JP2006047301A - 表面特性の定量的評価用の装置 - Google Patents

Abstract

【課題】表面特性を定量的に評価するための、さらに下塗りラッカ塗装の評価も可能にする装置と方法を提供する。
【解決手段】表面特性を定量的に評価するための装置（２１）は、第１光放射装置（２３）を有し、この光放射装置は、調査しようとする表面（１）に対して第１所定角度で配設され、調査しようとする表面（１）に放射光を方向付け、表面（１）に向けられた放射光は、赤外領域にある波長を有する少なくとも１つの成分を有し、さらに、調査しようとする表面に対して第２所定角度で配設された検出装置（２４）が備えられ、この装置が表面に照射されてこれからはね返される放射光を検出する。
【選択図】図３

Description

本発明は、表面特性の定量的評価用の装置および方法に関する。

本発明は、ラッカ塗装された表面、特に自動車の車体の表面に関して記載されたものである。しかし本発明はその他の表面にも導入可能であることが指摘される。

多数の技術的製作物では、目に見える表面の性状は製品の全体的印象の決定的な特徴である。

自動車は、一般に光沢性の高いラッカ塗装を備えており、その光沢特性値は、例えば家具の表面などといった他の表面の光沢特性値よりも通例はるかに優れている。比較的大きな表面に高度の光沢をもたらすラッカ塗装を適用する場合、ラッカ塗装すべき表面の極めて入念な準備と、極めて入念なラッカの塗布を必要とする。ラッカ塗装された車体表面の品質的な欠如を検出するために、従来技術においては、表面の客観的特徴付けもしくは評価を、表面上に照射された光の評価を通じて可能にする装置が知られている。この装置によって、例えばラッカ層の非平滑性を検出し、定量的に評価することができる。

しかし、一般に自動車工業において適用されるラッカは、外側のラッカ層のみならず、この外側ラッカ層の下にある下塗りラッカ層をも有している。質的に申し分のない最終層を作り出すために、そのつど下塗りラッカ塗装の性状も検査することが必要である。しかしその場合、この下塗りラッカ塗装上に照射される光の反射は比較的弱く、それゆえこの下塗りラッカの評価は非常に費用がかかるという問題が発生する。

したがって本発明の課題は、下塗りラッカ塗装の評価をも可能にする装置を提供することにある。

この課題は、本発明によれば請求項１に記載の装置によって達成される。有利な実施形態および発展形態は、従属請求項の対象物となっている。

表面特性を定量的に評価するための本発明による装置は、第１光放射装置を有し、この光放射装置は、調査しようとする表面に対して第１所定角度で配設され、放射光を調査しようとする表面に向けて方向付ける。この場合、表面に向けられた放射光は、赤外領域にある波長を有する少なくとも１つの成分を有する。さらに、調査しようとする表面に対して第２所定角度で配設された検出装置が備えられ、この装置は、表面に照射されてこれからはね返される放射光を検出する。

赤外放射光は、可視光の波長よりも長い波長を有するような放射光もしくは光であると理解される。ただし、適用される波長が検査しようとする構造よりも短いことが好ましい。所定の角度とは、光放射装置もしくは検出装置が検査しようとする表面に対して配設される空間角度であると理解される。

はね返される放射光とは、表面に向けられた後に表面から再び放射される放射光であると理解され、特に、反射され、回折され、または拡散される放射光であるが、それらに限定されない。

この空間角度は、検査しようとする表面に対してそのつど装置の位置を明確に決定するのに適した一組の角度から構成される。

異なる波長を有する複数の成分から構成される放射光とは、異なる波長または異なる波長領域の光を有するような放射光であると理解される。

表面への放射光の方向付けとは、放射された放射光の少なくとも一部分が表面に届くことであると理解される。この場合、この放射光は、単に平行化もしくは方向付けされるだけではなく、多少とも発散性または拡散性を有しているものと理解される。

検出装置が、第１光放射装置から表面へ照射されてこれから反射される放射光を検出することが好ましい。これは、検出装置が所定の入射角で表面に照射されて反射の法則に従って反射される光を検出するように配設されていることを意味する。

