AT502094B1 - Verfahren zur analyse der oberflächeneigenschaften eines materials - Google Patents

Description

2 AT 502 094 B1

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Analyse der Oberflächeneigenschaften eines Materials, insbesondere eines Formteiles. Unter „Formteile“ sind beispielsweise und insbesondere plane oder geformte Folien, Platten, Bleche aus verschiedenen Materialien, z.B. aus Kunststoff oder Metall, zu verstehen. 5

Der erste Eindruck eines Erzeugnisses wird stark von dessen Oberflächenqualität geprägt. Eine gleichmäßige Oberflächenstruktur gilt bei den meisten Produkten als Qualitätsmerkmal und wird von zahlreichen Produktionsfaktoren bestimmt. Das menschliche Auge in Zusammenhang mit dem Gehirn gilt dabei nach wie vor als differenziertestes optisches Messsystem. Dennoch ist io eine rein auf visueller Oberflächenbeurteilung basierende Charakterisierung aus folgenden Gründen unzureichend. Zum Ersten ist das Ergebnis vom Sehvermögen des Beobachters und dessen Tagesform abhängig. Zum Zweiten beeinflussen Erfahrung und Stimmungslage die Akkomodation des Auges in erheblichem Maße, und zum Dritten sind subjektive Qualitätsparameter Modetrends unterworfen, die sich, geprägt durch die moderne Medienvielfalt, in immer 15 schnellerem Tempo ändern.

Aus diesem Grund ist man seit rund 30 Jahren bestrebt, objektive Eigenschaftsparameter für Oberflächen bestimmter Strukturierungen zu definieren, wobei ein umfassendes Verständnis um das Zustandekommen eines bestimmten visuellen Eindrucks einer Oberfläche eine notwen-20 dige Voraussetzung ist. Dass dabei das Erscheinungsbild von zahlreichen sich überlagernden Faktoren, wie Auflösungsvermögen, Trübung und Welligkeit, bestimmt wird, macht die mathematische Modellierung äußerst komplex.

Das auf eine Oberfläche einfallende Licht wird abhängig vom verwendeten Material auf unter-25 schiedliche Weise in unser Auge bzw. den Detektor eines Messsystems reflektiert. Wenn z.B. das Licht von einem intransparenten Substrat reflektiert wird, ergibt sich das Erscheinungsbild ausschließlich aus der Oberflächenstruktur. Im Fall des Lichteinfalls auf Farbpartikel unterschiedlicher Größe, die in einer transparenten Matrix dispergiert sind, werden neben den Partikeleinflüssen auch Einflüsse des darunter liegenden Substrates wirksam. Dies ist bei lackierten 30 Oberflächen der Fall. Ein weiteres Beispiel ist der Lichteinfall auf ein mehrlagiges Schichtsystem mit einer transparenten Oberflächenschicht und einer darunterliegenden farbgebenden Compositeschicht.

Den zuvor genannten Faktoren überlagert sich gegebenenfalls eine Welligkeit der Oberfläche. 35 In der Modellvorstellung kommt es durch die Summe dieser Faktoren zu „ebenen Flächenstücken“ unterschiedlicher Orientierung im Raum, durch die das Licht mit einer bestimmten Intensitätsverteilung in unser Auge reflektiert wird.

Daraus resultieren helle und dunkle Stellen an den Kanten einer in einer welligen Oberfläche 40 gespiegelten Lichtquelle. Horst Schene hat im Rahmen seiner Dissertation diese Thematik am Beispiel von lackierten Automobilblechen bearbeitet. Er ermittelte Erscheinungsbildparameter über den Vergleich mechanischer Tastschnittaufnahmen mit einem optisch-physiologischen mathematischen Modell (Schene H., (1990), "Untersuchungen über den optisch-physiologischen Eindruck der Oberflächenstruktur von Lackfilmen", Springer Verlag, Berlin, D.). Diese 45 Dissertation, sowie weitere auf mechanischer Oberflächendetektion basierende Arbeiten (Prov-derT., Kunz B., (1996), Prog. Org. Coatings., 27, p. 219-226; Osterhold M., (1996), Prog. Org. Coatings, 27, p. 195-200; Bley H., (1990), „Oberflächenmesstechnik“, Skriptum, Lehrstuhl für Fertigungstechnik, Universität des Saarlandes, D.), lieferten zwar erste Hinweise für den Zusammenhang zwischen der Oberflächentopografie und dem Erscheinungsbild, zeigten aber ihre so Grenzen in den folgenden Punkten:

Zum einen liegt die Auflösung von mechanischen Tastschnitten sehr deutlich über den kleinsten optisch wirksamen Strukturgrößen und noch deutlicher über der Lichtwellenlänge, wodurch wesentliche erscheinungsbildrelevante Informationen über die Mikrostruktur nicht erfasst wer-55 den. Zum anderen wird die Oberfläche durch nur wenige ausgewählte eindimensionale Schnitte 3 AT 502 094 B1 erfasst, was als Grundlage für die Modellierung des menschlichen Seheindrucks einer Oberfläche nicht ausreichend ist.

In der Folge wurde eine bessere Objektivierung der Erscheinungsbilderfassung über Reflekto-5 meter- bzw. Glanzmessungen gesucht (Nadal M.E., Thompson A., (2001), J. Coatings Techn., 70, 917, p. 73-80; Nadal M.E., Thompson A., (2000), J. Coatings Techn., 72, 911, p. 61-66; Schneider M., Schieweck J., Öhring M., Schumacher M., Czepluch W. (1999), „Untersuchung zur Entstehung des visuellen Glanzeindruckes aus den Eigenschaften der Lackoberfläche; Zusammenhang zwischen Beobachtung und physikalisch messbaren Glanzparametern“, Re-io port, Fraunhofer Institut Produktionstechnik und Automatisierung (IPA), Stuttgart, D; Proctor J. E., Barnes, P. Y., (1996), J. Res. Natl. Inst. Stand. Technol., 101, p. 619-627; Fensterseifer F., (1994), I-Lack, 1/94, p. 10-13; Lex K„ (1992), I-Lack, 9/92, p. 306-310; Czepluch W., (1990), I-Lack, 4/90, p. 149-153; Simpson L. A., (1978), Prog. Org. Coatings, 6, p.1-30). Bei diesem Verfahren trifft das Licht durch eine erste Apertur unter einem Winkel von α=20°, a=60° oder 15 a=85° auf die Oberfläche. Die gerichtete Komponente des von der Probe reflektierten Lichts trifft durch eine weitere Apertur definierter Größe auf einen Photosensor.

