DE102015105128B4 - Method and device for measuring the degree of gloss and/or mattness of objects - Google Patents
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Abstract
Verfahren zur Messung des Glanzgrads und/oder der Mattheit von nicht transparenten Gegenständen (1), bei dem die Gegenstände (1) Gegenstände (1) durch eine Lichtquelle (18) beleuchtet werden und die Lichtmenge des von dem reflektierten Gegenstände (1) Lichts in einem Detektor (14) erfasst wird, oder von transparenten Gegenständen (6), bei dem die Gegenstände (6) durch eine Lichtquelle (18) beleuchtet werden und die Lichtmenge des von dem Gegenstand (6) reflektierten und/oder transmittierten Lichts in einem Detektor (14) erfasst wird, wobei der Detektor (14) relativ zu der Lichtquelle (18) und dem Gegenstand (1, 6) in einer definierten Aufnahmegeometrie angeordnet ist, wobei aus der in dem Detektor (14) erfassten Lichtmenge der Glanzgrad und/oder die Mattheit des Gegenstands (1, 6) bestimmt werden, wobei die Lichtquelle (18) aus mehreren einzeln an- und ausschaltbaren Beleuchtungselementen (13, 13a) besteht, die zeitlich nacheinander an- und ausgeschaltet werden, und wobei der Detektor (14) als Kamera (14) ausgebildet ist, mit welcher der Helligkeitsverlauf (15) der Lichtverteilung des von dem Gegenstand (1, 6) reflektierten und/oder transmittierten Lichts für jedes Beleuchtungselement (13, 13a) ortsaufgelöst in einem Bild gemessen wird und eine Kurve unterschiedlicher Intensitäten an verschiedenen Orten darstellt, wobei bei der Bestimmung des Glanzgrads und/oder der Mattheit die Höhe der Kurve, die Breite der Kurve und die Steilheit der Flanke der Kurve eingehen, dadurch gekennzeichnet, dass der Gegenstand (1, 6) in einer Transportrichtung (19) relativ zu der Lichtquelle (18) und dem Detektor (14) bewegt wird, dass die Lichtquelle (18) so ausgebildet ist, dass die Beleuchtungselemente (13, 13a) die gesamte Breite des Gegenstands (1, 6) quer zur Transportrichtung (19) abdecken, dass der Detektor (14) so ausgebildet ist, dass die gesamte Breite des Gegenstands (1, 6) quer zur Transportrichtung (19) zeitgleich gemessen werden kann, und dass die Beleuchtungselemente (13, 13a) derart nacheinander angeschaltet werden, dass die gesamte Breite des Gegenstands (1, 6) gemessen wird.Method for measuring the degree of gloss and/or the dullness of non-transparent objects (1), in which the objects (1) objects (1) are illuminated by a light source (18) and the amount of light reflected from the objects (1) light in a detector (14), or of transparent objects (6), in which the objects (6) are illuminated by a light source (18) and the amount of light reflected and/or transmitted by the object (6) in a detector (14) is detected, the detector (14) being arranged in a defined recording geometry relative to the light source (18) and the object (1, 6), the degree of gloss and/or the dullness of the object (1, 6) can be determined, the light source (18) consisting of a plurality of lighting elements (13, 13a) which can be switched on and off individually and which are switched on and off one after the other, and the detector (14) is designed as a camera (14) with which the brightness profile (15) of the light distribution of the light reflected and/or transmitted by the object (1, 6) is measured in a spatially resolved manner in an image for each lighting element (13, 13a) and represents a curve of different intensities at different locations, the height of the curve, the width of the curve and the steepness of the edge of the curve being included in the determination of the degree of gloss and/or the mattness, characterized in that the object (1, 6) in a transport direction (19) relative to the light source (18) and the detector (14) is moved such that the light source (18) is designed such that the lighting elements (13, 13a) cross the entire width of the object (1, 6). to the transport direction (19), that the detector (14) is designed in such a way that the entire width of the object (1, 6) can be measured simultaneously transversely to the transport direction (19), and that the lighting elements (13 , 13a) are switched on one after the other in such a way that the entire width of the object (1, 6) is measured.
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Messung des Glanzgrads und/oder der Mattheit von nicht transparenten oder transparenten Gegenständen gemäß dem Oberbegriff der Ansprüche 1 bzw. 10, bei dem die Gegenstände durch eine Lichtquelle beleuchtet werden und die Lichtmenge des von dem Gegenstand reflektierten und/oder transmittierten Lichts in einem Detektor erfasst wird. Lichtmenge beschreibt die in dem Detektor gemessene Intensität des Lichts, die auch als Helligkeit bezeichnet werden kann. Diese hängt maßgeblich von der Aufnahmegeometrie, und damit auch der Größe der Sensorfläche des Detektors, ab.The invention relates to a method and a device for measuring the degree of gloss and/or the dullness of non-transparent or transparent objects according to the preamble of
Bei nicht transparenten Gegenständen wird auf die Oberfläche des Gegenstands eingestrahltes Licht vollständig reflektiert. Bei transparenten Gegenständen, die begrifflich auch teiltransparente Gegenstände einschließen, wird auf die Oberfläche dieser Gegenstände eingestrahltes Licht sowohl an der Oberfläche reflektiert als auch durch das transparente Material des Gegenstands hindurch transmittiert. Sowohl bei der Reflexion als auch bei der Transmission findet eine Streuung eines Teils des Lichts statt, abhängig von dem Material des Gegenstands, welches die Reflexions- und Transmissionseigenschaften bestimmt.In the case of non-transparent objects, light incident on the surface of the object is completely reflected. In the case of transparent objects, which conceptually also include partially transparent objects, light radiated onto the surface of these objects is both reflected on the surface and transmitted through the transparent material of the object. Scattering of part of the light takes place in both reflection and transmission, depending on the material of the object, which determines the reflection and transmission properties.
Diese Reflexions- und Transmissionseigenschaften von Gegenständen bzw. Materialien werden normalerweise durch eine sogenannte bidirektionale Reflektanzverteilungsfunktion (BRDF) beschrieben, die angibt, wieviel Licht in jeden Raumwinkel reflektiert bzw. transmittiert wird. Die bidirektionale Reflektanzverteilungsfunktion ist sowohl abhängig von der Wellenlänge des Lichts als auch von dem Auftreffwinkel des Lichts auf die Oberfläche des Gegenstands. Deshalb ist die Bestimmung der bidirektionalen Reflektanzverteilungsfunktion sehr aufwendig und wird in der Praxis nur durchgeführt, wenn es keinen anderen Weg zur Bestimmung des Glanzgrads und/oder der Mattheit von Gegenständen gibt.These reflection and transmission properties of objects or materials are normally described by a so-called bidirectional reflectance distribution function (BRDF), which indicates how much light is reflected or transmitted in each solid angle. The bidirectional reflectance distribution function is dependent on both the wavelength of the light and the angle of incidence of the light on the object's surface. The determination of the bidirectional reflectance distribution function is therefore very complex and is only carried out in practice if there is no other way of determining the degree of gloss and/or the mattness of objects.
In der Praxis werden daher zur Beschreibung des optischen Erscheinungsbilds von Oberflächen der Gegenstände in Reflexion und/oder Transmission die Größen „Haze“ und „Gloss“ verwendet, die einfacher bestimmbar sind. Haze bestimmt die Mattheit des Erscheinungsbilds des Gegenstands und Gloss den Glanzgrad des Erscheinungsbilds des Gegenstands. Die Begriffe „Haze“ und „Mattheit“ bzw. „Gloss“ und „Glanzgrad“ werden im Rahmen dieser Offenbarung synonym verwendet.In practice, therefore, the parameters “Haze” and “Gloss” are used to describe the optical appearance of surfaces of objects in reflection and/or transmission, as they are easier to determine. Haze determines the dullness of the item's appearance and Gloss determines the gloss level of the item's appearance. The terms “haze” and “mattness” or “gloss” and “degree of sheen” are used synonymously in the context of this disclosure.
Haze und Gloss sind also zwei Größen, mit denen die Reflexionseigenschaften einer nicht transparenten, aber auch einer transparenten, Oberfläche auf einfachere Weise wertmäßig charakterisiert werden können als durch die bidirektionale Reflektanzverteilungsfunktion. In der Praxis reichen diese beiden Größen Haze und Gloss häufig aus, weil es nicht notwendig ist, die tatsächliche physikalische Lichtverteilung zu ermitteln, sondern nur den Eindruck zu beschreiben, den ein menschlicher Betrachter hat, wenn er die Oberfläche betrachtet.Haze and gloss are two quantities with which the reflection properties of a non-transparent, but also of a transparent surface can be characterized in terms of value in a simpler way than with the bidirectional reflectance distribution function. In practice, these two quantities, haze and gloss, are often sufficient because it is not necessary to determine the actual physical light distribution, but only to describe the impression that a human viewer has when looking at the surface.
Dies wird dadurch beschrieben, wie matt bzw. glänzend er die Oberfläche des transparenten oder nicht transparenten Gegenstands wahrnimmt. Deshalb werden diese Größen oft zur Beschreibung des Glanzgrads und/oder der Mattheit von transparenten oder nicht transparenten Gegenständen verwendet.This is described by how matt or glossy he perceives the surface of the transparent or non-transparent object. Therefore, these quantities are often used to describe the degree of gloss and/or dullness of transparent or non-transparent objects.
Je nach Art der Oberfläche gibt es verschiedene Definitionen für die Durchführung einer Gloss-Messung oder einer Haze-Messung. Diese Definitionen geben vor, welche Betrachtungs- und Beobachtungswinkel zu benutzen sind und wie die Umgebung des Gegenstands (Oberflächenprobe) beschaffen sein muss. Für bestimmte Arten von Gegenständen bzw. Oberflächen gibt es auch nationale und/oder internationale Normen.Depending on the type of surface, there are different definitions for carrying out a gloss measurement or a haze measurement. These definitions specify which viewing and observation angles are to be used and what the environment of the object (surface sample) must be like. There are also national and/or international standards for certain types of objects or surfaces.
Üblicherweise wird bei einer Gloss-Messung in Reflexionsanordnung das Licht gemessen, das im Reflexionswinkel reflektiert wird. Bei einer Haze-Messung in Reflexionsanordnung wird entsprechend gerade das Licht gemessen, das nicht im Reflexionswinkel reflektiert, sondern in andere Richtungen gestreut wird. In einer Reflexionsanordnung wird der Gegenstand, d.h. die Oberfläche des Gegenstands, in einem definierten Winkel meist mit einer Punktlichtquelle beleuchtet und unter einem anderen definierten Winkel mit einem Detektor betrachtet, welcher die in diesem Winkel reflektierte bzw. gestreute Lichtmenge des reflektierten Lichts misst.In a gloss measurement in a reflection arrangement, the light that is reflected in the reflection angle is usually measured. In the case of a haze measurement in a reflection arrangement, the light that is not reflected in the reflection angle but is scattered in other directions is measured. In a reflection arrangement, the object, i.e. the surface of the object, is usually illuminated at a defined angle with a point light source and viewed at another defined angle with a detector, which measures the amount of light reflected or scattered at this angle.
