WO1996009531A1 - Vorrichtung zum messen visueller eigenschaften von oberflächen - Google Patents

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WO1996009531A1
WO1996009531A1 PCT/EP1995/003788 EP9503788W WO9609531A1 WO 1996009531 A1 WO1996009531 A1 WO 1996009531A1 EP 9503788 W EP9503788 W EP 9503788W WO 9609531 A1 WO9609531 A1 WO 9609531A1
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light
measuring
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reflection
reflected
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PCT/EP1995/003788
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Inventor
Konrad Lex
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Byk-Gardner Gmbh
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    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
    • G01N21/17—Systems in which incident light is modified in accordance with the properties of the material investigated
    • G01N21/55—Specular reflectivity
    • G01N21/57—Measuring gloss
    • G—PHYSICS
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    • G01N21/17—Systems in which incident light is modified in accordance with the properties of the material investigated
    • G01N21/47—Scattering, i.e. diffuse reflection
    • G01N21/4738—Diffuse reflection, e.g. also for testing fluids, fibrous materials
    • G01N21/474—Details of optical heads therefor, e.g. using optical fibres
    • G—PHYSICS
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    • G01N21/17—Systems in which incident light is modified in accordance with the properties of the material investigated
    • G01N21/25—Colour; Spectral properties, i.e. comparison of effect of material on the light at two or more different wavelengths or wavelength bands
    • G01N21/251—Colorimeters; Construction thereof

Definitions

  • the present invention relates to a device for measuring visual properties of surfaces.
  • Visual properties of a surface are to be understood here to mean the physical properties of a surface which determine the appearance of the surface for the human viewer, in particular properties such as color, gloss, surface textures etc.
  • a device for measuring the visual properties of surfaces, and in particular the reflection behavior of surfaces has become known from EP-B-0 438 468.
  • a light source is provided, the light of which is directed at the surface to be measured at a predetermined angle.
  • the light reflected from the surface at the appropriate angle is measured by a light-sensitive sensor. This makes it possible to detect the gloss of the surface.
  • the known device is e.g. used to assess the gloss behavior of automotive paints and the like.
  • a device as shown in FIG. 11 is usually used to measure haze gloss.
  • This known device has a tube 1, into which a body 2 is embedded. In this body 2 there is a slot 4, the lower end of which is closed by a photocell 5.
  • the slot 4 is covered by a plate 6, in the middle of which an aperture 7 is provided and on each of which a photosensor 9 is arranged.
  • a conventional filter unit 10 is provided above this photo sensor.
  • the angular deviation that occurs between the ideal reflection angle with precise Fresnel reflection and the angle at which the amount of light is detected by the fog-gloss sensors corresponds approximately to 2 '.
  • the surface to be measured is illuminated by a light source (not shown), and optics are provided to guide the reflected light into the tube shown in FIG. 10.
  • the direction of the incidence of light runs exactly parallel to the longitudinal axis 12 of the tube.
  • the light reflected directly in the direction of the angle of incidence falls through the slit 7, which represents the gloss diaphragm, onto the photosensor 5.
  • the intensity of the incident light quantity is a measure of the reflectivity of the upper surface. surface and thus for shine.
  • the light which is reflected from the surface at a slightly smaller or larger angle, does not fall through the glossy cover 7, but falls partly on the photosensors 9.
  • the surface of which is limited by the edges 14 and by the slot 7 of the glossy cover.
  • the intensity of the light striking the sensors 9 is a measure of the haze gloss.
  • an exactly reflecting surface for example in the case of a mirror, the entire amount of reflected light falls through the slit 7 onto the photosensor 5 and no light onto the photosensors 9.
  • a high-gloss surface which has a fog-like sheen, a larger proportion of light falls on it Sensors 9.
  • This known device has the disadvantage that the manufacturing accuracy must be very high in order to obtain meaningful measurement results.
  • the gloss diaphragm and the edges 1, which laterally limit the field of impact of the photosensors must be manufactured very precisely.
  • the present invention has for its object to provide a device for measuring visual properties of surfaces, in which the construction effort is reduced compared to the prior art and which is considerably smaller than the devices known in the prior art. Another aspect of this task is to create a device for measuring visual properties, in which, despite the compact structure according to the first aspect of the task of the invention, the possibilities for measuring is considerably expanded compared to the devices known in the prior art. Another aspect of the object of the invention is to provide a method which enables advantageous detection of the visual properties of surfaces.
  • the method according to the invention is the subject of claim 24.
  • the sensors in the device according to the invention are arranged in a common plane.
  • the photosensors form light-sensitive areas on a common substrate, the area of each light-sensitive layer being selected such that it corresponds to a predetermined angular range of the reflection angle in the measuring device.
  • the diaphragms previously required to direct the light rays onto the photosensor to be used are eliminated.
  • the known techniques for the production of semiconductor elements and integrated circuits can be used, so that it is possible to arrange the light-sensitive layers on the common substrate with the greatest precision with regard to the surface area.
  • This structure makes it possible to make the light-sensitive areas relatively small. As a result, the distance from the measuring surface can be reduced, as a result of which the device as a whole can be made small.
  • the length of the measuring head is 30 cm, it is possible to reduce the dimensions to a value between 5 and 10 cm by the design according to the invention, i.e. that the size is reduced to 1/4 of the conventional measuring device.
  • the photo sensors can be of different types.
  • the substrate and the light-sensitive layer are preferably selected so that the photo sensors act as a photodiode.
  • the photo sensors it is also possible to design the photo sensors as photo transistors or as photo thyristors or the like.
  • Three light-sensitive surfaces are preferably used to measure gloss and haze gloss, in which case the middle surface is used for gloss measurement and a correspondingly designed surface is provided to the left and right of this surface for detecting the haze gloss.
  • the areas are chosen so that the angular distance from the center of the measuring device, ie from a plane of symmetry of the light-sensitive layer for gloss measurement, to the plane of symmetry of the haze gloss measurement is 1.8 ⁇ 0.3 ". understandable versions are also possible.
  • the arrangement of two light-sensitive surfaces at an angular distance of 2 'to the ideal angle of incidence, ie to the angle of incidence in accordance with the law of reflection, is particularly advantageous in order to assess the phenomenon of the haze gloss.
  • an angular distance of 2 * there are also other angular distances that have become important in the assessment of the reflection properties of surfaces.
  • the American standard ASTM E430 also standardizes a 0.3 * measuring angle which is suitable for recording a reflection property which is referred to as the distinctness of image (abbreviated D / I).
  • the photosensitive surface for the D / I measurement is zwi ⁇ the photosensitive surface for the actual Glanzmes ⁇ ung rule (ideal angle of incidence) and the 2 • -Lichtmeß ⁇ disposed surface.
  • Another assessment criterion for the reflection behavior of surfaces standardized by the aforementioned ASTM standard is the reflection at an angle of 5 * to the ideal reflection angle.
  • a light-sensitive area can also be provided in this angular position in order to detect the amount of light reflected in this area. It is preferable that this photosensitive surface (or, in the case of a symmetrical structure), these photosensitive surfaces are arranged on the same substrate as the surfaces for the D / I and the haze gloss measurement. However, it is also possible that in this case these surfaces are arranged on the same plane, but on a separate substrate.
  • Reflection measurements are usually carried out in such a way that the incident light beam and the reflective te light beam lie in the same plane. This is achieved if the two light beams lie in a plane that is exactly perpendicular to the measuring surface.
  • a multiplicity of photosensitive surfaces are arranged in a flat field on a common substrate. All field elements preferably have the same dimensions.
  • a control device which has a memory in which certain measuring field geometries are stored. If a reflection measurement is carried out with such a sensor element, those light-sensitive surfaces which lie in the respective geometrically defined measuring range are used for the measurement. This makes it possible to change the measuring range in any way and to imitate the measuring behavior of different reflection measuring devices.
  • the exposure of the surface to be measured is usually provided such that the light rays emanating from the light source are directed parallel to the surface at a predetermined angle.
  • a light source with parallel light beams can advantageously be used in all the embodiments described above. Deviating from this, however, a light source with punctiform characteristics can also be used in all of the above-described embodiments. With such a point light source, the rays do not fall parallel to the surface to be measured, but at an angle that differs from one another. The use of such a point light source makes it possible to carry out measurements and assessments of visual properties of the surface which are not possible with parallel light beams.
  • the light source in such a way that the surface to be measured can optionally be illuminated with parallel light beams or with a point light source. This can be achieved, for example, by removing the lens arrangement, through which the light source irradiates the surface in order to achieve a parallel beam path, from the beam path. Furthermore, it is conceivable that two different measuring arrangements, for example with two different measuring angles, are accommodated in the same device.
  • the light-sensitive surfaces are intended to detect the intensity of the light striking them.
  • this last-described variant can be in one compact design can be realized by using a color CCD chip to measure the reflected light.
  • the device can also be used directly for color measurement.
  • a light source is used which irradiates the surface to be measured at an angle such that the surface of the device is essentially the same Fresnel * see reflection associated reflection parts are not detected by the sensor.
  • FIG. 2 shows a top view of the sensor element which is used in the device according to FIG. 1;
  • FIG. 3 shows a section through the sensor element according to FIG. 2;
  • FIG. 4 shows a plan view of a further exemplary embodiment of a sensor element
  • FIG. 5 shows a further top view of an exemplary embodiment of a sensor element
  • FIG. 6 shows a further exemplary embodiment of a sensor element in which the areas used for light measurement can be varied.
  • FIG. 7 shows an illustration for further explanation of the exemplary embodiment according to FIG. 6 in top view;
  • FIG. 8 shows a diagram which shows the reflection behavior of a surface, the measured light intensity being plotted on the ordinate and the angular deviation with respect to the ideal reflection angle being plotted on the abscissa;
  • FIGS. 1 to 8 shows the basic circuit design of a measuring device, as is to be used in the exemplary embodiments according to FIGS. 1 to 8;
  • the reflection measuring device shown schematically in FIG. 1 has a housing 1 in which a first exposure tube 2 is arranged.
  • a light source 3, an aperture 4 and a lens 5 are arranged in this exposure tube, as indicated schematically.
  • the lens 5 What is achieved by the lens 5 is that the light, bundled in parallel, strikes the measuring surface 8 through the opening 7. The light is reflected from the measuring surface 8 and enters the measuring tube 10.
  • This measuring tube also has a lens 11 and a diaphragm 12 and behind this diaphragm 12 the actual sensor 13.
  • the reflection measuring device also has a (not ) control device, by which the operation of the device is controlled, and a display device, also not shown, by which the measured reflection values are displayed.
  • the structure of the measuring sensor 14 will now be explained in detail with reference to FIGS. 2 and 3.
  • connection 22 serving as a common anode.
  • first light-sensitive surface 25 is rectangular, the Lines of symmetry of the rectangle coincide with the lines of symmetry of the circular substrate and the electrical connections.
  • the photosensitive surfaces 26 and 27 are also rectangular in shape and correspond in their width dimension approximately to the width of the photosensitive layer 25, while the length dimension is somewhat larger than the length dimension of the photosensitive surface 25.
  • the photosensitive surfaces are each one of the elec ⁇ trical connections 22, 23, 24 connected.
  • the width of the light-sensitive surfaces is approximately 0.8 mm
  • the length of the surface 25 is approximately 1.5
  • the length of the surfaces 26 and 27 is approximately 2.4 mm.
  • these values are only given as examples and do not represent a limitation in the dimensions downwards or upwards.
  • the substrate as well as the material and the structure of the light-sensitive Sensitive surfaces 25, 26 and 27 are selected so that each of these surfaces forms the light-sensitive surface of a sensor diode.
  • the control device activates the light source 3, the light of which strikes the measuring surface 8 with parallel radiation.
  • the light is reflected from the measuring surface 8, passes through the lens 11 and the diaphragm 12 and falls on the sensor 14.
