DE2851455B2 - Vorrichtung zur Bestimmung von das Glanzvermögen von Oberflächen charakterisierenden Remissionswerten - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung ι zur Bestimmung von das Glanzvermögen von Oberflächen charakterisierenden Remissionswerten der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 genannten Gattung.

Eine derartige Vorrichtung ist bereits bekannt h> (DE-OS2556 ISO). Mit ihrer Hilfe werden Licht-Remissionswertc von Oberflächen von insbesondere organischen Überzügen, wie Lacken, bestimmt. Diese Remissionswerte geben einen Anhalt für das Glanz-

vermögen der betreffenden Oberflächen. Obwohl sich diese Vorrichtung bereits gut bewährt hat, könnte die Bestimmung exakter Remissionswerte noch verbessert werden. Hierdurch wäre das Glanzvermögen als Ausdruck der Reflexion und Streuung der Oberfläche des betreffenden Meßobjekts noch genauer bestimmbar, um beispielsweise auch geringe Unterschiede des subjektiven Eindrucks »Glanz« zu ermitteln, worüber das von der Oberfläche regulär reflektierte und uiffus gestreute Licht Auskunft gibt.

Darüber hinaus ist bereits eine Vorrichtung bekannt (DE-GM 1 761 827), bei der der Beleuchtungsteil und der Meßteil in einen im Querschnitt halbzylindrischen Tunnel integriert sind, der zum Fernhalten von Fremdlicht auf das Meßobjekt aufgesetzt ist. Diese Vorrichtung wird bei Reflektometern verwendet, die beispielsweise nach DIN 67 530 zur summarischen Beurteilung des Glanzvermögens dienen.

Darüber hinaus ist es bekannt (DE-GM 1 944088), mehrere getrennte Beleuchtungsteile und Meßteile innerhalb einer Abdeckhaube aufzubauen, um Licht unter unterschiedlichen Winkeln auf das Meßobjekt zu richten und dessen Reflexionsvermögen in entsprechend unterschiedlichen Winkeln zu ermitteln. Dabei ist es auch bekannt (US-PS 3999864), einen halbkugelförmigen Schalenkörper, der Fremdlicht vom Meßobjekt fernhalten soll, mit einer geraden Anzahl von Aufnahme-Öffnungen zu versehen, in iL ■ jeweils paarweise Anschlüsse eines Beleuchtungsteils und eines Meßteils eingebaut sind. Das Licht wird dabei über Lichtleiter von einer als Lampe ausgebildeten Lichtquelle einerseits zu den entsprechenden Aufnahme-Öffnungen, zum Meßobjekt und über entsprechende weitere Aufnahme-Öffnungen über eine rotierende Blende zum photo-elektrischen Meßdetektor und andererseits direkt über die Meßblende zum Meßdetektor geleitet. Dieser ist zur Auswertung mit einem Analog-Digita'-Wandler und einem Computer versehen. Diese Vorrichtung verlangt jedoch einen verhältnismäßig großen Raumbedarf und ist daher für viele Anwendungszwecke nicht geeignet.

Darüber hinaus ist es bekannt (US-PS 3245 306), die vor einem Meßdetektor angeordnete Meßblcnde eines Reflektometers auf einem um eine Schwenkstelle schwenkbaren Blendenträger anzuordnen, dessen Stellung mittels einer Gewindespindel und Gewindebuchse gegen die Wirkung einer Feder einstellbar ist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Vorrichtung der eingangs genannten Gattung dahingehend zu verbessern, daß sie mit einfachen Mitteln eine noch genauere Bestimmung der Remissionswerte ermöglicht. Hierdurch ist eine noch einfachere und genauere Glanzsortierung auch im sogenannten »Massen-Meßverfahren« durch Laien durchführbar.

