DE8528346U1 - Device for online measurement of transmission or reflection on moving objects in the range of detectable electromagnetic radiation - Google Patents
Device for online measurement of transmission or reflection on moving objects in the range of detectable electromagnetic radiationInfo
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Description
Vorrichtung zur on-line-Messung von
Transmission oder Reflexion an bewegten Objekten im
Bereich detektierbarer elektromagnetischer StrahlungDevice for on-line measurement of
Transmission or reflection on moving objects in the
Range of detectable electromagnetic radiation
Die Neuerung betrifft eine Transmissions- und/oder Reflexions-Meßvorrichtung
bzw. ein Photometer, insbes. zur automatischen Endkontrolle oder Qualitätsprüfung von vakuumbeschichteten
Scheiben (Flachglas) oder ähnlichen Substraten hinsichtlich der Gleichmäßigkeit aufgetragener dünner Schichten (Beschichtungen)
und der Einhaltung vorgegebener Transmissions- und Reflexionstoleranzen für festgelegte Wellenlängen bzw. verschiedene
Farben.The innovation concerns a transmission and/or reflection measuring device or a photometer, in particular for automatic final inspection or quality control of vacuum-coated
Panes (flat glass) or similar substrates with regard to the uniformity of applied thin layers (coatings) and compliance with specified transmission and reflection tolerances for specified wavelengths or different
Colors.
Zur Erzielung vorgegebener optischer Eigenschaften, z.B. der
Vergütung von Glasscheiben, werden auf Grundkörper geeignete
Materialien in dünnen Schichten aufgebracht. Die Kontrolle der erreichten Transmissions- oder Reflexionseigenschaften erfolgt
üblicterweise lokal begrenzt und, meist stichprobenweise,
off-line. Dazu werden in der Regel vorbereitete Proben oder
Prüfkörper des zu charakterisierenden oder zu prüfenden Materials in das Meßvolumen von Labor-Photometern gebracht. Diese
Photometer bestehen aus optischen Anordnungen mit einer Lichtquelle,
die den erforderlichen Wellenlängenbereich abdeckt.
Linsen zur MeßStrahlbündelung und -richtung, einem Chopper,
z.B. einer Chopperscheibe, gegebenenfalls einem Strahlenteiler
im Meßstrahlengang hinter der Prüfkörperposition zur Teilung
des Meßstrahls, Filtern oder optischen Gittern zur AusfilterungTo achieve specified optical properties, e.g.
Coating of glass panes, suitable
Materials are applied in thin layers. The control of the achieved transmission or reflection properties is usually carried out locally and, usually on a random basis,
off-line. Usually, prepared samples or
Test specimens of the material to be characterized or tested are placed in the measuring volume of laboratory photometers. These photometers consist of optical arrangements with a light source that covers the required wavelength range.
Lenses for beam bundling and direction, a chopper,
e.g. a chopper disk, if necessary a beam splitter in the measuring beam path behind the test specimen position for division
of the measuring beam, filters or optical gratings for filtering
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einer vorbestimmten Meßlichtwellenlänge hinter dem Prüfkörper, Detektoren zur Erzeugung eines der Intensität des Meßstrahls proportionalen Meßsignals, und Detektorverstärkern zur Verstärkung des Meßsignals der Detektoren und aus einer Schaltung zur anschließenden analogen Signalauswertung. Der Einsatz solcher Photometer zur on-line-Kontrolle von Transmissionen oder Reflexionen an bewegten Objekten ist bisher nicht möglich.a predetermined measuring light wavelength behind the test object, detectors for generating a measuring signal proportional to the intensity of the measuring beam, and detector amplifiers for amplifying the measuring signal of the detectors and a circuit for subsequent analog signal evaluation. The use of such photometers for online control of transmissions or reflections on moving objects is not yet possible.
Messungen an Randzonen der zu prüfenden Proben oder Prüfkörper sind ausgeschlossen. Die lokalen Auflösungen in ausgedehnten Meßzonen sind nur gering. Die Genauigkeit der Messung wird wegen der üblicherweise verwendeten Wechselspannungsverstärker durch die Stabilität der Chopp-Frequenz festgelegt. Diese Stabilitätsanforderung ist unter industriellen Betriebsbedingungen nur schwer zu erfüllen.Measurements at the edge zones of the samples or test objects to be tested are not possible. The local resolutions in extended measuring zones are low. The accuracy of the measurement is determined by the stability of the chopping frequency due to the AC amplifiers usually used. This stability requirement is difficult to meet under industrial operating conditions.
Weitere Einschränkungen für konventionelle Photometer ergeben sich im Produktionsprozeß durch unvermeidliche Verschmutzungen, die die optischen Bauelemente bedroht, durch Drift als Folge äußerer Einflüsse, wie z.B. Temperatur- und Spannungsschwankungen etc., sowie Alterungserscheinungen von Lampen, Detektoren und anderen Bauelementen.Further limitations for conventional photometers arise in the production process due to unavoidable contamination that threatens the optical components, drift as a result of external influences such as temperature and voltage fluctuations, etc., as well as signs of aging of lamps, detectors and other components.