  • the sensor 14 is oriented so that a straight line, the direction of which corresponds to the ideal reflection angle, exactly through the intersection of the lines of symmetry the measuring surface 25 passes.
  • the light striking the photosensitive layer 25 is measured by the control device and is a measure of the gloss.
  • the gloss characteristic is determined in the manner described in EP-B-0 438 468.
  • the measuring surface 8 does not represent an ideal reflecting mirror surface, light is also reflected in a direction that deviates from the ideal reflection angle. Part of this light falls on the light-sensitive surfaces 26 and 27, so that a corresponding luminous flux can be measured there.
  • the electrical signal corresponding to this is a measure of the haze gloss.
  • the light-sensitive surfaces can be arranged very precisely on the substrate, it is possible to keep the surfaces relatively small, as in the exemplary embodiment. This makes it possible to make the distance between the measuring surface 8 and the sensor 14 very small, so that the device as a whole can be made very small.
  • a light tube is provided which emits light at a certain angle to the surface and a tube 14 in which the reflected light is measured.
  • two or three such devices can also be arranged in one device, as shown in EP-B-0 438 468. If two or three such devices are arranged, different measuring angles and measuring geometries can be used in the same device.
  • the light beam continues to be directed directly onto the surface.
  • deflection elements can also be used, for example totally reflecting prisms or light guides, which deflect the light so that it falls on the surface at the desired measurement angle. If such a light-deflecting element is used, the other side of the measuring device, that is to say the tube with the sensor, is also expediently provided with the corresponding deflecting devices.
  • FIG. 4 This exemplary embodiment is constructed in exactly the same way as in FIG. 1 and can also be provided with corresponding light deflection devices, as has been explained with reference to FIG. 1.
  • the sensor 14 is designed differently than is shown in FIGS. 2 and 3.
  • the sensor 14 here has a substantially rectangular substrate 30, on which a multiplicity of light-sensitive surfaces are applied. The corresponds to 2 and is arranged so that the ideal angle at which the light is reflected by a measuring surface 8 intersects the intersection of the lines of symmetry of the rectangle 31.
  • two narrow surfaces 32, 33 are provided, which are used for the D / I measurement discussed above.
  • fields 32, 33, fields 34, 35 are provided, which essentially have the same function as fields 26 and 27 in the exemplary embodiment in FIG. 2 and serve to measure haze gloss.
  • photosensitive surfaces 36, 37 Adjacent to the fields 34 and 35 are photosensitive surfaces 36, 37 which correspond in size to the surfaces 34 and 35, but which are arranged at an angular distance of 5 * from the ideal reflection angle.
  • the distance between the external fields 36, 37 and the adjacent fields 34, 35 is relatively large, the fields 34, 35 being at an angular distance of 2 °, while the fields 36, 37 have an angular distance of 5 ° to the ideal reflection angle.
  • FIG. 5 Another exemplary embodiment of a sensor device, such as can be used in the device according to FIG. 1, will now be described with reference to FIG. 5.
  • This device is operated until a modification is carried out in the same way as in the exemplary embodiment according to FIGS. 1 and 2-3.
  • the modification is that the control device (not shown) compares the light intensities measured with the light-sensitive areas 31'a, 31'b and 31'c during the measurement. The same applies to the other fields, ie the intensities that were recorded in fields 35'a, 35'b and 35'c are compared in the same way. On the basis of this comparison, the control device determines which of the field areas a, b and c has the highest intensity. For the further evaluation of the measurement, only the intensities are taken into account which are in the respective fields, i.e. in all fields with the letter ben a or in all fields with the letter b or in all fields with the letter c.
  • the advantage of this arrangement is that a shift within the reflection plane can be recognized and corrected by the device.
  • the reflection plane is exactly aligned, the highest intensity is measured in the fields b. If the reflection plane is shifted in relation to the ideal reflection plane due to inaccuracies of the measuring device itself, due to an inaccurate placement of the measuring device on the measuring surface or due to a corresponding design of the measuring surface itself, this is shown in the arrangement shown by the Device recognized and considered.
  • a common substrate 50 is provided, which is designed at right angles and on which a multiplicity of light-sensitive surfaces 51 are arranged, which (in this exemplary embodiment) are each square.
  • a total of 15 rows of fields are provided in the longitudinal extension of the rectangle, which are identified by the letters a to p, and 7 fields in the extension along the short edge length.
  • This sensor is preferably implemented using charged-coupled device technology (CCD).
  • the sensor is used in a device as has been described with reference to FIG. 1.
  • a first modification of the function is constructed in the manner described in FIG. 6.
  • a measurement is carried out as shown in relation to FIGS. 2 and 3.
  • the individual areas are combined in such a way that the middle area with the columns f, g, h, i, k and the rows 2, 3, 4, 5 and 6 are interconnected in such a way that they form one area form, which corresponds to the photosensitive surface 25 in the exemplary embodiment according to FIG. 2.
  • the measurement can then be carried out in the same manner as has been explained with reference to the exemplary embodiment according to FIGS. 2 and 3.
  • FIG. 7 shows a correspondingly designed substrate 60, which is also designed at right angles and on which a multiplicity of such light-sensitive surfaces (not shown individually there) are arranged, the CCD construction also being used here.
  • control device can carry out various measurement programs, the individual ones Programs are stored in a memory and the like by the user via a corresponding input device, switch or the like. can be accessed.
  • the individual light-sensitive surfaces are switched by the control device in such a way that measuring surfaces are created, as is shown, for example, in FIG. 4.
  • the individual measuring surfaces or measuring points that lie within the specified field area are always used for the measurement, as is shown in FIG. 4 by fields 31 to 37.
  • the light that falls on the other light-sensitive surfaces that are not within such a measuring field is not taken into account in the measurement.
  • This configuration makes it possible to carry out a reflection measurement according to various standards. If, for example, a reflection measurement is carried out in accordance with the ASTM 340 standard mentioned, the surfaces are interconnected in the manner shown in FIG. 4. If, on the other hand, only one measurement is desired with which the gloss and haze gloss can be detected, the individual light-sensitive surfaces are interconnected in such a way that surfaces result as shown in FIG. 2. In this way, very different measurement programs can be carried out with one sensor and different reflection measurement standards can also be implemented.
  • the field limits to be used for the respective measurement are permanently stored in the memory of the control device and are not varied.
  • the position of the individual fields with respect to one another is fixed, the interconnected fields, which are the photosensitive ones Form surfaces, but can be moved overall on the sensor.
  • the control device determines in which individual fields the light intensity is greatest.
  • this is represented by a circle 61.
  • the point of impact 61 marks the point which corresponds to the ideal reflection angle.
  • a measuring surface 63 is then realized around the point of impact 61, which corresponds to the measuring surface 31 according to FIG. 4 or the measuring surface 25 according to FIG. 2 and is used to measure the gloss.
  • the other measuring surfaces shown in FIG. 7 correspond to the measuring surfaces as shown in FIG. 4.
  • This variant of the method has the advantage that no exact alignment of the sensor geometry with respect to the measuring surface is required. Rather, the control device is able to take deviations in the measurement geometry into account and to correct them automatically. With this procedure, it is possible to make the tolerances for the production of the measuring device itself more generous, as a result of which the costs for the production of the measuring device are considerably reduced. Furthermore, changes in the measurement geometry occurring during use are automatically corrected, so that devices for adjusting the individual elements of the measurement device are not required.
  • FIGS. 6 and 7 An arrangement as shown in FIGS. 6 and 7 also makes it possible to record the reflection behavior on the surface in a wide range of the reflection angles, as is shown with reference to FIG. 8.
  • the measured light intensity is plotted on the ordinate and the angular deviation with respect to the ideal reflection angle is plotted on the abscissa.
  • the measured intensity is highest in the area of the ideal reflection angle and then decreases with increasing angle stood out.
  • the reflection behavior on the surface can be assessed in a simple manner from the curve recorded in this way. It is also possible to derive from the curve the characteristic values which, according to the various standards, characterize the reflection behavior of surfaces. This makes it possible to record a measurement curve with a single measurement and to carry out all subsequent evaluations numerically, by the measuring device itself or in an external computing device, for example in a PC.
  • This basic measurement setup is the same for all the exemplary embodiments shown, only the programming differs depending on the type of sensor used.
  • the measuring device has a control device 70 which contains a commercially available microprocessor which is controlled by a program which is stored in a memory 71.
  • the control device 70 communicates with the user by means of an input device 72 which contains a number of switches in order to start the operation of the control device and to be able (in the corresponding exemplary embodiments) to switch between individual operating modes.
  • control device has input / output devices which serve to connect the control device to the individual components of the device.
  • control 21 device connected to the light source 3 and to the sensor 14.
  • the results of the measurement are shown in a display 75, which is preferably designed as an LCD display.
  • a connection to an external computer 76 is provided for the further evaluation of the measurement.
  • the measuring device is powered by a battery (not shown).
  • the measuring device is preferably arranged in the housing 1, which has approximately the dimensions of a pocket book.
  • each measuring device is preferably individually calibrated.
  • the measuring device is placed on reference glossy tiles, as provided by standard institutes, and the corresponding reflection parameters are measured.
  • the corresponding values are then stored in the memory 71 and are permanently available for converting the values detected by the sensor 14 into gloss characteristics and the like.
  • the device is arranged overall in a housing 100 which has an opening 101 with which the device is placed on the surface to be measured.
  • the device is not placed directly on the surface, but by means of (schematically indicated) at least two rubber rollers 103, 104 or at least four rubber wheels 103, 104 which are rotatable (not shown) in FIG the housing 100 are stored. At least one of the rubber wheels or rollers is provided with a distance measuring device (not shown) which detects the angular movements of the rubber wheels 103 and outputs an electrical signal representative thereof.
  • the device furthermore has a light tube 110, in which a punctiform light source 111 is arranged.
  • the light tube also has a lens device 112, the characteristics of which will be discussed later.
  • the tube 111 is oriented such that its optical axis is oriented at a predetermined angle (45 ° in the example shown) to the surface 115 to be measured.
  • a measuring tube 120 is also provided, the optical axis of which is also oriented at a predetermined angle (from here likewise 45 °) to the surface 115 to be measured, this angle being identical to the angle at which the optical axis of the tube 110 is oriented Surface is directed, and the optical axes of both tubes intersect at the surface measuring point 115.
  • the measuring tube 120 has a lens arrangement 121, an aperture device 122 and a measuring sensor 125 aligned perpendicular to the optical axis.
  • a further exposure device 130 is provided in the upper region of the housing, in which (in the exemplary embodiment) three lighting devices are arranged, namely three light-emitting diodes (LEDs) which have a different spectral characteristic, i. H. which emit light with different colors.
  • three lighting devices are arranged, namely three light-emitting diodes (LEDs) which have a different spectral characteristic, i. H. which emit light with different colors.
  • a control device (not shown) is also provided, which corresponds in its basic structure to the control device according to FIG. 9 and in which Switching devices are provided with which the user can choose between different measuring methods. Furthermore, display devices are provided with which the measurement result is displayed. Alternatively, the device can also be connected directly to a computer, advantageously a personal computer, via a cable or wirelessly, in which the measurement results are recorded, displayed and stored.
  • the device is a universal device for measuring the visual properties of surfaces. In principle, three measurements are possible:
  • the reflection properties of the surface are measured, as is the case with reference to FIGS. 1 to 9 was explained.
  • the light from the light source 111 is guided onto the surface in the parallel beam path and received by the sensor device 125.
  • the sensor device 125 is a color CCD chip which has a multiplicity of light-sensitive surfaces which are sensitive to three (or four) different wavelength characteristics in each case.
  • various measuring fields are stored, each of which is formed by interconnecting a large number of these light-sensitive points and which make it possible to measure the reflection, the haze, etc. Since no color deviations are usually taken into account in reflection measurements, the measurement results of the various color-sensitive fields are combined without specifying the measurement signal with regard to the color.
