DE102004059186A1

DE102004059186A1 - Verfahren und Vorrichtung zur ortsauflösenden Bewertung von Oberflächeneigenschaften

Info

Publication number: DE102004059186A1
Application number: DE102004059186A
Authority: DE
Inventors: Uwe Sperling; Konrad Lex
Original assignee: BYK Gardner GmbH
Current assignee: BYK Gardner GmbH
Priority date: 2004-12-08
Filing date: 2004-12-08
Publication date: 2006-06-14
Also published as: US7567348B2; JP4629554B2; JP2006162600A; US20060119854A1

Abstract

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zur ortsauflösenden Untersuchung und Bewertung von Oberflächeneigenschaften, insbesondere solcher Oberflächeneigenschaften, die den optischen Eindruck der Oberfläche beeinflussen. Dabei wird eine vorgegebene Strahlung unter einem ersten vorgegebenen Raumwinkel auf eine zu untersuchende Oberfläche gerichtet. Weiterhin wird wenigstens ein Teil der von der zu untersuchenden Oberfläche insbesondere durch Streuung und Reflexion beeinflussten Strahlung unter einem zweiten vorgegebenen Raumwinkel detektiert. Dabei wird wenigstens eine Messgröße ortsaufgelöst erfasst, die wenigstens eine vorbestimmte Eigenschaft der von der zu untersuchenden Oberfläche beeinflussten Strahlung charakterisiert. Über wenigstens einen Teil dieser ortsaufgelösten Messwerte wird wenigstens eine statistische Größe zur Charakterisierung der Oberfläche bestimmt.

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur ortsauflösenden Untersuchung und Bewertung von Oberflächeneigenschaften, insbesondere solcher Oberflächeneigenschaften, die den optischen Eindruck der Oberfläche beeinflussen. Das Verfahren wird nachfolgend unter Bezug auf die Untersuchung von Karosserien von Kraftfahrzeugen beschrieben. Es wird jedoch darauf hingewiesen, dass auch andere Oberflächen mit dem erfindungsgemäßen Verfahren untersucht werden können.

Verfahren zur Untersuchung von Oberflächeneigenschaften sind aus dem Stand der Technik bekannt. Dabei wird Licht auf die zu untersuchende Oberfläche gerichtet sowie das von der Oberfläche reflektierte bzw. gestreute Licht detektiert und ausgewertet. Durch diese Auswertung können insbesondere optische Eigenschaften der Oberfläche, wie beispielsweise Farbe oder Glanz, bestimmt werden. Eine derartige Bestimmung bzw. Charakterisierung ist nötig, da Kfz-Karosserien bzw. deren Lackierungen in Abhängigkeit von Eigenschaften ihrer Oberfläche bzw. des einfallenden Lichts und vom Betrachtungswinkel für das menschliche Auge einen unterschiedlichen Eindruck erwecken und daher eine objektive Charakterisierung nötig ist.

In jüngerer Zeit erfreuen sich vor allem auch solche Lackierungen größerer Beliebtheit, welche Pigmente oder sogenannte Flakes aufweisen. Bei diesen Pigmenten bzw. Flakes kann es sich um Metallteilchen handeln, welche statistisch in der Lackschicht bzw. deren Oberfläche verteilt sind. Genauer gesagt, bestehen beispielsweise metallische Pigmente aus sehr dünnen Metallflocken (Flakes), die wie Miniaturspiegel wirken.

Die Charakterisierung und Standardisierung derartiger Lacke bzw. die Messung der von ihnen beeinflussten Oberflächeneigenschaften bereitet Probleme, da durch die Verteilung, Anordnung, Orientierung und Größe bzw. Größeverhältnisse von Effektpigmenten oder Flakes je nach Einfallsrichtung des Lichts und beispielsweise bereits bei geringfügig unterschiedlichen Betrachtungswinkeln beim Betrachter unterschiedliche Eindrücke von Farben und Helligkeiten entstehen können.

Zum Einsatz kommen weiterhin unter anderem Lacke mit Interferenzpigmenten, die insbesondere beim Betrachten größerer Oberflächenbereiche Farbverläufe mit mehr oder weniger genau spezifizierten Farbumschlagswinkeln (Flop) hervorrufen, wobei mitunter stark unterschiedliche Farbeindrücke erzielt werden können, wodurch dann auch die lackierten Flächen insgesamt unterschiedlich hell bzw. unterschiedlich farbig erscheinen.

Diese Effekte und unterschiedliche Wahrnehmungen von Oberflächen, die z. B. aus verschiedener Dichte, Verteilung, Zusammensetzung und Struktur von Lackzusätzen, wie Flakes oder Effektpigmenten herrühren, können mit Verfahren nach dem Stand der Technik nicht detektiert werden, da die entsprechenden Detektionseinrichtungen jeweils nur Informationen über die Summenintensität des von verschiedenen Orten der Messfläche auf sie einfallenden Lichtes geben, d. h. eine Intensitäts-Integration ohne Ortsauflösung vornehmen.

Ferner sehen Verfahren nach dem Stand der Technik für orts- und betrachtungswinkelvariable Oberflächeneigenschaften keine Zurückführung auf weitverbreitete Kenngrößen vor, insbesondere nicht auf solche der allgemeinen Farbentheorie.

Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, bei der Untersuchung von Oberflächeneigenschaften auch solche unterschiedlichen optischen Eindrücke auflösen und bewerten zu können, welche gerade durch ortsspezifische Oberflächeneigenschaften, wie beispielsweise die Verteilung, Anordnung und Orientierung von Effektpigmenten oder Flakes sowie eine Betrachtung der Oberflächen unter beispielsweise unterschiedlichen Raumwinkeln oder Beleuchtungen entstehen.

