DE2504199A1 - Verfahren und vorrichtung zur ermittlung der oertlichen traganteilverteilung an materialoberflaechen - Google Patents

Description

• Verfahren und Vorrichtung zur Ermittlung der örtlichen Traganteilverteilung an Material oberflächen.
• Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens zur Ermittlung des Traganteiles einer Materialoberfläche (Verfahren von Methan, siehe FOGRA Deutsche Forschungsgesellschaft für Druck- und Reproduktionstechnik Forschungsbericht 4.013 aus 1974), insbesondere zur Ermittlung der örtlichen Verteilung des durch Oberflächenunregelmäßigkeiten von Papier oder anderem zu bedruckenden Material bedingten Traganteils, bei welchem eine Papierprobe unter bestimmtem Druck an die Grundfläche eines Prismas gepreßt wird, die Papierprobe durch das Prisma hindurch mit schräg von oben einfallendem Licht beleuchtet wird und bei welchem auf einem oberhalb der beleuchteten Papierprobe angeordneten Schirm ein Eontaktstellenbild erzeugt wird.
• Durch derartige Verfahren sollen Informationen über die Weiterverarbeitungsmöglichkeiten, z.B. über den zu erwartenden Druckausfall beim Bedrucken, erhalten werden.
• Eine wesentliche Ursache für den Druckausfall sind die Unebenheiten (Welligkeit, Rauheit) einer Materialoberfläche, welche z.B. bei Papier durch die Art des Rohstoffes und seines Herstellungsverfahrens bedingt ist. Aussagen über den Traganteil, und zwar insbesondere sowohl der Mittelwert über eine bestimmte Flache als auch die tatsächliche örtliche Verteilung an der Fläche, ermöglichen Voraussagen über den Druckausfall.
• Bei einem der bekannten Verfahren zur Bestimmung des Traganteiles wird die Materialprobe von der Seite her beleuchtet, so daß es beispielsweise in einem Winkel größer als der Grenzwinkel der Totalreflexion auf das Papier fällt.
• An einer Nichtkontaktstelle wird das gesamte Licht reflektiert, da die Grenzfläche zwischen Glas und der Pore wie eine Spiegelfläche wirkt. Ein Beobachter, der auf das Papier aus senkrechter Richtung von oben her schaut, nimmt die Nichtkontaktstelle als dunkle Stelle wahr. Bei einer Kontakt stelle hingegen liegen die Verhältnisse umgekehrt, dd,u., das auf einen Bereich, wo sich Papier und Glas berührt, fallende Licht verteilt sich in dem Raum oberhalb dieses Bereiches.
• Mithin nimmt der senkrecht von oben schauende Beobachter die Kontaktstelle als helle Stelle wahr. Entsprechend wurden Kontaktstellen als dunkle Stellen und Nichtkontaktstellen als helle Stellen wahrgenommen werden, wenn von einer Stelle aus die Probe betrachtet wird, die spiegelbildlich zur Lichteiniallsrichtung angeordnet ist.
• Bei einem bekannten Meßgerät (Forschungsbericht FOGRA 4.0i3 der Deutschen Forschungsgesellschait für Druck- und Reproduktionstechnik von i974) wird nach dem genannten Veriahren gearbeitet, d,h,, die Materialprobe wird unter bestimmtem Druck an die Grundfläche eines Prismas gepreßt, die Probe durch das Prisma hindurch mit schräg von oben, unter einem Winkel der größer ist als der Grenzwinkel der Totalreflexion ist, mit parallelem Licht beleuchtet und der Anteil der Kontaktstellen an der Gesamtprobenfläche über die totalreilektierte Lichtenergie mit einem Photoempiänger gemessen (an der Grenzfläche Glas/Luft wird bei Kontakt zwischen Probe und Glasprisma die Totalreflexion aufgehoben).
• Die Darstellung der örtlichen Traganteilverteilung erfolgt jedoch durch Abbildung in senkrechter Richtung zur Papieroberfläche.
• Die in der Bildebene enthaltenen Hell-Dunkel-Informationen können über einen Schirm abgebildet oder mit einer Kamera aufgenommen und von einem mehr oder weniger geschulten Beobachter beurteilt werden.
• Versuche, den Bildinhalt quantitativ auszuwerten, z.B.
• die Struktur eines Papiers durch eine Kenngröße zu eriassen, ergaben, daß dies nur bei besonders deutlichen Strukturen möglich war, und dazu ein verhältnismäßig schwieriges Verfahren erforderlich ist.
