專利名稱：用于確定物品及其表面的特性的測量儀器和方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及測量儀器和方法，特別是那些用于測量物品的表面特性(例如光澤、 折射率和/或厚度)的測量儀器和方法。
背景技術(shù)：
對物品表面的特性的控制(例如，監(jiān)控紙、金屬和各種膜的表面的質(zhì)量)以及對表面的厚度的控制是例如工藝控制和產(chǎn)品質(zhì)量控制期間的關(guān)鍵部分。一個(gè)廣為人知且普遍采用的用于表面質(zhì)量特性描述的參數(shù)是光澤度。表面光澤度的光學(xué)測量被普遍使用和廣泛記載，例如在 ISO 標(biāo)準(zhǔn) 2813“Paints and Varnishes-Determination of specular gloss if nonmetallic paint films at 20° 60° and 80° ”中。目前，例如在鋼鐵工業(yè)中，光澤度主要通過使用分離的點(diǎn)狀傳感器(point-like sensor)在實(shí)驗(yàn)室中以所謂的離線模式確定。通過使用點(diǎn)狀傳感器確定光澤參數(shù)是緩慢的，并且不允許例如工藝的實(shí)時(shí)調(diào)整。從現(xiàn)有技術(shù)中還已知用于確定表面的光澤的其他系統(tǒng)。例如，在W001/20308中公開了一種解決方案，其中，朝著所測量的表面引導(dǎo)由光源發(fā)射的光，以使光從該表面反射至檢測器。檢測器進(jìn)而測量反射光的強(qiáng)度并基于反射光的強(qiáng)度確定表面的光澤。在所公開的解決方案中，能改變檢測器的靈敏度。進(jìn)而能通過可編程的恒定值校準(zhǔn)儀器，以將某些光澤單位作為測量結(jié)果給出。另外，在EP 1 407 248 Bl中，公開了一種用于表面光澤測量的解決方案，其中，由光源發(fā)射的光被校準(zhǔn)并分成不同的兩個(gè)光束，在這兩個(gè)光束中，通過第一反射鏡朝著所測量的表面引導(dǎo)第一光束，并且通過棱鏡將第二光束引導(dǎo)至第一反射鏡，并進(jìn)一步引導(dǎo)至第二反射鏡。使第一光束從所測量的表面反射至第二反射鏡并進(jìn)一步由此反射至檢測器。通過棱鏡使第二光束反射至第二檢測器。另外，一種解決方案意在使用第三反射器以形成參考信號(hào)。作為用于測量表面特性的現(xiàn)有技術(shù)，還知道文獻(xiàn)FI 119259B，在該文獻(xiàn)中公開了一種解決方案，其中，使朝著表面發(fā)射的光分散，形成光譜，以使光譜中的不同波長聚焦在正在測量的表面的法向方向上的不同高度上。在所公開的解決方案中，基于來自檢測器的信號(hào)，確定光輻射的強(qiáng)度最高時(shí)的發(fā)射波長，并且基于所測得的波長確定表面的位置。另外，根據(jù)該解決方案，可通過測量上下表面平面的位置來確定物品的厚度。然而，已知方案具有一些缺陷。例如，如果正在測量的表面移動(dòng)或者顫動(dòng)，從表面反射的光的強(qiáng)度改變，即使事實(shí)上表面的光澤度將是恒定的。還可能發(fā)生，來自輻射源的聚焦的光不能到達(dá)正在測量的表面上的適當(dāng)位置，因此反射光的強(qiáng)度可能改變。產(chǎn)生這些缺陷的原因可能是例如顫動(dòng)表面相對于檢測器的距離和/或角度改變。而且表面的形狀可能改變，因此影響反射輻射的強(qiáng)度，即使事實(shí)上光澤度將保持不變。因此現(xiàn)有技術(shù)中公開的解決方案在移動(dòng)表面特性的測量期間例如并不一定帶來可靠的結(jié)果