Dies wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren nach Anspruch 1 und eine Vorrichtung nach Anspruch 11 bewerkstelligt. Vorteilhafte Ausführungsformen und Weiterbildungen sind Gegenstand der Unteransprüche.

Das erfindungsgemäße Verfahren ist insofern vorteilhaft als durch eine Zurückführung insbesondere orts- und/oder beleuchtungsvariabler Oberflächeneigenschaften auf weitverbreitete, standardisierte Größen, insbesondere etablierte Größen der Farbentheorie, sowohl eine genauere Charakterisierung als auch eine einfachere Vergleichbarkeit derartiger Oberflächen ermöglicht wird.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zur ortsauflösenden Untersuchung von Oberflächeneigenschaften wird eine vorgegebene Strahlung unter einem ersten vorgegebenen Raumwinkel auf eine zu untersuchende Oberfläche gerichtet.

Weiterhin wird erfindungsgemäß wenigstens ein Teil der von der zu untersuchenden Oberfläche beeinflussten Strahlung unter einem zweiten vorgegebenen Raumwinkel detektiert, wobei wenigstens eine Messgröße ortsaufgelöst erfasst wird, die wenigstens eine vorbestimmte Eigenschaft der von der zu untersuchenden Oberfläche beeinflussten Strahlung charakterisiert.

Erfindungsgemäß wird über wenigstens einen Teil der ortsaufgelösten Messwerte wenigstens eine statistische Größe zur Charakterisierung der Oberfläche bestimmt.

Als von der zu untersuchenden Oberfläche beeinflusste Strahlung wird jene Strahlung verstanden, die in irgendeiner ihrer Eigenschaften von der zu untersuchenden Oberfläche beeinflusst wird, insbesondere durch physikalische Effekte wie Reflexion, Streuung, Beugung, Absorption und dergleichen sowie Kombinationen hieraus.

Unter einem Raumwinkel wird in Abgrenzung zum mathematischen Raumwinkelbegriff im Rahmen dieser Erfindung ein Tupel aus Teilraumwinkeln verstanden. Dabei bezeichnet die erste Komponente des Raumwinkels, d. h., der erste Teilraumwinkel α, den Winkel der Projektion einer durch eine im Ursprung eines kartesischen Koordinatensystems beginnenden Halbgeraden definierten Raumrichtung auf die x-/z-Ebene gegenüber der positiven z-Achse.

Die zweite Komponente des Raumwinkels, d. h. der zweite Teilraumwinkel β bezeichnet den Winkel der Projektion der genannten Halbgeraden auf die y-/z-Ebene gegenüber der positiven z-Achse. Das Koordinatensystem ist dabei so orientiert, dass die Messfläche bzw. zumindest Teile der Messfläche dabei in der x-/y-Ebene liegen.

Der Raumwinkel ist geeignet, die Ausrichtung der Strahlungs- bzw. Detektionseinrichtung gegenüber der zu untersuchenden Oberfläche eindeutig zu charakterisieren. Unter einem Raumwinkel von (0°, 0°) wird ein Raumwinkel verstanden, bei welchem sich die Strahlungs- oder Detektionseinrichtung derart über der zu untersuchenden Oberfläche befindet, dass beispielsweise die von der Strahlungseinrichtung ausgesandte Strahlung im Wesentlichen senkrecht auf die zu untersuchende Oberfläche trifft.

In einer bevorzugten Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird eine vorgegebene Strahlung verwendet, welche bei der Bestimmung der statistischen Größe bevorzugt auf eine Normlichtart, wie insbesondere A, B, C, D50, D65 D75, F11, TL84-Normlicht, durch spektrale Verrechnung zurückgerechnet werden kann. Besonders bevorzugt wird zur Ermittlung gut vergleichbarer Oberflächenkenngrößen die in der Farbmetrik wichtige Bezugslichtart D65 verwendet. Diese ist repräsentativ für eine Phase des natürlichen Tageslichtes mit der Farbtemperatur 6500 Kelvin.

Bevorzugt ist die Eigenschaft der von der zu untersuchenden Oberfläche beeinflussten Strahlung einer Gruppe von Eigenschaften entnommen, welche die spektrale Strahlungsintensität, insbesondere die spektrale Remission β(λ), die spektrale Transmission τ(λ), die integrale Strahlungsintensität, die Wellenlänge des Strahlungsintensitätsmaximums und dergleichen enthält.

Als spektrale Remission β(λ) wird im Rahmen der Erfindung das Verhältnis verstanden von an einem Oberflächenteil reflektierter Strahlung zu der darauf einfallenden Strahlung in Abhängigkeit der Strahlungswellenlänge λ, wobei die Messung der reflektierten Strahlung unter einem Ausfallswinkel erfolgt, der gegengleich zum Einfallswinkel der einfallenden Strahlung ist.

Als spektrale Transmission τ(λ) wird im Rahmen der Erfindung das Verhältnis verstanden von durch einen Oberflächenteil durchgehender Strahlung zu der darauf einfallenden Strahlung in Abhängigkeit der Strahlungswellenlänge λ.

Bevorzugt korrespondiert die wenigstens eine erfasste Messgröße zu wenigstens einer der oben genannten Eigenschaften der von der zu untersuchenden Oberfläche beeinflussten Strahlung, besonders bevorzugt ist sie dazu proportional. Ferner wird bevorzugt wenigstens ein zur erfassten Messgröße in gleicher Weise korrespondierendes Signal erzeugt, bevorzugt ein elektrisches Signal, welches sich in vorteilhafter Weise für die weitere Signalverarbeitung zur Bestimmung der wenigstens einen statistischen Größe eignet.

