DE7245022U - Fotoelektrisches Meßgerät zur Bestimmung der Rauhigkeit von Oberflächen - Google Patents

Description

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Aktiengesellschaft Brown, Boveri & Cie. , Baden (Schweiz)

Einri . chtung zum Hessen der- Rauhigkeit eir.er* Oberfläche

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zum Messen der Rauhigkeit einer Oberfläche, wobei diese mit einem Lichtstrahler.-bündel beleuchtet und die örtliche Intensitätsverteilung des zurückgestrahlten Lichts fotoelektrisch gemessen wird.

Derartige Messeinrichtungen haben erhebliche Bedeutung bei der Herstellung von Papier, da dessen Oberflächenrauhigkeit bzw. als komplementärer Begriff - Oberflächenglätte massgebend ist für die Bedruckbarkeit.

Einrichtungen zum Messen der Rauhigkeit bzw. Glätte der Oberfläche insbesondere von Papier sind daher schon vielfach be-

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kannt. Ein Ueberblick darüber wird z.B. in "Wochenblatt für Papierfabrikation" No = 2 0.9 70). b. h5 - 51, gegeben.

Auf S. 49 der angegebenen Publikation wird eine Einrichtung zur indirekten Glättemessung in Gestalt eines Glanzmessers beschrieben. Bei diesem Glanzmesser wird die zu untersuchende Oberfläche mit einem kollimierten Lichtstrahlenbündel beleuchtet, und die Leuchtdichte des zurückgestrahlten Lichtes im Reflexionswinkel fotoelektrisch gemessen. Für wissenschaftliche Zwecke wurde auch schon die Winkelverteilung des von dsr Papieroberfläche zurückgestrahlten Lichtes aus gemessen» indem Geräte mit variablen Beleuchtungs- und Beobachtungswinkeln verwendet wurden.

Diese bekannten Glanzmesser haben jedoch den Nachteil, sehr ungenau zu sein. Sie sind auch in der Praxis ziemlich mühsam zu verwenden, da als Mass für die Rauhigkeit nur Analogsignale gewonnen werden können.

Es ist daher die Aufgabe der Erfindung, eine Einrichtung der eingangs beschriebenen Art zu schaffen, die eine hohe Messgenauigkeit mit einer einfachen und vielseitigen Verwendbarkeit in der Praxis vereint.

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Dies* Aufgabe wird dadurch gelöst, dass bei einer Einrichtung der eingangs genannten Art erfindungsgemäss im zurückgestrahlten Licht der Wert der maximalen Intensität I festgestellt

max

wird, und in Richtung der Schnittgeraden χ der Einfallsebene des beleuchtenden Lichtstrahlenbündels mit einer Ebene senk'-recht zur Richtung spekulärer Reflexion als Mass für die Rauhigkeit der Oberfläche die Entfernung s zwischen den zwei Orten gemessen wird, an welchen die Intensität I des zurückgestrahlten Lichts auf einen bestimmten Bruchteil G der maximalen

Intensität I abgesunken ist. Der den genannten zwei Orten max

zugeordnete bestimmte Bruchteil G ist beispielsweise 0.5, so

dass die an den genannten zwei Or" - ι auftretende Lichtintensität gleich I /2 ist. Die maximale Intensität I tritt ^& max max

in Richtung spekulärer Reflexion auf, d.h. in Richtung des Reflexionswinkels bei Reflexion an einem Spiegel, der auch als Glanzwinkel bezeichnet wird.

Die Idee der Erfindung beruht also im wesentlichen darin, in der Nähe des Glanzwinkels die Halbwertsbreite des Streulichtkegels als Mass für die Rauhigkeit der zu untersuchenden Oberfläche zu benutzen. Diese Halbwertsbreite lässt sich, im Gegensatz zur Intensitätsmessung im Glanzwinkel gemäss dem oben beschriebenen, bekannten Glanzmesser, einfach und automatisch quantitativ bestimmen. Ausserdem bildet sie ein sehr

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genaues Mass für die zu untersuchende Rauhigkeit, jedenfalls solange, wie die die Rauhigkeit ausmachenden Oberflächenirregularitäten statistisch verleiil sind. Die Messung ist vor. der Farbe und/oder Lieh !.absorption der Oberfläche unabhängig.

