JP4726433B2 - 表面特性を特定する装置および方法 - Google Patents

Description

本発明は、表面特性を特定する装置および方法に関するものである。

表面特性は、日常生活における対象物、例えば自動車をはじめとして使用する対象物の主たる特性であって、見る者がそれらの対象物に対していだく全体の印象を決定する上で重要な役割を果たす。一例として車体の光沢仕上げ塗装やメタリック塗装が挙げられる。

とりわけこのような光沢仕上げ塗装の表面特性を再現できるように評価するためには、見る者がいだく全体の印象を決定する上で重要な働きをするまさにその物理的な数値を検出する計測器が必要となる。従来技術においても表面の視覚的な特性、特に反射及び／又は散乱特性が特定できる様々な方法および装置が周知となっている。

このような計測を行う場合、見る者が表面に対していだく視覚的印象は、人間の目の分解能に依存し、さらに、人間の目の分解能は、観察者から対象物、たとえば自動車までの距離に依存する。

近い距離で人間の目は、例えば異なる色彩の対比を正確に解像する能力があるが、距離が大きくなると、例えば周期的に反復するパターンを認識するようになる。人間の目の場合、このような周期的な構造が見えるかどうかは、構造の波長ないし周波数、ならびに目と観察対象との距離に依存する。

したがって、本発明の課題は、表面特性が評価でき、しかもその際、特に観察者と観察される表面との距離によって生じる印象も考慮あるいはシミュレーションされるような方法および装置を提供することにある。

前記の課題は、本発明により、請求項１に係る方法および請求項１１に係る装置によって達成される。これらの方法および装置の有利な発展態様は、従属請求項の対象となっている。

本発明に係る方法では、まず少なくとも１つの光線放射装置の所定の光線を所定の角度で測定面に当てる。測定面が反射及び／又は散乱する光線は、複数の撮像素子を有する検出装置によって特定される。

次いで、撮像素子によって検出された光線の少なくとも１つのパラメータを表す複数の信号が生成される。最終的に少なくとも２つの異なる所定の基準による第１の信号が少なくとも２つのグループ信号に統合され、少なくとも１つのグループ固有の評価数値が計算されるとともに、測定面の少なくとも１つの拡散反射特性と相関し、前記評価数値に依存する少なくとも１つの統計パラメータが特定される。こうして第１の信号を統合するために設定された基準に従って少なくとも１つの統計パラメータが出力される。このとき異なる基準でとらえた少なくとも２つの統計パラメータの関係によって表面特性が表される。

本発明における光線は、人間の目に見える範囲の光線であったり、紫外線、赤外線、放射線などであったりするが、人間の目に見える波長領域の光線であるのが好ましい。光線は単色の場合もあるし、異なる波長の成分から成る場合もある。

測定面とは検査すべき面のことをいい、自動車の車体やプラスチックあるいは一般に工業的に作られた材料の大理石模様などがその例である。

撮像素子とは、好適に光線を受容し、この光線の特性が変化した場合に所定の方法で反応するような電子工学装置を意味する。

測定面の表面は平坦であったり平坦でなかったりするが、本発明においては平坦な表面である場合が圧倒的に多い。

このように本発明において表面特性とは、特に見る者に対して表面の外観を決定づけるような表面の物理的特性のことをいう。この概念に該当する特性は特にマクロ組織およびミクロ組織、トポグラフィー、色彩、色の位置、色の明度、光沢、結像の鮮明さ（英語：ＤＯＩ）、光沢のくもり、表面の肌理、粗さ、表面の凹凸（英語：ｏｒａｎｇｅ ｐｅｅｌ）などである。本発明においては特にいわゆるｃｏａｒｓｅｎｅｓｓ（粗度）あるいはｇｒａｉｎ（粒度）などの特性が注目される。

第１の信号は好適にそれぞれの撮像素子に当たる光線の強度に依存する。

第１の信号をグループ信号に統合する際、少なくとも１つの第１の信号と少なくとも１つのさらなる第１の信号とは好適に異なって加重されるため、ある表現においてたまたま存在している明度の差や対比は増大される。あるいは、複数の第１の信号を何度もグループ信号に統合することによって、すでにある対比を同様に増大させることができる。

