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Vorrichtung und Verfahren zur Messung einer dreidimen¬ sionalen Oberflächenstruktur
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Messung einer dreidimensionalen Oberflächenstruktur nach dem Oberbe¬ griff des Anspruchs 1 sowie ein Verfahren nach dem Ober¬ begriff des Anspruchs 9.
Ein Einsatzgebiet derartiger Meßgeräte ist die Untersu¬ chung der Hautoberfläche für die Hautkosmetik. In diesem Bereich ist es erwünscht, die Hautstruktur möglichst exakt dreidimensional zu erfassen, wobei zwecks Nachweis der Wirkung von Hautbehandlungsmitteln es entscheidend auf eine sehr hohe Auflösung der Meßwerte ankommt, um Änderungen der Hautstruktur im zeitlichen Abstand feststellen zu können.
Andere Anwendungsbeispiele aus der Technik betreffen Holzoberflächen oder Metalloberflächen.
Es ist bereits bekannt, von der Hautoberfläche Silikon¬ abdrücke anzufertigen und anschließend den Abdruck schräg zu belichten, um entsprechend dem Schattenfall eine In¬ formation über die dreidimensionale Struktur zu erhalten. Eine solche Messung hat den Nachteil, von Entfernung und Lichteinfallwinkel der Lichtquelle abhängig zu sein, wobei des weiteren die Auswertung sehr zeitaufwendig ist.
Es besteht auch die Möglichkeit, den Silikonabdruck mit Laser abzutasten, was jedoch kostenaufwendig ist.
Eine weitere Möglichkeit besteht darin, den Abdruck mit einer Diamantspitze abzutasten, um ein dreidimensionales Bild der Hautoberfläche zu erzeugen, wobei die Genauig¬ keit der dreidimensionalen Abbildung von der Rasterauf¬ lösung der Abtastung abhängig ist. Eine derartige Messung ist ebenfalls sehr zeitaufwendig und durch die Abhängig¬ keit von dem Raster der Abtastung nicht ausreichend genau. Ein derartiges Verfahren ist beispielsweise aus der DE 27 19 341 C bekannt.
Zusammenfassend besteht der Nachteil der bekannten Meßvorrichtung darin, daß sich die Messungen nur nähe¬ rungsweise durchführen lassen, daß die Reproduzierbarkeit der Meßwerte gering ist, und daß der Zeitbedarf zu hoch ist.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrich¬ tung zur Messung einer dreidimensionalen Oberflächen¬ struktur zu schaffen, die mit geringem Zeitaufwand dreidimensional auswertbare, in hohem Maße reproduzier- bare und kalibrierbare Meßwerte liefert.
Zur Lösung dieser Aufgabe dienen die Merkmale des Anspruchs 1 bzw. 9.
Die Erfindung sieht in vorteilhafter Weise vor, daß die Trägerplatte ein Meßfeld aufweist, das in vorbestimmten Abstand von der Meßoberfläche gehalten ist. Das in das Meßfeld einzubringende Silikonmaterial ist gleichmäßig eingefärbt, wobei die Trägerplatte mindestens einen von dem Meßfeld wegführenden Abflußkanal für überschüssiges Silikonmaterial aufweist. Auf diese Weise ist gewähr¬ leistet, daß die Meßoberfläche nicht beim Herstellen des Silikonabdrucks verformt wird, wodurch sich Meßfehler ergeben würden. Vielmehr ist durch den von der Meßfläche wegführenden Abflußkanal sichergestellt, daß der Silikon¬ abdruck weitestgehend druckfrei erzeugt werden kann. Das Meßfeld wird in vorbestimmten Abstand von der Meßober¬ fläche gehalten. Dadurch ist die Schichtstärke des Sili¬ konabdrucks auf eine Dicke eingestellt, die es ermög¬ licht, die gesamte Tiefe der dreidimensionalen Ober¬ flächenstruktur zu erfassen, wobei gleichzeitig sicherge¬ stellt ist, daß die Schichtstärke nicht zu dick wird, was die Auswertung aufgrund einer Lichtintensitäts- bzw. Lichtabsorptionsmessung erschweren würde. Da das Silikon¬ material gleichmäßig eingefärbt ist, ist die Lichtab¬ sorption der Silikonmasse ein direktes Maß der Schicht- stärke des Silikonabdrucks. Mit einer geeigneten op¬ tischen Auswerteeinrichtung ist es mit einem solchen Silikonabdruck möglich, schnell auswertbare, in hohem Maße reproduzierbare und kalibrierbare dreidimensionale Meßwerte zu erzielen.
