DE10244819B4

DE10244819B4 - Vorrichtung und Verfahren zur Detektion einer fluoreszierenden Substanz auf einer technischen Oberfläche

Info

Publication number: DE10244819B4
Application number: DE10244819A
Authority: DE
Inventors: Jörg Dipl.-Ing. Adrian; Marcel Dipl.-Ing. Bastiaanse
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 2002-09-26
Filing date: 2002-09-26
Publication date: 2007-05-03
Anticipated expiration: 2022-09-27
Also published as: DE10244819A1

Abstract

Vorrichtung zur Detektion wenigstens einer auf einer technischen Oberfläche (1) befindlichen Materialschicht (2) mit wenigstens einer die technische Oberfläche (1) beleuchtenden Lichtquelle (3), die ein auf die Materialschicht (2) gerichtetes Lichtbündel (6) mit einer die Materialschicht (2) zu Fluoreszenzstrahlung (9) anregenden Wellenlänge aussendet, wenigstens einer Detektoreinheit (4), die die Fluoreszenzstrahlung (9) empfängt, sowie einer Auswerteeinheit, die eine qualitative Materialbestimmung der fluoreszierenden Materialschicht (2) in Abhängigkeit der Fluoreszenzstrahlung (9) vornimmt,
dadurch gekennzeichnet, dass das Lichtbündel (6) ein punkt- oder linienförmiges Beleuchtungsmuster auf der technischen Oberfläche (1) erzeugt und einen Winkel 0° < α < 90° mit der Normalen der Oberfläche einschließt,
dass die Detektoreinheit (4) als ein ortsauflösendes Kamerasystem ausgebildet ist, mit einer Kamerablickrichtung (8), die einen Winkel 0° ≤ β < 90° mit der Normalen der Oberfläche einschließt,
dass α≠ β ist,
dass die technische Oberfläche (1) relativ zum Lichtbündel (6) bewegbar ist, und dass die...

Description

Technisches Gebiet
Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung sowie ein Verfahren zur Detektion wenigstens einer auf einer technischen Oberfläche befindlichen Materialschicht mit wenigstens einer die technische Oberfläche beleuchtenden Lichtquelle, die ein auf die Materialschicht gerichtetes Lichtbündel mit einer die Materialschicht zu Fluoreszenzstrahlung anregenden Wellenlänge aussendet, wenigstens einer Detektoreinheit, die die Fluoreszenzstrahlung empfängt sowie einer Auswerteeinheit, die eine qualitative Materialbestimmung der fluoreszierenden Materialschicht in Abhängigkeit der Fluoreszenzstrahlung vornimmt.

Vorrichtungen bzw. Verfahren der vorstehend genannten Gattung dienen zur Beurteilung der Beschaffenheit technischer Oberflächen, bspw. in Bezug auf ihre Reinheitsgrad bzw. in Bezug auf den Grad und die Art ihrer Verschmutzung. So lassen sich mit derartigen Nachweisverfahren Materialbestimmungen von organischen Materialschichten, die üblicherweise fluoreszierende Substanzen enthalten, vornehmen, die sich auf nichtfluoreszierende Oberflächen, wie bspw. Metalloberflächen, befinden.

So geht aus der DE 199 06 047 C2 ein Verfahren zur Detektion biotischer Kontaminationen auf einer Oberfläche hervor, das für die Überwachung der Reinheit technischer Oberflächen eingesetzt wird, die insbesondere auf dem Gebiet des Gesundheitswesens, Pharmazie, Lebensmittelindustrie sowie der Biotechnologie in vielfacher Weise Verwendung finden. Hierbei steht die Messung und Identifizierung von Kontaminationen biotischen Ursprungs im Vordergrund. Eine zu untersuchende technische Oberfläche wird mit nahezu parallel zur Oberfläche gerichteten Licht mit geeignet gewählter Wellenlänge derart beleuchtet, so dass mögliche, auf der technischen Oberfläche vorhandene biotische Rückstände zur Fluoreszenz angeregt werden. Das von den auf der Oberfläche befindlichen Rückständen emittierte Fluoreszenzlicht wird von einer weitgehend senkrecht zur Bestrahlungsrichtung angeordneten Messzelle erfasst. Anhand der charakteristischen Fluoreszenzstrahlung lässt sich unter Verwendung einer geeigneten Auswerteeinheit zumindest eine grobe Materialbestimmung vornehmen. Ferner ist ein Streulichtdetektor vorgesehen, der der Bestimmung der Anzahl der auf der zu untersuchenden Oberfläche vorhandenen Partikeln dient. Ein derartiger Streulichtdetektor geht beispielsweise aus der DE 197 16 264 A1 hervor.