Der Neuerung liegt die Aufgabe zugrunde, die photometrische Messung der Transmission von oder Reflexion an Prüfkörpern oder Meßobjekten, insbes. beschichteten Gläsern oder Substraten, im Bereich detektierbarer, elektromagnetischer Strahlung, insbes. Licht, zur Bestimmung oder Qualitätskontrolle der zu prüfenden Proben vorrichtungsgemäß so auszugestalten, daß sie unter Produktionsbedingungen im on-line-Betrieb an bewegten Objekten langzeitlich zuverlässig einsetzbar wird.The innovation is based on the task of designing the photometric measurement of the transmission of or reflection on test specimens or measuring objects, in particular coated glasses or substrates, in the range of detectable electromagnetic radiation, in particular light, for the determination or quality control of the samples to be tested in such a way that it can be used reliably over the long term under production conditions in online operation on moving objects.
Eine Vorrichtung (Photometer), die diese Aufgabe löst, ist mit ihren Ausgestaltungen in den Schutzansprüchen gekennzeichnet und anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert.A device (photometer) that solves this problem is characterized with its configurations in the protection claims and explained in more detail using an embodiment.
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Das Photometer nach der Neuerung ist im on-line-Betrieb in der Lage, die erforderlichen Messungen am bewegten Objekt schnell auszuführen, unabhängig von Schwankungen der Chopper-Frequenz zuverlässig zu detektieren, alle eventuellen Störparameter wie Streustrahlung (Restlicht) , Drift einschließlich Alterung und/oder kontinuierliche Verschmutzung zu eliminieren, am bewegten Objekt die Begrenzungen selbständig zu erkennen, um den Meßvorgang abzugrenzen, sowie auf die Begrenzungen bezoge-iie Meßpositionen automatisch auszuarbeiten.The photometer after the innovation is in online operation able to quickly carry out the required measurements on the moving object, to reliably detect them regardless of fluctuations in the chopper frequency, to eliminate all possible interference parameters such as scattered radiation (residual light), drift including aging and/or continuous contamination, to independently recognize the boundaries on the moving object in order to limit the measuring process, and to automatically work out the measuring positions related to the boundaries.
Die erzeugten Meßsignale werden unmittelbar am Ausgang jedes Detektorverstärkers durch schnelle Analog-Digital-Wandlung numerisch erfaßt und anschließend ausschließlich digital durch Spitzenwerterfassung kombiniert mit Mittelung jeweils innerhalb von wenigstens zwei Chopperperioden zu einem Transmissionsoder Reflexionsmeßwert zweistufig weiterverarbeitet. Als Referenz für die Verhältnisbildung (die Transmission und die Reflexion sind Verhältniszahlen) dient der einer vorhergehenden Chopperperiode gemessene Absolutwert der Lichtintensität am Detektor. Die numerische Mittelung des Meßsignals erfolgt in an sich bekannter Weise, so daß die tatsächlichen Meßwerte J(t.) ersetzt werden durch gemittelte Meßwerte J*(t.) entsprechendThe measurement signals generated are recorded numerically directly at the output of each detector amplifier by means of fast analog-digital conversion and then processed exclusively digitally by peak value detection combined with averaging within at least two chopper periods to form a transmission or reflection measurement value in two stages. The absolute value of the light intensity measured at the detector in a previous chopper period serves as a reference for the ratio formation (the transmission and the reflection are ratios). The numerical averaging of the measurement signal is carried out in a known manner, so that the actual measurement values J(t.) are replaced by averaged measurement values J*(t.) in accordance with
J* (T.) = &Sgr; J (ti+j) (DJ* (T.) = Σ J (ti+j) (D
2k+1 j-k 2k+ 1jk
Die Anzahl der bei der Mittelung jeweils einbezogenen Meßpunkte k wird über die Meßfrequenz f aus der minimalen Plateaubreite b so bestimmt, daß die Anzahl k der in die Mittelung einbezogenen Meßwerte weniger oder allenfalls die Hälfte der Plateaubreite b besetzen. Dadurch wird sichergestellt, daß bei trapezförmigen Detektorsignalen (als Folge der üblichen Ausgestaltung der Chopperscheibe) die Höhenlage des Plateaus bei wenigstens einem Wert richtig nachgebildet wird und Störungen gleichzeitig mitThe number of measurement points k included in the averaging is determined from the minimum plateau width b using the measurement frequency f so that the number k of measurement values included in the averaging occupy less than or at most half of the plateau width b. This ensures that with trapezoidal detector signals (as a result of the usual design of the chopper disk) the height of the plateau is correctly reproduced for at least one value and disturbances are simultaneously
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dem Dämpfungsfaktor Dthe damping factor D
D = (2)D = (2)
2k+l2k+l
abgeschwächt werden.be weakened.
Zur angestrebten Spitzenwerterfassung wird diese Methode auf wenigstens eine Chopperperiode l/f_ angewendet, so daß unabnängig vom zeitlichen Startpunkt das Maximum und das Minimum eindeutig erfaßbar werden. Die Differenz aus Maximum und Minimum liefert die gesuchte Intensitätsdifferenz AJ.To achieve the desired peak value detection, this method is applied to at least one chopper period l/f_, so that the maximum and minimum can be clearly detected regardless of the starting point in time. The difference between the maximum and the minimum provides the required intensity difference AJ.
Die Meßfrequenz f (Wiederholungsrate der Messungen) wird daher im günstigsten Fall die Chopperfrequenz f erreichen. Dabei sind Schwankungen Af der Chopperfrequenz ohne Einfluß auf das Meßergebnis, solange die tatsächliche Chopperfrequenz (f + Af ) unterhalb der Frequenz bleibt, bei der (2k+l) Meßpunkte gerade die Hälfte der Plateaubreite ausmachen.The measurement frequency f (repetition rate of the measurements) will therefore, in the best case, reach the chopper frequency f. Fluctuations Af in the chopper frequency have no influence on the measurement result as long as the actual chopper frequency (f + Af) remains below the frequency at which (2k+l) measurement points make up just half the plateau width.