Je nach der gewählten Definition wird bei der Haze-Messung auch die Verteilung dieses gestreuten Lichts gemessen oder geht durch die Messanordnung zumindest implizit in den Messwert ein, bspw. indem eine bestimmte Winkelabweichung des Detektors von dem Reflexionswinkel des Lichts vorgegeben wird. Als Reflexionswinkel wird dabei der Winkel bezeichnet, unter dem ein in einem definierten Einfallswinkel auf eine ideal spiegelnde Oberfläche treffender Lichtstrahl reflektiert wird.Depending on the definition chosen, the distribution of this scattered light is also measured in the haze measurement or is at least implicitly included in the measured value by the measurement arrangement, e.g. by specifying a specific angular deviation of the detector from the reflection angle of the light. The angle of reflection is the angle at which a light beam striking an ideally reflecting surface at a defined angle of incidence is reflected.
Analog zu der Reflexion an Oberflächen kann man Werte für die beiden Größen Haze und Gloss auch zur Beschreibung des Erscheinungsbilds von transparenten Oberflächen in Transmission verwenden. Hier wird anstelle des Begriffs „Haze“ oder „Mattheit“ auch häufig der Begriff „Transparenz“ verwendet.Analogous to the reflection on surfaces, values for the two variables haze and gloss can also be used to describe the appearance of transparent surfaces in transmission. The term “transparency” is also often used here instead of the term “haze” or “mattness”.
Im Unterschied zu nicht transparenten Gegenständen bzw. Materialien gibt es bei transparenten Gegenständen zusätzlich zu dem Licht, das an der Oberfläche reflektiert und zurückgestreut wird, noch das Licht, das durch den transparenten Gegenstand hindurchtritt. Dieses Licht wird als transmittiertes Licht bezeichnet. Auch bei der Transmission wird ein Teil des einfallenden Lichts gestreut.In contrast to non-transparent objects or materials, with transparent objects there is light that passes through the transparent object in addition to the light that is reflected and scattered back on the surface. This light is called transmitted light. Part of the incident light is also scattered during transmission.
In der Regel ist bei transparenten Materialien die Steuerung in einer Reflexionsanordnung sehr gering, so dass häufig nur die Streuung in Transmissionsanordnung interessiert. Auch bei dieser Anordnung geht es wieder primär um den Eindruck eines menschlichen Betrachters, die durch Werte für die Größen Haze und Gloss gut beschrieben werden können und in der Erscheinung die Transparenz der Oberfläche für den menschlichen Betrachter charakterisieren. Auch hier gibt es verschiedene Definitionen und Normen für die Messbedingungen. Gebräuchlich sind hier z.B. ASTM D523 (für eine Gloss-Messung), ASTM D-1003 (für eine Haze-Messung) und ASTM D4039 sowie weitere Messbedingungen.In the case of transparent materials, the control in a reflection arrangement is generally very low, so that often only the scattering in the transmission arrangement is of interest. This arrangement is also primarily about the impression of a human viewer, which can be well described by values for the variables Haze and Gloss and in appearance characterize the transparency of the surface for the human viewer. Here, too, there are various definitions and standards for the measurement conditions. Commonly used here are e.g. ASTM D523 (for a gloss measurement), ASTM D-1003 (for a haze measurement) and ASTM D4039 as well as other measurement conditions.
Die physikalischen Effekte für reflektiertes und transmittiertes Licht werden nachfolgend schematisch anhand der
Die
Der nicht transparente Gegenstand 1 bzw. dessen Oberfläche wird durch eine Punktlichtquelle 2 beleuchtet, die einen auf die Oberfläche fokussierten Lichtstrahl 3 aussendet. Das durch den Lichtstrahl 3 auf der Oberfläche des Gegentands 1 auftreffende Licht wird reflektiert. Ein Anteil 4 des Lichts wird in Richtung des Reflexionswinkels direkt reflektiert. Ein anderer Anteil 5 des Lichts wird diffus gestreut, d.h. in von dem Reflexionswinkel verschiedenen Richtungen ausgestrahlt.The
Dies ist in den
Im Gegensatz dazu ist in
In
Im Gegensatz dazu ist in
Durch das erfindungsgemäße Verfahren und die erfindungsgemäße Vorrichtung sollen Gloss- und Haze-Werte sowohl für nicht transparente Gegenstände 1 in Reflexionsanordnung entsprechend
Alle Definitionen und Normen zur Bestimmung des Erscheinungsbilds von Oberflächen transparenter oder nicht transparenter Gegenstände, d.h. zum Messen von Glanzgrad (Gloss) und/oder Mattheit (Haze) der Gegenstände, schreiben feste Messanordnungen und Auswerteschritte vor, um die ermittelten Werte vergleichbar zu machen. Sie unterscheiden sich, je nachdem, welches Material der zu messende Gegenstand aufweist und welcher optische Eindruck (Haze, Gloss bzw. Mattheit, Glanzgrad) bewertet werden soll. Diese Definitionen und Normen unterscheiden sich bspw. in den Beleuchtungswinkeln, den Betrachtungswinkeln, den Aufnahmeaperturen, den Lichtarten, dem verwendeten Bezugswert, usw.. Letztlich wird in allen Messanordnungen oder Normen aber die Lichtmenge und/oder Lichtverteilung des von der Oberfläche reflektierten und/oder transmittierten Lichts gemessen, die unter den vorbeschriebenen Aufnahmebedingungen im Detektor ankommt und aufgenommen wird.All definitions and standards for determining the appearance of surfaces of transparent or non-transparent objects, i.e. for measuring the degree of gloss (gloss) and/or mattness (haze) of the objects, prescribe fixed measurement arrangements and evaluation steps in order to make the determined values comparable. They differ depending on the material of the object to be measured and the optical impression (haze, gloss or mattness, degree of gloss) to be evaluated. These definitions and standards differ, for example, in the illumination angles, the viewing angles, the recording apertures, the types of light, the reference value used, etc. Ultimately, however, in all measurement arrangements or standards, the light quantity and/or light distribution of the light reflected from the surface and/or transmitted light is measured, which arrives in the detector under the recording conditions described above and is recorded.
Gemeinsam ist den Anordnungen, dass als Lichtquelle eine Punktlichtquelle verwendet wird. Ferner wird ein Detektor eingesetzt, der das an einem Ort bzw. Punkt des Gegenstands reflektierte und/oder transmittierte Licht der Lichtquelle mit einer definierten Aufnahmeapertur misst. Das im Bereich der Aufnahmeaperturen eintreffende Licht wird also entsprechend integriert (Messung der Lichtmenge).What the arrangements have in common is that a point light source is used as the light source. Furthermore, a detector is used, which measures the light of the light source reflected and/or transmitted at a location or point of the object with a defined recording aperture. The light arriving in the area of the recording apertures is therefore integrated accordingly (measurement of the amount of light).
Der durch die Punktlichtquelle beleuchtete „Punkt“ auf der Oberfläche des zu messenden Gegenstands ist definiert durch einen im Bereich zur Oberfläche des gesamten Gegenstands flächenmäßig kleinen Bereich, der im Zusammenwirken mit der Aufnahmeaperturen des Detektors eine definierte Beleuchtungs- und Aufnahmegeometrie für das dem Gegenstand reflektierte und/oder transmittierte Licht vorgibt. Dies gilt für Anordnungen, in denen der Gegenstand durch eine Punktlichtquelle beleuchtet und durch den Detektor aufgenommen wird. Entsprechend werden als Detektoren meist Photozellen eingesetzt, die das in der Aufnahmegeometrie auf den Detektor eintreffende Licht entsprechend ihrer Aufnahmeapertur integrieren und einen Helligkeitswert für die integrierte Lichtmenge angeben.The "point" illuminated by the point light source on the surface of the object to be measured is defined by a small area in the area to the surface of the entire object which, in cooperation with the recording apertures of the detector, provides a defined illumination and recording geometry for the object reflected and /or specifies transmitted light. This applies to arrangements in which the object is illuminated by a point light source and recorded by the detector. Accordingly, photocells are usually used as detectors, which integrate the light incident on the detector in the recording geometry according to their recording aperture and specify a brightness value for the integrated quantity of light.
Für eine Messung in der in
In
Senkrecht zu der axialen Verbindungslinie zwischen der Lichteintrittsöffnung 11a und der Lichtaustrittsöffnung 11b ist ausgehend von dem Mittelpunkt der Kugel eine weitere Öffnung 10c in der Hohlkugel 9 vorgesehen, hinter der ein zweiter Detektor 12 angeordnet ist. Dieser Detektor 12 erfasst den bei dem Durchtritt durch das Material des transparenten Gegenstands 6 diffus gestreute Licht, das durch die Reflexionen an der nicht oder nur schwach absorbierenden Innenoberfläche der Hohlkugel 9 reflektiert und durch die weitere Öffnung 10c im zweiten Detektor 12 erfasst wird.Perpendicular to the axial connecting line between the light entry opening 11a and the light exit opening 11b, starting from the center point of the sphere, a
Aufgrund der beschriebenen Anordnung findet hier eine integrative Messung des in verschiedene Richtungen diffus gestreuten Anteils 8 des transmittierten Lichts statt. Der Haze-Wert kann in diesem Fall als Verhältnis der gemessenen Lichtmenge des Sensors 12 zu der gemessenen Lichtmenge des Sensors 11 definiert werden.Due to the arrangement described, an integrative measurement of the
Aus der
Die
Den vorbeschriebenen Messmethoden und Anordnungen aus dem Stand der Technik ist gemeinsam, dass sie speziell angefertigte Messeinrichtungen benötigen, weil die Vergleichbarkeit der Messwerte nur über die spezielle Messanordnung sicherzustellen ist. Alle diese Anordnungen sind in Bezug auf einen auf die Oberfläche des Gegenstands eingestrahlten Lichtpunkt definiert, um eine definierte Aufnahmegeometrie angeben zu können. Daher sind die bekannten Vorrichtungen und Verfahren zur Messung des Glanzgrads und/oder der Mattheit von Gegenständen nur geeignet, diese Eigenschaften der Oberfläche in genau einem Punkt des Gegenstands zu messen, weil nur für diesen einen speziellen Punkt die jeweilig definierten Aufnahmebedingungen eingehalten werden. Um eine komplette Oberfläche zu vermessen, muss die Messeinrichtung über die gesamte Oberfläche geführt werden. Dies ist mit einem hohen Aufwand verbunden und erfordert viel Zeit, die für einen schnell ablaufenden Prozess nicht anwendbar ist, bei der die Messung in-line in einer Produktions- und/oder Verarbeitungslinie durchgeführt werden soll.The above-described measuring methods and arrangements from the prior art have in common that they require specially manufactured measuring devices because the comparability of the measured values can only be ensured via the special measuring arrangement. All of these arrangements are defined in relation to a point of light radiated onto the surface of the object in order to be able to specify a defined recording geometry. Therefore, the known devices and methods for measuring the degree of gloss and/or mattness of objects are only suitable for measuring these surface properties at exactly one point on the object, because the respectively defined recording conditions are only met for this one special point. In order to measure a complete surface, the measuring device must be guided over the entire surface. This involves a great deal of effort and requires a lot of time, which cannot be used for a fast-running process in which the measurement is to be carried out in-line in a production and/or processing line.
