JP4534795B2

JP4534795B2 - 塗膜評価装置及び方法

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Publication number: JP4534795B2
Application number: JP2005050451A
Authority: JP
Inventors: 彰西村
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2005-02-25
Filing date: 2005-02-25
Publication date: 2010-09-01
Anticipated expiration: 2025-02-25
Also published as: JP2006234613A

Description

本発明は塗膜評価装置及び方法に関し、特に塗膜含有物の定量評価に関する。

自動車等の塗装にはソリッド塗膜やメタリック塗膜、パール塗膜等がある。ソリッド塗膜はバインダ中に顔料を含有させた塗膜で、鏡面反射光が鋭いピークを有し、他の反射角の拡散反射光は弱い性質を有する。メタリック塗膜はバインダ中に顔料を含有させるとともにアルミ片を混入させた塗膜で、アルミ片のために鏡面反射方向の回りに強度分布が生じる。したがって、光源と観察者の位置により反射光の強さが大きく変化する。

塗膜では、顔料あるいはアルミ片等が均一に、かつアルミ片等が塗膜面に平行に配列している状態が望ましく、ムラがどの程度生じているかを人間が目視で確認する他、客観的に定量評価することが必要である。

下記の特許文献では、２次元撮像部を被測定対象に対して移動させることで、被測定対象の１つの点に対して出射角の異なる光線を検出し、変角輝度分布を得ることが記載されている。変角輝度分布に対し、角度変化に対応する標準偏差等の統計的な特徴量を計算することで、フレーク（アルミ片等）の並びの均一性を定量的に評価できるとしている。

特開平１１−２１１６７３号公報

しかしながら、上記の技術では、アルミ片等の並びの均一性という極めて漠とした特性を評価しているにすぎず、より詳細かつ具体的な定量評価を行っていない。

本発明の目的は、塗膜に含まれる顔料の特性をより詳細に定量評価できる装置及び方法を提供することにある。

本発明は、塗膜表面に白色光を照射する手段と、前記塗膜表面からの反射白色光を、所定の角度範囲で受光する手段と、前記角度範囲内の任意の角度における、一定値以上の輝度を有する高輝度部分を抽出する手段と、前記高輝度部分の前記角度範囲における輝度分布を用いて前記塗膜の鏡面反射率及び表面粗さを定量評価する手段とを有し、前記定量評価する手段は、θｓを前記所定角度範囲における角度としたときに、前記輝度分布を
定量評価式＝ｋｓ×ｅｘｐ［−θｓ／（２σ２ ^２）］
で近似したときのパラメータｋｓ及びσ２をそれぞれ前記鏡面反射率及び表面粗さとして評価する。

また、本発明は、塗膜に含まれる顔料の分布を定量評価する方法であって、塗膜表面に白色光を照射し、その反射光を所定角度範囲にわたって順次カメラで撮影するステップと、処理装置で行う各ステップであって、得られた複数画像を処理装置のメモリに格納するステップと、メモリに格納された複数画像のうち、任意角度における画像内の最大輝度ピクセルを抽出するステップと、前記最大輝度ピクセルの、前記所定角度範囲にわたる輝度分布である変角輝度分布を算出するステップと、前記変角輝度分布をパラメータｋｓ及びσ２を用いた定量評価式ｋｓ×ｅｘｐ［−θｓ／（２σ２ ^２）］（但し、θｓは前記所定角度範囲における角度）で近似するステップと、前記パラメータｋｓ及びσ２を、ｋｓ及びσ２を直交座標系とする座標系にプロットして出力するステップとを有する。

本発明では、所定の角度範囲内の任意の角度において一定値以上の輝度を有する部分に着目し、この部分の角度範囲における輝度分布（変角輝度分布）を用いて鏡面反射率及び表面粗さを定量評価する。変角輝度分布は、任意角度において抽出された部分に対応する顔料の反射特性を示し、その鏡面反射率及び表面粗さが評価される。複数の任意角度において評価することでその塗膜内の複数の顔料の反射特性が得られる。顔料の反射特性は、一般にその顔料の鏡面反射角度で最大となり、その角度から離れるに従って減少していく。減少の度合いは略ガウス分布に従い、そのピーク値が鏡面反射率、ピーク幅が顔料の表面粗さに対応する。本発明の１つの実施形態では、変角輝度分布を所定の評価式で近似し、その近似評価式のパラメータをもって鏡面反射率及び表面粗さを定量評価する。

