DE4115704A1 - Verfahren zum messen von glanzprofilen - Google Patents

Verfahren zum messen von glanzprofilen

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Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Messen eines Glanz­ profils der Oberfläche von solchen Materialien wie Papier, Kunstharzfilmen, Metallen und dergleichen.
Verschiedene Materialien haben einen Glanz, und in den mei­ sten Fällen ist es wünschenswert, daß der Glanz gleichförmig ist. Das Glanzprofil kann, in Abhängigkeit von seinem Grad, den Wert des jeweiligen Produkts beeinträchtigen.
Beim Papier zum Beispiel wird die sichtbare Gleichmäßigkeit seiner Oberfläche als "Blattaussehen" oder "Aussehen des Blatts" bezeichnet, welches ein sehr wichtiger Faktor für die Beurteilung der Papierqualität ist. Das Aussehen des Blatts wird im wesentlichen von der Gleichförmigkeit der Weiße und des Glanzes der Papieroberfläche und der Papier­ dicke her beurteilt. Wenn in diesen Faktoren oder Parametern irgendwelche Ungleichmäßigkeiten vorhanden sind, wird das Papier dahingehend beurteilt, daß das Aussehen des Blatts geringwertig ist. Die Gründe für Oberflächenungleichmäßig­ keiten von Papier umfassen Schwankungen in dem Grundgewicht und in der Dicke, die während des Papierherstellungsprozes­ ses auftreten und zu einem geringwertigen Aussehen des Blatts führen. Bei beschichtetem Papier, das auf der Ober­ fläche mit Pigmenten beschichtet ist, besteht der Grund für die Beschichtung darin, die Oberflächenglatt- und/oder -ebenheit, den Oberflächenweißgrad und die Opazität, insbe­ sondere der Oberfläche, zu verbessern. Daher bedeutet ein ungleichförmiges Glanzprofil einen mangelhaften Beschich­ tungsvorgang und/oder eine mangelhafte Beschichtungswirkung, der bzw. die ein mangelhaftes Produkt zur Folge hat. Insbe­ sondere steht eine sogenannte "Orangenschale", eine feine Ungleichmäßigkeit, die in einer beschichteten Oberfläche auftritt, in hohem Maße in Beziehung mit dem Glanzprofil.
Unter diesen Umständen hat das Vorhandensein und der Grad des Glanzprofils bei beschichtetem Papier eine große Bedeu­ tung bei der Prozeßsteuerung und/oder -kontrolle der Her­ stellung von beschichtetem Papier. Jedoch wird das Glanzpro­ fil in der aktuellen Prozeßsteuerung und/oder -kontrolle nicht direkt beurteilt, sondern der Schwerpunkt oder die Betonung der Beurteilung wird mehr auf das Aussehen des Blatts gelegt. Jedoch hängt die Beurteilung in hohem Maße von den subjektiven, weniger übereinstimmenden Beurteilungs­ kriterien der inspizierenden Person ab. Daher wird ein ob­ jektiveres und exakteres Beurteilungsverfahren gefordert.
Bisher wird ein Oberflächenrauhigkeitstester in einem Ver­ fahren zum Messen der Oberflächenrauhigkeit mittels eines körperlichen Kontakts verwendet. Dieses Verfahren ist zwar zur Messung der Rauhigkeit im Mikron-Niveau effektiv, jedoch für das Messen von Glanzprofilen relativ ungeeignet, da feine Oberflächenunregelmäßigkeiten eine kleinere regelmä­ ßige Teilung haben als diejenigen, die als Glanzprofil mit­ tels des menschlichen Auges detektierbar sind. Daher hat dieses Verfahren keine direkte Verbindung mit dem Glanzpro­ fil.
Weiterhin ist in der japanischen Patentveröffentlichung Nr. 1-24 256 eine dreidimensional arbeitende optische Einrichtung bekannt, die eine Lichtquelle und einen Lichtempfänger um­ faßt und in der Lage ist, den Einfallswinkel und den Refle­ xionswinkel der Probe zu variieren. Diese Einrichtung wird dazu benutzt, den Farbton aus der Brillanz und der Hellig­ keit einer metallischen Beschichtung zu messen.