In einer weiteren bevorzugten Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird zur Bestimmung der statistischen Größe wenigstens ein vorgegebenes Werteintervall wenigstens einer Messgröße verwendet. Bevorzugt können hierdurch insbesondere für die optische Wahrnehmung der Oberfläche im Wesentlichen irrelevante Werteintervalle vorgefiltert und so beispielsweise der Verarbeitungsaufwand zur Bestimmung der statistischen Größe bzw. der Oberflächenkennzahl minimiert werden.

Bevorzugt wird wenigstens eine, die beeinflusste Strahlung charakterisierende Verteilung F_m*(m* = m) der ortsaufgelösten Messwerte bestimmt. Hier wird als Verteilung eine Funktion verstanden, bei der über vorgegebenen Messwerten in einem vorbestimmten Messwertebereich diejenige Anzahl von ermittelten Messpunkten aller ortsaufgelösten Messpunkte aufgetragen wird, die den jeweiligen Messwert m aufweisen.

In einer bevorzugten Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird wenigstens eine die beeinflusste Strahlung charakterisierende Kennzahl in Abhängigkeit des wenigstens einen statistischen Parameters aus den ortsaufgelösten Messwerten abgeleitet, bevorzugt aus der wenigstens einen Verteilung F_m*(m* = m) der ortsaufgelösten Messwerte.

In einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist die statistische Größe, insbesondere die der Verteilung F_m*(m* = m) der ortsaufgelösten Messwerte einer Gruppe von statistischen Größen entnommen, welche den Mittelwert μ_m*, die Streuung, den Median, die Spannweite, das Minimum, das Maximum, die absolute Abweichung, den (Inter)-Quartilabstand, die Standardabweichung σ_m*, die Varianz σ 2 / m* und dergleichen enthält.

In einer bevorzugten Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist der Mittelwert μ_m* einer Gruppe von Mittelwerten entnommen, welche arithmetische, geometrische, gleitende, vektorielle, harmonische, gewichtete, verallgemeinerte Mittelwerte und dergleichen sowie Kombinationen hieraus enthält.

Bevorzugt werden, insbesondere für die Bestimmung von Farbkoordinaten der beeinflussten Strahlung, wenigstens die Normspektralwertkurven x(λ), y(λ) und z(λ) sowie das Emissionsspektrum S(λ) der einfallenden Strahlung zur Verfügung gestellt.

In einer bevorzugten Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens werden mittels der ortsaufgelösten spektralen Remissionen β(x, y, λ) der zu untersuchenden Oberfläche ortsaufgelöste Normfarbwerte X(x, y) = k∫S(λ)β(x, y, λ)x(λ)dλ, Y(x, y) = k∫S(λ)β(x, y, λ)y(λ)dλ und Z(x, y) = k∫S(λ)β(x, y, λ)z(λ)dλ bestimmt.

Die Farbwerte X, Y und Z beschreiben eine Farbe, wie sie der so genannte Normalbeobachter unter einer bestimmten Beleuchtungsart wahrnimmt, eindeutig. Jeder einzelne der drei Farbwerte stellt allerdings lediglich das Integral wellenlängenabhängiger Einzelfarbreize dar, dem nicht mehr entnommen werden kann, wie sich der Integralwert aus den Wertbeiträgen der Einzelfarbreize zusammensetzt.

Die drei Integrale sind maßgeblich für die wahrgenommene Farbe, wobei die Größe der einzelnen Integralbeiträge durch das Emissionsspektrum S(λ) der verwendeten Lichtart und die Gewichtung über die Normspektralwertkurven x(λ), y(λ) und z(λ) des Normalbeobachters im betrachteten Wellenlängenintervall bestimmt wird. Somit können theoretisch unendlich viele verschiedene spektrale Remissionsverteilungen β(λ) – durch entsprechend gewählte Emissionsspektra S(λ) der Beleuchtung oder andere Spektralwertkurven x(λ), y(λ) und z(λ) des Beobachters, gleiche, aber aus unterschiedlichen Integralbeiträgen zusammengesetzte Farbwerte und damit gleiche Empfindungen produzieren.

Derartige Farben werden als "bedingt gleich" oder "metamer" bezeichnet. Bei metameren Farben nehmen auch bei gleichem Emissionsspektrum S(λ) der Beleuchtung verschiedene Beobachter aufgrund ihrer unterschiedlichen Spektralwertkurven x(λ), y(λ) und z(λ) mehr oder weniger starke Farbunterschiede wahr. Unter anderem diese beobachterabhängige Metamerie hat zur Einführung der Normbeobachter mit normierten Normspektralwertkurven x(λ), y(λ) und z(λ), so z. B. des 10°-Normbeobachters geführt.

Nur Farbenpaare mit gleicher spektraler Remission β(λ) sind unbedingt gleich oder nicht metamer – für alle Beobachter und alle Beleuchtungsarten. Daher zielt die industrielle Farbmetrik und Farbrezeptberechnung auf möglichst gleiche Remissionsspektren von Farbnachstellungen bzgl. gegebener Vorlagen. Eine gebräuchliche Kennzahl ist hierbei der Metamerie-Index, welcher die Farbdifferenz zwischen Farbvorlage und Nachstellung bei Wechsel der Beleuchtungsart – meist bei Übergang von Normlichtart D65 auf Normlichtart A – bezeichnet. Üblicherweise sollte der Metamerie-Index der Nachstellung möglichst gering sein.