本発明によれば、塗膜に含まれる顔料の鏡面反射率及びその表面粗さを定量評価して出力できる。したがって、塗膜の特性を従来以上に高精度に評価できる。

以下、図面に基づき本発明の実施形態について説明する。なお、本実施形態では、アルミ片等のフレークも顔料に含まれるとして説明する。

図１に、本実施形態に係る塗膜評価装置の概念構成図を示す。塗膜評価装置は、顔料１０を含む塗膜の表面に白色光を照射する白色光源、塗膜表面からの白色光の反射光を受光するＣＣＤカメラ１２、及びＣＣＤカメラ１２で得られた画像データを入力し処理するコンピュータ１４を含んで構成される。

白色光源は、塗膜表面に対して所定の角度から白色光を照射する。白色光を照射するのは、例えばレーザ光を照射した場合にはその反射特性が塗膜の分光吸収に依存することになるからである。また、白色光の照射角度を任意に変化させてもよい。

ＣＣＤカメラ１２は、塗膜表面からの反射光を受光する。ＣＣＤカメラ１２は、正反射光（鏡面反射光）に対して所定の開き角をスタート角度とし、所定ステップ幅で所定角度範囲まで順次移動し、それぞれの角度において反射光を受光する。本実施形態では、ＣＣＤカメラ１２は、正反射光に対して２°の開き角をスタート角度とし、１°のステップ幅で１０°まで移動させ、合計１０個の角度において反射光を受光する。ＣＣＤカメラ１２で得られた、各角度毎の画像データはコンピュータ１４に順次供給される。正反射角に対して２°の開き角をスタート角度とするのは、正反射角においては塗膜表面からの反射強度が最大となるため、特定顔料の変角輝度分布を検出するのが困難となるからである。

コンピュータ１４は、合計１０個の画像データを順次メモリに格納するとともに、これらの画像データを処理して塗膜の顔料を定量評価し、その結果を輝度と表面粗さとして出力する。すなわち、コンピュータ１４は、顔料の輝度と表面粗さを数値として出力する。コンピュータ１４は、顔料の輝度を横軸、表面粗さを縦軸とした２次元座標上に、定量評価した顔料の輝度と表面粗さをプロットして出力することもできる。

図２に、正反射角からの開き角２°〜１２°の範囲内の任意角度においてＣＣＤカメラ１２で得られた画像が模式的に示されている。なお、説明の都合上、黒いほど明るいことを示す。コンピュータ１４は、撮影画像から一定値以上の輝度を有する部分を抽出する。一定値以上の輝度を有する部分が複数存在する場合にはその中の任意の部分を選択する。選択はユーザが行ってもよく、コンピュータ１４が所定の判定基準に従って行ってもよい。一定値以上の輝度を有する部分として、その撮影画像内での最大輝度部分（最大輝度ピクセル）１０２を抽出するのが好適である。最大輝度値のピクセルの存在は、その角度が特定顔料の正反射角であることを推認させる。具体的には、撮影画像１００の各ピクセル毎のデジタル輝度値を順次比較し、最大輝度値を有するピクセルを抽出する。ピクセルの大きさはユーザが任意に設定できる。また、最大輝度部分１０２を抽出するために用いる角度も任意に設定できる。例えば、正反射角からの開き角＝７°である。本実施形態では、任意の開き角において最大輝度となるピクセルを処理対象とし、このピクセルの変角輝度分布から顔料の定量評価を行う。

図３に、本実施形態の全体処理フローチャートを示す。まず、白色光源から白色光を塗膜表面に照射する（Ｓ１０１）。そして、所定位置に設置されたＣＣＤカメラ１２で塗膜表面を撮影する（Ｓ１０２）。ＣＣＤカメラ１２は、撮影画像をコンピュータ１４に供給する（Ｓ１０３）。コンピュータ１４は、撮影画像をデジタル変換し、各ピクセル毎のデジタル輝度値を撮影角度と関連付けてメモリに格納する。そして、所定角度範囲内（本実施形態では開き角２°〜１２°）における全ての角度で画像を撮影したか否かを判定し（Ｓ１０４）、撮影していない場合には１°単位でＣＣＤカメラ１２の開き角を変化させて（Ｓ１０５）、Ｓ１０２〜Ｓ１０４の処理を繰り返す。これにより、全ての開き角の撮影画像がコンピュータ１４に供給され、各角度毎の各ピクセル毎の輝度値がコンピュータ１４のメモリに格納される。なお、ＣＣＤカメラ１２の駆動及びその開き角は、コンピュータ１４が制御してもよく、コンピュータ１４とは別個のコンピュータあるいはコントローラが制御してもよい。

