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Berücksichtigte
Dokumente:
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Beschreibung:
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Die
Erfindung bezieht sich auf ein optoelektronisches Verfahren und
Messsystem zur berührungslosen
Charakterisierung schnell bewegter Oberflächen und das unabhängig von
der Bewegungsgeschwindigkeit. Zu bestimmende charakteristische Merkmale
der Oberfläche
sind Rauheit, aber auch Periodizitäten und Verteilungsmuster von
Höhen und
Tiefen im Rauheitsprofil.
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Stand der Technik
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Zur
optischen Formvermessung von Oberflächen werden verschiedene Verfahren
genutzt:
- – Das
Streifenprojektionsverfahren, bei dem die Verformung der Lichtstreifen
eines projizierten Streifengitters durch die gekrümmte Oberfläche eines
Messobjekts mit Kameras aufgenommen und ausgewertet wird. Dieses
Verfahren, auf kleine Flächen
angewandt, ist geeignet, z.B. die Textur der menschlichen Haut darzustellen,
aber die Auflösung
reicht nicht aus, die Rauheit einer Oberfläche zu bestimmen.
- – Die
Triangulation als Abstandssensor, mit dem die Oberfläche abgerastert
wird. Auch dieser Sensor bietet nicht die erforderliche Genauigkeit,
um Rauheiten zu messen.
- – Die
optische Kohärenzinterferometrie,
die eine Lichtquelle mit kurzer Kohärenz, zum Beispiel eine Superlumineszenzdiode
(SLD), in Verbindung mit einer Michelson-Interferometeranordnung
benutzt. Hiermit lässt
sich eine typische Auflösung
von 5 μm
axial und 3 μm
lateral erreichen, ebenfalls nicht ausreichend zur Rauheitsmessung.
- – Ein
einfaches Verfahren mit hoher Auflösung basiert auf einem chromatischen,
konfokalen Sensor, mit dem eine Oberfläche abgerastert wird. Dabei
wird Licht einer bestimmten spektralen Bandbreite (Weißlicht einer
Halogenlampe) durch eine Linse, ein Objektiv oder ein diffraktives
Element (Pruss et al. [8]) fokussiert. Die gewünschte chromatische Aberration
des fokussierenden Elements führt
dazu, dass die unterschiedlichen Spektralanteile des Lichtstrahls
mit unterschiedlichen Abstanden zu diesem Element fokussiert werden.
Innerhalb dieses Fokusbereichs wird einem bestimmten Abstand eine
Wellenlange des Lichts zugeordnet. Dabei ist der Fokusabstand des
kurzwelligen Anteils des Spektrums kleiner als der des langwelligen
Anteils [5]. Befindet sich nun die Oberfläche eines Gegenstands innerhalb dieses
Fokusbereichs, dann wird die Wellenlänge mit höchster Intensität reflektiert
oder zurückgestreut,
deren Fokuslage genau mit dem Abstand zur Oberfläche übereinstimmt. Wird nun die
reflektierte oder gestreute Lichtintensität in konfokaler Anordnung über ein
dispersives Element (Prisma oder Gitter) auf ein lineares Detektorarray
geleitet, dann erhält
man durch die Wellenlängenaufspaltung
aus der Lage des Maximums der Intensitätsverteilung auf dem Detektorarray
den genauen Abstand zum Objekt und durch Abrastern des Objekts über die
Abstandsinformation auch die Form des Objekts. Solche Anordnungen
sind in den Schriften [5], [6] und [4] sowie [1] beschrieben.
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Bei
entsprechend guten Fokussiereigenschaften der optischen Anordnung
lassen sich nach dem zuletzt beschriebenen Verfahren auch Rauheiten
von Oberflächen
messen, indem während
des Abrasterns der Oberfläche
die jeweilige Lage des Intensitätsmaximums
auf dem Detektorarray aufgezeichnet und aus den Lageänderungen
die Rauheit des Objekts statistisch berechnet wird. Auf diese Anwendungsmöglichkeit
beziehen sich die Schriften [2] und [7]. In [6] wird mit dieser
Methode die Dicke der Glasschicht eines Rohres durch den Abstand
der spektralen Maxima (von Vorder- und Rückseite) auf dem Array und
die Registrierung dieser Werte beim Drehen des Rohres gemessen.
