(57)【要約】本発明は表面の性質を光学的に測定するための装置に関し、照明装置を介して光点が作られ、反射光３、４、５が多数の光学的センサ６によって測定される。評価においては、センサ６の個々の信号が考慮されるが、センサ６の比較的小さなグループの多数の信号が少なくとも考慮される。それによってとりわけ検出角範囲の外挿が可能である。【特許請求の範囲】
【請求項１】
測定対象の表面の性質を光学的に測定するための装置であって、
光点により測定対象（１）を照明するための照明装置と、
照明装置によって照射され（２）測定対象の表面によって反射された光（３、４、５）を検出し得るように配置された多数の光学的センサ（６）と、
測定対象（１）の表面の性質を決定するためセンサ６の信号を評価するための評価装置（８〜１３）と
を備えた装置において、
評価装置（８〜１３）に、それぞれ隣接するセンサ（６）の多数のグループの信号がグループ毎に別々に導かれることを特徴とする表面性質の光学的測定装置。
【請求項２】
グループ毎に正確に１つのセンサ（６）が設けられている請求項１記載の装置。
【請求項３】
センサ（６）が測定対象（１）の表面上に中心点を持つ円弧にほぼ沿って配置されている請求項１又は２記載の装置。
【請求項４】
照明装置が測定対象（１）の表面を表面上の法線に対し傾斜して照射し得るように照明装置が構成されている請求項１〜３のいずれか１つに記載の装置。
【請求項５】
測定対象（１）の表面によって反射した光（３、４、５）を集束するため少なくとも１つのレンズ（７）を有する請求項１〜４のいずれか１つに記載の装置。
【請求項６】
照明装置により測定対象（１）の表面上に生じた光点と表面との間に相対運動を生じさせることができ、光点が表面上をトラックに沿って動き、その際評価装置（８〜１３）が、トラックに沿って生じる反射角から積分によりトラックに沿う表面のプロフィル分布を計算するように構成されている請求項１〜５のいずれか１つに記載の装置。
【請求項７】
測定対象（１）が生産ラインにおいて輸送すべき材料シートであり、相対運動が材料シート（１）の輸送から生ずる請求項６記載の装置。
【請求項８】
照明装置により生じた光点が照明装置により測定対象（１）の表面に相対的に動かし得る請求項６又は７記載の装置。
【請求項９】
評価装置（８〜１３）が検出装置の角検出範囲の縁部における外挿のために構成されている請求項１〜８のいずれか１つに記載の装置。
【請求項１０】
散乱角幅から光の一部のみが検出可能な場合に検出装置の検出角範囲の縁部において外挿するため、測定対象（１）の表面によって反射した光の散乱角幅の時間的平均値を決定し得るように評価装置（８〜１３）が構成されている請求項９記載の装置。
【請求項１１】
測定対象（１）の表面によって反射した光（３、４、５）の散乱角幅内の最大値を決定し得るように評価装置が構成されている請求項９記載の装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、表面の性質を光学的に測定するための装置に関する。
【０００２】
本発明において装置とは、照明装置を備え、この照明装置によって測定対象の表面上に光点を生じさせることのできるものをいう。表面によって反射した光は検出され評価される。そのために適切に配置された多数の光学的センサが設けられている。その場合、これらのセンサはある定められた、あまり小さ過ぎない反射角の範囲を覆い、従ってこれらの反射角の範囲で反射された光を捕え得るようにしなければならない。さらに、測定対象の所望の表面性質を決定するため、センサによって生じる信号を評価し得る評価装置が設けられる。
【０００３】
この種の公知の装置は、独国特許出願公開第3805785 A1号明細書に記載されている。この文献によれば、材料表面の表面プロフィルを確定するため、表面上に中心をもつ円弧状に光センサを配置し、レーザを使用して表面上の円弧中心点に光点を照射することによって表面上のレーザ光の反射の際の反射角を評価することが提案されている。反射角から、表面プロフィルは積分によって確定される。その場合反射角は、センサの直列接続及びその直列接続の末端から導き出される信号の評価によって決定され、それによって反射角決定の際に重心点形成が生じる。
【０００４】
本発明は、上述のような種類の引用された従来技術に対し改良された装置を提供することを技術的課題とするものである。