Gonioreflektometer ermöglichen zusätzlich einen Scan über einen bestimmten Winkelbereich und speichern die gemessenen Reflexionswerte in der Reflexionsindikatrix in Abhängigkeit vom 20 Lichteinfallswinkel. Damit konnten erstmals reproduzierbare Parameter für den bis heute schwierig zu definierenden Begriff „Glanz“ gewonnen werden. Allerdings wird durch dieses Verfahren der wesentliche Aspekt der unterschiedlichen Oberflächenwelligkeitsklassen nicht berücksichtigt. Eine eindeutige Identifizierung und Parametrisierung eines bestimmten Oberflächenerscheinungsbildes durch die Reflexionsindikatrix ist damit nicht möglich (Czepluch W., 25 (1990), I-Lack, 4/90, p. 149-153). Zudem wird ein Teil des diffusen Streulichts aufgrund seiner geringen Intensität nicht erfasst.

Unter Berücksichtigung dieser Aspekte wurde von der Byk-Gardner GmbH das WAVE-SCAN Gerät entwickelt (Dreybrodt W., Nägele M., Lengsfeld M., Ankele G., Schwank K., Schermuly 30 F.P., (1998), „Messung der Verlaufsstruktur bei matten Lackoberflächen“, Report, Universität

Bremen, OptoPrecision GmbH, Bremen, D, MS Messtechnik Schermuly, Dortmund, D.; Hent-schel G., Lex K., (2002), „Weiterentwicklung der Messtechnik zur Bewertung von Glanz und Verlaufsstruktur“, Report, Geretsried, D.). Dabei wird die Oberfläche von einem Laser unter a=60° beleuchtet, während das Gerät über eine Strecke von 10 cm über die zu vermessende 35 Oberfläche bewegt wird. Mit Hilfe eines Systems aus mehreren Detektoren wird die durch die Oberflächenstruktur verursachte Intensitätsschwankung gemessen und ausgewertet. Als Ergebnis erhält man Informationen über die relative Verteilung einzelner Welligkeitsklassen basierend auf einem linearen Scan. Mit anderen Worten wird eine „optische Tastschnittmessung“ vorgenommen. 40

Die genannten Methoden haben eine wesentliche Gemeinsamkeit: Die zu analysierende Probenoberfläche wird durch einen eindimensionalen Linien-Scan erfasst. Unser Auge erfasst unsere Umgebung im Gegensatz dazu in Form eines zweidimensionalen analogen Flächen-Scans. Um zu objektiven, reproduzierbaren und das menschliche Sehempfinden umfassend 45 widerspiegelnden Charakterisierungsgrößen für das Erscheinungsbild einer Oberfläche zu gelangen, ist eine zweidimensionale Messdatenerfassung und mathematische Modellierung erforderlich.

Die vorliegende Erfindung stellt sich somit zur Aufgabe, ein Verfahren zur Analyse der Oberflä-50 cheneigenschaften eines Materials zur Verfügung zu stellen, mit welchem das Erscheinungsbild einer Probenoberfläche zweidimensional erfasst werden kann. Eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht darin, Methoden zur Verfügung zu stellen, mit welchen die Oberflächeneigenschaften eines Materials eindeutig charakterisiert werden können, um z.B. verschiedene Oberflächen eindeutig voneinander zu unterscheiden oder Qualitätsgrade der Oberfläche eindeutig 55 angeben zu können. 4 AT 502 094 B1

Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren gelöst, welches folgende Schritte umfasst: - Abbilden eines Objektes, z.B. durch Projizieren oder Spiegeln, auf die Oberfläche des Materials, wobei das Abbild des Objektes auf der Oberfläche des Materials eine zweidimensionale 5 Struktur ist, - Aufnahme des Abbildes des Objektes mittels einer an sich bekannten Bilderfassungsmethode, und - Auswertung des aufgenommenen Bildes und welches dadurch gekennzeichnet ist, dass das Abbild des Objektes zumindest einen Abschnitt aufweist, in welchem eine Helligkeitsdifferenz io zwischen der an das Abbild angrenzenden Oberfläche des Materials und dem Abbild des Objektes und/oder eine Helligkeitsdifferenz zwischen einzelnen Teilen des Abbildes auftritt, und dass zumindest über einen Teil dieses Abschnittes eine Auswertung der beim Hell-Dunkel-Übergang auftretenden Graustufen durchgeführt wird. 15 Die vorliegende Erfindung beruht auf der Erkenntnis, durch Erfassen des zweidimensionalen Abbildes eines Objektes auf der Oberfläche des Messobjektes verschiedenste Oberflächeneigenschaften in eindeutiger Weise bestimmen zu können.

Die US 6,191,850 B1 sowie die JP11-271038 beschreiben Verfahren zur Untersuchung einer 20 Oberfläche, bei welchen ein Muster auf die Messoberfläche projiziert bzw. gespiegelt wird und die Projektion bzw. Spiegelung mit einer Kamera aufgenommen wird.

