DE2512771A1 - Verfahren und vorrichtung zur beruehrungslosen messung der breite von laenglichen elementen - Google Patents
Verfahren und vorrichtung zur beruehrungslosen messung der breite von laenglichen elementenInfo
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Description
Patentanwälte S1 Aad,.n, den 21· mTZ 1975
DIPL-ING. BRUNO SCHMETZ AugustaotraBe 14-16 · Tel. (0241) 508051
DIPL-ING. WERNER KÖNIG
ATIJLNTIC RESEARCH CORPORATION in Alexandria, Virginia (V.St.A.)
Beschreibung zu Patentanmeldung
Verfahren und Vorrichtung zur berührungslosen Messung der Breite von länglichen Elementen
Seit langem besteht ein Bedarf für eine schnelle und genaue Messung des Durchmessers von dünnen Filamenten, die vorbestimmte
Längen aufweisen oder in kontinuierlicher Form vorliegen, wie beispielsweise von Drähten, Fäden, Stangen, Strängen und dergl.,
und zwar solchen, die massiv oder hohl sind, ohne effektive physikalische Berührung für solche Zwecke, wie die Qualitätskontrolle
und die Steuerung des Herstellungsprozesses. Aus Gründen der Einfachheit wird in der folgenden Beschreibung in erster
Linie von Filamenten gesprochen, obwohl die Ausführungen auch auf Spalte anwendbar sind. Die Nachfrage nach einer schnellen und genauen
Messung der Breite von engen Spalten hat bei einer Anzahl von Anwendungen auch zugenommen, wie beispielsweise bei optischen
Masken, wie sie bei der Technologie der Mikroelektronik benutzt werden. Aus Gründen der Einfachheit wird in der Beschreibung und
den Ansprüchen die Bezeichnung "längliches Element" benutzt, um
einen Spalt oder ein Filament zu bezeichnen, und aue den gleichen Gründen gelangt die Bezeichnung "Breite des länglichen Elementes"
zur Anwendung, um die Spaltbreite oder den Filamentdurchmesser anzugeben.
Es wurden bereits verschiedene optische Systeme vorgeschlagen,
und insbesondere Beugungstechniken, bei welchen das Filament
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innerhalb eines Strahls von kohärentem Licht angeordnet ist und ein Beugungsbild ergibt, das in unterschiedlichen Weisen erfaßt
und gemessen wird. Solche Techniken haben sich insgesamt nicht als zufriedenstellend erwiesen, und zwar wegen Faktoren, wie
ändernder Lichtintensität über dem Beugungsbild, durch das Reflexionsvermögen oder Brechungsvermögen des Materials verursachte
Unterschiede, die Notwendigkeit zur gleichzeitigen Anwendung von Tergleichsmaßen, die Kompliziertheit des Gerätes u. dgl.
Laser-Doppler-Geschwindigkeitsmesser (LW) sind kürzlich entwickelt
worden zur Bestimmung der Geschwindigkeit von Fluidum-Strömungen in Wind- und Wasserkanälen durch Suspendierung kleiner Partikel in dem
Fluidum und Bestimmung ihrer Geschwindigkeit und Größe durch den Geschwindigkeitsmesser. Solehe Geschwindigkeitsmesser umfassen im
allgemeinen konvergente Laserstrahlen gleicher Größe, Intensität und Frequenz, die in der Konvergenz ζ one, welche gelegentlich auch
Meßvolumen genannt wird, ein stationäres Interferenzstreifenbild erzeugen. Die Interferenzstreifen sind Ebenen, welche sich normal
zu der durch die Mittellinien der zwei konvergierenden Laserstrahlen bestimmten Ebene und parallel zu der Bisektrix der konvergierenden
Strahlen befinden. Die Lichtintensität und daher auch die Streuintensität sowie die Signalstärke sind am größten in dem geometrischen
Zentrum der Streifenzone. Bei seiner Benutzung wird das Gerät derart aufgebaut, daß sich die von dem Fluidum getragenen
Partikel über die Streifen in einer Ebene normal zu den Streifenebenen bewegen und daher die Streifenasone von dem Randbereich der geringsten
Intensität durch den Zentralbereich maximaler Intensität und dann durch den Bereich nachlassender Intensität durchquren. Um
ein optimales Signal und eine optimale Auflösung zu erhalten, muß die Sammeloptik für das gestreute Licht auf das geometrische Zentrum
des Meßvolumens oder dessen Mhe fokussiert sein. Infolge der schnellen Bewegung der Partikel durch das Meßvolumen besteht die von
den Partikeln hervorgerufene S treu strahlung im allgemeinen lediglich
aus kurzen Impulsen in der Größenordnung von Mikr ο Sekunden, was Schwierigkeiten bei deren Auflösung zur Folge hat. Ein solches
System ist auch in starkem Maße der Einengung unterworfen, die
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sich durch Änderungen des Streifenintensitätskontrastes ergibt. Aus diesen und anderen Gründen hat man solche Systeme als sehr
genau bei der Messung von Partikeln angesehen, welche viel kleiner als der Stredfenabstand sind, da die Beleuchtung der kleineren
Partikel gleichmäßiger ist, und zwar ungeachtet der Tatsache, daß die Technik erkannte, daß die Teilchengröße abgeschätzt werden
kann, wenn der Streifenabstand dem Partikeldurchmesser vergleichbar ist. Derartige Laser-Doppler-Geschwindigkeitsmesser sind im
einzelnen in dem Artikel von ¥. F. Farmer "Measurement of Particle
Size, Number Density, and Velocity Using a Laser' Interferometer"
(Messung der Teilchengröße, Dichtezahl und Geschwindigkeit unter Benutzung eines Laser-Interferometers) in der Zeitschrift "Applied
Optics", Band 11, Heft 11, November 1972, S. 2603-2612, und der USA-Patentschrift Nr. 3 680 961 von G. J. Rudd beschrieben.
Bei einer noch neueren Entwicklung des Laser-Doppler-Gesehwindigkeitsmessers
sieht die Technik die Benutzung von Meßvolumen vor, in welchen die Streifen veranlaßt werden, sieh ständig in einer
Richtung normal zu den Streifenebenen zu bewegen, und zwar durch Anwendung von konvergierenden Laserstrahlen der gleichen Intensität,
jedoch geringfügig verschiedener Frequenz, d.h. einer Frequenedifferenz,
welche innerhalb des Hochfrequenzbandes liegt. Eine derartige Verschiebung der Frequenz von einem der Strahlen kann
beispielsweise durch Beugung eines Eingangslaserstrahls mittels einer Ultraschall-Bragg-Zelle hervorgerufen werden, welche so ausgebildet
sein kann, daß sie den Eingangs strahl in zwei divergierende Strahlkomponenten der gleichen Intensität teilt, wobei die ungebeugte
Komponente die Frequenz des EingangsStrahls hat und die gebeugte
Komponente bezüglich ihrer Wellenlänge um einen Betrag, welcher der Bragg-Zellen-Frequenz entspricht, verschoben ist. Die
Frequenzdifferenz (Δ f) zwischen den zwei vorhandenen Strahlen
liegt innerhalb des Hochfrequenzbandes. Da die zwei kohärenten Lichtstrahlen, welche die Bragg-Zelle verlassen, divergieren, ist
es erforderlich, daß diese Strahlen durch ein geeignetes optisches System konvergiert werden, um das gewünschte Interferenzstreifenbild
zu bilden. Das wandernde Streifenbild bewegt sich mit einer Δ f
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entsprechenden Geschwindigkeit, welche ihrerseits der Bragg-Zellen-Frequenz
entspricht.
Die Technik des sich bewegenden Streifenbildes wurde bei dem Laser-Doppler-Geschwindigkeitsmesser in erster Linie angewendet,
um ein Mittel zur Bestimmung der Bewegungsrichtung der sich quer durch die Streifenebenen bewegenden Partikel zu haben. Sie ergibt
Jedoch keine Verbesserung hinsichtlich der Bestimmung der !Teilchengröße. Die Anwendung von ein- und zweidimensionalen Bragg-Zellen-Systemen
bei Laser-Doppler-Gesehwindigkeitsmessern ist offenbart in dem Aufsatz "Bragg Diffraction of Light by Two
Orthogonal Ultrasonic Waves in Water" (Bragg-Beugung von Licht durch zwei orthogonale Ultraschallwellen in Wasser) von Chu
und anderen in "Applied Physics Lett.", Band 22, Heft 11, 1. Juni 1973, S. 557-559, und dem Aufsatz "Two-Component, Self-Aligning
Laser Vector Velocimeter" (Laser-Vektor-Geschwindigkeitsmesser
mit zwei Komponenten und Selbstausrichtung) von W. M. Farmer und anderen in der Zeitschrift "Applied Optics", Band
12, Heft 11, November 1973, S. 2636-2640. Im Zusammenhang mit dem vorbeschriebenen Stand der Technik ist jedoch darauf hinzuweisen,
daß ein statisches oder stillstehendes Partikel in einer stationären Streifenzone nicht hinsichtlich seiner Größe gemessen
werden kann.
