DE102008051513A1

DE102008051513A1 - Oberflächenmessgerät mit zwei Messeinheiten

Info

Publication number: DE102008051513A1
Application number: DE200810051513
Authority: DE
Inventors: Konrad Lex
Original assignee: BYK Gardner GmbH
Current assignee: BYK Gardner GmbH
Priority date: 2008-10-14
Filing date: 2008-10-14
Publication date: 2010-04-15
Also published as: CN101726472B; US20100091269A1; CN101726472A; JP2010133934A; JP5808519B2; US8928886B2

Abstract

Eine Vorrichtung (1) zum Ermitteln optischer Eigenschaften von Materialien (10) mit einer ersten Mesichtung (4) aufweist, welche Strahlung unter einem ersten vorgegebenen Einstrahlwinkel auf das Material (10) richtet und welche eine erste Strahlungsdetektoreinrichtung (6) aufweist, welche unter einem ersten Aufnahmewinkel gegenüber dem Material (10) angeordnet ist und wenigstens einen Anteil der von der ersten Strahlungseinrichtung (4) auf das Material gerichteten und von dem Material (10) zurückgeworfenen Strahlung aufnimmt, wobei die erste Strahlungsdetektoreinrichtung (6) ein erstes charakteristisches Signal ausgibt, das für eine Intensität der auf die erste Strahlungsdetektoreinrichtung (4) auftreffenden Strahlung charakteristisch ist. Erfindungsgemäß weist die Vorrichtung (1) eine zweite Messeinrichtung (12) auf, welche eine zweite Strahlungseinrichtung (4, 14) aufweist, welche Strahlung unter einem zweiten vorgegebenen Einstrahlwinkel auf das Material (10) richtet und welche eine zweite Strahlungsdetektoreinrichtung (16) aufweist, welche unter einem zweiten Aufnahmewinkel gegenüber dem Material angeordnet ist und wenigstens einen Anteil der von der zweiten Strahlungseinrichtung (14) auf das Material gerichteten und von dem Material (10) zurückgeworfenen Strahlung aufnimmt, wobei die zweite Strahlungsdetektoreinrichtung (16) eine ortsaufgelöste Bewertung der auf sie auftreffenden Strahlung erlaubt und wenigstens ein ...

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zum Ermitteln optischer Eigenschaften von Materialien und insbesondere optischer Oberflächeneigenschaften von Materialien. Die erfindungsgemäße Vorrichtung und das erfindungsgemäße Verfahren werden unter Bezugnahme auf Geräte beschrieben, welche die Oberflächeneigenschaften von Lackbeschichtungen, insbesondere für Fahrzeuge bestimmen. Es wird jedoch darauf hingewiesen, dass die Erfindung auch bei anderen Oberflächen, beispielsweise derer von Möbeln, eingesetzt werden kann.
Aus dem Stand der Technik sind unterschiedliche Vorrichtungen und auch unterschiedliche Messverfahren bekannt, um Oberflächeneigenschaften zu bestimmen. Bei einem der bekannten Messverfahren wird beispielsweise ein bestimmtes Objekt, wie etwa eine Blende über die Oberfläche auf den Detektor abgebildet. Der Detektionswinkel entspricht dabei bevorzugt dem Einstrahlwinkel. Aus dem vorzugsweise mit einer Kamera aufgenommenen Bild lassen sich Rückschlüsse über die Qualität, beispielsweise der Abbildungsschärfe (dullness) der betreffenden Oberfläche, tätigen.
Bei einem weiteren Messverfahren ist es auch möglich, dass eine Beleuchtungsblende über die zu bewertende Oberfläche auf einen Detektor abgebildet wird und unter einem bestimmten Winkel, bevorzugt dem Reflektionswinkel, die reflektierte Strahlung aufgenommen wird. Dabei werden insbesondere Blenden eingesetzt, sodass auch über das Verhältnis zwischen der eingestrahlten und der aufgenommenen Intensität auf die Güte der Oberfläche geschlos sen werden kann. Damit wird bei diesem Verfahren detektorseitig eine Blende eingesetzt. Dieses Prinzip ist auch als Glanzmesstechnik bekannt.
Dieses letztgenannte Messverfahren ist jedoch auch von einer Krümmung der betreffenden Oberfläche abhängig. Das erstgenannte Messverfahren wird in geringerem Masse von einer Krümmung der Oberfläche beeinflusst.
Die besagten Messverfahren dienen dazu, um den optischen Eindruck, wie er sich dem Benutzer darstellt, möglichst genau objektiv fassen zu können. Hierbei ist zu beachten, dass optische Unterschiede vom menschlichen Auge nur subjektiv wahrgenommen werden können und daher ein Bedürfnis besteht, objektive Messvorrichtungen und Messverfahren zu schaffen. Die oben genannte zweite Variante hängt jedoch auch von physikalischen Eigenschaften der Oberfläche, wie insbesondere dem Brechungsindex, ab.
Oberflächen mit unterschiedlichem Brechungsindex werden dabei allein aufgrund des unterschiedlichen Brechungsindex zu unterschiedlichen Ergebnissen bei dem Messverfahen führen. So ist es jedoch auch möglich, dass zwei Oberflächen, welche optisch den genau gleichen Eindruck vermitteln, dennoch zu unterschiedlichen Messergebnissen führen. Die erstgenannte Messmethode ist – zumindest bei bestimmten Auswerteverfahren nicht vom Brechungsindex abhängig, erfordert jedoch, dass genügend Licht von der Oberfläche reflektiert bzw. gestreut wird, damit ein Bild aufgenommen werden kann. Dies ist insbesondere bei matten Oberflächen schwer möglich.
Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Ermitteln optischer Eigenschaften zur Verfügung zu stellen, welche eine objektivere Bewertung der zu untersuchenden Oberflächen erlauben. Dies wird erfindungsgemäß durch die Gegenstände der unabhängigen Ansprüche erreicht. Vorteilhafte Ausführungsformen und Weiterbildungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
Eine erfindungsgemäße Vorrichtung zum Ermitteln optischer Eigenschaften von Materialien und insbesondere von Oberflächen weist eine erste Messeinrichtung auf, welche eine erste Strahlungseinrichtung besitzt, die wiederum Strahlung unter einem ersten vorgegebenen Einstrahlwinkel auf das Material richtet und welche weiterhin eine erste Strahlungsdetektoreinrichtung aufweist, welche unter einem ersten Aufnahmewinkel gegenüber dem Material angeordnet ist und wenigstens einen Anteil der von der ersten Strahlungseinrichtung auf das Material gerichteten und von dem Material zurückgeworfenen Strahlung aufnimmt. Dabei gibt die erste Strahlungsdetektoreinrichtung ein erstes charakteristisches Signal aus, das für eine Intensität der auf die erste Strahlungsdetektoreinrichtung auftreffenden Strahlung charakteristisch ist.
Erfindungsgemäß weist die Vorrichtung eine zweite Messeinrichtung auf, welche eine (zweite) Strahlungseinrichtung besitzt, welche ebenfalls Strahlung unter einem vorgegebenen Einstrahlwinkel auf das Material richtet, und welche eine (zweite) Strahlungsdetektoreinrichtung aufweist, welche unter einem zweiten Ausfallwinkel gegenüber dem Material angeordnet und wenigstens einen Anteil der von der zweiten Strahlungsdetektoreinrichtung auf das Material gerichteten und von dem Material zurückgeworfenen Strahlung aufnimmt, wobei die zweite Strahlungseinrichtung eine ortsaufgelöste Bewertung der auf sie auftreffenden Strahlung erlaubt und wenigstens ein zweites charakteristisches Signal ausgibt, dass für die zweite Strahlungsdetektoreinrichtung auftreffende Strahlung charakteristisch ist.
Damit wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, die entsprechenden Messungen mittels zwei Messverfahren durchzuführen, wobei es möglich ist, dass eine Messung die Ergebnisse der anderen Messung überprüft, sodass beispielsweise festgestellt werden kann, dass ein bestimmtes Ergebnis des ersten Messverfahrens nur aufgrund unterschiedlicher Brechungsindizes der Oberfläche unterschiedlich ist. Dabei ist es, wie unten genauer erläutert wird, möglich, dass einzelne oder mehrere Komponenten einer Messeinrichtung auch von der anderen Messeinrichtung genutzt werden.
Bei der zurückgeworfenen Strahlung handelt es sich insbesondere um reflektiert Strahlung. Damit ergibt die erste Strahlungsdetektoreinrichtung bevorzugt lediglich einen Intensitätswert aus. In diesem Falle ist es daher nicht unbedingt nötig, ein ortsaufgelöstes Bild der auftreffenden Strahlung aufzunehmen, sondern es wird ein Vergleich gezogen zwischen der auf dem Strahlungsdetektor auftreffenden Intensität und der ausgestrahlten Intensität. Aus diesem Verhältnis wird, wie oben erwähnt, auf eine Qualität der Oberfläche geschlossen.
Im Zuge des erfindungsgemäß letztgenannten Messverfahrens wird hingegen ein ortsaufgelöstes Bild der auf die Messeinrichtung auftreffenden Strahlung ausgegeben, sodass insbesondere aus diesem Bild Rückschlüsse auf die Oberfläche gezogen werden können. Genau er kann hier eine Blende über die Oberfläche auf die Detektoreinrichtung abgebildet und dieses Bild ortsaufgelöst untersucht werden. Dabei sind Rückschlüsse auf die optische Beschaffenheit der Oberfläche möglich.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform weist die Vorrichtung eine Prozessoreinrichtung auf, welche wenigstens einen für die Oberfläche charakteristischen Wert unter Berücksichtigung des ersten Signals und des zweiten Signals ausgibt. Dabei ist es möglich, dass während einer bestimmten Messung der charakteristische Wert nur unter Berücksichtigung des ersten Signals ausgegeben wird oder auch nur unter Berücksichtigung des zweiten Signals. Es ist jedoch auch insbesondere möglich, dass der charakteristische Wert für eine bestimmte Messung unter Berücksichtigung beider Signale ausgegeben wird, um, wie oben erwähnt, beispielsweise durch einen unterschiedlichen Brechungsindex hervorgerufene Verfälschungen berücksichtigen zu können.
Umgekehrt ist es jedoch auch möglich, dass bei bestimmten Oberflächen gerade der unterschiedliche Brechungsindex auch zu unterschiedlichen optischen Eindrücken führt. In diesem Falle versagt insbesondere das zweite der Eingangs beschriebenen Messverfahren (welches im Rahmen der Erfindung jedoch an erster Stelle genannt wurde), da dieses, wie oben erwähnt, nicht vom Brechungsindex abhängig ist. In diesem Fall kann unter Zuhilfenahme des jeweils zweiten Messverfahrens dennoch ein reeller Ergebniswert ermittelt werden.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform sind der erste Einstrahlwinkel und der erste Aufnahmewinkel im Wesentlichen gegengleich bezüglich einer des Materials verlaufenden Mittelsenkrechten angeordnet. Dies bedeutet, dass die erste Messeinrichtung im Wesentlichen in Reflektion aufnimmt. Vorteilhaft handelt es sich bei dem Material um eine Oberfläche und die Strahlungsdetektoreinrichtung nimmt damit zumindest auch reflektierte Strahlung auf. Bevorzugt sind auch der zweite Einstrahlwinkel und der zweite Aufnahmewinkel im Wesentlichen gegengleich zueinander.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform weist die Vorrichtung eine Strahlungsdetektoreinrichtung auf, welche Bestandteil beider Messeinrichtungen ist. In diesem Falle sind damit bevorzugt zwei Strahlungseinrichtungen vorgesehen, welche bevorzugt unter dem gleichen Winkel auf das Material einstrahlen. Die Strahlungsdetektoreinrichtung nimmt damit das bezüglich beider Strahlungseinrichtungen vor der Oberfläche zurückgeworfene Licht auf.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform weist die Vorrichtung eine Strahlungseinrichtung auf, welche Bestandteil beider Messeinrichtungen ist. Diese Ausführungsform hat den Vorteil, dass für beide Messvorgänge genau der gleiche Bereich der zu untersuchenden Oberfläche bestrahlt wird. In diesem Falle sind vorzugsweise zwei Strahlungsdetektoreinrichtungen vorgesehen, welche unter unterschiedlichen Winkeln das von der Oberfläche zurückgeworfene Licht aufnehmen.
Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist sowohl eine Strahlungseinrichtung als auch eine Strahlungsdetektoreinrichtung Bestandteil beider Messeinrichtungen. In diesem Fall kann bei dem einen Messverfahren eine Softwareblende generiert und das Licht integral erfasst werden und bei dem anderen Messverfahren das Blendenabbild durch Bildauswertung ortsaufgelöst analysiert werden. Da der Erfassungsbereich eines entsprechenden CCD – Chips erheblich größer ist als der Messbereich, kann hier bei gekippten bzw. gekrümmten Oberflächen das Bild auf dem Kamerachip gesucht und die Auswertung in einem gegenüber einem Grundbereich verschobenen Bereich des CCD-Chips erfolgen.
Damit ist allen erfindungsgemäßen Vorrichtungen bzw. Verfahren bevorzugt gemein, dass eine integrale Messung mit einer ortsaufgelösten Messung verbunden wird.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist vor der ersten Strahlungsdetektoreinrichtung eine Blendeneinrichtung angeordnet. Mit Hilfe dieser Blendeneinrichtung kann festgestellt werden, welcher Anteil des auf die Oberfläche eingestrahlten Lichtes in einem abgegrenzten Bereich d. h. innerhalb der Blende auf die Strahlungsdetektoreinrichtung trifft. Diese Blendeneinrichtung ist bevorzugt ortsfest angeordnet.
Es wäre jedoch auch möglich, diese Blende softwaremäßig zu realisieren, etwa, in dem festgelegt wird, dass nur ein bestimmter Bereich eines CCD-Chips für die Auswertung herangezogen wird, bzw. nur eine bestimmte Anzahl an Pixeln ausgewertet wird. Auf diese Weise lassen sich auch in besonders einfacher Weise unterschiedliche Blenden realisieren.
Auf diese Weise können Ungenauigkeiten bzw. Krümmungen der Oberfläche festgestellt werden, da bei höheren Krümmungen ein Teil des Lichts nicht mehr auf die Strahlungsdetektoreinrichtung trifft, sondern auf die Blende, bzw. in alle Raumrichtungen gestreut wird. Je matter die Oberfläche ist, desto mehr Anteile des auf sie eintreffenden Lichtes werden in alle Raumrichtungen gestreut.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform weist die Vorrichtung eine Auswerteinrichtung auf, welche das zweite Signal unter Ermittlung mehrerer unterschiedlicher Faktoren analysiert. So ist es beispielsweise möglich, dass ein bestimmtes Bild etwa in der Art einer Fourier-Analyse analysiert wird, wobei hierzu unterschiedliche Filter verwendet werden können. Dabei ist es beispielsweise möglich, für eine bestimmte Oberfläche mehrere Messwerte aufzunehmen, wobei diese für unterschiedliche räumliche Bereiche bzw. Abstände der zu untersuchenden Oberflächen aufgeteilt werden. Bezüglich dieser einzelnen Messwerte können dann jeweils statistische Werte, wie Standardabweichungen, ausgegeben werden und anhand dieser Einteilung dann eine Bewertung der Oberfläche vorgenommen werden. Dieses Verfahren ist detailiert in der DE 10 2006 032 404 A1 beschrieben, deren Inhalt hiermit durch Bezugnahme vollständig auch zur Offenbarung der vorliegenden Anmeldung gemacht wird. Dabei wäre es möglich, dass die Vorrichtung eine Auswerteinrichtung aufweist, welche das zweite Signal unter Ermittlung mehrerer unterschiedlicher Faktoren und insbesondere Ortsfilterfaktoren analysiert.
Daneben kann die Vorrichtungen auch weitere Strahlungseinrichtungen aufweisen, welche die Oberfläche unter unterschiedlichen Winkeln bestrahlen und ggfs. auch mehrere Strahlungsdetektoreinrichtungen, die unter unterschiedlichen Winkeln gegenüber der Oberfläche angeordnet sind. Dabei kann insbesondere auch das von der Oberfläche gestreute Licht aufgenommen bzw. ausgewertet werden. Auf diese Weise können insbesondere Farbeffekte gemessen werden.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform weist die Vorrichtung eine Prozessoreinrichtung auf, welche unter Berücksichtigung des ersten Signals und des zweiten Signals eine für einen Brechungsindex des Materials charakteristische Größe ausgibt. So ist es beispielsweise möglich, Tabellen anzulegen oder zugrundezulegen, welche bestimmten ersten Signalen entsprechende Brechungsindizes zuordnen, wobei zur Zuordnung das jeweils zweite Signal berücksichtigt wird und wobei beispielsweise festgestellt wird, dass dieses für zwei verschiedene Oberflächen gleich bleibt, was dann auf den gleichen optischen Eindruck jedoch unterschiedliche Brechungsindizes zu schließen lässt.
