DE3034544C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Gerät zur berührungslosen, numerischen Bewertung der Farbe oder einer Farbveränderung eines Gegenstandes nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Bekanntlich ist es oft wünschenswert, eine numerische Bewertung einer Farbe oder einer Farbveränderung eines Gegenstandes vornehmen zu können. Die Beobachtung eines Gegenstandes mit dem menschlichen Auge ermöglicht aber üblicherweise nur eine qualitative Bewertung. Dies hat zwei Nachteile: einerseits läßt sich eine qualitative Bewertung nicht objektivieren und andererseits kann das menschliche Auge nur schwer eine Aussage machen, die genau dem Zustand einer kleinen Zone entspricht, ohne von den Farben, welche die beobachtete Zone umgeben, beeinflußt zu sein. Notwendigerweise wird die Umgebung immer mit in Betracht gezogen, so daß die Ergebnisse der qualitativen Bewertung zum Großteil von den Kontrasten, die von den benachbarten Flächen geliefert werden, abhängen. Besonders wesentlich ist diese Erscheinung, wenn man beispielsweise die Röte der Haut, besonders nach einer Sonnenbestrahlung, untersucht. Die Beobachtung ist nicht nur allein von der Beleuchtungsintensität beeinflußt, sondern gleicherweise durch die Grundfarbe der bestrahlten Haut und durch den Kontrast zwischen der normalen und geröteten Haut.

Ein Gerät zur numerischen Bewertung der Farbe eines Gegenstandes sollte funktionieren, ohne daß es notwendig ist, es auf die zu untersuchende Stelle des Gegenstandes aufzulegen, weil die zu untersuchenden Gegenstände häufig in Bewegung, heiß oder radioaktiv sind.

Manche Gegenstände ändern ihre Farbe, wenn sie berührt werden. Dieses ist beispielsweise bei bestrahlter Haut der Fall, da ein auf sie ausgeübter Druck ein Bleichwerden bedingt, verursacht durch das Zusammenziehen der Kapillaren. Dieses ist auch der Fall bei Flüssigkristallen, die ihre Farbe in Abhängigkeit von dem auf sie ausgeübten Druck ändern.

Im Stand der Technik jedoch wird zur numerischen Bewertung einer Farbe der Gegenstand nacheinander mit Lichtstrahlen verschiedener Wellenlängen beleuchtet und das vom Gegenstand durch Reflexion und Diffusion zurückgeworfene Licht jeweils gemessen. Diese Arbeitsweise macht aber im wesentlichen einen genau bestimmten Abstand zwischen dem Meßgerät und dem zu untersuchenden Gegenstand notwendig derart, daß z. B. bei weichen Materialien diese unter eine Glasplatte gelegt werden müssen. Dadurch wird auf den zu untersuchenden Gegenstand ein geringer Druck ausgeübt, so daß diese Methode für Materialien, die ihre Farbe in Abhängigkeit von Druck ändern oder sich in Bewegung befinden, heiß oder radioaktiv sind, nicht geeignet ist. Darüber hinaus liefern bekannte Geräte Meßwerte, die von der Beleuchtung der Umgebung des gemessenen Gegenstandes abhängig sind.

Die DE-OS 27 26 606 betrifft ein Spektralfotometer, das aus einer Beleuchtungseinrichtung, einem Monochromator, mindestens einem Meßstrahlengang sowie einer Lichtmeßeinrichtung mit einer Anzeige besteht. Der Meßstrahlengang und der Beleuchtungsstrahlengang sind dabei als gemeinsamer Lichtleiter ausgebildet, wobei eine definierte Entfernung zwischen dem Ende des Lichtleiters und der zu messenden Oberfläche durch einen Distanzring vorgegeben ist. Um eine exakte Messung vorzunehmen, muß das Gerät mit dem Distanzring auf die Oberfläche des zu messenden Gegenstandes aufgelegt werden. Dieses Gerät besitzt daher ebenfalls die oben geschilderten Nachteile.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Gerät zur berührungslosen numerischen Bewertung der Farbe oder einer Farbveränderung eines Gegenstandes derart auszubilden, daß eine zuverlässige Messung ermöglicht wird.

Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Gerät der eingangs genannten Art mit den im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 angegebenen Merkmalen.

Bevorzugte und zweckmäßige Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Gerätes sind in den Unteransprüchen beschrieben.