【０００５】
この技術的課題を解決するため、本発明によれば、それぞれ隣接するセンサの多数のグループの信号がグループ毎に別々に評価装置に導かれる。
【０００６】
有利な実施形態は従属請求項に記載したとおりである。
【０００７】
本発明の基本的な考え方は、上述の従来技術で提案されたセンサの直列接続においては、信号の評価の際の柔軟性が低く不利であることにある。たしかに従来技術で提示された解決法は、直列接続の端部に生じる両信号のみが考慮されなければならないだけで、さらにこれらの信号から差及び和の商形成によって極めて簡単な方法で、求められる重心点（中心点）のために存在する単一の信号を直接決定できるという大きな利点を持っている。しかしながら、この解決法は、直線的な重心点形成に限定される。即ちセンサ間の結合は自由に選ぶことができず、その結果通常の装置による種々の有利な利用可能性は実行することができない。
【０００８】
これに対して本発明によれば、センサ装置からの多数の信号が利用され、それぞれ共通の信号にまとめられるセンサがここではグループと名付けられる。本発明においては好ましくは各グループは正しく１つのセンサからなり、従って各個々のセンサ信号が考慮される。しかし本発明はまた、隣接するセンサの大き過ぎないグループから共通に１つの信号が形成されるようにすることもでき、その結果最終的にはそれにもかかわらず全装置の空間的な解像度を反映する多数のセンサ信号を利用することができる。
【０００９】
それに関連して柔軟性が著しく高められる。何故なら、センサ間ないしグループ間の結合を自由に選ぶことができるからである。多様な利用態様が可能であり、その際本発明はこれらの個々の有利な利用態様に限定されない。例えば、各センサないしグループからの信号は、更に処理される前に個々に対数計算されることが可能で、それによって著しく増大した動特性が得られる。さらに種々のセンサの寄与に異なる重み付けをし、それによって装置の幾何学的性質や鋭敏さの差などを補償することができる。また、グループの信号が照明装置を作動させることなく測定され、バックグラウンドパターンとして確定されることによって、バックグラウンド補正を行うこともできる。本来の測定においては、この信号パターンは実際の信号から差し引くことができる。最後に重心点決定は直線的なものとは異なるように行うこともでき、例えば２乗の重み付けによって行うことができる。このこと及び本明細書の以下に記載する可能性は、本発明を実行するために必ずしも平行して行われるべきことではない。本発明の利点はむしろグループ毎に行うべき信号評価の根本的な柔軟性にある。
【００１０】
測定すべき表面の性質としては、特に表面プロフィル又は表面あらさに対する特性値が考えられる。測定対象としては好ましくは、主として平らな材料シートが扱われるが、しかしながら必ずしもそれに限られるものではない。照明装置は半導体ダイオードを備えているのが目的に適っているが、必ずしもその必要はない。センサは好ましくは、測定すべき表面と光点の範囲で交わる一平面上に配置される。他のセンサを場合によっては他の平面に設けることもできる。所望の検出角範囲にわたって反射光のすきまのない検出を保障するために、平面内においてセンサは好ましくは比較的蜜に配置されるべきである。その場合、配置の解像度及び密度は、反射光の期待すべき散乱角幅に合わせることができる。
【００１１】
全体として、少なくとも７個のグループに分けられた少なくとも２１個のセンサが設けられるのが有利である。
【００１２】
照明装置、従って例えばレーザダイオードは、測定対象の表面が斜めに照射されるように整列される。それによって反射光は、平らな表面上における鏡面反射の際、同様に表面法線に対して、また照射方向に対しても、傾斜して存在する。一般にこのような鏡面反射の方向の周りに設けられたセンサの配置は、照射装置と僅か衝突するだけで、従って照射装置によって遮断される必要はない。
【００１３】
反射光をセンサ上に集めるため、ないし反射光の拡散を減ずるため、センサと測定すべき表面との間にレンズ系を設けることができる。その際、大きな個別レンズも、多数のレンズを配置することも考えられる。個別レンズは特に円環状にすることができ、また測定対象の表面に対し凹に、表面にわたってアーチ形になるようにすることができる。
【００１４】