Bei einem Ausführungsbeispiel ist vorgesehen, daß die Trägerplatte aus einer dünnen transparenten Scheibe und einer doppelseitig klebenden Folie besteht, die als
Abstandhalter dient und in der das Meßfeld und mindestens ein Abschlußkanal ausgestanzt sind. Eine derartige aus zwei Teilen zusammengesetzte Trägerplatte läßt sich leicht auf Hautoberflächen applizieren und ist besser an Hautoberflächen adaptierbar. Insbesondere läßt sich eine derartige Trägerplatte mit verhältnismäßig kleiner Dimension herstellen, wodurch die Beeinflussung der Meßoberfläche durch die Trägerplatte reduziert wird.
Bei einem zweiten Ausführungsbeispiel ist vorgesehen, daß innerhalb des Meßfelds eine zu der Meßoberfläche gerich¬ tete stufenförmige Kalibriereinrichtung mit mindestens zwei definierten Stufenabständen vorgesehen ist. Die von der Oberfläche des Meßfelds ausgehenden Abstufungen der Kalibriereinrichtung ermöglichen es in vorteilhafter Weise, bestimmte Helligkeitswerte des Silikonmaterials entsprechenden Tiefenwerten exakt zuzuordnen, so daß in vorteilhafter Weise eine Kalibrierung der Meßdaten mög¬ lich ist und dreidimensionale Tiefenwerte mit hoher Genauigkeit und Reproduzierbarkeit meßbar sind.
Die Kalibrierung ermöglicht es in vorteilhafter Weise eine mögliche Nicht-Linearität der Meßsignale auszu¬ gleichen. Der Silikonabdruck auf der Trägerplatte wird vorzugsweise mit parallelem Licht angestrahlt, wobei das gleichmäßig durchgefärbte Silikonmaterial je nach Schichtstärke einen unterschiedlichen Helligkeitswert für einen Detektor, z.B. eine Optik mit CCD-Einrich¬ tung, erzeugt.
Vorzugsweise ist vorgesehen, daß das Silikonmaterial mit einer solchen gleichmäßigen Intensität eingefärbt ist, daß für jeden Stufensprung der Kalibrierein¬ richtung ein mit hoher Auflösung meßbarer Helligkeit-
sunterschied entsteht. Dabei ist die Absorptionsdichte des Silikonmaterials auf eine maximale Schichtstärke von ca. 1 mm abgestimmt.
Auf diese Weise lassen sich mit Hilfe von Detektoren bezogen auf eine Schichtstärke von ca. 1 mm 256 Hellig¬ keitswerte unterscheiden, so daß die Tiefenbestimmung mit äußerst hoher Genauigkeit und Reproduzierbarkeit erfolgen kann.
Vorzugsweise ist die Trägerplatte in einer Halterung angeordnet, die in Diaprojektoren einsetzbar ist. Die Einfallszonen der Trägerplatte in einem Diarahmenformat ermöglicht die schnelle Auswertung der Abdrücke mit Hilfe von Videoauswerteeinrichtungen.
Neben dem Meßfeld der Trägerplatte können Abflußkanäle allseitig zur Rückseite der Trägerplatte hindurchge¬ führt sein. Die Abflußkanäle ermöglichen den Abtrans¬ port von überschüssigem Silikonmaterial und verhindern dadurch einen Druckaufbau im Bereich der Meßoberfläche. Des weiteren wird der Silikonabdruck auf der Träger¬ platte vorteilhaft verankert.
Im folgenden wird unter Bezugnahme auf die Zeichnungen ein Ausführungsbeispiel der Erfindungen näher erläu¬ tert.
