DE2402127C3

DE2402127C3 - Vorrichtung zur Messung des Glanzschleiers von Oberflächen

Info

Publication number: DE2402127C3
Application number: DE2402127A
Authority: DE
Inventors: Herwig Dr. Graz Horn (Oesterreich)
Original assignee: Pluess Staufer AG
Current assignee: Omya AG
Priority date: 1974-01-17
Filing date: 1974-01-17
Publication date: 1978-04-06
Also published as: FR2258626B1; JPS50115083A; ATA440974A; US4072426A; FR2258626A1; DE2402127A1; AT354773B; DE2402127B2; CH566001A5; JPS546387B2

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Messung des Glanzschleiers von Oberflächen mit einer Lichtquelle zur Beleuchtung der Oberfläche mit parallelem Licht unter einem Winkel ungleich 90°, einem ersten optischen System, dessen Achse in Richtung des regulär reflektierten Lichts liegt und dieses über eine Sammellinse einem ersten Empfänger zuleitet und einem zweiten optischen System, welches diffus remittiertes Licht über die gleiche Sammellinse einem zweiten Empfänger zuleitet, sowie Mitteln zum Vergleich der beiden die Empfänger erreichenden Lichtintensitäten.

Beschichtete Gegenstände rufen bei Beleuchtung im Auge des Betrachters eine bestimmte Glanzwirkting hervor, die vielfach als Qualitätsmerkmal für das Beschichtungsmaterial herangezogen wird. Diese Glanzwirkung wird vor allem durch die Art der Lichtreflexion hervorgerufen, die wiederum von Zusammensetzung und (oder) Aufbringung des Beschichtungsmaterials- sowie vom Beobachtungswinkel und Einfallswinkel abhängen. Je deutlicher eine die reguläre Reflexion begleitende diffuse Reflexion (Lichthof) hervortritt, desto matter erscheint die betrachtete Oberfläche, und man spricht vom sogenannten Glanzschleier derartiger Oberflächen.

Es ist bekannt, daß der Glanz von Lackoberflächen etc. durch Vorrichtungen verschiedenster Ausführungen gemessen werden kann (Plaste und Kautschuk, 16. {?.hrgang, Heft 5, 1969, Seite 366 ff.; Farbe und Lack, 70. Jahrgang, 9, 1964, Seite 693 ff.; Farbe und Lack, 79. Jahrgang, 3, 1973, Seite 191 ff.). Ferner sind die Enlstehungsursachen für die Glanzschleierbildung weitgehend bekannt (Farbe und Lack, 73. Jahrgang, 7, 1967, Seite 625 ff.).

Es ist bisher jedoch noch nicht gelungen, ein befriedigendes Meßverfahren zur Messung des optischen Glanzschleiers der Oberflächen von Beschichtungsmateriaiien zu schaffen. Versuche insoweit finden sich in Farbe und Lack, 73. Jahrgang, 7, 1967, Seite 625 ff.. Plaste und Kautschuk. 16. |ahrgang. Heft 5, 1969, Seite 366 ff„ Farbe ur,d Lack, 74. |ahrgang, 2, 1968, Seite 145 ff. und Progress in Organic Coatings I, 1972, Seite 113 ff.

Eine die Erfindung betreffende Vorrichtung ist durch die DE-PS 3 66 289 bekanntgeworden. Bei dieser bekannten Vorrichtung wird das regulär reflektierte Licht einer Reflektoreinrichtung zugeführt, die unter dem gleichen Winkel wie das einfallende Licht zu dem das Licht reflektierenden Flächenstück liegt, während das diffuse Licht unter einem anderen Winkel zu einem zweiten Reflektor geleitet wird, von wo aus es unter einem Winkel zu einer teilweise lichtdurchlässigen und teilweise reflektierenden Fläche wek Tgeleitet wird.

