专利名称：用于确定物品及其表面的特性的测量仪器和方法
技术领域：
本发明涉及测量仪器和方法，特别是那些用于测量物品的表面特性(例如光泽、 折射率和/或厚度)的测量仪器和方法。
背景技术：
对物品表面的特性的控制(例如，监控纸、金属和各种膜的表面的质量)以及对表面的厚度的控制是例如工艺控制和产品质量控制期间的关键部分。一个广为人知且普遍采用的用于表面质量特性描述的参数是光泽度。表面光泽度的光学测量被普遍使用和广泛记载，例如在 ISO 标准 2813“Paints and Varnishes-Determination of specular gloss if nonmetallic paint films at 20° 60° and 80° ”中。目前，例如在钢铁工业中，光泽度主要通过使用分离的点状传感器(point-like sensor)在实验室中以所谓的离线模式确定。通过使用点状传感器确定光泽参数是缓慢的，并且不允许例如工艺的实时调整。从现有技术中还已知用于确定表面的光泽的其他系统。例如，在W001/20308中公开了一种解决方案，其中，朝着所测量的表面引导由光源发射的光，以使光从该表面反射至检测器。检测器进而测量反射光的强度并基于反射光的强度确定表面的光泽。在所公开的解决方案中，能改变检测器的灵敏度。进而能通过可编程的恒定值校准仪器，以将某些光泽单位作为测量结果给出。另外，在EP 1 407 248 Bl中，公开了一种用于表面光泽测量的解决方案，其中，由光源发射的光被校准并分成不同的两个光束，在这两个光束中，通过第一反射镜朝着所测量的表面引导第一光束，并且通过棱镜将第二光束引导至第一反射镜，并进一步引导至第二反射镜。使第一光束从所测量的表面反射至第二反射镜并进一步由此反射至检测器。通过棱镜使第二光束反射至第二检测器。另外，一种解决方案意在使用第三反射器以形成参考信号。作为用于测量表面特性的现有技术，还知道文献FI 119259B，在该文献中公开了一种解决方案，其中，使朝着表面发射的光分散，形成光谱，以使光谱中的不同波长聚焦在正在测量的表面的法向方向上的不同高度上。在所公开的解决方案中，基于来自检测器的信号，确定光辐射的强度最高时的发射波长，并且基于所测得的波长确定表面的位置。另外，根据该解决方案，可通过测量上下表面平面的位置来确定物品的厚度。然而，已知方案具有一些缺陷。例如，如果正在测量的表面移动或者颤动，从表面反射的光的强度改变，即使事实上表面的光泽度将是恒定的。还可能发生，来自辐射源的聚焦的光不能到达正在测量的表面上的适当位置，因此反射光的强度可能改变。产生这些缺陷的原因可能是例如颤动表面相对于检测器的距离和/或角度改变。而且表面的形状可能改变，因此影响反射辐射的强度，即使事实上光泽度将保持不变。因此现有技术中公开的解决方案在移动表面特性的测量期间例如并不一定带来可靠的结果
发明内容
本发明的一个目的是实现这样一种解决方案，S卩，能减少先前提到的现有技术的缺陷。特别地，本发明意在解决如何监控移动或者颤动的表面的特性，例如光泽、反射率和
/或厚度。本发明的目的通过独立专利权利要求中所公开的特征来实现。根据本发明的测量装置的特征在于描述了测量仪器的独立权利要求的特征部分中所公开的特征。根据本发明的测量方法的特征在于描述了测量方法的独立权利要求的特征部分中所公开的特征。根据本发明的计算机程序产品的特征在于描述了计算机程序的独立权利要求的特征部分中所公开的特征。根据本发明的一个实施例，物体和/或其表面的特性通过光辐射来确定，因此通过至少一个光辐射源朝着正在测量的表面发射光辐射，并且通过至少一个检测器监控从表面发射的辐射的强度，所述检测器产生与辐射强度成比例的电信号。