V/eitere Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus den nachstehend anhand von Figuren erläuterten Ausführungsbeispielen. Dabei zeigt:

Fig. 1 eine Anordnung nach der Erfindung mit einem Fotodetektor

Fig. la eine Anordnung nach der Erfindung allgemeiner Art zur Darstellung der Messorte,

Fig. 2 eine Anordnung nach der Erfindung iiit einer Kette von Fotodetektoren,

Fig. 3 eine Anordnung nach der Erfindung mit einer Fernsehkamera als Fotodetektor, und

Fig. U schematisch die Abtastung der auf ihre Rauhigkeit

zu untersuchenden Oberfläche mit einer Fernsehkamera in der Anordnung nach Fig. 3_C

In Fig. 1 ist eine Beleuchtungsquelle 21, z.B. ein Laser, vor-

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gesehen, dessen Lichtstrahl in einem Teleskop 2 2 zu einem parallelen bzw. kollimierten Lichtstrahlenbündel 1 von ca. 1 bis 20 irim Durchmesser aufgeweitet wird.

Mit dem Lichtstrahlenbündel 1 wird dann die zu untersuchende Oberfläche 8 unter ainem EinfallswinkeloC (Fig. la) von 50 bis 85 beleuchtet. Die Oberfläche 8 ist vorzugsweise die Oberfläche eines Papiers 28. Dieses wird für labormässige Untersuchungen an einer elektrostatischen Haltevorrichtung 24, 25 festgehalten, wie sie i-.B. von x-y-Schreibern bestens bekannt ist.(z.B. Hewlett Packard).

Das beleuchtende Lichtstrahlenbündel 1 wird an der Oberfläche 8 in Form des Lichtes 6 zurückgestrahlt. Der Glanzwinkel 0(. (Fig. la) ist durch die Richtung 7 spekulärer Reflexion gekennzeichnet.

In dem zurückgestrahlten Licht 6 ist ein Fotodetektor 11 mit kleiner wirksamer Fläche, z.B. mit einem oder einigen Millimetern Durchmesser, im Abstand von mindestens 10 Lichtstrahlciurchmessern von der Oberfläche 8 angeordnet. Es wird in Richtung der Pfeile A und B entlang der Schnittgeraden χ der Einfallsebene U (Fig. la) des beleuchtenden Lichtstrahlenbündels 1 mit einer Ebene 5 (Fig. la) senkrecht zur Richtung 7 speku-

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lärer Reflexion durch den GlanzwinkelOC hindurch bewegt und der Fotostrom dabei in Funktion des Ortes χ aufgezeichnet.

Damit ergibt sich dann das Bild 23, in welchem die dem Fotostrom proportionale Lichtintensität I als Funktion des Ortes χ aufgetragen ist. Wie ersichtlich, weist die gezeigt2 Kurve einen ersten Ort 2, welcher auf der Richtung 7 liegt, auf, an welchem die Intensität den Maximalwert I besitzt. Fer~

max

ner sind zwei zweite Orte 3 zu erkennen, an welchen die Intensität auf einen bestimmten Bruchteil G, hier 0.5 bzw.

I /2, abgesunken ist.
max

Die Entfernung s der zwei Orte 3 ist dann das Hass für die Rauhigkeit der Oberfläche 8.

Eine günstige Ausgestaltung besteht darin, eine Beleuchtungsquelle 21 mit monochromatischem Licht zu verwenden, und zwischen dem Detektor 11 und dem Licht 6 ein Interferenzfilter 10 anzuordnen. Dadurch kann der Störeinfluss des Umgebungslichtes 9 eliminiert werden.

In Fig. 2 ist die Anordnung zur Beleuchtung der Oberfläche 8 gleich der in Fig. 1 bzw. Fig. la dargestellten. Im weiteren ist hier eine Sammellinse 15 vorgesehen, in deren Brennebene F

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eine Kette von Fotodetektoren 12a, 12b ... 12m, 12n, 13a _r.. 13m und 14 angeordnet ist. Die Kette erstreckt sich in Richtung der oben in bezug auf Fig» la definierten Schnittgeraden x. Im Schnittpunkt dieser Schnittgeraden χ mit der Richtung 7 spekulärer Reflexion tritt maximale Intensität I

ΙΠ ei X

des Lichtes 6 auf, welche mit dem Fotodetektor IU, z.B. einer Fotodiode, gemessen wird.