次に、コンピュータ１４は、ユーザが入力した任意角度に対応する撮影画像データをメモリから読み出し、最大輝度値を有するピクセルを抽出する（Ｓ１０６）。上記のように、ほぼ同程度の輝度ピクセルが複数存在する場合には、いずれかのピクセルを選択する。最大輝度ピクセルを抽出した後、最大輝度ピクセルの各角度毎の輝度をメモリから読み出し、変角輝度分布を算出する（Ｓ１０７）。最大輝度ピクセルをＰｉｊ、開き角２°〜１２°の範囲における各角度（ステップ幅１°）の輝度値をＬｉｊ（θ）とすると、横軸を角度θ、縦軸を輝度値Ｌとする変角輝度分布が得られる。変角輝度分布は、具体的には、Ｌｉｊ（２°）、Ｌｉｊ（３°）、Ｌｉｊ（４°）、・・・Ｌｉｊ（１２°）の１０個の輝度値から構成される。変角輝度分布を算出した後、Ｌｉｊ（２°）〜Ｌｉｊ（１２°）のうちの最大値の角度を中心、つまりθ＝０とする変角輝度分布に置き換え、さらにこの変角輝度分布を近似する（Ｓ１０８、Ｓ１０９）。

図４に、最大輝度ピクセル１０２の変角輝度分布を３次元模式図で示す。（ａ）、（ｂ）、（ｃ）はそれぞれ異なる開き角における輝度分布であり、（ａ）、（ｂ）、（ｃ）の順で開き角が増大する。正反射角からの開き角が増大するほど、ピクセルの輝度は減少していくが、顔料の特性に応じてその変化は異なる。

図５に、最大輝度ピクセルの変角輝度分布に対し、最大輝度値が得られる開き角を中心（開き角＝０°）とした変角輝度分布に置き換えたものを示す。図中プロット点が最大輝度ピクセルの変角分布である。一般に、変角輝度分布はガウス分布で近似でき、中心角（開き角＝０°）のピーク値が顔料の鏡面反射率、ピーク幅が顔料の表面粗さに対応すると考えられる。そこで、変角輝度分布を所定の定量評価式で近似する。近似は具体的には以下のように行われる。すなわち、コンピュータ１４は、鏡面反射率パラメータをｋｓ、表面粗さパラメータをσ２とし、定量評価式を以下のように定義する。
定量評価式＝ｋｓ×ｅｘｐ［−θｓ／（２σ２ ^２）］
ここに、θｓは開き角のスタート角度（２°）からの変角である。そして、Ｓ１０８では、変角輝度分布とこの定量評価式の偏差平方和を算出し、Ｓ１０９ではこの偏差平方差が最小となるパラメータｋｓ及びσ２を算出する。偏差平方和は、
偏差平方和＝Σ（Ｌｉｊ（θ）−定量評価式）^２
である。Σは、２°〜１２°までの１°ステップ幅の加算を示す。偏差平方和が最小となるパラメータｋｓ及σ２が、変角輝度分布を近似するパラメータである。図５に、変角輝度分布の近似式を実線で示す（図中、Ｆｉｔｔｉｎｇと記載される実線）。塗膜の顔料は、偏差平方和を最小化する２つのパラメータｋｓ、σ２で定量化され、それぞれ顔料の鏡面反射率及び表面粗さに対応する。

コンピュータ１４は、パラメータｋｓ及びσ２を算出した後、ｋｓを横軸、σ２を縦軸とするｋｓ−σ２座標系に算出したｋｓ及びσ２をプロットとして出力する（Ｓ１１０）。

以上のようにして、ある任意の角度において最大輝度を有するピクセルを対象として、鏡面反射率ｋｓ及び表面粗さσ２が得られる。このパラメータ（ｋｓ、σ２）は、あるピクセル、つまり塗膜内のある特定の顔料についての定量評価値である。ユーザは、任意角度を複数設定してもよい。コンピュータ１４は、それぞれの角度において最大輝度を有するピクセルを抽出し、各ピクセルにおいて変角輝度分布を算出し、それぞれのピクセル毎にパラメータ（ｋｓ、σ２）を算出する。複数の塗膜を評価する場合、各塗膜について同一のスタート角度、開き角度範囲、ステップ角度を設定し、最大輝度ピクセルを抽出する角度を例えば開き角７°の位置に固定してパラメータ（ｋｓ、σ２）を算出してプロットする。各塗膜に対し、複数の角度においてパラメータ（ｋｓ、σ２）を算出してプロットしてもよい。

図６に、複数の塗膜に対して得られたパラメータｋｓ、σ２のプロット結果を示す。図中、グループ２００〜２０８はそれぞれ異なる塗膜に対するプロット結果を示す。一般に、ｋｓが大きく、σ２が小さいほど優れた塗膜と考えられる。グループ２００は、ｋｓ及びσ２ともに広く分布し、σ２も大きな値を有する。これに対し、グループ２０８はｋｓがほぼ一定範囲に収まり、かつ、σ２も低く抑えられている。グループ２０８の塗膜は相対的に優れた塗膜であることが分かる。