Nur der Vollständigkeit halber sei darauf hingewiesen, dass zur berührungsfreien Materialbestimmung neben der vorstehend beschriebenen Verfahrenstechnik, die auf der Fluoreszenzlichtmessung kombiniert mit einer Wellenlängenanalyse beruht, auch weitere alternative Verfahrenstechniken zur Verfügung stehen, wie beispielsweise die Verwendung von Farbsensoren zur Erkennung von Farbmustern, die Verwendung von Spektralsensoren zur Feuchtigkeitsbestimmung oder Molekülanalyse, sowie auch elektrische Analyseverfahren wie Wirbelstrommessung oder die elektrische Widerstandsmethode. Auch stehen aufwendigere Untersuchungsmethoden wie beispielsweise die Betarückstreumethode zur Verfügung, um in Abhängigkeit des Rückstrahlverhaltens auf Materialschichtdicken zu schließen, setzt man voraus, dass die zu untersuchenden möglicherweise auf der technischen Oberfläche abgelagerten Materialschichten bekannt sind.

Die bekannten Techniken, die zur Detektion von auf technischen Oberflächen vorhandenen Materialschichten einsetzbar sind, ermöglichen es entweder, die Materialart qualitativ zu bestimmen, die mittlere Schichtdicke von Beschichtungen festzustellen oder aber die genaue Geometrie derartiger Materialablagerungen auf technischen Oberflächen zu erfassen. Keine der vorstehend genannten Verfahren und alle bisher bekannten Vorrichtungen vermögen es jedoch, die auf technischen Oberflächen befindlichen Materialschichten nach ihrer Art, Menge und geometrischer Anordnung als ein gemeinsames kombiniertes Messziele zu detektieren.

Insbesondere in industriellen Produktionslinien, in denen Halbfertigprodukte über Oberflächen oder Oberflächenbereiche verfügen, die in nachfolgenden Prozessschritten prozessiert, vergütet oder zu Zwecken weiterer Produktionsziele bearbeitet werden, ist es aus Gründen der Qualitätsüberprüfung sowie -sicherung erforderlich, genaue Kenntnis über den Reinheitsgrad der jeweils in weiteren Bearbeitungsschritten zu bearbeitenden technischen Oberflächen zu erhalten. So gilt es beispielsweise für eine elektrische Kontaktierung an einer elektrischen Kontaktoberflächen ein hohes Maß an Oberflächenreinheit herzustellen und diese für den eigentlichen Kontaktierungsvorgang zu gewährleisten. Bereits kleinste Fremdkörpereinschlüsse, beispielsweise in Form von auf der Kontaktoberfläche verbleibende Mengen an Restisolationsmaterial, können den im Wege einer Stoffschlußverbindung durch Löt- oder Schweißverbindung hergestellten elektrischen Kontakt nachhaltig beeinflussen und insbesondere die mechanische Festigkeit der Stoffschlußverbindung erheblich beeinträchtigen.

In einem anderen Anwendungsfall im Bereich der Lackier- und Beschichtungstechnik gilt es gleichsam, hochreine Oberflächen zu schaffen, die im weiteren einer entsprechenden Oberflächenbehandlung, beispielsweise im Wege eines trockenen Beschichtungsverfahrens oder durch Auftrag einer Lackschicht behandelt werden. Auch in diesem Fall hängt der Beschichtungserfolg bzw. das Oberflächenergebnis nach entsprechendem Farb- oder Lackauftrages direkt vom Reinheitsgrad der zu behandelnden Oberfläche ab. So führen Fremdkörpereinschlüsse oder Restverschmutzungen in Form von Fett- oder Ölfilmen auf den zu behandelnden Oberflächen unvermeidbar zu Abplatzungen der Beschichtungen bzw. Lackschichten.

Darstellung der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung sowie ein Verfahren zur Detektion wenigstens einer auf einer technischen Oberfläche befindlichen Materialschicht mit wenigstens einer die technische Oberfläche beleuchtenden Lichtquelle, die ein auf die Materialschicht gerichtetes Lichtbündel mit einer die Materialschicht zur Fluoreszenzstrahlung anregenden Wellenlänge aussendet, wenigstens einer Detektoreinheit, die die Fluoreszenzstrahlung empfängt sowie einer Auswerteeinheit, die eine qualitative Materialbestimmung der fluoreszierenden Materialschicht in Abhängigkeit der Fluoreszenzstrahlung vornimmt, derart weiterzubilden, dass die Detektion von Art, Menge sowie die Erfassung der geometrischen Anordnung in Bezug auf die technische Oberfläche möglich sein soll.

Eine weitere Aufgabe besteht darin einen möglichst kompakten Messaufbau zu schaffen, mit es möglich ist die gewünschten Informationen im Wege eines einzigen Messvorganges zu erhalten. Das erfindungsgemäße Verfahren soll zur Beurteilung des Reinheitsgrades technischer Oberflächen darüber hinaus inline-fähig sein, d.h. die qualitative, quantitative sowie auch geometrische Materialbeurteilung soll während eines jeweiligen Produktionsprozesses erfolgen, bei dem eine weitere Prozessfolge von dem Ergebnis der Oberflächenanalyse abhängt. Das Messverfahren soll insbesondere auch robust gegenüber äußeren Verhältnissen sein, wie beispielsweise Licht- und Temperaturverhältnissen, sowie eine hohe und zuverlässige Messwertreproduzierbarkeit aufweisen.