Da das Glanzprofil ein Fluktuations- oder Variationszustand des Glanzes ist, kann es als eine Verteilung des Glanzes be­ stimmt werden. Daher ist es möglich, das Glanzprofil unter Verwendung der oben beschriebenen dreidimensional arbeiten­ den optischen Einrichtung zu messen. Jedoch ist diese opti­ sche Einrichtung, da sie eine Wolframlampe als Lichtquelle verwendet, deren Licht zum Erhalten von weißem Licht gefil­ tert wird, zwar dazu geeignet, den Farbton zu messen, aber sie ist nicht immer dazu geeignet, das Glanzprofil zu mes­ sen.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher insbeson­ dere, unter Überwindung der obigen Mängel des Standes der Technik ein Verfahren zum Messen des Glanzprofils einer Pro­ benoberfläche zur Verfügung zu stellen, und vorzugsweise soll mit der vorliegenden Erfindung ein einfaches Verfahren zum schnellen und genauen Messen des Blattaussehens von be­ schichtetem Papier zur Verfügung gestellt werden.
Im Rahmen der Untersuchungen, welche zu der vorliegenden Er­ findung geführt haben, wurden von den Erfindern eine Licht­ quelle und eine Wellenlänge gefunden, die am geeignetsten zum Messen des Glanzprofils sind. Als Ergebnis dieser Unter­ suchungen wurde nämlich gefunden, daß monochromatisches Ul­ traviolettlicht, insbesondere Ultraviolettlicht in der Nähe und/oder im Bereich von 220 nm Wellenlänge, das eine Fleck­ größe von 0,1 bis 3,0 mm hat, vorzugsweise von 0,1 bis 1,0 mm, in überraschender Weise am meisten und mit hohem Vorteil für die Messung von Glanzprofilen geeignet ist.
Infolgedessen wird gemäß der vorliegenden Erfindung in einer ersten bevorzugten Ausführungsform, die auf den obigen Ent­ deckungen basiert, ein Verfahren zum Messen eines Glanzpro­ fils zur Verfügung gestellt, das die folgenden Verfahrens­ schritte umfaßt: Anwenden, insbesondere Projizieren, Auf­ strahlen o. dgl., eines Flecks von monochromatischem Ultra­ violettlicht auf die Oberfläche einer zu messenden Probe, reguläres, insbesondere regelmäßiges, Bewegen des Flecks auf der Oberfläche eines vorbestimmten Bereichs oder einer vorbestimmten Fläche der Probe, photoelektrisches Umwandeln des von jedem Fleck, insbesondere von dem Fleck an aufeinan­ derfolgenden Orten, reflektierten Lichts, und Vergleichen des Reflexionsvermögens, insbesondere des Reflexionsfaktors und/oder der Reflexionsstärke, von individuellen Flecken zum Bestimmen der Gleichförmigkeit des Glanzes.
In einer zweiten bevorzugten Ausführungsform, zusätzlich zu der ersten Ausführungsform, zeichnet sich die vorliegende Erfindung weiter dadurch aus, daß der Fleck von monochroma­ tischem Ultraviolettlicht ein polygonaler Fleck von 0,1 bis 3,0 mm an der längsten Seite ist, oder ein kreisförmiger oder elliptischer Fleck, der einen größten Durchmesser im Bereich von 0,1 bis 3,0 mm hat.
In einer dritten Ausführungsform, zusätzlich zu der ersten und/oder zweiten Ausführungsform, zeichnet sich die vorlie­ gende Erfindung weiterhin dadurch aus, daß die Wellenlänge des monochromatischen Lichts 210 bis 230 nm beträgt oder im Bereich von 210 bis 230 nm liegt.
In dem Verfahren nach der vorliegenden Erfindung ist es not­ wendig, daß der Einfallswinkel und der Reflexionswinkel mit Bezug auf die Probenoberfläche einander gleich sind. Ein Winkel von 75° kann im weitesten Umfang für das Messen des Glanzes von Papier verwendet werden, welcher am geeignetsten für diesen Zweck ist. Jedoch ist der Winkel nicht hierauf beschränkt, vielmehr können grundsätzlich alle anderen Win­ kel verwendet werden, zum Beispiel 60°, 45°, 30°, usw.