Das erfindungsgemäße Gerät ist außerordentlich einfach herzustellen und zu handhaben, da es zur Durchführung der Messung ausreicht, das Ende der Faseroptik in die Nähe des zu beobachtenden Gegenstandes zu bringen, so daß die Messung ohne störende Einwirkungen infolge einer Berührung der Faseroptik mit dem Gegenstand erfolgt. Das Meßergebnis wird vorzugsweise numerisch auf einem digitalen Voltmeter angezeigt, das nach einer bestimmten Anzeigezeit sich automatisch auf Null zurückstellt und auf diese Weise eine große Anzahl von Messungen in sehr kurzer Zeit ermöglicht. Außerdem erfolgt die Messung nur an einer sehr begrenzten Zone des zu untersuchenden Gegenstandes, so daß die Meßwerte unabhängig von den Einflüssen der Umgebung der untersuchten Zone sind. Die mit dem erfindungsgemäßen Gerät erhältlichen Meßwerte sind weitgehend unabhängig von der Lichtemission, wenn man eine Veränderung der Farbe untersucht, d. h. wenn man einen Meßwert an einem kleinen Bereich des Gegenstandes bestimmt und ihn mit einem Meßwert vergleicht, der an demselben Gegenstand und mit derselben Lichtemission nach Veränderung der Farbe des beobachteten Bereiches gewonnen wird.

Mit Hilfe des erfindungsgemäßen Gerätes ist es insbesondere möglich, den Zustand der Haut zu überprüfen. Beispielsweise kann man den Einfluß von gefäßverengenden Mitteln, den Zustand eines Hautausschlages und den Zeitverlauf der Rückkehr der Haut zu ihrer ursprünglichen Farbe nach Ausübung von Druck, etc. bestimmen. Wenn das erfindungsgemäße Gerät zur Untersuchung der Haut benutzt wird, wird vorzugsweise ein optisches Filter verwendet, das durchlässig für das sichtbare Licht ist und ein Intensitätsmaximum im Gelben hat. Ein derartiges Filter ist für die Untersuchung der üblicherweise gelblichen Haut besonders geeignet, wobei man einen Wert von ungefähr 70 bis 80% des maximalen Wertes erhält. Bei der Untersuchung von Hauterythemen wird der erhaltene numerische Wert mit steigender Rötung der Haut geringer. Bei einem deutlich ausgebildeten Erythem ist ein Wert von ungefähr 10 bis 20% des Maximalwertes zu beobachten.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand einer in den Figuren gezeigten Ausführungsform erläutert.

Es zeigen

Fig. 1 die Kurven, welche die Intensität des vom Gegenstand reflektierten Lichtes L darstellen, das vom Fotodetektor bei gegebener Lichtemission in Abhängigkeit von der Entfernung d zwischen dem Gegenstand und dem Ende der Faseroptik aufgefangen wird. Jede der Kurven entspricht einer unterschiedlichen Farbe des zu untersuchenden Gegenstandes;

Fig. 2 die Spektralverteilung, die mittels des optischen Filters erhalten wurde, welches vor dem Fotodetektor angeordnet ist;

Fig. 3 das Blockschema des elektronischen Schaltkreises zur Verarbeitung des vom Fotodetektor erhaltenen Signals;

Fig. 4 die zeitliche Entwicklung der Signale in den verschiedenen Punkten des Blockschemas gemäß Fig. 3.

In der Zeichnung bedeutet 1 das emittierende-rezeptierende Element. Es umfaßt eine Lichtquelle, die die Emission weißen Lichtes ermöglicht, sowie ein optisches Filter, dessen Spektralmerkmale der Kurve gemäß Fig. 2 entsprechen. Der Lichtstrahl wird durch eine lichtabstrahlende Faseroptik geschickt, deren Ende hülsenförmig eine zweite (lichtaufnehmende) Faseroptik umgibt, die mit der ersten koaxial ist. Die beiden koaxialen Faseroptiken haben ein gemeinsames Ende 6, wobei die zweite Faseroptik dazu dient, das von dem zu vermessenden Gegenstand 7 reflektierte Licht aufzunehmen. Die zweite Faseroptik ist mit einem Fototransistor (Fotodetektor) verbunden. Bei dem Element 1 handelt es sich um eine handelsübliche Vorrichtung.