Entsprechend liegt die Aufgabe der vorliegenden Erfindung darin, eine schnellere Messung des Glanzgrads und/oder der Mattheit auch großflächiger Gegenstände in einer gewünschten Auflösung bis hin zu einer vollständigen Vermessung der Oberfläche des großflächigen Gegenstands zu ermöglichen. Dabei wird der Gegenstand, wie in Herstellungs- und/oder Verarbeitungslinien üblich, in einer Transportrichtung relativ zu der Messanordnung bewegt. Dies erfolgt meist durch Bewegung des Gegenstands. Erfindungsgemäß kann dies jedoch auch durch Bewegen der Messanordnung in einer Richtung erreicht werden.Accordingly, the object of the present invention is to enable a faster measurement of the degree of gloss and/or the dullness of even large-area objects with a desired resolution up to a complete measurement of the surface of the large-area object. In this case, the object is moved in a transport direction relative to the measuring arrangement, as is usual in production and/or processing lines. This is usually done by moving the object. According to the invention, however, this can also be achieved by moving the measuring arrangement in one direction.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Dabei ist insbesondere vorgesehen, dass die Lichtquelle aus mehreren separat an- und ausschaltbaren Beleuchtungselementen besteht, die zeitlich nacheinander an- und ausgeschaltet werden. Ferner ist der Detektor als Kamera ausgebildet, mit welcher der Helligkeitsverlauf der Lichtverteilung des von dem Gegenstand reflektierten und/oder transmittierten Lichts für jedes Beleuchtungselement ortsaufgelöst in einem Bild gemessen wird.This object is achieved by a method having the features of
Durch die mehreren, separat schaltbaren, d.h. an- und ausschaltbaren, Beleuchtungselemente können mit der einen Lichtquelle relativ zu dem Gegenstand mehrere verschiedene Punkte der Oberfläche jeweils einzeln nacheinander beleuchtet werden. Aufgrund der Kamera ergeben sich dabei vergleichbare Beleuchtungs- bzw. Aufnahmegeometrien. In einer einzigen Relativposition von Gegenstand, Lichtquelle und Detektor kann daher ein größerer Bereich des Gegenstands erfasst und der Glanzgrad und/oder die Mattheit des Gegenstands in diesem Bereich mit der gewünschten Auflösung gemessen werden.Due to the several separately switchable, i.e. on and off, lighting elements, several different points of the surface relative to the object can be illuminated one after the other with the one light source. The camera results in comparable lighting and recording geometries. In a single relative position of the object, light source and detector, a larger area of the object can therefore be detected and the degree of gloss and/or the dullness of the object in this area can be measured with the desired resolution.
Jedes Beleuchtungselement stellt dabei eine Punktlichtquelle in dem Sinne dar, dass sie einen Punkt auf der Oberfläche des zu messenden Gegenstands beleuchtet, von dem je nach Art des Gegenstands das Licht dann reflektiert und/oder transmittiert wird. Wenn in der Lichtquelle alle Beleuchtungselemente gleichzeitig geschaltet werden, stellt diese jedoch keine punktförmige Lichtquelle mehr dar, so dass keine definierten Aufnahmegeometrien mehr erreicht würden.Each lighting element represents a point light source in the sense that it illuminates a point on the surface of the object to be measured, from which the light is then reflected and/or transmitted depending on the type of object. However, if all lighting elements in the light source are switched on at the same time, this no longer represents a punctiform light source, so that defined recording geometries would no longer be achieved.
Indem die verschiedenen Beleuchtungselemente erfindungsgemäß für die Messung des Glanzgrads und/oder der Mattheit separat nacheinander geschaltet werden, liegt für jede Messung (mit jeweils einem angeschalteten Beleuchtungselement) die gewünschte definierte Aufnahmegeometrie vor, ohne dass Überlagerungen des reflektierten oder transmittierten Lichts von anderen Orten einer nicht punktförmigen Lichtquelle das Messergebnis überlagern und verfälschen würden.Since the various lighting elements are switched on separately in succession for measuring the degree of gloss and/or dullness according to the invention, the desired defined recording geometry is available for each measurement (with one lighting element switched on) without overlapping of the reflected or transmitted light from other locations punctiform light source would overlay and falsify the measurement result.
Ferner wird die Aufnahme des reflektierten und/oder transmittierten Lichts erfindungsgemäß durch eine Kamera vorgenommen, die zumindest in einer Raumrichtung eine ortsaufgelöste Messung des Helligkeitsverlaufs der Lichtverteilung des von dem Gegenstand reflektierten und/oder transmittierten Lichts für jedes Beleuchtungselement vornimmt. Für eine ortsaufgelöste Messung in einer Raumrichtung wird bevorzugt eine Zeilenkamera vorgeschlagen, in der mehrere, separat auslesbare lichtempfindliche Elemente in einer Reihe angeordnet sind. Bei der Verwendung einer Zeilenkamera handelt es sich um eine besonders bevorzugte Ausführungsform, weil die Kamera mit einer hohen Abtastrate ausgelesen werden kann.According to the invention, the reflected and/or transmitted light is also recorded by a camera that performs a spatially resolved measurement of the brightness profile of the light distribution of the light reflected and/or transmitted by the object for each lighting element, at least in one spatial direction. A line camera is preferably proposed for a spatially resolved measurement in one spatial direction, in which several light-sensitive elements that can be read separately are arranged in a row. The use of a line camera is a particularly preferred embodiment because the camera can be read out with a high sampling rate.
Erfindungsgemäß lässt sich die Erfindung jedoch auch mit einer Flächenkamera umsetzen, in der lichtempfindliche Elemente in Matrixform vorgesehen sind. Dies ermöglicht das Messen eines Helligkeitsverlaufs in zwei Raumrichtungen, d.h. eines flächigen Helligkeitsverlaufs. Da bei einer Flächenkamera jedoch wesentlich mehr lichtempfindliche Elemente ausgelesen werden müssen, ist die erreichbare Abtastrate niedriger.According to the invention, however, the invention can also be implemented with an area camera in which light-sensitive elements are provided in matrix form. This makes it possible to measure a brightness curve in two spatial directions, i.e. a two-dimensional brightness curve. However, since a significantly larger number of light-sensitive elements have to be read out with an area scan camera, the achievable sampling rate is lower.
Es hat sich erfindungsgemäß gezeigt, dass es möglich ist, aus dem Verlauf des Helligkeitsverlaufs der Lichtverteilung, welche bezogen auf eine Raumrichtung eine Kurve unterschiedlicher Intensitäten an verschiedenen Orten darstellt, möglich ist, die Mattheit und/oder den Glanz des Gegenstands zu bestimmen, d.h. dessen Oberflächeneindruck quantitativ eindeutig zu beschreiben.According to the invention, it has been shown that it is possible to determine the dullness and/or the gloss of the object, i.e. its To describe the surface impression clearly and quantitatively.
In die Bestimmung gehen erfindungsgemäß die Höhe der Kurve, die Breite der Kurve und die Steilheit der Flanke der Kurve ein. Letzteres erhöht die Robustheit und Genauigkeit gegenüber Messungen, die nur das Maximum der Kurve (bspw. entsprechend einer Messanordnung im Reflexionswinkel des Lichts für eine Gloss-Messung) erfassen.According to the invention, the height of the curve, the width of the curve and the steepness of the edge of the curve are included in the determination. The latter increases the robustness and accuracy compared to measurements that only record the maximum of the curve (e.g. according to a measurement arrangement in the reflection angle of the light for a gloss measurement).
Dies gilt auch für Messungen, welche sowohl die Höhe als auch Breite der Kurve berücksichtigen. Die Breite der Kurve ist ein Indiz für das Maß der Streuung. Je größer die diffuse Streuung des transmittierten oder reflektierten Lichts ist, desto breiter ist die Kurve des Helligkeitsverlaufs der Lichtverteilung. Ein konkretes Beispiel für eine bevorzugte Auswertung ist die Ermittlung des Mittelwerts und der Standardabweichung der Helligkeitsverteilung. Es sind prinzipiell aber alle Methoden möglich, die einen Rückschluss auf die Steigung der Kurve, d.h. die Steilheit des Abfalls des Signals nach außen, ermöglichen.This also applies to measurements that take into account both the height and width of the curve. The width of the curve is an indication of the degree of scatter. The greater the diffuse scattering of the transmitted or reflected light, the broader the curve of the brightness profile of the light distribution. A specific example of a preferred evaluation is the determination of the mean value and the standard deviation of the brightness distribution. In principle, however, all methods are possible that enable conclusions to be drawn about the gradient of the curve, i.e. the steepness of the drop in the signal to the outside.
Es hat sich herausgestellt, dass durch eine Kalibration mittels Vergleichsmessungen für eine Messaufgabe, d.h. eine bestimmte Messanordnung und ein bestimmtes Material entsprechend vorgegebener Definitionen oder Normen, eine Korrelation (im Sinne eines funktionalen Zusammenhangs) zwischen den Normmesswerten und den aus dem Helligkeitsverlauf erfindungsgemäß erhaltenen Messwerten hergestellt werden kann. Ein solcher Zusammenhang könnte grundsätzlich auch theoretisch ermittelt werden, wenn die optischen Übertragungseigenschaften aller beteiligten Objekte genau bekannt sind. Da dies in der Praxis jedoch häufig nicht der Fall ist, können Vergleichsmessungen entsprechend der vorgegebenen Definitionen und Normen durchgeführt werden, die dann in einem funktionalen Bezug zu den nach der erfindungsgemäßen Methode ermittelten Werten führen. Damit können auch bei Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens Messwerte angegeben werden, die den normierten Messwerten entsprechen und in der Fertigung oder Produktkontrolle entsprechend verwendet werden können, ohne dass es sich hierbei freilich um entsprechend der Norm gemessene Messwerte handelt.It has been found that a calibration using comparative measurements for a measurement task, i.e. a specific measurement arrangement and a specific material in accordance with specified definitions or standards, produces a correlation (in the sense of a functional relationship) between the standard measured values and the measured values obtained from the brightness curve according to the invention can be. In principle, such a connection could also be determined theoretically if the optical transmission properties of all objects involved are known exactly. However, since this is often not the case in practice, comparative measurements can be carried out in accordance with the specified definitions and standards, which then lead to a functional relationship with the values determined using the method according to the invention. Thus, even when using the method according to the invention, measured values can be specified which correspond to the normalized measured values and can be used accordingly in production or product control, although these are of course not measured values measured according to the standard.
Dieser vorbeschriebene Aspekt der Erfindung lässt sich erfindungsgemäß auch bei Messanordnungen anwenden, die als Lichtquelle nur ein punktförmiges Beleuchtungselement aufweist, ohne dass die Lichtquelle aus mehreren einzeln schaltbaren Beleuchtungselementen besteht. Die beschriebene Erfindung bezieht sich also auch auf ein Verfahren und eine Anordnung mit nur einem einzigen punktlichtförmigen Beleuchtungselement, dessen auf den Gegenstand eingestrahltes und reflektiertes und/oder transmittiertes Licht mit einer Kamera aufgenommen wird, um einen Helligkeitsverlauf der Lichtverteilung ortsaufgelöst in einem Bild zu messen.According to the invention, this aspect of the invention described above can also be used in measuring arrangements that have only one punctiform illumination element as the light source, without the light source consisting of a plurality of individually switchable illumination elements. The invention described also relates to a method and an arrangement with only a single point light-shaped lighting element, the light from which is incident on the object and reflected and/or transmitted is recorded with a camera in order to measure a brightness profile of the light distribution in a spatially resolved manner in an image.