根据本发明，将由光源发射的辐射(例如白光或者其他优选地连续的光谱光)分成不同的波长。然后使波长在与正在测量的表面的法向不同的方向上聚焦在正在测量的物体上，以使所述波长中的最短波长和最长波长将在正在测量的表面的法向方向上聚焦到所测量的物体的表面的不同半部和不同高度上。例如，可使红色光谱波长聚焦在正在测量的物体的上表面平面上，并且可使蓝色光谱波长聚焦在正在测量的物体的下表面平面上。根据本发明，总能确保至少一些位于光谱的最长波长与最短波长之间的波长将基本聚焦在正在测量的物体的表面上，即使表面的形状且因此关于检测器的位置和距离将不是恒定的，而将由于表面的移动或者颤动而改变。而且，根据本发明，总能限定与从物体的表面反射的光线对应的最强强度值，因为聚焦到其他地方上的光线的强度值基本小于从物体的表面反射的那些光线的强度值。另外，根据本发明，能确定产生最强强度值的光线的波长。表面光泽影响从表面反射的光线的强度，因此表面越有光泽，从表面反射的光线的强度值越高，并且，因此，表面越模糊，其发光越少，并且因此从表面反射的光线的强度越弱。另外，从不同的光源发射的光线还可具有不同的特征强度；并且，由此，根据本发明的一个实施例，已知每种波长或者至少一个波带(包括一些波长)的特征强度。根据本发明的一些实施例，通过限定反射至检测器的光的最高强度值(对应于聚焦在表面上并由此反射的光线)和所述光线的波长，并通过进一步与例如所述波长的特征强度值相比较，可确定表面的光泽度。根据本发明，通过检测器捕获从所测量的表面基本朝着镜面反射的方向反射的光辐射，其中，镜面反射的方向不同于正在测量的表面的法向方向。反射辐射实际上代表了其焦点到达物体的表面的波长。然后从由检测器产生的电信号(该信号与辐射强度成比例) 基于该波长的强度值来确定光泽度(光泽度描述了物体表面的光泽的特征)，该波长的焦点位于正在测量的表面上，并且该波长是镜面几何体系中的从该点反射至检测器的最强波长。检测器优选地组装成通过它能区分朝着它的光辐射的强度值和至少某些带宽。能例如通过由检测器产生的电压来确定强度值，并且能基于与特定波长对应的光线到达检测器(例如，多通道列检测器)的哪一点的数据来确定波长。检测器可以是例如基于CCD或者CMOS技术的检测器。 根据本发明的一个实施例，还能将两个分离的检测器用作用于从表面反射的光辐射的监控装置，以通过滤光器将从表面反射的光分给两个不同的检测器，所述滤光器的穿透性作为波长的函数而改变，例如，增大或者减小。在这种情况下，能将至少两种不同的波长或者带宽分给两个不同的检测器，并且峰值强度的焦点与比率成比例
权利要求
1.一种用于通过光辐射来确定所测量的物体的一个以上的特性的测量装置，其中，所述测量装置包括至少一个光辐射源，用于将光辐射发射至所测量的物体，以及至少一个检测器，用于接收从所测量的物体反射的辐射并用于产生与所述辐射的强度成比例的电信号， 其特征在于， 所述测量装置还包括(被发射的)光辐射处理单元，调整所述被发射的光辐射处理单元，以将由所述光辐射源发射的光辐射分成分离的波长，并在与正在测量的表面的法向不同的方向上将所述分离的波长引导至所测量的物体，从而使所述波长中的至少最短波长和最长波长在正在测量的表面的法向方向上聚焦在所测量的物体的表面的不同半部和不同高度上，(被反射的)光辐射处理单元，调整所述被反射的光辐射处理单元，以至少在镜面反射的方向上接收从所测量的物体反射的光辐射，并将接收的光辐射引导至所述检测器，所述镜面反射的方向不同于正在测量的表面的法向，并且调整所述测量装置，以对由所述检测器产生的并与聚焦在所述检测器上的辐射的强度成比例的电信号进行分析，并进一步地基于其波长的强度来确定描述所测量的物体的表面光泽的至少一个特征，例如光泽度，所述波长的焦点位于所测量的表面上，并且因此，所述波长作为镜面几何体系中的最强波长从该点反射至所述检测器。
