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DE2260090C3 - Photoelektrische Einrichtung zur Bestimmung der Rauhigkeit bzw. Glätte diffusstreuender Oberflächen - Google Patents

Photoelektrische Einrichtung zur Bestimmung der Rauhigkeit bzw. Glätte diffusstreuender Oberflächen

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Publication number
DE2260090C3
DE2260090C3 DE2260090A DE2260090A DE2260090C3 DE 2260090 C3 DE2260090 C3 DE 2260090C3 DE 2260090 A DE2260090 A DE 2260090A DE 2260090 A DE2260090 A DE 2260090A DE 2260090 C3 DE2260090 C3 DE 2260090C3
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DE
Germany
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light
intensity
roughness
scanning
smoothness
Prior art date
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Expired
Application number
DE2260090A
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English (en)
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DE2260090B2 (de
DE2260090A1 (de
Inventor
Francois M. Dr. Oberrohrdorf Mottier
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BBC Brown Boveri AG Switzerland
Original Assignee
BBC Brown Boveri AG Switzerland
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Publication date
Application filed by BBC Brown Boveri AG Switzerland filed Critical BBC Brown Boveri AG Switzerland
Publication of DE2260090A1 publication Critical patent/DE2260090A1/de
Publication of DE2260090B2 publication Critical patent/DE2260090B2/de
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Publication of DE2260090C3 publication Critical patent/DE2260090C3/de
Expired legal-status Critical Current

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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01B—MEASURING LENGTH, THICKNESS OR SIMILAR LINEAR DIMENSIONS; MEASURING ANGLES; MEASURING AREAS; MEASURING IRREGULARITIES OF SURFACES OR CONTOURS
    • G01B11/00—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques
    • G01B11/30—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring roughness or irregularity of surfaces
    • G01B11/303—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring roughness or irregularity of surfaces using photoelectric detection means

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  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Length Measuring Devices By Optical Means (AREA)
  • Investigating Or Analysing Materials By Optical Means (AREA)
  • Investigating Materials By The Use Of Optical Means Adapted For Particular Applications (AREA)

Description

3 4
Anordnung wird das Meßobjekt mechanisch gedreht Die Messung der Halbwertsbreite kann mit Hilfe ei- und die Winkeiabhängigkeit des Streulichtes in der Ein- ner Fernsehkamera erfolgen. Die Vorteile einer derartifallsrichtung gemessen und auf einem x-y-Schreiber re- gen Anordnung bestehen insbesondere darin, daß
gistriert Wesentliche Voraussetzung bei dieser Anordnung ist die Verwendung von kohärentem Licht. 5 — durch die Integrationsfähigkeit der photoleitenden Aus der US-PS 38 04 521 ist eine Anordnung zur Rau- Schicht des Vidikons der Detektor eine hohe Lichthigkeitsmessung mit Hilfe des Speckle-Kontrastes von empfindlichkeit aufweist,
Ü Licht einer bestimmten optimalen Bandbreite (Spek- — statistische Rauhigkeitsvariationen, die nicht inter-If trum) bekannt Bei dieser Anordnung werden die loka- essieren, durch diese Integrationsfähigkeit ausgeg len Schwankungen der Intensität im gestreuten Licht im io mittelt werden,
Il Verhältnis zur mittleren Intensität (Speckle-Kontrast) — der Anordnung digitale Genauigkeit inhärent ist,
JU gemessen. ■ . — die Anordnung unempfindlich gegen Verschiebun-
j| Schließlich ist auch aus der US-PS 31 76 306 eine An- gen der Streulichtellipse ist solange diese auf dem
|| Ordnung zur Untersuchung der Oberflächenqualität von Vidikon aufgefangen wird, und
p Materialien bekannt Dabei wird mit Hilfe einer Fern- 15 — das System sehr preisgünstig ist, da industriell zu
pf sehkamera ein Abbild der Objektoberfläche auf einem verwendende Fernsehkameras in großer Anzahl
IjE Bildschirm sichtbar gemacht Da von den guten Stellen preiswert zur Verfügung stehen.