Ein Beleuchtungselement kann dabei durch einen Leuchtkörper (bspw. eine LED) oder mehrere, zusammengefasste Leuchtkörper (bspw. mehrere nebeneinander angeordnete und zusammengeschaltete LEDs) gebildet sein.In this case, a lighting element can be formed by a luminous element (for example an LED) or by a plurality of combined luminous elements (for example by a number of LEDs arranged next to one another and connected together).
Erfindungsgemäß kann die Lichtquelle Beleuchtungselemente auf der Seite der Kamera (d.h. in Reflexionsanordnung) und/oder auf der der Kamera gegenüberliegenden Seite (d.h. in Transmissionsanordnung) bezogen auf den Gegenstand aufweisen. Die Lichtquelle kann also auch aus verschiedenen Teilbeleuchtungen gebildet sein, die an verschiedenen Positionen des Gegenstands angeordnet sind, um in einer Relativposition von Lichtquelle, Gegenstand und Detektor sowohl eine Reflexions- als auch eine Transmissionsanordnung (bei transparenten Gegenständen) messen zu können. So können durch das erfindungsgemä-ße Verfahren und die entsprechend beschriebene Anordnung die Mattheit (Haze) und/oder der Glanz (Gloss) für transparente und nicht transparente Gegenstände in einer Anordnung gemessen werden. Die konkrete Anordnung der Aufnahmegeometrie sucht der Fachmann entsprechend der Aufgabenstellung im Rahmen seines fachmännischen Könnens aus.According to the invention, the light source can have lighting elements on the side of the camera (ie in a reflection arrangement) and/or on the side opposite the camera (ie in a transmission arrangement) in relation to the object point. The light source can also be formed from different partial illuminations that are arranged at different positions of the object in order to be able to measure both a reflection and a transmission arrangement (in the case of transparent objects) in a relative position of light source, object and detector. The method according to the invention and the correspondingly described arrangement can be used to measure the mattness (haze) and/or the gloss (gloss) for transparent and non-transparent objects in one arrangement. The person skilled in the art selects the specific arrangement of the recording geometry according to the task within the scope of his/her professional ability.
Eine für die Reflexionsmessung bevorzugte Anwendung sieht vor, die Kamera im Ausfallwinkel (Reflexionswinkel) anzuordnen. Dieser definiert sich aus dem Einfallswinkel des auf die Oberfläche des Gegenstands eingestrahlten Lichts entsprechend der Reflexion des Lichts an der Oberfläche nach den physikalischen Reflexionsgesetzen. Dies bedeutet, dass eine Lichtverteilung um den Ausfallswinkel des Lichts herum durch die Kamera erfasst wird.A preferred application for the reflection measurement provides for arranging the camera in the angle of reflection (angle of reflection). This is defined by the angle of incidence of the light radiated onto the surface of the object in accordance with the reflection of the light on the surface according to the physical laws of reflection. This means that a light distribution around the angle of reflection of the light is captured by the camera.
Für die Transmissionsmessung erfasst die Kamera vorzugsweise den ungestreut durch das Objekt hindurchtretenden Lichtstrahl sowie das beidseits davon gestreut reflektierte Licht ortsaufgelöst.For the transmission measurement, the camera preferably records the unscattered light beam passing through the object and the scattered light reflected on both sides thereof in a spatially resolved manner.
Vorzugsweise wird der gesamte messbare Bereich erfasst, d.h. die vom Grundniveau des Lichts (wie es bspw. durch das Umgebungslicht erzeugt wird) unterscheidbare Lichtintensität. In diesem Fall können durch den Zugriff auf die ortsaufgelöst gemessenen Helligkeitswerte auch verschiedene Aufnahmegeometrien aus dem Bild abgeleitet und ausgewertet werden.Preferably, the entire measurable range is covered, i.e. the light intensity distinguishable from the base level of light (such as that produced by ambient light). In this case, by accessing the spatially resolved measured brightness values, different recording geometries can also be derived from the image and evaluated.
Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäß vorgeschlagenen Verfahrens kann die Kamera derart ausgebildet sein, dass der Helligkeitsverlauf durch ein jedes Beleuchtungselement derart ortsaufgelöst erfasst wird, bis die Helligkeit am Rand des Helligkeitsverlaufs bis auf das Grundniveau abfällt. Das Grundniveau entspricht der in dem Detektor gemessenen Intensität, die sich bei einer vollständig ausgeschalteten Lichtquelle ergibt, d. h. wenn kein Beleuchtungselement der Lichtquelle angeschaltet ist. So ist es möglich, den gesamten messbaren Helligkeitsverlauf auszuwerten, der über dem Rauschen liegt und so Rückschlüsse auf die Mattheit und den Gloss des Gegenstands zulässt.According to a preferred embodiment of the method proposed according to the invention, the camera can be designed in such a way that the brightness curve is detected by each lighting element in a spatially resolved manner until the brightness at the edge of the brightness curve falls to the basic level. The base level corresponds to the intensity measured in the detector, which results when the light source is completely switched off, i. H. when no lighting element of the light source is switched on. In this way it is possible to evaluate the entire measurable course of brightness, which lies above the noise and thus allows conclusions to be drawn about the mattness and gloss of the object.
In diesem Zusammenhang ist es besonders vorteilhaft, wenn als Beleuchtungselement jeweils eine Punktlichtquelle verwendet wird, welche auf dem Gegenstand einen Lichtpunkt erzeugt. Ein solcher Lichtpunkt weist eine im Vergleich zu der gesamten Größe bzw. Oberfläche des Gegenstands kleine und damit punktförmige Ausdehnung auf. Mit anderen Worten ist der durch das Beleuchtungselement beleuchtete Oberflächenbereich des Gegenstands so klein, dass eine bestimmte Aufnahmegeometrie mit einem definierten Einfallswinkel und Ausfallswinkel des erzeugten Lichts erreicht wird. Dies schließt in Transmission auch einen Einfallswinkel von 90 Grad und einen Ausfallswinkel von 90 Grad mit ein. Durch ein derart auf die Oberfläche fokussiertes Licht wird der Einfluss von auf andere Oberflächenbereiche reflektiertes und in den Detektor gestreuten Lichts stark vermindert bzw. vermieden.In this context, it is particularly advantageous if a point light source is used as the lighting element, which generates a point of light on the object. Such a point of light has a small and therefore punctiform extent in comparison to the overall size or surface of the object. In other words, the surface area of the object illuminated by the lighting element is so small that a specific recording geometry is achieved with a defined angle of incidence and angle of reflection of the light generated. In transmission, this also includes an angle of incidence of 90 degrees and an angle of reflection of 90 degrees. Light that is focused on the surface in this way greatly reduces or avoids the influence of light that is reflected onto other surface areas and scattered into the detector.
Zur Erzeugung eines derart fokussierten Lichtstrahls zur Erzeugung eines Lichtpunkts auf der Oberfläche des Gegenstands kann vor dem bzw. den Beleuchtungselementen eine geeignete, das Licht auf die Oberfläche des Gegenstands fokussierende Linse vorgesehen sein. Im Falle einer linearen Lichtleiste aus in einer Reihe (Linie) angeordneten Beleuchtungselementen kann eine solche Linse beispielsweise als Stablinse ausgebildet werden.To generate such a focused light beam to generate a point of light on the surface of the object, a suitable lens focusing the light onto the surface of the object can be provided in front of the lighting element or elements. In the case of a linear light strip made up of lighting elements arranged in a row (line), such a lens can be designed as a rod lens, for example.
Erfindungsgemäß wird der Gegenstand in einer Transportrichtung relativ zu der Lichtquelle und dem Detektor bewegt. Die Lichtquelle ist so ausgebildet, dass die Beleuchtungselemente die gesamte Breite des Gegenstands quer zur Transportrichtung abdecken, d.h. die Oberfläche je nach angeschaltetem Beleuchtungselement über die gesamte Breite jeweils punktförmig beleuchten können. Ferner ist der Detektor so ausgebildet, dass die gesamte Breite des Gegenstands quer zur Transportrichtung, welche durch die Beleuchtungselemente beleuchtet wird, zeitgleich ortsaufgelöst gemessen, bspw. aufgenommen, werden kann. Dies bedeutet, dass die gesamte Breite in einem Bild einer Kamera erfasst wird. Dann wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, die Beleuchtungselemente derart nacheinander so zu schalten, d.h. an- und wieder auszuschalten, dass die gesamte Breite des Gegenstands nacheinander beleuchtet wird. Die Beleuchtungselemente können dazu vorzugsweise senkrecht oder beliebig schräg zur Transportrichtung des Gegenstands angeordnet sein oder werden. So ist die Messung des Gegenstands in der gesamten Breite durch Aufnahme jeweils eines Bildes für ein angeschaltetes Beleuchtungselement möglich.According to the invention, the object is moved in a transport direction relative to the light source and the detector. The light source is designed in such a way that the lighting elements cover the entire width of the object transversely to the transport direction, i.e. depending on which lighting element is switched on, they can illuminate the surface in a punctiform manner over the entire width. Furthermore, the detector is designed in such a way that the entire width of the object transverse to the transport direction, which is illuminated by the lighting elements, can be simultaneously measured, for example recorded, in a spatially resolved manner. This means that the entire width is captured in an image from a camera. It is then proposed according to the invention to switch the lighting elements one after the other, i.e. switch them on and off again, in such a way that the entire width of the object is illuminated one after the other. For this purpose, the lighting elements can preferably be or will be arranged perpendicularly or at any angle to the transport direction of the object. It is thus possible to measure the entire width of the object by recording an image for each switched-on lighting element.
Der Detektor ist vorzugsweise eine Kamera, mit der die gesamte Breite des Gegenstands auf einmal abgedeckt werden kann. Gegebenenfalls können auch mehrere Kameras vorgesehen sein, die einander ergänzend die gesamte Breite des Gegenstands abdecken. Auch hierunter wird im Sinne der Offenbarung eine Kamera verstanden. Mehrere Kameras können gegebenenfalls auch in Transportrichtung versetzt angeordnet werden, solange sie die von der Lichtquelle erzeugten Lichtpunkte auf der Oberfläche der Gegenstände und die sich daraus ergebende Helligkeitsverteilung ortaufgelöst erfassen.The detector is preferably a camera capable of covering the entire width of the object at once. If necessary, several cameras can also be provided, which cover the entire width of the object in addition to one another. This is also understood to mean a camera within the meaning of the disclosure. Multiple cameras can also be transported if necessary offset in direction, as long as they capture the points of light generated by the light source on the surface of the objects and the resulting brightness distribution in a spatially resolved manner.
