DE19930688A1 - Vorrichtung und Verfahren zur Bestimmung der Qualität von Oberflächen - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur quantizierten Bestimmung der Qualität von Oberflächen, wobei die Vorrichtung ein optisches System mit einer ersten optischen Einrichtung und einer zweiten optischen Einrichtung sowie eine Steuer- und Auswerteeinrichtung und eine Ausgabeeinrichtung umfaßt. Die erste optische Einrichtung weist eine Beleuchtungseinrichtung mit wenigstens einer LED als Lichtquelle auf und dient zur Beleuchtung der Meßfläche unter einem vorbestimmten Winkel. Die zweite optische Einrichtung ist ebenfalls in einem vorbestimmten Winkel zu der Meßfläche ausgerichtet und nimmt das reflektierte Licht auf. Ein Fotosensor der zweiten optischen Einrichtung gibt ein elektrisches Meßsignal aus, das für das reflektierte Licht charakteristisch ist. Das von der Beleuchtungseinrichtung ausstrahlbare Licht ist derart beschaffen, daß die spektrale Charakteristik blaue, grüne und rote Spektralanteile im sichtbaren Spektrum aufweist. Eine Filtereinrichtung ist im Strahlengang zwischen der Lichtquelle und dem Fotosensor angeordnet und nähert die spektrale Charakteristik weitergeleiteten Lichts einer vorbestimmten spektralen Verteilung an. Die Steuer- und Auswerteeinrichtung steuert den Meßablauf, wertet das reflektierte Licht aus und leitet daraus wenigstens eine Kennzahl ab, die die Oberfläche charakterisiert.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Bestimmung der Qualität von Oberflächen bzw. der visuellen Eigenschaften von Oberflächen.

Unter der Qualität bzw. den visuellen Eigenschaften einer Ober­ fläche sollen hier die physikalischen Eigenschaften einer Ober­ fläche verstanden werden, die das Aussehen einer Oberfläche für den menschlichen Betrachter bestimmen. Die qualitätsbestimmen­ den Eigenschaften einer Oberfläche sind insbesondere der Glanz, der Glanzschleier (engl. haze), die Abbildungsschärfe (engl. DOI), die Farbe, die Helligkeit der Farbe, Oberflächentexturen und Oberflächenwelligkeiten (engl. orange peel) etc.

Diese Kenngrößen sind wichtige Qualitätskriterien für die Beur­ teilung der Qualität von Oberflächen, wie z. B. der Qualität von lackierten Oberflächen, Kunststoffoberflächen oder auch me­ tallischen Oberflächen, denn an zahlreichen Produkten und tech­ nischen Erzeugnissen ist die Beschaffenheit der sichtbaren Oberflächen ein entscheidendes Merkmal für den Gesamteindruck des Produktes. Ein typisches Beispiel für solche Produkte sind Kraftfahrzeugkarosserien, bei denen die Beschaffenheit und die Gleichmäßigkeit des optischen Eindrucks der Oberflächen eine bedeutende Rolle spielt. Im folgenden werden die technischen Probleme, die bei der Gestaltung von Oberflächen im Kraftfahr­ zeugbereich und bei deren meßtechnischen Beurteilung anhand des Glanzes näher erläutert, ohne jedoch die vorliegende Erfindung in ihrer Anwendung in irgendeiner Weise einzuschränken.

Kraftfahrzeuge werden üblicherweise mit einer Hochglanz- oder Metallic-Lackierung versehen, deren Reflexionsvermögen oder Glanzkennwert den entsprechenden Werten von anderen Flächen, wie z. B. Möbeln, weit überlegen ist. Diese Gegebenheiten er­ fordern eine außerordentlich sorgfältige Vorbereitung der zu lackierenden Flächen und eine besonders sorgfältige Auftragung des Lackes. Um Qualitätsmängel schon in der Produktion zu er­ kennen, beschäftigen die Automobilhersteller eine Vielzahl von Prüfern und verwenden eine Vielzahl von aufwendigen und groß­ bauende Meßapparaturen, die die Qualität der Flächen visuell oder automatisch prüfen.

Für die Bestimmung des Glanzes schreibt die ISO 2813, 3. Aus­ gabe 1994, bestimmte Normen und Meßaufbauten vor, die eine ein­ heitliche und reproduzierbare Meßmethode zur Bestimmung des Glanzes gewährleisten sollen.

Gemäß der Norm soll die zu untersuchende Oberfläche mit Licht ausgeleuchtet werden, das eine spektrale Verteilung gemäß der Normlichtart C der CIE (Commission Internationale de l'Éclai­ rage) aufweist. Die Normlichtart C, auch als "Tageslicht" be­ zeichnet, weist eine Farbtemperatur von 6500 K auf und besitzt einen kontinuierlichen Verlauf der spektralen Strahlungsdichte über der Wellenlänge im sichtbaren Bereich des Spektrums.

Das menschliche Auge weist für das sogenannte "Dämmerungssehen" Stäbchen und für das sogenannte "Tagessehen" drei unterschied­ liche Zapfenarten auf, die spektral unterschiedliche und über­ lappende Empfindlichkeitskurven aufweisen (vgl. D. B. Judd: "Color Perceptions of Deuteranopic and Protanopic Observers", J. opt. Soc. Amer., 39, 252-256, 1949).

Derzeitig verfügbare, kleinbauende, vom Benutzer tragbare Meß­ vorrichtungen und Systeme, z. B. zur Bestimmung des Glanzes von Oberflächen, weisen meist konventionelle Glühbirnen oder auch Halogenbirnen als Lichtquelle auf. Nachteilig bei solchen Lichtquellen ist, daß die Glühwendeln altern und Teile der Glühwendel verdampfen, wobei das verdampfte Material sich typi­ scherweise auf der Innenseite des die Glühwendel umgebenden Glaskörpers niederschlägt, so daß sich die spektrale Emission der Glühwendel und die spektrale Transmissionsverteilung des Glaskörpers zeitlich ändern. Das von der Glühbirne ausge­ strahlte Spektrum unterliegt Alterung.

Ein weiterer Nachteil dieser konventionellen Lichtquellen ist, daß die Position der Glühwendel sich durch Alterungserscheinun­ gen oder durch Stöße auf das Gerät mit der Zeit ändern kann. Deshalb ist eine häufige Nachkalibrierung eines solchen Meßge­ räts nötig, um verwendbare Ergebnisse zu erzielen. Eine Korrek­ tur der spektralen Verteilung, die durch Niederschläge auf der Innenseite des Glaskörpers der Glühbirne verursacht wird, ist allerdings nur durch Austausch der Lichtquelle möglich, wobei dann andere, z. B. produktionstechnisch bedingte, spektrale Un­ terschiede in Kauf genommen werden müssen.

Ein weiterer Nachteil derartiger Meßgeräte mit konventionellen Strahlungsquellen ist die geringe Meßfrequenz und auch die hohe Zeitdauer, die nötig ist, um nach dem Einschalten des Geräts ein verwendbares Meßergebnis zu erzielen, da konventionelle Glühbirnen einen relativ langen Zeitraum benötigen, um eine spektral stabile und reproduzierbare Strahlung zu emittieren. Wird zur Messung des Glanzes einer Oberfläche diese mit einer monochromatischen Lichtquelle, wie z. B. einem Laser, ausge­ leuchtet, so ergibt sich der Nachteil, daß der Glanz bzw. das Reflexionsvermögen dann nur für die ausleuchtende Wellenlänge bestimmbar ist.

Der physiologische Eindruck eines Betrachters bei Beleuchtung mit Tageslicht entsteht durch die Auswertung bzw. Integration der Strahlung, für die das Auge empfindlich ist. Dazu wird für jede Zapfenart praktisch eine Integration der wellenlängenab­ hängigen Strahlung gewichtet mit der wellenlängenabhängigen Empfindlichkeit der unterschiedlichen Zapfen über der Wellen­ länge durchgeführt. Dies bedeutet, daß sich z. B. bei monochro­ matischer Ausleuchtung gleiche Meßergebnisse bei unterschied­ licher Oberflächen ergeben können, obwohl der jeweilige Glanz der Oberflächen vom Betrachter unterschiedlich wahrgenommen wird und das Reflexionsvermögen bei anderen Wellenlängen unter­ schiedlich ist.

Eine monochromatische Ausleuchtung hat deshalb den Nachteil, daß bedingt-gleicher Glanz oder bedingt-gleiche Farben und der­ gleichen an unterschiedlichen Oberflächen festgestellt werden, obwohl sich die physiologisch wahrnehmbaren Kenngrößen deutlich unterscheiden.

Es ist deshalb die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Ver­ fahren und eine Vorrichtung der eingangs genannten Art zur Ver­ fügung zu stellen, so daß damit eine reproduzierbare und quan­ tifizierte Bewertung der Qualität von Oberflächen erfolgen kann, um eine zuverlässige Beurteilung zu ermöglichen.

Ein weiterer Aspekt der Aufgabe ist es, eine Vorrichtung zur Verfügung zu stellen, die kleinbauend und leicht gestaltet ist, so daß sie von einem Benutzer leicht mitgenommen werden kann und ohne weitere Hilfsmittel zur Bestimmung der Qualität einer Oberfläche herangezogen werden kann.

Ein weiterer Aspekt dieser Aufgabe ist es, eine Vorrichtung zur Bestimmung der visuellen Eigenschaften einer Oberfläche zur Verfügung zu stellen, bei welcher trotz des kompakten Aufbaus gemäß dem vorigen Aspekt der Aufgabe der Erfindung die Reprodu­ zierbarkeit der Messung und die notwendigen Wartungs- und Kali­ brierungsintervalle gegenüber dem im Stand der Technik bekann­ ten Vorrichtungen erheblich verbessert ist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Vorrichtung ge­ löst, wie sie in Anspruch 1 definiert ist. Das erfindungsgemäße Verfahren ist Gegenstand des Anspruchs 31.

Zu bevorzugende Weiterbildungen der Erfindungen sind Gegenstand der Unteransprüche.

Ein erfindungsgemäße Vorrichtung zur quantifizierten Bestim­ mung der Qualität von Oberflächen weist ein optisches System mit einer ersten und einer zweiten optischen Einrichtung auf. Die erste optische Einrichtung weist wenigstens eine Beleuch­ tungseinrichtung auf, die Licht in einem vorbestimmten Winkel auf eine Meßfläche ausstrahlt, die Teil der zu messenden Ober­ fläche ist. Die zweite optische Einrichtung ist ebenfalls in einem vorbestimmten Winkel zu dieser Meßfläche ausgerichtet und nimmt das von der Meßfläche reflektierte Licht auf. Diese zwei­ te optische Einrichtung weist wenigstens einen Fotosensor auf und gibt ein elektrisches Meßsignal aus, das für das re­ flektierte Licht charakteristisch ist.

Weiterhin weist eine erfindungsgemäße Vorrichtung eine Steuer- und Auswerteeinrichtung auf, die zur Steuerung des Meßablaufs und zur Auswertung der Meßergebnisse vorgesehen ist und die we­ nigstens eine Prozessoreinrichtung und wenigstens eine Spei­ chereinrichtung aufweist. Eine Ausgabeeinrichtung dient zur Ausgabe der Meßergebnisse.

Ferner weist die Beleuchtungseinrichtung wenigstens eine Licht­ quelle auf, die bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung als Leuchtdiode (LED - engl.: Light emitting diode) ausgeführt ist. Das von der Beleuchtungseinrichtung ausstrahlbare Licht ist derart beschaffen, daß die spektrale Charakteristik vorzugs­ weise wenigstens blaue, grüne und rote Spektralanteile im sichtbaren Spektrum aufweist.

Ferner ist eine Filtereinrichtung vorgesehen, die im Strahlen­ gang zwischen der Lichtquelle und dem Fotosensor angeordnet ist und welche die spektrale Charakteristik einfallenden Lichts ge­ mäß vorbestimmter Filtereigenschaften derart verändert, daß die spektrale Charakteristik im wesentlichen einer vorbestimmten spektralen Verteilung angenähert wird.