H der Oberfläche wenig Licht von den fehlerhaften Stel-
,:' len hingegen viel Licht in die Kamera gelangt erscheint Es sei aber ausdrücklich darauf hingewiesen, daß die
|j auf dem Bildschirm ein Hell/Dunkel-Bild. Diese Anord- 20 Fernsehkamera nicht wie dies bei der US-PS 3i 76 306
p| nung eignet sich lediglich zur Untersuchung lokaler De- der Fall ist ein Bild der Oberfläche ..flektiert sondern
J3 fekte, nicht hingegen auch zur Bestimmung der mittle- es soll die Streukeule, des von der Oberf'äche gestreu-
P ren Rauhigkeit ten Lichtes aufgenommen und analysiert werden. Um
|! Durch G. Schmaltz, Technische Oberflächenkunde, die Breite dieser Streukeule bestimmen zu können,, muß
Ü Springer Verlag Berlin (1936), S. 98 und 99 ist es be- 25 daher die Kamera einen möglichst großen Streuwinkel-
Ü kannt, den Halbwentswinkel, bei welchem auf der Ver- bereich ^afnehmen können.
§ teilungskurve die zurückgestrahlte Intensität gerade auf Weitere Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus
pj die Hälfte der im Glanzwinkel gestrahlten Intensität dem nachstehend anhand von Figuren erläuterten Aus-
ύ abgesunken ist als Maß für eine Bewertung metallischer führungsbeispiel. Dabei zeigt
fj Oberflächen zu verwenden. 30 F i g. 1 eine Anordnung allgemeiner Art zur Darstel-
I Aus der Zeitschrift »Metall«, 1954, Bd. 8, S. 459, ist es lung der Meßorte,
fe ferner bekannt das reflektierte licht mittels eines Frg. 2 eine Anordnung mit einer Fernsehkamera als
P Strahlungsempfängers zu messen, wobei die Reflexions- Photodetektor und
h kurven durch Veränderung des Einfallswinkels erhalten F i g. 3 schematisch die Abtastung der auf ihre Rau-
£ werden. 35 higkeit zu untersuchenden Oberfläche mit einer Fern-
;-; Aufgabe der Erfindung ist es, eine einfach zu handha- sehkamera in der Anordnung nach F i g. 2.
|i bende und vielseitig verwendbare Meßanordnung zur In Fi g. 1 ist eine Beleuchtungsquelle 21, z. B. ein La-
1P schnellen Bestimmung der mittleren Rauhigkeit diffus- ser, vorgesehen, dessen Lichtstrahl in einem Teleskop
j~|: streuender Oberflächen anzugeben, die eine hohe Meß- 22, vgl. F i g. 2, zu einem parallelen bzw. kollircüerten
: genauigkeit r.ufweist, ohne daß dabei besondere Anfor- 40 Lichtstrahlenbündel 1 von ca. 1 bis 20 mm Durchmesser
: derungen an die Kohärenz des Lichtes gestellt werden aufgeweitet wird.
■\ müssen. Mit dem Lichtstrahlenbündel 1 wird dann die zu un-
■ Die Aufgabe wird gemäß dem kennzeichnenden Teil tersuchende Oberfläche 8 unter einem Einfallswinkel χ
des Anspruchs 1 gelöst Weiterbildungen der Erfindun- von 50 bis 85° beleuchtet Die Oberfläche 8 ist vorzugs-
gen sind in den Unteransprüchen beschrieben. 45 weise die Oberfläche eines Papiers.
Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, daß die Das beleuchtende Lichtstrahlenbündel 1 wird an der
Halbwe.rtsbreite des Streulichtkegels ein geeignetes Oberfläche 8 zurückgestrahlt Der Glanzwinkel α ist
Maß für die Bestimmung der zu untersuchenden Ober- durch die Richtung 7 spekulärer Reflexion gekennzeich-
fläche ist Diese Halbwertsbreite läßt sich, im Gegensau net
zur Intensitätsmessung im Glanzwinkel gemäß dem 50 In dem zurückgestrahlten Licht 6 ist ein Photodetekoben beschriebenen, bekannten Glanzmesser, einfach torim Abstand von mindestens 10 Lichtstrahldurchmes- und automatisch quantitativ bestimmen. Außerdem bil- sern von der Oberfläche 8 angeordnet Es wird entlang det sie ein sehr genaues Maß für die zu untersuchende der Schnittgeraden χ der Einfallsebene 4 des beleuch-Rauhigkeit jedenfalls so lange, wie die die Rauhigkeit ttnden Lichtstrahlenbündels 1 mit einer Ebene 5 senkausmachenden Oberflächenirregularitäten statistisch 55 recht zur Richtung 7 spekulärer Reflexion durch den verteilt sind. Die Messung ist von der Farbe und/oder Glanzwinkel« hindurch ein Helligkeitswert ia Funktion Lichtabsorption der Oberfläche unabhängig. des Ortes χ ermittelt
Die Vorteile der Anordnung nach der Erfindung lie- Damit ergibt sich dann die gezeigte Kurve, in welcher
gen unter anderem darin, daß die Lichtintensität / als Funktion des Ortes χ aufgetra-
eo gen ist In Richtung 7 weist sie an einem Ort 2 den
— die Rauhigkeit über eine größere Fliehe gemittelt Maximalwert /™»auf.