Außerdem
wird ein Verfahren zum unabhängigen
Kalibrieren des Messkopfes und des Spektrographen aufgezeigt. In
[3] ist eine Variante für
ebenfalls transparente Objekte beschrieben, wobei die Oberfläche erst
metallisiert und dann gemessen wird.
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Aufgabenstellung
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Die
Verfahren zur berührungslosen
Messung der Rauheit von Oberflächen,
wie in den oben angeführten
Patentschriften beschrieben, beziehen sich auf die optisch abgetastete
Abstandsinformation einer Oberfläche
bezüglich
einer Referenzebene (wie auch in [1]), ähnlich wie bei den taktilen
Rauheitssensoren. Aus der Änderung
der Abstandskoordinaten über
den Weg kann die Rauheit berechnet werden.
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Diese
Verfahren eignen sich nicht, um die Rauheit von sehr schnell bewegten
Oberflächen
und unabhängig
von der Geschwindigkeit zu bestimmen. So zum Beispiel zur Bestimmung
der Rauheit von Papieroberflächen
bei der Papierproduktion mit bis zu 50 m/s, um rückgekoppelt in den Herstellungsprozess
eingreifen zu können,
oder zur Qualitätskontrolle
in der Metallindustrie bei der Herstellung von Blechen in den Walzwerken.
Das Registrieren von Abstandskoordinaten ist auch deshalb nicht
geeignet, da die Objekte sich nicht unbedingt in definiertem Abstand
zum Sensor schnell bewegen, sondern leichte Flatterbewegungen ausführen können, die
mit der Oberflächenrauheit
in keiner Beziehung stehen. Außerdem
sind Rechenschritte zur Bestimmung der Rauheit zeitlich zu aufwendig,
um bei schnell bewegten Objekten in kurzen Intervallen die Rauheit
der Oberfläche
für einen
Regelzyklus zur Verfügung
zu stellen.
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Um
diese Aufgabe zu lösen,
wird ein konfokaler, konventioneller Weißlichtsensor mit großer Bandbreite
verwendet, aber jetzt werden nicht beim schnellen Durchbewegen des
Objekts die Abstandswerte zu einer Referenzebene über die
Lage des Intensitätsmaximums
auf dem Array bestimmt, sondern die Intensitätsverteilung auf dem Detektorarray während eines
bestimmten Zeitintervalls, das bei der Geschwindigkeit des Objekts
einer vorgegebenen Distanz entspricht, laufend zu einem Summenspektrum
aufintegriert. Die Form dieses Spektrums ergibt ein Maß für die Rauheit.
Bei großer
Rauheit ist das Spektrum breit, bei geringer Rauheit ist die spektrale Verteilung
des Summenspektrums schmal. Da es bei dieser Betrachtung nur auf
die Form des Spektrums ankommt und nicht auf die genaue Positionierung
auf dem Array, werden keine absoluten Abstandswerte benötigt und
das Verfahren ist unabhängig
von der Geschwindigkeit mit der sich das Objekt bewegt. Aussagen über die
Qualität
der Oberfläche
ergeben sich ebenfalls aus der Form des Spektrums, je nachdem ob
es Schultern, Asymmetrien oder Doppelgipfel aufweist.
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Die
Zeitintervalle für
einen Messzyklus können
beispielsweise durch gepulste Lichtquellen bestimmt werden. Werden
die Zeitintervalle und damit die Messstrecke auf dem Objekt zu lang
für die
Integrationsfähigkeit
des Detektorarrays, dann werden diese Teilsummenspektren in ein
weiteres Speichermedium ausgelesen und dort zum endgültigen Summenspektrum
aufaddiert.
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Flatterbewegungen
des Objekts, die wesentlich langsamer ablaufen als die Messzyklen
für eine bestimmte
Wegstrecke des Objekts, können
durch ein rückgekoppeltes
Nachstellen des Sensorkopfes ausgeglichen werden, indem z.B. die
Lage des Schwerpunktes der spektralen Verteilung auf dem Array konstant
gehalten wird.
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Ausführungsbeispiel
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Das
optische Messsystem zur Bestimmung der Rauheit von Oberflächen, unabhängig von
der Geschwindigkeit der bewegten Oberfläche und entsprechend der Aufgabenstellung,
besteht aus fünf Einheiten,
die in 1 skizziert sind.
