DE4423288A1

DE4423288A1 - Anordnung zum Messen der Dicke einer transparenten Beschichtung auf einem Druckerzeugnis

Info

Publication number: DE4423288A1
Application number: DE19944423288
Authority: DE
Inventors: Norbert Dr Freyer; Roland Kaplan
Original assignee: Heidelberger Druckmaschinen AG
Current assignee: Heidelberger Druckmaschinen AG
Priority date: 1994-07-02
Filing date: 1994-07-02
Publication date: 1996-01-04
Anticipated expiration: 2014-07-03
Also published as: DE4423288B4

Description

Die Erfindung dient zum Messen der Dicke einer transparenten Beschichtung auf einem Druckerzeugnis, insbesondere zur Messung der Dicke einer Lackschicht auf einem diffus reflektierenden Bedruckstoff.

Bekannte, nach dem optischen Triangulationsverfahren arbeitende Anordnungen für die Messung der Dicke transparenter Schichten enthalten eine opto-elektronische Meßeinrichtung für den Abstand der an der Beschichtung und an der Oberfläche des Meßobjektes reflektierten Meßlichtstrahlen. Die Meßlichtstrahlen gehen von einer Beleuchtungsvorrichtung aus, wobei mit Hilfe eines optischen Systems ein Punkt auf die Oberfläche des Meßobjektes abgebildet wird. Der Meßlichtstrahl wird sowohl an der Oberseite der Beschichtung als auch an der Oberfläche des beschichteten Materials reflektiert bzw. gestreut.

Ein weiteres optisches System bildet die Reflexe auf einem opto-elektronischen Empfänger ab. Mittels einer Auswerteeinrichtung kann die Lage der Reflexe in der Empfängerebene bestimmt werden und die Dicke der Beschichtung errechnet werden.

Nachteilig bei den bekannten Anordnungen ist, daß die Reflexe nur einen geringen Abstand in der Empfängerebene aufweisen, so daß die Reflexe nicht oder nur sehr ungenau separiert werden können. Bei Bedruckstoffen mit hoher Rauhigkeit entsteht weiterhin der Nachteil, daß sich in dem auf der Bedruckstoffoberfläche reflektierten Licht eine Vielzahl solcher Reflexe überlagern, die die Auswertung noch erschweren oder unmöglich machen.

Zur Schichtdickenmessung sind desweiteren interferometrische Verfahren und Einrichtungen bekannt, die polarisiertes Meßlicht verwenden und die die Intensität im an der Oberfläche eines Meßobjektes reflektierten Meßlicht auswerten (DE 31 36 887 A1).

In EP 02 49 235 B1 werden im reflektierten Meßlichtstrahlengang Strahlenteilereinrichtungen verwendet, die genau drei Lichtstrahlen mit derselben räumlichen Verteilung wie der reflektierte Meßlichtstrahl erzeugen. In den drei Lichtstrahlen angeordnete Analysatoren bewirken eine Extrahierung von wenigstens drei linear polarisierten Lichtkomponenten mit jeweils verschiedenen Polarisationswinkeln, deren Intensitäten mit Hilfe von separat angeordneten fotoelektrischen Umwandlungseinrichtungen und einer Recheneinrichtung zur Messung der Schichtdicke ausgewertet werden.

Derartige Meßvorrichtungen sind nicht ohne weiteres für Schichtdickenmessungen nach dem Triangulationsmeßverfahren anwendbar, wobei keine besonderen Vorkehrungen getroffen sind, die Schichtdicke speziell auf diffus reflektierenden Oberflächen möglichst genau zu messen.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Anordnung zum Messen der Dicke einer transparenten Beschichtung auf einem Druckerzeugnis zu ermitteln, die mit einem einfachen Aufbau eine hohe Meßgenauigkeit ermöglicht.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß nach den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.

Die im reflektierten Meßlichtstrahlengang angeordneten optischen Elemente bewirken eine Unterscheidung und eine Separation der Reflexe von der Oberfläche der Beschichtung und der Oberfläche des Bedruckstoffes. Die Messung der Lage der Reflexe wird nicht mehr durch Nebenreflexe verfälscht, die von der im Vergleich zur Beschichtung rauhen Oberfläche des Bedruckstoffes ausgehen.