Genauer wäre es beispielsweise möglich, zwei unterschiedliche Oberflächen aufzunehmen. Wenn das zweite Signal gleich bleibt, lässt dies auf eine optische Gleichheit dieser beiden Oberflächen schließen. Wenn weiterhin die beiden ersten Signale voneinander abweichen, lässt dies Rückschlüsse auf unterschiedliche Brechungsindizes zu. Auf diese Weise kann unter Zugrundelegung mehrerer Messungen auf einem Brechungsindex der jeweiligen Oberfläche rückgeschlossen werden.
In einer weiteren Ausführungsform wäre es auch möglich, dass beide Messeinrichtungen sowohl die gleichen Strahlungseinrichtungen als auch die gleichen Strahlungsdetektoreinrichtungen nutzen. Bei dieser Vorgehensweise würden jedoch je nach Messverfahren unterschiedlichen Blenden bzw. Blenden an unterschiedlichen Positionen eingesetzt oder bei einem ortsaufgelösten Empfänger unterschiedlich programmierte werden.
Vorzugsweise richten die erste Strahlungseinrichtung und die zweite Strahlungseinrichtung die Strahlung auf den gleichen Bereich des Material bzw. der Oberfläche. Auf diese Weise kann eine genaue Vergleichbarkeit der beiden Messergebenisse geschaffen werden.
Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform weist die Vorrichtung eine Steuereinrichtung auf, welche bewirkt, dass die erste Messeinrichtung und die zweite Messeinrichtung Messungen zu unterschiedlichen Zeitpunkten durchführen. Dabei wäre es beispielsweise möglich, dass zwei unterschiedliche Messungen der ersten und zweiten Messeinrichtung direkt hintereinander gemessen werden, um auf diese Weise eine genaue Vergleichbarkeit der Messergebnisse zu schaffen.
Auch wäre es möglich, dass die gesamte Vorrichtung gegenüber der zu untersuchenden Oberfläche bewegbar ist und jeweils während eines Stillstands der Vorrichtung gegenüber der Oberfläche zwei Messungen hintereinander durchgeführt werden. Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform weist die Vorrichtung ein Gehäuse auf, in dem sowohl die Strahlungseinrichtungen und die Strahlungsdetektoreinrichtungen angeordnet sind, wobei dieses Gehäuse lediglich eine Öffnung aufweist, durch welche hindurch beide Strahlungsein richtungen das Material beleuchten. Bei dieser Ausführungsform wird erreicht, dass das Messergebnis möglichst wenig durch Fremdlicht von außen verfälscht wird.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform sind die Strahlungsdetektoreinrichtungen derart angeordnet, dass die Messungen beider Messeinrichtungen in der gleichen Ebene liegen. Mit anderen Worten wird hierdurch den Strahlengang des von der ersten Strahlungsdetektoreinrichtung zu der Oberfläche und des von der Oberfläche zurückgelangenden Strahl, der zu der Strahlungsdetektoreinrichtung gelangt, die gleiche Ebene gebildet wie durch den Strahl der von der zweiten Strahlungseinrichtung auf die Oberfläche gelangt und anschließend von der Oberfläche auf die zweite Strahlungsdetektoreinrichtung zurückgeworfen wird. Die Messungen könnten jedoch auch in unterschiedlichen Ebenen durchgeführt werden.
Vorzugsweise ist in dem Strahlengang zwischen der Oberfläche und der oder den Strahlungsdetektoreinrichtung ein Filter angeordnet, der einer v_λ-Funktion entspricht Die vorliegende Erfindung ist weiterhin auf ein Verfahren zum Ermitteln optischer Eigenschaften von Materialien gerichtet, wobei eine erste Messeinrichtung mittels einer ersten Strahlungseinrichtung Strahlung unter einem ersten vorgegebenen Einstrahlwinkel auf das Material richtet und mittels einer ersten Strahlungsdetektoreinrichtung, welche unter einem ersten Aufnahmewinkel gegenüber dem Material angeordnet ist, wenigstens einen Teil der von der ersten Strahlungseinrichtung auf das Material gerichteten und von dem Material zurückgeworfenen Strahlung aufnimmt. Dabei gibt die erste Strahlungsdetektoreinrichtung ein erstes charakteristisches Signal aus, das für eine Intensität der auf die erste Strahlungsdetektoreinrichtung auftreffenden Strahlung charakteristisch ist bevorzugt die Abbildungsqualitäten der Oberfläche beschreibt.
Erfindungsgemäß richtet eine zweite Messeinrichtung mittels einer zweiten Strahlungseinrichtung Strahlung unter einem zweiten vorgegebenen Einstrahlwinkel auf das Material und mittels einer zweiten Strahlungsdetektoreinrichtung, welche unter einem zweiten Aufnahmewinkel gegenüber dem Material angeordnet ist, wird wenigstens ein Teil der von der ersten Strahlungseinrichtung auf das Material gerichteten und von dem Material zurückgeworfenen Strahlung aufgenommen, wobei die zweite Strahlungsdetektoreinrichtung eine ortsaufgelöse Bewertung der auf sie auftreffenden Strahlung erlaubt und wenigstens ein zweites charakte ristisches Signal ausgibt, das für die auf die zweite Strahlungsdetektoreinrichtung auftreffenden Strahlung charakteristisch ist.
Unter einer ortsaufgelösten Beobachtung der Strahlung wird verstanden, das nicht nur integriert ein Intensitätswert ausgegeben wird, sondern die Strahlung über eine bestimmte Fläche differenziert wird bzw. zumindest zwei Punkte bzw. Bereiche unterschiedlicher Intensität unterschieden werden können. Dies wird beispielsweise durchführbar, indem als Strahlungsdetektoreinrichtung CCD-Chips in der Kamera eingesetzt werden, welche insoweit ortsaufgelöste Bilder ausgeben. Es kann somit das Abbild der Primärblende (der Blende zwischen Strahlungseinrichtung und Oberfläche) bzgl. Verzerrung, Aufweitung, Verkleinerung oder Verkippung untersucht werden.