Bevorzugt werden mittels der ortsaufgelösten spektralen Transmissionen τ(x, y, λ) der zu untersuchenden Oberfläche ortsaufgelöste Normfarbwerte X(x, y) = k∫S(λ)τ(x, y,λ)x(λ)dλ, Y(x, y) = k∫S(λ)τ(x, y, λ)y(λ)dλ und Z(x, y) = k∫S(λ)τ(x, y, λ)z(λ)dλ bestimmt. Dies dient der Bestimmung der Normfarbwerte wenigstens teilweise transparenter Oberflächen im Durchlichtverfahren.

In einer vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens werden insbesondere mittels der ortsaufgelösten Normfarbwerte X(x, y), Y(x, y) und Z(x, y) der von der Oberfläche beeinflussten Strahlung ortsaufgelöste CIEL*a*b*-Farbkoordinatenwerte L^*(x, y), a^*(x, y) und b^*(x, y) bestimmt.

Die Zurückführung der Messwerte auf das CIEL*a*b*-Farbsystem ist insofern vorteilhaft, als es zu den bekanntesten und weitverbreitesten, näherungsweise visuell gleichabständigen Farbsystemen zählt. Das Aussehen wird hier durch die drei Werte L^*, a^* und b^* gekennzeichnet, die in einem kartesischen Koordinatensystem aufgetragen sind (vgl. 3). Unbunte „Farben" liegen auf der vertikalen Helligkeitsachse L^*. Sie verläuft von 0 (Schwarz, unten) bis 100 (Weiß, oben). Mit zunehmenden Abstand von der Unbuntachse, nimmt die Buntheit der Farben zu. Dabei verändert sich auf der a^*-Achse der Buntton von grünlich im negativen Bereich nach rötlich im positiven Bereich und auf der b^*-Achse der Buntton von bläulich im negativen Bereich nach gelblich im positiven Bereich. An der Grenze des Bereichs befinden sich die Optimalfarben. Innerhalb des Körpers befinden sich alle theoretisch möglichen Farben.

Die in der Natur vorkommenden und technisch herstellbaren Farben befinden sich deutlich innerhalb dieser Begrenzung. Der CIEL*a*b*-Farbraum stellt einen Farbraum dar, bei dem zahlenmäßig gleiche Differenzen der Farbabstände

bei verschiedenen Farbtönen auch empfindungsgemäß als nahezu gleich beurteilt werden. Die von der CIE vorgeschlagene CIEL*a*b*-Formel (1976) stellt gegenüber den früheren Formeln einen Kompromiss zwischen Gleichabständigkeit und zumutbarem Rechenaufwand dar.

Das erfindungsgemäße Verfahren ist damit insbesondere insofern vorteilhaft, als auch für Oberflächen mit orts- bzw. winkelvariabler Farbwirkung, weitverbreitete Kennzahlen wie beispielsweise Metamerie-Indices oder L*a*b-Farbkoordinaten bestimmt werden.

In einer anderen vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens werden insbesondere mittels der ortsaufgelösten Normfarbwerte X(x, y), Y(x, y) und Z(x, y) der von der Oberfläche beeinflussten Strahlung ortsaufgelöste CIEL*C*H*-Farbkoordinatenwerte L^*(x, y), C^*(x, y) und h^*(x, y) bestimmt.

Bei dem CIEL*C*H*-Farbraum handelt es sich nicht um einen zusätzlichen Farbraum. Es werden anstelle der kartesischen Koordinaten a^*, b^* die Polarkoordinaten C^* und h^* verwendet, wobei der Helligkeitswert L^* gleichermaßen verwendet wird. Farbart und Sättigung einer Farbe werden in diesem Farbraum über den Bunttonwinkel h^* und den Abstand C^* zur Unbuntachse definiert, die als Buntheit bzw. Sättigung bezeichnet wird.

Alternativ kann in einer weiteren Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens vorgesehen sein, dass insbesondere mittels der ortsaufgelösten Normfarbwerte X(x, y), Y(x, y) und Z(x, y) der von der Oberfläche beeinflussten Strahlung ortsaufgelöste CIEL*u*v*-Farbkoordinatenwerte L^*(x, y), u^*(x, y) und v^*(x, y) bestimmt werden.

Bevorzugt werden mittels der ortsaufgelösten CIE-Farbkoordinatenwerte CIE-Farbkoordinatenwerteverteilungen, bevorzugt CIEL*a*b*-Farbkoordinatenwerteverteilungen F_L*(L* = L) F_a*(a* = a) und F_b*(b* = b) bestimmt.

In einer bevorzugten Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird wenigstens eine statistische Größe der CIE-Farbkoordinatenwerteverteilungen, bevorzugt der CIEL*a*b*-Farbkoordinatenwerteverteilungen F_L*(L* = L) F_a*(a* = a) und F_b*(b* = b) bestimmt, die einer Gruppe von statistischen Größen entnommen ist, welche den Mittelwert, die Streuung, den Median, die Spannweite, das Minimum, das Maximum, die absolute Abweichung, den (Inter)-Quartilabstand, die Standardabweichung, die Varianz und dergleichen enthält.

In einer bevorzugten Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird wenigstens einmal der erste und/oder der zweite vorgegebene Raumwinkel verändert, die von der zu untersuchenden Oberfläche beeinflusste Strahlung neu detektiert und die wenigstens eine statistische Größe neu bestimmt. Hierdurch können ortsvariable Farb- und Helligkeitsverteilungen der zu untersuchenden Oberfläche – wie beispielsweise durch Flakes oder Effektpigmente hervorgerufen – in einfacher Weise auch für unterschiedliche Betrachtungswinkel bestimmt und die Oberfläche winkelmäßig abgetastet werden.

