DE2438869C3 - Gerät zur Vermessung von Eigenschaften eines Films mit einer Infrarot-Strahlungsquelle - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Gerät zur Vermessung von Eigenschaften eines Films mit einer Infrarot-Strahlungsquelle zur Erzeugung eines eine erste Wellenlänge aufweisenden Meßstrahls, dessen Absorption im FiIn! von der zu vermessenden Eigenschaft abnäiigi, sowie eines eine zweite Wellenlänge aufweisenden Referenzstrahls, der von der zu vermessenden Eigenscha wenigstens annähernd nicht beeinflußbar ist, einer ersten Detektor zum Empfang von an der Vorder- un der Rückseite des Films gerichtet reflektierter sowi vom Film diffus in Richtung des ersten Detektor gestreuter Energie und mit einer an den ersten Detekto angeschlossenen Auswerteschaltung zur Bildung eine dem Quotienten der Intensitäten von Meß- um Referenzstrahl entsprechenden Meßsignals. Ein solche Meßgerät ist in der US-PS 30 17 512 beschrieben.

Meßgeräte zur Bestimmung der Eigenschaften vor Filmen sind wohlbekannt. Beispielsweise ist es bekannt die Dicke eines herausgepreßten oder als eine zusammenhängende hohle Säule oder »Blase« gebläse nen Films zu messen, um sicherzustellen, daß die Dicke einen vorgegebenen Wert einhält. Normalerweise enthält das Meßgerät eine Quelle für Infrarot-(IR-)-Strahlung, die Strahlen in zwei schmalen Spektralbereichen in Richtung auf den Film emittiert. Ein Teil der auftreffenden Strahlung wird von den Vorder- und Rückseiten des Films spiegelnd reflektiert. Ein IR-Strahlungsdetektor ist auf der gleichen Seite des Films wie die Quelle und zu dieser in einer solchen Winkelbeziehung angeordnet, daß die spiegelnd reflektierte Strahlung auf die Empfangsfläche des Detektors auftrifft. Der Detektor ist somit derart positioniert, daß er im Idealfalle nur die Strahlungsanteile registriert, die einmal von der Vorderseite des Films und zum anderen von der Rückseite des Films nach Eindringen und Verlassen des Films spiegelnd reflektiert werden. Ein elektronischer Schaltkreis zur Signalverarbeitung ist mit dem Ausgang des Detektors verbunden, um eine Anzeige der vermessenen Filmeigenschaft, beispielsweise seine Dicke, oder ein Steuersignal im Falle eines automatischen Steuerungssystems für die Fertigung zu liefern.

Die beiden Strahlen liegen bei verschiedenen Spektralbereichen oder Wellenlängen, die daraufhin ausgewählt sind, daß eine Wellenlänge, bekannt als die Referenzwellenlänge, von den Harzmolekülen vergleichsweise sehr wenig absorbiert wird, während die andere Wellenlänge, die Absorptionswellenlänge, eine relativ hohe Absorption durch die Harzmoleküle zeigt. Eine Wellenlänge starker Absorption wird für das Absorptionssignal deshalb gewählt, um eine empfindliche Messung und Kalibrierung sehr dünner Filme zu ermöglichen. Wenn sich die Filmdicke ändert, ändert sich die Intensität des in den Film eindringenden und von der Rückseite zum Detektor reflektierten Anteils der IR-Energie aufgrund der guten Absorptionseigenschaften des Films in erheblichem Maße und schafft eine Grundlage für eine hochempfindliche Filmmessung. Die Energie, die von der Vorderfläche des Films spiegelnd reflektiert wird, enthält hinsichtlich der Filmdicke keine information; allerdings ist die von dieser Vorderseite reflektierte Energie sowohl bei den Absorptions- als auch bei den Referenzwellenlängen im wesentlichen gleich groß und beeinflußt die Messung auch nicht nachteilig.

Der mit dem Ausgang des IR-Detektors verbundene Verarbeitungskreis enthalt gewöhnlich einen Schaltkreis (Verhältniszahl-Schaltkreis) zur Bildung des elektrischen Verhältnisses vom registrierten Absorptionssignal zum Referenzsignal. Dieses Verhältnis ist proportional zur Strahlungsenergie, die im Film von den Harzmolekülen absorbiert wird, und daher auch proportional zur Dicke des Films. Da von den beiden Signalen ein Verhältnis genommen wird, ist der

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Ausgang unabhängig von Umgebungsfaktoren, beispielsweise Schwankungen in der Quellenintensität, die die Referenz- und Absorptionssignale im gleichen Maße beeinflussen.