第１の信号をグループ信号に統合する際に用いられる基準は主に統合される第１の信号の数及び／又は加重及び／又は相関関係によって区別される。すでに述べたとおり第１の信号を加重することによってすでに存在する対比の印象が強められる。

統合された信号の数を介して画像の解像度は変えられるので、それによって観察者と測定面との距離の多少を少なくとも部分的にシミュレーションすることができる。

少なくとも２つのパラメータの関係は、差、グラディエント、和、商、関数、１次あるいはそれに続く導関数及び／又は同種のものを含むパラメータのグループから好適に選択される。したがって例えば差や商は対比の基準となりうるし、グラディエントは例えば所定の基準に対してパラメータを検出する、すなわち所定の基準に対してそれぞれパラメータを設定する方法によって検出することができる。

検出装置は少なくとも検出装置に当たる光線の強度及び／又は波長を検出する。個々の強度を検出することによって、検出装置に当たる光線の明暗の対比が推量される。検出装置に当たる光線の波長を検出したり、個々の波長領域を検出したりすることで、色の対比が検出される。

平均値を形成するには特定の波長のみあるいは所定の波長領域を使用するのが好適である。また平均値を形成するには特定の光線強度のみ、あるいは所定の光線強度領域を使用するのが好ましい。

さらに平均値を形成するには強度及び／又は波長が設定された領域外であるような個々の信号は無視するのが好ましい。以上のようにして測定結果の平滑化が実現される。

評価数値は好適に統計量として計算され、この統計量は算術平均、永久平均、ベクトル平均、幾何平均、フーリエ変換、限定はされないが特にフーリエ＝サイン変換およびフーリエ＝コサイン変換、を含む統計量のグループから選択される。平均値は統計的なスライド平均値として形成されるのが好ましい。

統計パラメータは平方偏差、標準偏差、ばらつき、極小、極大、スパン幅などを含むパラメータのグループから好適に選択される。パラメータは限定されないが、検出された光線について個々に受容された光線強度の平方偏差あるいは個々に受容された波長の平方偏差であることが望ましい。

本発明はまた、表面特性を特定するための本発明に係る方法を実現するための装置に関するものである。この装置は測定面に光線を当てるまたは送る少なくとも１つの第１の光線放射装置を有する。さらに検出装置が設けられるが、この検出装置は測定面により反射及び／又は散乱される光線の少なくとも一部が検出装置に当たるように測定面に対して所定の角度をなして設けられ、検出装置は複数の撮像素子を有してなり、各撮像素子はその撮像素子に当たる光線の少なくとも１つのパラメータを特徴づける第１の信号を出力する。

前記装置には少なくとも１つの処理装置が設けられ、少なくとも３つの撮像素子の第１の信号を複数の第２のグループ信号に統合する。

撮像素子とは、受容された画像あるいは受容された光線を検出し、この光線を特徴づける測定信号を出力する素子または構成部材のことをいう。例えば抵抗及び／又は電流及び／又は電荷が、当てられる光線の強度に応じて変化する構成部材を意味する。

第１の信号が１つのグループ信号に統合される撮像素子のグループに属する各撮像素子は、好適に同じグループに属する少なくとも１つのさらなる撮像素子に隣接している。

このことから偶然に配置された撮像素子の信号が統合されるのではなく、少なくとも部分的に互いに隣接しているか、互いに一定の距離を有して設けられている撮像素子の信号が統合されることがわかる。

さらなる好適な実施の形態では複数の撮像素子の全てが少なくとも１次元、好ましくは少なくとも２次元のアレイに設けられている。３次元のアレイを設けることも考えられるが、このような３次元のアレイで撮像素子は例えば湾曲面に設けられるであろう。

また撮像素子を一つだけ、あるいは複数設けて、設定された好適に１次元あるいは２次元の領域内で移動させることも想定される。

それぞれの信号が１つのグループ信号に統合される少なくとも１つのグループに属する撮像素子は、少なくとも１次元のサブアレイに配設されるのが好適である。つまり、それぞれの信号が１つのグループ信号に統合される個々の撮像素子は例えば２ｘ２，３ｘ３のマトリックスに配設されるのである。しかしながらさらなる実施の形態では、第１の信号が１つのグループ信号に統合される撮像素子が線に沿って配設されることもある。また例えば１ｘ４，３ｘ５あるいは３ｘ８のように正方形でないサブアレイを形成してもよい。