図７に、塗膜Ａ〜Ｅの、ハイライトからの角度θに対する輝度の変化を示す。ここで、「ハイライト」は特定顔料の正反射角（変角輝度分布における最大輝度が得られる角度）である。縦軸は、鏡面反射率ｋｓに対応する。塗膜Ｅは、ハイライトからの角度が増大するほど他の塗膜より輝度が減少する。塗膜Ｅは図６におけるグループ２０８に相当する塗膜であり、表面粗さσ２が低く抑えられているため、ハイライトからの角度が増大すると輝度が大きく減少していく。

このように、本実施形態では、所定の定量評価式を用いて塗膜の顔料を２つのパラメータｋｓ、σ２で評価するため、より高精度にかつ正確に塗膜の顔料を評価できる。

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明はこれに限定されず種々の変更が可能である。

例えば、本実施形態では角度範囲として正反射角からの開き角度２°をスタート角度としたが、スタート角度及び角度範囲を可変としてもよい。

また、本実施形態では、評価式としてｋｓ×ｅｘｐ［−θｓ／（２σ２ ^２）］を用いているが、他の評価式を用いてもよく、ｋｓを塗膜表面の正反射角における反射率とし、変角輝度分布において最大輝度が得られるときの正反射角からの角度をθ１として、ｋｓ／ｃｏｓ（θ１）×ｅｘｐ［−θｓ／（２σ２ ^２）］としてもよい。

さらに、本実施形態では、鏡面反射率ｋｓ及び表面粗さσ２をともにコンピュータ１４から出力しているが、鏡面反射率ｋｓのみ、あるいは表面粗さσ２のみを出力するようにしてもよい。例えば、ある塗膜の顔料の表面粗さのみを定量評価したい場合、コンピュータ１４は算出した２つのパラメータｋｓ、σ２のうちσ２のみを出力する。いずれのパラメータを出力するかをユーザが適宜設定できるように構成してもよい。コンピュータ１４のディスプレイ上に「鏡面反射率」、「表面粗さ」の選択ボタンを表示し、ユーザがいずれかのボタンを選択して出力パラメータを指定する。

実施形態の装置構成図である。任意角度における撮影画像の輝度分布説明図である。実施形態のフローチャートである。最大輝度ピクセルの変角輝度分布説明図である。変角輝度分布の近似（フィッティング）説明図である。複数の塗膜に対するパラメータプロット図である。複数の塗膜に対する輝度変化説明図である。

符号の説明

１０顔料、１２ＣＣＤカメラ、１４コンピュータ、１００撮影画像、１０２最大輝度ピクセル。

Claims

塗膜表面に白色光を照射する手段と、
前記塗膜表面からの反射白色光を、所定の角度範囲で受光する手段と、
前記角度範囲内の任意の角度における、一定値以上の輝度を有する高輝度部分を抽出する手段と、
前記高輝度部分の前記角度範囲における輝度分布を用いて前記塗膜の鏡面反射率及び表面粗さを定量評価する手段と、
を有し、
前記定量評価する手段は、θｓを前記所定角度範囲における角度としたときに、前記輝度分布を
定量評価式＝ｋｓ×ｅｘｐ［−θｓ／（２σ２ ^２）］
で近似したときのパラメータｋｓ及びσ２をそれぞれ前記鏡面反射率及び表面粗さとして評価する
ことを特徴とする塗膜評価装置。
請求項１記載の装置において、
前記高輝度部分を抽出する手段は、前記任意の角度における最大輝度部分を抽出することを特徴とする塗膜評価装置。
請求項１、２のいずれかに記載の装置において、
前記受光する手段は、前記塗膜表面の鏡面反射角から所定角度だけずれた角度をスタート角度とした所定角度範囲で受光することを特徴とする塗膜評価装置。
塗膜に含まれる顔料の分布を定量評価する方法であって、
塗膜表面に白色光を照射し、その反射光を所定角度範囲にわたって順次カメラで撮影するステップと、
処理装置で行う各ステップであって、
得られた複数画像を処理装置のメモリに格納するステップと、
メモリに格納された複数画像のうち、任意角度における画像内の最大輝度ピクセルを抽出するステップと、
前記最大輝度ピクセルの、前記所定角度範囲にわたる輝度分布である変角輝度分布を算出するステップと、
前記変角輝度分布をパラメータｋｓ及びσ２を用いた定量評価式ｋｓ×ｅｘｐ［−θｓ／（２σ２^２）］（但し、θｓは前記所定角度範囲における角度）で近似するステップと、
前記パラメータｋｓ及びσ２を、ｋｓ及びσ２を直交座標系とする座標系にプロットして出力するステップと、
を有することを特徴とする塗膜評価方法。