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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung
zur Bestimmung von Oberflächeneigenschaften
wie insbesondere aber nicht ausschließlich der Farbe, des orange
peels oder ähnlichen
Eigenschaften einer zu untersuchenden Oberfläche.
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Die
Erfindung wird unter Bezugnahme auf Oberflächen von Kraftfahrzeugen beschrieben.
Es wird jedoch darauf hingewiesen, dass die Erfindung auch bei anderen
Oberflächen
wie beispielsweise den Beschichtungen von Möbelstücken, von Bodenbelägen und
dergleichen Anwendung finden kann.
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Der
optische Eindruck von Gegenständen bzw.
deren Oberflächen,
insbesondere von Oberflächen
an Kraftfahrzeugen wird maßgeblich
durch deren Oberflächeneigenschaften
bestimmt. Da das menschliche Auge nur bedingt zur objektiven Bestimmung
von Oberflächeneigenschaften
geeignet ist, besteht ein Bedarf nach Hilfsmitteln und Apparaturen zur
qualitativen und quantitativen Bestimmung von Oberflächeneigenschaften.
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Dabei
werden Oberflächeneigenschaften wie
beispielsweise Glanz, orange peel, Farbe, Makro- oder Mikrostruktur,
Abbildungsschärfe,
Glanzschleier, Oberflächenstruktur
und/oder Oberflächentopographie
und dergleichen bestimmt.
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Aus
dem Stand der Technik sind Vorrichtungen bekannt, bei denen eine
Strahlungseinrichtung eine Strahlung auf die zu untersuchende Oberfläche wirft
und die von dieser Oberfläche reflektierte und/oder
gestreute Strahlung von einem Detektor aufgenommen und ausgewertet
wird. Diese Vorrichtungen arbeiten zufriedenstellend und erlauben
eine objektive Klassifizierung der betreffenden Oberfläche. Bei
der Messung tritt jedoch das Problem auf, dass die Neigung der Vorrichtungen
gegenüber
der Oberfläche
beispielsweise aufgrund von Krümmungen
der Oberfläche
nicht konstant ist sondern variiert. Gerade auch Neigungsänderungen
der Vorrichtung gegenüber
der Oberfläche
in der Bewegungsrichtung wirken sich dramatisch auf das Messergebnis
aus. So können
bereits Winkeländerungen
von Gradbruchteilen die Messung erheblich verfälschen.
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Der
vorliegenden Erfindung liegt damit die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung
und ein Verfahren zur Verfügung
zu stellen, welches eine Berücksichtigung
von Einflüssen,
die durch Änderungen
der Neigung der Vorrichtung gegenüber der Oberfläche entstehen,
ermöglicht.
Daneben soll eine Vorrichtung geschaffen werden, die eine Unterscheidung
solcher Effekte, die durch eine Neigungsänderung hervorgerufen werden
und solche Effekte, die auf einer Änderung der Beschaffenheit
der Oberfläche
andererseits beruhen, erlaubt. Schließlich sollen Aussagen über die
physikalischen Ursachen von Veränderungen
der auf die Detektoreinrichtungen treffenden Strahlungen ermöglicht werden.
Dies wird erfindungsgemäß durch
eine Vorrichtung nach den Ansprüchen
1 und 10 und ein Verfahren nach den Ansprüchen 13 und 16 erreicht. Vorteilhafte
Ausführungsformen
und Weiterbildungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Die
erfindungsgemäße Vorrichtung
zur Bestimmung von Oberflächeneigenschaften
weist wenigstens eine erste Strahlungseinrichtung auf, die Strahlung
auf eine zu untersuchende Oberfläche aussendet.
Daneben ist wenigstens eine erste Strahlungsdetektoreinrichtung
vorgesehen, die wenigstens einen Teil der von der wenigstens einen
Strahlungseinrichtung ausgesandten und anschließend von der Oberfläche gestreuten
und/oder reflektierten Strahlung aufnimmt und wenigstens ein erstes
Messsignal ausgibt, das für
die reflektierte und/oder gestreute Strahlung charakteristisch ist.
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Weiterhin
ist wenigstens eine zweite Strahlungsdetektoreinrichtung vorgesehen,
die wenigstens einen Teil der von der wenigstens einen Strahlungseinrichtung
ausgesandten und anschließend von
der Oberfläche
gestreuten und/oder reflektierten Strahlung aufnimmt und wenigstens
ein zweites Messsignal aufnimmt, das für die reflektierte und/oder
gestreute Strahlung charakteristisch ist.
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Erfindungsgemäß ist die
erste Strahlungsdetektoreinrichtung gegenüber der Richtung der von der
Oberfläche
reflektierten Strahlung um einen ersten vorgegebenen Winkel und
die zweite Strahlungsdetektoreinrichtung gegenüber der Richtung der von der
Oberfläche
reflektierten Strahlung um einen zweiten vorgegebenen Winkel versetzt
und der erste und der zweite vorgegebene Winkel sind bezüglich der
Richtung der von der Oberfläche
reflektierten Strahlung im Wesentlichen gegengleich.
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Unter
einer Strahlung wird jede Art von Strahlung verstanden wie beispielsweise
infrarotes Licht, ultraviolettes Licht, infrarotes Licht, Licht
im sichtbaren Längenbereich,
Röntgenstrahlung
und dergleichen. Bevorzugt wird als Strahlung Licht im sichtbaren
Bereich und besonders bevorzugt ein genormtes Weißlicht verwendet.
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Unter
einer für
die Strahlung charakteristischen Eigenschaft wird insbesondere aber
nicht ausschließlich
deren Intensität,
deren Spektralbereich bzw. deren Wellenlänge, deren Polarisation oder auch
eine Kombination aus diesen Eigenschaften verstanden. Damit wird
unter einem charakteristischen Messsignal ein Messsignal verstanden,
das für
wenigstens eine dieser Eigenschaften charakteristisch ist.
