AT394780B - Verfahren zur beurteilung von holzoberflaechen - Google Patents

Description

AT 394 780 B

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Beurteilung von Holzoberflächen, bei dem eine linear polarisierte, im wesentlichen monochromatische elektromagnetische Strahlung im optischen Wellenlängenbereich auf die zu untersuchende Oberfläche gerichtet wird und die Intensitäten und ImaY zueinander rechtwinkelig polarisierter Anteile der reflektierten Strahlung bestimmt werden, wobei Imax die Intensität des Anteiles ist, dessen Polarisationsrichtung der Polarisationsrichtung der auf die Oberfläche gerichteten Strahlung gleich ist, und die Intensität Imin sowie die aus den Intensitäten I^ und Imax nach der Beziehung *max‘*min P =- *max + ^min gebildete Größe zusammen zur Beurteilung der Oberfläche herangezogen werden. Das Verfahren dient dazu, an der Oberfläche von Holz, insbesondere von Schnittholz und Furnieren, liegende Fehler zu erfassen und die Qualität des Holzes zu bestimmen.

Schnittholz und Fumierprodukte werden anhand der Oberflächeneigenschaften des Produkts verschiedenen Verwendungszwecken zugeordnet. Wichtige, die Qualität (und Festigkeit) beeinflussende Faktoren sind Äste, Fäule, Bläue, Waldkanten, quergerichteter Faserverlauf, Wurmfraß und mechanische Fehler. Der Preis von Schnittholz- und Fumierprodukten richtet sich nach der Güteklasse.

Die derzeit angewendeten Erkennungsverfahren für Eigenschaften bzw. Fehler der Holzoberfläche beruhen auf der Verfolgung des Intensitätsniveaus des an der betreffenden Oberfläche gestreuten Anteils einer auf diese Oberfläche gerichteten elektromagnetischen Strahlung, welche an dieser Oberfläche reflektiert wird oder durch diese hindurchtritt. Je nach Strahlungsquelle werden für die Erfassung dieses Strahlungsanteils verschiedene Licht-und Strahlungsdetektoren sowie Video- und Diodenmatrixkameras eingesetzt. Beim Einsatz von Kameras werden oft von der Rechnerkapazität her komplizierte Bildbewertungs- und Abbildungsalgorithmen herangezogen. Um verschiedene Fehler zu erfassen, werden mehrere voneinander abweichende Wellenlängen und entsprechend verschiedene Wellenlängenfilter im Zusammenhang mit den Detektoren bzw. Kameras eingesetzt

Bei Oberflächenuntersuchungen sind besonders geeignete Strahlungsquellen Laser, die einen starken, monochromatischen, kollimierten, kohärenten und oft linear polarisierten Lichtstrahl erzeugen. Der Laserstrahl läßt sich leicht ablenken, sodaß die gesamte zu untersuchende Oberfläche analysiert werden kann. Er läßt sich außerdem zu einem kleinen Punkt fokussieren, wodurch auch kleine - in der Größenordnung von Mikrometern -Teile der Oberfläche untersucht werden können.

Bei der Technik eingangs erwähnter Art wird zur Beurteilung der Holzoberflächen das Ausmaß der Depolarisation und einer Intensitätskomponente verwendet, die sich bei der Reflexion von linear polarisierter Strahlung im optischen Wellenlängenbereich, die auf die zu beurteilende Holzoberfläche gerichtet wird, «geben.

Die im Zusammenhang mit Reflexion entstehende Depolarisation und Polarisation waren als Erscheinungen bereits im 19. Jahrhundert bekannt. Speziell nach der Einführung der Las« (in den 60er Jahren des 20. Jahrhunderts) sind zahlreiche Untersuchungen üb« die Auswirkungen der reflektierenden Oberfläche auf die Parameter der reflektierten Strahlung durchgeführt worden.

Das finnische Patent 53365 beschreibt, wie der Faserverlauf von Holz mit polarisierter Strahlung im Funkfirequenzbereich gemessen werden kann. Die hier in Rede stehende Technik unterscheidet sich davon hinsichtlich des angewandten Wellenlängenbereichs und der verwendeten Geräte sowie hinsichtlich der Vorgangsweise.

