DE19805200B4

DE19805200B4 - Auswerteverfahren für eine Dickenmessung an Objekten

Info

Publication number: DE19805200B4
Application number: DE1998105200
Authority: DE
Inventors: Uwe Eschke; Richard Gebhardt; Torsten Stautmeister; Dieter Pferner
Original assignee: MICRO OPTRONIC MESSTECHNIK GMB; MICRO-OPTRONIC-MESSTECHNIK GmbH
Current assignee: MICRO OPTRONIC MESSTECHNIK GMB; MICRO-OPTRONIC-MESSTECHNIK GmbH
Priority date: 1998-02-10
Filing date: 1998-02-10
Publication date: 2006-02-09
Anticipated expiration: 2018-02-11
Also published as: DE19805200A1

Abstract

Auswerteverfahren für eine Dickenmessung an Objekten, bei der
– eine Sendequelle ein Messsignal aussendet, das an einer Oberfläche des Objekts reflektiert und von einem Messsensor als Erstreflexionssignal (2) erfasst wird,
– ein Teil des Messsignals durch die Oberfläche hindurchtritt, an anderer Stelle reflektiert und von einem Messsensor als Zweitreflexionssignal (3) erfasst wird,
– der oder die Messsensoren ein Auswertesignal (8) entsprechend der örtlichen Wiedergabe des Erstreflexionssignals (2) und des Zweitreflexionssignals (3) in ihrer optischen Abbildung auf dem oder den Messsensoren erzeugen, in welchem die Impulse für das Erst- und Zweitreflexionssignal (2, 3) nicht überlappungsfrei aufeinander folgen,
bei dem die ansteigende Vorderflanke (4) und die fallende Rückflanke (9) des Auswertesignals (8) zur Bestimmung der Dicke herangezogen werden.

Description

Die Erfindung betrifft ein Auswerteverfahren für eine Dickenmessung an Objekten.
Derartige Verfahren sind zum Vermessen von dünnen Gläsern bzw. dünnen transparenten Objekten mit glasähnlichen optischen Eigenschaften aus der Praxis bekannt. Dabei werden die transparenten Objekte beispielsweise im Triangulationsverfahren mit direkter Reflexion vermessen. Wenn das transparente Objekt beispielsweise zwei parallele Oberflächen in geringem Abstand aufweist, wie dies bei Glasplättchen der Fall ist, wird ein Messsignal sowohl an der ersten als auch der zweiten, d.h. dahinterliegenden Oberfläche gebrochen und/oder reflektiert. Signale der Erst- und der Zweitreflexion können sich dabei in einem Auswertesignal überlagern, was zur Verfälschung der Messergebnisse führt. Bei sehr dünnen Gläsern nimmt der Einfluss der Zweitreflexion auf das von der vorderseitigen Oberfläche stammende Signal der Erstreflexion sehr stark zu, d.h. beide Signale sind nicht mehr voneinander zu trennen. Dieser Effekt führt zu einem systematischen Fehler der mit herkömmlichen Messverfahren nicht zu korrigieren ist.

Aus der EP 0 320 139 A2 ist ein Verfahren zur optischen Messung von Wandstärken transparenter Körper, beispielsweise von Glasflaschen, bekannt. Bei der Messung wird das transparente Objekt mit einem Laserstrahl beleuchtet, wodurch sich ein Erstreflexionssignal an der vorderen Oberfläche und ein Zweitreflexionssignal an der rückseitigen Oberfläche der Glaswand ausbilden. Beide Reflexionssignale werden über ein Fotosensorfeld erfasst. Der Erstreflexionsstrahl und der Zweitreflexionsstrahl bilden auf dem Fotosensorfeld zwei beabstandete Lichtpunkte aus, wodurch ein Mikroprozessor unter Zuhilfenahme der optischen Parameter des Systems die Wanddicke des transparenten Objekts bestimmen kann. Um aus den beiden Lichtpunkten die Wandstärke des transparenten Objekts bestimmen zu können, ist einerseits eine Linse notwendig, um das Strahlenbündel exakt zu fokussieren, so dass ein Abstand zwischen den beiden Lichtpunkten überhaupt gemessen werden kann. Andererseits ist die Kenntnis der Systemgeometrie dabei Voraussetzung, um den Strahl zu fokussieren, was zu einem erhöhten Arbeits- und Zeitaufwand bei der Einstellung des Systems führt.

Außerdem besteht bei sehr dünnen transparenten Objekten der Nachteil, dass sich die beiden Lichtpunkte überdecken und deswegen ein Abstand nicht mehr genau zu bestimmen ist.

