DE4138679C1 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Gerät zur Bestimmung visueller Oberflächeneigenschaften, d. h. zur physikalischen Objektivie­ rung von Oberflächeneigenschaften, wie sie durch physiologische und psychologische Verarbeitung von spektral bewerteten reflek­ tierten, gestreuten, der Interferenz unterworfenen oder Fluo­ reszenz-Strahlungen, die von Oberflächen beliebiger Körper aus­ gehen, vom menschlichen Auge empfunden werden. Beispiele sol­ cher Oberflächeneigenschaften sind Glanz, Schleier, Beschlag, Farbe, Metalleffekt, Perlmutteffekt usw. Um den Bewertungsfunk­ tionen des Auges zu folgen, muß ein solches Gerät in der Lage sein, ausgehend von einer entsprechenden Einstrahlungsgeometrie und der jeweiligen spektralen Zusammensetzung der auf die Ober­ fläche treffenden Strahlung, die Winkel-, Phasen- und Spektral­ verteilung der von der Oberfläche remittierten Strahlung quan­ titativ zu erfassen. Dazu reicht in der Regel eine einzige Meß­ geometrie nicht aus.

Ein Gerät mit den im Oberbegriff des Anspruchs 1 angege­ benen Merkmalen ist aus AT-PS 3 56 935 bekannt. Bei diesem Ge­ rät sind Beleuchtungs- und Meßoptik koaxial angeordnet und senkrecht auf die Meßfläche gerichtet. Das reflektierte Licht wird über ein Lichtleitfaserbündel aufgenommen, das zur Be­ stimmung der Intensitätsverteilung des reflektierten Lichts in mehrere Teilbündel aufgeteilt ist und die Teilstrahlung jeweils eigenen Detektoren zuführt. Unterschiedliche Beleuch­ tungs- und Reflexionswinkel lassen sich bei dem bekannten Ge­ rät allenfalls durch manuelle Verschwenkung des Gerätes ge­ genüber der Meßfläche herbeiführen.

Aus "International Laboratory", September 1990, Seiten 28 bis 32 ist ein Gerät zur Bestimmung visueller Oberflächen­ eigenschaften mit drei Meßanordnungen bekannt, bei denen Ein­ falls- und Reflexionswinkel, bezogen auf die Normale der Meßfläche, 20°/20°, 60°/60° und 85°/85° betragen. Jede dieser drei Meßanordnungen umfaßt dabei eine Strahlungsquelle, eine erste Optik, die den von der Strahlungs­ quelle emittierten Strahl auf die Meßfläche richtet, einen De­ tektor und eine zweite Optik, die den von der Meßfläche remit­ tierten Strahl auf den Detektor richtet. Das bekannte Gerät ist aufgrund der Vielzahl der erforderlichen optischen Bauelemente aufwendig und teuer. Außerdem weist das bekannte Gerät eine an die Meßfläche anzulegende Grundfläche von erheblicher Länge auf, so daß es eine Messung nur an entsprechend großen oder freien, ebenen Oberflächen gestattet.

Andere bekannte Geräte arbeiten mit einer einzigen Meßgeo­ metrie und sind entsprechend weniger aufwendig und kleiner. Zur vollständigen Bewertung der visuellen Oberflächeneigenschaften sind jedoch mehrere solcher Geräte mit unterschiedlichen Geome­ trien erforderlich, so daß der Gesamtaufwand noch größer wird.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Gerät zur Bestimmung visueller Oberflächeneigenschaften anzugeben, das bei möglichst geringem Aufwand Messungen auch an kleinen, entspre­ chend schwerer zugänglichen Oberflächenbereichen gestattet.

Die erfindungsgemäße Lösung dieser Aufgabe ist im Kennzei­ chenteil des Anspruchs 1 angegeben.