gemessen,wird, In Fig.2 ist ein Photodetektor in Form einer Fern-
— die Größe dieser Fläche z. B. zwischen 1 und sehkamera 15, z. B. mit einem Vidikon 32, dargestellt 300 mm2 wählbar ist Die Optik 33 der Fernsehkamera 15 ist auf unendlich
— ein Signal in Echtzeit erzeugt wird, das demgemäß 65 eingestellt wobei d>. lichtempfindliche Schicht 31 des zur Verwendung in einem Prozeßregler geeignet Vidikons 32 in der Brennebene der genaAnten Optik 33 ist und liegt Die von der Oberfläche 8 zurückgestrahlten ParaJ-
— die Messung berührungsfrei ist lellichtbündel 6 werden daher, wie dargestellt auf das
Vidikon fokussiert.
Die Abtastzeilen 20 (Fig.3) der Fernsehkamera 15 werden senkrecht zur Einfallsebene 4 (Fig. 1) des beleuchtenden Lichtstrahlenbündels 1 eingestellt.
Der Meßvorgang verläuft nun so, daß im ersten Halbbild des im Zeilensprungverfahren betriebenen Vidikon 32 mit einem nicht gezeichneten Spitzenwertdetektor der Wert /Μ, der maximalen, im abgetasteten Bild auftretenden Lichtintensität festgestellt wird. Dabei wird eine Fläche abgetastet, die größer ist als die in F i g. 3 dargestellte Streulichtellipse 26, die sich durch die Abbildung des an der Oberfläche 8 gestreuten bzw. zurückgestrahlten Lichtstrahlenbündels 1 durch die Optik 33 der Fernsehkamera 15 ergibt. Mit 27 ist ein Fleck maximaler Lichtintensität /,„.,< angedeutet, der in der Rieh- tung 7 spekulärer Reflexion liegt.
Der ermittelte Wert /«u, wird dann gespeichert, und während des zweiten Halbbildes dann die Anzahl N der Abtastzeile!! 20 gezählt, bei welchen ein Heüigkeitswert / auftritt, der größer ist als ein bestimmter Bruchteil G. beispielsweise die Hälfte des gespeicherten Wertes /mjl. Die derart festgestellte Anzahl N ist unmittelbar ein Maß für die Papierrauhigkeit.
Das am Ausgang der Fernsehkamera 15 zur Verfügung stehende, der Anzahl N proportionale Signal kann in vielfacher Weise weiterverwendet werden.
Zum Beispiel kann es in digitaler Form eine Leuchtanzeige steuern. Es kann aber auch eine Analoganzeige, beispielsweise ein Zeigerinstrument beaufschlagen.
Da das die Anzahl N der Abtastzeilen 20, bei denen ein Helligkeitswert über /m„/2 auftritt anzeigende Signal der Fernsehkamera 15 in der Regel ohnehin binärdezimaikodiert zur Verfügung steht, kann dieses Signal auch sehr vorteilhaft zur Steuerung oder Regelung des das Papier erzeugenden Prozesses verwendet werden.