• Die Erfindung basiert auf der Erkenntnis, daß dem bekannten Verfahren, bei welchem die örtliche Traganteilverteilung aus einer senkrecht zur Probe vorgenommenen Aufnahme hergeleitet wird, ein prinzipieller Fehler innewohnt und daher dem Bildinhalt selbst bei verbessertem Auswerteverfahren keine aussagekräftigeren Informationen entnommen werden können. Die nach dem bekannten Verfahren erhaltenen Aufnahmen sind Ralbtonbilder eines an die untere Ebene des Prismas gepreßten Untersuchungsobjektes. Die Halbtonbilder sind in ihrer Hell- und Dunkelflächenverteilung nicht allein davon abhängig, ob das Papier an einer Stelle am Prisma anliegt oder nicht, sondern in die Hell- und Dunkelflächenverteilung geht u.a. auch die Färbung, eine vorangegangene Bedruckung des Materials und dergleichen ein. Weiterhin macht sich auch bemerkbar, welche Poren- oder Rauhtiefe in den einzelnen Nichtkontaktstellen vorliegt. Dieser Einfluß auf die Hell- und Dunkel flächenverteilung des Schirmbildes ist daraui zurückzuführen, daß die Beleuchtungsintensität mit zunehmendem Abstand von der unteren Ebene des Prismas abnimmt und somit die Struktur des Papiers je nach Abstand von der unteren Ebene des Prismas unterschiedlich stark beleuchtet wird, so daß auf dem Schirmbild eine entsprechend differenzierte Darstellung der Hellflächen mit Übergängen zu den Dunkelflächen zu beobachten ist.
• Beurteilungen von verschiedenen Papieren einmal über die photometrisch bestimmten Kontaktanteile zur Gesamtprobenflächen und zum anderen über die senkrecht zur Probe erhaltenen Bildinhalte durch bekannte Auswerteveriahren brachten daher keine eindeutigen und keine übereinstimmenden Aussagen.
• Durch die Erfindung sollen Bildiniormationen ermöglicht werden, die die tatsächlichen örtlichen Kontaktverteilungen an den Oberflächen zu untersuchender Materialien wirklichkeitsgetreu wiedergeben. Insbesondere sollen Sontaktanteilbilder erhalten werden, die frei von durch prinzipielle Fehler bedingten Einflüssen sind, d .h., die Verhältnisse z.B.
• die Bedruckbarkeitseigenschaiten von Papier besser wiedergeben, als dies durch bekannte Verfahren und Vorrichtungen zum Erzeugen von Kontaktanteilbildern möglich ist. Weiterhin zielt die Erfindung daraui ab, das Auswerteverfahren von Kontaktanteilbildern zu verbessern.
• Als Schirm wird beim Verfahren gemäß der Erfindung entweder eine Mattscheibe mit einer Optik oder der Auinahmeschirm einer Fernsehkamera verwendet.
• Gemäß der Erfindung ist eine Vorrichtung zum Durchiühren des Verfahrens zur Ermittlung der örtlichen Verteilung von Poren mit einem Auflager für die Papierprobe, einem Prisma, einer Lichtquelle und einer Darstellungseinrichtung versehen und dadurch gekennzeichnet, daß das Prisma Dreieckquerschnitt hat, an dessen einer Seitenfläche das Beleuchtangslicht eintritt, an dessen Grundseite das Licht total reflektiert wird und an dessen anderer Seitenfläche das total reflektierte Licht austritt, und dadurch, daß die Darstellungseinrichtung parallel zur Austrittsfläche des Prismas angeordnet ist. In der Vorrichtung gemäß der Erwindung können zwar auch andere Prismen verwendet werden, als solche, die Dreiecksquerschnitt haben, jedoch ist insbesondere eine waagerechte Oberfläche des Prismas nicht erforderlich, da das Licht in die eine Seitenfläche einfällt und an der anderen Seitenfläche austritt, und nicht wie bei bekannten Vorrichtungen das Bild durch die obere Fläche des Prismas erhalten wird. Nach bevorzugten Ausführungsformen geMäß der Erfindung wird als Darstellungseinrichtung der Anfnahmeschirm einer Fernsehkamera, bzw. die Mattscheibe einer Kamera verwendet.
• Nach einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform wird an Stelle des Aufnahmeschirmes oder der Mattscheibe eine selbstabtastende (aus einzelnen Dioden zusammengesetzte) Photodiodeinatrix verwendet. Die Photodiodenmatrix kann linear oder zweidimensional sein. Eine vorteilhafte Ausftillrung beinhaltet in integrierter Form Photodiode-Speicher Schalter und Schieberegister.
• Jeder Photodiode ist eine Speicherkapazität, ein Transistor, welcher als Schalter benutzt wird, und eine Schieberegisterstufe zugeordnet.
