DE4434203A1 - Vorrichtung zum Messen visueller Eigenschaften von Oberflächen - Google Patents
Vorrichtung zum Messen visueller Eigenschaften von OberflächenInfo
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Description
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Mes
sen von visuellen Eigenschaften von Oberflächen.
Unter "visuellen Eigenschaften" einer Oberfläche sollen hier
die physikalischen Eigenschaften einer Oberfläche verstanden
werden, die das Aussehen der Oberfläche für den menschlichen
Betrachter bestimmen, das sind insbesondere Eigenschaften
wie Farbe, Glanz, Oberflächentexturen etc.
Eine Vorrichtung zum Messen von visuellen Eigenschaften von
Oberflächen, und speziell des Reflexionsverhaltens von Ober
flächen, ist mit der EP-B-0 438 468 bekannt geworden. Bei
dieser bekannten Vorrichtung ist eine Lichtquelle vorgese
hen, deren Licht in einem vorgegebenen Winkel auf die zu
messende Oberfläche gerichtet ist. Das von der Oberfläche im
entsprechenden Winkel reflektierte Licht wird durch einen
lichtempfindlichen Sensor gemessen. Dadurch ist es möglich,
den Glanz der Oberfläche zu erfassen. Die bekannte Vorrich
tung wird z. B. eingesetzt, um das Glanzverhalten von Auto
lacken und dgl. zu beurteilen.
Die Funktion dieser Vorrichtung wird nachfolgend in bezug
auf die Glanzmessung beschrieben:
Mit dieser bekannten Vorrichtung ist nur eine Aussage über
das Glanzverhalten von Flächen in dem Bereich möglich, in
dem das Fresnel′sche Reflexionsgesetz gilt, d. h., daß der
Ausfallswinkel gleich dem Einfallswinkel ist. Tatsächlich
ist dieser sogenannten Spiegelreflexion häufig eine diffuse
Reflexion überlagert, die zu einem Aussehen der Oberfläche
führt, das als Glanzschleier, im englischen Haze, bezeichnet
wird. Bei glänzenden Oberflächen mit Glanzschleier nimmt der
Kontrast und die Brillianz der Reflexion ab, wodurch die
Oberfläche meßtechnisch einen hohen Glanzwert ergibt, vom
menschlichen Betrachter jedoch nicht mehr als klar, sondern
als milchig oder trübe beurteilt wird.
Zur Messung von Schleierglanz wird üblicherweise eine Vor
richtung verwendet, wie sie in Fig. 10 dargestellt ist.
Diese bekannte Vorrichtung weist einen Tubus 1 auf, in den
ein Körper 2 eingelassen ist. In diesem Körper 2 befindet
sich ein Schlitz 4, dessen unteres Ende mit einer Photozelle
5 abgeschlossen ist.
Der Schlitz 4 ist durch eine Platte 6 abgedeckt, in deren
Mitte eine Blendenöffnung 7 vorgesehen ist und auf der je
weils ein Photosensor 9 angeordnet ist. Oberhalb dieses Pho
tosensors ist eine herkömmliche Filtereinheit 10 vorgesehen.
Mit diesem Gerät ist es möglich, einen Glanzkennwert und
Kennwerte für den Schleierglanz zu messen. Dabei entspricht
die Winkelabweichung, die zwischen dem idealen Reflexions
winkel bei exakter Fresnel′scher Reflexion auftritt und dem
Winkel, in dem die Lichtmenge durch die Schleierglanz-Senso
ren erfaßt wird, in etwa 2°.
Die Funktion dieser herkömmlichen Vorrichtung ist wie folgt:
Die zu messende Oberfläche wird durch eine nicht dargestell
te Lichtquelle beleuchtet, und es ist eine Optik vorgesehen,
um das reflektierte Licht in den in Fig. 10 dargestellten
Tubus zu leiten. Dabei verläuft die Richtung des Lichtein
falles genau parallel zur Längsachse 12 des Tubus. Das un
mittelbar in Richtung des Ausfallswinkels reflektierte Licht
fällt durch den Schlitz 7, der die Glanzblende darstellt,
auf den Photosensor 5. Die Intensität der einfallenden
Lichtmenge ist ein Maß für die Reflexionsfähigkeit der Ober
fläche und somit für Glanz.
Das Licht, welches von der Oberfläche mit einem geringfügig
kleineren oder größeren Winkel reflektiert wird, fällt nicht
durch die Glanzblende 7, sondern fällt zu einem Teil auf die
Photosensoren 9. Deren Fläche ist durch die Kanten 14 und
durch den Schlitz 7 der Glanzblende begrenzt.
Die Intensität des auf die Sensoren 9 auftreffenden Lichtes
ist ein Maß für den Schleierglanz. Bei einer exakt reflek
tierenden Oberfläche, beispielsweise bei einem Spiegel,
fällt die gesamte reflektierte Lichtmenge durch den Schlitz
7 auf den Photosensor 5 und kein Licht auf die Photosensoren
9. Bei einer hochglänzenden Oberfläche, die Schleierglanz
aufweist, fällt dagegen ein größerer Lichtanteil auf die
Sensoren 9.
Dieses bekannte Gerät hat den Nachteil, daß die Fertigungs
genauigkeit sehr hoch sein muß, um aussagekräftige Meßergeb
nisse zu erhalten. So müssen insbesondere die Glanzblende
und die Kanten 14, welche das Auftreffeld der Photosensoren
seitlich begrenzen, sehr genau gefertigt sein. Besondere
Schwierigkeiten ergeben sich, wenn das Gerät klein bauend
gefertigt werden soll, beispielsweise, um es als Handgerät
in der Produktionsüberwachung od. dgl. einzusetzen. In diesem
Fall verringern sich die Abmessungen der Blende und der Fer
tigungsaufwand steigt entsprechend.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine
Vorrichtung zum Messen visueller Eigenschaften von Oberflä
chen zu schaffen, bei welchem der Bauaufwand gegenüber dem
Stand der Technik vermindert ist und welche erheblich klei
ner baut als die im Stand der Technik bekannten Vorrichtun
gen. Ein weiterer Aspekt dieser Aufgabe ist es, eine Vor
richtung zum Messen visueller Eigenschaften zu schaffen, bei
welcher trotz des kompakten Aufbaues gemäß dem ersten Aspekt
der Aufgabe der Erfindung die Möglichkeiten zur Messung ge
genüber den im Stand der Technik bekannten Vorrichtungen
erheblich erweitert ist. Ein weiterer Aspekt der Aufgabe der
Erfindung ist es, ein Verfahren anzugeben, welches eine vor
teilhafte Erfassung der visuellen Eigenschaften von Oberflä
chen ermöglicht.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch den Gegenstand des
Anspruches 1 gelöst.
Das erfindungsgemäße Verfahren ist Gegenstand des Anspruches
24.
Zu bevorzugende Weiterbildungen der Erfindung sind
Gegenstand der Unteransprüche.
Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung sind die Sensoren im
Unterschied zur konventionellen Vorrichtung in einer gemein
samen Ebene angeordnet. Die Photosensoren bilden lichtemp
findliche Flächen auf einem gemeinsamen Substrat, wobei die
Fläche jeder lichtempfindlichen Schicht so gewählt ist, daß
sie in der Meßvorrichtung einem vorgegebenen Winkelbereich
des Reflexionswinkels entspricht.
Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung entfallen die bislang
erforderlichen Blenden, um die Lichtstrahlen auf den jeweils
zu verwendenden Photosensor zu leiten. Anstelle der Blenden
öffnungen treten die lichtempfindlichen Schichten der Photo
sensoren selbst.
Bei der Herstellung dieser lichtempfindlichen Schichten kön
nen die bekannten Techniken zur Herstellung von Halbleiter
elementen und integrierter Schaltungen verwendet werden, so
daß es möglich ist, die lichtempfindlichen Schichten mit
höchster Präzision hinsichtlich der Flächenausdehnung auf
dem gemeinsamen Substrat anzuordnen. Durch die Verwendung
dieser Techniken kann ebenfalls erreicht werden, daß der
Abstand, den die lichtempfindlichen Flächen zueinander haben
müssen, um elektrisch gegeneinander isoliert zu sein, sehr
klein ist.
Durch diesen Aufbau ist es möglich, die lichtempfindlichen
Flächen relativ klein zu gestalten. Dadurch kann der Abstand
von der Meßfläche verringert werden, wodurch das Gerät ins
gesamt kleinbauend hergestellt werden kann.
Während beim vorstehend beschriebenen konventionellen Gerät
die Länge des Meßkopfes 30 cm beträgt, ist es möglich, durch
die erfindungsgemäße Gestaltung die Abmessungen auf einen
Wert zwischen 5 und 10 cm zu verringern, d. h. daß sich die
Größe auf 1/4 der konventionellen Meßeinrichtung reduziert.