Bei der Messung klarer Filme wird die gesamte IR-Energie im wesentlichen entweder an den Vorder- und Rückseiten zum Detektor hin reflektiert oder tritt durch die Rückseite aus eiern Film und ist für den Detektor verloren. Im Falle eines gefärbten Films, der einen Farbstoff (Pigment) wie beispielsweise Titandioxid enthält, bilden die Pigmentpartikeln Streuzentren, die einen Teil der Energie bei ihrem Durchgang durch den Film abfangen und sie im wesentlichen mit gleicher Intensität in alle Richtungen innerhalb einer Halbkugel streuen. Ein Teil dieser Energie erreicht den Detektor zusammen mit der spiegelnd reflektierten Energie, so daß am Detektorausgang ein Signal entsteht, das sich vom Signal bei Abwesenheit von Streuzentren (klarer Film) unterscheidet. Mit wachsender Anzahl von Streuzentren im Film, verursacht durch eine größere Farbstoffzugabe in die plastische Schmelze., wachsen der Betrag an Energie, der von den Streuzentren zurückreflektiert wird, und der Betrag an gestreuter Energie, die vom Detektor empfangen wird. Sollten sich Streuzentren hinter dem Film befinden, wie sie beispielsweise durch Rauch, der im Inneren einer Filmblase im Falle eines geblasenen Films eingefangen ist, gebildet werden könnten, so können diese Streuzentren zusätzlich dazu führen, daß Energie zurück durch den Film gestreut wird. Ein Teil dieser Energie kann den Detektor erreichen, wenn dieser innerhalb der halbkugelförmigen Zone angeordnet ist, in die die Energie gestreut wird. Weil man im Verarbeitungskreis von den registrierten Absorptionsund Referenzsignalen das Verhältnis erhält, könnte man annehmen, jede durch Streuung verursachte Erhöhung der registrierten Energie wäre für die Referenz als auch die Abiorptionssignale annähernd gleich groß und würde sich daher gegenseitig aufheben. Dies ist jedoch nicht der Fall. Während die Größe der von einem einzigen Streuzentrum reflektierten Energie bei den Absorptions- und Referenzwelienlängen ungefähr gleich groß ist, wird die gestreute Energie der Referenzwellenlänge nicht von der Filmdicke sondern lediglich durch die Anzahl der im Film (und möglicherweise hinter dem Film) vorhandenen Streuzentren beeinflußt. Andererseits hängt die bei der Absorptionswellenlänge gestreute Energie sowohl von der Anzahl der Streuzentren als auch von der Lage der Streuzentren im Film (oder hinter ihm) ab. Die bei der Absorptionswellenlänge gestreute Energie wird bei jeglichem Durchgang durch den Film absorbiert, die Menge der gestreuten Energie, die den Detektor erreicht, ist daher im Mittel geringer als beim Referenzsignal. Hinzu kommi, daß sie von einem Streuzentrum reflektierte Strahlung die Rückseite des Films nicht trifft, ihre Weglänge durch den Film ist verändert. Die im Film stattfindende Absorption ist daher von dem Fall, in dem keine streuenden Partikeln vorhanden sind, verschieden. Im Endergebnis ist das Verhältnis des Absorptionssignals zum Referenzsignal gestört und bewirkt einen Meßfehler.

Es ist aufgefunden worden, daß bei einer vorgegebenen Filmdicke eine Erhöhung der Anzahl der Streuzentren im Film, beispielsweise herbeigeführt durch eine verstärkte Pigmentierung, den Film für den Meßkreis dicker erscheinen läßt als er tatsächlich ist. Diese Täuschung rührt daher, daß die bei der Referenzfrequenz registrierte Energie in stärkerem Maße anwächst als die bei der Absorptionsfrequenz.

Für eine bestimmte Filmdicke und Filmpigmentierung kann der Signalverarbeitungskreis durch geeignete Wahl der Spanne oder des Skalenfaktors umgeeicht werden, um den Streufehler auszugleichen. Diese Lösung ist jedoch nicht als befriedigend empfunden worden. Ein Problem liegt darin, daß bei nicht genau kontrollierter Pigmentierung während des Filmpreßvorgangs oder bei einer schlechten Verteilung der Pigmente im plastischen Film der Verarbeitungskreis aufgrund der veränderten Streueigenschaften des Films fehlerhaft eine Änderung der Filmdicke anzeigt. Eine derartige Reaktion ist besonders unerwünscht, wenn der Ausgang des Verarbeitungskreises zur automatischen Kontrolle der Filmdicke verwendet wird. In diesem Falle werden an den Steuersignalen Korrekturen angebracht, um etwas zu berichtigen, das als Fehler in der Filmdicke in Erscheinung tritt, wo doch das einzige Problem in der Anzahl oder Dispersion der Farbpigmente liegt.

Ein anderer Nachteil besteht darin, daß der Signalverarbeitungskreis für jede Änderung im Pigmentierungsproiientsatz oder in den Farbpigmenten erneut kalibriert werden muß. Normalerweise muß hierzu die automatische Steuerung des Herstellungsprozesses unterbrochen und der Verarbeitungskreis neu geeicht werden, um die Änderung in den Streueigenschaften des Films auszugleichen. Die Zeit, die eine solche Rekalibrierung erfordert, kann zu einem unbrauchbaren oder in seiner Qualität verschlechterten Film führen, da die Möglichkeit einer Abweichung von der vorgegebenen Dicke und eines hieraus resultierenden Ausbeuteverlustes besteht.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Überwindung der geschilderten Schwierigkeiten und Mangel, insbesondere die Schaffung eines verbesserten zweistrahligen IR-Meßgerätes im Reflexionsbetrieb, bei dem Meßfehler im Zusammenhang mit der Streuung von IR-Energie aus dem vermessenen Film vermieden sind.

Zur Lösung dieser Aufgabe ist bei einem Gerät der eingangs genannten Art erfindungsgemäß vorgesehen, daß ein zweiter, im wesentlichen nur auf die zweite Wellenlänge ansprechender Detektor allein zum Empfang von diffus am Film gestreuter IR-Energie vorgesehen ist, und daß der zweite Detektor zur Kompensation des Einflusses der vom ersten Detektor empfangenen gestreuten Energie auf das Meßsignal an die Auswerteschaltung angeschlossen ist.

Ein erfindungsgemäßes IR-Meßgerät enthält somit einen Bestandteil, der im wesentlichen den Effekt aufhebt, der auf die fehlerbildende Gegenwart von Streuzentren im plastischen Film während seiner Herstellung zurückzuführen ist. Somit haben Änderungen in der Anzahl oder in der Dispersion der streuenden Partikeln nur einen geringem oder praktisch keinen Einfluß auf die Meßgenauigkeit der vermessenen Filmeigenschaft. Beispielsweise können geplante Pigmentierungsänderungen oder Wechsel des Farbpigments für den Film leicht durchgeführt werden, ohne hierzu die Filmherstellung oder die Tätigkeit des automatischen Steuergeräts unterbrechen zu müssen, um den Signalverarbeitungskreis zu rekalibrieren.

