CN101726472B - 具有两个测量单元的表面测量装置 - Google Patents

Abstract

用于测定材料光学特性的设备，包括具有第一辐射装置和第一辐射探测装置的第一测量装置，第一辐射装置以第一辐射角引导辐射到材料上，第一辐射探测装置与材料成第一接收角放置并接收至少部分第一辐射装置引导到材料上和从材料上散射回的辐射，第一辐射探测装置还发出反映射在其上的辐射强度特征的第一特征信号。该设备还包括具有第二辐射装置和第二辐射探测装置的第二测量装置，第二辐射装置以特定的辐射角引导辐射到材料上，第二辐射探测装置与材料成一定接收角放置并接收至少部分由第二辐射装置引导到材料上和从材料上散射回的辐射，第二辐射探测装置允许对入射辐射进行局部分解评价，并发出至少一个反映射在其上辐射特征的第二特征信号。

Description

具有两个测量单元的表面测量装置

技术领域

本发明涉及一种测定材料光学特性，尤其是材料的表面光学特性的设备。下面将参照用于测定油漆涂层表面特性的装置，尤其是用于传播媒介的油漆涂层的表面特性的测定装置对根据本发明的设备和方法进行描述。然而，应该指出的是，本发明也可以用于其它表面，如家具的某些表面。

背景技术

在现有技术中，用于测定表面性能的各种设备和测量方法是众所周知的。根据一种已知的测量方法，例如某特定对象，如光阑(diaphragm)，通过该表面投射到探测器上。在此探测角最好对应辐射角。从优选通过照相机来记录的图像中可以得出关于所测表面品质如图像的区分性(模糊度)的结论。

在另一种测量方法中，也可以将发光光阑(lighting diaphragm)通过待评价表面投射到探测器上，并在一定角度下接收反射的辐射。为此，使用了特殊光阑，从而也可以根据辐射与接收强度比来评价表面的品质。因而，根据这种方法，在探测器一侧使用光阑。这一原理也被称为光泽度测量技术。

这里所提到的第一种测量方法取决于相关表面的曲率。然而，所提到的第二种测量方法则受所测表面的曲率的影响较小。

所述测量方法用来让使用者感知到的影像尽可能客观地被检测到。这里应该指出的是，人的眼睛只能在主观上感知光学差异，因此，有必要提供客观的测量设备和测量方法。然而，上述的第二种类型也取决于表面的物理性质，尤其取决于折射率。

具有不同折射率的表面将在这里产生不同的测量结果，这仅仅是因为不同的折射率。然而，光学传递完全相同影像的两块表面也仍然可能导致不同的测量结果。所提到的第一种测量方法至少根据某些评价方法而言不取决于折射率，但是要求充足的光从表面被反射或散射，才可以接收到图像。这在尤其是无光泽表面的情况下是非常困难的。

发明内容

因此，本发明的目的是提供一种用于测定光学特性的设备和方法，其允许对待测表面进行更加客观的评价。根据本发明，这是通过独立权利要求的内容实现的。有益的实施例和进一步的开发构成了从属权利要求的内容。

根据本发明的一种用于测定材料光学特性，尤其是表面光学特性的设备，包括具有第一辐射装置的第一测量装置，第一辐射装置以第一特定辐射角将辐射引导到材料上，所述第一测量装置还具有第一辐射探测装置，所述第一辐射探测装置与材料成第一接收角放置，并接收至少部分从第一辐射装置引导到材料上和从材料上散射回的辐射。同时，第一辐射探测装置发出第一特征信号，所述第一特征信号反映了第一辐射探测装置上的辐射密度的特征。

根据本发明的设备包括具有(第二)辐射装置的第二测量装置，所述(第二)辐射装置也以特定的辐射角将辐射引导到材料上，并且所述第二测量装置还具有(第二)辐射探测装置，所述(第二)辐射探测装置与材料成第二出射角放置，并接收至少部分由第二辐射装置引导到材料上和从材料上散射回的辐射，所述第二辐射探测装置允许对入射辐射进行局部分解评价，并发出至少一个第二特征信号，所述至少一个第二特征信号反映了落在第二辐射探测装置上的辐射的特征。