Weiterhin entfällt die mechanische Fertigung und der Einbau
und die Ausrichtung der Blenden, so daß der Aufwand zur Ge
staltung der Vorrichtung insgesamt erheblich vermindert
wird. Außerdem wird das Gerät durch den Fortfall der mecha
nischen Bauelemente auch robuster, so daß der Einsatz in der
Produktion wesentlich unproblematischer ist, als bei den
bisher bekannten Geräten.
Die Fotosensoren können unterschiedlich beschaffen sein.
Vorzugsweise werden Substrat und lichtempfindliche Schicht
so gewählt, daß die Fotosensoren als Fotodiode wirken. Es
ist aber auch möglich, die Fotosensoren als Fototransistoren
oder als Fotothyristoren oder dergleichen zu gestalten.
Zur Messung von Glanz und Schleierglanz werden vorzugsweise
drei lichtempfindliche Flächen verwendet, wobei dann die
mittlere Fläche der Glanzmessung dient und links und rechts
von dieser Fläche eine entsprechend gestaltete Fläche zur
Erfassung des Schleierglanzes vorgesehen ist. Die Flächen
werden dabei so gewählt, daß der Winkelabstand vom Mittel
punkt der Meßeinrichtung, d. h. von einer Symmetrieebene der
lichtempfindlichen Schicht zur Glanzmessung, zur Symmetrie
ebene der Schleierglanzmessung 1,8 ± 0,3° beträgt. Selbst
verständlich sind auch davon abweichende Ausführungen mög
lich.
Die Anordnung von zwei lichtempfindlichen Flächen in einem
Winkelabstand von 2° zum idealen Einfallswinkel, d. h. zum
Einfallswinkel gemäß Reflexionsgesetz, ist besonders gün
stig, um das Phänomen des Schleierglanzes zu beurteilen.
Neben einem Winkelabstand von 2° gibt es aber noch andere
Winkelabstände, die bei der Beurteilung der Reflexionseigen
schaften von Oberflächen Bedeutung erlangt haben.
So ist in der amerikanischen Norm ASTM E430 neben dem 2°-
Meßwinkel auch ein 0,3° Meßwinkel genormt, der zur Erfassung
einer Reflexionseigenschaft geeignet ist, die als distinct
ness of image (abgekürzt D/I) bezeichnet wird.
Die lichtempfindliche Fläche für die D/I-Messung wird zwi
schen der lichtempfindlichen Fläche für die eigentliche
Glanzmessung (idealer Einfallswinkel) und der 2°-Lichtmeß
fläche angeordnet.
Ein weiteres, durch die vorgenannte ASTM-Norm genormtes Be
urteilungskriterium für das Reflexionsverhalten von Oberflä
chen ist die Reflexion im Winkel von 5° zum idealen Refle
xionswinkel. Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung kann auch in dieser Winkelstellung eine licht
empfindliche Fläche vorgesehen werden, um die in diesem Be
reich reflektierte Lichtmenge zu erfassen. Es ist zu bevor
zugen, daß auch diese lichtempfindliche Fläche (bzw. bei
symmetrischem Aufbau) diese lichtempfindlichen Flächen auf
dem gleichen Substrat angeordnet sind, wie die Flächen zur
D/I- und zur Schleierglanzmessung. Es ist aber auch möglich,
daß in diesem Fall diese Flächen zwar in der gleichen Ebene,
jedoch auf einem getrennten Substrat angeordnet sind.
Reflexionsmessungen werden in der Regel in der Weise durch
geführt, daß der einfallende Lichtstrahl und der reflektier
te Lichtstrahl in der gleichen Ebene liegen. Dies wird er
reicht, wenn die beiden Lichtstrahlen in einer Ebene liegen,
die exakt senkrecht zur Meßfläche ist.
Insbesondere bei einem vereinfachten Geräteaufbau ist es
denkbar, daß das Erfordernis eines exakt senkrechten Auf
treffens des Lichtes auf die Meßfläche nicht erreicht wird.
In diesem Fall ist es zu bevorzugen, daß mehrere lichtemp
findliche Flächen in bezug auf die Auftreffebene des Licht
strahles auf die Oberfläche nebeneinander angeordnet werden.
Bei dieser Ausführungsform kann dann durch einen Vergleich
der Meßwerte der einzelnen Flächen festgestellt werden, wel
ches die Hauptreflexionsrichtung der Fläche ist.
Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung
werden eine Vielzahl von lichtempfindlichen Flächen in einem
ebenen Feld auf einem gemeinsamen Substrat angeordnet. Dabei
weisen alle Feldelemente vorzugsweise die gleichen Abmessun
gen auf.
Bei dieser Ausführungsform ist weiterhin eine Steuereinrich
tung vorgesehen, die einen Speicher aufweist, in dem be
stimmte Meßfeld-Geometrien abgespeichert sind. Wird mit ei
nem solchen Sensorelement eine Reflexionsmessung durchge
führt, werden diejenigen lichtempfindlichen Flächen zur Mes
sung herangezogen, die im jeweiligen geometrisch definierten
Meßbereich liegen. Dadurch ist es möglich, den Meßbereich in
beliebiger Weise zu verändern und das Meßverhalten von un
terschiedlichen Reflexionsmeßgeräten nachzuahmen.
Für die Reflexionsmessung ist die Belichtung der zu messen
den Oberfläche üblicherweise so vorgesehen, daß die von der
Lichtquelle ausgehenden Lichtstrahlen parallel in dem vor
bestimmten Winkel zur Oberfläche gerichtet sind. Eine solche
Lichtquelle mit parallelen Lichtstrahlen kann vorteilhaft
bei allen vorstehend beschriebenen Ausführungsformen ein
gesetzt werden.
Davon abweichend kann aber auch bei allen vorbeschriebenen
Ausführungsformen eine Lichtquelle mit punktförmiger Charak
teristik verwendet werden. Bei einer solchen Punktlicht
quelle fallen die Strahlen nicht parallel auf die zu mes
sende Oberfläche, sondern in voneinander abweichendem Win
kel. Die Verwendung einer solchen Punktlichtquelle ermög
licht es, Messungen und Beurteilungen von visuellen Eigen
schaften der Oberfläche vorzunehmen, die mit parallelen
Lichtstrahlen nicht möglich sind.
Bei einer vorteilhaften Weiterbildung aller vorstehend be
schriebenen Ausführungsbeispiele ist es auch möglich, die
Lichtquelle so anzuordnen, daß wahlweise eine Belichtung der
zu messenden Fläche mit parallelen Lichtstrahlen oder mit
einer Punktlichtquelle möglich ist. Dies kann beispielsweise
erreicht werden, indem die Linsenanordnung, durch welche die
Lichtquelle die Oberfläche bestrahlt, um einen parallelen
Strahlengang zu erreichen, aus dem Strahlengang entfernt
werden kann. Weiterhin ist es denkbar, daß im gleichen Gerät
zwei verschiedene Meßanordnungen, beispielsweise mit zwei
verschiedenen Meßwinkeln, untergebracht sind.
Bei allen bislang beschriebenen Ausführungsformen wird davon
ausgegangen, daß die lichtempfindlichen Flächen dafür vor
gesehen sind, die Intensität des auf sie auftreffenden Lich
tes zu erfassen. Insbesondere, aber nicht ausschließlich bei
der Ausführungsform, bei welcher eine Vielzahl von lichtemp
findlichen Flächen verwendet wird, ist es vorteilhaft, diese
lichtempfindlichen Flächen in der Weise anzuordnen, daß sie
eine unterschiedliche spektrale Charakteristik aufweisen, so
daß nicht nur die Intensität, sondern auch die spektrale
Charakteristik, und, bei entsprechender Wahl der spektralen
Charakteristik der lichtempfindlichen Flächen, auch die
Farbe des von der Oberfläche reflektierten Lichtes erfaßt
werden kann.
Apparativ kann diese zuletzt beschriebene Variante in einer
kompakten Bauweise verwirklicht werden, indem zur Messung
des reflektierten Lichtes ein Farb-CCD-Chip verwendet wird.
In einem solchen Fall kann die Vorrichtung auch unmittelbar
zur Farbmessung eingesetzt werden. Um die Vorrichtung den
verschiedenen geltenden Standards für die Farbmessung anzu
passen, ist es in diesem Fall zu bevorzugen, daß eine Licht
quelle verwendet wird, die die zu messende Oberfläche in
einem solchen Winkel bestrahlt, daß die mit einer im wesent
lichen der Fresnel′schen Reflexion zugehörigen Reflexionsan
teile nicht vom Sensor erfaßt werden.
Weitere Vorteile, Merkmale und Anwendungsmöglichkeiten der
vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden
Beschreibung von Ausführungsbeispielen im Zusammenhang mit
der Zeichnung.
Darin zeigen:
Fig. 1 ein Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfin
dung;
Fig. 2 eine Aufsicht auf das Sensorelement, welches in
der Vorrichtung gemäß Fig. 1 verwendet wird;
Fig. 3 einen Schnitt durch das Sensorelement gemäß Fig.
