DE2909400A1 - Verfahren und vorrichtung zur ir- messung der folienschichtdicken einer mehrschichtigen verbundfolie - Google Patents

Description

AO
BLUMBACH · WESER · BERGEN · KRAMSR

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ASAHI-DOV/ LIMITED

1-2, Yuraku-cho, 1-chome, Chiyoda-ku,

Tokyo, Japan

Verfahren und Vorrichtung zur IR-Messung der Po Ii ens chi chtdicken einer mehrschichtigen Verbundfolie

Beschreibung:

Diese Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Messung der Schichtdicken von, aus verschiedenen Kunststoffen bestehenden Folien einer mehrschichtigen Verbundfolie oder eines mehrschichtigen Verbundstoffes" mittels IR-Iicht. Mit der Kurzform ⁿIR-Licht" sollen ein oder mehrere Infrarotlicht-Strahlenbündel bezeichnet werden.

München: R. Kramer Dipl.-Ing. . W. Weser Dipl.-Phys. Dr. rer. nat. . H. P. Brehm Oipl.-Chem.Or. phil. nat. Wiesbaden: P. G. Blumbach Dipl.-Ing. . P. Bergen Dipl.-Ing. Dr. jur. . G. Zwirner Dipl.-Ing. Dipl.-W.-Ing.

Zur Messung der Folienschichtdicke einer einschichtigen Kunststoff -Folie aus einem Polymer wie Polyäthylen, Polypropylen, Polyvinylchlorid, Polyvinylidenchlorid und dgl. sind "bislang Schichtdickenmeßgeräte "benutzt worden, welche mit ß -Strahlen und IR-licht arbeiten; diese Meßgeräte sind in vielen Gebieten der Industrie in weitem Umfang "eingesetzt worden. Bislang ist jedoch noch kein wirksames Verfahren und eine entsprechende Vorrichtung zur Messung der Schichtdicken der einzelnen, laminierten, Polymerfolienschichten einer mehrschichtigen Verbundfolie vorgeschlagen worden. Bislang wird hierzu der Querschnitt .der mehrschichtigen Kunststoff-Verbundfolie (die nachfolgend kurz als "Mehrschichtfolie" bezeichnet wird) mittels einem Mikroskop oder Projektor vergrößert abgebildet, um dann die Schichtdicke jeder Folienschicht der Verbundfolie mit dem menschlichen Auge zu messen. Dieses Verfahren ist zeitaufwendig und mühsam und kann wegen der individuellen Unterschiede jeder Meßperson zu Meßfehlern führen ; weiterhin kann die Schichtdickenme.ssung nicht im On-line-Betrieb und ohne Kontakt mit der Mehrschichtfolie durchgeführt werden, so daß die gemessenen Werte nicht als wirksame Prozess-Steuerinformationen verwendet ■werden können. Das übliche Verfahren ist auch problematisch hinsichtlich der einfachen Messung der Gesamtschichtdicke der Mehrschichtfolie. Sofern die Gesamtschichtdicke der Mehrschichtfolie mittels einem mit ß-Strahlen arbeitenden Meßgerät bestimmt wird, wie das üblicherweise zur Messung der Schichtdicke von Einschichtfolien benutzt wird, stimmt der ermittelte Wert in einigen Fällen nicht mit der Gesamtschichtdicke überein, die mittels einem einfachen Dickenmeßgerät ermittelt worden ist, was von einer Kombination der Polymermaterialien der Schichten der Mehrschicht-

folie abhängt.Dies beruht darauf, daß das mittels ß-Strahlen arbeitende Schichtdicken-Meßgerät die Folienschichtdicke auf der Basis der Streuung von ß-Strahlen mißt, was wiederum von der Dichte des untersuchten Folienmaterials abhängt. Sofern die Einzelschichten der Mehrschichtfolie aus Materialien unterschiedlicher Dichte bestehen, etwa aus Polyäthylen mit einer Dichte von 0,9 g/cm und andererseits Polyvinylidenchlorid mit einer Dichte von 1,5 g/cm , dann können auch bei keiner Änderung der . Gesamtschichtdicke relative Schichtdickenänderungen der Folien .. aus diesen beiden Materialien auftreten. Da das Ausmaß der "-Streuung der ß-Strahlen durch die jeweiligen Gewichte festgelegt ist, werden die Schichtdicken der entsprechenden Folienschichten mit den Dichten ihrer Folienmaterialien multipliziert, so daß sich der Gesamtbetrag der Streuung der ß-Strahlen mit einer Änderung des Schichtdickenverhältnisses der Folienschichten verändert, so daß bei einer Änderung der Gssamtschichtdicke ein falscher Meßwert ermittelt wird.

Weiterhin ist es zur Untersuchung der Mehrschichtfolie möglich, ein mittels IR-Licht arbeitendes Schichtdicken-Meßgerät für eine Einzelfolienschicht für jede der Schichten aus unterschiedlichen Komponenten vorzusehen, oder solche, mittels IR-Licht arbeitende Schichtdicken-Meßgeräte in einer Anordnung vorzusehen. Mit diesem Verfahren ist es jedoch in der Praxis sehr schwierig, die Schichtdicke der einzelnen Folienschicht zu messen, ohne dabei durch die anderen Folienschichten beeinflußt zu werden. Sofern beispielsweise eine, aus den beiden Schichten A und B aus

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unterschiedlichem Polymer "bestehende Mehrschichtfolie mit der Vorrichtung zur üblichen IR-Schichtdickenmessung von Einzelschichtfolien in Kombination vermessen wird, werden drei verschiedene Wellenlängen des IR-Idchtes ausgewählt, wie das nachfolgend angegeben ist:

(1) Wellenlänge

Dies ist die Bezugswellenlänge von IR-Iicht, das weder vom Material der Polienschicht A noch vom Material der ίοIienschicht B in nennenswertem Ausmaß absorbiert wird.

(2) Wellenlänge

Dies ist die Probenwellenlänge des Materials der Folienschicht A; IR-Licht dieser Wellenlänge wird von dem Material der lOlienschicht A stark absorbiert, während es von dem Material der Folienschicht B kaum absorbiert wird. .--".-."

( 3 ) Wellenlänge

Dies ist die Probenwellenlänge des Materials der FoIienschicht B; IR-Iicht dieser Wellenlänge wird vom Material der Folienschicht B stark absorbiert, während es vom Material der Folienschicht A kaum absorbiert"wird.

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Zur Schichtdickenmessung werden die oben angegebenen drei Wellenlängen ausgewählt, und die Anteile an durchgelassenem IR-Licht dieser entsprechenden Wellenlängen bestimmt. In einfacher Form lassen sich die Beziehungen wie folgt angeben:

-r_o«_R)_e

•wobei Iq(^..), T₀Ci₂) ^d ^q W_r) die Intensitäten des IR-Idchts der Wellenlängen A *» Λ? v^-ü-A-a ^VOI> dem Eintritt in die lOlienschichten A und B sind und gemessen werden; I(/fj), !"(Λ,) ¹¹^d rOitj) sind die Intensitäten des IR-Li cht es der Wellenlängen/J.., ^₂ und/f_R nach dem Durchtritt durch die Folienschichten A und B;

^ (^₁), oi(/?₂) uiicL e>C (Äß) sind die IR-Absorptionskoeffizienten der lOlienschiehten A und B bei den Wellenlängen/^, ^₂ und Λοϊ

und d-g sind die Schichtdicken der Eo Ii ens chi cht en A und B.

Das IR-Licht der Wellenlänge ^_R wird von den PoIi ens chi cht en A und B kaum absorbiert, so daß gilt

<* U_R) =0;

sofern weiterhin die Wellenlängen^.., ^₂ ¹^d <% nahe beieinan derliegen, kann die IR-Strahlung angenähert die Bedingung er-.füllen

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sofern dement sprechend in der obigen Gleichung (1) Ιζ^..) und ΐ(ίίρ) entsprechend durch 1(^ j>) dividiert werden, folgen daraus die Ausdrücke (2):

^₁K

(2)

Mit anderen Worten ausgedrückt gilt, das Verhältnis zwischen den Anteilen des durch die Folien hindurchgetretenen lichtes bei den Wellenlängen^..und Λπ entspricht der Schichtdicke d., geteilt durch den Absorptionskoeffizienten*< G^₁ )> das Verhältnis zwischen den Anteilen des durch die Folien hindurchgetretenen Lichtes der Wellenlängen/?« und ^„ entspricht der Schichtdicke d-g geteilt durch den Absorptionskoeffizienten

Daher können durch Messung der Änderung dieser beiden Verhältnisse die Schichtdicken der beiden FoIiens chiehten A und B ermittelt werden. Dies ist das grundlegende Konzept zur üblichen Messung der Schichtdicken einer Mehrsehichtfolie mittels der kombinierten Anwendung eines Meßgerätes zur Messung der Einzelfolienschichtdicke. In der Praxis ist es jedoch sehr schwierig, die Wellenlänge ^₁ und /^₂ ^äes IR-üchtes jeweils so auszuwählen,

daß das IR-Licht von einer der Folienschicht der Mehrschichtfolie stark und von der anderen FoIienschient kaum absorbiert wird ; selbst wenn eine solche Wellenlängenauswahl vorgenommen v/erden kann, ist die Messung auf Mehrschichtfolien mit Folienschichten aus stark beschränkten Polymerkombinationen beschränkt. Selbst wenn weiterhin eine geeignete Polymerkombination vorliegt, können in einem bestimmten Fall sämtliche brauchbaren Wellenlängen nicht innerhalb des Wellenlängenbeobachtungsbereiches eines Detektors liegen, was zu der Notwendigkeit führt, Detektoren anderer Art bereitzuhalten. Jedoch tritt im Hinblick auf

-.die Schwierigkeit der Linearität der Empfindlichkeit jedes Detektors gegenüber dem Lichtbetrag relativ zu anderen Detektoren häufig eine Änderung der Empfindlichkeit jedes Detektors mit der Temperatur und dgl. auf, so daß es sehr schwierig ist, eine für die praktische Anwendung geeignete Vorrichtung zu erhalten. Darüberhinaus wird das IR-Licht der besonderen Absorptionswellenlänge des Materials der einen Folienschicht auch von dem Material der anderen FolieiEchicht absorbiert; weiterhin wirken sich Änderungen der Schichtdicke der anderen Folienschicht auf die Anteile an durchgelassenem IR-Licht der Absorptionswellenlänge der zu messenden Schicht aus; daher können die Einflüsse und Wechselwirkungen zwischen den Folienschichten nicht beseitigt werden.

Davon ausgehend besteht die Aufgabe dieser Erfindung darin, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur IR-Messung der Schichtdicke von Mehrschichtfolien anzugeben, wobei die Schichtdicken der, aus

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Kunststoff bestehenden, eine mehrschichtige .Verbundfolie oder einen mehrschichtigen Verbundstoff bildenden Schichten genau auf beiührungsfreiem Wege gemessen werden kann.

Ein weiteres Ziel dieser Erfindung ist darauf gerichtet, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur IR-Messung der PoIi ens chi chtdicken einer Mehrschichtfolie anzugeben, wobei das IR-Licht der Probenwellenlänge des Materials der einen !Folienschicht auch von dem Material der anderen PoIienschichten absorbiert wird, *- und unabhängig von Veränderungen der Schichtdicken der anderen Polienschicht.en die Schichtdicke jeder einzelnen Poll ens chi cht exakt gemessen werden kann.

Noch eil weiteres Ziel dieser Erfindung ist darauf gerichtet, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur IR-Messung der Schichtdicken einer Mehrschichtfolie anzugeben, bei dem, bzw. mit der es möglich ist, rasch und genau die Schichtdicke jeder einzelnen Polienschicht der Mehrschichtfolie zu bestimmen.