さらなる実施の形態において光線放射装置は、白熱電球、発光ダイオード、レーザー、熱光源などを含む光源のグループから選択される少なくとも１つの光源を有する。光線放射装置から放出される光線は拡散光線あるいは平行化された光線であり、拡散光線は例えば散乱板を用いて作られる。

さらなる好適な実施の形態で光線放射装置は少なくとも１つの光線限定素子を有している。この光線限定素子は絞り装置、限定はされないが特にピン絞り装置、格子、カットオフフィルターなどを含む素子のグループから選択される。

さらなる好適な実施の形態で少なくとも１つの光源の少なくとも１つの光学的特性、すなわち限定はされないが特に波長、偏り、強度、変調などを変化させることができる。ここで変調というのは光源のスイッチを変更可能な間隔でオンオフしたり、光源の強度及び／又はその他の特徴の１つを変えられることを指す。

さらなる好適な実施の形態で光線放射装置は少なくとも１つの光線操作装置を有している。光線操作装置はレンズ、鏡面、限定はされないが特に凹面鏡などを含む光線操作装置のグループから選択される。

第１の及び／又は第２の光線放射装置はさらに前記のレンズ以外に透過格子、反射格子、複屈折素子などを含む装置のグループから選択することもできる。

さらなる好適な実施の形態で光線検出装置は少なくとも１つの分散素子を有する。すなわち波長あるいは周波数について選択的な特性を有する素子である。しかしながらこのような分散素子は光線検出装置に統合する必要はなく、測定面と光線検出装置との間の光路の他の場所に設けてもよい。

さらにモノクロメータを用いて、測定面から反射または散乱される光線の波長を検査あるいは選択することも可能である。

さらなる好適な実施の形態では、測定面と光線検出装置との間に第２の光線操作装置が設けられている。このような場合、第１及び／又は第２の光線操作装置の測定面に対する位置を変えることができる。

さらなる好適な実施の形態では、測定面と光線検出装置との間の設定角度を好適に変えることができ、この角度は０°から９０°、好ましくは４０°から９０°、特に好ましくは８０°から９０°である。

さらなる好適な実施の形態で本発明に係る装置にはレンズ装置が設けられるが、レンズ装置は測定面と検出装置との間に配設されるのが好ましい。

本発明はまた、表面特性を評価及び／又は特定するための前記の方法および装置を特に自動車分野に対して使用することにも関わる。

本願に係る方法および装置のさらなる優位点は添付の図面に示されている。

図１は、表面特性を特定するための本発明に係る装置の第１の実施の形態を示す。

図１において符号２は、光線放射装置を表す。この実施の形態では、複数の光線放射装置２，２′，２″が設けられ、これらは測定面７の上方の空間に好適に均一に配設されている。

前記の空間は、図１では半円あるいは半球として表されているが、その他の任意の幾何学的形状、例えば平行六面体などでも構わない。

符号８は、光線検出装置を表し、光線操作装置であるレンズ１１およびアレイ５に配設された複数の撮像素子を有している。光線検出装置にはこの他に、（図には示さないが）絞り装置、回折格子、周波数に応じたフィルターなどの分散素子といった光線限定装置も設けられている。

複数の撮像素子が設けられたアレイは、（図には示さない）分析ユニットに接続されている。

個々の光線放射装置には、波長の異なる光線を放出する光源が設けられるが、波長の等しい光線を放射する光源でもよい。

符号４は、光線放射装置２から放射される光線を散乱させる散乱装置を表す。このとき散乱装置４′の場合に見られるとおり、散乱装置は、光線放射装置と測定面とを結ぶ幾何学的な軸線に対してひねられ、あるいは傾けて設けられる。

図２は、表面特性を特定するための本発明に係る装置のさらなる実施の形態を示している。本実施の形態では光線検出装置８は、測定面７の上方に垂直ではなく、異なる角度をなして設けられている。

