DE102005025291B4

DE102005025291B4 - Verfahren und Vorrichtung zur Bestimmung von Oberflächeneigenschaften

Info

Publication number: DE102005025291B4
Application number: DE102005025291.5A
Authority: DE
Inventors: Peter Schwarz; Konrad Lex; Gerhard Hentschel
Original assignee: BYK Gardner GmbH; BYK Gardner USA Inc
Current assignee: BYK Gardner GmbH; BYK Gardner USA Inc
Priority date: 2005-06-02
Filing date: 2005-06-02
Publication date: 2019-07-25
Anticipated expiration: 2025-06-03
Also published as: US7468800B2; DE102005025291A1; JP2006349676A; JP2010066273A; US20060274317A1; JP5372719B2

Abstract

Verfahren zur Bestimmung von Oberflächeneigenschaften mit den Schritten- Einstrahlen von Strahlung auf einen ersten Bereich einer zu untersuchende Oberfläche (5);- Detektion wenigstens eines Anteils der auf den ersten Bereich eingestrahlten und von diesem zurückgeworfenen Strahlung und Ausgabe eines für diese zurückgeworfene Strahlung charakteristischen ersten Wertes;- Einstrahlen von Strahlung auf einen zweiten Bereich der Oberfläche (5);- Detektion wenigstens eines Anteils der auf den zweiten Bereich eingestrahlten und von diesem zurückgeworfenen Strahlung und Ausgabe eines für diese zurückgeworfene Strahlung charakteristischen zweiten Wertes- Ausgabe eines Ergebniswertes, der für eine Beziehung zwischen dem ersten Messwert und dem zweiten Messwert charakteristisch ist, wobei der Ergebniswert ausgewählt ist aus einer Gruppe von Ergebniswerten, welche Streuungen, Varianzen, Differenzen, Differenzialquotienten oder Kombinationen hieraus enthält.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Bestimmung von Oberflächeneigenschaften wie insbesondere aber nicht ausschließlich der Farbe der Oberfläche.
Die Erfindung wird unter Bezugnahme auf Oberflächen von Kraftfahrzeugen beschrieben. Es wird jedoch darauf hingewiesen, dass die Erfindung auch bei anderen Oberflächen wie beispielsweise den Beschichtungen von Möbelstücken, von Bodenbelägen und dergleichen Anwendung finden kann.
Der optische Eindruck von Gegenständen beziehungsweise deren Oberflächen, insbesondere von Oberflächen an Kraftfahrzeugen wird maßgeblich durch deren Oberflächeneigenschaften bestimmt. Da das menschliche Auge nur bedingt zur objektiven Bestimmung von Oberflächeneigenschaften geeignet ist, besteht ein Bedarf nach Hilfsmitteln und Apparaturen zur qualitativen und quantitativen Bestimmung von Oberflächeneigenschaften.
Dabei werden Oberflächeneigenschaften, wie beispielsweise Glanz, orange peel, Farbe, Makro- oder Mikrostruktur, Abbildungsschärfe, Glanzschleier, Oberflächenstruktur und/oder Oberflächentopographie und dergleichen bestimmt.
Aus dem Stand der Technik sind Vorrichtungen bekannt, bei denen eine Strahlungseinrichtung eine Strahlung auf die untersuchende Messfläche wirft, und die von dieser Messfläche reflektierte und/oder gestreute Strahlung von einem Detektor aufgenommen und ausgewertet wird.
In der DE 41 27 215 C2 ist eine Vorrichtung zur quantifizierten Bewertung von Oberflächen beschrieben, bei denen ein Oberflächenmesswert nicht allein aus einer Messung dieses speziellen Messpunktes ermittelt wird, sondern weitere vor diesem Messpunkt und nach diesem Messpunkt liegende äquidistant verteilte Messpunkte in die Ermittlung mit einfließen. Das Ziel ist eine Ausgabe eines Ergebnisses einer langwelligen Analyse der Helligkeitsmesswerte eines Messpunktes.
Bei der Beschichtung von Kraftfahrzeug- beziehungsweise Karosserieoberflächen tritt häufig das Problem auf, dass bestimmte Teilbereiche der Karosserie in anderer Weise beschichtet werden als andere Bereiche. Dabei kann es beispielsweise vorkommen, dass eine Lackiervorrichtung bestimmte Bereiche des Kraftfahrzeugs doppelt, andere Bereiche dagegen nur einfach lackiert, und auf diese Weise ein unterschiedlicher, farblicher Gesamteindruck unterschiedlicher Bereiche entsteht. Dieser unterschiedliche Farbeindruck, den einzelne Bereiche der Oberfläche hervorrufen, kann durch das menschliche Auge nur schwer objektiv ausgemacht werden, da er von vielen Randbedingungen wie beispielsweise dem eingestrahlten Licht, dem Beobachtungswinkel und dergleichen abhängt.