  • another method variant is also possible, so that the color properties of the reflected light are also included.
  • the light falls on the surface to be measured in the parallel beam path. This is achieved by the lens arrangement 112, which brings about a corresponding bundling of the light from the point light source 111.
  • the point light source 111 is switched off and the device 130 is used as the exposure device.
  • This device has three LEDs 132, 133, 134, which have a different spectral characteristic and whose light radiates onto the surface 115.
  • the light is reflected from the surface and falls into the measuring tube 122 onto the sensor device 125.
  • the reflected signal is received in the sensor device and is processed in an evaluation method as described in FIGS.
  • the aforementioned publications or in the applicant's parallel application is described, the spectral properties of the reflected light determined.
  • the sensor surfaces that have the same spectral characteristics are connected according to predetermined measuring fields, so that the corresponding measuring surfaces act like a sensor with a specific spectral characteristic. It is possible to provide different measuring fields, so that different reflection angles and the like can also be detected.
  • the angle at which the light shines on the surface is chosen so that no Fresnel reflection is measured.
  • the light from the LEDs shines perpendicularly onto the surface, and the measuring tube is arranged at an angle of 45 ° to the surface.
  • the device is moved manually over the surface to be measured.
  • the rubber wheels 103, 104 rotate.
  • the light source 111 is used here as a point light source.
  • the lens arrangement can be chosen so that it can be folded out of the tube. Furthermore, it is possible to move the lens arrangement or the light source relative to one another along the optical axis of the tube 110, so that different radiation patterns arise. This can e.g. B. can be achieved by the tube 111 consists of (not shown) two nested sleeves that are movable relative to each other.
  • the light emitted by the point light source 111 is emitted by the Surface reflected and detected via the measuring tube and the sensor device 125.
  • the sensor device 125 is preferably switched so that only the light intensity is measured without taking into account the spectral distribution. Of course, consideration of these spectral properties is also possible.
  • the light intensity values are constantly stored by the sensor device 125 together with the distance measurement signals from the distance measurement device of the rubber wheel 103. After a predetermined distance has been covered, the reflection measurement values are evaluated, as described in WO 93/04338, and the longer-wave properties of the surface (for example disturbances in the course of a lacquer surface such as orange peel and the like) are measured therefrom.
  • the change in the light source from the point light source to the parallel light source can also be achieved by providing two light tubes 110 which are spatially offset from one another, two light-receiving tubes with two sensor devices 125 then also being provided.
  • three different measuring methods the reflection measurement at a certain surface location, the reflection measurement at a larger section of the surface and the color measurement are implemented.
  • only two of these measurement principles mentioned can be implemented in each case.
  • these are the reflection measurement at a surface location and at a larger section of the surface.
  • the lighting device 130 is omitted, and the sensor device 125 need not have the property of being able to recognize colors or different spectral characteristics of the reflected light.
  • the sensor device 125 can be designed as shown in FIGS. 2 to 7. In this case it is also possible to use a black and white CCD chip.
  • the device for measuring the reflection properties at a certain surface location and for measuring the color is provided.
  • the rubber wheels 103 and 104 and the distance measuring device are omitted.
  • the surface measurement is only to be carried out with a parallel beam path, there is also no need to switch between point light source and light source with parallel beam path.
  • the exposure takes place at a wavelength which lies in the range of visible light between 380 and 760 nm.
  • the term “light source” in the sense of the present application also means radiation sources whose radiation has a longer or a shorter wavelength.

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Abstract

Eine Vorrichtung zum Messen der visuellen Eigenschaften von Oberflächen weist eine Lichtquelle auf, deren Licht in einem vorbestimmten Winkel auf die Meßfläche gerichtet ist, und eine Meßeinrichtung, welche das von der Meßfläche reflektierte Licht mißt, wobei diese Meßeinrichtung wenigstens drei Photosensoren aufweist, welche so angeordnet sind, daß sie die Intensität des reflektierten Lichtes in Bereichen messen, die einem unterschiedlichen Reflexionswinkel entsprechen. Die Photosensoren bilden ein integriertes Bauelement, wobei ein gemeinsames Substrat vorgesehen ist, auf welchem die lichtempfindlichen Schichten im wesentlichen in einer Ebene angeordnet sind und die einfallende Lichtmenge im wesentlichen unabhängig voneinander erfassen, wobei die lichtempfindlichen Schichten weiterhin derart gestaltet sind, daß sie jeweils die innerhalb eines vorgegebenen Winkelbereiches reflektierte Lichtmenge erfassen.

Description

Vorrichtung zum Messen visueller Eigenschaften von Oberflächen
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Mes¬ sen von visuellen Eigenschaften von Oberflächen.
Unter "visuellen Eigenschaften" einer Oberfläche sollen hier die physikalischen Eigenschaften einer Oberfläche verstanden werden, die das Aussehen der Oberfläche für den menschlichen Betrachter bestimmen, das sind insbesondere Eigenschaften wie Farbe, Glanz, Oberflächentexturen etc.
Eine Vorrichtung zum Messen von visuellen Eigenschaften von Oberflächen, und speziell des Reflexionsverhaltens von Ober¬ flächen, ist mit der EP-B-0 438 468 bekannt geworden. Bei dieser bekannten Vorrichtung ist eine Lichtquelle vorgese¬ hen, deren Licht in einem vorgegebenen Winkel auf die zu messende Oberfläche gerichtet ist. Das von der Oberfläche im entsprechenden Winkel reflektierte Licht wird durch einen lichtempfindlichen Sensor gemessen. Dadurch ist es möglich, den Glanz der Oberfläche zu erfassen. Die bekannte Vorrich¬ tung wird z.B. eingesetzt, um das Glanzverhalten von Auto¬ lacken und dgl. zu beurteilen.
Die Funktion dieser Vorrichtung wird nachfolgend in bezug auf die Glanzmessung beschrieben:
Mit dieser bekannten Vorrichtung ist nur eine Aussage über das Glanzverhalten von Flächen in dem Bereich möglich, in dem das Fresnel'sche Reflexionsgesetz gilt, d.h., daß der Ausfallswinkel gleich dem Einfallswinkel ist. Tatsächlich ist dieser sogenannten Spiegelreflexion häufig eine diffuse Reflexion überlagert, die zu einem Aussehen der Oberfläche führt, das als Glanzschleier, im englischen Haze, bezeichnet wird. Bei glänzenden Oberflächen mit Glanzschleier nimmt der Kontrast und die Brillianz der Reflexion ab, wodurch die Oberfläche meßtechnisch einen hohen Glanzwert ergibt, vom menschlichen Betrachter jedoch nicht mehr als klar, sondern als milchig oder trübe beurteilt wird.
Zur Messung von Schleierglanz wird üblicherweise eine Vor¬ richtung verwendet, wie sie in Fig. 11 dargestellt ist. Diese bekannte Vorrichtung weist einen Tubus 1 auf, in den ein Körper 2 eingelassen ist. In diesem Körper 2 befindet sich ein Schlitz 4, dessen unteres Ende mit einer Photozelle 5 abgeschlossen ist.
Der Schlitz 4 ist durch eine Platte 6 abgedeckt, in deren Mitte eine Blendenöffnung 7 vorgesehen ist und auf der je¬ weils ein Photosensor 9 angeordnet ist. Oberhalb dieses Pho¬ tosensors ist eine herkömmliche Filtereinheit 10 vorgesehen.
Mit diesem Gerät ist es möglich, einen Glanzkennwert und Kennwerte für den Schleierglanz zu messen. Dabei entspricht die Winkelabweichung, die zwischen dem idealen Reflexions¬ winkel bei exakter Fresnel*scher Reflexion auftritt und dem Winkel, in dem die Lichtmenge durch die Schleierglanz-Senso¬ ren erfaßt wird, in etwa 2 ' .
Die Funktion dieser herkömmlichen Vorrichtung ist wie folgt: Die zu messende Oberfläche wird durch eine nicht dargestell¬ te Lichtquelle beleuchtet, und es ist eine Optik vorgesehen, um das reflektierte Licht in den in Fig. 10 dargestellten Tubus zu leiten. Dabei verläuft die Richtung des Lichtein¬ falles genau parallel zur Längsachse 12 des Tubus. Das un¬ mittelbar in Richtung des Ausfallswinkels reflektierte Licht fällt durch den Schlitz 7, der die Glanzblende darstellt, auf den Photosensor 5. Die Intensität der einfallenden Lichtmenge ist ein Maß für die Reflexionsfähigkeit der Ober- fläche und somit für Glanz.
Das Licht, welches von der Oberfläche mit einem geringfügig kleineren oder größeren Winkel reflektiert wird, fällt nicht durch die Glanzblende 7, sondern fällt zu einem Teil auf die Photosensoren 9. Deren Fläche ist durch die Kanten 14 und durch den Schlitz 7 der Glanzblende begrenzt.
Die Intensität des auf die Sensoren 9 auftreffenden Lichtes ist ein Maß für den Schleierglanz. Bei einer exakt reflek¬ tierenden Oberfläche, beispielsweise bei einem Spiegel, fällt die gesamte reflektierte Lichtmenge durch den Schlitz 7 auf den Photosensor 5 und kein Licht auf die Photosensoren 9. Bei einer hochglänzenden Oberfläche, die Schleierglanz aufweist, fällt dagegen ein größerer Lichtanteil auf die Sensoren 9.
Dieses bekannte Gerät hat den Nachteil, daß die Fertigungs¬ genauigkeit sehr hoch sein muß, um aussagekräftige Meßergeb¬ nisse zu erhalten. So müssen insbesondere die Glanzblende und die Kanten 1 , welche das Auftreffeld der Photosensoren seitlich begrenzen, sehr genau gefertigt sein. Besondere Schwierigkeiten ergeben sich, wenn das Gerät klein bauend gefertigt werden soll, beispielsweise, um es als Handgerät in der Produktionsüberwachung od.dgl. einzusetzen. In diesem Fall verringern sich die Abmessungen der Blende und der Fer¬ tigungsaufwand steigt entsprechend.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zum Messen visueller Eigenschaften von Oberflä¬ chen zu schaffen, bei welchem der Bauaufwand gegenüber dem Stand der Technik vermindert ist und welche erheblich klei¬ ner baut als die im Stand der Technik bekannten Vorrichtun¬ gen. Ein weiterer Aspekt dieser Aufgabe ist es, eine Vor¬ richtung zum Messen visueller Eigenschaften zu schaffen, bei welcher trotz des kompakten Aufbaues gemäß dem ersten Aspekt der Aufgabe der Erfindung die Möglichkeiten zur Messung ge- genüber den im Stand der Technik bekannten Vorrichtungen erheblich erweitert ist. Ein weiterer Aspekt der Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren anzugeben, welches eine vor¬ teilhafte Erfassung der visuellen Eigenschaften von Oberflä¬ chen ermöglicht.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch den Gegenstand des Anspruches 1 gelöst.
Das erfindungsgemäße Verfahren ist Gegenstand des Anspruches 24.
Zu bevorzugende Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung sind die Sensoren im Unterschied zur konventionellen Vorrichtung in einer gemein¬ samen Ebene angeordnet. Die Photosensoren bilden lichtemp¬ findliche Flächen auf einem gemeinsamen Substrat, wobei die Fläche jeder lichtempfindlichen Schicht so gewählt ist, daß sie in der Meßvorrichtung einem vorgegebenen Winkelbereich des Reflexionswinkels entspricht.
Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung entfallen die bislang erforderlichen Blenden, um die Lichtstrahlen auf den jeweils zu verwendenden Photosensor zu leiten. Anstelle der Blenden¬ öffnungen treten die lichtempfindlichen Schichten der Photo¬ sensoren selbst.