Die in F i g. 2 dargestellte Anordnung wird mit besonderem Vorteil bei der Untersuchung laufender Papierbahnen eingesetzt Die Bewegung der Papierbahn mit der Oberfläche 8 ist in F i g. 3 durch den Pfeil M angedeuter. Es ist selbstverständlich, daß dabei dafür Sorge getragen werden muß, daß am Ort der Beleuchtung durch das Lichtstrahlenbündel 1 die Papierbahn so geführt ist, daß sich durch die Bewegung keine allzu gro- Ben örtlichen Änderungen der Ebene, in welcher die Papierbahn läuft, ergeben, derart daß die Streulichtellipse nicht aus dem Abtastfeld der Fernsehkamera 15 herausläuft. Das wird z. B. dadurch erreicht daß der beleuchtete Fleck gerade auf einer Rolle oder auch zwi- so sehen nahe beein£,ider befindlichen Rollen gewählt wird.
In der dargestellten Weise wird nur die über etwa 2 bis 4 Abtastbilder, d. h. über 80 bis 160 m/s gemittelte Rauhigkeit der durchlaufenden Oberfläche 8 angezeigt Will man die Rauhigkeit der durchlaufenden Papierbahn von Ort zu Ort gesondert erfassen, so können der das beleuchtende Lichtstrahlenbündel 1 erzeugende Laser gepulst und die Meßwerte zeitlich hintereinander abgespeichert und/oder ausgegeben werden. Dadurch eo können zeitlich kurzfristige Fluktuationen der Oberflächenrauhigkeit erfaßt werden. Die Dauer eines Beleuchtungsimpulses kann dabei wesentlich kleiner sein als die Dauer zweier Halbbilder, da die lichtempfindliche Schicht dss Vidikon die Information bis zum Lesen durch den Elektronenstrahl speichert
Außer bei der Erzeugung und/oder Bearbeitung bzw. dem Bedrucken von Papier kann die Erfindung
auch mit Vorteil bei der Erzeugung und/oder Bearbeitung von Kunststoff- und Metallfolien eingesetzt werden.
Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (5)

1 2 kleiner ist als die Dauer des Durchlaufs zweier Patentansprüche: * Halbbilder der abtastenden Fernsehkamera (15).
1. Photoelektrische Einrichtung zur Bestimmung
der Rauhigkeit bzw. Glätte diffusstreuender Ober- 5 6. Verwendung einer Einrichtung nach Anspruch 1
flächen (8), bei der Erzeugung und/oder Bearbeitung von Pa
pier.
a) mit einer Lichtquelle (21), 7. Verwendung einer Einrichtung nach Anspruch 1
b) von der ausgehend ein kollimiertes Lichtstrah- bei der Erzeugung und/oder. Bearbeitung von lenbündel (1) vorzugsweise unter einem Ein- io Kunststoffolien.
fallswinkel zwischen 50° und 85° auf diese 8. Verwendung einer Einrichtung nach Anspruch 1
Oberfläche gerichtet ist, bei der Erzeugung und/oder Bearbeitung von Me-
c) mit einem die Lichtintensität des von dieser tallfolien. Oberfläche reflektierten und gestreuten Lichtes
(6,7) messenden Photodetektor, 15
d) zum Ermitteln einer Größe, die dem Abstand zwischen dem Ort (27) der maximalen gemessenen Intensität (Im1x) und dem Ort eines vorgeb- Die Erfindung bezieht sich auf eine photoelektrische baren Bruchteils (G) dieser Maximalintensiiät Einrichtung zur Bestimmung der Rauhigkeit bzw. Glätzugeordn^t ist, als Maß für die Rauhigkeit, 20 te diffusstreuender Oberflächen nach dem Oberbegriff
des Patentanspruchs 1. Die Erfindung bezieht sich fer-
dadurch gekennzeichnet, daß ner auf die Verwendung dieser Einrichtung bei der Er
zeugung und/oder Verarbeitung von Papier, Kunststoff-
e) der Photodetektor eine Fernsehkamera (15) mit und Metallfolien.
