DE Patent 19962407 - Method to detect optical characteristics of reflective object, especially liquid crystal cell, as function of angle; involves measuring intensity of reflection as function of illumination angle

Description

Die gattungsbildenden Merkmale der beiden Hauptansprüche sind zur blickwinkelabhängigen Beurteilung optischer Eigenschaften einer Flüssigkristall-Zelle wie insbesondere des Reflexionsverhaltens und des Kontrasts (als dem Verhältnis der transmissiven oder reflektiven Lichtstärken in ihren beiden Schaltzuständen) bekannt.

Mit Beleuchtungs-Vorrichtungen in Form von innenseitig beleuchteten hohlen Reflektoren zur diffusen Bestrahlung eines elektrooptisch zu erfassenden Objektes befasst sich etwa die DE 29 20 2306 U1.

R. A. Cremers et al haben in “A new method for the characterization and avaluation of the optical appearance of reflective TN-LCDs”, DISPLAYS (1979) pp 14-16, einen goniometrischen Messaufbau mit einem einkanaligen Photometer beschrieben, das längs einer Kugelfläche einstellbar ist, um ein ausgewähltes Flächenelement der Zelle unter verschiedenen Blick- und Aufnahmerichtung zu erfassen.

Die eigenen DE 196 02 862 A1 und DE 196 37 131 A1 zeigen den Einsatz einer besonders hochaperturigen Fokussieroptik zur Transformation aller räumlichen Abstrahlungsrichtungen vor der Zelle in die Punkte-Verteilung einer flächigen Abbildung der blickrichtungsabhängigen Strahlungsintensität. Dabei liegt die Zelle in der objektseitigen Brenn-Ebene dicht vor der Optik, und die Abbildung entsteht in der bildseitigen Brennebene dicht hinter der Optik. Diese auch sogenannte konoskopische Abbildung, also die Transformation der Strahlen-Neigungen auf der Zelle in eine Punkte-Verteilung über der bildseitigen Brennebene der Optik, führt mit einem mehrkanaligen Detektor zur Aufnahme der Punkte-Verteilung rasch zu reproduzierbaren Aussagen über die wesentlichen blickrichtungsabhängigen Eigenschaften ausgewählter Flächenelemente der Zelle, da jeweils alle Blickrichtungen auf dieses Flächenelement simultan mit einer einzigen Messung erfasst werden. Dabei kann die Transformationsoptik zugleich der Beleuchtung eines Flächenelementes der Zelle mit einem in der Zelle zu reflektierenden, in der konoskopischen Abbildungsebene bezüglich seiner Einfallsrichtung auf die Zelle einstellbaren z. B. parallelen Teststrahl dienen.

Problematisch sind alle vorbekannten Anordnungen zum Messen optischer Eigenschaften bestrahlter reflektierender Körper jedoch insofern, als das Messergebnis in Betrachtungs- oder Aufnahmerichtung durch den überlagerten Einfluss direkter Spiegeleinstrahlungen in den Detektor verfälscht werden kann. Das fällt ganz besonders ins Gewicht bei der üblicherweise anzutreffenden reflektiv betriebenen Flüssigkristall-Zelle, da in ihr die Flüssigkristallschicht, die mittels Modulation einer im Regelfall zweifachen Durchstrahlung die visuelle Information vermitteln soll, in Betrachtungs- und Aufnahmerichtung unter einem Deck- oder Schutzglas liegt, auf dessen Oberfläche das Umgebungslicht reflektiert wird. Dadurch erreichen das Auge des Beobachters nicht nur solche Anteile reflektierten Lichtes, die lokal durch die Flüssigkristallschicht moduliert wurden und dadurch eine Information beinhalten, sondern auch solche, die bereits auf der davor gelegenen Oberfläche reflektiert wurden, also am Übergang von Luft zum Deckglas, bzw. zu einem darauf laminierten Polarisationsfilter für das Sichtbarmachen der Doppelbrechungserscheinungen im Flüssigkristall. Die eine Information vermittelnden Modulationen, welche die aus der Umgebung einfallende und dann hinter der Zelle wieder reflektierte Bestrahlung in der Flüssigkristallschicht erfährt, werden betrachterseitig dann von den Reflexionen überlagert, die das diffus in die Zelle einfallende Licht schon zuvor auf dem Deckglas erfährt. Dabei ist in vorliegendem Zusammenhang unter diffuser Bestrahlung zu verstehen, dass im einfallenden Licht möglichst gleichmässig alle Richtungen gleichermassen enthalten sein sollen. Daraus resultiert, dass jede Betrachtungsrichtung zwangsläufig auf einen dazu gerade spekularen Lichtstrahl aus der diffusen Bestrahlung trifft.

Besonders intensiv sind Oberflächenreflexionen also für die zur momentanen Aufnahmerichtung im diffusen Licht stets enthaltene Beleuchtungskomponente in spekularer Richtung, d. h. in der Aufnahmeebene der Beobachtungsrichtung zum Einfallslot diametral gegenüber (Ausfallswinkel gleich Einfallswinkel). Denn diese momentan spekulare Beleuchtungsrichtung aus der diffusen Bestrahlung wird, ohne Beeinflussung durch die Flüssigkeitsschicht in der Zelle, unmoduliert und direkt von der Zellen-Aussenfläche in den Detektor eingespiegelt und überlagert dort ansteurungsunabhängig die schwächere, ansteuerungsabhängig im Innern der Zelle modulierte Strahlung. Mangels erkennbaren Unterschieds zwischen angesteuertem und nicht angesteuertem Zustand (also mangels Kontrastes) der Zelle findet dann, infolge des dominierenden Einflusses des Spiegelstrahles, praktisch keine visuelle Informationsübermittlung mehr statt.