Bei der Herstellung dieser lichtempfindlichen Schichten kön¬ nen die bekannten Techniken zur Herstellung von Halbleiter¬ elementen und integrierter Schaltungen verwendet werden, so daß es möglich ist, die lichtempfindlichen Schichten mit höchster Präzision hinsichtlich der Flächenausdehnung auf dem gemeinsamen Substrat anzuordnen. Durch die Verwendung dieser Techniken kann ebenfalls erreicht werden, daß der Abstand, den die lichtempfindlichen Flächen zueinander haben müssen, um elektrisch gegeneinander isoliert zu sein, sehr klein ist.
Durch diesen Aufbau ist es möglich, die lichtempfindlichen Flächen relativ klein zu gestalten. Dadurch kann der Abstand von der Meßfläche verringert werden, wodurch das Gerät ins¬ gesamt kleinbauend hergestellt werden kann.
Während beim vorstehend beschriebenen konventionellen Gerät die Länge des Meßkopfes 30 cm beträgt, ist es möglich, durch die erfindungsgemäße Gestaltung die Abmessungen auf einen Wert zwischen 5 und 10 cm zu verringern, d.h. daß sich die Gräße auf 1/4 der konventionellen Meßeinrichtung reduziert.
Weiterhin entfällt die mechanische Fertigung und der Einbau und die Ausrichtung der Blenden, so daß der Aufwand zur Ge¬ staltung der Vorrichtung insgesamt erheblich vermindert wird. Außerdem wird das Gerät durch den Fortfall der mecha¬ nischen Bauelemente auch robuster, so daß der Einsatz in der Produktion wesentlich unproblematischer ist, als bei den bisher bekannten Geräten.
Die Fotosensoren können unterschiedlich beschaffen sein. Vorzugsweise werden Substrat und lichtempfindliche Schicht so gewählt, daß die Fotosensoren als Fotodiode wirken. Es ist aber auch möglich, die Fotosensoren als Fototransistoren oder als Fotothyristoren oder dergleichen zu gestalten.
Zur Messung von Glanz und Schleierglanz werden vorzugsweise drei lichtempfindliche Flächen verwendet, wobei dann die mittlere Fläche der Glanzmessung dient und links und rechts von dieser Fläche eine entsprechend gestaltete Fläche zur Erfassung des Schleierglanzes vorgesehen ist. Die Flächen werden dabei so gewählt, daß der Winkelabstand vom Mittel¬ punkt der Meßeinrichtung, d.h. von einer Symmetrieebene der lichtempfindlichen Schicht zur Glanzmessung, zur Symmetrie¬ ebene der Schleierglanzmessung 1,8 ± 0,3" beträgt. Selbst- verständlich sind auch davon abweichende Ausführungen mög¬ lich.
Die Anordnung von zwei lichtempfindlichen Flächen in einem Winkelabstand von 2 ' zum idealen Einfallswinkel, d.h. zum Einfallswinkel gemäß Reflexionsgesetz, ist besonders gün¬ stig, um das Phänomen des Schleierglanzes zu beurteilen. Neben einem Winkelabstand von 2* gibt es aber noch andere Winkelabstände, die bei der Beurteilung der Reflexionseigen¬ schaften von Oberflächen Bedeutung erlangt haben.
So ist in der amerikanischen Norm ASTM E430 neben dem 2*- Meßwinkel auch ein 0,3* Meßwinkel genormt, der zur Erfassung einer Reflexionseigenschaft geeignet ist, die als distinct- ness of image (abgekürzt D/I) bezeichnet wird.
Die lichtempfindliche Fläche für die D/I-Messung wird zwi¬ schen der lichtempfindlichen Fläche für die eigentliche Glanzmesεung (idealer Einfallswinkel) und der 2•-Lichtme߬ fläche angeordnet.
Ein weiteres, durch die vorgenannte ASTM-Norm genormtes Be¬ urteilungskriterium für das Reflexionsverhalten von Oberflä¬ chen ist die Reflexion im Winkel von 5* zum idealen Refle¬ xionswinkel. Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung kann auch in dieser Winkelstellung eine licht¬ empfindliche Fläche vorgesehen werden, um die in diesem Be¬ reich reflektierte Lichtmenge zu erfassen. Es ist zu bevor¬ zugen, daß auch diese lichtempfindliche Fläche (bzw. bei symmetrischem Aufbau) diese lichtempfindlichen Flächen auf dem gleichen Substrat angeordnet sind, wie die Flächen zur D/I- und zur Schleierglanzmessung. Es ist aber auch möglich, daß in diesem Fall diese Flächen zwar in der gleichen Ebene, jedoch auf einem getrennten Substrat angeordnet sind.
Reflexionsmessungen werden in der Regel in der Weise durch¬ geführt, daß der einfallende Lichtstrahl und der reflektier- te Lichtstrahl in der gleichen Ebene liegen. Dies wird er¬ reicht, wenn die beiden Lichtstrahlen in einer Ebene liegen, die exakt senkrecht zur Meßfläche ist.
Insbesondere bei einem vereinfachten Geräteaufbau ist es denkbar, daß das Erfordernis eines exakt senkrechten Auf- treffens des Lichtes auf die Meßfläche nicht erreicht wird. In diesem Fall ist es zu bevorzugen, daß mehrere lichtemp¬ findliche Flächen in bezug auf die Auftreffebene des Licht¬ strahles auf die Oberfläche nebeneinander angeordnet werden. Bei dieser Ausführungsform kann dann durch einen Vergleich der Meßwerte der einzelnen Flächen festgestellt werden, wel¬ ches die Hauptreflexionsrichtung der Fläche ist.
Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung werden eine Vielzahl von lichtempfindlichen Flächen in einem ebenen Feld auf einem gemeinsamen Substrat angeordnet. Dabei weisen alle Feldelemente vorzugsweise die gleichen Abmessun¬ gen auf.
Bei dieser Ausführungsform ist weiterhin eine Steuereinrich¬ tung vorgesehen, die einen Speicher aufweist, in dem be¬ stimmte Meßfeld-Geometrien abgespeichert sind. Wird mit ei¬ nem solchen Sensorelement eine Reflexionsmessung durchge¬ führt, werden diejenigen lichtempfindlichen Flächen zur Mes¬ sung herangezogen, die im jeweiligen geometrisch definierten Meßbereich liegen. Dadurch ist es möglich, den Meßbereich in beliebiger Weise zu verändern und das Meßverhalten von un¬ terschiedlichen Reflexionsmeßgeräten nachzuahmen.
Für die Reflexionsmessung ist die Belichtung der zu messen¬ den Oberfläche üblicherweise so vorgesehen, daß die von der Lichtquelle ausgehenden Lichtstrahlen parallel in dem vor¬ bestimmten Winkel zur Oberfläche gerichtet sind. Eine solche Lichtquelle mit parallelen Lichtstrahlen kann vorteilhaft bei allen vorstehend beschriebenen Ausführungsformen ein¬ gesetzt werden. Davon abweichend kann aber auch bei allen vorbeschriebenen Ausführungsformen eine Lichtquelle mit punktförmiger Charak¬ teristik verwendet werden. Bei einer solchen Punktlicht¬ quelle fallen die Strahlen nicht parallel auf die zu mes¬ sende Oberfläche, sondern in voneinander abweichendem Win¬ kel. Die Verwendung einer solchen Punktlichtquelle ermög¬ licht es, Messungen und Beurteilungen von visuellen Eigen¬ schaften der Oberfläche vorzunehmen, die mit parallelen Lichtstrahlen nicht möglich sind.
Bei einer vorteilhaften Weiterbildung aller vorstehend be¬ schriebenen Ausführungsbeispiele ist es auch möglich, die Lichtquelle so anzuordnen, daß wahlweise eine Belichtung der zu messenden Fläche mit parallelen Lichtstrahlen oder mit einer Punktlichtquelle möglich ist. Dies kann beispielsweise erreicht werden, indem die Linsenanordnung, durch welche die Lichtquelle die Oberfläche bestrahlt, um einen parallelen Strahlengang zu erreichen, aus dem Strahlengang entfernt werden kann. Weiterhin ist es denkbar, daß im gleichen Gerät zwei verschiedene Meßanordnungen, beispielsweise mit zwei verschiedenen Meßwinkeln, untergebracht sind.
Bei allen bislang beschriebenen Ausführungsformen wird davon ausgegangen, daß die lichtempfindlichen Flächen dafür vor¬ gesehen sind, die Intensität des auf sie auftreffenden Lich¬ tes zu erfassen. Insbesondere, aber nicht ausschließlich bei der Ausführungsform, bei welcher eine Vielzahl von lichtemp¬ findlichen Flächen verwendet wird, ist es vorteilhaft, diese lichtempfindlichen Flächen in der Weise anzuordnen, daß sie eine unterschiedliche spektrale Charakteristik aufweisen, so daß nicht nur die Intensität, sondern auch die spektrale Charakteristik, und, bei entsprechender Wahl der spektralen Charakteristik der lichtempfindlichen Flächen, auch die Farbe des von der Oberfläche reflektierten Lichtes erfaßt werden kann.
Apparativ kann diese zuletzt beschriebene Variante in einer kompakten Bauweise verwirklicht werden, indem zur Messung des reflektierten Lichtes ein Farb-CCD-Chip verwendet wird. In einem solchen Fall kann die Vorrichtung auch unmittelbar zur Farbmessung eingesetzt werden. Um die Vorrichtung den verschiedenen geltenden Standards für die Farbmessung anzu¬ passen, ist es in diesem Fall zu bevorzugen, daß eine Licht¬ quelle verwendet wird, die die zu messende Oberfläche in einem solchen Winkel bestrahlt, daß die mit einer im wesent¬ lichen der Fresnel*sehen Reflexion zugehörigen Reflexionsan¬ teile nicht vom Sensor erfaßt werden.
Weitere Vorteile, Merkmale und Anwendungsmöglichkeiten der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen im Zusammenhang mit der Zeichnung.
Darin zeigen:
Fig. 1 ein Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfin¬ dung;
Fig. 2 eine Aufsicht auf das Sensorelement, welches in der Vorrichtung gemäß Fig. 1 verwendet wird;
Fig. 3 einen Schnitt durch das Sensorelement gemäß Fig. 2;
Fig. 4 eine Aufsicht auf ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Sensorelementes;
Fig. 5 eine weitere Aufsicht auf ein Ausführungsbeispiel eines Sensorelementes;
Fig. 6 ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Sensorele¬ mentes, bei welchem die zur Lichtmessung herange¬ zogenen Flächen variiert werden können. Fig. 7 eine Darstellung zur weiteren Erläuterung des Aus¬ führungsbeispiels gemäß Fig. 6 in der Aufsicht;
Fig. 8 ein Diagramm, welches das Reflexionsverhalten einer Oberfläche zeigt, wobei auf der Ordinate die gemessene Lichtintensität und auf der Abszisse die Winkelabweichung bezüglich des idealen Reflexions¬ winkels aufgetragen ist;
Fig. 9 den prinzipiellen schaltungstechnischen Aufbau einer Meßeinrichtung, wie er bei den Ausführungs¬ beispielen gemäß Fig. 1 bis 8 zu verwenden ist;
Fig. 10 ein weiteres Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung, welches auch zu weitergehenden Messun¬ gen geeignet ist, und
Fig. 11 eine herkömmliche Vorrichtung zur Messung von Glanz und Schleierglanz.
Ein erstes Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nun in bezug auf die Fig. 1 beschrieben.
Die in Fig. 1 schematisch dargestellte Reflexions-Meßein¬ richtung weist ein Gehäuse 1 auf, in welchem ein erster Be¬ lichtungstubus 2 angeordnet ist. In diesem Belichtungstubus ist, schematisch angedeutet, eine Lichtquelle 3 angeordnet, eine Blende 4 und eine Linse 5.
Durch die Linse 5 wird erreicht, daß das Licht parallel ge¬ bündelt durch die Öffnung 7 auf die Meßfläche 8 auftrifft. Von der Meßfläche 8 wird das Licht reflektiert und tritt in den Meßtubus 10 ein. Dieser Meßtubus weist ebenfalls eine Linse 11 auf, sowie eine Blende 12 und hinter dieser Blende 12 den eigentlichen Sensor 13.