Aus der finnischen Patentveröffentlichung 45799 ist ein Verfahren zur Messung des Faserverlaufs in Papier bekannt, bei dem ein polarisiert« Lichtstrahl in rechtem Winkel gegen die Ebene des Papiers gerichtet wird. Die Intensität des vom Papier in einem bestimmten Winkel zur Ebene des Papiers reflektierten Lichtes wird in zwei zueinand« rechtwinkeligen Ebenen erfaßt, indem aus der Intensität des reflektierten Lichtes zwei Größen gebildet werden, von denen man die eine dadurch «hält, daß das reflektierte Licht über einen Polarisator geführt wird, dessen Polarisationsebene zur Polarisationsebene des Lichtstrahls parallel ist, und die andere, indem das reflektierte Licht über einen Polarisator geführt wird, dessen Polarisationsebene im rechten Winkel zur Polarisationsebene des Lichtstrahls steht, und indem die Differenzen der in den beiden Ebenen festgestellten Größen gebildet werden, deren Verhältnis und/oder Differenz als Meßwert für die Anisotropie der Faserorientierung im Meßobjekt benutzt wird. Das Verfahren eignet sich jedoch nicht zum Einsatz bei Holz. Bei d« meßtechnischen Qualitätsbeurteilung von Holz soll die gesamte Holzoberfläche, z. B. durch Laser-Abtastung, untersucht werden, wofür die im vorgenannten Patentdokument dargestellte Meßanordnung sich aufgrund der dabei angewandten Detektorgeometrie und Signalausw«tung nicht eignet. Es ist auch zu beriicksichtig«i, daß die Depolarisationserscheinung bei Holz nicht nur vom Faserverlauf abhängt, denn es weichen z. B. die Depolarisationen von gesunder und verfaulter Holzoberfläche voneinander ab.

Das erfindungsgemaße Verfahren soll es ermöglichen, verschiedenartige Fehler der Holzoberfläche genau zu -2-

AT394 780 B identifizieren, sodaß eine Qualitätssortierung des produzierten Schnittholzes ermöglicht wird.

Die vom Holz gestreute Strahlung ist diffus. Die ausgeführten Messungen zeigen, daß Holzfehler (unter anderem Äste, Fäule, Querverlauf der Fasern) eine vom gesunden Holz abweichende Depolarisation zur Folge haben, die auf einfache Weise bei der automatischen Fehlererkennung verwertet werden kann. Besonders 5 bemerkenswert ist, daß auch ein vom gesunden Holz abweichender Faserverlauf durch die Depolarisation erfaßt wird (schräger Faserverlauf und Faserverlauf in Querrichtung sowie Ästigkeit), was die Anwendung des Verfahrens bei der Festigkeitsbestimmung von Holz ermöglicht.

Das erfindungsgemäße Verfahren eingangs erwähnter Art ist dadurch gekennzeichnet, daß die Polarisationsrichtung der auf die Oberfläche einfallenden Strahlung parallel oder rechtwinkelig zur Wuchsrichtung des Holzes 10 gewählt wird. Die erfindungsgemäße Festlegung der Polarisationsrichtung der auf die Oberfläche einfallenden, linear polarisierten elektromagnetischen Strahlung schafft besonders günstige Verhältnisse bei der Messung bzw. bei der Beurteilung der Holzoberflächen.

Es wird auf die zu untersuchende Holzoberfläche eine im wesentlichen monochromatische, kollimierte und linear polarisierte Strahlung im optischen Wellenlängenbereich gerichtet. Diese Strahlung kann mit einer 15 gewöhnlichen Lichtquelle, die mit einem Polarisator versehen ist, erzeugt werden. Laserlicht ist je nach Lasertyp entweder natürlich polarisiert oder es läßt sich leicht polarisieren. Außerdem gibt es auf dem Markt geeignete Einrichtungen für eine 1- oder 2-dimensionale Ablenkung des Laserstrahls, sodaß die gesamte zu untersuchende Oberfläche bestrichen werden kann. Bewegt man den zu untersuchenden Gegenstand, wie z. B. Furnierplatten, genügt für die Untersuchung der Obefläche eine 1-dimensionale Ablenkung des Lichtstrahles. Bei Schnittholz 20 erfolgt die Oberflächenuntersuchung am natürlichsten, wenn das Holz in der Wuchsrichtung bewegt wird; das Verfahren ist aber nicht auf diesen Fall beschränkt.