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Damit
sind erfindungsgemäß die beiden Strahlungsdetektoreinrichtungen
im Wesentlichen gleich weit von der Richtung der reflektierten Strahlung
entfernt. Dabei sind bevorzugt sowohl die Strahlungseinrichtung
als auch die Strahlungsdetektoreinrichtungen in der gleichen Ebene
angeordnet, sodass auch die betrachteten Strahlengänge im Wesentlichen
in einer Ebene verlaufen, die besonders bevorzugt senkrecht zu der
zu untersuchenden Oberfläche
steht.
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Im
Falle einer exakt senkrechten Ausrichtung der Vorrichtung gegenüber der
Oberfläche
ist zu erwarten, dass die beiden Strahlungsdetektoreinrichtungen
im Wesentlichen die gleiche Strahlungsintensität aufnehmen, da sie im Wesentlichen
gleich weit von dem zu erwartenden Maximum der Strahlung unter dem
Reflektionswinkel entfernt sind. Die Intensitätsverteilung nimmt ein Maximum
unter dem jeweiligen Reflektionswinkel ein und nimmt anschließend zu
den Flanken hin beispielsweise gauß- oder lorentzförmig ab.
Falls nun in der Ebene der Strahlengänge eine Verkippung der Vorrichtung
gegenüber der
Oberfläche
auftritt, beispielsweise hervorgerufen durch Krümmungen, wird sich auch der
Winkel des reflektierten Lichts verändern. So ist es beispielsweise
möglich,
dass das reflektierte Licht in einer Richtung von der Oberfläche reflektiert
wird, die näher
an der ersten Strahlungsdetektoreinrichtung und weiter entfernt
von der zweiten Strahlungsdetektoreinrichtung liegt. In diesem Fall
wird die erste Strahlungsdetektoreinrichtung eine höhere Intensität feststellen als
die zweite Strahlungsdetektoreinrichtung. Aus einer Beziehung zwischen
den gemessenen Intensitäten
kann auf den Verkippungswinkel der Vorrichtung gegenüber der
Oberfläche
zurück
geschlossen und auf Grundlage dieses Rückschlusses ein Messergebnis
korrigiert werden.
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Falls
sich hingegen die Beschaffenheit der Oberfläche, beispielsweise deren Schichtdicke ändert, so ändert sich
zwar möglicherweise
die Intensität
des reflektierten Lichts, nicht aber dessen Richtung. Damit wird
sich hier die von beiden Strahlungsdetektoreinrichtungen festgestellte
Intensität
in der gleichen Weise ändern.
Der Betrachter kann daraus folgen, dass keine Verkippung der Vorrichtung
gegenüber
der Oberfläche
vorliegt.
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Unter
einem im Wesentlichen gegengleichen Winkel wird verstanden, dass
die beiden Winkel der Strahlungsdetektoreinrichtungen bezüglich der
Richtung des reflektierten Lichts im Wesentlichen den gleichen Wert
annehmen, wobei auch Toleranzen von bis zu 3° möglich sind. Bei einer weiteren
Ausführungsform
wäre es
auch möglich,
die Strahlungsdetektoreinrichtungen bezüglich der Richtung des reflektierten
Lichts unter unterschiedlichen Winkeln anzuordnen, und dies entsprechend
bei der Auswertung der Intensitätsverhältnisse
zu berücksichtigen.
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Vorzugsweise
ist eine Prozessoreinrichtung vorgesehen, die aus einer Beziehung
zwischen dem ersten Messsignal und dem zweiten Messsignal die Lage
der Vorrichtung gegenüber
der Oberfläche
berücksichtigt.
So kann beispielsweise aus gleichen Intensitäten bzw. einer Intensitätsdifferenz
von 0 auf eine gerade Ausrichtung der Vorrichtung geschlossen werden.
Diese Intensitätsdifferenz
von 0 tritt insbesondere dann auf, wenn die beiden Strahlungsdetektoreinrichtungen
unter jeweils gegengleichen Winkeln bezüglich der Richtung des reflektierten
Lichts angeordnet sind. Falls die Winkel miteinander nicht exakt übereinstimmen,
muss dies von der Prozessoreinrichtung entsprechend berücksichtig
werden. In diesem Falle wird besonders bevorzugt auch die Intensitätsverteilung
des reflektierten Lichts mitberücksichtigt.
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Durch
das Vorsehen weiterer Strahlungsdetektoreinrichtungen beispielsweise
außerhalb
der oben erwähnten
Ebene der Strahlengänge
werden entsprechende Messungen auch für Verkippungen der Vorrichtung
senkrecht zu der oben erwähnten Ebene,
möglich
und insgesamt kann so die genaue Verkippung im dreidimensionalen
Raum gegenüber der
Oberfläche
der Vorrichtung registriert werden.
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Vorzugsweise
ist die Beziehung zwischen dem ersten Messsignal und dem zweiten
Messsignal beziehungsweise von sich aus diesen Messsignalen ergebenden
Werten die Differenz oder das Verhältnis dieser Werte. Jedoch
könnten
auch andere mathematische Größen wie
beispielsweise das Produkt herangezogen werden.
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Vorzugsweise
liegen die vorgegebenen Winkel dem Betrag nach zwischen 5° und 35°, bevorzugt zwischen
10° und
30°, bevorzugt
zwischen 15° und 25° und besonders
bevorzugt bei 15°.
Die jeweiligen Winkel sollten einerseits nicht zu weit auseinander liegen,
um noch eine Aufnahme von Anteilen des reflektierten Lichts zu ermöglichen.
Auf der anderen Seite sollten die Winkel auch nicht zu klein gewählt werden
um eine Trennung der beiden Flanken der reflektierten Lichtintensität zu erreichen.
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Bei
einer weiteren bevorzugten Ausführungsform
sendet die Strahlungseinrichtung die Strahlung unter einem vorgegebenen
Einstrahlwinkel α1
auf die Oberfläche
aus und dieser Winkel liegt gegenüber einer auf der Oberfläche senkrechten
Richtung zwischen 5° und
45°, bevorzugt
zwischen 10° und
35°, bevorzugt
zwischen 10° und
25° und
besonders bevorzugt im Bereich von 15°.