Diese vorhandenen Strahlenumlenkungen bedingen eine sperrige und unhandliche Formgebung der Vorrichtung. Diese hat ferner den Nachteil, daß keine Konzentrierung des diffusen Lichtes erfolgt und daß Beugungsmaxima wegen ungerichteter Primärstrahlen nicht erfaßt werden können. Texturen sind nicht eliminierbar.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung der genannten Art zu schaffen, die keine Strahlenumlenkungen mit Hilfe von reflektierenden Elementen erfordert.

Gemäß der Erfindung wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß die Sammellinse, die beiden optischen Systeme und die beiden Empfänger starr miteinander verbunden sind und eine bauliche Einheit bilden, daß die beiden optischen Systeme eine gemeinsame optische Achse haben und daß im zweiten optischen System hinter der Sammellinse eine Blende mit einem Ringspalt vorgesehen ist.

In der US-PS 19 17 379 ist eine Vorrichtung zur Messung des optischen Glanzschleiers beschrieben, die einen Kollimator enthält. Die aus dem Kollimator kommenden Lichtstrahlen fallen unter einem Winkel auf die Papierprobe und werden regulär entsprechend dem Einfallswinkel auf eine photoelektrische Zelle reflektiert. Das diffus /erstreute Licht wird durch eine senkrecht über der gemessenen Stoffprobe befindliche photoelektrische Zelle gemessen, wobei vermittels eines Galvanometers das Verhältnis des regulär reflektierten

und des diffus reflektierten Lichtes gemessen werden kann.

Die Vorrichtung nach dieser US-Patentschrift hat die folgenden Nachteile:

Der Winkel zwischen Beleuchtungsrichtung und regulär reflektierter Strahlrichtung ist starr, ebenso der Winkel zur Meßeinrichtung des diffus gestreuten Lichtes; es ist daher eine Anpassung an Oberflächen verschiedenen Glanzes nicht möglich. Da nur ein Teil des in eine vorgegebene Richtung diffus gestreuten Lichtes erfaßt wird, sind Texturauswirkungen nicht erfaßbar. Die bekannie Vorrichtung bietet keine Möglichkeit, das diffus gestreute Licht in unmittelbarer Nähe des regulär reflektierten Lichtes zu erfassen und zu sammeln.

Die Vorrichtung bietet ferner keine Möglichkeit, sehr intensitätsschwaches, diffus gestreutes Licht zu sammeln und so verstärkt zu messen, und sie gestattet auch nicht, regelmäßig gestreutes Licht (δ. B. Beugungsmaxima) zu erfassen.

Aus der DE-AS !0 96 636 ist eine Vorrichtung zum Messen der von Oberflächen remittierter: diffusen Strahlung mittels photoelektrischer Meßgeräte bekanntgeworden. Die einfallenden Strahlen treffen senkrecht bzw. unter einem Winkel auf die zu messende Probefläche auf. Seitlich von der Probeflächc sind flächenhafte photoelektrische Empfänger angeordnet, die die unter einem Winkel von 0 bis höchstens 45° von der Probefläche remittierten Strahlen auffangen. Eine Blende in Form eines Ringspaltcs bewirkt, daß mit zunehmendem Austrittswinkel nur ein abnehmender Teil des Meßempfängers von den Strahlen erfaßt wird, so daß der Austrittswinkel hauptsächlich zwischen 5 und etwa 25° wirksam wird. Die Blende dient also dazu, eine gleichmäßige Einw.rkung aller Flächenelemente auf das Meßergebnis zu erzielen.