2;
Fig. 4 eine Aufsicht auf ein weiteres Ausführungsbeispiel
eines Sensorelementes;
Fig. 5 eine weitere Aufsicht auf ein Ausführungsbeispiel
eines Sensorelementes;
Fig. 6 ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Sensorele
mentes, bei welchem die zur Lichtmessung herange
zogenen Flächen variiert werden können,
Fig. 7 eine Darstellung zur weiteren Erläuterung des Aus
führungsbeispiels gemäß Fig. 6 in der Aufsicht;
Fig. 8 ein Diagramm, welches das Reflexionsverhalten
einer Oberfläche zeigt, wobei auf der Ordinate die
gemessene Lichtintensität und auf der Abszisse die
Winkelabweichung bezüglich des idealen Reflexions
winkels aufgetragen ist;
Fig. 9 den prinzipiellen schaltungstechnischen Aufbau
einer Meßeinrichtung, wie er bei den Ausführungs
beispielen gemäß Fig. 1 bis 8 zu verwenden ist;
Fig. 10 ein weiteres Ausführungsbeispiel der vorliegenden
Erfindung, welches auch zu weitergehenden Messun
gen geeignet ist, und
Fig. 11 eine herkömmliche Vorrichtung zur Messung von
Glanz und Schleierglanz.
Ein erstes Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nun in
bezug auf die Fig. 1 beschrieben.
Die in Fig. 1 schematisch dargestellte Reflexions-Meßein
richtung weist ein Gehäuse 1 auf, in welchem ein erster Be
lichtungstubus 2 angeordnet ist. In diesem Belichtungstubus
ist, schematisch angedeutet, eine Lichtquelle 3 angeordnet,
eine Blende 4 und eine Linse 5.
Durch die Linse 5 wird erreicht, daß das Licht parallel ge
bündelt durch die Öffnung 7 auf die Meßfläche 8 auftrifft.
Von der Meßfläche 8 wird das Licht reflektiert und tritt in
den Meßtubus 10 ein. Dieser Meßtubus weist ebenfalls eine
Linse 11 auf, sowie eine Blende 12 und hinter dieser Blende
12 den eigentlichen Sensor 13.
Die Reflexions-Meßvorrichtung weist weiterhin eine (nicht
dargestellte) Steuereinrichtung auf, durch welche der Be
trieb der Vorrichtung gesteuert wird und eine ebenfalls
nicht dargestellte Anzeigeeinrichtung, durch welche die ge
messenen Reflexionswerte angezeigt werden.
Der Aufbau des Meßsensors 14 wird nun im einzelnen in bezug
auf die Fig. 2 und Fig. 3 erläutert.
In einem gemeinsamen Substrat 20 sind vier als elektrische
Anschlüsse dienende Metallstifte 21, 22, 23, 24 angeordnet,
wobei der Anschluß 22 als gemeinsame Anode dient.
Auf diesem gemeinsamen Substrat sind, elektrisch voneinander
isoliert, drei lichtempfindliche Flächen als Schichten auf
gebracht, nämlich eine erste lichtempfindliche Fläche 25 und
je eine symmetrisch dazu angeordnete lichtempfindliche Flä
che 26 und 27. Die lichtempfindliche Fläche 25 ist rechteck
förmig, wobei die Symmetrielinien des Rechtecks mit den Sym
metrielinien des kreisförmigen Substrates und der elektri
schen Anschlüsse zusammenfallen.
Die lichtempfindlichen Flächen 26 und 27 sind ebenfalls
rechteckförmig gestaltet und entsprechen in ihrer Brei
tenabmessung in etwa der Breite der lichtempfindlichen
Schicht 25, während die Längenabmessung etwas größer ist als
die Längenabmessung der lichtempfindlichen Fläche 25. Die
lichtempfindlichen Flächen sind jeweils mit einem der elek
trischen Anschlüsse 22, 23, 24 verbunden.
Beim Ausführungsbeispiel beträgt die Breite der lichtemp
findlichen Flächen ca. 0,8 mm, die Länge der Fläche 25 be
trägt ca. 1,5 und die Länge der Flächen 26 und 27 ca. 2,4
mm. Diese Werte werden allerdings nur beispielhaft genannt
und stellen keine Einschränkung in der Abmessung nach unten
oder nach oben dar.
Das Substrat sowie das Material und der Aufbau der lichtemp
findlichen Flächen 25, 26 und 27 sind so gewählt, daß jede
dieser Flächen die lichtempfindliche Fläche einer Sensordio
de bildet.
Die Steuereinrichtung aktiviert die Lichtquelle 3, deren
Licht mit paralleler Strahlung auf die Meßoberfläche 8 auf
trifft. Von der Meßoberfläche 8 wird das Licht reflektiert,
tritt durch die Linse 11 und die Blende 12 durch und fällt
auf den Sensor 14. Der Sensor 14 ist so ausgerichtet, daß
eine Gerade, deren Richtung dem idealen Reflexionswinkel
entspricht, exakt durch den Schnittpunkt der Symmetrielinien
der Meßfläche 25 hindurchtritt.
Das auf die lichtempfindliche Schicht 25 auftreffende Licht
wird durch die Steuereinrichtung gemessen und ist ein Maß
für den Glanz. Dabei erfolgt die Ermittlung des Glanzkenn
wertes in der Weise, wie dies in der EP-B-0 438 468 be
schrieben ist.
Stellt die Meßfläche 8 keine ideal reflektierende Spiegel
fläche dar, wird auch Licht in eine Richtung reflektiert,
die vom idealen Reflexionswinkel abweicht. Ein Teil dieses
Lichtes fällt auf die lichtempfindlichen Flächen 26 und 27,
so daß dort ein entsprechender Lichtstrom gemessen werden
kann. Das diesem entsprechende elektrische Signal ist ein
Maß für den Schleierglanz.
Da die lichtempfindlichen Flächen sehr exakt auf dem
Substrat angeordnet werden können, ist es möglich, die Flä
chen wie beim Ausführungsbeispiel relativ klein zu halten.
Dadurch ist es möglich, den Abstand zwischen der Meßfläche 8
und dem Sensor 14 sehr klein zu gestalten, so daß die Vor
richtung insgesamt sehr kleinbauend hergestellt werden kann.
Das Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 1 ist mit einem Winkel
von 45° dargestellt. Entsprechend den üblichen Meßgeometrien
kann dieser Winkel verändert werden, so sind auch Winkel von
20°, 30°, 45°, 60° und 85° möglich. Falls abweichende Normen
der Reflexionsmessung zugrundegelegt werden, können diese
Werte auch anders gestaltet werden.
Weiterhin ist beim Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 1 ein
Lichttubus vorgesehen, der Licht in einem bestimmten Winkel
zur Oberfläche ausstrahlt und ein Tubus 14, in dem das re
flektierte Licht gemessen wird. Statt dessen können auch zwei
oder drei derartige Einrichtungen in einer Vorrichtung an
geordnet werden, wie dies in der EP-B-0 438 468 gezeigt ist.
Wenn zwei oder drei derartige Vorrichtungen angeordnet sind,
können verschiedene Meßwinkel und Meßgeometrien in der glei
chen Vorrichtung verwendet werden.
Bei der Vorrichtung gemäß Fig. 1 wird weiterhin der Licht
strahl direkt auf die Oberfläche geleitet. Insbesondere bei
großen Reflexionswinkeln können statt der direkten Leitung
auch Umlenkelemente verwendet werden, beispielsweise total
reflektierende Prismen oder Lichtleiter, welche das Licht so
umlenken, daß es im gewünschten Meßwinkel auf die Oberfläche
fällt. Wird ein solches lichtumlenkendes Element verwendet,
so wird zweckmäßigerweise auch die andere Seite der Meßein
richtung, also der Tubus mit dem Sensor mit den entsprechen
den Umlenkeinrichtungen versehen.
Ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nun in
bezug auf die Fig. 4 beschrieben. Dieses Ausführungsbeispiel
ist genauso aufgebaut wie in Fig. 1 und kann auch mit ent
sprechenden Licht-Umlenkeinrichtungen versehen werden, wie
dies in bezug auf die Fig. 1 erläutert worden ist. Im Unter
schied zur Gestaltung gemäß Fig. 1 ist der Sensor 14 jedoch
anders gestaltet, als dies in Fig. 2 und Fig. 3 dargestellt
ist.
Der Sensor 14 weist hier ein im wesentlichen rechteckförmi
ges Substrat 30 auf, auf dem eine Vielzahl von licht
empfindlichen Flächen aufgebracht sind. Dabei entspricht die
mittlere Fläche 31 der lichtempfindlichen Fläche 25 beim
Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 2 und ist so angeordnet, daß
der ideale Winkel, mit dem das Licht von einer Meßfläche 8
reflektiert wird, den Schnittpunkt der Symmetrielinien des
Rechtecks 31 schneidet.