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的一個(gè)目的是實(shí)現(xiàn)這樣一種解決方案，S卩，能減少先前提到的現(xiàn)有技術(shù)的缺陷。特別地，本發(fā)明意在解決如何監(jiān)控移動(dòng)或者顫動(dòng)的表面的特性，例如光澤、反射率和
/或厚度。本發(fā)明的目的通過獨(dú)立專利權(quán)利要求中所公開的特征來實(shí)現(xiàn)。根據(jù)本發(fā)明的測量裝置的特征在于描述了測量儀器的獨(dú)立權(quán)利要求的特征部分中所公開的特征。根據(jù)本發(fā)明的測量方法的特征在于描述了測量方法的獨(dú)立權(quán)利要求的特征部分中所公開的特征。根據(jù)本發(fā)明的計(jì)算機(jī)程序產(chǎn)品的特征在于描述了計(jì)算機(jī)程序的獨(dú)立權(quán)利要求的特征部分中所公開的特征。根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，物體和/或其表面的特性通過光輻射來確定，因此通過至少一個(gè)光輻射源朝著正在測量的表面發(fā)射光輻射，并且通過至少一個(gè)檢測器監(jiān)控從表面發(fā)射的輻射的強(qiáng)度，所述檢測器產(chǎn)生與輻射強(qiáng)度成比例的電信號(hào)。根據(jù)本發(fā)明，將由光源發(fā)射的輻射(例如白光或者其他優(yōu)選地連續(xù)的光譜光)分成不同的波長。然后使波長在與正在測量的表面的法向不同的方向上聚焦在正在測量的物體上，以使所述波長中的最短波長和最長波長將在正在測量的表面的法向方向上聚焦到所測量的物體的表面的不同半部和不同高度上。例如，可使紅色光譜波長聚焦在正在測量的物體的上表面平面上，并且可使藍(lán)色光譜波長聚焦在正在測量的物體的下表面平面上。根據(jù)本發(fā)明，總能確保至少一些位于光譜的最長波長與最短波長之間的波長將基本聚焦在正在測量的物體的表面上，即使表面的形狀且因此關(guān)于檢測器的位置和距離將不是恒定的，而將由于表面的移動(dòng)或者顫動(dòng)而改變。而且，根據(jù)本發(fā)明，總能限定與從物體的表面反射的光線對應(yīng)的最強(qiáng)強(qiáng)度值，因?yàn)榫劢沟狡渌胤缴系墓饩€的強(qiáng)度值基本小于從物體的表面反射的那些光線的強(qiáng)度值。另外，根據(jù)本發(fā)明，能確定產(chǎn)生最強(qiáng)強(qiáng)度值的光線的波長。表面光澤影響從表面反射的光線的強(qiáng)度，因此表面越有光澤，從表面反射的光線的強(qiáng)度值越高，并且，因此，表面越模糊，其發(fā)光越少，并且因此從表面反射的光線的強(qiáng)度越弱。另外，從不同的光源發(fā)射的光線還可具有不同的特征強(qiáng)度；并且，由此，根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，已知每種波長或者至少一個(gè)波帶(包括一些波長)的特征強(qiáng)度。根據(jù)本發(fā)明的一些實(shí)施例，通過限定反射至檢測器的光的最高強(qiáng)度值(對應(yīng)于聚焦在表面上并由此反射的光線)和所述光線的波長，并通過進(jìn)一步與例如所述波長的特征強(qiáng)度值相比較，可確定表面的光澤度。根據(jù)本發(fā)明，通過檢測器捕獲從所測量的表面基本朝著鏡面反射的方向反射的光輻射，其中，鏡面反射的方向不同于正在測量的表面的法向方向。反射輻射實(shí)際上代表了其焦點(diǎn)到達(dá)物體的表面的波長。然后從由檢測器產(chǎn)生的電信號(hào)(該信號(hào)與輻射強(qiáng)度成比例) 基于該波長的強(qiáng)度值來確定光澤度(光澤度描述了物體表面的光澤的特征)，該波長的焦點(diǎn)位于正在測量的表面上，并且該波長是鏡面幾何體系中的從該點(diǎn)反射至檢測器的最強(qiáng)波長。