DE3938113C2 - Optisches Dickenmeßgerät für transparente Werkstücke - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein optisches Dickenmeßgerät für transparente Werkstücke, insbesondere Glasplatten und trans­ parente Folien.

In der JP 60-200108 A ist ein optisches Dickenmeßgerät beschrieben, welches zur Dickenkontrolle von Glasplatten verwendet wird. Hierzu ist über der auszumessenden Glasplatte eine axial verstellbare Linse vorgesehen, deren Stellantrieb so gesteuert wird, daß der Linsenbrennpunkt einmal auf der oberen, das andere Mal auf der unteren Begrenzungsfläche der Glasplatte liegt. Aus dem Verstellweg der Linse ergibt sich dann die Dicke der Glasplatte. Das Feststellen der Brennpunktbedingungen erfolgt unter Verwendung eines Sensors, auf welchen durch einen zwischen eine Lichtquelle und die Linse gestellten halb durchlässigen Spiegels der von der Linse jeweils ausgeleuchtete Punkt der Werkstückoberfläche gebildet wird.

In der WO 89/06 339 ist ein Gerät zum hochauflösenden Aus­ messen von feinen Oberflächenkonturen eines Werkstückes beschrieben, dessen Meßkopf auf der Technologie der Lese­ köpfe von CD-Abspielgeräten aufbaut. Mit einem solchen Gerät lassen sich auch sehr feine Oberflächenprofile rasch, zuverlässig und in in Datenverarbeitungsanlagen einfach weiter verarbeitbarer Form ausmessen.

Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die Meßqualität dieser Technologie auch bei der Dickenmessung transparenter Werkstoffe zu erreichen.

Es wurde nun erkannt, daß diese Technologie bei gering­ fügiger Abwandlung des Gerätes für die präzise Dicken­ messung transparenter Werkstücke geeignet ist. Anstelle einer konturierten Werkstückoberfläche wird der Meßoptik ein feststehender Spiegel gegenübergestellt, und in den zwischen Meßoptik und Spiegel liegenden Raum wird das transparente Werkstück gestellt. Durch das Werkstück wird der optische Weg entsprechend seiner Dicke und dem Berechnungsindex seines Materiales geändert. Bei bekanntem Brechungsindex ist somit das von der Detektionseinrichtung bereitgestellte Arbeitssignal direkt ein Maß für die Dicke des Werkstückes.

Da die in der WO 89/06 339 offenbarte Technologie speziell für die Ausmessung sehr kleinen Oberflächenkonturen ausge­ legt ist, erhält man durch ihre Übertragung auf die Dicken­ messung transparenter Werkstücke auch eine hochgenaue Mes­ sung von Dickenänderungen. Dies ist z. B. bei der Qualitäts­ kontrolle dünner transparenter Folien von großer Bedeutung.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in Unter­ ansprüchen angegeben.

Bei einem Dickenmeßgerät gemäß Anspruch 2 braucht man zum Einjustieren der Fokussierungsbedingungen nur den Abstand zwischen Spiegel und Meßoptik zu variieren.

Mit der Weiterbildung der Erfindung gemäß Anspruch 2 wird erreicht, daß man das Meßgerät so abgleichen kann, daß bei zwischen Meßoptik und Spiegel befindlichen Werkstück mit Solldicke gerade Fokussierungsbedingungen angetroffen wer­ den. Bei dieser Grundeinstellung werden dann Dickenänderungen besonders genau und gut linear durch das von der Detektionseinrichtung abgegebene Arbeitssignal wiedergegeben.

Die Weiterbildung der Erfindung gemäß Anspruch 4 ist im Hinblick auf einen möglichst großen linearen Teilbereich der Kennlinie des Dickenmeßgerätes von Vorteil.

