JP4763134B2 - スキャッタメータ - Google Patents

Description

【０００１】
本発明は、放射ビームを提供する放射源とサンプル位置方向へ該ビームを誘導する手段とを有するスキャッタメータに関する。また、本発明は、スキャッタメータを操作する方法に関する。
【０００２】
工業製品の多くの表面は、該製品の機能性を拡張するため、又は、その外観を改善するため、ある特性を持った物理的構造を有する。代表例として、高品質の光学部品の極端になめらかな表面がある。例えば、切削工具の磨耗防止膜、塗装表面、美容製品パッケージ表面の繊細な質感のプラスチック部分及び装飾的パーソナルケア製品、シート金属の生産された回転質感のプレス、及び自動車産業用の高光沢金属風ラッカ等である。
【０００３】
これら及び他多くの製品が、表面質感を持つと言われている。質感（テクスチャ）は、ヒューマンインターフェース、つまり、製品がどのように感じ見られるかを決める特性として認識される。質感の外観は、視覚的外観と呼ばれている。視覚的外観は、環境から表面上へ入射する光によって表面が行なうことの結果である。入射光は、複数の状況で多数の方向から来て、表面の粗さ又は構造によって、或いは、微細な粒子の存在によって、反射、転送、再発光、吸収、発色、拡散、そして、散乱する。
【０００４】
視覚的外観に対する質感の評価は、通常、視覚的比較、光沢及び色測定、機械的表面幾何学測定の３つの方法の１つ又はそれ以上によってなされる。
【０００５】
視覚的評価は、熟練者によって、製品表面とある基準となる質感の表面とを視覚的に比較することによってなされる。視覚的外観は、表面の輪郭及び素材自体の光学的特性によって決定される。ひっかき等の視覚的質感評価は、質感影響は、明るい色の表面に対しては、強い反射によって失われてしまうため、非常に困難となる。白色で、粗くない或いはきめ細かな表面は見極めるのが非常に困難である。
【０００６】
光沢計は、光ビームを表面に投影し、鏡面反射したビーム及び鏡面反射周辺のかさに拡散した光の輝度を測定する簡単な装置である。これは、しばしば３０から６０度の固定した入射角度で行なわれる。
【０００７】
接触探査（表面テスト）による機械的微小幾何学測定は、表面の１−Ｄ、２−Ｄ又は３−Ｄ地図を生成する。数学的評価によって、多数の統計的分散は、良く知られている粗さ測定Ｒ_a、平均勾配、又は、ピークカウントのような方法によって取得できる。該方法は、表面の視覚的外観とその幾何学との間の関連を見出そうとする。
【０００８】
後者２つの方法は、観察に基づくデータから統計的に引き出された、視覚的外観との関連を有するメリットを示すある数字を定義しようとする。
【０００９】
一般に、これら方法の限界は、測定されたパラメータの間接性から生じている。例として、表面測定から引き出される要約された統計的データは、表面質感の幾何学的形状をとてもよく表現する数メリット数字を有する。幾何学的データと表面が目にどのように見えるかとの関連が存在するという命題がある。主観的で個人的な要素は、この関連を不安定にし非生産的にする。
【００１０】
第二の問題として、未完成データ分野の限界がある。光沢計は、光学的特性を計測するが、非常に制限された方法でしかできない。つまり、１つの入射角度と反射の２つの（直進と前進散乱）方向のみである。これは、豊富な表面の可変性、入射効果の角度、方位角の効果、半球状にそれた光に対して正当性がない。製品の視覚的外観は、全半球状の環境からの入射光に起因する全半球状で反射した（半透明の素材によって発光した）全光の総和によって決定される。
【００１１】
質感のある視覚的表面（全表面に自然な或いは意図的に加えられた質感がある）は、この表面から反射した光によって形成され、目に入ってくる。自動車の計器盤のような適度に粗い表面を照らす平行な光ビームとすると、ある方向で光の部分は、鏡のように反射するが、一部は、別方向に拡散する。そのような表面は、完全に拡散しているとは言えない。図１で判るように、目１は、異なる角度で表面２の異なる部分３及び４から製品から拡散した光を捉える。この光は、異なる角度で異なる輝度を有し、該表面は、例えば、低い角度で暗く、製品の異なる部分で異なる明るさを示す。
【００１２】