Die erfindungsgemäße Lösung dieser Aufgabe und Ziele ist ein Verfahren mit den in Anspruch 1 angegebenen Maßnahmen, bzw. eine Vorrichtung mit den in Anspruch 11 angegebenen Merkmalen. Weitere Ausbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Erfindungsgemäß wird IR-Licht von wenigstens, einer Anzahl Probenwellenlängen und wenigstens einer oder mehren Bezugsweilenlängen auf eine Mehrschichtfolie oder einen Mehrschichtstoff ge-

richtet, die bzw. der aus einer Anzahl von Folienschichten aus unterschiedlichen synthetischen Harzen "bzw. Kunststoffen besteht. Jede Probenwellenlänge entspricht einer aus der Anzahl der unterschiedlichen Polienschichten und stellt eine der IR-Absorptionswellenlängen des Materials dieser lOlienschicht dar. Jede, einer bestimmten Folienschicht entsprechende Probenwellenlänge kann auch mit einer anderen IR-Absorptionswellenlänge des Materials anderer Folienschichten zusammenfallen; d.h., die IR-Absorptionswellenlängen jeder Polienschicht fallen mit. wenigstens einer der Probenwellenlängen zusammen. Die. Bezugswellenlänge ist da-

- -hingehend ausgewählt, daß sie sich von jeder der IR-Absorptionswellenlängen der entsprechenden Polienschichten unterscheidet.

Die wenigstens einmal durch die Mehrschichtfolie hindurchgetretenen IR-Lichtanteile jeder Probenwellenlänge und der Bezugswellenlänge sind normiert worden, indem das Verhältnis dazwischen gebildet worden ist. Das IR-Licht der Probenwellenlängen und der Bezugswellenlänge wird aus einer Projektoreinheit auf die Mehrechichtfolie projiziert, wobei die Projektoreinheit aufeinanderfolgend Licht aussendet. Das durch die Mehrschichtfolie hindurchgetretene Licht wird von einer Photodetektoreinheit in elektrische Signale umgewandelt, aus welchen die entsprechenden Wellenlängenkomponenten synchron mit der Lichtaussendung der Projektoreinheit ermittelt werden. Alternativ kann lediglich das IR-Licht der Probenwellenlängen oder lediglich der Bezugswellenlänge oder IR-Licht dieser Wellenlängen gleichzeitig auf die Mehrschichtfolie projiziert werden, und die entsprechenden VeI-

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lenlängenkomponenten werden optisch aus dem durch die Mehrschichtfolie hindurchgetretenem Licht herausgefiltert und anschließend von den individuellen Photodetektoreinheiten in elektrische Signale umgewandelt. Die auf diese Weise erhaltenen elektrischen Signale stellen die Verhältnisse zwischen den Probensignalen dar und entsprechen der Intensität des IR-Lichtes der Probenwellenlänge; entsprechend wird ein Bezugssignal erhalten, das die Intensität des IR-Lichtes bei der Bezugswellenlänge angibt.

-Um das durch die Mehrschichtfolie hindurchgetretene Licht zu messen, werden die Projektoreinheit und die Photodetektoreinheit quer zu der zu messenden Mehrschichtfolie angeordnet, und das einmal durch die Mehrechichtfdlie hindurchgetretene IR-Licht wird von der Photodetektoreinheit empfangen. Sofern die Mehrschichtfolie auf einer Seite mit einem IR-Licht reflektierenden Belag versehen ist, beispielsweise mit einer Aluminiumschieht, dann werden sowohl die Progektoreinheit wie die Photodetektoreinheit auf der zu dem reflektierenden Belag gegenüberliegenden Seite der Mehrschichtfolie angeordnet. In diesem Falle tritt das projizierte IR-Licht in die Mehrschichtfolie ein, wird an dem reflektierenden Belag reflektiert und gestreut und wird daraufhin von der Photodetektoreinheit empfangen; d.h. das IR-Licht ist zweimal durch die Mehrschichtfolie hindurchgetreten, bevor es von der Photodetektoreinheit empfangen wird. Es ist ebenfalls möglich, die Projektoreinheit und die Photodetektoreinheit gemeinsam auf einer Seite der Mehrschichtfolie anzuordnen, und auf der anderen Seite eine Reflektoreinheit vorzusehen. In diesem Falle wird das von der Projektoreinheit ausgehende IR-Licht

nach dem Durchtritt durch die Mehrschichtfolie an der Reflektoreinheit zurück in die Einfallsrichtung reflektiert, um erneut im wesentlichen längs dem gleichen Lichtweg, den das einfallende licht genommen hat, durch die Mehrschichtfolie hindurchzutreten; von diesem reflektierten Licht wird ein Teil abgezweigt und der Photodetektoreinheit zugeführt. Die oben genannten Verhältnisse werden von dem auf diese Weise wenigstens einmal durch die Mehrschichtfolie hindurchgetretenem und von der . Photodetektoreinheit empfangenem IR-Licht gebildet.

■ --Die Schichtdicken der einzelnen Folienschichten werden durch eine Operation zur Lösung einer Simultangleichung erhalten, welche als Koeffizienten die oben genannten Verhältnisse und die Absorptionskoeffizienten d'er Folienschichten bei den Proben- und Bezugswellenlängen, sowie als Unbekannte die Schichtdicken der Folienschichten einbezieht.

Im Hinblick auf eine einfache Darstellung wird nachfolgend derjenige Fall beschrieben, wobei die zu messende Mehrschichtfolie aus den beiden FoIienschichten A und B besteht, wobei die Folienmaterialien A und B unterschiedliche Polymere sind. Die beiden Folienmaterialien A und B weisen im IR-Bereich IR-Absorptionsspektren mit charakteristischen Absorptionsmaxima auf, die den jeweiligen Polymeren entsprechen. Nun werden willkürlich zwei der Absorptionsmaxima ausgewählt, und die Wellenlängen dieser ausgewählten Absorptionsmaxima werden mitA * und <^ ₂ wiedergegeben. In diesem Falle ist es möglich, solche WerteX₁ und ^₂ für die Wellenlängen des IR-Lichtes auszuwählen, daß das ent-

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sprechende IR-Licht von beiden Polienmaterialien A und B absorbiert wird. Die ausgewählten Wellenlängen werden nachfolgend als die Probenwellenlängen A₁ undv^p bezeichnet. Weiterhin wird eine IR-Wellenlänge ausgewählt, die sich von den Wellenlängen der oben genannten Absorptionsmaxima unterscheidet, so daß die beiden Polienmaterialien A und B dieses zuletzt genannte IR-Xicht kaum absorbieren; die zuletzt genannte Wellenlänge wird als Bezugswellenlänge ^_R bezeichnet* Aus einer Gleichung für den Lichtdurchgang wird die nachfolgende Gleichung (?) gebildet:

)e

«)d_A+B«₂)d^) (3)

wobei XqQ₁), !q^2^ ^midi -^O^R^ ^{für die} ■ '^^a^^eriS^'^^:i.^{eri des} auf die Mehrs chi cht folie bei den Wellenlängen A^₁, /?₂ un auftreffenden IR-Lichtes stehen; · iQ-j)» lO?2^ ^**¹^ ■"■ ^r) stehen entsprechend für die Intensitäten des durch die Mehrschichtfolie hindurchgetretenen und absorbierten IR-Lichtes bei den Wellenlängen /t ₁ ,/£, trad ^„. *C(Zj)t *4(Λ₂) IiIIdK(Xj₁) stehen für die Absorptionskoeffizienten des Polienmaterials A bei den Wellenlängen^» a!₂ und^_R; ^Ct₁)* ß(/?₂) ¹^²¹¹³- ^ßC"?ßJ stehen für die Absorptionskoeffizienten des Polienmaterials B bei den Wellenlängen A λ » <?₂ und/{_Rf und

d. und d-D stehen für die Schichtdicken der Folienschichten A lind B.

Die Normierung der Verhältnisse zwischen iGta) "und sowie zwischen IUr) u*¹*³· ΐ(Λ₂) ergibt die nachfolgenden Ausdrücke (4):

i(_R) I₀C₁₁)

Wird weiterhin für beide Seiten der natürliche Logarithmus gebildet, so folgen daraus die nachfolgenden Ausdrücke (5):

Wie aus der Gleich-ung (5) ersichtlich, stellen die Verhältnisse IqO^₁ )/IqU_r) '«nd Iq^)/^^) ^die Verhältnisse der einfallenden IR-Lichtanteile bei den entsprechenden Wellenlängen dar und sind deshalb Konstanten, welche unabhängig von Änderun-

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gen der Lichtabgabe der Lichtquelle konstant "bleiben.

Sofern daher zusätzlich die Werte der vier Absorptionskoeffizienten GCGi₁ )-Wtf_R)3. Cb(^)-B(X₁₁)D, frU₂)-*(.A_R)l und ^ "bekannt sind, ist es möglich, die Schichtdicken

d. und d„ der Folienschichten" A und B der Mehrschichtfolie sowie A υ

deren Gesamtschichtdicke (d. + d-g) durch Messung derjenigen Anteile des lichtes zu bestimmen, das bei den Wellenlängen A^, ^₂ - und^_R durch die Folie hindurchgetreten ist, wobei die Verhältnisse IC^^/iC^r) und lGigVlG^) berücksichtigt und die quadra-'-tische Simultangleichung gelöst wird, in welcher die Schichtdicken d_A und d-r, die Unbekannten darstellen. Der arithmetische Weg zur Ermittlung der Schichtdicken beruht auf der Gleichung

v.

(5) und dies erfordert, daß vorher die zur Lösung der Gleichung (5) erforderlichen Parameter festgelegt werden. Indem die Werte 1(^₁), l(^p) U¹¹^ lC?n) in einem Zustand, wo eine Mehrschichtfolie nicht vorhanden ist,gemessen werden, werden die Werte für -ZnCl₀(^₁ )/I₀C?_rD und -ZnCl₀G?₂)/I_OU_R)3 ermittelt. Da diese Werte stets konstant bleiben, selbst wenn eine Änderung der von der Lichtquelle abgegebenen Lichtmenge auftritt, werden diese Werte zu Beginn der Messung durchgeführt und anschließend zu bestimmten Zeitpunkten im Verlauf der Messung wiederholt. Weiterhin müssen die Absorptionskoeffizienten C^(^-i)" ^Ci?_R)3» "(B(^₁ )-ß(X_R)}, $<(^₂)-tfW_R)3 und CßO?₂)-ßG?_R)3 zuvor an der gleichen Mehrschichtfolie bestimmt werden, die vermessen werden soll. Nachdem auch diese Paramter festgelegt worden sind, können durch Messung der Intensität des durch die Mehrschichtfolie hindurchgetretenen Lichtes I W₁), IGJ₂) ¹^ ^^r) ^^e Schichtdicken

d. und d-g sowie die Gesamtschichtdicke (^+d^) durch Lösung der Gleichung (5) erhalten werden.