Die Erfindung ist ferner auf eine Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Bestimmung von Oberflächeneigenschaften gerichtet.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung sieht wenigstens eine erste Strahlungseinrichtung vor, die eine vorgegebene Strahlung unter einem ersten vorgegebenen Raumwinkel auf eine zu untersuchende Oberfläche richtet.

Weiterhin weist die erfindungsgemäße Vorrichtung wenigstens eine erste Detektionseinrichtung auf, die wenigstens einen Teil der von der zu untersuchenden Oberfläche beeinflussten Strahlung unter einem zweiten vorgegebenen Raumwinkel detektiert, wobei wenigstens eine Messgröße ortsaufgelöst erfasst wird, die wenigstens eine vorbestimmte Eigenschaft der von der zu untersuchenden Oberfläche beeinflussten Strahlung charakterisiert.

Erfindungsgemäß ist ferner wenigstens eine Prozessoreinrichtung vorgesehen, die wenigstens eine statistische Größe über wenigstens einen Teil der ortsaufgelösten Messwerte zur Charakterisierung der Oberfläche bestimmt.

Zudem weist die erfindungsgemäße Vorrichtung wenigstens eine Ausgabeeinrichtung auf, die wenigstens die statistische Größe oder eine daraus oder zumindest eine aus den ortsaufgelösten Messwerten abgeleitete Kennzahl ausgibt.

In einer bevorzugten Ausführungsform weist die erste Detektionseinrichtung wenigstens ein bevorzugt flächiges Bildaufnahmeelement auf, welches eine ortsaufgelöste Detektion der Strahlung erlaubt.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist die erste Detektionseinrichtung einer Gruppe von Detektionseinrichtungen entnommen, welche Kameras, CCD-Chips und dergleichen enthält.

In einer bevorzugten Weiterbildung der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist wenigstens eine zweite Strahlungseinrichtung vorgesehen.

In einer bevorzugten Weiterbildung der erfindungsgemäßen Vorrichtung wird die zu untersuchende Oberfläche wenigstens zeitweise gleichzeitig von wenigstens zwei Strahlungseinrichtungen bestrahlt.

In einer bevorzugten Ausführungsform weist wenigstens eine der Strahlungseinrichtungen wenigstens eine Strahlungsquelle aus einer Gruppe von Strahlungsquellen auf, welche Glühlampen, Gasentladungslampen, Halogenlampen, Leuchtdioden, Laser- und Laserdioden, thermische Strahlungsquellen und dergleichen enthält.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist wenigstens eine Strahlungsquelle hinsichtlich wenigstens einer Strahlungseigenschaft wie insbesondere, aber nicht ausschließlich des Emissionsspektrums S(λ), der Wellenlänge des Intensitätsmaximums, der Polarisation, der Intensität, der Modulation, der Kohärenz oder dergleichen veränderbar.

In einer bevorzugten Weiterbildung der erfindungsgemäßen Vorrichtung strahlt wenigstens eine Strahlungsquelle eine Strahlung ab, welche bei der Bestimmung der statistischen Größe bevorzugt auf eine Normlichtart, wie insbesondere A, B, C, D50, D65 D75, F11, TL84-Normlicht, und besonders bevorzugt auf D65-Normlicht zurückgerechnet werden kann.

In einer bevorzugten Weiterbildung der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist wenigstens eine zweite Detektionseinrichtung vorgesehen, die einer Gruppe von Detektionseinrichtungen entnommen ist, welche Fotozellen, Fotoelemente, Fotodioden und dergleichen enthält. Hierdurch sind neben ortsauflösenden auch ortsintegrale Messungen möglich.

In einer bevorzugten Ausführungsform sind die Strahlungseinrichtungen und die Detektionseinrichtungen in einem gemeinsamen im Wesentlichen strahlungsundurchlässigen Gehäuse angeordnet, welches wenigstens eine Öffnung aufweist, durch welche die Strahlung auf die zu untersuchende Oberfläche geleitet wird.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist wenigstens eine Speichereinrichtung vorgesehen, in der, insbesondere für die Bestimmung von Farbkoordinaten der beeinflussten Strahlung, wenigstens die Normspektralwertkurven x(λ), y(λ) und z(λ) sowie das Emissionsspektrum S(λ) der einfallenden Strahlung gespeichert werden können.

Das erfindungsgemäße Verfahren und die erfindungsgemäße Vorrichtung werden für die Bestimmung von insbesondere ortsaufgelösten Oberflächeneigenschaften verwendet, bevorzugt der Oberflächeneigenschaften von Kraftfahrzeuglackierungen.

Weitere Vorteile und Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele und den beiliegenden Zeichnungen.