Es zeigen:
Fig. 1 Folien für eine Trägerplatte eines ersten Ausführungsbeispiels,
Fig. 2 ein Schnitt entlang der Linie II-II in Fig. 1,
Fig. 3 die Applikation des ersten Ausführungsbei¬ spiels auf der Meßoberfläche,
Fig. 4 die Herstellung des Abdrucks auf der Me߬ oberfläche,
Fig. 5 ein Schnitt entlang der Linie entlang der Linie V-V in Fig. 4,
Fig. 6 das Aufbringen der Trägerplatte gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel auf einen Rahmen,
Fig. 7 ein Schnitt entlang der Linie VII-VII in Fig. 6,
Fig. 8 eine Draufsicht auf die von der Meßober¬ fläche abgewandte Seite eines zweiten Aus- führungsbeispiels einer in einem Rahmen ein¬ gefaßten Trägerplatte,
Fig. 9 die der Meßoberfläche zugewandte Seite des Ausführungsbeispiels gemäß Fig. 8 und
Fig. 10 einen Schnitt entlang der Linie X-X in den Fig. 8 und 9.
Fig. 3 zeigt die Applikation eines ersten Ausführungs¬ beispiels auf einer Meßoberfläche, z.B. einer Hautober¬ fläche 9. Hierzu werden zunächst, wie am besten aus Fig. 1 ersichtlich, auf einem Folienträger 12 befind¬ liche doppelseitig klebende Folien 7 mit Hilfe einer
Lasche 11 von dem Folienträger 12 entfernt und an der gewünschten Meßstelle auf die Hautoberfläche 9 geklebt.
Die Folie 7 besteht aus einer transparenten flexiblen Kunststoffolie mit einer Dicke von ca. 0,4 bis 0,7 mm, vorzugsweise ca. 0,5 mm, die in ihrer Mitte eine im wesentlichen kreisförmige Ausstanzung aufweist, die ein im wesentlichen kreisförmiges Meßfeld 4 begrenzt. Eine weitere Ausstanzung schafft einen Abflußkanal 10 von dem Meßfeld 4 nach außen.
Die auf dem Folienträger 12 angeordneten Folien 7 wei¬ sen ein Abdeckpapier 14 auf, das nach dem Aufbringen der Folie 7 auf die Meßoberfläche, wie in Fig. 3 darge¬ stellt, entfernt werden kann.
Nach dem Entfernen des Abdeckpapiers 14 werden mehrere Tropfen flüssiges Silikonmaterial 3 auf das von der Folie 7 umgrenzte Meßfeld 4 auf die Hauptoberfläche 9 gegeben. Anschließend wird eine transparente Scheibe 5, die gemeinsam mit der Folie 7 die Trägerplatte 2 des ersten Ausführungsbeispiels bildet auf die Folie 7 auf¬ gesetzt, die aufgrund der Klebeschicht auf der Folie 7 auf dieser fest anhaftet.
Die Scheibe 5 kann aus einem dünnen vorzugsweise ent- spiegeltem Glas bestehen. Beim Aufsetzen der Scheibe 5 wird überschüssiges Silikonmaterial über den Abflu߬ kanal 10 nach außen geführt, wodurch ein druckfreier und daher unverfälschter Silikonabdruck von der Me߬ oberfläche herstellbar ist. Bei einer Scheibe 5 aus Glas genügt das Eigengewicht der Scheibe, um das über¬ schüssige Silikonmaterial über den Abflußkanal 10 her¬ auszudrücken. Nach dem Aushärten des Silikonmaterials 3
kann mit Hilfe der Lasche 11 die Trägerplatte 2, d.h. die Folie 7 gemeinsam mit der Scheibe 5 und dem Sili¬ konabdruck von der Hautoberfläche 9 abgezogen werden und in eine optische Auswerteeinrichtung gegeben wer¬ den.
Die der Hautoberfläche zugewandte Klebefläche der Trä¬ gerplatte 2 kann dazu verwendet werden, die Träger¬ platte 2 auf einen Rahmen 1 aufzukleben, der beispiels¬ weise in Diaprojektoren oder Videoauswerteeinrichtungen eingesetzt werden kann und der in geeigneter Weise be¬ schriftet werden kann. Hierzu weist der Rahmen, wie aus Fig. 6 ersichtlich, in seiner Mitte eine kreisrunde Öffnung 16 auf, die dem Meßfeld 4 angepaßt ist und ein Durchleuchten der Trägerplatte 2 mit dem Silikonabdruck ermöglicht.