Da der Glanz ein Problem ist, das bei sichtbarem Licht vor­ handen ist, benutzen die Glanzmeßgeräte nach dem Stande der Technik im Hinblick hierauf sichtbares Licht mit Wellenlän­ gen von 400 bis 800 nm, und es wird weißes sichtbares Licht verwendet. Im Gegensatz hierzu wird gemäß der vorliegenden Erfindung monochromatisches ultraviolettes Licht verwendet.
Die Fig. 1 ist ein Diagramm, in dem Korrelationskoeffizien­ ten aufgetragen sind, und dieses Diagramm zeigt die Bezie­ hung zwischen einem Signalwert, der einem Strom proportional ist, welcher durch photoelektrische Umwandlung von reflek­ tiertem Licht von 10 Proben beschichteten Papiers erhalten worden ist, und zwar bei Beleuchtung mit monochromatischem Licht unterschiedlicher Wellenlängen in einem Bereich, der sich vom sichtbaren Licht bis zu Ultraviolettlicht er­ streckt, und gemessen mittels des Verfahrens gemäß der vor­ liegenden Erfindung einerseits, sowie des Glanzes, wie er mit einem Glanzmeßinstrument gemäß JIS P-8 142 (Japanische Industrienorm) gemessen worden ist.
Aus Fig. 1 ist deutlich zu ersehen, daß die Korrelation bei Ultraviolettlicht höher als bei sichtbarem Licht ist, und daß Ultraviolettlicht in einem Wellenlängenbereich von 210 bis 230 nm am meisten zu bevorzugen ist. Daher ist zur ge­ nauen und schnellen Messung des Glanzprofils Ultraviolett­ licht nach den Entdeckungen der vorliegenden Erfindung ge­ genüber sichtbarem Licht bei weitem zu bevorzugen, welches Glanzprofil das Verhalten des Glanzes auf der Oberfläche der Probe zeigt.
Weiterhin kann eine genaue Messung besonders gut dadurch er­ zielt werden, daß man einen polygonalen Fleck von monochro­ matischem Ultraviolettlicht benutzt, dessen längste Seite 0,1 bis 3,0 mm beträgt, oder einen kreisförmigen oder ellip­ tischen Fleck, der einen größten Durchmesser von 0,1 bis 3,0 mm hat. Das stimmt gut mit der Tatsache überein, daß sich die visuelle Bestimmung hauptsächlich auf feine Unregelmä­ ßigkeiten von weniger als 3 mm Abmessung bezieht.
Die vorstehenden sowie weitere Vorteile und Merkmale der Er­ findung seien nachfolgend anhand einiger besonders bevorzug­ ter Ausführungsformen des Verfahrens nach der Erfindung unter Bezugnahme auf die Figuren der Zeichnung näher be­ schrieben und erläutert; es zeigen:
Fig. 1 ein Diagramm, in dem die Korrelationskoef­ fizienten aufgetragen sind, welche die Beziehung zwischen einem Signalwert und einem Glanzwert zeigen, wobei der Signalwert proportional einem Strom ist, welcher durch pho­ toelektrische Umwandlung des reflektierten Lichts von 10 Proben von beschichtetem Papier erhalten wurde, wobei das aufgestrahlte Licht monochromatisches Licht unterschiedli­ cher Wellenlängen im Bereich von sichtbarem Licht bis zu ul­ traviolettem Licht war, und wobei die Messung gemäß dem Ver­ fahren nach der vorliegenden Erfindung erfolgte, während der Glanzwert jeweils mittels eines Glanzmeßgeräts gemäß JIS P-8 142 (Japanische Industrienorm) gemessen wurde; und
Fig. 2 eine schematische Ansicht, welche die An­ ordnung und Ausbildung einer Einrichtung zeigt, die zur Durchführung des Verfahrens gemäß der vorliegenden Erfindung verwendbar ist.
In der Zeichnung ist mit 1 ein Detektor bezeichnet, 4 bedeu­ tet eine Deuteriumlampe, das Bezugszeichen 5 ist einem Fil­ ter zugeordnet, mit 7 ist ein halbdurchlässiger Spiegel be­ zeichnet, das Bezugszeichen 10 bedeutet eine Probenbasis, und mit 21 ist ein Schrittmotor bezeichnet.