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Die
Einheit (10) umfasst die Lichtquelle mit einer definierten
Spektralbreite, die entweder kontinuierlich, getaktet oder wie hier
vorzugsweise gepulst betrieben wird. Der gepulste Betrieb der Lichtquelle,
bis 1 μs
Pulslänge,
ist dann erforderlich, wenn beispielsweise bei einer Oberflächengeschwindigkeit von
50 m/s die Rauheit über
ein kurzes Streckenintervall von 50 μm ermittelt werden soll.
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Die
Einheit (20) beschreibt den Sensorkopf. Das Fokussierelement
(1), Linse (L1), fokussiert die parallel gerichtete elektromagnetische
Strahlung (16) (sichtbares Licht oder IR-Strahlung) auf
die Blende (3), bzw. in die Eintrittsöffnung einer Lichtleitfaser
(4), vorzugsweise einer Monomodefaser. Die flexible Lichtleitfaser
bietet den Vorteil, dass die Elemente (10) und (30)
räumlich
von dem abbildenden Element (20) getrennt werden können.
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Die
Einheit (20), in konfokaler Anordnung, besteht im wesentlichen
aus dem Fokussierelement (5), Linse (L4) oder ein Linsenensemble,
mit definierter chromatischer Aberration, sodass der Abstand Δz zwischen
dem Fokus der kürzesten
Wellenlänge
im angewandten Spektralbereich (z.B. λ1) und dem Fokus der größten Wellenlänge im Spektralbereich
(z.B. λ3)
den Messbereich bestimmt, in dem der Fokus einer definierten Wellenlänge (z.B. λ2, wobei
gilt: λ1 < λ2 < λ3) exakt
auf der zu messenden Oberfläche
zu liegen kommt. Somit wird diese Wellenlange mit der höchsten Intensität zurückgestreut
oder reflektiert. Das Licht dieser Wellenlange wird entweder durch
(5) auf die Blende (3) oder in einer anderen Ausprägung der
Messanordnung in die Lichtleitfaser (4) zurück geleitet.
Der Strahl wird dann durch den Strahlteiler (2) in den
Eintrittsspalt (31) der Detektoreinheit (30) geleitet,
wobei die Linsenanordnung L2 und L3 den Strahl auf den Spalt beziehungsweise
Blende (31) konzentriert.
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In
der Detektoreinheit (30) bildet das Dispersionselement
(32) (Prisma oder Gitter) den Spalt auf einem Photodetektor
(33) ab, der aus einer Vielzahl von Photoelementen in linearer
Anordnung (Array) besteht, und trennt dabei den Wellenlängenbereich über die
Länge des
Detektorarrays auf. Das Detektorarray summiert den von der Oberfläche zurückgestreuten
Spektralinhalt über
ein bestimmtes Zeitintervall auf, das entsprechend der Geschwindigkeit
der bewegten Oberfläche
einer definierten Messstrecke entspricht. Beispielsweise entspricht
bei einer Geschwindigkeit von 50 m/s die Messstrecke von 50 μm einem Zeitintervall
von 1 μs.
Das Detektorarray muss somit mit hoher Geschwindigkeit ausgelesen
werden. Der Inhalt, die spektrale Integration über die Messstrecke, wird für die Addition
mehrer solcher Spektren oder die weitere Verarbeitung der Spektren in
einen Speicher (34) verschoben.
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Ein
Rauheitsparameter ergibt sich aus der Breite der integrierten spektralen
Verteilung. Auf diese Weise kann das Summenspektrum über eine
beliebig definierte Messstrecke ermittelt werden und die spektrale
Verteilung zur Rauheitsbestimmung herangezogen werden. Die Feinanalyse
der Spektralverteilung lässt
noch zusätzlich
Aussagen über
die Oberflächenstruktur
(Skizze 3a–3d)
zu. Da die Bedruckbarkeit einer Papieroberfläche als wichtiges Qualitätsmerkmal
von der Verteilung der Höhen
und Tiefen im Rauheitsprofil abhängt,
ist nicht nur ein statistischer Rauheitsparameter der Papieroberfläche zur Qualitätskontrolle
erforderlich, sondern zusätzlich Aussagen über die
Form der Spektralverteilung. Diese wird in dem Element (40)
ermittelt.