Die Verwendung zweier Detektoren, von denen der eine eine gerichtet reflektierte Strahlung und der andere eine diffus reflektierte Strahlung registriert, ist an sich bereits in »Feingerätetechnik«, !7. Jg., Heft 3 (1968), S. 126-130, beschrieben. Bei dieser vorbekannten Meß-

methode, die zur Glanzbestimmung verschiedener Papiersorten dient, wird allerdings keine monochromatische Strahlung verwandt und auch nicht zwischen einem Meßstrahl und einem Referenzstrahl unterschieden; die der Erfindung zugrundeliegenden Probleme stellen sich im dortigen Zusammenhang nicht.

In einer bevorzugten Ausführung enthält der zweite Detektor ein im wesentlichen nur für die zweite Wellenlänge durchlässiges Filter. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Ansprüchen beschrieben.

Die Erfindung soll nun anhand eines Ausführungsbeispiels in Verbindung mit den Figuren der Zeichnung näher erläutert werden. In den Figuren sind einander entsprechende Teile mit gleichen Bezugszeichen versehen. Es zeigen:

Fig. 1 das Ausführungsbeispiel eines IR-Meßgeräts in einer schaubildlichen Ansicht,

F i g. 2 in einem Blockdiagramm die bevorzugte Ausführung des Verarbeitungskreises aus F i g. 1 und

Fig. 3 in einem Blockdiagramm eine weitere bevorzugte Ausführung des Verarbeitungskreises aus Fig. 1.

F i g. 1 zeigt in einer schaubildlichen Darstellung ein in Reflexion betriebenes zweistrahliges IR-Meßgerät vor einem einlagigen Material 10 in Plattenform. Es sei hier angenommen, daß das Material 10 ein geblasener Plastikfilm ist, der in einer zusammenhängenden Zylinderform, in der Fachwelt auch »Blase« genannt, ausgepreßt wird. Das IR-Meßgerät dient dazu, eine Eigenschaft des Films 10 zu bestimmen, die im vorliegenden Falle die Filmdicke sein soll. Der Ausgang des Meßgerätes liefert somit eine Dickenanzeige für den gerade hergestellten Film. Der Ausgang wird vorzugsweise als Steuersignal für die Hersteilung verwendet, um die Filmdicke bei einem vorgegebenen Wert zu halten. Der Film 10 besteht aus einem Material, das den Durchtritt von IR-Strahlung erlaubt und eine spiegelnd reflektierende Vorderseite 12 sowie eine spiegelnd reflektierende innere Rückseite 14 aufweist, von denen ein Teil der IR-Energie reflektiert und, wie nachfolgend noch beschrieben werden soll, registriert wird. Der Film kann aus organischem Polyäthylen bestehen, ist auf dieses Material jedoch nicht beschränkt, da auch andere Filmwerkstoffe vermessen werden können, soweit sie den Anforderungen genügen, für IR-Energie durchlässig zu sein und über spiegelnd reflektierende Vorder- und Rückseiten zu verfügen.

Die Vorrichtung, die die erforderliche IR-Strahlung erzeugt und nachfolgend die reflektierte Energie registriert, ist in Fig. 1 nur schematisch dargestellt, weil der Aufbau für die Messung einer Filmeigenschaft unter Ausnutzung der 1R-Absorption in der Fachwelt wohlbekannt ist.

Wie der Figur zu entnehmen, enthält das zweistrahlige, in Reflexion betriebene Gerät eine IR-Strahlungsquelle 16, die einen ersten und einen zweiten IR-Strahl bei jeweils verschiedenen Wellenlängen erzeugen kann. Einer der Strahlen wird als der Absorptionsstrahl bezeichnet und ist so gewählt, daß er in Abhängigkeit von der gemessenen Filmeigenschaft, beispielsweise der Dicke, stärker absorbiert wird als der andere, als der Referenzstrahl bekannte Strahl. Die beiden diskreten IR-Strahlcn werden von der Quelle 16 in Richtung auf die Vorderseite 12 des Films 10 geführt.

Während die beiden IR-Strahlen längs desselben Weges (in der Figur als starke durchbrochene Linie dargestellt) geführt werden, so werden sie vorzugsweise nicht gleichzeitig sondern zeitlich getrennt übertragen Die US-Patentschrift 30 89 382, auf die für weitergehen de Einzelheiten verwiesen wird, beschreibt eim Vorrichtung zur Erzeugung zweier IR-Strahlen, die zui Bildung der beiden zeitlich getrennten Energiestrahler für die Durchführung einer mit Reflexion arbeitender Messung verwendet werden können. In kurzen Worten enthält eine solche Vorrichtung vorzugsweise eine IR-Strahlungsquelle zur Erzeugung einer breitbandigen Strahlung; die Quelle wird so aufgestellt, daß die emittierte IR-Strahlung zum Film hin gerichtet ist. Diese Srahlung hat Filterelemente zu passieren, die abwechselnd in den Strahlungsweg geführt werden und auf diese Weise zwei diskrete Strahlen entstehen lassen.

Diese Filterelemente mit schmalem Durchlaßbereich werden mechanisch im Strahlenweg beispielsweise mittels einer rotierenden Achse gehaltert, um abwechselnd die beiden zeitlich voneinander getrennten Strahlen zu erzeugen.