Infolge der Geometrie der Faseroptiken durchläuft das Licht, welches durch die emittierende periphere Faser ausgesandt wird und vom Gegenstand zurückgeschickt wird, die lichtaufnehmende Faseroptik nur unter bestimmten Winkelbedingungen derart, daß die vom Foto-Transistor festgestellte Lichtintensität ein Maximum durchläuft, wenn das gemeinsame Ende der Faseroptiken sich in einer Entfernung D vom zu untersuchenden Gegenstand befindet. Fig. 1 zeigt die Kurven, welche die vom Fotodetektor festgestellte Lichtintensität L in Abhängigkeit der Entfernung d zwischen dem Ende der Faseroptiken und dem Gegenstand darstellen. Die Entfernung D, bei der eine maximale Lichtaufnahme erfolgt, ist immer die gleiche für ein gegebenes Element 1. Die verschiedenen in Fig. 1 dargestellten Kurven zeigen die Lichtintensitäten, die vom Fototransistor in Abhängigkeit von der Farbe des Gegenstandes empfangen wurden. Der Gegenstand 7 befindet sich gegenüber dem Element 1. Wenn dieser Gegenstand eine Farbe hat, deren Wellenlänge dem Maximum der spektralen Verteilung des gewählten Filters entspricht, wird die Lichtintensität, die durch den Fototransistor aufgenommen wird, maximal sein, was der Kurve 2 entspricht. Im Gegensatz dazu wird die Lichtintensität, welche durch den Fototransistor aufgenommen wird, umso kleiner sein, je stärker sich die Farbe des Gegenstandes von dem Maximum der Farbe des Filters unterscheidet, die dem Maximum seiner spektralen Verteilung entspricht. Die Kurven 3, 4 und 5 zeigen die Lichtrezeptionsebenen für orange, rot-orange und rote Gegenstände, während die Kurve 2 einem gelben Gegenstand entspricht, wobei das Filter auf gelb zentriert ist wie aus Fig. 2 ersichtlich. Der Wert der Maxima der Kurven 2, 3, 4 und 5 stellt demzufolge eine Bewertung der Farbe des Gegenstandes 7 dar. Selbstverständlich sind die numerischen Werte, die diesen Maxima entsprechen, im wesentlichen von der Natur des Filters abhängig, der zur Bestimmung verwendet wurde. Wenn sich jedoch die Farbe desselben Gegenstandes verändert und man dasselbe Gerät zur Messung verwendet, wird der Vergleich der Ergebnisse der zwei Messungen eine Bewertung der Farbveränderung ergeben, die viel weniger von der Natur der verwendeten Lichtquelle abhängt.

Zum Ausführen der Messung ist es ausreichend, das Ende 6 der koaxialen Faseroptiken dem Gegenstand 7 zu nähern, entweder bis zur Berührung des Gegenstandes, falls nichts gegen eine solche Berührung einzuwenden ist, oder bis auf eine Entfernung von einigen Millimetern, falls man eine Berührung mit dem Gegenstand vermeiden soll. Während dieser Annäherung liefert der Fototransistor ein Signal, welches in dem Zeitpunkt, in welchem das Ende 6 der Faseroptiken sich in einer Entfernung D vom Gegenstand 7 befindet, ein Maximum hat. Wie erläutert, gewährleistet das Gerät die Durchführung einer Messung in dem Zeitpunkt, in welchem die Entfernung D erreicht ist.

Diese Arbeitsweise ist besonders bei der Untersuchung von Hauterythemen vorteilhaft. In diesem Fall kann nämlich das Ende der Faseroptiken die Haut berühren, obwohl diese Berührung die Haut erblassen läßt und demzufolge die Farbe der beobachteten Zone verändert wird, weil die Messung bereits zu einem Zeitpunkt erfolgt, in welchem die Berührung noch nicht stattgefunden hat und demzufolge die Haut ihre ursprüngliche unveränderte Farbe hat.

In Fig. 3 ist das Schema der elektronischen Schaltung dargestellt, welche die Messung im Augenblick ermöglicht, in welchem das Ende 6 der Faseroptiken sich in einer Entfernung D vom Gegenstand 7 befindet. Das vom Fototransistor des Elementes 1 gegebene Signal wird in einen Verstärker 8 geschickt, dessen Ausgang die Zuleitung zu einem Spitzenwertdetektor 9 umfaßt. Der Spitzenwertdetektor enthält in üblicher Weise einen Kondensator mit einer großen Zeitkonstante, beispielsweise von 10 Sekunden, was dazu führt, daß dieser Kondensator sich sehr langsam entlädt. Das vom Verstärker 8 erhaltene Signal ist unter A in Fig. 4 für jenen Teil dargestellt, der dem Erreichen des Maximums entspricht (in dem Zeitpunkt, in welchem das Ende 6 der Faseroptiken sich in einer Entfernung D von Gegenstand 7 befindet). Das vom Spitzenwertdetektor 9 ausgehende Signal ist unter B in Fig. 4 dargestellt. Dieses Signal wird in einen Analog/Digital- und Digital/Analog-Umformer 10 geschickt. Der Umformer 10, wenn er auf Null zurückgestellt ist, lädt einen Speicher mit der Frequenz seiner inneren Uhr und verwandelt den Inhalt des Speichers in eine analoge Ausgangsspannung und vergleicht die Ausgangsspannung mit der Eingangsspannung, wobei das Laden des Digitalspeichers fortgeführt wird, bis die Ausgangsspannung mit der Eingangsspannung gleich ist. In diesem Augenblick blockiert sich der Umformer 10, bis er einen Impuls zur Zurückstellung auf Null erhält. Die vom Umformer 10 gelieferte Ausgangsspannung wird zu einem Digitalvoltmeter 11 geleitet, das die Anzeigevorrichtung darstellt.

