DE4138679C2 - Gerät zur Bestimmung visueller Oberflächeneigenschaften - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Gerät zur Bestimmung vi­ sueller Oberflächeneigenschaften, d. h. zur physikali­ schen Objektivierung von Oberflächeneigenschaften, wie sie durch physiologische und psychologische Verar­ beitung von spektral bewerteten reflektierten, gestreu­ ten, der Interferenz unterworfenen oder Fluoreszenz- Strahlungen, die von Oberflächen beliebiger Körper ausgehen, vom menschlichen Auge empfunden werden. Beispiele solcher Oberflächeneigenschaften sind Glanz, Schleier, Beschlag, Farbe, Metalleffekt, Perlmutteffekt usw. Um den Bewertungsfunktionen des Auges zu fol­ gen, muß ein solches Gerät in der Lage sein, ausgehend von einer entsprechenden Einstrahlungsgeometrie und der jeweiligen spektralen Zusammensetzung der auf die Oberfläche treffenden Strahlung, die Winkel-, Phasen- und Spektralverteilung der von der Oberfläche remit­ tierten Strahlung quantitativ zu erfassen. Dazu reicht in der Regel eine einzige Meßgeometrie nicht aus.

Ein Gerät mit den im Oberbegriff des Anspruchs 1 angegebenen Merkmalen ist aus AT-PS 3 56 935 be­ kannt. Bei diesem Gerät sind Beleuchtungs- und Meß­ optik koaxial angeordnet und senkrecht auf die Meßflä­ che gerichtet. Das reflektierte Licht wird über ein Licht­ leitfaserbündel aufgenommen, das zur Bestimmung 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 be­ kannten Gerät allenfalls durch manuelle Verschwen­ kung des Gerätes gegenüber der Meßfläche herbeifüh­ ren.

Aus "International Laboratory", September 1990, Sei­ ten 28 bis 32 ist ein Gerät zur Bestimmung visueller Oberflächeneigenschaften mit drei Meßanordnungen bekannt, bei denen Einfalls- und Reflexionswinkel, be­ zogen auf die Normale der Meßfläche, 20°/20°, 60°/60° und 85°/85° betragen. Jede dieser drei Meßanordnun­ gen umfaßt dabei eine Strahlungsquelle, eine erste Op­ tik, die den von der Strahlungsquelle emittierten Strahl auf die Meßfläche richtet, einen Detektor und eine zwei­ te Optik, die den von der Meßfläche remittierten Strahl auf den Detektor richtet. Das bekannte Gerät ist auf­ grund der Vielzahl der erforderlichen optischen Bauele­ mente aufwendig und teuer. Außerdem weist das be­ kannte Gerät eine an die Meßfläche anzulegende Grundfläche von erheblicher Länge auf, so daß es eine Messung nur an entsprechend großen oder freien, ebe­ nen Oberflächen gestattet.

Andere bekannte Geräte arbeiten mit einer einzigen Meßgeometrie und sind entsprechend weniger aufwen­ dig und kleiner. Zur vollständigen Bewertung der visuel­ len Oberflächeneigenschaften sind jedoch mehrere sol­ cher Geräte mit unterschiedlichen Geometrien erfor­ derlich, so daß der Gesamtaufwand noch größer wird.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Gerät zur Bestimmung visueller Oberflächeneigenschaften an­ zugeben, das bei möglichst geringem Aufwand Messun­ gen auch an kleinen, entsprechend schwerer zugängli­ chen Oberflächenbereichen gestattet.

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

Das danach gebaute Gerät verwendet ein und dassel­ be Objektiv (bei dem es sich im einfachsten Fall um eine einzelne Linse handeln kann), um sowohl den von der Strahlungsquelle emittierten Strahl auf die Meßfläche als auch den von dieser remittierten Strahl auf dem Detektor zu richten. Dies gelingt dadurch, daß die bei­ den Strahlen Umlenkelemente durchsetzen, die zwi­ schen der Linsenanordnung und der Meßfläche vorge­ sehen sind. Da das Gerät mit einem einzigen Objektiv auskommt, das von allen konzentrisch angeordneten Meßanordnungen gemeinsam benutzt wird, kann das Objektiv hochkorrigiert sein, ohne den Gesamtaufwand des Gerätes unwirtschaftlich zu ma­ chen.