檢測器優(yōu)選地組裝成通過它能區(qū)分朝著它的光輻射的強(qiáng)度值和至少某些帶寬。能例如通過由檢測器產(chǎn)生的電壓來確定強(qiáng)度值，并且能基于與特定波長對應(yīng)的光線到達(dá)檢測器(例如，多通道列檢測器)的哪一點(diǎn)的數(shù)據(jù)來確定波長。檢測器可以是例如基于CCD或者CMOS技術(shù)的檢測器。 根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，還能將兩個(gè)分離的檢測器用作用于從表面反射的光輻射的監(jiān)控裝置，以通過濾光器將從表面反射的光分給兩個(gè)不同的檢測器，所述濾光器的穿透性作為波長的函數(shù)而改變，例如，增大或者減小。在這種情況下，能將至少兩種不同的波長或者帶寬分給兩個(gè)不同的檢測器，并且峰值強(qiáng)度的焦點(diǎn)與比率成比例
權(quán)利要求
1.一種用于通過光輻射來確定所測量的物體的一個(gè)以上的特性的測量裝置，其中，所述測量裝置包括至少一個(gè)光輻射源，用于將光輻射發(fā)射至所測量的物體，以及至少一個(gè)檢測器，用于接收從所測量的物體反射的輻射并用于產(chǎn)生與所述輻射的強(qiáng)度成比例的電信號(hào)， 其特征在于， 所述測量裝置還包括(被發(fā)射的)光輻射處理單元，調(diào)整所述被發(fā)射的光輻射處理單元，以將由所述光輻射源發(fā)射的光輻射分成分離的波長，并在與正在測量的表面的法向不同的方向上將所述分離的波長引導(dǎo)至所測量的物體，從而使所述波長中的至少最短波長和最長波長在正在測量的表面的法向方向上聚焦在所測量的物體的表面的不同半部和不同高度上，(被反射的)光輻射處理單元，調(diào)整所述被反射的光輻射處理單元，以至少在鏡面反射的方向上接收從所測量的物體反射的光輻射，并將接收的光輻射引導(dǎo)至所述檢測器，所述鏡面反射的方向不同于正在測量的表面的法向，并且調(diào)整所述測量裝置，以對由所述檢測器產(chǎn)生的并與聚焦在所述檢測器上的輻射的強(qiáng)度成比例的電信號(hào)進(jìn)行分析，并進(jìn)一步地基于其波長的強(qiáng)度來確定描述所測量的物體的表面光澤的至少一個(gè)特征，例如光澤度，所述波長的焦點(diǎn)位于所測量的表面上，并且因此，所述波長作為鏡面幾何體系中的最強(qiáng)波長從該點(diǎn)反射至所述檢測器。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的測量裝置，其中光輻射源包括兩個(gè)以上的光源，每個(gè)所述光源關(guān)于相同物體的表面但關(guān)于不同的高度產(chǎn)生分離的光譜，并且其中，所述光源由幾個(gè)分離的光源形成或者通過光束分離器由光輻射體的輻射形成，并且/或者，調(diào)整光輻射檢測單元，以檢測從所述表面反射的并聚焦在幾個(gè)不同的位置的光線，以通過光束分離器將聚焦在不同的位置的所述光線組合至所述檢測單元，或者其中，光輻射檢測單元包括兩個(gè)以上的檢測單元，以檢測由每個(gè)所述輻射源發(fā)射的并從所測量的物體的表面反射的光線。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的測量裝置，其中，兩個(gè)以上的輻射源和所述輻射檢測單元以發(fā)射器接收器對來布置，從而將所述檢測單元布置成實(shí)際上僅測量來自其自身的輻射源的強(qiáng)度，而不管其他發(fā)射器接收器對，在這種情況下，發(fā)射器接收器對在彼此之間能具有不同的偏振水平或者方向，在這種情況下，所述測量裝置能布置成測量來自完全相同的位置的兩個(gè)以上的反射信號(hào)，所述反射信號(hào)在所述發(fā)射器與所述接收器之間能具有不同的偏振比。