• Das Kontaktanteilbild wird auf einer Photodiodenmatrix abgebildet, und die Photodioden werden entsprechend dem Inhalt des Bildes mehr oder weniger belichtet.
• Die von den Photodioden erzeugten Signale werden aus der oben benannten Speicher durch besondere Befehle abgefragt und einer Aufbereitungselektronik zugeführt.
• Der Autbereitungselektronik können nun die verschiedensten Answertungseinheiten nachgeschaltet werden, z.B.: Die Informationen können mit einem Rechner weiterverarbeitet werden.
• Es kann ein Dat@@@träger angeschlossen werden, welcher die Informationen im Elartext, gelocht, auf Magnetband oder Platte speichert.
• Weiterhin könnten Zeigerinstrumente, Digitalanzeigen oder Schreiber zur Sichtbarmachung der Meßergebnisse angeschlossen werden.
• Die Erfindung wird nachstehend an Hand der Zeichnung beispielsweise erläutert.
• In der einzigen Figur der Zeichnung ist eine Vorrichtung zur Ermittlung der örtlichen Verteilung von Poren von Papier gemäß der Erfindung dargestellt.
• Im unteren Teil der Vorrichtung gemäß der Erfindung befindet sich ein Auilage-. 1 f:r eire Probe. Hierbei handelt es sich um eine im wesentlichen ebeue Platte oder dergleichen, welche von oben gerichtete Druckkräfte aufnehmen kann und aii nicht gezeigte Lager veiterleitet. Aui dem Auflager befindet sich eine Papierprobe 2½, die an ihrer Oberfläche vergrößert dargestellte Poren 3 oder andere Oberflächenunregelmäßigkeiten aufweist. Auf die Papierfläche ist ein Prisma 4 aufgesetzt, welches in der dargestellten Ausführungsform ein Dreieckprisma ist. Die Grundfläch des Prismas 4 ist mit der Papierprobe 2 in Berührung, wobei Seitenflächen 5 und 6 zur Papierprobe 2 bzw. zum Auflager i geneigt sind. Nicht dargestellte Mittel sind vorgesehen, um das Prisma 4 mit einem bestimmten Druck auf die Papierprobe 2 aufzusetzen, oder umgekehrt, um das Auflager i mit Papierprobe 2 von unten gegen das Prisma 4 zu pressen. In der Nähe der linken Seitenfläche 5 des Prismas 4 befindet sich eine optische Einrichtung 7. Hinter der optischen Einrichtung 7 ist eine Lichtquelle 8 zur Beleuchtung der Papierprobe 2 vorgesehen, welche je nach Bedari in ihrer Lichtintensität steuerbar sein kann. Zwischen Lichtquelle 8 und optischer Einrichtung kann ein nicht dargestelltes Filter, z.B. iür monochromatische Beleuchtung, und eine Blende vorgesehen sein.
• In der Nähe der rechten Seitenfläche 6 des Prismas 4 beiindet sich eine Photodiodeneinheit. Die Photodiodeneinheit besteht aus zwei Teilen, einer Photodiodenmatrix 9 und einer der Matrix zugehörigen Treiberelektronik 10.
• Fällt Licht auf die Photodioden, so wird an einer Ausgangsleitung 11 ein periodischer Potentialverlaui erzeugt, welcher eine bestimmte Form und Dauer hat. Die Form des Potentialverlaufes wird durch die Unterschiedlichkeit der Photodiodenbestrahlung und die Dauer der Periode wird durch die Anzahl der Photodioden und den Abfragezyklus bestimmt.
• Eine Autbereitungselektronik 12 hat die Aufgabe, die über die Ausgangsleitung ii kommenden Informationen so aufzubereiten und anzupassen, daß diese durch Datenverarbeitungsgeräte 13, z.B. einen Rechner, weiterverarbeitet werden können. Weiterhin ist es möglich, durch die Aufbereitungselektronik 12 und die Treiberelektronik 10 Einzel- oder Gruppeninformationen zu isolieren und diese zur Auswertung weiterzuleiten.
• Um Traganteilwerte bzw. die örtliche Verteilung der Oberilächenunregelmäßigkeiten einer Papierprobe zu ermitteln, wird die Papierprobe 2 auf das Auflager 1 gelegt und das Prisma 4 von oben auf die Papierprobe 2 abgesetzt, oder Prisma und Probe werden mit einem bestimmten Druck, der einstellbar veränderlich ist, zusammengedrückt. Von der Lichtquelle 8 fällt durch die optische Einrichtung 7 Licht auf die linke Seitenfläche 5 des Prismas 4 und gelangt zur Grundfläche des Prismas 4, wo es je nachdem, ob die Papierprobe 2 am Prisma 4 anliegt oder nicht, reflektiert wird oder nicht. Das total reflektierte Licht geht durch die rechte Seitenfläche 6 des Prismas 4 hindurch und beleuchtet die einzelnen Photodioden der Photodiodenmatrix 9. Je nachdem, ob an einer bestimmten Stelle das Licht an der Grenzfläche der Grundseite des Prismas 4 mit der Papierprobe 2 reflektiert wird oder nicht, fällt auf bestimmte Photodioden der Photodiodenmatrix 9 Licht oder kein Licht.