さらに別の好ましい実施形態では、第１光放射装置が点光源として製作される。点光源とは、高い発散を伴って光を放射するような光源であると理解される。この種の光源は小さな開口を適用することによって達成される。しかし、第１光放射装置は検査しようとする表面に光を放つ光ファイバを有することが好ましい。ファイバの適用は、ファイバ自体が極めて小さな断面を有し、それにより強く発散する光を作りだすので、追加の開口を形成しなくてよいという利点を有する。

点光源の適用によって、検査しようとする表面の拡大結像が特に検出平面において可能になる。このためにレンズなどの追加要素が不要になることが好ましい。

さらに別の好ましい実施形態では、特に非常に短い焦点距離を有するレンズであるが、これに限られることはないレンズによる強い分散が適用される。この種のレンズを光ファイバと関連させて適用することができるが、これとは独立に適用することもできる。

さらに別の好ましい実施形態では、検出装置は放射光制限要素を有する。この場合、放射光制限要素は絞りであることが好ましい。この絞りは、固定または可変絞り断面で選択することができる。

さらに別の好ましい実施形態では、検出装置が複数の絞りを有する。検出装置が複数の検出器を有することが好ましく、この場合、各個別の検出器が１つの絞りを備えていることが好ましい。この装置は、異なる波長領域に感度を有する複数の検出器を有することが好ましい。

さらに別の好ましい実施形態では、検出装置が、これに当る放射光を位置解像式に検出することを可能にする。これは、検出装置が単に放射光をその放射光強度に関して評価するのみならず、さらに放射光を位置解像式に検出することを可能にすることを意味する。この目的のために、検出装置は例えばＣＣＤチップなどの好ましくは平坦な画像撮影要素を有する。

さらに別の実施形態では、検出装置が放射光の位置解像式検出を可能にせず、この場合、検出装置は光センサまたは光電池などの感光性要素を有する。

さらに別の好ましい実施形態では、検出装置が赤外光の照射についても感度を有する。

さらに別の好ましい実施形態では、光放射装置が異なる放射スペクトルを持つ複数の光源を有する。こうして、例えば可視領域の光を放射する個別の光源を備え、一方で、別の光源が赤外波長領域にある光を放射する。

光放射装置が、追加の複数の光源を有し、これらの光源は、これらの光源から放射される光の放射スペクトルが本質的に可視光の全領域またはその部分、および赤外光の少なくともいくつかの領域をカバーするように形成されていることが好ましい。このように本質的に完全にカバーすることによって、例えば白色光などの、所定の光比率をできるだけ正確に再現可能である。他方では、複数の放射光源の適用によって、表面を選択的に所定の波長の光によって照射し、放射光を相応に評価することも可能である。

検出装置もまた、本質的に全可視領域および赤外波長領域の少なくとも一部分にわたって感度を有するように形成されていることは好ましい。センサの材料として、例えばゲルマニウムを適用することができる。

さらに別の好ましい実施形態では、少なくとも１つの光源がレーザである。この目的のために、例えば、連続的な放射光を放射する半導体レーザを組み込むことができる。しかし、ＬＥＤなども光源として適用することができる。

さらに別の好ましい実施形態では、複数の光放射装置が異なる空間角度で検査しようとする表面に対して配設されている。この場合、これらの複数の放射光方向は、一部は可視領域、および一部は赤外領域の異なる放射スペクトルを有することもできる。

さらに別の好ましい実施形態では、さらに別の光放射装置が、検査しようとする表面に拡散光を放射する。この場合、この拡散光は例えばくもりガラス板または散乱板などを適用して達成することができる。

さらに別の好ましい実施形態では、検出装置が複数の検出器を有する。この場合、個々の検出器を所定の方式で互いに関連させて例えば一列に配設することができる。また少なくとも２つの検出器が、異なる放射光すなわち異なる波長の放射光に関して異なる感度を有することも好ましい。