本発明による表面の測定は部分的に行うことができ、従って例えば測定対象毎に、固定した個別測定のただ１つ又は特定の数を行うことができる。その際光点も、十分大きな表面領域にわたって所望の表面性質が検出されるように大きく保持することもできる。しかしながら、測定中、光点と表面との間に相対運動が行われ、従って表面の性質があるトラックに沿って測定されるようにするのが好ましい。特に、その際トラックに沿って生ずる反射角から積分ないし加算を介してトラックに沿った表面のプロフィル分布を推断することができ、このことは既述の文献に述べられている。測定中測定対象を動かし装置を固定保持するという既に従来技術で述べられている可能性のほかに、もちろん装置を動かすことも可能である。しかしながら、とりわけ、移動する測定対象に固定した装置で測定することは有利である。その際、測定対象、一般的に主として平らな材料トラック、がいずれにせよ輸送される流れ作業の生産ライン及び製造ラインにおける生産品監視に本発明は特に関連がある。この動きはプロフィル分布の測定に利用することができる。その場合「生産」という概念はもちろん処理ステップを包含する。圧延路やコーティング路も同様に製造ラインである。
【００１５】
以上に代えて又はそれに付加して、光点が照明装置を用いて表面上を動き得るように照明装置を構成することもできる。そのため例えば多角形鏡面スキャナーが問題になる。この光点運動は、装置又は測定対象の運動の代りに使用することができ、またそれらに重ねることもできる。それによって特に１行ずついわば二次元表面領域を走査することができる。
【００１６】
本発明の特に有利な点は、反射光の散乱角幅についての決定が可能なことにある。この散乱角幅から、例えば既に述べたプロフィル計算によっては検出できないマイクロあらさの推断も可能である。その場合反射光の散乱角幅は場所に関係して、又は場所の平均値形成の枠内で使用することができる。
【００１７】
反射光の散乱角幅に対する値の平均値形成は、特に、センサの配置により予め与えられる検出角範囲の縁部において外挿を行い得るようにするため使用することもできる。即ち若干広げられた「反射光ローブ」の一部がセンサによって予め与えられた検出角範囲の縁を超えると、従来技術で使用した重心点形成はこの反射光ローブの重心点の誤った内容を導くことになる。このことはまさに、反射光ローブの一部が計算に入れられないであろうことにある。本発明によれば、この反射光ローブの時間平均で現れる広がりについての内容が与えられると、このような場合にはさらに反射光ローブの重心点（又は他の方法で定義された中心点）を帰納的に推論することができる。このことはそのうえさらに、事情によっては、反射光ローブの一部のみが検出される場合にでも、検出角範囲の外側に自身存在する重心点位置が外挿によって計算し得る域にとどまるように広げられる。その場合提案された時間的平均値形成は種々の方法で行うことができる。例えば、最も簡単な場合にはこの時間的平均値形成は反射角に無関係に行うことができ、その際基礎となる材料性質が反射角と関連しないと仮定する。しかしまた、平均値形成を検出角範囲の縁部の周りに生じる幅にわたって行うこともでき、その結果この平均値形成は外挿の際の関係に場合によっては更によく適合させることができる。
【００１８】
本発明を利用し得る他の可能性は、重心点形成の代りに最大値を決定することある。この最大値決定も冒頭に述べた通常の装置では不可能である。この最大値決定は、一つには特に非対称の反射光ローブの際に、重心点形成よりも現実により忠実な内容を与える。第二にこの最大値決定を利用することによって同様に有効検出角範囲を広げることができる。何故なら最大値の検出は、既に反射光ローブの一部が検出可能な角度範囲の外側に存在していても可能だからである。
【００１９】
以下に本発明の実施例を詳細に説明するが、そこの含まれる個別の特徴は他のグループみ合わせにおいても本発明の本質的な部分であり得る。さらに、念のため、本発明は方法的な性質をも有し、その結果これまでの記述及び以下の記述は装置の特徴及び方法の特徴を開示するものと解釈すべきことを指摘しておく。
【００２０】