2.根据权利要求1所述的测量装置，其中光辐射源包括两个以上的光源，每个所述光源关于相同物体的表面但关于不同的高度产生分离的光谱，并且其中，所述光源由几个分离的光源形成或者通过光束分离器由光辐射体的辐射形成，并且/或者，调整光辐射检测单元，以检测从所述表面反射的并聚焦在几个不同的位置的光线，以通过光束分离器将聚焦在不同的位置的所述光线组合至所述检测单元，或者其中，光辐射检测单元包括两个以上的检测单元，以检测由每个所述辐射源发射的并从所测量的物体的表面反射的光线。
3.根据权利要求2所述的测量装置，其中，两个以上的辐射源和所述辐射检测单元以发射器接收器对来布置，从而将所述检测单元布置成实际上仅测量来自其自身的辐射源的强度，而不管其他发射器接收器对，在这种情况下，发射器接收器对在彼此之间能具有不同的偏振水平或者方向，在这种情况下，所述测量装置能布置成测量来自完全相同的位置的两个以上的反射信号，所述反射信号在所述发射器与所述接收器之间能具有不同的偏振比。
4.根据任一前述权利要求所述的测量装置，其中，描述正在测量的物体的特征的可测量特性是折射率和/或厚度。
5.根据任一前述权利要求所述的测量装置，其中，调整所述测量装置，以优选地大致按以下方式确定描述正在测量的表面的光泽的特征的光泽度Gtl
6.根据任一前述权利要求所述的测量装置，其中，已知所述波长的焦点关于参考点的距离；在这种情况下，调整测量装置，以通过确定从所述表面反射的最强强度的波长并将所述最强强度的波长与所述波长的焦点距所述参考点的距离相比较来限定所述物体的表面的位置。
7.根据任一前述权利要求所述的测量装置，其中，所测量的物体对于所采用的光辐射是至少部分透明的，并且其中，所述物体包括至少两个大致平行的表面，即上、下表面，并且其中，调整所述波长中的至少最短波长和最长波长，以聚焦成使得所述物体的表面保持在所述波长的焦点之间，在这种情况下，调整所述测量装置，以接收从所述两个表面反射的波长并基于由这些最强强度峰值引起的峰值宽度变化来确定所述物体的厚度。
8.根据任一前述权利要求1-6所述的测量装置，其中，所测量的物体对于所采用的光辐射是至少部分透明的，并且其中，所述物体包括至少两个大致平行的表面，即上、下表面， 并且其中，调整所述波长中的至少最短波长和最长波长，以聚焦成使得所述物体的表面保持在所述波长的焦点之间，在这种情况下，调整所述测量装置，以确定与两个最强强度对应的波长，并基于所述波长的焦点的位置数据来确定所述上、下表面之间的距离，并且因此， 确定所述物体的厚度。
9.根据权利要求6或8所述的测量装置，其中，调整所述测量装置，以当正在测量的物体和测量装置关于彼此移动时确定所述物体的至少一个表面的轮廓。
10.根据任一前述权利要求6-9所述的测量装置，其中，测量装置包括两个测量设备， 所述两个测量设备至少包括根据权利要求1的所述光辐射源、所述检测器和所述光辐射处理单元，其中，第一测量设备布置在所述物体的第一半部，并且第二测量设备布置在所述物体的第二半部，并且在这种情况下，调整所述测量装置，以根据通过所述第一测量设备测得的第一表面的位置数据和通过所述第二测量设备测得的第二表面的位置数据来确定所测量的物体的厚度。