さらに別の好ましい実施形態では、複数の本質的に同種の検出器が本質的に直線に配設されている。この方式では、これらの検出器に対して線に沿って当る光の評価を行うことができる。本装置を検査しようとする表面に対してこの方向にずらすか移動させることができることが好ましい。

さらに別の好ましい実施形態では、第１波長領域に感度を有する第１個数の検出器が一列に配設され、これに対して本質的に位置をずらして可視波長領域の第２個数の検出器が第２列に置かれている。こうして例えば、赤外波長領域の所定数の第１検出器を一列に配設し、可視波長領域の第２個数の検出器を第１列に本質的に平行である第２列に配設することが可能である。

さらに別の好ましい実施形態では、本装置は、検査しようとする表面に対して本装置を移動させることができる移動装置を有する。この移動装置は、例えば車輪などとすることができる。

移動装置が移動距離測定装置と結合されていることは好ましく、この移動距離測定装置によって、検査しようとする表面に対する装置の移動距離を測定することができる。

本装置が、検出装置と結合していることが好ましい評価装置を有し、評価装置が、検出装置によって受け取られた放射光から算定した測定値を評価することが好ましい。この評価の範囲において、算定した測定値を、平均計算を行う、または同様な数学的処理を実施することによって互いに関連付けることが好ましい。

さらに、算定した測定値を、測定しようとする表面に対する本装置の相対的位置に関する情報をもたらす測定データと関連付けることが好ましい。

本発明はさらに、表面の定量的評価のための方法を対象とする。この場合、第１方法ステップでは、赤外波長領域にある少なくとも１つの成分を有する放射光が、測定しようとする表面に照射される。さらに別の方法ステップでは、測定しようとする表面からはね返される光が検出装置によって受け取られ、好ましくは価値評価される。さらに厳密に言えば、検出装置に向けられる放射光は、この装置によって特性電子信号に変換されて、この信号が評価される。

測定過程中に、本発明による装置が測定しようとする表面に対して移動され、このようにして多数の測定値が受け取られることが好ましい。本発明による装置が測定しようとする表面に対して移動する間に、そのつど所定の位置において１つの測定値が受け取られ、これが全体として多数の測定値をもたらすことが好ましい。これら多数の測定値の評価によって、測定しようとする表面の品質を特徴付けることが可能である。移動距離測定装置を通じて、本装置の位置を、測定しようとする表面に対して決定することができ、このようにして測定値を一定の幾何学的位置に割り当てることができる。

次に、評価される多数の測定値が受け取られ、受け取られた測定値が輝度測定値として示されることが好ましい。次に続く評価ステップでは、そのつど個数ｎ_１の先行測定値と個数ｎ_２の後続測定値とを共に考慮することによって、輝度測定値から表面測定値が形成される。この場合、個数ｎ_１がｎ_２測定値の個数と同じであることが好ましい。この場合、先ず個数ｎ_１の輝度測定値が決定しようとする最初の表面測定値の前に受け取られ、最後の表面測定値の後にさらに別の個数ｎ_２の輝度測定値が受け取られる。選択された測定値の個数ｎ_１およびｎ_２に依存して、そのつどより長周期的な表面障害またはより短周期的な表面障害を把握することができる。個別の測定値を、例えば移動距離測定によってトレースすることができるそのつどの測定位置に割り当てることができるのは好ましい。

本発明のさらなる有利な実施形態は図面から明らかになる。

図１に、本発明に基づく問題を具体的に説明するための概略図を示す。表面１に、例えば太陽などの光源４から放射された光３が照射されている。しかし、表面が曲線を描いて延在されているため、光は観察者６の方向に本質的に平行ではなく、表面の曲線に応じて個別の矢印Ｐ１〜Ｐ４の方向に沿って反射される。この現象によって、観察者には不完全な平滑表面の印象もしくは「オレンジピール」と呼ばれる光学的効果が発生する。