Keine zum Stand der Technik gehörigen Verfahren und Einrichtungen erkennen oder zeigen die vorliegende Erfindung oder deren Arbeitsprinzipien, und zwar die genaue Feststellung des Durchmessers
eines Filamente» durch Anordnung desselben innerhalb einer sich bewegenden Interferenzstreifenzone und Halten des Filamentes im
wesentlichen stationär parallel zu der Ebene der Streifen sowie normal zu der Ebene der konvergierenden Laserstrahlen. Die sich
bewegenden Streifen sind vorgesehen, um die Größe, und zwar den Durchmesser, des Filamentes zu messen und nieht, um, wie bei dem
Stand der Technik, die Geschwindigkeit von Partikeln genauer festzustellen. Darüber hinaus macht die vorliegende Erfindung
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es möglich, das Filament für eine unbegrenzte Zeitlänge stationär in räumlicher Hinsicht so anzuordnen, daß sich Betriebsbedingungen
mit einer optimalen Intensität ergeben und dadurch eine ständige optimale Signalsichtbarkeit und -auflösungsmöglichkeit zu
schaffen, wodurch sich die Möglichkeit ergibt, ständig eine genaue Messung von Filamentdurchmessern durchzuführen entsprechend
der Breite des Streifenabstandes (Streifenperiode) oder, im Falle von wesentlichen Störkomponenten in dem System, entsprechend
der Größe der Streifenperiode, welche ein AC/DC-Verhältnis-Minimum
mal einer Konstanten erzeugt. Die vorliegende Erfindung ermöglicht auch die Benutzung von bekannten Streifenabständen (welche durch
übliche Techniken berechnet oder auf andere Weise bestimmt werden können) zur Bestimmung der Breite eines länglichen Elementes
sowie zur ständigen Überwachung der Breite eines länglichen Elementes und dadurch zur Feststellung von Abweichungen derselben
von festgesetzten Werten. Wenn das beobachtete Streulichtsignal eine Abweichung bezüglich des Filamentdurehmessers zeigt (was der
Fall ist, wenn das AC/DC-Verhältnis nicht Null entspricht oder
wenn im Falle des Vorhandenseins von Störfaktoren dieses Verhältnis nicht einem vorbestimmten Minimum, das von Null verschieden
sein kann, entspricht, kann die Streifenperiode eingeregelt werden, bis das Verhältnis Null oder dem genannten Minimum entspricht,
wodurch eine Bestimmung des genauen Filamentdurchmessers erfolgt. Ggf. kann aber auch die Abweichung des Durchmessers von der
Streifenperiode durch eine geeignete übliche Elektronik in eine Fehler Spannung umgewandelt werden, die man dann entweder bei einer
einfachen Anzeige, welche die Filamentdurchmesserabweichung zeigt, benutzt oder als Rückführmittel zur Regelung des Filamentherstellungsprozesses
verwendet, um das Filament auf den gewünschten, sich durch die Einstellung der Streifenperiode bestimmenden
Durchmesser zu bringen.
Das erfindungsgemäße Verfahren zur Messung des Filamentdurchmessers
durch Nullung oder Minimalisierung des AC-Signals hat
zusätzliche Vorteile, bei welches es sich u.a. um folgende
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handelt. Die Genauigkeit der Messung ist unabhängig von Intensitätsschwankungen
der Laserstrahlquelle. Ferner wird die Genauigkeit nicht durch das Reflexionsvermögen oder das Brechungsvermögen
des Filamentes beeinträchtigt oder gefährdet. Weiterhin hängt die Genauigkeit nicht ab von der Kalibrierungsgenauigkeit
der Signalerkennungsvorrichtungen oder den Verzerrungen oder Ungeradlinigkeiten
von Bestandteilen des optischen Systems, und zwar weder solchen, welche diese von Anfang an haben oder die sie
aufgrund von Empfindlichkeit gegenüber ändernden Umgebungsbedingungen aufweisen. Das System und dessen Bestandteile können daher
verhältnismäßig preiswert sein und man kann sie in unkontrollierten Umgebungen, wie beispielsweise an Herstellungsstätten, benutzen.
Das Verfahren und das Gerät können natürlich auch für wissenschaftliehe
Zwecke benutzt werden, und zwar beispielsweise als Labormeßverfahren und -meßgerät für feine Filamente. Sie sind
von besonderer praktischer Nützlichkeit für die Überwachung des Durchmessers oder Maßes von dünnen Filamenten, die in
kommerziellen Herstellungsprozessen kontinuierlich hergestellt werden, und zwar ohne beschädigende Berührung dieser Filamente.
In der Beschreibung und den Ansprüchen schließt die Bezeichnung "Filament" Monofilamente, wie Fasern, Drähte und Fäden, sowie
Multifilamente, wie Stränge, Garne u. dgl., ein, wobei diese
für eine gegebene Anwendung eine vorbestimmte Länge aufweisen oder kontinuierlich, wie beispielsweise auf Spulen aufgewundene
Stränge, sein können, und wobei sie massive oder hohle, beispielsweise
rohrförmige, Gestalt haben können. Die Bezeichnung "Filament11 schließt ebenfalls Filamente jeder Querschnittsformgebung
ein, und zwar beispielsweise solche mit kreisförmigem, elliptischem, rechteckigem, sternförmigem od. dgl. Querschnitt.
Zusammenfassung der Erfindung Die Erfindung umfaßt ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zur
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Durchführung desselben für die Messung der Breite von länglichen Elementen, wie Filament-Durchmessern oder Spaltbreiten, durch
Vorsehen einer Laserstrahlquelle, Teilung des kohärenten Laserstrahls in zwei kohärente Laserstrahlen von gleicher Größe und
Intensität mit unterschiedlicher Frequenz, wobei die Frequenzdifferenz innerhalb des Hochfrequenzbandes liegt, Konvergierung
der zwei Strahlen zur Bildung einer Interferenzstreifenbildzone innerhalb des Konvergenzraumes, Anordnung des Filamentes in
dieser Zone derart, daß sich die Längsachse des Filamentes im wesentlichen normal zu der durch die konvergierenden Laserstrahlen
bestimmten Ebene befindet (parallel zu den Streifenebenen), Halten des Filaments im wesentlichen räumlich stationär mit Bezug
auf die Streifen, obwohl das Filament sich in Längsrichtung entlang seiner Achse innerhalb der definierten Zonenposition bewegen
kann, so daß das sich bewegende Streifenbild das Filament in Querrichtung ständig überreicht, Sammeln der durch das Filament
gestreuten Strahlung und Bestimmung des Verhältnisses der AC-Strahlungskomponente zu der DC-Strahlungskomponente durch geeignete
übliche Einrichtungen. Der Abstand zwischen den Streifen bzw. die Streifenperiode ist eine bekannte Größe, da sie durch
übliche Techniken aufgrund von Faktoren, wie der Wellenlänge der Laserstrahlen und dem Konvergenzwinkel der Laserstrahlen,
bestimmt werden kann. Ein Nullwert der AC-Signal-Komponente, die
sich durch die von dem Filament gestreute Strahlung ergibt, macht den AC/DC-Wert zu Null und zeigt an, daß der Durchmesser
des Filamentes der Streifenperiode, die für einen gewünschten Durchmesser des Filamentes eingestellt werden kann, entspricht.
Mit anderen Worten, das Verhältnis des Durchmessers D des Filaments (oder die Breite des länglichen Elementes) zu der
Streifenperiode λ _ entspricht einer Konstante von 1 (k « 1) bei
einem AC/DC-Verhältnis von Null. Ein derartiges Verhältnis-Signal kann man auch erhalten, wenn der Filamentdurchmesser einem ganzzahligen
Vielfachen der Streifenperiode entspricht, und eine Methode zur Erkennung derartiger Vielfacher wird nachfolgend
beschrieben. Im Falle von Spalten ergibt sich die AC- und
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DC-Komponenten-Messung durch die Strahlung, wiche durch die Spalte
durchgelassen wird.