Wie das oben beschrieben ist, wird erfindungsg emä'ß eine Simultangleichung (5) aufgestellt, ohne die IR-Absorptionskoeffizienten dar Folienschichten A und' B bei den entsprechenden Wellenlängen zu ignorieren; die Schichtdicken der Folienschichten werden daraufhin auf der Basis der Gleichung (5) ermittelt, so daß eine hohe Meßgenauigkeit erhalten werden kann.Darüberhinaus kann auch in dem Fall, wo beispielsweise die Probenwellenlänge fa mit einer nicht entsprechenden IR-Absorptionswellenlänge der Folienschicht B zusammenfällt, die Schichtdicken der Folienschichten gemessen werden. <

Zur Messung der Schichtdicke des Gesamtbereiches der fortlaufend bewegten Mehrschichtfolie ist vorgesehen, die Messung in der Form durchzuführen, daß die Meßvorrichtung senkrecht zur Vorschubrichtung der Mehrzweckfolie angeordnet wird, d.h. in deren Dickenrichtung.. Sofern in diesem Falle die .Projektoreinheit auf einer Seite und die Photodetektoreinheit auf der anderen Seite der Mehrschichtfolie angeordnet sind, können die optischen Achsen zwischen Projektoreinheit und der Photodetektoreinheit aus der gemeinsamen Ausrichtung geraten, was zu einem Meßfehler führen würde, sofern die stellungsmäßige und winkelmäßige Anordnung zwischen Projektoreinheit und Photodetektoreinheit zueinander nicht für alle Zeiten konstant gehalten wird. Für eine solche Messung ist es daher zweckmäßig, die oben angegebene Reflektor-

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einheit vorzusehen, und sowohl die Projektoreinheit wie die Photodetektoreinheit auf einer Seite der zu vermessenden Mehrschichtfolie anzuordnen. Vorzugsweise ist eine solche Reflektoreinheit vorgesehen, welche das einfallende Xicht. zurück in die gleiche Richtung, aus der das einfallende Licht gekommen ist, reflektiert; hierzu kann etwa· ein Würfeleck, eine Wurfeleckanordnung, eine mehrfach reflektierende Schicht oder Eolie dienen. Sofern eine solche Reflektoreinheit vorgesehen wird, kann die . Projektoreinheit und die Photodetektoreinheit zu einem Bauteil . zusammengefaßt werden und auf der gleichen Seite der Mehrschieht-'-folie angeordnet werden; damit ist die Gefahr beseitigt, daß deren optische Achsen als Folge einer Verschiebung dieser Einheiten aus der Ausrichtung geraten; und seihst, wenn eine kleine Änderung der Stellungen zwischen Projektoreinheit und Photodetektoreinheit gegenüber der Reflektoreinheit im Verlauf der Messung erfolgt, wird das einfallende licht stets von der Reflektoreinheit längs des gleichen Lichtweges zurückreflektiert, was eine exakte Messung gewährleistet.-Um das von der Reflektor einheit reflektierte und erneut durch die Mehrschichtfolie hindurchgetretene Licht zu der Photodetektoreinheit abzuzweigen, kann beispielsweise ein Halbspiegel oder ein rechtwinkliges Prisma verwendet werden. Bei dem zweimaligen Durchgang des einfallenden Lichtes durch die Mehrschichtfolie wird die Absorption durch die Mehrschichtfolie erhöht,was zu einem verstärkten SF-Verhältnis führt. Polglich eignet sich dieses System mit zweimaligem Lichtdurchgang für die Messung solcher.-Folien, deren IR-Absorption klein ist; weiterhin ist dieses System zweckmäßig für die Durchführung der Messung mit einer feststehenden Meßvorrichtung.

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Nachfolgend werden mit Bezugnahme auf die Fig. 1 bis 11 bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung erläutert; es zeigt:

Fig. 1 ein Blockdiagramm zur Erläuterung einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur IR-Messung der Schichtdicken einer Mehrschichtfolie ;

Fig. 2 die Draufsicht auf eine beispielhafte Ausführungsform eines für diese Erfindung geeigneten Iiichtzerhackers;

Fig. 3 die bei den entsprechenden Abschnitten der Fig. 1 auftretenden Wellenformen;

Fig. 4 in einer schematischen Darstellung einen Teil der erfindungsgemäßen Meßvorrichtung, die mit • einer Reflektoreinheit arbeitet;

Fig. 5 in Form eines Bloekdiagrammes einen Teil einer beispielhaften erfindungsgemäßen Vorrichtung, die mit einem IR-Bandpassfilter mit veränderlicher Durchlaßwellenlänge arbeitet;

Fig. 6 in einer schematischen Darstellung einen Ausschnitt einer anderen beispielhaften erfindungsgemässen Vorrichtung mit einer Anzahl von Detektoren;

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Pig. 7 "bis 10 in Form graphischer Darstellungen die Beziehungen zwischen den IR-Absorptionswellenlängen der Folienmaterialien A und B und den Proben- und Bezugswellenlängen; und

Pig. 11 in Form einer graphischen Darstellung die Beziehung zwischen der gemessenen Foliendicke und der Position in Breitenrichtung der Mehrschichtfolie.

Mit Pig. 1 wird eine Ausführungsform dieser Erfindung erläu-..tert, wobei IR-Licht einer Anzahl von Probenwellenlängen und einer Bezugswellenlängen auf Zeitteilerbasis von einer Projektoreinheit 11 auf eine zu vermessende Mehrschichtfolie 12 projiziert wird. In der Projektoreinheit 11 ist eine IR-Strahlungs-Lichtquelle 13 vorgesehen, um gegenüber dem Zeitablauf hinsichtlich der Lichtintensität stabilisiertes IR-Licht zu erzeugen. Zu geeigneten Lichtquellen 13 gehören eine Wolframlampe, eine Halogenlampe, ein Ni-Chrom-Heizdraht, ein Glühstab und dgl., welche IR-Licht der vorgesehenen Wellenlängen abstrahlen. Im Wellenlängenbereich langer als 2,5 ρ sind die Wolframlampe und die Halogenlampe keine wirksamen IR-Strahlungs-Lichtquellen, da deren Glasumhüllung im IR-Bereich absorbiert; für diesen langwelligen Bereich werden daher der Nichrom-Heizdraht und der Glühstab als Lichtquellen angestrebt. Das von der Lichtquelle 13 emittierte Licht wird von einem Linsensystem 14 zu einem parallelen (Bleistift-förmigen) Lichtstrahl (der nachfolgend kurz als "Liclrtf¹) bezeichnet wird, zusammengefaßt. Für das Linsensystem 14- eignen sich Quarzlinsen, Germaniumlinsen, Siliciumlinsen und dgl., was

wiederum von der Wellenlänge des jeweiligen IR-Lichtes abhängt. Nachdem das IR-Licht von dem linsensystem 14 zu einem bleistiftförmigen, parallelen Lichtstrahlenbündel zusammengefaßt worden ist, tritt dieser Lichtstrahl in einen Lichtzerhacker 15 ein.

Der Lichtzerhacker 15 besteht beispielsweise aus einer in Fig.2 dargestellten Scheibe 16, bestehend aus für IR-Licht undurchlässigem Material; diese Scheibe weist drei Schmalband-IR-Bandpass-Interferenzfilter 17A, 17B und 17R auf, die in kreisförmige Löcher in der Scheibe 17 eingepaßt sind, wobei die Mittelpunkte -dieser Filter bei gleichen Abständen auf einem gemeinsamen Kreisumfang liegen. Der Lichtzerhacker 15 wird von einem Synchronmotor 18 angetrieben, wie das in Pig. 1 angedeutet ist; das durch das Linsensystem 14 hindurchgetretene IR-Licht fällt entsprechend deren Rotationsstellung auf die Bandpaßfilter 17A, 17B und 17R ein. Im Verlauf der Drehung des Lichtzerhackers 15 wird das auftreffende IR-Licht auf Zeitteilerbasis durch diese Schmalband-IR-Bandpass-Interferenzfilter hindurchtreten. Die Scheibe 16 des Lichtzerhackers 15 weist weiterhin kleine Löcher 19 auf, um die Scheibenrotation anzeigende Lichtsignale zu erzeugen.

Mit Pig. 2 ist eine beispielhafte Ausführungsform eines Lichtzerhackers für die Messung der Schichtdicke der beiden Folienschichten A und B der Mehrschichtfolie dargestellt. Bei diesem Beispiel sind drei Schmalband-IR-Bandpass-Interferenzfilter an der Scheibe 16 vorgesehen, um monochromatisches IR-Licht solcher Wellenlängen zu erzeugen, wie das zur Messung der Schichtdicken der einzelnen Folienschichten erforderlich ist. Die Filter 17A

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lind 17B entsprechen den Probenwellenlängen Λ-jUnd ^₂; d.h. die Hauptdurchlaßwellenlängen dieser filter entsprechen IR-Licht, das von den entsprechenden Folienmaterialien absorbiert wird. Der verbleibende Filter 17R dient zur Erzeugung von IR-Licht der Bezugpwellenlänge^^; d.h., IR-Licht der Hauptdurchlaßwellenlänge dieses Filters 17R wird von den beiden Folienmaterialien A und B kaum absorbiert. Die drei Wellenlängen werden im Hinblick auf die IR-Absorptionsspektren der Folienmaterialien . A und B, sowie im Hinblick auf die IR-Strahlungsquelle, die Detek-, toren und dgl. ausgewählt, so daß die Schichtdieken der einzelnen "•Folienschichten der Mehrschichtfolie 12 mit hoher Genauigkeit gemessen werden können. Mit Fig. 2 ist der Lichtzerhacker 15 für die Vermessung einer aus zwei verschiedenen Folienschichten A und B bestehenden Mehrschichtfolie dargestellt. Sofern die Schichtdicke einer aus drei oder mehr verschiedenen Folienschichten gebildeten Mehrschichtfolie bestimmt werden soll, werden die für die Messung passenden Wellenlängen entsprechend ausgewählt, eine entsprechende Anzahl von für die Aufnahme der Filter bestimmten Löcher im Liehtzerhacker vorgesehen, und die Anzahl der Schmalband-IR-Bandpass-Interferenzfilter für die Proben- und Bezugswellenlängen entsprechend der Anzahl der einzelnen Folienschichten der Mehrschichtfolie erhöht.

Das von dem Lichtzerhacker 15 auf Zeitteilerbasis zerlegte monochromatische IR-Licht wird einem Breitband-IR-Interferenzfilter 21 zugeführt, um den Einfluß von Umgebungslicht zu beseitigen.

Das von der Projektoreinheit 11 emittierte IR-Licht, d.h. das durch die Filter 21 hindurchgetretene IR-Licht wird auf die zu

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vermessende Mehrschichtfolie 12 projiziert, welche zu diesem Zeitpunkt stillsteht oder fortlaufend bewegt wird. In diesem Beispiel sind die beiden, aus zwei verschiedenen Polymeren "bestehenden Folienschichten A und B miteinander laminiert. Nicht nur im vorliegenden Falle, wo zwei PoIienschichten A und B miteinander laminiert sind, sondern auch in einem solchen Falle, wo drei Polienschichten in der Reihenfolge A-B-A oder vier oder mehr PoIienschichten der Folienmaterialien A und B alternierend mit-• einander laminiert sind, kann die Summe der Schichtdicken der i_: einzelnen Folienschichten A und B auf ähnliche Weise gemessen "werden. Das jeweilige, individuell angepaßte, monochromatische IR-Licht der Wellenlängen<f _R,^ und ^₂ (vgl. Pig. 3(1)), wird auf die Mehrschi.chtfolie 12 längs des gleichen optischen Weges auf Zeitreihenbasis projiziert.

Nachdem das IR-Iicht durch die Mehrschichtfolie 12 hindurchgetreten ist, wird das IR-Licht der jeweiligen Wellenlänge von einer Photodetektoreinheit 22 empfangen, welche die Umwandlung in ein zur Intensität des empfangenen IR-Liehtes proportionales elektrisches Signal vornimmt. In der Photodetektoreinheit 22 wird das ankommende, durch die Mehrschichtfolie hindurchgetretene IR-Licht auf ein Breitband-IR-Interferenzfilter 23 gerichtet, welches den Durchtritt von solchem IR-Licht erlaubt, das von den, die Mehrschichtfolie 12 aufbauenden Einzelschichten absorbiert worden ist, und das Umgebungslicht aus diesem, durch die ,Mehrschichtfolie hindurchgetretenen IR-Licht beseitigt. Das danach erhaltene Licht wird von einem Linsensystem 24 zu einem Strahlenbündel fokussiert. Das Linsensystem 24 ist in ähnlicher Weise

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ausgewählt wie das oben genannte Linsensystem 14. Das von dem Linsensystem 24 zu einem Strahlenbündel fokussierte IR-Licht wird von einem Detektor 25 in Form eines elektrischen Signales wahrgenommen, das der Intensität des IR-Lichtes entspricht. Der Detektor 25 kann ein Bleisulfid (PbS)-, ein Bleiselenat (PbSe)-Detektor, ein Pyro-Detektor oder ein Detektor auf der Basis von Halbleitermaterialien sein, der mit flüssiger Luft gekühlt ist. Diese Detektoren werden im Hinblick auf den Wellenlängenbereich des zu messenden IR-Lichtes ausgewählt.