Im folgenden wird die Erfindung an Hand der Zeichnung beispielsweise erläutert:

Die erfindungsgemäße Vorrichtung besitzt eine Lichtquelle 1, deren Licht auf eine Sammellinse 2 fällt und durch diese parallel gemacht wird; das parallele Lichtbündel trifft auf die Probe 3, wird von dieser zum Teil regulär (ausgezogene Linien für den Strahlengang), zum Teil diffus (gestrichelte Linien für den Strahlengang) reflektiert. Eine weitere Sammellinse 4 vereinigt in ihrer Brennebene die regulär rei:ektierten Strahlen auf der optischen Achse (und evtl. in unmittelbarer Nähe derselben), während die diffus reflektierte Strahlung als Lichthof die reguläre Reflexion begleitend diese umgibt und je nach Glanzschleiorgrad der Probe mehr oder weniger intensiv in Erscheindung tritt. Während die regulär reflektierte Strahlung direkt auf den Empfänger 7 trifft, durchsetzt die diffus reflektierte Strahlung einen Kreisring (oder mehrere Kreisringe), der durch die Kreisringblende 5 realisiert ist, deren Mittelpunkt in der optischen Achse liegt. Die durch die Blende 5 tretende diffuse Strahlung trifft auf den Hohlspiegel 6 und wird von diesem zum Empfänger 8 gelenkt. Die Blende 5 ist gegen solche mit anderen öffnungen austauschbar, ansonsten aber wie die Empfänger 7, 8 und der Hohlspiegel 6 starr mit dem optischen System (Linse 4) verbunden.

Das Beleuchtungssystem 1,2 und das Analysiersystem 4, 5, 6, 7, 8 sind um den Punkt 0 auf der Probenoberfläche auf beliebige Winkel bzw. ix, nc' einstellbar, wobei erfindungsgemäß stets auf .xsiV eingestellt wird.

Durch Messung der Strahlungsintensität In in dem

Empfänger 7 und der Strahlungsintensität /» in dem Empfänger 8 und durch elektrische Koppelung dieser Meßwerte z. B. durch Schaltung von Photowiderständen in einer Wheatstoneschen Brücke erhält man einen einzigen Meßwert für den Glanzschleiergrad der Probe 3.

Eine weitere erfindungsgemäße Ausführungsform besteht darin, unmittelbar hinter der Kreisringblende ein streuendes Medium (z. B. eine Mattscheibe) anzubringen. Die regulär bzw. diffus reflektierten Strahlungsanteile rufen auf der Mattscheibe bestimmte Leuchtdichten hervor; man bildet mit einer kui'zbrennwtitigen Optik diese Kreisringe auf einer einzigen Meßzelle ab. Die Messung der beiden Strahlungsintensitäten kann über ein und dieselbe Meßzelle erfolgen, wenn durch einen shutter (Lichtzerhacker) der eine oder andere Strahlungsanteil moduliert wi.'d.

Im Rahmen der Erfindung ist es auch möglich, Glanzschleier und Glanz gleichzeitig zu erfassen. Hierzu wird erfindungsgemäß für ;!ie Messung des Glanzes nur die in Emplänger 7 erisßie Intensität /*· herangezogen, während für die Messung des Glanzschleiers wie oben beschrieben verfahren wird.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist insbesondere zur Messung des optischen Glanzschleiers von Anstrich- und Beschichtungsoberflächen (z. B. Lacken, Farben und Kunststoffbeschichtungen) geeignet, weil hier der optische Glanzschleier ein Qualitätsmerkmal der Oberfläche darstellt.

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschieibung von Ausführungsbeispielen:

Da Glanz und Glanzschleier subjektive, im Auge des Beobachters entstehende Eindrücke darstellen, können sie nicht exakt physikalisch abgeleitet werden, sie sind daher nur mittels einer Apparatur erfaßbar, die durch visuelle Vergleichsproben geeicht worden war.

Zu einer derartigen Eichtung wird eine durch mehrere Personen unabhängig voneinander visuelle nach Glanzschleiergrad eingestufte Probenreihe herange. agen.

Es hat sich gezeigt, daß für die meisten Fälle die Messung unter einem festen Winkel <x = <x' = 20° (siehe Zeichnung) durchführbar ist und nur in extremen Fällen (sehr starker Glanzschleier) etwa α = λ' = 60° gewählt werden muß.