Die Auswerteeinrichtung wertet das von der Meßfläche reflek­ tierte Licht aus und leitet daraus wenigstens eine Kennzahl ab, die die Meßfläche bzw. Oberfläche charakterisiert.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung hat viele Vorteile.

Ein entscheidender Vorteil der Erfindung ist, daß die Position der Lichtquelle bzw. der lichtausstrahlenden Fläche bzw. des lichtausstrahlenden Volumens in bezug auf die Vorrichtung genau definiert ist. Bei herkömmlichen Glüh- oder Halogenbirnen oder dergleichen ist der lichtausstrahlende Körper die Glühwendel, die üblicherweise in dem Glaskörper der Glühbirne durch dünne Drähte in Position gehalten wird. Durch diese Art der federnden Aufhängung bedingt, bewirken schon leichte Erschütterungen und Vibrationen der Vorrichtung eine Änderung der Position des lichtausstrahlenden Körpers bzw. der Glühwendel, so daß eine exakte Bestimmung oder Voraussage der Intensität und Richtung der ausgesendeten Strahlung nicht bzw. nur mit einem hohen Auf­ wand möglich ist.

Im Gegensatz dazu ist bei Verwendung einer LED als Strahlungs­ quelle der lichtausstrahlende Körper bzw. die lichtausstrah­ lende Fläche in seiner/ihrer Position exakt definiert und zeit­ lich, auch durch Alterung bedingt, nicht veränderlich. Die Re­ produzierbarkeit und Genauigkeit der Messung der Qualität einer Oberfläche wird dadurch deutlich verbessert und erhöht.

Vorteilhaft ist auch, daß eine LED als Lichtquelle eine erhöhte Meßfrequenz bzw. eine kleinere Zyklusdauer bei der Bestimmung eines Kennwertes erlaubt. Die Lichtquellen einer derartigen Vorrichtung sind meist ausgeschaltet und werden nur zum Meß­ zeitpunkt eingeschaltet, um Streulicht in der Vorrichtung zu verringern. Während eine typische Glühbirne wenigstens 1 bis 1,5 Sekunden benötigt, um eine im wesentlichen stabile Strah­ lungsemission zu erreichen, beträgt ein vergleichbarer Zeitraum bei einer Leuchtdiode nur etwa 0,1 bis 0,2 Sekunden oder sogar weniger. Durch eine direkte Quotientenbildung und Versuche kann gefolgert werden, daß die Meßfrequenz um etwa einen Faktor 7 bis 15 erhöht werden kann. Mit einer LED beträgt ein Meßzyklus typischerweise weniger als 0,2 Sekunden, während, bei Verwen­ dung einer Glühbirne, ca. 1,5 bis 2 Sekunden benötigt werden.

Ein weiterer Vorteil einer Vorrichtung gemäß der Erfindung ist, daß, durch die spektrale Charakteristik der Lichtquelle be­ dingt, die vorzugsweise wenigstens blaue, grüne und rote spek­ trale Anteile im sichtbaren Spektrum aufweist, die Oberfläche mit verschiedenen Wellenlängen ausgeleuchtet wird und die zu messende Kenngröße der Oberfläche zuverlässig bestimmt werden kann.

Dadurch, daß die Strahlungsquelle gemäß der Erfindung nur ge­ ringen alterungsbedingten Änderungen im ausgestrahlten Spektrum unterliegt, kann die bei herkömmlichen Vorrichtungen nötige tägliche Kalibrierung des Gerätes unterbleiben. Eine gelegent­ liche Kalibrierung mit einem Meßstandard, die z. B. halbjähr­ lich erfolgen kann, ist bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung ausreichend. Wenn häufig Messungen an staubigen oder schmutzi­ gen Orten durchgeführt werden, kann es sinnvoll sein, die Kali­ brierungshäufigkeit zu erhöhen, um Einflüsse von Schmutz und Staub, die sich auf der verwendeten Optik absetzen oder nieder­ schlagen können, zu unterdrücken.

Eine reduzierte Rekalibrierungshäufigkeit einer Vorrichtung ge­ mäß der Erfindung ist sehr vorteilhaft, da, neben der Zeiter­ sparnis, auch Fehler während der Rekalibrierung ausgeschlossen werden. Dazu zählen z. B. Bedienungsfehler durch den Benutzer und fehlerhafte, wie z. B. verschmutzte oder beschädigte Kali­ brierungsstandards.

Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäße Vorrichtung ist, daß durch die Filtereinrichtung die spektrale Charakteristik des zur Messung verwendeten Lichts an eine vorbestimmte spektrale Verteilung angenähert wird, so daß es ermöglicht wird, gemäß nationaler oder internationaler Meßnormen Messungen durchzufüh­ ren.

In einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung strahlt die Lichtquelle bzw. die Leuchtdiode der Beleuchtungseinrichtung Licht mit einem kontinuierlichen Spektrum aus, wobei die spek­ trale Verteilung der ausgestrahlten Strahlung vom blauen bis zum roten spektralen Bereich des sichtbaren Spektrums nennens­ werte spektrale Anteile aufweist. Vorzugsweise ist die wellen­ längenabhängige spektrale Intensität der ausgestrahlten Strah­ lung in dem Wellenlängenbereich zwischen 480 und 620 nm größer als ein Hundertstel der maximalen spektralen Intensität, und besonders bevorzugt ist die relative wellenlängenabhängige In­ tensität in dem Wellenlängenbereich zwischen 440 und 680 nm größer als ein Hundertstel der maximalen wellenlängenabhängigen Intensität, und besonders bevorzugt wird im wesentlichen im ge­ samten sichtbaren Spektralbereich nennenswerte Intensität aus­ gestrahlt.

Vorzugsweise ist das von der Leuchtdiode der Beleuchtungsein­ richtung ausgestrahlte Licht derart beschaffen, daß die Farbe des ausgestrahlten Lichts im wesentlichen "weiß" ist.

Eine solche Weiterbildung der erfindungsgemäße Vorrichtung ist besonders vorteilhaft, da über weite Teile bzw. im wesentlichen das gesamte sichtbare Spektrum Intensität von der Lichtquelle ausgestrahlt wird, so daß bei der Bestimmung des Kennwerts der Oberfläche im wesentlichen alle relevanten Wellenlängen berück­ sichtigt werden.

In einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung weist die Fil­ tereinrichtung ein optisches Filterelement auf, das als Trans­ missionsfilter in dem Strahlengang zwischen Lichtquelle und Fo­ tosensor angeordnet ist, wobei besonders bevorzugt der Filter bzw. die Filtereinrichtung in bzw. an der ersten optischen Ein­ richtung angeordnet ist.

In dieser Weiterbildung wird das von der Lichtquelle ausge­ strahlte Licht durch den wenigstens einen optischen Filter in der spektralen Verteilung verändert, bevor das Licht auf die zu messende Oberfläche auftrifft, so daß eine Anpassung der ausge­ sendeten spektralen Verteilung an eine vorbestimmte spektrale Verteilung ermöglicht wird.

Die Verwendung eines Transmissionsfilters in der Filtereinrich­ tung ist vorteilhaft, da der zur Messung verwendete Strahlen­ gang besonders einfach, günstig zu fertigen und unkompliziert ist, so daß aufwendigere Justierungen, die durch mehrfache Um­ lenkung der Strahlen erforderlich sein können, vermieden wer­ den.

In einer anderen bevorzugten Weiterbildung der Erfindung ist in der Filtereinrichtung wenigstens ein Reflexionsfilter bzw. ein Reflektionsfilterelement vorgesehen, der/das auftreffendes Licht reflektiert. Durch die Beschaffenheit dieses wenigstens einen Reflexionsfilters wird die spektrale Verteilung des re­ flektierten Lichts derart beeinflußt, daß eine weitgehende An­ passung an eine vorbestimmte spektrale Verteilung erzielt wird. Die Anordnung dieses Reflexionsfilters kann in der ersten opti­ schen Einrichtung, in der zweiten optischen Einrichtung oder an anderen Stellen innerhalb der Vorrichtung erfolgen, wobei dann der Filt er vorzugsweise an einer Stelle angeordnet ist, an der eine Strahlumlenkung erforderlich ist.

In einer anderen bevorzugten Weiterbildung umfaßt die Fil­ tereinrichtung zwei oder mehr optische Filter, wobei einige oder alle Filter bzw. Filterelemente als Transmissionsfilter und einige oder alle Filter als Reflexionsfilter ausgeführt sein können.

Die in der bzw. in den Filtereinrichtung(en) verwendeten opti­ schen Filter sind von der Herstellung her konventionelle opti­ sche Filter, wie sie im Stand der Technik bekannt sind, also z. B. als Glasplatten oder Glaskeile, vorzugsweise aus Quarz­ glas, die eine entsprechende Färbung aufweisen können, ausge­ führt. Es ist aber auch möglich, daß Filter aus Kunststoffmate­ rial, Kristalle, Interferenzfilter, holografische Transmissi­ ons- und Reflexionsfilter, Flüssigkeitsfilter und dergleichen Anwendung finden. Ferner ist es möglich, daß ein Filter fluo­ reszierend ausgeführt ist, so daß der Filter auftreffende Strahlung in einem bestimmten Wellenlängenbereich absorbiert und als Strahlung mit anderer Frequenz bzw. Wellenlänge wieder abgibt, so daß nicht nur die sogenannte "subtraktive Farb­ mischung", sondern auch die sogenannte "additive Farbmischung" ermöglicht wird, bei der die spektrale Verteilung nicht nur durch Dämpfung bestimmter Spektralanteile, sondern auch durch Anhebung bestimmter anderer Spektralanteile ermöglicht wird.

Die Verwendung einer derartigen Filtereinrichtung ist besonders vorteilhaft, da durch einfache konstruktive Maßnahmen eine ef­ fektive, gezielte und kostengünstige Beeinflussung und Anpas­ sung der spektralen Verteilung erfolgen kann. Bei Verwendung relativ dünner Filter sind Transmissionsfilter besonders vor­ teilhaft, da diese direkt in den Strahlengang eingebracht wer­ den können und trotzdem eine kleinbauende Vorrichtung ermög­ licht wird, während bei Verwendung von Reflexions- oder Fluo­ reszenzfiltern auch eine Strahlumlenkung erforderlich und nütz­ lich sein kann, um eine kleinbauende Vorrichtung zur Verfügung zu stellen.

In einer bevorzugten Weiterbildung ist die charakteristische Kenngröße der Meßfläche, die mit dieser Vorrichtung bestimmt wird, der Glanz der Oberfläche. Die Bestimmung des Glanzes ist vorteilhaft, da der Glanz eine besonders wichtige charakteri­ stische optische Kenngröße einer Oberfläche ist, die erhebliche Auswirkungen auf die Qualität einer Oberfläche hat.

In einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung werden zwei, drei, vier, fünf oder mehr charakteristische, vorzugsweise op­ tische, Kenngrößen dieser Meßfläche bestimmt.

In einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung ist die cha­ rakteristische Kenngröße, die mit dieser Vorrichtung bestimmt wird, einer Gruppe von Kenngrößen entnommen, welche Glanz, Glanzschleier (engl. haze), Abbildungsschärfe (DOI - engl.: distinctness of Image), Farbe und Helligkeit der Farbe umfaßt.

Ferner ist es möglich, daß die charakteristische optische Kenn­ größe ein repräsentatives Maß für die typische Wellenlänge und die Amplitude (engl. orange peel) der Topologie der Oberfläche dieser Meßfläche in einem vorbestimmten Wellenlängenintervall ist, wobei diese Auswertung auch in zwei oder mehr Wellenlän­ genbereichen erfolgen kann.

