezeich net. Die niedrigste Wellenlänge, 470 nm, ist dreimal wiederholt für eine Gesamtzahl von vier Beleuchtungsprofilen.

Fig. 4 zeigt eine Seitenansicht der Faseranordnung. Optische Fasern 4 verlaufen von dem Substrat 7, welches die Strahler (Emitter) 2 und die Detektoren 3 an der Probe 9 befestigt. Optisches Epoxidharz 5 koppelt die Fasern 4 an die Strahler 2 und die Detektoren 3. Tragendes Epoxidharz wird benutzt, um die Anordnung an dem Strahler/Detektorende 6 und an dem Probenende 8 zu kapseln. Äußere Schalen an dem Strahler/Detektorende 1 und an dem Probenende 7 schützen die Anordnung und liefern die äußere Begrenzung für das tragende Epoxidharz.

Kalibrieren oder Eichen unter Verwendung eines programmierbaren Computers, der eingebaut oder ein getrenntes Element sein kann, ist Teil der Vorrichtung der Erfindung. Es mag mehrere Klassen der Instrumenten-Kalibrierung geben. Kalibrierung wird verstan den als Teil einer durchzuführenden mathematischen Berechnung unter Verwendung von gemessenen gewichteten Integrationen als Eingabe und spezifische Benutzer-Koordinaten erzeugend. Benutzer-Koordinaten sind die gewichteten Integrationen, die das Instrument dem Benutzer berichten wird. Chromatizitäts-Koordinaten sind ein Beispiel von Benutzer-Koordinaten. Mehreren Kalibrierungsklassen wird beim Umsetzen der Kalibrierung Beachtung geschenkt.

1) Das Instrument (d. h. die Vorrichtung) kann ohne Kalibrierung und ohne Stabilisierung funktionieren. In diesem Fall würde die Umformung (Transformation) von gemessenen Integrationen in Benutzer-Koordinaten bestimmt werden als ein Teil der Konstruktion des Instruments und würde die gleiche sein für alle Instrumente, die die gleiche Art von Teilen verwenden, um die gleichen Benutzer-Koordinaten zu ergeben.
2) Das Instrument kann ohne Kalibrierung funktionieren, aber mit einer bordeignen (insbesondere auf der Leiterplatte) Temperaturstabilisierung mit geschlossenem Regelkreis (Closed Loop Temperatur-Stabilisierung). In diesem Fall würden die Strahler und Detektoren auf einer konstanten Temperatur gehalten werden durch einen Closed Loop-Thermodetektor und Heiz- und/oder Kühlsystem, was in Fig. 1b bei 9 schematisch gezeigt ist.
3) Das Instrument kann mit instrumentenspezifischer Kalibrierung funktionieren, aber ohne Stabilisierung. In diesem Fall würde jedes einzelne Instrument benutzt werden, um eine Reihe von Referenzmaterialien zu messen, wobei das Instrument und das Material auf einer konstanten Nominaltemperatur gehalten würde. Die Messungen würden benutzt werden, um eine instrumentenspezi fische Umformung von der Messung zu Benutzer-Koordinaten zu er rechnen. Diese Umformung würde in jedes spezifische Instrument kodiert werden.
4) Das Instrument kann funktionieren mit instrumenten-spezifi scher Kalibrierung und mit Temperaturkorrektur. In diesem Fall würde ein Thermofühler in Kontakt mit dem Substrat, das die Strahler und Detektoren trägt, die Temperatur am Substrat an den Prozessor berichten, der für die Umformung benutzt wird. Umformungen würden dann bei mehreren Temperaturen wie oben in der Klasse 3 bestimmt werden und ein Temperaturausgleich würde angewendet werden durch Auswahl der richtigen Umformung für die Verwendung.
5) Schließlich kann das Instrument funktionieren mit einer in strumentenspezifischen Kalibrierung und einer Stabilisierung mit geschlossenem Regelkreis (Closed Loop-Stabilisierung). Dies ist das gleiche wie Fall 3) für ein Instrument mit einem geschlosse nen Temperaturregelkreis an den Detektoren und Strahlern. Für einige Detektorarten, Anordnungen und Schaltungen kann es sein, daß das beobachtete elektrische Signal nicht streng proportional zu der Lichtenergie ist, die den Detektor erreicht. Wenn dies der Fall ist, ist eine Umformung von dem beobachteten Signal in einen Wert erforderlich, der proportional zu der Lichtenergie ist, vor der Umformung in Benutzer-Koordinaten. Allgemein ist zumindest eine Abgleichkorrektur erforderlich. Der Wert solcher Abgleiche (off set) kann während des Meßvorgangs berechnet wer den durch Beobachtung des elektrischen Signals, das von jedem Detektor erzeugt wird, wenn keine Beleuchtungsquellen aktiviert sind. Falls eine weitere Korrektur erforderlich ist, würde sie bestimmt werden auf der Basis von Detektor zu Detektor.