Die numerische Bestimmung der Transmission T arbeitert zweistufig. In der ersten Stufe werden im gechoppten, freien Strahlengang (kein Meßobjekt vorhanden) die aktuelle Choppfrequenz f bestimmt, die zugehörige MeßzeitThe numerical determination of the transmission T works in two stages. In the first stage, the current chopping frequency f is determined in the chopped, free beam path (no measuring object present), the corresponding measuring time
T meSs> Tchopp + ATchopp sowie die Breite der Hell/Dunkel-Plateaus b gemessen und daraus das Mittelungsintervall als die Anzahl der bei der Mittelung einzubeziehenden Meßpunkte k hergeleitet und anschließend mit der Mittelwertbildung die Spitzenwerterfassung zur Bestimmung der ungeschwächten Intensität I = AJ als Normierungsgröße abgeschlossen. T m e S s> T chopp + AT chopp and the width of the light/dark plateaus b are measured and from this the averaging interval is derived as the number of measuring points k to be included in the averaging and then the peak value detection is completed with the averaging to determine the unattenuated intensity I = AJ as a standardization value.
In der zweiten Stufe befindet sich das Meßobjekt im Strahlengang, so daß nach analoger Durchführung der mittelnden Spitzenwertbestimmung die durch die Probe geschwächte Intensität I = AJ bestimmt wird und mit der aus der ersten Stufe bekannten Normierungsgröße I die gesuchte Transmission T=I/I digital berechnet wird.In the second stage, the measuring object is in the beam path, so that after analog implementation of the averaging peak value determination the intensity I = AJ weakened by the sample is determined and the required transmission T=I/I is digitally calculated using the standardization quantity I known from the first stage.
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In beiden Stufen wird quasikontinuierlich gemessen. Die automatische Umschaltung von der ersten Stufe in die zweite Stufe kann erfolgen, wenn die aus zwei aufeinanderfolgenden Werten berechnete Transmission T. (oder Reflexion)In both stages, measurements are taken quasi-continuously. Automatic switching from the first stage to the second stage can take place if the transmission T (or reflection) calculated from two consecutive values
I.
T1 = (3)I.
T1 = (3)
einen voreingestellten Schwellwert T unterschreitet. Die in der zweiten Stufe gemessenen Intensitäten I. (n>0) werden danach zur Berechnung der Transmission T. auf eine mit Sicherheit ungestörte Intensität I^ _ (m>0) der ersten Stufe normiert.falls below a preset threshold value T. The intensities I. (n>0) measured in the second stage are then standardized to a certain undisturbed intensity I^ _ (m>0) of the first stage in order to calculate the transmission T.
Die automatische Rückschaltung von der zweiten Stufe in die erste Stufe kann entsprechend erfolgen, wenn der voreingestellte Schwellwert T überschritten wird.The automatic switchback from the second stage to the first stage can take place accordingly if the preset threshold T is exceeded.
Die Neuerung erlaubt schnelle Messungen auch in Randzonen der Prüfkörper und erreicht hohe Auflösungen in ausgedehnten Meßzonen, wobei die Chopperperiode keinen besonderen Stabilitätsanforderungen genügen muß. Dabei kann vor jeder Messung eine Kalibrierung vorgenommen werden und können Ränder (oder Höhen) von Prüfkörpern, z.B. zur automatischen Festlegung von Meßpositionen, erkannt werden. Wegen der hohen Meßgeschwindigkeit sind Transportgeschwindigkeiten der Prüfkörper bis zu 40 m/min bei 5 cm Prüfkörperabstand möglich. Es lassen sich platzsparende Doppeldetektoren mit den Standardwellenlängen 550 nm (grün), 660 nm (rot) und 2000 nm (infrarot) verwenden. Eine Streulichtkompensation ist möglich.The innovation allows fast measurements even in the edge zones of the test specimens and achieves high resolutions in extended measuring zones, whereby the chopper period does not have to meet any special stability requirements. Calibration can be carried out before each measurement and edges (or heights) of test specimens can be detected, e.g. for automatically determining measuring positions. Due to the high measuring speed, transport speeds of the test specimens of up to 40 m/min are possible at a distance of 5 cm between the test specimens. Space-saving double detectors with the standard wavelengths 550 nm (green), 660 nm (red) and 2000 nm (infrared) can be used. Stray light compensation is possible.
Mit der Neuerung läßt sich dip .htdurchlässigkeit (Transmission) für Licht verschiedener Farben (Wellenlängen) an mehreren Stellen einer Scheibe schnell on-line bestimmen, so daß diese Werte auf Einhaltung vorgebbarer Toleranzen überprüft werden können. Die Messung kann mit automatischer Begrenzungs-With this innovation, dip .httransmission for light of different colors (wavelengths) can be determined quickly online at several points on a pane, so that these values can be checked for compliance with specified tolerances. The measurement can be carried out with automatic limiting.
■ ■ · t &igr;■ ■ · t &igr;
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oder Randerkennung auch kontinuierlich an besonders schnell bewegten, aufeinanderfolgenden Scheiben on-line erfolgen.or edge detection can also be carried out continuously online on particularly fast-moving, successive panes.