Die Ausgänge der Fotcdetektoren 12a ... 14 sind in der dargestellten Weise mit bistabilen elektronischen Kippelementen 17a, 17b .,. 17m, 17n ... 18 in der Form von Komparatoren verbunden. Der Ausgang des Fotodetektors 14 ist ferner mit einem Spannungsteiler R-R verbunden, an dessen Anzapfpunkt sich der Wert I /2 ergibt. Die Ausgänge der Komparatoren sind mit Lampen 19 verbunden. Statt dieser können aber auch ohms ehe Widerstände 29 an die Komparatoren angeschlossen sein, die -*? übez* einen Verstärker zu einem Messinstrument 30 führen.

Bei der in Fig, 2 dargestellten Anordnung sei nun die Intensität des Lichts 6 in der Ebena F an den Orten der Fotodetektoren 13a ... 14 ... 13n grosser bzw. gleich, und an den Orten der Fotodetektoren 12a, 12b ... 12m, 12n kleiner als I /2.

max

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Dann werden die den Fotodetektoren 13a .... 14 ... 13n zugeordneten Lampen 19 aufleuchten, die den Fotodetektoren 12a, 12b ... 12m, 12n zugeordneten aber dunkel bleiben. Die Zahl der leuchtenden Lampen 19 ist dann das Mass für die Rauhigkeit der Oberfläche 8.

Sind statt der Lampen 19 Widerstände 29 mit dem Messinstrument 30 an die Kompavatoren angeschlossen, so wird durch die den leuchtenden Lampen entsprechenden Widerstände 29 ein
Strom fliessen, und durch die den dunklen Lampen entsprechenden Widerständen nicht. Dann ist jer Ausschlag des Messinstrumentes 30, welcher der Summe der Ströme durch die Widerstände 29 proportional ist, das Kass für die Rauhigkeit der Oberfläche 8.

Die Kette der Fotodetektoren 12a ... 14 braucht nicht nur aus einer einzigen Reihe bestehen. Vielmehr ist es vorteilhaft, in nicht gezeichneter Weise mehrere Reihen nebeneinander zu legen. Dadurch ist die Anordnung unempfindlich
gegen ein allfälliges Wandern der Richtung 7 und damit des Ortes des Intensitätsmaximums I

max

In Fig. 3 ist ein Fotodetektor in Form einer Fernsehkamera 15, z.B. mit einem Vidikon 32, dargestellt. Die auf ihre

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Rauhigkeit zu untersuchende Oberfläche 8 wird wieder (wie in Fig. 1 bzw. la) mit einem in einem Teleskop 22 ausgeweiteten, kol 11 mi p.rtp.n I.ichtstrahlcnbündel 1 beleuchtet. Die Optik 33 der Fernsehkamera 15 ist auf unendlich eingestellt, wobei die lichtempfindliche Schicht 31 des Vidikons 32 in der Brennebene der genannten Optik 33 liegt. Die von der Oberfläche 8 zurückgestrahlten Parallellichtbündcl 6 werden daher wie dargestellt auf das Vidikon fokussiert.

Die Abtastzeilen 20 (Fig. Ό der Fernsehkamera 15 werden senkrecht zur Einfallsebene 4 (Fig. la) des beleuchtenden Lichtstrahlenbündels 1 eingestellt.

Der Kessvorr.a.'ig verläuft nun so, dass im ersten Halbbild des im Zeilensprungverfahren betriebenen Vidicon 32 mit einem nicht gezeichneten Spitzenwertdetektor der Wert I der maximalen, im abgetasteten Bild auftretenden Lichtintensität festgestellt wird. Dabei wird eine Fläche abgetastet, die grosser ist als die in Fig. 4 dargestellte Streulichtellipse 26, die sich durch die Abbildung des an der Oberfläche 8 gestreuten bzw. zurückgestrahlten Lichtstrahlenbündels 1 durch die Optik 3 3 der Fernsehkamera 15 ergibt. Hit 2 7 ist ein Fleck maximaler Lichtintensität I angedeutet, der in der

max ^fe '

Richtung 7 spekulärer Reflexion liegt.