Die Wellenlängen des Durchlaßbereiches eines jeden Filterelements werden durch das spezielle Filmmaterial und die interessierende Filmeigenschaft bestimmt. Ein Strahl, der Absorptionsstrahl, liegt bei einer derart ausgewählten Wellenlänge bzw. in einem derart ausgewählten engen Wellenlängenbereich, daß er eine charakteristische Resonanzabsorption durch die Harzmoleküle im Film zeigt; für den anderen Strahl, Referenzstrahl genannt, ist eine solche Wellenlänge bzw. ein solcher enger Wellenlängenbereich gewählt, daß er von den Harzmolekülen entweder nicht beeinflußt wird oder ein viel geringeres Ausmaß an Absorption als der Absorptionsstrahl zeigt. Demgemäß unterliegen die beiden Strahlen verschiedenen Wirkungen als Folge der Reflexion an der Filmrückseite 14, da ein Strahl bei seinem Durchgang durch den Film 10 absorbiert wird. Diese Differenz ist mit einem geeigneten, in der Fachwelt ebenfalls bekannten Verarbeitungssystem zur Lieferung des gewünschten Ausgangssignals registrierbar.

Nach Maßgabe der Quelle 16 ist ein erstes Nachweisinstrument aufgestellt, das die Energie derjenigen Strahlen registriert, die an der Vorderseite 12 und an der Rückseite 14 des Films 10 spiegelnd reflektiert werden. Im vorliegenden Falle ist ein Detektor 18 in einer bestimmten Winkelbeziehung relativ zur Quelle 16 positioniert, so daß die von der Front- und Rückseite des Films 10 reflektierte IR-Energie auf die strahlenempfindliche Oberfläche des Detektors 18 auftrifft. Der Detektor 18 ist von bekanntem Aufbau und liefert ein zum Pegel bzw. der Intensität der registrierten Energie proportionales Ausgangssignal.

Beide aus der Quelle 16 stammende Strahlen laufen längs des gleichen Weges zum Film 10 und treffen auf die spiegelnde Vorderfläche 12 des Films. Die von der reflektierten Energie eingenommene Richtung wird durch den Reflexionswinkel bestimmt, der bezüglich einer Normalen zur Oberfläche 12 am Ort des Einfalls gleich dem Einfallswinkel der von der Quelle 16 kommenden Strahlung ist. Der Detektor 18 ist in dem Weg aufgestellt, den der an der Vorderfläche 12 spiegelnd reflektierte Strahlungsteil nimmt. Nur ein kleiner Prozentsatz der auf die Vorderfläche 12 einfallenden Strahlung wird an dieser Oberfläche reflektiert, der größte Teil der Energie in jedem Strahl

dringt in den Film 10 ein und trifft auf die spiegelnde Rückfläche 14 auf. Ein ähnlich geringer Prozentsatz eines jeden auf die Rückfläche 14 auftreffenden Strahls wird von dort reflektiert, und zwar in einem Winkel, der

bezüglich einer Normalen zur Oberfläche 14 am Einfallsort gleich dem Einfallswinkel ist. Der Rest der in den Strahlen enthaltenen Energie tritt an dieser Rückfläche 14 aus dem Film 10 und ist für den Detektor verloren. Der Detektor 18 ist ausreichend großflächig und kann auch in den Reflexionsweg von der Rückfläche 14 angeordnet werden, so daß er auch die von dieser Rückfläche reflektierte Energie abfängt und dadurch registriert.

Die beschriebene Ausführung enthält daneben auch Schaitmittel, die die registrierte Energie verarbeiten und das Verhältnis der registrierten Signale, die dem registrierten Absorptions- und Referenzstrahl entsprechen, messen. Im vorliegenden Fall ist ein Verarbeitungsschaltkreis 20, wie in den Figuren schematisch dargestellt, an den Ausgang des Detektors 18 angeschlossen, um die Absorptions- und Referenzsignale zu verarbeiten und eine Verhältniszahlmessung als Ausgang zu liefern. Diese Zahl kann auf einem Auslesegerät, beispielsweise dem mit 22 bezeichneten Indikator, beobachtet werden oder in einer (nicht dargestellten) Verarbeitungssteuerschleife zur Kontrolle der gerade vermessenen Eigenschaft des Films 10 verwendet werden.

Ein Verarbeitungsschaltkreis 20 zur Verarbeitung von Absorptions- und Referenzsignalen, wie er beispielsweise vom Detektor 18 gebildet wird, ist in der Fachwelt wohlbekannt und umfaßt im allgemeinen Verstärkungsund Schalteinrichtungen, wobei die Schalteinrichtungen zeitlich abgestimmt auf die Betriebsweise der Quelle 16 bei ihrer Erzeugung der beiden diskreten Strahlen arbeitet. Auf diese Weise kann der Verarbeitungsschaltkreis 20 fortlaufend und abwechselnd die beiden diskreten registrierten Signale verarbeiten und sie auf einen Vergleichsschaltkreis, beispielsweise einen die genannte Verhältniszahl bildenden Schaltkreis, geben und somit den erwünschten Ausgang liefern. Ein allgemeines Blockdiagramm eines solchen mit dem Betrieb einer Strahlungsquelle synchronisierten Verarbeitungsschaltkreises ist in der bereits zitierten US-Patentschrift 30 89 382 sowie in den US-Patentschriften 36 93 025 und 35 51 678 dargestellt; alle dortigen Schaltkreise liefern als Ausgang das Verhältnis der Absorptions- zu den Referenzsignalen. Solange dieses Ausgangsverhältnissignal fest bei einem vorgegebenen oder, wie im vorliegenden Fall, vorher bestimmten Wert bleibt, solange bleibt bekanntlich die Filmdicke beim erwünschten Wert. Sollte sich dieses Ausgangsverhältnis ändern, so zeigt es eine Veränderung in der Filmdicke an, und es können Schritte unternommen werden, die Fertigungsanlage für den Film manuell oder automatisch zu ändern, um den Film zur erwünschten Dicke zurückkehren zu lassen.