Insbesondere bei der Messung transparenter Gegenstände können Beleuchtungselemente beispielsweise in Form von zwei oder mehr Teilbeleuchtungen auf beiden Seiten des Gegenstand, bezogen auf die Kamera, angeordnet sein bzw. werden. Dies ermöglicht bei transparenten Gegenständen die Messung sowohl in Reflexionsanordnung als auch in Transmissionsanordnung in einer Anordnung während des Transports des Gegenstands. Ferner ist es grundsätzlich denkbar, mehrere Beleuchtungselemente in Teilbeleuchtungen, gegebenenfalls in Transportrichtung hintereinander, anzuordnen, um verschiedene Aufnahmegeometrien zu messen, wenn während des Transports des Gegenstands genügend Zeit für die Durchführung der entsprechenden Anzahl von Messungen verbleibt. Dies ist beispielsweise bei einem getakteten Transport oder bei einer niedrigen Transportgeschwindigkeit möglich.In particular when measuring transparent objects, illumination elements can be arranged, for example in the form of two or more partial illuminations, on both sides of the object in relation to the camera. In the case of transparent objects, this enables measurement both in a reflection arrangement and in a transmission arrangement in one arrangement during transport of the object. It is also conceivable in principle to arrange several lighting elements in partial lighting, possibly one behind the other in the transport direction, in order to measure different recording geometries if there is sufficient time to carry out the corresponding number of measurements while the object is being transported. This is possible, for example, with clocked transport or with a low transport speed.
Eine zeitoptimierte Messung lässt sich erfindungsgemäß dadurch erreichen, dass die Schaltfrequenz, mit der die Beleuchtungselemente nacheinander geschaltet werden, der Abtastrate der Kamera entspricht. Die Abtastrate ist definiert durch die Zeit, welche für die Aufnahme und Auslesung eines Kamerabildes benötigt wird, bis die Kamera für die Aufnahme des nächsten Bildes bereit ist. In dieser Zeit werden sämtliche Beleuchtungselemente der Kamera wertmäßig erfasst. Hierdurch ergibt sich die maximale Geschwindigkeit, mit der die durch die einzelnen Beleuchtungselemente erzeugten Bilder erfasst und ausgelesen werden können. Bei Zeilenkameras und LED-Beleuchtungselementen sind Abtast- und Schaltfrequenzen bis etwa 100 kHz erreichbar. Das An- und Ausschalten der Beleuchtungselemente entspricht also einem kurzen Aufblitzen der jeweiligen Beleuchtungselemente.A time-optimized measurement can be achieved according to the invention in that the switching frequency at which the lighting elements are switched in succession corresponds to the scanning rate of the camera. The sampling rate is defined by the time required to capture and read out a camera image before the camera is ready to capture the next image. During this time, all lighting elements of the camera are recorded in terms of value. This results in the maximum speed with which the images generated by the individual lighting elements can be recorded and read out. Scanning and switching frequencies of up to around 100 kHz can be achieved with line scan cameras and LED lighting elements. Switching the lighting elements on and off therefore corresponds to a brief flashing of the respective lighting elements.
Vorzugsweise ist erfindungsgemäß die Bildaufnahme mit dem Anschalten der Beleuchtung synchronisiert, wie dies bei der Verwendung von Blitzlichtern in der Fotografie bekannt und üblich ist.According to the invention, the image recording is preferably synchronized with the switching on of the lighting, as is known and customary when using flashlights in photography.
Gemäß einer bevorzugten Weiterentwicklung des erfindungsgemäß vorgeschlagenen Verfahrens kann vorgesehen werden, dass die Schaltfrequenz, die Abtastrate und die Transportgeschwindigkeit derart aufeinander abgestimmt sind, dass die gesamte Oberfläche des Gegenstands erfasst wird. Erfassen bedeutet, dass die gesamte Oberfläche des Gegenstands beleuchtet und mit der Kamera aufgenommen wird. Dazu können die Beleuchtungselemente derart angeschaltet (geblitzt) werden, dass dasselbe Beleuchtungselement dann erneut angeschaltet wird, wenn sich der bei dem vorgegebenen Anschalten beleuchtete Oberflächenbereich auf dem Gegenstand aufgrund des Transports des Gegenstands mit der abgestimmten Transportgeschwindigkeit gerade aus dem bei dem nachfolgenden Anschalten desselben Beleuchtungselements beleuchteten Oberflächenbereichs bewegt hat. Vorzugsweise grenzen die beiden Oberflächenbereiche unmittelbar aneinander, so dass die gesamte Oberfläche lückenlos oder zumindest in der gewünschten Auflösung, wenn die Bereiche nicht unmittelbar aneinander angrenzen, erfasst wird.According to a preferred further development of the method proposed according to the invention, it can be provided that the switching frequency, the sampling rate and the transport speed are matched to one another in such a way that the entire surface of the object is recorded. Capturing means that the entire surface of the object is illuminated and captured by the camera. For this purpose, the lighting elements can be switched on (flashed) in such a way that the same lighting element is then switched on again when the surface area on the object that was illuminated when it was switched on, due to the transport of the object at the coordinated transport speed, is just different from that illuminated when the same lighting element was subsequently switched on Has moved surface area. The two surface areas preferably directly adjoin one another, so that the entire surface is recorded without gaps or at least with the desired resolution if the areas do not directly adjoin one another.
Dies entspricht einer Synchronisation von Bildaufnahme, Anschalten der Beleuchtungselemente und Bahnvorschub im Sinne des Transports des Gegenstands mit der Transportgeschwindigkeit. Zwischen dem aufeinanderfolgenden Anschalten desselben Beleuchtungselements werden die die Breite des Gegenstands quer zur Transportrichtung abdeckenden Beleuchtungselemente entsprechend nacheinander angeschaltet, und es wird jeweils ein Bild aufgenommen.This corresponds to a synchronization of image recording, switching on the lighting elements and web feed in the sense of transporting the object at the transport speed. Between the successive switching on of the same lighting element, the lighting elements covering the width of the object transversely to the transport direction are switched on one after the other, and an image is recorded in each case.
Auch für diese anderen Beleuchtungselemente gilt in Bezug auf die Synchronisation von Bildaufnahme, Anschalten der Beleuchtungselemente und dem Bahnvorschub das vorbeschriebene Verfahren. Da die Belichtungszeiten im Vergleich zu dem während der Belichtungszeit erfolgenden Bahnvorschub des Gegenstands in der Regel vernachlässigbar klein sind, kann die Messung während des kontinuierlichen Transports des Gegenstands erfolgen.The method described above also applies to these other lighting elements with regard to the synchronization of image recording, switching on of the lighting elements and web feed. Since the exposure times are usually negligibly short compared to the web advancement of the object that takes place during the exposure time, the measurement can take place while the object is being transported continuously.
Eine besonders schnelle Erfassung der gesamten Oberfläche lässt sich dadurch erreichen, dass mehrere Beleuchtungselemente der Lichtquelle gleichzeitig angesteuert werden, welche so weit auseinander liegen, dass das von diesem Beleuchtungselement ausgehende Licht die Messung der Helligkeitsverteilung des von einem anderen Beleuchtungselement gleichzeitig ausgestrahlten Lichts nicht messbar beeinflusst. Somit finden sich die Helligkeitsverteilungen mehrerer Beleuchtungselemente separiert voneinander in einem Bild. Dies führt zu einer schnelleren Erfassung der gesamten Oberfläche.A particularly fast detection of the entire surface can be achieved by controlling several lighting elements of the light source at the same time, which are so far apart that the light emanating from this lighting element does not measurably affect the measurement of the brightness distribution of the light emitted simultaneously by another lighting element. Thus, the brightness distributions of several lighting elements are separated from each other in one image. This results in faster coverage of the entire surface.
Eine bevorzugte Variante des erfindungsgemäß vorgeschlagenen Verfahrens sieht vor, dass für die Messung des Glanzgrads und der Mattheit bei transparenten Gegenständen eine Teilbeleuchtung in Reflexionsanordnung und eine Teilbeleuchtung in Transmissionsanordnung vorgesehen werden bzw. sind, welche derart angeordnet sind, dass das durch die Teilbeleuchtungen auf die Oberfläche des Gegenstands ausgestrahlte und von dieser reflektierte und transmittierte Licht in derselben Kamera erfasst werden, wobei die Beleuchtungselemente der beiden Teilbeleuchtungen vorzugsweise jeweils nacheinander geschaltet werden.A preferred variant of the method proposed according to the invention provides that for the measurement of the degree of gloss and mattness in transparent objects, partial lighting in a reflection arrangement and partial lighting in a transmission arrangement are or are provided, which are arranged in such a way that the partial lighting on the surface light emitted by the object and reflected and transmitted by it in the same camera are detected, with the lighting elements of the two partial lights preferably being switched on one after the other.
Erfindungsgemäß kann eine Messung des Glanzgrads vorzugsweise sowohl bei transparenten als auch bei nicht transparenten Gegenständen in Reflexionsanordnung stattfinden. Bei nichttransparenten Gegenständen kann auch eine Messung der Mattheit in Reflexionsanordnung stattfinden, vorzugsweise so, dass die Kamera im Reflexionswinkel des Lichts angeordnet ist.According to the invention, a measurement of the degree of gloss can preferably take place both in the case of transparent and non-transparent objects in a reflection arrangement. In the case of non-transparent objects, the mattness can also be measured in a reflection arrangement, preferably in such a way that the camera is arranged in the reflection angle of the light.
Dies ist entscheidend bei der Verwendung einer Zeilenkamera und einer Lichtleiste. Die Mattheitswerte werden dann aus dem durch die Zeilenkamera quer oder schräg zur Transportrichtung erfassten Helligkeitsverlauf der Lichtverteilung abgeleitet.This is crucial when using a line scan camera and light bar. The mattness values are then derived from the brightness profile of the light distribution recorded by the line scan camera transversely or at an angle to the transport direction.
Die Haze-Messung bei transparenten Gegenständen findet dagegen vorzugsweise in Transmissionsanordnung statt, vorzugsweise so, dass das Licht senkrecht auf die Oberfläche des Gegenstandes fällt, durch den Gegenstand durchtritt und auf der anderen Seite des Gegenstands durch die Kamera erfasst wird.In contrast, the haze measurement for transparent objects preferably takes place in a transmission arrangement, preferably in such a way that the light falls perpendicularly onto the surface of the object, passes through the object and is captured by the camera on the other side of the object.
Um sowohl das reflektierte als auch das transmittierte Licht in einer Anordnung zu erfassen, weist die Kamera eine entsprechend gewählte Weitwinkeloptik auf.In order to capture both the reflected and the transmitted light in one arrangement, the camera has appropriately selected wide-angle optics.
Erfindungsgemäß wird ferner vorgeschlagen, eine Nullmessung ohne angeschaltete Lichtquelle durchzuführen und den gemessenen Helligkeitsverlauf entsprechend der Nullmessung zu korrigieren. In dieser bevorzugten Anwendung des Verfahrens lässt sich die Genauigkeit insbesondere bei der Ermittlung der Mattheit bei Gegenständen hoher Mattheit (d.h. mit hohem Haze-Werten) verbessern.According to the invention, it is also proposed to carry out a zero measurement without the light source being switched on and to correct the measured brightness curve in accordance with the zero measurement. In this preferred application of the method, the accuracy can be improved, particularly when determining the dullness of objects with a high degree of dullness (i.e. with high haze values).