In der bevorzugten Weiterbildung der Erfindung, daß zwei oder mehr charakteristische Kenngrößen der Meßfläche bestimmt wer­ den, werden die einzelnen Kenngrößen entsprechend der obenge­ nannten Kenngrößen gewählt.

Die Bestimmung eines Kennwertes für den Glanzschleier oder die Abbildungsschärfe ist besonders vorteilhaft, da der physiologi­ sche Eindruck eines Betrachters von, beispielsweise lackierten, Oberflächen entscheidend von der Abbildungsschärfe und dem Schleierglanz abhängt. Die Bestimmung eines Kennwertes für die Farbe ist auch sehr vorteilhaft, da z. B. bei der Nachbesserung bzw. Ausbesserung z. B. einzelner Lackstellen eine zuverlässige und reproduzierbare Farbbestimmung nötig ist, um die ausgebes­ serte Stelle im Vergleich zur ganzen Fläche quantitativ bewer­ ten zu können. Die Farbbestimmung bzw. die Ableitung eines Farbkennwertes ist auch zur regelmäßigen Kontrolle während lau­ fender Serienproduktion wichtig.

Die Bestimmung eines Orange-peel-Kennwertes ist insbesondere, aber nicht nur, im Produktionsverfahren bei der Herstellung lackierter Oberflächen vorteilhaft, da durch die Wellenlängen­ verteilungen der Struktur der Oberfläche Aufschlüsse über Feh­ ler im Produktionsprozeß gewonnen werden und diese dann im Pro­ duktionsprozeß vermieden bzw. vermindert werden können.

In einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung ist die vorbe­ stimmte spektrale Verteilung eine Standardverteilung, die einem der gängigen Lichtstandards entspricht, wobei vorzugsweise die­ se vorbestimmte spektrale Verteilung mit einer spektralen Ver­ teilung übereinstimmt, welche eine Lichtart aufweist, die einer Gruppe von Lichtarten entnommen ist, die die Normlichtart C, die Normlichtart D65, die Normlichtart A und dergleichen mehr umfaßt, wie sie z. B. von der Commission Internationale de l'Éclairage definiert worden sind.

Die Verwendung einer derartigen Standardverteilung als vorbe­ stimmte spektrale Verteilung ist besonders vorteilhaft, da die Bestimmung der Meßergebnisse dann mit einer bekannten bzw. ge­ normten spektralen Verteilung bzw. Lichtart erfolgt und somit eine hohe Vergleichbarkeit mit anderen Meßergebnissen ermög­ licht wird. Weiterhin ist die Durchführung der Messung mit ei­ ner solchen Standardverteilung oder dergleichen besonders vor­ teilhaft, da bei Verwendung einer spektralen Verteilung, die im wesentlichen einem derartigen Standard entspricht, Meßergebnis­ se erzielt werden, die bei den typischen Bedingungen reprodu­ zierbar sind. Bei Beleuchtung bzw. Messung mit der Normlichtart D65 und insbesondere mit der Normlichtart C wird eine Messung gemäß internationaler Standards ermöglicht.

Vorzugsweise erfolgt die Anpassung des Spektrums derart, daß das insgesamt verwendete Meßspektrum einem Spektrum entspricht, welches ein durchschnittlicher Betrachter empfängt. Dies bedeu­ tet, daß die gesamte Vorrichtung ein Spektrum aufweist, das der Gewichtung des Spektrums von "Tageslicht" bzw. Lichtart C oder dergleichen, gewichtet mit der Augenempfindlichkeit des hell­ adaptierten Auges V_{( λ )} entspricht. Hierunter ist zu verstehen, daß das Produkt der Spektren der Strahlungsquelle, der verwen­ deten Filter, der anderen optischen Elemente und Einrichtungen sowie des verwendeten Fotosensors dem genannten Produkt aus Ta­ geslichtspektrum und Augenempfindlichkeit entspricht.

In einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung weist die er­ ste optische Einrichtung eine Blendeneinrichtung auf, die einen definierten Winkelbereich des von der Lichtquelle ausgestrahl­ ten Lichts transmittiert. Vorzugsweise umfaßt die erste opti­ sche Einrichtung weiterhin eine Linseneinrichtung, die das von der Lichtquelle ausgestrahlte Licht vorzugsweise im wesentlichen parallelisiert.

Ferner kann in der ersten optischen Einrichtung eine Streueinrichtung, vorzugsweise in Form wenigstens einer Streuscheibe vorgesehen sein, die dann z. B. in der Blendenöff­ nung angeordnet sein kann, um eine homogene Lichtverteilung über der Blenden- bzw. Streuscheibenfläche zu erzielen, so daß eine homogene und gleichförmige Ausleuchtung der zu untersu­ chenden Oberfläche gewährleistet wird.

Die Streuscheibeneinrichtung umfaßt vorzugsweise wenigstens eine Streuscheibe, die vorzugsweise als planparallele oder keilförmige Platte ausgeführt ist. Bei Einsatz der erfindungsgemäßen Vorrichtung mit nur einer Leuchtdiode als Lichtquelle kann die Streuscheibe bzw. die Streuscheibeneinrichtung relativ dünn oder/und nur gering streuend ausgeführt sein, da nur das Licht einer Lichtquelle über der Apertur der Streuscheibe bzw. der Blende homogenisiert werden muß.

Bei bekannten Vorrichtungen, die mehrere Lichtquellen verwenden, müssen stärkerstreuende Scheiben verwendet werden, um eine genügende Homogenisierung der Strahlungsverteilung zu erzielen, die keine oder nur geringe Farbvariation aufweist. Ein Nachteil ist dann, daß ein hoher Anteil an Intensität gestreut wird und nicht für die Meßaufgabe zur Verfügung steht. Das in andere Richtungen gestreute Licht und niedrige Intensität des Meßstrahls bewirken ein schlechtes Signal- Rausch-Verhältnis, so daß die Messungen ungenauer werden.

Bei Einsatz einer erfindungsgemäßen Vorrichtung werden höhere Beleuchtungsstärken erzielt, während gleichzeitig ein vermin­ derter Rauschlichtanteil in der Vorrichtung entsteht. Ein besseres Signal-Rausch-Verhältnis und qualitativ bessere Meß­ ergebnisse sind die Folge.

In einer weiteren bevorzugten Weiterbildung der Erfindung ist in der zweiten optischen Einrichtung ebenfalls eine Linsenein­ richtung und eine Blendeneinrichtung angeordnet, wobei die Lin­ seneinrichtung im wesentlichen das von der Oberfläche reflek­ tierte bündelt und die Blendeneinrichtung Streulicht ausblen­ det, so daß hochqualitative und reproduzierbare Meßergebnisse erzielbar sind.

In einer weiteren bevorzugten Weiterbildung der Erfindung weist die Beleuchtungseinrichtung wenigstens eine zweite oder mehr Lichtquellen auf, welche dann vorzugsweise als Leuchtdioden ausgeführt sind, wobei die einzelnen Leuchtdioden gleiche spek­ trale Charakteristiken aufweisen können, um die Beleuchtungs­ stärke zu erhöhen oder unterschiedliche spektrale Charakteri­ stiken aufweisen, um bestimmte spektrale Anteile anzuheben.

Darunter ist zu verstehen, daß neben einer Leuchtdiode, die über einen weiten Bereich des Spektrums Strahlung emittiert, noch eine oder mehr Leuchtdioden oder Laserdioden oder der­ gleichen angeordnet sind, um bestimmte Spektralbereiche zu ver­ stärken.

Eine solche Anordnung ist besonders vorteilhaft, da eine noch weitergehende Annäherung des emittierten Spektrums an eine vor­ bestimmte spektrale Verteilung, wie z. B. die spektrale Vertei­ lung der Normlichtart C, ermöglicht wird.

In einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung wertet die Steuer- und Auswerteeinrichtung über ein in der Speicherein­ richtung abgelegtes Programm die Meßsignale aus und speichert vorzugsweise die Meßsignale oder/und die ausgewerteten Meßer­ gebnisse oder/und die abgeleiteten Kenngrößen in der Spei­ chereinrichtung.

Dies ist vorteilhaft, da auch nach Meßablauf die Meßsignale oder die Kenngrößen weiterhin zur Verfügung stehen.

In einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung weist die zweite optische Einrichtung eine Vielzahl von Fotosensoren auf, die vorzugsweise benachbart angeordnet sind, wobei die einzel­ nen Fotosensoren in einer Zeile oder auch flächig, z. B. in Reihen und Spalten, angeordnet sein können. Dadurch ist es mög­ lich, eine Vielzahl von Fotosensoren vorzusehen, wobei bei je­ der Messung nicht alle Fotosensoren beteiligt sein müssen bzw. nicht die Meßsignale aller Fotosensoren ausgewertet werden müs­ sen.

Außerdem kann es möglich sein, einzelne dieser Vielzahl von Fo­ tosensoren bzw. deren Meßsignale derart zu verschalten, daß ein gemeinsames Meßsignal über diese verschalteten Fotosensoren be­ stimmbar ist, welches für die einfallende Lichtmenge repräsen­ tativ ist.

Dadurch können einzelne Bereiche der gesamten fotosensitiven Fläche aller Fotosensoren zu einer oder mehreren Meßflächen verschaltet werden, und es können Messungen gemäß internationa­ ler Meßstandards programmtechnisch verwirklicht werden.

In einer weiteren bevorzugten Weiterbildung der Erfindung weist wenigstens ein erster Teil des von der ersten optischen Ein­ richtung ausgestrahlten Lichts ein Lichtmuster auf, wobei die­ ses Lichtmuster vorzugsweise wenigstens eine Hell-/Dunkelkante umfaßt. Vorzugsweise ist der Übergang von hell nach dunkel sehr scharf. Durch Auswertung eines solchen Lichtmusters kann z. B. die Welligkeit der Oberfläche bestimmt werden.

Es ist ferner z. B. möglich, die Strukturschärfe von struktu­ rierten Oberflächen zu bestimmen. Das Lichtmuster wird vor­ zugsweise durch eine Transmissions-Mustereinrichtung erzeugt und kann auch schaltbar sein. Neben konventionellen Gittern oder Strichgittern, die geschwärzte oder graue Bereiche und Übergänge aufweisen, können auch schaltbare Mustereinrichtun­ gen, wie Flüssigkristalle, LCD's (Liquid crystal displays) oder elektrooptische Kristalle oder Schalter wie z. B. Pockels-Zel­ len eingesetzt werden.

In einer bevorzugten Weiterbildung der zuletzt beschriebenen Weiterbildung ist eine Vielzahl von Hell-/Dunkelkanten vorgese­ hen, von denen wenigstens ein Teil wenigstens abschnittsweise parallel zueinander verläuft. Vorzugsweise ist wenigstens ein Teil dieser Vielzahl von Hell-/Dunkelkanten in einer Form ange­ ordnet, welche einer Gruppe von Formen entnommen ist, die Git­ ter-, Kreuzgitter-, Ellipsen-, Kreisform und dergleichen mehr umfaßt.

Bei Einsatz einer schaltbaren Mustereinrichtung, wie z. B. ei­ ner LCD-Einrichtung, können unterschiedliche Muster geschaltet und projiziert werden, wodurch eine vielseitige und variable Verwendung möglich ist.

Die Anordnung einer Vielzahl von Hell-/Dunkelkanten, die wenig­ stens abschnittsweise parallel oder symmetrisch zueinander ver­ laufen, ist besonders vorteilhaft, da bei Verwendung einer Vielzahl von Fotosensoren die Verläufe der einzelnen Hell- /Dunkelkanten bzw. die Bestimmung dieser Verläufe auf den Foto­ sensoren Aufschluß über verschiedene Oberflächeneigenschaften der zu untersuchenden Meßfläche erlauben.

In einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung leitet die Auswerteeeinrichtung wenigstens eine Steigung des Meßsignals aus der Differenz des Meßsignals eines Fotosensors und des Meß­ signals wenigstens eines nächsten Fotosensors ab, wobei vor­ zugsweise für wenigstens einen Teil der Fotosensoren jeweils wenigstens eine Steigung des Meßsignals bestimmt wird.

Vorzugsweise ist die Auswerteeinrichtung in dieser bevorzugten Weiterbildung derart gestaltet, daß wenigstens ein Durch­ schnittskennwert wenigstens eines Teils der Steigungen bestimm­ bar ist und daß daraus eine charakteristische Kennzahl für die Oberfläche bestimmbar ist, wobei vorzugsweise insbesondere bei strukturierten Oberflächen eine charakteristische Strukturkenn­ zahl abgeleitet wird.

Die Bestimmung der Steigungen und der Durchschnittssteigung ist besonders vorteilhaft, da diese Aufschluß über die Welligkeit und die Rauhigkeit der zu messenden Oberfläche geben. Eine glatte bzw. plane Oberfläche bildet projizierte Hell- oder Dun­ kellinien bzw. Hell-/Dunkelkanten scharf auf den bzw. die Foto­ sensoren ab, so daß eine hohe maximale Steigung feststellbar ist. Rauhe oder wellige Oberflächen bilden diese Lichtmuster unschärfer ab, so daß die einzelnen Steigungswerte, die maxima­ malen Steigungen und die Durchschnittssteigungen geringer wer­ den können. Strukturierte Oberflächen, deren Oberflächenprofil z. B. sägezahnförmig oder dreieckig verläuft, bilden diese Lichtmuster im Idealfall hingegen scharf ab, wobei allerdings die Verläufe der einzelnen Kanten bzw. des Lichtmusters Sprün­ ge, Versetzungen oder dergleichen aufweisen können.

In einer bevorzugten Weiterbildung aller bisher beschriebenen Weiterbildungen bzw. der Erfindung ist eine dritte optische Einrichtung mit wenigstens einer Lichtquelle vorgesehen. Die Lichtquelle strahlt Licht mit einer vorgegebenen spektralen Charakteristik aus, welches in einem vorbestimmten Winkel auf die Meßfläche gerichtet ist. Vorzugsweise ist das Licht der dritten optischen Einrichtung unter einem derartigen Winkel auf die Oberfläche gerichtet, daß das unmittelbar von der Meßfläche gemäß der Fresnelschen Reflexion gerichtet reflektierte Licht gegenüber dieser Meßfläche einen anderen Winkel aufweist, als der Winkel zwischen dieser Meßfläche und dem von dieser Meßflä­ che gerichtet reflektierten Licht, welches von der ersten opti­ schen Einrichtung ausgestrahlt wird.

Eine solche Anordnung ist vorteilhaft, da der gerichtete Reflex des von der dritten optischen Einrichtung ausgestrahlten Lichts sich nicht mit dem gerichteten Reflex des von der ersten opti­ schen Einrichtung ausgestrahlten Lichts überlagert.

In einer bevorzugten Weiterbildung der Weiterbildungen, die ei­ ne dritte optische Einrichtung aufweisen, ist die spektrale Charakteristik des von der dritten optischen Einrichtung ausge­ strahlten Lichts derart beschaffen, daß durch eine Auswertung des von einer Oberfläche reflektierten Lichts eine Bestimmung der Farbe bzw. eines Farbkennwerts der Oberfläche ermöglicht wird. Dazu kann diese dritte optische Einrichtung eine oder mehrere Lichtquellen aufweisen, wobei die spektralen Charakte­ ristiken der einzelnen Lichtquellen gleich sein können, um z. B. die Intensität zu erhöhen.

Es kann aber auch sein, daß die einzelnen Lichtquellen der dritten optischen Einrichtung eine unterschiedliche spektrale Charakteristik aufweisen, falls die eingesetzten Lichtquellen nicht einen Großteil des sichtbaren Spektrums abdecken.

Besonders bevorzugt ist die Lichtquelle der dritten optischen Einrichtung eine Leuchtdiode, deren ausgestrahltes Licht im we­ sentlichen die Farbe "weiß" hat. Durch Verwendung einer solchen Lichtquelle wird die Bestimmung der Farbe der zu untersuchenden Oberfläche ermöglicht. Wenigstens sollte die in der dritten op­ tischen Einrichtung eingesetzte Lichtquelle rote und grüne und vorzugsweise auch blaue Spektralanteile im ausgesendeten Spek­ trum aufweisen.

In einer bevorzugten Weiterbildung einer oder mehrerer der zu­ vor beschriebenen Weiterbildungen weist wenigstens ein Fotosen­ sor wenigstens zwei, vorzugsweise drei oder mehr fotosensitive Elemente auf, deren elektrische Ausgangssignale einzeln erfaß­ bar sind und die sich in ihrer spektralen Charakteristik bzw. Empfindlichkeit unterscheiden.

Insbesondere wenn der bzw. die eingesetzten Fotosensoren je­ weils drei fotosensitive Elemente aufweisen, ist es möglich, als optische Kenngröße die Farbe der Meßfläche zu bestimmen. Vorzugsweise weist eine Vielzahl der Fotosensoren jeweils drei fotosensitive Elemente auf, deren spektrale Charakteristik der­ art beschaffen ist, daß die Farbe einfallenden Lichts erfaßbar ist.

Bevorzugt ist dann der Einsatz eines Farb-CCD-Chips, z. B. ei­ nes Farb-CCD-Chips, wie er in gängigen Videokameras oder Digi­ talkameras verwendet wird und der Pixelzahlen im fünf- oder sechsstelligen Bereich aufweist. Auch höchstqualitative (Farb-)­ CCD-Chips können verwendet werden.

Die Bestimmung der Farbe bzw. eines Farbkennwerts von zu unter­ suchenden Oberflächen ist sehr vorteilhaft, da der Farbton eine wichtige Eigenschaft vieler technischer Produkte ist. Insbe­ sondere, aber nicht nur, beim Ausbessern oder bei der Reparatur schadhafter Stellen sollte die ausgebesserte Oberflächenstelle den gleichen Farbton aufweisen wie das sonstige Bauteil, aber auch z. B. in der Serienproduktion ist es wichtig, daß die Pro­ dukte einer oder unterschiedlicher Serien die gleichen Farben aufweisen.

In einer bevorzugten Weiterbildung strahlt wenigstens, vorzugs­ weise wenigstens die erste, optische Einrichtung im wesentli­ chen paralleles Licht aus. Es ist aber auch möglich, daß wenig­ stens eine, vorzugsweise wenigstens die dritte, optische Ein­ richtung im wesentlichen divergentes oder konvergentes Licht ausstrahlt.

In einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung ist der vorbe­ stimmte Winkel, in welchem das von wenigstens einer der opti­ schen Einrichtungen ausgestrahlte Licht zu der Meßfläche ausge­ richtet ist, einer Gruppe von Winkeln entnommen, die insbeson­ dere die Winkel 0°, 5°, 10°, 25°, 20°, 30°, 45°, 60°, 75°, 80° und 85° umfaßt, wobei diese Winkel als Winkel zwischen den Strahlen (einfallend bzw. ausfallend) und der Senkrechten bzw. der Normalen auf der zu untersuchenden Oberfläche definiert sind. Besonders bevorzugt sind die Winkel, unter denen die er­ ste und die zweite optische Einrichtung zu der Oberfläche aus­ gerichtet sind, gleich.

Die Ausrichtung der optischen Einrichtungen gemäß der zuvor be­ schriebenen Winkel ist besonders vorteilhaft, da es ermöglicht wird, nach den verschiedensten nationalen und internationalen Normen (der amerikanischen Norm ASTM E430, der ISO 2813, der DIN 67530 und dergleichen mehr) die Messungen durchzuführen.

In einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung ist ein zwei­ tes und vorzugsweise auch ein drittes optisches System vorgese­ hen, wobei die Anordnung eines optischen Systems gegenüber der Meßfläche vorzugsweise 20°, 60° oder 85° beträgt. Falls drei optische Systeme vorgesehen sind, wird vorzugsweise eines unter 20°, ein zweites unter 60° und ein drittes unter 85° zur zu messenden Oberfläche angeordnet.

Es kann auch möglich sein, daß z. B. für separate Farbmessung ein weiteres optisches System bzw. eine optische Einrichtung vorgesehen ist, das/die dann beispielsweise unter 45° zur Nor­ malen der Oberfläche ausgerichtet ist.

Die oben genannten Winkel 20°, 60° und 85° zur Normalen der zu messenden Oberfläche werden insbesondere, aber nicht nur, bei der Bestimmung des Glanzes der zu messenden Oberfläche einge­ setzt. Die 20°-Geometrie eignet sich speziell für hochglänzende Prüfkörper, während die 60°-Geometrie im wesentlichen für alle Oberflächen geeignet ist und die 85°-Geometrie bevorzugterweise dann eingesetzt wird, um eine bessere Differenzierung bei Ober­ flächen zu erzielen, deren Glanz bei der 60°-Geometrie kleiner als 10 Einheiten gemäß der ISO 2813 ist. Vorzugsweise werden die optischen Einrichtungen mit einer Genauigkeit justiert, die bei 20°, 60° und 85° Ausrichtung besser als ±0,1° ist.

In einer bevorzugten Weiterbildung einer oder mehrerer der zu­ vor beschriebenen Weiterbildungen strahlt wenigstens eine, vor­ zugsweise wenigstens die erste, optische Einrichtung wenigstens einen Lichtstreifen aus, der in einem vorbestimmten Abstand von der Lichtquelle eine vorbestimmte Länge und Breite senkrecht zur Ausbreitungsrichtung aufweist.

In einer weiteren bevorzugten Weiterbildung der Erfindung ist in möglichst unmittelbarer Nähe wenigstens einer Lichtquelle und/oder wenigstens eines Fotosensors wenigstens eine Tempera­ turmeßeinrichtung angeordnet, die zur Bestimmung der charakte­ ristischen Temperatur der jeweiligen Lichtquelle bzw. des je­ weiligen Fotosensors vorgesehen ist, um eine temperaturkorri­ gierte Bestimmung dieser wenigstens einen Kenngröße zu ermögli­ chen.

Es ist auch möglich, daß die Temperaturbestimmung der einzelnen Bauteile (Lichtquelle, Fotosensor bzw. fotosensitives Element) direkt mit dem Bauteil selbst erfolgt, und insbesondere bei Leuchtdioden und Fotozellen kann eine solche Temperaturbestim­ mung durch Messung der Leerlaufspannung, des Kurzschlußstroms oder dergleichen bestimmt werden, so daß insbesondere bei einer derartigen Bestimmung der Temperatur eine hohe Zuverlässigkeit erzielt wird, da keine bzw. nur äußerst geringe Wärmekapazitä­ ten die Bestimmung der Temperatur, durch dynamische Vorgänge bedingt, verfälschen.

Die Bestimmung der Temperatur der jeweiligen Elemente ist be­ sonders vorteilhaft, da die Temperatur der jeweiligen Elemente (Lichtquelle, Sensor) die spektralen Eigenschaften verändert. Eine Temperaturbestimmung erlaubt eine genauere Messung.

In einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung, bei der ein Lichtmuster ausgestrahlt wird, wird vorzugsweise wenigstens ein Teil des Verlaufs des Abbilds der wenigstens einen Hell- /Dunkelkante auf der Vielzahl von Fotosensoren bestimmt. Nach Bestimmung des Verlaufs wird eine Abweichung des gemessenen vom idealen Verlauf abgeleitet und ein charakteristischer Oberflä­ chenkennwert der Meßfläche bestimmt.

Dieser Oberflächenkennwert kann z. B. die Profilhöhe einer pro­ filierten Oberfläche charakterisieren, dieser Kennwert kann aber auch derart bestimmt werden, daß er die Steilheit der pro­ filierten Oberfläche oder die Schärfe der Kanten der profilier­ ten Oberfläche kennzeichnet.