Bei der Strahlung handelt es sich bevorzugt in sichtbares Licht und besonders bevorzugt um genormtes Weißlicht. Es wäre jedoch auch möglich, dass zwei Strahlungseinrichtungen vorgesehen sind, welche Licht mit unterschiedlichen Wellenlängen ausgeben, damit sich die beiden Messungen gegenseitig auch bei beispielsweise teilweiser Gleichzeitigkeit nicht beeinflussen.
Bei einem weiteren bevorzugten Verfahren wird unter Berücksichtigung des ersten Signals und des zweiten Signals wenigstens ein für das Material charakteristischer Wert ausgegeben.
Vorzugsweise werden Messungen der ersten Messeinrichtung und Messungen der zweiten Messeinrichtung zu unterschiedlichen Zeitpunkten durchgeführt. Auf diese Weise kann vermieden werden, dass sich die Messungen gegenseitig beeinflussen bzw. stören. Dabei wäre es möglich, getaktete Lichtquellen einzusetzen bzw. die Strahlungseinrichtungen und die Strahlungsdetektoreinrichtung jeweils aufeinander zu triggern.
Bei einem weiteren vorteilhaften Verfahren werden Messungen der ersten Messeinrichtung und Messungen der zweiten Messeinrichtung an den Wesentlichen gleichen Bereichen des Materials bzw. der Oberfläche durchgeführt.
Weitere Vorteile und Ausführungsformen ergeben sich aus den beigefügten Zeichnungen:
Darin zeigen:
1 einen schematischen Aufbau für ein erstes Messverfahren;
2a eine schematische Darstellung eines zweiten Messverfahrens;
2b eine Darstellung für ein mit dem zweiten Messverfahren aufgenommenes Bild; und
3 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung.
1 zeigt eine schematische Darstellung einer ersten Messvariante, genauer, einer sog. Glanzmessung. In diesem Fall ist eine erste Strahlungseinrichtung 4 vorgesehen, welche Strahlung auf die Oberfläche 10 richtet. Die von dieser Oberfläche 10 zurückgeworfene Strahlung S1 wird auf eine erste Strahlungsdetektoreinrichtung 6 abgebildet. Diese erste Strahlungsdetektoreinrichtung 6 gibt dabei einen integralen Wert für die auftreffende Intensität aus. Vor dieser ersten Strahlungsdetektoreinrichtung ist hier eine Blende 9 angeordnet. Diese Messvariante weist bevorzugt einen weitgehend kollimierten Strahlengang auf und stellt damit eine Glanzmessung dar. Entsprechend bezieht sich das Bezugszeichen 32 auf eine Blende und das Bezugszeichen 34 auf eine dieser Blende 32 nachgeordnete Linse, welche gemeinsam zur Erzeugung kollimierten Lichts dienen. Auch auf der Empfangsseite ist eine Linse 36 vorgesehen.
Die Blende bzw. das Blendenabbild wird hier über die Oberfläche und die Linsen auf die Strahlungsdetektoreinrichtung 6 abgebildet, wobei die durch die Blende 9 tretende Strahlung integral erfasst wird. Dieses Verfahren der Glanzmessung wird bevorzugt bei 20°, 60° und 85° durchgeführt. Die Blendenaperturen sind in entsprechenden Normen festgelegt.
Man erkennt, dass in Abhängigkeit von der Beschaffenheit der Oberfläche nicht das gesamte Licht auf die Strahlungsdetektoreinrichtung 6 gelangt, sondern in der Art einer Strahlungskeule K auch in alle Richtungen gestreut wird. Auf diese Weise kann auch auf dem Verhältnis zwischen der die Strahlungsdetektoreinrichtung gelangenden Strahlung und der eingestrahlten Strahlung auf die Oberfläche 10 auf deren Güte bzw. deren Glanz geschlossen werden. Wie oben erwähnt, kann die Blende 9 auch als Softwareblende realisiert sein.
In 2a ist ein zweites Messverfahren veranschaulicht. Dabei ist eine Strahlungseinrichtung 14 vorgesehen, welche Strahlung S2 auf eine zu untersuchende Oberfläche 10 bzw. das Material richtet. Diese Strahlung S2 wird an der Oberfläche 10 reflektiert und gelangt auf eine Strahlungsdetektoreinrichtung bzw. Bildaufnahmeeinrichtung 16. Das Bezugszeichen 36 bezieht sich auf eine Linse.
Das Bezugszeichen 8 bezieht sich auf eine Blendeneinrichtung, die hier vor der zweiten Strahlungseinrichtung 14 angeordnet ist. Diese Blendeneinrichtung 8 wird über die Oberfläche 10 auf die Strahlungsdetektoreinrichtung 16 abgebildet. Bei Vorhandensein von Strukturen auf der Oberfläche wird ein Teil des auf die Oberfläche 10 gestrahlten Lichts nicht exakt reflektiert und dabei entsteht eine unscharfe Abbildung.
Aus einem Verhältnis zwischen einem gestreuten Anteil, der in dem äußeren Bereich auf die Strahlungsdetektoreinrichtung 16 gelangt und der insgesamt auf die Strahlungsdetektoreinrichtung 16 gelangenden Strahlung kann ein Wert für die Mattigkeit (englisch: dullness) der Oberfläche 10 ausgegeben werden. Dabei wird in 2b dieses Verhältnis veranschaulicht. Bei dem gestreuten Anteil D1 handelt es sich um denjenigen Anteil, der innerhalb des äußeren Ringsegments liegt und bei dem nicht bzw. weniger gestreuten Anteil D2 um den Bereich, der sich im Zentrum der Abbildung befindet.
