DE3152680C2

DE3152680C2 - Optische Meßvorichtung zur Quermaßprüfung lichtdurchlässiger und teilweise lichtdurchlässiger fadenförmiger Erzeugnisse

Info

Publication number: DE3152680C2
Application number: DE3152680T
Authority: DE
Inventors: A&scaron;ot Georgievi&ccaron; Barnaul Osipov
Original assignee: OSIPOV ASHOT G
Current assignee: OSIPOV ASHOT G
Priority date: 1981-01-15
Filing date: 1981-01-15
Publication date: 1986-04-10
Also published as: GB2110364B; DE3152680T1; GB2110364A; JPS57502182A; WO1982002428A1; CH662653A5

Description

Die Erfindung betrifft eine optische Meßvorrichtung zur Quermaßprüfung lichtdurchlässiger und teilweise lichtdurchlässiger fadenförmiger Erzeugnisse nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Gegenwärtig haben neben lichtundurchlässigen fadenförmigen Erzeugnissen auch lichtdurchlässige und teildurchlässige fadenförmige Erzeugnisse, wie Glasfasern und Chemiefasern, weite Verbreitung gefunden, bei deren Herstellung die Kontrolle ihrer Quermaße (Dikke) durchgeführt werden muß. Die allgemein bekannte Methode zum Messen von Quermaßen eines Erzeugnisses nach dessen Beugungsbild (Beugungsmethode), die zur Quermaßprüfung der lichtundurchlässigen fadenförmigen Erzeugnisse effektiv angewendet wird, ist für lichtdurchlässige und teildurchlässige fadenförmige Erzeugnisse, wie beispielsweise Chemiefasern, die eine heterogene Struktur besitzen, ungeeignet. Dies erklärt sich dadurch, daß ein Beugungsbild, das bei der Beleuchtung eines zu kontrollierenden Erzeugnisses mit monochromatischer kohärenter Strahlung entsteht und bei den undurchlässigen Erzeugnissen (beispielsweise einem Draht) kontrastreich, bei den heterogenen lichtdurchlässigen und teildurchlässigen Erzeugnissen kontrastschwach ist, durch den durch das Erzeugnis hindurchgetretenen Strahlungsfluß verzerrt wird und somit keine klar ausgeprägten Minima aufweist, nach denen die Maße der Erzeugnisse bestimmt werden.

Bei lichtdurchlässigen fadenförmigen Erzeugnissen, wie Glasfasern, die eine homogene Struktur besitzen, stimmt der Abstand zwischen den Minima des Beugungsbildes mit der bekannten Formel der Beugungstheorie für undurchlässige Strukturen ebenfalls nicht überein (Angew. Phys„ 19, N 2, April 1965: J. Gefhart, S. Schmidt, »Interferenzerscheinungen an dünnen, durchsichtigen Glasfaden bei kohärenter Beleuchtung«).

Jedoch können Glasfasern aufgrund der homogenen Struktur und fehlenden Doppelbrechung nach der Beugungsmethode durch Ermittlung der Abhängigkeit des Winkelabstandes zwischen den Minima vom Faserdurchmesser und Streuungswinkel unter Einführung entsprechender Korrektüren gemessen werden.

Zum Unterschied von Glasfasern erzeugen Chemiefasern, die eine heterogene Struktur besitzen, die eine Doppelbrechung bedingt, bei Beleuchtung mit monochromatischer kohärenter Strahlung ein Beugi'ngsbild, das durch eine sehr komplizierte Formel beschrieben wird.

In diesem Fall sind die Abstände zwischen den Minima nicht nur von der Wellenlänge und dem Quermaß (beispielsweise dem Durchmesser) des Erzeugnisses, sondern auch von der Durchlässigkeit und der Doppelbrechung abhängig. Die Berücksichtigung dieser Faktoren ist sowohl praktisch wie auch theoretisch überaus kompliziert, was den "deßfehler bedeutend erhöht.

Aus diesem Grunde ist die Verzerrung des Beugungsbildes bei den lichtdurchlässigen und halbdurchlässigen fadenförmigen Erzeugnissen auf den teilweisen Durchgang des Strahlungsflusses durch das Erzeugnis zurückzuführen.