Der Betrachter einer LCD-Darbietung (etwa der elektrooptischen digitalen Anzeige einer Armbanduhr oder eines Telefondisplays) verändert in solchem Fall unwillkürlich die Betrachtungsrichtung, um aus der spekularen Reflexion heraus zu gelangen und damit wieder einen Kontrastzustand zu erreichen, in dem er die interessierende Information erkennen kann. Bei automatischen Messverfahren dagegen, etwa zur Qualitätsüberwachung solcher Displays, ist das Messergebnis unbrauchbar, wenn es durch die für die Qualitätsbeurteilung nicht relevante spekulare Reflexion überlagert wird, woraufhin an der Zelle praktisch kein Kontrast mehr messbar ist, so dass die Zelle unbrauchbar erscheint. Andererseits besteht schon angesichts der immer detaillierteren und strengeren arbeitsmedizinischen Vorschriften für Bildschirmarbeitsplätze ein grosser und noch steigender Bedarf an automatischen Prüfmethoden hinsichtlich reproduzierbarer und vergleichbarer Ergebnisse über die relevanten Eigenschaften von Displays wie insbesondere die visuelle Erkennbarkeit, also über den Kontrasteindruck an der Schnittstelle zwischen Mensch und Maschine.

Aber auch auf anderen Gebieten können Oberflächenreflexionen die Erkennbarkeit beeinträchtigen, weil das, was wirklich interessiert, unter einer spiegelnden transparenten Deckschicht liegt. Zu denken ist etwa an ein Objekt, dessen Oberfläche im Kampf gegen Produktpiraterie und Fälschungen zum Originalitätsnachweis unter einer transparenten Schutzschicht mit einer holographischen Herkunfts-Information ausgestattet ist. Die kann nicht für Kontrollzwecke optoelektronisch aufgenommen werden, wenn der Detektor zufällig gleichzeitig eine über die Schutzschicht spekulare Beleuchtungskomponente der Umgebungseinstrahlung erfasst. Bei Farbfotos oder in der Hochglanz-Drucktechnik ist eine automatisierte Qualitätskontrolle z. B. hinsichtlich Kontrasts und Farbsättigung insoweit nicht gewährleistet, als in den Detektor einspiegelnde Oberflächenreflexe aus der Umgebung den Testbereich, auf den der Detektor gerade ausgerichtet ist, überstrahlen. Bei Konsumgütern kommt es während der Montage oder des Austausches von Komponenten, etwa einer Autotür, darauf an, dass dessen Farbe in Einklang mit bestimmten Vorgaben steht, etwa mit der Farbe des Chassis übereinstimmt; was optoelektronisch insoweit nicht erfasst werden kann, als womöglich von einer schützenden Glanzschicht über der Lackierung gerade eine zur Blickrichtung spekulare Bestrahlungskomponente in den Detektor eingespiegelt wird.

In Erkenntnis dieser Gegebenheiten liegt vorliegender Erfindung die Aufgabe zugrunde, brauchbarere Verfahren – und Vorrichtungen zu deren praktischer Umsetzung – etwa für ein automatisierbares Gewinnen von gebrauchsrelevanten optischen Kennwerten reflektierender Körper wie beispielsweise zur Reflexions- und Kontrastbestimmung an reflektiv arbeitenden Flüssigkristall-Zellen anzugeben.

Gelöst wird diese Aufgabe nach den Hauptansprüchen erfindungsgemäss durch eine bestrahlungsseitige Maskierung der Art, dass aus der richtungsisotrop gleichförmig diffusen Bestrahlung der betrachteten Oberfläche diejenige individuelle Beleuchtungsrichtung abgeschattet wird, die dem spekularen Beleuchtungsstrahl zur momentanen Aufnahmerichtung des auf den Körper gerichteten Detektors gerade entspricht. Das wird nachstehend anhand eines Körpers in der Form einer Flüssigkristall-Zelle näher erläutert.

Zu solcher Unterdrückung einer störenden spekularen Reflexion an der betrachteten Oberfläche kann für eine gonioskopische Messung vorgesehen sein, den Körper über die bestrahlte reflektierende Innenfläche einer hohlen Halbkugel möglichst richtungsisotrop diffus zu beleuchten und durch diese Halbkugelfläche hindurch den Detektor auf die Oberfläche zu richten; wobei nun in spekularer Richtung bezüglich dieser Blickrichtung als Abschattungs-Maske ein nicht reflektierendes Flächenelement der Hohlkugel-Innenfläche vorgesehen wird. Diese Abschattung kann durch Paare von spiegelsymmetrisch zum Einfallslot auf die Zelle gelegenen diskreten Bohrungen in der Hohlkugel realisiert sein, so dass der Blick durch die eine Bohrung des jeweiligen Paares nach Reflexion an der Zellenoberfläche durch die andere Bohrung in die abgedunkelte Umgebung hinaus führt, also dort keine Reflexion erfährt und dementsprechend dort auch keine direkte Einstrahlung vom Innern der Hohlkugel aufnimmt; oder der Detektor wird z. B. längs eines vom Rand zum Pol der Halbkugel sich erstreckenden Schlitzes verschoben und verschiebt damit gegenläufig über eine der Hemisphäre folgende getriebliche Kopplung (wie man sie in der Ebene etwa als Scherengitter oder als gegensinnig parallel angetriebene Zahnstangen zur zentrierten Führung des Papiereinzugs an Telefax- und Kopiergeräten kennt) eine kleinflächige Maske zum Abschauen des spekularen Punktes in der Bestrahlungshemisphäre der reflektierenden Hohlkugel-Innenfläche, der in Richtung der Fortsetzung des Schlitzbogens jenseits des Schlitz-Apogäums oder Poles liegt.