Damit handelt es sich hier bei der Strahlungsdetektoreinrichtung um eine Strahlungsdetektoreinrichtung, welche eine ortsaufgelöste Strahlung erlaubt, und wenigstens zwischen diesem Bereichen D1 und D2 unterscheiden kann. Zur Auswertung könnte jedoch auch ein Histogramm der Pixelhelligkeit verwendet werden.
Der hier ermittelte Wert für die dullness kann im Weiteren auch für einen Wert herangezogen werden, der die DOI (Destinctiveness of Image) der Oberfläche 10 beschreibt. Dabei ist es möglich, mit Hilfe eines weiteren Verfahrens eine Oberflächenstruktur einer Oberfläche zu ermitteln, wobei, wie oben erwähnt wird, diese Struktur aufgelöst werden kann nach unterschiedlichen Wellenlängenbereichen. Die DOI ergibt sich anschließend als Funktion der hier dargestellten dullness und zweier Wellenlängenbereiche im Nahfeld. Dies wurde eingehend in der oben erwähnten Patentanmeldung DE 10 2006 032 404 A1 dargestellt.
Dieser DOI-Messung liegt dabei die Erkenntnis zugrunde, dass Oberflächen aus unterschiedlichen Betrachtungsentfernungen unterschiedlich wahrgenommen werden, So können beispielsweise sehr feine Unebenheiten nur aus nächster Nähe wahrgenommen werden. Dagegen können beispielsweise Strukturen, welche mit relativ großen Wellenlängen auftreten, bei Beobachtung aus der Nähe nicht wahrgenommen werden, wohl aber bei Beobachtung aus größerer Entfernung. Diese unterschiedlichen Entfernungen werden über eine Berücksichtigung der unterschiedlichen Wellenlängenbereiche simuliert. Derartige Messungen der DOI werden ebenfalls mit einer ortsauflösenden Detektoreinrichtung wie etwa einer Kamera oder einem CCD-Chip, aufgenommen.
Das in 1 gezeigte Verfahren ist, wie oben erwähnt, jedoch relativ empfindlich gegenüber Krümmungen der Oberfläche 10. Das Verfahren zur DOI-Messung ist demgegenüber relativ unempfindlich gegenüber Krümmungen der Oberfläche.
Der Anteil der zurückgeworfenen Strahlung bei dem in 1 gezeigten Messverfahren ist auch von dem Brechungsindex des jeweiligen Materials abhängig. Die in 2 illustrierte Messung ist hingegen nicht vom Brechungsindex abhängig.
Zudem ist zu berücksichtigen, dass unterschiedliche im Stand der Technik bekannte Lacksystem, beispielsweise wasserbasierte oder lösungsmittelbasierte Lacke auch unterschiedliche Brechungsindizes aufweisen können, welche damit obwohl optisch gleichwertig, die in 1 veranschaulichte Messung beeinflussen. In 2a wäre es auch möglich, anstelle einer Kamera oder eines CCD-Chips zwei Sensoren einzurichten, wobei ein Sensor beispielsweise im Inneren kreisförmig ausgebildet ist und der zweite Sensor diesen ersten Sensor ringförmig umgibt. In diesem Fall ist jedoch ein Nachführen der Blenden im Fall einer Verkippung nicht mehr möglich. Das in 2a gezeigte Messverfahren wiederum erfordert einen vergleichsweise hohen Reflektionsanteil der zu untersuchenden Oberflächen.
3 zeigt eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung 1. Diese Vorrichtung weist ein Gehäuse 20 auf, in dem eine in ihrer Gesamtheit mit 2 bezeichnete erste Messeinrichtung und eine in ihrer Gesamtheit mit 12 bezeichnete zweite Messeinrichtung angeordnet sind. Dieses Gehäuse ist dabei im Wesentlichen abgeschlossen und weist lediglich eine Öffnung 22 auf, durch welche eine Oberfläche 10 inspiziert werden kann.
Die erste Messeinrichtung 2 weist dabei eine erste Strahlungseinrichtung 4 und eine erste Strahlungsdetektoreinrichtung 14 auf. Dabei sind die erste Strahlungseinrichtung 4 und die erste Strahlungsdetektoreinrichtung 14 symmetrisch bezüglich einer Mittelsenkrechten M angeordnet, d. h. das auf die Oberfläche 10 und von der Oberfläche 10 reflektierte Licht gelangt zu der Strahlungsdetektoreinrichtung 4.
Das Bezugszeichen 14 bezieht sich auf eine zweite Strahlungseinrichtung, welche Bestandteil der zweiten Messeinrichtung 12 ist. Daneben weist diese zweite Messeinrichtung 12 eine zweite Strahlungsdetektoreinrichtung 16 auf, wobei auch hier die zweite Strahlungseinrichtung 14 und die zweite Strahlungsdetektoreinrichtung 16 symmetrisch bezüglich der Mittelsenkrechten M angeordnet sind. Es wäre jedoch auch möglich, dass die zweite Strahlungsdetektoreinrichtung 16 nicht im Reflektionswinkel bezüglich der zweiten Strahlungseinrichtung 14 angeordnet ist, sondern hierzu versetzt ist. Es ist dabei möglich, unter anderen Winkeln gewonnene Messergebnisse zur extrapolieren. Genauer gesagt, kann hier zur Auswertung die Blende nachgeführt werden.
Bei der in 3 gezeigten Anordnung ist die zweite Messeinrichtung bezüglich der Mittelsenkrechten M innerhalb der ersten Messeinrichtung 12 angeordnet, da sich für das zweite Messverfahren steilere Messwinkel besser eignen als für das erste Messverfahren.
Vorzugsweise sind jedoch die einzelnen Strahlungseinrichtungen 4, 14, sowie die einzelnen Strahlungsdetektoreinrichtungen derart angeordnet, dass sich die einzelnen Messungen nicht beeinflussen, dass also Licht von der ersten Strahlungseinrichtung nicht in die zweite Strahlungsdetektoreinrichtung gelangt und auch Licht von der zweiten Strahlungseinrichtung 14 nicht in die erste Strahlungsdetektoreinrichtung gelangt.