Der Ausgang des Verstärkers 8 wird ebenfalls auf eine Vergleichsvorrichtung 12 geleitet, deren zweiter Eingang die Ausgangsspannung des Spitzenwertdetektors 9 empfängt, verändert durch einen Proportionalitätsfaktor kleiner als 1 mittels einer Verteilerbrücke 13. In diesen Beispielen beträgt der gewählte Proportionalitätsfaktor 0,75. Der Ausgang der Vergleichsvorrichtung 12 ist ein Signal, das sich auf einem hohen Niveau befindet, solange die vom Verstärker 8 gelieferte Spannung höher ist als jene, die von der Verteilerbrücke 13 kommt, und das in dem Zeitpunkt, in welchem der Wechsel stattfindet, auf einen niedrigen Pegel umkippt. Dieses Signal ist unter C in Fig. 4 dargestellt. Die absteigende Front des Signals zeigt also an, daß das Maximum des vom Fototransistor des Elements 1 erhaltenen Signals durchlaufen ist und man den gespeicherten Wert des Spitzenwertdetektors 9 in den Umformer 10 laden kann. Die Verwendung eines Proportionalitätsfaktors von 0,75, der an der Verteilerbrücke 13 auftritt, ermöglicht es, den Einfluß eventueller Störeffekte zu verhindern. Der Ausgang der Vergleichsvorrichtung 12 betätigt eine monostabile Einrichtung 14, dessen Ausgangssignal unter D in Fig. 4 dargestellt ist. Das von der monostabilen Einrichtung 14 erhaltene Signal wird zum Umformer 10 geschickt und stellt die Rückstellung des Umformers auf Null dar. Dies ermöglicht das Laden des Digitalspeichers des Umformers mit einer Frequenz, die seinem internen Taktsignal entspricht. Das Laden findet in höchstens 150 Nano-Sekunden statt. Wenn die Ausgangsspannung des Umformers 10 gleich der Eingangsspannung ist, blockiert sich der Umformer 10 derart, daß die Anzeige auf dem Voltmeter 11 konstant bleibt. Diese Anzeige ändert sich nur während der Zeit des Ladens des Umformers 10. Das Signal beim Ausgang des Umformers 10 ist unter E in Fig. 4 dargestellt, die Ladungszeit des Umformers wurde jedoch erheblich vergrößert, um sie auf der Zeichnung sichtbar machen zu können.