"Das von der Photodetektoreinheit 22 abgegebene, die Intensität des IR-Lichtes bezeichnende Signal wird von einer elektrischen Prozeßeinheit 26 in Probensignale der Komponenten der Probenwellenlängen/^.. und X₂ sowie in ein Bezugssignal der Komponenten der Bezugswellenlänge/?-n zerlegt und zur gleichen Zeit die Verhältnisse der Probensignale zu dem Bezugssignal gebildet. In der elektrischen Prozesseinheit 26 wird' eine Operation durchgeführt, um die Schichtdicken der Eolienschichten A und B zu erhalten, indem eine Simultangleichung gelöst wird, welche als Koeffizienten die oben genannten Verhältnisse und die Absorptionskoeffizienten bei den Probenwellenlängen und bei der Bezugswellenlänge sowie als unbekannte Größen die Schichtdicken der Folienschichten A und B einbezieht. In der vorliegenden Ausführungsform werden die Spitzenwerte der Signale bezüglich der entsprechenden Wellenlängenkomponenten in Form eines Signales zuerst von der Prozeßeinheit 27 wahrgenommen und daraufhin in der Operations-Prozeßeinheit 28 auf der Basis der wahrgenommenen Spitzenwerte die oben

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genannten Verhältnisse gebildet und die Operation zur Lösung der Simultangleichung dux'chgeführt.

Sofern das erforderlich ist, wird das Ausgangssignal des Detektors 25 in der Signalprozeßeinheit 27 einer Detektorschaltung 31 eines Systems mit konstantem Strom zugeüihrt, das ein lineares Ausgangssignal in Abhängigkeit von einer Änderung der Intensität des empfangenen IR-Lichtes liefert, so daß das . in Pig. 3(2) dargestellte Ausgangssignal erhalten wird. Dieses .. Ausgangssignal wird einer Dunkelstrom-Beseitigungsschaltung 32 -zugeführt, um aus dem Signal die dem Dunkelstrom entsprechenden Komponenten zu entfernen. Das heißt, in dem Detektor 25 fließt auch dann ein Strom, selbst wenn kein, von der Lichtquelle 12 abgegebenes IR-Licht empfangen wird. Dieser Strom wird als Dunkelstrom bezeichnet und ändert sich mit der Temperatur, dem Umgebungslicht, den Rauscheinflüssen und dgl.. Mit der Dunkelstrom-Beseitigungsschaltung 32 wird gewährleistet, daß nur solche Signalkomponenten erhalten und weiterverarbeitet werden, welche der Änderung der Lichtintensität entsprechen. Da der Dunkelstrom wellenlängenabhängig ist, wird die Dunkelstrom^Beseitigungsschaltung 32 synchron mit dem Empfang des Lichtes der jeweiligen Wellenlänge gesteuert.

Im Ergebnis wird synchron mit der Erzeugung jedes monochromatischen IR-Lichtes in der Projektoreinheit 11 von einem Tastsignalgenerator 33 ein Tast - Signal erzeugt. Das Tastsignal wird beispielsweise wie folgt erzeugt: Eine Licht-emittierende Vorrich-

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. 290940Q

tung 34, wie etwa eine Lampe, eine lichtemittierende Diode oder dgl. ist auf der einen Seite des lichtzerhackers 15 angeordnet, während auf der anderen Seite Photodioden, Phototransistoren oder ähnliche Photodetektoren 35 gegenüber den kleinen löchern 19 des lichtzerhackers 15 angeordnet sind. Die Photodetektoren 35 sind mit dem Tastsignalgenerator 33 verbunden, um ein, mit dem Durchtritt des IR-lichtes durch jeden Filter 17A, 17B und 170 synchrones Tastsignal zu liefern. Das Tastsignal wird einem Steuersignalgenerator 36 zugeführt.

.Die Dunkelstrom-Beseitigungsschaltung 32 liefert deshalb beispielsweise ein Ausgangs signal der mit Hg. 3. (3) dargestellten Wellenform. Dieses Ausgangssignal wird den Analogschaltern 37A, 37B und 37R zugeführt, welche aufeinanderfolgend von dem Steuersignalgenerator 36 wiederholt angesteuert werden, und die Spitzenhaltes chaltungen 38A, 38B und 38R mit den ermittelten Signalen bei den Wellenlängen X *, ^p und X^ versorgen. Im Ergebnis wird lediglich jenes Signal im Ausgangssignal der Dunkelstrombeseitigungsschaltung 32 (vgl. Pig.3(3)), das der Bezugswellenlänge entspricht, über den Analogschalter 37R der Spitzenhalteschaltung 38R zugeführt, wie das mit Fig. 3(4) dargestellt ist, um ein Ausgangs signal zu erhalten, wie es mit Fig. 3(5) dargestellt ist. Die Spitzenhalteschaltung 38R hält den ,Spitzenwert des Signales nach dessen Einstellung fest. In gleicher Weise werden die den Wellenlängen X^ und A₂ entsprechenden Signale im Ausgangssignal der Dunkelstrom-Beseitigungsschaltung 32 von den Spitzenhalte-Bchaltungen 38A und 38B festgehalten. Auf diese Weise werden die

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"beiden Probensignale und das Bezugssignal, welche den ermittelten Ausgangssignalen "bei den entsprechenden Wellenlängen /f.., ^₂ und^?_R entsprechen, voneinander getrennt.

Die Spitzenhalteschaltungen 38A, 38B und 38R halten die Spitzenwerte der entsprechenden Signale solange, bis das jeweilige nächste Signal zugeführt wird; zumindest unmittelbar vor der Zuführung neuer Signale werden diese Spitzenhalteschaltungen, neu eingestellt, um die Spitzenwerte der neuen Signale zu halten. Dem"entsprechend werden die von diesen Schaltungen ■ -gehaltenen Spitzenwerte bei jeder Rotation des Lichtzerhacker3 15 auf den neuesten Stand geblacht. Die von den Spitzen-halteschaltungen 38A, 38B und 38R gehaltenen Spitzenwertspannungen werden gleichzeitig, beispielsweise zum Zeitpunkt d^ unmittelbar bevor das Bezugssignal auf den neusten Stand gebracht wird, abgetastet, wie das in Pig. 3(5) dargestellt ist, und diese abgetasteten Probenwerte werden von den. entsprechenden Probesehaltungen J8A, J8B und J8R gehalten.

Die auf diese Weise erhaltenen Probensignale und das eine Bezugssignal, welche den Intensitäten des IR-Lichtes der Wellenlängen λ.|, ^₂ U*¹⁰- ^r entsprechen, werden der Prozeßeinheit 28 zugeführt. In der Prozeßeinheit 28 werden die Ausgaben der Probenhaltes chaltungen 39A und 33~B den Schaltungen 41A und 41B zur Bildung des logarithmischen "Verhältnisses zugeführt, wobei diesen zusätzlich gemeinsam die Ausgabe der Probenhalteschaltung 39R zugeführt wird. In der Schaltung 41A zur Bildung des loga-

rithmischen Verhältnisses wird ein Verhältnis zwischen der Probensignalspannung, welche ihrerseits dem Anteil des bei der Wellenlänge/^ ₁ durch die Folie hindurchgetretenen Lichtes entspricht, und der Bezugssignalspannung gebildet, welche ihrerseits dem Anteil des bei der Wellenlänge A _R durch die Folie hindurchgetretenen Lichtes entspricht; von diesem Verhältnis wird der übliche, dekadische Logarithmus (log) gebildet. In der Schaltung 4-1B zur Bildung des logarithmischen Verhältnisses wird in ähnlicher Weise das Verhältnis zwischen der Probensignalspannung, welche ihrerseits dem Anteil des bei der Wellenlänge ^p durch die Folie hindurchgetretenen Lichtes entspricht, und der BezugsSignalspannung gebildet, welche ihrerseits dem Anteil des bei der Wellenlänge^_R durch die Folie hindurchgetretenen Lichtes entspricht; aus diesem Verhältnis wird der übliche dekadische Logarithmus (log) gebildet. Die Bildung der Verhältnisse der Probensignale zu dem Bezugssignal erfolgt zur Standardisierung der Probensignale der Wellenlängen^., undA.η ^ma eine Änderung der ναι der Lichtquelle 13 abgegebenen Lichtmenge und eine Streuung und Reflektion des Lichtes an der Oberfläche der Mehrschichtfolie 12 zu berücksichtigen, um dadurch über eine lange Zeitspanne die Genauigkeit der Schichtdickenmessung zu erhöhen und zu stabilisieren. Die Bildung des Logarithmus der Verhältnisse beruht darauf, daß die Werte der Durchlässigkeitsfaktoren bei den Wellenlängen^ und ^₂ so wie sie sind, nicht in einer linearen Beziehung zu der Folienschichtdicke stehen; demgegenüber stehen die nach der logarithmiechen Umwandlung erhaltenen logarithmischen Werte der Durchlässigkeitsfaktoren in einer linearen

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Beziehung zu der PoIienschichtdicke, wie das aus der oben angegebenen Gleich-ung (5) ersichtlich ist. Obwohl in der oben angegebenen Gleich-ung (5) der natürliche Logarithmus verwendet ist, ist obige Ausführungsform mit Bezugnahme auf denjenigen Pail erläutert worden, wo der dekadische Logarithmus gebildet wird, da nunmehr Bauteile zur Bildung des dekadischen Logarithmus handelsüblich zugänglich geworden sind. Da andererseits die Werte des natürlichen und dekadischen Logarithmus proportional zueinander sind, kann im Rahmen dieser Erfindung entweder eine Umwand-

. lung der Durchlässigkeitswerte in natürliche oder dekadische Lo-' -garithmen vorgesehen werden.

Die Ausgaben der Schaltungen 41A und 41B werden den Pegelverschiebungsschaltungen 42A und 42B entsprechend zugeführt. Sofern keine Mehrschichtfolie 12 vorhanden ist, und sofern I₀O^..) und

^{0(lej: 1}O^2^ ^{VXIÖL 1}O^r) ^einander gleich sind (vgl. Gleichung (5)), dann nimmt, sofern das IR-Licht der entsprechenden Wellenlängen die gleiche Intensität aufweist, der erste Ausdruck auf der rechten Seite der Gleich-ung (5) den Wert 0 an; und, da sich keine Mehrschichtfolie 12 zwischen der Projektoreinheit und der Photodetektoreinheit 22 befindet, hat auch der zweite Ausdruck auf der oben angegebenen rechten Seite notwendigerweise den Wert 0, so daß der Anteil des gemessenen Lichtes, d.h. der Wert des Ausdrucks auf der linken Seite der Gleichung (5) notwendigerweise ebenfalls gegen 0 geht, so daß die Schaltungen 41A und 41B zur Bildung des logarithmischen Verhältnisses keine Ausgabe liefern. In der Praxis weisen jedoch, wegen der Wellenlän-

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genabhängigkeit der Strahlungsintensität der Lichtquelle 13 und der Dispersion in der IR-Lichtdurchlässigkeit jedes 'benutzten Filters, die Lichtintensität der chromatischen Lichtanteile des einfallenden Lichtes der drei Wellenlängen nicht immer gleiche Werte auf, wie das in Pig. (1) dargestellt ist. Daher weist auch bei Abwesenheit der Mehrschichtfolie 12, d.h. im Falle, einer 100%igen Durchlässigkeit, der erste Ausdruck auf der rechten Seite der Gleichung (5) einen konstanten bleibenden Wert auf. Folglich entspricht auch die Intensität des Lichtes nach dem Durchgang durch die Folie, was die tatsächlich gemessene Größe -darstellt, nämlich die linke Seite der Gleichung (5) immer der durch den konstanten Betrag ergänzten Form der FoIienschichtdicke, d.h. dem zweiten Ausdruck auf der rechten Seite der Gleichung (5). Im Hinblick darauf wird vor der Messung der Schichtdicke der Mehrschichtfolie 12, die dem konstanten Ausdruck (der bei Abwesenheit der Mehrschichtfolie 12 erhalten wird) entsprechende Spannung durch die Pegelverschiebungsschaltungen 42A und 42B beseitigt, so daß die Ausgaben der Pegelverschiebungsschaltungen 42A und 42B bei Abwesenheit der Mehrschichtfolie 12 immer auf den Wert O eingestellt sind. Bei der Messung der Schichtdicke der Mehrschichtfolie 12 nach dieser Einstellung entspricht der dekadische Logarithmus des Verhältnisses der Durchlässigkeitsfaktoren der Anteile des beim Durchtritt durch die Mehrschichtfolie 12 absorbierten Lichtes, d*h. die linke Seite der Gleichung (5) entspricht linear der Eolienscüichtdicke.