Die elektrisch gewonnenen Meßergebnisse können auf einem Bildschirm als Zahlwerte innerhalb der schematisierten Scheibenkonturen an den jeweiligen Meßorten (unten, Mitte, oben) dargestellt werden. Die Größenverhältnisse der Scheiben und die zugehörigen Meßpositionen können so reproduziert sein, <^.aß für den Benutzer die Zuordnung der Meßwerte zu den Meßobjekten unmittelbar gegeben ist.The electrically obtained measurement results can be displayed on a screen as numerical values within the schematic disk contours at the respective measurement locations (bottom, middle, top). The size ratios of the disks and the associated measurement positions can be reproduced in such a way that the user can immediately assign the measurement values to the measurement objects.
Die gemessenen Werte können kommentiert mit ergänzenden Informationen über Glastyp, Charge, Datum, Uhrzeit, etc., auf einen Protokolldruck ausgegeben werden.The measured values can be commented on with additional information about glass type, batch, date, time, etc. and printed out on a protocol printout.
Ein Ausführungsbeispiel der Neuerung ist mit weiteren Ausgestaltungen anhand einer Zeichnung näher erläutert, in der zeigt:An example of the innovation is explained in more detail with further refinements using a drawing, which shows:
Fig. 1 eine schematische Darstellung eines neuerungsgemäßen Meßgeräts undFig. 1 is a schematic representation of a measuring device according to the innovation and
Fig. 2 ein Zeit-Intensitäts-Diagramm des an der Detektoreinheit anstehenden Meßsignals.Fig. 2 shows a time-intensity diagram of the measuring signal at the detector unit.
Das Meßgerät umfaßt eine Lichtquelle 1 und eine Detektoreinheit 5 zur Ausmessung eines zwischen sie in den Meßlichtstrahl 2 eingebrachten Prüfkörpers oder Keßobjekts 3. Gelangt ein Prüfkörper 3, z.B. eine Glasscheibe, in Richtung des Pfeils 6 in den Meßlichtstrahl 2 zwischen Lichtquelle 1 und Detektoreinheit 5 wird die Intensität des Lichts vom Ausgangswert I auf den Wert I geschwächt. Gemessen wird die über T=I/I definierteThe measuring device comprises a light source 1 and a detector unit 5 for measuring a test body or object 3 placed between them in the measuring light beam 2. If a test body 3, e.g. a pane of glass, enters the measuring light beam 2 between the light source 1 and the detector unit 5 in the direction of arrow 6, the intensity of the light is reduced from the initial value I to the value I. The value defined by T=I/I is measured.
Transmission der Glasscheibe für verschiedene Wellenlängen X. Als Lichtquelle dient die 6V, 6W Glühlampe 11. Sie kann in bestimmten Fällen durch eine Laser-Lichtquelle zu ersetzen sein. Sie wird mit 5V+0#01V Gleichspannung versorgt. Durch den Betrieb mit Unterspannung wird zum einen die Lebensdauer derTransmission of the glass pane for different wavelengths X. The light source is the 6V, 6W light bulb 11. In certain cases it can be replaced by a laser light source. It is supplied with 5V+0 # 01V direct current. By operating with low voltage, the service life of the
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Glühlampe verlängert, zum anderen das Maximum der spektralen Verteilung der Glühlampe 11 weiter zum Infraroten hin verschoben. Das Licht der Glühlampe 11 wird mit einer bikonvexen Sammellinse 12 mit einer Brennweite f.=40 mm parallel auf die Eintrittsöffnung einer Detektoreinheit 5 gerichtet. Dabei wird es durch eine zweiflügelige, rotierende Chopperscheibe 13 periodisch unterbrochen. Diese Chopperscheibe 13 wird durch einen Gleichstrommotor 14 in Rotation versetzt und dreht sich mit ca. 25 s~ . Die Drehzahl wird unter Verwendung eines Motorregler-IC's, z.B. TDAl559, stabilisiert. Der aus der Lichtquelle 1 austretende Meßlichtstrahl 2 wird somit periodisch mit ca. 50 Hz gechoppt.light bulb is extended, and on the other hand the maximum of the spectral distribution of the light bulb 11 is shifted further towards the infrared. The light from the light bulb 11 is directed parallel to the entrance opening of a detector unit 5 using a biconvex collecting lens 12 with a focal length f.=40 mm. It is periodically interrupted by a two-winged, rotating chopper disk 13. This chopper disk 13 is set in rotation by a DC motor 14 and rotates at approx. 25 s~. The speed is stabilized using a motor controller IC, e.g. TDAl559. The measuring light beam 2 emerging from the light source 1 is thus periodically chopped at approx. 50 Hz.
In der gezeigten Anordnung durchdringt der gechoppte Meßlichtstrahl 2 den Probenkörper 3 und gelangt zur Transmissionsmessung in die Detektoreinheit 5. Zur Reflexionsmessung passiert der MeßlicAtst^ahl 2 vor dem Prüfkörper zunächst einen in den und aus dem ätr hlengang schwenkbaren zusätzlichen Spiegel 4, wird dann am Prüfkörper 3 reflektiert und gelangt dann durch Reflexion am Spiegel 4 zu einer anderen, nicht dargestellten, mit der Detektoreinheit 5 identischen Detektoreinheit.In the arrangement shown, the chopped measuring light beam 2 penetrates the sample body 3 and reaches the detector unit 5 for transmission measurement. For reflection measurement, the measuring light beam 2 first passes an additional mirror 4 in front of the test body that can be swiveled in and out of the tube passage, is then reflected on the test body 3 and then reaches another detector unit (not shown) that is identical to the detector unit 5 by reflection on the mirror 4.