図２ではまた、複数の光線放射装置２ではなく、唯一の光線放射装置１２が設けられている。この光線放射装置１２から放射される光線は、本装置のケーシング１５において好適に何度も反射または散乱され、最終的には反射及び／又は散乱される光線の一部が測定面７に当たり、測定面から検出装置８に入射する。

ケーシング１５は、少なくとも内側、すなわち測定面７に対向する面が光線を反射及び／又は散乱させる材料から成っていることが好ましい。さらなる実施の形態では、車輪２１が設けられていることから分かるとおり、本装置は、測定面に対して移動可能となっている。また、行程測定装置２３を設けて、測定面に対して進んだ距離を測定することもできる。本装置はまた、測定面７によって散乱及び／又は反射される光線を除いて、外部から光線が進入しないように構成するのが好ましい。さらなる好適な実施の形態では、（図には示さない）層厚測定装置が設けられ、測定面の厚みを検出するのに用いられる。このとき層厚測定装置は測定面と接触するのが好ましい。

図３は、複数の撮像素子を一つのアレイ２０に配設したものを示す。

符号２０は、個々の撮像素子が設けられたアレイ全体を表す。このアレイは正方形、すなわち行と列とが等しい数で構成されるが、行と列との数が異なっていてもよい。

符号２１は、個々の撮像素子を表すが、アルファベットを用いて記載するので左上の素子は２１ａ／ａ，その右に設けられている素子は２１ａ／ｂ等々と表される。

個々の信号を１つのグループ信号に統合する場合、例えば撮像素子２１ｉ／ａ，２１ｉ／ｂ，２１ｉ／ｃ，２１ｉ／ｄ，２１ｊ／ａ，２１ｊ／ｂ，２１ｊ／ｃ，２１ｊ／ｄの信号が１つに統合されると、それを符号２４ｉｊ／ａｄと表す。これらの第１の信号から一つのグループ信号を形成することができ、そのグループ信号は、例えば個々の信号の平均値とすることができる。その場合には、画像のコントラストがより高くなるように、個々の第１の信号をより強めて加重することができる。平均値の代わりに他の評価数値、例えばフーリエ変換などを形成してもよい。

図３に示す図では、２４ｉｊ／ａｄ，２４ｉｊ／ｂｅ，２４ｆｉ／ｋｌなどの複数の平均値が形成されている。すなわちこの図では言わばスライド平均値が形成されている。

次のステップでは前記のような例えば平均値に応じて、個々の第１の信号の分散あるいはばらつき等といった統計パラメータが出力される。このような統計パラメータは、続いて実在の基準、すなわち第１の信号の所定の数などに対して出力されるが、２４ｉｊ／ａｄ、２４ｉｊ／ｂｅのようにすでに形成された平均値を好適に、もう一度さらなるグループ信号に統合することもできる。個々の信号は何度も考慮されることによってより強く加重されるので、このような方法によりすでに存在する対比を強めることができる。

スライド平均値の形成に先だって個々の信号は矩形３０に示すように好適に１つのグループ信号に統合される。このようにしてアレイによって再現される画像の解像度を調整することができる。このような調整の結果、すなわち対応する解像度は第１の信号を統合するための所定の基準として出力される。

本発明の方法をさらに修正すると、第１の信号を所定の数のグループ信号に統合し、グループ信号をフーリエ分析を用いて評価することができる。特に好適な方法では、計算の手間を軽減するために高速フーリエ変換（ＦＦＴ）が用いられる。このとき第１の信号を統合して形成された位置空間を表すグループ信号はフーリエ変換によって周波数空間に変換される。

一般的に前記のような方法では、位置空間における画素値、すなわち撮像素子の第１の信号を画像領域において直接的に操作し、離散フーリエ変換（ＤＦＴ）によって画像に変換する。

図４に例示するグラフは所定の基準に対する統計パラメータを示したものである。所定の基準とは信号の解像度のことであり、対応するグループ信号に統合された第１の信号の数にほぼ依存する。