Das Bezugszeichen 24 bezieht sich auf eine Prozessoreinrichtung, welche die von den beiden Strahlungsdetektoreinrichtungen ausgegebenen Signale bzw. Messwerte speichert und auf Grundlage dieser Messwerte einen charakteristischen Messwert für die Oberfläche 10 ausgibt. Daneben weist die Vorrichtung noch eine Speichereinrichtung 26 auf, in der für unterschiedliche Brechungsindizes charakteristische erste Signalwerte abgelegt sein können. Auf diese Weise kann durch einen Vergleich der von der ersten sowie der zweiten Strahlungsdetektoreinrichtung auch auf einen Brechungsindex des jeweiligen Materials geschlossen werden.
Über eine Steuereinrichtung 28 kann bewirkt werden, dass Messungen mit den beiden Messeinrichtungen 2, 12 zeitlich versetzt zueinander vorgenommen werden, damit sich diese Messungen nicht gegenseitig beeinflussen.
Weiterhin ist es möglich, dass die in ihrer Gesamtheit mit 1 bezeichnete Vorrichtung Verschiebeelemente wie Räder aufweist, um die Vorrichtung gegenüber einer Oberfläche, wie beispielsweise einer Karrosserie eines Fahrzeugs zu verschieben. Dabei können auch Entfernungsmesseinrichtungen vorgesehen sein, welche eine zurückgelegte Weglänge der Vorrichtung gegenüber der Oberfläche ermitteln. Auch wäre es möglich, dass die erfindungsgemäße Vorrichtung beispielsweise an einem Roboterarm angeordnet ist und über die zu untersuchende Oberfläche geführt wird.
Auch wäre es möglich, die von den beiden Messeinrichtungen 2, 12 gemessenen Messwerte mit den von der Entfernungsmesseinrichtung ausgegebenen Entfernungswerten zu korrelieren. Auf diese Weise könnten die von der ersten Messeinrichtung 2 und der zweiten Messeinrichtung 12 ermittelten Werte bestimmten Orten der Oberfläche 10 zugeordnet werden und weiterhin wäre es auf diese Weise leichter möglich, Messungen auch während einer Bewegung der Vorrichtung 1 gegenüber der Oberfläche 10 durchzuführen. So könnten beispielsweise auch Messungen bei bestimmten Positionen der Vorrichtung 1 gegenüber der Oberfläche 10 ausgelöst werden, etwa in regelmäßigen Abständen zueinander.
Daneben können die beiden Messeinrichtungen 2,12 noch weitere optische Elemente, wie insbesondere Linsen, aufweisen, die in den jeweiligen Strahlengängen angeordnet sind. Das Bezugszeichen 8 bezieht sich auf eine Blendeneinrichtung, welche Bestandteil der zweiten Messeinrichtung ist. Diese Blendeneinrichtung 8 kann dabei hinsichtlich ihrer Apertur veränderbar sein. Das Bezugszeichen 9 kennzeichnet eine weitere Blendeneinrichtung, welche Bestandteil der ersten Messeinrichtung ist. Grundsätzlich wäre es auch möglich, dass beide Messeinrichtungen 2, 12 jeweils eine gemeinsame Strahlungseinrichtung und/oder eine gemeinsame Strahlungsdetektoreinrichtung nutzen. Bevorzugt wird hierzu, je nach Messverfahren, die Blende 8 umgestellt. Falls es sich bei der Blende 9 um eine softwaremäßig realisierte Blende handelt, kann diese ebenfalls leicht für das in 2 beschriebene Messverfahren „entfernt” werden.
Sämtliche in den Anmeldungsunterlagen offenbarten Merkmale werden als erfindungswesentlich beansprucht, sofern sie einzeln oder in Kombination gegenüber dem Stand der Technik neu sind.

1: Vorrichtung
2: erste Messeinrichtung
4: erste Strahlungseinrichtung
6: erste Strahlungsdetekoreinrichtung
8: Blendeneinrichtung
9: Blendeneinrichtung
10: Oberfläche
14: zweite Strahlungseinrichtung
16: zweite Strahlungsdetektoreinrichtung
20: Gehäuse
22: Öffnung des Gehäuses
24: Prozessoreinrichtung
26: Speichereinrichtung
28: Steuereinrichtung
32: Blendeneinrichtung
34: Linse
36, 38: Linsen
S1, S2: Strahlung, Strahlengang
D1, D2: Bereich
K: Strahlungskeule
M: Mittelsenkrechte

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- DE 102006032404 A1 [0023, 0052]

Claims

Vorrichtung (1) zum Ermitteln optischer Eigenschaften von Materialien (10) mit einer ersten Messeinrichtung (2), welche eine erste Strahlungseinrichtung (4) aufweist, welche Strahlung unter einem ersten vorgegebenen Einstrahlwinkel auf das Material (10) richtet und welche eine erste Strahlungsdetektoreinrichtung (6) aufweist, welche unter einem ersten Aufnahmewinkel gegenüber dem Material (10) angeordnet ist und wenigstens einen Anteil der von der ersten Strahlungseinrichtung (4) auf das Material gerichteten und von dem Material (10) zurückgeworfenen Strahlung aufnimmt, wobei die erste Strahlungsdetektoreinrichtung (6) ein erstes charakteristisches Signal ausgibt, das für eine Intensität der auf die erste Strahlungsdetektoreinrichtung (4) auftreffenden Strahlung charakteristisch ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung (1) eine zweite Messeinrichtung (12) aufweist, welche eine zweite Strahlungseinrichtung (4, 14) aufweist, welche Strahlung unter einem zweiten vorgegebenen Einstrahlwinkel auf das Material (10) richtet und welche eine zweite Strahlungsdetektoreinrichtung (16) aufweist, welche unter einem zweiten Aufnahmewinkel gegenüber dem Material angeordnet ist und wenigstens einen Anteil der von der zweite Strahlungseinrichtung (14) auf das Material gerichteten und von dem Material (10) zurückgeworfenen Strahlung aufnimmt, wobei die zweite Strahlungsdetektoreinrichtung (16) eine ortsaufgelöste Bewertung der auf sie auftreffenden Strahlung erlaubt und wenigstens ein zweites charakteristisches Signal ausgibt, das für die auf die zweite Strahlungsdetektoreinrichtung (16) auftreffende Strahlung charakteristisch ist.