4.根據(jù)任一前述權(quán)利要求所述的測量裝置，其中，描述正在測量的物體的特征的可測量特性是折射率和/或厚度。
5.根據(jù)任一前述權(quán)利要求所述的測量裝置，其中，調(diào)整所述測量裝置，以優(yōu)選地大致按以下方式確定描述正在測量的表面的光澤的特征的光澤度Gtl
6.根據(jù)任一前述權(quán)利要求所述的測量裝置，其中，已知所述波長的焦點(diǎn)關(guān)于參考點(diǎn)的距離；在這種情況下，調(diào)整測量裝置，以通過確定從所述表面反射的最強(qiáng)強(qiáng)度的波長并將所述最強(qiáng)強(qiáng)度的波長與所述波長的焦點(diǎn)距所述參考點(diǎn)的距離相比較來限定所述物體的表面的位置。
7.根據(jù)任一前述權(quán)利要求所述的測量裝置，其中，所測量的物體對于所采用的光輻射是至少部分透明的，并且其中，所述物體包括至少兩個(gè)大致平行的表面，即上、下表面，并且其中，調(diào)整所述波長中的至少最短波長和最長波長，以聚焦成使得所述物體的表面保持在所述波長的焦點(diǎn)之間，在這種情況下，調(diào)整所述測量裝置，以接收從所述兩個(gè)表面反射的波長并基于由這些最強(qiáng)強(qiáng)度峰值引起的峰值寬度變化來確定所述物體的厚度。
8.根據(jù)任一前述權(quán)利要求1-6所述的測量裝置，其中，所測量的物體對于所采用的光輻射是至少部分透明的，并且其中，所述物體包括至少兩個(gè)大致平行的表面，即上、下表面， 并且其中，調(diào)整所述波長中的至少最短波長和最長波長，以聚焦成使得所述物體的表面保持在所述波長的焦點(diǎn)之間，在這種情況下，調(diào)整所述測量裝置，以確定與兩個(gè)最強(qiáng)強(qiáng)度對應(yīng)的波長，并基于所述波長的焦點(diǎn)的位置數(shù)據(jù)來確定所述上、下表面之間的距離，并且因此， 確定所述物體的厚度。
9.根據(jù)權(quán)利要求6或8所述的測量裝置，其中，調(diào)整所述測量裝置，以當(dāng)正在測量的物體和測量裝置關(guān)于彼此移動(dòng)時(shí)確定所述物體的至少一個(gè)表面的輪廓。
10.根據(jù)任一前述權(quán)利要求6-9所述的測量裝置，其中，測量裝置包括兩個(gè)測量設(shè)備， 所述兩個(gè)測量設(shè)備至少包括根據(jù)權(quán)利要求1的所述光輻射源、所述檢測器和所述光輻射處理單元，其中，第一測量設(shè)備布置在所述物體的第一半部，并且第二測量設(shè)備布置在所述物體的第二半部，并且在這種情況下，調(diào)整所述測量裝置，以根據(jù)通過所述第一測量設(shè)備測得的第一表面的位置數(shù)據(jù)和通過所述第二測量設(shè)備測得的第二表面的位置數(shù)據(jù)來確定所測量的物體的厚度。
11.一種用于通過光輻射來確定物體的一個(gè)以上的特征的方法，其中通過至少一個(gè)光輻射源將所述光輻射發(fā)射至正在測量的物體，以及通過至少一個(gè)檢測器接收從正在測量的物體反射的輻射并產(chǎn)生與輻射強(qiáng)度成比例的電信號(hào)，其特征在于此外在所述方法中將由所述光源發(fā)射的光輻射分成多種波長，并在與所測量的表面的法向不同的方向上將所述多種波長引導(dǎo)至所測量的物體，從而使所述波長中的至少最短波長和最長波長在正在測量的表面的法向方向上聚焦在所測量的物體的表面的不同半部和不同高度上，至少從鏡面反射的方向接收從所測量的物體反射的光輻射，并將所述光輻射引導(dǎo)至所述檢測器，所述鏡面反射的方向不同于所測量的表面的法向方向，并且對由所述檢測器產(chǎn)生的并與聚焦在所述檢測器上的輻射的強(qiáng)度成比例的電信號(hào)進(jìn)行分析，并進(jìn)一步地基于該波長的強(qiáng)度來確定描述所測量的物體的一個(gè)以上的特征，至少是所述表面的光澤特征特性，所述波長的焦點(diǎn)位于所測量的表面上，并將所述波長作為鏡面幾何體系中的最強(qiáng)波長從該點(diǎn)反射至所述檢測器。