Auf diese Weise wird mittels der Pegelverschiebungsschaltungen · 42A und 42B der konstante Ausdruck der Gleichung (5) beseitigt,

so daß zur

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Folienschiehtdicke lineare Signale erhalten werden. Diese Signale werden, sofern erforderlich, für die Eingabe in einen Rechner 43 verstärkt. Bei dieser Ausführungsform werden zur Verarbeitung der beiden Ausgangssignale der Pegelverschiebungsschaltungen 42A und 42B durch einen üblichen Verstärker 44 mit variabler Verstärkung und einen Analog-Digital-Umsetzer 45 die Analog-Multiplexer 46A und 46B vorgesehen. Die Multiplexer 46A und 46B werden von dem Rechner 43 gesteuert. Sofern jedem der Ausgangssignale der beiden Pegelverschiebungsschaltungen 42A und 42B zum j. ausschließlichen Gebrauch ein Verstärker mit variabler Verstärkung und ein Analog-Digital-Umsetzer zugeordnet sind, sind solche Umschaltschaltungen nicht erforderlich. Bei dem Verstärker 44 mit variabler Verstärkung wird das Eingabesignal unter der Steuerung des Rechners auf dessen Eingangswert verstärkt. Die verstärkte Ausgabe wird von dem Analog-Digital-Umsetzer 45 in ein Digitalsignal umgewandelt. Zur Erhöhung der Meßgenauigkeit ist für den Umsetzer 45 ein Analog-Digital-Umsetzer mit einer hohen Bitzahl vorgesehen, vorzugsweise mit 12 oder mehr Bit. Der Rechner 43 ist als Mikro- oder Minicomputer ausgebildet; sofern die Mehrschichtfolie 12 zwei Einzelschichten aufweist, werden die Schichtdicken d. und d-g der entsprechenden Folienschichten berechnet, indem die quadratischen Simultangleichungen auf den linken Seiten der beiden Gleichungen des Ausdruckes (5) gelöst werden, wozu einerseits als Koeffizienten, die bekannten Meßdaten und die Absorptionskoeffizienten der entsprechenden Folienschichten bei den Wellenlängen 4,, ^₂ und/?_ß benutzt werden, sowie als unbekannte Größen die Schichtdicken d^ und d-g. Die Rechenergebnisse werden auf einer üblichen, geeigneten Anzeige 47 wiedergegeben; beispielsweise mittels einem Drucker, einem Meßge-

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ORIGINAL

rät, einem X-Y-Wiedergabegerät oder dgl..

Bei der oben beschriebenen Ausführungsform sind die Projektoreinheit und die Photodetektoreinheit 22 quer zu der zu vermessenden Mehrschientfolie 12 angeordnet, und das einmal durch die Mehrschichtfolie 12 hindurchgetretene Licht wird von der Photodetektoreinheit 22 empfangen; weiterhin ist es auch möglich, eine Reflektoreinheit vorzusehen, und die Projektoreinheit 11 gemeinsam mit der Photodetektoreinheit 22 auf einer Seite der Mehrschichtfolie 12 anzuordnen, so daß das zweimal durch die Mehrschichtfolie 12 hindurchgetretene Licht von dem Photodetektor 22 empfangen wird. Ein Beispiel für eine solche Anordnung ist mit Pig. 4 wiedergegeben, wobei die mit entsprechenden Bauteilen der Fig. 1 übereinstimmenden Bauteile gleiche Bezugszeichen haben. Bei dieser Ausführungsform ist eine Reflektoreinheit 48 gegenüber der Progektoreinheit 11 auf der anderen Seite der Mehrschichtfolie 12 angeordnet. Das von der Projektoreinheit 11 emittierte chromatische IR-Licht wird auf die Mehrschichtfolie 12 projiziert, und das durch die Folie hindurchgetretene Licht trifft auf die Reflektoreinheit 48. Die beispielsweise aus einem Würfeleck 49 bestehende Reflektoreinheit 48 reflektiert das einfallende Licht auf dem gleichen Weg zurück, den das einfallende Licht vorher genommen hat. Daher wird das durch die Folie hindurchgetretene Licht von der Reflektoreinheit 48 erneut durch den gleichen Bereich der Mehrschichtfolie 12, den das Licht vorher passiert hat, zu der Projektoreinheit 11 zurückreflektiert. Da dieses einfallende Licht dem gleichen Lichtweg folgt,

den das Licht von der Lichtquelle 13 der Projektoreinheit 11 durch die Mehrschichtfolie 12 genommen hat, ist eine Verzweigungseinheit 51 vorgesehen, um das reflektierte Licht der Photodetektoreinheit 22 zuzuführen. Als Verzweigungseinheit 51 ist ein sog. Halbspiegel vorgesehen, der beispielsweise zwischen dem Breitband-IR-Interferenzfilter 21 und dem Lichtzerhacker angeordnet wird; wenigstens ein Teil des durch den IR-Interferenzfilter 21 hindurchgetretenen Lichtes wird von dem Handspiegel so reflektiert, daß es der Photodetektoreinheit 22 zugeführt wird. Die Anordnung der Stufen im Anschluß an die Photodetektor-' -einheit 22 stimmt identisch mit der entsprechenden Anordnung bei der Ausführungsform nach Pig. 1 überein. Bei der Anordnung eines solchen optischen Systems wird die Photodetektoreinheit 22 in gleicher Weise neben der Projektoreinheit 11 angeordnet, und beide werden relativ zueinander fest fixiert. Selbst wenn die stellungsmäßige und winkelmäßige Anordnung zwischen der Reflektoreinheit 48 und der Projektoreinheit 11 geringfügig fehlerhaft ist, folgt daraus, daß das von der Reflektoreinheit 48 reflektierte Licht stets den gleichen Lichtweg des einfallenden Lichtes nimmt, so daß in dem Falle, wo die Projektoreinheit 11 und die Reflektoreinheit 48 gleichzeitig verschoben werden, selbst bei einer geringfügigen Ungenauigkeit der jeweiligen Anordnung eine exakte Messung durchgeführt werden kann.

Die Reflektoreinheit 48 besteht nicht einfach aus einem ebenen Spiegel; vielmehr kann hierfür ein Würfeleck, eine Würfeleckanordnung oder eine Anordnung von mehrfach reflektierenden Schichten oder mehrfach reflektierende Schichten oder ähnliche opti-

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sehe Bauelemente vorgesehen werden. Beispielsweise kann ein solches Würfeleek vorgesehen werden, wie es als Reflektor in einer laser-Entfernungsmessung-Yorrichtung benutzt wird, d.h. um einen dreiflächigen, rechtwinkligen, dreieckigen Würfel in der Form eines Glaswürfels, dessen eine Ecke abgeschnitten ist. Weiterhin kann hierfür auch ein hohles Würfeleek verwendet werden, eine Anordnung von drei ebenen Spiegeln, die rechtwinklig längs der drei Koordinaten eines rechtwinkligen Raumkoordinatensystems angeordnet und fixiert sind. Das Material für das Würfeieck wird in Abhängigkeit vom Wellenlängenbereich, des benutz*· "ten IR-Lichtes ausgewählt. Insbesondere bei einem.Wellenlängenbereich unter ungefähr. 2,5^im wird vorzugsweise ein Würfeleek aus festem Material wie etwa Quarz, optischem Glas oder dgl. vorgesehen. Im Wellenlängenbereich, oberhalb ungefähr 2,5 /im wird vorzugsweise ein Würfeleek aus festem Material wie etwa für IR-Licht durchlässiges Glas oder kristallines Germanium, oder kristallines Silicium vorgesehen, oder ein hohles Würfeleek aus drei ebenen Spiegeln. Das Würfeleek wird vorzugsweise so groß wie möglich vorgesehen; jedoch im Hinblick auf Schwierigkeiten bei der Fertigungsgenauigkeit kann das Würfeleek nicht beliebig groß gemacht werden; das Würfeleek soll jedoch eine solche Größe haben, daß seine Einfallfläche zumindest den Durchmesser des bleistiftförmigen, einfallenden lichtstrahlenbündels abdeckt. Hierbei ist weiterhin zu beachten, daß, da ein festes Würfeleek aus etwa Quarz notwendigerweise eine Einfallsfläche aufweist, das einfallende Licht an dieser Einfallsfläche geringfügig reflektiert wird, da die Einfallsfläche als

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ein ebener Spiegel wirkt. Sofern das Würfeleck geringfügig gegenüber dem bleistiftförmigen, einfallenden Lichtstrahlenbündel geneigt ist, wird das durch die Einfallaflache hindurchgetretene Licht zum größten Teil an den drei zueinander senkrechten Flächen des Würfelecks in die gleiche Richtung zurückreflektiert, aus der das einfallende Licht gekommen ist; ein kleiner Anteil des an der Einfallsfläche reflektierten Lichtes wird jedoch nicht in die Einfallsrichtung zurückreflektiert. Dies führt dazu, daß das von der Einfallsfläche des Würfelecks i.reflektierte Licht dem Detektor 25 der Photodetektoreinheit 22 "zugeführt und dort als eine Abweichung der optischen Achse wahrgenommen wird, was teilweise einen Fehlerfaktor darstellt. Um zu verhindern, daß das von der EinfaHsfläche reflektierte Licht dem Detektor 25 der Photodetektoreinheit 22 zugeführt wird, ist es erforderlich, das Würfeleck mit seiner Einfallsfläche geringfügig geneigt gegenüber der optischen Achse anzuordnen, oder ein Würfeleck zu verwenden, dessen Einfallsfläche gegenüber dem regelmäßigen tetraedrisehen Würfeleek geringfügig geneigt ist, oder ein Würfeleek, das mit einem nicht-reflektierenden Belag versehen ist, oder ein hohles, aus drei ebenen Spiegeln bestehendes Würfeleek, das keine Einfallsfläche aufweist.

Obwohl damit eine etwas geringere Genauigkeit erhalten wird, kann auch eine Würfeleckanordnung aus einem Kunststoffkörper, einem Glaskörper oder dgl. verwendet werden, wie sie üblicherweise beispielsweise in Yerkehrssignalanzeigen in den Katzenaugen an der Rückseite eines Kraftfahrzeugs zum intensiven Ref-

lektieren des Lichts der Scheinwerfer eines nachfolgenden Kraftfahrzeugs, um den*nachfolgenden Kraftfahrzeug das vorangehende anzuzeigen, verwendet werden. Weiterhin kann ein reflektierendes Element verwendet werden, das eine Vielzahl von Glas- oder Kunststoffperlen von hoher Brechkraft in Form sphärischer Linsen aufweist, die in großer Zahl in eine Metallschicht eingebettet sind; solche reflektierenden Elemente sind unter der Bezeichnung mehrfach reflektierende Folie oder Schicht "bekannt; auch ein solches reflektierendes Element reflektiert das einfallende Licht zurück in seine Einfallsrichtung. Hinsichtlich der Genauigkeit

.ist ein solches reflektierendes Element dem Würfeleck unterlegen; andererseits wird die Schwierigkeit der Meßfehler als Folge einer ungleichmäßigen Ausrichtung der Meßköpfe im Vergleich zur Ausführungsform der Fig. 1 vermieden, wo eine solche Reflektoreinheit 48 nicht vorgesehen ist. Es muß hier jedoch beachtet werden, daß bei Anwendung eines solchen mehrfach reflektierenden optischen Elementes aus Kunststoff dessen Reflektionsspektrum im IR-Bereich in einigen Fällen besonders überprüft werden muß. Darüberhinaus kann kurz gesagt, als Reflektoreinheit 48 neben den oben angegebenen Reflektoreinheiten und Systemen auch jedes andere optische System verwendet werden, das das einfallende IR-Strahlenbündel exakt zurück in seine Einfallsrichtung reflektiert.