目で捉えられる以外の方向で拡散した光は、目には見えない。光沢計の通常の形態も同様である。光ビームが表面を的とする場合、十分に光学的動作を説明するため、統合されていないが方向解像によって、上半球状の全方向で拡散した光を測定する必要がある。完了するため、全半球状での方向、すなわち、全垂直（上）及び水平（方位）角からの入射光に対して行なわなければならない。拡散した放射の方向と輝度の全イメージは、入射の高さと方位の複数の組み合わせに対してこの半球状の輝度分布を測定することによって取得することができる。そのような測定用の通常の方法は、特に、独国特許出願第 33 12 948号で知られるような移動検出器を有するスキャッタメータによって全半球を走査する方法である。完全な測定は、実際、数時間を要する。
【００１３】
本発明は、比較的短い時間で表面のメリットの信頼できる数字を提供できるスキャッタメータを提供することを目的とする。
【００１４】
本発明の目的は、サンプル位置から散乱した放射を阻止するスクリーンと、該スクリーンの２次元イメージを捉え、電気検出信号に変換する放射感知検出系を有するスキャッタメータによって達成される。該スクリーンは、反射又は転送に使用され、投影スクリーンの通常の特性を有する。該スクリーン状に形成される該２次元イメージは、該サンプル位置で配置されたサンプルによって拡散した放射の角度分布を示す。よって、該イメージは、該サンプルの物理的特性における空間的変形は、放射エネルギーの角度変形に変えられる該サンプルの物理的特性のフーリエ型変形である。ビデオカメラ等のイメージ検出器は、散乱した放射の全分布であるイメージの高速取得を用途とする。
【００１５】
全半球状内の該サンプルによって散乱した全放射を獲得するため、該スクリーンは、平面であっても、全体又は一部がドーム型であって、実質的にサンプル位置上に中心を有することが望まれる。該ドーム自身は、半球状であろう。該放射源は、半導体或いは他のレーザータイプ等の単色である。スペクトル調査用に、入射の波長及び角度の関数、例えば、白色光源等の多色源等の反射が使用される。
【００１６】
該サンプル位置での該サンプルは、反射又は転送において調査される。後者において、検出されるべき入射ビーム及び散乱放射は、該サンプルの反対側であり、測定は、該サンプルの入口及び／又は出口表面、及び、その内面の物理的特性を示す。該サンプルは、該サンプルの方位を変えられるように、調節可能な台上に装備される。該スクリーン上のイメージは、該サンプル位置に近くに配置された非軸鏡のフォームを有する魚眼レンズ又は凸面鏡のような広角光学系によって、検出系に伝送される。
【００１７】
本発明の目的、効果及び特徴は、添付図面を参照しつつ説明される下記記述の詳細な説明によって、更に明らかとなる。
【００１８】
図２は、本発明に係るスキャッタメータを示す。放射５のビームは、質感のある表面として示されるサンプル６上に入射する。狭い凹面ドーム７は、該サンプルによって散乱した放射の半球状に輝度分布を阻止する。該ドームの内側は、拡散被膜で覆われている。該ドームの内側の散乱した放射によって形成される該イメージは、サンプル６の表面の質感のフーリエ型変形である。該イメージは、広角光学系９を使用するビデオカメラ８によって捉えられる。該光学系は、反射系であってもよい。該カメラは、獲得イメージ示す電気検出信号Ｓを提供する。計算手段９は、測定されたサンプルを特徴付けるメリットの１以上の数字を引き出すため検出信号を処理する。
【００１９】
実際の実施例において、該ドームは、図３に示すように、深絞りのステンレススティールドーム１０の形状をしている。該ドームは、直径２２ｃｍであり、拡散ニュートラルグレイ被膜で覆われている。該ドームは、該サンプル表面の一部が見える中心ホール１２によって鈍い黒色のベースプレートを有する。該ドームは、光源１４が該サンプル上に光ビーム１５を投影する子午線スロット１３を有する。該光源は、常に、該サンプルを的にする該ビームによって、異なる高さ又は傾きに移動される。該光源は、該ドームから離れて配置され、光ファイバーケーブルによってドームへ誘導されている放射ビームである。非軸凸面鏡１６は、該サンプルの隣に位置する。この鏡の右上は、該ドームの内部全体に反射するようにデザインされた該鏡内で反射したドーム表面のイメージを見るための、ビデオカメラ用カメラポート１７である。該サンプルの発光した領域は、図示されないおよそφ１２ｍｍからφ２ｍｍの絞りによって調整可能である。該スポットは、該ドーム上に焦点を合わせ、