Die Reflexions-Meßvorrichtung weist weiterhin eine (nicht dargestellte) Steuereinrichtung auf, durch welche der Be¬ trieb der Vorrichtung gesteuert wird und eine ebenfalls nicht dargestellte Anzeigeeinrichtung, durch welche die ge¬ messenen Reflexionswerte angezeigt werden.
Der Aufbau des Meßsensors 14 wird nun im einzelnen in bezug auf die Fig. 2 und Fig. 3 erläutert.
In einem gemeinsamen Substrat 20 sind vier als elektrische Anschlüsse dienende Metallstifte 21, 22, 23, 24 angeordnet, wobei der Anschluß 22 als gemeinsame Anode dient.
Auf diesem gemeinsamen Substrat sind, elektrisch voneinander isoliert, drei lichtempfindliche Flächen als Schichten auf¬ gebracht, nämlich eine erste lichtempfindliche Fläche 25 und je eine symmetrisch dazu angeordnete lichtempfindliche Flä¬ che 26 und 27. Die lichtempfindliche Fläche 25 ist rechteck- förmig, wobei die Symmetrielinien des Rechtecks mit den Sym¬ metrielinien des kreisförmigen Substrates und der elektri¬ schen Anschlüsse zusammenfallen.
Die lichtempfindlichen Flächen 26 und 27 sind ebenfalls rechteckförmig gestaltet und entsprechen in ihrer Brei¬ tenabmessung in etwa der Breite der lichtempfindlichen Schicht 25, während die Längenabmessung etwas größer ist als die Längenabmessung der lichtempfindlichen Fläche 25. Die lichtempfindlichen Flächen sind jeweils mit einem der elek¬ trischen Anschlüsse 22, 23, 24 verbunden.
Beim Ausführungsbeispiel beträgt die Breite der lichtemp¬ findlichen Flächen ca. 0,8 mm, die Länge der Fläche 25 be¬ trägt ca. 1,5 und die Länge der Flächen 26 und 27 ca. 2,4 mm. Diese Werte werden allerdings nur beispielhaft genannt und stellen keine Einschränkung in der Abmessung nach unten oder nach oben dar.
Das Substrat sowie das Material und der Aufbau der lichtemp- findlichen Flächen 25, 26 und 27 sind so gewählt, daß jede dieser Flächen die lichtempfindliche Fläche einer Sensordio¬ de bildet.
Die Steuereinrichtung aktiviert die Lichtquelle 3, deren Licht mit paralleler Strahlung auf die Meßoberfläche 8 auf¬ trifft. Von der Meßoberfläche 8 wird das Licht reflektiert, tritt durch die Linse 11 und die Blende 12 durch und fällt auf den Sensor 14. Der Sensor 14 ist so ausgerichtet, daß eine Gerade, deren Richtung dem idealen Reflexionswinkel entspricht, exakt durch den Schnittpunkt der Symmetrielinien der Meßfläche 25 hindurchtritt.
Das auf die lichtempfindliche Schicht 25 auftreffende Licht wird durch die Steuereinrichtung gemessen und ist ein Maß für den Glanz. Dabei erfolgt die Ermittlung des Glanzkenn¬ wertes in der Weise, wie dies in der EP-B-0 438 468 be¬ schrieben ist.
Stellt die Meßfläche 8 keine ideal reflektierende Spiegel¬ fläche dar, wird auch Licht in eine Richtung reflektiert, die vom idealen Reflexionswinkel abweicht. Ein Teil dieses Lichtes fällt auf die lichtempfindlichen Flächen 26 und 27, so daß dort ein entsprechender Lichtstrom gemessen werden kann. Das diesem entsprechende elektrische Signal ist ein Maß für den Schleierglanz.
Da die lichtempfindlichen Flächen sehr exakt auf dem Substrat angeordnet werden können, ist es möglich, die Flä¬ chen wie beim Ausführungsbeispiel relativ klein zu halten. Dadurch ist es möglich, den Abstand zwischen der Meßfläche 8 und dem Sensor 14 sehr klein zu gestalten, so daß die Vor¬ richtung insgesamt sehr kleinbauend hergestellt werden kann.
Das Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 1 ist mit einem Winkel von 45* dargestellt. Entsprechend den üblichen Meßgeometrien kann dieser Winkel verändert werden, so sind auch Winkel von 20', 30°, 45°, 60* und 85° möglich. Falls abweichende Normen der Reflexionsmessung zugrundegelegt werden, können diese Werte auch anders gestaltet werden.
Weiterhin ist beim Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 1 ein Lichttubus vorgesehen, der Licht in einem bestimmten Winkel zur Oberfläche ausstrahlt und ein Tubus 14, in dem das re¬ flektierte Licht gemessen wird. Stattdessen können auch zwei oder drei derartige Einrichtungen in einer Vorrichtung an¬ geordnet werden, wie dies in der EP-B-0 438 468 gezeigt ist. Wenn zwei oder drei derartige Vorrichtungen angeordnet sind, können verschiedene Meßwinkel und Meßgeometrien in der glei¬ chen Vorrichtung verwendet werden.
Bei der Vorrichtung gemäß Fig. 1 wird weiterhin der Licht¬ strahl direkt auf die Oberfläche geleitet. Insbesondere bei großen Reflexionswinkeln können statt der direkten Leitung auch Umlenkelemente verwendet werden, beispielsweise total¬ reflektierende Prismen oder Lichtleiter, welche das Licht so umlenken, daß es im gewünschten Meßwinkel auf die Oberfläche fällt. Wird ein solches lichtumlenkendes Element verwendet, so wird zweckmäßigerweise auch die andere Seite der Meßein¬ richtung, also der Tubus mit dem Sensor mit den entsprechen¬ den Umlenkeinrichtungen versehen.
Ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nun in bezug auf die Fig. 4 beschrieben. Dieses Ausführungsbeispiel ist genauso aufgebaut wie in Fig. 1 und kann auch mit ent¬ sprechenden Licht-Umlenkeinrichtungen versehen werden, wie dies in bezug auf die Fig. 1 erläutert worden ist. Im Unter¬ schied zur Gestaltung gemäß Fig. 1 ist der Sensor 14 jedoch anders gestaltet, als dies in Fig. 2 und Fig. 3 dargestellt ist.
Der Sensor 14 weist hier ein im wesentlichen rechteckförmi- ges Substrat 30 auf, auf dem eine Vielzahl von licht¬ empfindlichen Flächen aufgebracht sind. Dabei entspricht die mittlere Fläche 31 der lichtempfindlichen Fläche 25 beim Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 2 und ist so angeordnet, daß der ideale Winkel, mit dem das Licht von einer Meßfläche 8 reflektiert wird, den Schnittpunkt der Symmetrielinien des Rechtecks 31 schneidet.
Neben dieser lichtempfindlichen Fläche 31 sind zwei schmale Flächen 32, 33 vorgesehen, welche der vorstehend erörterten D/I-Messung dienen.
Neben diesen Feldern 32, 33 sind Felder 34, 35 vorgesehen, welche im wesentlichen die gleiche Funktion haben wie die Felder 26 und 27 beim Ausführungsbeispiel in Fig. 2 und der Messung von Schleierglanz dienen.
Diese Felder weisen im wesentlichen einen Abstand von ca. 2° zum idealen Reflexionswinkel auf.
Benachbart zu den Feldern 34 und 35 sind lichtempfindliche Flächen 36, 37 vorgesehen, welche in ihrer Größe den Flächen 34 und 35 entsprechen, welche aber in einem Winkelabstand von 5* zum idealen Reflexionswinkel angeordnet sind.
Der Betrieb dieser Vorrichtung erfolgt in gleicher Weise wie bei der Vorrichtung gemäß Fig.l. Im Unterschied zur dort gezeigten Vorrichtung können hier jedoch unterschiedliche Werte, die zur Reflexionsbeurteilung der Oberfläche dienen und beispielsweise in zitierten ASTM E430 genormt sind, ge¬ messen werden. Dabei ist der Aufbau, wie auch der Aufbau beim Ausführungsbeispiel der Fig.2 besonders einfach und bedarf keiner komplizierten Blenden- und Schlitzanordnungen wie bei den bekannten herkömmlichen Geräten.
Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 4 ist der Abstand zwischen den außenliegenden Feldern 36, 37 und den benach¬ barten Feldern 34, 35 relativ groß, wobei die Felder 34, 35 einen Winkelabstand von 2° aufweisen, während die Felder 36, 37 einen Winkelabstand von 5° zum idealen Reflexionswinkel aufweisen.
Bei diesem Ausführungsbeispiel ist es deshalb auch möglich, die Felder 36 und 37 auf einem eigenen Substrat unabhängig von den übrigen Feldern anzuordnen, wobei aber auch diese Felder dann in der gleichen Ebene angeordnet sind, wie die übrigen Felder.
Ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Sensoreinrichtung, wie sie in der Vorrichtung gemäß Fig. 1 verwendet werden kann, wird nun in bezug auf die Fig. 5 beschrieben.
Bei dieser Sensoreinrichtung ist die gleiche Anordnung der Felder gezeigt, wie sie auch in Fig. 4 dargestellt ist. Die Bezugszeichen sind deshalb identisch und lediglich mit einem Strich zur Unterscheidung gekennzeichnet.
Der Unterschied zu der Gestaltung der Fig. 4 liegt darin, daß die einzelnen Felder 31' bis 37' in ihrer Längsausdehnung dreimal unterteilt sind, wodurch Feldbereiche 31'a, 31'b und 31'c, 33«a, 33'b, 33'c und 37'a, 37'b, 37'c gebildet werden.
Der Betrieb dieser Vorrichtung erfolgt bis ιuf eine Abwand¬ lung in gleicher Weise wie beim Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 1 und Fig. 2-3. Die Abwandlung liegt darin, daß die (nicht dargestellte) Steuereinrichtung während der Messung die mit den lichtempfindlichen Flächen 31'a, 31'b und 31'c gemessenen Lichtintensitäten miteinander vergleicht. Ent¬ sprechendes gilt für die übrigen Felder, d.h. es werden in gleicher Weise die Intensitäten, die in den Feldern 35'a, 35'b und 35'c erfaßt worden sind, verglichen. Anhand dieses Vergleiches wird in der Steuereinrichtung festgestellt, wel¬ che der Feldbereiche a, b und c die höchste Intensität auf¬ weist. Für die weitere Auswertung der Messung werden dann nur die Intensitäten berücksichtigt, die in den jeweils ent¬ sprechenden Feldern, also in allen Feldern mit dem Buchsta- ben a oder in allen Feldern mit dem Buchstaben b oder in allen Feldern mit dem Buchstaben c gemessen worden sind.
Der Vorteil dieser Anordnung ist, daß eine Verschiebung in¬ nerhalb der Reflexionsebene von der Vorrichtung erkannt und korrigiert werden kann. Bei exakt ausgerichteter Reflexions¬ ebene wird die höchste Intensität in den Feldern b gemessen. Ist die Reflexionsebene durch Ungenauigkeiten der Meßvor¬ richtung selbst, durch ein nicht exaktes Plazieren der Me߬ vorrichtung auf der Meßfläche oder durch eine entsprechende Gestaltung der Meßfläche selbst gegenüber der idealen Refle¬ xionsebene verschoben, so wird dies bei der gezeigten Anord¬ nung durch die Vorrichtung erkannt und berücksichtigt.
Die Gestaltung der Fig. 5 hat jedoch den Nachteil, daß auf¬ grund der unterschiedlichen Feldelemente nur Abweichungen in der Reflexionsebene selbst erkannt werden können. Dieser Nachteil wird durch das Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 6 behoben.