Es wurden die Oberflächen von Einbrennlacken verschiedenen Glanzes und Glanzschleiergrades (von I — 10 ansteigend) eingestuft und sodann als Standards für die Meßanordnung (bei α = «'= 20°) verwendet. — Zwei hinsichtlich ihrer Kennlinie gleichartige Photowiderstände (Empfänger 7, 8 in der Zeichnung) bilden Zweige einer Wheatstoneschen Brückenschaltung derart, daß das Meßinstrument den Quotienten ihrer jeweiligen Widerstcndswerte einzeigt. — Im vorliegenden ergab sich für diesen Widerstandsquotienten /?ydie Meßreihe.

Probe Nr. (visuell und Glan/schleier gereiht) i 2 ί 4 Ö h 7 8 9 iö

Quotient 0,34 2,7 4,3 6,5 7 10,1 12,1 14,9 25 33,5

Mit der nunmehr lOstufig eingeeichten Vorrichtung kann der Glanzschleiergrad von weiteren Lackproben unmittelbar erfolgen; z. B. ergeben sich für eine solche

Meßreihe (5 Proben) die Werte R₁,, 4,5. 6,8, 10,4, 15,5, 33 entsprechend den Glanzschleiergraden 3. 4 - 5, 6, 8 und 10.

Die Blende 5 (siehe Zeichnung) hjtte bei diesen Messungen eine Kreisringöffnting mit den Radien 12,5, 22,5 mm; als Lichtquelle wurde ein HeNc-Laser (2 mW Leistung) verwendet. — Zur reproduzierbaren Einstellung der Meßwerte werden ebene, polierte Quarzglasplatten verwendet, die mittels F'luBsäurc definiert angeätzt wurden.

llicr/ii I llhitl

Claims

Patentansprüche:

1. Vorrichtung zur Messung des Glanzschleiers von Oberflächen mit einer Lichtquelle zur Beleuchtung der Oberfläche mit parallelem Licht unter einem Winkel ungleich 90°, einem ersten optischen System, dessen Achse in Richtung des regulär reflektierten Lichts liegt und dieses über eine Sammellinse einem ersten Empfängers zuleitet und einem zweiten optischen System, welches diffus remittiertes Licht über die gleiche Sammellinse einem zweiten Empfänger zuleitet, sowie Mitteln zum Vergleich der beiden die Empfänger erreichenden Lichtintensitäten, dadurch gekennzeichnet, daß die Sammellinse (4), die beiden optischen Systeme und die beiden Empfänger (7, 8) starr miteinander verbunden sind und eine bauliche Einheit bilden, daß die beiden optischen Systeme eine gemeissame optische Achse haben und daß im zweiten optischen System hinter der Sammellinse (4) eine Blende (5) mit einem Ringspalt vorgesehen ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Lichtquelle (1) ein Laser verwendet wird.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß als rotationissymmetrisches Blendensystem (5) eine Blende mit einer oder mehreren kreisringförmigen öffnungen verwendet wird.

4. Vorrichtung nacn einem der Ansprüche I bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß als optisches System (6) ein Spiegel oder eine Linse verwendet wird.

5. Vorrichtung nach einer.i der Ansprüche I bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß als Empfänger (7) tür die regulären Strahlen und als Empfänger (8) für die diffusen Strahlen ein Photowiderstand verwendet wird.

6. Vorrichtung nach Anspruch I oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Empfänger (8) für die diffusen Strahlen abschaltbar ist.

7. Vorrichtung nach Ansprüchen 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Winkel zwischen dem Lot zur Probenoberfläche und der Kollimatorrichtung (2) einerseits bzw. der Reflektoreinrichtung (4—8) andererseits unabhängig voneinander verstellbar sind.

8. Vorrichtung nach Ansprüchen 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß als Meßvorrichtung eine Wheatstonesche Brücke verwendet wird.