Wenn der Durchmesser des Filaments von dem gewünschten Nullungsdurchmesser
abweicht, ist das AC/DC-Verhältnis nicht Null und der tatsächliche Durchmesser läßt sich aus der Größe und dem
Vorzeichen des AC/DC-Verhältnisses mittels "bekannter !Techniken
ermitteln. Da diese Messungsart zusätzliche Berechnungen und einige Tergleichsunsicherheiten mit sich "bringen kann, ist es
im allgemeinen zu bevorzugen, die Abweichung des Filamentdurchmessers dadurch zu bestimmen, daß man das System derart
einregelt, daß sich eine Streifenperiode ergibt, die in einem neuen Nullwert des AC/DC-Verhältnisses resultiert. Dies kann
in verschiedener Weise bewerkstelligt werden, wie beispielsweise durch Änderung der Wellenlänge des Eingangslaserstrahls. Im
allgemeinen ist es jedoch am einfachsten, dies durch Verstellung des Konvergenzwinkels der beiden kohärenten Laserstrahlen durchzuführen.
Das von Null verschiedene AC-Signal, welches eine Abweichung
des Filamentdurchmessers von dem gewünschten Durchmesser zeigt, kann zu dem Herstellungsprozeß zurückgeführt werden, um eine
automatische Filamentdurchmessersteuerung zu bewirken, und zwar durch solche Mittel, wie die Anwendung eines Verhältnismessers,
der eine zu der Durchmesseränderung proportionale Fehlerspannung erzeugen kann. Die Filamentdurchraesserabweichung kann auch bestimmt
werden durch die Vergrößerung oder Verkleinerung des Abstandes der Streifenperiode, die erforderlich ist, um, wie vorbeschrieben,
das AC/DC-Signal-Verhältnis auf Null zu bringen. Die derart festgestellte Abweichung kann dann in ein Fehlersignal
umgewandelt werden, das man durch elektronische Mittel bekannter Art zu automatischen Filamentdurchmessersteuerungen des Herstellungsprozesses zurückführen kann.
Das vorstehend beschriebene Filamentdurchmesser-Messverfahren bzw. dessennachstehend noch beschriebene Modifizierung zur
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Berücksichtigung von Störfaktoren geben genaue Durchmesserwerte
von Filamenten kreisförmiger bzw. zylindrischer Gestalt. Die Erfindung
ist jedoch auch anwendbar zur Messung eines äquivalenten (mittleren) Durchmessers von Filamenten, welche eine hiervon
verschiedene Querschnittsgestalt aufweisen.
Das geringe Maß einer seitlichen Bewegung, welche bei biegsamen Filamenten auftiEfcen kann, resultiert nicht in einem nennenswerten
Meßfehler.
Zeichnungen
In den Zeichnungen ist die Erfindung beispielsweise veranschaulicht«
In den Zeichnungen ist die Erfindung beispielsweise veranschaulicht«
Fig. 1 ist eine schaubildliche Darstellung, welche eine Ausftihrungsform eines optischen Systems
aur Ausführung des Filamentdurohmesser-Überwachungssystems
und der damit zusammenhängenden Lichtstrahlengänge und -beziehungen zeigt.
Fig. IA ist eine schaubildliche Darstellung in größerem
Maßstab, welche die Überschneidung der konvergierenden kohärenten Lichtstrahlen und die sich
ergebende und bewegende Interferenzstreifenzone gemäß Fig. 1 zeigt.
Fig. 2 ist eine schematische Darstellung der in Fig. 1 dargestellten Ausführungsform mit zugehörigen
System-Bauelementen, wobei eine *'außeraxialen
Feststellung zur Anwendung gelangt.
Fig. 3 ist eine schematische Darstellung eines abgewandelten Systems, welches von einer "inneraxialen"
Rückstreu-Feststellung Gebrauoh macht.
Fig. 4 ist eine schematische Darstellung von Bauelementen, die für das Elektronik-System der Fig. 2 oder 3
benutzt werden können.
Fig. 5 ist ein Diagramm, welches die Beziehung des
AC/DC-Yerhältnisses (Weohselstrom/Gleichstrom-Verhältnis)
zu dem Verhältnis von Filamentdurchmesser/Streifenperiode zeigt.
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fig. 6 ist eine sehematische Darstellung eines abgewandelten Systems, "bei welchem nur die AC-(Wechselstrom)-Signalkomponente
bei der Messung der Elementenbreite benutzt wird.
Mg. 7 ist eine echematische Darstellung einer abgewandelten
Ausführungsform, bei welcher das längliche Element von einem Spalt gebildet ist.
Bei der Ausführungsform gemäß Pig. 1 tritt ein Laserstrahl 1 einer Frequenz, f unter einem geringen Winkel in eine Bragg-Beugungs-Zelle
2 ein, welche aus einem akustischen Medium besteht und mit Druck durch einen Kristallübertrager bei einer aufgegebenen
Oszillationsfrequenz, beispielsweise von 10 bis 100 Me, betrieben
ist, um akustische Wellenlängen λ in dem Zellenmedium zu bilden. Der Eingangslaserstrahl wird in der Bragg-Zelle in kohärente
Lichtstrahlen gleicher Intensität geteilt, von welchen ein Strahl 4 ungebeugt ist und die ursprüngliche !Frequenz f aufweist,
während der andere Strahl 5 gebeugt und akustisch in die geringfügig verschobene Frequenz f , verändert ist. Die Frequenzdifferenz
Δ f liegt innerhalb des Hoehfrequenzbeaeiches und entspricht
der RF-Bragg-Zellen-Frequenz. Die divergierenden Strahlen, welche die Zelle verlassen, werden durch eine in geeigneter Weise
ausgebildete konvexe Linse 6 geführt, welche die Strahlen an einer Überaehneidungszone 7 bei einem Konvergenzwinkel Θ
zusammenführt. Innerhalb der Konvergenzzone ergibt sich ein Muster von abwechselnd dunklen und hellen Interferenzstreifen 8, welche
in Fig. 1 unproportional dargestellt sind und welche Fig. IA
deutlicher zeigt. Die Streifen bewegen sich in der durch den Pfeil 9 angedeuteten Richtung mit einer A.f entsprechenden
Geschwindigkeit. Die Fig. 1 und IA zeigen die relativen Lagen der x-, y- und z-Achsen der verschiedenen Komponenten. Die y-Achse
und die z-Achse befinden sich in der Papierebene, während die x-Achse rechtwinklig zur Papierebene liegt. Die Bisektrix der
zwei divergierenden und konvergierenden, von. der Bragg-Zelle erzeugten Strahlen mit den Frequenzen f und fQ, liegt entlang der
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z-Achse. Die Normale zu den Streifenebenen befindet sich rechtwinklig
(y-Achse) zu der Bisektrix (z-Achse) der konvergierenden Strahlen. Die Streifenebenen liegen in der Ebene der x-z-Aehsen,
und die Streifen bewegen sich in Richtung der y-Achse. Durch nicht dargestellte Mittel ist das Filament IO innerhalb der
Streifenzone angeoafaet und gehalten, und zwar wie dargestellt
vorzugsweise in oder nahe der geometrischen Mitte derselben, so daß sich seine Längsachse in der. Richtung der x-Achse befindet,
d.h. normal zu der Bisektrix der konvergierenden Strahlen mit der Frequenz f und f , (sowie zu den konvergierenden Strahlen
als solchen) und parallel au der Ebene der x-z-Achsen der Streifen. Wie schematisch dargestellt, entspricht der FilamentdurchmeBser
dem Streifenabstand (Streifenperiode) λ (Fig. IA), und die Streifen bewegen sich quer über das Filament in der Richtung der
y-Achse.
Die Streifenperiodeλ bestimmt sich durch die Gleichung:
^s β 2 sin {Q /2)
worin λ die Wellenlänge des einfallenden Laserstrahls ist.