Bei diesem Ausführungsbeispiel ist ein gemeinsames Substrat 50 vorgesehen, welches rechtwinklig gestaltet ist und auf dem eine Vielzahl von lichtempfindlichen Flächen 51 angeord¬ net sind, die (bei diesem Ausführungsbeispiel) jeweils qua¬ dratisch sind. Beim gezeigten Ausführungsbeispiel sind in der Längserstreckung des Rechteckes insgesamt 15 Feldreihen vorgesehen, welche mit den Buchstaben a bis p gekennzeichnet sind, und in der Erstreckung entlang der kurzen Kantenlänge 7 Felder. Die Ausführung dieses Sensors erfolgt vorzugsweise in der charged-coupled-device-Technik (CCD) .
Der Sensor wird in einer Vorrichtung eingesetzt, wie sie in bezug auf die Fig. 1 beschrieben worden ist.
Für die Funktion einer derart geschalteten Vorrichtung gibt es mehrere Abwandlungen: Eine erste Abwandlung der Funktion ist in der Weise aufge¬ baut, wie dies in Fig. 6 beschrieben ist. Bei dieser Ausfüh¬ rungsform wird eine Messung verwirklicht, wie sie in bezug auf die Fig. 2 und 3 dargestellt ist. Dabei werden die ein¬ zelnen Flächen in der Weise zusammengefaßt, daß die mittlere Fläche mit den Spalten f, g, h, i, k und den Reihen 2, 3, 4, 5 und 6 derartig zusammengeschaltet sind, daß sie eine Flä¬ che bilden, die der lichtempfindlichen Fläche 25 im Ausfüh¬ rungsbeispiel gemäß Fig. 2 entspricht. Die Spalten a, b, c, d, e und die Reihen 1 bis 7 bzw. die Spalten 1, m, n, o, p und entsprechend die Reihen 1 bis 7 werden in der Weise zu¬ sammengeschaltet, daß sie eine lichtempfindliche Fläche er¬ geben, die der Anordnung der lichtempfindlichen Flächen 26, 27 gemäß Fig. 2 entspricht.
Die Messung kann dann in der gleichen Weise durchgeführt werden, wie dies in bezug auf das Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 2 und 3 erläutert worden ist.
Eine besonders bevorzugte Variante der Steuerung des Ausfüh¬ rungsbeispiels gemäß Fig. 6 wird in bezug auf die Fig. 7 beschrieben.
Zunächst ist anzumerken, daß die Einteilung der Felder, wie sie in bezug auf Fig. 6 beschrieben worden ist, wobei 15 Spalten und 7 Reihen gebildet werden, erheblich gesteigert werden kann, so daß mehrere 100 oder 1000 Spalten und Reihen als Meßflächen zur Verfügung stehen.
Fig. 7 zeigt ein entsprechend gestaltetes Substrat 60, wel¬ ches ebenfalls rechtwinklig gestaltet ist und auf dem eine Vielzahl derartiger (dort nicht einzeln angezeichneter) lichtempfindlicher Flächen angeordnet sind, wobei auch hier die CCD-Bauweise verwendet wird.
Die Steuereinrichtung kann bei diesem Ausführungsbeispiel verschiedene Meßprogramme durchführen, wobei die einzelnen Programme in einem Speicher abgelegt sind und vom Benutzer jeweils über eine entsprechende Eingabevorrichtung, Schalter od.dgl. abgerufen werden können.
In einer ersten Variante der Benutzung des Sensors gemäß Fig. 7 werden die einzelnen lichtempfindlichen Flächen durch die Steuereinrichtung so geschaltet, daß Meßflächen entste¬ hen, wie dies beispielsweise in der Fig. 4 dargestellt ist. Bei dieser Variante werden also immer die einzelnen Meßflä¬ chen oder Meßpunkte zur Messung herangezogen, die innerhalb des vorgegebenen Feldbereiches liegen, wie dies in Fig. 4 durch die Felder 31 bis 37 eingezeichnet ist. Das Licht, welches auf die übrigen lichtempfindlichen Flächen fällt, die nicht innerhalb eines solchen Meßfeldes liegen, wird bei der Messung nicht berücksichtigt.
Durch diese Gestaltung ist es möglich, eine Reflexionsmes¬ sung nach verschiedenen Normen durchzuführen. Wird bei¬ spielsweise eine Reflexionsmessung gemäß der erwähnten Norm ASTM 340 durchgeführt, so werden die Flächen in der Weise zusammengeschaltet, wie dies in Fig. 4 gezeigt ist. Wird dagegen lediglich eine Messung gewünscht, mit der Glanz und Schleierglanz zu erfassen ist, werden die einzelnen licht¬ empfindlichen Flächen in der Weise zusammengeschaltet, daß sich Flächen ergeben, wie sie in Fig. 2 dargestellt sind. Auf diese Weise können mit einem Sensor ganz unterschiedli¬ che Meßprogramme durchgeführt werden und dabei auch unter¬ schiedliche Reflexions-Meßnormen verwirklicht werden.
Bei dieser Variante des Ausführungsbeispiels gemäß Fig. 6 sind im Speicher der Steuereinrichtung die für die jeweilige Messung zu verwendenden Feldgrenzen fest abgespeichert und werden nicht variiert.
Bei einer Abwandlung, wie sie in Fig. 7 gezeigt ist, ist zwar die Position der einzelnen Felder zueinander fest, die zusammengeschalteten Felder, welche die lichtempfindlichen Flächen bilden, können aber auf dem Sensor insgesamt ver¬ schoben werden. Bei dieser Verfahrensweise stellt die Steuereinrichtung fest, in welchen einzelnen Feldern die Lichtintensität am größten ist. Beim Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 7 ist dies durch einen Kreis 61 dargestellt. Es wird nun bei der weiteren Messung angenommen, daß der Auf- treffpunkt 61 den Punkt markiert, der dem idealen Refle¬ xionswinkel entspricht. Um den Auftreffpunkt 61 wird dann schaltungstechnisch eine Meßfläche 63 verwirklicht, welche der Meßfläche 31 gemäß Fig. 4 bzw. der Meßfläche 25 gemäß Fig. 2 entspricht und zur Messung des Glanzes dient. Die übrigen in Fig. 7 dargestellten Meßflächen entsprechen den Meßflächen, wie sie in Fig. 4 gezeigt sind. Diese Verfah¬ rensvariante hat den Vorteil, daß keine exakte Ausrichtung der Sensorgeometrie in bezug auf die Meßfläche erforderlich ist. Die Steuereinrichtung ist vielmehr in der Lage, Abwei¬ chungen der Meßgeometrie zu berücksichtigen und selbsttätig zu korrigieren. Bei dieser Verfahrensweise ist es möglich, die Toleranzen zur Herstellung der Meßvorrichtung selbst großzügiger zu gestalten, wodurch die Kosten für die Her¬ stellung der Meßvorrichtung erheblich reduziert werden. Wei¬ terhin werden auch während des Gebrauchs auftretende Verän¬ derungen der Meßgeometrie automatisch korrigiert, so daß Einrichtungen zur Justierung der einzelnen Elemente der Me߬ einrichtung nicht erforderlich sind.
Eine Anordnung, wie sie in Fig. 6 und Fig. 7 gezeigt worden ist, ermöglicht es darüber hinaus, das Reflexionsverhalten an der Oberfläche in einem weiten Bereich der Reflexionswin¬ kel aufzunehmen, wie dies in bezug auf die Fig. 8 gezeigt ist.
Im Diagramm gemäß Fig. 8 ist auf der Ordinate die gemessene Lichtintensität aufgetragen und auf der Abszisse die Winkel¬ abweichung bezüglich des idealen Reflexionswinkels. Die ge¬ messene Intensität ist im Bereich des idealen Reflexionswin¬ kels am höchsten und nimmt dann mit zunehmenden Winkelab- stand ab. Aus der so erfaßten Kurve kann auf einfache Weise das Reflexionsverhalten an der Oberfläche beurteilt werden. Außerdem ist es möglich, aus der Kurve die Kennwerte abzu¬ leiten, welche gemäß den verschiedenen Normen das Refle¬ xionsverhalten von Oberflächen kennzeichnen. Dadurch ist es möglich, mit einer einzigen Messung eine Meßkurve aufzuneh¬ men und alle sich daran anschließenden Auswertungen nume¬ risch, durch die Meßvorrichtung selbst oder in einer exter¬ nen Recheneinrichtung, beispielsweise in einem PC, vorzuneh¬ men.
Der prinzipielle schaltungstechnische Aufbau einer Meßein¬ richtung, wie sie bei den Ausführungsbeispielen gemäß Fig. 1-8 zu verwenden ist, wird nun in bezug auf die Fig. 9 er¬ läutert.
Dieser prinzipielle Meßaufbau ist für alle gezeigten Ausfüh¬ rungsbeispiele der selbe, lediglich die Programmierung weicht je nach verwendeter Sensorart ab.
Die Meßeinrichtung weist insgesamt eine Steuereinrichtung 70 auf, welche einen handelsüblichen Mikroprozessor enthält, der durch ein Programm gesteuert wird, welches in einem Speicher 71 abgelegt ist.
Der Kommunikation der Steuereinrichtung 70 mit dem Benutzer dient eine Eingabeeinrichtung 72, die eine Anzahl von Schal¬ tern enthält, um den Betrieb der Steuereinrichtung zu star¬ ten und um (bei den entsprechenden Ausführungsbeispielen) zwischen einzelnen Betriebsarten umschalten zu können.
Neben dem Mikroprozessor weist die Steuereinrichtung Ein- /Ausgabeeinrichtungen auf, welche der Verbindung der Steue- renrichtung mit den einzelnen Bauelementen der Vorrichtung dienen.
Zur Aktivierung und Durchführung der Messung ist die Steuer- 21 einrichtung mit der Lichtquelle 3 verbunden, sowie mit dem Sensor 14. Die Ergebnisse der Messung werden in einem Dis¬ play 75 angezeigt, welches vorzugsweise als LCD-Display aus¬ gebildet ist. Für die weitere Auswertung der Messung ist eine Verbindung zu einem externen Computer 76 vorgesehen.
Die Meßvorrichtung wird durch eine (nicht dargestellte) Bat¬ terie mit Strom versorgt.
Die Meßvorrichtung ist insgesamt vorzugsweise in dem Gehäuse 1 angeordnet, welches in etwa die Abmessungen eines Taschen¬ buches aufweist.
Um produktionsbedingte Abweichungen der einzelnen Meßvor¬ richtungen zu vermeiden, wird jede Meßvorrichtung vorzugs¬ weise individuell kalibriert. Dazu wird die Meßvorrichtung auf Referenz-Glanz-Kacheln aufgesetzt, wie sie von Normin¬ stituten zur Verfügung gestellt werden und die entsprechen¬ den Reflexionskennwerte gemessen. Die entsprechenden Werte werden dann im Speicher 71 abgelegt und stehen dauerhaft zur Umrechnung der durch den Sensor 14 erfaßten Werte in Glanz¬ kennwerte und dgl. zur Verfügung.
Ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nun in bezug auf die Fig. 10 beschrieben.
Bei diesem Ausführungsbeispiel ist die Vorrichtung insgesamt in einem Gehäuse 100 angeordnet, welches eine Öffnung 101 aufweist, mit der das Gerät auf die zu messende Oberfläche aufgesetzt wird.
Im Unterschied zu den vorgenannten Ausführungsbeispielen wird das Gerät jedoch nicht direkt auf die Oberfläche auf¬ gesetzt, sondern mittels (schematisch angedeuteter) minde¬ stens zwei Gummiwalzen 103, 104 oder mindestens vier Gummi¬ rädern 103, 104, welche drehbeweglich (nicht gezeigt) in dem Gehäuse 100 gelagert sind. Wenigstens eines der Gummiräder oder Walzen ist mit einer (nicht dargestellten) Wegstrecken- Meßeinrichtung versehen, welche die Winkelbewegungen der Gummiräder 103 erfaßt, und ein dafür repräsentatives elektrisches Signal ausgibt.