Die Erfindung ist im Patentanspruch I gekennzeichnet. Sie bildet eine Art Kombination eines ReflektometCiS mit einem GoniophotomeU r und erlaubt eine differenziertere und quantitativere Beurteilung des Glanzvermögens mit sehr einfachen Mitteln selbst ι durch ungeübte Bedienungspersonen. Durch die Vereinigung der Teilmerkmale a) bis d) des Patentanspruches I ist die Aufgabe lösbar. Obwohl durch Verwendung von Impuls Lichtquellen im Moment der Belichtung sehr große Leuchtstärken anwendbar und , daher ein großer Unterschied zu sogenannten »Hintergrund-Leucbtstürken« herstellbar ist, erwärmen sich die zurexaMen Bestimmung der Reinissionswerte dienenden mechanischen Teile der Vorrichtung praktisch nicht. Das nur kurzzeitige Aufleuchten der als Impuls-Leuchtquelle ausgebildeten Lichtquelle verhindert eine solche unerwünschte Erwärmung. Hierdurch ist es möglich, daß insbesondere spielfrei gelagerte Präzisionsgewinde-Spindeln und insbesondere spielarme Präzisionsgewinde-Buchsen für den Blendenantrieb verwendet werden können, was bei Verwendung einer erheblichen Wärme bedingenden normalen Beleuchtungslampe nicht ohne besonderen Aufwand möglich ist. Die Blendenbewegung ist daher trotz der kleinen Wege und hohen geforderten Auflösung bei üblichen Brennweiten und Aperturen auf etwa 10 bis 20 μηι genau wiederholbar. Trotzdem wirkt sich die nur kurzzeitige »Abtastung« der Meßobjekt-Oberfläche durch das Licht nicht nachteilig auf das Meßergebnis aus, da eine Integrationsmethode gemäß dem Teilmerkmal d) des Patentanspruches 1 zur Anwendung gelangt.

Es ist daher auf einfache und zuverlässige Weise möglich, jeweils einen Beleuchtungs- und Meßteil unter dem gewünschten Reflexionswinkel in das betreffende Paar von Aufnahme-Öffnungen einzusetzen und die Messungen vorzunehmen. Die Austauschbarkeit bzw. Versetzbarkeit des Beleuchtungs- und Meßteils in verschiedene Aufnahme-Öffnungen führt auch zu Verbilligung des Gerätes, da nicht jeweils mehrere Paare solcher Beleuchtungs- und Meßteile erforderlich sind.

Darüber hinaus erlaubt die erfindungsgemäße Vorrichtung ohne schädliche Erwärmung die Simulierung der spektralen Zusammensetzung von Tageslicht und daher eine hohe Farbtemperatur. Sie ist außerdem sehr unempfindlich gegenüber Fremdlicht, was für die Messung von Streulichtanteilen besonders wichtig ist. Die Messung des Oberflächen-Streulichtanteils ist auch praktisch unabhängig von der durch das Probeninnere bestimmten Probenhelligkeit.

Weitere Ausbildungen und Verbesserungen der Erfindung sind in Unteransprüchen gekennzeichnet.

Die Erfindung ermöglicht im übrigen auch eine exaktere und reproduzierbarere Blendenbewegung bei den wegen der hohen optischen Auflösung (kleinen Aperturen) derartiger Geräte kleinen Blendenwegen von wenigen Millimetern; diese Bewegung kann in ca. 1000 Einzelschritten aufgelöst werden.

Besonders vorteilhaft im Zusammenhang mit den impulsweise emitierenden Lichtquellen in der erfindungsgemäßen Anordnung ist die darin realisierte Schaltung der obenerwähnten fotoelektrischen Wandler als Analog-Digital-Wandler mit Quotientenbildung für elektrische Ladungsmengen, bestehend aus je einem Integrator für die von den fotoelektrischen Meß- und Referenzdetektortn gelieferten und den auf diese Detektoren fallenden Lichtmengen proportionalen Strömen, wobei der Ausgangsspannungsbereich dieser Integratoren mit Hilfe umschaltbarer Integrationskondensatoren in einem praktisch brauchbaren Bereich gehalten werden kann. Der Summenpunkt des Meßintegrators ist über einen Schalter und einen Widerstand mit dem Ausgang des Referenzintegrators verbunden, womit der Meßkondcpsator nach Ablauf einer Signalintegration von einem der Referenzlichtmenge proportionalen Strom wieder entladen werden kanu. Die zur Entladung des Meßkondensators erforderliche Zeit ist dann ein besonders einfaches Maß für das zu bestimmende Verhältnis zwischen Meßsijinal und Referenzsignal, un-

abhängig von der tatsächlichen Lichtmenge des jeweiligen Lichtimpulses.