Der vorliegenden Erfindung liegt damit die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zu schaffen, welches eine objektive Aussage über die Gleichmäßigkeit einer Farbschicht auf einem Objekt vermittelt. Dies wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren nach Anspruch 1 und eine Vorrichtung nach Anspruch 9 erreicht. Vorteilhafte Ausführungsformen und Weiterbildungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Bestimmung von Oberflächeneigenschaften wird in einem Verfahrensschritt Strahlung auf einen ersten Bereich einer zu untersuchenden Oberfläche eingestrahlt. In einem weiteren Verfahrensschritt wird wenigstens ein Anteil der auf den ersten Bereich eingestrahlten und von diesen zurückgeworfenen Strahlungen detektiert und ein für diese Strahlung charakteristisches Signal beziehungsweise ein charakteristischer erster Wert ausgegeben. In einem weiteren Schritt wird Strahlung auf einen zweiten von dem ersten unterschiedlichen Bereich der Oberfläche eingestrahlt. Weiterhin wird wiederum wenigstens ein Anteil der auf dem zweiten Bereich eingestrahlten und von diesem zurückgeworfenen Strahlung detektiert und ein für diese zurückgeworfene Strahlung charakteristischer zweiter Wert ausgegeben. Schließlich wird erfindungsgemäß ein Ergebniswert ausgegeben, der für eine Beziehung zwischen dem ersten Wert und dem zweiten Wert charakteristisch ist.
Unter einer Strahlung wird jede Art von Strahlung verstanden, wie beispielsweise infrarotes Licht, UV-Licht, Licht im sichtbaren Wellenlängenbereich, Röntgenstrahlung und dergleichen.
Bevorzugt wird als Strahlung Licht im sichtbaren Bereich und besonders bevorzugt ein genormtes Weißlicht verwendet.
Unter einer zurückgeworfenen Strahlung wird insbesondere aber nicht ausschließlich in beliebige Winkel gestreute, daneben aber auch reflektierte Strahlung verstanden.
Unter einer für die Strahlung charakteristischen Eigenschaft wird insbesondere aber nicht ausschließlich deren Intensität, deren Spektralbereich beziehungsweise deren Wellenlänge, deren Polarisation oder auch eine Kombination aus diesen Eigenschaften verstanden.
Damit wird unter dem charakteristischen Wert ein Wert für wenigstens eine dieser Eigenschaften verstanden.
Bevorzugt wird auch der Abstand zwischen dem ersten Bereich und dem zweiten Bereich gemessen. Dabei wird insbesondere aber nicht ausschließlich ein vorgegebener Punkt des ersten und des zweiten Bereiches, wie beispielsweise der geometrische Mittelpunkt ausgewählt und der Abstand zwischen diesen beiden Punkten gemessen. Durch diese Messung des Abstandes ist eine Zuordnung von gemessenen Werten beziehungsweise gemessenen Signalen zu bestimmten Orten auf der Oberfläche der Karosserie möglich.
Bevorzugt wird die Strahlung nacheinander auf eine Vielzahl von unterschiedlichen Bereichen der Oberfläche eingestrahlt. Dies bedeutet, dass die Strahlung jeweils auf die unterschiedlichen Bereiche eingestrahlt wird und jeweils die aufgenommenen Messwerte nacheinander gespeichert werden, wobei dies bevorzugt mit einer Zuordnung zu dem jeweiligen geometrischen Ort anhand der gemessenen Entfernung erfolgt. Bevorzugt wird zur Messung die Vorrichtung gegenüber der Oberfläche wenigstens zeitweise im Wesentlichen entlang einer im Wesentlichen geraden Linie bewegt. Diese Bewegungslinie kann auch durch Konturen der untersuchten Oberfläche wie etwa im Falle einer KFZ-Türe bestimmt sein. Auf diese Weise kann ein Werteprofil entlang dieser Linie aufgenommen werden und festgestellt werden, ob sich der optische und insbesondere aber nicht ausschließlich der farbliche Eindruck der Oberfläche entlang dieser Linie ändert.
Bevorzugt ist ferner der Ergebniswert aus einer Gruppe von Ergebniswerten ausgewählt, welche arithmetische Mittelwerte, geometrische Mittelwerte, Streuungen, Varianzen, Differenzen, Differenzialquotienten, Maxima, Minima oder Kombinationen hieraus enthält. Wie eingangs erwähnt, liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, dem Benutzer ein objektives Maß für die Gleichmäßigkeit der Oberflächenbeschichtung zu vermitteln. Aus diesem Grunde eignen sich insbesondere Streuungen, Varianzen oder Differenzen in besonders vorteilhafter Weise als Ergebniswerte, da derartige Ergebniswerte ein direktes Maß für die Gleichmäßigkeit einer Beschichtung der zu untersuchenden Oberfläche sind.
So wäre beispielsweise ein Streuungswert „0“ kennzeichnend für eine völlig gleichmäßige Oberfläche. Als weiteres Maß für die Gleichmäßigkeit der Oberflächenbeschichtung könnte auch die Differenz zwischen einem maximalen ersten Wert und einem minimalen zweiten Wert bei einer Vielzahl von aufgenommenen Werten verwendet werden. Durch die oben beschriebene gleichzeitige Aufnahme des Abstandes zwischen den einzelnen Bereichen ist es ferner möglich, solche Bereiche der Oberfläche, in denen die Beschichtung besonders ungleichmäßig ist, genau zu lokalisieren.
Bevorzugt werden mehrere Messungen entlang mehreren im Wesentlichen zueinander parallelen Linien durchgeführt, sodass auf diese Weise ein vollständiger Teilbereich einer KFZ-Oberfläche, wie beispielsweise ein vollständiger Bereich einer Kraftfahrzeugtüre vermessen werden kann. Durch die Aufnahme der einzelnen Messwerte, welche bevorzugt mit einer Zuordnung zum geometrischen Ort erfolgt, kann - bevorzugt durch den Einsatz von Prozessoren oder Computern - ein Profil der KFZ-Oberfläche erstellt werden, welches Aufschluss über solche Bereiche verleiht, in denen die Farbe ungleichmäßig verteilt ist. Auch kann auf diese Weise ein entsprechendes dreidimensionales Profil der zu untersuchenden Oberfläche erstellt werden.