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Der ermittelte Wert I wird dann gespeichert, und während max

des zweiten Halbbildes dann die Anzahl N der Abtastzeilen

t. bei welchen ein Helligkeitswert I auftritt, der grosser ist als ein bestimmter Bruchteil G, beispielsweise die Hälfte des gespeicherten Wertes I . Die derart fest-

ITl 3. X

gestellte Anzahl N ist unmittelbar ein Mass für die Papierrauhigkeit.

Das am Ausgang der Fernsehkamera 15 zur Verfügung stehende, der Anzahl N proportionale Signal kann in vielfacher Weise weiterverwendet werden.

Z.B. kann es in digitaler Form eine Leuchtanzeige steuern. Es kann aber auch eine Analoganzeige, beispielsweise ein Zeigerinstrument beaufschlagen.

Da das die Anzahl N der Abtastzeilen 20, bei denen ein Helligkeitswert über I /2 auftritt, anzeigende Signal der

max

Fernsehkamera 15 in der Regel ohnehin binär-dezimalkodiert zur Verfügung steht, kann dieses Signal auch sehr vorteilhaft zur Steuerung oder Regelung des das Papier erzeugenden Prozesses verwendet werden.

Die in Fig. 3 dargestellte Anordnung wird mit besonderem Vorteil bei der Untersuchung laufender Papierbahnen eingesetzt.

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Die Bewegung der Papierbahn mit der Oberfläche 8 ist in Fig. 4 durch den Pfeil M angedeutet. Es ist selbstverständlich, rjacc fjahoj r\z*-f1\f~* S 0¹PfS f?S ΐ? T*fl ?βΠ WS Γ(ίί?Π IHlJSB= ÖiiBS 3ΓΠ 0 T^"tT c!^ T"*

Beleuchtung durch das Lichtstrahlenbündel 1 die Papierbahn so geführt ist, dass sich durch die Bewegung keine allzu grossen örtlichen Aenderungen der Ebene, in welcher die Papierbahn läuft, ergeben, derart, dass die Streulichtellipse nicht aus dem Abtastfeld der Fernsehkamera 15 herausläuft. Das wird z.B. dadurch erreicht, dass der beleuchtete Fleck gerade auf einer Rolle oder auch zwischen nahe beieinander befindlichen Rollen gewählt wird.

In der dargestellten Weise wird n-r. <'ie über etwa 2 - U Abtastbilder, d.h. über 80 ^>is 160 m sec gemittelte Rauhigkeit der durchlaufenden Oberfläche 8 angezeigt. Will man die Rauhigkeit der durchlaufenden Papierbahn von Ort zu Ort gesondert erfassen, so können der das beleuchtende Lichtstrahlenbündel 1 erzeugende Laser gepulst und die Messwerte zeitlich hintereinander abgespeichert und/oder ausgegeben werden. Dadurch können zeitlich kurzfristige Fluktuationen der Oberflächenrauhigkeit erfasst werden. Die Dauer eines Beleuchtungsimpulses kann dabei wesentlich kleiner sein als die Dauer zweier Kalbbilder, da die lichtempfindliche Schicht des Vidikon die Information bis zum Lesen durch den Elektronenstrahl speichert.

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Die Vorteile der Anordnungen nach der Erfindung gegenüber dem Stand der Technik gan;s allgemein liegen unter anderem

- die Rauhigkeit über eine grössere Fläche gemittelt gemessen wird,

- die Grosse dieser Fläche z.B. zwischen 1 und 300 mm wählbar ist,

- ein Signal in Echtzeit erzeugt wird, das demgemäss zur Verwendung in einem Prozessregler geeignet ist, und

- die Messung beruhrungs frei ist.