Fig. 5a und 5b zeigen ein Flußdiagramm für das Computerprogramm. Der Computer ist Teil der Mittel für die Bedienung der Vor richtung siehe Fig. 1c. Fig. 5a ist ein Meßkreis-Flußdiagramm. Ein Start-Unterprogramm 1 wird zuerst aufgerufen. Nach der Startroutine wird eine Schleife 2 durchlaufen, in der jeder Detektor abgelesen wird, wobei alle Quellen abgeschaltet sind. Die Ableseergebnisse der Detektoren bei ausgeschalteten Quellen werden in Vektor D(d) gespeichert. Wenn diese Schleife fertig ist, wird eine Doppelschleife über die Quellen und Detektoren durchgeführt. Innerhalb der Quellenschleife wird jede Quelle vor der inneren Schleife über die Detektoren angeschaltet (Schritt 3a), und nach der inneren Schleife über die Detektoren abgeschaltet (Schritt 3b). Innerhalb der inneren Schleife über die Detektoren wird jeder Detektor in einen Vektor I(d,s) gelesen (Schritt 4). Wenn die Doppelschleife über Quellen und Detektoren beendet ist, wird eine Dreifachschleife über Ausgabevektor-Komponenten (Schritt 5), Quellen und Detektoren durchgeführt. Innerhalb dieser Schleife wird der Ausgabevektor O(j) auf Null gesetzt (Schritt 6) und dann wird jeder Term der linearen Transformation in den Ausgabevektor addiert (Schritt 7). Diese Terme werden berechnet als ein Koeffizient, C(s, d, j), mal der Eingabe mit eingeschalteten Quellen, I(s, d), minus dem Ableseergebnis der Detektoren bei abgeschalteten Quellen, D(d). Nachdem die Dreifachschleife durchlaufen ist, wird der Ausgabevektor O(j) an den Benutzer ausgegeben (Schritt 8).

In dem Start-Unterprogramm Fig. 5b werden alle Quellen abge schaltet 1 und die Existenz eines thermischen Fühlers wird abge fragt. Falls kein thermischer Fühler vorhanden ist, sind die Koeffizienten der linearen Transformation Konstanten und werden nicht durch die Start-Routine modifiziert. Falls ein Temperaturfühler vorhanden ist, wird die Temperatur von dem Fühler 3 abgelesen und eine Dreifachschleife kopiert eine Menge von Konstanten T(s, d, j, t), die durch die Temperatur bezeichnet (indexted) sind und in die Reihe von Koeffizienten C(s, d, j) 4 eingelesen werden.

Die Überlegungen, die die Programme bestimmen, werden im folgen den beschrieben. Chromameter sind konstruiert, um Chroma tizitäts-Koordinaten für Quellen von Lichtenergie zu liefern. Die zu messenden Quellen sind im allgemeinen für menschliche Beobachtung gedacht, wie zum Beispiel farbige Lichter und Zeichen, Farbfernsehanzeigen und Farbcomputer-Anzeigevor richtungen. Da die Probe die Lichtenergie liefert, ist die Beschreibung bezüglich des Erreichens niedrigerer Kosten durch Multiplexen mehrfacher Quellen und mehrfacher Detektoren nicht zutreffend. Jedoch können die Beschreibungen bezüglich der Wahl der Gewichtungsfunktionen, der Anordnung und Temperatursteuerung von Detektoren und Kalibrierung von Meßvorrichtungen auf eine Vorrichtung zur Messung von Strahlungsquellen angewendet werden. Für die Messung von Strahlungsquellen ist das benutzte Bezugs- oder Referenzmaterial eine Reihe oder Satz von Vorrichtungen, deren ausgesandte Lichtenergie von bekannter spektraler Intensität ist, oder eine Vorrichtung zum Erzeugen mehrfacher bekannter Spektren, wie zum Beispiel eine stabile Lichtquelle und ein Monochromator.

Obwohl eine Vielzahl von Techniken der linearen Algebra und nu merischen Analysis benutzt werden kann für die Umsetzung dieser Erfindung, bezieht sich das Folgende auf eine bevorzugte Umsetzung. OVECT sei ein Vector, dessen Komponenten die spek trale Energie in jeweils einer Reihe von Wellenlängenbändern sind. Zum Beispiel können diese Bänder einen Nanometer breit sein, beginnend bei 380 nm und endend bei 780 nm. In diesem Fall hätte OVECT 401 Komponenten. Dieser Wellenlängenbereich und diese Auflösung würden ausreichend sein für die mathematische Beschreibung jeglichen Instruments, das Messungen durchgeführt hat, die menschlichen Sichtbeurteilungen entsprechen sollen. UVECT sei ein Vektor von Benutzer-Koordinaten. Insbesondere sei UVECT eine Menge(Satz) von drei Chromatizität-Koordinaten wie durch das CIE definiert. In diesem Falle hätte UVECT drei Komponenten. Dann kann die Definition von UVECT durch die CIE ausgedrückt werden als die Matrix-Multiplikation von OVECT mit einer Matrix der Dimension 3 auf 401, die aus veröffentlichten Tabellen bestimmt wird, und die wir CHROM.MAT nennen werden.

UVECT = [CROM.MAT]_*OVECT (1)

DVECT sei ein Vektor, dessen Komponenten gewichtete Integrationen sind, die durch eine gegebene Vorrichtung gelie fert worden sind. APP.MAT sei die Matrix der Gewichtungen, die OVECT in DVECT transformiert.

DVECT = [APP.MAT]_*OVECT (2)

Wenn der durch DVECT aufgespannte Vektorraum eine Teilmenge des von UVECT aufgespannten Vektorraums ist, gibt es eine Matrix, die DVECT mit einer Matrix-Multiplikation in UVECT transfor miert. Wir nennen diese Matrix UAPP.MAT und schreiben

UVECT = [UAPP.MAT]_*DVECT (3)

Zum Zwecke des Aufbaus können wir UAPP.MAT wie folgt berechnen:

1) Multiplizieren von Gleichung 2 mit der Transponierten von APP.MAT, was folgendes ergibt:

Tr[APP.MAT]_*DVECT = Tr[APP.MAT]_*[APP.MAT]_*OVECT (4)

2) Multiplizieren von Gleichung 4 mit der Inversen des Produkts von APP.MAT mit seiner Transponierten, was die folgende Gleichung für OVECT ergibt:

OVECT = Inv(Tr[APP.MAT]_*[APP.MAT]_*Tr[APP.MAT]_*DVECT (5)

3) Einsetzen dieses Ausdrucks in Gleichung 1, um eine äquiva lente Gleichung zur Gleichung 3 zu erhalten.