Darin zeigen:
1 ein Diagramm der mittels eines erfindungsgemäß ortsauflösenden Verfahrens bestimmten Verteilung der Anzahl von Flakes einer Effektlackierung mit bestimmter Helligkeit;
2 ein Diagramm einer weiteren mittels eines erfindungsgemäß ortsauflösenden Verfahrens bestimmten Verteilung der Anzahl von Flakes mit bestimmter Helligkeit;
3 eine Darstellung des CIEL*a*b-Farbkoordinatensystems;
4 ein Diagramm der mittels eines erfindungsgemäß ortsauflösenden Verfahrens bestimmten Verteilung der Anzahl von Flakes mit bestimmtem L*-Helligkeitskoordinatenwert.
Das in 1 dargestellte Diagramm zeigt ein Ergebnis eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur ortsauflösenden Untersuchung von Oberflächeneigenschaften einer mit einer Effektlackierung versehenen Oberfläche. Dazu wird eine vorgegebene Strahlung unter einem ersten Raumwinkel (α₁; β₁) auf die zu untersuchende Oberfläche gerichtet.
Ein Teil der von der zu untersuchenden Oberfläche reflektierten und/oder gestreuten Strahlung wird unter einem zweiten vorgegebenen Raumwinkel detektiert. Vorliegend wird die sich insbesondere aus der unterschiedlichen Orientierung der Flakes ergebende ortsabhängige Helligkeit in ganzzahligen Graustufenwerten (Grey Level: GL) als Messgröße ortsaufgelöst erfasst. Die Helligkeit der reflektierten Strahlung bildet demnach die vorbestimmte Eigenschaft der von der zu untersuchenden Oberfläche beeinflussten Strahlung.
Hier wird gemäß einer bevorzugten Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens aus den ortsaufgelösten Graustufen-Messwerten die im Diagramm dargestellte Verteilung der Anzahl n von Flakes mit bestimmtem Graustufenwert GL als statistische Größe zur Charakterisierung der Oberfläche bestimmt.
2 zeigt die Verteilung der Anzahl n von Flakes mit bestimmtem Graustufenwert GL bei Bestrahlungen unter einem anderen ersten Raumwinkel (α₂; β₂). Dabei ist in 2 der Helligkeits- bzw. Graustufenwert deutlich schärfer definiert, d.h. die überwiegende Anzahl von Flakes reflektiert Strahlung der im Wesentlichen gleichen Helligkeit.
In 3 ist das oben bereits erläuterte CIEL*a*b-Farbkoordinatensystem dargestellt. Der Farbton wird darin durch die drei Koordinaten L^*, a^* und b^* beschrieben, die in dem dargestellten kartesischen Koordinatensystem aufgetragen sind. Auf der vertikalen Helligkeitsachse L^* liegen unbunte „Farben" bzw. Graustufen, wobei diese von schwarz unten, mit 0 bezeichnet bis weiß oben, mit 100 bezeichnet verlaufen. Ein zunehmender Abstand von der Unbuntachse entspricht zunehmender Buntheit der Farben. Hier verläuft auf der a^*-Achse der Buntton von grünlich im negativen Bereich nach rötlich im positiven Bereich und auf der b^*-Achse der Buntton von bläulich im negativen Bereich nach gelblich im positiven Bereich.
4 zeigt schließlich ein weiteres Diagramm als Ergebnis eines erfindungsgemäßen Verfahrens. Dazu ist bei der Detektion die spektrale Remission β(x, y, λ) beispielsweise im Wellenlängenbereich zwischen 380 und 720nm ortsaufgelöst erfasst worden. Daraus sind wiederum die ortsaufgelösten Normfarbwerte X(x, y), Y(x, y) und Z(x, y) ermittelt worden, die schließlich die Bestimmung ortsaufgelöster CIEL*a*b*-Farbkoordinatenwerte L^*(x, y), a^*(x, y) und b^*(x, y) erlauben.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist für alle L^*(x, y) die dargestellte CIEL*a*b*-Farbkoordinatenwerteverteilung F_L*(L* = L) bestimmt worden. Diese veranschaulicht im Beispiel die Anzahl n von Flakes mit bestimmtem L^*-Wert als statistische Größe zur Charakterisierung der Oberfläche. Aus der Verteilung F_L*(L* = L) lassen sich beispielsweise der mittlere L^*-Wert L ^* oder der maximale L^*-Wert L^* _max aller ortsaufgelösten L^*-Werte bestimmen.
Diese sind beispielsweise zusammen mit den entsprechend ermittelten mittleren a ^* und b ^*-Werten geeignet die Effektlackierung in vorteilhafter Weise zu charakterisieren. Ebenso sind bevorzugte weitergebildete Oberflächenkennzahlen denkbar, die durch beispielsweise eine gewichtete Mittelung der über einen Winkelbereich erfassten mittleren L ^*, a ^* und b ^*-Werte, zudem betrachtungswinkelabhängige Farbverläufe bewerten.