Bekannt ist die Anwendung eines Mikroskops, das die Schattenmethode benutzt bzw. die Bestimmung der Dicke von durchlässigen und halbdurchlässigen fadenförmigen Erzeugnissen nach der Fadennummer. Diese Methoden erlauben die Durchführung der Messung mit einer Genauigkeit von bis 15 — 20%, genügen aber den bestehenden Anforderungen nicht.

Zur Erhöhung der Meßgenauigkeit ist versucht worden, die erwähnte Beugungsmethede zum Messen von Quermaßen des zu kontrollierenden Erzeugnisses, die für die lichtundurchlässigen und durchlässigen homogenen fadenförmigen Erzeugnisse effektiv angewendet wird, auch für die durchlässigen und halbdurchlässigen heterogenen fadenförmigen Erzeugnisse anzupassen.

So wird nach der US-PS 37 09 610 eine mehrfache Quermaßprüfung des durchlässigen bzw. halbdurchlässigen fadenförmigen Erzeugnisses mit einer Reihe von Beugungsbildern durchgeführt, die bei der Beleuchtung

so des Erzeugnisses mit einer monochromatischen kohärenten Strahlung gewonnen werden. Durch Messen der Abstände zwischen den dunklen und hellen Streifen eines jeden Beugungsbildes und durch Mittelung der Ergebnisse, die aus jedem Beugungsbild gewonnen werden, erhält man die Größe der Quermaße des Erzeugnisses, jedoch ergibt die mehrfache Messung der Quermaße des Erzeugnisses mit der darauffolgenden Mittelung der Ergebnisse wegen einer niedrigen Kontrastschärfe der «direkten« Beugungsbilder in jedem Meßzyklus aufgrund der durch die Erzeugnisse hindurchtretenden Strahlung ebenfalls keine hohe Genauigkeit.

In derselben Patentschrift wird vorgeschlagen, die Kontrastschärfe des Beugungsbildes durch Färben der Faser mit einer Farbe zu erhöhen, die für die monochrornatische kohärente Strahlung undurchlässig ist. Allerdings kann so die gewünschte Meßgenauigkeit wegen eines Fehlers, der durch die Farbenschicht mitgeschleppt wird, auch nicht erreicht werden. Außerdem

lassen sich nicht alle zur Kontrolle anstehenden Fasern mit einer Farbe färben.

Die beiden zuletzt beschriebenen Meßverfahren sind nur zur Kontrolle von einzelnen Mustern der Erzeugnisse geeignet, an die keine hohen Anforderungen hinsichtlich ihrer Quermaße gestellt werden, und lassen sich in den Fertigungsstraßen bei kontinuierlichem Fertigungsablauf von lichtdurchlässigen und teildurchlässigen fadenförmigen Erzeugnissen nicht anwenden.

In der US-PS 37 09 610 ist auch eine Vorrichtung zur Quermaßprüfung lichtdurchlässiger und teildurchlässiger fadenförmiger Erzeugnisse beschrieben, die eine Quelle für monochromatische kohärente Strahlung, auf deren optischer Achse im Strahlungsfluß das zu kontrollierende lichtdurchlässige bzw. halbdurchlässige fadenförmige Erzeugnis eingestellt ist, das in einem Halter senkrecht zu dieser optischen Achse angeordnet ist, sowie einen Fotoempfänger aufweist, der den hindurchgetretenen und vom zu kontrollierenden Erzeugnis ge-

UCÜgtcil SlI ähiürigSltUu aufnimmt UHu Ϊ

A i

¹¹J"

sator zum Messen der Quermaße des zu kor_.roHierenden fadenförmigen Erzeugnisses verbunden ist.

Die Quermaßprüfung eines Erzeugnisses nach dessen Beugungsbild beruht auf der umgekehrt proportionalen Abhängigkeit des Abstands zwischen den hellen und dunklen Streifen des Beugungsbildes vom Quermaß. Wie bereits erwähnt, verursacht die heterogene Struktur lichtdurchlässiger und teildurchlässiger fadenförmiger Erzeugnisse die Bildung eines Beugungsbildes, das keine hohe Meßgenauigkeit ermöglicht.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Vorrichtung zur Quermaßprüfung der eingangs genannten Art so auszubilden, daß durch eine Verringerung des durch das zu kontrollierende Erzeugnis zum Fotoempfänger hindurchtretenden Strahlungsflusses ein Beugungsbild entsteht, das nach seiner Kontrastschärfe dem Beugungsbild lichtundurchlässiger fadenförmiger Erzeugnisse nahe ist und somit die Meßgenauigkeit beträchtlich er iiöht.