Zur Überwachung des Ladungszustandesdes Meßkondensators ist ein Komparator angeschlossen und an diesen, zur Bestimmung des Zeitintervalls, ein von einem Taktgenerator gesteuerter digitaler Zähler. Meß- und Referenzintegrator können vor jeder Messung in definierte Anfangszustände gesetzt werden, indem die Integrationskondensatoren über Schalter entladen werden.

Ein weiterer Teil der erfindungsgemäßen Anordnung dient der Erfassung und Kompensation des eventuell aus dem Probeninneren stammenden diffusen Streulichtes, das für die Messungen der Oberflächeneigenschaften nicht berücksichtigt werden soll. Dieser Teil besteht aus einem auf die Meßflächc gerichteten und im Beleuchtungseinsatz geführten Lichtleiter mit dazugehörigem fotoclektrischen Detektor, Verstärker und am Summenpunkt des Meßintegrators angeschlossenem Widerstand, durch den ein der Probenhelügkeit proportionaler Stromanteil vom Meßsignal abgezogen werden kann.

Der besondere Vorteil dieser Anordnung besteht in der automatischen Kompensation der Probenhelligkeit, was speziell für den Vergleich verschieden gefärbter und damit verschieden heller Proben sehr wichtig ist.

Eine bevorzugte Ausführungsform der beanspruchten Anordnung sieht die Kombination einer Xenon-Blitzlampe und einer Infrarot-Leuchtdiode vor, wobei z. B. die Strahlung der Leuchtdiode über ein Interferenzfilter in den Strahlengang der Blitzlampe eingespiegelt wird. Das Interferenzfilter ist dabei für den sichtbaren Teil des Spektrums durchlässig und reflektiert ab seiner langwelligen Bandkante bei ca. 800 nm Wellenlänge. Die selektive Durchlaßeigenschaft des Interferenzfilters kann vorteilhafterweise zur Angleichung des Emissionsspektrums einer Blitzlampe an eine Normlichtart verwendet werden.

Da die Infrarot-Leiichtdiode als Halbleiter praktisch keiner Abnützung unterliegt, kann sie für alle Hilfsmessungen herangezogen werden, bei denen der Spektraibereich keine Rolle spielt, wie z. B. für das Aufsuchen der Reflexionsrichtung. Die Blitzlampe wird nur für die wesentlich selteneren eigentlichen Messungen, die überdies mit relativ großem zeitlichen Abstand erfolgen können, verwendet und dadurch geschont.

Besonders vorteilhaft erweist sich zur Überwachung aller in einem derart komplexen Meßgerät ablaufenden Vorgänge eine Steuerung bestehend aus einem Mikroprozessor mit Datenspeicher für alle Zwischenergebnisse und zur Ablage von Eich- und Vergleichswerten, einem permanenten Programmspeicher, der die Programmablauf^: für alle Meßfunktionen enthält, mehreren Interface-Adaptern zur Übergabe bzw. Übernahme von Daten zu bzw. von peripheren Geräten und Funktionsblöcken, mehreren Funktions-Tasten, die ein Abrufen komplexer Meßabläufe durch einfachen Tastendruck gestatten, einem vorzugsweise alphanumerischen Drucker, der nicht nur Meßergebnisse, sondern vollständige, alle Parameter enthaltende Meßprotokolle und Fehlermeldungen sowie Bedienungshinweise im Klartext auszudrucken vermag, einem voll unter Kontrolle des Mikroprozessors stehenden Blendenantrieb auf Basis eines Schrittmotors, Versorgungs- und Triggerschaltungen für den wahlweiscn und mit der Blendenbcwegung streng synchronisierten Betrieb von Blitzlampe oder Leuchtdiode, einer Klemmvorrichtung zum definierten Anpressen der Proben an die Meßöffnung, was Fehlmcssungcn an leicht gekrümmten, biegsamen Proben weitgehend verhindert, einem elektronischen Mcßwandler zur Umsetzung der von den fotoelektrischen Detektoren gelieferten Ströme in ein dem Quotienten aus über die Probe gemessener Lichtmeng«: abzüglich diffus rückgestreuter Lichtmenge und einer Referenzlichtmenge proportionales Signal, ferner einer Codierschaltung, die ein Erkennen zueinander passender Meß- und Beleuchtungseinsätze gestattet, und schließlich einer Stromversorgung für alle Funktionsgruppen.