Bevorzugt wird eine Schichtdicke der zu untersuchenden Oberfläche bestimmt. Besonders bevorzugt wird die Schichtdicke jeweils in den unterschiedlichen Bereichen und dabei im Wesentlichen gleichzeitig mit den optischen Eigenschaften gemessen. Auf diese Weise kann einem bestimmten Bereich der Oberfläche sowohl ein Messwert für die Schichtdicke als auch ein Messwert für die charakteristische Oberflächeneigenschaft zugeordnet werden. Diese Messung der Schichtdicke kann über optische Elemente, über induktive Sensoren und dergleichen bestimmt werden.
Eine entsprechende Schichtdickenmesseinrichtung für die Untersuchung der Messfläche, kann in Berührungskontakt mit der Oberfläche stehen oder auch berührungslos arbeiten.
Bevorzugt wird die Strahlung auf die Oberfläche unter einem vorgegebenen Winkel eingestrahlt. Besonders bevorzugt handelt es sich dabei um einen Winkel von im Wesentlichen 45° gegenüber einer bezüglich der Oberfläche senkrecht stehenden Richtung, da dieser Winkel für vergleichbare Messverfahren genormt ist.
Dabei kann die Strahlungseinrichtung sowohl gerichtete als auch ungerichtete Strahlung auf die Oberfläche einstrahlen. Die Detektion des von der Oberfläche zurückgeworfenen Lichtes beziehungsweise der Strahlung erfolgt ebenfalls unter einem vorgegebenen Winkel. Dieser Winkel ist bevorzugt genügend weit vom Reflektionswinkel entfernt und liegt besonders bevorzugt bei etwa 20° - 40° gegenüber der bezüglich der Oberfläche senkrechten Richtung. Dies wird unter Bezugnahme auf die Figuren genauer erläutert.
Bevorzugt wird die Strahlung über Beugungselemente wie Linsen und dergleichen auf die Oberfläche geführt. Daneben werden bevorzugt Filterelemente eingesetzt, um die Strahlung nach ihren spektralen Anteilen zu filtern.
Die vorliegende Erfindung ist weiterhin auf eine Vorrichtung zur Bestimmung von Oberflächeneigenschaften gerichtet. Diese Vorrichtung weist wenigstens eine erste Strahlungseinrichtung mit wenigstens einer Strahlungsquelle auf, welche Strahlung auf eine zu suchende Oberfläche aussendet. Daneben ist wenigstens eine Strahlungsdetektoreinrichtung vorgesehen, die wenigstens einen Teil der von der wenigstens einen Strahlungseinrichtung ausgesandten und anschließend von der Messfläche zurückgeworfenen Strahlung aufnimmt und wenigstens ein Messsignal bzw. einen Messwert ausgibt, das bzw. der für die reflektierte und/oder gestreute Strahlung charakteristisch ist. Dabei ist erfindungsgemäß eine Prozessoreinrichtung vorgesehen, die wenigstens zwei von der Messeinrichtung ausgegebene Messsignale, die zu unterschiedlichen Orten der Oberfläche korrespondieren vergleicht und einen für diesen Vergleich charakteristischen Wert ausgibt.
Bevorzugt weist die Vorrichtung eine Bewegungseinrichtung auf, um die Vorrichtung gegenüber der Oberfläche entlang einer vorgegebenen bevorzugt im Wesentlichen geradlinigen Bewegungsrichtung zu bewegen. Besonders bevorzugt handelt es sich dabei um wenigstens ein an der Vorrichtung angeordnetes Rad. Bevorzugt sind zwei, besonders bevorzugt sind vier Räder vorgesehen, um die Vorrichtung gegenüber der Oberfläche zu bewegen. Diese Bewegungseinrichtung ist dabei bevorzugt so ausgestaltet, dass sie einerseits die Oberfläche während der Bewegung nicht beschädigt, beispielsweise zerkratzt, und andererseits sichergestellt ist, dass die Bewegungseinrichtung nicht gegenüber der Oberfläche gleitet sondern rollt.
Bevorzugt ist eine Speichereinrichtung vorgesehen, um eine Vielzahl von Messsignalen und/oder aus diesen Messsignalen abgeleiteten Werten abzuspeichern. Dabei können einerseits die Signale selbst abgespeichert werden oder auch von der Strahlungsdetektoreinrichtung ausgegebene Werte wie beispielsweise Spannungswerte oder dergleichen.
Bevorzugt ist die Strahlungseinrichtung unter einen vorgegebenen Winkel gegenüber der zu untersuchenden Oberfläche angeordnet und besonders bevorzugt beträgt dieser Winkel 45° gegenüber der senkrechten Richtung bezüglich der Oberfläche. Bei diesem Winkel handelt es sich um einen Normwinkel, sodass Vergleiche mit anderen Geräten möglich sind.
Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist eine Vielzahl von Strahlungsdetektoreinrichtungen vorgesehen, die unter unterschiedlichen Winkeln gegenüber der Oberfläche angeordnet sind. Bei dieser Ausführungsform ist demnach eine Strahlungseinrichtung vorgesehen und eine Vielzahl von Strahlungsdetektoreinrichtungen. Umgekehrt ist es auch möglich, eine Vielzahl von Strahlungseinrichtungen vorzusehen, die unter unterschiedlichen Winkeln gegenüber der Oberfläche angeordnet sind und eine Strahlungsdetektoreinrichtung die unter einem bestimmten Winkel gegenüber der Oberfläche angeordnet ist. Auf diese Weise kann das Verhalten der Oberfläche bei Bestrahlung unter unterschiedlichen Winkeln beobachtet werden. Bevorzugt ist wenigstens eine Strahlungsdetektoreinrichtung gegenüber einer auf der Oberfläche senkrecht stehenden Richtung unter einem Winkel zwischen 20° und 40°, bevorzugt zwischen 25° und 35° und besonders bevorzugt von ungefähr 30° angeordnet.