Aus der DE 41 41 446 C1 ist ein Verfahren zur Messung der Dicke an einem transparenten Objekt bekannt, wobei dort die Schichtdicke über Laufzeitunterschiede im Erstreflexionssignal bezogen auf das Zweitreflexionssignal bestimmt wird. Der Sender, beispielsweise ein Laser, strahlt mit einem impulsförmigen Lichtsignal auf die transparente Oberfläche ab. Wegen des längeren Weges des Zweitreflexionssignals in der transparenten Wand des Objekts sind Laufzeitunterschiede vorhanden, aus denen die Wandstärke berechnet wird. Allerdings ist auch dieses Verfahren nicht bei dünnen Schichten anwendbar, da hierbei der zeitliche Abstand zwischen dem Erst- und Zweitreflexionssignal sehr klein wird. Die zeitlichen Verläufe der beiden Signale überlagern sich und sind nicht mehr eindeutig trennbar.

Aus der DE 41 08 376 A1 ist ebenfalls ein Messverfahren bekannt, wonach von einer Sendeeinheit zu einem entfernt angeordneten Messobjekt abgesandte und dann reflektierte Laserimpulse und ein direkt abgegebener Laserimpuls vom gleichen Empfänger erfasst und über einen Verstärker einer Zeitmessschaltung zugeführt wird, so dass sich gleiche Verzögerungszeiten ergeben, die die Zeitdifferenzmessung nicht verfälschen. Die empfängerseitig erfassten Laserimpulse werden in geeigneter Form in elektrische Signale umgewandelt. Letztere werden dann mit einer definierten Verzögerung verstärkt und danach mit einem Schwellwertsignal verglichen. Bei diesem Verfahren wird ebenfalls der zeitliche Verlauf der reflektierten und direkt empfangenen Signale erfasst. In diesem Zusammenhang werden unterschiedliche Impulsbreiten der komparativ gewonnenen Ausgangssignale gemessen, wobei die Abstände der Vorderflanken der Impulsbreiten verwendet werden. Auch hier handelt es sich um ein Verfahren, bei dem die zeitliche Laufzeitverzögerung zwischen zwei Signalen ermittelt wird. Dünne Schichten können jedoch ebenfalls nicht mit diesem Verfahren vermessen werden.

Auch aus dem in der Fachzeitschrift „mpa – messen prüfen automatisieren" im Juni 1989 erschienenen Artikel „Signalauswertung für die optische Abstands- und Dickenmessung" ist der Einsatz eines Triangulationsverfahrens zur Dickenmessung bekannt. Dabei wird ausgenutzt, dass ein Laserstrahl in Abhängigkeit vom Abstand zwischen dem Laser und dem Punkt, an dem eine Reflexion stattfindet, an unterschiedlichen Punkten des Detektors auftrifft. Aus der Lage eines Punktes auf dem Detektor kann auf die Entfernung des Messobjekts zum Sensor bestimmt werden. Mit zwei Punkten ist durch Differenzbildung eine Dickenmessung möglich. Allerdings ist auch dieses Verfahren lediglich bei hinreichend dicken Materialien einsetzbar, bei denen klar getrennte Punkte auf dem Detektor auftreten.

Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs genannten Art derart auszugestalten und weiterzubilden, dass eine möglichst genaue Messung bei dünnen Objekten bei gleichzeitig möglichst einfachem Sensoraufbau möglich ist.

Die voranstehende Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst. Danach handelt es sich um ein Auswerteverfahren für eine Dickenmessung an Objekten, bei der eine Sendequelle ein Messsignal aussendet, das an einer Oberfläche des Objekts reflektiert und von einem Messsensor als Erstreflexionssignal erfasst wird, ein Teil des Messsignals durch die Oberfläche hindurchtritt, an anderer Stelle reflektiert und von einem Messsensor als Zweitreflexionssignal erfasst wird, der oder die Messsensoren ein Auswertesignal entsprechend der örtlichen Wiedergabe des Erstreflexionssignals und des Zweitreflexionssignals in ihrer optischen Abbildung auf dem oder den Messsensoren erzeugen, in welchem die Impulse für das Erst- und Zweitreflexionssignal nicht überlappungsfrei aufeinander folgen, bei dem die ansteigende Vorderflanke und die fallende Rückflanke des Auswertesignals zur Bestimmung der Dicke herangezogen wird.