Aufgrund der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Lichtquelle, welche außer einer zeitlich schnellen Folge des An- und Abschaltens von punktförmigen Beleuchtungselementen auch eine Flächen- oder Linienbeleuchtung durch Anschalten aller oder einer definierten Auswahl der Beleuchtungselemente der Lichtquelle erlaubt, kann die Messung von Glanzgrad und Mattheit erfindungsgemäß durch Anwendung anderer Beleuchtungsarten auch für die Durchführung anderer Inspektionsaufgaben verwendet werden.Due to the light source proposed according to the invention, which, in addition to a rapid sequence of switching on and off punctiform lighting elements, also allows area or line lighting by switching on all or a defined selection of the lighting elements of the light source, the measurement of gloss level and dullness can be carried out according to the invention by using other types of lighting can also be used to perform other inspection tasks.
Vorzugsweise ist die Lichtquelle als Lichtleiste mit in einer Beleuchtungsrichtung in einer linearen Reihe angeordneten Beleuchtungselementen oder als Lichtmatrix mit in Matrixform angeordneten Beleuchtungselementen ausgebildet, so dass verschiedene Arten von Flächenbeleuchtungen realisiert werden können. Verschiedene Beleuchtungen können auch erreicht werden, wenn die Lichtquelle mehrere, an verschiedenen Positionen angeordneten Teilbeleuchtungen aufweisen. Eine Kombination der Messung von Glanzgrad und Mattheit mit anderen Inspektionsaufgaben ist insbesondere dann möglich, wenn die Schaltzeit der Beleuchtung und die Abtastrate der Kamera im Verglich zur Transportgeschwindigkeit des Gegenstands so hoch ist, dass bei der Abtastung der gesamten Oberfläche bzw. der gewünschten Abtastauflösung Pausenzeiten verbleiben, die dann für andere Messungen respektive andere Inspektionsaufgaben genutzt werden können.The light source is preferably designed as a light strip with lighting elements arranged in a linear row in an illumination direction or as a light matrix with lighting elements arranged in matrix form, so that different types of area lighting can be implemented. Different illuminations can also be achieved if the light source has a plurality of partial illuminations arranged at different positions. A combination of the measurement of gloss and mattness with other inspection tasks is particularly possible when the switching time of the lighting and the scanning rate of the camera is so high compared to the transport speed of the object that there are pauses when scanning the entire surface or the desired scanning resolution , which can then be used for other measurements or other inspection tasks.
Andere Inspektionsaufgaben können beispielsweise eine Hellfeldmessung zur Bestimmung der Transmissivität bzw. Reflektivität des Gegenstands umfassen, je nachdem, ob der Gegenstand transparent oder nichttransparent ist. Eine solche Messung wird auch als Probe-Pattern-Mode-Beleuchtung bezeichnet.Other inspection tasks can include, for example, a bright field measurement to determine the transmissivity or reflectivity of the object, depending on whether the object is transparent or non-transparent. Such a measurement is also referred to as probe pattern mode illumination.
Ferner können Hell-Dunkelfeldmessungen zur Fehlererkennung beispielsweise von Oberflächenfehlern genutzt werden. Diese Art der Beleuchtung wird auch als Cross-Darkfield-Mode-Beleuchtung bezeichnet. Diese anderen Inspektionsverfahren sind dem Fachmann grundsätzlich bekannt und müssen an dieser Stelle daher nicht näher beschrieben werden.Furthermore, light/dark field measurements can be used to detect defects, for example surface defects. This type of lighting is also referred to as cross darkfield mode lighting. These other inspection methods are basically known to the person skilled in the art and therefore do not need to be described in more detail at this point.
Die Erfindung betrifft ferner eine Vorrichtung zur Messung des Glanzgrads und/oder der Mattheit von nichttransparenten oder transparenten Gegenständen mit den Merkmalen des Anspruchs 10. Die Vorrichtung ist mit einer Lichtquelle zum Beleuchten der Oberfläche und einem Detektor zum Erfassen der Lichtmenge des von dem Gegenstand reflektierten und/oder transmittierten Lichts ausgestattet. Der Detektor ist relativ zu der Lichtquelle und dem Gegenstand in einer definierten Aufnahmegeometrie angeordnet bzw. anordenbar (bspw. mittels eines ansteuerbaren Manipulators). Entsprechend kann auch die Lichtquelle bspw. mittels eines ansteuerbaren Manipulators verstellbar bspw. anordenbar sein.The invention also relates to a device for measuring the degree of gloss and/or the dullness of non-transparent or transparent objects with the features of claim 10. The device is equipped with a light source for illuminating the surface and a detector for detecting the amount of light reflected by the object and / or equipped with transmitted light. The detector is arranged or can be arranged relative to the light source and the object in a defined recording geometry (for example by means of a controllable manipulator). Correspondingly, the light source can also be adjustable, for example, arrangeable, for example by means of a controllable manipulator.
Ferner ist eine Steuer- und Recheneinheit vorgesehen, welche zum Ansteuern der Lichtquelle und des Detektors und zum Bestimmen des Glanzgrads und/oder der Mattheit des Gegenstands aus der in dem Detektor erfassten Lichtmenge und/oder Lichtverteilung eingerichtet ist. Im Rahmen der erfindungsgemäßen vorgeschlagenen Vorrichtung ist insbesondere vorgesehen, dass die Lichtquelle aus mehreren separat an- und ausschaltbaren, d.h. schaltbaren, Beleuchtungselementen besteht, die zeitlich durch die Steuer- und Recheneinheit nacheinander an- und ausschaltbar sind, und dass der Detektor als Kamera ausgebildet ist, mit welcher der Helligkeitsverlauf der Lichtverteilung des von dem Gegenstand reflektierten und/oder transmittierten Lichts für jedes Beleuchtungselement ortsaufgelöst in einem Bild messbar ist.Furthermore, a control and computing unit is provided, which is set up to control the light source and the detector and to determine the degree of gloss and/or the mattness of the object from the amount of light and/or light distribution detected in the detector. In the context of the proposed device according to the invention, it is provided in particular that the light source consists of several lighting elements that can be switched on and off separately, ie switchable, that can be switched on and off one after the other in terms of time by the control and computing unit, and that the Detector is designed as a camera with which the brightness profile of the light distribution of the light reflected from the object and / or transmitted light for each lighting element is spatially measurable in an image.
Erfindungsgemäß kann die Steuer- und Recheneinheit weiter zur Durchführung des vorbeschriebenen Verfahrens oder Teilen hiervon eingerichtet sein. Auch kann die Vorrichtung jeweils einzelne oder mehrere der bereits beschriebenen vorrichtungstechnischen Merkmale aufweisen.According to the invention, the control and computing unit can also be set up to carry out the method described above or parts thereof. The device can also have one or more of the device-related features already described.
Insbesondere kann vorgesehen sein, dass die Lichtquelle als Beleuchtungselemente separat schaltbare LED-Elemente aufweist, die in mindestens einer Reihe angeordnet sind. Die Lichtquelle ist dann als Lichtleiste ausgebildet. Bei einer bevorzugten Vorrichtung zum Messen in einer Transporteinrichtung bewegter Gegenstände ist die mindestens eine Reihe der Beleuchtungselemente quer oder schräg zur Transportrichtung angeordnet, so dass die Beleuchtungselemente den Gegenstand in seiner gesamten Breite (quer zur Bewegungs- bzw. Transportrichtung des Gegenstands) durch Abschalten einzelner Beleuchtungselemente jeweils punktförmig beleuchten können. Im Falle mehrerer Reihen ist die Lichtquelle als Beleuchtungsmatrix ausgebildet.In particular, it can be provided that the light source has separately switchable LED elements as lighting elements, which are arranged in at least one row. The light source is then designed as a light strip. In a preferred device for measuring objects moving in a transport device, the at least one row of lighting elements is arranged transversely or at an angle to the transport direction, so that the lighting elements illuminate the object over its entire width (transverse to the movement or transport direction of the object) by switching off individual lighting elements can illuminate each point. In the case of several rows, the light source is designed as an illumination matrix.
Die Lichtquelle kann in Reflexionsanordnung und/oder in Transmissionsanordnung angeordnet sein. In Reflexionsanordnung befinden sich die Lichtquelle und der Detektor auf derselben Seite des Gegenstands. In Transmissionsanordnung befinden sich die Lichtquelle und der Detektor auf verschiedenen Seiten des Gegenstands. Die Transmissionsanordnung ist für transparente Gegenstände, und insbesondere die Haze-Messung, vorgesehen. Die Reflexionsanordnung kann für eine Gloss-Messung sowohl transparenter als auch nichttransparenter Gegenstände verwendet werden. Nichttransparente Gegenstände können auch in der Reflexionsanordnung zur Bestimmung des Haze-Wertes gemessen werden.The light source can be arranged in a reflection arrangement and/or in a transmission arrangement. In the reflective configuration, the light source and detector are on the same side of the object. In the transmission arrangement, the light source and the detector are on different sides of the object. The transmission arrangement is intended for transparent objects, and in particular for haze measurement. The reflection arrangement can be used for a gloss measurement of both transparent and non-transparent objects. Non-transparent objects can also be measured in the reflection arrangement to determine the haze value.
Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Vorrichtung ist die Kamera als Zeilenkamera ausgebildet, deren Aufbau eine hohe Abtastrate erlaubt. Diese ist derart angeordnet, dass sie das von der Lichtquelle (mit einer oder mehreren Teilbeleuchtungen) an dem Gegenstand reflektierte und/oder transmittierte Licht in seiner Lichtverteilung misst. Anstelle einer Kamera können erfindungsgemäß auch mehrere Kameras verwendet werden, wenn der gesamte Messbereich anders nicht abgedeckt werden kann. Die Bilder der mehreren Kameras ergänzen sich dann zur Abdeckung der Breite des Gegenstands quer oder schräg zu einer Transportrichtung, und bilden so eine logische Kamera.According to a particularly preferred embodiment of the device, the camera is in the form of a line camera, the design of which permits a high sampling rate. This is arranged in such a way that it measures the light distribution reflected and/or transmitted by the light source (with one or more partial illuminations) on the object. Instead of one camera, several cameras can also be used according to the invention if the entire measurement area cannot be covered in any other way. The images from the multiple cameras then complement each other to cover the width of the object transversely or obliquely to a transport direction, and thus form a logical camera.
Weitere Vorteile, Merkmale und Anwendungsmöglichkeiten der vorliegenden Erfindung ergeben sich auch aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen und der Zeichnungen. Dabei bilden alle beschriebenen und/oder bildlich dargestellten Merkmale für sich und in beliebiger Kombination den Gegenstand der vorliegenden Erfindung, auch unabhängig von ihrer Zusammenfassung in den Ansprüchen oder deren Rückbezügen.Further advantages, features and possible applications of the present invention also result from the following description of exemplary embodiments and the drawings. All the features described and/or illustrated form the subject matter of the present invention on their own and in any combination, also independently of their summary in the claims or their back-references.