UVECT = [CHROM.MAT]_*Inv(Tr[APP.MAT]_*[APP.MAT]_*Tr[APP.MAT]DVECT (6)

Obwohl die Gleichung 6 kompliziert zu sein scheint, reduziert sich UAPP.MAT in der Praxis auf eine Reihe (oder Sammlung) von Konstanten. Wenn OVECT und DVECT jeweils drei Komponenten hät ten, dann wäre UAPP.MAT eine 3×3 Matrix und es gäbe neun Konstanten für seine Komponenten.

Kolorimeter der laufenden Produktion sind so konstruiert, daß DVECT gleich UVECT ist und UAPP.MAT eine Einheitsmatrix. Dies ist weder nötig noch optimal. Die Anzahl und Formen der gewich teten Integrationen, die die Komponenten von DVECT aufweisen, können gewählt werden, um den besten Gebrauch zu machen von den gegenwärtig erhältlichen, qualitativ hochwertigen und kostengün stigen physikalischen Bauteilen. Die Auswahl dieser Bauteile könnte mittels einer mathematischen Auswertung der Vorrichtung, die konstruiert wird, durchgeführt werden unter Verwendung der UAPP.MAT Matrix, die sich aus jeder möglichen Auswahl ergeben würde. In bevorzugten Ausgestaltungen dieser Erfindung wird DVECT im allgemeinen mehr Komponenten haben als UVECT. Dies führt im allgemeinen zu einer überlegenen Auflösungs- und Rauschleistung in dem von UVECT aufgespannten Raum. Diese Verbesserungen können im allgemeinen erreicht werden bei einem minimalen Anstieg der Produktionskosten. Auflösungs- und Rauschleistung im UVECT-Raum werden aus Annahmen in dem von DVECT aufgespannten Raum vorausgesagt unter Verwendung von UAPP.MAT.

Als ein Teil des Herstellungsvorgangs können die Komponenten von UAPP-MAT durch Kalibrierung eingestellt werden, wie oben be schrieben, um die Genauigkeit der Abbildung von DVECT auf UVECT zu verbessern für jedes in die Praxis umgesetzte Beispiel der hergestellten Vorrichtung. Tatsächlich wird dies erreicht durch Anwendung von mehrfachen Regressionstechniken auf eine Reihe von Materialien, für die OVECT und/oder UVECT bekannt sind. Die Einflüsse thermischer Variation und Komponentenvariation auf die Benutzer-Koordinaten können vorhergesagt werden, wenn diese Einflüsse bekannte OVECT-Koordinaten sind oder in DVECT- Koordinaten.

Zusammenfassend sieht die Erfindung folgendes vor: Eine Vorrichtung für kostengünstige Messung von Lichtenergie mittels mehrfacher spektraler Integrationen mit unterschiedlichen, wei lenlängenabhängigen Gewichtungen für eine Gleichmäßigkeit der Messungen trotz Veränderungen bei Bauteileigenschaften oder in der Temperatur.

Zusammenfassend kann noch folgendes ausgeführt werden.

Die Erfindung sieht ein Spektrometer vor, welches durch die Verwendung von Mehrfachstrahlern oder -emittern und -detektoren verbessert ist, die den interessierenden spektralen Bereich überdecken, wobei ferner ein Computer eingesetzt wird, der durch sein Programm definiert ist. Ein wichtiger Aspekt der Erfindung ist die Art und Weise, wie die durch die Vorrichtungen erzeugten Signale durch den Computer verarbeitet werden. Der Computer er möglicht die Verwendung einer Vielzahl von Vorrichtungen, die mehrfache spektrale Integrationen mit von unterschiedlichen Wellenlängen abhängigen Gewichtungen ermöglichen. Im einzelnen sei noch auf folgendes eingegangen: Was die fünf in Anspruch 1 genannten Funktionen sowie die ersten, zweiten und dritten Mittel des Anspruchs 15 anlangt, so wird bemerkt, daß die Verwendung eines Computers speziell bei der Diskussion der Kalibrierung oder Eichung auf Seite 9 erläutert wird und die Verwendung des Computers ergibt sich im einzelnen aus der Diskussion der Fig. 5. Die Arbeitsweise, speziell die sequenti elle Beleuchtung des Probenmaterials durch jede Quelle, die Aufzeichnung der Ausgangsgröße der Detektoren während jede Quelle aktiv ist und die darauffolgende Transformation der Detektor ausgangsgröße in Benutzerkoordinaten ist im einzelnen auf den Seiten 4 und 5 anhand der Fig. 5 erläutert. Der Aufbau dieser Mittel bei der Umsetzung in die Praxis zur Erreichung dieser Wirkung ist nicht kritisch.

Betreffend die Vorrichtung zur Erzeugung oder Entfernung von Wärmeenergie gemäß den Ansprüchen 6 und 18 wird folgendes ausge führt. Detektoren und andere elektronische Bauelemente, die in tegral mit thermischen Steuervorrichtungen ausgebildet sind, werden allgemein verwendet und sind im Handel verfügbar. Vorrichtungen zur Erzeugung und Entfernung von Wärme sind aus nicht elektrischen Arbeitsgebieten bekannt. Die Diskussion der thermischen Stabilität, der Closed Loop-Temperaturstabilisation (d. h. mit geschlossenem Regelkreis) auf den Seiten 6, 7, 10 und 11 setzt die Verwendung solcher Vorrichtungen voraus, schränkt sie aber nicht ein.