Fign. 8, 9 und 10 zeigen eine in einem Rahmen 1 einge¬ faßte Trägerplatte 2 eines zweiten Ausführungsbeispiels mit integrierter Kalibriereinrichtung. Die anfangs noch flüssige Silikonschicht ermöglicht, einen Silikonab¬ druck einer dreidimensionalen Oberflächenstruktur, ins¬ besondere von Hautfalten einer menschlichen Hautober¬ fläche, zu erzeugen.
Der Rahmen 1 entspricht hinsichtlich seiner Abmessungen exakt handelsüblichen Kleinbild-Diarähmchen, so daß der Silikonabdruck auf der Trägerplatte 2 mit Hilfe von Diaprojektoren und Videoauswerteeinrichtungen ausgewer¬ tet werden kann.
Die Trägerplatte 2 weist auf der der Meßoberfläche zu¬ gewandten Seite in der Mitte das Meßfeld 4 auf, von dem an einer Seite des Meßfeldes 4 eine Kalibriereinrich-
tung 6 in Richtung auf die Meßoberfläche absteht.
Die Kalibriereinrichtung weist mehrere Abstufungen 8 mit exakt definierten Stufenabständen auf, so daß im Bereich der Kalibriereinrichtung 6 das gleichmäßig durchgefärbte Silikonmaterial stufenförmig in unter¬ schiedlicher Schichtstärke vorliegt. Beim Durchleuchten des Silikonabdrucks können mit Hilfe der Abstufungen bestimmte Helligkeitswerte des Abdrucks exakten Tiefen¬ meßwerten zugeordnet werden. Die in dem Meßfeld vor¬ zugsweise digital ausgewerteten Helligkeitsunterschiede können mit Hilfe der Kalibriereinrichtung 6 exakt kali¬ briert werden, so daß eine in hohem Maße reproduzier¬ bare und genaue Tiefenbestimmung der Oberflächen¬ struktur möglich ist.
Für das erste Ausführungsbeispiel gemäß den Fign. 1 bis 7 ist es auch möglich, eine separate Kalibriereinrich¬ tung 6 zu verwenden, da es nicht erforderlich ist, für jeden Abdruck auch eine Kalibrierskala herzustellen. So reicht es beispielsweise aus, für jede eingefärbte Si¬ likoncharge einen Kalibrierabdruck zu erzeugen.
Mit Hilfe einer CCD-Detektor-Einrichtung ist die Unter¬ scheidung von 256 Helligkeitswerten möglich, wobei die Tiefenwerte der Oberflächenstruktur üblicherweise eine Strukturdifferenz von maximal ca. 0,5 mm aufweisen.
Die gleichmäßige Einfärbung des Silikonmaterials ist auf die maximale Schichtstärke der Silikonschicht von ca. 1 mm abgestimmt, so daß die Auflösung der Hellig¬ keitswerte für den interessierenden Meßbereich opti¬ miert ist.
Die der Meßoberfläche abgewandte Seite der Trägerplatte 2 ist vorzugsweise zumindest im Bereich des Meßfeldes 4 entspiegelt. Die Trägerplatte 2 ist ungefärbt und be¬ steht aus Glas oder Kunststoff. Sie kann entspiegelt sein.
Gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel verlaufen vom äußeren Rand des Meßfeldes 4 radial nach außen sich erstreckende Abflußkanäle 10 schräg durch die Träger¬ platte 2 hindurch. Die schlitzförmigen Abflußkanäle 10 erweitern sich dabei radial nach außen. Die Abflußka¬ näle 10 ermöglichen den Abfluß von überflüssigem Sili¬ konmaterial bei der Herstellung des Abdrucks und ver¬ hindern, damit daß sich im Bereich des Meßfeldes ein die Meßoberfläche verändernder Druck aufbauen kann. Gleichzeitig wird das Silikonmaterial von der Rückseite des Meßfeldes 4 weggeleitet, so daß kein Silikonmate¬ rial auf die Rückseite des Meßfelds 4 gelangen kann.
Die Abflußkanäle 10 dienen außerdem zur Verankerung des Silikonabdrucks auf der Trägerplatte 2, da der Silikon¬ abdruck auf der Trägerplatte 2 verbleibend ausgewertet wird.