Es seien nun im einzelnen bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung beschrieben und erläutert:
Zunächst sei auf Fig. 2 Bezug genommen, in der in einer schematischen Ansicht die Anordnung und Ausbildung einer Einrichtung gezeigt ist, wie sie für die Ausführung von Mes­ sungen gemäß der vorliegenden Erfindung verwendbar ist. Diese Einrichtung umfaßt hauptsächlich einen Detektor 1, einen Umsetzer-Verstärker 2 und eine externe Ausgabeeinheit 3.
Der Detektor 1 umfaßt eine Deuteriumlampe 4, ein Filter 5, eine Blende 6, einen halbdurchlässigen Spiegel 7, einen Be­ zugslicht-Elektrophotomultiplier 8, einen Reflexionslicht- Elektrophotomultiplier 9, und eine Probenbasis 10.
Um den Glanz zu messen, wird Ultraviolettlicht, das von der Deuteriumlampe 4 emittiert worden ist, mittels des Filters 5 gefiltert, so daß man am Ausgang des Filters monochromati­ sches Licht mit einer spezifischen Wellenlänge erhält. Aus dem monochromatischen Licht wird mittels der Blende 6 ein Lichtfleck-Bündel ausgeblendet und dann mittels des halb­ durchlässigen Spiegels in zwei Teilbündel aufgetrennt. Das eine Teilbündel des aufgetrennten Lichts wird als Bezugs­ licht mittels des Bezugslicht-Elektrophotomultipliers 8 detektiert. Das andere Teilbündel oder der Rest des abge­ trennten Lichts wird auf eine Probe gerichtet, die auf der Probenbasis 10 angeordnet ist, und dieses Teilbündel wird reflektiert. Das reflektierte Licht oder ein Teil des re­ flektierten Lichts wird mittels des Reflexionslicht-Elektro­ photomultipliers 9 detektiert. Im vorliegenden Falle müssen der Einfallwinkel und der Reflexionswinkel des Lichts mit Bezug auf die Probe einander gleich sein, und sie müssen sich in der gleichen Ebene befinden. Die Probenbasis 10 hat einen X-Y-Getriebegang, der mit dem Schrittmotor 21 versehen ist und welcher infolgedessen vertikal und horizontal in vorbestimmten Intervallen bewegt werden kann bzw. in einer X-Richtung und einer hierzu senkrechten Y-Richtung in der Probenebene.
Das Bezugslicht und das reflektierte Licht oder Reflexions­ licht, die detektiert werden, werden mittels der Elektropho­ tomultiplier 8 und 9 in elektrische Ströme umgesetzt, welche dann durch Operationsverstärker 11 und 12 in dem Umsetzer- Verstärker 2 in Spannungen umgesetzt werden. Die erhaltenen Spannungen E1 und E2 werden in einer Subtraktionsschaltung 13 subtrahiert und dann mittels einer Analog-zu-Digital- Umsetzerschaltung 14 der externen Ausgabeeinheit 3 in Digi­ talsignale umgewandelt. Die digitalisierten Signale werden einer Datenverarbeitungseinheit zugeführt, die einen Compu­ ter oder Rechner, ein Aufzeichnungsgerät und dergleichen um­ faßt, wo die Signale umgewandelt bzw. ausgewertet werden.
In der vorliegenden Erfindung können die Digitalsignale, die in der Analog-zu-Digital-Umsetzerschaltung 14 erhalten wor­ den sind, in einen normalen Glanzwert umgewandelt werden, und zwar unter Bezugnahme auf eine Eichkurve des Glanzes, die vorher durch Messungen an einer Standardprobe erhalten worden ist.
Als nächstes sei das Verfahren gemäß der vorliegenden Erfin­ dung in Anwendungsbeispielen der Messung des Glanzprofils unter Verwendung der oben beschriebenen Meßeinrichtung in näheren Einzelheiten beschrieben und erläutert:
Beispiel 1
Aus einem japanischen superkalandriertem beschichteten Pa­ pier von der Qualität A2 wurden acht Arten von kommerziellem Papier, die ein Grundgewicht von 84,9 g/m2 hatten, als Pro­ ben ausgewählt. Monochromatisches Ultraviolettlicht von 220 nm Wellenlänge wurde als ein Fleck von 0,4 mm×0,4 mm ange­ wandt bzw. auf die Proben projiziert, wobei der Einfallswin­ kel und der Reflexionswinkel auf 75° eingestellt wurden und 156 Flecken über eine Länge von 102 mm innerhalb einer Probe angewandt wurden bzw. der vorgenannte Fleck an 156 Stellen über eine Länge von 102 mm auf eine Probe projiziert wurde, um das Glanzprofil zu messen.