Hinsichtlich der Eichung der Vorrichtung, wie dies auf den Seiten 9, 10 und 11 diskutiert wird, sei bemerkt, daß dies die Verwendung von Rechenmitteln erforderlich macht, um die Transformationskoeffizienten zu berechnen. Anspruch 8 bezieht sich auf die Typen 3, 4 und 5 der Eichung. Die Erfindung hängt nicht von der körperlichen Natur der zum Rechnen verwendeten Mittel ab, sondern nur von der Ausführung der Rechnung durch ir gendein bekanntes Verfahren, beispielsweise das der mehrfachen Regression.

Hinsichtlich der Ansprüche 9 und 10 wie auch 21 und 22 sei fol gendes bemerkt: der Ausfall eines Satzes von Transformations koeffizienten, also einer Funktion der Temperatur wird auf den Seiten 6, 7 und 11 diskutiert und die Diskussion der Fig. 5 auf Seiten 12 und 13 liefert einen weiteren Beitrag. Die Fig. 5 sieht ein spezielles Beispiel vor, bei dem die Auswahl durch "Indexen" in einer Anordung von Koeffizienten erreicht wird. Die Natur der Mittel zur Auswahl hängt von der Natur der Mittel ab, die ausgewählt wurde zum Betrieb und zur Berechnung. Die Erfindung macht lediglich erforderlich, daß die Auswahl der Koeffizienten als Funktion der Temperatur ausgeführt wird, was nicht in der Art der Mittel zur Ausführung der Selektion abhängt.

Die im Anspruch 20 angesprochene Bestimmungs- und Berechnungs mittel sind im Computer enthalten. Gleiches gilt für den Anspruch 21.

Im folgenden seien noch weitere Ausführungen hinsichtlich der Ansprüche gemacht. Ein wichtiger Punkt der Erfindung sind die Ausführungen im Anspruch 1, daß nämlich eine Vielzahl von Quellen vorgesehen ist, jede mit unterschiedlicher Spektral energie, und daß ferner eine Vielzahl von Detektoren vorhanden ist, jeder mit unterschiedlichem Ansprechverhalten. Die Verwendung von Mehrfachemittern und Mehrfachdetektoren in Kombination ist neu und erfinderisch. Ein Hauptziel der Lehre besteht in der Erläuterung, warum die Verwendung von Mehrfachemittern und Mehrfachdetektoren den Aufbau wertvoller Instrumente gestattet und welche Verfahren verwendet werden kön nen, um Instrumente mit Mehrfachemittoren und Mehrfachdetektoren aufzubauen. Die Beschreibung erläutert dies für den Ingenieur, der solche Instrumente bauen soll.

In der Beschreibungseinleitung wurden bereits die verfügbaren Instrumente hinsichtlich gewichteter Integrationen optischer Energie über die Wellenlänge beschrieben. Diese Diskussion bil det den Hintergrund dafür, warum die Verwendung von Mehrfachquellen und Mehrfachemittern Ergebnisse erzeugen kann, die äquivalent zu den derzeit verfügbaren Instrumenten sind. Zu Beginn der Zusammenfassung der Erfindung wird die Verwendung ei ner kleinen Zahl von Beleuchtungsquellen beschrieben, von denen eine jede über einen Teilbereich (Subset) des interessierenden Wellenlängenbereichs optische Energie liefert. Ferner ist eine kleine Zahl von Detektoren vorgesehen, deren jeder empfindlich für den gesamten Wellenlängenbereich ist, aber mit unterschiedlich gewichteter Empfindlichkeit. Die Tabelle erläutert eine Anzahl möglicher Konfigurationen, die sich aus einer unterschiedlichen Zahl von Emittern und Detektoren mit möglichen Anwendungsfällen ergibt. Schließlich wird die Anordnung von Mehrfachemittern in der Form von lichtemittierenden Diodenchips erläutert und von Mehrfachdetektoren auf einem gemeinsamen Substrat. Daraufhin wird die Bedeutung der Beleuchtungsquelle als ein Mittel zum Emittieren von Licht von gemeinsamen Wellenlängenprofil erläu tert, und zwar entgegengesetzt zu der Strahlungsquelle. In Fig. 1 ist eine mögliche Anordnung der Mehrfachemitter und der Mehrfachdetektoren gezeigt. Die Fig. 2 und 3 zeigen mögliche Zuweisungen von Mehrfachfasern zu Mehrfachemittern und Mehrfachdetektoren. Fig. 5 ist schließlich ein Flußdiagramm, welches einen Überblick für ein mögliches Betriebsprogramm eines Instruments mit Mehrfachemittern und Mehrfachdetektoren vorsieht.

Im Anspruch 1 wird ausgeführt, daß Mittel vorgesehen sind, zum Betrieb durch Vorsehen von elektrischer Energie für jede Quelle für jede bestimmte Zeitperiode. Dies ist ein Aspekt der Erfindung, der für das Sammeln einer Anzahl gewichteter Integrationen erforderlich ist, und zwar gleich dem Produkt der Zahl der Detektoren mal der Zahl der Emitter. Mittel zum Sequentieren über ein diskreten Satz von Zuständen sind bekannt. Solche Mittel sind in Spektrophotometern erforderlich, welche diskrete Spektren vorsehen und zwar durch Verwendung eines abta stenden Monochromators. Auf dem Gebiet der Farbmessung sind der artige Mittel bekannt seit des Koppelns der GE Hardy und der Diano Hardy mit einem Digitalcomputer. Die Diskussion der Erfindung bezieht sich wiederholt auf die Berechnung der ge wünschten Ausgangsgröße aus mehrfachgewichteten Integrationen. Die Beschreibung eines möglichen Programms zur Ausführung dieser Mittel ist in Fig. 5 dargestellt. Obwohl die Verwendung eines Mikroprozessors nicht der einzige Weg ist, um diese Mittel vor zusehen, wird die Verwendung eines Computers der beschriebenen Art bevorzugt zur Steuerung und zur Berechnung bei der Anordnung und Beschreibung von Fig. 5.