Die Tatsache, daß das gleiche Objektiv vom Meß­ strahl zweimal durchlaufen wird, führt zu einer automa­ tischen Korrektur der wichtigsten Bildfehler, z. B. Astig­ matismus.

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 ver­ gleichsweise lange Brennweiten aufweisen kann. Die Verwendung von optischen Elementen mit langen Brennweiten ist deshalb von Vorteil, weil bei der Ferti­ gung mit größeren Toleranzen gearbeitet werden kann.

In der Weiterbildung der Erfindung nach Anspruch 2 ergibt sich ein besonders handliches und schlankes Ge­ rät zur Messung auch an kleinen und schwer zugängli­ chen Oberflächenbereichen.

In der Ausgestaltung der Erfindung nach Anspruch 3 wird es ferner möglich, eine einzige Strahlungsquelle und einen einzigen Detektor für die verschiedenen Meßanordnungen einzusetzen. Eine besonders einfach zu handhabende Gestaltung ist dabei in Anspruch 4 an­ gegeben.

Die Weiterbildung der Erfindung nach Anspruch 5 ist insofern vorteilhaft, als für die verschiedenen Strahlen­ gänge vor allem der mit den geringsten optischen Feh­ lern behaftete mittlere Bereich des Objektivs herange­ zogen wird.

Bei der nach Anspruch 6 bevorzugten Verwendung von totalreflektierenden Prismen werden Polarisations­ effekte vermieden.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachste­ hend anhand der Zeichnungen näher erläutert. Darin zeigt

Fig. 1 einen Längsschnitt durch ein Gerät gemäß ei­ ner 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 Fig. 1 gezeigte Gerät weist ein zylindrisches rohrförmiges Gehäuse 10 auf, das mit seiner unteren Fläche stehend auf die Meßfläche 11 aufsetzbar ist. Im oberen Teil des Gehäuses ist eine Beleuchtungseinrich­ tung 12 angeordnet, die eine Lichtquelle 13, eine Meß­ fleckblende 14 und eine Hilfsoptik 15 aufweist.

Der von der Beleuchtungseinrichtung 12 emittierte, in Fig. 1 dick-gestrichelt dargestellte Lichtstrahl A durch­ setzt zunächst eine Blendenöffnung 16, die in einer senk­ recht zur Achse des Gehäuses 10 angeordneten Blen­ denplatte 17 vorgesehen ist. Der Lichtstrahl A verläuft ferner durch eine in dem Gehäuse 10 weiter unten ange­ ordnete, senkrecht zur Gehäuseachse N stehende Fil­ terplatte 18 und ein darunter angeordnetes Objektiv 19, das in Fig. 1 als einzelne Sammellinse veranschaulicht ist, und wird von einem totalreflektierenden Prisma 20 so umgelenkt, 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 re­ mittierte) Strahl A' wird von einem weiteren totalreflek­ tierenden Prisma 20' umgelenkt, 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 Photoelement 22 empfangene Signal wird von einer im oberen Gehäuse­ teil angeordneten Elektronik 23 ausgewertet.

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

Wie in Fig. 2 gezeigt, weist die Blendenplatte 17 ins­ gesamt 8 in Umfangsrichtung um jeweils 45° versetzte Blendenöffnungen 16, 16', 26, 26', 27, 27', 28 und 28', die jeweils paarweise diametral einander gegenüber ange­ ordnet 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 Beleuchtungsein­ richtung 12 nach Fig. 1 entsprechen. Über den Blenden­ öffnungen 26', 27' und 29 sind weitere (nicht gezeigte) Photoelemente angeordnet, die dem in Fig. 1 über der mittleren Blendenöffnung 29 befindlichen Photoele­ ment 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-gestrichelte Strahl B von der über der Blen­ denöffnung 26 angeordneten (nicht gezeigten) Beleuch­ tungseinrichtung ausgeht, die Filterplatte 18 und das Objektiv 19 durchsetzt und von einem Prisma 31 unter einem Winkel von 85° zur Gehäuseachse N auf den Meßfleck 21 gerichtet wird. Der von der Meßfleck 21 unter einem Winkel von 85° reflektierte Strahl B' wird von einem weiteren Prisma 31' umgelenkt, durchsetzt erneut das Objektiv 19 und die Filterplatte 18 und ge­ langt an das über der Blendenöffnung 26' angeordnete (nicht gezeigte) Photoelement.

