PatentDe  


Dokumentenidentifikation DE102006026775A1 13.12.2007
Titel Verfahren und Vorrichtung zur Charakterisierung bewegter Oberflächen
Anmelder Stiftung für Lasertechnologien in der Medizin und Meßtechnik an der Universität Ulm, 89081 Ulm, DE
Erfinder Steiner, Rudolf, 89081 Ulm, DE;
Hibst, Raimund, 89155 Erbach, DE;
Stock, Karl, 73479 Ellwangen, DE;
Biggel, Stefan, 88260 Argenbühl, DE;
Russ, Detlef, 71272 Renningen, DE;
Kienle, Alwin, 88260 Argenbühl, DE
DE-Anmeldedatum 07.06.2006
DE-Aktenzeichen 102006026775
Offenlegungstag 13.12.2007
Veröffentlichungstag im Patentblatt 13.12.2007
IPC-Hauptklasse G01B 11/30(2006.01)A, F, I, 20060607, B, H, DE
IPC-Nebenklasse G01B 11/24(2006.01)A, L, I, 20060607, B, H, DE   
Zusammenfassung Beschrieben werden ein Verfahren und eine Anordnung zur berührungslosen Charakterisierung bewegter Oberflächen, und zwar unabhängig von der Bewegungsgeschwindigkeit. Charakteristische Merkmale der Oberfläche sind Rauheit, aber auch Periodizitäten und Verteilungsmuster von Höhen und Tiefen im Rauheitsprofil. Diese Daten werden aus der integrierten spektralen Verteilung über eine definierte Messstrecke abgeleitet.
Die Anordnung für dieses Verfahren besteht aus mehreren Einheiten:
- einer gepulsten Lichtquelle im sichbaren oder nahen infraroten Spektralbereich mit definierter spektraler Breite;
- einer konfokalen chromatischen Sensoranordnung;
- einem Spektrometer mit Detektorarray und Speicher zur Bildung des Summenspektrums für eine definierte Messstrecke während des Probendurchlaufs;
- einer Auswerteeinheit, die aus der Breite der Spektralverteilung des Summenspektrums einen Rauheitsparameter und zusätzlich aus der Form der spektralen Verteilung weitere charakteristische Merkmale des Rauheitsprofils bestimmt, die für die Prozesskontrolle notwendig sind, sowie zusätzlich den Schwerpunkt der Verteilung ermitteln kann; und
- eine Nachführeinheit, die dafür sorgt, dass der Schwerpunkt der Verteilung mittig auf dem Detektorarray zu liegen kommt, das bedeutet, dass die zu messende Oberfläche zentral im Messbereich geführt wird.
In einer weiteren Ausprägung ist es möglich, eine Vielzahl paralleler Messspuren aufzuzeichnen und das Summenspektrum daraus zu bilden. ...

Beschreibung[de]
Berücksichtigte Dokumente:

  • CA 2334225
  • JP 4115109
  • JP 06288746 A
  • EP 0 997 748
  • DE 10 2004 049541 A1
  • DE 10 2004 022454 A1

Publikation:

  • Pruss C., Ruprecht A., Körner K., Osten W., Lücke P.
  • Diffractive Elements for Chromatic Confocal Sensors
  • DGaO Proceedings 2005, ISSN: 1614-8436

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.

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 &mgr;m axial und 3 &mgr;m 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.) fokussiert. Die gewünschte chromatische Aberration des fokussierenden Elements führt dazu, dass die unterschiedlichen Spektralanteile des Lichtstrahls mit unterschiedlichen Abständen zu diesem Element fokussiert werden. Innerhalb dieses Fokusbereichs wird einem bestimmten Abstand eine Wellenlänge des Lichts zugeordnet. 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 die Form des Objekts. Solche Anordnungen sind in den Schriften DE 10 2004 049 541 A1 und EP 0997748 A2 sowie CA 02334225 beschrieben.

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 JP 4115109 und DE 10 2004 022 454 A1. In JP 06288746 A ist eine Variante für transparente Objekte beschrieben, wobei die Oberfläche erst metallisiert und dann gemessen wird.

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 CA 02334225), ähnlich wie bei den taktilen Rauheitssensoren. Sie eignen sich nicht, um die Rauheit von schnell bewegten Oberflächen, 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. Hier setzt das erfindungsgemäße Verfahren und Messsystem an.

Das optische Messsystem zur Bestimmung der Rauheit von Oberflächen, unabhängig von der Geschwindigkeit der bewegten Oberfläche, besteht aus fünf Einheiten, die in 1 skizziert sind. 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 &mgr;s Pulslänge, ist dann erforderlich, wenn beispielsweise bei einer Oberflächengeschwindigkeit von 50 m/s die Rauheit über ein kurzes Streckenintervall von 50 &mgr;m ermittelt werden soll. Das Fokussierelement (1), Linse (L1), fokussiert die parallel gerichtete elektromagnetische Strahlung (16) (Licht oder IR-Strahlung) auf die Blende (3), bzw. in die Eintrittsöffnung einer Lichtleitfaser (4). Die flexible Lichtleitfaser bietet den Vorteil, dass die Elemente (10) und (30) räumlich von dem abbildenden Element (20) getrennt werden können.