Die Vorteile der Anordnung nach Fig. 3, 4 ii.. besonderen liegen unter anderem darin, dass

- durch die Integrationsfähigkeit der fotoleitenden Schicht des Vidikons der Detektor eine hohe Lichtempfindlichkeit aufweist,

- statistische Rauh .\gke its Variationen, die nicht interessieren, durch diese Integrationsfähigkeit ausgemittelt werden,

- der- Anordnung digitale Genauigkeit inhärent ist,

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- die Anordnung unempfindlich gegen Verschiebungen der Streulichtellipse ist, solange diese auf dem Vidikon aufgefangen wird, und

- das System sehr preisgünstig ist, da industriell zu verwendende Fernsehkameras in grosser Anzahl preiswert zur Verfügung stehen.

Ausser bei der Erzeugung und/oder Bearbeitung bzw. dem Bedrukken von Papier kann die Erfindung auch mit Vorteil bei der Erzeugung und/oder Bearbeitung von Kunststoff- und Metallfolien eingesetzt werden-

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Claims (6)

L.l^.^^__s (Hi- Schutzansprüche ί Τα ΐ» -7 JTi, & R )

1. Fotoelektrisches Meßgerät zur Bestimmung der Rauhigkeit von Oberflächen, bestehend aus einer die Oberfläche beleuchtenden Lichtquelle und einem die Lichtintensität des von der Oberfläche reflektierten und gestreuten Lichtes messenden Fotodetektors, wobei die optische Achse des einfallenden Lichtes und die optische Achse des reflektierten und gestreuten Lichtes unter einem Winkel zueinander verlaufen, dadurch gekennzeichnet , daß der Fotodetektor (11) in Richtung einer Geraden χ um den Schnittpunkt dieser Geraden χ mit der Richtung spekularer Reflexion herum beweglich angeordnet ist, wobei die Gerade χ die Schnittgerade der durch die beiden optischen Achsen gebildeten Ebene (4) mit einer Ebene (5) senkrecht zur Richtung (7) spekularer Reflexion, bedeutet.

2. Fotoelektrisches Meßgerät zur Bestimmung der Rauhigkeit von Oberflächen, bestehend aus einer die Oberfläche beleuchtenden Lichtquelle und einem die Lichtintensität des von der Oberfläche reflektierten und gestreuten Lichtes messenden Fotodetektors, wobei die optische Achse des einfallenden Lichtes und die optische Achse des reflektierten und gestreuten Lichtes unter einen Winkel zueinander verlaufen, dadurch gekennzeichnet, daß der Fotodetektor eine Fernsehkamera (15) ist.

3. Fotoelektrisches Meßgerät zur Bestimmung d^r Rauhigkeit von Oberflächen, bestehend aus einer die Oberfläche beleuchtenden Lichtquelle und einem die Lichtintensität des von der Oberfläche reflektierten und gestreuten Lichtes messenden Foto-

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detektor«, wobei die optische Achse des einfallenden dichtes und die optische Achse des reflektierten und gestreuten Lichtes unter einem V/inkel zueinander verlaufen, dadurch gekennzeichnet, daß sich ein Fotodetektor (14) im Schnittpunkt der Geraden χ mit der Richtung (7) spekulärer Reflexion befindet, wobei die Gerade χ die Schnittgerade der durch die beiden optischen Achsen gebildeten Ebene (4) mit einer Ebene (5) senkrecht zur Richtung (7) spekul! irer Reflexion bedeutet, und daß entlang der genannten Geraden χ weitere Fotodetektoren (12a, 12b, 13a, 13η, 12η, 12m) angeordnet sind.

4. Fotoelektrisches Meßgerät nach Ansprucn ?, dadurch

AU gekennz eichnet, daß die Fotodetektoren (>f,...,14) in der Brennebene einer in dem zurückgestrahlten Licht (6) angeordneten Sammellinse (16) angeordnet ist.

5. Fotoelektrisches Meßgerät nach Anspruch 1 oder 3, dadurch α gekennzeichnet, daß der oder die Fotodetektoren (11,....,14) jeweils eine Fläche vor o,2 bis 4 mm Durchmesser aufweisen.

6. Fotoelektrisches Meßgerät nach. Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein der Lichtquelle nachgeordneter Kollimator vorgesehen ist, daß der Durchmesser des auf die Oberfläche treffenden kollimierten Lichtbündeis (1) etwa 1 - 20 mm beträgt, und daß der Einfallswinkel (·<\) zwischen 50 und 35° liegt.

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