Auch bei transparenten Werkstücken wird ein Teil des Lichtes an der Werkstückoberfläche reflektiert. Mit der Weiterbildung der Erfindung gemäß Anspruch 5 wird erreicht, daß derartige Stör-Reflexionen stark defokussiert auf die Detektionseinrichtung gelangen, diese also gleichförmig ausleuchten und nur einen gleichbleibenden im wesentlichen symmetrischen Stör-Untergrund geben, damit nur die Absolutlage der Kennlinie, nicht aber deren Steilheit beeinflussen.

Die Weiterbildung gemäß Anspruch 6 ist im Hinblick auf ein besonders scharfes Erkennen von Unregelmäßigkeiten im transparenten Werkstück von Vorteil, da sowohl durch solche bedingte Änderungen der Länge des optischen Weges als auch durch die bedingte Änderungen im Streuverhalten be­ rücksichtigt werden.

In der Praxis erhält man neben dem gemäß Strahlenoptik reflektierten Meßlicht noch Interferenzen und Beugungsmuster, die bezüglich der Strahlachse unsymmetrisch sein können und dann zu einer Verfälschung des Meßergebnisses führen würden. Mit der Weiterbildung der Erfindung gemäß Anspruch 8 ist gewährleistet, daß derartige Interferenzen und Beugungsmuster ausgeblendet werden und die Detektionseinrichtung nicht erreichen.

Bei einem Dickenmeßgerät gemäß Anspruch 9 ist gewährleistet, daß die auszumessenden Folienbahnen stets in exakt gleicher Orientierung durchhangs- und faltenfrei durch die Meßstrecke laufen.

Nachstehend wird die Erfindung anhand eines Ausführunsbei­ spieles unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert. In dieser zeigt

Fig. 1 einen schematischen vertikalen Schnitt durch ein optisches Dickenmeßgerät für transparente Folien mit einem an sich in seinen Grundzügen bekannten optischen Abtastkopf zum hochauflösenden Ausmessen einer Werkstückoberfläche zusammen mit einer zugehörigen Elektronikeinheit, einem Teil einer Folienbahn sowie einer Einrichtung zum Führen derselben in einer vorgegebenen Ebene; und

Fig. 2 das Schaltbild eines Eingangskreises der in Fig. 1 gezeigten Elektronikeinheit.

In Fig. 1 ist ein Abtastkopf insgesamt mit 10 bezeichnet, der an sich zum hochgenauen Ausmessen von Oberflächenrauh­ heiten und Oberflächenstrukturen auf der Oberfläche eines Werkstückes entwickelt worden ist.

Der Abtastkopf 10 hat ein Gehäuse 14, welches im wesentli­ chen becherförmig ist. In eine untere Öffnung 16 des Gehäu­ ses 14 ist eine Ringspule 18 fest eingesetzt, welche ein axiales Magnetfeld erzeugt. Die Ringspule 18 arbeitet mit einem ringförmigen Permanentmagneten 20 zusammen, der auf die Außenseite eines Objektivringes 22 aufgeklebt ist. In Abwandlung können Ringspule 18 und Permanentmagnet 20 auch vertauscht werden.

Der Objektivring 22 hält ein Objektiv 24. Die durch den Perma­ nentmagneten 20, den Objektivring 22 und das Objektiv 24 gebildete Einheit durchsetzt unter radialem Spiel die Ring­ spule 18 und ist von zwei parallel zueinander verlaufenden Blattfedern 26, 28 getragen. Deren in Fig. 1 links gelege­ ner Abschnitt ist brillenförmig ausgebildet, so daß das Objektiv 24 freibleibt, während der rechts gelegene Ab­ schnitt streifenförmig ist und an seinem äußersten Ende durch Schrauben 30 an einem Steg 32 des Gehäuses 14 fest­ gelegt ist. Die Blattfedern 26, 28 bilden so eine elasti­ sche Parallelogramm-Aufhängung für das Objektiv 24.

Im in Fig. 1 rechts gelegenen Abschnitt der Umfangwand des Gehäuses 14 ist ein im Roten arbeitender Halbleiter- Laser 34 befestigt. Der von diesem abgegebene Laserstrahl durchsetzt einen halbdurchlässigen Meßspiegel 36 und ge­ langt auf einen Umlenkspiegel 38. Der Lichtstrahl durch­ quert dann eine enge Lochblende 39 (pinhole, Raumfilter) und das Objektiv 24 und wird von diesem auf die Oberfläche eines Spiegels 12 abgebildet.