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Bei
der Wahl dieses Winkels ist insbesondere darauf zu achten, dass
dieser nicht zu hoch gewählt
wird, da im Falle zu hoher Winkel ein sehr hoher Versatz der reflektierten
Strahlung durch Unebenheiten auftritt. Daneben wird bei zu hohen
Winkeln die Farbmessung erschwert. Andererseits sollte dieser Winkel
auch nicht zu gering werden, um zu erreichen, dass der Winkel zwischen
der eingestrahlten und der reflektierten Strahlung groß genug
ist, um noch Strahlungsdetektoreinrichtungen dazwischen anordnen
zu können.
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Bei
einer weiteren bevorzugten Ausführungsform
ist eine Absorptionseinrichtung vorgesehen, die die von der Oberfläche reflektierte
Strahlung absorbiert. Damit ist diese Absorptionseinrichtung vorzugsweise
unter dem Reflektionswinkel bezüglich der
eingestrahlten Strahlung angeordnet. Vorzugsweise ist die Absorptionseinrichtung
so beschaffen, dass sie auch noch vorgegebene Winkelbereiche beispielsweise
von 2° bis
10° Grad
um den Reflektionswinkel abdeckt. Die Absorptionseinrichtung kann dabei
als strahlungsabsorbierende Röhre
oder der gleichen ausgeführt
sein. Durch das Vorsehen dieser Absorptionseinrichtung werden ungewollte
Effekte durch Streulicht verringert.
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Bei
einer weiteren bevorzugten Ausführungsform
ist eine weitere Strahlungsdetektoreinrichtung vorgesehen, die wenigstens
einen Teil der von der wenigstens einen Strahlungseinrichtung ausgesandten
und anschließend
von der Oberfläche
gestreuten und/oder reflektierten Strahlung aufnimmt und wenigstens
ein weiteres Messsignal aufgibt, das für die reflektierte und/oder
gestreute Strahlung charakteristisch ist. Diese weitere Strahlungsdetektoreinrichtung
kann verwendet werden, um beispielsweise Farbänderungseffekte der Oberflächen zu
ermitteln. Diese weitere Strahlungsdetektoreinrichtung ist vorzugsweise
in einem großen
Winkelabstand bezüglich
der Richtung der reflektierten Strahlung angeordnet. Auf diese Weise
wird verhindert, dass reflektierte Strahlung in Richtung der weiteren
Strahlungseinrichtung gelangt.
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Vorzugsweise
ist die weitere Strahlungsdetektoreinrichtung unter einem Winkel
gegenüber
der auf der Oberfläche
senkrechten Richtung angeordnet und dieser Winkel liegt dem Betrag
nach zwischen 30° und
60° und
bevorzugt bei etwa 45°.
Vorzugsweise liegen die Strahlungseinrichtung und die weitere Detektoreinrichtung
auf der gleichen Seite bezüglich der
gegenüber
der Oberfläche
senkrechten Richtung. In diesem Falle liegen also die weitere Detektoreinrichtung
einerseits und die ersten und zweiten Detektoreinrichtungen andererseits
auf unterschiedlichen Seiten bezüglich
der senkrechten Richtung.
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Vorzugsweise
ist eine Prozessoreinrichtung vorgesehen, die das weitere Messsignal
mit wenigstens dem ersten oder dem zweiten Messsignal vergleicht
und einen für
diesen Vergleich charakteristischen Wert ausgibt. Dabei ist es beispielsweise
möglich,
prozentuale Abweichungen der Intensitätswerte der ersten und der
weiteren Detektoreinrichtung aufzusummieren bzw. zu vergleichen.
Durch diese Anordnungen können
bestimmte Gattungen von Farbunebenheiten auf der Oberfläche voneinander
unterschieden werden, da beispielsweise solche Oberflächenänderungen,
die durch eine Schichtdickendifferenz hervorgerufen werden, die
Signale der ersten und der weiteren Strahlungsdetektoreinrichtungen
in der gleichen Richtung ändern
und andererseits solche Farbunebenheiten, die sich aus einer bestimmten
Orientierung von Farbpigmenten ergeben, die Signale in unterschiedlicher
Rich tung beeinflussen bzw. ändern.
Dies wird unter Bezugnahme auf die Figuren genauer erläutert. Vorzugsweise
ist eine Prozessoreinrichtung vorgesehen, die das weitere Messsignal
mit wenigstens dem ersten oder dem zweiten Messsignal vergleicht
und einen für
diesen Vergleich charakteristischen Wert ausgibt.
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Die
vorliegende Erfindung ist weiterhin auf eine Vorrichtung zur Bestimmung
von charakteristischen Eigenschaften mit wenigstens einer ersten Strahlungseinrichtung
gerichtet, welche Strahlung auf eine zu untersuchende Oberfläche aussendet, wenigstens
einer ersten Strahlungsdetektoreinrichtung, welche wenigstens einen
Teil der von der wenigstens einen Strahlungseinrichtung ausgesandten und
anschließend
von der Oberfläche
gestreuten und/oder reflektierten Strahlung aufnimmt und wenigstens
ein erstes Messsignal ausgibt, dass für ihre reflektierte und/oder
gestreute Strahlung charakteristisch ist.
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Daneben
ist wenigstens eine weitere Strahlungsdetektoreinrichtung vorgesehen,
welche wenigstens einen Teil der von der wenigstens einen Strahlungseinrichtung
ausgesandten und anschließend
von der Oberfläche
gestreuten und/oder reflektierten Strahlung aufnimmt und wenigstens
ein weiteres Messsignal ausgibt, dass für die reflektierte und/oder
gestreute Strahlung charakteristisch ist. Erfindungsgemäß ist die
erste Strahlungsdetektoreinrichtung gegenüber der Richtung der von der
Oberfläche
reflektierten Strahlung um einen ersten vorgegeben Winkel versetzt
angeordnet, die weitere Strahlungsdetektoreinrichtung ist gegenüber der
von der Oberfläche
reflektierten Strahlung um einen weiteren Winkel versetzt angeordnet
und es ist eine Prozessoreinrichtung vorgesehen, welche aus einer
Beziehung zwischen dem ersten Messsignal und dem weiteren Messsignal
eine für
eine Oberflächenbeschaffenheit
der Oberfläche
charakteristische Größe ermittelt.