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Die
Einheit (40) ist die Auswerteeinheit und besteht aus einem
Rechner mit Auswertesoftware oder einer Hardwarekonfiguration.
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Die
Einheit (50) beschreibt ein Nachstellelement. Es ist nicht
davon auszugehen, dass der mittlere Abstand der zu messenden Oberfläche sich
immer zentral im Messbereich Δz
befindet, sondern sich durch Flatterbewegungen nach oben und unten verschieben
kann. Wenn das Abdriften der Oberfläche langsam gegenüber der
Messzeit des Summenspektrums erfolgt, muss keine Korrektur erfolgen,
da nicht die Abstandsinformation zur Oberfläche (Lage des momentanen Intensitätsmaximums
auf dem Detektorarray) für
die statistische Rauheitsberechnung berücksichtigt wird, sondern nur
die spektrale Verteilung des Summenspektrums, unabhängig von
der Lage auf dem Detektorarray. Dennoch kann durch Zusammenwirken
von Auswerteeinheit (40) und Nachstelleinheit (50)
die Oberfläche
zentral im Messbereich Δz
gehalten werden, indem Auswerteeinheit (40) die Lage des
Schwerpunkts der Intensitätsverteilung
auf dem Detektorarray bestimmt und Signale an die Nachstelleinheit
(50) überträgt, die
durch Nachregeln des Abstands von Einheit (20) zur Oberfläche diese
zentral im Messbereich Δz
hält.
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Nachfolgend
sollen die Einheiten der Messanordnung mit ihren charakteristischen
Merkmalen etwas genauer beschrieben werden.
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Die
Einheit (10) beherbergt die Erzeugung der elektromagnetischen
Strahlung, vorzugsweise im sichtbaren oder nahen infraroten Spektralbereich. Dies
kann durch eine thermische Lichtquelle (11) (oder durch
Gasentladung) mit definiertem (eingeschränkten) Spektralbereich erfolgen,
die kurz gepulst oder getaktet werden kann. Die Strahlung wird durch
das Element (15) (z.B. Linse L5) parallel gerichtet. Alternativ
kann ein definierter Spektralbereich durch eine oder mehrere aufeinander
abgestimmte Licht emittierende Dioden, LED, erzeugt werden. Das Licht
der LED (12) wird durch Element (13) ebenfalls parallel
gerichtet und durch einen Strahlteiler 14 umgelenkt. Bei
mehreren LEDs müssen
die Strahlteiler mit ihren Reflexions- und Durchlasseigenschaften
so abgestimmt sein, dass durch Addition der Spektralanteile ein
möglichst
flaches Intensitätsprofil
entsteht. Fokussierelement (1) konzentriert den Strahl durch
einen Strahlteiler (2) hindurch auf eine kleine Blende
(3), ein wichtiges Element für die konfokale Anordnung.
Der Strahlengang durch die Blendenöffnung wird durch die Abbildungsoptik
(5) mit ausgeprägter
chromatischer Aberration fokussiert mit einem Fokusdurchmesser von
ca. 1 μm
bis einige μm. Anstelle
der Blende (3) kann eine Lichtleitfaser (4) (Monomodefaser
oder Multimodefaser bis 50 μm Kerndurchmesser)
treten, deren Austrittsöffnung durch
(5) im Fokus verkleinert abgebildet wird.
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Das
von der Oberfläche
reflektierte oder zurückgestreute
Licht derjenigen Wellenlänge,
deren Fokus genau auf die Oberfläche
trifft (die nicht fokussierten Wellenlängenanteile spielen bei der
konfokalen Anordnung keine Rolle, da sie größtenteils ausgeblendet werden),
wird durch (5) wieder auf die Blendenöffnung (3) konzentriert
oder in die Lichtleitfaser eingekoppelt. Nach Umlenkung im Strahlteiler (2)
und Abbildung auf den Eingangsspalt (31) von Einheit (30)
erreicht das von der Oberfläche
im Fokus reflektierte oder zurückgestreute
Licht, durch das Dispersionselement (32) in seine Wellenlängenanteile
aufgetrennt, das Detektorarray (33). Ein lokaler Punkt
auf der Oberfläche
erzeugt ein enges Wellenlängenspektrum
entsprechend seiner Lage im Messbereich. Bewegt sich die Oberfläche eine
bestimmte Distanz, dann addieren sich kontinuierlich die punktuellen
Einzelspektren auf und die spektrale Summenverteilung durch Integration
direkt auf dem Array oder im Speicher (34) ist unabhängig von
der Geschwindigkeit, mit der sich die Oberfläche bewegt.