Wird ein Objekt (z.B. über eine Apertur bzw. durch eine Spiegelung) auf einer zu analysierenden Materialoberfläche so abgebildet, dass es z.B. im Randbereich zwischen dem Abbild des 25 Objektes und dem angrenzenden Bereich der Oberfläche zu einer Helligkeitsdifferenz kommt, so erfolgt der Helligkeitswechsel nicht sprunghaft, sondern es ist - bei entsprechender Vergrößerung dieses Bereiches - ein Übergangsbereich feststellbar, in welchem Graustufen, die zwi-sphen der Helligkeit des hellen bzw. des dunklen Bereiches liegen, auftreten. 30 Es zeigt sich, dass die Analyse dieser Graustufen Aufschluss über diverse Eigenschaften der Oberfläche, wie z.B. der Welligkeit oder der Trübung des Materials, geben kann.

Eine Methode zur Auswertung dieser auftretenden Graustufen besteht darin, dass ein Histogramm der Häufigkeiten der beim jeweiligen Hell-Dunkel-Übergang auftretenden Graustu-35 fen erstellt wird.

Diese im folgenden „Histogrammanalyse“ genannte Methode ermöglicht eine quantitative Auswertung der Trübung einer Oberfläche auf der Basis statistischer Untersuchungen von Intensitätsverteilungen innerhalb von fotografischen Aufnahmen definierter gespiegelter Lichtquellen. 40

Die Trübung stellt eine wichtige qualitätsbestimmende Größe bei der Beurteilung von Oberflächen dar und betrifft die diffuse Streuung des auf die Oberfläche einfallenden Lichts durch das Zusammenwirken von Strukturen der unteren Mikrometergrößenordnung. 45 Mit Hilfe der Histogrammanalyse kann der vom Auge wahrgenommene Eindruck der Trübung auf einen vergleichbaren und quantifizierbaren Parameter, den Histogrammkoeffizienten (HK), zurückgeführt werden.

Eine weitere Methode zur Auswertung besteht darin, dass eine zweidimensionale oder dreidi-50 mensionale Darstellung der beim jeweiligen Hell-Dunkel-Übergang auftretenden Graustufen hergestellt wird.

Wenn man jedem im Bereich des Hell-Dunkel-Überganges auftretenden Graustufenwert in einer dreidimensionalen Darstellung dieses Überganges eine Höhe zuordnet, so gibt diese Darstel-55 lung bzw. eine zweidimensionale Aufsicht darauf Aufschluss insbesondere über die Welligkeit 5 5 5 AT 502 094 B1 der beobachteten Oberfläche.

Insbesondere kann man aus dem sich über die Länge des untersuchten Teils des Abschnittes ergebenden Profil an Graustufen ein gutes Bild über die Welligkeit der Oberfläche erhalten.

Zur Ermittlung einer quantifizierbaren Darstellung dieser Welligkeit kann das Profil an Graustufen in vorteilhafter Weise mit einem auf der Methode der Fast-Fourier-Transformation basierenden Algorithmus ausgewertet werden. Insbesondere kann dadurch die Länge der auf der Oberfläche feststellbaren „Wellen“ sowie auch die Häufigkeit des Auftretens von Wellen einer be-io stimmten Länge ermittelt werden. Diese Auswertung korreliert unmittelbar mit dem optischen Eindruck, den das Auge von der Oberfläche hat.

Eine weitere vorteilhafte Methode zur Auswertung eines Hell-Dunkelüberganges bei der Abbildung oder Spiegelung eines Objektes auf der Oberfläche des Materials besteht darin, dass 15 zumindest über einen Teil des Abschnittes aus der Helligkeitsdifferenz zwischen der an das Abbild angrenzenden Oberfläche des Materials und dem Abbild des Objektes und/oder der Helligkeitsdifferenz zwischen den einzelnen Teilen des Abschnittes, sowie aus der Länge des jeweiligen Hell-Dunkel-Überganges eine Eigenschaft, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Steilheit des Überganges, Krümmung des Überganges und Steilheit der Krümmung des 20 Überganges, ermittelt wird.

Die Form der Kurve der sich beim Hell-Dunkel-Übergang ergebenden Graustufen korreliert nämlich mit der Wahrnehmung eines Kontrastes durch das menschliche Auge: Der Mensch nimmt einen Kontrast zwischen dunklen Farbstufen (z.B. zwischen zwei Grautönen) viel besser 25 wahr als zwischen hellen Farbstufen (z.B. zwischen einem hellweißen und einem reinweißen Farbton).

Bei einem Hell-Dunkel-Übergang ist daher der Verlauf des ersten Abschnittes, vom vollständig dunklen Bereich zu den ersten dunklen Graustufen hin, wichtig für die Frage, wie die Oberflä-30 che vom menschlichen Auge wahrgenommen wird. Ist an dieser Stelle die Kurve der Graustufen sehr steil, d.h. ist die durch zweifache Ableitung erhaltene Steilheit der Krümmung der Kurve in diesem Bereich sehr groß, so ist der Übergang als starker Kontrast für das menschliche Auge wahrnehmbar. 35 Eine bevorzugte Methode zur Analyse der Trübung und/oder der Welligkeit der Oberfläche des Materials besteht darin, dass die Oberfläche des Materials über eine Apertur mit einem Lichtstrahl bestrahlt wird, wodurch sich ein anhand der Form der Apertur definierter bestrahlter und ein nicht bestrahlter Abschnitt der Oberfläche ergibt, das zweidimensionale Abbild des bestrahlten Abschnittes und des Überganges bzw. der Übergänge vom unbestrahltem zum bestrahlten 40 Abschnitt aufgenommen wird und aus der Aufnahme über zumindest einen Teil der Länge des bestrahlten Abschnittes und/oder über zumindest einen Teil der Breite des bestrahlten Abschnittes eine Auswertung der beim Übergang zwischen unbestrahltem und bestrahltem Abschnitt und/oder innerhalb des bestrahlten Abschnittes auftretenden Graustufen, z.B. nach einer der oben beschriebenen Methoden, durchgeführt wird. 45