Die monostabile Einrichtung 14 schaltet einen Verzögerungskreis 15 ein, der zwei Verzögerungen auslöst. Die erste Verzögerung entspricht einem in Fig. 4 unter F dargestellten Signal, wobei nach einer Zeit t₁, nach der von der monostabilen Einrichtung 14 gegebenen absteigenden Front des Impulses, das Signal der ersten Verzögerung eine steigende Front zeigt, die zum Transistor 16 geschickt wird, der mit der Kapazität des Spitzenwertdetektors 9 in Shunt-Schaltung ist. Das erste Verzögerungssignal ruft also eine Null-Einstellung des Ausganges des Spitzenwertdetektors hervor, was aber den Ausgang des Umformers 10 nicht beeinflußt, weil der Umformer nach Beendigung seines Aufladens blockiert ist. Das Null-Stellen des Ausgangs des Spitzenwertdetektors 9 zieht auch den Durchgang des Ausgangs der Vergleichsvorrichtung 12 auf einem hohen Pegel nach sich. Im beschriebenen Beispiel beträgt die Zeit t₁ ungefähr 20 Mikrosekunden. Das zweite Verzögerungssignal ist in Fig. 4 unter G dargestellt. Dieses Signal zeigt eine steigende Front bis zu einer Zeit t₂ nach der durch die von der monostabilen Einrichtung 14 erzeugten fallenden Front des Impulses. Diese steigende Front löst mittels des Übergangs 17 die Null-Stellung des Voltmeters 11 aus. Das Ausgangssignal des Übergangs 17 ist in Fig. 4 auf der Linie H dargestellt. Das zweite Verzögerungssignal stellt einen Spitzenwert dar und seine absteigende Front löst die Null-Stellung des Signals aus, das der ersten Verzögerung entspricht. Das vom Übergang 17 gegebene Signal kommt in Null-Stellung im Augenblick der absteigenden Front des von der monostabilen Einrichtung 14 gegebenen Impulses. Das vom Übergang 17 gegebene Signal befindet sich also während der Zeit t₂ auf seinem niedrigen Pegel und man wählt die Zeit t₂ in der Größenordnung von 20 Sekunden. Dies gestattet dem Benutzer des Gerätes 20 Sekunden lang über die Meßanzeige auf dem Voltmeter 11 zu verfügen. Nach 20 Sekunden kommt die Anzeige des Voltmeters 11 wieder in Null-Stellung. Es ist auch eine optische Anzeige 18 vorgesehen, indem eine Signallampe anzeigt, ob das Gerät in Tätigkeit ist und Messungen ausführt, während eine andere Signallampe anzeigt, daß das Gerät unbenutzt ist und eine neue Messung vorgenommen werden kann.

Claims (8)

1. Gerät zur berührungslosen, numerischen Bewertung der Farbe oder einer Farbveränderung eines Gegenstandes mit einer Lichtquelle zum Beleuchten des Gegenstandes, mit einem Fotodetektor zum Aufnehmen des vom Gegenstand reflektierten Lichts, mit einer der Lichtquelle und dem Fotodetektor zugeordneten Faseroptik, an deren einem Ende die Lichtstrahlung ausgesandt und zugleich das reflektierte Licht aufgenommen wird, und mit einer Anzeigevorrichtung, dadurch gekennzeichnet, daß das lichtabstrahlende und lichtaufnehmende Ende (6) der Faseroptik während der Messung senkrecht zum Gegenstand (7) verschiebbar ist und daß eine Detektorschaltung mit einem Spitzenwertdetektor (9) vorgesehen ist, die derart ausgebildet ist, daß sie den bei Annäherung an den Gegenstand (7) auftretenden Maximalwert des Fotodetektor-Ausgangssignales selbsttätig feststellt und ein diesem Maximalwert entsprechendes Signal der Anzeigevorrichtung (11) zuführt.

2. Gerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Fotodetektor ein optisches Filter aufweist, dessen verwendete mittlere Wellenlänge nahe der Wellenlänge liegt, die der normalen, nicht veränderten Farbe des Gegenstandes entspricht.

3. Gerät nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Fotodetektor ein optisches Filter mit einer spektralen Verteilung aufweist, die ähnlich derjenigen ist, die der Empfindlichkeit des menschlichen Auges entspricht.

4. Gerät nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Spitzenwertdetektor (9) einen Analogspeicher enthält.

5. Gerät nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Spitzenwertdetektor (9) mit dem Eingang eines Analog/Digital- und Digital/Analog-Umformers (10) verbunden ist, dessen Ausgang mit der Anzeigevorrichtung (11) verbunden ist.

6. Gerät nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Anzeigevorrichtung (11) ein Voltmeter umfaßt.

7. Gerät nach einem der Ansprüche 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß eine Vorrichtung (13), die das Ausgangssignal des Spitzenwertdetektors (9) mit einem Proportionalitätsfaktor kleiner als 1 verändert, sowie eine Vergleichsvorrichtung (12) vorgesehen sind, welche das veränderte Ausgangssignal des Spitzenwertdetektors (9) mit einem vom Fotodetektor bestimmten Signal vergleicht und im Zeitpunkt der Übereinstimmung die Zurückstellung des Umformers (10) auf Null, den Beginn einer ersten Verzögerung, an deren Ende eine Zurückstellung auf Null des Spitzenwertdetektors (9) stattfindet, und den Beginn einer zweiten Verzögerung, an deren Ende eine Zurückstellung auf Null der Anzeigevorrichtung (11) stattfindet, auslöst.

8. Gerät nach einem der Ansprüche 1 bis 7, verwendbar für Untersuchungen der Haut, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtemission praktisch total im sichtbaren Spektrum mit einem Maximum im Gelben stattfindet.