Hieraus ergibt sich, daß die Größe der Streifenperiode ^\_ durch
Veränderung von Λ und/oder von B verändert werden kann. Im allgemeinen
ist es einfacher, ^ durch Verstellung des Konvergenzwinkels Θ der Strahl en zu verändern, beispielsweise durch Veränderung
der Stellung der Konvergenzlinse bei dem in Fig. 2 dargestellten System, durch Änderung der akustischen Frequenz der
Bragg-Zelle oder durch mechanische Bewegungen von zusätzlichen optischen Bauelementen oder durch eine Kombination der vorgenannten
Maßnahmen.
Fig. 2 veranschaulicht die in Fig. 1 dargestellte Ausführungsform mit zugehörigen Einrichtungen zum Erhalt und zur Benutzung des
gewünschten Signals. Alle der zugehörigen optischen und elektronischen Bauelement^ welche in dieser und den folgenden Zeiehnungsfiguren
dargestellt sind, gehören zum Stand der Technik und be-
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dürfen daher keiner detaillierten Beschreibung. Die von dem Filament IO gestreute Strahlung 11 wird von einer linse 12 gesammelt
und in einem Fotovervielfacher 13 zusammengeführt. Von
dort aus gelangt das Signal in ein Elektronik-System 14, eine anschauliche Bauart von welchem in Fig. 4 gezeigt ist. Das
Elektronik-System trennt das Signal in seine AC-Komponente (WechselBtrom-Komponente) und DG-Komponente (Gleichstrom-Komponente),
verstärkt diese, richtet sie gleich, filtert sie und leitet sie dann in einer Verhältnisschaltung, welche darauf den Ausgang in
ein Meßwerterfassungssystem speist, wie einen Registrierschreiber, einen Zähler, andere Anzeigegeräte usw., oder den Ausgang in eine
Verfahrensregelungselektronik 14A mit Rückführung überträgt, welche
eine Rückführung zu einem Herstellungsprozeß bewerkstelligt, um durch den Ausgang Durchmess er abweichungen der hergestellten
Filamente erforderlichenfalls zu beseitigen.
Als Alternative kann das von Kuli verschiedene Verhältnissginal
zurückgeführt werden zu dem Rgelsystem für die Steuerung des
Konvergenzwinkels der Strahlen, wobei diese Steuerung beispielsweise durch eine axiale Verschiebung der linse 6 mittels eines
Nullsuchregelgerätes für die linsenpositionseinstellung erfolgen kann, bis die Nullstellung erreicht ist. Die Differenz zwischen
dem ursprünglichen Streifenabstand und dem korrigierten Streifenabetand kann dann in die Elektronik eingespeist und an das
Filamentdurehmesser-Steuersystem des Herstellungsprozesses übertragen
werden. Zwischen dem laser und der Bragg-Zelle kann wahlweise ein Zerhacker 15 eingesetzt werden, und man kann ein Bezugssignal mit der Zerhackungsfrequenz von dem Zerhackertreiber 16
in die Elektronik speisen, um eine synchrone Erkennung des Signals zu ermöglichen. Darüber hinaus ist es möglich, ein Bezugssignal
mit einer der RF-Frequenz der Bragg-Zelle entsprechenden Frequenz zu benutzen, um eine Demodulierung der RF-Komponente des Gesamt-Signals
au bewirken. Als Alternative kann man einen Schmalbandverstärker, der auf die RF-Frequenz abgestimmt ist und auf den
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ein üblicher Demodulator folgt, benutzen, wie dies in Fig. 4 dargestellt ist.
Fig. 3 zeigt ein System, welches demjenigen der Fig. 2 im allgemeinen
ähnlich ist, jedoch mit der Ausnahme, daß bei ihm die linse 6 und ein Ringspiegel 17 benutzt werden, um die von dem Filament
zurückgestreute Strahlung 18 zu sammeln und diese auf den Fotovervielfacher
13 zu fokussieren.
Die in den Fig. 2 und 3 dargestellten optischen Sammelsysteme sind
in erster Linie Bauarten zur Benutzung bei Filamenten. Im Falle von Spalten ist das optische Sammelsystem "inner-axial11 hinter
den Spalten anzuordnen.
Fig. 4 zeigt schematisch eine detaillierte Darstellung eines
Elektroniksystems, welches durch die Figurenbeschriftung ausreichend erläutert ist.
Ein Filament mit einem Durchmesser, welcher ein ganzzahliges Vielfaches der Streifenperiode darstellt, erzeugt ebenfalle ein
Mullsignal. Fig. 5 ist ein Diagramm, welches das Verhältnis AC/DC gegenüber dem D/^s -Verhältnis darstellt, wobei B der
Durchmesser des Filamentes ist. Aus dem Diagramm ist zu entnehmen,
daß für jede ganze Zahl von D/λ«, das AC/DC-Verhältnis
Null entspricht, daß aber die folgenden Scheitelwerte zunehmend niedriger werden, in erster linie wegen der Zunahme der
DC-Strahlungskomponente, welche im wesentlichen ein Maß für die gesamte rückgestreute Strahlung darstellt, während die AC-Komponente
die zeitabhängige Intensitätskomponente innerhalb des RF-Bereichs ist.
Sofern ein derartiger Mehrfachdrehmesser auftreten sollte, kann
daher seine ganzzahlige Größenordnung bestimmt werden, beispielsweise von der entsprechende Größe der DC-Komponente.
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Zur Feststellung der Abmessung von optischen Spalten mit Breiten von
10,' 25 und 50 -wurde ein optisches System benutzt, welches im
wesentlichen demjenigen gemäß Fig. 1 ähnlich ist. Optische Spalte wurden anstelle von Filamenten wegen der bekannten Breitengenauigkeit
derselben ausgewählt. Der benutzte Laser war ein HeNe-Laser, der einen Laserstrahl mit einer Wellenlänge von 6328 % erzeugte.
Der Laseretrahl wurde in eine Bragg-Zelle eingeführt, die bei
einer Modulationsfrequenz von 15 Mc arbeitete. Durch diese Zelle erfolgte eine Teilung des Laserstrahls in zwei divergierende
Strahlen gleicher Intensität, von welchen einer die ursprüngliche Laserstrahlwellenlänge besaß und der andere eine modulierte
Frequenz mit einer Differenzwellenlänge (Δλ ) von etwa 0,0002 X
hatte.
Die zwei Strahlen, welche aus der Bragg-Zelle austreten, wurden mittels einer Linse zur Bildung eines sich in Querrichtung bewegenden
Streifenbildes zusammengeführt. Die Linse konnte längs der z-Achse bewegt werden, um eine Veränderung hinsichtlich des
Konvergenzwinkels der Strahlen zu bewirken und dadurch in dem erforderlichen Maße den Streifenabstand zu variieren. Die optischen
Schlitze waren in der sich bewegenden Streifenzone so angeordnet, wie dies bereits bezüglich der Filamente beschrieben wurde. In
allen Fällen, in welchen die Streifenabstände derart eingestellt waren, daß sie der Breite der optischen Schlitze entsprachen,
wurden Nullwerte der Verhältnisse von AC/DC erhalten. Trotz der Einfachheit der benutzten Versuchseinrichtung ergaben sich Durchmesserauflösungen
von mehr als
Das neue Meßverfahren kann bei einem verhältnismäßig großen Bereich
von Filament- oder Spaltabmessungen, welcher bedeutende industrielle Anwendungen hat, benutzt werden. Diese Abmessungen
können mit den gegenwärtig erhältlichen optischen Bauteilen, welche für elektromagnetische Strahlung durchlässig sind, innerhalb
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eines Bereiches von etwa O,2yu.bis über 1 mm gemessen werden,
wobei der optimale Bereich gegenwärtig bei etwa 0,5ic^is 200u.
liegt. Durch Benutzung von Mikrowellen kann der Bereich der meßbaren
Breitenabmessungen auf Zentimeter und sogar Meter ausgedehnt werden.
Das AC-Null-Signal und das resultierende AC/DC-Null-Verhältnis,
wie sie gemäß der Beschreibung und den, Ansprüchen bis jetzt benutzt wurden, basieren auf einem System, welches Störungsquellen optischer,
mechanischer und elektrischer Art in bekannter Weise bis zu einem Punkt verringert, an dem sie das AC-Signal nicht merklich beeinträchtigen,
oder diese kompensiert, beispielsweise durch Bestimmung dea Minimums des AC/DC-Wertes mittels Abtastung des Wertes der
Streifenperiode um den Wert eines gegebenen Filamentdurchmessers, welcher durch bekannte Mittel, wie optische, mechanische und
elektronische Kalibriermittel bestimmt werden kann, und Kompensierung durch elektronisches Abziehen des erhaltenen Minimums von dem
AC/DC-Null-Verhältnis, wie vorbeschrieben, wodurch Abweichungen, verursacht durch derartige Störfaktoren, bestimmt werden können.