Es zeigen:
-
1 schematisch das physikalische Verhalten von an einem nicht transparenten Gegenstand reflektiertem Licht in der Reflexionsanordnung für Gegenstände verschiedener Mattheit bzw. verschiedenen Glanzgrads; -
2 schematisch das physikalische Verhalten von durch einen transparenten Gegenstand transmittiertem Licht in der Transmissionsanordnung für Gegenstände verschiedener Mattheit bzw. verschiedenen Glanzgrads; -
3 eine Vorrichtung zur Messung der Mattheit eines transparenten Gegenstands gemäß dem Stand der Technik; -
4 eine bevorzugte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung für die Messung der Mattheit eines transparenten Gegenstands in Transmissionsanordnung; -
5 eine bevorzugte Anwendung der Vorrichtung gemäß4 zur Messung großflächiger Gegenstände; -
6 eine bevorzugte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung für die Messung des Glanzgrads und/oder der Mattheit in Reflexion bei einem bewegten, nicht transparenten oder transparenten Gegenstand.
-
1 schematically shows the physical behavior of light reflected on a non-transparent object in the reflection arrangement for objects of different mattness or different degrees of gloss; -
2 schematically shows the physical behavior of light transmitted through a transparent object in the transmission arrangement for objects of different mattness or different degrees of gloss; -
3 a prior art device for measuring the matteness of a transparent object; -
4 a preferred embodiment of a device according to the invention for measuring the mattness of a transparent object in transmission arrangement; -
5 a preferred application of the device according to4 for measuring large objects; -
6 a preferred embodiment of a device according to the invention for measuring the degree of gloss and/or mattness in reflection of a moving, non-transparent or transparent object.
Nachfolgend wird die vorliegende Erfindung beispielhaft anhand von zwei Vorrichtungen beschreiben, welche die Anwendung des erfindungsgemäß vorgeschlagenen Verfahrens in der Transmissionsanordnung (bei transparenten Gegenständen) und in der Reflexionsanordnung (bei transparenten und/oder nichttransparenten Gegenständen) zeigen. Die Ausführungsbeispiele beschränken sich dabei auf die Beschreibung der für die jeweilige Anordnung (Transmissionsanordnung oder Reflexionsanordnung) wesentlichen Merkmale, ohne dass dies beschränkend wirken soll. Insbesondere ist, wie sich aus der vorstehenden Beschreibung ergibt, auch eine Vorrichtung möglich, in der die beiden Anordnungen kombiniert werden.The present invention is described below by way of example using two devices which show the application of the method proposed according to the invention in the transmission arrangement (for transparent objects) and in the reflection arrangement (for transparent and/or non-transparent objects). The exemplary embodiments are limited to the description of the features that are essential for the respective arrangement (transmission arrangement or reflection arrangement), without this being intended to have a limiting effect. In particular, as can be seen from the above description, a device is also possible in which the two arrangements are combined.
Eine bevorzugte Anwendung sieht vor, dass für die Messung des Glanzgrads (Gloss-Messung) die Beleuchtung bei transparenten und nichttransparenten Gegenständen immer auf der gleichen Seite angeordnet ist wie die Kamera. Dies entspricht der Messanordnung, wie sie in
Bei transparenten Gegenständen findet eine Messung der Mattheit (Haze-Messung) dagegen bevorzugt in der in den
Die in
Die Vorrichtung 17 weist eine Lichtquelle 18 auf, die mehrere, in einer Reihe nebeneinander angeordnete Beleuchtungselemente 13 aufweist. Die Beleuchtungselemente 13 sind jeweils separat (einzeln) schaltbar in der Lichtquelle 18 ansteuerbar, wobei auch mehrere Beleuchtungselement geleichzeitig an- und/oder ausgeschaltet werden können. Das Anschalten eines Beleuchtungselements 13 erfolgt vorzugsweise in Form eines Blitzes.The
In
Dieser Lichtstrahl 3 tritt durch das transparente Medium des Gegenstands 6 hindurch und wird auf der der Lichtquelle 18 mit Bezug auf den Gegenstand 6 gegenüberliegende Seite durch eine Kamera 14 aufgenommen, die in dem dargestellten Beispiel als quer zu der Transportrichtung des Gegenstands ausgerichtete Zeilenkamera ausgebildet ist. Es entspricht einer bevorzugten Anordnung der als Lichtleiste ausgebildeten Lichtquelle 18 und der als Zeilenkamera ausgebildeten Kamera 14, dass die Ausrichtung der Reihe der Beleuchtungselemente der Lichtleiste und die Ausrichtung der Zeilenkamera parallel verlaufen und quer bzw. schräg zur Transportrichtung des Gegenstandes ausgerichtet sind.This
Bei dem Durchtritt des Lichtstrahls 3 durch den transparenten Gegenstand 6 wird dieser, wie mit Bezug auf
Die beiden Anteile 7, 8 des transmittierten Lichts werden durch die Kamera 14 ortsaufgelöst in einem Bild erfasst, dessen Helligkeitsverlauf 15 der Lichtverteilung in
Auch wenn eine derartige Ausrichtung besonders einfach ausgewertet werden kann, ist die Erfindung grundsätzlich nicht auf einen orthogonalen Durchtritt des Lichtstrahls 3 durch den transparenten Gegenstand beschränkt. Bei einem schräg auf die Oberfläche des transparenten Gegenstands auftreffenden Lichtstrahl tritt dieser auch schräg durch den Gegenstand hindurch. Dies kann je nach Ausrichtung der Kamera zu einer Verzerrung des in
Aus diesem Helligkeitsverlauf kann der Mattheitswert (Haze-Wert) ermittelt werden. Der auszuwertende Bereich 16 des Helligkeitsverlaufs, auch als Haze-Bereich bezeichnet, muss bzw. sollte dabei so breit sein, dass die Helligkeit am Rand des Bildes auf die Intensität abfällt, die ohne Anschalten der Lichtquelle 18 aufgrund des Umgebungslichts aufgenommen würde. Dieses Grundniveau kann beispielsweise durch eine Referenzmessung ermittelt werden und von dem gemessenen Intensitätswert abgezogen werden, so dass sich die in
In die Bestimmung des Haze-Werts gehen die Höhe der Kurve, die Breite und die Steilheit der Flanke ein. Letzteres (d.h. die zusätzliche Auswertung der Steilheit der Flanke) führt zu einer erheblichen Robustheits- und Genauigkeitssteigerung gegenüber einer Messung, die sich nur auf die Höhe und Breite des Helligkeitsverlaufs verlässt.The height of the curve, the width and the steepness of the edge go into determining the haze value. The latter (i.e. the additional evaluation of the slope steepness) leads to a significant increase in robustness and accuracy compared to a measurement that only relies on the height and width of the brightness curve.
Je größer der Anteil 7 des ungestreut transmittierten Lichts im Vergleich zu dem Anteil 8 des diffus gestreuten transmittierten Lichts ist, desto geringer ist die Mattheit des Gegenstands. Entsprechend schmäler ist der gemessene Helligkeitsverlauf 15. Dies führt neben einer höheren Kurve auch zu einer höheren Steilheit der Flanke, die besonders sensitiv für Änderungen in dem Mattheitswert ist. Eine Korrelation von Höhe, Breite und Steilheit des Helligkeitsverlaufs führt daher zu einer besonders hohen Genauigkeit.The greater the
Schaltet man nun nacheinander immer nur ein Beleuchtungselement 13a ein, so werden die jeweils durch den Lichtstrahl 3 beleuchteten, verschiedenen Bereiche des Gegenstands 6 gemessen. Ohne eine Verschiebung von Lichtquelle 18, Kamera 14 und Gegenstand 6 lässt sich somit die gesamte Breite des Gegenstands 6 quer zur Transportrichtung messen, wenn die Lichtquelle 18 und die Kamera 14 (wie erfindungsgemäß bevorzugt) die gesamte Breite des Gegenstands 6 abdecken, auch wenn dies in der schematischen Darstellung gemäß
Bei der Anwendung des Verfahrens kann darauf geachtet werden, dass die gesamte Breite des Gegenstands durch aufeinanderfolgendes Anschalten der Beleuchtungselemente 13a gemessen wird, bevor der Gegenstand 6 in Transportrichtung um ein Maß verschoben wird, das größer ist als der Bereich des auf die Oberfläche in Bewegungsrichtung fokussierten Lichtstrahls 3. Wenn dies erfüllt ist, kann durch geeignete Synchronisation von Anschalten (Blitzen) des Beleuchtungselements 13a, Aufnehmen eines Bildes der Kamera 14 und Transportgeschwindigkeit des Gegenstands 6 die gesamte Oberfläche des Gegenstands 6 abgescannt werden.When applying the method, care can be taken to measure the entire width of the object by sequentially turning on the
Eine bevorzugte Variante zur Messung wird nachfolgend in Bezug auf
Untereinander sind drei verschiedene Synchronisationszeitpunkte dargestellt. In dem obersten Bild sind mehrere Beleuchtungselemente 13a der Lichtquelle 18 angeschaltet, so dass zeitgleich mehrere Lichtstrahlen 3 auf die Oberfläche des transparenten Gegenstands 6 auftreffen, durch diesen hindurchtreten und entsprechend in Anteile 7, 8 des transmittierten Lichts aufgeteilt werden.Three different synchronization times are shown one below the other. In the top image,
Jeder dieser einfallenden Lichtstrahlen 3 führt entsprechend der Aufteilung in die Anteile 7, 8 zu dem jeweils dargestellten Helligkeitsverlauf 15 der Lichtverteilung, die durch die Kamera 14 gemessen wird. Da die Breite des Haze-Bereichs 16 (d.h. des auszuwertenden Bereichs) viel kleiner ist als die Gesamtbreite des transparenten Gegenstands 6, ist es möglich, gleichzeitig mehrere Beleuchtungselemente 13a, die mindestens um den Haze-Bereich 16 beabstandet sind, anzuschalten und somit mehrere Lichtpunkte auf dem transparenten Gegenstand 6 gleichzeitig zu messen.Each of these
Zu dem in
Dies wird, wie durch die Punkte zwischen der mittleren (zweiten von oben) und der unteren Darstellung angedeutet, so fortgeführt, bis sämtliche Beleuchtungselemente 13a einmal angeschaltet wurden.This is continued, as indicated by the dots between the middle (second from the top) and the lower representation, until all of the
Bei den in
Durch die seitliche Verschiebung der in
Eine entsprechende Anwendung ist auch bei der nachfolgend mit Bezug auf
Auch können die in den
Wie auch in der Transmissionsanordnung sind die Lichtquelle 18 mit den als Lichtleiste in einer Reihe angeordneten Beleuchtungselementen 13 und die Zeilenkamera 14 quer zur Transport- und Bewegungsrichtung 19 des Gegenstands 1, 6 ausgerichtet. Ein angeschaltetes (blitzendes) Beleuchtungselement 13 der Lichtquelle 2 erzeugt einen 3 auf die Oberfläche des Gegenstandes 1, 6 fokussierten Lichtstrahl, der sowohl für einen transparenten Gegenstand 6 als auch einen nichttransparenten Gegenstand 3 auf der Oberfläche reflektiert wird.As in the transmission arrangement, the
Der Anteil 4 des direkt reflektierten Lichts verteilt sich, wie bereits mit Bezug auf
Der Anteil 5 des nicht reflektierten, sondern von der Oberfläche diffus gestreuten Lichts 5 liegt nicht nur in der von