Die Lochblende 39 ist in Wirklichkeit in der bildseitigen Brennebene des Objektives 24 angeordnet, wurde nur der besseren Übersichtlichkeit halber in Fig. 1 unter den Umlenkspiegel 38 gelegt.

Das von der Spiegeloberfläche reflektierte Laserlicht wird vom Objektiv 24 gesammelt und gelangt durch die Loch­ blende 39, wo interferenz- und beugungsbedingte Lichtanteile zurückgehalten werden, über den Umlenkspiegel 38 wieder zum Meßspiegel 36. Dieser spaltet einen Teil des reflektierten Meßlichtes ab und richtet es über ein in Fig. 1 hinter ihm liegendes Prisma 37 auf eine photoelektrische Wandleranord­ nung 44, deren Mitte bei 46 angedeutet ist. Die photoelek­ trische Wandleranordnung 44 hat (vergl. Fig. 2) zwei zur Mittellinie 46 symmetrisch angeordnete Wandlerelemente 44a und 44b und erzeugt ein Ausgangssignal, das von der Lage des auffallenden Lichtfleckes bezüglich der Mittellinie 46 abhängt. Dieses Ausgangssignal gelangt auf einen Eingangs­ kreis 48 einer dem Abtastkopf 10 zugeordneten, insgesamt mit 50 bezeichneten Elektronikeinheit.

Die Wandleranordnung 44 kann in Abwandlung des gezeigten Ausführungsbeispieles auch eine Fotodiodenzeile, eine Fotodiodenmatrix, einen Bildwandler (CCD) oder eine andere Anordnung eng benachbarter lichtempfindlicher Elemente aufweisen.

Die Elektronikeinheit 50 enthält hier nicht näher wieder­ gegebene Schaltkreise, welche die Abweichung des momentan erhaltenen Ausgangssignales der Wandleranordnung 44 von demjenigen Signal ermitteln, welches bei Auftreffen des Meßlichtes auf die Mittellinie 46 erhalten wird. Entspre­ chend der Differenz dieser beiden Signale erzeugt die Elektronikeinheit 50 intern ein Arbeits- oder Fehlersignal für einen Leistungsverstärker 52, welcher die Ringspule 18 speist. Der Speisestrom für die Ringspule 18 wird solange erhöht oder erniedrigt, bis der Meßlichtfleck auf der Wandleranordnung 44 wieder auf der Mittellinie 46 liegt. Dies ist dann der Fall, wenn der Abstand zwischen Objektiv 24 und der ausgeleuchteten Stelle der Oberfläche des Spiegels 12 exakt der Objektiv-Brennweite entspricht.

Aus der soweit gegebenen Beschreibung ist ersichtlich, daß das Objektiv 24 gemäß dem optischen Weg zwischen Gehäuseunter­ seite und Spiegelebene axial verfahren wird. Ein entspre­ chendes elektrisches Signal erhält man von einem mit der beweglichen Objektiveinheit zusammenarbeitenden Stellungs­ geber 40, und dieses wird von der Elektronikeinheit 50 zur Verwendung in einem externen Rechner oder einer anderen Signalverarbeitungseinrichtung auf einer Leitung 54 bereit­ gestellt.

In Fig. 1 ist ferner schematisch noch ein Leistungsverstär­ ker 56 der Elektronikeinheit 50 angedeutet, welcher den Laser 34 speist.