Mit Hilfe dieser Mikroprozessorsteuerung kann das Meßgerät seine eigene Tätigkeit überwachen, auf Fehler prüfen, unsinnige Bedienung ausschalten und den Benutzer mittels Klartextmeldungen auf mangelhafte Betriebszustände aufmerksam machen. Damit kann ein derartiges Gerät trotz zum Teil sehr komplizierter Meßabläufe fehlerfrei von ungeschultem Personal bedient werden.

Eine besonders geeignete Blendengröße zur gleichzeitigen Erfüllung der Anforderungen von Goniophotometern und normgerechten Reflektometern liegt schließlich zwischen 0,25 und 1 Grad, wobei mit einer Blendengröße (Beleuchtungsseite und Meßseite) von 0,6 Grad die von der DIN h753O geforderten Blendenwerte einfach durch abschnittsweise Vermessung zusammengesetzt werden können.

Zum noch besseren Verständnis der vorliegenden Erfindung dienen die Fig. 1 bis 3. Es zeigt

Fig. 1 Schemazeichnung der Meßanordnung;

Fig. 2 Schema des Analog-Digital-Umsetzers mit integrierenden Meßwandlern;

Fig. 3 Gesamtschaltschema der Mikroprozessorsteuerung.

Die Fig. la zeigt die in einem halbkugelförmigen Schalenkörper (114) steckenden Meß- und Beleuchtungseinsätze (117,104) mit einer möglichen Ausführungsform des spielfreien, vom Motor (320) bewegten Blendenantriebes, bestehend aus einer Gewindespindel (120), einer Präzisions-Mutter (121), dem Antriebs- und Übertragungselement (122) und der Feder (119). Der Blendenträger (126) besitzt eine Spitzenlagerung (116) und bewegt die Meßblende (115). Hinter der Meßblende ist der fotoelektrische Meßdetektor (207) angeordnet, der mit dem Meßwandler (118) verbunden ist. Im Beleuchtungseinsatz (104) befinden sich zwei Impuls-Lichtquellen (106, 107), deren Licht mit Hilfe des Interferenzbandfilters (108) erscheint, durch die Beleuchtungsblende (102) und den Strahlteiler (127) auf die Probenoberfläche (113) gerichtet ist. Vom Strahlteiler (127) gelangt das Licht auf den mit dem Wandler (109) verbundenen Referenzdetektor (208); über den auf die Probe gerichteten Lichtleiter (101) wird Streulicht vom fotoelektrischen Detektor (103) erfaßt, der am Verstärker (105) angeschlossen ist.

Die Fig. Ib zeigt eine Ansicht der Innenseite des halbkugelförmigen Schalenkörpers (114), womit die paarweise unter gleichem Winkel gegen die Normale auf die Probenfläche gerichteten, zur Aufnahme von Meß- und Beleuchtungseinsätzen dienenden Öffnungen (110,111,112,123,124,125) erkennbar werden (Öffnungen [111] und [124] sind in diesem Beispiel belegt).