Prinzipiell könnte die Strahlungsdetektoreinrichtung auch unter deutlich höheren Winkeln gegenüber der bezüglich der Oberfläche senkrecht stehenden Richtung angeordnet sein wie beispielsweise unter einem Winkel von 70°. Die Anordnung unter einem relativ kleinen Winkel hat jedoch den Vorteil, dass sich Krümmungen der zu untersuchenden Oberfläche nur geringfügig auf das Messergebnis auswirken.
Bevorzugt werden in der Speichereinrichtung sämtliche der von jeder der Strahlungsdetektionseinrichtungen ausgegebenen Werte abgespeichert.
Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist eine Vielzahl von Strahlungseinrichtungen im Wesentlichen senkrecht zu der Bewegungsrichtung der Vorrichtung und im Wesentlichen parallel zu der zu untersuchenden Oberfläche also im Wesentlichen auf gleicher Höhe angeordnet. Dies bedeutet, dass eine vorgegebene Anzahl von Strahlungseinrichtungen nebeneinander angeordnet sind und zwar auf einer Linie im Wesentlichen senkrecht zu der Bewegungsrichtung der Vorrichtung gegenüber der zu untersuchenden Oberfläche verläuft. Durch diese Vielzahl von Strahlungseinrichtungen kann erreicht werden, dass durch eine Bewegung der Vorrichtung gegenüber der Oberfläche ein flächenmäßig größerer Bereich der Oberfläche gleichzeitig untersucht werden kann.
Anstelle der Anordnung einer Vielzahl von Strahlungseinrichtung oder zusätzlich zu dieser, können auch geeignete optische Elemente wie Zylinderlinsen eingesetzt werden, um in einer Richtung senkrecht zur Bewegungsrichtung der Vorrichtung gegenüber der Oberfläche einen größeren Bereich auszuleuchten.
Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist eine Vielzahl von Strahlungsdetektoreinrichtungen im Wesentlichen senkrecht zur der Bewegungsrichtung der Vorrichtung nebeneinander angeordnet. Auf diese Weise wird erreicht, dass zu den jeweiligen nebeneinander angeordneten Strahlungseinrichtungen auch entsprechend nebeneinander angeordnete Strahlungsdetektoreinrichtungen korrespondieren. Bevorzugt sind die Strahlengänge zwischen den einzelnen Strahlungseinrichtungen und der korrespondierenden Strahlungsdetektoreinrichtung wenigstens teilweise gegeneinander abgeschirmt.
Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform weist die Vorrichtung eine Weglängenmesseinrichtung auf, um die Länge des gegenüber der Oberfläche zurückgelegten Weges zu bestimmen. Auf diese Weise können, wie oben ausgeführt, mehrere Messpunkte aufgenommen werden und dieser bestimmten Orte auf der Oberfläche zugeordnet werden. Auf diese Weise kann ein Gesamtbild der Oberfläche erstellt werden.
Bevorzugt weist wenigstens eine Strahlungseinrichtung wenigstens eine Strahlungsquelle auf, die aus einer Gruppe von Strahlungsquellen ausgewählt ist, welche thermische Strahlungsquellen wie insbesondere aber nicht ausschließlich Glühlampen, Halogenlampen, koharente und nichtkoharente Halbleiterstrahlungsquellen, Gasentladungsstrahlungsquellen, Laser, Kombinationen hieraus und dergleichen aufweist. Besonders bevorzugt wird eine Strahlungsquelle verwendet, welche Weißlicht und insbesondere normiertes Weißlicht aussendet. Auch die Verwendung einer weißen Leuchtdiode ist als besonders bevorzugt anzusehen.
Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform weist die Vorrichtung eine Schichtdickenmesseinrichtung auf. Bei dieser Schichtdickenmesseinrichtung kann es sich, wie oben erwähnt, um induktive Messelemente, kapazitive Messelemente und dergleichen handeln.
Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform weist die Vorrichtung wenigstens ein Filterelement auf, um einen vorgegebenen Anteil der Strahlung zu selektieren. Besonders bevorzugt handelt es sich dabei um solche Filterelemente, die gewisse spektrale Anteile der Strahlung passieren lassen, andere dagegen blockieren. Auf diese Weise kann eine nach Farben aufgelöste Untersuchung der Oberflächeneigenschaften vorgenommen werden. Auch können in dem Strahlengang zwischen der Strahlungseinrichtung und der Strahlungsdetektoreinrichtung dispersive Elemente wie Gitter, Prismen und dergleichen, vorgesehen sein.
Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist eine Kalibriereinrichtung vorgesehen, welche eine Ausrichtung der Vorrichtung gegenüber der Oberfläche ermöglicht. Dieser Ausgestaltung liegt das Problem zugrunde, dass bei Verkippungen der Vorrichtungen gegenüber der Oberfläche das Messergebnis verfälscht werden kann, da die Strahlung dann nicht mehr unter dem normierten Winkel auf die Detektoreinrichtung einstrahlt und damit die Messwerte verfälscht werden können.