Von der Strahlung, die von der Oberfläche reflektiert wird, werden die hinsichtlich der Polarisationsrichtungen zueinander rechtwinkeligen Intensitätskomponenten Imax und Imin gemessen, wobei die Komponente Imax die gleiche Polarisationsrichtung hat, wie die auf die Oberfläche einfallende Strahlung. Die Messung der Intensitäts-25 komponenten Imax und lmjn erfolgt mit an sich bekannter Technik, wobei Polarisationsfilter oder ein in Komponenten zerlegendes Prisma (z. B. das Wollastonsche Prisma) als Analysatoren benutzt werden.

Es können auch Kameras zur Messung der Depolarisation verwendet werden, wobei die Kameras so angeordnet werden, daß sie die gleiche Stelle ihrer Aufnahmeebene erfassen, und an ihren Objektiven Polarisationsfilter vorgesehen werden; die so erfaßten Intensitätskomponenten werden synchron verglichen. Eine 30 weitere Möglichkeit ist es, die in der US-PS 3 992 571 daigestellte Meßgeräteanordnung anzuwenden.

Die Beurteilung der Obeflächenbeschaffenheit erfolgt anhand der Intensitätskomponente 1^. sowie anhand der hier Depolarisationsgrad P genannten Größe: 35 I -I · max min P -- *max + Wn 40 Die Intensitätskomponente Imjn eignet sich für die Intensitätsniveauvergleiche wesentlich besser als die bei den bisher üblichen Techniken erfaßte Gesamtreflexionsintensität I, die nach den vorstehend genannten Bezeichnungen der Beziehung I = Imax +1 ^ entspricht Bei der Messung werden die Meßwerte einer gesunden oder fehlerfreien Oberfläche als Ausgangsniveau benutzt

Bei der Messung von Imjn erhält man dieselben Meßwerte für verschiedene Fehler, wie Fäule, Bläue und Ast 45 Die Intensitätskomponente Imjn wird z. B. kaum durch die Jahresringstruktur (die spiegelartige Reflexionen bei der Komponente Imax verursacht), durch Oberflächenrauhigkeit oder durch quergerichteten Faserverlauf beeinflußt Beim Vorliegen von Fehlem (Äste, Fäule, Bläue, Risse, Wurmfraß usw.) ergibt sich ein herabgesetztes Intensitätsniveau.

Der Depolarisationsgrad P hängt einerseits vom Faserverlauf der Holzoberfläche und andererseits davon ab, ob 50 bestimmte Fehler, wie die Fäule, vorliegen. Anhand des Wertes des Depolarisationsgrades können z. B. gesundes Holz, Fäule und Äste voneinander unterschieden werden; ein stark schräger Faserverlauf und Äste fallen in einen Bereich des Depolarisationsgrades, gesundes Holz, Bläue, Farbfehler und Borkeneinschlüsse in einen anderen Bereich.

Durch die gemeinsame Verwendung der Werte der Intensitätskomponente Imjn und des Depolarisationsgrades 55 P kann eine zuverlässige Beurteilung der Holzoberflächen erzielt werden, wobei mit einem geringen Bedarf an Computerkapazität das Auslangen gefunden werden kann.

Die physikalische Grundlage für das Verhalten des Depolarisationsgrades bildet wahrscheinlich die Dielektrizitätskonstante von Holz, die in der Wuchsrichtung und in der Radial- und Tangentialrichtung des Holzes verschiedene Werte annimmt, und die auch durch einige Fehler, wie Fäule, beeinflußt wird. Andere Gründe -3-

AT 394 780 B können Doppelbrechung und optische Aktivität sein. Eine theoretische Klärung steht noch nicht zur Verfügung.