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Diese
spektrale Summenverteilung wird in der Analyseneinheit (40)
ausgewertet, indem aus der spektralen Breite ein Rauheitsparameter
abgeleitet wird, die Form der Verteilung nach Doppelgipfel und Asymmetrie
(3) analysiert und der Verteilungsschwerpunkt bestimmt
wird. Die Daten werden der Prozessüberwachung bei der Papierherstellung
oder dem Walzen dünner
Bleche zugeleitet. Die Lage des Schwerpunkts ist gleichzeitig das
Signal für
die Nachstelleinheit (50), die eine Abstandskorrektur zur
Probenoberfläche
durchführt,
dergestalt, dass sich die Oberfläche
zentral im Messbereich Δz
befindet.
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Eine
weitere Ausprägung
der Messanordnung besteht darin, dass die Verteilung des Summenspektrums
und damit die Erfassung der Rauheit nicht nur von einer Messspur
gebildet wird, sondern gleichzeitig von einer Vielzahl von parallelen
Messspuren, damit ein ganzer Flächenbereich
der Oberfläche,
zum Beispiel während
der Pulsdauer der Lichtquelle, zur Rauheitsbestimmung beiträgt. Diese Variante
ist in 2 gezeigt. Hier wird das Fokussierelement (1)
beispielsweise durch eine Zylinderlinse (L1') ersetzt, die aus dem Parallelstrahl
(16) eine Fokuslinie erzeugt. Längs der Linie sind Lichtleitfasern (4') angeordnet,
um die Strahlung optimal einzukoppeln. Die Austrittsöffnungen
der Lichtleitfasern werden entweder über ein gemeinsames Objektiv
oder über
ein Mikrolinsenarray (5')
auf die zu messende Oberfläche
verkleinert abgebildet, sodass Fokusdurchmesser ebenfalls um 1 μm entstehen.
Die einzelnen Linsen besitzen eine ausgeprägte chromatische Aberration.
Es handelt sich bei dieser Anordnung um ein multifokales konfokales
System. Das zurückgestreute
Licht wird durch den länglichen Strahlteiler
(2') und
die Linsenanordnung (L2) und (L3) auf den Eingangsspalt (31)
abgebildet. Die Bildung der spektralen Summenverteilung entspricht der
zuerst beschriebenen Variante.
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Die
spektrale Verteilung des Summenspektrums in (34) kann verschiedene
Formen annehmen, die in 3a bis 3d schematisch erläutert sind. Im Fall 3a geht man von einer Gleichverteilung
der Höhen
und Tiefen und der Zwischenlagen des Rauheitsprofils auf der Oberfläche aus.
Die entsprechende Verteilung ist symmetrisch mit einem breiteren
Maximum. Im Fall 3b mit gleichverteilten
Kerben und Höhen
ergibt sich eine Verteilung mit Doppelgipfel, da die Zwischenlagen
kaum vorhanden sind. Im Fall 3c überwiegen
die Höhen
im Rauheitsprofil und folglich ist die spektrale Summenverteilung
asymmetrisch mit Dominanz der kürzeren
Wellenlängen.
Der umgekehrte Fall ergibt sich bei 3d,
bei dem die Täler
im Rauheitsprofil überwiegen.
Das Maximum der spektralen Verteilung ist zu höheren Wellenlängen (größerer Abstand überwiegt)
verschoben. Da die Qualität des
Papiers für
die Bedruckbarkeit, wie das Anheften der Farbe, sicherlich von der
Rauheit, aber auch von den Anteilen der Höhen und Tiefen im Rauheitsprofil abhängt, wird
die Analyse der spektralen Form der Verteilung ein zusätzlicher,
wichtiger Parameter für die
Güte (für die Bedruckbarkeit)
und damit für
die Prozesskontrolle bei der Herstellung sein.