Die Mittel zur Zerlegung des IR-Lichtes in seine monochromatischen Anteile in der Projektoreinheit 11 können in der Weise ausgebildet und angeordnet sein, daß auf einer Scheibe so viele Schmalband-Interferenzfilter, von denen jedes eine besondere Wellenlänge durchläßt angeordnet sind, wie Wellenlängen für

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die Durchführung der Messung erforderlich sind, und diese Scheite gedreht wird, um das IR-Licht der angestrebten Wellenlänge auf Zeitteilerbasis zu erhalten. In diesem Falle ist es auch möglich, die Filter auf einer Scheibe anzuordnen, und die Scheibe rechtwinklig zum Strahlungsgang des IR-Lichtes hin- und her zu bewegen. Weiterhin kann die Zerlegung des IR-Lichtes auch in der Weise durchgeführt werden, daß zur Änderung der Wellenlänge des monochromatischen IR-Iichtes ein IR-Sehmalband-Interferenzfilter benutzt wird, dessen Hauptdurchlaßwellenlänge veränderlich ist, und bei dem die Hauptdurchlaßwellen-

•-länge kontinuierlich verändert wird. Die Lichtzerlegungsmittel mit kontinuierlich veränderlicher Hauptdurchlaßwellenlänge sind in dem Falle erforderlich, wo ein für allgemeine Zwecke geeignetes Folienschichtdicken-Meßgerät zur Vermessung einer Mehrschichtfolie aus unterschiedlichen Polymeren angestrebt wird. Sofern beispielsweise, wie das in Eig. 5 dargestellt ist, das IR-Licht durch das Linsensystem 14 hindurchgetreten ist, wird es dem Schmalband-IR-Bandpaß-Interferenzfilter 53 mit veränderlicher Hauptdurchlaßwellenlänge zugeführt, und das durch dieses Filter hindurchgetretene Licht wird auf das Breitband-IR-Filter 21 projiziert. Das Filter 53 mit kontinuierlich veränderlichem optischem Wellenlängenfilter ist auf einem Sektor-Substrat befestigt, wie es beispielsweise unter der Bezeichnung "zirkularveränderliches IR-Filter" handelsüblich erhältlich ist. Durch Drehung dieses Sektor-Filters zur Veränderung der Richtung des darauf gerichteten Lichtes kann monochromatisches Licht erhalten werden, dessen Wellenlänge sich fortlaufend ändert. Die

Hauptdurchlaßwellenlänge wird aufeinanderfolgend geändert, indem das Filter 53 von einem Motor 54 gedreht wird.

Zu jeder Drehung des Motors 54- werden Impulse erzeugt, um die Generatoren 55A, 55B und 55R zur Erzeugung unterschiedlich verzögerter Impulse anzusteuern; von diesen Generatoren 55A, 55B und 55R werden wiederum entsprechend verzögerte Impulse geliefert, um die Zeitspannen vorzustellen. Die Impulse werden beispielsweise den Analogschaltern 37A, 37B und 37R (vgl. Fig. 1) ,, zugeführt, um diese dahingehend zu steuern, daß von der Photo-"detektoreinheit 22 Ausgangssignale erhalten werden,velche dem durchgelassenen Licht der entsprechenden Wellenlängen bei den entsprechend verzögerten Impulsen entsprechen* Die Generatoren 55A, 55B und 55R zur Erzeugung der unterschiedlich verzögerten Impulse bestehen jeweils beispielsweise aus einem monostabilen Multivibrator mit variabler Zeitkonstante und einem monostabilen Multivibrator mit konstanter Impulslänge, der von der Hinterflanke des Ausgangsimpulses der obigen Generatoren angesteuert wird. Dementsprechend kann durch Veränderung der Verzögerungsdauer bei den Verzögerungsimpulsgeneratoren 55A, 55B und 55R die Messung mit verschiedenen Proben- und Bezugswellenlängen durchgeführt werden.

Weiterhin kann für den Fall, daß die Probenwellenläjgen und die Bezugswellenlänge eng beieinanderliegen durch Anwendung lediglich eines Schmalband-IR-Bandpaß-Interferenzfilters die erforderliche Anzahl von monochromatischem IR-Licht erhalten werden.

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Das heißt, durch Änderung des Einfallswinkels des unzerlegten IR-Lichtes auf den Interferenzsfilter kann die Hauptdurchlaßwellenlänge des Filters nach kürzeren Wellenlängen verschoben werden, als diese bei senkrechtem Einfall auftreten, so daß eine Anzahl von monochromatischem IR-Licht von diskontinuierlich oder kontinuierlich veränderlichen Wellenlängen erzeugt werden kann. Durch Änderung des Einfallswinkels von O bis ungefähr 70° kann die Hauptdurchlaßwellenlänge des Filters um ungefähr 5 bis 7% der Hauptdurchlaßwellenlänge beim senkrechten Einfall (O⁰) . nach kürzeren Wellenlängen verschoben werden. Sofern daher die "Wellenlängen der Anzahl des für die Messung erforderlichen IR-Lichtes eng beieinanderliegen, kann eine Anzahl von monochromatischem IR-Licht erhalten werden, indem ein Interferenzfilter benutzt wird, dessen Hauptdurchlaßwellenlänge bei senkrechtem Einfall gleich der längsten dieser Wellenlänge des einfallenden IR-Lichtes ist, indem der Einfallswinkel des IR-Lichtesgßgenüber dem Filter verändert wird. Der Einfallswinkel kann durch Drehung oder Hin- und Herbewegung des Interferenzfilters mittels einem Motor oder dgl. verändert werden. Die angestrebten Wellenlängen können in der oben angegebenen Weise ausgewählt werden. Darüberhinaus kann auch ein Beugungsgitter oder Prisma zur kontinuierlichen Änderung der Wellenlänge des IR-Lichtes verwendet werden. .

Das IR-Licht der Proben- und Bezugs Wellenlängen kann nicht nur auf der Seite der Projektoreinheit 11 sondern auch auf der Seite der Photodetektoreinheit 22 auf einer Zeitserien-

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basis erhalten werden. Das heißt, in der Projektor einheit 11 wird IR-Licht aller Wellenlängen eines bestimmten Wellenlängenbereiches auf die Mehrschichtfolie 12 projiziert und in der Photodetektoreinheit 22 dreht sich der Lichtzerhacker 15 (vgl. Pig. 2) vor dem Detektor 25, so daß die Komponenten der Probenwellenlängen und der Bezugswellenlänge aufgenommen werden. Dieses Ergebnis kann auch dadurch erzielt werden, daß in der Photodetektoreinheit 22 ein variables Filter vorgesehen wird, dessen Paßband kontinuierlich veränderlich ist, wie das oben mit Bezugnahme auf Pig. 3 erläutert worden ist. In dem oben angegebenen Pail wird der Detektor 25 der Photodetektoreinheit 22 gemeinsam für die Proben- und Bezugswellenlängen verwendet; es ist jedoch auch möglich, einen solchen Detektor für jede einzelne Proben- und Bezugswellenlänge zu verwenden, wie das beispielsweise in Pig. 6 dargestellt ist. In solch einem Falle wird das durch die Mehrschichtfolie 12 hindurchgetretene licht nach dem Durchgang durch das Breitbandfilter 23 und das fokussierende Linsensystem 24 mittels den Halbspiegeln 56A und 56B , wobei der eine nach dem anderen angeordnet ist, verzweigt, und das verzweigte Licht wird den Filtern 57A, 57B und 57R zugeführt, um somit das Licht der Probenwellenlängen und der Bezugswellenlänge zu erhalten, das dann den getrennten Detektoren 25A, 25B und 25R zugeführt wird, um die entsprechenden Komponenten bei den Wellenlängen Λ^,^₂ U²¹^Ar zu ermitteln. Das Bezugszeichen 56R bezieht sich auf einen einfachen Spiegel. Zur Verarbeitung der Ausgaben der Detektoren 25A, 25B und 25R ist es lediglich erforderlich, den Detektor 31 und die Dunkelstrom-Beseitigungsschaltung 32 für jedes Detektorausgangssignal in der Signalvervarbeitungseinheit nach Pig. 1 vorzusehen. Die Anordnung eines

Detektors für jede Wellenlänge erfordert eine einheitliche Empfindlichkeitscharakteristik der entsprechenden Systeme, und deshalb ist es einfacher, den Detektor gemeinsam zu verwenden, wie das in Fig. 1 dargestellt ist.

Sofern die Mehrschichtfolie 12 auf ihrer einen Oberfläche mit Papier oder Aluminium beschichtet ist, werden die Projektoreinheit 11 und die Photodetektoreinheit 22 auf der zur beschichteten Folienoberfläche entgegengesetzten Seite angeordnet, wie das mit Fig. 4 dargestellt ist. Als Rechner 43 kann allein ' -«in Analogrechner oder ein Analogrechner gemeinsam, mit einem Digitalrechner verwendet werden. Sofern ein Mikrocomputer oder Minicomputer verwendet wird, kann auch die gesamte Arbeit der elektrischen Prozeßeinheit von dem Rechner durchgeführt werden. Beispielsweise kann hinsichtlich der Maxima- oder Spitzenermittlung das Eingangssignal der Photodetektoreinheit 22 (vgl.Fig.3(2)) mit der Breite von dessen Wellenform verglichen und bei entsprechend kurzen Zeitabschnitten abgetastet werden; jeder abgetastete Wert wird in digitaler Form dem Rechner zugeführt und von diesem mit dem unmittelbar vorher abgetasteten Viert verglichen; sofern der abgetastete Stromwert kleiner wird, als der unmittelbar vorher abgetastete Wert, wird der letztere in einem Speicher als Spitzenwert der Wellenlängenkomponenten gespeichert. Die nachfolgenden Wellenformen werden auf ähnliche Weise verarbeitet, um die Spitzenwerte der ermittelten Ausgaben für die Wellenlängen^.., ^₂ ^d/VTj ^zu erhalten. Die Spitzenwerte werden daraufhin gegenüber dem Spitzenwert des Bezugssignals normiert, und

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deren logarithmische Werte gebildet; weiterhin wird eine Operation durchgeführt, um die oben genannte Simultangleichung zu lösen. In diesem Fall wird die Ausgabe des Tastsignalgenerators 33 dem Rechner zugeführt, so daß dieser entscheiden kann, welches Wellenlängensignal verarbeitet wird. Die Absorptionkoeffizienten der entsprechenden Folienschichten bei den Wellenlängen K^» Xn ^vca^O sind vorher in einem._: Speiche r des Rechners 43 gespeichert worden, sofern die Vermessung der Mehrschichtfolie auf die gleiche Weise erfolgt. Diese Absorptionkoeffizienten können auch für jede Messung erneut eingeführt • .werden. ^

Mit der vorstehenden Besehreibung ist der Fall erläutert worden, wo die Mehrschichtfolie aus zwei unterschiedlichen Polymeren besteht. Auch in dem Falle, wo die Mehrschichtfolie aus drei oder mehr Polymerschichten besteht, kann die Schichtdicke der einzelnen Folienschichten durch Auswahl von drei oder mehr Probenwellenlängen und eine oder mehrere Bezugswellenlängen, sowie durch Aufstellung obiger Simultangleichungen mit der gleichen Anzahl von Unbekannten, sowie durch die arithmetische lösung dieser Gleichungen erhalten werden. Hierbei ist allerdings dafür Sorge zu tragen, daß nicht eine solche Kombination von Wellenlängen ausgewählt wird, daß eine Kombination der Absorptionskoeffizienten der Polymere die Lösung der Simultangleichung unstabil oder unmöglich macht. Das heißt, es muß eine solche unerwünschte Auswahl vermieden werden, daß beispielsweise im Falle des binären Systems die Terhältnisse zwischen