Die Messwerte über Oberflächenreflexionen wie auch über die Reflexion im Innern einer Flüssigkristall-Zelle – aufgenommen z. B. in den beiden Schaltzuständen der Zelle zur Quotientenbildung als der rechnerischen Ermittlung des Kontrasts der visuellen Anzeige – werden jedoch zweckmässiger, anstatt nach der goniometrischen, nach der konoskopischen Methode gewannen. Bevorzugt erfolgt dabei die richtungs-isotrope, gleichförmig diffuse Bestrahlung der Zelle durch die gleiche grossaperturige Transformationsoptik hindurch, welche die Richtungsabhängigkeit des reflektierten Lichts in die sog. konoskopische Figur transformiert. Allerdings besteht auch jetzt wieder die messtechnische Problematik darin, dass für jede Aufnahmerichtung des Detektors auf ein Flächenelement der Zelle in deren diffuser Bestrahlung zwangsläufig auch eine spekulare Beleuchtungsrichtung existiert. Deren von der momentanen und wechselnden Ansteuerung der Zelle unabhängige, intensive Spiegelung auf dem Deckglas der Zelle führt zu einer deutlichen Reduzierung des Quotienten der aufgenommenen Helligkeitswerte für die beiden Schaltzustände, also wegen in beiden Schaltzuständen praktisch gleicher Helligkeit zu einem minimalen rechnerischen Kontrast der Zelle. Das macht wie schon erwähnt eine solche Messanordnung z. B. für eine automatische Qualitätskontrolle reflektiver Anzeigen eigentlich unbrauchbar. Diese Problematik ist aber erfindungsgemäss wieder dadurch gelöst, dass in der an sich isotropen (in allen Richtungen gleichförmigen) Bestrahlung ein kleiner zur Betrachtungsrichtung spekularer Raumwinkelbereich von Einfallsrichtungen durch Abschattung z. B. mittels einer Maske ausgeblendet wird, so dass für die momentane Betrachtungs- oder Aufnahmerichtung in das Messgerät kein spekularer Lichteinfall aus direkter Reflexion an der äusseren Oberfläche der Zelle auftritt.

Diese Abschattungs-Maske kann direkt in die bildseitige Brennebene der Transformationsoptik (oder in die Abbildungsebene einer ihr nachgeschalteten, gewöhnlich verkleinernden Abbildungsoptik für die konoskopische Figur) eingebracht werden. Denn nach dem Prinzip der konoskopischen Transformation entspricht jedem Punkt in dieser Abbildung eine Strahlrichtung in Bezug auf die Zelle, deren interessierendes Flächenelement in der objektseitigen Fokusebene der grossaperturigen Konvergenzoptik angeordnet ist. So wird eine Bestrahlungsrichtung des Objektes von einer Abbildungsebene her durch die Transformationsoptik hindurch für die zur momentanen Aufnahmerichtung spekulare Richtung mittels einer die Bestrahlung von einem Punkt der Abbildungsebene aus abschattenden Maske vor diesem Punkt in der Abbildungsebene verhindert.

Die konoskopische Figur, in welche die für das Abschauen von zu den Aufnahmerichtungen spekularen Beleuchtungsrichtungen verlagerbare Maske eingebracht wird, kann die im Hauptstrahlengang von der Transformationsoptik zum Detektor gelegene sein, die sowohl das am Objekt reflektierte Licht auf seinem Weg zur Detektor-Matrix wie auch schon zuvor die beleuchtende Bestrahlung auf dem Weg zum Objekt durchquert. Diese einen kleinen Raumwinkel abschaffende Maske kann aber auch in einer weiteren konoskopischen Abbildungsebene ausserhalb des Hauptstrahlenganges, in einem gesonderten, in jenen hineingeblendeten Beleuchtungsstrahlengang liegen, so dass dann das am Objekt reflektierte Licht ohne weitere Maskierung von der Detektor-Matrix aufgenommen werden kann.

Zur geometrisch definierten Abschattung kann eine starr geometrisch lichtundurchlässig konfigurierte Maske Einsatz finden, aber auch eine variable Maske, etwa ein optoelektronisches Lichtventil in Form einer LCD-Matrix, die für den zu einer bestimmten Messrichtung spekularen Raumwinkel aus der diffusen Bestrahlung lichtundurchlässig schaltet.

Wenn die Maskierung die Geometrie eines in der bildseitigen Brennebene der Transformations-Optik, also im konoskopischen Bild gelegenen lichtundurchlässigen radialen Streifens aufweist, der sich längs eines Azimutwinkels in der konoskopischen Abbildungsfigur speichenförmig vom Zentrum zu deren Rand hin erstreckt, dann sind aus der diffusen Bestrahlung des Objektes für diesen Azimut die spekularen Strahlen für gleich alle Aufnahme-Neigungswinkel ausgeblendet. Deshalb können nun für diesen Azimut unter keinem Aufnahmewinkel auf die Oberfläche des Objektes mehr spekulare Reflexionen auftreten. Bei Messungen in der konoskopischen Figur an Punkten längs der Verlängerung der abschaffenden Speiche, also dieser radialen Maske diametral gegenüber liegend, kommt deshalb nun keine spekulare Überstrahlung mehr vor.