Neben dieser lichtempfindlichen Fläche 31 sind zwei schmale
Flächen 32, 33 vorgesehen, welche der vorstehend erörterten
D/I-Messung dienen.
Neben diesen Feldern 32, 33 sind Felder 34, 35 vorgesehen,
welche im wesentlichen die gleiche Funktion haben wie die
Felder 26 und 27 beim Ausführungsbeispiel in Fig. 2 und der
Messung von Schleierglanz dienen.
Diese Felder weisen im wesentlichen einen Abstand von ca. 2°
zum idealen Reflexionswinkel auf.
Benachbart zu den Feldern 34 und 35 sind lichtempfindliche
Flächen 36, 37 vorgesehen, welche in ihrer Größe den Flächen
34 und 35 entsprechen, welche aber in einem Winkelabstand
von 5° zum idealen Reflexionswinkel angeordnet sind.
Der Betrieb dieser Vorrichtung erfolgt in gleicher Weise wie
bei der Vorrichtung gemäß Fig. 1. Im Unterschied zur dort
gezeigten Vorrichtung können hier jedoch unterschiedliche
Werte, die zur Reflexionsbeurteilung der Oberfläche dienen
und beispielsweise in zitierten ASTM E430 genormt sind, ge
messen werden. Dabei ist der Aufbau, wie auch der Aufbau
beim Ausführungsbeispiel der Fig. 2 besonders einfach und
bedarf keiner komplizierten Blenden- und Schlitzanordnungen
wie bei den bekannten herkömmlichen Geräten.
Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 4 ist der Abstand
zwischen den außenliegenden Feldern 36, 37 und den benach
barten Feldern 34, 35 relativ groß, wobei die Felder 34, 35
einen Winkelabstand von 2° aufweisen, während die Felder 36,
37 einen Winkelabstand von 5° zum idealen Reflexionswinkel
aufweisen.
Bei diesem Ausführungsbeispiel ist es deshalb auch möglich,
die Felder 36 und 37 auf einem eigenen Substrat unabhängig
von den übrigen Feldern anzuordnen, wobei aber auch diese
Felder dann in der gleichen Ebene angeordnet sind, wie die
übrigen Felder.
Ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Sensoreinrichtung,
wie sie in der Vorrichtung gemäß Fig. 1 verwendet werden
kann, wird nun in bezug auf die Fig. 5 beschrieben.
Bei dieser Sensoreinrichtung ist die gleiche Anordnung der
Felder gezeigt, wie sie auch in Fig. 4 dargestellt ist. Die
Bezugszeichen sind deshalb identisch und lediglich mit einem
Strich zur Unterscheidung gekennzeichnet.
Der Unterschied zu der Gestaltung der Fig. 4 liegt darin,
daß die einzelnen Felder 31′ bis 37′ in ihrer Längsausdeh
nung dreimal unterteilt sind, wodurch drei Feldbereiche
31′a, 31′b und 31′c gebildet werden.
Der Betrieb dieser Vorrichtung erfolgt bis auf eine Abwand
lung in gleicher Weise wie beim Ausführungsbeispiel gemäß
Fig. 1 und Fig. 2-3. Die Abwandlung liegt darin, daß die
(nicht dargestellte) Steuereinrichtung während der Messung
die mit den lichtempfindlichen Flächen 31′a, 31′b und 31′c
gemessenen Lichtintensitäten miteinander vergleicht. Ent
sprechendes gilt für die übrigen Felder, d. h. es werden in
gleicher Weise die Intensitäten, die in den Feldern 35′a,
35′b und 35′c erfaßt worden sind, verglichen. Anhand dieses
Vergleiches wird in der Steuereinrichtung festgestellt, wel
che der Feldbereiche a, b und c die höchste Intensität auf
weist. Für die weitere Auswertung der Messung werden dann
nur die Intensitäten berücksichtigt, die in den jeweils ent
sprechenden Feldern, also in allen Feldern mit dem Buchsta
ben a oder in allen Feldern mit dem Buchstaben b oder in
allen Feldern mit dem Buchstaben c gemessen worden sind.
Der Vorteil dieser Anordnung ist, daß eine Verschiebung in
nerhalb der Reflexionsebene von der Vorrichtung erkannt und
korrigiert werden kann. Bei exakt ausgerichteter Reflexions
ebene wird die höchste Intensität in den Feldern b gemessen.
Ist die Reflexionsebene durch Ungenauigkeiten der Meßvor
richtung selbst, durch ein nicht exaktes Plazieren der Meß
vorrichtung auf der Meßfläche oder durch eine entsprechende
Gestaltung der Meßfläche selbst gegenüber der idealen Refle
xionsebene verschoben, so wird dies bei der gezeigten Anord
nung durch die Vorrichtung erkannt und berücksichtigt.
Die Gestaltung der Fig. 5 hat jedoch den Nachteil, daß auf
grund der unterschiedlichen Feldelemente nur Abweichungen in
der Reflexionsebene selbst erkannt werden können. Dieser
Nachteil wird durch das Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 6
behoben.
Bei diesem Ausführungsbeispiel ist ein gemeinsames Substrat
50 vorgesehen, welches rechtwinklig gestaltet ist und auf
dem eine Vielzahl von lichtempfindlichen Flächen 51 angeord
net sind, die (bei diesem Ausführungsbeispiel) jeweils qua
dratisch sind. Beim gezeigten Ausführungsbeispiel sind in
der Längserstreckung des Rechteckes insgesamt 15 Feldreihen
vorgesehen, welche mit den Buchstaben a bis p gekennzeichnet
sind, und in der Erstreckung entlang der kurzen Kantenlänge
7 Felder. Die Ausführung dieses Sensors erfolgt vorzugsweise
in der charged-coupled-device-Technik (CCD).
Der Sensor wird in einer Vorrichtung eingesetzt, wie sie in
bezug auf die Fig. 1 beschrieben worden ist.
Für die Funktion einer derart geschalteten Vorrichtung gibt
es mehrere Abwandlungen:
Eine erste Abwandlung der Funktion ist in der Weise aufge
baut, wie dies in Fig. 6 beschrieben ist. Bei dieser Ausfüh
rungsform wird eine Messung verwirklicht, wie sie in bezug
auf die Fig. 2 und 3 dargestellt ist. Dabei werden die ein
zelnen Flächen in der Weise zusammengefaßt, daß die mittlere
Fläche mit den Spalten f, g, h, i, k und den Reihen 2, 3, 4,
5 und 6 derartig zusammengeschaltet sind, daß sie eine Flä
che bilden, die der lichtempfindlichen Fläche 25 im Ausfüh
rungsbeispiel gemäß Fig. 2 entspricht. Die Spalten a, b, c,
d, e und die Reihen 1 bis 7 bzw. die Spalten l, m, n, o, p
und entsprechend die Reihen 1 bis 7 werden in der Weise zu
sammengeschaltet, daß sie eine lichtempfindliche Fläche er
geben, die der Anordnung der lichtempfindlichen Flächen 26,
27 gemäß Fig. 2 entspricht.
Die Messung kann dann in der gleichen Weise durchgeführt
werden, wie dies in bezug auf das Ausführungsbeispiel gemäß
Fig. 2 und 3 erläutert worden ist.
Eine besonders bevorzugte Variante der Steuerung des Ausfüh
rungsbeispiels gemäß Fig. 6 wird in bezug auf die Fig. 7
beschrieben.
Zunächst ist anzumerken, daß die Einteilung der Felder, wie
sie in bezug auf Fig. 6 beschrieben worden ist, wobei 15
Spalten und 7 Reihen gebildet werden, erheblich gesteigert
werden kann, so daß mehrere 100 oder 1000 Spalten und Reihen
als Meßflächen zur Verfügung stehen.
Fig. 7 zeigt ein entsprechend gestaltetes Substrat 60, wel
ches ebenfalls rechtwinklig gestaltet ist und auf dem eine
Vielzahl derartiger (dort nicht einzeln angezeichneter)
lichtempfindlicher Flächen angeordnet sind, wobei auch hier
die CCD-Bauweise verwendet wird.
Die Steuereinrichtung kann bei diesem Ausführungsbeispiel
verschiedene Meßprogramme durchführen, wobei die einzelnen
Programme in einem Speicher abgelegt sind und vom Benutzer
jeweils über eine entsprechende Eingabevorrichtung, Schalter
od. dgl. abgerufen werden können.
In einer ersten Variante der Benutzung des Sensors gemäß
Fig. 7 werden die einzelnen lichtempfindlichen Flächen durch
die Steuereinrichtung so geschaltet, daß Meßflächen entste
hen, wie dies beispielsweise in der Fig. 4 dargestellt ist.