In Fig. 2 sind die drei fotoelektrischen Detektoren

für Messung (207), Referenz (208) und Streulicht (103) dargestellt, ferner als Impulslichtquellen eine Infrarot-Leuchtdiode (107) und eine Xenon-Blitzlampe (106) sowie der im Beleuchtungs-Strahlengang liegende Strahlteiler (127) und das Interferenzbandfilter (108). Der Referenzdetektor ist am Referenzintegrator (203) angeschlossen, der einen umschaltbaren Integrationskondensator (202) besitzt und dessen Ausgang über einen Schalter (204) und einen Widerstand (205) an den Summationspunkt des ebenfalls " mit einem umschaltbaren Integrationskondensator (210) versehenen Meßintegrators (206) gelegt werden kann. An diesem Summationspunkt sind außerdem der Ausgang des Verstärkers (105) für den Detektor (103) über einen Widerstand (209) und der Meßde- ι > tektor (207) angeschlossen. Die Anfangsbedingungen beider Integratoren (203, 206) werden mittels zweier Schaltungen (201, 211) eingestellt. Der Ausgang des Meßintegrators liegt am Eingang des Komparators (212), der seinerseits den Zählvorgang des vom Takt- -¹" generator (214) gesteuerten Zählers (213) kontrolliert. Bei jedem Meßvorgang wird gleichzeitig mit der Auslösung einer der beiden Lichtquellen der Integrationsvorgang im Meß- und Referenzintegrator gestartet, nach Beendigung der Lichtemission wird der Kon- ' > densator im Meßintegrator mit einem der Ausgangsspannung des Referenzintegrators proportionalen Strom wieder entladen, zur selben Zeit beginnt der zuvor auf Null gestellte Zähler zu zählen, und zwar so lange, bis er vom Komparator bei Nulldurchgang der Ausgangsspannung des Meßintegrators wieder gestoppt wird.

Der Zählerstand ist dem Verhältnis der auf Meß- und Referenzdetektor auffallenden Lichtströme proportional, wobei vom Meßsignal ein der Probenhelligkeit entsprechendes Signal abgezogen wurde.

Die Fig. 3 gibt einen Überblick über alle Komponenten der Mikroprozessorsteuerung. Der eigentliche Prozessor (303) ist mit dem Datenspeicher (304), dem Programmspeicher (305) und den Interface-Adaptern (301,302) über Adreß- und Datenleitung verbunden. Die Interface-Adapter stellen die Verbindung zu den peripheren Interfaces und Schaltkreisen her, wie zur Meßkopferkennung (307). zur Zählerlogik (308). zur Ansteuerung (309f von Blitzlampe (106) und Infrarot-Leuchtdiode (107), zum Tasteninterface (310) für die Funktionstasten (314, 315, 316, 317, 318), zum Interface (311) des Druckers (319), zum Antrieb (312) des Schrittmotors (320) für die Blendenbewegung und zur Versorgung (313) des Kiemmotors (321) für die Probenhalterung. Die Zählerlogik (308) steht schließlich noch in Verbindung mit den Meßwandlern (105,109,118) und den fotoelektrischen Detektoren (103,207,208). Die Stromversorgung (306) stellt die für alle Komponenten notwendigen Spannungen und Ströme zur Verfügung.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims (14)

Patentansprüche:

1. Vorichtung zur Bestimmung von Glanzvermögen charakterisierenden Remissionswerten von Oberflächen, insbesondere von organischen Überzügen, wie Lacken, bei der ein Beleuchtungsteil möglichst paralleles Licht unter einem Winkel zur Normalen auf die Oberfläche eines Meßobjektes wirft und ein photo-elektrischer Meßdetektor mit Meßoptik eines Meßteiles das unter dem Reflexionswinkel vom Meßobjekt remittierte Licht mißt und eine Apertur- bzw. Meßblende der Meßoptik mittels eines steuerbaren Blendenantriebs im wesentlichen quer zur Reflexionsrichtung derart verstellbar ist, daß Remissionswerte auch aus vom exakten Reflexionswinkel abweichenden Richtungen erfaßbar sind, gekennzeichnet durch folgende, teilweise bereits bekannte Merkmale:

a) Ein im wesentlichen halbkugel- bzw. kalottenförmiger, Fremdlicht fernhaltender Schalenkörper (114) ist mit mindestens zwei Paar einander zugeordneten Aufnahmeöffnungen (IKI, 111, 112, 123, 124, 125) versehen, in welche der Beleuchtungsteil (104) und der Meßteil (117) jeweils als Baueinheit derart einsetzbar sind, daß die optischen Achsen bei Mittelstellung der Blende (115) dem Reflexionswinkel entsprechen und, daß dieser für verschiedene Paare von Aufnahme-Öffnungen (111, 124) verschieden ist;

b) ein die Meßblende (115) haltender und mit Hilfe einer Feder (119) gespannt abgestützter Blendenträger (126) ist über eine möglichsit spielfrei gelagerte Präzisionsgewinde-Spindel (120), eine spielarme Präzisionsgewinde-Buchse (121) und ein gelenkartiges spielarmes Ausgleichselcment (122) mittels des Blendenantriebs (320) um eine Schwenkstelle (116) verschwenkbar;

c) die Lichtquelle ist als Impuls-Lichtquelle (106) ausgebildet;

d) der Meßdetektor (207) ist mit einem über die Emissionszeit der Impuls-Lichtquelle (106) integrierenden Wandler (118) verbunden.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Beleuchtungsteil (104) einen photo-clcktrischen Referenzdetektor (208) aufweist, der ebenfalls mit einem über die Emissionszeit der Impuls-Lichtquelle (106) integrierenden photo-clektrischen Wandler (109) versehen ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der bzw. die photoelcktrischen Wandler (109,118) als Analog-Digital-Wandler mit Quotientenbildung für elektrische Ladungsmenge!! ausgebildet sind und jeweils einen Integrator (203, 206) für den vom Meßdetektor (207) bzw. Referenzdetektor (208) abgegebenen Meß- bzw. Referenzstrom aufweisen, daß umschaltbare Integrations-Kondensatoren (202, 210) den Ausgangsspannungshcrcich des Meßintegrators (206) bzw. des Referen/.iiitegrators (203) begrenzen und daß der Summenpunkt des Meßintegrators (206) über einen Sehalter (204) und einen Widerstand (205) mit dein Ausgang des

Referenzintegrators (203) verbindbar ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Beleuchtungsteii (104) einen photo-elektrischen Streulicht-Detektor (103) aufweist, der über einen Verstärker (105) und einen Widerstand (209) an den Summenpunkt gelegt ist.

5. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zur Lichtleitung Lichtleiter (101) verwendet sind.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß ein Lichtleiter (101) vom Streulicht-Detektor (103) auf die Meßprobe gerichtet ist.

7. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß als Impuls-Lichtquelle (106) eine Xenon-Blitzlampe dient.

8. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine Hilfs-Lichtquelle (107) zu Einstellzwecken verwendet ist.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß eine Infrarot-Diode als HilfsLichtquelle (107) dient.

10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Strahlung der Infrarot-Diode in den Strahlengang der Impuls-Lichtquelle (106) über ein optisches Interferenzbandfilter (108) eingeführt ist, das für den sichtbaren Wellenlängen-Bereich reflektierend ist und im langwelligeren Wellenlängen-Bereich oberhalb etwa 800 m strahlendurchlässig ist.

11. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Blendenantrieb (320) von einem Mikroprozessor steuerbar ist.

12. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Impuls-Lichtquelle (106) und die Hilfs-Lichtquelle (107) von einem Interface (309) steuerbar sind, der einen Teil des Mikroprozessors bildet, und daß eine Zählerlogik (308) mit den photo-elektrischen Detektoren (103^ 207, 208) in Verbindung steht.

13. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Blendenantrieb (320) einen Schrittmotor aufweist.

14. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßblende (115) und die Bcleuchtungsblendc (102) eine Apertur gleicher Größe zwischen 0,25 und 1 ° aufweist.