図１において、１は測定対象としての金属シートを示す。金属シート１は断面で示され、その長手方向は図の面に垂直に延びている。金属シート１としては圧延路内を輸送される材料が対象とされ、この材料は前のここには図示されていない作業工程で仕上げロールにより処理されたものである。仕上げロールは金属シートの製造における最終処置のために使用され、シート表面上に後の深絞り工程又は塗工処理のために必要なあらさを作る。この際仕上げロールは例えば金属球放射（ショットブラスト）又は放電粗面化（ＥＢＴ、ＥＤＴ）又はレーザ粗面化法（Laser Tex）により処理することができ、その表面の性質をシート１上に転写する。シート１そのものの表面（冷間圧延、亜鉛引き等）に関係して仕上げロールによる処理によって表面の反射及び散乱の仕方は変化する。広がり角及び角度による光強度分布は品質管理のための有益なパラメータである。
【００２１】
シート１の表面は図示されていないレーザダイオードからの集束光２により照射され、レーザ光２の平均入射方向は、図１に概略断面図示でシート１に垂直にあり、レーザの集束光束の代理として示され２の符号が付されている。符号３、４及び５は反射光ローブの種々の変形を示す。３では若干広げられた鏡面反射が対象であり、４では強く広げられた鏡面反射、５では側方に強く傾斜した反射が対象で、その広がりはほぼ鏡面反射３のそれに等しい。これらの例は、反射光は反射角（３と５との間の差異参照）及び広がり（３と４との間の差異参照）に関して変化し得ることを明らかにしているというべきである。反射角はシート１の反射する表面範囲の、しかもレーザ光２により生じた光点の範囲の、傾斜を表す。広がりは、反射ローブの幅によってのみ概略的に特徴付けられ得るマイクロあらさを表す。
【００２２】
示された反射ローブ３、４及び５は外側領域において、その外側の経過が各ローブ内の反射光の代表的な強度分布を表すように描かれている。シート１上の照射される点から生ずるローブ３、４及び５の形は、種々の大きさの散乱角幅のみをシンボル化している。側方の線の形はそれ以上の意味はない（図示上の理由からのみ若干凹）。
【００２３】
反射光はシート１上のレーザ光２の光点の周りに中心をおく円環状に配置された多数のセンサ６によって測定され、このセンサは実際の構成においては極めて多数設けられるものである。コスト上の理由からこの例では２１個のセンサ６が設けられているだけである。勿論他の数値でも実施可能である。
【００２４】
図１は照明装置の照射されたレーザ光２がその光軸でもってシート１上の表面法線に対し傾いていること、しかも図の面上に垂直にあり表面法線とレーザ光２の照射方向を含む面内にあることは示されていない。センサ６の円環状配置は、さらにシート１上の光点を含む面を定め、この面は同様に表面法線に対し傾いており、しかも逆方向に同じ値だけ傾いている。従って、レーザ光２が図１の視点で斜め後方から図の面内にある光点をシート１上に作ることを想像することができ、この場合反射光（反射ローブ３）は斜め前方へ反射され、センサ６の円環状配置に当る。独国特許出願公開第3805785 A1号明細書の図３及び図５を参照されたい。
【００２５】
センサ６の円環状配置には、センサに１：１対応で設けられた個別レンズ７からなるレンズ領域が前置され、このレンズ領域によって反射光３、４及び５はセンサ６上に集束される。破線で個々のレンズ７の幅にほぼ相応するローブ幅が示され、このローブ幅はセンサ上に点状の集束で導かれる。このローブ幅はシート１上の理想的な鏡面反射に相等する。反射において広がりが発生するや否や、少なくとも２つのセンサにおける光検出が生じる（反射角に無関係）。
【００２６】
図２は、これまでに説明した装置に属する評価装置の構成を示す。左側には黒の正方形６で図１で既に示したセンサ６の一部が示されている。各個々のセンサ６にはＡＤ変換器８が所属し、この変換器はセンサのもともとのアナログ出力信号をディジタル信号に変換する。ＡＤ変換器８からのディジタル信号はそれぞれ各センサについて個々に高速の中間記憶器９（ＦＩＦＯ、first in first out）に記憶され、この記憶器から信号は矢印で示されるように記憶された順序で読み出すことができる。
【００２７】
ディジタル化され中間記憶された個々の信号から、一方では評価装置の領域１０において重心点を確定することができる。その際直線的な重心点形成及び重み付けされた重心点形成又は２乗重心点形成を行うことができる。
【００２８】
さらに個々の信号は評価装置の領域１１において処理され、図１に示された異なる反射ローブ３、４及び５の幅に対する特徴的な量が生じる。これらの反射ローブ幅は領域１２において時間的に平均化される。
【００２９】