Die in der konoskopischen Figur diametral gegenüber zunächst unter der Maske gelegenen Messpunkte werden danach erfasst, wenn die Maske dann azimutal um 180 DEG verdreht oder einfach in die Gegenrichtung umgeklappt wurde, bzw. das lokal abschaffende Lichtventil wird zentralsymmetrisch umgeschaltet, so dass dann die andere Hälfte der Neigungswinkel auf der Objektoberfläche flächig als konoskopische Punkte-Verteilung auf azimutal der selben Diametralen ungestört von spekularen Reflexionen hinsichtlich ihrer Intensitäten ausgemessen werden kann. Statt dieses Richtungswechsels um gleich 1801 kann aber auch vorgesehen sein, die radial abschattende Maske jeweils nur um einen kleineren azimutalen Winkelschritt weiterzudrehen, um so nach Massgabe der interessierenden Azimutauflösung die blickrichtungsabhängige Reflexstrahlung vom Objekt – stets ohne Überlagerung spekularer Beleuchtungsreflexion von ihrer Oberfläche – stern- oder speichenförmig umlaufend Punkt für Punkt in der Ebene der konoskopischen Figur aufzunehmen.

Für diese erfindungsgemäss unter Ausblenden spekularer Einstrahlung erfolgende Aufnahme der konoskopischen Abbildung des am Objekt reflektierten Lichts kann ein diskreter, einkanaliger Detektor vorgesehen sein, welcher eine dichte Folge von gerade nicht abgeschatteten aber von spekularer Reflexion freien Messpunkten in der konoskopischen Figur nacheinander abtastet. Zweckmässiger ist allerdings eine grossformatigere Abfrage der konoskopischen Figur mittels eines ortsauflösenden Detektors in Form eines eindimensionalen Arrays von Sensorelementen (z. B. in einer elektronischen Zeilenkamera) oder mittels eines zweidimensionalen Arrays (etwa in Form einer elektronischen Flächenkamera).

Schneller als selbst mit einer z. B. Schritt für Schritt erfolgenden motorischen Winkelveränderung der – einen Raumwinkel in der Bestrahlung abschattenden – Speichen-Maske lassen die Messpunkte sich – wieder ungestört durch spekulare Erscheinungen – detektorisch erfassen, wenn in der bildseitigen Brennebene der Transformationsoptik anstelle der verdrehbaren Speiche eine mechanisch verlagerbare oder elektrisch umschaltbare Matrix aus abwechselnd lichtdurchlässigen und lichtundurchlässigen Bezirken vorgesehen wird, um möglichst viele Punkte in der konoskopischen Figur mittels des Flächendetektors gleichzeitig erfassen zu können. Bei Maskierung im Hauptstrahlengang ist die umschaltbare Maske komplementär zum Zentrum der konoskopischen Figur. Das bedeutet, dass ein die – im übrigen gleichmässig diffuse – Bestrahlung in dieser Raumrichtung abschattender da nicht-transparenter Bezirk der Maske einem transparenten Bezirk diametral gegenüberliegt, um nur für die gerade jenem transparenten Bezirk zugeordnete Aufnahmerichtung dem vom Objekt reflektierten, von spekularem Anteil freie Licht den Weg zum Detektor freizugeben.

Die Dichte der Messpunkte kann bei solchen komplementären Masken verdoppelt werden, wenn jeweils eine Messung des reflektierten Lichts bei einer ersten Orientierung der Maske durchgeführt und die Maske dann so verdreht oder verschoben wird, dass an die zuvor transparenten Bezirke nun nicht-transparente treten, und umgekehrt. Wenn dieses Maskenmuster nicht diametral komplementär ist, kann es allerdings nicht im Hauptstrahlengang liegen, dann muss die Abschattung in einem externen Bestrahlungs-Strahlengang erfolgen. Im Beispielsfalle eines Schachbrettmusters wird zu jeder abgescharteten Bestrahlungs-Spiegelrichtung die Reflexstrahlung vom Objekt vom Detektor direkt aufgenommen, in der aufgrund der Abschattung wieder kein direkt gespiegeltes (spekulares) Licht enthalten ist. Sodann wird die schachbrettartige Maske um eine Teilung verschoben bzw. umgeschaltet, so dass nun die bisher abgeschatteten Bezirke für die Bestrahlung lichtdurchlässig sind, aufgrund der gegenüber gelegenen Abschattungen aber wiederum nicht durch direkt (spekular) auf dem Objekt reflektiertes Licht beaufschlagt werden.

Bei Maskierung im Beleuchtungsstrahlengang werden die Messpunkte in der konoskopischen Figur also an solche Stellen plaziert, die diametral zu den nicht lichtdurchlässigen Bezirken in der Maske liegen, weil dort direkte Spiegelreflexe von der Objektoberfläche unterdrückt sind. Wenn sich die einen Raumwinkel der Bestrahlung ausblendende Maske somit nicht im Hauptstrahlengang aus Beleuchtung und Reflex (z. B. vom Innern der reflektiv betriebenen Zelle) befindet, besteht keine Notwendigkeit zur komplementären Gestaltung der abwechselnd nur bereichsweise lichtdurchlässigen Maske. Vielmehr kann die Maske nun unter Berücksichtigung auch anderer Kriterien gestaltet werden. Die sind insbesondere Sicherstellung einer optimalen Isotropie (also einer geringstmöglichen Anisotropie) der diffusen Bestrahlung trotz daraus ausgeblendeter Raumwinkel. Zusätzlich können unerwünschte Reflexe etwa vom nicht idealen Linsensystem für die Transformation der Strahlwinkel in die Flächenkoordinaten der konoskopischen Figur unterdrückt werden, indem entsprechende Bezirke der Maske im externen Beleuchtungsstrahlengang zusätzlich lichtundurchlässig gestaltet werden. Wenn das Objekt eine TN-Flüssigkristallzelle ist, wird im externen Bestrahlungsgang zweckmässigerweise – in Abhängigkeit von den Streueigenschaften des Reflektors im Innern der Zelle hinter der Flüssigkristallschicht – ein bestimmter Mindestwert des Winkelabstandes zwischen dem Zentrum von beleuchteten und nicht beleuchteten Raumwinkeln realisiert.