Diese Kalibriereinrichtung kann beispielsweise einen Laser aufweisen, der Licht unter einem vorgegebenen Winkel auf die zu untersuchende Oberfläche ausstrahlt. Das von der Oberfläche reflektierte Licht des Lasers wird von einer Detektionseinrichtung aufgenommen und der Ort, auf dem die Laserstrahlung auf die Oberfläche der Detektionseinrichtung auftrifft, bestimmt. Durch die Bestimmung dieses Ortes kann dem Benutzer angezeigt werden in welcher Weise er die Vorrichtung gegenüber der Oberfläche zu verkippen hat, bzw. um welche Winkel die Vorrichtung gegenüber einem Sollwert geneigt ist.
Auch könnte eine Kalibriereinrichtung mit einem Softwarefilter vorgesehen sein. In diesem Falle wird in einer Detektionseinrichtung ebenfalls der Ort bestimmt, unter dem reflektierte Strahlung auftrifft und dieser Ort in Beziehung zu einem Sollort gesetzt. Aus dieser Beziehung wird die Verkippung der Vorrichtung gegenüber der Oberfläche errechnet und entsprechend die gemessenen Werte angepasst beziehungsweise kalibriert.
Weiterhin können mehrere Entfernungssensoren vorgesehen sein, die den Abstand ausgewählter Bezugspunkte der Vorrichtung zu der Oberfläche messen und auf diese Weise dem Benutzer anzeigen, wie die Vorrichtung gegenüber der Oberfläche auszurichten ist.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform weist die erfindungsgemäße Vorrichtung eine Prozessoreinrichtung auf, die aus den gemessenen Signalen beziehungsweise Werten einen für den Vergleich charakteristischen Wert ausgibt. Dabei wendet die Prozessoreinrichtung bevorzugt statistische Methoden an, um Werte wie Varianzen, Streuung, Mittelwerte und dergleichen auszugeben.
Weitere Vorteile und Ausführungsformen ergeben sich aus den beigefügten Zeichnungen:

1 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Untersuchung von Oberflächeneigenschaften; und
2 ein Beispiel für eine mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung aufnehmbare Messreihe.

1 zeigt eine schematische Teildarstellung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung (10) zur Bestimmung von Oberflächeneigenschaften. Diese weist eine Strahlungseinrichtung 1 mit einer Strahlungsquelle 2 auf. Bei dieser Ausführungsform handelt es sich bei der Strahlungsquelle um eine weiße Leuchtdiode (LED). Das Bezugszeichen 17 bezieht sich auf ein Begrenzungselement wie insbesondere aber nicht ausschließlich eine Blende um eine gerichtete Strahlung auf die zu untersuchende Oberfläche 5 zu erzeugen. Die Bezugszeichen 15 und 14 beziehen sich auf Beugungselemente wie Linsen, die dazu dienen, die von der Strahlungseinrichtung 1 ausgesandten und von der Oberfläche 5 auch in Richtung der Detektionseinrichtung 20 zurückgeworfene Strahlung zu fokussieren bzw. abzubilden.
Vor dem Auftreffen auf die Strahlungsdetektoreinrichtung 20 durchläuft die Strahlung bei dieser Ausführungsform ein Begrenzungselement 18, beispielsweise eine Blende sowie einen Filter 19. Dieser Filter dient, wie oben ausgeführt, dazu, einzelne Strahlungsanteile abzublocken und andere auf die Strahlungsdetektoreinrichtung 20 gelangen zu lassen.
Die Bezugszeichen 4 und 12 beziehen sich auf Bewegungseinrichtungen beziehungsweise Räder, die an einem Rahmen 3 angeordnet sind und mit denen die gesamte Vorrichtung gegenüber der Oberfläche 5 bewegt werden kann. Das vordere Rad 4 weist eine Weglängenmesseinrichtung 6 auf. Bei dieser Ausführungsform weist die Weglängenmesseinrichtung (nicht gezeigte) Strahlungselemente sowie Photozellen und eine zwischen diesen Strahlungselementen und den Photozellen angeordnete Codierscheibe auf. Durch entsprechende Öffnungen der Codierscheibe zwischen der Strahlungseinrichtung und der Photozelle trifft abwechselnd in bestimmten Frequenzen Licht auf die Photozelle, wodurch Spannungspulse erzeugt werden. Aus den Frequenzen sowie aus den jeweiligen Abfolgen dieser Spannungspulse kann der zurückgelegte Weg gegenüber der Oberfläche bestimmt werden. Auch ist es mit dieser Weglängenmesseinrichtung 6 möglich, die Bewegungsrichtung der Vorrichtung gegenüber der Oberfläche zu bestimmen. Anstelle der hier beschriebenen optischen Weglängenmesseinrichtung könnten jedoch beispielsweise auch induktive Elemente für die Bewegungsmesseinrichtung verwendet werden.
Die Strahlungsdetektoreinrichtung 20 ist mit einer Prozessoreinrichtung 21 verbunden, die mit Hilfe einer Speichereinrichtung 22, die von der Detektoreinrichtung ausgegebenen Werte speichert. Daneben ist die Prozessoreinrichtung auch mit der Weglängenmesseinrichtung 6 verbunden, um auf diese Weise die von der Strahlungsdetektoreinrichtung 20 ausgegebenen Werte den von der Weglängenmesseinrichtung gemessenen Werte zuordnen zu können.