Zur Reduzierung von Streulichteinflüssen auf den das Meßsignal enthaltenden Durchlichtmeßstrahl 52 ist eingangsseitig ein Lichtschutztubus 51 vorgesehen. Der vom Probenkörper 3 kommende Durchlichtmeßstrahl 52 gelangt nach Durchtritt durch den Lichtschutztubus 51 auf einen weiteren unter 45° zur Strahlrichtung angeordneten Strahlteiler 53. Der abgelenkte Teil des DurchlichtmeBstrahls 56 trifft auf einen weiteren, ebenfalls unter 45° zur Strahlrichtung angeordneten Spiegel 54. Der Strahlteiler 53 ist dabei eine Strahlteilerplatte mit einem Intensitätsteilungsverhältnis von 50:50 zwischen Transmission und Reflexion. Der Spiegel 54 ist ein total reflektierender Vorderflächen-Planspiegel. Die den Strahlenteiler 53 und den Spiegel 54 verlassenden Meßlichtstrahlen 55 und 56 gelangen danach je auf ein Interferenzfilter 57 und 58, die nur gefil-To reduce the influence of stray light on the transmitted light measuring beam 52 containing the measuring signal, a light protection tube 51 is provided on the input side. The transmitted light measuring beam 52 coming from the sample body 3 passes through the light protection tube 51 to another beam splitter 53 arranged at 45° to the beam direction. The deflected part of the transmitted light measuring beam 56 hits another mirror 54, also arranged at 45° to the beam direction. The beam splitter 53 is a beam splitter plate with an intensity division ratio of 50:50 between transmission and reflection. The mirror 54 is a totally reflective front surface plane mirror. The measuring light beams 55 and 56 leaving the beam splitter 53 and the mirror 54 then reach an interference filter 57 and 58, which are only filtered.
&igr; ■ · ■ a t &igr; t t &igr;&igr; ■ · ■ a t &igr; t t &igr;
- 8 - 5S- 8 - 5S
terte Durch licht strahlen 59 und 60 der gewünschten Wellenlänge X1 und X2 passieren lassen. Diese einfarbigen DurchlichtmeEstrahlen 59 und 6D werden mittels weiteren bikonvexen Sammellinsen 61 und 62 auf die aktiven Flächen von Sensoren bzw. Detektoren 63 und 64 fokussiert. Die Sammellinsen 61 und 62 weisen für die Wellenlängen X1 und X2 die Brennweiten £„ und f_ auf. Den Detektoren 63 und 64 unmittelbar nachgeschaltet sind Strom-Spannungswandler als Detektorverstärker 65 und 66, die auf die Detektoren 63 und 64 eingestrahlten Intensitäten proportionale Ströme in genormte Spannungen U1 und U2 (0...+10V) liefern. Sie bestehen aus zweistufigen, gleichspannungsmaBig gekoppelten Verstärkerstufen auf Basis eines Operationsverstärkers, z.B. AD547JH. Durch die Aufteilung des aus dem Prüfkörper 3 austretenden Meßlichtstrahls 52 in zwei monochrome Meßlichtstrahlen 59 und 60 können vom selben Meßort aus zwei Messungen mit unterschiedlicher Wellenlänge durchgeführt werden. Die Aufteilung des Meßstrahls 52 kann auch in &eegr; weitere Meßstrahlen erfolgen, die jeweils durch ein Filter anderer Wellenlänge auf einen Detektor fallen, so daß auch eine räumliche Prüfung der Beschichtung des Prüfkörpers am Meßort erfolgen kann, weil die neobachtungs- und Abbildungspunkte der einzelnen Lichtfrequenzen unterschiedliche Abstände von den Abbildungslinsen 61, 62 haben.transmitted light beams 59 and 60 of the desired wavelength X 1 and X 2 are allowed to pass through. These single-colour transmitted light beams 59 and 60 are focused onto the active surfaces of sensors or detectors 63 and 64 by means of further biconvex collecting lenses 61 and 62. The collecting lenses 61 and 62 have the focal lengths £„ and f_ for the wavelengths X 1 and X 2. Immediately downstream of the detectors 63 and 64 are current-voltage converters as detector amplifiers 65 and 66, which supply currents proportional to the intensities radiated onto the detectors 63 and 64 in standardised voltages U 1 and U 2 (0...+10V). They consist of two-stage, DC-coupled amplifier stages based on an operational amplifier, e.g. AD547JH. By dividing the measuring light beam 52 emerging from the test body 3 into two monochrome measuring light beams 59 and 60, two measurements with different wavelengths can be carried out from the same measuring location. The measuring beam 52 can also be divided into n further measuring beams, each of which falls onto a detector through a filter of a different wavelength, so that a spatial test of the coating of the test body can also be carried out at the measuring location, because the observation and imaging points of the individual light frequencies are at different distances from the imaging lenses 61, 62.
Für die Wellenlängen X1, ?.2 im Bereich des sichtbaren Lichtes werden Silicium-Photoöioden als Detektoren 63 und 64 verwendetFor the wavelengths X 1 , ?. 2 in the visible light range, silicon photodiodes are used as detectors 63 and 64.