Das danach gebaute Gerät verwendet ein und dasselbe Objek­ tiv (bei dem es sich im einfachsten Fall um eine einzelne Linse handeln kann), um sowohl den von der Strahlungsquelle emittier­ ten Strahl auf die Meßfläche als auch den von dieser remittier­ ten Strahl auf dem Detektor zu richten. Dies gelingt dadurch, daß die beiden Strahlen Umlenkelemente durchsetzen, die zwi­ schen der Linsenanordnung und der Meßfläche vorgesehen sind. Da das Gerät mit einem einzigen Objektiv auskommt, kann dieses hoch-korrigiert sein, ohne den Gesamtaufwand des Gerätes un­ wirtschaftlich zu machen.

Die Tatsache, daß das gleiche Objektiv vom Meßstrahl zwei­ mal durchlaufen wird, führt zu einer automatischen Korrektur der wichtigsten Bildfehler, z. B. Astigmatismus.

Die vorhandenen Strahlumlenkelemente bewirken ferner, daß das Gerät unabhängig vom Einfalls- und Austrittswinkel an der Meßfläche kleine Abmessungen in Richtung parallel zur Meßfläche und trotzdem vergleichsweise lange Brennweiten aufweisen kann. Die Verwendung von optischen Elementen mit langen Brennweiten ist deshalb von Vorteil, weil bei der Fertigung mit größeren Toleranzen gearbeitet werden kann.

In der Weiterbildung der Erfindung nach Anspruch 2 ergibt sich ein besonders handliches und schlankes Gerät zur Messung auch an kleinen und schwer zugänglichen Oberflächenbereichen.

Die Ausgestaltung nach Anspruch 3 führt zu einer konzen­ trischen Anordnung mehrerer, mit demselben einzigen Objektiv arbeitenden Meßanordnungen.

In der Ausgestaltung der Erfindung nach Anspruch 4 wird es ferner möglich, eine einzige Strahlungsquelle und einen einzi­ gen Detektor für die verschiedenen Meßanordnungen einzusetzen. Eine besonders einfach zu handhabende Gestaltung ist dabei in Anspruch 5 angegeben.

Die Weiterbildung der Erfindung nach Anspruch 6 ist inso­ fern vorteilhaft, als für die verschiedenen Strahlengänge vor allem der mit den geringsten optischen Fehlern behaftete mitt­ lere Bereich des Objektivs herangezogen wird.

Bei der nach Anspruch 7 bevorzugten Verwendung von total­ reflektierenden Prismen werden Polarisationseffekte vermieden.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachstehend an­ hand der Zeichnungen näher erläutert. Darin zeigt

Fig. 1 einen Längsschnitt durch ein Gerät gemäß einer ersten Ausführungsform,

Fig. 2 einen Querschnitt längs der Linie II-II der Fig. 1, und

Fig. 3 eine Längsschnitt durch ein Gerät gemäß einer zweiten Ausführungsform.

Das in Figur gezeigte Gerät weist ein zylindrisches rohr­ förmiges Gehäuse 10 auf, das mit seiner unteren Fläche stehend auf die Meßfläche 11 aufsetzbar ist. Im oberen Teil des Gehäu­ ses ist eine Beleuchtungseinrichtung 12 angeordnet, die eine Lichtquelle 13, eine Meßfleckblende 14 und eine Hilfsoptik 15 aufweist.

Der von der Beleuchtungseinrichtung 12 emittierte, in Fig. 1 dick-gestrichelt dargestellte Lichtstrahl A durchsetzt zunächst eine Blendenöffnung 16, die in einer senkrecht zur Achse des Gehäuses 10 angeordneten Blendenplatte 17 vorgesehen ist. Der Lichtstrahl A verläuft ferner durch eine in dem Ge­ häuse 10 weiter unten angeordnete, senkrecht zur Gehäuseachse N stehende Filterplatte 18 und ein darunter angeordnetes Objektiv 19, das in Fig. 1 als einzelne Sammellinse veranschaulicht ist, und wird von einem totalreflektierenden Prisma 20 so umge­ lenkt, daß er unter einem Winkel von 60° zur Gehäuseachse N, d. h. zur Normalen bezüglich der Meßfläche 11, auf den Meßfleck 21 der Meßfläche 11 fällt.