Diese Aufgabe wird mit den im Kennzeichen des Patentanspruchs 1 angegebenen Merkmalen gs'öst.

Die Verwendung eines fadenförmigen, für monochromatische kohärente Strahlung undurchlässigen Körpers mit einem Quermaß, das dem Quermaß des zu kontrollierenden iadenförmigen Erzeugnisses gleich ist und dessen Einstellen in den Halterführungen parallel zum zu kontrollierenden Erzeugnis in der Ebene erfolgt, die durch die optische Achse der Strahlungsquelle gent. gewährleistet einerseits das Ermitteln der Quermaße nach einem Beugungsbild, das mit dem Beugungsbild vom strahlungs^ndurchlässigen Körper zusammenfällt, d. h. mit einer sehr hohen Genauigkeit. Andererseits geschieht bei ungleichen Quermaßen des zu kontrollierenden Erzeugnisses und des fadenförmigen Körpers die Prüfung mit einer Fehlergröße, die durch die Differenz der Maße, d. h. durch den Betrag der durch das zu kontrollierende Erzeugnis hindurchgetretenen Strahlung, die das Beugungsbild verzerrt, verursacht wird. Daraus folgt, daß bei der Annäherung der Maße des fadenförmigen Körpers an die Maße des zu kontrollierenden Erzeugnisses die Meßgenauigkeit zunimmt.

Die Ausbildung der Führungen in Gestalt von Paaren von Elementen mit Rotationskörperoberflächen, insbesondere sphärischen Oberflächen, nach Anspruch 1 bzw. 3 gewährleistet ein genaues Einstellen des fadenförmigen Körpers parallel zu:p. fadenförmigen Erzeugnis, was die Schärfe des Beugungsbildes erhöht. Außerdem ist eine solche Ausbildung der Führungen in konstruktiver Hinsicht sehr einfach.

Anhand von Zeichnungen wird die Erfindung beispielsweise näher erläutert. Es zeigt

F i g. 1 ein Schema der Vorrichtung,

Fig. 2 eine Gesamtansicht der Vorrichtung ohne Analysator,

F i g. 3 im Querschnitt Abschnitte der Elemente eines Paars von Führungen und
F i g. 4 ein Beugungsbild, das vom zu kontrollierenden

ίο lichtdurchlässigen bzw. teildurchlässigen fadenförmigen Erzeugnis ohne Verwendung eines fadenförmigen Körpers, der für monochromatische kohärente Strahlung (punktierte Linie) undurchlässig ist, und mit Verwendung eines fadenförmigen Körpers (volle Linie) erzeugt wird.

Die Vorrichtung hat eine Quelle ' (Fig. 1, 2) monochromatischer kohärenter Strahlung, wie einen gasdynamischen Heliurn-Neonlaser, auf dessen optischer Achse in dem durch einen Pfeil a·'redeuteten Strah- !ungsfluß ein zu kontrollierendes durchlässiges bzw. teüdurchlässiges fadenförmiges Erzeugnis 3 angeordnet ist.

Das Erzeugnis 3 ist in einem Halter 4 senkrecht zur

optischen Achse 2 angeordnet. Zusammen mit eiern zu kontrollierenden Erzeugnis 3 ist im Halter 4 ein fadenförmiger Körper 5 angeordnet, der für monochromatische kohärente Strahlung undurchlässig ist und ein Quermaß aufweist, das kleiner als das Quermaß des zu kontrollierenden fadenförmigen Erzeugnisses 3 ist oder genauso groß ist.

Die Anordnung des zu kontrollierenden Erzeugnisses 3 und des fadenförmigen Körpers 5 geschieht mittels Führungen 6, die das Einstellen des fadenförmigen Körpers 5 parallel zum Erzeugnis 3 in einer Ebene gewährleisten, die durch die optische Achse 2 geht.