In der vorstehenden Beschreibung des Verarbeitungsschaltkreises war angenommen worden, daß der Film 10 klar oder frei von Streuzentren war. Im Falle eines gefärbten Films ist die Verwendung von Pigmenten üblich, die im Film während seiner Herstellung verteilt weiden. Wie bereits dargestellt, wirken die Pigmentteilchen im Film als Streuzentren für die einfallende IR-Energie wenn sich der Film hinter der Anordnung Quelle/Detektor bewegt. Nach Bestrahlung mit socher Energie reflektiert ein jedes Streuzentrum diese Energie diffus bzw. streut nahezu gleichmäßig über eine annähernd 180°-Oberfläche zurück in Richtung auf den Weg der auftreffenden Strahlung.

Dieses Phänomen ist in Fig. 1 schematisch dargestellt. Dabei sind Pigmentteilchen, versehen mit dem Bezugszeichen 24, verteilt über den Film 10 eingezeich net. Obwohl die IR-Strahlung von der Quelle U üblicherweise auf den sich bewegenden Film K fokussiert ist, hat der Strahl eine gewisse natürliche Verteilung, auch wenn dies in der Figur nicht dargestell ist. Infolgedessen treffen die Strahlen von der Quelle K auf die Oberflächen 12 und 14 in einem schmaler Bereich von Einfallswinkeln auf, obwohl die reflektierte Energie nichtsdestotrotz im wesentlichen vollständig vom Detektor 18 abgefangen wird. In der Gegenwan von Pigmentpartikeln 24 treffen die in den Film K eindringenden Strahlen auf verschiedene Pigmentparti kein 24 und führen zu einer ausgedehnten Streuung dei IR-Strahlung zurück durch den Film und seine Vorderfläche 12. Dieser Effekt ist etwas übertrieben in F i g. 1 eingezeichnet.

Die von der Vorderseite 12 rückreflektierte Strahlung wird natürlich nicht gestreut, der reflektierte Energieanteil gelangt ungestört zum Detektor 18. Innerhalb des Films fangen jedoch die streuenden Partikeln 24 einen Teil der auftreffenden Strahlung ab, abhängig von ^er Dichte oder Anzahl der im Film vorhandenen Streuzentren. Da nun die in den Film eindringende Energie teilweise abgefangen wird, trifft auch nur ein geringerer Energiepegel auf die Rückfläche 14 und wird demzufolge ein geringerer Anteil der eindringenden Energie zum Detektor .18 reflektiert. Darüber hinaus kann ein Teil der von der Rückfläche 14 rückreflektierten Energie ebenfalls Streuzentren 24 auf seinem Rückweg treffen, so daß die den Detektor 18 erreichende Energie noch weiter geschwächt wird.

Von der von den Partikeln 24 gestreuten. Energie wird, wie zuvor erwähnt, angenommen, daß sie im wesentlichen gleichmäßig in alle Richtungen innerhalb einer nahezu halbkugelförmigen Zone gestreut wird. Weil die empfindliche Oberfläche des Detektors 18, wie dargestellt, auf den Film zeigt, wird jede innerhalb des Detektor-Gesichtsfeldes ankommende Energie vom Detektor empfangen und im Schaltkreis 20 verarbeitet. Sollte sich darüber hinaus Streuzeniren, beispielsweise Rauchteilchen, hinter dem Film befinden, also innerhalb der Filmblase im Falle einer Blasenfertigung, so durchtritt jegliche zurück zur Quelle 16 und zum Detektor 18 gestreute Energie den Film 10. Sobald ein Teil dieser Energie in das Gesichtsfeld des Detektors 18 tritt, wird er empfangen und auf dieselbe Weise wie die vom Filminneren teilchengestreute Energie verarbeitet. Infolgedessen führt der Streueffekt der Pigmentteilchen 24, obwohl die von der Rückfläche reflektierte und vom Detektor 18 empfangene Energie reduziert wird, zu einer Energieerhöhung.

Wird der Referenzstrahl von der Quelle 16 emittiert, so wird die vom Detektor 18 empfangene Energie in der Gegenwart von Streuteilchen 24 im Film nur von der Anzahl oder Dichte der vorliegenden Streuzentren beeinflußt. Bezüglich des Absorplionsstrahles jedoch haben sowohl die Anzahl an Streuzentren als auch die Position eines jeden Streuzentrums, das zur auf den Detektor hin gestreuten Energie beiträgt, Einfluß auf die vom Detektor 18 empfangene Energie. Diese Tatsache ist leicht einzusehen: Befindet sich das streuende Teilchen 24 direkt hinter der Vorderfläche 12, so ist der Weg der Energie in den Film hinein und aus ihm heraus kleiner als in dem Falle, in dem das Streuzentrum in der Nähe der Rückseite 14 liegt. Offensichtlich findet im erstcren Fall aufgrund der kleineren Weglänge durch den Film geringere Absorption als im letzteren Fall statt. Im Ergebnis wirkt die

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Gegenwart der Streuzentren 24 auf den Pegel der vom Detektor 18 registrierten Energie für die Referenz- und Absorptionsstrahlen nicht gleich ein. Das Vorhandensein der Streuzentren 24 führt nun zu einem Fehler am Ausgang des Verarbeitungsschaltkreises 20.