Zeilenabtastung ist, 25 Derartige Meßeinrichtungen haben erhebliche Be-
f) daß der Wert der maximalen Intensität durch deutung bei der Herstellung von Papier, da dessen Abtasten des Bildes ermittelt und gespeichert Oberflächenrauhigkefc bzw. — als komplementärer Bewird und griff — Oberflächenglätte maßgebend ist für die Be-
g) daß durch zeilenweises Abtasten bei vorgege- druckbarkeit
bener Zeilenorientierung bezüglich der Einfalls- 30 Einrichtungen zum Messen der Rauhigkeit bzw. Glätebene die ADzahl (N) der Abtastzeilen (20) fest- te der Oberfläche insbesondere von Papier sind daher gestellt wird, innerhalb deren eine Lichtintensi- schon vielfach bekannt. Ein Oberblick darüber wird z. B. tat auftrkt, die den .vorgebüaren Bruchteil (G) in »Wochenblatt für Papierfabrikation« Nr. 2 (1970), des Wertes der maximalen intensität (!„,χ) S. 45 bis 51, gegeben. Auf S. 49 der angegebenen Publiübersteigt. 35 kation wird eine Einrichtung zur indirekten Glättemes
sung in Gestalt eines Glanzmessers beschrieben. Bei
2. Photoelektrische Einrichtung nach Anspruch 1, diesem Glanzmesser wird die zu untersuchende Oberdadurch gekennzeichnet, daS fläche mit einem kollimierten Lichtstrahlenbündel beleuchtet, und die Leuchtdichte des ."crückgestrahlten
a) die Fernsehkamera (15) im Zeilensprungverfah- 40 Lichtes im Reflexionswinkel fotoelektrisch gemessen, ren mit Halbbildabtastung betreibbar ist. Für wissenschaftliche Zwecke wurde auch schon die
b) daß bei der ersten Halbbildabtastung die Maxi- Winkelverteilung des von der Papieroberfläche zurück -malintensität (Im1x) und gestrahlten Lichtes ausgemessen, indem Geräte mit va-
c) bei der zweiten Halbbildabtastung die Anzahl riablen Beleuchtungs- und Beobachtungswinkeln ver-(N) der Abtastzeilen (20) festgestellt wird, für 45 wendet wurden. Diese bekannten Glanzmesser haben welche die Lichtintensität den vorgebbaren jedoch den Nachteil, sehr ungenau zu sein. Sie sind auch Bruchteil (G)der Maximalintensität übersteigt. in der Praxis ziemlich mühsam zu verwenden, da als
Maß für die Rauhigkeit nur Analogsignale gewonnen
3. Photoelektrische Einrichtung nach Anspruch 2, werden können.
dadurch gekennzeichnet, daß 50 Aus der US-PS 35 91 291 ist ferner eine Rauhigkeits-Meßanordnung bekannt, bei der die Intesitätsverteilung
a) die Fernsehkamera (15) auf unendlich einge- des rückgestrahlten Lichtes durch ortsfeste Detektoren stellt ist und gemessen wird. Als Maß für die Rauhigkeit dient bei
b) daß die Richtung der Abtastzeilen senkrecht dieser bekannten Anordnung die Differenz zwischen zur Einfallsebene (4) des beleuchtenden Licht- 55 der Intensität, die bei einem Ausfallswinkel gemessen Strahlenbündels (1) liegt. wird, der betragsmäßig dem Einfallswinkel entspricht,
und der Intensität des rückgestrahlten Lichtes, an einem
4. Photoelektrische Einrichtung nach einem der zweiten fest vorgegebenen Ort Besonders nachteilig vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeich- wirkt sich bei dieser Anordnung der Umstand aus, daß net, daß ein Anzeigegerät vorgesehen ist, an dem ein 60 die Intensitätsmessungen bei unterschiedlich diffusder genannten Anzahl (N) der Abtastzeilen zugeord- streuenden Oberflächen jeweils an verschiedenen Stelnetes Signal darstellbar ist. len der Streulichtkeule erfolgt. Insbesondere wenn die
5. Photoelektrische Einrichtung nach einem der Messung an Orten der Streulichtkeule erfolgt, bei denen vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeich- die Lichtintensität bereits sehr klein ist (schlanke Streunet, daß 65 lichtkeule), ist die Meßgenauigkeit der Anordnung gering.
a) das Einfalls-Lichtstrahlenbündel(l) gepulst ist, Aus der US-PS 37 82 827 ist ebenfalls eine Rauhig-
b) wobei die Dauer eines Beleuchtungsimpulses keits-Meßanordnung bekannt Bei dieser bekannten
DE2260090A 1972-11-24 1972-12-08 Photoelektrische Einrichtung zur Bestimmung der Rauhigkeit bzw. Glätte diffusstreuender Oberflächen Expired DE2260090C3 (de)

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JP (1) JPS4984462A (de)
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CS (1) CS258452B2 (de)
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