因而，根据本发明，建议通过两种测量方法进行相应的测量，一个测量结果可以借此证实另一个测量结果，因此可以确定例如第一种测量方法的某个结果仅仅是因为表面不同的折射率而产生不同。就此而言，像后面将进行详细说明的一样，一个测量装置的一个或更多组件也可能被另一测量装置所使用。

背散射辐射是一种特别的反射辐射。因而，第一辐射探测装置最好只输出强度值。因此，在这种情况下并不是绝对必须接收入射辐射的局部分解图像，但是要在射入辐射探测器的强度和射出强度间进行比较。基于这一比率，如上所述，可以得出关于表面品质的结论。

相比之下，依照最后提到的根据本发明的测量方法，测量装置上的射入辐射的局部分解图像被发出，因此尤其可通过该图像得出关于表面的结论。或者更具体地，光阑可以经过表面投射在探测装置上，并且该图像可以通过局部分解方法进行检查。这样做时，可以得到有关表面光学特性的结论。

在另一个优选的实施例中，考虑到第一信号和第二信号，设备包括处理装置，其输出表面的至少一个特征值。在这里，当只考虑到第一信号或者只考虑到第二信号的时候，某次测量期间可能发出特征值。然而，如前所述，为了允许例如要考虑的不同折射率所引起的任何变形，当两个信号都被考虑到的时候，还可能特别为某次测量输出特征值。

然而，相反地，也可能对于某些表面来说，正是这种不同折射率会导致不同光学影像。在这种情况下，尤其是开始所述的第二种测量方法将会失效(但它是在发明背景中第一个被提到的)，因为如前所述，这不取决于折射率。然而，在这种情况下，可以单独用第二种测量方法测定真实的结果值。

在另一个优选的实施例中，第一辐射角和第一接收角基本上关于某一材料的中垂线呈镜面对称排列(SIC)。这意味着第一测量装置将实质上接收反射。材料优选是一个表面，辐射探测装置也将因此至少接收反射辐射。第二辐射角和第二接收角也最好基本上关于彼此镜面对称。

在另一优选实施例中，所述设备具有辐射探测装置，其同时作为两个测量装置的一部分。因此在这种情况下，优选配置两个辐射装置，并优选以相同的角度辐射到材料上。因此，辐射探测装置接收从表面相对于两个辐射装置散射回的光线。

在另一优选实施例中，所述设备包括辐射装置，其同时作为两个测量装置的一部分。该实施例的优势在于，在两个测量过程中照射到的待测表面的区域完全相同。在这种情况下，优选配置两个辐射探测装置，其从不同角度接收从表面散射回的光线。

在另一优选实施例中，辐射装置和辐射探测装置都包括在测量装置中。在这种情况下，根据一种测量方法，可以生成软件光阑并且探测到全部的光线；而根据另一种测量方法，通过图像评价以局部分解的方式对光阑图像进行分析。由于相应的CCD芯片的探测区域远大于测量区域，因此对于倾斜或者弯曲的表面而言，可以在照相机芯片上找到图像，并且在CCD芯片的某一偏离基本区域的区域内进行评价。

因此，根据本发明的所有设备和方法都同样优选将整体测量与局部分解测量相结合。

在另一优选实施例中，在所述第一辐射探测装置的上游设置了光阑单元。通过光阑单元，可以检测到入射到表面并落到辐射探测装置的特定区域(即在光阑之内)上的部分光。该光阑单元优选固定安置。

然而，所述光阑也可以由软件实现，如通过设定只选用CCD芯片的特定区域进行评价，或者对特定数量的像素进行评价。这样，可以非常容易的实现不同的光阑。

这样，可以检测到表面的任何异常或弯曲。这是因为如果弯曲过大，部分光将不再落到辐射探测装置上而是在光阑上，或者朝四面八方散射。

在另一优选实施例中，所述设备包括评价器件，其根据对若干不同因素的测定对所述第二信号进行分析。例如，可对某一图像进行诸如傅立叶分析，为了实现这一目的可以使用不同的滤光器。例如可以获得某一表面的多个测量值，并且这些测量值可以根据待测表面的不同空间或距离细分。对于这些各自的测量值，可以输出各自的统计值如标准差，并在这些细分值的基础上对表面进行评价。此种方法在专利号为DE 10 2006 032 404 A1的德国专利中进行了详细说明，在此全文引用，以作参考。在这里设备可以包括评价单元，用于在测定的多个不同因数尤其是局部滤波因数的情况下对第二信号进行分析。