Im Anspruch 1 wird auf Mittel Bezug genommen, um eine Wechselwirkung von Strahlungsenergie mit dem Objekt oder Material einer solchen Art und Weise zu gestatten, daß ein ge wisser Teils Strahlungsenergie zurückgeleitet wird. Dies wird durch die Beschreibung des Teil 1 in Fig. 1 erläutert und ferner durch die Beschreibung der Verwendung von Faseroptik für diesen Zweck auf der Seite 7 sowie in den Fig. 2, 3 und 4; ferner durch die Tatsache, daß ein Instrument zur Messung optischer Materialeigenschaften optisch mit dem Material gekoppelt sein muß.

Wie im Anspruch 1 gesagt wird, daß die elektrischen Signale wäh rend jeder Zeitperiode aufgezeigt werden, so ist dies eine übli che Ingenieurmaßnahme in jedem Instrument, welches rohe Daten bewahrt und zwar zur Durchschnittbildung, zur Filterung und zur darauffolgenden Berechnung oder zum Wiederaufrufen. Dies gilt für auf Mikroprozessor- oder Computerbasis arbeitende Instrumente, insbesondere für die meisten Spektrophotometer, Colorimeter, Densitometer, Radiometer, Chromameter, die in den letzten 10 Jahren hergestellt wurden. Es ist ferner allgemeine Praxis Analog-zu-Digital-Umwandler zu verwenden, um elektrische Signale aus den Detektoren umzuwandeln, und zwar in digitale Bitmuster, die in einem RAM eines Digitalprozessors gespeichert werden. Ferner sei in diesem Zusammenhang auf das spezielle Beispiel der Fig. 5 verwiesen, wo diese Signale als die Komponenten einer Anordnung I(d, s) im Speicher des Prozessors gespeichert werden. In diesem Beispiel bezeichnet die Indexvariable d eine spezielle Vorrichtung zum Vorsehen eines Ansprechens auf Strahlungsenergie aus der Vielzahl der Vorrichtungen, und die Indexvariable s bezeichnet eine bestimmte Strahlungsenergiequelle aus der Vielzahl von Quellen.

Wenn der Anspruch 1 beschreibt, daß aus jedem der aufgezeichne ten elektrischen Signale ein Wert berechnet wird, der eine ge wichtete Integration der Strahlungsenergie über die Wellenlänge ist, so findet sich die Grundlage dafür in folgendem:

1. Gemäß üblicher Ingenieurpraxis ist bei jedem Instrument, wel ches Chromatizitätskoordinaten liefert, die Normen von CIE- "Colorimetrie" zu berücksichtigen. Jedes Instrument, welches Dichtekoordinaten liefert, berücksichtigt die Normen von ANSI, wobei gleiches für Instrumente gilt, welche prozentuale Übertragungsspektra, prozentuale Reflektionsspektra oder radio metrische Energiespektra liefern. Die Komponenten einer gege benen Konstruktion können derart gewählt oder konstruiert sein, daß sie linear sind, was die Berechnung auf eine Einheitstransformation reduziert. In anderen Fällen kann die "Berechnung" in anderer Weise erfolgen. In jedem Falle, wenn eine Integration über die Wellenlänge erforderlich ist, macht die ordnungsgemäße Konstruktion erforderlich, daß jede Nicht- Linearität in der Dedektionsvorrichtung ordnungsgemäß gehandhabt wird. Im allgemeinen ist die Linearität von Detektoren ein un tersuchter Parameter, der in Lehrbüchern und Handbüchern der Hersteller von Detektoren diskutiert wird.
2. Sei auf die Diskussion auf Seite 11 in Punkt 5 hingewiesen, und zwar insbesondere den "Für einige Detektorarten . . ." begin nenden Satz.
3. Schließlich sei noch auf das spezielle Beispiel der Fig. 5 hingewiesen, in dem die Berechnung ausgeführt wird durch Subtraktion von D(d) von I(d, s).

Die Ausführungen im Anspruch 1, daß nämlich ein Satz von gewich teten Integrationswerten erzeugt wird, dessen Zahl gleich dem Produkt der Zahl der unterschiedenen Zeitperioden ist mit der Zahl der Vorrichtungen zur Umwandlung der Strahlungsenergie in elektrische Signale wird speziell gestützt durch die Seiten 4, 5 und 6 der Beschreibung, die Tabelle auf Seite 6 der Beschreibung und die Fig. 5 sowie die Beschreibung der Fig. 5 auf den Seiten 11, 12, 13.

Wenn im Anspruch 1 gesagt wird, daß die Berechnung aus dem Satz von gewichteten Integrationswerten des Satzes von mehrfachen Messungen durch Lineartransformation geschieht und zwar des Satzes von gewichteten Integrationswerten unter Verwendung vor bestimmter Transformationskoeffizienten, so ist dies im einzel nen an folgenden Stellen erläutert.