Der von dem Meßfleck 21 unter einem Winkel von 60° zur Gehäuseachse N reflektierte (oder generell remittierte) Strahl A′ wird von einem weiteren totalreflektierenden Prisma 20′ um­ gelenkt, durchsetzt erneut das Objektiv 19 und die Filterplatte 18 und gelangt durch eine weitere Blendenöffnung 16′ in der Blendenplatte 17 an ein Photoelement 22. Das von dem Photoele­ ment 22 empfangene Signal wird von einer im oberen Gehäuseteil angeordneten Elektronik 23 ausgewertet.

Neben der Elektronik 23 ist im oberen Gehäuseteil auch eine (nicht dargestellte) Stromversorgung untergebracht. Ein das Gehäuse nach oben abschließender Deckel 24 trägt Bedie­ nungs- und Anzeigeelemente, die in Fig. 1 schematisch bei 25 dargestellt sind.

Wie in Fig. 2 gezeigt, weist die Blendenplatte 17 insge­ samt 8 in Umfangsrichtung um jeweils 450 versetzte Blendenöff­ nungen 16, 16′, 26, 26′, 27, 27′, 28 und 28′, die jeweils paar­ weise diametral einander gegenüber angeordnet sind, sowie eine mittlere Blendenöffnung 29 auf.

Oberhalb der Blendenöffnungen 26, 27, 28 und 28′ sind weitere (nicht gezeigte) Beleuchtungseinrichtungen angeordnet, die im wesentlichen der Beleuchtungseinrichtung 12 nach Fig. 1 entsprechen. Über den Blendenöffnungen 26′, 27′ und 29 sind weitere (nicht gezeigte) Photoelemente angeordnet, die dem in Fig. 1 über der mittleren Blendenöffnung 29 befindlichen Pho­ toelement 30 entsprechen.

In die Darstellung der Fig. 1 sind außer dem Strahl A, A′ drei weitere Strahlen eingezeichnet, die mit B, B′, C, C′ und D bezeichnet sind. Dabei ist zu verstehen, daß der dünn-gestri­ chelte Strahl B von der über der Blendenöffnung 26 angeordneten (nicht gezeigten) Beleuchtungseinrichtung ausgeht, die Filter­ platte 18 und das Objektiv 19 durchsetzt und von einem Prisma 31 unter einem Winkel von 85° zur Gehäuseachse N auf den Meß­ fleck 21 gerichtet wird. Der von der Meßfleck 21 unter einem Winkel von 850 reflektierte Strahl B′ wird von einem weiteren Prisma 31′ umgelenkt, durchsetzt erneut das Objektiv 19 und die Filterplatte 18 und gelangt an das über der Blendenöffnung 26′ angeordnete (nicht gezeigte) Photoelement.

In ähnlicher Weise gelangt der in Fig. 1 ebenfalls dünn­ gestrichelt gezeigte Lichtstrahl C, der von der oberhalb der Blendenöffnung 27 angeordneten (nicht gezeigten) Beleuchtungs­ einrichtung emittiert wird, durch die Filterplatte 18 und das Objektiv 19 an ein weiteres Prisma 32 und wird von diesem unter einem Winkel von 20° relativ zur Gehäuseachse N auf den Meß­ fleck 21 gerichtet, und der unter dem gleichen Winkel von dem Meßfleck 21 reflektierte Strahl C′ wird von einem weiteren Prisma 32′ umgelenkt und gelangt durch das Objektiv 19 und die Filterplatte 18 hindurch an ein über der Blendenöffnung 27′ an­ geordnetes weiteres (nicht gezeigtes) Photoelement.

Die mit den Strahlen A, B und C arbeitenden Meßgeometrien dienen der normgerechten Glanzmessung, wobei die 20°/20°-Meß­ geometrie insbesondere zur Erfassung von Hochglanz und die 85°/85°-Meßgeometrie insbesondere zur Erfassung von Mattglanz dient. Zur Ermittlung weiterer Oberflächeneigenschaften wie Schleier, Beschlag, Metalleffekt, Perlmutteffekt usw. läßt sich das gleiche Gerät - mit entsprechend modifizierten Meßgeometri­ en - heranziehen.