此外，所述设备还可以进一步包括辐射装置，用于以不同角度照射表面。如果有必要，所述设备还可包括多个辐射探测装置，其位于表面的相对侧的不同角度。在此，即使是从表面散射的光线也可以被探测或评估。这样，尤其可以测量到彩色效应。

在另一优选实施例中，所述设备包括处理器件，其对第一信号和第二信号加以考虑，射出反映材料折射率的特征的值。例如，可以建立或者获取一个基础表，它将相应的折射率分配到特定的第一信号，其中可考虑将各第二信号用于所述分配，并且确定例如对于两块不同的表面该表将保持不变，从而可以得出光学影像相同，但折射率不同的结论。

或更具体的，比如它可以测出两种不同的表面。如果这两个表面的第二信号保持相同，可以得出结论认为这两个表面光学性能相同。如果这两个表面的第一信号不断偏离对方，那么可得出结论认为其折射指数不同。这样，可以在多次测量的基础上得出各表面的折射率的结论。

在另一实施例中，两个测量装置都可使用同一辐射装置和同一辐射探测装置。然而在此方法中，根据使用的具体测量方法，在使用局部分解接收器的情况下，无论是不同的光阑还是位于不同位置的光阑都可以使用或进行编程。

第一辐射装置和第二辐射装置优选将辐射引导到材料或表面的相同区域上。这样可以获得具有精确可比性的两个测量结果。

在另一优选实施例中，所述设备包括控制单元。所述控制单元使第一测量装置和第二测量装置在不同时间点进行测量。例如，为了使测量结果的具有精确可比性，这里通过第一和第二测量装置轮流迅速获取两个不同的测量值。

整个设备还可以相对待测表面移动的，并在设备相对表面静止的时期内进行两次连续的测量。在另一优选实施例中，所述备包括外壳，所述辐射装置和辐射探测装置都被放置在外壳内部，所述外壳仅有一个开口，所述辐射装置都通过所述开口照射材料。在该实施例中，测量结果能够尽可能少地受到外部其它光线的干扰。

在另一优选实施例中，辐射探测装置的安装成使得两个测量装置的测量位于相同平面。换句话说，由第一辐射探测装置引导到该表面并从表面返回所述辐射探测装置的光束的光路的平面是与从第二辐射探测装置落到所述表面并接着从所述表面散射回所述第二辐射探测装置的光束形成的光路平面相同。可是也可以在不同平面上进行测量。

优选在表面和辐射探测装置之间的光路上放置对应v_λ函数的滤光器。

本发明进一步涉及一种用于测定材料光学特性的方法，其中第一测量装置通过第一辐射装置以第一特定辐射角将辐射引导到材料上，并通过与材料成第一接收角设置的第一辐射探测装置接收至少部分从第一辐射装置引导到材料上并从材料上散射回的辐射。在此过程中，第一辐射探测装置发出第一特征信号，所述第一特征信号反映了射在第一辐射探测装置上的辐射强度的特征。

根据本发明，第二测量装置通过第二辐射装置以第二特定辐射角将辐射引导到材料上，并通过与材料成第二接收角设置的第二辐射探测装置接收至少部分从第一辐射装置引导到材料上和从材料上散射回的辐射，第二辐射探测装置允许对入射辐射进行局部分解评价，并发出至少一个第二特征信号，所述至少一个第二特征信号反映了第二辐射探测装置上的辐射的特征。

这里使用的术语“辐射的局部分解观测”应被理解为，不仅是以整体的方式输出强度值，还能够区分在不同的特定区域或至少两个点或至少两个不同强度的区域的辐射。这可以通过例如照相机内的CCD芯片作为辐射探测装置输出局部分解图像来实现。因此，主要光阑的图像(辐射装置和表面之间的光阑)可用于检测变形、放大、缩小或倾斜。