Eine solche nicht mehr im direkten Strahlengang von der Zelle zum Detektor liegende Maske muss also nicht komplementär sein, sie kann auch spiegelsymmetrisch sein; sie kann also beispielsweise auch über die Erstreckung der Speiche diametral hinaus noch eine Abschattung aufweisen.

Alternativ zu elektrisch schaltbaren oder mechanisch zwischen mindestens zwei komplementären Konfigurationen verstellbaren Masken, die sich entweder im Haupt- oder im Beleuchtungsstrahlengang befinden, kann die Maskierung auch durch eine kontinuierlich rotierende Blende im Beleuchtungsstrahlengang und eine weitere kontinuierlich rotierende Blende im Hauptstrahlengang, dort in einer Abbildungsebene der konoskopischen Figur hinter der Einkopplung der Bestrahlung in den Hauptstrahlengang, realisiert werden. Beide Blenden, die etwa als radiale Streifen ausgebildet sind (z. B. radiale Abmaskierung im Beleuchtungsstrahlengang mit durchlässig radialer Streifenblende im Beobachtungs- oder Hauptstrahlengang; diese Blenden können aber auch diametral gestaltet sein), sind in ihrer Bewegung so synchronisiert, dass die Blende, die den Messstrahlengang freigibt, nur solches Licht durchlässt, das frei von spekularer Oberflächenreflexion ist; d. h. der Drehwinkel der Beleuchtungsmaske ist gleich dem Drehwinkel der Messmaske (ggf. mit einem Offset von 180 Grad).

Bezüglich weiterer Abwandlungen und Vorteile der erfindungsgemässen Lösungen wird auf die weiteren Ansprüche verwiesen, und auf nachstehende Beschreibung von in der Zeichnung unter Beschränkung auf das Wesentliche nicht ganz massstabsgerecht skizzierten bevorzugten Realisierungsbeispielen für Vorrichtungen zum Ausüben des erfindungsgemässen Verfahrens bei einem reflektierenden Objekt in Form einer reflektiv betriebenen Flüssigkristall-Zelle mit Deckglas. In der Zeichnung zeigt unter stark vergrösserter Berücksichtigung des Schichtenaufbaus der Zelle:

Fig. 1 den grundsätzlichen Strahlengang in einer goniometrischen Vorrichtung zum Ausüben des erfindungsgemässen Verfahrens mit punktförmiger Maskierung der Bestrahlungshemisphäre,

Fig. 2 den grundsätzlichen Strahlengang in einer konoskopischen Vorrichtung zum Ausüben des erfindungsgemässen Verfahrens mit speichenförmiger Maskierung der diffusen Bestrahlung aus der Ebene der konoskopischen Figur, ohne Darstellung eines Detektor-Array zur messtechnischen Abtastung der konoskopischen Figur,

Fig. 3 die azimutal einstellbare Speichenmaske aus dem Hauptstrahlengang gemäss Fig. 2 in Draufsicht,

Fig. 4 eine verschwenkbare Sechsecksmaske für den Hauptstrahlengang gemäss Fig. 2,

Fig. 5 eine erweiterte Speichenmaske in einem externen Strahlengang der Bestrahlung und

Fig. 6a/6b die beiden Stellungen einer linear verschiebbaren Schachbrettmaske für den externen Strahlengang.

Die in Fig. 1 im Längsschnitt durch ihre optische Achse 11 quer zur Aufnahmeebene skizzierte erfindungsgemässe Bestrahlungs-Vorrichtung 12 zum Ausüben des beanspruchten Messverfahrens dient der möglichst richtungs-isotropen, gleichmässig diffusen Bestrahlung 13 eines Test-Objektes, hier in Form einer reflektiv betriebenen Flüssigkristall-Zelle 14 mit ihrer elektrisch beeinflussbaren Flüssigkristallschicht 15 unter einem Schutz- oder Deckglas 16 und vor einem, hinter der Schicht 15 liegenden, Reflektor 17. Die in einem Flächenelement 18 der Flüssigkristallschicht 15 modulierte und dahinter reflektierte Bestrahlung 13 wird als von der Betrachtungs- oder Aufnahmerichtung 21 abhängige Reflexion 19 mittels eines Detektors 20 für verschiedene Aufnahmerichtungen 21-21 nacheinander aufgenommen und hinsichtlich ihrer Intensität über den Winkelkoordinaten messtechnisch ausgewertet.

Die Betrachtung eines Flächenelementes 18 der Zelle 14 unter dem Winkel der jeweiligen – zur Reflexion 19 entgegengesetzt gerichteten – Aufnahmerichtung 21 führt durch das Deckglas 16 hindurch. An dessen Oberfläche 22 tritt eine Spiegelung auf, die durch den spekularen, d. h. bezüglich des Betrachtungswinkels zum Einfallslot gerade winkelsymmetrisch in der Aufnahme- oder Neigungsebene des Detektors 20 (also in der Detektionsebene) gelegenen Strahl 23 charakterisiert ist. Der innerhalb der diffusen Bestrahlung 13 gerade in dieser Richtung auf die Zelle 14 einfallende (spekulare) Strahl 23 überlagert sich deshalb nach Oberflächenreflexion mit grosser Intensität der eigentlich nur interessierenden Reflexion 19 aus der erst dahinter gelegenen Flüssigkristallschicht 15 und bestimmt anstelle letzterer das mittels des Detektors 20 gewinnbare – nun infolge der von der elektrischen Zellenansteuerung unabhängig intensiven spekularen Anregung extrem verfälschte – Intensitäts-Messergebnis des Detektors 20.