Der Abtastkopf 10 ist empfindlich für mechanische Störein­ flüsse, insbesondere Erschütterungen und Schwingungen. Um eine Verfälschung der Messung durch derartige mecha­ nische Störeinflüsse auszuräumen, hat eine in Fig. 1 ins­ gesamt mit 58 bezeichnete Regelschaltung der Elektronikein­ heit 50 einen speziellen Aufbau, der in der WO 89/06 399 genauer erläutert ist. Zusätzlich zum Ausgangssignal des Eingangskreises 48 erhält die Regelschaltung 58 das Aus­ gangssignal des Stellungsgebers 40, der direkt die Ist- Stellung des Objektives 24 ermittelt, z. B. in Form eines Tauschspulensystems, welches mit einem mit dem Objektiv 24 mitbewegten Geberstab 42 zusammenarbeitet.

Wie aus Fig. 2 ersichtlich, enthält der Eingangskreis 48 einen Differenzverstärker 60 sowie einen Summierverstärker 62. Beide Verstärker sind mit den Ausgangssignalen der bei­ den zu den beiden Seiten der Mittellinie 46 der Wandler­ anordnung 44 liegenden Wandlerelemente 44a und 44b beauf­ schlagt. Das Ausgangssignal des Differenzverstärkers 60 ist dem optischen Weg zwischen dem ausgeleuchteten Punkt der Oberfläche des Spiegels 12 und dem Brennpunkt des Objek­ tives 24 zugeordnet, während das Ausgangssignal des Summier­ verstärkers 62 ein Maß für Lichtverluste in der Meßstrecke ist.

Zur Führung einer transparenten flexiblen dünnen Folien­ bahn 64 auf einem senkrecht auf der Achse des Objektives 24 verlaufenden, der Unterseite des Gehäuses 14 benachbarten Weg sind zwei Paare von Transportrollen 66, 68 und 70, 72 vorgesehen. Die stromauf der Meßstrecke liegenden Trans­ portrollen 66, 68 sind mit einer Bremse 74 verbunden, die stromab der Meßstrecke liegenden Transportrollen 70, 72 werden durch einen Motor 76 angetrieben. Auf diese Weise läuft die Folienbahn 64 ohne Durchhang und faltenfrei durch die Meßstrecke.

Die verschiedenen Transportrollen 66 bis 72, die Bremse 74 und der Motor 76 sind von seitlichen Wangen 15 des Gehäuses 14 getragen.

Wie aus Fig. 1 ferner ersichtlich, ist der Spiegel 12 ver­ schiebbar auf Führungsstangen 78, 80 angeordnet, die vom Gehäuse 14 nach unten überstehen. Zum feinen Verstellen des Spiegels 12 in axialer Richtung des Objektives 24 dient eine Feingewindespindel 82.

Ist der Spiegel 12 so voreingestellt, daß der Laserstrahl bei nicht erregter Ringspule 18 durch das Objektiv 24 auf die Spiegeloberfläche fokussiert ist, so liegt der Brenn­ punkt des Laserstrahles dann, wenn die Folienbahn 64 durch die Meßstrecke geführt wird, geringfügig hinter der Spiegel­ oberfläche. Entsprechend wird nun durch Erregen der Ring­ spule 18 das Objektiv 24 in Fig. 1 nach oben bewegt, bis der Brennpunkt wieder auf der Spiegeloberfläche liegt. Auf der Leitung 54 erhält man ein der Dicke der Folienbahn 64 an der im Strahlengang liegenden Stelle zugeordnetes elek­ trisches Signal.

Stellt man in die Meßstrecke einen Folienbahn-Abschnitt mit Solldicke und dreht man dann die Feingewindespindel 82 so, daß das Signal auf der Leitung 54 verschwindet, hat man unter Sollbedingungen wieder eine stromlose Ringspule 18, d. h., das Objektiv 24 steht normalerweise in seiner Mittenstellung und der Abtastkopf arbeitet bei der Messung von Dickenabweichungen im am besten linearen Teilbereich seiner Kennlinie. Das Signal auf der Leitung 54 ist nun Abweichungen der Foliendicke vom Sollwert zugeordnet.