In diesem Fall wird also die Abbildung der Apertur auf die Oberfläche des Materials ausgewertet. Die Apertur wird bevorzugt in Form eines Rechteckes vorgesehen, es sind aber auch andere Formen denkbar. so Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft ein Verfahren das sich insbesondere zur Analyse des Auflösungsvermögens der Oberfläche eines Materials eignet. Als Auflösungsvermögen wird die Fähigkeit einer Oberfläche bezeichnet, feine, in der Oberfläche gespiegelte Strukturen klar abzubilden. Abbildungsschärfe und Brillanz sind Begriffe, die in diesem Zusammenhang ebenfalls häufig genannt werden. 55 6 AT 502 094 B1

Zur Analyse des Auflösungsvermögens der Oberfläche des Materials dient insbesondere eine Ausführungsform, in welcher ein Messobjekt, welches an seiner der zu analysierenden Oberfläche des Materials zugewandten Oberfläche eine Abfolge von voneinander beabstandeten Linien mit konstanter oder ansteigender Ortsfrequenz aufweist und welches zur Oberfläche des 5 Materials in einem Winkel von 135° oder weniger, bevorzugt 20° bis 90°, steht, auf die Oberfläche des Materials gespiegelt wird, das Abbild von einer Kamera, deren Objektivachse in einem Winkel von 90° oder weniger, bevorzugt 45°, zur Oberfläche des Materials steht, aufgenommen wird und die Kontrastdarstellung der Linien in der Aufnahme des Abbildes des Messobjektes im Verhältnis zu jener des Originals und/oder in Abhängigkeit von der Frequenz der Linien ausge-io wertet wird.

Es wird somit der durch die Oberfläche des Materials verursachte Verlust der Auflösung des auf dem Messobjekt dargestellten Linienmusters gemessen. Diese Methode wird im folgenden „Intensitätsprofilanalyse“ genannt. 15

Diese Methode basiert auf der an sich bekannten Methode der Analyse der Modulationstransferfunktionen (MTF), welche zur quantitativen Erfassung und Auswertung des Auflösungsvermögens optischer Messinstrumente, beispielsweise von Mikroskopobjektiven, eingesetzt wird (Rossi P., Brice D.K., Doyle B.L., (2003), Nuclear Instruments and Methods in Physics Re-20 search Section B, 210, p. 85-91.; Roseman A.M., Neumann K., (2003), Ultramicroscopy, 96, p. 207-218; Xu P., Hao Q., Huang C, Wang Y., (2003), Optics and Laser Technology, 35, 7, p. 547-552; Jansonius N.M., Kooijman A.C., (1998), Ophthalmie Physiol Opt., 18, 6, p. 504-513; Lühe van der O., (2003), „Angewandte Optik“, Skriptum, Fakultät für Mathematik und Physik, Albert-Ludwig-Universität, Freiburg, D.). Dabei wird in der Praxis eine Folge von hell-dunklen 25 Linienpaaren mit ansteigender Ortsfrequenz (Modulation) durch die Blechprobe abgebildet und die resultierende Kontrastdarstellung im Verhältnis zum Original und in Abhängigkeit von der Frequenz ausgewertet. Je größer der übertragene Kontrast bei hohen Frequenzen ist, umso besser ist das Auflösungsvermögen. 30 Im Unterschied zur bloßen MTF wird aber in der bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens durch die Tatsache, dass Messobjekt und die zu analysierende Oberfläche zueinander in einem Winkel von bevorzugt 20° bis 90° geneigt sind, bei der Spiegelung des Messobjektes auf die Oberfläche zusätzlich ein Streueffekt aufgrund der über die Länge des gespiegelten Abschnittes unterschiedlichen Beabstandung von Messobjekt und Oberfläche 35 erzielt. Es wird somit nicht nur der Verlust an Auflösung aufgrund der bloßen Spiegelung auf die Oberfläche bestimmt, sondern auch die Änderung dieses Verlustes in Abhängigkeit vom Abstand zwischen Messobjekt und Oberfläche. Je steiler dabei der Winkel zwischen Messobjekt und zu analysierender Oberfläche ist, umso genauer kann dieser Verlust festgestellt werden. 40 Zur Auswertung der Kontrastdarstellung der Linien wird bevorzugt zumindest über einen Teil der Länge der Kontrastdarstellung eine Hüllkurve angelegt, woraus anhand des Verlaufes dieser Hüllkurve eine qualitative oder quantitative Aussage über das Auflösungsvermögen getroffen werden kann. 45 Weiters kann zur Auswertung der durchschnittliche Kontrast in der Kontrastdarstellung der Linien ermittelt werden.

Die mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens zu bestimmenden Eigenschaften sind bevorzugt ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Oberflächendefekten, Dehnungsphänomenen, so Wölbungen der Oberfläche und dem optischen Erscheinungsbild der Oberfläche, wie z.B. dem Auflösungsvermögen, der Trübung und der Welligkeit der Oberfläche des Materials.

Zur eindeutigen Charakterisierung der Oberflächeneigenschaften ist es vorteilhaft, wenn eine Kombination von zumindest zwei der bisher beschriebenen Ausgestaltungen des erfindungs-55 gemäßen Verfahrens durchgeführt wird. 7 AT 502 094 B1

Insbesondere kann eine eindeutige Charakterisierung einer Oberfläche erzielt werden, wenn man nach den oben beschriebenen Methoden zumindest zwei Eigenschaften aus der Gruppe bestehend aus Auflösungsvermögen, Welligkeit und Trübung, bevorzugt alle drei Eigenschaften, ermittelt. 5

Bevorzugt wird das Ergebnis oder werden die Ergebnisse der jeweiligen Auswertung als quantifizierbare Kennzahl ausgedrückt.