Wie aus der obigen Beschreibung und Fig. 1 ersichtlich, verlaufen die von der Beleuchtungseinrichtung 12 emittierten und in das Photoelement 22 eintretenden Strahlen wegen ihrer Um­ lenkung in den Prismen wesentlich steiler als die auf die Meß­ fläche 11 auftreffenden und von ihr reflektierten Strahlen und können daher als im wesentlichen koaxial zur Gehäuseachse N an­ gesehen werden. Daraus resultiert der insgesamt schlanke Aufbau des Geräts.

Wie anhand von Fig. 2 erläutert, sind die Paare von Blen­ denöffnungen 16-16′, 26-26′ und 27-27′ in einer die Gehäuse­ achse N enthaltenden Ebene aber in unterschiedlichen Winkeln bezüglich dieser angeordnet. Entsprechend sind auch die Pris­ menpaare 20-20′, 31-31′ und 32-32′ in unterschiedlichen Radial­ ebenen angeordnet. Die drei so gebildeten Beleuchtungsanordnun­ gen sind also insgesamt konzentrisch um die Gehäuseachse N ver­ teilt. (Die drei Strahlen A, B und C sind nur zur Vereinfachung der zeichnerischen Darstellung in Fig. 1 in derselben Ebene veranschaulicht.) Die beiden über den Blendenöffnungen 28 und 28′ angeordne­ ten Beleuchtungseinrichtungen erzeugen jeweils einen in Fig. 1 mit D bezeichneten Lichtstrahl, der jeweils über ein Prisma 33 unter einem Winkel von 45° auf den Meßfleck 21 gerichtet wird. In diesem Fall wird der längs der Gehäuseachse N reflektierte Strahl ausgenutzt, der das Objektiv 19, eine in der Filterplat­ te 18 zentrisch vorgesehene Öffnung 34 und die mittlere Blen­ denöffnung 29 durchsetzt und von dem Photoelement 30 erfaßt wird. Diese mit dem Strahl D arbeitende 45°/0°-Meßanordnung dient zur Farbmessung.

In alternativer Ausgestaltung kann auch über der Blenden­ öffnung 28′ ein Detektor angeordnet sein und mit der über der Blendenöffnung 28 angeordneten Beleuchtungseinrichtung zur Er­ zielung einer 45°/45°-Meßgeometrie herangezogen werden.

Anstelle der oben beschriebenen Ausgestaltung mit mehreren in Umfangsrichtung verteilt angeordneten Beleuchtungseinrich­ tungen 12 und diametral gegenüberliegenden Photoelementen 22 ist es auch möglich, den diese Bauelemente enthaltenden oberen Gehäuseteil gegenüber dem die Blendenplatte 17, die Filterplat­ te 18, das Objektiv 19 und die Prismen 20, 20′, 31, 31′, 32, 32′ und 33 enthaltenden unteren Gehäuseteil um die Gehäuseachse N drehbar zu gestalten. Die einzige Beleuchtungseinrichtung 12 kann dann durch Relativdrehung der beiden Gehäuseteile auf die entsprechende Blendenöffnung ausgerichtet und so für die ent­ sprechende Meßgeometrie herangezogen werden, wobei das einzige Photoelement 22 gleichzeitig auf die diametral gegenüberliegen­ de Blendenöffnung ausgerichtet wird. Unter Drehung der Gehäuse­ teile werden die aus unterschiedlich steiler Beleuchtung der Meßfläche 11 resultierenden Meßsignale nacheinander gewonnen und von der Elektronik 23 miteinander verarbeitet.