図２ａから２ｅは、本発明の原理を具体的に説明するものである。この場合、本発明による装置は、検査しようとする表面１に対して矢印Ａに沿って移動する。光源４から出た光は検査しようとする表面１から反射して、検出装置１１に放たれる。表面１のそのつどの曲線に依存して、多かれ少なかれ光は検出装置１１に達する。これは図２ａ〜２ｅに具体的に説明され、表面１上の光線が当った点ごとに、はね返される放射光は異なる方向を有し、それに従って光は異なる強度で検出器１１に入射する。検査しようとする表面を矢印Ａに沿って緩やかに走査することによって、この方法により、曲線状に延在する表面全体にわたって画像を得ることができる。

ある好ましい実施形態では、検出装置１１は、これに入射する放射光の位置解像式表示、すなわち放射光の強度による解像のみならず、位置解像式画像も可能にする。この方法で、検査しようとする表面に関する一層明確な情報が得られる。

ある好ましい測定方法では、本装置は検査しようとする表面１に対して矢印Ａに沿って移動し、そのつど多数の測定値が受け取られる。この場合、本装置を移動させるためにゴム車輪またはゴムローラを適用することができ、これらは表面１と装置との相対的動きを直接把握し、これによって表面への測定点の正確な幾何学的割当てを確保する。

多数の測定値を受け取ることによって、短い間隔で繰り返される非平滑性を検出することができる（いわゆる短周期的非平滑性）。しかし多数の測定点にわたる評価によって、例えば適切な平均計算を適用して長周期的に繰り返される非平滑性を把握することができる。

例えば５つの波長領域などの、複数の波長領域への配分を実施することができることが好ましい。この種の配分により検査しようとする表面の極めて正確な表示が保証されることがわかっている。

こうして、測定は例えば５０、４０、３０、２０、または１０個の先行および後続測定点によって評価され、この場合、より多数の測定値によって長周期的表面障害をより良好に把握することができ、より少数の測定値によって短周期的表面障害をより良好に把握することができる。

冒頭に述べたように、可視光領域においてごく僅かな反射能力を示す下塗りラッカ塗装をも検査可能にするために、本発明によれば赤外光の適用が提案される。

図３は、本発明による装置を示す。これはケーシング２１を有し、この中に第１光放射装置２３ならびに検出装置３２が格納されている。この場合、光放射装置と検出装置はそれぞれ所定の角度で、検査しようとする表面１に対して配設されている。これらの装置が検査しようとする表面に対して配設されているそれぞれの角度は、空間角度と解釈され、この空間角度は、検査しようとする表面上の中間垂直線１４と光放射装置および検出装置の中心を通る軸ＢおよびＣとの間に形成されている。

光放射装置は１つの光源（図示せず）を有している。参照番号３２は、例えばグラスファイバなどの光導体（図示せず）を中に通すことができる１つの検出装置を示す。光源としては、特に、しかしこれに限定されるものではないが、ＩＲレーザまたは赤外領域のある放射スペクトルを有するスーパーＬＥＤを組み込むことができる。図４に示す実施形態では、８００ｎｍ〜１７００ｎｍの領域、好ましくは１５５０ｎｍの領域の放射波長を有するスーパーＬＥＤが組み込まれている。

公知のグラスファイバは、本来光を通す媒体であるいわゆるコアを有する。コアはクラッドによって囲まれ、このクラッドは隔離機能を有し、これはコアから放射光が側方に逸出することを全反射によって防止する。そうではあるが、グラスファイバがより長い区間にわたって本質的に直線に導かれる場合には、光はファイバ内に入る段階でクラッドの中にも入り、ファイバの端部ではクラッドから出る。

この理由で、ファイバ端部において光がクラッドから出ることを防止するために、グラスファイバは実施装置に入れる前に曲げられて通され、約２ｍ〜３ｍの長さにわたって巻かれることが好ましい。

参照番号２９はさらに別の光放射装置を示す。この光放射装置は、可視波長領域にある光を放射する光源を有する。図４に示す実施形態では６５０ｎｍの放射波長が適用される。

光放射装置２９が、表面によって反射されて検出装置３１によって受け取られる光の斑点を放射することは好ましい。検出装置３１は、これに当る光の位置解像式表示を可能にする検出装置、好ましくはカラーカメラとすることが好ましい。