In ähnlicher Weise gelangt der in Fig. 1 ebenfalls dünngestrichelt gezeigte Lichtstrahl C, der von der oberhalb der Blendenöffnung 27 angeordneten (nicht gezeigten) Beleuchtungseinrichtung 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 Meßfleck 21 gerichtet, und der unter dem gleichen Win­ kel 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' angeordnetes weiteres (nicht gezeigtes) Photoelement.

Die mit den Strahlen A, B und C arbeitenden Meß­ geometrien dienen der normgerechten Glanzmessung, wobei die 20°/20°-Meßgeometrie insbesondere zur Er­ fassung 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 modifi­ zierten Meßgeometrien - heranziehen.

Wie aus der obigen Beschreibung und Fig. 1 ersicht­ lich, verlaufen die von der Beleuchtungseinrichtung 12 emittierten und in das Photoelement 22 eintretenden Strahlen wegen ihrer Umlenkung in den Prismen we­ sentlich steiler als die auf die Meßfläche 11 auftreffen­ den und von ihr reflektierten Strahlen und können daher als im wesentlichen koaxial zur Gehäuseachse N ange­ sehen werden. Daraus resultiert der insgesamt schlanke Aufbau des Geräts.

Wie anhand von Fig. 2 erläutert, sind die Paare von Blendenöffnungen 16-16', 26-26' und 27-27' in einer die Gehäuseachse N enthaltenden Ebene aber in unter­ schiedlichen Winkeln bezüglich dieser angeordnet. Ent­ sprechend sind auch die Prismenpaare 20-20', 31-31' und 32-32' in unterschiedlichen Radialebenen ange­ ordnet. Die drei so gebildeten Beleuchtungsanordnun­ gen sind also insgesamt konzentrisch um die Gehäuse­ achse N verteilt. (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' angeordneten Beleuchtungseinrichtungen erzeugen jeweils einen in Fig. 1 mit D bezeichneten Lichtstrahl, der jeweils über ein Prisma 33 unter einem Winkel von 45° auf den Meß­ fleck 21 gerichtet wird. In diesem Fall wird der längs der Gehäuseachse N reflektierte Strahl ausgenutzt, der das Objektiv 19, eine in der Filterplatte 18 zentrisch vorge­ sehene Öffnung 34 und die mittlere Blendenöffnung 29 durchsetzt und von dem Photoelement 30 erfaßt wird. Diese mit dem Strahl D arbeitende 45°/0°-Meßanord­ nung dient zur Farbmessung.

In alternativer Ausgestaltung kann auch über der Blendenöffnung 28' ein Detektor angeordnet sein und mit der über der Blendenöffnung 28 angeordneten Be­ leuchtungseinrichtung zur Erzielung einer 45°/45°-Meßgeometrie herangezogen werden.

Anstelle der oben beschriebenen Ausgestaltung mit mehreren in Umfangsrichtung verteilt angeordneten Beleuchtungseinrichtungen 12 und diametral gegen­ überliegenden Photoelementen 22 ist es auch möglich, den diese Bauelemente enthaltenden oberen Gehäuse­ teil gegenüber dem die Blendenplatte 17, die Filterplatte 18, das Objektiv 19 und die Prismen 20, 20', 31, 31', 32, 32' und 33 enthaltenden unteren Gehäuseteil um die Ge­ häuseachse N drehbar zu gestalten. Die einzige Be­ leuchtungseinrichtung 12 kann dann durch Relativdre­ hung der beiden Gehäuseteile auf die entsprechende Blendenöffnung ausgerichtet und so für die entspre­ chende Meßgeometrie herangezogen werden, wobei das einzige Photoelement 22 gleichzeitig auf die diame­ tral gegenüberliegende Blendenöffnung ausgerichtet wird. Unter Drehung der Gehäuseteile 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 Beleuchtungseinrichtung 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 Ausführungsform nach Fig. 1 findet also keine Überkreuzung zwischen den Strahlen A und A', B und B', C und C' statt. In diesem Fall durchsetzen sämtliche Strahlen den Rand­ bereich des Objektivs 19, wo etwaige Linsenfehler aus­ geprägter sind. Infolge des doppelten Durchsetzens fin­ det 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 di­ rekt unter diesem Winkel aus der Beleuchtungseinrich­ tung 12 austreten bzw. auf das Photoelement 22 fallen zu lassen.