次いで領域１２からのこの時間的平均値を使用して、評価装置の別の領域１３が領域１０において確定された重心点は、重心点が反射ローブ幅を考慮して、センサ６の配置により検出された角度範囲の図１の左及び右の外側に示された縁部に近過ぎて存在する場合には、修正され得る。例えば反射光ローブ５が、反射された光の大部分がもはやセンサ６によって検出されないほどに外側に配置されている場合である。従って領域１０における重心点形成は誤りを含んでいる。このことは領域１３において修正することができる。
【００３０】
反射ローブ幅が反射角とそれほど強く関連しない、即ちマイクロあらさが表面上のプロフィル分布と関連しない、という基礎をなす仮定が当っている限り、センサ６の配置の検出角範囲は著しく広げられ得る。即ち、上述の従来技術による既に論議された通常の配置によれば全反射光ローブが検出角範囲にある限りにおいてのみ正確な検出が可能であるのに対し、本発明による装置によれば、反射光ローブの一部のみが、できれば重心点そのものですらないものが、なお検出角範囲にある場合でも、少なくとも近似的な計算を行うことができる。
【００３１】
その他の点で、この装置においても、既に述べた従来技術と同様に、反射角（ここではもちろん修正された重心点による）から積分されてシート１の表面のプロフィル分布が計算される。このことは詳細に図示されておらず、その他の点は引用された従来技術において詳細に説明されており、その開示内容をすべての他の技術的な共通点に関して引用されるものである。プロフィル分布はその際図１の図の面に垂直に長手方向にシート１を動かすことによって生じ、その結果光点はシート１に相対的に表面上を移動する。さらに図１に概略図示された装置はその際拡張して、光点がシート１の表面上を図１の水平面内で１行ずつ動かされるようにすることができ、そのために例えば多角形鏡スキャナーを使用することができ、そのことは引用された従来技術にも図４及び関連する説明に示されている。そこには従来技術に基づき当業者によく知られた変形が存在し、ここでは詳細な説明は必要としない。
【００３２】
実施例はさらに、光センサ６の個々の信号が、高速の記憶器９における中間記憶の後、領域１０及び１１における既に説明した処理の前に、固有の測定によっては関係しない妨害光バックグラウンドに関して修正されることによって改善することができる。そのため測定の前に、レーザダイオードが除かれて、特徴を示す、場合によっては時間的に平均化された信号パターンがセンサ６から取り出すことができる。この信号パターンはレーザダイオードが接続されたときの信号パターンから簡単な引き算によって修正されるように差し引かれることができ、その結果全装置は照明度を落とすといった特別の手段なしにほぼ擾乱光条件が変わることなく使用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】本発明による測定装置の光学的配置の説明図である。
【図２】測定装置の評価装置の構成の説明図である。
【符号の説明】
【００３４】
１  金属シート（測定対象）
２  レーザ光
３  反射光ローブ
４  反射光ローブ
５  反射光ローブ
６  センサ
７  個別レンズ
８  ＡＤ変換器
９  中間記憶器
１０  評価装置の領域
１１  評価装置の領域
１２  評価装置の領域
１３  評価装置の領域
【国際公開パンフレット】
2005506544.tif 000002
2005506544.tif 000003
2005506544.tif 000004
2005506544.tif 000005
2005506544.tif 000006
2005506544.tif 000007
2005506544.tif 000008
2005506544.tif 000009
2005506544.tif 000010
2005506544.tif 000011
2005506544.tif 000012
2005506544.tif 000013
2005506544.tif 000014
2005506544.tif 000015
2005506544.tif 000016
2005506544.tif 000017
【国際調査報告】
2005506544.tif 000018
2005506544.tif 000019
2005506544.tif 000020
2005506544.tif 000021