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Bei
dieser erfindungsgemäßen Ausführungsform
sind die beiden Winkel unter denen die erste und die weitere Strahlungsdetektoreinrichtung
angeordnet sind, nicht notwendigerweise im Wesentlichen symmetrisch
bezüglich
der Richtung der reflektierten Strahlung sondern bevorzugt asymmetrisch
hierzu. Diese erfindungsgemäße Vorrichtung
dient dazu, um ebenfalls die Effekte, die von unterschiedlichen
Arten von Oberflächenunebenheiten
hervorgerufen und von einer Strahlungsdetektoreinrichtung nicht
unterschieden werden können,
zu unterscheiden. Genauer gesagt sollen solche Effekte, die durch
sich verändernde
Schichtdicken und damit einhergehende Konzentrationsschwankungen
der Farbpigmente hervorgerufen werden und solche Effekte die durch
ungleichmäßige Anordnungen
von Effektpigmenten verursacht werden, voneinander unterschieden
werden. Dies wird unter Bezugnahme auf die Figuren eingehend erläutert.
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Bei
einer weiteren bevorzugten Ausführungsform
ist eine Intensitätsmesseinrichtung
vorgesehen, welche die Intensität
der von der Strahlungseinrichtung abgegebenen Strahlung vor dem
Auftreffen auf die Oberfläche
misst. Wird beispielsweise als Strahlungseinrichtung oder Strahlungsquelle
eine weiße
LED verwendet, ist deren Intensität über die Zeit nicht exakt konstant.
So können
sich Änderungen
der Intensität
beispielsweise durch eine Erwärmung
der Strahlungsquelle ergeben. Da für eine Bestimmung von Oberflächeneigenschaften
auch die jeweils durch die Strahlungsdetektoreinrichtung ermittelten
Intensitäten
relevant sind, dient die Intensitätsmesseinrichtung dazu, eine
Eichung der jeweils ermittelten Intensitäten durchzuführen. Dies
ist insbesondere im gepulsten Betrieb interessant.
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Bevorzugt
weist wenigstens eine erste Strahlungseinrichtung wenigstens eine
Strahlungsquelle auf, die aus einer Gruppe von Strahlungsquellen
ausgewählt
ist, welche thermische Strahlungsquellen, wie insbesondere aber
nicht ausschließlich Glühlampen,
Halogenlampen, kohärente
und nicht kohärente
Halbleiterstrahlungsquellen wie insbesondere aber nicht ausschließlich LED's, Gasentladungsstrahlungsquellen,
Laser, Kombinationen hieraus und dergleichen aufweist. Besonders
bevorzugt wird als Strahlungsquelle eine LED verwendet, die Weißlicht abstrahlt.
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Bei
einer weiteren bevorzugten Ausführungsform
ist eine Schichtdickenmesseinrichtung vorgesehen. Damit kann die
jeweilige Schichtdicke beispielsweise auf induktive Weise ermittelt
werden. Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform weist die Vorrichtung
eine Bewegungseinrichtung auf, um die Vorrichtung gegenüber der
Oberfläche entlang
einer vorgegebenen bevorzugt im Wesentlichen geradlinigen Bewegungsrichtung
zu bewegen. Dabei kann es sich beispielsweise um Räder handeln,
wobei besonders bevorzugt wenigstens ein Rad mit einer Entfernungs-
oder Wegstreckenmesseinrichtung gekoppelt ist. Damit kann ein Profil
einer zu untersuchenden Oberfläche
aufgenommen werden.
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Bei
einer weiteren bevorzugten Ausführungsform
erlaubt wenigstens eine Strahlungsdetektoreinrichtung eine ortsaufgelöste Aufnahme
der auf sie auftreffenden Strahlung. Dabei kann die Strahlungsdetektoreinrichtung
einen CCD-Chip oder dergleichen aufweisen. Auf diese Weise ist es
möglich, nicht
nur Intensitäten
der auftreffenden Strahlung zu ermitteln, sondern auch ein differenziertes
Bild der Oberfläche
wiederzugeben.
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Die
vorliegende Erfindung ist weiterhin auf ein Verfahren zur Bestimmung
von Oberflächeneigenschaften
gerichtet, wobei in einem ersten Verfahrensschritt Strahlung auf
eine zu untersuchende Oberfläche
eingestrahlt wird. In einem weiteren Verfahrensschritt wird wenigstens
ein Anteil der auf die Oberfläche
eingestrahlten und von dieser zurückgeworfenen Strahlung mit
einer ersten Strahlungsdetektoreinrichtung detektiert und ein für diese
zurückgeworfene
Strahlung charakteristisches erstes Signal ausgegeben. Weiterhin
wird wenigstens ein Anteil der auf die Oberfläche eingestrahlten und von
dieser zurückgeworfenen
Strahlung mit einer zweiten Strahlungsdetektoreinrichtung detektiert
und ein für
diese zurückgeworfene
Strahlung charakteristisches zweites Signal ausgegeben. Bei einem
weiteren Verfahrensschritt wird das erste Signal mit dem zweiten
Signal verglichen und anhand dieses Vergleichs eine geometrische
Position der Strahlungseinrichtung gegenüber der Oberfläche ermittelt.
Genauer gesagt wird durch einen Vergleich des ersten und des zweiten
Signals bevorzugt eine Verkippung bzw. der Neigungswinkel in der
Ebene der Strahlungseinrichtungen der Vorrichtung gegenüber der
Oberfläche
bestimmt.
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Bevorzugt
wird wenigstens ein Signal unter Berücksichtigung der geometrischen
Position der Strahlungseinrichtung gegenüber der Oberfläche korrigiert.
Dabei kann es sich beispielsweise um ein Signal handeln, welches
von der Strahlungsdetektoreinrichtung für die Oberfläche ermittelt
wurde und die Korrektur erfolgt dementsprechend unter Berücksichtigung
einer eventuell vorhandenen Verkippung.