Deshalb wird erfindungsgemäss der zur momentanen Aufnahmerichtung 21 spekulare Strahl 23 mittels einer in der Detektionsebene gelegenen Maske 24 aus der Bestrahlung 13 ausgeblendet. Die gleichmässig richtungsunabhängig diffuse Bestrahlung 13 der Zelle 14, durch welche die üblichen Umgebungsbedingungen des praktischen Einsatzes einer solchen Zelle 14 simuliert sind, wird dadurch hervorgerufen, dass die Zelle 14 etwa in der Basis 26 einer innen reflektierenden Kugelkappe 27 angeordnet ist. Deren innere Hemisphäre wird, vom azimutal oder äquatorial umlaufenden Rand der Basis 26 aus, von ringförmig umlaufenden oder diskreten Lichtquellen 28 (etwa einzelnen Lampen; oder Austrittsenden von Lichtleitfasern) angestrahlt. Deren Reflexionen ergeben die diffuse Bestrahlung 13. Der Detektor 20 ist innerhalb der Hohlkugelkappe 27 verschwenkbar angeordnet, oder er durchbricht sie, wie in der skizzierten Ausführung vorgesehen. In spekularer Richtung zur momentanen Position (Aufnahmerichtung 21) des Detektors 20 ist nun eine Reflexion in der Hohlkugel 27 unterbunden, um den spekularen Strahl 23 aus der Bestrahlung 13 auszublenden. Dafür ist die Hohlkugelkalotte 27 auch dort durchbrochen, oder vor ihrer reflektierenden Innenfläche ist dort die lichtundurchlässige und nicht reflektierende Maske 24 angeordnet. Die folgt betrachtungswinkelabhängig mittels einer gegenläufig zur Verschwenkung des Detektors 20 arbeitenden Getriebekopplung 25 der von der Neigung der Aufnahmerichtung 21 abhängigen Verschwenkung des spekularen Strahls 23. Dadurch ist sichergestellt, dass der Detektor 20 in allen Aufnahmerichtungen 21 stets nur die aus dem Innern der Zelle 14 stammende Reflexion 19 aufnimmt; diese kann nun nicht mehr durch Oberflächenreflexe spekularer Beleuchtungsanteile (23) überstrahlt werden.

Für ein kontinuierliches Verschwenken der Aufnahmerichtung 21 ist die Hohlkugelkappe 27 mit einem Schlitz 29 ausgestattet, der sich wenigstens angenähert von der Ebene der Basis 26 bis über den Pol 30 – als dem Apogäum oberhalb der Zelle 14 – hinaus bis gegenüberliegend zur Basis 26 zurück erstreckt. Der Schlitz 29 ist zweckmässigerweise mit einer zum Innern der Halbkugel 27 hin reflektierenden Abdeckung 31 versehen, die sich nach Massgabe der Verlagerung des Detektors 20 (und der damit mechanisch gekoppelten Maske 24) nach Art einer schuppenförmigen Jalousie oder wie skizziert eines Faltenbalges verschiebt, um die Hohlkugel-Innenfläche im Interesse möglichst ungestört diffuser Bestrahlung 13 nicht zu unterbrechen und zugleich das Innere der Hohlkugel 27 gegen externes Umgebungslicht abzuschirmen. Für Betrachtung der Zelle 14 unter einem anderen Azimut wird einfach die Hohlkugel 27 auf ihrer Basis 26 und somit der Schlitz 29 um die Achse 11 gegenüber der Zelle 14 oder aber die Zelle 14 selbst entsprechend peripher verdreht. So bleibt bei der goniometrischen Vermessung der optischen Zelleneigenschaften stets der spekulare Strahl 23 für die momentane Aufnahmerichtung 21 nach Azimut und Elevation automatisch ausgeblendet, aber im übrigen eine praktisch gleichförmig diffuse Bestrahlung 13 der Zelle 14 sichergestellt.

Für eine nicht gemäss Fig. 1 goniometrisch, sondern gemäss Fig. 2 bzw. Fig. 5 konoskopisch erfolgende Vermessung der blickwinkelabhängigen Reflexionseigenschaften wird die gleichförmig diffuse Bestrahlung 13 (Fig. 2) der Zelle 14 von der bildseitigen Brennebene 32 einer hochaperturigen fokussierenden Transformations-Optik 33 aus hervorgerufen, in deren objektseitiger Brennebene 34 dicht vor der Optik 33 die Zelle 14 angeordnet ist. Für diese diffuse Bestrahlung 13 der Zelle 14 ist als Beleuchtungs-Vorrichtung 12 in der bildseitigen Brennebene 32 der Transformations-Optik 33 eine grossflächige, kollimiert oder streuend strahlende Lichtquelle 38 angeordnet. Die Lichtquelle 38 muss nicht gemäss Fig. 2 hier körperlich gelegen sein, ihre Abstrahlung kann auch gemäss Fig. 5 von einem externen Lichtgenerator 39 stammen und in die Brennebene 32 eingespiegelt sein.

Die in der Flüssigkristallschicht 15 modulierten Reflexionen 19 werden von der Optik 33 nach Richtung und Intensität in deren Bild-Brennebene 32 als Verteilung unterschiedlich heller Punkte 35 abgebildet. In dieser sogenannten konoskopischen Figur entspricht also jeder Punkt 35 einem Abstrahl- bzw. Betrachtungswinkel (Strahl 19) bezüglich der Zelle 14. Erfindungsgemäss werden dabei wieder die zu den interessierenden Reflexionen 19 spekularen Strahlen 23 in der diffusen Bestrahlung 13 ausgeblendet. Dafür ist nun eine Maske 24 vorgesehen, die sich gewissermassen als radiale Speiche in der Bild-Brennebene 32 der Transformations-Optik 33 vom Zentrum der konoskopischen Figur bis zu deren Rand erstreckt, wie in Fig. 3 skizziert. Deshalb können beim sensorischen Erfassen der Messpunkte 35 in der konoskopischen Abbildungsebene 32 keine störenden, da schon unmittelbar an der Zellenoberfläche 22 reflektierten spekularen Strahlen 23 bezüglich derjenigen Mess-Punkte 35 mehr erscheinen, die auf dem der Maske 24 (links in Fig. 3) diametral gegenüberliegenden Radius liegen (rechts in Fig. 3).