Bei dieser Variante werden also immer die einzelnen Meßflä
chen oder Meßpunkte zur Messung herangezogen, die innerhalb
des vorgegebenen Feldbereiches liegen, wie dies in Fig. 4
durch die Felder 31 bis 37 eingezeichnet ist. Das Licht,
welches auf die übrigen lichtempfindlichen Flächen fällt,
die nicht innerhalb eines solchen Meßfeldes liegen, wird bei
der Messung nicht berücksichtigt.
Durch diese Gestaltung ist es möglich, eine Reflexionsmes
sung nach verschiedenen Normen durchzuführen. Wird bei
spielsweise eine Reflexionsmessung gemäß der erwähnten Norm
ASTM 340 durchgeführt, so werden die Flächen in der Weise
zusammengeschaltet, wie dies in Fig. 4 gezeigt ist. Wird
dagegen lediglich eine Messung gewünscht, mit der Glanz und
Schleierglanz zu erfassen ist, werden die einzelnen licht
empfindlichen Flächen in der Weise zusammengeschaltet, daß
sich Flächen ergeben, wie sie in Fig. 2 dargestellt sind.
Auf diese Weise können mit einem Sensor ganz unterschiedli
che Meßprogramme durchgeführt werden und dabei auch unter
schiedliche Reflexions-Meßnormen verwirklicht werden.
Bei dieser Variante des Ausführungsbeispiels gemäß Fig. 6
sind im Speicher der Steuereinrichtung die für die jeweilige
Messung zu verwendenden Feldgrenzen fest abgespeichert und
werden nicht variiert.
Bei einer Abwandlung, wie sie in Fig. 7 gezeigt ist, ist
zwar die Position der einzelnen Felder zueinander fest, die
zusammengeschalteten Felder, welche die lichtempfindlichen
Flächen bilden, können aber auf dem Sensor insgesamt ver
schoben werden. Bei dieser Verfahrensweise stellt die
Steuereinrichtung fest, in welchen einzelnen Feldern die
Lichtintensität am größten ist. Beim Ausführungsbeispiel
gemäß Fig. 7 ist dies durch einen Kreis 61 dargestellt. Es
wird nun bei der weiteren Messung angenommen, daß der Auf
treffpunkt 61 den Punkt markiert, der dem idealen Refle
xionswinkel entspricht. Um den Auftreffpunkt 61 wird dann
schaltungstechnisch eine Meßfläche 63 verwirklicht, welche
der Meßfläche 31 gemäß Fig. 4 bzw. der Meßfläche 25 gemäß
Fig. 2 entspricht und zur Messung des Glanzes dient. Die
übrigen in Fig. 7 dargestellten Meßflächen entsprechen den
Meßflächen, wie sie in Fig. 4 gezeigt sind. Diese Verfah
rensvariante hat den Vorteil, daß keine exakte Ausrichtung
der Sensorgeometrie in bezug auf die Meßfläche erforderlich
ist. Die Steuereinrichtung ist vielmehr in der Lage, Abwei
chungen der Meßgeometrie zu berücksichtigen und selbsttätig
zu korrigieren. Bei dieser Verfahrensweise ist es möglich,
die Toleranzen zur Herstellung der Meßvorrichtung selbst
großzügiger zu gestalten, wodurch die Kosten für die Her
stellung der Meßvorrichtung erheblich reduziert werden. Wei
terhin werden auch während des Gebrauchs auftretende Verän
derungen der Meßgeometrie automatisch korrigiert, so daß
Einrichtungen zur Justierung der einzelnen Elemente der Meß
einrichtung nicht erforderlich sind.
Eine Anordnung, wie sie in Fig. 6 und Fig. 7 gezeigt worden
ist, ermöglicht es darüber hinaus, das Reflexionsverhalten
an der Oberfläche in einem weiten Bereich der Reflexionswin
kel aufzunehmen, wie dies in bezug auf die Fig. 8 gezeigt
ist.
Im Diagramm gemäß Fig. 8 ist auf der Ordinate die gemessene
Lichtintensität aufgetragen und auf der Abszisse die Winkel
abweichung bezüglich des idealen Reflexionswinkels. Die ge
messene Intensität ist im Bereich des idealen Reflexionswin
kels am höchsten und nimmt dann mit zunehmenden Winkelab
stand ab. Aus der so erfaßten Kurve kann auf einfache Weise
das Reflexionsverhalten an der Oberfläche beurteilt werden.
Außerdem ist es möglich, aus der Kurve die Kennwerte abzu
leiten, welche gemäß den verschiedenen Normen das Refle
xionsverhalten von Oberflächen kennzeichnen. Dadurch ist es
möglich, mit einer einzigen Messung eine Meßkurve aufzuneh
men und alle sich daran anschließenden Auswertungen nume
risch, durch die Meßvorrichtung selbst oder in einer exter
nen Recheneinrichtung, beispielsweise in einem PC, vorzuneh
men.
Der prinzipielle schaltungstechnische Aufbau einer Meßein
richtung, wie sie bei den Ausführungsbeispielen gemäß Fig.
1-8 zu verwenden ist, wird nun in bezug auf die Fig. 9 er
läutert.
Dieser prinzipielle Meßaufbau ist für alle gezeigten Ausfüh
rungsbeispiele der selbe, lediglich die Programmierung
weicht je nach verwendeter Sensorart ab.
Die Meßeinrichtung weist insgesamt eine Steuereinrichtung 70
auf, welche einen handelsüblichen Mikroprozessor enthält,
der durch ein Programm gesteuert wird, welches in einem
Speicher 71 abgelegt ist.
Der Kommunikation der Steuereinrichtung 70 mit dem Benutzer
dient eine Eingabeeinrichtung 72, die eine Anzahl von Schal
tern enthält, um den Betrieb der Steuereinrichtung zu star
ten und um (bei den entsprechenden Ausführungsbeispielen)
zwischen einzelnen Betriebsarten umschalten zu können.
Neben dem Mikroprozessor weist die Steuereinrichtung Ein-
/Ausgabeeinrichtungen auf, welche der Verbindung der Steue
renrichtung mit den einzelnen Bauelementen der Vorrichtung
dienen.
Zur Aktivierung und Durchführung der Messung ist die Steuer
einrichtung mit der Lichtquelle 3 verbunden, sowie mit dem
Sensor 14. Die Ergebnisse der Messung werden in einem Dis
play 75 angezeigt, welches vorzugsweise als LCD-Display aus
gebildet ist. Für die weitere Auswertung der Messung ist
eine Verbindung zu einem externen Computer 76 vorgesehen.
Die Meßvorrichtung wird durch eine (nicht dargestellte) Bat
terie mit Strom versorgt.
Die Meßvorrichtung ist insgesamt vorzugsweise in dem Gehäuse
1 angeordnet, welches in etwa die Abmessungen eines Taschen
buches aufweist.
Um produktionsbedingte Abweichungen der einzelnen Meßvor
richtungen zu vermeiden, wird jede Meßvorrichtung vorzugs
weise individuell kalibriert. Dazu wird die Meßvorrichtung
auf Referenz-Glanz-Kacheln aufgesetzt, wie sie von Normin
stituten zur Verfügung gestellt werden und die entsprechen
den Reflexionskennwerte gemessen. Die entsprechenden Werte
werden dann im Speicher 71 abgelegt und stehen dauerhaft zur
Umrechnung der durch den Sensor 14 erfaßten Werte in Glanz
kennwerte und dgl. zur Verfügung.
Ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nun in
bezug auf die Fig. 10 beschrieben.
Bei diesem Ausführungsbeispiel ist die Vorrichtung insgesamt
in einem Gehäuse 100 angeordnet, welches eine Öffnung 101
aufweist, mit der das Gerät auf die zu messende Oberfläche
aufgesetzt wird.
Im Unterschied zu den vorgenannten Ausführungsbeispielen
wird das Gerät jedoch nicht direkt auf die Oberfläche auf
gesetzt, sondern mittels (schematisch angedeuteter) minde
stens zwei Gummiwalzen 103, 104 oder mindestens vier Gummi
rädern 103, 104, welche drehbeweglich (nicht gezeigt) in dem
Gehäuse 100 gelagert sind. Wenigstens eines der Gummiräder
oder Walzen ist mit einer (nicht dargestellten) Wegstrecken-
Meßeinrichtung versehen, welche die Winkelbewegungen der
Gummiräder 103 erfaßt, und ein dafür repräsentatives
elektrisches Signal ausgibt.
Die Vorrichtung weist weiterhin einen Lichttubus 110 auf, in
welchem eine punktförmige Lichtquelle 111 angeordnet ist.
Der Lichttubus weist weiterhin eine Linseneinrichtung 112
auf, deren Charakteristik noch später erörtert wird.
Der Tubus 111 ist so ausgerichtet, daß seine optische Achse
in einem vorbestimmten Winkel (beim gezeigten Beispiel 45°)
zu der zu messenden Oberfläche 115 ausgerichtet ist.