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Vorzugsweise
ist die erste Strahlungsdetektoreinrichtung gegenüber der
Richtung der von der Oberflächen
reflektierten Strahlung um einen ersten vorgegebenen Winkel versetzt
und die zweite Strahlungsdetektoreinrichtung ist gegenüber der
Richtung der von der Oberfläche
reflektierten Strahlung um einen zweiten vorgegebenen Winkel versetzt
angeordnet wobei die Winkel bezüglich
der Richtung der von der Oberfläche
reflektierten Strahlung im Wesentlichen gegengleich sind.
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Vorzugsweise
wird für
die Durchführung
des erfindungsgemäßen Verfahrens
eine Vorrichtung der oben beschriebenen Art verwendet.
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Die
vorliegende Erfindung ist weiterhin auf ein Verfahren zur Bestimmung
von Oberflächeneigenschaften
gerichtet, wobei in einem ersten Verfahrensschritt Strahlung auf
eine zu untersuchende Oberfläche
gerichtet wird, in einem weiteren Verfahrensschritt wenigstens ein
Anteil der auf die Oberfläche
eingestrahlten und von dieser zurückgeworfenen Strahlung mit
einer ersten Strahlungsdetektoreinrichtung detektiert wird und ein
für diese
zurückgeworfene
Strahlung charakteristisches erstes Signal ausgegeben wird. Weiterhin
wird wenigstens ein Anteil der auf die Oberfläche eingestrahlten und von
dieser zurückgeworfenen
Strahlung mit einer weiteren Strahlungsdetektoreinrichtung detektiert
und ein für
diese zurückgeworfene
Strahlung charakteristisches weiteres Signal ausgegeben. Schließlich wird
das erste Signal mit dem weiteren Signal verglichen und ein für diesen
Vergleich charakteristischer Wert ausgegeben.
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Alternativ
oder zusätzlich
wird durch einen Vergleich des ersten Signals und des zweiten Signals oder
des ersten Signals und eines weiteren Signals, welches von einer
weiteren Strahlungsdetektoreinrichtung stammt, eine bestimmte Gattung
von Farbveränderungen
bzw. deren Ursache identifiziert. Farbveränderungen werden dabei allgemein
durch solche Beschaffenheiten der Oberfläche hervorgerufen, die von
einer idealen Oberfläche,
d. h. einer Oberfläche,
die insbesondere keine Konzentrationsschwankungen der Farbpigmente
insbesondere durch Schichtdickenänderungen
oder keine Fehlorientierungen von Effektpigmenten (z.B. Aluminium-Flakes)
aufweist, abweichen. Insbesondere können durch das erfindungsgemäße Verfahren Änderungen
der Farbpigmentkonzentration unterschieden werden von solchen Effekten,
die durch eine Fehlorientierung von Effektpigmenten verursacht werden. Genauer
gesagt wird aus dem für
den Vergleich charakteristischen Wert eine Unterscheidung ermöglicht zwischen
Signaländerungen,
die durch eine Schichtdickenänderung
hervorgerufen werden und Signaländerungen,
die durch eine Fehlanordnung von Pigmenten hervorgerufen werden.
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Weitere
Vorteile und Ausführungsformen
ergeben sich aus den beigefügten
Zeichnungen:
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Darin
zeigen:
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1 eine
Darstellung zur Veranschaulichung einer ersten der Erfindung zugrundliegenden Aufgabe;
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2a-2c schematische
Darstellungen zur Veranschaulichung einer zweiten der Erfindung zugrunde
liegenden Aufgabe;
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3 einen
Optikblock einer erfindungsgemäßen Vorrichtung;
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4 eine
erfindungsgemäße Vorrichtung;
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5a ein
erstes Diagramm zur Veranschaulichung von Messergebnissen;
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5b ein
zweites Diagramm zur Veranschaulichung von Messergebnissen; und
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5c ein
drittes Diagramm zur Veranschaulichung von Messergebnissen.
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1 zeigt
eine Intensitätsverteilung
eines auf eine Oberfläche
eingestrahlten und von dieser reflektierten Strahlung. Dabei kennzeichnet
die gestrichelte Linie mit der Markierung 0° den Reflektionswinkel. Zur
Vereinfachung wurden die jeweiligen Winkel bzw. deren Linien auf
einer Geraden aufgetragen.
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Falls
die Vorrichtung gegenüber
der Oberfläche
nicht verkippt ist, ist der Intensitätsverlauf 31 zu erwarten.
In diesem Fall werden die beiden Strahlungsdetektoreinrichtungen 5 und 15,
die unter –15° und 15° angeordnet
sind, jeweils die gleiche Intensität I0 aufnehmen.
Falls jedoch eine Verkippung der Vorrichtung gegenüber der
Oberfläche
vorliegt, verschiebt sich die Intensitätsverteilung beziehungsweise
das Signal, wie beispielsweise durch die gepunktete Linie 33 dargestellt.
In diesem Falle wird die unter +15° angeordnete Strahlungsdetektoreinrichtung eine
höhere
Intensität
I2 und die unter –15° angeordnete Strahlungsdetektoreinrichtung
eine entsprechende niedrigere Intensität I1 aufnehmen.
Aus dem Verhältnis
zwischen den Intensitätswerten
I1 und I2 kann die
Verkippung berücksichtigt
werden. Besonders bevorzugt sind die beiden Strahlungsdetektoreinrichtungen
so angeordnet, dass Intensität
I0 in demjenigen Bereich der Intensitätsverteilung
liegt, in dem ein annähernd
linearer Intensitätsverlauf
gegenüber
dem Winkel zu erwarten ist. Im Falle einer Verkippung sind dann
die Differenzen zwischen I1 und I0 und zwischen I2 und
I0 in etwa gleich groß.
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Die 2a bis 2c beziehen
sich auf ein weiteres der Erfindung zugrundliegendes Problem. Dabei
zeigt das Bezugszeichen 8 die Oberfläche bzw. eine entsprechende
Beschich tung. Innerhalb dieser Beschichtung ist bei manchen Beschichtungsarten
eine Vielzahl von sogenannten Pigmenten oder Flakes 36a, 36b angeordnet.