Die Lösung der der Erfindung zugrundeliegenden Aufgabe ist im Anspruch 1 angegeben. Gegenstand des Patentanspruches 16 ist ein erfindungsgemäßes Verfahren. Vorteilhafte Merkmale, die den Erfindungsgedanken weiterbilden, sind Gegenstand der Unteransprüche sowie der Beschreibung, insbesondere unter Bezugnahme auf die Ausführungsbeispiele, zu entnehmen.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Detektion wenigstens einer auf einer technischen Oberfläche befindlichen Materialschicht gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1 sieht erfindungsgemäß wenigstens eine Lichtquelle zur Erzeugung wenigstens eines Lichtbündels vor, das auf der technischen Oberfläche als ein punkt- oder linienförmiges Beleuchtungsmuster abgebildet wird, wobei das Lichtbündel einen Winkel α mit der Normalen der Oberfläche mit 0° < α < 90° einschließt. Der angegebene Winkel α entspricht insbesondere jenem Winkel, der durch eine die Hauptstrahlrichtung des Lichtbündels definierende Beleuchtungsachse sowie der Normalen der technischen Oberfläche eingeschlossen wird. Ferner ist eine Detektoreinheit in Form eines ortsauflösenden Kamerasystems vorgesehen, dessen Kamerablickrichtung einen Winkel 0° ≤ β < 90° mit der Normalen der Oberfläche einschließt. Um zu gewährleisten, dass die Einfallsrichtung des Lichtbündels auf die technische Oberfläche mit der Kamerablickrichtung nicht zusammenfällt, gilt zudem die Forderung α ungleich β, d.h. die durch die Hauptstrahlrichtung des Lichtbündels definierte Beleuchtungsachse sowie eine durch die Kamerablickrichtung definierte Detektorachse schließen einen Winkel ungleich 0°, vorzugsweise größer 30° und kleiner 90° ein. Schließlich ist die technische Oberfläche relativ zum Lichtbündel bewegbar angeordnet, d.h. entweder bewegt sich die technische Oberfläche in Bezug zu einem ortsfesten Lichtbündel, oder aber das Lichtbündel ist gegenüber der ortsfesten technischen Oberfläche verschwenkbar. Mit Hilfe einer Auswerteeinheit ist es letztlich möglich, topologiebedingte Lageveränderungen des Beleuchtungsmusters relativ zur Kamerablickrichtung im Wege des an sich bekannten Lichtschnittverfahrens auszuwerten.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung vereint die Prinzipien der Fluoreszenzmessung mit denen einer Streifenlichtprojektion, indem die Detektoreinheit als ein die Fluoreszenzstrahlung ortsauflösend detektierendes Kamerasystem ausgebildet ist. Die Streifenlichtprojektionstechnik basiert auf einer Schräglichtbeleuchtung einer zu vermessenden Oberflächentopologie sowie einer ortsaufgelösten, auf dem Lichtschnittverfahren beruhenden Analyse der topologiebedingten Lageveränderung eines auf die zu untersuchende Oberfläche projizierten Lichtstreifens.

Überdies läßt eine simultane Wellenlängenbestimmung der detektierten Fluoreszenzstrahlung sowie die Erfassung der Fluoreszenzlichtintensität auf die Art sowie die Menge der sich auf der technischen Oberfläche befindenden Materialschicht schließen. Somit können eindeutige Aussagen über das Vorhandensein von Fluoreszenzlicht emittierenden Materialschichten, hauptsächlich in Form organischer Stoffe, unter Angabe ihrer qualitativen, quantitativen sowie ihre Lage und Raumform beschreibenden Eigenschaften getroffen werden.

Eine vorteilhafte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung sieht eine Detektoreinheit mit einer orthogonal zur technischen Oberfläche orientierten Detektorachse vor. Hierbei ist die Lichtquelle gegenüber der Detektoreinheit und der zu untersuchenden technischen Oberfläche derart angebracht und das von ihr emittierte Lichtbündel derart orientiert und ausgerichtet, dass das Lichtbündel die technische Oberfläche unter schrägem Einfallswinkel, d.h. vorzugsweise unter einem Winkel kleiner 50° zur Ausbildung vorzugsweise eines linienförmigen Beleuchtungsmusters trifft. Der vorstehende Einfallswinkel ist zwischen der technischen Oberfläche und dem Lichtbündel eingeschlossen.

Zur Vereinfachung der geometrischen Lageauswertung der von der beleuchteten Materialschicht emittierten Fluoreszenzstrahlung im Wege des Lichtschnittverfahrens sind Lichtquelle und Detektoreinheit gegenüber der technischen Oberfläche in einer Weise angeordnet, dass eine die Hauptstrahlrichtung des Lichtbündels definierende Beleuchtungsachse sowie eine die Kamerablickrichtung definierende Detektorachse auf der technischen Oberfläche einen gemeinsamen Schnittpunkt aufweisen. Befindet sich unter den vorstehenden Justagebedingungen eine Materialschicht auf der technischen Oberfläche mit einer unbekannten Materialdicke d bezogen zur Oberflächennormalen, so erfährt das linienhafte Beleuchtungsmuster eine laterale Beabstandung x zur Detektorachse, so dass bei bekanntem Lichteinfallswinkel unter Verwendung trigonometrischer Beziehungen die tatsächliche Materialschichtdicke d ermittelbar ist.