Die Gerätevariante nach Fig. 3 unterscheidet sich von der nach Fig. 1 durch eine derartige Anordnung der Beleuchtungs­ einrichtung 12, daß der von ihr emittierte Strahl und ebenso auch der auf das Photoelement 22 treffende remittierte Strahl parallel zur Gehäuseachse N verlaufen. Im Gegensatz zu der Aus­ führungsform nach Fig. 1 findet also keine Überkreuzung zwi­ schen den Strahlen A und A′, B und B′, C und C′ statt. In die­ sem Fall durchsetzen sämtliche Strahlen den Randbereich des Ob­ jektivs 19, wo etwaige Linsenfehler ausgeprägter sind. Infolge des doppelten Durchsetzens findet allerdings eine automatische Fehlerkorrektur statt, sofern das Objektiv 19 symmetrisch ist.

Eine weitere Variante kann ferner darin bestehen, die Prismen 32, 32′ wegzulassen und den 20°/20°-Strahl direkt unter diesem Winkel aus der Beleuchtungseinrichtung 20 austreten bzw. auf das Photoelement 22 fallen zu lassen.

In den obigen Ausführungsbeispielen ist angenommen worden, daß zur Umlenkung der Strahlen A, B, C und D totalreflektieren­ de Prismen verwendet werden. Statt dessen ist es grundsätzlich auch möglich, mit Spiegeln zu arbeiten, die einen noch gedräng­ teren Aufbau gestatten, wegen der an ihnen auftretenden Polari­ sationseffekte jedoch nachteilig sind.

Claims (7)

1. Gerät zur Bestimmung visueller Oberflächeneigenschaften, umfassend
eine Strahlungsquelle (13),
einen Detektor (22), und
ein Objektiv (19), das den von der Strahlungsquelle (13) emittierten Strahl (A) auf die Meßfläche (11) und den von der Meßfläche (11) remittierten Strahl (A′) auf den Detektor (22) richtet, gekennzeichnet durch ein Paar von zwischen dem Objektiv (19) und der Meßfläche (11) vorgesehenen Strahlumlenkelementen (20, 20′), deren eines (20) den Strahl (A) der Strahlungsquelle (13) unter einem vorgegebenen Winkel auf die Meßfläche (11) und deren anderes (20′) den unter einem vorgegebenen Winkel remittierten Strahl (A′) auf den Detektor (22) richtet.

2. Gerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der von der Strahlungsquelle (13) emittierte Strahl (A) und der auf den Detektor (22) auftreffende Strahl (A′) im wesentlichen senk­ recht zur Meßfläche (11) verlaufen.

3. Gerät nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen Objektiv (19) und Meßfläche (11) mindestens ein weite­ res Paar von Strahlumlenkelementen (31, 31′; 32, 32′) mit ge­ genüber dem ersten Paar (20, 20′) unterschiedlichen Einfalls- und Remissionswinkeln bezüglich der Meßfläche (11) vorgesehen ist und die Ebene des ersten Strahlengangs (A, A′) gegenüber der Ebene des weiteren Strahlengangs (B, B′; C, C′) um eine zur Meßfläche (11) senkrechte Mittelachse (N) gedreht ist.

4. Gerät nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß eine einzige Strahlungsquelle (13) und einziger Detektor (22) vor­ handen sind, die durch gemeinsame Drehung um die Mittelachse (N) auf jedes Paar von Strahlumlenkelementen (20, 20′; 31, 31′; 32, 32′) ausrichtbar sind.

5. Gerät nach Anspruch 4, gekennzeichnet durch einen generell zylindrischen ersten Gehäuseteil, der das Objektiv (19) und die Strahlumlenkelemente (20, 20′, 31, 31′, 32, 32′) enthält, und einen zu dem ersten Gehäuseteil um die Mittelachse (N) drehba­ ren, generell zylindrischen zweiten Gehäuseteil, der die Strah­ lungsquelle (13) und den Detektor (22) enthält.

6. Gerät nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der von der Strahlungsquelle (13) emittierte Strahl (A) und der von der Meßfläche (11) remittierte Strahl (A′) einander kreuzen.

7. Gerät nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Strahlumlenkelemente (20, 20′, 31, 31′, 32, 32′, 33) totalreflektierende Prismen sind.