Durch diese Zuordnung können jeweils Wertepaare aufgestellt werden, die einerseits den Ort auf der Oberfläche und andererseits den gemessenen Wert enthalten. Ferner kann mittels der Prozessoreinrichtung 21 ein Vergleichswert für die einzelnen gemessenen Werte ausgegeben werden, was unten im Detail erläutert wird.
Das Bezugszeichen 26 bezieht sich auf eine weitere Strahlungseinrichtung, beispielsweise einem Laser, der unter einem vorgegebenen Winkel gerichtete Strahlung auf die Oberfläche 5 einstrahlt. Die weitere Detektionseinrichtung 27 detektiert die von der Oberfläche reflektierte Strahlung. Bevorzugt weist die Detektionseinrichtung 27 ein Detektionselement auf, welches zur ortsaufgelösten Detektion der Strahlung geeignet ist. Wie eingangs erwähnt, kann mittels der Einrichtungen 26 und 27 die Lage der gesamten Vorrichtung gegenüber der Oberfläche 5 bestimmt und gegebenenfalls korrigiert werden.
Das Bezugszeichen 24 bezieht sich auf eine Schichtdickenmesseinrichtung, die die Schichtdicke der zu untersuchenden Oberfläche bestimmt. Bevorzugt kann eine Schichtdickenmessung im Wesentlichen gleichzeitig mit einer optischen Messung vorgenommen werden, wobei besonders bevorzugt die Messungen am gleichen Messort vorgenommen werden.. Auch die Schichtdickenmesseinrichtung steht mit der Prozessoreinheit 21 und der Speichereinrichtung 22 in Verbindung, damit einem bestimmten Ort neben optischen Daten der Detektoreinrichtung 20 auch die Schichtdickendaten der Schichtdickenmesseinrichtung 24 zugeordnet werden können. Mittels der Prozessoreinrichtung können jedoch auch die gemessenen Schichtdicken und die optischen Eigenschaften so einander zugeordnet werden, das sie jeweils zu den gleichen Messorten korrespondieren. Auf diese Weise kann ein genaueres Bild der Oberflächenverhältnisse ermittelt werden.
Neben den hier gezeigten Strahlungseinrichtungen und Strahlungsdetektoreinrichtungen können auch unter weiteren Winkeln weitere Strahlungs- beziehungsweise Strahlungsdetektoreinrichtungen vorgesehen sein. Für die hier vorgestellte Messung wird bevorzugt eine Strahlungsdetektoreinrichtung vorgesehen, welche lediglich eine integrative Bestimmung der auf sie eintreffenden Intensität erlaubt. Es wäre jedoch auch möglich, eine solche Strahlungsdetektoreinrichtung vorzusehen, die auch eine ortsaufgelöste Bestimmung der Strahlung erlaubt. Allerdings würden bevorzugt in diesem Falle die von einer solchen Strahlungsdetektoreinrichtung ausgegebenen ortsaufgelösten Werte integriert werden um ein Gesamtbild über die Intensität zu erreichen.
Bevorzugt sind die gezeigten Strahlungs- und Strahlungsdetektoreinrichtungen in einem gemeinsamen Gehäuse 31 untergebracht. Je nach Anwendungsbeispiel kann es sich dabei um ein Gehäuse mit reflektiven Eigenschaften handeln, welches diffuses Licht auf die Oberfläche wirft. Daneben kann auch ein Gehäuse mit einer im Wesentlichen absorbierenden Innenbeschichtung vorgesehen sein.
Bei der hier gezeigten Ausführungsform ist die Strahlungseinrichtung unter einem Winkel von α = 45° gegenüber der Mittelsenkrechten M angeordnet. Die Strahlungsdetektoreinrichtung ist unter einem Winkel von β = 30° gegenüber der Mittelsenkrechten M angeordnet. Es sind jedoch auch andere Winkel gegenüber der Mittelsenkrechten, und insbesondere kleine Winkel denkbar. Auch könnte die Strahlungsdetektoreinrichtung unter einem Winkel von -30° gegenüber der Mittelsenkrechten vorgesehen sein, d.h. auf der bezüglich der Mittelsenkrechten gegenüberliegenden Seite. Bei der Messung sollte darauf geachtet werden, dass die Strahlungsdetektoreinrichtung nicht in der Nähe des Reflektionswinkels bezüglich der Strahlungseinrichtung 1 angeordnet ist, da ansonsten im Wesentlichen eine Aufnahme des reflektierten und nicht des gestreuten Lichts stattfinden würde.
Das Bezugszeichen 8 bezieht sich auf eine auf dem Rad 4 angebrachte Gummibeschichtung, damit bei einer Bewegung der Vorrichtung gegenüber der Oberfläche 5 diese nicht beschädigt wird und andererseits das Rad auch nicht auf der Oberfläche rutscht, was die Entfernungsmessung verfälschen würde.
2 zeigt ein Beispiel für eine mit der Vorrichtung nach 1 aufgenommene fiktive Messreihe. Dabei sind auf der X-Achse willkürliche Längeneinheiten aufgetragen und auf der Y-Achse willkürliche Intensitätswerte. In diesem Falle sind die Intensitätswerte auf den Wert 1 normiert, das heißt der Wert 1 spiegelt die Sollintensität wieder.
Bei dem hier gezeigten Beispiel nehmen infolge von Ungleichmäßigkeiten in einem Bereich von 5 und 10 auf der X-Achse die Intensitätswerte zu und in einem Bereich um den Wert 15 herum ab. Damit zeigen die Bereiche 32 und 33 solche Bereiche der Oberfläche, in denen eine ungleichmäßige Beschichtung vorliegt, wohingegen die Beschichtung in den Bereichen 34, 35 gleichmäßig ist. Der arithmetische Mittelwert für alle gemessenen Werte würde im vorliegenden Beispiel 1,025 betragen, wobei dieser Wert jedoch für die Gleichmäßigkeit der Beschichtung wenig aussagekräftig ist, sondern lediglich besagt, dass der Mittelwert leicht nach oben von einem Sollwert abweicht.