Zum Erfassen von Mess-Punkten 35 auf einem anderen, dagegen verschwenkten Radius wird die Maske 24 um einen entsprechenden Azimutwinkel verdreht, um wieder den Raumwinkel der Bestrahlung 13 abzuschatten, aus dem spekulare Strahlen 29 an der Zellenoberfläche 22 in die interessierenden Reflexionen 19 aus der Zelle 14 einspiegeln könnten. Dafür ist die Maske 24 an einem Ring oder an einer im übrigen strahlungsdurchlässigen Scheibe 40 angeordnet, die beispielsweise (Fig. 3) mittels eines programmgesteuerten Motors 41 und ggf. über ein Ritzel um einen Winkelschritt weitergedreht wird, sobald die Punkte 35 längs eines Radius vom Detektor 20 (Fig. 5) erfasst wurden. So werden nach einer halben Umdrehung, also nach einem Azimut von 180 DEG , schliesslich auch diejenigen Messpunkte 35 für den Detektor 20 zugänglich, die anfangs von der Maske 24 verdeckt waren.

Die von der Optik 33 in der Bildebene 32 erzeugte konoskopische Figur (die richtungsabhängige Intensitätsverteilung von einander dicht benachbarten Punkten 35) kann in Verlängerung der speichenförmigen Maske 24 Punkt für Punkt von einem darüber hinweg bewegten einkanaligen Sensor (einem einzelnen Detektorelement) abgetastet werden. Unkomplizierter werden jedoch Lage und Helligkeit der Punkte 35 in der ersten konoskopischen Abbildungsebene 32 alle in einem Zuge von zeilen- oder flächenförmig im Array angeordneten Sensorelementen 36 des Detektors 20 (Fig. 5) aufgenommen. Dafür sind die Sensorelemente 36 entweder direkt in der ersten Abbildungsebene, also direkt in der bildseitigen Brennebene 32 der Transformations-Optik 33 angeordnet, oder die konoskopische Abbildung (d. h. die Verteilung der Punkte 19 und deren Helligkeiten) wird gemäss Fig. 5 aus der Bildebene 32 mittels eines Systems nachfolgenden Abbildungsoptiken 37 verkleinert auf ein z. B. längs der optischen Systemachse 11 abgesetztes Array von Sensorelementen 36 projiziert, etwa eine CCD-Flächenkamera. Die elektrischen Detektor- Ausgangssignale stellen deshalb ein Mass für die Strahlungsintensitäten der in der bestimmten azimutalen und elevativen Richtungen vom Flächenelement 18 der Zelle 14 ausgehenden Reflexionen 19 dar, die in einem nachgeschalteten Rechner analysiert und verarbeitet werden können, z. B. um Kontrastberechnungen durchzuführen.

Eine gemäss Fig. 4 gerasterte Maske 24 beschränkt den jeweiligen Messvorgang entgegen den Verhältnissen nach Fig. 2 nicht auf die längs eines Radius liegenden Punkte 35 der konoskopischen Abbildung, sondern erlaubt es, mit beispielsweise einer elektronischen Flächenkamera als dem Detektor 20 (Fig. 5) die gesamte Abbildung in einem Raster von im regelmässigen Sechseck rautenförmig gegeneinander versetzten Dreiecken zu erfassen. Die Rauten sind jeweils zur Hälfte maskiert, während die andere Hälfte strahlungsdurchlässig ist. Wie sich aus Fig. 4 im einzelnen ergibt, wechseln sich dadurch in einem regelmässigen Sechseck drei maskierte mit drei durchlässigen Dreiecken ab, so dass immer einem dreieckförmigen durchlässigen Bezirk – in Bezug auf einen Durchmesser durch die konoskopische Abbildung – diametral gegenüber ein gerade die spekulare Beleuchtungsrichtung (23 in Fig. 2) dazu abschaffendes Dreieck liegt. Durch azimutale Verdrehung der Maske 24 um 60 DEG wechseln die offenen mit den abschattenden dreieckförmigen Masken-Bezirken, so dass nun in einem zweiten Messvorgang die zuvor noch nicht erfassten Punkte der konoskopisch erzeugten Abbildung erfasst werden. Die messtechnische Auflösung ist also durch die Grösse der Dreiecke bestimmt; und infolge der gleichmässigen Verteilung von lichtdurchlässigen und undurchlässigen Bezirken über die Maske 24 ist die Beeinträchtigung der isotrop diffusen Bestrahlung 13 (Fig. 2) minimal.

Masken 24 nach Fig. 3 oder Fig. 4 können gemäss Fig. 2 im Hauptstrahlengang liegen (in Fig. 5 links berücksichtigt), wenn jedem undurchlässigen Bezirk ein “spekular angeordneter” durchlässiger (i. e. diametral komplementärer) Bezirk entspricht, durch welchen das optische Mess-Signal vom Abbildungspunkt 35 zum Detektor 20 (Fig. 5) gelangen kann.