Die Aufnahme des Abbildes des auf der Oberfläche abgebildeten Objektes erfolgt bevorzugt io durch ein digitales Bilderfassungsgerät, insbesondere eine CCD-Kamera. Bei einem CCD-Chip handelt es sich um ein ladungsgekoppeltes Halbleiter-Bauteil, bestehend aus einer Matrix von Fotosensoren, welche Lichtenergie in Form von Photonen in elektrische Ladungen umwandeln. Prinzipiell wird jedem Sensorelement entsprechend seiner Ladung ein bestimmter Helligkeitswert zugeordnet. Schließlich werden die gesammelten Helligkeitsinformationen mit einer speis ziellen Software in ein Bild umgewandelt. Für die erfindungsgemäßen Verfahren kann es notwendig sein, zusätzlich eine entsprechende Konfiguration der jeweiligen Kamerasoftware durchzuführen, was aber für den Fachmann kein Problem darstellt.

Das erfindungsgemäße Verfahren wird insbesondere zur Analyse des optischen Erscheinungs-20 bildes der Oberfläche von Formteilen, insbesondere von planen oder geformten Folien, Platten und Blechen, gegebenenfalls in lackierter Form, durchgeführt.

Ein besonderer Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht darin, dass es während oder unmittelbar nach dem Erzeugungsverfahren des zu untersuchenden Materials durchge-25 führt wird. Es kann somit während des Herstellungsverfahrens oder knapp danach eine sehr schnelle Analyse der Oberflächeneigenschaften, z.B. als Qualitätskontrolle, durchgeführt werden.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird 30 dieses zumindest zweimal hintereinander während oder nach einem Nachbehandlungsvorgang des zu untersuchenden Materials, z.B. einer Reckung, durchgeführt.

Oberflächeneigenschaften, wie z.B. Auflösungsvermögen oder Trübung, ändern sich bei einer Deformation, insbesondere bei der Reckung eines Materials, stark. Durch wiederholtes Anwen-35 den des erfindungsgemäßen Verfahrens während eines Deformationsvorganges kann zum Beispiel festgestellt werden, bis zu welchem Grad der Reckung die Oberflächeneigenschaften noch für den jeweiligen Zweck akzeptabel sind.

In einem weiteren Aspekt betrifft die vorliegende Erfindung die Verwendung eines digitalen 40 Bilderfassungsgerätes, insbesondere einer CCD-Kamera, zur Untersuchung der Trübung und/oder der Welligkeit der Oberfläche eines Materials.

Dieser Aspekt der Erfindung beruht somit auf der neuartigen Erkenntnis, mittels eines digitalen Bilderfassungsgerätes die genannten Oberflächeneigenschaften zu analysieren. 45

Die vorliegende Erfindung wird im folgenden anhand von Ausführungsbeispielen und anhand der Figuren noch näher erläutert.

Figur 1 zeigt den bevorzugten Aufbau einer Apparatur zur Durchführung einer Histogrammana-50 lyse.

Figur 2 zeigt Histogramme der bei Hell-Dunkel-Übergängen auftretenden Graustufen für unterschiedlich gereckte Formkörper. 55 Figur 3 zeigt den Vergleich einer Auswertung einer Histogrammanalyse mit einem herkömmli- 8 AT 502 094 B1 chen Verfahren zur Analyse der Trübung einer Oberfläche.

Figur 4 zeigt eine 3D-Darstellung der auftretenden Graustufen.

Figur 5 zeigt eine zweidimensionale Aufsicht auf die Darstellung der Figur 4.

Figur 6 zeigt eine Auswertung der Darstellung der Figur 4 mittels Fast-Fourier-Transformation.

Figur 7 zeigt eine Darstellung des Hell-Dunkel-Überganges, aus welcher Steilheit bzw. Krümmung des Überganges ermittelt werden können.

Figur 8 zeigt den Aufbau einer bevorzugten Apparatur zur Durchführung der Intensitätsprofilanalyse.

Figur 9 zeigt das Ergebnis der Durchführung einer Intensitätsprofilanalyse bei verschiedenen Reckgraden eines Formkörpers.

Figur 10 zeigt den Vergleich des Ergebnisses einer Intensitätsprofilanalyse mit einer herkömmlichen Methode zur Analyse des Auflösungsvermögens einer Oberfläche.

Beispiel 1: Histogrammanalyse

In Figur 1 ist eine bevorzugte Apparatur zur Durchführung einer Histogrammanalyse schematisch dargestellt. Als Lichtquelle 1 dient ein Halogenscheinwerfer (150 Watt), vor den eine Apertur 2 geschaltet ist, die eine Projektion definierter Größe auf einer Blechprobe 3 ermöglicht. Als Bilderfassungsgerät ist eine CCD-Kamera 4 vorgesehen. Zwischen Kamera 4 und Apertur 2 sorgen zwei Mattscheiben (nicht dargestellt) für eine homogene Ausleuchtung der Aperturöffnung. Um die Polarisation des reflektierten Lichts vernachlässigen zu können, erfolgten die Aufnahmen der Abbildung der Aperturöffnung mit einem möglichst geringen Winkel zur Senkrechten.

In der Modellvorstellung kann man sich die Oberfläche aus diskreten Einzelreflektoren aufgebaut denken. Abhängig von ihrer Neigung reflektieren diese Einzelreflektoren unterschiedlich große Intensitäten in die Richtung des Betrachters bzw. der aufnehmenden CCD-Kamera 4.

Der hell-dunkel Übergang der Lichtquelle 1 erscheint aus diesem Grund an ihren Kanten je nach der Größenordnung der vorhandenen Strukturen als über die senkrechte Achse (Kantenrichtung) variabler Graustufengradient. Bei näherer Betrachtung zeigt sich, dass diese Trübung einem Satz von Graustufenwerten mit einer bestimmten Häufigkeitsverteilung entspricht und diese Verteilung unmittelbar mit der wahrgenommenen Trübung korreliert.