• Diejenigen Photodioden, die beleuchtet werden, erzeugen auf ihrer Ausgangsleitung ein elektrisches Potential. Die hinter der Photodiodenmatrix 9 befindliche Treiberelektronik 10 übernimmt dieses Potential. Gemäß der Erfindung werden von der Aufbereitungselektronik 12 Informationen bestimmter Photozellen, beispielsweise einer bestimmten Gruppe, abgeiragt und zu einem Meßwert umgeformt, der entweder zahlenmäßig ausgegeben wird oder in irgendeiner Längendarstellung eines Diagrammes wiedergegeben werden kann.
• Von der Aufbereitungselektronik 12 und den nachgeschalteten Datenverarbeitungsgeräten 13 werden schließlich alle einzelnen Unterbereiche der gesamten Photodioden~ matrix 9 ausgewertet, so daß die örtliche Verteilung der Kontaktstellen, d.h. des Bereiches der Papierprobe 2, der mit dem Prisma 4 in Berührung ist, ermittelt werden kann.
• In der Aufbereitungselektronik 12 kann die Information aller Photodioden der Photodiodenmatrix 9 snmmiert werden, so daß der Tragantellwert als Integral ermittelt werden hann, Zwischen dem Prisma 6 und der Photodiodenmatris 9 kann eine Abbildungsoptik 14 vorgesehen sein, um das reflektierte Licht auf der Photodiodenmatrix 9 zu fokussieren. Bei Verwendung einer Abbildungsoptik 14 ist es dann zweckmäßig die Begrenzung des Lichtfleckes als Umkreis um die zweidimensionale Photodiodenmatrix 9 zu legen. Es sind jedoch eine Reihe von anderen Ausführungsformen der Photodiodenmatrix 9 möglich. Beispielsweise kann eine linienförmige Photodiodenmatrix verwendet werden, welche als Durchmesserlinie eines Kreises angeordnet ist, welcher durch die Abbildungsoptik 14 als Abbild der beleuchteten Kontaktfläche zwischen Prisma 6 und Papierprobe 2 erzeugt wird. Wird die linieniörmige Photodiodenmatrix schrittweise gedreht, versetzt oder durch optische Hilfsmittel (Spiegel) in eine andere Abirageposition gebracht, so können Traganteilwerte summiert werden. Weiterhin kann eine linienförmige Matrix verwendet werden, an deren beiden Seiten Photozellen vorgesehen sind. Durch die Photozellen kann der integrale Traganteilwert der Meßfläche ermittelt werden, während über die linienförmige Matrix ein Traganteilwert und dessen Struktur längs einer Linie des Traganteilbereiches zwischen Prisma 6 und der Papi erprobe 2 bestimmt werden kann.
• Außerdem ist es möglich, zwischen der Abbildungsoptik 14 und der Photodiodenmatris 9 einen Spiegel anzuordnen.
• Hierbei kann es sich um einen Spiegel handeln, der wahlweise in den Strahlengang des reflektierten Lichts gebracht werden kann, oder aber ein halbdurchlässiger Spiegel wird verwendet, der sich in diesen Fall fortwährend im Strahlengang befindet. Durch den Spiegel kann reflektiertes Licht aus dem Strahlengang ausgespiegelt werden und dort - wie gewünscht - festgestellt werden. So kann das ausgespiegelte Licht auf eine Photozelle geworfen werden, um den integralen Traganteilwert zu bestimmen. Es kann jedoch auch auf eine Photodiodenmatrix geworfen werden, welche, bedingt durch ihre Form, nur einen Teil des ausgespiegelten Lichtes detektiert. In entsprechender Weise kann das nicht ausgespiegelte Licht im Strahlengang ausgewertet werden, und zwar zur Bestimmung des Traganteilwertes der gesamten Fläche oder zur Ermittlung des Traganteilwertes eines Unterbereiches der Berührungsfläche zwischen Prisma 6 und Papierprobe 2, um eine Aussage über die örtliche Verteilung der Kontaktflächen zu erhalten.
• Zwischen der Abbildungsoptik 14 und der Photidiodenmatrix 9 kann auch ein schwenkbarer Spiegel angebracht werden, der reflektiertes Licht auf einen Schirm einer Kamera zur Aufnahme und Beurteilung des Kontaktstellenbildes wirft.