Der mittlere Glanz und die Änderungen im Glanz, d. h. die Standardabweichung von der Glanzverteilung für die individu­ elle Probe sind in Tabelle 1 angegeben, und zwar zusammen mit dem Glanz, der gemäß JIS P-8 142 (Japanischer Industrie­ standard) gemessen worden war.
Andererseits wurde eine visuelle Inspektion des Blattausse­ hens von einem Personenkreis von 12 Inspektionspersonen aus­ geführt. Ihre Einstufungen hinsichtlich des Blattaussehens, die auf den Gesamtpunkten basierten, welche die 12 In­ spektoren erteilten, ist auch in Tabelle 1 wiedergegeben.
Wie man aus der Tabelle 1 ersieht, zeigte sich, daß die Standardabweichung des Glanzes um so kleiner ist, je besser das Blattaussehen ist. Demgemäß kann mit dem Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung nicht nur das Glanzprofil gemes­ sen werden, sondern es ist auch möglich, damit das Blattaus­ sehen objektiver zu messen.
Beispiele 2 bis 4
In den Beispielen 2, 3 und 4 wurden ein japanisches superka­ landriertes beschichtetes Papier von A2-Qualität, das ein Grundgewicht von 127,9 g/m2 hatte, und mattierte Qualitäten, die jeweils ein Grundgewicht von 81,4 g/m2 und 127,9 g/m2 hatten, verwendet. Für diese drei Arten von Papier wurden 8, 6 und 7 kommerzielle Papiere als Proben ausgewählt.
Diese Proben wurden hinsichtlich des mittleren Glanzes und der Standardabweichung unter Verwendung des gleichen Vor­ gangs wie in Beispiel 1 gemessen. Die Ergebnisse sind in Ta­ belle 1 angegeben, und zwar zusammen mit der Einstufung des Blattaussehens, basierend auf den Gesamtpunkten, die von den 12 Inspektionspersonen erteilt wurden, und dem JIS-Glanz.
Tabelle 1
Bezugsbeispiel 1
Aus den oben beschriebenen Beispielen 1 bis 4 ist deutlich zu erkennen, daß die Standardabweichung des Glanzes und das Blattaussehen miteinander übereinstimmen. Die gleichen Pro­ ben wurden hinsichtlich anderer Eigenschaften, welche als in Bezug zum Blattaussehen angesehen werden, untersucht, näm­ lich hinsichtlich Glanz, Opazität, Weißgrad, Bekk-Glattheit, und Parker-Druckwellen-Glattheit (PPS-Glattheit). Weiterhin wurden die Korrelationskoeffizienten zwischen den Untersu­ chungsergebnissen und der Einstufung hinsichtlich des Blatt­ aussehens für die individuellen Proben bestimmt. Die Ergeb­ nisse sind in Tabelle 2 angegeben. Die Korrelationskoeffizi­ enten sind auch zwischen der Standardabweichung des Glanzes gemäß der vorliegenden Erfindung und der Einstufung der Blattaussehensbeurteilung angegeben.
Tabelle 2
Als Ergebnis ist insbesondere festzustellen, daß der einzige Fall, in dem stets eine Korrelation von 0,8 oder höher beob­ achtet wurde derjenige der Standardabweichung des Glanzes, bestimmt durch die vorliegende Erfindung, ist. Jedoch kann das Blattaussehen nicht aus dem absoluten Wert des Glanzes, der Opazität oder dem Weißgrad noch aus der Bekk- oder PPS- Glattheit beurteilt werden.