Erfindungsgemäß ist erkannt worden, dass bei einem transparenten Objekt mit zwei, insbesondere parallelen Oberflächen ein Auswertesignal als Abbild der auf dem Messsensor auftreffenden Lichtflecken erzeugt werden kann. Das Auswertesignal gibt dabei die örtliche Lichtmengenverteilung (Lichtintensität) auf dem Messsensor wieder. Erfindungsgemäß entstehen dabei im Auswertesignal zwei nacheinander angeordnete Impulse, nämlich einer für das Erstreflexionssignal, das an der zum Messsensor näher angeordneten Oberfläche reflektiert wird, und einer für das Zweitreflexionssignal oder Rückseitenreflexionssignal, das an der zum Messsensor entfernter angeordneten Oberfläche reflektiert wird. Die Impulse geben die vom Messsensor erfasste Lichtmengenverteilung an und klingen zu beiden Seiten ent sprechend der Lichtstreuung langsam ab. Erfindungsgemäß handelt es sich dabei, entsprechend der örtlichen Wiedergabe auf der optischen Abbildung auf dem Messsensor, um räumlich nebeneinander angeordnete Impulse. Dabei sind die Impulse über einer Weg-Achse und nicht über einer Zeit-Achse dargestellt.

Erfindungsgemäß werden nun Signalflanken des Auswertesignals zur Bestimmung der Dicke einer dünnen transparenten Schicht herangezogen. Durch die Bestimmung der Dicke anhand der ansteigenden Vorderflanke des Erstreflexionssignals und der entsprechenden fallenden Rückflanke des Zweitreflexionssignals, können Dicken genau bestimmt werden. Dies ist gerade bei der Dickenbestimmung bei sich überdeckenden Lichtflecken, und damit sich überdeckenden Impulsen, von besonderem Vorteil. Da die Impulse für die Erst- und die Zweitreflexion in ihrer Form im Wesentlichen übereinstimmen, kann mit dem erfindungsgemäßen Verfahren auch bei sich überlagernden Impulsen eine Wandstärkenbestimmung nach dem Triangulationsprinzip durchgeführt werden.

Die Erzeugung des Auswertesignals mit zwei räumlich aufeinander folgenden Impulsen und die Auswertung dieses Signals über Signalflanken bringt also zwei entscheidende Vorteile, einerseits in Zusammenhang mit der Fokussierung des Signals und andererseits bei der Auswertung des Messergebnisses bei sehr dünnen transparenten Objekten, wobei sich die örtliche Wiedergabe des Erstreflexionssignals mit der des Zweitreflexionssignals überdeckt. In beiden Fällen ist mit dem erfindungsgemäßen Verfahren ein hervorragendes Ergebnis zu erzielen.

Bei der Mehrzahl der Messaufgaben ist eine Unterdrückung der Rückseitenreflexion nicht vollständig möglich. Deshalb wurde das erfindungsgemäße Auswerteverfahren entwickelt, bei dem im gesamten Messbereich, insbesondere bei kleinen Objektstärken bzw. -dicken, ein kontinuierliches Messergebnis ohne negativem Einfluss durch die Zweit- oder Rückseitenreflexion geliefert wird. Ganz im Gegenteil wird die Zweit- oder Rückseitenreflexion erfindungsgemäß zur Bestimmung der Dicke eingesetzt.

Bevorzugt wird als Messsignal ein Laserlicht verwendet, das an den Oberflächen transparenter Objekte gebrochen und reflektiert wird. Als Messsignal können aber auch andere elektromagnetische Wellen oder Ultraschall vorgesehen sein.

Das transparente Objekt weist zwei, insbesondere parallele Oberflächen auf, wobei das Erstreflexionssignal an der zum Messsensor näher angeordneten Oberfläche und das Zweitreflexionssignal oder Rückseitenreflexionssignal an der zum Messsensor entfernter angeordneten Oberfläche reflektiert wird. Die Anordnung des Erst- bzw. Zweitreflexionssignals im Auswertesignal wird einerseits durch den räumlichen Abstand der reflektierenden Oberflächen des Objekts beeinflusst, beispielsweise kann eine Glasplatte mit zwei reflektierenden Oberflächen zwei im Auswertesignal nacheinander angeordnete Impulse erzeugen. Andererseits kann die Anordnung des Erst- bzw. Zweitreflexionssignals im Auswertesignal durch die Anordnung der einzelnen Messsensoren beeinflusst werden, wenn z.B. das Erst- bzw. Zweitreflexionssignal jeweils durch unterschiedliche Messsensoren aufgenommen wird. Dann kann beispielsweise durch die räumliche Anordnung der Messsensoren oder nachgeschaltete Zeitverzögerungsglieder die Lage der einzelnen Reflexionssignale im Auswertesignal verändert werden.