11.一种用于通过光辐射来确定物体的一个以上的特征的方法，其中通过至少一个光辐射源将所述光辐射发射至正在测量的物体，以及通过至少一个检测器接收从正在测量的物体反射的辐射并产生与辐射强度成比例的电信号，其特征在于此外在所述方法中将由所述光源发射的光辐射分成多种波长，并在与所测量的表面的法向不同的方向上将所述多种波长引导至所测量的物体，从而使所述波长中的至少最短波长和最长波长在正在测量的表面的法向方向上聚焦在所测量的物体的表面的不同半部和不同高度上，至少从镜面反射的方向接收从所测量的物体反射的光辐射，并将所述光辐射引导至所述检测器，所述镜面反射的方向不同于所测量的表面的法向方向，并且对由所述检测器产生的并与聚焦在所述检测器上的辐射的强度成比例的电信号进行分析，并进一步地基于该波长的强度来确定描述所测量的物体的一个以上的特征，至少是所述表面的光泽特征特性，所述波长的焦点位于所测量的表面上，并将所述波长作为镜面几何体系中的最强波长从该点反射至所述检测器。
12. 一种用于通过光辐射来确定物体的一个以上的特征的计算机程序产品，其中，调整所述计算机程序产品，以接收来自测量装置的测量数据，所述测量装置包括 至少一个光辐射源，用于将所述光辐射发射至正在测量的物体，以及至少一个检测器，用于接收从所测量的物体反射的辐射并用于产生与所述辐射的强度成比例的电信号， 其特征在于所述测量装置进一步包括(被发射的)光辐射处理单元，调整所述被发射的光辐射处理单元，以将由所述光源发射的光辐射分成分离的波长，并在与正在测量的表面的法向不同的方向上将所述分离的波长引导至所测量的物体，从而使所述波长中的至少最短波长和最长波长在正在测量的表面的法向方向上聚焦在所测量的物体的表面的不同半部和不同高度上，(被反射的)光辐射处理单元，调整所述被反射的光辐射处理单元，以至少在镜面反射的方向上接收从所测量的物体反射的光辐射，并将接收的光辐射引导至所述检测器，所述镜面反射的方向不同于正在测量的表面的法向，并且当所述计算机程序产品在数据处理装置中运行时，调整所述计算机程序产品，以对由所述检测器产生的并与聚焦在所述检测器上的辐射的强度成比例的电信号进行分析，并进一步地基于该波长的强度来确定描述所测量的物体的一个以上的特征，至少是表面光泽的特征，所述波长的焦点位于所测量的表面上，并且因此，所述波长作为镜面几何体系中的最强波长从该点反射至所述检测器。
全文摘要
一种用于通过光辐射来确定物体的表面的特征的测量装置，其中测量装置包括光辐射源以及接收从正在测量的表面反射的辐射的检测器。此外，测量装置包括发射光辐射处理单元，调整该发射光辐射处理单元，以将由光源发射的光辐射分成分离的波长，并在与正在测量的表面的法向不同的方向上将所述分离的波长引导至正在测量的物体，从而使所述波长中的至少最短波长和最长波长在正在测量的表面的法向方向上聚焦在所测量的物体的表面的不同半部和不同高度上。另外，测量装置包括反射光辐射处理单元，调整该反射光辐射处理单元，以至少在镜面反射的方向上接收从所测量的物体反射的光辐射，并将接收的光辐射引导至所述检测器，该镜面反射的方向不同于正在测量的表面的法向。再此外，调整该测量装置，以对由检测器产生的并与聚焦在检测器上的辐射的强度成比例的电信号进行分析，并进一步地以基于其波长的强度来确定所测量的物体的表面光泽(光泽度)和/或厚度特征特性，该波长的焦点位于所测量的表面上，并且该波长是镜面几何体系中的从该点反射至检测器的最强波长。
文档编号G01N21/57GK102575985SQ201080045557
公开日2012年7月11日 申请日期2010年10月7日 优先权日2009年10月8日
发明者卡里·涅梅莱, 海莫·凯雷宁 申请人:Vtt技术研究中心