Claims (14)

Patentansprüche

1. Verfahren zur Ermittlung der örtlichen Verteilung des durch Oberflächenunregelmäßigkeiten von Papier oder anderem zu bedruckenden Material bedingten Traganteils, bei welchem eine Papierprobe unter bestimmtem Druck an die Grundfläche eines Prismas gepreßt wird, die Papierprobe durch das Prisma hindurch mit schräg von oben einiallendem Licht beleuchtet wird und bei welchem auf einem oberhalb der beleuchteten Papierprobe angeordneten Schirm ein Kontaktstellenbild erzeugt wird, dadurch gekennzeichnet, daß das Kontaktstellenbild auf dem im Bereich des an der Grenzschicht zwischen Prisma und Papierprobe reflektierten Beleuchtungslichts angeordneten Schirm gebildet wird.

2. Vorrichtung zum Durchführen des Verfahrens nach Anspruch i, mit einem Auflager für eine Papierprobe, einem Prisma und einer Darstellungseinrichtung (Schirm), dadurch gekennzeichnet, daß das Prisma (4) Dreiecksquerschnitt aufweist, an seiner einen Seitenfläche (5) das Beleuchtungslicht einfällt und an seiner anderen Seitenfläche (6) das an der Grundfläche total reflektierte Licht austritt und daß die Darstellungseinrichtung (9-12) im Bereich des total reflektierten Lichts angeordnet ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2 mit einer autokollimationseinrichtung zur Justierung des Beleuchtungsstrahls zur Sicherstellung einwandfreier Trennung von Kontakt und Nichtkontaktstellen.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 oder 3, gekennzeichnet durch eine im Bereich des total reflektierten Lichts angeordnete Kamera bzw. Fernsehkamera zur Aufnahme des Kontaktstellenbildes.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 4, gekennzeichnet durch eine an Stelle des Schirmes angeordnete Photodiodenmatrix (9) und zugehöriger Treiberelektronik (10) zum Abfragen der Informationen der Photodiodenmatrix (9) und durch eine Aufbereitungseinrichtung (12), um die abgeiragten Informationen sowohl über die gesamte Photodiodenmatrix (9) als auch über Einzelbereiche der Photodiodenmatrix auszuwerten.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, gekennzeichnet durch eine Auswertungseinrichtung (10-13), die die über den Unterbereich der Photodiodenmatrix (9) bzw. der Papierprobe (2) ermittelten Informationen zahlenmäßig der örtlichen Lage des Unterbereichs entsprechend darstellt.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, gekennzeichnet durch eine zwischen Prisma (6) und Photodiodenmatrix (9) angeordnete Abbildungsoptik (14).

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die zweidimensionale Photodiodenmatrix (9) quadratisch ausgebildet ist.

9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die im Fokusbereich der Abbildungsoptik (14) befindliche Photodiodenmatrix (9) linienförmig ausgebildet ist.

10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die linienförmige Photodiodenmatrix um ihre Mitte drehbar gehaltert ist.

li. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß zu beiden Seiten der linienförmigen Photodiodenmatrix (9) im Fokusbereich der Abbildungsoptik (14) Photozellen angeordnet sind.

12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis ii, gekennzeichnet durch einen halbdurchlässigen Spiegel zwischen der Abbildungsoptik (14) und der Photodiodenmatrix (9) zum Ausspiegeln eines Teiles des reflektierten Lichts auf eine Photozelle zur Ermittlung des Traganteilwertes.

13. Vorrichtung nach Anspruch 12, gekennzeichnet durch einen bewegbaren bzw. schwenkbaren Spiegel zum Ausspiegeln eines Teiles des reflektierten Lichts auf die Photodiodenmatrix, welche linienförmige Ausbildung aufweist.

14. Vorrichtung nach Anspruch 13, gekennzeichnet durch einen bewegbaren Spiegel zum Aus spiegeln des reflektierten Lichts auf einen zusätzlich zur Photodiodenmatrix (9) vorhandenen Schirm einer Kamera zwecks Sontaktstellenbildwiedergabe.