Die exakte Lagevermessung der durch die Oberflächentopologie lateral ausgelenkte Lichtschnittlinie ist mit Hilfe des ortsauflösenden Kamerasystems, das wenigstens über eine CCD-Zeilenanordnung, vorzugsweise über ein CCD-Array verfügt, exakt erfassbar. Durch translatorische Bewegung der technischen Oberfläche mit der sich darauf befindlichen Materialschicht relativ zum Lichtbündel ist eine flächenhafte Dickenbestimmung über die gesamte Materialschicht durchführbar. Die Relativbewegung zwischen der technischen Oberfläche und des vorzugsweise linienförmig ausgebildeten Beleuchtungsmusters erfolgt hierbei vorzugsweise orthogonal zur Linienlängserstreckung.

Neben der vorstehend erläuterten Dickenbestimmung einer sich auf der technischen Oberfläche befindlichen Materialschicht erfasst das Kamerasystem zugleich auch die flächenhafte Ausdehnung der Materialschicht sowie deren Lage bzw. Anordnung auf der technischen Oberfläche, so dass eine eindeutige Aussage über Form, Größe und Menge der sich auf der technischen Oberfläche befindlichen Materialschicht getroffen werden kann. Zur qualitativen stofflichen Analyse der Materialschicht vermag das Detektorsystem die von der Materialschicht emittierte Fluoreszenzstrahlung wellenlängenselektiv zu erfassen, wodurch mittels Vergleich der festgestellten Wellenlängen mit empirisch gewonnenen Referenzdaten eindeutige stoffliche Charakterisierungen vorgenommen werden können.

Zudem ist es vorteilhaft Lichtintensitätsmessungen während der Fluoreszenzmessung durchzuführen, die zusätzliche Informationen über die Menge an fluoreszierenden Stoffen innerhalb der Materialschicht enthalten.

Durch die erfindungsgemäße Kombination einer die Materialart bestimmenden Fluoreszenzmessung mit der Streifenlichtprojektionstechnik, vorzugsweise der digitalen Streifenlichtprojektionstechnik, sind alle für die gewünschte Qualitäts-, Quantitäts- und Lagecharakterisierung einer auf einer technischen Oberfläche befindlichen Materialschicht erforderlichen Messwerte mit Hilfe wenigstens einer einzigen wellenlängenselektiven und ortsauflösenden Detektoreinheit erfassbar und mit einer entsprechenden über die gegenwärtig verfügbare Prozessortechnik ausgestatteten Auswerteeinheit auswertbar, so dass das mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung ausführbare Messverfahren als Inline-Verfahren einsetzbar ist. Hierbei zeichnet sich das erfindungsgemäße Verfahren im Wesentlichen durch drei Verfahrensschritte aus:
Zunächst wird das Lichtbündel zur Ausbildung eines punkt- oder linienförmigen Beleuchtungsmusters unter schrägem Lichteinfall auf die technische Oberfläche ausgerichtet. Wie bereits vorstehend erläutert, sollen sich vorzugsweise die Beleuchtungsachse sowie die Kamerablickrichtung der Detektoreinheit auf der technischen Oberfläche schneiden. Die durch optische Anregung der sich auf der technischen Oberfläche befindlichen Materialschicht hervorgerufene Fluoreszenzstrahlung wird durch die Detektoreinheit detektiert und schließlich zur Materialbestimmung sowie zur Bestimmung der geometrischen Beschaffenheit der Materialschicht unter Zugrundelegung der Prinzipien des Lichtschnittverfahrens herangezogen.

Da die Fluoreszenzstrahlung von der Detektoreinheit sowohl intensitätsskalierbar, wellenlängenselektiv als auch ortsaufgelöst detektierbar ist, bedarf es zur erfolgreichen Durchführung des Verfahrens neben der die Fluoreszenzstrahlung innerhalb der Materialschicht optisch anregenden Lichtquelle lediglich einer einzigen als ortsauflösendes wellenlängenselektives Kamerasystem ausgebildeten Detektoreinheit, wodurch der für die Messsignalauswertung erforderliche Aufwand gering gehalten werden kann. Zur messtechnischen Erfassung einer sich auf der technischen Oberfläche befindlichen Materialschicht wird die technische Oberfläche samt der sich auf dieser befindlichen Materialschicht relativ zum Lichtbündel derart bewegt, so dass das vorzugsweise streifenlinienförmig ausgebildete Beleuchtungsmuster die Materialschicht vollständig überfährt und somit eine vollständige, flächenhafte Dickenbestimmung der Materialschicht möglich wird.

Da das Verfahren berührungsfrei arbeitet und daher die zu untersuchende technische Oberfläche vollständig ohne jegliche Beeinflussung während der Messung bleibt, gewinnt das Verfahren als zerstörungsfreies Prüfverfahren sowie durch die Möglichkeit das Verfahren als Inline-Messverfahren einzusetzen an hoher Attraktivität, zumal eine Materialschichtbestimmung nach Menge, Art und Lage mit derart höherer Präzision durchführbar ist, die für viele technische Anwendungsfällen wünschenswert ist. So lassen sich auf diese Weise Materialschichtdickenbestimmungen mit einer Genauigkeit von unter 1 μm durchführen. Zugleich werden qualitative Stoffbestimmungen unter Zugrundelegung einer großen Vielzahl spektral erfasster Referenzdaten nahezu eineindeutig möglich.