Die Bestimmung eines derartigen Oberflächenkennwerts ist insbe­ sondere bei Messung von strukturierten Oberflächen, wie sie beispielsweise im Innenraum von Kraftfahrzeugen Verwendung fin­ den, sehr vorteilhaft.

In einer bevorzugten Weiterbildung aller zuvor beschriebenen Weiterbildungen ist die Vorrichtung relativ zur Meßfläche in einer im wesentlichen abstandsgleichen Richtung verschiebbar, und es ist eine Wegstreckenmeßeinrichtung vorgesehen, die diese relative Verschiebung quantitativ erfaßt, wobei vorzugsweise eine Speichereinrichtung vorgesehen ist, in welcher die entlang vorgegebener Meßstellen auf der Oberfläche gemessenen Kennwerte und/oder optischen Kenngrößen abgespeichert werden.

Vorzugsweise ist ein Meßrad vorgesehen, welches während der Messung auf der zu messenden Oberfläche aufgesetzt ist und sich während der Relativbewegung zwischen der Vorrichtung und der zu messenden Oberfläche dreht, wobei dann vorzugsweise wenigstens ein Meßrad mit einem Drehwinkelgeber verbunden ist, der ein elektrisches Drehwinkelsignal ausgibt, das für den vom Meßrad zurückgelegten Drehwinkel repräsentativ ist.

In einer bevorzugten Weiterbildung einer, mehrerer oder aller zuvor beschriebener Weiterbildungen ist in der Vorrichtung eine Vergleichseinrichtung vorgesehen und in einem Bereich der Spei­ chereinrichtung wenigstens einer, vorzugsweise eine Vielzahl von zwei, drei, vier, sechs oder mehr von Referenzkennwerten bzw. Referenzkennwertepaaren gespeichert, die durch Messung be­ stimmter, vorzugsweise unterschiedlicher Referenzoberflächen oder Referenzmeßstandards ermittelt und vorzugsweise mit dieser Vorrichtung ermittelt wurden.

Vorzugsweise ist neben diesen Referenzwerten bzw. Referenzkenn­ werten auch das elektrische Meßsignal des wenigstens einen Fo­ tosensors mit abgelegt, so daß vorzugsweise in diesem Bereich der Speichereinrichtung eine Tabelle abgelegt ist, die für vor­ bestimmte Meßstandards bzw. Referenzoberflächen jeweils das we­ nigstens eine elektrische Ausgangssignal des Fotosensors auf­ weist.

Bei einer Messung wird vorzugsweise das elektrische Ausgangs­ signal bzw. Meßsignal eines Fotosensors mit den Werten in der Tabelle verglichen, die den Referenzoberflächen entsprechen. Nach Auswahl der beiden nächstliegenden Werte wird nun das elektrische Ausgangssignal des Fotosensors in bezug zu diesen beiden gespeicherten Werten gesetzt, und es wird eine, vor­ zugsweise lineare, Interpolation zwischen diesen bzw. den in der Tabelle abgelegten Kennwerten durchgeführt und ein Kennwert für die zu untersuchende Oberfläche abgeleitet. Die Auswertung mit dieser Vergleichseinrichtung kann zur Bestimmung des Glan­ zes, aber auch bei allen anderen zu bestimmenden Kenngrößen, Verwendung finden.

Eine solche Ausgestaltung ist sehr vorteilhaft, da, insbeson­ dere bei Bestimmung der Referenzwertepaare mit dieser Vorrich­ tung, die systembedingten Verluste und Eigenschaften mit erfaßt werden. Außerdem ist es möglich, Nichtlinearitäten in der ge­ samten Vorrichtung bzw. der Sensoren zu berücksichtigen, so daß die Genauigkeit der Messung erheblich erhöht werden kann, da, insbesondere bei relativ hohen Lichtintensitäten, der lineare Bereich der Sensoren verlassen wird und eine Sättigung ein­ tritt.

Die Voraussetzung eines linearen Zusammenhangs von Intensität und Sensorsignal ist dann nur in einem kleinen Bereich gültig und nicht mehr über den Bereich von "Null" bis zum gemessenen Wert. Eine Interpolation zwischen benachbarten Werten ist aber auch in diesem Fall möglich und liefert gute Meßergebnisse.

Weitere Vorteile, Merkmale und Anwendungsmöglichkeiten der vor­ liegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Be­ schreibung von Ausführungsbeispielen in Zusammenhang mit den Zeichnungen.

Darin zeigen:

Fig. 1 einen Schnitt durch eine Vorrichtung gemäß eines ersten Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung;

Fig. 2 die Intensitätsverteilung über der Wellenlänge der Lichtquelle in dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 1;

Fig. 3 die spektrale Transmission des Filters in dem Ausfüh­ rungsbeispiel nach Fig. 1;

Fig. 4 die spektrale Empfindlichkeit des helladaptierten menschlichen Auges bei Beleuchtung mit der Standard­ lichtart C;

Fig. 5 einen Vergleich der Soll- und Ist-Spektren mit der Vor­ richtung gemäß dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 1;

Fig. 6 ein zweites Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung, bei der ein Lichtmuster auf die zu messen­ de Oberfläche projiziert wird;

Fig. 7 das von der ersten optischen Einrichtung projizierte Lichtmuster gemäß dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 6;

Fig. 8 den prinzipiellen schaltungstechnischen Aufbau eines weiteren Ausführungsbeispiels;

Fig. 9 einen Schnitt durch eine Vorrichtung gemäß dem Ausfüh­ rungsbeispiel nach Fig. 8; und

Fig. 10 ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung, welches mehrere Sätze von optischen Einrichtungen aufweist.

Ein erstes Ausführungsbeispiel wird nun in bezug auf die Fig. 1 bis 5 beschrieben.

Die in Fig. 1 im Schnitt dargestellte Meßeinrichtung zur Be­ stimmung der Qualität von Oberflächen weist ein Gehäuse 1 mit einer darin vorgesehenen Öffnung 7 auf. Das Gerät wird mit der Öffnung 7 auf die zu untersuchende Meßfläche 8 aufgesetzt. In dem Gerät ist ein erstes optisches System 30 angeordnet, das eine erste optische Einrichtung 2 und eine zweite optische Ein­ richtung 10 umfaßt.

Die beiden optischen Einrichtungen 2, 10 sind mit ihren opti­ schen Achsen in Winkeln 17, 18 zur Senkrechten auf der Meßflä­ che 8 angeordnet. In diesem Ausführungsbeispiel sind die Win­ kel 17, 18 symmetrisch gewählt und betragen 45°. Insbesondere zur Glanzmessung wird in eine Variation der Vorrichtung ein Winkel von 60 bevorzugt.

In der ersten optischen Einrichtung 2 ist eine Lichtquelle 3 angeordnet, die als Leuchtdiode ausgeführt ist und deren emmi­ tiertes Spektrum im wesentlichen im gesamten sichtbaren Bereich Intensität aufweist.

Das von der Leuchtdiode 3 ausgestrahlte Licht trifft auf eine Streuscheibe 16, die im Ausführungsbeispiel vor einer Blende 4 angeordnet ist. Die Streuscheibe 16 kann eine Oberflächen- oder Volumenstreuscheibe sein, die das von der Leuchtdiode 3 ausge­ strahlte Licht über die gesamte Öffnung der Blende 4 gleichmä­ ßig verteilt, so daß das durch die Blende 4 weitergeleitete Licht über der Blendenöffnung und insbesondere über der Meßflä­ che eine homogene Intensitätsverteilung aufweist.

Im weiteren Strahlengang ist eine Filtereinrichtung angeordnet, die einen Filterhalter 6 aufweist, in der ein spektraler Fil­ ter 9 angeordnet ist. Ein Filter 9 der Filtereinrichtung ist im Ausführungsbeispiel als Transmissionsfilter ausgeführt und be­ steht aus passend gefärbtem Quarzglas und dient im Ausfüh­ rungsbeispiel dazu, das von der Lichtquelle 3 ausgestrahlte Spektrum derart zu modifizieren, daß im wesentlichen eine Annä­ herung der ausgestrahlten spektralen Intensität an die Norm­ lichtart C erzielt wird.

Die Filtereinrichtung verändert das Spektrum derart, daß ein Meßspektrum verwendet wird, welches proportional dem Produkt der Spektren aus Augenempfindlichkeit des helladaptierten Auges V_{( λ )} und dem Spektrum der Normlichtart C ist.

Die Linse 5 in der ersten optischen Einrichtung 2 paralleli­ siert das ausgestrahlte Licht, welches dann auf die zu messende Oberfläche 8 auftrifft und dort gemäß der Fresnelschen Refle­ xionsgesetze unter dem gleichen Winkel reflektiert wird, unter dem es auftrifft.

Das von der Oberfläche bzw. Meßfläche reflektierte Licht tritt in die zweite optische Einrichtung 10 ein und wird von der dort vorgesehenen Linse 11 gebündelt. Ferner ist in der zweiten op­ tischen Einrichtung 10 eine Blende 12 angeordnet, die im we­ sentlichen nur die relevanten Strahlen und Anteile transmit­ tiert, so daß der dahinter angeordnete Fotosensor 13 nur das von der Oberfläche reflektierte Licht aufnimmt. Die Blende 13 dient als Fourierfilter in dieser zweiten optischen Einrich­ tung 10.

Das von der Leuchtdiode 3 ausgestrahlte Licht weist ein Spek­ trum 21 auf, welches im dargestellten Bereich zwischen 380 und 770 nm Intensität ausstrahlt, wobei ein erstes, absolutes Maxi­ mum der Strahlung zwischen 460 und 490 nm bei etwa 475 nm und ein weiteres relatives Maximum zwischen 560 und 580 nm auf­ tritt.

Die Intensität ist in relativen Einheiten, bezogen auf die ma­ ximal ausgestrahlte spektrale Intensität, aufgetragen. Neben dem Kurvenverlauf 21 sind einzelne Meßpunkte bzw. Meßwerte 21a eingezeichnet, die durch geschwärzte Quadrate gekennzeichnet sind.

Die Leuchtdiode, z. B. eine Leuchtdiode der Firma Nichia, weist spektrale Anteile, die größer als 2% der maximalen spektralen Intensität sind, in einem Bereich zwischen etwa 430 und 740 nm auf.

Der in Fig. 3 dargestellte spektrale Verlauf 22 des Transmissi­ onsfilters 9 der ersten optischen Einrichtung 2 hat ein Maximum der Transmission bei etwa 550 nm; zu kürzeren und zu längeren Wellenlängen fällt der Transmissionsgrad des Filters 9 ab. Meß­ punkte 23a der spektralen Transmission 22 sind ebenfalls im Ab­ stand von etwa 10 nm in Fig. 3 dargestellt.

Die über der Wellenlänge aufgetragenen Transmissionsgrade sind ebenfalls normiert, d. h. bezogen auf die maximale Transmis­ sion, aufgetragen, so daß diese in dem genannten Bereich ca. 100% erreicht.

In Fig. 4 ist die spektrale Intensität 23 eines idealen Meßsy­ stems über der Wellenlänge dargestellt, wobei einzelne Stütz- bzw. Meßpunkte 23a in einem Abstand von ebenfalls etwa 10 nm eingetragen sind. Wie in den Fig. 2 und 3 ist eine relative In­ tensität aufgetragen, die auf die maximale spektrale Intensität bezogen ist und deshalb Werte zwischen 0 und 100% umfaßt.

Bei Messungen nach der internationalen Norm ISO 2813 gemäß der dritten Ausgabe vom 01.08.1994 wird bei der Messung des Glanzes von Oberflächen die Normlichtart C der CIE (Commission Interna­ tionale de l'Éclairage) vorgeschrieben, bzw. bei der Messung des Glanzes von Oberflächen soll eine spektrale Funktion der Vorrichtung derartige Eigenschaften aufweisen, daß sich ein spektraler Meßverlauf ergibt, der eine Beleuchtung mit der Lichtart C gewichtet mit der spektralen Augenempfindlichkeit des helladaptierten Auges V_{( λ )}, ergibt.