辐射优选可见光，尤其优选标准白光。然而，还可以配备两个辐射装置来输出不同波长的光，这样两个测量不会互相影响，甚至在局部同步的情况下也不会。

在另一优选方法中，对第一信号和第二信号加以考虑，可输出至少一个表征材料的值。

第一测量装置和第二测量装置的测量优选在不同的时间点进行。这样可以避免测量之间相互影响或干扰。为此，可以使用时钟光源，或者总是同步触发辐射装置和辐射探测装置。

根据另一优选方法，第一测量装置和第二测量装置的测量基本上在材料或表面的相同区域进行。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：

图1所示为第一测量方法的示意图；

图2a所示为第二测量方法的示意图；

图2b所示为通过第二测试方法采集的图像的示意图；

图3所示为根据本发明的设备的示意图。

具体实施方式

图1所示为第一测量方法的示意图，或更准确地说，为通常所称的光泽度测量。在该方法中，配备了第一辐射装置4，用于引导辐射到表面10上。从表面10散射回来的辐射S1被投射到第一辐射探测装置6上。该第一辐射探测装置6输出入射强度的积分值。该第一辐射探测装置的上游设有光阑9。此种测量方法的变型实质上最好包括基本准直的光路，并因此构成光泽度测量。相应地，附图标记32是指光阑，附图标记34是指设置在光阑32下游的透镜，两者相结合来产生准直光。在接收的一侧还配置了透镜36。

光阑或光阑的图像在此通过表面和透镜被投射到辐射探测装置6上，同时穿过光阑9的辐射被全部探测到。此种光泽度的测量方法，优选在20°、60°和85°进行。光阑光圈可按照相应标准制作。

可以看出，由于表面特性，并不是所有的光都将到达辐射探测装置6，而是在各个方向上以类似于辐射波瓣K的方式散射。这样，基于到达辐射探测装置的辐射和表面10上的入射辐射之比，就可以得到关于品质或表面光泽度的结论。如上所述，光阑9也可以通过软件光阑实现。

图2所示为第二测量方法。在此，提供了辐射装置14，其将辐射S2引导到表面10或待测的材料上。这种辐射S2在表面10反射并到达辐射探测装置或图像接收装置16。附图标记36是指透镜。

附图标记8是指光阑单元，在此其位于第二辐射装置14的上游。该光阑单元8被设计为通过表面10投射到辐射探测装置16上。如果表面上存在某种结构，照射到表面10上的部分光将不会被精确地反射，因此将接收到模糊的图像。

基于到达辐射探测装置16的外部区域的散射部分和到达辐射探测装置16上的全部辐射之比，可以输出表面10的模糊度值。该比例如图2b所示。散射部分D1是位于外环线内的部分，D2部分位于图像的中心，其没有或仅仅在较小程度上散射在该区域的周围。

因此，这里的辐射探测装置是一种允许局部分解辐射，并能够至少区别D1和D2这些区域的辐射探测装置。对于所述评价，也可采用像素亮度的直方图。

这里所确定的模糊度的值也可以用做描述表面10的DOI(图像区分性)的值。这里可能使用进一步的方法来确定表面的表面结构，其中如上所述，这种结构可能被解析为不同范围波长的函数。随后获得DOI，该DOI是此处显示的模糊度和邻近区域的两种波长范围的函数。在上述申请号为DE 102006032404A1的德国专利申请中进行了详细说明。

该DOI的测量基于在不同的观察距离上观测到的表面也不同这一事实。因此，例如，只有从非常近的距离才能看到一些轻微的不平坦。与此相反，如在较大波长时，当从近距离观察则或许观测不到某些结构，然而在较远的距离可能可以较好地观测到。当假定不同的波长范围时可模拟不同的距离。该DOI的测量还可以通过局部分解探测装置来进行，如照相机或CCD芯片。