Da, wie vorbeschrieben, die Kompensation für durch derartige Störfaktoren verursachte Abweichungen durch einen Vergleich des
erhaltenen Minimums mit dem AC/DC-Null-Verhältnis für den gegebenen Filamentdurchmesser erhalten wird, ergibt sich offensichtlich,
daß die vorbeschriebene Kompensation durch irgendwelche Mittel einschließlich der vorgenannten elektronischen Subtraktionamittel,
bestimmt werden kann durch die Benutzung der zuvorbeschriebenen Beziehung, nämlich, daß der AC/DC-Null-Wert (im Falle
eines Störungsminimums) durch eine Streifenperiode erzeugt wird, die einem gegebenen Filamentdurchmesser entspricht, d.h. daß das
Verhältnis (k) von Breite/Streifenperiode 1 ist. Die Störabweiohung
kann daher bestimmt werden durch Vergleich des gegebenen Filamentdurchmessers
mit dem Streifenperiodenwert bei dem vorbesohriebenen AC/DC-Signal-Minimum, in welchem Falle das Verhältnis von
Breite/Streifenperiode von 1 verschieden sein kann und infolgedessen
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für ein individuelles Element eine Konstante k, Φ 1 sein kann,
wenn die Messung durch Störfaktoren beeinflußt wird. Da bei dem Minimum des AC/DC-Verhältnisses der gegebene Filamentdurehmesser
bekannt ist und die Streifenperiode den Paktor darstellt, welcher ändern kann, kann die Streifenperiode bei dem Minimum der Paktor
sein, welcher für die praktische Bestimmung der Abweichung von dem AC/DC-Null-Verhältnis für die gegebene Elementbreite benutzt
wird. Obwohl die Abweichungen, die durch Störung verursacht werden, im allgemeinen in einem begrenzten Minimum resultieren, können sie
auch bei bestimmten Störbedingungen Null entsprechen. In einem solchen Palle kann die Konstante k eins sein oder nicht und jede
zur Bestimmung der genauen Breite erforderliche Kompensation kann wie vorbeschrieben zur Anwendung gelangen. Die vorgenannte Kompensation
für ein Abweichungsminimum kann beispielsweise erforderlich sein wegen optischer Störfaktoren, wie sie sich ergeben durch verschiedene
Grade der Strahlendurchlässigkeit, Lichtdurchlässigkeit bzw. Durchsichtigkeit der Filamente, verschiedene Oberflächengestalten
der Filamente, z.B. flache oder gebogene Oberflächen, oder verschiedene Oberflächenbeschaffenheit der Filamente, wie beispielsweise
glatte oder rauhe Oberfläche derselben. Wie dies in der Optik wohl bekannt ist, beeinflussen Veränderungen bezüglich
dieser Faktoren die Reflektion und Refraktion. Im Palle der vorliegenden Erfindung wurden sie daher die Rückstrahlung bzw. Rückstreuung
durch die Filamente beeinflussen. Störfaktoren, die durch Spalte hervorgerufen werden, sind im allgemeinen weniger schwerwiegend.
Für viele Anwendungen ist eine Anfangskalibrierung, und zwar eine Breitenmessung, des zu überwachenden Elementes wesentlich, um
sicherzustellen, daß das bei einer bestimmten Streifenperiode erhaltene AO/DG-Minimum ein genaues quantitatives Maß für ein
Element mit der erforderlichen Breite ist und/oder um die Menge der erforderlichen Kompensation zu bestimmen.
Bei den meisten Anwendungen kann auf das vorgenannte KompeniSationsverfahren
verzichtet werden, da das Merkmal des Minimums des
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AC/DC-Yerhältnisses für das Element mit gegebener Breite für Überwachungszwecke
vollständig ausreicht. In einem derartigen Falle kann die Abweichung von dem richtigen AC/DC-Minimum bestimmt
werden durch Abtasten des Streifenperiodenwertes um das abweichende Element, bis das verschiedene Abweichminimum bei einer verschiedenen
Streifenperiode festgestellt ist, und Ermittlung der Breitenabweichung durch Größendifferenz zwischen den Streifenperioden,
bei welchen sich die richtigen und abweichenden Minima ergeben. Durch geeignete elektronische Mittel, wie eine Fehlerspannung,
kann das Maß der Abweichung zu einem Herstellungsprozeß übertragen
werden, um eine Korrektur einzuleiten. Bei anderen Anwendungen, wie der Qualitätskontrolle oder bei Herstellungsprozessen mit
inkrementalen Korrekturmitteln, kann alleine die Abweichung von dem Minimum ausreichend sein, ohne daß es erforderlich ist, das
Maß der Abweichung noch weiter genau zu bestimmen.
Ίη einigen Fällen kann auch auf eine Anfangskalibrierung verzichtet
werden, wie beispielsweise dann, wenn ein Muster mit einer genauen Abmessungsangabe geliefert wird oder wenn der Hersteller lediglich
eine genaue Duplizierung einer speziellen Faserpartie sicherzustellen wünscht, ohne daß ihn eine Kenntnis der genauen Breitenmessung
interessiert. Das letztere trifft häufig bei der Herstellung von Textilf!lementen zu, wobei das im allgemeinen akzeptierte
Maß der "Titer" ist, welcher in erster Linie eine Aussage über
das Filamentgewicht und lediglich indirekt eine Aussage über den Filamentdurchmesser gibt.
Die vorbeschriebene Benutzung des AC/DC-Verhältnisses, entweder
bei der im wesentlichen störungsfreien Null-Verfahrensweise, bei
welcher D/λ. einer Konstante von 1 entspricht, oder bei der
mehr verallgemeinerten AC/DC-Yerhältnis-Minimum-Verfahrensweise, ergibt die genaueste Breitenmessung, insbesondere in Fällen, in
welchen das überwachte Element (beispielsweise eine Vielzahl von festgelegten Längenelementen oder ein entlang seiner Länge überwachtes
kontinuierliches Element) eine wesentliche Breitenänderung
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oder eine beträchtliche Veränderung hinsichtlich der Strahlungsstreuung infolge von beträchtlicher Änderung der optischen Störfaktoren,
entweder in der Querschnittsabmessung oder entlang der Länge des Elementes, zeigt. Die Genauigkeit der AC/DC-Verhältnis-Verfahrensweise
bei den vorbeschriebenen Bedingungen beruht auf der Tatsache, daß im Falle einer wesentlichen Breitenveränderung
mit einer diese begleitenden Verschiebung der Stellung des Minimums mit Bezug auf die Streifenperiode jede Änderung der
DC-Signal-Komponente im wesentlichen dem Maß der Verschiebung proportional ist. Ba sich die Größe des AC-Signals auch proportional
verschiebt, wird durch das AC/DC-Verhältnis ein Fehler bei der
Breitenmessung verringert oder nahezu eliminiert. Dies ist auch im wesentlichen der Pail, wenn Änderungen der optischen Störfaktoren
des Prüfungselementes genügend gering sind, so daß sie gemittelt werden können durch ein "Sehen" derselben innerhalb
der sichtbaren länge der Streifenebene längs ihrer x-Achse, oder sonst wenn sie nicht von einer solchen Größe sind, daß sie eine
Änderung des Wertes des DC-Signals bewirken, welche so viel größer
als die Änderung oder Verschiebung der Stellung des AC- oder AC/DC-Minimums ist, daß sich in wesentlichem Maß eine Unproportionalität
ergibt. Solange als das letztere nicht in einem merklichen Ausmaße eintritt, ergibt die Minimum-Position des AC/DC-Verhältnisses
eine genaue Messung der Elementbreite. Wenn die letztere Unproportional!
tat des DC-Signals auftritt, wird die Breitenabmessung durch die optische Störung verdeckt und kann nicht bestimmt werden,
mit Ausnahme durch eine Rekalibrierung des Elementes in seiner Stellung, in der eine große Änderung der optischen Störkenndaten
entsteht. Mit oder ohne Rekalibrierung kann das System beispielsweise durch elektronische Mittel ein Signal zu dem Herstellungsverfahren
senden und dabei die Information übermitteln, daß eine wesentliche Änderung der optischen Merkmale des Elementes eingetreten
ist, welche eine Korrektur erfordern kann, und zwar eine andere als eine Korrektur der Breitenabweichung. Eine derartige
Information kann natürlich auch auf andere Weise übermittelt werden. Solche wesentlichen Änderungen hinsichtlich der optischen Eigen-
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schäften können sich entlang der Länge eines hergestellten
Elementes aus verschiedenen Gründen entwickeln, wie beispielsweise ungeeigneter Mischung der Partie, Fehlern bezüglich der Konzentration
von Reaktionskomponenten bei einem kontinuierlichen Produktionsprozeß, Fabrikationsfehlern bei der Herstellung von Spalten und
dergleichen.