Bevorzugt wird das Auswertesignal durch einen, insbesondere mehrelementigen Messsensor, beispielsweise einen CCD-Sensor erzeugt. Der mehrelementige CCD-Sensor erzeugt als Auswertesignal ein Videosignal, das einen Signalimpuls für die Erstreflexion und einen für die Zweitreflexion aufweist. Je nach räumlichem Abstand zwischen den zwei reflektierenden Oberflächen des transparenten Objekts kann sich eine unterschiedliche Anordnung der entsprechenden Impulse über dem CCD-Sensor und dadurch im Auswertesignal ergeben, wobei die Messsensoren, beispielsweise einer CCD-Zeile, eine örtliche Wiedergabe der optischen Abbildung der reflektierten Laserstrahlen ermöglichen. Bevorzugt passiert das vom Messobjekt reflektierte Licht eine Empfangslinse und wird auf den CCD-Meßsensor fokussiert. Der CCD-Sensor erfasst vorteilhaft auch Spitzenwerte der Lichtmengenverteilung des Laserlichts und erfasst diese als Position des Objekts. Ein mehrelementiger CCD-Sensor ermöglicht daher eine hoch präzise Wegmessung unabhängig von der Lichtmengenverteilung.

Bei einer Weiterbildung der Erfindung wird die zu messende Größe durch einen Auswertealgorithmus, bspw. eine Schwellenauswertung, eine Schwerpunktauswertung, eine Korrelation- oder Wendepunktbestimmung aus dem Auswertesignal berechnet.

Ein vom Messsensor gebildetes Auswertesignal, beispielsweise ein Videosignal, wird in der nachfolgenden Elektronik wie folgt verarbeitet. Je nach Glasdicke, Brechungsindex, Größe des Laserfokus und Abbildungsmaßstab hat das Auswertesignal eine typische Form, beispielsweise Impulsform. Bei sich verringernder Objektstärke, d.h. sich verringerndem Abstand zwischen den beiden reflektierenden Oberflächen, ergeben sich bspw. Sprungstellen bei den Übergängen zwischen dem Erst- und dem Zweitreflexionssignal. Diese können vorteilhaft über mehrelementige CCD-Empfänger ausgewertet werden.

Es gibt nun verschiedene Möglichkeiten, die Lehre der vorliegenden Erfindung in vorteilhafter Weise auszugestalten und weiterzubilden. Dazu ist einerseits auf die dem unabhängigen Patentanspruch nachgeordneten Unteransprüche, andererseits auf die nachfolgende Erläuterung der Erfindung anhand der Zeichnung zu verweisen. In Verbindung mit der Erläuterung der beanspruchten Lehre werden auch allgemein bevorzugte Ausgestaltungen und Weiterbildungen erläutert. In der Zeichnung zeigt
1 ein Schaubild eines Auswertesignals mit einem Erstreflexionssignal und einem Zweitreflexionssignal gemäß Stand der Technik,
2 ein Schaubild eines Auswertesignals mit überlagerten Erstreflexions- und Zweitreflexionssignalen gemäß der vorliegenden Erfindung und
3 ein Schaubild eines Auswertesignals mit annäherend vollständig überlagerten Erstreflexions- und Zweitreflexionssignalen gemäß der vorliegenden Erfindung.
Die 1 zeigt ein Auswertesignal 1 mit einem Erstreflexionssignal 2 und einem klar von dem Erstreflexionssignal 2 abgesetzten Zweitreflexionssignal 3. Beide Reflexionssignale 2 und 3 entstehen durch Anstrahlen des zu vermessenden transparenten Objekts mittels einer Laserlichtquelle und Erfassen des reflektierten Lichts in einem mehrelementigem CCD-Sensor. Aufgrund der unterschiedlichen örtlichen Lage der Reflexionssignale ist das Zweitreflexionssignal 3 hinter dem Erstreflexionssignal 2 im Schaubild dargestellt. Das Schaubild zeigt die Amplitude der gemessenen Sensorsignale über der Zeitachse oder einer Achse, die die Lage der reflektierten Signale entlang einer Richtung angibt.
Bei einem Verfahren zur optischen Abstandsmessung nach dem Triangulationsprinzip in direkt reflektierender Anordnung wird die ansteigende Vorderflanke 4 des Erstreflexionssignals 2 zur Bestimmung des Abstands zwischen der reflektierenden Oberfläche des transparenten Körpers und der Lasersignalquelle ausgewertet. Dazu wird einerseits ein Wendepunkt 5 der ansteigenden Vorderflanke 4 bestimmt und die Lage mindestens eines Schwellwerts 6 zur Abstandsbestimmung herangezogen.
In 2 ist das Auswertesignal 7 bei entsprechendem Messverfahren dargestellt, wobei der transparente Körper zwei reflektierende Oberflächen aufweist, wobei die vorderseitige Oberfläche das Erstreflexionssignal und die rückseitige Oberfläche das Zweitreflexionssignal erzeugt. Im Gegensatz zu dem bisher beschriebenen Auswertesignal 1 ist das Auswertesignal 7 durch ein dünnes transparentes Objekt erzeugt. Dabei ist der Abstand zwischen der vorderseitigen und der rückseitigen Oberfläche gering. Infolge des geringeren Ortsunterschiedes überlagert sich dann das Zweitreflexionssignal 3 mit dem Erstreflexionssignal 2. Bei der angegebenen Lage des Schwellwerts 6 können das Erstreflexionssignal 2 und das Zweitreflexionssignal 3 noch separat als Schwellwertsignal dargestellt und ausgewertet werden. Allerdings reduziert sich dadurch bereits die mögliche Empfindlichkeit der Anordnung erheblich.
Das in 3 dargestellte Auswertesignal 8 wird von einem sehr dünnen transparenten Blättchen erzeugt, wobei der Abstand zwischen der reflektierenden vorderseitigen Oberfläche und der reflektierenden rückseitigen Oberfläche sehr gering ist. Infolgedessen sind das Erstreflexionssignal 2 und das Zweitreflexionssignal 3 im Auswertesignal 8 wegen der Überlagerung in ihrer Form verfälscht.
Es wird die ansteigende Vorderflanke 4 des Auswertesignals 8 zur Abstandsmessung herangezogen. Bei einem Verfahren zur Dickenmessung des Objekts wird zusätzlich noch die fallende Rückflanke 9 des Zweitreflexionssignals 3 ausgewertet. Durch Bestimmung des Wendepunkts 10 der Rückflanke 9 des Zweitreflexionssignals 3 und die Einführung eines weiteren Schwellwerts 11 lässt sich der Abstand zwischen den beiden reflektierenden Oberflächen des transparenten Objekts bestimmen.