1. In der Diskussion auf den Seiten 3 und 4, wo ausgeführt ist, daß die Berechnung des Instruments dieser Klasse in der Sprache der linearen Algebra erfolgt. Auf dem Gebiet der linearen Algebra haben die Ausdrücke Vektorraum, Unterraum, Komponenten vektorenspanne, Lineartransformation und Transformations koeffizienten bestimmte Bedeutungen.
2. Die Diskussion auf den Seiten 10 und 11, welche fünf unter schiedliche allgemeine Bedingungen für die Bestimmung der Transformationskoeffizienten beschreibt. Die Fig. 5 und die Diskussion der Fig. 5 auf den Seiten 12 und 13, wo ein Überblick über ein spezielles Programm zur Durchführung der Lineartransformation gegeben wird.
3. Die Diskussion auf den Seiten 13, 14 und 15 welche eine Berechnung der Transformationskoeffizienten in der Sprache der Matrixalgebra liefert.

Was den Anspruch 2 anlangt, so beruht dieser unter anderem auf der Verfügbarbarkeit von lichtemittierenden Dioden als nicht an gebrachte Halbleiterchips, wie dies auf Seite 6 ausgeführt wird, wobei ferner auf die Identifikation von lichtemittierenden Dioden als bevorzugte Quellen hingewiesen sei. Die Identifikation der Stabilität von lichtemittierenden Dioden ist auf Seite 6, 7 beschrieben. Ferner sei auf das lichtemittieren den Element 2 in Fig. 1 hingewiesen. Die Diskussion auf den Seiten 4 und 5 besagt, daß die gewichteten Integrationen auf der Basis von Kosten und Vorrichtungsqualität ausgewählt werden kön nen.

Die Lehre des Anspruchs 4 beruht auf der Beschreibung des bevor zugten Ausführungsbeispiels, beginnend auf Seite 6. Der Anspruch 5 stützt sich insbesondere auf die Ausführungen auf den Seiten 6 und 7 sowie das Element 8 in Fig. 1, ferner auf die Diskussion der Typ 4-Eichung auf Seite 11, die Diskussion der Verwendung von thermischen Daten in Fig. 5 auf Seiten 12 und 13 sowie auf die Diskussion auf Seite 16. Anspruch 6 stützt sich auf die Diskussion auf den Seiten 6 und 7, die Diskussion der Typ 2- Eichung auf Seite 10, die Diskussion der Typ 5-Eichung auf Seite 11 und die Diskussion auf Seite 16. Anspruch 7 stützt sich auf die Diskussion auf Seite 6 und 7 und das Element 5 in Fig. 1. Anspruch 8 stützt sich auf die Diskussion solcher Instrumente in der Sprache der linearen Algebra auf den Seiten 3 und 4, was einen Zusammenhang mit den zu bestimmenden Koeffizienten vor sieht. Ferner sei auf die Diskussion der Typen 3, 4 und 5 der Eichung auf den Seiten 10 und 11 hingewiesen. Ferner auf die Beschreibung der Bestimmung der Koeffizienten auf den Seiten 13 bis 15, auf die Diskussion der Seite 16 und auf die allgemeine Verwendung der linearen Regression als ein Verfahren zur Bestimmung von Koeffizienten von Mehrfachlineargleichungen. Anspruch 9 stützt sich auf die Diskussion auf Seite 6, 7, auf Element 8 in Fig. 1, die Diskussion der Verwendung von Koeffizienten die durch die Temperatur indiziert in Fig. 5 und auf Seite 16, die Diskussion der Typ 4-Eichung auf Seite 11 und die Diskussion auf Seite 16. Anspruch 10 stützt sich allgemein auf Verfahren der linearen Interpolation. Anspruch 11 stützt sich auf die Diskussion auf Seite 7, die Fig. 2, 3 und 4 sowie die Diskussion auf den Seiten 8 und 9. Anspruch 12 stützt sich auf die Diskussion auf Seite 7, die Fig. 2, 3 und 4 sowie die Diskussion auf den Seiten 8 und 9. Anspruch 13 stützt sich auf die Diskussion auf Seite 7, die Fig. 4 sowie die Diskussion auf Seite 9. Anspruch 14 stützt sich auf die Diskussion auf Seite 7, Fig. 4 und die Diskussion auf Seite 9. Anspruch 15 sieht vor, daß Mehrfachvorrichtungen vorgesehen sind für die Umwandlung von Strahlungsenergie in elektrisches Signal, so daß jede Vorrichtung ein Ansprechen besitzt auf die optische Energie als eine Funktion der Wellenlänge, die sich unterscheidet vom Ansprechen auf optische Energie der anderen. Dies ergibt sich aus der Diskussion der Instrumente dieser Klasse als Generatoren von mehrfach gewichteten Integrationen über die Wellenlänge in der Sprache der linearen Algebra auf den Seiten 1 bis 4, die Diskussion der Auswahl der gewichteten Indikationen auf Seite 4 und 5, die Diskussion der Stabilität von Detektoren auf Seite 6, 7 sowie die Diskussion von Chromametern auf Seiten 12 und 13. Zu den Mitteln zum optischen Koppeln der Einrichtungen mit den Proben in Anspruch 15 sei bemerkt, daß ein Instrument zur Messung optischer Eigenschaften von Material optisch mit dem Material gekoppelt sein muß, ferner sei auf die Beschreibung von Element 1 in Fig. 1 hingewiesen sowie auf die Beschreibung der Verwendung von Faseroptik für diesen Zweck auf Seite 7 sowie die Fig. 2 und 3.

Hinsichtlich der Aufzeichnungen der elektrischen Signale sei auf das spezielle Beispiel der Fig. 5 verwiesen, in dem diese Signale als die Komponenten einer Anordnung im Speicher des Prozessors gespeichert sind.