Figur 2 zeigt auf der linken Seite das von der CCD-Kamera aufgenommene Abbild der Apertur 2 auf die Oberfläche der Blechprobe 3 bei verschiedenen Reckgraden (0% bis 14%) des Bleches. Auf der rechten Seite ist das jeweilige Histogramm der im Übergang Hell-Dunkel auftretenden Graustufen dargestellt.

Die für das Erscheinungsbild ausschlaggebende Art der Trübung (bestimmt durch das Zusammenwirken von Feinstrukturtrübung und Welligkeitseinfluss) wird durch das Histogramm eindeutig quantifiziert.

Die unverstreckte Probe (0%) zeigt keine Trübung, wodurch sich im Histogramm eine klare Dominanz extrem heller und dunkler Anteile zeigt, während kaum mittlere Intensitätswerte vorhanden sind. Man sieht sehr deutlich, wie die Mächtigkeit der mittleren Intensitätswerte mit dem Reckgrad und der einhergehenden Verschlechterung der Darstellung der Lichtquelle ansteigt. g ΑΤ 502 094 B1

Figur 3 zeigt den Vergleich einer quantitativen Auswertung einer Histogrammanalyse (Kurve 3a) mit einem herkömmlichen Verfahren zur Analyse der Trübung einer Oberfläche (Kurve 3b). Dabei wurde ein Histogrammkoeffizient aus dem Verhältnis der bei den jeweiligen Reckgraden resultierenden weissen Fläche der Histogramme aus Figur 2 (d.h. der Anteile ohne Graustufen) 5 zu Gesamtfläche der Histogramme ermittelt.

Dieser Koeffizient ist ein quantifizierter Maßstab für die Trübung der Oberfläche. Der Histogrammkoeffizient berücksichtigt die Ausprägung der vorhandenen Intensitätswerte. Normiert man beispielsweise den Histogrammkoeffizient auf eine Abbildung mit perfekter Kanten-io schärfe (z.B. Schwarzglasplatte) und stellt ihn in Abhängigkeit vom Reckgrad dar, so lässt sich anhand der Kurve eine Grenze quantitativ festlegen, jenseits der das Erscheinungsbild der Lackoberfläche für den kommerziellen Einsatz nicht mehr ausreichend ist.

Bei der untersuchten Reckreihe ist - siehe Figur 3 - diese Grenze bei 3% Verstreckung erreicht. 15 In Figur 3 sind auf der x-Achse der Reckgrad der Probe (in %) und auf der y-Achse das Ergebnis der Glanzmessung bzw. den Histogrammkoeffizienten (in %) aufgetragen.

Aus dem in Figur 3 dargestellten Vergleich des Ergebnisses der Histogrammanalyse (Histogrammkoeffizient) mit einer herkömmlichen Analyse des Glanzes einer Oberfläche ergibt 20 sich eine gute Korrelation. Die rapide Verschlechterung des Erscheinungsbildes ab einem Reckgrad von 3%, die auch sehr gut durch die visuelle Beurteilung der Lackoberfläche nachzuvollziehen ist, zeigt sich aber bei der herkömmlichen Glanzmessung nicht.

Zur vollständigen Charakterisierung eines Oberflächenerscheinungsbildes ist als weiterer As-25 pekt die Erfassung und Auswertung der Welligkeit erforderlich. Von zentraler Bedeutung ist dabei, dass für das resultierende Erscheinungsbild nicht die mechanische Oberflächenwelligkeit entscheidend ist, sondern der optische Eindruck, den diese Welligkeit im Zusammenwirken mit den Einflüssen aus tiefer liegenden Lackschichten und der Substratstruktur erzeugt. 30 Um quantitative Kenngrößen der Welligkeit berechnen zu können, werden die Aufnahmen der Histogrammanalyse höhenkodiert, d.h. jedem Graustufenwert wird eine Größe senkrecht zur Abbildungsebene zugeordnet und in der Höhenkodierungsmatrix abgespeichert. Abbildung 4 zeigt die dreidimensionale Darstellung der Höhenkodierungsmatrix (dabei sind auf der x-Achse und der y-Achse der Messbereich in Pixel und auf der z-Achse die reflektierte RGB (Rot-Grün-35 Blau)-Intensität (von 0 bis 256) aufgetragen, - Abbildung 5 deren senkrechte Projektion (Topview, dabei sind auf der x-Achse und der y-Achse der Messbereich in Pixel aufgetragen). 40 Die durch Welligkeit und Trübung verzerrte Kante der Lichtquelle wird durch die dreidimensionale Darstellung in anschaulicher Weise sichtbar.

Zur Auswertung der Welligkeitsklassen wurde ein Algorithmus, basierend auf der Fast-Fourier-Transformation (FFT) (Brigham E.O., (1997), „FFT-Anwendungen“, Oldenbourg Verlag, Mün-45 chen, D.) entwickelt. Als Ergebnis erhält man die relative Verteilung der Wellenlängenanteile, das Periodogramm. Da die Auswertung auf einer zweidimensionalen fotografischen Aufnahme basiert, die exakt dem menschlichen Gesichtseindruck entspricht, liefert das Periodogramm Informationen darüber, mit welcher Deutlichkeit die Welligkeit einer bestimmten Größenordnung im Vergleich zu anderen wahrgenommen wird (Fig. 6). Im vorliegenden Fall standen 1135 Pixel so in Kantenrichtung für die Auswertung zur Verfügung, auf deren Grundlage dominierende Wellenlängen von 284 und 162 Pixel ermittelt wurden.