Anhand eines konkreten Ausführungsbeispieles soll die erfindungsgemäße Vorrichtung sowie das damit erfindungsgemäß durchführbare Verfahren näher erläutert werden.

Kurze Beschreibung der Erfindung
Die Erfindung wird nachstehend ohne Beschränkung des allgemeinen Erfindungsgedankens anhand eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die Zeichnung exemplarisch beschrieben. Es zeigt:
1 prinzipieller Aufbau der Messvorrichtung.
Wege zur Ausführung der Erfindung, gewerbliche Verwendbarkeit
In 1 ist ein schematisierter Aufbau einer Vorrichtung zur Detektion einer auf einer technischen Oberfläche 1 befindlichen Materialschicht 2 gezeigt.
In einem bevorzugten Einsatzfall der im weiteren zu erläuternden Messvorrichtung sei angenommen, dass die technische Oberfläche 1 einer Oberfläche eines elektrischen Kontaktbereiches entspricht, auf der sich Verunreinigungsrückstände, beispielsweise in Form von Isolationsrestmaterialien oder Klebstoffresten befinden, die es gilt, zu detektieren und nach ihrer stofflichen Zusammensetzung zu analysieren. Zudem gilt des den geometrischen Überdeckungsgrad der Materialschicht zu erfassen und in Abhängigkeit der erfassten Größen zu entscheiden, ob die elektrische Kontaktfläche einem nachfolgenden Löt- oder Schweisskontaktverfahren unterzogen werden kann oder ob eine Nachreinigung oder gar eine Aussonderung erforderlich ist.
Im Gegensatz zur technischen Oberfläche 1, die wie vorstehend beschrieben, vorzugsweise eine Metalloberfläche darstellt und somit keine fluoreszierende Materialanteile erhält, besteht die zu detektierenden Materialschicht 2 aus organischem und insbesondere aus fluoreszierendem Material, das es gilt nach Art. Form und Menge zu bestimmen. Dies wird mit Hilfe einer Lichtquelle 3 sowie mit einer geeignet ausgebildeten Detektoreinheit 4 in der folgenden Weise realisiert: Die Lichtquelle 3 dient grundsätzlich der optischen Anregung der Materialschicht 2 zu Fluoreszenzerscheinungen. Hierbei erfolgt eine stoff- bzw. materialspezifische Wellenlängenkonversion zwischen dem die Materialschicht 2 zu Fluoreszenzerscheinungen anregenden Lichtbündels 6 der Lichtquelle 3 und der von dem fluoreszierenden Material 2 emittierten Fluoreszenzstrahlung 9, deren Wellenlänge stets kleiner als jene Wellenlänge ist, die die Fluoreszenzerscheinung induziert.
Eben jene stoffspezifische Fluoreszenzstrahlung 9 wird von der Materialschicht 2 emittiert und von der Detektoreinheit 4, die vorzugsweise senkrecht über der technischen Oberfläche 1 angeordnet ist (β = 90°), erfasst. Die Wahl der Wellenlänge bzw. Wellenlängen des als Lichtbündel 6 auf die Materialschicht 2 sowie technische Oberfläche 1 auftreffenden Lichtes der Lichtquelle 3 ist grundsätzlich in Abhängigkeit der zu detektierenden Materialarten zu wählen, doch zeigt sich, dass für den Nachweis der meisten in der Isolationsbranche verwendeten Isolationsmaterialien bzw. Klebstoffschichten Licht mit Wellenlängen von kleiner 420 nm zu intensiven Fluoreszenzerscheinungen führt. Somit dient in besonders vorteilhafter Weise zur optischen Anregung eine Lichtquelle 3 mit einem Emissionswellenlängenspektrum von kleiner 420 nm. Um zu vermeiden, dass Licht mit größeren Wellenlängen auf die zu untersuchende Materialschicht auftrifft, ist ein Bandkantenfilter 5 im Beleuchtungsstrahlengang 6 der Lichtquelle 3 vorgesehen, der lediglich für Licht mit Wellenlängen kleiner 420 nm transparent ist.
Ferner ist die Lichtquelle 3 in Art eines Projektors ausgebildet und verfügt über eine Abbildungsoptik, die ein Lichtbündel 6 formt, das vorzugsweise ein linienförmiges Beleuchtungsmuster auf der zu untersuchenden Materialschicht 2 bzw. der technischen Oberfläche 1 abbildet.
Der Bereich der längs des linienförmigen Beleuchtungsmusters zur Fluoreszenz anregbaren Materialschicht emittiert in Abhängigkeit der stofflichen Zusammensetzung der Materialschicht stoffspezifische Fluoreszenzstrahlung, die von der Detektoreinheit 4 erfasst wird. Um den Messvorgang nicht durch Lichtanteile, die nicht von der Fluoreszenzstrahlung herrühren, zu beeinträchtigen, ist ein weiterer Bandpassfilter 7 im Lichtweg zwischen der Detektoreinheit 4 und der Materialschicht 2 vorgesehen, der jedoch ausschließlich für Lichtanteile mit Wellenlängen größer 420 nm transparent ist. Auf diese Weise kann die Nachweisempfindlichkeit der Detektoreinheit 4 sowie das Signal-/Rausch-Verhältnis erheblich verbessert werden. In einer besonders vorteilhaften Weise wird die Messung unter verminderten Umgebungslichtbedingungen, vorzugsweise bei Dunkelheit durchgeführt.