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)J und (B(A₁) - ßtf_R)0 gleich dem Verhältnis zwischen i*i(2₂) - Q_R)} und Cß(A₂) ~ ^ßG*_R>3 ^wird·

Das oben beschriebene Verfahren und die beschriebene Vorrichtung zur erfindungsgemäßen IR-Messung der Schichtdicken einer Mehrschichtfolie gewährleistet die nachfolgenden Besonderheiten:

Sofern die Folienmaterialien der Folienschichten A und B das . in Pig. 7 dargestellte IR-Spektrum aufweisen, kann deren Schicht- -dicke durch eine einfache Kombination von Schichtdickenmeßgeräten für die Messung der Schichtdicke von Einzelschichten gemessen werden, indem die Wellenlängen des für die Messung erforderlichen IR-Lichtes geeignet ausgewählt werden. Das heißt, es liegt derjenige Fall vor, wo das eine Folienmaterial kaum IR-Licht solcher Wellenlängen absorbiert, welche das andere Folienmaterial stark absorbiert. Im· Hinblick auf eine tatsächliche Mehrschichtfolie bereitet es jedoch erhebliche Schwierigkeiten, solch eine Kombination von Wellenlängen auszuwählen; daher ist eine solche Art Meßgerät zur Bestimmung der Schichtdicken einer Mehrschichtfolie für die praktische Anwendung nahezu nicht geeignet, und selbst, wenn die Anwendung möglich wäre, ist sie auf Spezialfälle beschränkt, wo die Mehrschichtfolie aus bestimmten Kombinationen von Polymermaterialien bestehen. Diese Erfindung erlaubt nun einfach die Auswahl einer Kombination von Wellenlängen, die nach den bekannten Verfahren stark beschränkt war und durch lösung der oben angegebenen Simultangleichung kön-

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nen die Schichtdicken der beiden Po Ii ens chi cht en bestimmt v/erden, wobei auch dann keine Schwierigkeiten auftreten, wenn das eine Folienmaterial IR-Licht solcher Wellenlängen absorbiert, das auch das andere Folienmaterial in erheblichem Ausmaß absorbiert. Das heißt, mit der vorliegenden Erfindung können auch dann die Schichtdicken von PoIienschichten ermittelt werden, wenn deren Folienmaterialien die mit den Figurenpaaren 8A, SB; 9A,9B und 10A, 10B dargestellten IR-Spektren, auf weisen. Die Pig. 8 zeigt den Fall, wo die beiden Folienmaterialien IR-Licht . der einen Wellenlänge^ . absorbieren, während IR-Licht der anderen Wellenlänge /{ ₂ lediglich von einem Folienmaterial absorbiert wird. Die Fig. 9 zeigt den Fall, wo die beiden Folienmaterialien IR-Licht der beiden Wellenlängen/?., und ^₂ absorbieren können, wobei jedoch das eine Folienmaterial bei der einen Wellenlänge stärker und das andere Folienmaterial bei der anderen Wellen- ' länge stärker absorbiert. Die Fig. 10 zeigt den Fall, wo die beiden Folienmaterialien Licht der einen Wellenlänge /(* stark und Licht der anderen Wellenlänge ^₂ gleich stark oder schwächer als das Licht der Wellenlänge ^₁ absorbieren.

Hinsichtlich der Bezugswellenlänge <^_R wird es am meisten bevorzugt, die Wellenlänge des IR-Lichtes so auszuwählen, daß es von den beiden Folienmaterialien kaum absorbiert wird; jedoch in einem unvermeidbaren Fall kann diese Bezugswellenlänge auch dahingehend ausgewählt werden, daß ihr Absorptionskoeffizient kleiner ist, als derjenige der beiden Folienmaterialien bei den Wellenlängen^., und^₂. Die Bezugswellenlänge kann eine nahe bei den beiden Wellenlängen /^₁ und X ₂ liegende Wellenlänge sein und, sofern die Wellenlängen^.,, ^₂ und<?_R zusätzlich von Detek-

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toren der gleichen Art ermittelt werden, ist es ausreichend, lediglich eine gemeinsame Bezugswellenlänge auszuwählen. Sofern infolge einer Kombination von Polymeren die Wellenlängen ^₁ und ^₂ weit ausexnanderliegen, und sofern die Wellenlängen

und ^₂ nicht von Detektoren der gleichen Art ermittelt werden können, sondern hierfür getrennte Detektoren unterschiedlicher Art erforderlich sind, können verschiedene Bezugswellenlängen in der Nähe der Wellenlängen^₁ und ,^₂ vorgesehen werden.

■-Weiterhin ist in dem Falle, wo die oben mit Bezugnahme auf Pig. 4 beschriebene Reflektoreinheit 48 vorgesehen wird, die Ausrichtung der Projektoreinheit 11 und der Reflektoreinheit 48 relativ zueinander leichter, als die Ausrichtung der Projektoreinheit 11 und der Photodetektoreinheit 12 zueinander; sofern weiterhin die Messung in der Form durchgeführt wird, daß die Meßvorrichtung relativ zu dem zu vermessenden Gegenstand bewegt wird, kann selbst auch dann, wenn lediglich eine kleine Änderung auf einer Seite des Gegenstandes erfolgt, die Messung mit großer Genauigkeit durchgeführt werden. Schließlich kommt noch dazu, daß, da das IR-Licht zweimal durch den zu vermessenden Gegenstand hindurchtritt, die Absorption des IR-Lichtes gesteigert ist, was zu einer Erhöhung des SN-Verhältnisses führt, was wiederum eine höhere Genauigkeit der Messung gewährleistet. Darüberhinaus erfordert diese Erfindung weder eine Berührung der zu vermessenden Mehrschichtfolie noch deren Zerstörung und gewährleistet eine On-line-Messung selbst dann, wenn die zu vermessende Mehrschichtfolie bewegt wird; daher kann diese Erfin-

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dung bei einer zur Überwachung der fertigung einer Mehrschichtfolie vorgesehenen Schichtdicken-Überwachungsvprrichtung eingesetzt werden.

Nachfolgend soll die Erfindung mit Bezugnahme auf zwei Versuchsbeispiele erläutert werden.

Beispiel 1: ·

Es wurde eine zweischichtige Mehrschichtfolie vermessen, deren eine Schicht aus Polyäthylen und deren andere Schicht aus Polyvinylidenchlorid bestand. Der Aufbau der Meßvorrichtung entsprach der Darstellung nach Pig. 1; als lichtquelle 13 diente eine Y7olframlampe, die mit konstanter Spannung betrieben wurdef für die Linsen 14 und 24 wurden Quarzlinsen verveidet, und der Lichtzerhacker 15 wurde von einem Synchronmotor 8 mit 25 Umdrehungen/s bei 50 Hz betrieben. Das chromatische Licht der Bezugswellenlänge ^η wurde mit einem Schmalband-IR-Bandpaß-Interferenzfilter 17R erhalten, dessen Hauptdurchlaßwellenlänge 2,10 Jim und dessen Energie-Halbwertsbreite 80 pm betragt. In ähnlicher Weise wurde die Probenwellenlänge/f.. mit einem Schmalband-IR-Bandpaß-Interferenzfilter 17A erhalten, dessen Hauptdurchlaßwellenlänge 2,32 yim und dessen Energie-Halbwertsbreite 80yum beträgt; schließlich wurde die Probenwellenlänge/f« mittels einem Schmalband-IR-Bandpaß-Interferenzfilter 17B erhalten, dessen Hauptdurchlaßwellenlänge 2,40 /im und dessen Energie-Halbwertsbreite 80 um beträgt. Als Detektor 25 diente ein PbS-Detektor. Der Rech-

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ner 53 war ein von Motorola vertriebener Mikrocomputer, Modell M6800. Es wurden die tatsächlichen Polienschichtdicken-Schwankungen der Mehrschichtfolie 12 gemessen, deren Polyäthylenschicht eine Dicke von 94 /im und deren Polyvinylidenchloridschicht eine Dicke von 8 pm hatte. Aus einem Vergleich zwischen den gemessenen Vierten und den optisch bestimmten Werten wurde festgestellt, daß die Polienschichtdicken mit einer Genauigkeit von + 1 iim gemessen worden waren.

Beispiel 2:

Es wurden die PoIienschichtdickenSchwankungen einer Mehrschichtfolie in Breitenrichtung gemessen, die aus einer 54 /im dicken Polyäthylenschicht und einer 8 um dicken Polyvinylidenchloridschicht bestand. Die Projektoreinheit und die Photodetektoreinheit waren an einer sich bewegenden Vorrichtung befestigt. Die gemessenen Werte sind mit Fig. 11 dargestellt, wobei längs der Abszisse die Breitenrichtung der Folie, längs der linken Ordinate die mittels IR-Messung bestimmte Polienschichtdicke und längs der rechten Ordinate die mittels ß-Strahlen ermittelte PoIienschichtdicke aufgetragen ist. Die mittels der erfindungsgemäßen Vorrichtung ermittelte Schichtdicke der Polyvinylidenchloridschlcht ist mit der Kurve 61 angegeben; die Summe der Schichtdicken der Polyvinylidenchloridschicht und der Polyäthylenschicht ist mit der Kurve 62 angegeben. Zum Vergleich ist die mittels dem, mit ß-Strahlen arbeitenden Schichtdickenmeßgerät ermittelte Gesamtfolienschichtdicke mit der Kurve 63 an-

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gegeben. Die Polyvinylidenehloridschicht ist im Bereich, der beiden Seitenränder der Folie sehr dünn; jedoch wird die Gesamtfoliensehichtdicke etwas größer. Die mittels ß-Strahlen durchgeführte Schichtdickenmessung wird stark durch die Schichtdickenschwankungen der PolyvinylidenehloridscMcht beeinflußt, was auf einen deutlichen Fehler der Filmdickenmessung zurückführbar ist, der bei der ß-Strahlenmessung notwendigerweise auftritt, was auf das größere spez. Gewicht von Polyvinylidenchlorid gegenüber Polyäthylen zurückzuführen ist; wegen dieses Meßfehlers ist die mittels ß-Strahlen gemessene Gesamtfolienschichtdicke an den beiden Seitenrändern der Folie klein. Demgegenüber stimmt die durch Anlegen einer Differential-Umwandlungs-Meßvorrichtung ermittelte tatsächliche Gesamtfolienschichtdicke sehr gut mit den Meßwerten überein, die mittels dem mit IR-Strahlung arbeitenden Dickenmeßgerät erhalten worden sind.

Aus den beiden Versuchsbeispielen ist ersichtlich, daß die vorliegende Erfindung hervorragend zur Messung der Schichtdicken von Einzelschichten einer Mehrschichtfolie aus unterschiedlichen Komponenten geeignet ist.