Die Ausgangssignale des Differenzverstärkers 60 und des Summierverstärkers 62 können durch einen Verknüpfungskreis 63 zusammengefaßt werden, z. B. in multiplikativer Form oder in UND-Verknüpfung. Dessen Ausgangssignal gibt ein besonders markantes Bild von Fehlern in der Folienbahn, da lokale Lichtverluste und lokale Dickenschwankungen oft auf die gleichen Ursachen zurückzuführen sind und die diesen Größen entsprechenden elektrischen Signale vom Verknüpfungskreis 63 zu einem doppelt von den gleichen Ursachen abhängenden und sich daher besonders markant ändernden Signal zusammen­ gesetzt werden.

Falls gewünscht, kann man auch nur das Ausgangssignal des Summierverstärkers 62 verwenden und ein vom lokalen Streu­ verhalten abgeleitetes Bild der Folienbahn aufnehmen.

Claims (9)

1. Optisches Dickenmeßgerät für transparente Werkstücke, insbesondere Glasplatten und transparente Folien, mit

• a) einem feststehenden Spiegel (12),
• b) einer Meßoptik (24) mit zum Spiegel (12) senkrechter optischer Achse,
• c) Mitteln (66 bis 72) zum Positionieren des Werkstückes zwischen Meßoptik (24) und Spiegel (12) in einer unter Abstand parallel vor dem Spiegel (12) verlaufenden Ebene,
• d) einer Meßlichtquelle (34), deren Licht durch die Meßoptik (24) auf den Spiegel (12) fokussiert ist, und
• e) einer Detektionseinrichtung (44 bis 63), die derart im Strahlengang des vom Spiegel (12) reflektierten und wieder die Meßoptik (24) durchlaufenden Meßlichts angeordnet ist, daß bei am Spiegel (12) fokussiertem Meßlicht dieses auch auf der Detektionseinrichtung fokussiert ist, und die bei vom Spiegel (12) abweichender Meßlichtfokussierung ein zugeordnetes Ausgangssignal erzeugt.

2. Dickenmeßgerät nach Anspruch 1, bei welchem die Meßlichtquelle (34) einen Parallellichtstrahl erzeugt und vorzugsweise ein Laser ist.

3. Dickenmeßgerät nach Anspruch 1 oder 2 mit Mitteln (78 bis 82) zum Verstellen des Abstandes zwischen Meßoptik (24) und Spiegel (12) und/oder zwischen Meßoptik (24) und Detektionseinrichtung (44 bis 63).

4. Dickenmeßgerät nach Anspruch 3, mit Mitteln (26, 28) durch die die Meßoptik (24) in axialer Richtung beweglich gelagert ist, einem auf die Meßoptik (24) arbeitenden Stellantrieb (18, 20), und einer auf den Stellantrieb (18, 20) arbeitenden Regelschaltung (50), welche mit dem von der Detektionseinrichtung (44 bis 63) bereitgestellten Arbeitssignal beaufschlagt ist und den Stellantrieb (18, 20) so ansteuert, daß das Arbeitssignal minimiert wird.

5. Dickenmeßgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei welchem die Ebene, in welcher das Werkstück (64) positioniert ist, nahe bei der Meßoptik (24) liegt.

6. Dickenmeßgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei welchem die Detektionseinrichtung (44 bis 63) zugleich ein der Intensität des auf sie fallenden Lichtes zugeordnetes zweites Arbeitssignal erzeugt, und ein Verknüpfungskreis (63) das erste Arbeitssignal und das zweite Arbeitssignal zu einem Gesamt-Arbeitssignal zusammenfaßt.

7. Dickenmeßgerät nach Anspruch 6, bei dem die Zusammenfassung des ersten und des zweiten Arbeitssignales durch Multiplikation oder logische UND-Verknüpfung erfolgt.

8. Dickenmeßgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß in der Brennebene der Meßoptik (24) auf der Seite der Meßlichtquelle und der Detektionseinrichtung ein Raumfilter (39) angeordnet ist.

9. Dickenmeßgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 8 zum Ausmessen flexibler transparenter Folienbahnen, mit Mitteln (66 bis 76) zum Einstellen einer vorgegebenen Zugspannung in der Folienbahn (64).