Um die Relevanz der Ortsauflösung für die Farbmessung zu verdeutlichen, ist in 5 ein a^*b^*-Diagramm für einen schwarzen Decklack mit roten Effektpigmenten dargestellt. Der Helligkeitswert L^* spielt in diesem Beispiel eine untergeordnete Rolle. In 5 bezeichnet das Bezugszeichen 10 den Farbort des schwarzen Decklacks und das Bezugszeichen 30 den Farbort der roten Effektpigmente.
Das Bezugszeichen 20 bezeichnet den auf der Basis einer ortsintegralen Farbmessung ermittelten Farbort des schwarzen Decklacks mit den roten Effektpigmenten. In Bezug auf die visuelle Wahrnehmung dieses Lacks liefert die integrale Messmethode durch die inhärente Mittelung des Farbortes für den Decklack bzw. für die Effektpigmente den „falschen" Farbort einer Farbe, die vom Auge als schwarz mit leichtem Rotstich wahrgenommen würde. Tatsächlich empfindet das Auge den Lack hingegen als schwarz mit roten „sparkles".
Soll dieser visuelle Eindruck messtechnisch erfasst werden, müssen die Farborte von Decklack und Effektpigmenten getrennt bestimmt, d.h. nach dem physikalischen Ort getrennt erfasst werden. Die so für den Decklack und die Effektpigmente getrennt bestimmten Farbwerte werden bevorzugt im CIEL*a*b-Farbkoordinatensystem oder in einem der weiteren oben genannten Farbkoordinatensysteme ausgewertet, da darin ermittelte Kontrastwerte weitgehend mit dem visuellen Farbeindruck korrelieren. Dadurch ist es möglich, dass im entsprechenden Farbkoordinatensystem der visuelle Kontrast des Rots der Effektpigmente zum Schwarz des Decklacks numerisch angegeben werden kann.
Der Farbwert eines Decklacks wird auch mit Basecode bezeichnet. Die ortsaufgelöste Ermittlung von CIEL*a*b*-Farbkoordinatenwerten L^*(x, y), a^*(x, y) und b^*(x, y) ermöglicht demnach erst die korrekte Bestimmung des Basecodes von Decklacken mit farbigen Effektpigmenten, die einen durch integrale Messung bestimmten Farbwert bzgl. des tatsächlichen visuellen Eindrucks verschieben und damit verfälschen.
Ferner hängen die visuell empfundenen Kontrastwerte von der Beleuchtung ab. So kann ein Farbkontrast unter Tageslicht anders bewertet werden als unter künstlichem Licht. Die Kontrastwertedifferenz kann unter Verwendung von Normlichtarten berechnet werden.
Insgesamt wird aus dem Effektlackbeispiel aus 5 deutlich, dass es notwendig ist, den Farbeindruck von Oberflächen ortsaufgelöst unter Beleuchtung mit einer vorbestimmten Normlichtart gemäß der Normenspektralwertkurven zu bewerten, um ein Maß dafür zu erhalten, wie die einzelnen Komponenten der Oberflächenfarbe harmonieren bzw. welcher Farbkontrast empfunden wird. Die erfindungsgemäße ortsauflösende Farbmessung erlaubt die gewünschte genauere messtechnische Erfassung des visuellen Eindrucks eines Menschen von einer Oberfläche.
In diesem Zusammenhang zeigt 6 ein Beispiel dafür, wie sich die Verwendung einer nicht Normlichtart auf das Verhältnis von gemessenem zu visuellem Kontrasteindruck auswirken kann. Dabei sind vier Farbbleche mit farblich unterschiedlichem Basislack und zusätzlichen Effektpigmenten nach der Inhomogenität oder Rauhigkeit des Lackes (auch Textur genannt) bewertet. Diese entsteht u.a. durch eine bevorzugte Ausrichtung oder inhomogene Verteilung der Effektpigmente im Lack.
Die mit „x" bezeichneten Messpunkte beziehen sich auf vier Probenbleche, die mit der Normlichtart D65 gemessen und visuell bewertet wurden. Dabei liegen die Messwerte im Wesentlichen auf einer Geraden. Dies bedeutet, dass eine Änderung des nach rechts aufgetragenen, visuell empfundenen Kontrasts „VK", eine Änderung des nach oben aufgetragenen, gemessenen Kontrasts „MK" im gleichen Verhältnis zur Folge hat, d.h. visueller Eindruck und Messung korrelieren gut miteinander.
Die mit „o" bezeichneten Messpunkte beziehen sich auf vier Probenbleche, die nicht mit Normlicht, sondern mit ungefiltertem Licht einer LED gemessen und visuell bewertet wurden. Insbesondere der dritte Messwert von links zeigt, dass die Korrelation zwischen gemessenem Kontrast „MK" und visuell empfundenem Kontrast „VK" bei der ungefilterten LED-Beleuchtung nicht mehr gegeben ist.