(z„ B. fype OSD 15-5T). Für X1 im nahen Infrarot (X1 =2000 mn) wird ein InAs-Detektor (Indium-Arsenid-Photodiode) verwendet (z.B. Type J12-5, 2 mm). Zusätzlich wird eine beidseitig polierte, 3 mm starke Si(111)-Scheibe als Strahlteilerplatte 53 eingesetzt, die für X. =2000 run hohe Transmission, für sichtbares Licht jedoch hohe Reflexion aufweist. Diese Anordnung erlaubt gleichzeitig zur Messung im sichtbaren Lichtbereich eine sehr schnelle Messung im Infrarotlichtbereich.(e.g. fype OSD 15-5T). For X 1 in the near infrared (X 1 =2000 nm) an InAs detector (indium arsenide photodiode) is used (e.g. type J12-5, 2 mm). In addition, a 3 mm thick Si(111) disk polished on both sides is used as a beam splitter plate 53, which has high transmission for X. =2000 nm, but high reflection for visible light. This arrangement allows very fast measurement in the infrared light range at the same time as measurement in the visible light range.
ti·· It * · ' *ti·· It * · ' *
- 9 - 59 - 9 - 59
Jedem Detektorverstärker 65 und 66 ist ein Analog-Digital-Wandler 70 bzw. 71 unmittelbar nachgeordnet, der das an dessen Ausgang anstehende analoge Meßsignal in ein digitalisiertes Meßsignal umwandelt. An die A/D-Wandler 70 und 71 ist ein Prozeßrechner 75 angeschlossen, der aus den digitalisierten Meßwerten die gesuchte Transmission oder Reflexion nach dem erläuterten Verfahren ermittelt.An analog-digital converter 70 or 71 is arranged directly downstream of each detector amplifier 65 and 66, which converts the analog measurement signal present at its output into a digitized measurement signal. A process computer 75 is connected to the A/D converters 70 and 71, which determines the required transmission or reflection from the digitized measurement values according to the method explained.
Der zeitliche verlauf der HeB- bzw. Ausgangsspannung U1 des Detektorverstärkers 65, der wegen des Choppers 13 trapezförmig und dessen Amplitude der um den Restlichtanteil korrigierten Intensität entspricht, ist schematisch in Fig. 2 dargestellt. Da sich das Restlicht sowohl während der Dunkel- als auch der Hellphase des Choppers 13 in gleicher Weise zum Meßsignal addiert, wird die Amplitude (d.h. die Differenz zwischen oberem und unterem Plateau) nicht verändert. Die minimale Meßzeit ist somit im wesentlichen durch die Chopperfrequenz vorgegeben und beträgt bei 50 Hz nur 20 ms.The time course of the HeB or output voltage U 1 of the detector amplifier 65, which is trapezoidal due to the chopper 13 and whose amplitude corresponds to the intensity corrected for the residual light component, is shown schematically in Fig. 2. Since the residual light is added to the measurement signal in the same way during both the dark and the light phase of the chopper 13, the amplitude (ie the difference between the upper and lower plateau) is not changed. The minimum measurement time is therefore essentially determined by the chopper frequency and is only 20 ms at 50 Hz.
Die gestrichelte Linie 21 in Fig. 2 zeigt den idealisierten Verlauf, wie er sich innerhalb einer Chopperperiode l/f_ darstellt, wenn die öffnungen der Chopperscheibe groß gegenüber der Apertur der bikonvexen Sammellinse 12 sind. Die durchgezogene Linie 22 gibt ein mögliches reales Meßsignal wieder, das gegenüber dem idealisierten Verlauf der Linie 21 zur Verdeutlichung des Verfahrens mit starken Verzerrungen gezeichnet wurde. Die von der Glühlampe 11 herrührende Intensität I(&lgr;,) berechnet sich aus der Differenz der Intensitäten zwischen Hell- und Dunkelphase, also idealisiert aus A-A1. Um den Werten A und A1 bei realem Signal möglichst nahezukommen, wird das Meßsignal beginnend zum Zeitpunkt t mit konstanter Abtastfrequenz f digitalisiert (Punkte 23). Dann werden innerhalb der Meßperiode 1/f die größer oder bestenfalls gleich der Chopperperiode 1/f ist, diese Meßwerte Kt.) durch Mittelwerte J*(t.) ersetzt (Kreuze 24, dargestellt für Mittelung über 3 benachbarte Punkte, d.h. k=l). Die Mittelwertbildung erfolgtThe dashed line 21 in Fig. 2 shows the idealized curve as it appears within a chopper period l/f_ when the openings of the chopper disk are large compared to the aperture of the biconvex collecting lens 12. The solid line 22 represents a possible real measurement signal which has been drawn with strong distortions compared to the idealized curve of line 21 in order to clarify the method. The intensity I(λ,) originating from the light bulb 11 is calculated from the difference in the intensities between the light and dark phases, i.e. idealized from AA 1 . In order to come as close as possible to the values A and A 1 for a real signal, the measurement signal is digitized starting at time t with a constant sampling frequency f (points 23). Then, within the measurement period 1/f, which is greater than or at best equal to the chopper period 1/f, these measured values Kt.) are replaced by mean values J*(t.) (crosses 24, shown for averaging over 3 neighboring points, ie k=l). The averaging is carried out
Il IIIII III
- 10 - 59- 10 - 59
gemäß Gleichung (1)according to equation (1)
1
J* (T.) = &Sgr; J (ti+j) (1)1
J* (T.) = Σ J (ti+j) (1)
2k+1 j-k 2k+ 1jk
d.h. jeweils k Meßpunkte links und rechts des zu bearbeitenden Meßpunktes werden in die Mittelung mit einbezogen, k wird dabei in einer Vorlaufphase aus dem Meßsignal so bestimmt, daß 2k+l Meßpunkte sicher weniger als die Hälfte der Plateaubreiten b und b1 ausmachen. Dadurch wird gewährleistet, daß unabhängig j von t bei f<f grundsätzlich wenigstens einmal 2k+l Meßpunkte auf dem oberen (hellen) und dem unteren (dunklen) Plateau zu liegen kommen.ie k measuring points to the left and right of the measuring point to be processed are included in the averaging, k is determined in a preliminary phase from the measuring signal in such a way that 2k+l measuring points are definitely less than half of the plateau widths b and b 1 . This ensures that, regardless of j of t, at f<f, 2k+l measuring points are always located on the upper (light) and lower (dark) plateau at least once.