9 0 9 8 3 8 / 0 7 θ

Leerseite

Claims (21)

1. BLUMBACH · WESER · BERGEN · KRÄMER

   PATENTANWÄLTE IN MÖNCHEN UND WIESBADEN

   Patentconsult Radeckestraöe 43 8000 München 60 Telefon (089) 883603/-8836D4 Telex 05-212313 Telegramme Patentconsult Patentconsult Sonnenberger Straße 43 6200 Wiesbaden Telefon (06121) 562943/561998 Telex 04-186237 Telegramme Patentconsult

   ASAHI-DCW LIMITED 79/8714

   1-2, Yuraku-cho, 1-chome, Chiyoda-ku,
   Tokyo, Japan

   Verfahren und Vorrichtung zur IR-Kessung der Folienschichtdicken einer mehrschichtigen Verbundfolie

   Patentansprüche:

   Verfahren zur Messung der Schichtdicke von, aus verschiedenen Kunststoffen bestehenden Folien einer mehrschichtigen Verbundfolie oder eines mehrschichtigen Verbundstoffes, bei dem Infrarotlicht mit licht einer Anzahl von Proben-Wellenlängen entsprechend den IR-Absorptionswellenlängen der Eolienschichten und wenigstens einer dazu unterschiedlichen Bezugswellenlänge auf die Mehrschichtfolie gerichtet wird, an dem durch die Mehrschichtfolie hindurchgetretenen IR-Licht München: R. Kramer Dipl.-Ing. . W. Weser Dipl.-Phys. Dr. rer. naf..- H. P. Brehm Dipl.-Chem. Dr. phil. nat. Wiesbaden: P.G. Blumbadi Dipl.-Ing. · P. Bergen Dipl.-Ing. Dr. jur. . G. Zwirner Dip!.-Ing. Dipl.-W.-Ing.

   die Anteilsverhältnisse zwischen Proben- und Bezugswellenlängen ermittelt, und

   aus den ermittelten Verhältnissen die Folienschichtdicken bestimmt v/erden,
   dadurch gekennzeichnet, daß

   zur Bestimmung der Folienschichtdicken eine Operation zur Lösung einer Simultangleichung durchgeführt wird, wobei die Simultangleichung als Koeffizienten die Verhältnisse und die Absorptionskoeffizienten der Folienschichten bei den ■ Proben- und Bezugswellenlängen, sowie als Unbekannte die Folienschichtdicken einbezieht.
2. 2. Verfahren nach Anspruch 1,
   dadurch gekennzeichnet, daß

   spektroskopisch unzerlegtes IR-Licht auf die Mehrschichtfolie gerichtet wird; und

   das durch die Mehrschichtfolle hindurchgetretene IR-Licht in monochromatisches IR-Licht bei den Proben- und Bezugswellenlängen zerlegt wird, um die Anteile des IR-Lichtes der entsprechenden Wellenlängen zu ermitteln.
3. 3. Verfahren nach Anspruch 1,
   dadurch gekennzeichnet, daß

   spektroskopisch unzerlegtes IR-Licht auf die Mehrschichtfolie gerichtet wird; und

   das an der zur Einfallsfläche gegenüberliegenden Fläche der Mehrschichtfolie reflektierte und gestreute IR-Licht in mono-

   chromatisches IR-Licht "bei den Proben- und Bezugswellenlängen zerlegt wird, um die IR-Lichtanteile der entsprechenden Vfellenlängen zu ermitteln.
4. 4. Verfahren nach Anspruch 1,
   dadurch gekennzeichnet, daß

   spektroskopisch unzerlegtes IR-Licht auf die Mehrschichtfolie gerichtet wird; und

   das durch die Mehrschichtfolie hindurchgetretene IR-Licht zurückreflektiert wird, um erneut im wesentlichen längs des gleichen

   .-Lichtweges wie beim ersten Durchgang durch die Mehr schicht folie hindurchzutreten; und

   das erneut durch die Mehrschichtfolie hindurchgetretene IR-Licht in monochromatisches IR-Licht bei den Proben- und Bezugswellenlängen zerlegt wird, um die IR-Lichtanteile der entsprechenden Wellenlängen zu ermitteln.
5. 5. Verfahren nach Anspruch 1,
   dadurch gekennzeichnet, daß

   spektroskopisch vorzerlegtes, monochromatisches IR-Licht bei den Proben- und Bezugswellenlängen aufeinanderfolgend auf die Mehrschichtfolie gerichtet wird, um aufeinanderfolgend die IR-Lichtanteile der entsprechenden Wellenlängen des durch die Mehrschichtfolie hindurchgetretenen IR-Lichtes zu ermitteln.
6. 6. Verfahren nach Anspruch 1,
   dadurch gekennzeichnet, daß

   spektroskopisch vorzerlegtes, monochromatisches IR-Licht bei den Proben - und Bezugswellenlängen aufeinanderfolgend

   auf die Mehrschichtfolie gerichtet wird, um aufeinanderfolgend die IR-Lichtanteile der entsprechenden Wellenlängen des an der zur Einfallsfläche gegenüberliegenden Fläche der Mehrschichtfolie reflektierten und gestreuten IR-Lichtes zu ermitteln.
7. 7. Verfahren nach Anspruch 1,
   dadurch gekennzeichnet, daß

   spektroskopisch vorzerlegtes, monochromatisches IR-Licht bei den Proben- und Bezugswellenlängen aufeinanderfolgend auf die -Mehrschichtfolie gerichtet wird; und das durch die Mehrschichtfolie hindurchgetretene IR-Licht zurückreflektiert wird, um im wesentlichen längs des gleichen Lichtweges wie beim ersten Durchgang erneut durch die Mehrschichtfolie hindurchzutreten; und

   die IR-Lichtanteile der entsprechenden Wellenlängen des erneut durch die Mehrschichtfolie hindurchgetretenen IR-Lichtes ermittelt werden.
8. 8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß

   lediglich monochromatisches IR-Licht bei den Proben- und Bezugswellenlängen ermittelt wird, indem das IR-Licht spektroskopisch diskret zerlegt wird.
9. 9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7» dadurch gekennzeichnet, daß

   das monochromatische IR-Licht der entsprechenden Wellenlängen durch spektroskopische, kontinuierliche Zerlegung des TR-Lichtes über einen IR-Wellenlängenbereich erhalten wird, der monochromatisches IR-Licht "bei den Proben- und Bezugswellenlängen einschließt.
10. 10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 "bis 7» dadurch gekennzeichnet, daß

    zur Ermittlung der IR-Lichtanteile der Proben- und Bezugswellenlängen des durch die Mehrschichtfolie hindurchgetretenen IR- -Iiichtes ein Einzelphotodetektor auf Zeitteilerbasis dient.
11. 11. Vorrichtung zur Messung der Schichtdicken von, aus verschiedenen Kunststoffen bestehenden Folien einer mehrschichtigen Verbundfolie oder eines mehrschichtigen Verbundstoffes, mit einer Pro^ektoreinheit

    zur Projektion von IR-Licht mit Licht einer Anzahl von Probenwellenlängen entsprechend der IR-Äbsorptionswellenlängen der Folienschichten und wenigstens einer dazu unterschiedlichen Bezugswellenlänge
    auf die Mehrschichtfolie,

    mit einer Photodetektoreinheit zum Empfang des durch die Mehrschichtfolie hindurchgetretenen IR-Lichtes, und , mit einer Einrichtung zur Ermittlung des .Verhältnisses zwischen Probensignalen und Bezugssignal,

    wobei die Probensignale die Intensitäten des IR-Lichtes der Probenwellenlängen bezeichnen, und das Bezugssignal die Intensität

    des IR-liehtes der Bezugswellenlänge "bezeichnet, gekennzeichnet durch

    eine elektrische Prozesseinheit, die

    das von der Photodetektoreinheit ermittelte Lichtintensitätssignal in die Probensignale und das Bezugssignal zerlegt;

    die Verhältnisse zwischen den Probensignalen und dem Bezugssignal ermittelt; und

    eine Simultangleichung löst, die als Koeffizienten die Verhältnisse und die IR-Absorptionskoeffizienten der PoIienschichten bei den Proben- und Bezugswellenlängen, sowie als Unbekannte die Folienschichtdicken einbezieht,

    um die Polienschichtdicken anzugeben.
12. 12. Vorrichtung nach Anspruch 11,

    dadurch gekennzeichnet, daß

    die elektrische Prozesseinheit einen Prozessteil und einen Operations-Prozessteil aufweist,

    wobei mittels dem Prozessteil das von der.Photodetektoreinheit ermittelte Lichtintensitätssignal zu den Probensignalen und dem Bezugssignal verarbeitet werden; und

    wobei von dem Operations-Prozessteil die Verhältnisse zwischen

    90*830/07*8

    den Proben- und Bezugssignalen gebildet und die Simultangleichung gelöst wird, welche als Koeffizienten die Verhältnisse und die IR-Absorptionskoeffizienten der Folienschichten bei den Proben- und Bezugswellenlängen, sowie als Unbekannte die PoIienschichtdicken einbezieht;
    um die PoIienschichtdicken anzugeben.
13. 13. Vorrichtung nach Anspruch 11,
    dadurch gekennzeichnet, daß

    eine Einrichtung vorhanden ist, um das IR-Licht der jeweiligen .Wellenlängen auf einer Zeitteilerbasis einem Einzelphotodetektor in der Photodetektoreinheit zuzuführen.
14. 14. Vorrichtung nach Anspruch 13,
    dadurch gekennzeichnet, daß

    die IR-Licht-Zuführung in der Weise ausgebildet ist, daß schmalbandige IR-Bandpaß-Interferenzfilter, welche den Durchlaß von monochromatischem IR-Licht der Proben- und Bezugswellenlängen gestatten, aufeinanderfolgend spektroskopisch das nicht-zerlegte IR-Licht sperren.
15. 15. Vorrichtung nach Anspruch 11,
    dadurch gekennzeichnet, daß

    die Projektoreinheit und die Photodetektoreinheit auf beiden Seiten der Mehrschichtfolie angeordnet sind.
16. 16. Vorrichtung nach Anspruch 11,
    dadurch gekennzeichnet, daß

    die Projektoreinheit und die Photodetektoreinheit bezüglich der Mehrschichtfolie auf der gleichen Seite angeordnet sind; das von der Progektoreinheit auf die Mehrschichtfolie projizierte IR-Iicht an der zur Einfallsfläche der Mehrschichtfolie gegenüberliegenden Fläche reflektiert und gestreut wird; und das reflektierte und gestreute Licht von der Photodetektoreinheit empfangen wird.
17. 17. Vorrichtung nach Anspruch 11,
    ..dadurch gekennzeichnet, daß

    ' -die Projektoreinheit und die Photodetektoreinheit bezüglich der Mehrschichtfolie auf der gleichen Seite angeordnet sind; längs der Mehrschichtfolie gegenüber der Projektoreinheit und der Photodetektoreinheit eine Reflektoreinheit angeordnet ist; die Reflektoreinheit das durch die Mehrschichtfolie hindurchgetretene IR-Licht zurückreflektiert, so daß dieses Licht im wesentlichen längs des gleichen Lichtweges wie beim ersten Durchgang erneut durch die Mehrschichtfolie hindurchtritt; und wenigstens ein Teil des von der Reflektoreinheit auf die Projektoreinheit zu reflektierten, erneut durch die Mehrschichtfolie hindurchgetretenen Lichtes von einer Verzweigungseinheit geteilt wird, um auf die Photodetektoreinheit aufzutreffen.
18. 18. Vorrichtung nach Anspruch 17,
    dadurch gekennzeichnet, daß

    die Reflektoreinheit ein Würfeleck ist.

    908.830/0788
19. 19. Vorrichtung nach Anspruch 11,
    dadurch gekennzeichnet, daß

    zu der Operations-Prozesseinheit eine übliche logarithmische Yerhältnisschaltung gehört, um die Verhältnisse zu erhalten.
20. 20. Vorrichtung nach Anspruch 11,

    dadurch gekennzeichnet, daß -

    die Projektoreinheit in der Weise angeordnet ist, daß sie . monochromatisches IR-lacht eines bestimmten IR-Wellenlängen_t.bereiches projiziert, wobei die Wellenlänge fortlaufend geändert -wird; und

    zu der elektrischen Prozesseinheit eine Einrichtung gehört, um die Komponenten der Proben- und Bezugswellenlängen synchron mit der fortlaufenden Wellenlängenänderung des monochromatischen IR-Lichtes zu zerlegen.
21. 21. Vorrichtung nach Anspruch 20„ ■
    dadurch gekennzeichnet, daß

    die Projektoreinheit eine Lichtquelle aufweist, um spektroskopisch unzerlegtes IR-Licht zu erzeugen?

    ein IR-Bandpass-Interferenzfilter bestimmtes IR-Licht auswählt; und eine Einrichtung vorhanden ist_y um den Einfallswinkel des IR-Idchtes auf das IR-Bandpass-Interferenzfilter relativ zu dem Filter zu verändern»