Die Höhenkodierungsmatrix trägt zudem Informationen über die Erscheinungsbildtrübung. Da die Trübung in direktem Zusammenhang mit der Steigung des Kantenübergangs steht, kann 55 aus der Matrix ein Trübungskoeffizient (kj) errechnet werden, wie in Fig. 7 dargestellt. Zu die- 10 AT 502 094 B1 sem Zweck wird für jeden Punkt entlang der Kantenachse die Steigung der Intensitätswerte berechnet und über die Kantenlänge gemittelt. Auf diese Weise gelangt man zur mittleren Oberflächentrübung (k) der Oberfläche. In weiterer Folge ist es möglich, die Krümmung des Hell-Dunkel-Überganges sowie die Steilheit der Krümmung des Hell-Dunkel-Überganges zu ermitteln.

Beispiel 2 - Intensitätsprofilanalyse

Figur 8 zeigt eine bevorzugte Apparatur zur Durchführung einer Intensitätsprofilanalyse. Messobjekt 8 und die Blechprobe 6 stehen jeweils in einem Winkel von 45° zur Beobachtungsrichtung (Objektivachse der Kamera 5). Zur Beleuchtung des Linienmusters dienen zwei seitlich montierte Lampen (nicht gezeigt) mit jeweils 60 Watt Leistung. Die Kamera 5 ist auf einem Stativ 7 über der Blechprobe 6 so positioniert, dass der berechnete Schärfentiefebereich über die beiden Ränder des Messcharts hinausreicht. Das auf dem Messobjekt 8 vorhandene Linienmuster (siehe Figur 9) wird auf die Oberfläche der Blechprobe 6 gespiegelt. Das gespiegelte Abbild des Linienmusters wird von der Kamera 5 aufgenommen.

Mit Hilfe dieser Apparatur wurde das Auflösungsvermögen eines Formteiles bei verschiedenen Reckgraden (0% bis 14%) untersucht. Das Ergebnis ist in Figur 9 dargestellt.

Von den mittels geeigneter Kameraparametern aufgenommenen Darstellungen des auf der Oberfläche gespiegelten Linienmusters wurde das Modulationsprofil im abgebildeten Messchart berechnet. Dabei wurde das jeweilige Kontrastverhältnis zwischen den hellen und dunklen Linien des Linienmusters ermittelt und über die Länge des beobachteten Abschnittes ausgewertet (siehe Auswertungskurven auf der rechten Seite der Figur 9).

Je stärker das Auflösungsvermögen der Oberfläche beeinträchtigt ist, umso schneller sinkt bei steigender Abbildungsdistanz ,d’ der Kontrast (,d-der jeweilige Abstand von Formteil 6 zum Messchart 8, siehe Figur 8), d.h. die Modulation bricht ein. Man sieht in der Abbildung deutlich, dass beim unverstreckten Blech sämtliche Linien mit hohem Kontrast übertragen werden. Mit steigendem Reckgrad bricht die Modulation bei immer kürzeren Abbildungsdistanzen ein. Bereits bei 3% Verstreckung werden in dieser Reckreihe die Linienpaare nur noch bis zur Hälfte der maximalen Abbildungsdistanz mit ausreichendem Kontrast übertragen. Das bedeutet in der Praxis, dass die Abbildung eines Objektes im Lack selbst bei größeren Betrachtungsabständen beeinträchtigt ist.

Die mittels des an sich bekannten „WAVE-SCAN“-Verfahrens ermittelte Größe „Distinctness Of Image (DOI)“ setzt sich aus der Trübung und den kurzwelligen Anteilen des aufgenommenen Spektrums zusammen und sollte damit einer Größe für das Auflösungsvermögen nahe kommen. Stellt man die DOI dem Modulationsverhalten in Abhängigkeit vom Reckgrad gegenüber, so zeigt sich, dass das Auflösungsvermögen stärker als der DOI-Wert abfällt.

Dies ist in Figur 10 dargestellt, wobei Kurve 10a den mit dem erfindungsgemäßen Verfahren ermittelten Verlauf des Auflösungsvermögens in Abhängigkeit vom Reckgrad und Figur 10b die Vergleichsmessung nach der „WAVESCAN“-Methode darstellt. In Figur 10 ist auf der x-Achse wieder der Reckgrad (in %) aufgetragen, auf der y- Achse ist das ermittelte Auflösungsvermögen (in %) aufgetragen. Der unterschiedliche Verlauf der beiden Kurven ist vermutlich darauf zurückzuführen, dass sich der DOI-Wert aus optischen Daten, basierend auf der Mikrorauhigkeit und den kurzwelligen Anteilen der Oberflächenwelligkeit, errechnet, während das mit dem erfindungsgemäßen Verfahren ermittelte Auflösungsvermögen praktisch ausschließlich durch die Mikrorauhigkeit beeinflusst wird. Der Vergleich mit dem optischen Eindruck bestätigt den starken Abfall des Auflösungsvermögens. Der durch WAVESCAN ermittelte leichte Anstieg bei 4% wird durch die visuelle Beurteilung nicht bestätigt.

Claims (19)