Die von der Glühlampe 11 herrührende Intensität I (&lgr;-,) berechnet sich danach näherungsweise durch Spitzenwertbestimmung aus max (I*)-min (I*) = C-C. Durch das geschilderte Mittelungsver- ™ fahren werden die Störeinflüsse wenigstens mit clem Dämpfungsfaktor D=l/(2k+l) (Gleichung 2) unterdrückt. Die Differenz der realen Spitzenwerte B-B' weicht dagegen wesentlich stärker von dem idealen Wert A-A1 ab. Schwankungen der Chopperfrequenz f bleiben so lange ohne Wirkung, wie f < f gilt und 2k+l Meßpunkte immer noch auf wenigstens die Hälfte des Plateaus zu liegenkommen.The intensity I (λ-,) originating from the incandescent lamp 11 is then calculated approximately by determining the peak value from max (I*)-min (I*) = CC. By means of the averaging method described, the interference is suppressed at least with the damping factor D=l/(2k+l) (equation 2). The difference between the real peak values BB', on the other hand, deviates considerably more from the ideal value AA 1. Fluctuations in the chopper frequency f have no effect as long as f < f and 2k+l measuring points still lie on at least half of the plateau.
Die numerische Bestimmung der Transmission T (oder Reflexion) arbeitet zweistufig. In der ersten Stufe wird iin gechoppten, freien Strahlengang (kein Meßobjekt vorhanden) das Meßgerät kalibriert. Es wird dabei die Meßperiode 1/f, das Mittelungsintervall 2k+l sowie die Intensität I entsprechend 100 % Transmission bestimmt. Hierzu wird das Ausgangssignal der Detektorverstärker 65, 66 mit der Abtastfrequenz f über einenThe numerical determination of the transmission T (or reflection) works in two stages. In the first stage, the measuring device is calibrated in a chopped, free beam path (no measuring object present). The measuring period 1/f, the averaging interval 2k+l and the intensity I corresponding to 100% transmission are determined. For this purpose, the output signal of the detector amplifiers 65, 66 with the sampling frequency f is
Zeitraum digitalisiert, der mit Sicherheit größer als die Chopperperiode ist. Dann werden aus diesen Meßwerten Maximum J und Minimum J . bestimmt. Daraus wird der Mittelwertperiod that is certainly longer than the chopper period. Then the maximum J and minimum J are determined from these measured values. From this the mean value is calculated.
- 11 - 59 762- 11 - 59 762
J= (J +J ·&eegr;)/2 gebildet. Das Signal schwankt somit periodisch um diesen Mittelwert. Die Chopperfrequenz f wird aus einer Anzahl &eegr; der mit konstanter Abtastfrequenz f digitalisierten Meßpunkte derart bestimmt, daß die Zählung der Punkte zu dem Zeitpunkt beginnt, zu dem der Mittelwert J„ erstmalig überschritten wird, und die Zählung dann abgeschlossen wird, wennJ= (J +J · &eegr; )/2. The signal thus fluctuates periodically around this mean value. The chopper frequency f is determined from a number &eegr; of the measuring points digitized with a constant sampling frequency f in such a way that the counting of the points begins at the time at which the mean value J” is exceeded for the first time, and the counting is then completed when
nach Unterschreitung des Mittelwertes eine erneute überschreitung erfolgt ist. Es gilt f <f /n. Entsprechend lassen sich dieafter falling below the mean value, the value has been exceeded again. The following applies: f <f /n. Accordingly, the
fr C CLfr C CL
iiäteäübreiteii b und b* üfiu uäiäüö k bestimmen. Die Meß frequenziiäteäübreiteii b and b* üfiu uäiäüö k determine. The measuring frequency
f wird so gewählt, daß, auch bei zu erwartenden Schwankungen von f , f grundsätzlich kleiner f ist. Analog wird bei der Berechnung von k verfahren. Somit liegen alle Größen zur numerischen Bestimmung des I -Wertes mittels der zuvor beschriebenen Spitzenwertbestiiranung in Verbindung mit der Mittelungf is chosen so that, even with expected fluctuations in f , f is generally smaller than f . The same procedure is used for the calculation of k. Thus, all the quantities for the numerical determination of the I value are available using the previously described peak value determination in conjunction with the averaging.
fest und I kann bestimmt werden,
&ogr;fixed and I can be determined,
&ogr;
In der zweiten Stufe befindet sich das Meßobjekt 3 im Strahlengang, so daß nach SpitzenwertbeStimmung mit Mittelung nunmehr die geschwächte Intensität I mit f bestimmt werden kann. Zusammen mit der zuvor bestimmten Normierungsgröße I kann daraus die gesuchte Transmission T=I/I digital berechnet werden.In the second stage, the measuring object 3 is in the beam path, so that after determining the peak value with averaging, the attenuated intensity I can now be determined with f. Together with the previously determined standardization value I, the required transmission T=I/I can be calculated digitally.