Fig. 5 bringt zusätzlich zu den Gegebenheiten nach Fig. 2 als andere Bestrahlungsalternative zum Ausdruck, dass im Rahmen der erfindungsgemässen Beleuchtungs-Vorrichtung 12 eine Abschattungs-Maske 24 entgegen der Prinzipdarstellung der Fig. 2 (in Fig. 5 links berücksichtigt) nicht unbedingt in der Ebene 32 der ersten konoskopischen Figur angeordnet sein muss, also nicht unbedingt in der bei der Transformations-Optik 33 gelegenen bildseitigen Brennebene 32. Grössere konstruktive Freiheiten ergeben sich nämlich, wenn aus dieser ersten konoskopisch erzeugten Figur mittels wenigstens einer – gewöhnlich verkleinernden – Abbildungsoptik 37 ein Bild des Messflecks in eine weiter abgelegene Abbildungsebene 42 projiziert wird, in der z. B. eine einstellbare Blendenöffnung 43 zur Begrenzung des an der Zelle 14 erfassten Flächenelementes 18 und/oder das Array der Detektor- Sensorelemente 36 angeordnet sein kann. Eine verkleinerte Abbildung der konoskopischen Figur erfolgt mit der Kombination von Linsen 37-37 in eine noch weiter versetzte Ebene 42 der Sensorelemente 36 des Detektors 20.

Insbesondere ist in Fig. 5 vorgesehen, mittels eines Strahlteilers 44 etwa in Form eines halbdurchlässigen Spiegels oder Prismas eine weitere konoskopische Figur in eine Ebene 42 ausserhalb des Hauptstrahlenganges längs der optischen Systemachse 11 zu verlegen und – entgegen den Verhältnissen im Hauptstrahlengang nach Fig. 2, die in Fig. 5 vergleichshalber strichpunktiert berücksichtigt sind – in jener externen Ebene 42 den Lichtgenerator 38 durch die Abschattungs-Maske 24 hindurch einstrahlen zu lassen. Weil hier im gesondert herausverlegten Beleuchtungsstrahlengang 45 keine Abschattung auch des Detektors 20 durch die Maske 24 mehr auftritt, braucht die Maske 24 nun nicht mehr diametral, spekular komplementär ausgebildet zu sein, um in einem der Abschattung diametral gegenüberliegenden Bezirk das durch spekulare Strahlen 23 (Fig. 2) unbeeinflusste Ausmessen der blickrichtungsabhängig verteilten Abbildungspunkte 35 zu ermöglichen. Das ist in Fig. 5 mittels der nicht mehr nur radialen sondern nun diagonal durchgehenden Abschattung der Maske 24 symbolisch veranschaulicht, was vielfältige Möglichkeiten eröffnet, weitere (z. B. durch Nichtidealitäten im optischen System selbst, wie in Form von Reflexen im kompliziert zusammengesetzten Linsensystem, verursachte) Störeinflüsse durch lokale Beleuchtungs-Abschattung für das Messergebnis auszublenden.

Vergleichbare Verhältnisse wie bei Fig. 4 liegen insofern bei einer schachbrettartig gerasterten Maske 24 gemäss Fig. 6 vor, als durch Umschalten in eine komplementäre Konfiguration die Dichte der Mess-Punkte 35 wieder erhöht wird. Der Vergleich von Fig. 6a mit Fig. 6b zeigt, dass bei Linearverschiebung um eine Rastereinheit die zunächst offenen Positionen abgeschattet sind, und komplementär umgekehrt. Stets gehört zu einem offenen Feld ein abgeschattetes. Masken nach Fig. 6 können allerdings nicht im Hauptstrahlengang zum Detektor 20, sondern nur in einem externen Beleuchtungsstrahlengang 45 liegen, da sie keine diametrale Komplementarität aufweisen.

Stets wird also aus einer gleichmässig diffusen, alle praktisch vorkommenden Beleuchtungssituationen sowohl im Raum wie auch im Freien hinreichend erfassenden Bestrahlung 13 des gerade betrachteten Flächenelementes 18 eines Testobjektes, etwa einer reflektiv betriebenen Flüssigkristall-Zelle 14, erfindungsgemäss zumindest derjenige Raumwinkel mittels einer verlagerbaren Maske 24 abgeschattet, in dem sonst ein zur momentanen Detektor-Aufnahmerichtung 21 spekularer Strahl 23 auftreten und an der Oberfläche 22 genau in den Detektor 20 hinein gespiegelt werden würde. Dabei ist die Abschattung so kleinflächig, dass die richtungsmässige Gleichförmigkeit (Isotropie) der diffusen Bestrahlung 13 kaum spürbar beeinträchtigt wird. Das Verfahren ist sowohl bei goniometrischer wie auch bei konoskopischer Messung anwendbar. In letzterem Falle liegt die Abschattungs-Maske 24 in einer der Abbildungs-Ebenen 32, 42 der konoskopisch erzeugten Figur der die verschiedenen Aufnahmerichtungen 21 der Zelle 14 repräsentierenden Punkte- Verteilung 35-35, zweckmässigerweise in einem gesondert extern eingeblendeten Beleuchtungsstrahlengang 45 ausserhalb der Haupt-Strahlrichtung von der Transformations- Optik 33 zum Sensor-Array 36 des Detektors 20.

Das Verfahren ist nicht nur auf die Überprüfung des Kontrasts von Flüssigkristall-Zellen 14, sondern auf alle reflektierenden Objekte anwendbar, sondern insbesondere dann bedeutsam, wenn die Reflexionseigenschaften richtungsabhängig oder (wie z. B. bei holographischen Elementen) stark farblich modulierend sind. Die gleiche Problematik wie bei LCDs ergibt sich auch z. B. bei farbigen Lacken, die mit einem transparenten Schutzlack überzogen sind, bei Hochglanz-Farbphotos, etc.