Es ist nun ein zweites Nachweisinstrument vorgesehen, das so bezüglich der Quelle 16 aufgestellt ist, daß es nur die vom Film 10 gestreute Strahlenenergie, nicht aber die von den Filmoberflächen spiegelnd reflektierte Energie registriert. Im vorliegenden Fall ist ein zweiter Detektor 26, vorzugsweise vom selben Aufbau wie der Detektor 18, so plaziert, daß er sich außerhalb des Weges der von der Frontfläche 12 und Rückfläche 14 reflektierten Energie befindet. Der Detektor 26 ist allerdings so angeordnet, daß er im wesentlichen die gleiche intensität an gestreuter Energie wie der Detektor 18 empfängt. Für den Aufbau des Detektors 26 gibt es zwei verschiedene bevorzugte Orte (Fig. 1), beide befinden sich bei einem Reflexionswinkel, der mit dem mit dem Einfallswinkel der erzeugten Strahlen identischen Reflexionswinkel nicht übereinstimmt. Der erste Ort liegt bei einem geringeren Reflexionswinkel als dem des Detektors 18, um den Empfang der von den Filmoberflächen reflektierten Signale zu vermeiden, jedoch im wesentlichen die gleiche Streuenergie zu empfangen. Die zweite Position ist in der F i g. 1 in gestrichelten Linien als Detektor 26a eingezeichnet, sie liegt auf der dem Detektor 18 abgewandten Seite der Quelle 16. Der Detektor 26a ist so aufgestellt ,daß er sich ebenfalls innerhalb der halbkugelförmigen Streuzone der Streupartikeln 24 befindet und annähernd die gleiche Intensität an gestreuter Energie aufnimmt wie der Detektor 18.

Vor dem zweiten Nachweisinstrument ist ein IR-Filter angeordnet, um die vom Film in Richtung auf dieses Instrument gestreute Energie abzufangen.

Das Filter hat einen Durchlaßbereich, der gestreute Energie mit der Referenzstrahl-Wellenlänge durchläßt, gestreute Energie mit der Absorptionsstrahl-Wellenlänge jedoch sperrt. Im vorliegenden Fall ist ein Bandpaß-Filter 28 vor den Detektor 26 gesetzt (F i g. 1), um die von den Streuzentren 24 im Film 10 oder von irgendwelchen Streuzentren hinter dem Film, wie vorstehend beschrieben, gestreute Energie abzufangen. Der Durchlaßbereich des Filters 28 ist bevorzugt so ausgewählt, daß er mit demjenigen des (nicht dargestellten) Filters übereinstimmt, das gewöhnlich in der Quelle 16, wie bereits geschildert, zur Bildung des Referenzstrahls verwendet wird. Nur die bei der Referenzstrahl-Wellenlänge gestreute Energie tritt durch das Filter 28 und erreicht den Detektor 26. Energie mit anderen Wellenlängen innerhalb des IR-Spektrums, insbesondere der Absorptionsstrahl-Wellenlängc, wird vom Filter 28 gesperrt. Benutzt man alternativ den Detektor 26«·), so wird ein Filter 28a der gleichen Konstruktion wie Filter 28 vor diesen Detektor gesetzt; Filter 28a arbeitet wie Filter 28.

Wie zuvor bereits erwähnt, wird die Referenzstrahl-Energie in Gegenwart von Streuzentren 24 nur durch die Anzahl der Streuteilchen im Film beeinflußt und bleibt von der Filmdickc unbcrührl. Durch Verwendung eines nur die Referenzstrahl-Wellcnlänge durchlassenden Filters 28 wird der vom Detektor 26 registrierte Energiepegel somit zu einem Maß für die Anzahl un Streuzentren im Film. Diese Information kann nun dazu verwendet werden, den Fehler, der von der Beaufschlagung des Detektors 18 mit Streucnergie herrührt, zu korrigieren. Hicr/.u wird auch der Ausgang des Detektors 26 zum Verarbeitungsschaltkreis 20 geführt

In Fig.2 ist ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel eines Verarbeitungsschaltkreises 20 dargestellt, und zwar teilweise schematisch und teilweise als Blockdia-S gramm. Der Verarbeitungskreis enthält Schaltmittel, die auf den Ausgang des zweiten Nachweisinstrumentes ansprechen, um die Wirkung der im ersten Nachweisinstrument empfangenen Streuenergie im wesentlichen aufzuheben. Im vorliegenden Fall besteht das zweite

ίο Nachweisinstrument aus einem Detektor 26, repräsentiert durch einen Widerstand mit einer von der Intensität der empfangenen Streustrahiung bei der Referenz-Wellenlänge abhängigen Impedanz. In ähnlicher Weise ist der Detektor 18 als ein Widerstand dargestellt, dessen Impedanz sich mit dem Pegel oder der Intensität der empfangenen Strahlung (gestreute und spiegelnd reflektierte Strahlung mit Referenz- und Absorptions-Wellenlängen) ändert.

Mit den beiden Detektoren wird ein Schaltkreis gebildet, in dem die Detektorenimpedanzen als Spannungsteiler in Reihe zwischen den Endklemmen einer Spannungsquelle geschaltet sind. Vorzugsweise ist die positive Klemme der Quelle mit der einen Seite des Detektors 18 verbunden, die negative Klemme dieser Quelle an eine Seite des Detektors 26 geführt. Der Spannungsteiler enthält außerdem ein Potentiometer 30, das zwischen die beiden Detektoren eingeschaltet ist. Der bewegliche Abgriff 32 des Potentiometers 30 ist auf einen Gleichstrom-Abblock-Kondensator 34 geführt, die dem Abgriff gegenüberliegende Seite dieses Kondensators ist mit einem Vorverstärker 36 verbunden. Der Ausgang des Verstärkers 36 steht mit einem die genannte Verhältniszahl bildenden Teiler-Schaltkreis 38 in Verbindung, dessen Ausgang den Ausgang des Verarbeitungsschaltkreises bildet und einen Indikator 22 beaufschlagt.