Für die Wellenlängendetektion der stoffspezifischen Fluoreszenzstrahlung ist die Detektoreinheit 4 wellenlängenselektiv ausgebildet und sieht vorzugsweise als lichtempfindliche Sensorfläche ein CCD-Array vor. Zur tatsächlichen Stoffbestimmung der auf der technischen Oberfläche 1 abgelagerten Materialschicht 2 dienen Referenzmesswerte, die anhand von bekannten Vergleichsstoffen bzw. Materialien unter Fluoreszenzlichtbedingungen durchgeführt worden sind. Je nach den zu erwartenden, nachzuweisenden Materialschichten sind die Messbedingungen in Bezug auf die Wellenlänge bzw. Wellenlängen im Lichtbündel 6 sowie auch die kritischen Grenzwellenlängen bei den Bandkantenfiltern 5 und 7 abzustimmen. Beispielsweise zur stofflichen Charakterisierung von Isolationsresten als nachzuweisende Materialschicht auf metallischen Kontaktoberflächen gilt es zur Referenzdatenerstellung jene Fluoreszenzwellenlängen zu ermitteln, die bei optischer Anregung von den einzelnen Materialarten bei höchsten Lichtintensitätswerten emittiert werden. Auf diese Weise kann durch entsprechendes Abrastern auf verschiedenen Wellenlängen die von den jeweiligen Kunststoffherstellern fluoreszierenden Beimengungen innerhalb der Isolationskunststoffe ermittelt und nachfolgend zur Werkstoff- und Mengenbestimmung herangezogen werden. So werden entsprechende stoffliche Beimengungen in den Isolationsmaterialien von den Kunststoffherstellern bewusst eingesetzt, um später eigene Kunststoffmischungen von Fremdprodukten unterscheiden zu können. Anhand dieser Beimengungen ist somit die Identifikation der Kunststoffe sowie auch die eingesetzte Klebstoffe eindeutig möglich.
Neben der vorstehend beschriebenen Stoffcharakterisierung der Materialschicht 2 im Wege einer Fluoreszenzmessung ist es möglich, die geometrische Ausdehnung der sich auf der technischen Oberfläche 1 befindlichen Materialschicht zu erfassen sowie ihre Materialmenge zu ermitteln. Hierzu dienen grundsätzlich die optischen Prinzipien des Lichtschnittverfahrens, die der weiteren Messdatenauswertung zugrunde gelegt werden.
Wie bereits vorstehend erwähnt, wird in einer bevorzugten Ausführungsform ein linienförmiges Beleuchtungsmuster mit Hilfe der Projektoroptik der Lichtquelle 3 auf die zu untersuchende Materialschicht 2 projiziert. Die Projektion des Beleuchtungsmusters erfolgt derart, dass das linienförmige Beleuchtungsmuster im Falle einer nicht vorhandenen Materialschicht 2 die von der Kamerablickrichtung definierte Detektorachse 8 auf der technischen Oberfläche 1 schneidet. Befindet sich hingegen auf der technischen Oberfläche 1 eine Materialschicht 2 mit einer unbekannten Schichtdicke d, so wandert das linienförmige Beleuchtungsmuster lateral zur Oberfläche der Materialschicht 2 von der Detektorachse 8 um einen bestimmten Wegabschnitt x weg. Die tatsächliche Schichtdicke d der Materialschicht 2 am Ort der Detektorachse 8 ergibt sich unter Zugrundelegung des Beleuchtungswinkels α aus der trigonometrischen Beziehung d = x/tan α. Wird zudem die technische Oberfläche 1 mit der sich darauf befindlichen Materialschicht 2 senkrecht zur Längserstreckung des linienförmigen Beleuchtungsmusters derart bewegt, dass das linienförmige Beleuchtungsmuster vollständig über die zu vermessende Materialschicht 2 verfahren wird, so kann die Materialdicke in Abhängigkeit der gesamten Flächenerstreckung der Materialschicht 2 ermittelt werden.
In einer bevorzugten Beleuchtungsweise sieht das Beleuchtungsmuster einen eine Gitterstruktur enthaltenden, linienförmigen Lichtstreifen vor. Abgesehen von perspektivischen Verzerrungen beobachtet die Detektoreinheit auf einer ebenen Referenzfläche ein regelmäßiges Muster aus abwechselnd hellen und dunklen Streifen. Wenn ein betrachtetes Werkstück eine gekrümmte Oberfläche aufweist, bspw. durch unregelmäßige Materialablagerungen auf der technischen Oberfläche, ergibt sich ein Lichtmuster, dessen einzelne Streifen abhängig von der Oberflächentopologie und Abstand gegenüber dem Streifenmuster der Referenzfläche verschoben sind. Richtung und Betrag der Verschiebung sind dabei ein Maß für die Höhendifferenz der Materialschicht zur Referenzfläche. Über eine Triangulationsrechnung kann die Höhendifferenz aus der Verschiebung und der Systemgeometrie berechnet werden. Zur genauen Bestimmung der Phasenverschiebung eignet sich ein modifiziertes Fourieranalyseverfahren.
In Ergänzung von Form und Lage der Materialschicht 2, die mittels der ortsauflösenden Detektoreinheit 4 erfassbar sind, kann in Kenntnis der Materialschichtdicke die tatsächliche Menge bzw. das Volumen der Materialschicht 2 auf der technischen Oberfläche 1 angegeben werden.
Durch die Kombination der drei Messergebnisse bezüglich der Lagebestimmung, Mengenbestimmung sowie auch der stofflichen Charakterisierung der Materialschicht 2 ist es möglich, den Grad und die Art der Oberflächenüberdeckung der technischen Oberfläche festzustellen. Handelt es sich konkret um die qualitative und quantitative Bestimmung von organischen Rückständen oder Verschmutzungen auf nichtfluoreszierenden technischen Oberflächen, wie es beispielsweise bei der Qualitätsüberprüfung bzw. Sicherung von abisolierten elektrischen Kontaktbereichen der Fall ist, die es gilt, dahingehend zu überprüfen, ob und in welchem Maße der abisolierte elektrische Kontaktbereich frei von Restisolationen ist, so können wichtige Informationen über weitere Herstellungsprozess-relevante Maßnahmen erhalten werden. Beispielsweise kann bei Eintreten bestimmter Entscheidungskriterien eine Ausschleusung des untersuchten Kontaktbereiches erfolgen oder entsprechende Nachbesserungen im Sinne einer Nachreinigung veranlasst werden.
Durch die erfindungsgemäße Kombination der Messbarkeit von Parametern zur Bestimmung von Form und Menge einer auf einer technischen Oberfläche befindlichen Materialschicht, in der fluoreszierende Bestandteile enthalten sind, sowie deren stoffliche Charakterisierung im Wege einer Fluoreszenzmessung wird eine neuartige Analysetechnik angegeben, die gegenüber bislang bekannten Oberflächenanalyseverfahren folgende Vorteile aufweist:

1. Einheitliche Bestimmung von Menge, Art und räumliche Lage der Materialschicht auf einer technischen Oberfläche.
2. Berührungsloses Messen ohne Verletzung einer Bauteiloberfläche.
3. Schnelle Messdatenauswertung, die zur Eignung zur Inline-Messung führt.
4. Hohe Genauigkeit zur Ermittlung von Schichtdickenbestimmung von bis zu 1 μm Dicke.

1: Technische Oberfläche
2: Materialschicht
3: Lichtquelle
4: Detektoreinheit
5: Bandkantenfilter
6: Lichtbündel
7: Bandkantenfilter
8: Detektorachse
9: Fluoreszenzstrahlung

Claims

Vorrichtung zur Detektion wenigstens einer auf einer technischen Oberfläche (1) befindlichen Materialschicht (2) mit wenigstens einer die technische Oberfläche (1) beleuchtenden Lichtquelle (3), die ein auf die Materialschicht (2) gerichtetes Lichtbündel (6) mit einer die Materialschicht (2) zu Fluoreszenzstrahlung (9) anregenden Wellenlänge aussendet, wenigstens einer Detektoreinheit (4), die die Fluoreszenzstrahlung (9) empfängt, sowie einer Auswerteeinheit, die eine qualitative Materialbestimmung der fluoreszierenden Materialschicht (2) in Abhängigkeit der Fluoreszenzstrahlung (9) vornimmt, dadurch gekennzeichnet, dass das Lichtbündel (6) ein punkt- oder linienförmiges Beleuchtungsmuster auf der technischen Oberfläche (1) erzeugt und einen Winkel 0° < α < 90° mit der Normalen der Oberfläche einschließt, dass die Detektoreinheit (4) als ein ortsauflösendes Kamerasystem ausgebildet ist, mit einer Kamerablickrichtung (8), die einen Winkel 0° ≤ β < 90° mit der Normalen der Oberfläche einschließt, dass α≠ β ist, dass die technische Oberfläche (1) relativ zum Lichtbündel (6) bewegbar ist, und dass die Auswerteeinheit eine Lageveränderung des Beleuchtungsmusters relativ zur Kamerablickrichtung (8) im Wege des Lichtschnittverfahrens auswertet.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Beleuchtungsmuster auf der technischen Oberfläche (1) als Lichtstreifen mit einer kürzeren und einer längeren Lichtstreifenseite ausgebildet ist, und dass die Relativbewegung zwischen dem Lichtbündel (6) und der technischen Oberfläche (1) orthogonal zur längeren Lichtstreifenseite orientiert ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Detektoreinheit (4) als CCD-Kamera ausgebildet ist und über wenigstens eine CCD-Zeilenanordnung, vorzugsweise ein CCD-Array verfügt.
Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die CCD-Kamera ein CCD-Array aufweist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Detektoreinheit (4) wellenlängenselektiv detektiert.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der technischen Oberfläche (1) und der Detektoreinheit (4) ein Bandkantenfilter (7) vorgesehen ist, das für die entstehende Fluoreszenzstrahlung (9) transparent und für das Licht der Lichtquelle (3) nicht transparent ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Beleuchtungsmuster homogen ausgeleuchtet ist oder über eine Lichtintensitätsverteilung aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtintensitätsverteilung in Art eines Gittermusters ausgebildet ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der Lichtquelle (3) und der technischen Oberfläche (1) ein Bandkantenfilter (5) vorgesehen ist, der für Wellenlängen größer einer Grenzwellenlänge nicht transparent ist, und dass die Grenzwellenlänge kleiner als die kürzeste Wellenlänge ist, bei der Fluoreszenzstrahlung (9) von der Substanz emittiert wird.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtquelle (3) sowie die Detektoreinheit (4) derart gegenüber der technischen Oberfläche (1) angeordnet sind, dass eine die Hauptstrahlrichtung des Lichtbündels (6) definierende Beleuchtungsachse sowie eine die Kamerablickrichtung definierende Detektorachse (8) auf der technischen Oberfläche (1) einen gemeinsamen Schnittpunkt aufweisen.
Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Detektoreinheit (4) derart gegenüber der technischen Oberfläche (1) angeordnet ist, dass die Detektorachse (8) orthogonal zur technischen Oberfläche (1) orientiert ist, und dass bei schrägem Einfall des Lichtbündels (6) auf die technische Oberfläche (1) eine laterale Beabstandung des Beleuchtungsmusters von der Detektorachse (8) ein Maß für eine Schichtdicke der auf der technischen Oberfläche (1) befindlichen Materialschicht (2) ist.
Verwendung der Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, zur qualitativen und quantitativen Bestimmung von organischen Rückständen oder Verschmutzungen auf nicht fluoreszierenden, technischen Oberflächen.
Verwendung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung zur Qualitätsüberprüfung und/oder Qualitätssicherung von Produkten oder Halbfertigprodukten verwendet wird.
Verwendung nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass als technische Oberfläche ein abisolierter elektrischer Kontaktbereich vorgesehen ist, der auf Reste von Isolationsmaterial untersucht wird.
Verwendung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass bei Feststellen von einer bestimmten Menge an vorhandenen Resten von Isolationsmaterial eine Nachbesserung erfolgt oder eine Ausschleusung des abisolierten elektrischen Kontaktbereiches aus einem Produktionsablauf erfolgt.
Verfahren zur Detektion wenigstens einer auf einer technischen Oberfläche befindlichen Materialschicht, bei dem ein Lichtbündel auf die technische Oberfläche gerichtet wird, das die Materialschicht zu Fluoreszenzstrahlung anregt, die von wenigsten einer Detektoreinheit detektiert und mittels einer Auswerteeinheit zur qualitativen Materialbestimmung herangezogen wird, gekennzeichnet durch folgende Verfahrensschritte: – Ausrichten des Lichtbündels zur Ausbildung eines punkt- oder linienförmigen Beleuchtungsmusters unter schrägem Lichteinfall auf die technische Oberfläche, – Detektieren der im Wege der Fluoreszenzanregung von der Materialschicht emittierten Fluoreszenzstrahlung, und – Heranziehen der detektierten Fluoreszenzstrahlung zur Materialbestimmung unter Zugrundelegung der detektierten Wellenlänge sowie zur Bestimmung der geometrischen Beschaffenheit der Materialschicht unter Zugrundelegung von Prinzipien des Lichtschnittverfahrens.
Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass die von der Materialschicht emittierte Fluoreszenzstrahlung von der Detektoreinheit intensitätsskalierbar, wellenlängenselektiv sowie ortsaufgelöst detektiert wird.
Verfahren nach Anspruch 16 oder 17, dadurch gekennzeichnet, dass die technische Oberfläche relativ zum Lichtbündel verfahren wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 16 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass aus der geometrischen Beschaffenheit der Materialschicht Menge und Lage der Materialschicht auf der technischen Oberfläche ermittelt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 16 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass als technische Oberfläche ein metallischer Kontaktbereich dient, der zu Kontaktierungszwecken von einer Isolationsschicht befreit wird, die die fluoreszierende Materialschicht darstellt und die es gilt auf verbleibende Rückstände auf der technischen Oberfläche zu untersuchen.
Verfahren nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass auf der Grundlage von Entscheidungskriterien in Bezug auf Lage, Art und Menge einer auf dem metallischen Kontaktbereich befindlichen Isolationsschicht eine Prozesswahl für eine weitere Bearbeitung des metallischen Kontaktbereiches getroffen wird.
Verfahren nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, dass als weitere Bearbeitung eine elektrische Kontaktierung des elektrischen Kontaktbereiches im Wege einer Stoffschlußverbindung, eine Nachreinigung oder eine Aussonderung des elektrischen Kontaktbereiches vorgesehen wird.
Verfahren nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, dass als Stoffschlussverbindung eine Schweiß- oder Lötverbindung eingesetzt wird.