Durch Auswertung dieses Kurvenverlaufs kann dann der Gloss-Wert bestimmt werden, bspw. indem der Anteil des reflektierten Lichts zu dem gestreuten Licht durch Integration des Kurvenverlaufs festgestellt wird. Alternativ kann der Maximalwert der Helligkeitsverteilung bestimmt und mit der durch das Beleuchtungselement 13 ausgesendeten Lichtmenge in Bezug gesetzt werden. Auch dies ist ein Maß für den Gloss-Wert bzw. den Glanzgrad des Gegenstands 1, 6.The gloss value can then be determined by evaluating this curve, for example by determining the proportion of the reflected light to the scattered light by integrating the curve. Alternatively, the maximum value of the brightness distribution can be determined and related to the amount of light emitted by the
Wenn nur der Glanzgrad (Gloss-Wert) bestimmt werden soll, ist es grundsätzlich auch möglich, alle Beleuchtungselemente 13 der Lichtquelle 18 gleichzeitig anzuschalten und die komplette Breite des Gegenstands 1, 6 gleichzeitig zu messen. Auf diese Art und Weise erhält man allerdings lediglich den Anteil des direkt reflektierten Lichtes ohne einen Bezugswert. Dies ist nur in Ausnahmefällten sinnvoll.If only the degree of gloss (gloss value) is to be determined, it is basically also possible to switch on all the
Bei einem nichttransparenten Gegenstand 1 können die Mattheit (Haze) und der Glanzgrad (Gloss) mit derselben Messanordnung gleichzeitig gemessen werden, denn die beiden Werte können aus demselben Helligkeitsverlauf bestimmt werden. Bei einem transparenten Material kann man zumindest dieselbe Kamera verwenden, um die beiden über und unter dem Material, d.h. in Transmissionsanordnung und in Reflexionsanordnung, angeordneten Teilbeleuchtungen der Lichtquelle abwechselnd schalten. Bei einem transparenten Material kann zusätzlich die Transparenz durch Auswertung der Gesamtmenge des von der Kamera aufgenommenen Lichts gemessen werden.In the case of a
Bei Verwendung einer Zeilenkamera als Kamera 14 sieht man die Helligkeitsverteilung 15 des gestreuten Lichts entsprechend dem Anteil 5 nur in Richtung der Zeilenkamera, also quer zur Transportrichtung 19. Bei grundsätzlich isotropen Materialien ist dies ausreichend.If a line camera is used as the
In seltenen Fällen ist es bei anisotropen Materialien interessant, wie sich die Streuung des Anteils 5 in die andere Raumrichtung, d. h. in Transportrichtung 19 verhält. Um diese zu messen, kann entweder eine Flächenkamera eingesetzt oder eine zweite Kamera in einem anderen Betrachtungswinkel angebracht werden, um einen zweiten Messpunkt in Vorschubrichtung des Gegenstands entlang der Transportrichtung zu erhalten. Häufig ist die Anwendung einer zweiten Flächenkamera bereits ausreichend.In rare cases, with anisotropic materials, it is interesting to see how the scattering of
Ein besonderer Vorteil der Erfindung resultiert auch aus den heutigen In-Line-Inspektionssystemen, die in der Regel mit Zeilen- oder Flächenkameras und einer Lichtquelle arbeiten, welche die Oberfläche im Bildfeld der jeweiligen Kamera ausleuchtet. Diese Systeme können mit sehr hoher Geschwindigkeit Bilder aufnehmen und verarbeiten, um Fehler auf der Oberfläche zu suchen. Insbesondere bei Zeilenkameras sind sehr hohe Abtastfrequenzen von weit über 100kHz möglich. Diese Systeme können aufgrund der hohen Abtastfrequenzen kleinste Fehler selbst bei hoher Transportgeschwindigkeit des Gegenstands ermitteln. Darüber hinaus können LEDs als Beleuchtungselemente mit Frequenzen geschaltet werden, die in der gleichen Größenordnung wie die der Zeilenkameras liegen.A particular advantage of the invention also results from today's in-line inspection systems, which generally work with line cameras or area cameras and a light source that illuminates the surface in the image field of the respective camera. These systems can take and process images at very high speeds to look for defects on the surface. Especially with line scan cameras, very high scanning frequencies of well over 100kHz are possible. Due to the high scanning frequencies, these systems can determine the smallest errors even at high transport speeds of the object. In addition, LEDs can be switched as lighting elements with frequencies that are in the same order of magnitude as those of the line scan cameras.
Durch eine Synchronisation der Bildaufnahme und Beleuchtung können bei kontinuierlichen Prozessen, wie beispielsweise dem Transport eines Gegenstands in Transportrichtung, sehr viel mehr Bilder aufgenommen werden, als es für die geforderte Auflösung in Vorschubrichtung eigentlich notwendig wäre. Synchronisiert man nun die Bildaufnahme mit der schaltbaren Beleuchtung und den Bahnvorschub, und verwendet man wechselnde Beleuchtungsmuster, lässt sich erfindungsgemäß die Oberflächeninspektion wesentlich leistungsfähiger machen, indem man jeden Punkt der Oberfläche unter verschiedenen Beleuchtungssituationen sieht.By synchronizing the image recording and illumination, many more images can be recorded in continuous processes, such as the transport of an object in the transport direction, than would actually be necessary for the required resolution in the feed direction. If the image recording is now synchronized with the switchable lighting and the web feed, and if changing lighting patterns are used, the surface inspection can be made significantly more efficient according to the invention by seeing each point on the surface under different lighting situations.
Diese Technologie macht sich auch die vorliegende Erfindung zu nutze. Das Anschalten der nebeneinander angeordneten Beleuchtungselemente, durch das die gesamte Breite des Gegenstands mit Punktlichtquellen nacheinander beleuchtet werden kann, ermöglicht es, die gesamte Oberfläche flächendeckend zu messen. Darüber hinaus lässt sich die erfindungsgemäß vorgeschlagene Beleuchtung und Bildaufnahme mit anderen Beleuchtungsarbeiten kombinieren, die für andere Inspektionsaufgaben geeignet sind. Somit kann man eine in ein Inspektionssystem integrierte Haze- und Gloss-Messung realisieren. Dies spart Kosten und Platz, der in Produktionslinien sehr knapp ist. Die verschiedenen Beleuchtungsarten müssen nicht notwendigerweise durch eine Lichtquelle 18 in einem Gehäuse realisiert sein. Mit Teilbeleuchtungen der Lichtquelle 18 kann man insbesondere Auflicht- und Durchlichtverfahren für transparente Gegenstände 6 mischen, so dass sich auch für diese eine Haze- und eine Gloss-Messung gleichzeitig durchführen lässt und weitere unterschiedliche Beleuchtungsarten frei kombinierbar sind.The present invention also makes use of this technology. Switching on the lighting elements arranged next to one another, through which the entire width of the object can be successively illuminated with point light sources, makes it possible to to measure the entire surface. In addition, the lighting and image recording proposed according to the invention can be combined with other lighting work that is suitable for other inspection tasks. In this way, a haze and gloss measurement integrated into an inspection system can be implemented. This saves costs and space, which is very scarce in production lines. The different types of illumination do not necessarily have to be realized by a
Durch die Flexibilität der erfindungsgemäßen Anordnung können die damit durchgeführten Verfahren zur Messung von Mattheit und Glanzgrad der Gegenstände meist die in den einschlägigen Normen vorgeschriebenen Messbedingungen nicht einhalten, da diese immer nur für einen Messpunkt auf der Oberfläche definiert sind und eine flächige Messung nicht zulassen. Es hat sich jedoch herausgestellt, dass sich ein funktionaler Zusammenhang zwischen den Norm-Messwerten und den aus den Helligkeitsverläufen erfindungsgemäß erhaltenen Messwerten herstellen lässt, die in umfangreichen Tests reproduzierbar angegeben werden können. Dieser Zusammenhang kann insbesondere durch Vergleichsmessungen kalibriert werden. Theoretisch wäre es auch möglich, diesen Zusammenhang funktional zu beschreiben. Allerdings benötigte man dafür die optischen Übertragungseinrichtungen aller beteiligten Komponenten, die in der Praxis häufig so nicht vorliegen.Due to the flexibility of the arrangement according to the invention, the methods carried out with it for measuring the mattness and degree of gloss of the objects usually cannot comply with the measuring conditions prescribed in the relevant standards, since these are always only defined for one measuring point on the surface and do not allow a planar measurement. However, it has been found that a functional relationship can be established between the standard measured values and the measured values obtained according to the invention from the brightness curves, which can be specified in a reproducible manner in extensive tests. This relationship can be calibrated in particular by comparative measurements. Theoretically, it would also be possible to describe this connection functionally. However, this required optical transmission equipment for all the components involved, which is often not the case in practice.
Da mit der Kamera je nach Öffnungswinkel des Objektivs sehr große Raumwinkel erfasst werden können und die Helligkeitsverteilung ortsaufgelöst detektiert wird, stehen entsprechend viele Werte zur Verfügung, um die entsprechend der vorliegenden Erfindung ermittelten Haze- und Gloss-Werte mit den Werten entsprechend der Normen zu korrelieren.Since the camera can capture very large solid angles depending on the opening angle of the lens and the brightness distribution is detected with spatial resolution, a corresponding number of values are available to correlate the haze and gloss values determined according to the present invention with the values according to the standards .
BezugszeichenlisteReference List
- 11
- nicht transparenter Gegenstandnon-transparent object
- 22
- Lichtquellelight source
- 33
- Lichtstrahlbeam of light
- 44
- Anteil direkt reflektierten LichtsProportion of directly reflected light
- 55
- Anteil diffus gestreuten LichtsPercentage of diffusely scattered light
- 66
- transparenter Gegenstandtransparent object
- 77
- Anteil ungestreut transmittierten LichtsPortion of light transmitted without scattering
- 88th
- Anteil diffus gestreuten LichtsPercentage of diffusely scattered light
- 99
- Hohlkugelhollow sphere
- 10a10a
- Lichteintrittsöffnunglight entry opening
- 10b10b
- Lichtaustrittsöffnunglight exit opening
- 10c10c
- weitere Öffnungfurther opening
- 1111
- erster Detektorfirst detector
- 1212
- zweiter Detektorsecond detector
- 1313
- Beleuchtungselementlighting element
- 1414
- als Kamera ausgebildeter Detektordetector designed as a camera
- 1515
- Helligkeitsverlaufbrightness gradient
- 1616
- Haze-BereichHaze range
- 1717
- Vorrichtung zur Messung von Mattheit und/oder GlanzgradDevice for measuring dullness and/or gloss level
- 1818
- Lichtquellelight source
- 1919
- Transportrichtungtransport direction
Claims (14)
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
R012 | Request for examination validly filed | ||
R016 | Response to examination communication | ||
R016 | Response to examination communication | ||
R018 | Grant decision by examination section/examining division | ||
R020 | Patent grant now final |