Es ist weiterhin ein Meßtubus 120 vorgesehen, dessen opti
sche Achse ebenfalls in einem vorbestimmten Winkel (von hier
ebenfalls 45°) zur zu messenden Oberfläche 115 ausgerichtet
ist, wobei dieser Winkel identisch zum Winkel ist, in dem
die optische Achse des Tubus 110 zur Oberfläche gerichtet
ist, und wobei sich die optischen Achsen beider Tuben am
Oberflächenmeßpunkt 115 schneiden.
Der Meßtubus 120 weist eine Linsenanordnung 121 auf, eine
Blendeneinrichtung 122 sowie einen senkrecht zur optischen
Achse ausgerichteten Meßsensor 125.
In einem Winkel senkrecht zum Oberflächenmeßpunkt 115 ist im
oberen Bereich des Gehäuses eine weitere Belichtungseinrich
tung 130 vorgesehen, in welcher (beim Ausführungsbeispiel)
drei Beleuchtungseinrichtungen angeordnet sind, und zwar
drei lichtemittierende Dioden (LED), welche eine
unterschiedliche spektrale Charakteristik aufweisen, d. h.
welche Licht mit unterschiedlichen Farben ausstrahlen.
Es ist weiterhin eine (nicht dargestellte) Steuereinrichtung
vorgesehen, welche in ihrem grundsätzlichen Aufbau der
Steuereinrichtung gemäß Fig. 9 entspricht und in welcher
Schalteinrichtungen vorgesehen sind, mit welcher der
Benutzer zwischen verschiedenen Meßverfahren wählen kann.
Weiterhin sind Anzeigeeinrichtungen vorgesehen, mit denen
das Meßergebnis angezeigt wird. Alternativ dazu kann die
Vorrichtung auch unmittelbar über ein Kabel oder auch
drahtlos mit einem Computer, vorteilhafterweise einem
Personal Computer verbunden werden, in dem die Meßergebnisse
erfaßt und angezeigt sowie gespeichert werden.
Die Funktion dieser Vorrichtung ist nun wie folgt:
Die Vorrichtung ist eine universelle Vorrichtung zur Messung
der visuellen Eigenschaften von Oberflächen. Dabei sind
prinzipiell drei Messungen möglich:
- 1. die Messung von Reflexionseigenschaften, wie es in bezug auf die Ausführungsbeispiele 1 bis 9 der vorliegenden Anmeldung erörtert worden ist;
- 2. die Messung von Farbeigenschaften der Oberfläche, wie es in der parallelen Anmeldung des gleichen Anmelders (Anwaltsakte 477P26) beschrieben ist, die am gleichen Tage beim Deutschen Patentamt eingereicht worden ist wie die vorliegende Anmeldung und die ein Farbmeßgerät beschreibt, welches eine Weiterbildung eines Farbmeßgerätes darstellt, das in der DE 42 02 822 A1 (die dem US-Patent 5 137 364 entspricht) beschrieben ist, und
- 3. ein Verfahren zur quantifizierten Bewertung des physiologischen Eindruckes von reflexionsfähigen Oberflächen, wie es mit der WO 93/0433, entsprechend der europäischen Anmeldung 92916021 vom selben Anmelder bekannt geworden ist.
Beim ersten Meßverfahren werden die Reflexionseigenschaften
der Oberfläche gemessen, wie es in bezug auf die Fig. 1 bis
9 erläutert wurde. Bei dieser Meßvariante wird das Licht von
der Lichtquelle 111 im parallelen Strahlengang auf die
Oberfläche geführt und von der Sensoreinrichtung 125
aufgenommen. Die Sensoreinrichtung 125 ist bei diesem
Universal-Meßgerät ein Farb-CCD-Chip, der eine Vielzahl von
lichtempfindlichen Flächen aufweist, die für jeweils drei
(oder vier) unterschiedliche Wellenlängencharakteristika
empfindlich sind. Im Speicher der Steuereinrichtung sind,
wie in bezug auf Fig. 9 beschrieben, verschiedene Meßfelder
abgespeichert, die jeweils durch das Zusammenschalten einer
Vielzahl von diesen lichtempfindlichen Punkten gebildet
werden und die die Messung der Reflexion, des Schleier
glanzes usw. ermöglichen. Da bei Reflexionsmessungen
üblicherweise keine Farbabweichungen berücksichtigt werden,
werden die Meßergebnisse der verschiedenen farbsensitiven
Felder zusammengefaßt, ohne das Meßsignal bezüglich der
Farbe zu spezifizieren. Es ist aber auch eine andere
Verfahrensvariante möglich, so daß auch die Farbeigen
schaften des reflektierten Lichtes mit erfaßt werden.
Bei dieser Meßvariante fällt das Licht im parallelen
Strahlengang auf die zu messende Oberfläche. Dies wird durch
die Linsenanordnung 112 erreicht, welche eine entsprechende
Bündelung des Lichtes der Punktlichtquelle 111 bewirkt.
Im übrigen sind alle Meßmöglichkeiten durchführbar, die
vorstehend in bezug auf Fig. 1 bis 9 erläutert wurden.
Zur Farbmessung wird die Punktlichtquelle 111 abgeschaltet
und als Belichtungseinrichtung die Einrichtung 130 benutzt.
Diese Einrichtung weist drei LEDs 132, 133, 134 auf, die
eine unterschiedliche spektrale Charakteristik aufweisen und
deren Licht auf die Oberfläche 115 strahlt. Von der
Oberfläche wird das Licht reflektiert und fällt in den
Meßtubus 122 auf die Sensoreinrichtung 125. In der
Sensoreinrichtung wird das reflektierte Signal aufgenommen,
und es wird in einem Auswerteverfahren, wie dies in den
vorgenannten Druckschriften bzw. in der parallelen Anmeldung
des Anmelders beschrieben ist, die spektralen Eigenschaften
des reflektierten Lichtes ermittelt. Dabei werden jeweils
die Sensorflächen, welche die gleiche spektrale
Charakteristik haben, nach vorgegebenen Meßfeldern
zusammengeschaltet, so daß die entsprechenden Meßflächen wie
ein Sensor mit bestimmter spektraler Charakteristik wirken.
Es ist möglich, unterschiedliche Meßfelder vorzusehen, so
daß auch unterschiedliche Reflexionswinkel und dergleichen
erfaßt werden können.
Wichtig ist, daß der Winkel, in dem das Licht auf die
Oberfläche strahlt, so gewählt ist, daß keine Fresnel′sche
Reflexion gemessen wird. Im vorliegenden Fall strahlt das
Licht der LED′s senkrecht auf die Oberfläche, und der
Meßtubus ist im Winkel von 45° zur Oberfläche angeordnet.
Bei der dritten Meßvariante, die das in der WO 93/04338
gezeigte Meßverfahren anwendet, wird die Vorrichtung von
Hand über die zu messende Oberfläche bewegt. Dabei drehen
sich die Gummiräder 103, 104. Die Lichtquelle 111 wird hier
als Punktlichtquelle verwendet.
Für das Umschalten der Lichtquelle von der Punktlichtquelle
zur Lichtquelle mit parallelem Strahlengang gibt es
verschiedene Möglichkeiten. So kann die Linsenanordnung so
gewählt werden, daß sie aus dem Tubus herausgeklappt werden
kann. Weiterhin ist es möglich, die Linsenanordnung oder die
Lichtquelle relativ zueinander entlang der optischen Achse
des Tubus 110 zu bewegen, so daß unterschiedliche
Bestrahlungsmuster entstehen. Dies kann z. B. erreicht
werden, indem der Tubus 111 aus (nicht dargestellt) zwei
ineinandergeschobenen Hülsen besteht, die relativ zueinander
bewegbar sind.
Während der Bewegung des Meßgerätes über die Oberfläche wird
das von der Punktlichtquelle 111 ausgestrahlte Licht von der
Oberfläche reflektiert und über den Meßtubus und die Sensor
einrichtung 125 erfaßt. Dabei wird die Sensoreinrichtung 125
vorzugsweise so geschaltet, daß lediglich die Lichtintensi
tät gemessen wird, ohne daß auf die spektrale Verteilung
Rücksicht genommen wird. Selbstverständlich ist aber auch
eine Berücksichtigung dieser spektralen Eigenschaften
möglich. Während der Bewegung werden ständig die
Lichtintensitätswerte von der Sensoreinrichtung 125 zusammen
mit den Wegstreckenmeßsignalen der Wegstreckenmeßeinrichtung
des Gummirades 103 gespeichert. Nach Zurücklegung einer
vorgegebenen Wegstrecke werden die Reflexionsmeßwerte
ausgewertet, wie dies in der WO 93/04338 beschrieben ist,
und daraus die längerwelligen Eigenschaften der Oberfläche
(beispielsweise Verlaufsstörungen einer Lackoberfläche wie
orange peel und dgl.) gemessen.
Für die Messung dieser Größen werden häufig Einrichtungen
verwendet, die einen ganzen Laborraum in Anspruch nehmen.