Der Filter 9 ist austauschbar und kann durch einen Filter er­ setzt werden, der ein Meßspektrum für das dunkel adaptierte Au­ ge V_{( λ )}, erzeugt (vgl. z.B. Bergmann Schaefer, Lehrbuch der Ex­ perimentalphysik, Band III, Optik, 8. Auflage, 1987, Seiten 674 ff., 718, 730-743.

Eine solche spektrale Verteilung hat den Vorteil, daß z. B. der Glanz mit einer spektralen Verteilung bestimmt wird, die der Beleuchtung mit Tageslicht entspricht, wobei die Augenempfind­ lichkeit eines "durchschnittlichen" bzw. "genormten" Menschen berücksichtigt wird.

In einer solchen Vorrichtung bzw. einem Glanzmeßgerät wird das Spektrum von verschiedenen Komponenten beeinflußt. Das von der Lichtquelle ausgestrahlte Licht wird durch die verschiedenen optischen Komponenten, wie Linsen, Filter und dergleichen mehr unterschiedlich spektral beeinflußt.

Neben der zu messenden Oberfläche wird das Spektrum weiterhin durch die spektrale Empfindlichkeit des verwendeten Sensors be­ einflußt, so daß das Meßergebnis sich als Produkt der spektra­ len Verläufe von Lichtquelle, Streuscheibeneinrichtung, opti­ schen Filtern, weiteren verwendeten optischen Elementen wie Linsen und dergleichen, sowie des Sensors multipliziert mit dem spektralen Reflexionsvermögen der zu untersuchenden Oberfläche ergibt.

Die zuerst angeführten Einflüsse definieren das Gerätespektrum, welches dem in Fig. 23 dargestellten Spektrum angenähert werden sollte, um Messungen gemäß der ISO 2813 zu ermöglichen.

Bei dem erfindungsgemäßen Glanzmeßgerät wird das Gerätespektrum an das ideale Spektrum angenähert, indem eine Leuchtdiode mit einem Spektrum 21, wie in Fig. 2 dargestellt, in Verbindung mit einer Filtereinrichtung mit einem spektralen Verlauf 22, wie in Fig. 3 dargestellt, verwendet wird.

Die zusammengefaßten Geräteeigenschaften ergeben einen spektra­ len Verlauf 24, der in Fig. 5 dargestellt ist. Vergleichsweise ist in Fig. 5 das ideale Spektrum 23 aufgetragen, wobei ein­ zelne Meßpunkte 24a des realen und des idealen Spektrums zu­ sätzlich eingezeichnet sind. Im dargestellten Bereich sind die Abweichungen zwischen idealem und realem Spektrum klein, so daß von einer guten Anpassung an die gemäß ISO 2813 vorgeschriebe­ nen Meßbedingungen ausgegangen werden kann.

Insbesondere weisen beide Spektren bei etwa 570 nm das absolute Maximum auf, und auch die Flanken bis etwa 50% maximaler In­ tensität sind nahezu deckungsgleich. Im roten Bereich des Spek­ trums zwischen 600 und 700 nm entspricht der Verlauf des idea­ len Spektrums dem Verlauf des realen Spektrums sehr genau.

Bei diesem Ausführungsbeispiel ist der Fotosensor ein CCD-Chip, bei dem das elektrische Ausgangssignal der einzelnen Fotoele­ mente jeweils einzeln bestimmbar ist. Verschiedene Pixel des CCD-Chips können so zu einzelnen Sensoren zusammengefaßt wer­ den, so daß effektiv mehrere verschiedene Sensoren zur Verfü­ gung stehen, die unterschiedliche Abmessungen aufweisen und geometrisch an unterschiedlichen Orten angeordnet sind.

Paralleles Licht, das von einem idealen Spiegel reflektiert wird, tritt als paralleles Licht in die zweite optische Ein­ richtung ein, wo es durch die dort angeordnete Linse 11 gebün­ delt wird, und trifft auf den Fotosensor 13 der zweiten opti­ schen Einrichtung auf, dessen Signale zur Ableitung des Glanzes herangezogen werden.

Bei einer nicht ideal reflektierenden Oberfläche wird ein Teil diffus reflektiert, so daß auch andere Teile des CCD-Chips aus­ geleuchtet werden. Diese Anteile des aufgenommenen Lichts kön­ nen zur Bestimmung des Schleierglanzes, der DOI und des Orange peel verwendet werden.

Die Einteilung der CCD-Fläche in unterschiedliche Sensoren wird durch eine Steuerungseinrichtung (nicht dargestellt) gesteuert und kann so erfolgen, daß optische Kenngrößen nach unterschied­ lichen internationalen und nationalen Normen gemessen werden können, wie z. B. der amerikanischen Norm ASTM E 430.

Ein zweites Ausführungsbeispiel wird nun mit Bezug auf die Fig. 6 und 7 erläutert.

Bei dem in Fig. 6 im Schnitt dargestellten optischen Meßgerät wurden, soweit möglich, die gleichen Bezugszeichen verwendet wie bei dem in Fig. 1 dargestelltem Meßgerät und den übrigen Ausführungsbeispielen, so daß eine genaue Erläuterung der glei­ chen Komponenten hier unterbleiben kann.

Das Meßgerät 1 weist ein Gehäuse 1 mit einem optischen Sy­ stem 30 auf, welches eine erste optische Einrichtung 2 und eine zweite optische Einrichtung 10 umfaßt. In der ersten optischen Einrichtung 2 ist eine Leuchtdiode als Lichtquelle 3 angeord­ net. Das von der Leuchtdiode 3 ausgestrahlte Licht trifft auf eine in einer Halteeinrichtung 14 aufgenommene Lichtmustenein­ richtung 15, die im Ausführungsbeispiel als Amplituden-Gitter ausgeführt ist. Dem Muster entsprechend, werden Teile des auf­ treffenden Lichts absorbiert, während andere Teile transmit­ tiert werden.

In Fig. 7 ist das von der ersten optischen Einrichtung 2 pro­ jizierte Lichtmuster 50 abgebildet, welches Dunkelstreifen 51 und Hellstreifen 52 aufweist, die über den gesamten Musterab­ schnitt als parallele Streifen ausgerichtet sind. Zusätzlich wird ein Teil der Meßfläche mit Bereichen 53 ausgeleuchtet, die kein Muster aufweisen, so daß z. B. eine Bestimmung des Glanzes erfolgen kann, indem das von der Meßfläche reflektierte Licht der Bereiche 53, wie im Ausführungsbeispiel 1 ausgewertet wird.

Das von der Leuchtdiode 3 ausgestrahlte Licht tritt nach der Lichtmusterplatte bzw. Lichtmustereinrichtung 15 durch den op­ tischen Filter 9 durch, wo das emittierte Spektrum 21 an das ideale Spektrum 23 angepaßt wird, so daß wiederum ein Spek­ trum 24, wie in Fig. 5 dargestellt, zur Messung verwendet wird.

Bei dieser Ausführungsform ergeben sich neben den Meßmöglich­ keiten, die in bezug auf das erste Ausführungsbeispiel be­ schrieben wurden, weitere Möglichkeiten zur Bestimmung von op­ tischen Kennwerten der zu messenden Oberfläche.

Mit zunehmender Rauhigkeit der zu messenden Oberfläche nimmt der Kontrast des auf den Fotosensor abgebildeten Lichtmusters ab, so daß eine Auswertung des Kontrastes zwischen den hellen Bereichen bzw. Kanten 52 und den dunklen Kanten 51 ein Maß für die Rauhigkeit der zu messenden Oberfläche ergibt.

Ein schlechterer Glanz bewirkt eine geringere Intensität, wobei sich der Kontrast zwischen hellen und dunklen Bereichen nicht verändern muß. Auch ein orange peel auf der Oberfläche führt zu einer Verzerrung der einzelnen dunklen und hellen Linien, so daß durch Auswertung des Verlaufs der einzelnen Linien auf die Oberflächenwelligkeit bzw. Oberflächenkrümmung geschlossen wer­ den kann.

Ferner kann durch Auswertung des Lichtmusters bei Messung strukturierter Oberflächen auf die Struktur der Oberfläche ge­ schlossen werden.

Ein Rechteckprofil führt bei geeigneter Orientierung des Licht­ musters zum Versatz einzelner Linien im Bereich der Ver­ tiefungen, während ein Sägezahn- oder Dreieckprofil auf der zu messenden Oberfläche zu entsprechend geneigten Linienbereichen führt.

Durch eine, z. B. digitale, Bildverarbeitung können in der Steuereinrichtung (nicht dargestellt) auf diese Weise die ver­ schiedensten Oberflächenkennwerte abgeleitet werden.

Im Ausführungsbeispiel werden bei dem aufgenommenen Bild die Intensitäten und der Kontrast ausgewertet. Ferner werden die Gradienten von einem Pixel zum nächsten im Bereich des Lichtmu­ sters bestimmt. Durch eine gewichtete Integration bzw. durch eine Mittelwertbildung der Gradienten bzw. aller Gradienten im Bereich des Lichtmusters wird ein charakteristisches Maß für die Struktur der Meßfläche bestimmt.

Ein drittes Ausführungsbeispiel wird nun in bezug auf die Fig. 8 und 9 beschrieben, wobei in Fig. 8 der prinzipielle schaltungstechnische Aufbau beschrieben ist, wie er im wesent­ lichen auch in den Ausführungsbeispielen gemäß Fig. 1 und Fig. 6 verwendet wird.

Das Oberflächenmeßgerät zur Bestimmung des Glanzes und der an­ deren optischen Kenngrößen weist eine Leuchtdiode 3 als Strah­ lungsquelle auf, wobei der Betrieb der Lichtquelle durch eine Steuereinrichtung 60 gesteuert wird, die einen handelsüblichen Mikroprozessor enthält.

Die Steuereinrichtung 60 wird durch ein Programm gesteuert, das in einem Speicher 61 abgelegt ist. Eine Eingabeeinrichtung 62 weist verschiedene Schalter bzw. Schaltungsmöglichkeiten auf und dient zur Eingabe von Steuerbefehlen, um z. B. den Meßab­ lauf zu starten oder die zu bestimmende optische Kenngröße aus­ zuwählen.

Ein Display 65 ist als LCD-Display ausgeführt und dient zur Ausgabe der Meßergebnisse.

Die Vorrichtung kann an einen externen Computer 66 angeschlos­ sen werden, um die in der Speichereinrichtung 61 abgelegten Meßergebnisse übermitteln zu können, und um eine weitergehende Analyse, eine Archivierung oder dergleichen vorzunehmen.

Das in Fig. 9 dargestellte Meßgerät hat ein Gehäuse 100, in dem die Meßoptik untergebracht ist. Ein erstes optisches System 30 umfaßt, wie in den vorangegangenen Ausführungsbeispielen, eine erste optische Einrichtung 2 und eine zweite optische Einrich­ tung 10, deren optische Achsen jeweils unter Winkeln 17, 18 zu der Normalen der zu messenden Oberfläche 108 ausgerichtet sind.

Je nach Anwendungsfall betragen die Winkel 17, 18 vorzugsweise 20°, 45°, 60°, 85° oder einen anderen Betrag, wie er z. B. in internationalen Standards definiert ist.

In der ersten optische Einrichtung ist als Strahlungsquelle ei­ ne Leuchtdiode 3 vorgesehen, welche die Fig. 2 abgebildeten spektralen Eigenschaften aufweist und somit "weißes" Licht aus­ strahlt.