然而，如上文所述，图1所示方法对于表面10的曲率相对比较敏感。与之相反，该种用于DOI测量的方法对于表面的曲率相对不敏感。

图1所示测量方法中的背散射辐射部分也取决于材料各自的折射率。相比之下，图2所示的测量不取决于折射率。

此外，需要考虑到现有技术中已知的不同的油漆涂层系统，例如水型或溶剂型油漆涂层，也可能具有不同的折射率，即使是光学上等效的，也可能会影响图1所示的测量。在图2a中，还可以设置两个传感器来代替照相机或CCD芯片，其中一个传感器加工成例如内侧为圆形，而第二个传感器为环形且包围着第一个传感器。然而，在这种情况下，则不可能跟踪到光阑的倾斜。图2a中所示的测量方法则要求待测表面具有相对较高的反射比。

图3所示为根据本发明的设备1的示意图。该设备包括外壳20，在其中设置了通常标识为2的第一测量装置和通常标识为12的第二测量装置。该外壳基本上是密封的，并具有一个可通过其观察表面10的开口22。

在此，第一测量装置2具有第一辐射装置4和第一辐射探测装置6。在此，该第一辐射装置4和第一辐射探测装置6相对中轴线M对称安置，即反射到表面10上的和来自表面10的光线都能达到辐射探测装置6。

附图标记14为第二辐射装置，为第二测量装置12的一部分。此外，第二次测量装置12还设有第二辐射探测装置16，在此第二辐射装置14和第二辐射探测装置16同样相对中轴线M对称安置。但是，第二辐射探测装置16也可能不被安置在第二辐射装置14反射的角度内，而可能向外偏移。这里可以推出不同角度下取得的测量结果。或更确切地说，在这里可跟踪光阑来用于评价。

在图3所示的布置中，相对于中轴线M，第二测量装置被放置在第一测量装置12的内部，因为第二测量方法比第一测量方法更适于较陡峭的测量角。

然而，各辐射装置4和14以及各辐射探测装置在安装时都应避免彼此间相互影响各自的测量。即从第一辐射装置射出的光线不会到达第二辐射探测装置，从第二辐射装置射出的光线也不会达到第一辐射探测装置。

附图标记24是指处理装置，其存储从两个辐射探测装置输出的信号或测量值，并基于这些测量值输出表面10的特征测量值。此外，该设备还包括一个存储装置26，其中可存储反映不同折射率特征的第一信号值。这样，就可以基于第一和第二辐射探测装置之间的对比获得相应材料的折射率的结果。

通过控制装置28，两个测量装置2和12可以以时间交错的方式来进行测量，从而使得这些测量不会互相影响。

被标识为1的设备还可进一步包括诸如位移元件，如车轮，用于像车辆的主体一样来移动设备相对于表面运动。为此，还可以提供距离测量装置，来测定设备相对于表面的距离。根据本发明的设备也可以放置在例如机器臂上，并移动它横在待测的表面上。

也可以将通过两个测量装置2和12获得的测量值与距离测量装置输出的距离值相关联。这样，第一测量装置2和第二测量装置12测量的值可以分配到表面10的特定区域，另外，这样即使在设备1相对于表面10移动时也便于实施测量。例如，测量可以在设备1相对于表面10的特定位置进行，例如在彼此间有规律的间隔处进行测量。

除此之外，两个测量装置2和12可以进一步包括位于各自光路上的诸如透镜的光学元件。附图标记8是指光阑单元，其为第二测量装置的一部分。该光阑单元8可以任意调节其光圈。附图标记9是指另一光阑单元，其为第一测量装置的一部分。原则上这两个测量装置2和12，各自都可以使用共同的辐射装置和/或共同的辐射探测装置。这种连接情况下，光阑8优选根据测量方法重新配置。如果光阑9是软件实现的光阑，那么对于图2所示的测量方法，其很容易“被移除”。

在本申请文件中公开的所有特征都要求作为实质被保护，这些特征单独地或者结合起来相比现有技术具有新颖性。

附图标记列表：

1  设备

2  第一测量装置

4  第一辐射装置

6  第一辐射探测装置

8  光阑单元

9  光阑单元

10 表面

14 第二辐射装置

16 第二辐射探测装置

20 外壳

22 外壳上的开口

24 处理装置

26 存储装置

28 控制单元

32 光阑单元

34 透镜

36，38  透镜组

S1，S2  辐射，光路

D1，D2距离

K  辐射波瓣

M  中轴线

Claims (12)