1. Patentansprüche: 1. Verfahren zur Analyse der Oberflächeneigenschaften eines Materials, insbesondere eines Formteils, umfassend die Schritte - Abbilden eines Objektes, z.B. durch Projizieren oder Spiegeln, auf die Oberfläche des Materials, wobei das Abbild des Objektes auf der Oberfläche des Materials eine zweidimensionale Struktur ist - Aufnahme des Abbildes des Objektes mittels einer an sich bekannten Bilderfassungsmethode und - Auswertung des aufgenommenen Bildes, dadurch gekennzeichnet, dass das Abbild des Objektes zumindest einen Abschnitt aufweist, in welchem eine Helligkeitsdifferenz zwischen der an das Abbild angrenzenden Oberfläche des Materials und dem Abbild des Objektes und/oder eine Helligkeitsdifferenz zwischen einzelnen Teilen des Abbildes auftritt, und dass zumindest über einen Teil dieses Abschnittes eine Auswertung der beim Hell-Dunkel-Übergang auftretenden Graustufen durchgeführt wird.
2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zur Auswertung ein Histogramm der Häufigkeiten der beim jeweiligen Hell-Dunkel-Übergang auftretenden Graustufen erstellt wird.
3. 3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass zur Auswertung eine zweidimensionale oder dreidimensionale Darstellung der beim jeweiligen Hell-Dunkel-Übergang auftretenden Graustufen hergestellt wird.
4. 4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass aus dem sich über die Länge des untersuchten Teils des Abschnittes ergebenden Profil an Graustufen die Welligkeit der Oberfläche ermittelt wird.
5. 5. Verfahren gemäß Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Welligkeit mittels eines auf der Methode der Fast-Fourier-Transformation basierenden Algorithmus ermittelt wird.
6. 6. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest über einen Teil des Abschnittes aus der Helligkeitsdifferenz zwischen der an das Abbild angrenzenden Oberfläche des Materials und dem Abbild des Objektes und/oder der Helligkeitsdifferenz zwischen den einzelnen Teilen des Abschnittes sowie aus der Länge des jeweiligen Hell-Dunkel-Überganges eine Eigenschaft ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Steilheit des Überganges, Krümmung des Überganges und Steilheit der Krümmung des Überganges ermittelt wird.
7. 7. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6 zur Analyse der Trübung und/oder der Welligkeit der Oberfläche des Materials, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberfläche des Materials über eine Apertur mit einem Lichtstrahl bestrahlt wird, wodurch sich ein anhand der Form der Apertur definierter bestrahlter und ein nicht bestrahlter Abschnitt der Oberfläche ergibt, das zweidimensionale Abbild des bestrahlten Abschnittes und des Überganges bzw. der Übergänge vom unbestrahlten zum bestrahlten Abschnitt aufgenommen wird und aus der Aufnahme über zumindest einen Teil der Länge des bestrahlten Abschnittes und/oder über zumindest einen Teil der Breite des bestrahlten Abschnittes eine Auswertung der beim Übergang zwischen unbestrahltem und bestrahltem Abschnitt und/oder innerhalb des bestrahlten Abschnittes auftretenden Graustufen durchgeführt wird.
8. 8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Apertur in Form eines Rechteckes vorgesehen wird.
9. 9. Verfahren zur Analyse der Oberflächeneigenschaften eines Materials, insbesondere eines 1 2 AT 502 094 B1 Formteils, umfassend die Schritte - Abbilden eines Objektes, z.B. durch Projizieren oder Spiegeln, auf die Oberfläche des Materials, wobei das Abbild des Objektes auf der Oberfläche des Materials eine zweidimensionale Struktur ist 5 - Aufnahme des Abbildes des Objektes mittels einer an sich bekannten Bilderfassungsme thode und - Auswertung des aufgenommenen Bildes, dadurch gekennzeichnet, dass ein Messobjekt, welches an seiner der zu analysierenden Oberfläche des Materials zugewandten Oberfläche eine Abfolge von voneinander io beabstandeten Linien mit konstanter oder ansteigender Ortsfrequenz aufweist und welches zur Oberfläche des Materials in einem Winkel von 135° oder weniger, bevorzugt 20° bis 90°, steht, auf die Oberfläche des Materials gespiegelt wird, das Abbild von einer Kamera, deren Objektivachse in einem Winkel von 90° oder weniger, bevorzugt 45°, zur Oberfläche des Materials steht, aufgenommen wird und die Kontrastdarstellung der Linien in der Auf-15 nähme des Abbildes des Messobjektes im Verhältnis zu jener des Originals und/oder in Abhängigkeit von der Frequenz der Linien ausgewertet wird.
10. 10. Verfahren gemäß Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass zur Auswertung der Kontrastdarstellung der Linien zumindest über einen Teil der Länge der Kontrastdarstellung 20 eine Hüllkurve angelegt wird und anhand des Verlaufes dieser Hüllkurve eine qualitative oder quantitative Aussage getroffen wird.
11. 11. Verfahren gemäß Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass zur Auswertung der durchschnittliche Kontrast in der Kontrastdarstellung der Linien ermittelt wird. 25
12. 12. Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest einer der Eigenschaften ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Oberflächendefekten, Dehnungsphänomenen, Wölbungen der Oberfläche und dem optischen Erscheinungsbild der Oberfläche, wie z.B. dem Auflösungsvermögen, der Trübung und der 30 Welligkeit der Oberfläche des Materials analysiert wird.
13. 13. Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest zwei Eigenschaften aus der Gruppe bestehend aus Auflösungsvermögen, Welligkeit und Trübung, bevorzugt alle drei Eigenschaften, ermittelt werden. 35
14. 14. Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Ergebnis oder die Ergebnisse der Auswertung als quantifizierbare Kennzahl(en) ausgedrückt wird/werden.
15. 15. Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Aufnahme des Abbildes durch ein digitales Bilderfassungsgerät, insbesondere eine CCD-Kamera, erfolgt.
16. 16. Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass 45 es zur Analyse des optischen Erscheinungsbildes der Oberfläche von Formteilen, insbe sondere von planen oder geformten Folien, Platten und Blechen, gegebenenfalls in lackierter Form, durchgeführt wird.
17. 17. Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass so es während oder unmittelbar nach dem Erzeugungsverfahren des zu untersuchenden Ma terials durchgeführt wird.
18. 18. Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es zumindest zweimal hintereinander während oder nach einem Nachbehandlungsvorgang 55 des zu untersuchenden Materials, z.B. einer Reckung, durchgeführt wird. 1 3 AT 502 094 B1
19. 19. Verwendung eines digitalen Bilderfassungsgerätes, insbesondere einer CCD-Kamera, zur Untersuchung der Trübung und/oder der Welligkeit der Oberfläche eines Materials. 5 Hiezu 7 Blatt Zeichnungen 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55