DE19646888C1 - Vorrichtung zum Kalibrieren eines mit einem abtastenden Lichtstrahl arbeitenden Untersuchungssystems für bahnförmige Materialien - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Kalibrieren eines mit einem abtastenden Lichtstrahl arbeitenden Unter­ suchungssystems für bahnförmige Materialien, bei dem der Lichtstrahl über eine quer zur Bahn verlaufende Abtast­ strecke geführt, auf die Bahn gestrahlt und von dieser reflektiert und/oder durchgelassen wird, und der entsprech­ end geänderte Meßstrahl von Fotosensoren aufgefangen und in ein elektrisches Signal umgewandelt wird.

Bei der Herstellung und Veredelung von bahnförmigen Materia­ lien, wie Papier, beschichteten Papieren, Kunststoffolien oder Textilien, werden hohe Anforderungen an die Qualität der Produkte gestellt. Die Qualitätsmerkmale lassen sich in vielen Fälle mit Hilfe von Durchsicht- oder Aufsicht-Unter­ suchungsverfahren feststellen. Diese elektro-optischen Untersuchungen sollen bei hoher Bahngeschwindigkeit erfol­ gen. Es werden daher Untersuchungssysteme und Prüfgeräte verwendet, bei denen vorzugsweise mittels eines Laserstrahls die Oberfläche oder das Material in Durchsicht untersucht werden. Auftretende Fehler sind beispielsweise Kratzer, Schrammen, Löcher, Eindrücke, Flecken, Wasserflecken, Glanzdifferenzen und Schlieren.

An sich bekannte Abtastgeräte arbeiten vorzugsweise mit einem Laserstrahl, der durch ein Polygonspiegelrad auf die Bahnoberfläche gelenkt wird. Von der Bahnoberfläche zurück­ geworfenes Licht oder durchscheinendes Licht wird durch Foto-Multiplier oder CCD-Fotosensoren aufgefangen und einem elektrischen Schaltkreis zugeführt. Derartige Fotosensoren sind demnach oberhalb und/oder unterhalb der Bahn angeord­ net. Um eine optimale Genauigkeit und Reproduzierbarkeit der Untersuchungssysteme und die Vergleichbarkeit von Fehler­ signalen zu gewährleisten, ist es notwendig, in regelmäßigen Abständen oder bei Verdacht einer Verstellung das Unter­ suchungssystem zu überprüfen. Bisher wurden im Betrieb der Anmelderin im wesentlichen zwei Methoden angewandt, deren Bekanntheit vorausgesetzt wird.

Mit Hilfe einer Testrolle, die bekannte Fehlerarten, Fehler­ größen und Fehlermengen besitzt, wird das das Inspektions­ system simulierend überprüft. Die Überprüfung wird an­ schließend mit einem Vergleichsgerät wiederholt. Anhand der Differenzen zwischen den beiden Inspektionsgängen wird dann das zu überprüfende Untersuchungssystem einjustiert. Dieses Verfahren hat jedoch den großen Nachteil, daß das zweite System fehlerfrei sein muß und daß bei der hohen Anforderung an Justiergenauigkeit hier eine Fehlerquelle liegt. Weiter­ hin ist die zweimalige Inspektion der Testrolle mit einem hohen Zeitaufwand und damit mit Betriebsausfall verbunden, so daß diese Art des Kalibrierens nur sehr ungern gewählt wird.

Eine andere Methode ist die Einstellung der Schwellwerte, bei der zu Beginn einer Produktion das System bei laufender Gutsproduktion unter gezielter Verstellung der Schwellwerte eines jeden Sensorkanals überprüft wird. Es soll damit eine optimale Empfindlichkeitseinstellung, basierend auf einem optimalen Signal-Rausch-Verhältnis, gefunden werden. Dabei wird vorausgesetzt, daß bei einem ausreichenden Abstand der Fehlerschwelle zum Grundrauschen der Materialbahn auch eine korrekte Anzeige des Untersuchungssystems gegeben ist. Nach­ teilig ist bei diesem Verfahren, daß sehr weitgehende Prä­ missen über die Gültigkeit der anschließenden Kalibrierung getroffen werden müssen, daß es nur bei laufender Produktion durchgeführt werden kann und daß eine Überprüfung der Produk­ tion während des Kalibrierens damit ausfällt.

Bekannt ist ferner ein Verfahren zur Kalibrierung eines Bild­ verarbeitungssystems für die optische Prüfung von ganz oder teilweise aus Holzbestehenden Prüflingen (DE 42 18 971 C2). Es werden hier zur radiometrischen Kalibrierung von Bildsen­ soren im Blickfeld dieser Sensoren Musterfelder von Hellig­ keitsmustern angeordnet und aufgenommen. Die erhaltenen Bild­ signale der Musterfelder werden zur Gewinnung von Kalibra­ tionsdaten durch den Bildrechner ausgewertet.

Es handelt sich hier jedoch auch um ein Verfahren, bei dem außerhalb laufender Produktion und für völlig andere Meß­ objekte Kalibrierungsschritte vorgenommen werden, die auf das Kalibrieren von Untersuchungssystemen für bahnförmige Materialien nicht angewandt werden können.