Daher bietet sich als Maßstab für die Ungleichmäßigkeit beispielsweise die Varianz an, die in diesem Fall einen Wert von 0,1925 einnehmen würde. Idealerweise beträgt die Varianz 0, das heißt in diesem Falle wäre die Beschichtung über die gesamte Oberfläche gleichmäßig verteilt. Aus dem dargestellten Diagramm ist ebenfalls ersichtlich in welchen Bereichen die Beschichtung ungleichmäßig ist und in welchen Bereichen sie gleichmäßig verläuft.
Durch eine Vielzahl derartiger Messungen könnte ein dreidimensionales Profil erstellt werden, wobei auf einer weiteren (nicht gezeigten) Z-Achse ein seitlicher Versatz, das heißt derjenige Bereich in dem die erfindungsgemäße Vorrichtung jeweils parallel verschoben wird, gezeigt ist. Ein derartiges dreidimensionales Profil könnte beispielsweise auf einer Bildausgabeeinrichtung, wie einem Monitor, dargestellt werden und der zu untersuchenden Oberfläche wie beispielsweise einer KFZ-Tür zugeordnet werden. Aus einer derartigen Darstellung kann der Benutzer nicht nur feststellen, ob die Schicht gleichmäßig oder ungleichmäßig verteilt ist, sondern er kann darüber hinaus feststellen, in welchen Bereichen welche Arten von Unregelmäßigkeiten in der Beschichtung auftreten.
Ein weiteres denkbares Maß für die Ungleichmäßigkeit der Oberfläche wäre auch die Differenz zwischen einem Maximalwert und einem Minimalwert, wobei in diesem Falle bevorzugt Messfehler nach bekannten mathematischen Verfahren berücksichtigt werden. Beispielsweise ist es denkbar, einen Mittelwert der drei höchsten Werte und einen Mittelwert der drei niedrigsten Werte zu bilden und aus diesen Mittelwerten jeweils die Differenz, wobei diese Differenz ebenfalls ein Maß für die Gleichmäßigkeit der Beschichtung über die gesamte Oberfläche darstellt.
Bevorzugt werden bei einem erfindungsgemäßen Verfahren die von der Weglängenmesseinrichtung ausgegebenen Werte mit einer Aktivierungseinrichtung für die Strahlungseinrichtung gekoppelt. Auf diese Weise kann jeweils nach vorbestimmten Abständen beispielsweise jeweils nach einer Volldrehung des Rads 4 ein weiterer Messpunkt aufgenommen und mit Zuordnung zu dem Messort abgespeichert werden. Dieses Verfahren bietet den Vorteil, dass unabhängig von der Geschwindigkeit, mit der die Vorrichtung über die Oberfläche geführt wird, jeweils in gleichen Abständen Messwerte aufgenommen werden. In diesem Falle ist es auch nicht unbedingt erforderlich, denn tatsächlich zurückgelegten Weg zu bestimmen, da dieser Weg eindeutig durch den örtlichen Abstand zwischen zwei Messungen bestimmt wird.
Umgekehrt kann jedoch auch eine zeitliche Steuerung vorgesehen sein, die jeweils nach vorbestimmten Zeitabständen Messungen durchführt, wobei dann der jeweilige geometrische Abstand zwischen zwei Messpunkten mit aufgenommen und mit abgespeichert wird.
Sämtliche in den Anmeldungsunterlagen offenbarten Merkmale werden als erfindungswesentlich beansprucht, sofern sie einzeln oder in Kombination gegenüber dem Stand der Technik neu sind.
Bezugszeichenliste

1: Strahlungseinrichtung
2: Strahlungsquelle
3: Rahmen
4: Rad
5: Oberfläche
6: Weglängenmesseinrichtung
8: Gummibeschichtung
10: Vorrichtung
12: Rad
14: Linse
15: Linse
17: Blende
18: Blende
19: Filterelement
20: Strahlungsdetektoreinrichtung
21: Prozessoreinrichtung
22: Speichereinrichtung
24: Schichtdickenmesseinrichtung
26: Strahlungseinrichtung
27: Detektionseinrichtung
32, 33: Bereich mit ungleichmäßiger Beschichtung
34, 35: Bereich mit gleichmäßiger Beschichtung

Claims

Verfahren zur Bestimmung von Oberflächeneigenschaften mit den Schritten - Einstrahlen von Strahlung auf einen ersten Bereich einer zu untersuchende Oberfläche (5); - Detektion wenigstens eines Anteils der auf den ersten Bereich eingestrahlten und von diesem zurückgeworfenen Strahlung und Ausgabe eines für diese zurückgeworfene Strahlung charakteristischen ersten Wertes; - Einstrahlen von Strahlung auf einen zweiten Bereich der Oberfläche (5); - Detektion wenigstens eines Anteils der auf den zweiten Bereich eingestrahlten und von diesem zurückgeworfenen Strahlung und Ausgabe eines für diese zurückgeworfene Strahlung charakteristischen zweiten Wertes - Ausgabe eines Ergebniswertes, der für eine Beziehung zwischen dem ersten Messwert und dem zweiten Messwert charakteristisch ist, wobei der Ergebniswert ausgewählt ist aus einer Gruppe von Ergebniswerten, welche Streuungen, Varianzen, Differenzen, Differenzialquotienten oder Kombinationen hieraus enthält.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand zwischen dem ersten Bereich und dem zweiten Bereich gemessen wird.