Über eine Auswertung der Intensitäten der Teilstrahlen kann die Auswertung der Lage der Reflexe weitgehend unabhängig von der Größe der Reflexe gemacht werden, indem die Verschiebung der Lage eines Maximums durch einen benachbarten Reflex berechnet und die Position entsprechend korrigiert wird. Die Lage der Reflexe wird für einen definierten Abstand der Meßanordnung von der Oberfläche des Bedruckstoffes ausgewertet. Der Abstand kann angezeigt und/oder bei einer Veränderung selbsttätig nachgestellt werden. Wenn neben dem Auswertung der Intensitäten der reflektierten Meßlichtstrahlen auch die Intensität im einfallenden Meßlichtstrahl ausgewertet wird, dann kann gleichzeitig einen Glanzmessung vorgenommen werden. Die Anordnung kann direkt in einer drucktechnischen Maschine eingesetzt werden, wobei eine örtliche Mittelung in den Schwankungen der Schichtdicke über die Steuerung der Integrationszeit eines CCD-Empfängers erfolgen kann. Bei einer Anordnung, die außerhalb der drucktechnischen Maschine eingesetzt ist, kann besagte Mittelung durch eine scannende Abtastung der Oberfläche des Druckerzeugnisses erreicht werden, wobei Teile der optoelektronischen Empfangseinrichtung eine Abtastbewegung ausführen.

Die Erfindung soll anhand eines Ausführungsbeispieles noch näher erläutert werden:

In der Zeichnung ist ein Schema einer Anordnung nach der Erfindung dargestellt.

Die Figur zeigt einen Bedruckstoff 1, dessen streuende Oberfläche 2 mit einer Lackschicht 3 versehen ist, deren Dicke d ermittelt werden soll. Eine Lichtquelle 4 erzeugt einen Meßlichtstrahl 5 mit Hilfe einer Blende 6, einer Beleuchtungsoptik 7 und einem Polarisator 8. Als Lichtquelle 4 ist eine Weißlichtquelle oder ein Laser im IR-Bereich einsetzbar. Die Lichtquelle 4 kann Licht nur einer oder mehrerer Wellenlängen erzeugen. Am Ausgang des linearen Polarisators 8 entsteht ein Meßlichtstrahl 5 mit einer Polarisationsrichtung 9, die im wesentlichen senkrecht zur Einfallsebene des Meßlichtstrahls 5 auf der Oberfläche 2 der Lackschicht 3 steht. Auf den Polarisator 8 kann verzichtet werden, wenn der Einfallswinkel des Meßlichtstrahles nahe dem Brewster-Winkel liegt. In diesem Fall erfolgt die Polarisation an der Oberfläche 2 der Lackschicht 3. Die Lichtquelle 4 kann mit einer Einrichtung zur Steuerung der Lichtintensität verbunden sein. Ein Teilstrahl 10 des Meßlichtstrahles 5 wird an der Oberfläche der Lackschicht 3 reflektiert und ein weiterer Teilstrahl 11 in die Lackschicht 3 gebrochen.

Die Polarisationsrichtung 9 der Teilstrahlen 10 und 11 ist gleich der Polarisationsrichtung 9. Der Teilstrahl 11 wird an der Oberfläche 2 des Bedruckstoffes 1 diffus reflektiert. Der reflektierte Teilstrahl 12 und ein aus der Lackschicht 3 austretender Teilstrahl 13 enthalten Licht der Polarisationsrichtung 9 und einer dazu senkrecht stehenden Polarisationsrichtung 14. Die Teilstrahlen 10, 13 werden mit einem optischen System 15 auf einen Strahlenteiler 16 geführt. Als Strahlenteiler 16 ist ein halbdurchlässiger Spiegel vorgesehen, der einen Teil des Teilstrahles 13 hindurchläßt und den Teilstrahl 10 und einen Teil der Teilstrahles 13 reflektiert. Die am Strahlenteiler 16 reflektierten Teilstrahlen 17, 18 werden mittels eines weiteren Spiegels 19 nochmals abgelenkt, so daß die am Spiegel 19 reflektierten Teilstrahlen 20, 21 und der durch den Strahlenteiler 16 hindurchgehende Teilstrahl 22 parallel verlaufen. Im Strahlengang der Teilstrahlen 21, 22 ist optional zur Angleichung der Intensitäten ein Graufilter 23 und ein erster Analysator 24 vorgesehen. Im Strahlengang des Teilstrahls 22 ist ein zweiter Analysator 25 angeordnet, dessen Polarisationsrichtung senkrecht zu der des Analysators 24 steht. Die Polarisationsrichtung des ersten Analysators 24 steht senkrecht zur Einfallsebene des Meßlichtsstrahles 5.