Bei ordnungsgemäßer Beschichtung
sind die Flakes im Wesentlichen waagrecht, wie beispielsweise das
Flake 36a, ausgerichtet. Bei Auftreten von Fehlern kann
es jedoch auch zu Schrägstellungen
der Flakes kommen, wie beispielsweise bei dem Flake 36b gezeigt.
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Auf
der anderen Seite kann es jedoch auch zu Dickenschwankungen der
jeweiligen Beschichtung kommen und auch diese Dickenschwankungen wirken
sich auf den optischen Eindruck der Oberfläche und auch auf das Messergebnis
aus. So ist es beispielsweise in dem Bereich, in dem die Beschichtung
zu dünn
ist und eine Dicke d2 aufweist möglich, dass
ein Grundlack oder eine Grundlackierung durchscheinen und den Gesamteindruck
verfälschen.
Mit dem aus dem Stand der Technik bekannten Messverfahren lässt sich
aus einem aufgenommenen Bild bzw. einer durchgeführten Messung nicht ermitteln,
ob Schwankungen von einer Konzentrationsschwankung oder von einer
Fehlorientierung der Flakes stammen.
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In
den 2a-2c sind drei verschiedene Messsituationen
gezeigt. Dabei bezieht sich das Bezugszeichen 3 auf eine
Strahlungseinrichtung, und die Bezugszeichen 15 und 7 auf
Strahlungsdetektoreinrichtungen. Die Strahlungseinrichtung strahlt
Strahlung unter einem Einstrahlwinkel α1 von –15° gegenüber der Mittelsenkrechten M
auf die Oberfläche.
Diese Strahlung wird unter einem Ausfallwinkel von 15° gegenüber der
Mittelsenkrechten M reflektiert (Pfeil P3). Die Strahlungsdetektoreinrichtung 15 nimmt
einen gewissen Anteil dieser reflektierten Strahlung auf, die weitere
Strahlungsdetektoreinrichtung 7 dagegen nur noch gestreute Strahlung.
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2a zeigt
eine Ausgangssituation, bei der am Ort eines korrekt ausgerichteten
Flakes 36a gemessen wird, wobei die Schichtdicke hier den
Wert d1 annimmt. 2b zeigt eine Situation, in
der zwar das Flake ordnungsgemäß ausgerichtet
ist, jedoch die Schichtdicke einen verringerten Wert d2 aufweist. In
diesem Bereich kann es, wie oben gesagt, zu Intensitätsänderungen
aufgrund der verringerten Schichtdicke bzw. Farbpigmentkonzentration
kommen.
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Diese
Intensitätsveränderung
wird sich jedoch auf die Strahlungsdetektoreinrichtung 15,
die gegenüber
der Richtung der reflektierten Strahlung unter –15° angeordnet ist und der Strahlungsdetektoreinrichtung 7,
die gegenüber
der Richtung der reflektierten Strahlung unter –45° angeordnet ist, in gleicher
Weise auswirken. Damit wirken sich Schichtdickenänderungen, die auch als Wolken
bezeichnet werden können,
auf die jeweiligen Signale in der gleichen Weise bzw. der gleichen
Richtung aus.
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2c zeigt
eine Situation, in der das eingestrahlte Licht auf das Flake 36b auftrifft,
welches in seiner Orientierung verdreht ist. Das gezeigte Flake 36b steht
jedoch auch für
eine Vielzahl von Flakes. In diesem Fall bewirket die Verdrehung,
dass das reflektierte Signal nicht mehr unter 15° austritt. Dies ist durch den
gestrichelten Pfeil P3 angedeutet. Damit wird in diesem Fall die
Strahlungsdetektoreinrichtung 15 einen höheren Anteil
des reflektierten Lichts aufnehmen. Die Intensität des gestreuten Lichts, welches
auf die Strahlungsdetektoreinrichtung 7 trifft, wird sich
hingegen nicht wesentlich bzw. in anderer Weise ändern. Damit ändern sich
in diesem Falle die Intensität
der Strahlung, die auf die zweite Strahlungsdetektoreinrichtung 15 auftrifft
und die Strahlung, die auf die weitere Detektoreinrichtung 7 auftrifft,
in unterschiedlicher Weise bzw. in entgegengesetzter Richtung. Damit
kann die Ursache von Intensitätsänderungen
durch einen Vergleich der aufgenommenen Intensitäten ermittelt werden. Durch
eine Vielzahl fehlorientierter Flakes wird allgemein die Intensität des reflektierten
Lichts abnehmen und die Intensität
des gestreuten Lichts zunehmen.
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Mit
anderen Worten ändern
derartige so genannte Orientierungswolken (d. h. Gebiete mit fehlorientierten
Flakes) zwar die Eigenschaften von Farbänderungen, wirken sich jedoch
je nach Anordnung der Strahlungsdetektoreinrichtung in Umfangsrichtung
in jedem Fall unterschiedlich auf die jeweils gemessenen Signale
aus. Auch in diesem Fall wird die prozentuale Abweichung der jeweils
von den beiden Strahlungsdetektoreinrichtungen 7 und 15 aufgenommenen
Signale aufsummiert oder vergleicht, wobei dieses Aufsummieren oder
Vergleichen über
unterschiedliche Bereiche von Längendistanzen
erfolgen kann. Auf diese Weise kann die physikalische Herkunft von
Farbveränderungen
festgestellt bzw. können
die Arten von Farbveränderungen
voneinander unterschieden werden.
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Unter
Bezugnahme auf 1 ist noch festzustellen, dass
auch hier Dickenänderungen
die Sensorsignale unter –15° und +15° in der gleicher Richtung ändern und
beispielsweise das Gesamtsignal vergrößert wird. Auch hier wird die
prozentuale Abweichung zwischen den Signalen von +15° und –15° aufsummiert.
Eine Verkippung der Oberfläche ergibt
jedoch wie ausgeführt
entgegengesetzte Änderungen
der Signale der Strahlungsdetektoreinrichtungen. Dabei ist jedoch
die Summe der beiden Signale (die unter –15° und +15° gegenüber der Richtung des reflektierten
Lichts aufgenommen werden) im Wesentlichen unabhängig von der Verkippung der Vorrichtung
gegenüber
der Oberfläche,
da, wie ausgeführt,
die Anordnung der Strahlungsdetektoreinrichtung so gewählt ist,
dass jeweils in dem im Wesentlichen linearen Bereich der Flanken
der Signale 31 bzw. 33 gemessen wird.