Claims

Verfahren zur Untersuchung optischer Oberflächeneigenschaften, insbesondere zur ortsauflösenden Bestimmung von Oberflächeneigenschaften mit den Schritten: – Richten einer vorgegebenen Strahlung unter einem ersten vorgegebenen Raumwinkel auf eine zu untersuchende Oberfläche; – Detektion wenigstens eines Teils der von der zu untersuchenden Oberfläche beeinflussten Strahlung unter einem zweiten vorgegebenen Raumwinkel, wobei wenigstens eine Messgröße ortsaufgelöst erfasst wird, die wenigstens eine vorbestimmte Eigenschaft der von der zu untersuchenden Oberfläche beeinflussten Strahlung charakterisiert; – Bestimmung wenigstens einer statistischen Größe über wenigstens einen Teil der ortsaufgelösten Messwerte zur Charakterisierung der Oberfläche.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die vorgegebene Strahlung bei der Bestimmung der statistischen Größe bevorzugt auf eine Normlichtart, wie insbesondere A, B, C, D50, D65 D75, F11, TL84-Normlicht, und besonders bevorzugt auf D65-Normlicht zurückgerechnet werden kann.
Verfahren nach wenigstens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Eigenschaft der von der zu untersuchenden Oberfläche beeinflussten Strahlung einer Gruppe von Eigenschaften entnommen ist, welche die spektrale Strahlungsintensität, insbesondere die spektrale Remission β(λ), die spektrale Transmission τ(λ), die integrale Strahlungsintensität, die Wellenlänge des Strahlungsintensitätsmaximums und dergleichen enthält.
Verfahren nach wenigstens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur Bestimmung der statistischen Größe wenigstens ein vorgegebenes Werteintervall wenigstens einer Messgröße verwendet wird.
Verfahren nach wenigstens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine, die beeinflusste Strahlung charakterisierende Verteilung F_m*(m* = m) der ortsaufgelösten Messwerte bestimmt wird.
Verfahren nach wenigstens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine die beeinflusste Strahlung charakterisierende Kennzahl in Abhängigkeit des wenigstens einen statistischen Parameters aus den ortsaufgelösten Messwerten abgeleitet wird, bevorzugt aus der wenigstens einen Verteilung F_m*(m* = m) der ortsaufgelösten Messwerte.
Verfahren nach wenigstens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die statistische Größe, insbesondere die der Verteilung F_m*(m* = m) der ortsaufgelösten Messwerte, einer Gruppe von statistischen Größen entnommen ist, welche den Mittelwert μ_m*, die Streuung, den Median, die Spannweite, das Minimum, das Maximum, die absolute Abweichung, den (Inter)-Quartilabstand, die Standardabweichung σ_m*, die Varianz σ 2 / m* und dergleichen enthält.
Verfahren nach wenigstens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Mittelwert μ_m* einer Gruppe von Mittelwerten entnommen ist, welche arithmetische, geometrische, gleitende, vektorielle, harmonische, gewichtete, verallgemeinerte Mittelwerte und dergleichen sowie Kombinationen hieraus enthält.
Verfahren nach wenigstens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass insbesondere für die Bestimmung von Farbkoordinaten der beeinflussten Strahlung wenigstens die Normspektralwertkurven x(λ), y(λ) und z(λ) sowie das Emissionsspektrum S(λ) der einfallenden Strahlung zur Verfügung gestellt werden.
Verfahren nach wenigstens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens einmal der erste und/oder der zweite vorgegebene Raumwinkel verändert wird, die Detektionseinrichtung die von der zu untersuchenden Oberfläche beeinflusste Strahlung neu detektiert und die wenigstens eine statistischen Größe neu bestimmt wird.
Vorrichtung zur Durchführung eines Verfahrens zur insbesondere ortsaufgelösten Bestimmung von Oberflächeneigenschaften nach wenigstens einem der vorangegangenen Ansprüche mit: – wenigstens einer ersten Strahlungseinrichtung, die eine vorgegebene Strahlung unter einem ersten vorgegebenen Raumwinkel auf eine zu untersuchende Oberfläche richtet; – wenigstens einer ersten Detektionseinrichtung, die wenigstens einen Teil der von der zu untersuchenden Oberfläche beeinflussten Strahlung unter einem zweiten vorgegebenen Raumwinkel detektiert, wobei wenigstens eine Messgröße ortsaufgelöst erfasst wird, die wenigstens eine vorbestimmte Eigenschaft der von der zu untersuchenden Oberfläche beeinflussten Strahlung charakterisiert; – wenigstens einer Prozessoreinrichtung, die wenigstens eine statistische Größe über wenigstens einen Teil der ortsaufgelösten Messwerte zur Charakterisierung der Oberfläche bestimmt; – wenigstens einer Ausgabeeinrichtung, die wenigstens die statistische Größe oder eine daraus oder aus den ortsaufgelösten Messwerten abgeleitete Kennzahlen ausgibt.
Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Detektionseinrichtung wenigstens ein bevorzugt flächiges Bildaufnahmeelement aufweist, welches eine ortsaufgelöste Detektion der Strahlung erlaubt.
Vorrichtung nach wenigstens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Detektionseinrichtung einer Gruppe von Detektionseinrichtungen entnommen ist, welche Kameras, CCD-Chips und dergleichen enthält.
Vorrichtung nach wenigstens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine zweite Strahlungseinrichtung vorgesehen ist.
Vorrichtung nach wenigstens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zu untersuchende Oberfläche wenigstens zeitweise gleichzeitig von wenigstens zwei Strahlungseinrichtungen bestrahlt wird.
Vorrichtung nach wenigstens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine der Strahlungseinrichtungen wenigstens eine Strahlungsquelle aus einer Gruppe von Strahlungsquellen aufweist, welche Glühlampen, Gasentladungslampen, Halogenlampen, Leuchtdioden, Laser- und Laserdioden, thermische Strahlungsquellen und dergleichen enthält.
Vorrichtung nach wenigstens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine Strahlungsquelle hinsichtlich wenigstens einer Strahlungseigenschaft wie insbesondere, aber nicht ausschließlich des Emissionsspektrums S(λ), der Wellenlänge des Intensitätsmaximums, der Polarisation, der Intensität, der Modulation, der Kohärenz oder dergleichen veränderbar ist.
Vorrichtung nach wenigstens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine Strahlungsquelle eine Strahlung abstrahlt, welche bei der Bestimmung der statistischen Größe bevorzugt auf eine Normlichtart, wie insbesondere A, B, C, D50, D65 D75, F11, TL84-Normlicht, und besonders bevorzugt auf D65-Normlicht zurückgerechnet werden kann.
Vorrichtung nach wenigstens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine zweite Detektionseinrichtung vorgesehen ist, die einer Gruppe von Detektionseinrichtungen entnommen ist, welche Fotozellen, Fotoelemente, Fotodioden und dergleichen enthält.
Vorrichtung nach wenigstens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine Speichereinrichtung vorgesehen ist, in der, insbesondere für die Bestimmung von Farbkoordinaten der beeinflussten Strahlung, wenigstens die Normspektralwertkurven x(λ), y(λ) und z(λ) sowie das Emissionsspektrum S(λ) der einfallenden Strahlung gespeichert werden können.
Verwendung eines Verfahrens nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 10 für die Bestimmung von, insbesondere ortsaufgelösten, Oberflächeneigenschaften, bevorzugt der Oberflächeneigenschaften von Kraftfahrzeuglackierungen.
Verwendung einer Vorrichtung nach wenigstens einem der Ansprüche 11 bis 20 für die Bestimmung von, insbesondere ortsaufgelösten, Oberflächeneigenschaften, bevorzugt der Oberflächeneigenschaften von Kraftfahrzeuglackierungen.