Die Vorrichtung weist weiterhin einen Lichttubus 110 auf, in welchem eine punktför ige Lichtquelle 111 angeordnet ist. Der Lichttubus weist weiterhin eine Linseneinrichtung 112 auf, deren Charakteristik noch später erörtert wird.
Der Tubus 111 ist so ausgerichtet, daß seine optische Achse in einem vorbestimmten Winkel (beim gezeigten Beispiel 45°) zu der zu messenden Oberfläche 115 ausgerichtet ist.
Es ist weiterhin ein Meßtubus 120 vorgesehen, dessen opti¬ sche Achse ebenfalls in einem vorbestimmten Winkel (von hier ebenfalls 45°) zur zu messenden Oberfläche 115 ausgerichtet ist, wobei dieser Winkel identisch zum Winkel ist, in dem die optische Achse des Tubus 110 zur Oberfläche gerichtet ist, und wobei sich die optischen Achsen beider Tuben am Oberflachenmeßpunkt 115 schneiden.
Der Meßtubus 120 weist eine Linsenanordnung 121 auf, eine Blendeneinrichtung 122 sowie einen senkrecht zur optischen Achse ausgerichteten Meßsensor 125.
In einem Winkel senkrecht zum Oberflachenmeßpunkt 115 ist im oberen Bereich des Gehäuses eine weitere Belichtungseinrich¬ tung 130 vorgesehen, in welcher (beim Ausführungsbeispiel) drei Beleuchtungseinrichtungen angeordnet sind, und zwar drei lichtemittierende Dioden (LED) , welche eine unterschiedliche spektrale Charakteristik aufweisen, d. h. welche Licht mit unterschiedlichen Farben ausstrahlen.
Es ist weiterhin eine (nicht dargestellte) Steuereinrichtung vorgesehen, welche in ihrem grundsätzlichen Aufbau der Steuereinrichtung gemäß Fig. 9 entspricht und in welcher Schalteinrichtungen vorgesehen sind, mit welcher der Benutzer zwischen verschiedenen Meßverfahren wählen kann. Weiterhin sind Anzeigeeinrichtungen vorgesehen, mit denen das Meßergebnis angezeigt wird. Alternativ dazu kann die Vorrichtung auch unmittelbar über ein Kabel oder auch drahtlos mit einem Computer, vorteilhafterweise einem Personal Computer verbunden werden, in dem die Meßergebnisse erfaßt und angezeigt sowie gespeichert werden.
Die Funktion dieser Vorrichtung ist nun wie folgt:
Die Vorrichtung ist eine universelle Vorrichtung zur Messung der visuellen Eigenschaften von Oberflächen. Dabei sind prinzipiell drei Messungen möglich:
1. die Messung von Reflexionseigenschaften, wie es in bezug auf die Ausführungsbeispiele 1 bis 9 der vorliegenden Anmeldung erörtert worden ist;
2. die Messung von Farbeigenschaften der Oberfläche, wie es in der parallelen Anmeldung des gleichen Anmelders (Anwaltsakte 477P26) beschrieben ist, die am gleichen Tage beim Deutschen Patentamt eingereicht worden ist wie die vorliegende Anmeldung und die ein Farbmeßgerät beschreibt, welches eine Weiterbildung eines Farbmeßgerätes darstellt, das in der DE 42 02 822 AI (die dem US-Patent 5 137 364 entspricht) beschrieben ist, und
3. ein Verfahren zur quantifizierten Bewertung des physiologischen Eindruckes von reflexionsfähigen Oberflächen, wie es mit der WO 93/0433, entsprechend der europäischen Anmeldung 92916021 vom selben Anmelder bekannt geworden ist.
Beim ersten Meßverfahren werden die Reflexionseigenschaften der Oberfläche gemessen, wie es in bezug auf die Fig. 1 bis 9 erläutert wurde. Bei dieser Meßvariante wird das Licht von der Lichtquelle 111 im parallelen Strahlengang auf die Oberfläche geführt und von der Sensoreinrichtung 125 aufgenommen. Die Sensoreinrichtung 125 ist bei diesem Universal-Meßgerät ein Farb-CCD-Chip, der eine Vielzahl von lichtempfindlichen Flächen aufweist, die für jeweils drei (oder vier) unterschiedliche Wellenlängencharakteristika empfindlich sind. Im Speicher der Steuereinrichtung sind, wie in bezug auf Fig. 9 beschrieben, verschiedene Meßfelder abgespeichert, die jeweils durch das Zusammenschalten einer Vielzahl von diesen lichtempfindlichen Punkten gebildet werden und die die Messung der Reflexion, des Schleier¬ glanzes usw. ermöglichen. Da bei Reflexionsmessungen üblicherweise keine Farbabweichungen berücksichtigt werden, werden die Meßergebnisse der verschiedenen farbsensitiven Felder zusammengefaßt, ohne das Meßsignal bezüglich der Farbe zu spezifizieren. Es ist aber auch eine andere Verfahrensvariante möglich, so daß auch die Farbeigen¬ schaften des reflektierten Lichtes mit erfaßt werden.
Bei dieser Meßvariante fällt das Licht im parallelen Strahlengang auf die zu messende Oberfläche. Dies wird durch die Linsenanordnung 112 erreicht, welche eine entsprechende Bündelung des Lichtes der Punktlichtquelle 111 bewirkt.
Im übrigen sind alle Meßmöglichkeiten durchführbar, die vorstehend in bezug auf Fig. 1 bis 9 erläutert wurden.
Zur Farbmessung wird die Punktlichtguelle 111 abgeschaltet und als Belichtungseinrichtung die Einrichtung 130 benutzt. Diese Einrichtung weist drei LEDs 132, 133, 134 auf, die eine unterschiedliche spektrale Charakteristik aufweisen und deren Licht auf die Oberfläche 115 strahlt. Von der Oberfläche wird das Licht reflektiert und fällt in den Meßtubus 122 auf die Sensoreinrichtung 125. In der Sensoreinrichtung wird das reflektierte Signal aufgenommen, und es wird in einem Auswerteverfahren, wie dies in den vorgenannten Druckschriften bzw. in der parallelen Anmeldung des Anmelders beschrieben ist, die spektralen Eigenschaften des reflektierten Lichtes ermittelt. Dabei werden jeweils die Sensorflächen, welche die gleiche spektrale Charakteristik haben, nach vorgegebenen Meßfeldern zusammengeschaltet, so daß die entsprechenden Meßflächen wie ein Sensor mit bestimmter spektraler Charakteristik wirken. Es ist möglich, unterschiedliche Meßfelder vorzusehen, so daß auch unterschiedliche Reflexionswinkel und dergleichen erfaßt werden können.
Wichtig ist, daß der Winkel, in dem das Licht auf die Oberfläche strahlt, so gewählt ist, daß keine Fresnel'sehe Reflexion gemessen wird. Im vorliegenden Fall strahlt das Licht der LED's senkrecht auf die Oberfläche, und der Meßtubus ist im Winkel von 45° zur Oberfläche angeordnet.
Bei der dritten Meßvariante, die das in der WO 93/04338 gezeigte Meßverfahren anwendet, wird die Vorrichtung von Hand über die zu messende Oberfläche bewegt. Dabei drehen sich die Gummiräder 103, 104. Die Lichtquelle 111 wird hier als Punktlichtquelle verwendet.
Für das Umschalten der Lichtquelle von der Punktlichtquelle zur Lichtquelle mit parallelem Strahlengang gibt es verschiedene Möglichkeiten. So kann die Linsenanordnung so gewählt werden, daß sie aus dem Tubus herausgeklappt werden kann. Weiterhin ist es möglich, die Linsenanordnung oder die Lichtquelle relativ zueinander entlang der optischen Achse des Tubus 110 zu bewegen, so daß unterschiedliche Bestrahlungsmuster entstehen. Dies kann z. B. erreicht werden, indem der Tubus 111 aus (nicht dargestellt) zwei ineinandergeschobenen Hülsen besteht, die relativ zueinander bewegbar sind.
Während der Bewegung des Meßgerätes über die Oberfläche wird das von der Punktlichtquelle 111 ausgestrahlte Licht von der Oberfläche reflektiert und über den Meßtubus und die Sensor¬ einrichtung 125 erfaßt. Dabei wird die Sensoreinrichtung 125 vorzugsweise so geschaltet, daß lediglich die Lichtintensi¬ tät gemessen wird, ohne daß auf die spektrale Verteilung Rücksicht genommen wird. Selbstverständlich ist aber auch eine Berücksichtigung dieser spektralen Eigenschaften möglich. Während der Bewegung werden ständig die Lichtintensitätswerte von der Sensoreinrichtung 125 zusammen mit den Wegstreekenmeßsignalen der Wegstreckenmeßeinrichtung des Gummirades 103 gespeichert. Nach Zurücklegung einer vorgegebenen Wegstrecke werden die Reflexionsmeßwerte ausgewertet, wie dies in der WO 93/04338 beschrieben ist, und daraus die längerwelligen Eigenschaften der Oberfläche (beispielsweise Verlaufsstörungen einer Lackoberfläche wie orange peel und dgl.) gemessen.
Für die Messung dieser Größen werden häufig Einrichtungen verwendet, die einen ganzen Laborraum in Anspruch nehmen. Mit dem vorgeschriebenen universellen Meßgerät können in einem kleinen Handgerät die Messung von langwelligeren Oberflächenstörungen, die Messung der Reflexionseigenschaf¬ ten der Oberfläche in bezug auf Glanz, Schleierglanz usw. sowie auch die Farbe der Oberfläche durchgeführt werden.
In einer alternativen Abwandlung des Gerätes können mehrere Meßwinkel verwirklicht werden, wie dies für Reflexions¬ meßgeräte im Stand der Technik bekannt ist. Dadurch wird das Licht in unterschiedlichen Winkeln zur Oberfläche geleitet, so daß auch Aussagen über das Reflexionsverhalten mit verschiedenen Belichtungswinkeln möglich ist.
Weiterhin kann die Veränderung der Lichtquelle von der Punktlichtquelle zur parallelen Lichtquelle auch erzielt werden, indem zwei Lichttuben 110 vorgesehen sind, welche räumlich zueinander versetzt sind, wobei dann auch zwei lichtaufnehmende Tuben mit zwei Sensoreinrichtungen 125 vorgesehen sind. Bei der in Fig. 10 gezeigten Vorrichtung sind drei verschiedene Meßverfahren, die Reflexionsmessung an einer bestimmten Oberflächenstelle, die Reflexionsmessung an einem größeren Ausschnitt der Oberfläche und die Farbmessung verwirklicht. In Abwandlung des gezeigten Ausführungsbei- spiels können auch jeweils nur zwei dieser genannten Meßprinzipien verwirklicht werden. Bei einer ersten Abwandlung sind dies die Reflexionsmessung an einer Oberflächenstelle und an einem größeren Ausschnitt der Oberfläche. In diesem Fall entfällt die Beleuchtungseinrich¬ tung 130, und die Sensoreinrichtung 125 braucht nicht die Eigenschaft zu haben, Farben bzw. verschiedene spektrale Charakteristiken des reflektierten Lichtes erkennen zu können. In diesem Fall kann die Sensoreinrichtung 125 ausgebildet werden, wie dies in den Fig. 2 bis 7 dargestellt ist. Es ist in diesem Fall auch möglich, einen Schwarz-Weiß- CCD-Chip zu benutzen.
Bei der zweiten Abwandlung ist die Vorrichtung zur Messung der Reflexionseigenschaften an einer bestimmten Oberflächenstelle und zur Farbmessung vorgesehen. In diesem Fall entfallen die Gummiräder 103 und 104 und die Wegstreckenmeßeinrichtung. Außerdem kann, falls die Oberflächenmessung nur mit parallelem Strahlengang ausgeführt werden soll, auch die Wechselmöglichkeiten zwischen Punktlichtquelle und Lichtquelle mit parallelem Strahlengang entfallen.