【外１】

の直径を有する。解像は、更に１から５ｍＲａｄまで改善される。図３の反射広角システム１６は、通常、ドーム表面内部のくずれたイメージを形成する。図４は、そのようなイメージを示す。該中心の黒いホール１８は、カメラ視点のイメージである。上の半径状の黒い帯１９は、該入射ビームが、＋８０度（対反射）と−８０度（対半透明）との間のあらゆる角度で該サンプルを的にできるスロットのイメージである。該スクリーンの最良な実施例において、好ましく整然とした黒いマークの配列が、該光学系によってイメージの変形を測定するために適用される。該マークは、黒いスポット２０の配列として該イメージ内に現れる。該スポットは、該イメージの次のソフトウェア訂正及び実際の球状の立体写真投影への変形に役立つ。該スポットは、全測定で使用される必要はない。形状くずれの訂正を、表面の形が知られている場合、光線トレースによって或いは数学的に計算してもよい。
【００２０】
例えば、２５Ｈｚのビデオ周波数によって、該イメージが取得される。入射ビーム上方及びサンプル方位の連続的調整（例えば、実際に１０個の値）用の規定がある。数百のイメージの完全なセットを、更なるデータ処理の基礎を形成するため、数分で取得する。
【００２１】
カラービデオカメラを使う場合、同じ測定は、該サンプルの波長依存動作についてのデータを提供する。ＣＩＥセンスでの実際の色測定ではないが、該サンプルの非常に役立つ方向に応じた色情報をもたらすカラービデオは、３つの波長帯を使用する。これは、ホログラムのような分散性の表面に対する特殊な利得である。
【００２２】
通常、サンプル自身はカメラから見えないが、該カメラは、スクリーン上にイメージを見るために的を合わせる。スキャッタメータの特別な実施例において、サンプル自身をカメラによって直接イメージする規定がある。カメラは、鏡からサンプルまで該カメラを僅かに調整することによって、該サンプルに的を合わせる。このビューモードにおいて、サンプルは、ドームの内側を照射する１つ以上の予備ランプを介して取得される拡散光によっ照射されてもよい。サンプルは、光の平行にされたビームによって、或いは、スクリーン上に投影された明るいスポットによって、照射されてもよい。ビームのスペクトル又はサンプル外のスポットの反射は、観察されるべきサンプルの所望の特性に依存しつつ、カメラ内又はカメラ側に入る。サンプルは、直接かつフーリエ型変形を介さずに見られるため、ビューモードは、取り出されるべきサンプルの質感の異なる特性を許容する。
【００２３】
本発明に係るスキャッタメータの電位の増加がデータ処理から起こる。画像処理ソフトウェアは、要求されるデータ削減を与える。携帯型コンピュータは、関連する大容量の情報を処理するための十分な電力を有している。情報処理は、以下の機能を実行する。
【００２４】
１）第一に、イメージは、獲得され、電子格納媒体上に格納される。新しい、全く未知の質感に対して、百個のイメージが、ビーム（上方）の入射角及び測定された表面の方位角に対して異なる設定によって獲得される。既に部分的に知られている表面に対して、標準質感の品質の比較測定の場合のように、たった１つ或いは、数イメージが必要とされる。
【００２５】
２）第二の段階では、既知の可変なサンプル−ドーム間距離のために表面輝度における変化に対して、イメージの輝度分布を補正する。
【００２６】
３）第三の段階では、光学系によって引き起こされるイメージのゆがみを補正する。この段階の結果として、スペクトル反射角度辺りを中心として、或いは、ドーム頂点を中心として立体投影される。
【００２７】
４）次の段階では、イメージデータの容量を削減する画像処理を行なう。一例として、アイソフォトは、イメージで決定可能である。図５は、図４の１６レベルのアイソフォトを示す。
【００２８】
５）該アイソフォトイメージデータは、プロフィールの側面及び矢状面、偏心性、スパイキング、粒状性、険しさ、複数レベルでのプロフィール幅のような、量子化パラメータの計算の基礎を順に形成する関連のある断面的な輝度プロフィールを測定することによって次の段階で、更に削減される。これらパラメータは、研究中の質感用のメリット関連の数字の限定セットの計算に対する入力を形成する。