Es versteht sich, daß gemäß der Beschreibung und den Ansprüchen das für die Breitenmessung benutzte AC- oder AC/DC-Minimum auf
einer DC-Signal-Komponente basiert, jede Änderung von welcher im
wesentlichen proportional zu jeder Verschiebung oder Abweichung von der Minimum-Position und ihrer entsprechenden Streifenperiode
ist.
Die Einstellung der Streifenperiode auf eine Größe, welche einen AC- oder AC/DC-Minimum-Wert erzeugt, schließt vorzugsweise ein
ständiges Abtasten der Streifenperiode durch bzw. über das Minimum
ein. Eine ständige Abtastung oder ein ständiges Überstreichen stellt die Messung kleiner Abweichungen von dem Minimum sicher, zeigt
die Richtung von solchen Änderungen und bestimmt die Größe von Abweichungen innerhalb des Bereiches der Abtastung, und zwar auegedrückt
durch die Streifenperiode. Der Bereich der Abtastung ist nicht kritisch und kann beispielsweise in der Größenordnung von
etwa + 1 bis 25 # der Elementenbreite liegen. Für Abweichungen außerhalb
des jeweiligen Abtastbereiches wird dieser Bereich zu einem anderen Bereich der Streifenperiode verschoben. Es versteht sich,
daß die in der Beschreibung und den Ansprüchen benutzten Ausdrücke "einstellen" oder "Einstellung" des Wertes der Streifenperiode
zu der AC- oder AC/DC-Minimum-Position, einschließlich Null, eine
ständige Abtastung des Streifenperiodenwertes über einen um das
Minimum herum liegenden Bereich, wie vorbeschrieben, einschließen.
Bei einigen Anwendungen, bei welchen Änderungen der optischen Störfaktoren des Elementes im allgemeinen minimal sind und welche
einen nennenswerten Spielraum von Breitenmessungsfehlern gestatten, kann es ausreichend sein, lediglich das AC-Signal-Komponenten-
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Minimum für ein gegebenes Element zu bestimmen und dieses mit folgenden AC-Signal-Komponenten-Minima zu vergleichen, um Abweichungen
der Elementbreite festzustellen. Bei solchen Anwendungen verändert sich die DC-Signal-Komponente nicht, d.h. sie ist eine
Konstante, oder sie ändert in einem Maße, welches zu einem Breitenmessungsfehler
führt, der innerhalb zulässiger Grenzen, beispielsweise von ί 1 bis 10 #, liegt. Um sicherzustellen, daß das
Änderungsmaß der DC-Signal-Komponente innerhalb zulässiger Grenzen liegt, kann es erwünscht sein, in der Elektronik Bauelemente,
wie einen DC-Messer, vorzusehen, welche eine Überwachung der DC-Signal-Komponente ergeben. Da viele der anderen elektronischen
Bauelementedes Systems für eine lineare Arbeitsweise innerhalb
bestimmter Grenzen ausgebildet sind, kann es auch erwünscht sein, elektronische Bauelemente vorzusehen, welche eine Nachregelung
zur Verhinderung einer Übersteuerung und Verschiebung zu nichtlinearer Wirkungsweise ergeben. Pig. 6 zeigt schematisch ein
Elektronik-System mit in der Elektronik bekannten Bauteilen, durch welches eine Peststellung der Elementbreite mittels der AC-Signal-Komponente
erfolgt. Durch die Figurenbeschriftung wird dieses Elektronik-System ausreichend beschrieben.
Bei Benutzung der AC- oder AC/DC-Signal-Methode kann es erwünscht
sein, die Wirkung von kleinen Änderungen der optischen Störung entlang der Länge des Elementes auf die DC-Signal-Komponente zu
verringern, und zwar durch Erweiterung der Streifenzone in der Richtung der Pilamentach.se, so daß die kleinen Änderungen
gleichzeitig "gesehen" und hierdurch innerhalb der Länge der
Streifenebene in Richtung der x-Achse gemittelt werden können.
Sofern die Größe des ursprünglichen Laserstrahls nicht ausreichend ist, um die gewünschte Abmessung der Streifenzone zu erzeugen,
kann zwischen dem Laser und der Bragg-Zelle ein Strahldehner angeordnet werden, und zwar wahlweise in Verbindung mit einer
Lochplatte 31, um den Strahl auf einen Teil gleichmäßigerer Intensität zu begrenzen, was in Pig. 6 dargestellt ist. Derartige
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Strahldehner sind in der Optik bekannt. Im vorliegenden Falle resultiert eine Dehnung des Laserstrahls und dadurch eine Dehnung
der Größe der getrennten Strahlen mit den Frequenzen f und f , in einer größeren Streifenzone 7.
Wie vorgeschrieben ist die Streifenperiode eine Funktion der
Wellenlänge des Laserstrahls und des Konvergenzwinkels Q der Strahlen mit den Frequenzen f und f ,, und sie kann geändert
werden durch Änderung der Laserquelle gegen eine solchej die
eine andere Wellenlänge erzeugt, oder durch Änderung des Winkelsθ
durch Veränderung der akustischen Frequenz des Bragg-Zellen-Strahl-Teilers
oder durch Hin- oder Herbewegung der Konvergenzlinse 6 entlang der z-Achse. Die letztere Maßnahme zur Änderung des
Winkels 0 wird im allgemeinen bevorzugt wegen der Kosten, die mit einer Veränderung der Laserstrahlquelle verbunden sind. Jedoch
begrenzt ein solches Vorgehen den Bereich des Winkels Θ und dadurch die Benutzung des jeweiligen Systems auf Elemente mit einer
Breite, die innerhalb eines bestimmten Bereichs liegt. Der Bereich des Winkels θ kann jedoch beträchtlich vergrößert werden
durch die Anordnung eines zusätzlichen optischen Systems hinter der anfänglichen oder ersten Strahlteilung, beispielsweise
durch die Bragg-Zelle, welches in der Lage ist, das divergierende Anfangsstrahlenpaar mit den Frequenzen f *und f ,
zunächst noch weiter auseinanderzuführen und dann zusammenzuführen.
Eine andere Verbesserung des Verfahrens und Systems gemäß der Erfindung, welche besonders nützlich für anspruchsvolle Anwendungen
ist, ist das Vorsehen eines Vergleichskanals, welcher gleichzeitig mit dem Überwachungskanal für das Prüfelement
ein Streifenbild erzeugt, welches vorzugsweise dem in dem Überwachungskanal erzeugten Streifenbild identisch ist. Ein
derartiges Vergleichsstreifenbild ermöglicht eine ständige Sichtbarkeit und Überwachung der Streifenperiode und anderer Charakteristika
des Streifenbildes, wie die Beleuchtungsintensität und die Streifensichtbarkeit, ohne den durch die Gegenwart des Prüfelementes hervorgerufenen
Störungseffekt hinsichtlich der Lichtintensitätsverteilung.
Das Vergleichsstreifenbild kann daher auch Informationen
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zur sofortigen Bestimmung der Streifenperiode,, und zwar sowohl
für ordnungsgemäße als auch für abweichende Elemente und die Erkennung von sich in dem System entwickelnden Unstimmigkeiten, wie
eine Zunahme der elektronischen Störung oder Schwankungen "bei Ausgangsleistung
des Lasers, liefern. Es besteht auch die Möglichkeit, für Vergleichszwecke in dem Vergleichsstreifenbild ein Standard-.
element anzuordnen, und zwar in der gleichen Weise wie das Prüfelement in dem Überwachungsstreifenbild.