検出装置３２は、少なくとも赤外領域の放射光にも感度を有する。この検出装置３２もまた、これに当る光の位置解像式表示を可能にする検出装置とすることが好ましい。

参照番号５３はさらに別の光放射装置を示し、参照番号２７は、図４に示す実施例において仕上げられたラッカ層の表面を評価するために役立つさらに別の検出装置を示す。この装置によって光沢の測定が行われる。

この光沢の測定によって得られた値は、上述の赤外光による測定によって得られる各々の結果を修正するために利用される。

光放射装置５３には、少なくとも１つの光源１２が格納されている。

この種の光を発生させるために、例えば半導体、レーザダイオードなどを適用することができる。光はレンズシステム１７を通じて検査しようとする表面に向けられる。

光放射装置５３と検出装置２４とは本質的に、光放射装置から送り出される光が本質的に検査しようとする表面１によって検出装置２４に向かって反射されるように配設されている。光放射装置５３は、光源１２の近傍に、スペクトルの全可視領域またはその部分をカバーすることが好ましいさらに別の光源を有することができる。

検出装置２４は、これに当る放射光を検出する検出要素２７を有する。この目的のために、検出装置がレンズシステム２８をも有することが好ましい。検出装置として、ある好ましい実施形態ではカラーカメラが適用される。

しかしさらに、表面から投げ返される光を検出するさらなる検出装置（図示せず）を備えることができる。

さらに別の実施形態によれば、単一または複数の光放射装置（図示せず）が拡散光を放出し、この目的のために散乱板またはくもりガラス板などを備えることができる。参照番号３４は、測定された値を評価するための表示装置を示す。

図４は、検出装置３１および３２から構成された検出器を示す。この装置は第１検出器３２ａ〜３２ｅおよび第２検出器３１ａ〜３１ｅを有する。この場合、図示された実施形態では、検出装置３２および３１のそれぞれの検出器は一列に配設されている。検出装置３２および３１のそれぞれの検出器が、本装置が表面１に対して動かされる方向に本質的に垂直であることは好ましい。下側の検出装置３２はこの実施形態では５個の個別検出器３２ａ〜３２ｅを備えており、これらは少なくとも赤外波長領域にも感度を有する。上側の検出装置３１はこの実施形態では５個の個別検出器３１ａ〜３１ｅを備えており、これらは特に可視波長領域に感度を有する。個別の検出器３１ａ〜３１ｅは絞り装置（図示せず）および好ましくはフィルタ（図示せず）、特に帯域フィルタを有し、このフィルタはここに図示した実施形態では本質的に同じ大きさの絞り開口部を有する。検出装置３２および３１の個別の検出器は、交互に異なる絞り開口部を有する絞り装置を備える。また、ただ１つの放射光源の光を適切に評価できるように、検出器はそれ自体異なる検出面を有することもできる。しかしこの選択は強制的ではなく、そのつど別の絞り開口部を備えることもできる。またコンピュータ支援式絞り制御、またはプログラム式絞りを有するセンサアレイを使用することもできる。

本特許による課題を概略的に説明する図である。 測定方法の原理を具体的に説明する概略図である。 本発明の原理を具体的に説明するためのさらに別の概略図である。 測定方法の原理を具体的に説明するためのさらに別の概略図である。 測定方法の原理を具体的に説明するためのさらに別の概略図である。 測定方法の原理を具体的に説明するためのさらに別の概略図である。 表面を定量的に評価するための本発明による装置を示す図である。 図３の本発明による装置のための検出装置からの部分図である。

符号の説明

１ 検査しようとする表面
３ 光
４ 光源
６ 観察者
１１ 検出装置
１２ 光源
１４ 中間垂直線
１７ レンズシステム
２１ 装置、ケーシング
２３ 第１光放射装置
２４ 検出装置
２７ 検出装置
２８ レンズシステム
２９ 光放射装置
３１ 検出装置
３２ 検出装置
３４ 表示装置
５３ 光放射装置
Ａ 移動方向の矢印
Ｂ 中心軸
Ｃ 中心軸
Ｐ 矢印