Mit dem vorgeschriebenen universellen Meßgerät können in
einem kleinen Handgerät die Messung von langwelligeren
Oberflächenstörungen, die Messung der Reflexionseigenschaf
ten der Oberfläche in bezug auf Glanz, Schleierglanz usw.
sowie auch die Farbe der Oberfläche durchgeführt werden.
In einer alternativen Abwandlung des Gerätes können mehrere
Meßwinkel verwirklicht werden, wie dies für Reflexions
meßgeräte im Stand der Technik bekannt ist. Dadurch wird das
Licht in unterschiedlichen Winkeln zur Oberfläche geleitet,
so daß auch Aussagen über das Reflexionsverhalten mit
verschiedenen Belichtungswinkeln möglich ist.
Weiterhin kann die Veränderung der Lichtquelle von der
Punktlichtquelle zur parallelen Lichtquelle auch erzielt
werden, indem zwei Lichttuben 110 vorgesehen sind, welche
räumlich zueinander versetzt sind, wobei dann auch zwei
lichtaufnehmende Tuben mit zwei Sensoreinrichtungen 125
vorgesehen sind.
Bei der in Fig. 10 gezeigten Vorrichtung sind drei
verschiedene Meßverfahren, die Reflexionsmessung an einer
bestimmten Oberflächenstelle, die Reflexionsmessung an einem
größeren Ausschnitt der Oberfläche und die Farbmessung
verwirklicht. In Abwandlung des gezeigten Ausführungsbei
spiels können auch jeweils nur zwei dieser genannten
Meßprinzipien verwirklicht werden. Bei einer ersten
Abwandlung sind dies die Reflexionsmessung an einer
Oberflächenstelle und an einem größeren Ausschnitt der
Oberfläche. In diesem Fall entfällt die Beleuchtungseinrich
tung 130, und die Sensoreinrichtung 125 braucht nicht die
Eigenschaft zu haben, Farben bzw. verschiedene spektrale
Charakteristiken des reflektierten Lichtes erkennen zu
können. In diesem Fall kann die Sensoreinrichtung 125
ausgebildet werden, wie dies in den Fig. 2 bis 7 dargestellt
ist. Es ist in diesem Fall auch möglich, einen Schwarz-Weiß-
CCD-Chip zu benutzen.
Bei der zweiten Abwandlung ist die Vorrichtung zur Messung
der Reflexionseigenschaften an einer bestimmten
Oberflächenstelle und zur Farbmessung vorgesehen. In diesem
Fall entfallen die Gummiräder 103 und 104 und die
Wegstreckenmeßeinrichtung. Außerdem kann, falls die
Oberflächenmessung nur mit parallelem Strahlengang
ausgeführt werden soll, auch die Wechselmöglichkeiten
zwischen Punktlichtquelle und Lichtquelle mit parallelem
Strahlengang entfallen.
Die Belichtung erfolgt bei allen gezeigten Ausführungsbei
spielen mit einer Wellenlänge, die im Bereich des sichtbaren
Lichtes zwischen 380 und 760 nm liegt. Unter dem Begriff
"Lichtquelle" im Sinne der vorliegenden Anmeldung sind aber
auch Strahlungsquellen zu verstehen, deren Strahlung eine
größere oder eine kleinere Wellenlänge aufweist.
Claims (26)
1. Vorrichtung zur Messung der Reflexionseigenschaften von
Oberflächen mit:
einer ersten optischen Einrichtung mit einer Lichtquelle, um das von der Lichtquelle ausgestrahlte Licht in einem vorbestimmten Winkel auf die zu messende Oberfläche zu richten,
einer zweiten optischen Einrichtung, welche in einem ebenfalls vorbestimmten Winkel zu dieser ersten opti schen Einrichtung und zu dieser Meßfläche ausgerichtet ist, und welche das von dieser Oberfläche reflektierte Licht aufnimmt, wobei diese zweite optische Einrichtung wenigstens drei Fotosensoren aufweist, welche derart angeordnet sind, daß sie die Intensität des reflektier ten Lichtes in Bereichen messen, die einem unterschied lichen Reflexionswinkel entsprechen,
einer Steuereinrichtung, welche diese Vorrichtung steuert und welche die von diesen wenigstens drei Foto sensoren ausgegebenen Signale erfaßt,
dadurch gekennzeichnet,
daß die lichtempfindlichen Flächen der Fotosensoren im wesentlichen in einer Ebene angeordnet sind,
daß die Fotosensoren ein integriertes Bauelement bil den, wobei ein gemeinsames Substrat vorgesehen ist, auf welchem lichtempfindliche Schichten angeordnet sind, die die einfallende Lichtmenge im wesentlichen unabhän gig voneinander erfassen, und
daß diese lichtempfindlichen Schichten derart angeord net sind, daß die lichtempfindlichen Flächen jeweils die innerhalb eines vorgegebenen Winkelbereichs reflek tierte Lichtmenge erfassen.
einer ersten optischen Einrichtung mit einer Lichtquelle, um das von der Lichtquelle ausgestrahlte Licht in einem vorbestimmten Winkel auf die zu messende Oberfläche zu richten,
einer zweiten optischen Einrichtung, welche in einem ebenfalls vorbestimmten Winkel zu dieser ersten opti schen Einrichtung und zu dieser Meßfläche ausgerichtet ist, und welche das von dieser Oberfläche reflektierte Licht aufnimmt, wobei diese zweite optische Einrichtung wenigstens drei Fotosensoren aufweist, welche derart angeordnet sind, daß sie die Intensität des reflektier ten Lichtes in Bereichen messen, die einem unterschied lichen Reflexionswinkel entsprechen,
einer Steuereinrichtung, welche diese Vorrichtung steuert und welche die von diesen wenigstens drei Foto sensoren ausgegebenen Signale erfaßt,
dadurch gekennzeichnet,
daß die lichtempfindlichen Flächen der Fotosensoren im wesentlichen in einer Ebene angeordnet sind,
daß die Fotosensoren ein integriertes Bauelement bil den, wobei ein gemeinsames Substrat vorgesehen ist, auf welchem lichtempfindliche Schichten angeordnet sind, die die einfallende Lichtmenge im wesentlichen unabhän gig voneinander erfassen, und
daß diese lichtempfindlichen Schichten derart angeord net sind, daß die lichtempfindlichen Flächen jeweils die innerhalb eines vorgegebenen Winkelbereichs reflek tierte Lichtmenge erfassen.
2. Vorrichtung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß drei lichtempfindliche Flächen vorgesehen sind,
wobei eine erste, im wesentlichen rechteckförmige Flä
che derart angeordnet ist, daß bei einer ideal reflek
tierenden Oberfläche die Lichtstrahlen symmetrisch auf
diese mittlere Fläche auftreffen und wobei zu beiden
Seiten dieser Fläche eine zweite und eine dritte licht
empfindliche Fläche vorgesehen ist, auf welche die
Strahlen auftreffen, deren Reflexionswinkel um einen
vorbestimmten Winkelbereich größer oder kleiner sind,
als der ideale Reflexionswinkel.
3. Vorrichtung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß eine erste, im wesentlichen rechteckförmige licht
empfindliche Fläche vorgesehen ist, welche in dem Be
reich des Sensors angeordnet ist, auf welche das Licht
bei einer ideal reflektierenden Oberfläche auftrifft
und wenigstens eine lichtempfindliche Fläche auf einer
Seite dieser mittleren lichtempfindlichen Fläche,
welche die Intensität des Lichtes messen, welches in
größeren bzw. kleineren Winkeln reflektiert wird, als
der ideale Reflexionswinkel.
4. Vorrichtung gemäß mindestens einem der Ansprüche 1 bis
3, dadurch gekennzeichnet, daß die lichtempfindlichen
Flächen unterschiedliche Abmessungen aufweisen, wobei
jedoch die Flächen, die im gleichen Winkelabstand zum
idealen Reflexionswinkel liegen, die gleiche Größe auf
weisen.
5. Vorrichtung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß eine Vielzahl von lichtempfindlichen Flächen vor
gesehen ist, welche unmittelbar benachbart auf dem Sub
strat angeordnet sind.
6. Vorrichtung gemäß Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet,
daß diese Flächen jeweils als einzelne Streifen ausge
bildet sind, welche auf einem im wesentlichen rechteck
förmigen Substrat vorgesehen sind, wobei diese Streifen
mit ihrer Längsausdehnung in einer Ebene angeordnet
sind, welche im wesentlichen senkrecht zu der Ebene
ist, in der diese Lichtstrahlen auf die zu messende
Oberfläche gerichtet und von dieser reflektiert werden.
7. Vorrichtung gemäß Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet,
daß diese lichtempfindlichen Flächen auf diesem Sub
strat derart angeordnet sind, daß sich eine Vielzahl
von Flächenelementen ergibt, welche in parallelen, zu
einander senkrechten Spalten und Reihen vorgesehen
sind.