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3 zeigt
einen Optikblock 10 einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Untersuchung
von Oberflächeneigenschaften.
Dabei bezieht sich das Bezugszeichen 3 auf eine Strahlungseinrichtung,
die Strahlung auf eine zu untersuchende Oberfläche 8 richtet. Im
Betrieb wird die Vorrichtung gegenüber der Oberfläche entlang
des Pfeils P bewegt, um die auf diese Weise die Oberfläche optisch
abzutasten.
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Prinzipiell
wäre es
auch möglich,
mehrere Strahlungseinrichtungen parallel zueinander, beispielsweise
in einer Richtung die senkrecht zur Figurenebene steht, anzuordnen.
Daneben können
auch optische Elemente wie Zylinderlinsen vorgesehen sein, die bewirken,
dass Strahlung entlang einer Linie auf die Oberfläche eingestrahlt
wird, die senkrecht zur Figurenebene steht. Auf diese Weise können gleichzeitig
nicht nur Linienelemente, sondern Flächenelemente optisch vermessen
werden.
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Das
Bezugszeichen 13 bezieht sich auf eine Lichtquelle, bei
der es sich beispielsweise um eine weiße LED handeln kann. Die von
der LED abgegebene Strahlung gelangt über eine Blende 14 und
eine Linse 12 auf die Oberfläche 8. Dabei ist die
Strahlungseinrichtung hier unter einem Einstrahlungswinkel α1 von 15° gegenüber der
Mittelsenkrechten M angeordnet. Damit wird das reflektierte Licht
ebenfalls unter einem Winkel von 15° von der Oberfläche 8 zurückgeworfen.
Das Bezugszeichen 11 bezieht sich auf eine Absorptionseinrichtung,
die die reflektierte Strahlung im Wesentlichen absorbiert. Dabei kann
es sich beispielsweise um ein Rohr oder dergleichen handeln. Vorzugsweise
ist die Absorptionseinrichtung geschlossen um den Eintritt von Fremdlicht
in die Vorrichtung zu verhindern.
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Das
Bezugszeichen 5 bezieht sich auf eine erste Strahlungsdetektoreinrichtung,
die in einem Winkel β1
von +15° gegenüber der
Richtung des reflektierten Lichts angeordnet ist. Damit ist bei
der vorliegenden Ausführungsform
die erste Strahlungsdetektoreinrichtung 5 unter einem Winkel
von 30° gegenüber der
Mittelsenkrechten M angeordnet. Eine zweite Strahlungsdetektoreinrichtung 15 ist
in einem Winkel β2
von –15° gegenüber der
Richtung der reflektierten Strahlung angeordnet und befindet sich hier
senkrecht über
der Oberfläche 8.
Diese beiden Strahlungsdetektoreinrichtungen 5, 15 weisen
Fotozellen, und bevorzugt CCD-Chips auf, die auch eine ortsaufgelöste Untersuchung
der Strahlung ermöglichen.
Daneben weisen die beiden Strahlungsdetektoreinrichtungen Linsen 17 und
ebenfalls (nicht im Detail gezeigte) Blenden auf.
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Das
Bezugszeichen 16 kennzeichnet eine Intensitätsmesseinrichtung,
die im Anschluss an die Strahlungseinrichtung 3 vorgesehen
ist. Mit Hilfe dieser Intensitätsmesseinrichtung
wird ein Teil der Strahlung aus der Strahlungseinrichtung ausgekoppelt
und, wie oben ausgeführt,
zur Kalibrierung bzw. Stabilisierung der Messergebnisse verwendet.
Dabei kann diese Intensitätsmesseinrichtung 16 ebenfalls (im
Detail nicht gezeigte) optische Element wie Blenden, Filter, Fotodioden
und dergleichen aufweisen.
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Das
Bezugszeichen 7 bezieht sich auf eine weitere Strahlungsdetektoreinrichtung.
Diese weitere Strahlungsdetektoreinrichtung 7 ist unter
einem Winkel von γ1
= –45° gegenüber der
Richtung der reflektierten Strahlung angeordnet und nimmt daher
von der Oberfläche
gestreutes Licht auf. Auch diese Strahlungsdetektoreinrichtung erlaubt
bevorzugt eine ortsaufgelöste
Aufnahme der auf sie auftreffenden Strahlung. Wie oben erläutert, kann
aus einem Vergleich der Messsignale, die von einer der Strahlungsdetektoreinrichtungen 5 oder 15 aufgenommen
wurden und dem Signal, das von der Strahlungsdetektoreinrichtung 7 aufgenommen
wurde, auf die physikalische Herkunft von Intensitätsschwankungen
geschlossen werden.
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Neben
den gezeigten Strahlungsdetektoreinrichtungen können jedoch auch noch weitere
Strahlungsdetektoreinrichtungen beispielsweise unter hohen Winkeln
gegenüber
der Mittelsenkrechten, wie beispielsweise 70° oder 80°, vorgesehen sein. Daneben wäre es auch
möglich,
weitere Strahlungseinrichtungen vorzusehen sowie Filterelemente,
die Licht unterschiedlicher spektraler Anteile voneinander trennen.
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4 zeigt
eine erfindungsgemäße Vorrichtung 1 mit
der in 3 gezeigten Optikeinheit 10. Daneben
weist die Vorrichtung ein Gehäuse 20 auf,
in dem die genannte Optikeinheit 10 montiert ist. Das Bezugszeichen 21 bezieht
sich auf eine Öffnung
im unteren Gehäusebereich,
durch die die Strahlung von der Strahlungseinrichtung 3 auf
die Oberfläche 8 gelangt.
Das Bezugszeichen 25 bezieht sich auf ein Rad der Vorrichtung,
um die Vorrichtung gegenüber der
Oberfläche
zu bewegen. Vorzugsweise ist dieses Rad oder auch ein anderes Rad mit
einer Weglängenmesseinrichtung
gekoppelt, um eine zurückgelegte
Wegstrecke der Vorrichtung 1 gegenüber der Oberfläche zu ermitteln.