Claims (22)

1. 表面特性を定量的に評価するための装置において、調査しようとする表面（１）に対して第１所定角度で配設され、調査しようとする表面（１）に赤外領域の波長を有する少なくとも１つの成分を有する放射光を方向付ける第１光放射装置（２３）と、調査しようとする表面に対して第２所定角度で配設され、表面に照射されてこれからはね返される放射光を検出する検出装置（３２）とを備える装置。
2. 前記検出装置（３２）が、前記第１光放射装置（２３）から表面（１）へ照射されて該表面（１）から反射される放射光を検出することを特徴とする請求項１に記載の装置。
3. 前記第１光放射装置（２３）が、点光源として製作されていることを特徴とする請求項１および２のいずれか一項に記載の装置。
4. 前記第１光放射装置（２３）が、光ファイバを有することを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載の装置。
5. 前記検出装置（３２）が、少なくとも１つの放射光制限要素、好ましくは絞りを有することを特徴とする請求項１から４のいずれか一項に記載の装置。
6. 前記検出装置が、フィルタ要素、好ましくは帯域フィルタを有することを特徴とする請求項１から５のいずれか一項に記載の装置。
7. 前記検出装置が、複数の絞りを有することを特徴とする請求項１から６のいずれか一項に記載の装置。
8. 前記検出装置によって検出される放射光の位置解像式検出を可能にすることを特徴とする請求項１から７のいずれか一項に記載の装置。
9. 前記第１光放射装置が、少なくとも部分的に異なる放射スペクトルを持つ複数の光源を有することを特徴とする請求項１から８のいずれか一項に記載の装置。
10. 前記光放射装置が複数の光源を有し、該光源が、該光源から放射される光の放射スペクトルが本質的に可視光の全領域またはその部分領域、および赤外光の少なくともいくつかの領域をカバーするように形成されていることを特徴とする請求項１から９のいずれか一項に記載の装置。
11. 少なくとも１つの光源がレーザであることを特徴とする請求項１から１０のいずれか一項に記載の装置。
12. 放射光を検査しようとする表面に向ける少なくとも１つのさらに別の光放射装置が備えられていることを特徴とする請求項１から１１のいずれか一項に記載の装置。
13. 前記さらに別の光放射装置が、検査しようとする表面に拡散光を向けることを特徴とする請求項１から１２のいずれか一項に記載の装置。
14. 前記検出装置が、多数の検出器を有することを特徴とする請求項１から１３のいずれか一項に記載の装置。
15. 少なくとも２つの検出器が、異なる波長の放射光に対して感度を有することを特徴とする請求項１から１４のいずれか一項に記載の装置。
16. 複数の本質的に同種の検出器が、本質的に直線状に配設されていることを特徴とする請求項１から１５のいずれか一項に記載の装置。
17. 少なくとも１つの検出器が、赤外光に対して感度を有することを特徴とする請求項１から１６のいずれか一項に記載の装置。
18. 少なくとも１つの検出器が、可視光に対して感度を有することを特徴とする請求項１から１７のいずれか一項に記載の装置。
19. 検査しようとする表面に対して装置を移動させることができる移動装置を有することを特徴とする請求項１から１８のいずれか一項に記載の装置。
20. 前記検出装置と結合されている評価装置を有することを特徴とする請求項１から１９のいずれか一項に記載の装置。
21. 表面特性を定量的に評価するための方法において、
    放射光を、測定しようとする表面に照射させ、該放射光が少なくとも１つの赤外波長領域の成分を有するステップと、
    表面に照射されて表面からはね返される光を検出し、この光に関する特性信号を発生させるステップと、
    前記特性信号を評価するステップと
    を含む方法。
22. 請求項１から１９のいずれか一項に記載の装置を、検査しようとする表面に対して移動させるステップを更に備えていることを特徴とする請求項２１に記載の方法。
    

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