Bei der Messung klarer Filme, bei denen Streuzentren 24 fehlen, bleibt der Detektor 26 auf einem konstanten hohen Impedanzwert, nur der Wert des Detektors 18 ändert sich beim Empfang der reflektierten Energiestrahlen bei den Absorptions- und Referenz-Wellenlängen. Diese gepulsten Signale verändern die Impedanz des Detektors 18 proportional zur Intensität oder zum Pegel der empfangenen Energie und formen gepulste Absorptions- und Referenzsignale, die durch den Kondensator 34 und den Vorverstärker 36 auf den Teiler-Schaltkreis 38 geleitet werden, wo sie in herkömmlichen Techniken zur Formung eines Ausgangs-Verhältnissignals verarbeitet werden.

Bei der Dickenmessung von Filmen, die Streuzentren wie beispielsweise verteilte Pigmentteilchen enthalten, ist die Betriebsweise des in F i g. 2 dargestellten Kreises verschieden. Daher wird der Teiler-Schaltkreis 38 vor Beginn der Filmfertigung auf übliche Weise mit einer

klaren Filmprobe mit der erwünschten Dicke geeicht, so daß der Indikator 22 die richtige Dicke dieses klaren Films anzeigt. Diese Maßnahme liefert das Verhältnis des Absorptionssignals zum Referenzsignal für die betreffende Filmdicke. Während der Kalibrierung bleibt der Detektor 26 bei einem festen hohen Impedanzwert, weil Streuzentren in der Filmprobe fehlen. Nun wird eine Probe eines gefärbten, Streuzentren enthaltenden Films, der die gleiche Dicke wie die klare Probe aufweist, zur erneuten Eichung des Vcrarbeitungsschalt-

⁶S kreises genommen. In dieser zweiten Kalibrierung ist das Verhältnis wegen des Streuungseffektes auf die registrierten Absorptions- und Referenzsignale verfälscht, in der Anzeige des Indikators 22 stellt sich ein

Fehler ein. Die Tätigkeit des Detektors 26 und die Nachstellung des Abgriffs 32 dienen dazu, das Verhältnis wieder herzustellen und dadurch den von der Streuung verursachten Fehler aufzuheben.

Zum besseren Verständnis der genannten Ausgleichswirkung soll die folgende Erklärung gegeben werden. Während der Emission des Referenzstrahls durch die Quelle 16 verringert die vom Detektor 18 empfangene Energie dessen Impedanz proportional zur Intensität der registrierten Strahlung, die durch spiegelnde Reflexion an der Vorder- und der Rückseite des Films entstand, und der von den Pigmentteilchen 24 gestreuten Strahlung. Der Detektor 26 führt jedoch zu einem Impedanzabfall proportional zur Intensität der vom Detektor 26 empfangenen Streustrahlung. Die Spannung am Abgriff 32 würde normalerweise ansteigen, wenn die Impedanz des Detektors 18 durch den Empfang von Streuen^rgie sinkt; weil jedoch Detektor 26 auf die gleiche Weise wie der Detektor 18 durch die gestreute Energie beeinflußt wird, ist seine Wirkung auf die Spannung am Abgriff 32 entgegengesetzt zur Wirkung des Detektors 18 und senkt die Abgriffsspannung. Der Summeneffekt beider Spannungsänderungen aufgrund der durch Streusignale hervorgerufenen Impedanzänderungen der Detektoren 18 und 26 besteht darin, daß die eine Spannung durch die andere aufgehoben wird.

Wenn der Absorptionsstrahl vom Detektor 18 empfangen wird, sinkt seine Impedanz proportional zur spiegelnd reflektierten Energie und zur gestreuten Energie, die auf diesen Detektor fällt. Die Impedanz des Detektors 26 bleibt unverändert, weil das Filter 28 den gestreuten Absorptionsstrahl am Erreichen des Detektors 26 hindert. Da in diesem Falle kein aufhebendes Signal wie im Falle des Referenzstrahl-Empfangs entsteht, wird der Abgriff 32 nachgestellt, um die Pegel der beim Abgriff 32 gelieferten Absorptionssignale und Referenzsignale so weit abzuändern, bis das Verhältnis durch Rückkehr der Indikatoranzeige zur bekannten Dicke der Probe wieder hergestellt ist. Hiernach bleibt das Verhältnis bei jeder Änderung der Anzahl der Streuzentren im Film unverändert, und zwar aufgrund der am Abgriff 32 hergestellten Proportionalität in der Beziehung zwischen den Absorptions- und Referenzsignalen; am Indikator 28 kann die wahre Anzeige der Dicke abgelesen werden.

Eine andere bevorzugte Variante des Verarbeitungsschaltkreises 20 ist in Fig. 3 in teilweise schematischer Form und teilweise als Blockdiagramm dargestellt. In diesem Fall sind die Detektoren 18 und 26 in zwei voneinander getrennte Detektorkreise in Reihe mit Lastwiderständen 40 bzw. 42 geschaltet. Der Ausgang des Detektors 18 wird über einen Kondensator 34«i und Verstärker 36a auf die eine Seite des Potentiometers 30 gegeben. In ähnlicher Weise ist der Ausgang des Detektors 26 über einen Kondensator 346 und einen Verstärker 36b auf die andere Seite des Potentiometers 30 gegeben. Ein verschiebbarer Abgriff 32 führt die an diesem Abgriff herrschende Spannung auf den Teiler-Schaltkreis 38. dessen Ausgang auf dem Indikator 22 als Filmdicke ausgelesen und als Steuersignal für eine automatische Verarbeitung, wie bereits geschildert, verwendet W2rden kann.