統計パラメータとは対応するそれぞれのグループ信号に統合された第１の信号の平方偏差あるいはばらつきのことである。統計パラメータに対する個々の数値のほか、グラディエント（傾き）あるいは、一般的に実線で表される関数の任意の導関数を出力して、所定の基準に対する統計パラメータの経過を決定することもできる。また図４の線Ａによって示されるように、２つの不連続点の間のグラディエントを決定することもできる。

図５はモアレ模様の簡単な例に基づいて、分解能あるいは観察者から観察対象までの距離に依存して周期的不規則性がどう見えるかを示したものである。図５（ａ）では周期的に反復される規則性はほとんど認められないが、図５（ｂ）ではすでにいわゆるモアレ模様の最初の兆候が現れている。

図５（ｃ）ではモアレ模様はすでにはっきりと認められる。

観察すべき測定面に非周期的に反復される不規則性あるいは実質的にランダムな不規則性がある場合も、前記の原則が当てはまる。

本発明に係る表面特性を特定するための装置を示す図である。 本発明に係る表面特性を特定するための装置のさらなる実施の形態を示す図である。 アレイをなして設けられている複数の撮像素子の図である。 所定の基準に対して統計パラメータを示したグラフである。 例えば人間の目の異なる分解能を示すための図である。

符号の説明

２，２′，２″ 光線放射装置
８ 検出装置
２１ 撮像素子

Claims (22)