Vorteilhaft kann die optische Anordnung für den Tellstrahl 22 nach dem Strahlteiler 16 so gewählt werden, daß die optischen Weglängen der Strahlen 20, 21 und 16 gleich sind, damit eine einheitliche Bildebene für beide optische Wege der Strahlen entsteht. Dies kann z. B. durch zusätzliche Spiegel erfolgen.

Nach Durchgang der Teilstrahlen 20, 21, 22 durch die Analysatoren 24, 25 trifft das Licht auf Fotoempfänger, die in einer Empfängerebene 26 angeordnet sind. Als Fotoempfänger sind alle bekannten Empfänger einsetzbar, die eine Messung des Abstandes der Intensitätsmaxima oder Schwerpunkte der Teilstrahlen 20, 21 und des Teilstrahls 22 in der Empfängerebene 26 gestatten. Als Beispiele seien CCD-Zeilenempfänger oder Quadrantensensoren genannt. Es kann genau ein Empfänger zum Detektieren der Intensitätsmaxima vorgesehen sein oder zwei Empfänger, die einen definierten Abstand zueinander aufweisen und deren Empfindlichkeit an die jeweilige Intensität anpaßbar ist.

Wie mit einer derartigen Anordnung die Messung der Dicke der Lackschicht 3 vorgenommen werden kann, soll nachstehend beschrieben werden:

Mit Hilfe der Blende 6 und der Beleuchtungsoptik 7, die zur Verkleinerung der nötigen Empfängerfläche eine Zylinderlinse enthalten kann, wird der Meßlichtstrahl 5 in Form einer schmalen Linie auf die Oberfläche der Lackschicht 3 projiziert. Die Linie liegt senkrecht zur Einfallsebene des Meßlichtstrahles 5. Die Linie bewirkt eine Mittelung der durch die Rauhigkeit der Oberfläche 2 des Bedruckstoffes 1 bedingten Schwankung der Schichtdicke d und Lage der Reflexe in der Empfängerebene 22, ohne daß senkrecht dazu die Auflösung der Reflexe beeinträchtigt wird. Bei Messung der Schichtdicke d wird die Tatsache ausgenutzt, daß der Meßlichtstrahl 5 von der Oberfläche der Lackschicht 3 und der Oberfläche 2 des Bedruckstoffes 1 in unterschiedlicher Art und Weise gestreut bzw. reflektiert wird. Falls der Meßlichtstrahl 5 unter dem Brewster-Winkel auf die Oberfläche 2 fällt, dann wird von der glatten, reflektierenden Oberfläche der Lackschicht nur ein Teilstrahl 10 mit einer Polarisationsrichtung parallel zur Oberfläche 2 bzw. senkrecht zur Einfallsebene des Meßlichtstrahles 5 reflektiert, während der Teilstrahl 11 bei der Streuung an der Oberfläche 2 des Bedruckstoffes 1 seine Polarisation verliert, so daß in den Teilstrahlen 12 und 13 alle Polarisationsrichtungen enthalten sind. Das auf die Empfänger fallende Licht enthält somit nach Durchtritt durch die Analysatoren 24, 25 in den Teilstrahlen 17, 18 bzw. 20, 21 Licht mit einer Polarisationsrichtung 9 senkrecht zur Einfallsebene des Meßlichtstrahles 5, dessen überwiegender, in Kurve 27 dargestellter Anteil, von der Oberfläche der Lackschicht 3 ausgeht und dessen geringerer, in Kurve 28 dargestellter Anteil, aus dem Streulicht von der rauhen Oberfläche 2 des Bedruckstoffes 1 stammt. Die Kurven 27, 28 zeigen die Lichtintensitäten in den Teilstrahlen 20, 21, wobei die gestrichelt dargestellte Kurve 29 die Summe der Lichtintensitäten aus den Teilstrahlen 20, 21 beeinhaltet.