Beispiel 5
Eine schwarz bemalte Stahlplatte wurde als eine Probe ver­ wendet, die mit einem fleckbildenden monochromatischen Ul­ traviolettlichtbündel mit einer Wellenlänge von 280 nm be­ strahlt wurde, wobei der Lichtfleck eine Abmessung von 0,2 mm×0,2 mm hatte und wobei der Einfallswinkel und der Re­ flexionswinkel in Bezug auf die Probe auf 60° eingestellt worden waren. Die Messung wurde über einen Bereich von 15 mm×15 mm in 1-mm-Intervallen (vertikal und horizontal bzw. in X-Richtung und in Y-Richtung) ausgeführt. Die Anzahl der ge­ messenen Flecke war 16×16 (vertikal und horizontal bzw. in X-Richtung und in Y-Richtung), so daß sich eine Gesamtheit von 256 Flecken, die gemessen wurden, ergab.
Die Testergebnisse zeigten einen mittleren Glanz von 88,57 und eine Standardabweichung des Glanzes von 0,78. Es wurde durch diese Werte bestätigt, daß diese Probe ein relativ kleines Glanzprofil hatte, und zwar bei einem ziemlich guten Oberflächenzustand.
Mit dem Verfahren zum Messen des Glanzprofils gemäß der vor­ liegenden Erfindung kann das Glanzprofil optisch unter Ver­ wendung von monochromatischem Ultraviolettlicht gemessen werden. Weiterhin korrespondiert die Standardabweichung des Glanzes, welche eine bzw. die Verteilung des Glanzes angibt, gut mit dem Blattaussehen von beschichtetem Papier, bei dem es bisher ein Problem war, daß die Beurteilung des Blattaus­ sehens sehr stark auf der visuellen Inspektion durch indivi­ duelle Inspektionspersonen beruhte. Demgemäß ist es mit der vorliegenden Erfindung möglich, das Glanzprofil und das Blattaussehen objektiv, schnell und genau zu messen.
Die vorliegende Erfindung ist nicht auf das oben angegebene beschichtete Papier beschränkt, sondern sie kann auch auf andere Materialien, wie insbesondere Papier, Kunstharze, Me­ talle, Glas und dergleichen, angewandt werden, deren Glanz­ profil mit dem erfindungsgemäßen Verfahren gemessen werden kann.
Mit der Erfindung wird ein Verfahren zum Messen des Glanz­ profils der Oberfläche von Materialien, wie beispielsweise Papier, speziell beschichtetes Papier, Kunstharzfilm, Metal­ len und dergleichen, zur Verfügung gestellt. Dieses Verfah­ ren umfaßt den Verfahrensschritt des Anwendens, insbesondere Projizierens, eines Flecks von monochromatischem Ultravio­ lettlicht auf die Oberfläche der Probe, des Bewegens des Flecks auf der Oberfläche der Probe, des photographischen bzw. photoelektrischen Umwandelns von reflektiertem Licht von jedem Fleck, das bei dem gleichen Reflexionswinkel er­ halten wurde, wie es der Einfallswinkel ist, und des Ver­ gleichens und Berechnens des Reflexionsvermögens zur Bestim­ mung des Glanzprofils.

Claims (3)

1. Verfahren zum Messen eines Glanzprofils, umfassend die Verfahrensschritte des Anwendens, insbesondere Projizierens, eines Flecks aus einem monochromatischen Ultraviolettlicht auf die Oberfläche einer zu messenden Probe; des regulären, insbesondere gleichmäßigen, Bewegens des Flecks auf der Oberfläche eines vorbestimmten Bereichs der Probe; des pho­ tographischen, insbesondere elektrophotographischen, Umwan­ delns von Licht, das von jedem Fleck reflektiert worden ist und bei einem Reflexionswinkel erhalten worden ist, der gleich dem Einfallswinkel ist; und des Vergleichens und Be­ rechnens des Reflexionsvermögens zur Bestimmung des Glanz­ profils.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Fleck von monochromatischem Ul­ traviolettlicht ein polygonaler Fleck von 0,1 bis 3,0 mm an der längsten Seite ist, oder ein kreisförmiger oder ellipti­ scher Fleck, der einen größten Durchmesser von 0,1 bis 3,0 mm hat.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch ge­ kennzeichnet, daß das monochromatische Ultra­ violettlicht eine Wellenlänge von 210 bis 230 nm hat oder im Wellenlängenbereich von 210 bis 230 nm liegt.
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