In den obigen Ausführungsbeispielen ist angenom­ men worden, daß zur Umlenkung der Strahlen A, B, C und D totalreflektierende Prismen verwendet werden. Statt dessen ist es grundsätzlich auch möglich, mit Spie­ geln zu arbeiten, die einen noch gedrängteren Aufbau gestatten, wegen der an ihnen auftretenden Polarisa­ tionseffekte jedoch nachteilig sind.

Claims (6)

1. Gerät zur Bestimmung visueller Oberflächeneigenschaften, umfassend
eine Strahlungsquelle (13),
einen Detektor (22),
ein Linsenobjektiv (19), das den von der Strahlungs­ quelle (13) emittierten Strahl (A; B; C) auf die Meßfläche (11) und den von der Meßfläche (11) remittierten Strahl (A'; B'; C') auf den Detektor (22) richtet, und
eine zwischen dem Objektiv (19) und der Meßfläche (11) vorgesehene Strahlumlenkeinrichtung (20, 20'),
dadurch gekennzeichnet, daß die Strahlumlenkeinrichtung mindestens zwei Paare von Strahlumlenkelementen (20, 20'; 31, 31'; 32, 32') aufweist, wobei das eine Strahlumlenkelement (20; 31; 32) jedes Paares den Strahl (A; B; C) der Strah­ lungsquelle (13) unter einem vorgegebenen Winkel auf die Meß­ fläche (11) und das andere (20'; 31'; 32') den unter einem vorgegebenen Winkel remittierten Strahl (A'; B'; C') auf den Detektor (22) richtet, wobei die Paare von Strahlumlenkele­ menten (20, 20'; 31, 31'; 32, 32') unterschiedliche Einfalls- und Remissionswinkel bezüglich der Meßfläche (11) haben, und wobei die Ebenen der von den einzelnen Paaren von Strahlum­ lenkelementen definierten Strahlengänge (A, A'; B, B'; C, C') um eine zur Meßfläche (11) senkrechte Mittelachse (N) gegen­ einander verdreht sind.

2. Gerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die von der Strahlungsquelle (13) emittierten und die auf den De­ tektor (22) auftreffenden Strahlen im wesentlichen senkrecht zur Meßfläche (11) verlaufen.

3. Gerät nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine einzige Strahlungsquelle (13) und ein einziger De­ tektor (22) vorhanden sind, die durch gemeinsame Drehung um die Mittelachse (N) auf jedes Paar von Strahlumlenkelementen (20, 20'; 31, 31'; 32, 32') ausrichtbar sind.

4. Gerät nach Anspruch 3, gekennzeichnet durch einen gene­ rell zylindrischen ersten Gehäuseteil, der das Objektiv (19) und die Strahlumlenkelemente (20, 20'; 31, 31'; 32, 32') ent­ hält, und einen zu dem ersten Gehäuseteil um die Mittelachse (N) drehbaren zweiten Gehäuseteil, der die Strahlungsquelle (13) und den Detektor (22) enthält.

5. Gerät nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der von der Strahlungsquelle (13) emittierte Strahl (A) und der von der Meßfläche (11) remittierte Strahl (A') einander kreuzen.

6. Gerät nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Strahlumlenkelemente (20, 20'; 31, 31'; 32, 32'; 33) totalreflektierende Prismen sind.