12. 一種用于通過光輻射來確定物體的一個(gè)以上的特征的計(jì)算機(jī)程序產(chǎn)品，其中，調(diào)整所述計(jì)算機(jī)程序產(chǎn)品，以接收來自測量裝置的測量數(shù)據(jù)，所述測量裝置包括 至少一個(gè)光輻射源，用于將所述光輻射發(fā)射至正在測量的物體，以及至少一個(gè)檢測器，用于接收從所測量的物體反射的輻射并用于產(chǎn)生與所述輻射的強(qiáng)度成比例的電信號(hào)， 其特征在于所述測量裝置進(jìn)一步包括(被發(fā)射的)光輻射處理單元，調(diào)整所述被發(fā)射的光輻射處理單元，以將由所述光源發(fā)射的光輻射分成分離的波長，并在與正在測量的表面的法向不同的方向上將所述分離的波長引導(dǎo)至所測量的物體，從而使所述波長中的至少最短波長和最長波長在正在測量的表面的法向方向上聚焦在所測量的物體的表面的不同半部和不同高度上，(被反射的)光輻射處理單元，調(diào)整所述被反射的光輻射處理單元，以至少在鏡面反射的方向上接收從所測量的物體反射的光輻射，并將接收的光輻射引導(dǎo)至所述檢測器，所述鏡面反射的方向不同于正在測量的表面的法向，并且當(dāng)所述計(jì)算機(jī)程序產(chǎn)品在數(shù)據(jù)處理裝置中運(yùn)行時(shí)，調(diào)整所述計(jì)算機(jī)程序產(chǎn)品，以對由所述檢測器產(chǎn)生的并與聚焦在所述檢測器上的輻射的強(qiáng)度成比例的電信號(hào)進(jìn)行分析，并進(jìn)一步地基于該波長的強(qiáng)度來確定描述所測量的物體的一個(gè)以上的特征，至少是表面光澤的特征，所述波長的焦點(diǎn)位于所測量的表面上，并且因此，所述波長作為鏡面幾何體系中的最強(qiáng)波長從該點(diǎn)反射至所述檢測器。
全文摘要
一種用于通過光輻射來確定物體的表面的特征的測量裝置，其中測量裝置包括光輻射源以及接收從正在測量的表面反射的輻射的檢測器。此外，測量裝置包括發(fā)射光輻射處理單元，調(diào)整該發(fā)射光輻射處理單元，以將由光源發(fā)射的光輻射分成分離的波長，并在與正在測量的表面的法向不同的方向上將所述分離的波長引導(dǎo)至正在測量的物體，從而使所述波長中的至少最短波長和最長波長在正在測量的表面的法向方向上聚焦在所測量的物體的表面的不同半部和不同高度上。另外，測量裝置包括反射光輻射處理單元，調(diào)整該反射光輻射處理單元，以至少在鏡面反射的方向上接收從所測量的物體反射的光輻射，并將接收的光輻射引導(dǎo)至所述檢測器，該鏡面反射的方向不同于正在測量的表面的法向。再此外，調(diào)整該測量裝置，以對由檢測器產(chǎn)生的并與聚焦在檢測器上的輻射的強(qiáng)度成比例的電信號(hào)進(jìn)行分析，并進(jìn)一步地以基于其波長的強(qiáng)度來確定所測量的物體的表面光澤(光澤度)和/或厚度特征特性，該波長的焦點(diǎn)位于所測量的表面上，并且該波長是鏡面幾何體系中的從該點(diǎn)反射至檢測器的最強(qiáng)波長。
文檔編號(hào)G01N21/57GK102575985SQ201080045557
公開日2012年7月11日 申請日期2010年10月7日 優(yōu)先權(quán)日2009年10月8日
發(fā)明者卡里·涅梅萊, 海莫·凱雷寧 申請人:Vtt技術(shù)研究中心