Der Wert des Depolarisationsgrades P liegt zwischen 0 (völlig depolarisierte Strahlung) und 1 (linear polarisierte Strahlung).

Die Depolarisation ist erheblich von der Wellenlänge abhängig, aus welchem Grande die anzuwendenden Wellenlängen anhand von anwendungsbezogenen Messungen gewählt werden sollen.

Als für Vollholz (Schnittholz und Furnierprodukte) geeignete Wellenlänge hat sich bei Messungen die Wellenlänge 632,8 nm des HeNe-Lasers erwiesen, und es ist hiefür eine Wahl der Polarisationsrichtung der einfallenden Strahlung parallel zur Wuchsrichtung des Holzes besonders geeignet Dabei ist das von der gesunden Holzoberfläche gestreute Licht teilweise depolarisiert, wogegen das von einem Ast gestreute Licht nahezu völlig depolarisiert ist Es ist dabei auch z. B. die durch Fäule hervorgerufene Depolarisation geringer, als die durch gesundes Holz hervorgerufene.

Praktische Versuche haben gezeigt, daß das erfindungsgemäße Verfahren sowohl zur Untersuchung von trockenem als auch von feuchtem Holz benutzt werden kann.

Im folgenden wird die Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnung weit«1 erläutert In der Zeichnung zeigt Fig. 1 das Prinzip einer Anlage zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens, Fig. 2 eine alternative Ausführungsform, Fig. 3 ein vereinfachtes Schema der Oberflächenuntersuchung bei Schnittholz, und es zeigen die Fig. 4 bis 7 einige Beispiele von Kurven des Verlaufes einer Intensitätskomponente Imin und entsprechende

Kurven des Depolarisationsgrades (P), die sich bei Messungen an Holzoberflächen ergeben haben.

Bei der in Fig. 1 dargestellten Meßeinrichtung bezeichnet die Bezugsziffer (1) einen von einem Laser kommenden Lichtstrahl, der auf die Oberfläche (2) des zu untersuchenden Gegenstandes gerichtet ist Die Richtung der einfallenden Strahlung bildet mit der zur Oberfläche im rechten Winkel stehenden Richtung einen Winkel (a). Von der reflektierten diffus gestreuten Strahlung geht ein Teil (3) über das Polarisationsfilter (4) zum Detektor (5) und ein Teil (6) über das Polarisationsfilter (7) zum Detektor (8). Die Meßrichtungen der gestreuten Strahlung bilden mit der zur Oberfläche im rechten Winkel stehenden Richtung die Winkel (ßj) und Φ2). Vorzugsweise betragen die Winkel (a, ßj) und (P2) in der Wuchsrichtung es Holzes gesehen höchstens ca. 15° und im rechten Winkel zur Wuchsrichtung des Holzes gesehen höchstens ca. 50°. Die Durchgangsrichtungen der Polarisationsfilter liegen um 90° versetzt zueinander, und zwar so, daß die Durchgangsrichtung beim Detektor (8) parallel zur Polarisationsrichtung der auf die Oberfläche einfallenden Strahlung ist.

Die den Intensitätskomponenten Imax und Imjn entsprechenden Signale werden dem Prozessor (9) zugeführt, wo sie auf eine an sich bekannte Weise in eine für die Qualitätsbestimmung von Vollholz geeignete Form verarbeitet werden.

Bei der in Fig. 2 dargestellten alternativen Ausführangsform wird ein Teil (10) der gestreuten Strahlung durch das Wollastonsche Prisma (II) in die Polarisationskomponenten (12) und (13) aufgeteilt zu den Detektoren (14) und (15) geführt, die ihre Intensitätskomponenten Imjn und Imax messen.