Was die Berechnung eines Wertes aus dem eben aufgezeichneten elektrischen Signal anlangt, und zwar eines Wertes der eine ge wichtete Integration der Strahlungsenergie über die Wellenlänge ist, so sei auf die obigen Ausführungen verwiesen, ferner auf die Ausführungen auf Seite 11, und zwar speziell Punkt 5. Ferner sei auf das Beispiel der Fig. 5 hingewiesen, wo diese Berechnung ausgeführt wird durch Subtraktion von D(d) von I(s, d). Im übri gen sei hinsichtlich des Merkmals der Berechnung aus dem Satz von gewichteten Integrationswerten im Anspruch 15 auf die obigen Ausführungen im Zusammenhang mit Anspruch 1 hingewiesen. Was Anspruch 17 anlangt, so sei auf obige Kommentare zum Anspruch 5 hingewiesen, und was Anspruch 18 anlangt, so sei auf die obigen Kommentare zum Anspruch 6 hingewiesen. Was Anspruch 19 anlangt, so sei auf obige Kommentare zum Anspruch 7 hingewiesen und was Anspruch 20 anlangt, so sei auf obige Kommentare zum Anspruch 8 hingewiesen, was Anspruch 21 anlangt, so sei auf obige Kommentare zum Anspruch 9 hingewiesen, was Anspruch 22, 23 und 24 anlangt, sei auf die obigen Ansprüche 10, 11 und 13 hingewie sen.

Claims

1. Optische Spektralanalysevorrichtung für Messungen von opti schen Eigenschaften einer Probe, wobei die Vorrichtung folgendes aufweist:
eine Vielzahl von Strahlungsenergiequellen, eine Vielzahl von Einrichtungen für die Umwandlung von Strahlungsenergie in elek trische Signale, Mittel in jeder der Quellen zum Liefern eines Energiespektrums bezüglich der Wellenlänge, wobei das Spektrum unterschiedlich ist von dem Spektrum der anderen der Quellen, Mittel in jeder der Einrichtungen zum Vorsehen eines Ansprechverhaltens auf Strahlungsenergie als eine Funktion der Wellenlänge, das sich von dem Ansprechverhalten auf Strahlungsenergie von jeder der anderen Einrichtungen unter scheidet, und Mittel zum Betätigen der Vorrichtung
erstens durch Liefern von elektrischer Energie an jede der Strahlungsenergiequellen über jeweils bestimmte Zeiträume, während derer zumindest eine der anderen Strahlungsenergiequellen nicht mit elektrischer Energie versorgt wird, und
zweitens durch Leiten von durch die Quellen erzeugter Strahlungsenergie auf die Probe oder Gestatten, daß solche Strahlungsenergie mit der Probe zusammenzuwirkt, daß etwas Strahlungsenergie, die von der Probe reflektiert und/oder übertragen und/oder ausgesandt wird, zu den Einrichtungen zurückgeschickt wird, und
drittens durch Aufnehmen oder Aufzeichnen der elektrischen Signale von jeder Einrichtung für die Umwandlung von Strahlungsenergie in ein elektrisches Ausgangssignal während jedem derartigen Zeitraum, und
viertens durch Berechnen eines Wertes aus jedem aufgenommenen oder aufgezeichneten elektrischen Ausgangssignal, der eine gewichtete Integration von Strahlungsenergie über Wellenlänge ist, und somit Erzeugen eines Satzes von gewichteten Integrationswerten, deren Anzahl gleich dem Produkt aus der Anzahl der einzelnen Zeiträume und der Anzahl der Einrichtungen für die Umwandlung von Strahlungsenergie in elektrische Signale ist und
fünftens durch Errechnen aus dem Satz von gewichteten Integrationswerten den Satz von Mehrfachmessungen durch Lineartransformation des Satzes von gewichteten Integrationswerten unter Verwendung vorbestimmter Koeffizienten für die Transformation.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Quellen Umwandlungs einrichtungen sind von elektrischer in Strahlungsenergie.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, wobei zumindest zwei der Umwandlungseinrichtungen Leuchtdioden sind.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Strahlungs energiequellen und die Einrichtungen für die Umwandlung von Strahlungsenergie in elektrische Signale auf einem gemeinsamen Substrat angeordnet sind, das die mechanische Anordnung, elektrische Verbindungen und einen gemeinsamen thermischen Kontakt liefert.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, wobei eine temperaturempfindli che elektrische Einrichtung auch in thermischem Kontakt mit dem Substrat angeordnet ist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, wobei eine Vorrichtung zum Erzeugen oder Entfernen von Wärmeenergie in thermischem Kontakt mit dem Substrat ist.

7. Vorrichtung nach Anspruch 4, wobei die Strahlungsenergie quellen sowie die Einrichtungen und das gemeinsame Substrat mit einem Material abgedichtet sind, das für Lichtenergie der Wellenlängen, die für die durchgeführten Messungen von Interesse sind, durchlässig ist, das jedoch undurchlässig für Feuchtigkeit ist.

8. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Betätigungsmittel Mittel haben zum Berechnen der Koeffizienten der linearen Transformation zur Zeit der Herstellung der Vorrichtung durch Auf zeichnen eines Satzes von beobachteten gewichteten Integrationen für jede aus einer Anzahl von Objekten oder Materialien mit bekannten optischen Eigenschaften, und Berechnen der Koeffizienten der linearen Transformation mittels Techniken der vielfachen Regression.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, wobei eine Vielzahl von Sätzen von Koeffizienten berechnet wird, wobei jeder Satz bestimmt wird, während die Vorrichtung auf einer unterschiedlichen Temperatur gehalten wird gegenüber der Temperatur, die eingehalten wurde während der Bestimmung jeden anderen Satzes, und wobei die Betätigungsmittel Mittel haben zur Auswahl eines bestimmten Satzes von Koeffizienten aus einer Vielzahl von Sätzen als eine Funktion der Temperatur.