In beiden Stufen wird quasi kontinuierlich gemessen. Die automatische Umschaltung von der ersten Stufe zur zweiten Stufe erfolgt, wenn ein Meßobjekt 3 in den Meßlichtstrahl 2 eingebracht wird. Die Rückschaltung erfolgt, wenn das Meßobjekt den Meßlichtstrahl verläßt. Ohne Meßobjekt im Meßlichtstrahl kalibriert sich das Meßgerät also ständig neu. Mit Meßobjekt im Meßlichtstrahl werden kontinuierlich Transmissionen bestimmt und gespeichert. Bei konstanter Geschwindigkeit des Meßobjektes wird somit die Transmission an äquidistanten Meßpositionen auf diesem, z.B. einer Scheibe, gemessen.In both stages, measurements are taken almost continuously. The automatic switchover from the first stage to the second stage occurs when a measuring object 3 is placed in the measuring light beam 2. The switchback occurs when the measuring object leaves the measuring light beam. Without a measuring object in the measuring light beam, the measuring device is constantly recalibrating itself. With a measuring object in the measuring light beam, transmissions are continuously determined and stored. If the measuring object is at a constant speed, the transmission is measured at equidistant measuring positions on it, e.g. a disk.
Die Erkennung, ob sich ein Meßobjekt im Strahlengang befindet, erfolgt entweder durch einen kapazitiven Näherungsschalter, der so angebracht ist, daß er zu jenau dem Zeitpunkt das MeßobjektThe detection of whether a measuring object is in the beam path is carried out either by a capacitive proximity switch, which is mounted in such a way that it detects the measuring object at that precise moment
- 12 - 59- 12 - 59
3 meldet, an dem sich dieses im optischen Strahlengang befindet, oder aber durch die Meßanordnung selbst.3 reports where it is located in the optical beam path, or by the measuring arrangement itself.
Im letzten Fall werden Quotienten &tgr;^~1^1±^&igr; aus aufeinanderfolgenden Intensitäten I., I. . kontinuierlich bestimmt. Unter-In the latter case, quotients τ ^~ 1 ^ 1 ±^&igr; are continuously determined from successive intensities I., I. .
1 1 — 11 1 — 1
Dchreiten T. einen vorgebbaren Schwellwert T , so befindet sicftIf T exceeds a predeterminable threshold value T , then
X SX S
ein Meßobjekt im Strahlengang. Die Transmissionen T. m^m>0) werden mit einem Bezugswert I berechnet, der soweit vor I. gemessen wurde, daB er mit Sicherheit noch nicht, uUxCii diö Rinder des Meßobjekts beeinflußt wurde.a measuring object in the beam path. The transmissions T. m ^ m> 0) are calculated with a reference value I, which was measured far enough before I. that it has certainly not yet influenced the direction of the measuring object.
Die Rückschaltung erfolgt entsprechend, wenn die Transmission den vorgebbaren Schwellwert T überschreitet. Während sich das Meßobjekt im Strahlengang befindet, können kontinuierlich alle Transmissionbwerte abgespeichert werden. Wenn das Meßobjekt den Strahlengang verlassen hat, kann aus der Geschwindigkeit &ngr; des Meßobjektes und der Anzahl der Transmissionswerte sowie der Abtastfrequenz f eine eindeutige örtliche Zuordnung der Trans-The switch-back occurs accordingly when the transmission exceeds the preset threshold value T. While the measuring object is in the beam path, all transmission values can be saved continuously. When the measuring object has left the beam path, a clear local assignment of the transmission can be made from the speed v of the measuring object and the number of transmission values as well as the sampling frequency f.
elel
missionswerte zu den Positionen auf dem Meßobjekt vorgenommen werden. Insbesondere lassen sich Transmissionen in vorgebbaren Bereichen (z.B. den Randbereichen) selektieren oder örtliche Mittelwerte berechnen und auf die Einhaltung von Toleranzvorgaben überprüfen.transmission values to the positions on the measurement object. In particular, transmissions in specified areas (e.g. the edge areas) can be selected or local mean values can be calculated and checked for compliance with tolerance specifications.
Für Anwendungen bei denen die Geschwindigkeit &ngr; z.B. chargenabhängig variiert, kann vorgesehen werden, daß &ngr; aus der Zeitdifferenz zwischen dem Ansprechen von zwei im Abstand d angebrachten kapazitiven Näherungsschaltern automatisch bestimmt wird.For applications where the speed v varies, e.g. depending on the batch, v can be determined automatically from the time difference between the response of two capacitive proximity switches mounted at a distance d.
Claims (3)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| DE8528346U DE8528346U1 (en) | 1985-10-04 | 1985-10-04 | Device for online measurement of transmission or reflection on moving objects in the range of detectable electromagnetic radiation |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| DE8528346U DE8528346U1 (en) | 1985-10-04 | 1985-10-04 | Device for online measurement of transmission or reflection on moving objects in the range of detectable electromagnetic radiation |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| DE8528346U1 true DE8528346U1 (en) | 1987-02-12 |
Family
ID=6785965
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| DE8528346U Expired DE8528346U1 (en) | 1985-10-04 | 1985-10-04 | Device for online measurement of transmission or reflection on moving objects in the range of detectable electromagnetic radiation |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| DE (1) | DE8528346U1 (en) |
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- 1985-10-04 DE DE8528346U patent/DE8528346U1/en not_active Expired
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