Die Ausführungsform des Systems gemäß Fig. 7 veranschaulicht sowohl ein optisches System zur Vergrößerung des Bereiches des
Winkels B und dadurch des Bereiches der Streifenperiode als auch einen Vergleichskanal. Der Laser 100 strahlt einen Strahl 103 einer
kohärenten Strahlung der !Frequenz f aus. Der Strahl 103 tritt unter einem geringen Winkel in die Bragg-Zelle 104 ein, welche
mit Druck durch einen Kristallübertrager 105 betrieben ist. Der Eintrittslaserstrahl wird in zwei kohärente Laserstrahlen
der gleichen Größe und Intensität geteilt, von welchen der Strahl 106 ungebeugt ist und die ursprüngliche Frequenz f hat, während
der andere Strahl 107 eine Beugung und akustische Modifizierung zu der leicht verschobenen Frequenz f , aufweist. Die divergierenden
Strahlen mit den Frequenzen f und f . werden weiter durch konven-
ο ο *
tionelle optische Mittel, wie einen an den Stirnflächen belegten
Prisma-Spiegel 108, symmetrisch divergiert und dann durch Stirnflächenspiegel 109a und 109b symmetrisch auf einen doppelseitigen,
an seinen Stirnflächen belegten Spiegel 110 symmetrisch konvergiert, wobei die Strahlen mit den Frequenzen fQ und fQ, an den gegenüberliegenden
spiegelnden Flächen dieses Spiegels einfallen. Der Spiegel 110 kann, wie dargestellt, um seine x-Achse innerhalb
eines Winkelbereiches von ±45° gäreht werden, um den Einfallsund Ausfallswinkel der beiden Strahlen mit den Frequenzen iQ und fö,
gleichmäßig zu verändern. Das divergierende Strahlenpaar mit den Frequenzen f und f , wird durch ein optisches System, welches
übereinstimmende Stirnflächenspiegel 112a und 112b sowie Konvergenzlinsen lila und 111b umfaßt, reflektiert und übertragen. Das übereinstimmende
Paar von Stirnflächenspiegeln 112a und 112b konvergiert die Strahlen mit den Frequenzen f und fQ, auf einen Strahlenteiler
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113, der aus Gründen der Einfachheit als zweiter Strahlenteiler bezeichnet wird. Dieser zweite Strahlenteiler teilt infolge
50$-igen Durchlassens und Reflektierens jeden Strahl in zwei
Strahlen gleicher Größe, Intensität und itequenz. Die beiden resultierenden Strahlenpaare mit den Frequenzen f und fQ, bilden
den Überwachungs- und Vergleichskanal. Konvexe Linsen 115a und 115b konvergieren die Überwachungs- und Vergleichs-Strahlenpaare,
um an Überschneidungszonen bei Konvergenzwinkeln Θ undo" sich bewegende Streifenmuster 116a und 116b zu bilden. Vorzugsweise
sind die Winkele und θ" gleich, obwohl dies nicht wesentlich
ist, da man eine Kompensationselektronik für Vergleichszwecke benutzen kann. Eine Äquivalenz der Winkel θ und Θ"
kann erreicht werden durch Benutzung übereinstimmender Linsen 115a.
und 115b und Anordnung derselben (einschließlich Hin- und Herbewegung wie durch die Doppelpfeile angedeutet) in dem gleichen Abstand
von dem Strahlenteiler 113. Eine Drehung des Spiegels 110 bewirkt eine Änderung der Winkel θ undö* und dadurch der Streifenperiode
der Streifenbilder 116a und 116b innerhalb eines viel größeren Bereiches als dies bei der Ausführungsform gemäß Pig. I, 2 und 3
möglich ist. Die äußerste Begrenzung für den maximalen Bereich der Winkele und θ* ergibt sich durch die 3?-Zahl der Konvergenzlinsen
115a und 115b oder die gleichbedeutende F-Zahl von anderen im Strahlengang vorherliegenden optischen Bauteilen. Die Streifen
der Streifenbilder 116a und 116b bewegen sich in den durch die Pfeile 118a und 118b gezeigten Richtungen. Ein Spaltelement 119a
ist, wie dargestellt, quer durch die Streifenzone 116a angeordnet und läßt eine Streustrahlung zu dem Detektor 126a sowie zugehöriger
Elektronik durch, welche die AC- und DC-Komponenten bestimmen sowie die AC-Signal-Komponente oder die AC/DC-Verhältnisse berechnen.
In der Vergleichsstreifenzone ist ein Standard-Spaltelement 119b angeordnet, und die von diesem durchgelassene Strahlung
wird durch den Detektor 126b sowie die zugehörige Elektronik erfaßt. Das Prüfsignal und das Vergleichssignal werden dann
mittels geeigneter üblicher elektronischer Einrichtungen verglichen.
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Die in Pig. 7 dargestellte Ausführungsform kann bei bestimmten
Anwendungen auch lediglich unter Benutzung ihres Überwachungskanals wegen dessen vergrößertem Bereich des Winkels Θ und vergrößerter
Streifenperiode und ohne Benutzung ihres Yergleichskanals verwendet werden.
Ein optisches System, welches im wesentlichen demjenigen gemäß
Pig. 6 ähnlich ist, wurde zur Peststellung des Durchmessers eines elastischen Gummifilaments benutzt. Der Durchmesser des
Filaments konnte bis zum Zerreißpunkt je nach Wunsch geändert
werden, und zwardirch Änderung der von den Pilamenthaltemitteln
ausgeübten Spannung. Messungen wurden bei verschiedenen bestimmten
Durchmessern von 115/i, bis 92/«- durchgeführt, und zwar sowohl durch
Kalibrierung als auch durch Abtastung der Streifenperiode um den
kalibrierten Wert des Filaments und Beobachtung der Position des Wertes für das AC-Minimum. Es wurde festgestellt, daß sich das
Minimum bei jedem Durchmesser bei einemλ„-Wert ergab, der dem
Filamentdurchmesser entsprach, und zwar innerhalb des Fehlerspielraumes
der Kalibrierungsmittel.
Es versteht sich, daß verschiedene in der Optik und Elektronik bekannte optische und elektronische Einrichtungen zur Ausführung
der Erfindung benutzt werden können.
Obwohl die Erfindung anhand von anschaulichen Ausführungsbeispielen
derselben beschrieben wurde, versteht es sich für Fachleute, daß die Prinzipien der Erfindung innerhalb des Bereiches
der Ansprüche auch in anderer Form realisiert werden können.