10. Vorrichtung nach Anspruch 9, wobei die Betätigungsmittel Mittel aufweisen für die Auswahl der Koeffizienten der linearen Transformation als eine Funktion der Temperatur durch Interpolation zwischen den Sätzen von Koeffizienten.

11. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei Strahlung durch mehrfache optische Fasern von den Quellen zu der Probe geleitet wird, wo bei die Fasern einen Kerndurchmesser haben, der zumindest 90% ihres Manteldurchmessers beträgt.

12. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei Strahlung mittels opti scher Fasern von der Probe zu den Einrichtungen für die Umwandlung von Strahlungsenergie in elektrische Signale geleitet wird.

13. Vorrichtung nach Anspruch 11, wobei die optischen Fasern starr angeordnet sind.

14. Vorrichtung nach Anspruch 11, wobei eine Vielzahl von Halbleiterchips die Strahlungsenergiequellen und die Einrichtungen liefern, wobei die Chips in körperlichem Kontakt mit den optischen Fasern sind.

15. Vorrichtung für die Bestimmung von mehrfachen Messungen von Strahlungsenergie, die von einer Probe ausgesandt wird, welche folgendes aufweist:
mehrfache Einrichtungen für die Umwandlung von Strahlungsenergie in elektrische Signale, Mittel zum optischen Koppeln der Einrichtungen an die Probe, Mittel in den mehrfachen Einrichtungen für die Umwandlung von Strahlungsenergie in elek trische Signale, die bewirken, daß jede Einrichtung für die Umwandlung von Strahlungsenergie in elektrische Signale ein Ansprechverhalten auf optische Energie als eine Funktion der Wellenlänge hat, das sich von dem Ansprechverhalten auf Strahlungsenergie der anderen Einrichtungen unterscheidet, und:
erste Mittel zum Beobachten und Aufzeichnen der elektrischen Ausgangsgröße jeder Einrichtung für die Umwandlung von Strahlungsenergie in elektrische Signale,
zweite Mittel zum Berechnen eines Wertes aus jedem aufgezeichneten elektrischen Signal, der eine gewichtete Integration von Strahlungsenergie über Wellenlänge ist, um einen Satz von gewichteten Integrationswerten zu erstellen, und
dritte Mittel zum Berechnen des Satzes von mehrfachen Messungen aus dem Satz der gewichteten Integrationswerte durch lineare Transformation mit vorbestimmten Koeffizienten des Satzes von gewichteten Integrationswerten.

16. Vorrichtung nach Anspruch 15, wobei die Einrichtungen für die Umwandlung von Strahlungsenergie in elektrische Signale auf einem gemeinsamen Substrat angeordnet sind, das eine mechanische Anordnung, elektrische Verbindungen und einen gemeinsamen ther mischen Kontakt vorsieht.

17. Vorrichtung nach Anspruch 16, wobei eine temperaturempfind liche elektrische Einrichtung ebenfalls in thermischem Kontakt mit dem Substrat angeordnet ist.

18. Vorrichtung nach Anspruch 17, wobei eine Einrichtung zum Bilden oder Entfernen von Wärmeenergie in thermischem Kontakt mit dem Substrat steht.

19. Vorrichtung nach Anspruch 16, wobei die Einrichtungen und das gemeinsame Substrat mit einem Material abgedichtet sind, das gegenüber Lichtenergie der Wellenlängen, die für die durchge führten Messungen von Interesse sind, durchlässig ist, das jedoch undurchlässig für Feuchtigkeit ist.

20. Vorrichtung nach Anspruch 15, wobei die Betätigungsmittel Mittel umfassen zum Berechnen der Koeffizienten des linearen Transformationsvorgangs zur Zeit der Herstellung der Vorrichtung durch Aufnehmen oder Aufzeichnen eines Satzes von beobachteten gewichteten Integrationen für jede aus einer Anzahl von Quellen mit bekannten optischen Eigenschaften, und Berechnen der Koeffizienten der linearen Transformation mittels Techniken der mehrfachen Regression.

21. Vorrichtung nach Anspruch 20, wobei die Berechnungsmittel folgendes aufweisen:
Mittel zum Berechnen einer Vielzahl von Sätzen der Koeffizienten, wobei die Sätze jeweils berechnet werden, während die Vorrichtung auf einer Temperatur gehalten wird, die unter schiedlich ist zu der Temperatur, die während der Berechnung je des anderen Satzes gehalten wurde, und
Mittel zum Einbeziehen eines bestimmten Satzes von Koeffizienten aus der Vielzahl von Sätzen in die dritten Mittel als eine Funktion der Temperatur, bei der die Vorrichtung arbeitet.

22. Vorrichtung nach Anspruch 21, wobei die Betätigungsmittel Mittel umfassen für die Auswahl der Koeffizienten der linearen Transformation als eine Funktion der Temperatur durch Interpolation zwischen den Sätzen der Koeffizienten.

23. Vorrichtung nach Anspruch 15, wobei Strahlung durch mehrfache optische Fasern von der Probe zu den Einrichtungen geleitet wird, wobei die Fasern einen Kerndurchmesser aufweisen, der zu mindest 90% ihres Manteldurchmessers beträgt.

24. Vorrichtung nach Anspruch 23, wobei die optischen Fasern starr angeordnet sind.