8. Vorrichtung gemäß Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet,
daß diese Flächen im wesentlichen rechteckig, vorzugs
weise aber quadratisch sind.
9. Vorrichtung gemäß mindestens einem der Ansprüche 2 bis
8, dadurch gekennzeichnet, daß diese Flächen
symmetrisch zu der Ebene angeordnet sind, die durch den
Punkt geht, bei welchem die Lichtstrahlen auf die zu
messende Oberfläche auftreten und senkrecht zu der
Ebene ist, in welcher die Lichtstrahlen der ersten
optischen Einrichtung und der von der Oberfläche
reflektierten Lichtstrahlen im wesentlichen liegen.
10. Vorrichtung gemäß mindestens einem der Ansprüche 5 bis
9, dadurch gekennzeichnet, daß durch die Steuereinrich
tung die Meßsignale von einzelnen dieser lichtempfind
welche größer ist, als die Fläche eines einzelnen die
ser Flächenelemente.
11. Vorrichtung gemäß Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet,
daß in einem Speicher dieser Steuereinrichtung bestimm
te Flächenmuster abgespeichert sind und daß diese
lichtempfindlichen Flächenelemente in der Weise zusam
mengeschaltet werden, daß sich bestimmte Flächenmuster
ergeben, die jeweils einer bestimmten Meßfläche
entsprechen.
12. Vorrichtung gemäß Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet,
daß die Vorrichtung weiterhin eine Schalteinrichtung
aufweist, mit welcher ein vorbestimmtes Flächenmuster
für die Messung gewählt werden kann.
13. Vorrichtung gemäß mindestens einem der Ansprüche 9 bis
12, dadurch gekennzeichnet, daß diese Steuereinrichtung
zunächst eine Messung durchführt, um festzustellen, auf
welchen Flächenelementen die Intensität der gemessenen
reflektierten Strahlung am höchsten ist und daß diese
Flächenmuster in bezug auf die Lage dieser Flächenele
mente mit der höchsten Lichtintensität ausgerichtet
werden.
14. Vorrichtung gemäß mindestens einem der Ansprüche 5 bis
13, dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat in seiner
Erstreckung parallel zu den lichtempfindlichen Flächen
im wesentlichen rechteckförmig gestaltet ist.
15. Vorrichtung gemäß mindestens einem der Ansprüche 5 bis
14, dadurch gekennzeichnet, daß diese einzelnen Flä
chenelemente in charged-coupled-device-Technik mitein
ander verbunden sind.
16. Vorrichtung gemäß Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet,
daß diese einzelne Flächenelemente die gleichen
spektralen Charakteristiken aufweisen, mit denen das
einfallende Licht in ein Sensorsignal umgesetzt wird
(Schwarz-Weiß-Messung).
17. Vorrichtung gemäß Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet,
daß diese einzelnen Flächenelemente so beschaffen sind,
daß jeweils zumindest drei benachbarte Flächenelemente
unterschiedliche spektrale Charakteristiken aufweisen,
so daß mit diesen Flächenelementen auch die Farbe des
reflektierten Lichtes erfaßbar ist.
18. Vorrichtung gemäß Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet,
daß diese Vorrichtung eine zweite Belichtungseinrich
tung aufweist, die Licht mit einer vorgegebenen
spektralen Charakteristik ausstrahlt und die in einem
derartigen Winkel auf die zu messende Oberfläche
gerichtet ist, daß das unmittelbar gemäß der Fresnel′-
schen Reflexion reflektierte Licht nicht mit dem Winkel
übereinstimmt, mit welchem diese zweite optische Ein
richtung auf die zu messende Oberfläche gerichtet ist.
19. Vorrichtung gemäß Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet,
daß diese zweite Lichtquelle aus mehreren einzelnen
lichtausstrahlenden Elementen besteht, wobei diese
lichtausstrahlenden Elemente eine voneinander
unterschiedliche spektrale Charakteristik aufweisen.
20. Vorrichtung gemäß Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet,
daß diese lichtausstrahlenden Elemente bezüglich ihrer
spektralen Charakteristik so beschaffen sind, daß sie
sich im Bereich der Wellenlänge des sichtbaren Lichtes
zumindest teilweise überlappen und linear voneinander
unabhängig sind.
21. Vorrichtung gemäß mindestens einem der Ansprüche 1 bis
20, dadurch gekennzeichnet, daß diese Vorrichtung
relativ in einer parallelen Richtung zur zu messenden
Oberfläche verschieblich ist und daß eine Wegstrecken
meßeinrichtung vorgesehen ist, welche diese parallele
relative Verschiebung quantitativ erfaßt und daß
weiterhin eine Speichereinrichtung vorgesehen ist, in
welcher die entlang vorgegebener Meßstellen auf der
Oberfläche gemessenen Reflexionswerte und die
zugehörige relative Position der Meßstellen
abgespeichert wird.
22. Vorrichtung gemäß mindestens einem der Ansprüche 1 bis
21, dadurch gekennzeichnet, daß diese erste optische
Einrichtung derart beschaffen ist, daß das Licht im
wesentlichen mit parallelem Strahlengang auf die
Oberfläche gerichtet ist.
23. Vorrichtung gemäß mindestens einem der Ansprüche 1 bis
20, dadurch gekennzeichnet, daß diese erste optische
Einrichtung derart beschaffen ist, daß diese
Lichtquelle als Punktlichtquelle wirkt.
24. Verfahren zur Messung der visuellen Eigenschaften von
Oberflächen und insbesondere unter der Verwendung einer
Vorrichtung gemäß mindestens einem der Ansprüche 10 bis
23, bei welchem
eine erste optische Einrichtung mit einer Lichtquelle vorgesehen ist, um Licht in einem vorbestimmten Winkel auf eine zu messende Oberfläche zu richten, sowie
eine zweite optische Einrichtung, welche eine Sensoreinrichtung mit einer Vielzahl von lichtempfindlichen Flächen aufweist, um das von der Oberfläche reflektierte Licht zu erfassen, und
eine Steuereinrichtung, welche diese Vorrichtung steuert und welche die von der Sensoreinrichtung ausgegebenen Signale erfaßt,
eine Speichereinrichtung, in welcher Programmanwei sungen gespeichert sind, nach denen diese Steuerein richtung arbeitet,
wobei in dieser Speichereinrichtung weiterhin wenigstens eine vorgegebene Meßgeometrie abgespeichert ist, nach welcher einzelne lichtempfindliche Flächen zu einer gemeinsamen Meßfläche zusammengeschaltet werden, so daß jeweils die Intensität des auf mehrere dieser einzelnen lichtempfindlichen Flächen auftreffenden Lichtes als ein gemeinsamer Wert erfaßt wird,
wobei die Messung in der Weise durchgeführt wird, daß die Oberfläche mit dieser Lichtquelle belichtet wird und die für eine vorgegebene Meßgeometrie gemessenen Ausgangssignale der Sensoreinrichtung erfaßt werden.
eine erste optische Einrichtung mit einer Lichtquelle vorgesehen ist, um Licht in einem vorbestimmten Winkel auf eine zu messende Oberfläche zu richten, sowie
eine zweite optische Einrichtung, welche eine Sensoreinrichtung mit einer Vielzahl von lichtempfindlichen Flächen aufweist, um das von der Oberfläche reflektierte Licht zu erfassen, und
eine Steuereinrichtung, welche diese Vorrichtung steuert und welche die von der Sensoreinrichtung ausgegebenen Signale erfaßt,
eine Speichereinrichtung, in welcher Programmanwei sungen gespeichert sind, nach denen diese Steuerein richtung arbeitet,
wobei in dieser Speichereinrichtung weiterhin wenigstens eine vorgegebene Meßgeometrie abgespeichert ist, nach welcher einzelne lichtempfindliche Flächen zu einer gemeinsamen Meßfläche zusammengeschaltet werden, so daß jeweils die Intensität des auf mehrere dieser einzelnen lichtempfindlichen Flächen auftreffenden Lichtes als ein gemeinsamer Wert erfaßt wird,
wobei die Messung in der Weise durchgeführt wird, daß die Oberfläche mit dieser Lichtquelle belichtet wird und die für eine vorgegebene Meßgeometrie gemessenen Ausgangssignale der Sensoreinrichtung erfaßt werden.
25. Verfahren gemäß Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet,
daß in dieser Speichereinrichtung eine Vielzahl von
Meßgeometrien abgespeichert ist und daß eine Schalt
einrichtung vorgesehen ist, durch welche eine dieser
Meßgeometrien auswählbar ist.
26. Verfahren gemäß Anspruch 24 oder 25, dadurch
gekennzeichnet, daß jeweils wenigstens drei benachbarte
lichtempfindlichen Flächen unterschiedliche spektrale
Charakteristiken aufweisen und derart
zusammengeschaltet sind, daß damit die spektrale
Charakteristik und insbesondere die Farbe des
reflektierten Lichtes erfaßbar ist.
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