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Claims (1)
- PatentansprücheVerfahren zur berührungslosen Messung der Breite von länglichen Elementen, welches umfaßta) Erzeugung eines Paars von kohärenten Strahlen einer elektromagnetischen Strahlung von im wesentlichen der gleichen Größe und Intensität, wobei einer dieser Strahlen eine von dem anderen der Strahlen verschiedene Frequenz hat und die Frequenzdifferenz innerhalb des Hochfrequenzbereiches liegt;b) Konvergierung dieser Strahlen zur Bildung eines sich seitlich bewegenden Streifenbildes ,welches eine erste Streifenperiode innerhalb der Konvergenzzone aufweist;c) Anordnung des länglichen Elementes innerhalb der Interferenzzone, wobei die Längsachse dieses Elementes im wesentlichen normal zu der Ebene der konvergierenden Strahlen ist und sich das Element im wesentlichen räumlich stationär mit Bezug auf die Interferenzzone befindet, wodurch das sich bewegende Streifenbild das Element in Querrichtung ständig überstreicht;d) Bestimmung der AC-Signal-Komponente oder des Verhältnisses der AC-Signal-Komponente zu der DC-Signal-Komponente der resultierenden Strahlung, wenn das Streifenmuster das Element überstreicht;S09841/085Ae) den Schritt einer Einstellung des Wertes der Streifeiperiode des Streifenmusters mit Bezug auf die Elementbreite auf eine Streifenperiode mit einer zur Erzeugung eines Minimums des AC-Signals oder eines Minimums des AC/DC-Verhältnisses geeigneten Größe, wobei das Minimum des AC-Signals oder das Minimum des AC/DC-Verhältnisses, welches bei einer solchen Streifenperiodengröße erhalten wird, eine Elementbreite anzeigt, die dieser Streifenperiode mal einer Konstanten oder einem ganzzahligen Vielfachen dieser Streifenperiode plus der Streifenperiode mal einer Konstanten entspricht, und wobei die Konstante dem Verhältnis der Breite des Elements und der Streifenperiode gleich ist, undf) Benutzung des Minimums dee AC-Signals, wenn bei dem Schritt der Einstellung der Streifenperiodengröße die Größe der DC-Komponente der resultierenden Strahlung um einen Betrag ändert, welcher im wesentlichen zwischen Null und einem Betrag variiert, der bei der Breitenmessung eines Elements innerhalb einer zulässigen Breitenmessungsfehlergröße für das zu messende Element liegt.2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die genannte Streifenperiode, die eine zur Erzeugung eines Minimums des AC-Signals oder eines Minimums des AC/DC-Verhältnisses geeignete Größe hat, eine einzelne Streifenperiode ist und daß das genannte ganzzahlige Vielfache Null entspricht.3. Verfahren gemäß den vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die genannte erste Streifenperiode eingangs mit Bezug auf ein Element einer gegebenen BreiteS09841 /0354eingestellt wird, so daß das Minimum des AC-Signals oder das Minimum des AC/DC-Verhältnisses bei dieser ersten Streifenperiode ein Element mit der gegebenen Breite anzeigt und daß eine wesentliche Verschiebung des AC-Signal-Minimums oder des AC/DC-Verhältnis-Minimums von der genannten ersten Streifenperiode ein Element abweichender Breite anzeigt.4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das durch die genannte Verschiebung erzeugte Signal zu einem Abmessungsnachregler des Elementherstellungsverfahrens übertragen wird.5. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Größe der genannten ersten Streifenperiode auf diejenige einer zweiten Streifenperiode neu eingestellt wird, welche ein zweites Minimum des AC-Signals oder ein zweites Minimum des AC/DC-Verhältnisses mit dem genannten Element abweichender Breite erzeugt, wodurch die Größe der Breitenabweichung des Elementes durch die Größendifferenz der genannten ersten und zweiten Streifenperiode bestimmt werden kann.6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die festgestellte Größe der Abweichung der Elementbreite in die form eines Signals gebracht wird und daß eine Übertragung dieses Signals zu einem Abmessungsnachregler des Elementherstellungsprozesses erfolgt.7. Verfahren gemäß den vorherigen Ansprüchen dadurch gekennzeichnet, daß das genannte AC-Signal-Minimum oder das genannte AC/DC-Verhältnis-Minimum im wesentlichen Null ist und daß die Element breite bei diesem Minimum der Streifenperiode entspricht.509841/08548. Verfahren gemäß den vorherigen Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, daß es sich bei dem gemessenen Element um ein Filament handelt.9. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß das gemessene Element von einem Spalt gebildet wird.10. Verfahren gemäß den vorherigen Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, daß das zu messende Element ständig längs seiner Längsachse bewegt wird.11. Verfahren gemäß den vorhergehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, daß das sich seitlich bewegende Streifenmuster gebildet wird durcha) Erzeugung des genannten Paars von kohärenten Strahlen einer elektromagnetischen Strahlung;b) zunächst Divergieren dieses Strahlenpaars und dann Konvergieren desselben auf einen drehbaren optischen Bauteil, welcher das Strahlenpaar in einem sich durch seinenRotationswinkel bestimmenden Winkel divergiert;c) erneutes Konvergieren des divergierenden Strahlenpaars ;d) Teilung des konvergierenden Strahlenpaars im wesentlichen gleichmäßig in ein erstes Strahlenpaar, welches einen Überwachungskanal bildet, und in ein zweites Strahlenpaar unde) Konvergieren des genannten ersten Strahlenpaars zur Bildung eines sich seitlich bewegenden Streifenmusters .SG9841/085412. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß das genannte zweite Strahlenpaar einen Vergleichskanal Mldet und zur Bildung eines zweiten sich seitlich bewegenden Vergleiche-Streifen-Bildes konvergiert wird.13. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens zur berührungslosen Messung der Breite eines länglichen Elementes gemäß einem der Ansprüche 1 bis 12, welche umfaßta) Mittel zur Erzeugung eines Paare von kohärenten Strahlen einer elektromagnetischen Strahlung von im wesentlichen der gleichen Größe und Intensität, von welchen einer der Strahlen eine von dem anderen Strahl verschiedene Frequenz aufweist, wobei die Frequenzdifferenz innerhalb des Hochfrequenzbereiches liegt;b) Mittel zur Anordnung des zu messenden Elementes innerhalb des sich bewegenden Streifenbildes, welches eine durch die Konvergenz der genannten beiden Strahlen erzeugte erste Streifenperiode hat, in einer Richtung, bei welcher sich die Längsachse des Elementes im wesentlichen normal zu der Ebene der konvergenten Strahlen befindet, und Halten dee EIemeriBs im wesentlichen räumlich stationär mit Bezug auf die genannte Zone;c) Mittel zum Aufnehmen der Strahlung von dem zu messenden Element und Trennung der aufgenommenen Strahlung in eine AC-Signal-Komponente sowie eine DC-Signal-Komponente;609841/0854d) Mittel zur Bestimmung des AC-Signals oder des AC/DC-Signal-Verhältnisses unde) Einstellmittel zur Einstellung der Streifenperiode des genannten Streifenbildes mit Bezug auf die Elementbreite auf ein Maß, «Lches in der Lage ist, bei einem gegebenen Element ein Minimum des AC-Signals oder ein Minimum des AC/DC-Signal-Verhältnisses zu erzeugen.H. Vorrichtung gemäß Anspruch 13, gekennzeichnet durch Mittel zur Übertragung eines von dem genannten AC-Signal-Minimum oder AC/DC-Verhältnis-Minimum verschiedenen AC-Signals oder AC/DC-Signals zu einem Abmessungsnachregler in dem Elementherstellungsprozeß.15. "Vorrichtung nach Anspruch 13, gekennzeichnet durch Einstellmittel zur Verstellung der Größe einer ersten Streifenperiode auf eine zweite Streifenperiode um einen Betrag, welcher ausreicht, ein zunächst erhaltenes Minimum des AC-Signals oder des Minimums eines AC/DC-Signal-Verhältnisses zu einem davon verschiedenen Minimum des AC-Signals oder des AC/DC-Signal-Verhältnisses zu verschieben.16. Vorrichtung nach Anspruch 15, gekennzeichnet durch Mittel zur Bestimmung der Größe der Abmessungsabweichung des Elementes aus der Größendifferenz zwischen der ersten Streifenperiode und der zweiten Streifenperiode.17. Vorrichtung nach Anspruch 16, gekennzeichnet durch das Vorhandensein von Mitteln zur Übertragung der festgestellten Größe der Abweichung der Elementabmessung zu einem Abmessungsnachregler des Elementherstellungsprozesses.509841/Q854- 51 -18. Vorrichtung gemäß den Ansprüchen 13 "bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß das sich bewegende Streifenbild durch Einrichtungen erzeugt wird, welche umfassena) Mittel zur Erzeugung des genannten Paars von kohärenten Strahlen einer elektromagnetischen Strahlung;b) Mittel um dieses Strahlenpaar zunächst zu divergieren und dann auf einen drehbaren optischen Bauteil zu konvergieren, welcher geeignet ist, die Strahlen in einem durch seinen Rotationswinkel bestimmten Winkel zu divergieren;c) Mittel zur Konvergierung des divergierenden Strahlenpaars auf einen Strahlenteiler, welcher die Strahlen im wesentlichen gleichmäßig in ein erstes Strahlenpaar zur Bildung eines Überwachungskanals und ein zweites Strahlenpaar zu teilen vermag, undd) Mittel zur Konvergierung des genannten ersten Strahlehpaars zur Bildung des sich bewegenden Streifenbildes.19. Vorrichtung nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß das genannte zweite Strahlenpaar einen Vergleichskanal bildet und daß sie Mittel aufweist, um dies» zweite Strahlenpaar zur Bildung eines zweiten sich bewegenden Vergleichestreifenbildes zu konvergieren.20. Vorrichtung nach den Ansprüchen 13 bis 19, dadurch gekennzeichnet, daß das zu messende Element ein Filament ist.509 8 41/085421. Vorrichtung nach den Ansprüchen 13 "bis 19, dadurch gekennzeichnet, daß das zu messende Element ein Spalt ist.22. Vorrichtung nach den Ansprüchen 13 bis 19, dadurch gekennzeichnet, daß sie Mittel zur Bewegung des zu messenden Elements längs seiner Längsachse aufweist.609841/08S4
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