Verfahren nach wenigstens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Strahlung nacheinander auf eine Vielzahl von Bereichen der Oberfläche eingestrahlt wird.
Verfahren nach wenigstens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Ergebniswert aus einer Gruppe von Ergebniswerten ausgewählt ist, welche arithmetische Mittelwerte, geometrische Mittelwerte, Streuungen, Varianzen,Differenzen, Differenzialquotienten, Maxima, Minima, Kombinationen hieraus enthält.
Verfahren nach wenigstens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die charakteristische Eigenschaft der Strahlung aus einer Gruppe von Eigenschaften ausgewählt ist, welche deren Intensität, deren Wellenlänge, deren Polarisation, Kombinationen hieraus enthält.
Verfahren nach wenigstens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in einer Speichereinrichtung (22) alle charakteristischen Werte, bevorzugt mit einer Zuordnung zu dem jeweiligen Bereich der Oberfläche abgespeichert werden.
Verfahren nach wenigstens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Schichtdicke der zu untersuchenden Oberfläche bestimmt wird.
Vorrichtung zur Bestimmung von Oberflächeneigenschaften mit: - wenigstens einer ersten Strahlungseinrichtung (1), mit wenigstens einer Strahlungsquelle (2), welche Strahlung auf eine zu untersuchende Oberfläche aussendet; - wenigstens einer Strahlungsdetektoreinrichtung (20), welche wenigstens einen Teil der von der wenigstens einen Strahlungseinrichtung (1) ausgesandten und anschließend von einer Oberfläche (5) gestreuten und/oder reflektierten Strahlung aufnimmt und wenigstens ein Messsignal ausgibt, das für die reflektierte und/oder gestreute Strahlung charakteristisch ist; - einer Prozessoreinrichtung (21), die wenigstens zwei von der Messeinrichtung ausgegebene Messsignale, die zu unterschiedlichen Orten der Oberfläche korrespondieren, vergleicht und einen für diesen Vergleich charakteristischen Ergebniswert ausgibt, wobei der Ergebniswert ausgewählt ist aus einer Gruppe von Ergebniswerten, welche Streuungen, Varianzen, Differenzen, Differenzialquotienten oder Kombinationen hieraus enthält.
Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung eine Bewegungseinrichtung (4) aufweist, um die Vorrichtung gegenüber der Oberfläche (5) entlang einer vorgegebenen im wesentlichen geradlinigen Bewegungsrichtung zu bewegen.
Vorrichtung nach Anspruch 9 dadurch gekennzeichnet,dass die Bewegungseinrichtung (4) wenigstens ein an der Vorrichtung (1) angeordnetes Rad aufweist.
Vorrichtung nach wenigstens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Speichereinrichtung (22) vorgesehen ist, um eine Vielzahl von Messsignalen und/oder von aus diesen Messsignalen abgeleiteten Werten abzuspeichern.
Vorrichtung nach wenigstens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Strahlungseinrichtung (1) unter einem vorgegebenen Winkel gegenüber der zu untersuchenden Oberfläche angeordnet ist und dieser Winkel besonders bevorzugt 45° beträgt.
Vorrichtung nach wenigstens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Strahlungsdetektoreinrichtungen vorgesehen sind, die unter unterschiedlichen Winkeln gegenüber der Oberfläche (5) angeordnet sind.
Vorrichtung nach wenigstens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine Strahlungsdetektoreinrichtung (20) gegenüber der Oberfläche unter einem Winkel von im Wesentlichen 35° angeordnet ist.
Vorrichtung nach wenigstens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Vielzahl von ersten Strahlungseinrichtungen (1) im wesentlichen senkrecht zu der Bewegungsrichtung der Vorrichtung angeordnet ist.
Vorrichtung nach wenigstens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Vielzahl von ersten Strahlungsdetektoreinrichtungen im wesentlichen senkrecht zu der Bewegungsrichtung der Vorrichtung angeordnet ist.
Vorrichtung nach wenigstens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung eine Weglängenmesseinrichtung (6) aufweist, um die Länge des gegenüber der Oberfläche zurückgelegten Wegs zu bestimmen.
Vorrichtung nach wenigstens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine erste Strahlungseinrichtung (1) wenigstens eine Strahlungsquelle (2) aufweist, die aus einer Gruppe von Strahlungsquellen ausgewählt ist, welchethermische Strahlungsquellen, wie Glühlampen, Halogenlampen, kohärente und nichtkohärente Halbleiterstrahlungsquellen, Gasentladungsstrahlungsquellen, Laser, Kombinationen hieraus aufweist.
Vorrichtung nach wenigstens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Schichtdickenmesseinrichtung (24) vorgesehen ist.
Vorrichtung nach wenigstens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung wenigstens ein Filterelement (19) aufweist, um einen vorgegebenen Anteil der Strahlung zu detektieren.
Vorrichtung nach wenigstens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Vielzahl von ersten Strahlungseinrichtungen (1) vorgesehen ist, welche gegenüber der Messfläche an vorgegebenen Positionen angeordnet sind.
Vorrichtung nach wenigstens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass diese eine Kalibiereinrichtung (26, 27) aufweist, welche eine Ausrichtung der Vorrichtung (10) gegenüber der Oberfläche ermöglicht.