Die Vorrichtung enthält ferner einen Fotoempfänger 7. der den durch das zu kontrollierende Erzeugnis 3 hindurchgetretenen und vom Erzeugnis 3 gebeugten Strahlungsfluß aufnimmt, der das Beugungsbild dieses Erzeugnisses 3 bildet. Der Fotoempfänger 7 ist an einen in I ^kannter Weise gebauten Analysator 8(F ig. 1) zum Ermitteln der Quermaße des zu kontrollierenden fadenförmigen Erzeugnisses nach dessen Beugunjsbild angeschlossen.

Der vorhandene fadenförmige Körper 5. der für die monochromatische kohärente Strahlung der Quelle 1 undurchlässig ist. verhindert, daß Licht durch den zentralen Teil des zu kontrollierenden Erzeugnisses 3 hindurchtritt, wodurch ein Beugungsbild nur von den peripheren Teilen gewonnen wird.

Bei der Vorrichtung ist der fadenförmige Körper in unmittelbarer Nähe des zu kontrollierenden Erzeugnisses 3 und vor diesem in der Laufrichtung des Strahlungsflusses angeordnet.

jedoch ist auch eine Einstellung des fadenförmigen Körpers 5 hinter dem Erzeugnis 3 möglich, was verhindert, daß durch den zentralen Teil des Erzeugnisses 3 hindurchtreter.des Licht auf den Fotoempfänger 3 fällt.

Der Halter 4 ii. eine Platte 9 (Fig. 2). an der eine Federplatte 10 befestigt ist. Am Ende der Federplatte 10 ist mit seinem einen Ende der fadenförmige Körper 5, ein Metalldraht, befestigt, der mit seinem .meieren Ende an der Platte 9 befestigt ist.

Wie erwähnt, sind das zu kontrollierende Erzeugnis 3 und der fadenförmige Körper 5 im Halter 4 mit zwei

j5 Führungen 6 angeordnet, von denen jede ein Paar von Elementen 11,12 aufweist, deren Oberflächen 13 eir .'.nder zugewandt sind und Mantelflächen eines Rotationskörpers sind. Die Elemente 11.12 eines jeden Paars sind

so angeordnet, daß die Rotationsachsen der Oberflächen 13 zusammenfallen, während die Oberflächen 13 selber einander in einem Punkt A berühren. In F i g. 3. wo die Elemente 11,12 in vergrößertem Maßstab abgebildet sind, ist der Punkt A als im Berührungsbercich i liegend dargestellt. Der Punkt A liegt an den beiden Paaren von Elementen II. 12 in einer Ebene, die durch die optische Achse 2 der Quelle 1 monochromatischer kohärenter Strahlung geht, und zwar auf einer Geraden, die zu dieser Achse 2 senkrecht ist.

Die Elemente 11. 12 eines jeden Paars haben sphärische Oberflächen und sind in einer Ausnehmung 14 an der Platte 9 befestigt. Der Abstand zwischen den Paaren von Elementen 11. 12 muß so bemessen sein, daß der Strahlungsfluß von der Quelle I durch eine Bohrung 15 ΐί frei hindurchtritt, die in der Platte 9 zwischen den erwähnten Paaren von Elementen 11,12 ausgeführt ist.

a _-.-,ii—ι L--:.—ι Λ1 ri~~i L·« « ,i;_rt Ci_n

mente 11.12 eines jeden Paars elliptische oder konische Oberflächen aufweisen, wobei die Abmessungen dieser Oberflächen abhängig von den Maßen des zu kontrollierenden Erzeugnisses 3 gewählt werden.

Da die Kontrolle der Quermaße des fadenförmigen Erzeugnisses 3 sowohl auf einzelnen Abschnitten wie auch auf der gesamten Länge des Erzeugnisses 3 bei seiner Herstellung durchgeführt werden kann, sind Zugrollen 16, 17 zur Verschiebung des Erzeugnisses 3 vorgesehen.

Bei dem beschriebenen Ausführungsbeispiel wird das Meßlicht mit Hilfe eines flachen Spiegels 18, der auf der in Welle eines Elektromotors 19 befestigt ist, auf den Fotoempfänger 7 gelenkt. Beim Drehen des Spiegels 18 nimmt der Fotoempfänger 7 entsprechende Abschnitte 20 (F i g. 4) des Beugungsbildes auf. Zum Vergleich sind dieselben Abschnitte, die bei fehlendem fadenförmigen J5 Körper 5 gewonnen wurden, mit punktierten Linien gekennzeichnet.