1.一种用于测定材料光学特性的设备，包括具有第一辐射装置（4）的第一测量装置（2），第一辐射装置（4）以第一特定辐射角将辐射引导到材料（10）上，所述第一测量装置（2）还具有第一辐射探测装置（6），第一辐射探测装置（6）与材料（10）成第一接收角放置，并接收至少部分第一辐射装置（4）引导到材料上和从材料（10）上散射回的辐射，同时，第一辐射探测装置（6）发出第一特征信号，所述第一特征信号反映了射在第一辐射探测装置（4）上的辐射强度的特征；其特征在于，

所述设备（1）还包括具有第二辐射装置（14）的第二测量装置（12），所述第二辐射装置以第二特定辐射角将辐射引导到材料（10）上，第二测量装置（12）具有第二辐射探测装置（16），所述第二辐射探测装置（16）与材料成一定接收角放置，并接收至少部分由第二辐射装置（14）引导到材料上和从材料（10）上散射回的辐射，第二辐射探测装置（16）允许对入射辐射进行局部分解评价，并发出至少一个第二特征信号，所述至少一个第二特征信号反映了射在第二辐射探测装置（16）上的辐射的特征；

其中所述设备（1）具有处理器件，所述处理器件基于对所述第一特征信号和所述至少一个第二特征信号的考虑，输出反映表面特征的值（E）；

其中可以建立或者获取将相应的折射率分配到所述第一特征信号的基础表，考虑将各个所述至少一个第二特征信号用于所述分配。

2.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述第一辐射角和第二接收角基本上相对于材料（10）的中垂线（M）镜面对称。

3.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述材料是表面。

4.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，在所述第一辐射探测装置（6）的上游设置光阑单元（8）。

5.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述设备（1）包括评价单元，所述评价单元根据对若干不同因素的测定对所述第二特征信号进行分析。

6.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述第一辐射装置（4）和第二辐射装置将辐射引导到材料（10）上的同一区域。

7.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述设备（1）包括控制单元（30），所述控制单元（30）使第一测量装置（2）和第二测量装置（12）在不同时间点进行测量。

8.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述设备包括外壳，所述第一辐射装置（4）和所述第二辐射装置（14）和所述第一辐射探测装置（6）和所述第二辐射探测装置（16）都被放置在所述外壳内部，所述外壳（24）仅有一个开口，所述第一辐射装置（4）和所述第二辐射装置（14）都通过所述开口照射材料（10）。

9.一种用于测定材料光学特性的方法，其中第一测量装置（2）通过第一辐射装置（4）以第一特定辐射角将辐射引导到材料（10）上，并通过与材料（10）成第一接收角设置的第一辐射探测装置（6）接收至少部分从第一辐射装置（4）引导到材料上和从材料（10）上散射回的辐射，第一辐射探测装置（6）发出第一特征信号，所述第一特征信号反映了射在第一辐射探测装置（6）上的辐射强度的特征；其特征在于，

第二测量装置（12）通过第二辐射装置（14）以第二特定辐射角将辐射引导到材料（10）上，并通过与材料（10）成第二接收角设置的第二辐射探测装置（16）接收至少部分从第二辐射装置（14）引导到材料上和从材料（10）上散射回的辐射，第二辐射探测装置（16）允许对入射辐射进行局部分解评价，并发出至少一个第二特征信号，所述至少一个第二特征信号反映了射在第二辐射探测装置（16）上的辐射的特征；

其中基于对所述第一特征信号和/或所述至少一个第二特征信号的考虑，输出至少一个反映材料特征的值；

其中可以建立或者获取将相应的折射率分配到所述第一特征信号的基础表，考虑将各个所述至少一个第二特征信号用于所述分配。

10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述第一测量装置（2）的测量和第二测量装置（12）的测量是在不同时间点上进行的。

11.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述第一测量装置（2）的测量和第二测量装置（12）的测量基本上是在材料的同一区域上进行的。

12.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，根据至少一种方法，至少两块探测区域（D1，D2）得到了评价，并被用于按预定的比例确定彼此的测量值。