Claims

Auswerteverfahren für eine Dickenmessung an Objekten, bei der – eine Sendequelle ein Messsignal aussendet, das an einer Oberfläche des Objekts reflektiert und von einem Messsensor als Erstreflexionssignal (2) erfasst wird, – ein Teil des Messsignals durch die Oberfläche hindurchtritt, an anderer Stelle reflektiert und von einem Messsensor als Zweitreflexionssignal (3) erfasst wird, – der oder die Messsensoren ein Auswertesignal (8) entsprechend der örtlichen Wiedergabe des Erstreflexionssignals (2) und des Zweitreflexionssignals (3) in ihrer optischen Abbildung auf dem oder den Messsensoren erzeugen, in welchem die Impulse für das Erst- und Zweitreflexionssignal (2, 3) nicht überlappungsfrei aufeinander folgen, bei dem die ansteigende Vorderflanke (4) und die fallende Rückflanke (9) des Auswertesignals (8) zur Bestimmung der Dicke herangezogen werden.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Dicke nach einem Triangulationsverfahren ausgewertet wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Auswertesignal (1, 7, 8) durch einen mehrelementigen Messsensor, beispielsweise durch einen CCD-Sensor, erzeugt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass über die räumliche Differenz zwischen der Signalflanke (4) des Erstreflexionssignals (2) und der Signalflanke (9) des Zweitreflexionssignals (3) die Dicke bestimmt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Dicke durch einen Auswertealgorithmus, beispielsweise eine Schwellenauswertung (6, 11), eine Schwerpunktauswertung, eine Korrelation- oder Wendepunktbestimmung (5, 10), aus dem Auswertesignal (1, 7, 8) berechnet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Auswertesignal zusätzlich zu der Dickenmessung bei einer Abstandsmessung, insbesondere zur Messung des Abstands einer Oberfläche des Objekts von der Sendequelle oder einem Messsensor, verwendet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Dicke und/oder der Abstand durch einen Auswertealgorithmus, beispielsweise eine Schwellenauswertung (6, 11), eine Schwerpunktauswertung, eine Korrelation- oder Wendepunktbestimmung (5, 10), aus dem Auswertesignal (1, 7, 8) berechnet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Dicke und/oder der Abstand durch Bestimmen des Wendepunkts (5, 10) bei mindestens einer Flanke (4, 9) und Festlegen einer Schwellwertlage (6, 11) berechnet wird.