Die Kalibrierung der Anordnung erfolgt durch Messung auf einer nicht lackierten Fläche des Bedruckstoffes 1. Die Auswertung der Abstände der Intensitätsmaxima in den Teilstrahlen 21, 22 ergibt einen Referenzabstand (X₀). Bei Messung mit einer Lackschicht d verschiebt sich das Intensitätsmaximum im Strahlengang nach dem ersten Analysator 24 so, daß sich ein Abstand (X₀ + K _* d) ergibt. Dabei ist k eine Konstante, die aus der Geometrie der optischen Elemente und der Brechzahl der Lackschicht 3 ermittelt werden kann. Aus dem Referenzabstand (X₀) und dem Wert (S : X₀ + K _* d) läßt sich mittels einer nicht dargestellten Auswerteeinrichtung die Dicke d bestimmen zu:

Das Graufilter 23 kann dazu verwendet werden, die starken Intensitätsunterschiede in den Teilstrahlengängen 20, 21 zu dem Licht im Teilstrahlengang 22 auszugleichen, wodurch sich eine verbesserte Meßdynamik ergibt. Auch Einrichtungen zur Beleuchtungsregelung und zur Integrationszeitsteuerung von CCD-Empfängerelementen können zur Verbesserung der Dynamik verwendet werden.

Bezugszeichenliste

1 Bedruckstoff
2 Oberfläche
3 Lackschicht
d Dicke
4 Lichtquelle
5 Meßlichtstrahl
6 Blende
7 Beleuchtungsoptik
8 Polarisator
9 Polarisationsrichtung
10 Teilstrahl
11, 12, 13 Teilstrahl
14 Polarisationsrichtung
15 optisches System
16 Strahlenteiler
17, 18 Teilstrahlen
19 Spiegel
20, 21, 22 Teilstrahlen
23 Graufilter
24, 25 Analysator
26 Empfängerebene
27, 28, 29 Kurven

Claims

1. Anordnung zum Messen der Dicke einer transparenten Beschichtung auf einem Druckerzeugnis,

- bestehend aus einer Beleuchtungsvorrichtung, die einen schräg einfallenden Meßlichtstrahl an einem definierten Meßort auf der Oberfläche des Druckerzeugnisses erzeugt,
- und bestehend aus einer opto-elektronischen Meßeinrichtung für den Abstand der an der Beschichtung und an der Oberfläche des Druckerzeugnisses reflektierten Meßlichtstrahlen,

dadurch gekennzeichnet,

- daß im einfallenden Meßlichtstrahlengang (5) ein linearer Polarisator (8) vorgesehen ist, dessen Polarisationsrichtung (9) im wesentlichen senkrecht zur Einfallsebene steht,
- und daß im reflektierten Meßlichtstrahlengang (10, 13) ein Strahlenteiler (16) vorgesehen ist, wobei in einem ersten, am Strahlenteiler (16) reflektierten Teilstrahlengang (17, 18, 20, 21) ein Ablenkspiegel (19) und ein erster Analysator (24) und in einem zweiten, durch den Strahlenteiler (16) hindurchgehenden Teilstrahlengang (22) ein zweiter Analysator (25) installiert sind, wobei die optischen Achsen des am Ablenkspiegel umgelenkten Teilstrahlenganges (20, 21) und des zweiten Teilstrahlenganges (22) parallel zueinander verlaufen, die Polarisationsrichtungen der Analysatoren (24, 25) senkrecht aufeinander stehen und die Polarisationsrichtung des ersten Analysators (24) senkrecht zur Einfallsebene des Meßlichtstrahles (5) liegen.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Strahlenteiler (16) ein halbdurchlässiger ebener Spiegel vorgesehen ist.

3. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Strahlenteiler (16) ein Polarisationsstrahlenteiler, z. B. in Form eines doppelbrechendes Prismas vorgesehen ist.

4. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die optischen Weglängen im reflektierten Meßlichtstrahlengang (10, 17, 20; 11, 12, 13, 18, 21) im wesentlichen gleich sind.