Die Arbeitsweise eines Kreises nach F i g. 3 ist sehr ähnlich der bereits im Zusammenhang mit Fig.2 beschriebenen Arbeitsweise. Nach Eichung mit einer klaren Filmprobe und einer Filmprobe mit Streuzentren — beide Proben haben die gleiche Dicke — sind die vom Abgriff 32 abgeleiteten Spannungen frei von der Wirkung eines durch die Gegenwart von Streuzentren hervorgerufenen Fehlers. Die Anzeige am Indikator 22 nach Verarbeitung im Teiler-Schaltkreis 38 macht eine wahre Angabe über die Dicke des gerade hergestellten Films.

Im Betrieb führt das Sinken der Impedanz des Detektors 18 aufgrund der spiegelnd reflektierten und gestreuten Absorptions- sowie Referenzstrahlen zu positiven Ausgangsspannungsimpulsen an der Verbindung dieses Detektors mit seinem Lastwiderstand 40. Der Impedanzschwund des Detektors 26 nach Maßgabe der gestreuten und registrierten Referenzstrahlen bewirkt negative Ausgangsspannungsimpulse an der Verbindung dieses Detektors und seines Lastwiderstands 42. Nach Verstärkung werden alle Impulse auf das Potentiometer 30 geführt. Die gleichzeitig gebildeten positiven und negativen Referenzimpulse erscheinen als sich gegenseitig aufhebende Spannungsimpulse an den beiden Enden des Potentiometers 30. Dieses Potentiometer wirkt als ein Differenzkreis, dessen Ausgang proportional zur Differenz zwischen den beiden von den Detektoren 18 und 26 gelieferten Signalen ist.

Wie im Falle des Kreises aus F i g. 2 ist der Effekt der Streuung bei den Referenz-Wellenlängen neutralisiert. Die Nachstellung des Abgriffs 32 am Potentiometer stellt die richtige Proportionalität zwischen den Absorptionsimpulsen und den kompensierten Referenzimpulsen wieder her. Die am Indikator 22 erhaltenen Meßwerte sind wahre Dickenangaben und im wesentlichen frei von Fehlern, die von den Streueigenschaften des Films herrühren.

Das Meßgerät bietet besondere Vorteile bei einer fortlaufenden Filmherstellung: Es fängt versehentliche wie auch geplante Veränderungen in den Streueigenschaften des Films ohne Fehler auf und verlangt keine Unterbrechung der Herstellung oder des Steuersystems für eine automatische Fertigung. Unabhängig davon, ob eine ungleichmäßige Farbe aufgrund einer schlechten Pigmentverteilung vorliegt, ob sich die Farbintensität geplant oder ungeplant durch eine Änderung der Pigmentenzahl ändert oder ob sich die Farbe dadurch verändert, daß ein neues streuendes Pigment in den Film injiziert wird, werden Streufehler automatisch aufgehoben und wird die genaue Herstellung unverändert fortgesetzt.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (6)

Patentansprüche:

1. Gerät zur Vermessung von Eigenschaften eines Films mit einer Infrarot-Strahlungsquelle zur Erzeugung eines eine erste Wellenlänge aufweisenden Meßstrahls, dessen Absorption im Film von der zu vermessenden Eigenschaft abhängt, sowie eines eine zweite Wellenlänge aufweisenden Referenzstrahls, der von der zu vermessenden Eigenschaft wenigstens annähernd nicht beeinflußbar ist, einem ersten Detektor zum Empfang von an der Vorder- und der Rückseite des Film gerichitet reflektierter sowie vom Film diffus in Richtung des ersten Detektors gestreuter Energie und mit einer an den ersten Detektor angeschlossenen Auswerteschaltung zur Bildung eines dem Quotienten der Intensitäten von Meß- und Referenzstrahl entsprechenden Meßsignals, dadurch gekennzeichnet, daß ein zweiter, im wesentlichen nur auf die zweite Wellenlänge ansprechender Detektor (26,26a) allein zum Empfang von diffus am Film (10) gestreuter IR-Energie vorgesehen ist, und daß der zweite Detektor (26, 26a) zur Kompensation des Einflusses der vom ersten Detektor (Γ8) empfangenen gestreuten Energie auf das Meßsignal an die Auswerteschaltung (20, 22; 22,34, 36, 38; 22,34a, 340, 36a, 366,38) angeschlossen ist.

2. Gerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Detektor (26, 26a) ein im wesentlichen nur für die zweite Wellenlänge durchlässiges Filter (28,·28a) aufweist.

3. Gerät nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der erste und zweite Detektor (18 bzw. 26, 26a) aus strahlungsempfindlichen Widerständen bestehen, die in Reihe an eine Spannungsquelle gelegt sind, und daß ein Spannungsteilerabgriff (32) der Reihenschaltung mit der Auswerteschaltung verbunden ist.

4. Gerät nach Anspruch 3, gekennzeichnet durch ein zwischen die beiden Detektoren (18, 26, 26a) geschaltetes Potentiometer (30), dessen Abgriff (32) an die Auswerteschaltung (22,34,36,38) angeschlossen ist.

5. Gerät nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Auswerteschaltung zur Erzeugung des Meßsignals eine Teilerschaltung (38) sowie eine daran angeschlossene Anzeigeeinheit (22) enthält.

6. Gerät nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Auswerteschaltung eine Differenzsiufe (30, 32, 34a, 36a, 346, 360) mit zwei Eingängen enthält, daß jeweils einer der beiden Detektoren (18, 26,26a) an einen der Eingänge der Differenzstufe (30,32,34a, 36a, 34b, 36b) angeschlossen ist, und daß der Ausgang (32) der Differenzstufe über eine Teilerschaltung (38) mit einer Anzeigeeinheit (22) verbunden ist.