Die Vorrichtung zur Quermaßprüfung lichtdurchlässiger und teildurchlässiger fadenförmiger Erzeugnisse arbeitet wie folgt:

D'e Quelle 1 (F i g. 1, 2. 4) monochromatischer kohärenter Strahlung beleuchtet den undurchlässigen fadenförmigen Körper 5 und das lichtdurchlässige bzw. teildurchlässige, zu kontrollierende fadenförmige Erzeugnis 3. Durch die Beleuchtung entsteht ein Beugungsbild. das mit Hilfe des rotierenden flachen Spiegels 18 (F i g. 2) vom Fotoempfänger 7 abgetastet wird. Das in elektrische Signale umgewandelte Beugungsbild gelangt in den Analysator 8 (Fig. 1). der eine Meßschaltung besitzt, in de. das Ermitteln der Quermaße des zu kontrollierenden Körpers 3 nach Abständen zwischen den hellen Streifen des Beugungsbildes, d. h. nach den Maxima, erfolgt.

Die Verwendung des strahlungsundurchlässigen fadenförmigen Körpers 5. der in einem Halter 4 zusammen mit dem zu kontrollierenden Erzeugnis 3 mit Führungen 6 angeordnet ist. erhöht die Meßgenauigkeit, weil das damit gewonnene Beugungsbild unverzerrt und kontrastreich ist. wie dies in Fig. 4 durch volle Linien angegeben ist, und der bekannten Beugungstheorie für undurchlässige Strukturen entspricht. Dies erklärt sich dadurch, daß der undurchlässige Körper 5 mit gleichem bzw. kleinerem Quermaß das Hindurchtreten der Strahlung von der Quelle 1 durch den zentralen Teil des fadenförmigen Erzeugnisses 3 in den Fotoempfänger 7 verhindert, wodurch nur periphere Abschnitte des zu kontrollierenden durchlässigen bzw. halbdurchlässigen fadenförmigen Erzeugnisses 3 beleuchtet werden, auf die die Strahlung von der Quelle I unter einem großen Winkel zur Oberfläche einfällt und die maximale Reflexion besitzt. Deshalb kommt die Meßgenauigkeit der durchlässigen und halbdurchlässigen Erzeugnisse mit Hilfe der Vorrichtung sehr nahe an die Meßgenauigkeit der undurchlässigen fadenförmigen Erzeugnisse heran.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Vorrichtung zur Quermaßprüfung lichtdurchlässiger und teilweise lichtdurchlässiger fadenförmiger Erzeugnisse, die eine Quelle für monochromatische kohärente Strahlung aufweist, in deren optischer Achse das zu kontrollierende Erzeugnis in einem Halter senkrecht zu dieser Achse angeordnet ist, und die einen Fotoempfänger aufweist, der das hinter dem Erzeugnis entstehende Beugungsglied erfaßt und seine Signale einem Analysator zur Berechnung des Quermaßes zuführt, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung einen fadenförmigen Körper (5) enthält, der Iichtundurchiässig ist, dessen Quermaß dem des zu kontrollierenden Erzeugnisses entspricht oder kleiner ist, und in einem Halter (4) zusammen mit dem Erzeugnis (3) mittels Führungen (6) zum Einstellen des fadenförmigen Körpers (5) parallel zum nnd in Strahlrichtung vor oder hinter dem zu kontrollierenden Erzeugnis (3) in einer Ebene angebracht ist, die die optische Achse der monochromatischen Lichtquelle (1) enthält.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jede Führung (6) ein Paar von Elementen (11, 12) mit Oberflächen (13) von Rotationskörpern aufweist, die einander zugewandt und so angeordnet sind, daß ihre Rotationsachsen zusammenfallen, wobei sich die Oberflächen (13) in Punkten berühren und die Verbindungslinie der Berührungspunkte die optische Achse (2-, der monochromatischen Lichtquelle (1) rechtwinklig schneidet.

3. Vorrichtung nach Anspruch I, dadurch gekennzeichnet, daß die Elemente (11, 12) eines jeden Paares sphärische Oberflächen haben.