Fig. 3 zeigt die prinzipielle Anordnung einer Anlage zur Untersuchung von Schnittholz (16). Der Lichtstrahl (1) wird mittels eines sich drehenden Ablenkungsspiegels (17) zur Abtastung der Oberfläche (18) von Schnittholz in Querrichtung der Bahn (19) folgend über die Oberfläche geführt. Das Brett wird in der Längsrichtung (Pfeil) bewegt. Die von der Brettoberfläche gestreute Strahlung wird mit Vorrichtungen gemäß Fig. 1 oder 2 erfaßt

Beispiele

Die Fig. 4 bis 7 zeigen den Verlauf der bei den einzelnen Beispielen im Zuge der Querablenkung des auf die zu untersuchende Holzoberfläche einfallenden Lichtstrahls erhaltenen Werte des Depolarisationsgrades P und der Intensitätskomponente Imjn, wobei sowohl gesunde Holzoberflächen als auch verschiedene typische Fehler Vorkommen. Der Depolarisationsgrad P und die Intensitätskomponente Imjn sind in diesen Figuren als Funktion der Zeit dargestellt.

Beispiel 1 (Fig. 4!

Astreiches Kiefembrett.

Der Ast (A) ist durch einen Abfall der Intensitätskomponente Imin und des Depolarisationsgrades P zu erkennen.

Beispiel 2 (Fig. 51 Astreiches Fichtenbrett.

Der Ast (B) ist auf die gleiche Weise zu erkennen, wie in Beispiel 1. Bei Fichten sind die Äste im allgemeinen etwas heller, was an der Intensitätskomponente 1^ merkbar ist. Beim Depolarisationsgrad P wirkt -4-

Claims (2)

1. AT 394 780 B der Ast etwas breiter als beim Verlauf der Intensitätskomponente. Dies ist darauf zurückzuführen, daß sich die Astauswirkungen auch außerhalb des Astes selbst durch einen geänderten Faserverlauf bemerkbar machen. Die Wuchsrichtung der Fasern weicht also dort von der Längsrichtung des Holzes ab, was durch das Verfahren erfaßt wird. Beispiel 3 (Fig. 6) Verfaultes Fichtenbrett mit einem kleinen Ast. Die Intensitätskomponente Imjn ist sowohl beim Ast (D) als auch bei Fäulestellen (C) und (E) herabgesetzt. Der jeweilige Wert des Depolarisationsgrades P ermöglicht eine Unterscheidung, um welchen Fehler es sich in jedem dieser Fälle handelt Bei dem Ast liegt der Depolarisationsgrad sehr tief, wogegen er bei den Fäulestellen höher liegt als der durchschnittliche Depolarisaüonsgrad bei gesundem Holz. Beispiel 4 (Fig. 71 Blau verfärbtes Kiefernbrett, In der Kurve der Intensitätskomponente Imin liegt an den Bläuestellen (F) und (G) ein Verlauf vor, der jenem von Fäulestellen sehr ähnlich ist, aber es liegt der Depolarisationsgrad P an den Bläuestellen deutlich unter dem von gesundem Holz, und so kann man zwischen Fäule und Bläue unterscheiden. PATENTANSPRÜCHE 1. Verfahren zur Beurteilung von Holzoberflächen, bei dem eine linear polarisierte, im wesentlichen monochromatische elektromagnetische Strahlung im optischen Wellenlängenbereich auf die zu untersuchende Oberfläche gerichtet wird und die Intensitäten 1^ und Imax zueinander rechtwinkelig polarisierter Anteile der reflektierten Strahlung bestimmt werden, wobei Imax die Intensität des Anteiles ist, dessen Polarisationsrichtung der Polarisationsrichtung der auf die Oberfläche gerichteten Strahlung gleich ist, und die Intensität Imjn sowie die aus den Intensitäten Imin und Imay nach der Beziehung ^max * *min P =- *max + *min gebildete Größe zusammen zur Beurteilung der Oberfläche herangezogen werden, dadurch gekennzeichnet, daß die Polarisationsrichtung der auf die Oberfläche (2) einfallenden Strahlung (1) parallel oder rechtwinkelig zur Wuchsrichtung des Holzes gewählt wird.
2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Richtung (a) der einfallenden Strahlung (1) und die Meßrichtung (ßj, ß2) der reflektierten Strahlung (3,4,10) von der im rechten Winkel zur Oberfläche (2) stehenden Richtung in der Wuchsrichtung des Holzes gesehen höchstens ca. 15° und rechtwinkelig zu dieser höchstens ca. 50° abweichen. Hiezu 5 Blatt Zeichnungen -5-