Vorrichtung (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung (1) eine Prozessoreinrichtung aufweist, welche wenigstens einen für die Oberfläche (10) charakteristischen Wert (E) unter Berücksichtigung des ersten Signals (S1) und des zweiten Signals (S2) ausgibt.
Vorrichtung (1) nach wenigstens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Einstrahlwinkel und der erste Aufnahmewinkel im Wesentlichen gegengleich bezüglich einer bezüglich des Materials (10) verlaufenden Mittelsenkrechten (M) angeordnet sind.
Vorrichtung (1) nach wenigstens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Material eine Oberfläche (10) ist.
Vorrichtung (1) nach wenigstens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung eine Strahlungsdetektoreinrichtung (6) aufweist, welche Bestandteil beider Messeinrichtungen (2, 12) ist.
Vorrichtung (1) nach wenigstens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung (1) eine Strahlungseinrichtung (4) aufweist, welche Bestandteil beider Messeinrichtungen (2, 12) ist.
Vorrichtung (1) nach wenigstens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass vor der ersten Strahlungsdetektoreinrichtung (6) eine Blendeneinrichtung (8) angeordnet ist.
Vorrichtung (1) nach wenigstens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung (1) eine Auswerteinrichtung aufweist, welche das zweite Signal unter Ermittlung mehrerer unterschiedlicher Faktoren analysiert.
Vorrichtung (1) nach wenigstens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung (1) eine Prozessoreinrichtung (24) aufweist, welche unter Berücksichtigung des ersten Signals und des zweiten Signals eine für einen Brechungsindex (n) des Materials charakteristische Größe ausgibt.
Vorrichtung (1) nach wenigstens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Strahlungseinrichtung (4) und die zweite Strahlungseinrichtung die Strahlung auf den gleichen Bereich des Materials (10) richten.
Vorrichtung (1) nach wenigstens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung (1) eine Steuereinrichtung (30) aufweist, welche bewirkt, dass die erste Messeinrichtung (2) und die zweite Messeinrichtung (12) Messungen zu unterschiedlichen Zeitpunkten durchführen.
Vorrichtung (1) nach wenigstens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung ein Gehäuse aufweist, in dem sowohl die Strahlungseinrichtungen (4, 14) und die Strahlungsdetektoreinrichtungen (6, 16) angeordnet sind, wobei dieses Gehäuse (25) lediglich eine Öffnung aufweist, durch welche hindurch beide Strahlungseinrichtungen (4, 14) das Material (10) beleuchten.
Verfahren zum Ermitteln optischer Eigenschaften von Materialien (10) wobei eine erste Messeinrichtung (2) mittels einer ersten Strahlungseinrichtung (4) Strahlung unter einem ersten vorgegebenen Einstrahlwinkel auf das Material (10) richtet und mittels einer ersten Strahlungsdetektoreinrichtung (6), welche unter einem ersten Aufnahmewinkel gegenüber dem Material (10) angeordnet ist, wenigstens einen Anteil der von der ersten Strahlungseinrichtung (4) auf das Material gerichteten und von dem Material (10) zurückgeworfenen Strahlung aufnimmt, wobei die erste Strahlungsdetektoreinrichtung (6) ein erstes charakteristischen Signal ausgibt, das für eine Intensität der auf die erste Strahlungsdetektoreinrichtung (4) auftreffenden Strahlung charakteristisch ist, dadurch gekennzeichnet, dass eine zweite Messeinrichtung (12) mittels einer zweiten Strahlungseinrichtung (6) Strahlung unter einem zweiten vorgegebenen Einstrahlwinkel auf das Material (10) richtet und mittels einer zweiten Strahlungsdetektoreinrichtung (6), welche unter ei nem zweiten Aufnahmewinkel gegenüber dem Material (10) angeordnet ist, wenigstens einen Anteil der von der ersten Strahlungseinrichtung (4) auf das Material gerichteten und von dem Material (10) zurückgeworfenen Strahlung aufnimmt, wobei die zweite Strahlungsdetektoreinrichtung (16) eine ortsaufgelöste Bewertung der auf sie auftreffenden Strahlung erlaubt und wenigstens ein zweites charakteristisches Signal ausgibt, das für die auf die zweite Strahlungsdetektoreinrichtung (16) auftreffende Strahlung charakteristisch ist.
Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass auf Grundlage unter Berücksichtigung des ersten Signals und/oder des zweiten Signals wenigstens ein für das Material charakteristischer Wert ausgegeben wird.
Verfahren nach wenigstens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Messungen der ersten Messeinrichtung (2) und Messungen der zweiten Messeinrichtung (12) zu unterschiedlichen Zeitpunkten durchgeführt werden.
Verfahren nach wenigstens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Messungen der ersten Messeinrichtung (2) und Messungen der zweiten Messeinrichtungen an im Wesentlichen gleichen Bereichen des Materials durchgeführt werden.
Verfahren nach wenigstens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei wenigstens einem Verfahren wenigstens zwei Detektorbereiche (D1, D2) ausgewertet und zur Bestimmung der Messgröße zueinander in ein vorbestimmtes Verhältnis gesetzt werden.