Die Belichtung erfolgt bei allen gezeigten Ausführungsbei¬ spielen mit einer Wellenlänge, die im Bereich des sichtbaren Lichtes zwischen 380 und 760 nm liegt. Unter dem Begriff "Lichtquelle" im Sinne der vorliegenden Anmeldung sind aber auch Strahlungsquellen zu verstehen, deren Strahlung eine größere oder eine kleinere Wellenlänge aufweist.

Claims

Patentansprüche
1. Vorrichtung zur Messung der Reflexionseigenschaften von Oberflächen mit:
einer ersten optischen Einrichtung mit einer Lichtquelle, um das von der Lichtquelle ausgestrahlte Licht in einem vorbestimmten Winkel auf die zu messende Oberfläche zu richten,
einer zweiten optischen Einrichtung, welche in einem ebenfalls vorbestimmten Winkel zu dieser ersten opti¬ schen Einrichtung und zu dieser Meßfläche ausgerichtet ist, und welche das von dieser Oberfläche reflektierte Licht aufnimmt, wobei diese zweite optische Einrichtung wenigstens drei Fotosensoren aufweist, welche derart angeordnet sind, daß sie die Intensität des reflektier¬ ten Lichtes in Bereichen messen, die einem unterschied¬ lichen Reflexionswinkel entsprechen,
einer Steuereinrichtung, welche diese Vorrichtung steuert und welche die von diesen wenigstens drei Foto¬ sensoren ausgegebenen Signale erfaßt,
dadurch gekennzeichnet,
daß die lichtempfindlichen Flächen der Fotosensoren im wesentlichen in einer Ebene angeordnet sind,
daß die Fotosensoren ein integriertes Bauelement bil¬ den, wobei ein gemeinsames Substrat vorgesehen ist, auf welchem lichtempfindliche Schichten angeordnet sind, die die einfallende Lichtmenge im wesentlichen unabhän- gig voneinander erfassen, und
daß diese lichtempfindlichen Schichten derart angeord¬ net sind, daß die lichtempfindlichen Flächen jeweils die innerhalb eines vorgegebenen Winkelbereichs reflek¬ tierte Lichtmenge erfassen.
2. Vorrichtung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß drei lichtempfindliche Flächen vorgesehen sind, wobei eine erste, im wesentlichen rechteckförmige Flä¬ che derart angeordnet ist, daß bei einer ideal reflek¬ tierenden Oberfläche die Lichtstrahlen symmetrisch auf diese mittlere Fläche auftreffen und wobei zu beiden Seiten dieser Fläche eine zweite und eine dritte licht¬ empfindliche Fläche vorgesehen ist, auf welche die Strahlen auftreffen, deren Reflexionswinkel um einen vorbestimmten Winkelbereich größer oder kleiner sind, als der ideale Reflexionswinkel.
3. Vorrichtung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine erste, im wesentlichen rechteckförmige licht¬ empfindliche Fläche vorgesehen ist, welche in dem Be¬ reich des Sensors angeordnet ist, auf welche das Licht bei einer ideal reflektierenden Oberfläche auftrifft und wenigstens eine lichtempfindliche Fläche auf einer Seite dieser mittleren lichtempfindlichen Fläche, welche die Intensität des Lichtes messen, welches in größeren bzw. kleineren Winkeln reflektiert wird, als der ideale Reflexionswinkel.
4. Vorrichtung gemäß mindestens einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die lichtempfindlichen Flächen unterschiedliche Abmessungen aufweisen, wobei jedoch die Flächen, die im gleichen Winkelabstand zum idealen Reflexionswinkel liegen, die gleiche Größe auf¬ weisen.
5. Vorrichtung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Vielzahl von lichtempfindlichen Flächen vor¬ gesehen ist, welche unmittelbar benachbart auf dem Sub¬ strat angeordnet sind.
6. Vorrichtung gemäß Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß diese Flächen jeweils als einzelne Streifen ausge¬ bildet sind, welche auf einem im wesentlichen rechteck- förmigen Substrat vorgesehen sind, wobei diese Streifen mit ihrer Längsausdehnung in einer Ebene angeordnet sind, welche im wesentlichen senkrecht zu der Ebene ist, in der diese Lichtstrahlen auf die zu messende Oberfläche gerichtet und von dieser reflektiert werden.
7. Vorrichtung gemäß Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß diese lichtempfindlichen Flächen auf diesem Sub¬ strat derart angeordnet sind, daß sich eine Vielzahl von Flächenelementen ergibt, welche in parallelen, zu¬ einander senkrechten Spalten und Reihen vorgesehen sind.
8. Vorrichtung gemäß Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß diese Flächen im wesentlichen rechteckig, vorzugs¬ weise aber quadratisch sind.
9. Vorrichtung gemäß mindestens einem der Ansprüche 2 bis
8, dadurch gekennzeichnet, daß diese Flächen symmetrisch zu der Ebene angeordnet sind, die durch den Punkt geht, bei welchem die Lichtstrahlen auf die zu messende Oberfläche auftreten und senkrecht zu der Ebene ist, in welcher die Lichtstrahlen der ersten optischen Einrichtung und der von der Oberfläche reflektierten Lichtstrahlen im wesentlichen liegen.
10. Vorrichtung gemäß mindestens einem der Ansprüche 5 bis
9, dadurch gekennzeichnet, daß durch die Steuereinrich¬ tung die Meßsignale von einzelnen dieser lichtempfind- welche größer ist, als die Fläche eines einzelnen die¬ ser Flächenelemente.
11. Vorrichtung gemäß Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß in einem Speicher dieser Steuereinrichtung bestimm¬ te Flächenmuster abgespeichert sind und daß diese lichtempfindlichen Flächenelemente in der Weise zusam¬ mengeschaltet werden, daß sich bestimmte Flächenmuster ergeben, die jeweils einer bestimmten Meßfläche entsprechen.
12. Vorrichtung gemäß Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung weiterhin eine Schalteinrichtung aufweist, mit welcher ein vorbestimmtes Flächenmuster für die Messung gewählt werden kann.
13. Vorrichtung gemäß mindestens einem der Ansprüche 9 bis
12, dadurch gekennzeichnet, daß diese Steuereinrichtung zunächst eine Messung durchführt, um festzustellen, auf welchen Flächenelementen die Intensität der gemessenen reflektierten Strahlung am höchsten ist und daß diese Flächenmuster in bezug auf die Lage dieser Flächenele¬ mente mit der höchsten Lichtintensität ausgerichtet werden.
14. Vorrichtung gemäß mindestens einem der Ansprüche 5 bis
13, dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat in seiner Erstreckung parallel zu den lichtempfindlichen Flächen im wesentlichen rechteckförmig gestaltet ist.
15. Vorrichtung gemäß mindestens einem der Ansprüche 5 bis
14, dadurch gekennzeichnet, daß diese einzelnen Flä¬ chenelemente in charged-coupled-device-Technik mitein¬ ander verbunden sind.
16. Vorrichtung gemäß Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß diese einzelne Flächenelemente die gleichen spektralen Charakteristiken aufweisen, mit denen das einfallende Licht in ein Sensorsignal umgesetzt wird (Schwarz-Weiß-Messung) .
17. Vorrichtung gemäß Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß diese einzelnen Flächenelemente so beschaffen sind, daß jeweils zumindest drei benaehtbarte Flächenelemente unterschiedliche spektrale Charakteristiken aufweisen, so daß mit diesen Flächenelementen auch die Farbe des reflektier-ten Lichtes erfaßbar ist.
18. Vorrichtung gemäß Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß diese Vorrichtung eine zweite Belichtungseinrich¬ tung aufweist, die Licht mit einer vorgegebenen spektralen Charakteristik ausstrahlt und die in einem derartigen Winkel auf die zu messende Oberfläche gerichtet ist, daß das unmittelbar gemäß der Fresnel'- sehen Reflexion reflektierte Licht nicht mit dem Winkel übereinstimmt, mit welchem diese zweite optische Ein¬ richtung auf die zu messende Oberfläche gerichtet ist.
19. Vorrichtung gemäß Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß diese zweite Lichtquelle aus mehreren einzelnen lichtausstrahlenden Elementen besteht, wobei diese lichtausstrahlenden Elemente eine voneinander unterschiedliche spektrale Charakteristik aufweisen.
20. Vorrichtung gemäß Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, daß diese lichtausstrahlenden Elemente bezüglich ihrer spektralen Charakteristik so beschaffen sind, daß sie sich im Bereich der Wellenlänge des sichtbaren Lichtes zumindest teilweise überlappen und linear voneinander unabhängig sind.
21. Vorrichtung gemäß mindestens einem der Ansprüche 1 bis 20, dadurch gekennzeichnet, daß diese Vorrichtung relativ in einer parallelen Richtung zur zu messenden Oberfläche verschieblich ist und daß eine Wegstrecken¬ meßeinrichtung vorgesehen ist, welche diese parallele relative Verschiebung quantitativ erfaßt und daß weiterhin eine Speichereinrichtung vorgesehen ist, in welcher die entlang vorgegebener Meßstellen auf der Oberfläche gemessenen Reflexionswerte und die zugehörige relative Postion der Meßstellen abgespeichert wird.
22. Vorrichtung gemäß mindestens einem der Ansprüche 1 bis 21, dadurch gekennzeichnet, daß diese erste optische Einrichtung derart beschaffen ist, daß das Licht im wesentlichen mit parallelem Strahlengang auf die Oberfläche gerichtet ist.
23. Vorrichtung gemäß mindestens einem der Ansprüche 1 bis 20, dadurch gekennzeichnet, daß diese erste optische Einrichtung derart beschaffen ist, daß diese Lichtquelle als Punktlichtquelle wirkt.
24. Verfahren zur Messung der visuellen Eigenschaften von Oberflächen und insbesondere unter der Verwendung einer Vorrichtung gemäß mindestens einem der Ansprüche 10 bis 23, bei welchem
eine erste optische Einrichtung mit einer Lichtquelle vorgesehen ist, um Licht in einem vorbestimmten Winkel auf eine zu messende Oberfläche zu richten, sowie
eine zweite optische Einrichtung, welche eine Sensoreinrichtung mit einer Vielzahl von lichtempfindlichen Flächen aufweist, um das von der Oberfläche reflektierte Licht zu erfassen, und
eine Steuereinrichtung, welche diese Vorrichtung steuert und welche die von der Sensoreinrichtung ausgegebenen Signale erfaßt,
eine Speichereinrichtung, in welcher Programmanwei¬ sungen gespeichert sind, nach denen diese Steuerein¬ richtung arbeitet,
wobei in dieser Speichereinrichtung weiterhin wenigstens eine vorgegebene Meßgeometrie abgespeichert ist, nach welcher einzelne lichtempfindliche Flächen zu einer gemeinsamen Meßfläche zusammengeschaltet werden, so daß jeweils die Intensität des auf mehrere dieser einzelnen lichtempfindlichen Flächen auftreffenden Lichtes als ein gemeinsamer Wert erfaßt wird,
wobei die Messung in der Weise durchgeführt wird, daß die Oberfläche mit dieser Lichtquelle belichtet wird und die für eine vorgegebene Meßgeometrie gemessenen Ausgangssignale der Sensoreinrichtung erfaßt werden.
25. Verfahren gemäß Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, daß in dieser Speichereinrichtung eine Vielzahl von Meßgeometrien abgespeichert ist und daß eine Schalt¬ einrichtung vorgesehen ist, durch welche eine dieser Meßgeometrien auswählbar ist.
26. Verfahren gemäß Anspruch 24 oder 25, dadurch gekennzeichnet, daß jeweils weingstens drei benachbarte lichtempfindlichen Flächen unterschiedliche spektrale Charakteristiken aufweisen und derart zusammengeschaltet sind, daß damit die spektrale Charakteristik und insbesondere die Farbe des reflektierten Lichtes erfaßbar ist.
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