Das von der ersten optischen Einrichtung ausgestrahlte, von der zu untersuchenden Meßfläche 108 reflektierte und von der zwei­ ten optischen Einrichtung 10 aufgenommene Licht wird auf den Fotosensor 13 gelenkt, der als Farb-CCD-Chip ausgeführt ist, um die Farbe des aufgenommenen Lichtes zu erfassen. Insgesamt weist das Meßgerät eine optische Charakteristik auf, wie sie in Fig. 5 dargestellt ist.

Zusätzlich zu den vorangegangenen Ausführungsbeispielen ist in dieser Vorrichtung eine dritte optische Einrichtung 130 vorge­ sehen, die eine Leuchtdiode als Lichtquelle 133 aufweist, deren Licht in etwa senkrecht auf die zu untersuchende Oberfläche ausgerichtet ist.

Das von der Oberfläche diffus reflektierte Licht tritt wenig­ stens teilweise in die zweite optische Einrichtung ein und wird von dem Fotosensor 13 aufgenommen. Da der optische Sensor 13 als Farb-CCD-Chip ausgeführt ist, der jeweils benachbart drei spektral unterschiedlich empfindliche fotosensitive Elemente aufweist, ist die Farbe des reflektierten Lichts und somit der zu messenden Oberfläche bestimmbar.

Ein weiterer Unterschied zu den bisher beschriebenen Ausfüh­ rungsbeispielen ist, daß das Gerät nicht direkt auf die zu mes­ sende Oberfläche 108 aufgesetzt wird, sondern mittels (schematisch angedeuteter) mindestens zweier Gummiwalzen 103, 104 oder mindestens vier Gummiräder 103, 104.

Die Walzen bzw. Räder 103, 104 sind drehbeweglich (nicht darge­ stellt), in dem Gehäuse 100 angeordnet bzw. gelagert und minde­ stens eines der Gummiräder bzw. Walzen ist mit einer Wegstrec­ kenmeßeinrichtung 67 (siehe Fig. 8) versehen, die Winkelbewe­ gungen der Gummiräder 103 erfaßt und ein dafür repräsentatives elektrisches Signal ausgibt.

In diesem Ausführungsbeispiel ist der von der Vorrichtung bzw. dem Meßgerät auf der Oberfläche zurückgelegte Weg erfaßbar. Es kann in vorbestimmten Abständen auf der zu messenden Oberfläche die zu bestimmende oder die zu bestimmenden optischen Kenngrö­ ßen erfaßt werden, die dann zusammen mit einer Ortsangabe in der Speichereinrichtung 61 abgelegt werden, so daß auch große Bauteile, oder z. B. Kraftfahrzeugkarosserien, flächig vermes­ sen werden können.

In Fig. 10 ist ein viertes Ausführungsbeispiel eines erfin­ dungsgemäßen Oberflächenmeßgeräts dargestellt, bei dem drei op­ tische Systeme 30, 31 und 32 verwendet werden. Jedes optische System weist eine erste (2a, 2b, 2c) und eine zweite optische Einrichtung (10a, 10b, 10c) auf.

Die erste optische Einrichtung 2a und die zweite optische Ein­ richtung 10a des ersten optischen Systems 30 sind jeweils unter einem Winkel von 20° zur Normalen der Meßoberfläche 8 angeord­ net, um die optischen Kenngrößen und insbesondere den Glanz der zu messenden Oberfläche zuverlässig und genau bestimmen zu köh­ nen, wenn z. B. eine hochglänzende Oberfläche beurteilt werden soll.

Die erste optische Einrichtung 2a weist eine Leuchtdiode 3a und eine Filter- und Blendeneinrichtung 4a auf, die das von der Leuchtdiode emittierte Spektrum gemäß der in den Fig. 2 bis 5 dargestellten Spektren verändert und anpaßt.

Eine Linse 5a ist weiterhin im Strahlengang zur zu messenden Oberfläche angeordnet, und eine symmetrisch angeordnete Lin­ se 11a bündelt das an der Oberfläche reflektierte Licht auf die zweite optische Einrichtung, in der eine Einrichtung 12a ange­ ordnet ist, die eine Blende und eine Fotozelle umfaßt.

Das zweite optische System 31 ist ähnlich dem ersten optischen System aufgebaut, allerdings sind die ebenfalls symmetrisch an­ geordneten ersten (3b) und zweiten optische Einrichtungen (12b) unter einem Winkel von 60° zur Normalen bzw. Senkrechten auf der zu messenden Oberfläche 8 ausgerichtet.

Mit dieser Meßgeometrie kann der Glanz von im wesentlichen al­ len zu untersuchenden Oberflächen ermittelt werden. Der Meßwin­ kel von 60° kann verwendet werden, um sowohl schwach reflektie­ rende als auch stark reflektierende Oberfläche zu vermessen.

Gemäß diesem Ausführungsbeispiel weist das erfindungsgemäße Oberflächenmeßgerät ein drittes optisches System auf, dessen ausgestrahltes Licht unter einem Winkel von 85° zur Normalen der Meßoberfläche ausgerichtet ist.

Die erste optische Einrichtung 3c des dritten optischen Sy­ stems 32 weist eine Leuchtdiode als Lichtquelle 3c und eine Blenden- und Filtereinrichtung 4c auf, so daß als Meßspektrum das in Fig. 5 mit Bezugszeichen 24 bezeichnete Spektrum bei der Messung Anwendung findet.

Das durch die Blenden- und Filtereinrichtung 4c der ersten op­ tischen Einrichtung 3c des dritten optischen Systems 32 ausge­ strahlte Licht wird von einer Faser 202 zu einer Blende 204 ge­ leitet und nahezu senkrecht zur zu messenden Oberfläche ausge­ richtet abgestrahlt. Ein nahe der Oberfläche angeordnetes Pris­ ma 203 lenkt das Licht derart um, daß es unter einem Winkel von 85 zur Oberflächennormalen auf die Meßoberfläche 8 auftrifft.

Das reflektierte Licht wird von einem Prisma 206 aufgenommen, welches das Licht in Richtung des Fotosensors 12c in der zwei­ ten optischen Einrichtung des dritten optischen System 32 um­ lenkt.

Die 85°-Geometrie eignet sich besonders für schwach glänzende Oberflächen.

Die drei optischen Systeme 30 bis 32 des Meßgerätes 200 gemäß diesem Ausführungsbeispiel sind dabei derart angeordnet, daß das jeweils von der ersten optischen Einrichtung der unter­ schiedlichen optischen Systeme ausgestrahlte Licht sich in ei­ nem Meßpunkt 8 auf der zu untersuchenden Oberfläche schneiden, so daß alle drei optischen Systeme im wesentlichen den gleichen Meßpunkt ausleuchten, wozu in der Grundplatte 201 des Meßgeräts eine entsprechende Öffnung vorgesehen ist.

Bei allen beschriebenen Ausführungsbeispielen werden die Meß­ werte mit in der Speichereinrichtung 61 abgelegten Vergleichs­ werten verglichen, die durch Messung verschiedener Referenz­ standards bzw. Referenzoberflächen ermittelt wurden. Dadurch wird es ermöglicht, die optischen Kenngrößen durch eine Inter­ polation zwischen benachbarten Kenngrößen zu bestimmen.

Weiterhin ist in allen beschriebenen Ausführungsformen das Ge­ häuse 1, 100 oder 200 kleinbauend gestaltet und weist in etwa die Größe eines Buches auf, so daß das Oberflächenmeßgerät vom Benutzer einfach mitgenommen werden kann und auch zur Messung an Oberflächenstellen verwendet werden kann, die schlecht zu­ gänglich sind und deshalb eine Messung mit großbauenden Meßge­ räten nicht ermöglichen.

Claims (31)

1. Vorrichtung (1) zur quantifizierten Bestimmung der Qualität von Oberflächen mit:
einem optischen System (30, 31, 32), welches
eine erste optische Einrichtung (2, 2a, 2b, 2c) aufweist mit wenigstens einer Beleuchtungseinrichtung (3, 3a, 3b, 3c), deren Licht in einem vorbestimmten Winkel (18) auf ei­ ne Meßfläche, die Teil der zu messenden Oberfläche ist, ge­ richtet ist, sowie
eine zweite optische Einrichtung (10, 10a, 10b, 10c), wel­ che in einem vorbestimmten Winkel (17) zu dieser Meßfläche ausgerichtet ist, und welche das von der Meßfläche (8) re­ flektierte Licht aufnimmt, wobei diese zweite optische Ein­ richtung (10, 10a, 10b, 10c) wenigstens einen Fotosen­ sor (13) aufweist, welcher ein elektrisches Meßsignal aus­ gibt ist, das für das reflektierte Licht charakteristisch ist;
einer Steuer- und Auswerteeinrichtung (60), die zur Steue­ rung des Meßablaufs und zur Auswertung der Meßergebnisse vorgesehen ist und die wenigstens eine Prozessoreinrich­ tung (60) und wenigstens eine Speichereinrichtung (61) auf­ weist;
einer Ausgabeeinrichtung (65);
wobei diese Beleuchtungseinrichtung (3, 3a, 3b, 3c) wenig­ stens eine Lichtquelle (3, 3a, 3b, 3c) aufweist, welche ei­ ne Leuchtdiode (3, 3a, 3b, 3c) (LED) ist,
wobei dieses von dieser Beleuchtungseinrichtung (3, 3a, 3b, 3c) ausstrahlbare Licht derart beschaffen ist, daß die spektrale Charakteristik (21, 23, 24) vorzugsweise wenig­ stens blaue, grüne und rote Spektralanteile im sichtbaren Spektrum aufweist und,
wobei eine Filtereinrichtung (6, 9) vorgesehen ist, welche in dem Strahlengang zwischen dieser Lichtquelle (3, 3a, 3b, 3c) und diesem Fotosensor (13) angeordnet ist, und welche die spektrale Charakteristik einfallenden Lichts (21) gemäß vorbestimmter Filtereigenschaften (22) derart verändert, daß die spektrale Charakteristik (24) im wesentlichen einer vorbestimmten spektralen Verteilung (23, 24) angenähert wird, und
wobei diese Auswerteeinrichtung (60) dieses reflektierte Licht auswertet und daraus wenigstens eine Kennzahl ablei­ tet, welche diese Oberfläche charakterisiert.

2. Vorrichtung nach mindestens einem der vorhergehenden An­ sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß diese charakteristische Kenngröße dieser Meßfläche der Glanz ist.

3. Vorrichtung nach mindestens einem der vorhergehenden An­ sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zwei, drei oder mehr charakteristische Kenngrößen die­ ser Meßfläche bestimmt werden.

4. Vorrichtung nach mindestens einem der vorhergehenden An­ sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens eine dieser wenigstens einen charakteristi­ schen Kenngröße einer Gruppe von Kenngrößen entnommen ist, welche Glanz, Glanzschleier, Abbildungsschärfe (DOI) und Farbe umfaßt.

5. Vorrichtung nach mindestens einem der vorhergehenden An­ sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß diese charakteristische optische Kenngröße ein reprä­ sentatives Maß für die typische Wellenlänge und deren Amplitude (Orange peel) der Topologie der Oberfläche dieser Meßfläche in einem vorbestimmten Wellenlängenintervall ist, wobei diese Auswertung auch in zwei oder mehr Wellenlängen­ bereichen erfolgen kann.

6. Vorrichtung nach mindestens einem der vorhergehenden An­ sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß diese vorbestimmte spektrale Verteilung (23) eine Stan­ dardverteilung ist, welche eine Lichtart aufweist, die ei­ ner Gruppe von Lichtstandards entnommen ist, welche die Normlichtart C, die Normlichtart D65, die Normlichtart A und dergl. mehr umfaßt.

7. Vorrichtung nach mindestens einem der vorhergehenden An­ sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine spektrale Meßcharakteristik, die ein Produkt aus der spektralen Charakteristik des auf die Meßfläche ausge­ strahlten Lichts und der spektralen Empfindlichkeit des Sensors proportional zu einem Produkt aus einer spektralen Verteilung einer Standardlichtart und der Augenempfindlich­ keit des menschlichen Auges ist.