【００２９】
サンプルの各タイプは、メリットの数字を特徴付けるそれ自身のセットを必要とする。メリットの数字は、実用性の理由により３又は４を超えないことが望ましい。スキャッタメータは、完全計測を実行し、１分以内に質感用のメリットの数字を計算することができる。
【００３０】
スキャッタメータへの応用は、以下に示す例のような産業分野に広く見られる。
【００３１】
・光学的表面、被覆、基準面、ツール、研磨剤用の光学系産業
・減摩表面、ツール構造、回転構造用の機械産業
・製品の挿入用モールド質感、突起及びスクラッチ、火花浸食、腐食、粉末***、レーザー質感の磨耗の監視用のポリマー処理産業
・ラッカ、塗装、粉末被膜、衝撃被膜用の被膜産業
・反射及び半透明材料の特性化用の光産業
・焼結処理及び焼結表面の特性化用のセラミック産業
・装飾的印刷の外観用の印刷産業
・鉄鋼の特性化用の鉱山業
・被膜、質感、ツール磨耗、材料用の自動車産業
・“self-selling”包装の外観用の包装産業
・表面品質を測定用の製紙産業
・外観、人の皮膚、包装の生産用の美容産業
・全産業でデザイナーは、外観を重要とする製品の選択質感を特徴付けることを目的とするツールを得る。
【００３２】
・質感のある表面の標準化
また、スキャッタメータにおいて、典型的光パターンが他方向依存型外観に乳白光に輝り、照り輝く多くの鉱物によって与えられることは、発見されていた。そのような複雑な発散パターンが、金属サンプルのパターンとは全く異なるメリットの数字のセットを必要とすることは明らかである。メリットの数字の例は、
・矢状のＦＷＨＭ（full-width-half-maximum）輝度の接線方向のＦＷＨＭ輝度に対する比として表現されるスクリーン上のパターンの非同期
・最大輝度の２０％でのパターンの領域と最大輝度の８０％でのパターンの領域との比として定義される光沢要素
・パターンの最大輝度
・０°の方位でのサンプルによる最大輝度と９０°の方位でのサンプルによる最大輝度との比で定義されるであろうスクラッチの量子化に適した回折光沢
等である。
【図面の簡単な説明】
【図１】 図１は、表面からの放射の散乱を示す図である。
【図２】 図２は、本発明に係るスキャッタメータを示す図である。
【図３】 図３は、スキャッタメータの他の実施例を示す図である。
【図４】 図４は、散乱した放射の分布のイメージを示す図である。
【図５】 図５は、図４のイメージのアイソフォトを示す図である。

Claims (2)

1. 放射ビームを提供する放射源と、サンプル位置にあるサンプル台の方向へ前記ビームを誘導する手段と、前記サンプル位置から散乱した放射を阻止するスクリーンと、前記スクリーンの２次元像を捉え、電気検出信号に変換する放射感知検出系とを有するスキャッタメータであって、前記スクリーンは、ドーム型であって、前記サンプル位置上に実質的に中心を有し、前記スクリーンは前記放射源が前記放射ビームを前記サンプル位置に投射する開口を設けられており、前記開口が子午線スロットであり、前記サンプル台は調整可能であり、それにより入射ビームの上下角およびサンプル方位角が連続的に調整可能であり、前記スクリーンは前記像の変形を補正するために捉えられ使用されることのできるマークの配列を有することを特徴とする、スキャッタメータ。
2. スキャッタメータによってサンプルの表面テクスチャを解析する方法であって、放射源が前記サンプルに向けて放射ビームを投射し、スクリーンが前記サンプルから散乱された放射を受け止め、放射感知検出系が前記スクリーンの２次元像を捉えて電気検出信号に変換し、前記スクリーンは、ドーム型であって、前記サンプル上に実質的に中心を有し、前記スクリーンは前記放射源が前記放射ビームを前記サンプルに投射する開口を設けられており、前記開口は子午線スロットであり、入射ビームの上下角およびサンプル方位角が連続的に調整され、前記スクリーン上のマークの配列が、前記２次元像の変形を補正するために捉えられ使用されることを特徴とする、方法。

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