Das Element (20) in konfokaler Anordnung besteht im wesentlichen aus dem Fokussierelement (5), Linse (L4) oder ein Linsenensemble, mit definierter chromatischer Aberration, sodass der Abstand &Dgr;z zwischen dem Fokus der kürzeste Wellenlänge im angewandten Spektralbereich (z.B. &lgr;1) und dem Fokus der größten Wellenlänge im Spektralbereich (z.B. &lgr;3) den Messbereich bestimmt, in dem der Fokus einer definierten Wellenlänge (z.B. &lgr;2, wobei gilt: &lgr;1 < &lgr;2 < &lgr;3) exakt auf der zu messenden Oberfläche zu liegen kommt. Somit wird diese Wellenlänge mit der höchsten Intensität zurückgestreut oder reflektiert. Das Licht dieser Wellenlänge 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.

Das Dispersionselement (32) (Prisma oder Gitter) in der Detektoreinheit (30) bildet den Spalt auf einem Photodetektor (33) ab, der aus einer Vielzahl von Photoelementen in linearer Anordnung 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 &mgr;m einem Zeitintervall von 1 &mgr;s. 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. 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 der 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.

Es ist nicht davon auszugehen, dass der mittlere Abstand der zu messenden Oberfläche sich immer zentral im Messbereich &Dgr;z 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 Detektor. Dennoch kann durch Zusammenwirken von Auswerteelement (40) und Stellelement (50) die Oberfläche zentral im Messbereich &Dgr;z gehalten werden, indem Element (40) die Lage des Schwerpunkts der Intensitätsverteilung auf dem Detektorarray bestimmt und Signale an das Stellelement (50) überträgt, das durch Nachregeln des Abstands von Element (20) zur Oberfläche diese zentral im Messbereich &Dgr;z hält.

Nachfolgend sollen die Einheiten der Messanordnung mit ihren charakteristischen Merkmalen etwas genauer beschrieben werden.

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 LEDs 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 &mgr;m bis einige &mgr;m. Anstelle der Blende (3) kann eine Lichtleitfaser (4) (Monomodefaser oder Multimodefaser bis 50 &mgr;m Kerndurchmesser) treten, deren Austrittsöffnung durch (5) im Fokus verkleinert abgebildet wird.

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 im Speicher (34) ist unabhängig von der Geschwindigkeit, mit der sich die Oberfläche bewegt.

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 Verstelleinheit (50), die eine Abstandskorrektur zur Probenoberfläche durchführt, dergestalt, dass sich die Oberfläche zentral im Messbereich &Dgr;z befindet.

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 (1') 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 &mgr;m 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.

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.


Anspruch[de]
Optoelektronisches Verfahren zur Charakterisierung bewegter Oberflächen unter Verwendung des konfokalen chromatischen Sensorprinzips dadurch gekennzeichnet, dass ein Spektrum, das sich durch Integration über eine definierte Messstrecke ergibt, hinsichtlich seiner Form ausgewertet wird. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Breite der spektralen Verteilung die Rauheit der Oberfläche bestimmt. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass aus der Form und Asymmetrie der spektralen Verteilung des Summenspektrums Aussagen über die Qualität des Rauheitsprofils abgeleitet werden, die zur Prozessüberwachung beispielsweise bei der Papierherstellung genutzt werden können. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Schwerpunkt des Summenspektrums bestimmt wird und seine Lage in Bezug auf das Detektorarray über eine Nachstelleinheit des konfokalen chromatischen Sensors mit entsprechender Regelschleife konstant gehalten werden kann. Vorrichtung gemäß des Verfahrens nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass eine kurz gepulste elektromagnetische Strahlung im sichtbaren oder nahen infraroten Spektralbereich mit definierter spektraler Bandbreite benutzt wird. Messanordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass eine oder mehrere „Licht Emittierende Dioden" (LEDs) als Lichtquelle benutzt werden, deren Einzelspektren so aufeinander abgestimmt sind, dass ein kontinuierliches Spektralprofil erreicht wird mit definierter spektraler Breite. Messanordnung nach Anspruch 5 und 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Fokussieroptik eine gute Abbildungsqualität besitzt und gleichzeitig die chromatische Aberration der Fokussieroptik im verfügbaren Spektralbereich einen Messbereich bis 0,5 mm erlaubt. Messanordnung nach den Ansprüchen 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Spektrum des Messsignals mit einem linearen Detektorarray in kurzen Zeitintervallen, beispielsweise 1 &mgr;s, aufgezeichnet und ausgelesen werden kann. Messanordnung nach den Ansprüchen 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das mit dem Detektorarray aufgezeichnete Spektrum in ein Speichermedium transferiert wird, um weitere Spektren aufzuaddieren und das Summenspektrum der Auswertung zugänglich zu machen. Messanordnung nach den Ansprüchen 4 und 5 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass eine Nachstelleinheit den Abstand der Fokussieroptik zur Probenoberfläche so konstant hält, dass sich die Oberfläche zentral im Messbereich befindet.






IPC
A Täglicher Lebensbedarf
B Arbeitsverfahren; Transportieren
C Chemie; Hüttenwesen
D Textilien; Papier
E Bauwesen; Erdbohren; Bergbau
F Maschinenbau; Beleuchtung; Heizung; Waffen; Sprengen
G Physik
H Elektrotechnik

Anmelder
Datum

Patentrecherche

Patent Zeichnungen (PDF)

Copyright © 2008 Patent-De Alle Rechte vorbehalten. eMail: info@patent-de.com