8. Vorrichtung nach mindestens einem der vorhergehenden An­ sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß diese Filtereinrichtung (6, 9) wenigstens einen oder mehrere Filter (9) aufweist, welche vorbestimmte spektrale Eigenschaften (22) haben, so daß das von dieser wenigstens einen Lichtquelle (3, 3a, 3b, 3c, 130) ausgestrahlte Licht gezielt spektral beeinflußbar ist.

9. Vorrichtung nach mindestens einem der vorhergehenden An­ sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß in dieser ersten optischen Einrichtung (2, 2a, 2b, 2c) eine Streuscheibeneinrichtung (16) und eine einer Blenden­ einrichtung angeordnet sind, wobei diese Streuscheibenein­ richtung (16) derart beschaffen ist, daß eine homogene Aus­ leuchtung dieser Meßfläche (8) erzielbar ist.

10. Vorrichtung nach mindestens einem der vorhergehenden An­ sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß diese Beleuchtungseinrichtung (3, 3a, 3b, 3c, 130) we­ nigstens eine zweite oder mehr Lichtquellen (3, 3a, 3b, 3c, 130) aufweist, welche vorzugsweise als Leuchtdioden ausge­ führt sind, wobei vorzugsweise jede dieser Lichtquellen (3, 3a, 3b, 3c, 130) eine unterschiedliche spektrale Charakte­ ristik (21, 23, 24) aufweist.

11. Vorrichtung nach mindestens einem der vorhergehenden An­ sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß diese Auswerteeinrichtung (60) über ein in dieser Spei­ chereinrichtung (61) gespeichertes Programm diese Meßsigna­ le auswertet und/oder in dieser Speichereinrichtung (61) speichert.

12. Vorrichtung nach mindestens einem der vorhergehenden An­ sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß diese zweite optische Einrichtung (10, 10a, 10b, 10c) eine Vielzahl von Fotosensoren (13) beinhaltet, welche be­ nachbart angeordnet sind.

13. Vorrichtung nach mindestens einem der vorhergehenden An­ sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens ein erster Teil dieses von dieser ersten op­ tischen Einrichtung ausgestrahlten Lichts ein Lichtmu­ ster (50) aufweist, welches vorzugsweise wenigstens eine Hell-/Dunkelkante (52, 51) umfaßt.

14. Vorrichtung nach mindestens einem der vorhergehenden An­ sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine Vielzahl von Hell-/Dunkelkanten (52, 51) vorgese­ hen sind und wenigstens ein Teil wenigstens abschnittswei­ se (54) parallel zueinander verläuft, und daß vorzugsweise wenigstens ein Teil dieser Vielzahl von Hell- /Dunkelkanten (52, 51) in einer Form angeordnet ist, welche einer Gruppe von Formen entnommen ist, welche Gitter- (54), Kreuzgitter-, Ellipsen-, Kreisformen und dgl. mehr umfaßt.

15. Vorrichtung nach mindestens einem der vorhergehenden An­ sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß mit dieser Auswerteeinrichtung (60) für wenigstens ei­ nen Teil dieser Vielzahl von Fotosensoren (13) jeweils we­ nigstens eine Steigung des Meßsignals aus einer Differenz dieses Meßsignals dieses Fotosensors (13) mit diesem Meßsi­ gnal eines nächsten Fotosensors (13) ableitbar ist.

16. Vorrichtung nach mindestens einem der vorhergehenden An­ sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß diese Auswerteeinrichtung (60) derart ausgebildet ist, daß wenigstens ein Durchschnittskennwert wenigstens eines Teils der Steigungen bestimmbar ist und daraus eine charak­ teristische Strukturkennzahl für eine strukturbedingte Ei­ genschaft dieser Oberfläche (8) bestimmbar ist.

17. Vorrichtung nach mindestens einem der vorhergehenden An­ sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß diese Vorrichtung eine dritte optische Einrich­ tung (130) mit wenigstens einer Lichtquelle (133) aufweist und Licht mit einer vorgegebenen spektralen Charakteri­ stik (21, 23, 24) ausstrahlt, welches in einem vorbestimm­ ten Winkel auf diese Meßfläche (8) gerichtet ist.

18. Vorrichtung nach mindestens einem der vorhergehenden An­ sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß dieser vorbestimmte Winkel (17, 18), in welchem das von wenigstens einer dieser optischen Einrichtungen (2, 10, 130; 2a, 10a; 2b, 10b; 2c, 10c) ausgestrahlte Licht zu die­ ser Meßfläche (8) ausgerichtet ist, einer Gruppe von Win­ keln entnommen ist, welche insbesondere die Winkel 0°, 5°, 10°, 15°, 20°, 30°, 45°, 60°, 75°, 80° und 85° umfaßt, wo­ bei vorzugsweise diese vorbestimmten Winkel (17, 18) unter­ schiedlicher optischer Einrichtungen unterschiedlich sind.

19. Vorrichtung nach mindestens einem der vorhergehenden An­ sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein zweites (2b, 10b) und vorzugsweise ein drittes op­ tisches System (2c, 10c) vorgesehen ist, und daß vorzugs­ weise die optischen Systeme unter 20° (2a, 10a), 60° (2b, 10b) und 85° (2c, 10c) angeordnet sind.

20. Vorrichtung nach mindestens einem der vorhergehenden An­ sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß dieses von dieser dritten optischen Einrichtung (130) ausgestrahlte Licht in einem derartigen Winkel auf die Oberfläche gerichtet ist, daß das unmittelbar von der Meß­ fläche (8) gemäß der Fresnelschen Reflexion gerichtet re­ flektierte Licht gegenüber dieser Meßfläche einen anderen Winkel aufweist, als der Winkel zwischen dieser Meßflä­ che (8) und dem von dieser Meßfläche (8) gerichtet reflek­ tierten Licht, welches von dieser ersten optischen Einrich­ tung (2, 2a, 2b, 2c) ausgestrahlt wird.

21. Vorrichtung nach mindestens einem der vorhergehenden An­ sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß diese wenigstens eine Lichtquelle (133) dieser dritten optischen Einrichtung (130) wenigstens eine Leuchtdiode (3') aufweist, deren ausgestrahltes Licht eine derartige spek­ trale Charakteristik (21, 23, 24) hat, daß die Farbe des ausgestrahlten Lichts "weiß" ist.

22. Vorrichtung nach mindestens einem der vorhergehenden An­ sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens ein Fotosensor (13) wenigstens zwei, vor­ zugsweise drei oder mehr fotosensitive Elemente aufweist, deren elektrische Ausgangssignale einzeln erfaßbar sind und die sich in ihrer spektralen Charakteristik unterscheiden, so daß als optische Kenngröße dieser Meßfläche (8) die Far­ be des reflektierten Lichtes erfaßbar ist.

23. Vorrichtung nach mindestens einem der vorhergehenden An­ sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß diese erste und/oder diese dritte optische Einrich­ tung (2, 2a, 2b, 2c, 130) im wesentlichen paralleles Licht ausstrahlt.

24. Vorrichtung nach mindestens einem der vorhergehenden An­ sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß diese erste und/oder dritte optische Einrichtung (2, 2a, 2b, 2c, 130) im wesentlichen divergentes oder konver­ gentes Licht ausstrahlt.

25. Vorrichtung nach mindestens einem der vorhergehenden An­ sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens eine optische Einrichtung (2, 2a, 2b, 2c, 130) wenigstens einen Lichtstreifen (52) mit vorbestimmter Länge und Breite senkrecht zur Ausbreitungsrichtung aus­ strahlt.

26. Vorrichtung nach mindestens einem der vorhergehenden An­ sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß in möglichst unmittelbarer Nähe wenigstens einer Licht­ quelle (3, 3a, 3b, 3c, 133) und/oder wenigstens eines Foto­ sensors (13) wenigstens eine Temperaturmeßeinrichtung ange­ ordnet ist, welche zur Bestimmung der charakteristischen Temperatur der jeweiligen Lichtquelle (3, 3a, 3b, 3c, 133) und/oder des jeweiligen Fotosensors (13) vorgesehen ist, damit eine temperaturkorrigierte Bestimmung dieser wenig­ stens einen Kenngröße erfolgen kann.

27. Vorrichtung nach mindestens einem der vorhergehenden An­ sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens ein Teil des Verlaufs des Abbilds dieser we­ nigstens einen Hell-/Dunkelkante (52, 51) auf dieser Viel­ zahl von Fotosensoren (13) bestimmt wird und durch eine Ab­ weichung vom idealen Verlauf von diesem gemessenen Verlauf ein charakteristischer Oberflächen-Kennwert dieser Meßflä­ che (8) bestimmt wird.

28. Vorrichtung nach mindestens einem der vorhergehenden An­ sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß diese Vorrichtung (1) relativ zur Meßfläche (8) in ei­ ner im wesentlichen abstandsgleichen Richtung verschiebbar ist, und daß eine Wegstreckenmeßeinrichtung (67) vorgesehen ist, welche diese relative Verschiebung quantitativ erfaßt, und daß weiterhin eine Speichereinrichtung (61) vorgesehen ist, in welcher die entlang vorgegebener Meßstellen auf der Oberfläche gemessenen Strukturkennwerte und/oder optischen Kenngrößen abgespeichert werden.

29. Vorrichtung nach mindestens einem der vorhergehenden An­ sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens ein Meßrad (103, 104) vorgesehen ist, wel­ ches während der Messung auf der zu messenden Oberflä­ che (8) aufgesetzt ist, und sich während der Relativbewe­ gung zwischen der Vorrichtung (1, 100, 200) und der zu mes­ senden Oberfläche (8) dreht.

30. Vorrichtung nach mindestens einem der vorhergehenden An­ sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens eines dieses wenigstens einen Meßrades (103, 104) mit einem Drehwinkel-Geber (67) verbunden ist, der ein elektrisches Drehwinkelsignal ausgibt, welches für den vom Meßrad (103, 104) zurückgelegten Drehwinkel repräsentativ ist.

31. Verfahren zur quantifizierten Bestimmung der Qualität von Oberflächen, insbesondere unter Verwendung einer Vorrich­ tung (1, 100, 200) gemäß mindestens einem vorhergehenden Ansprüche, bei welchem
eine erste optische Einrichtung (2, 2a, 2b, 2c) mit einer ersten als Leuchtdiode (3) (LED) ausgeführten Lichtquel­ le (3, 3a, 3b, 3c) vorgesehen ist, um deren ausgestrahltes Licht mit vorzugsweise blauen, grünen und roten Spektralan­ teilen unter einem vorbestimmten Winkel (18) auf eine zu messende Oberfläche (8) zu richten, und
eine zweite optische Einrichtung (10, 10a, 10b, 10c) vorge­ sehen ist, welche wenigstens einen Fotosensor (13) auf­ weist, welche in einem zweiten vorbestimmten Winkel (17) zu dieser Meßfläche (8) ausgerichtet ist, um das von der Meß­ fläche (8) reflektierte Licht aufzunehmen, wobei dieser we­ nigstens eine Fotosensor (13) ein elektrisches Meßsignal ausgibt, welches für das aufgenommene Licht charakteri­ stisch ist, und
eine Steuer- und Auswerteeinrichtung (60) angeordnet ist, die den Meßablauf steuert und die Meßergebnisse auswertet, die wenigstens eine Prozessoreinrichtung (60) beinhaltet und welche diese Meßsignale in einer Speichereinrich­ tung (61) speichert, und
eine Ausgabe-Einrichtung (65) die Meßergebnisse ausgibt, und diese Auswerteeinrichtung (60) dieses reflektierte Licht auswertet und daraus wenigstens eine Kennzahl ableitet, welche die zu messende Oberfläche (8) charakterisiert.