1. 表面特性を特定する方法であって、
   ・ 少なくとも１つの光線放射装置の所定の光線を測定面に当てる段階と、
   ・ 前記測定面が反射及び／または散乱する光線を複数の撮像素子を有する検出装置によって検出する段階と、
   ・ 前記複数の撮像素子によって検出された光線に基づいて、強度のパターンを表す複数の第１の信号を生成する段階と、
   ・ 設定基準を、統合された第１の信号の数として選択する段階と、
   ・ 互いに隣接する撮像素子によって生成される前記複数の第１の信号を、前記設定基準に対応する数の前記第１の信号で１つのグループを形成することによって、複数のグループに統合する段階と、
   ・ 複数のグループそれぞれについて、算術平均、移動平均、ベクトル平均、幾何平均、調和平均及び統計移動平均を含む統計量のグループから選択される、少なくとも１つのグループ固有の評価数値を計算する段階と、
   ・ それぞれのグループの各第１の信号及び設定基準の各値に基づいて、測定面の少なくとも１つの拡散反射特性と相関し、かつ平方偏差、標準偏差、ばらつき、極小値及び極大値を含むパラメータのグループから、あるいは設定基準に関する統計パラメータの曲線を表すグループであって、曲線の２点の差と、前記曲線のｎ次導関数とを含むグループから選択される、前記グループ固有の評価数値に依存する統計パラメータを計算する段階と、
   ・ 前記第１の信号を統合する際の設定基準に応じて前記統計パラメータを出力する段階と、
   を有し、
   前記表面特性は、設定基準の異なる値に対する少なくとも２つの統計パラメータの間の関係によって表されることを特徴とする方法。
2. 複数の前記第１の信号を１つのグループに統合する際に、少なくとも１つの第１の信号はそれぞれ、少なくとも１つの別の第１の信号に対して異なるように加重されることを特徴とする請求項１に記載の方法。
3. 前記少なくとも２つの統計パラメータの関係は、２つの統計パラメータの差、総和及び商を含むグループから選択されることを特徴とする請求項１または２に記載の方法。
4. 前記グループ固有の評価数値としての平均値を決定するために、特定の波長のみ、及び／あるいは所定の波長領域を使用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方法。
5. 前記グループ固有の評価数値としての平均値を決定するために、前記光線の所定の強度領域のみを使用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方法。
6. 請求項１から５のいずれか一項に記載の表面特性を特定する方法を実施するための装置であって、
   ・ 光線を測定面に当てる少なくとも１つの光線放射装置と、
   ・ 前記測定面によって反射及び／または散乱される光線が少なくとも部分的に検出装置に当たるように前記測定面に対して所定の角度をなして配設された少なくとも１つの検出装置と、を備え、
   前記検出装置は、複数の撮像素子を有し、前記撮像素子は、検出された光線に基づいて、強度のパターンを表す複数の第１の信号を出力する装置において、
   少なくとも１つの処理装置が設けられ、該処理装置は、
   ・ 設定基準を、統合された第１の信号の数として選択する手段と、
   ・ 互いに隣接する撮像素子によって生成される前記複数の第１の信号を、前記設定基準に対応する数の前記第１の信号で１つのグループを形成することによって、複数のグループに統合する手段と、
   ・ 複数のグループそれぞれについて、算術平均、移動平均、ベクトル平均、幾何平均、調和平均及び統計移動平均を含む統計量のグループから選択される、少なくとも１つのグループ固有の評価数値を計算する手段と、
   ・ それぞれのグループの各第１の信号及び設定基準の各値に基づいて、測定面の少なくとも１つの拡散反射特性と相関し、かつ平方偏差、標準偏差、ばらつき、極小値及び極大値を含むパラメータのグループから、あるいは設定基準に関する統計パラメータの曲線を表すグループであって、曲線の２点の差と、前記曲線のｎ次導関数とを含むグループから選択される、前記グループ固有の評価数値に依存する統計パラメータを計算する手段と、
   ・ 前記第１の信号を統合する際の設定基準に応じて前記統計パラメータを出力する手段と、
   を備え、
   これにより、設定基準の異なる値に対する少なくとも２つの統計パラメータの間の関係によって、前記表面特性の特定を実現することを特徴とする装置。
7. 第１の信号が１つのグループ信号に統合される撮像素子のグループに属する各撮像素子は、前記グループに属する少なくとも１つのさらなる撮像素子に隣接していることを特徴とする請求項６に記載の装置。
8. 前記複数の撮像素子は、一次元または二次元の少なくとも１つのアレイに配設されていることを特徴とする請求項６または７に記載の装置。
9. 第１の信号が１つのグループ信号に統合される少なくとも１つの撮像素子のグループに属する撮像素子は、少なくとも一次元の少なくとも１つのサブアレイに配設されていることを特徴とする請求項６から８のいずれか一項に記載の装置。
10. 前記光線放射装置は、白熱電球、発光ダイオード、レーザー、及び熱光源を含む光源のグループから選択される少なくとも１つの光源を有することを特徴とする請求項６から９のいずれか一項に記載の装置。
11. 前記光線放射装置は、少なくとも１つの光線フィルタリング手段を有することを特徴とする請求項６から１０のいずれか一項に記載の装置。
12. 前記光線フィルタリング手段は、絞り装置、回折格子、及びカットオフフィルターを含む素子のグループから選択されることを特徴とする請求項１１に記載の装置。
13. 前記少なくとも１つの光源は、波長及び／又は強度を変化させられることを特徴とする請求項１０に記載の装置。
14. 前記光線放射装置は、レンズ、透過格子、反射格子、プリズム、複屈折材料を含む装置のグループである少なくとも１つの第１の光線操作装置を有することを特徴とする請求項６から１３のいずれか一項に記載の装置。
15. 前記光線検出装置が、少なくとも１つの分散素子を有することを特徴とする請求項６から１４のいずれか一項に記載の装置。
16. 前記測定面と前記光線検出装置との間に、レンズ、透過格子、反射格子、プリズム、複屈折材料を含む装置のグループである第２の光線操作装置が設けられていることを特徴とする請求項１４に記載の装置。
17. 前記第１及び／又は第２の光線操作装置は、前記測定面に対して位置を変えられることを特徴とする請求項１６に記載の装置。
18. 前記第２の光線操作装置の光学軸は、前記アレイに対して第２の所定の角度をなして設けられていることを特徴とする請求項１６または１７に記載の装置。
19. 前記第２の所定の角度は、０°から９０°であることを特徴とする請求項１８に記載の装置。
20. 前記第２の所定の角度は、３０°から９０°であることを特徴とする請求項１９に記載の装置。
21. 前記第２の所定の角度は、８０°から９０°であることを特徴とする請求項２０に記載の装置。
22. 前記測定面と前記検出装置との間に設けられたレンズ装置を有していることを特徴とする請求項６から２１のいずれか一項に記載の装置。

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