Das Bezugszeichen 23 bezieht sich auf eine Anzeigevorrichtung
wie ein Display. Das Bezugszeichen 6 kennzeichnet eine
Prozessoreinrichtung, welche die einzelnen Messsignale miteinander
vergleicht.
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Durch
Zusammenspiel der Weglängenmesseinrichtung
und der einzelnen Strahlungsdetektoreinrichtungen kann ein Profil
der ermittelten Daten über die
Oberfläche
aufgenommen beziehungsweise ein Weg-Zeit-Profil ermittelt werden.
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Die 5a, 5b und 5c zeigen
mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung
aufgenommene Spektren. Dabei bezieht sich das Bezugszeichen 41 auf
ein Spektrum, das von einer Referenzoberfläche aufgenommen wurde und das
Bezugszeichen 42 auf ein Spektrum, das mit einer weiteren
zur untersuchenden Oberfläche
aufgenommen wurde. Auf der Y-Koordinate ist jeweils die Standardabweichung σ der ermittelten
Intensitäten
aufgetragen. Für
jede Oberfläche
wurden insgesamt vier Messwerte aufgenommen, wobei auf der Koordinate
unterschiedliche räumliche
Bereiche (im Folgenden auch als räumliche Wellenlängen bezeichnet)
in Millimetern aufgetragen wurden.
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Genauer
bedeutet dies, dass beispielsweise in dem ersten Bereich über Wegstrecken
zwischen 6 und 13 Millimeter gemittelt wurde, im zweiten Bereich in
einem Weglängenbereich
zwischen 11 und 23 Millimetern gemittelt wurde, im dritten Bereich über Weglängen in
einem Bereichen von 19 bis 42 Millimetern gemittelt wurde und in
dem vierten Bereich in einem Weglängenbereich zwischen 33 und
70 Millimetern gemittelt wurde. Diese unterschiedlichen Weglängen repräsentieren
den Abstand, den ein Beobachter von der jeweiligen Oberfläche, beispielsweise
eines Kfz-Lack, hat. So entspricht der dritte Bereich mit Weglängen von
19 bis 42 Millimetern einen Betrachtungsabstand zwischen 2 und 3
Metern.
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In 5a wurden
die Lichtintesitätsänderungen
aufgetragen, die von der unter 45° angeordneten Strahlungsdetektoreinrichtung
aufgenommen wurden. Dabei wurde eine Oberfläche ausgewählt, deren Basisbeschichtung
Dickenänderungen
aufweist. 5c zeigt ein entsprechendes
Diagramm für
die unter 15° also
beispielsweise durch die Strahlungsdetektoreinrichtung 5 aufgenommene
Strahlung. Wie ein Vergleich aus den 5a und 5c zeigt, ändern sich
hier bedingt durch die Schichtdickenänderung die Signale beider
Strahlungsde tektoreinrichtungen in ähnlicher Weise, d. h. sie weisen
beide in dem Bereich von 19 bis 42 Millimeter ein Maximum auf.
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5b zeigt
einen Vergleich der Intensitäten,
die durch die beiden Strahlungsdetektoreinrichtungen unter 15° bzw. 45° aufgenommen
wurden. Dabei wurden, wie auch in den beiden anderen Graphiken,
hier die Signale der beiden Strahlungsdetektoreinrichtungen, die
unter +15° und –15° gegenüber der
Richtung des reflektierten Lichts angeordnet sind gemittelt bzw.
aufsummiert. Aus 5b ergibt sich, dass die Differenz
bzw. das Verhältnis
der beiden Intensitäten
eine relativ geringe Standardabweichung aufweist, was, wie oben
erwähnt,
darauf Rückschlüsse erlaubt,
dass die Oberfläche
eine gleichmäßige Orientierung
der Flakes aufweist, jedoch gewissen Dickenschwankungen unterworfen
ist.
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Bei
Effekten, die durch eine ungleichmäßige Orientierung der Flakes
hervorgerufen werden, würde
die Standardabweichung entsprechend höhere Werte annehmen.
-
Bevorzugt
wird daher eine Vorrichtung vorgesehen, die sowohl eine erste als
auch eine zweite als auch eine weitere Strahlungsdetektoreinrichtung aufweist.
Auf diese Weise können
in besonders einfacher Weise unterschiedlichste Ursachen für Messabweichungen
ermittelt werden, sei es, dass diese hervorgerufen werden durch
eine Verkippung der Vorrichtung gegenüber der Oberfläche, durch
eine sich ändernde
Orientierung der Flakes oder durch eine Änderung der Schichtdicke.
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Sämtliche
in den Anmeldungsunterlagen offenbarten Merkmale werden als erfindungswesentlich
beansprucht, sofern sie einzeln oder in Kombination gegenüber dem
Stand der Technik neu sind.
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- 1
- Vorrichtung
- 3
- Strahlungseinrichtung
- 5
- erste
Strahlungsdetektoreinrichtung
- 6
- Prozessoreinrichtung
- 7
- weitere
Strahlungsdetektoreinrichtung
- 8
- Oberfläche
- 10
- Optikblock
- 11
- Absorptionseinrichtung
- 12
- Linse
- 13
- Lichtquelle
- 14
- Blende
- 15
- zweite
Strahlungsdetektoreinrichtung
- 16
- Intensitätsmesseinrichtung
- 17
- Linse
- 20
- Gehäuse
- 21
- Öffnung im
unteren Gehäusebereich
- 23
- Anzeigevorrichtung
- 25
- Rad
der Vorrichtung
- 31,
33
- Signale
- 36a,
36b
- Flake
(Pigment)
- 41,
42
- Spektrum
- I0, I1, I2
- Intensität
- P,
P3
- Pfeil
- d1, d2
- Schichtdicken
- α1,
- Einstrahlungswinkel
- β1, β2, γ1
- Winkel
der Strahlungsdetektoreinrichtungen
- M
- Mittelsenkrechte