Es stellt sich daher die Aufgabe, eine Vorrichtung zum Kali­ brieren anzugeben, die bei üblichen lichtstrahlgestützten Untersuchungssystemen, insbesondere Laserinspektions­ systemen, eine einfache Handhabung ermöglicht und zusätzlich eine rasche Bestimmung weiterer zu kalibrierender Parameter ermöglicht, insbesondere der Strahlposition und der Licht­ fleckgröße.

Diese Aufgabe wird gelöst bei einer Vorrichtung der eingangs genannten Art, die dadurch gekennzeichnet ist, daß die Vor­ richtung als über die Breite der Abtaststrecke der Bahn reichende Flachtraverse gestaltet ist, die in den Bereich des Bahnverlaufs und der Abtaststrecke in eine definierte Stellung einbringbar ist und über die Abtaststrecke ver­ teilte Fehler, d. h. natürliche Fehler-Arten, wie sie in der Produktion vorkommen können, oder fehlersimulierende Bereiche und/oder weitere, den Lichtstrahl in definierter Weise beeinflussende Elemente trägt.

Unter einer "Flachtraverse" soll eine brett- oder leisten­ artig geformte Vorrichtung verstanden werden, die in ein­ facher Weise in eine dafür ständig vorhandene Fassung oder Aufhängung eingesetzt oder aus dieser rasch wieder entfernt werden kann, so daß entweder bei stehender oder laufender Produktion in kurzer Zeit ein Meßprogramm mit dem Unter­ suchungssystem absolviert werden kann.

Vorzugsweise umfaßt die Flachtraverse einen Rahmen und einen darin eingefaßten Abschnitt des zu untersuchenden Bahnmate­ rials mit entsprechenden fehlersimulierenden Bereichen.

Der Abschnitt des zu untersuchenden Bahnmaterials sollte dabei sandwichartig zwischen zwei Glasscheiben eingefaßt sein. Es soll aber nicht ausgeschlossen sein, daß beispiels­ weise auch bei dicken Materialien ein freigespanntes Mate­ rial oder aber ein solches, das nur einseitig gegen eine Glasscheibe anliegt, verwendet wird.

Dabei sind die Glasscheiben vorzugsweise in einen Metall­ rahmen eingefaßt. Bei dem zu prüfenden Material handelt es sich vorzugsweise um Papier, speziell um fotografisches Basispapier. Dieses Papier kann mit einer Beschichtung ver­ sehen sein, wobei es sich um thermoplastische Schichten, Barytageschichten, Tintenaufnahmeschichten oder andere Funktionsstriche handelt.

In entsprechenden Ausschnitten des Material können Graukeil­ anordnungen vorgesehen sein, mit denen die jeweilige Reak­ tion der Lichtintensität aufgestufte Absorption festge­ stellt werden kann und damit ein Kalibrieren des Meßsignals möglich ist. Vorzugsweise sind zwei Graukeilanordnungen vorhanden, die jeweils in beträchtlichem Abstand von der Mitte der Abtaststrecke angebracht sind, da bei Abweichung von der Mitte auch die fehlerhaften Abweichungen des Meßstrahls am größten sind.

Die fehlersimulierenden Bereiche sollten Strichmuster mit Strichen gestaffelter Breite umfassen, wobei auch Strichmuster in heller oder dunkler Art als Referenz­ fehler verwendbar sind; auch Perforationen und Material­ ausdünnungen sind vorzugsweise vorzusehen.

Ferner ist die Kalibriervorrichtung mit einer Meßvorrich­ tung zu Lichtfleckgrößen-Bestimmung ausgestattet, die vorzugsweise im Mittelbereich der Abtaststrecke angeord­ net ist.

Schließlich sei darauf hingewiesen, daß bei Maschinen, bei denen die Bahnbreite sehr groß ist, auch zwei oder mehr derartiger Flachtraversen in einem größeren Rahmen einsetzbar sind, der dann als Ganzes in die abzutastende Bahn eingeschoben wird.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der beigefüg­ ten Zeichnung dargestellt. Die Figuren der Zeichnung zeigen im einzelnen:

Fig. 1 in schematischer Darstellung ein mit einem Licht­ strahl arbeitendes Untersuchungssystem;

Fig. 2 in auseinandergezogener Darstellung eine Kali­ briervorrichtung;

Fig. 3 eine Kalibriervorrichtung in Draufsicht mit den wesentlichen Kalibrierelementen;

Fig. 3a eine Absorptionskurve, die bei Abtastung eines Bereiches der Kalibriervorrichtung gemäß Fig. 3 zu erwarten ist;

Fig. 4 einen Einschieberahmen, bei dem zwei Kalibrier­ vorrichtungen nebeneinander eingesetzt sind.

Die Vorrichtung zum Kalibrieren arbeitet in einem Unter­ suchungssystem 100, bei dem eine Bahn 5, beispielsweise be­ stehend aus Foto-Basispapier, über (nicht dargestellte) Rollen in einer vertikalen Ebene geführt ist. Die Bahn 5 wird abgetastet mit Hilfe eines Lichtstrahls 1, den ein Helium-Neon-Laser 2 oder eine andere Lichtquelle, die kohärentes oder nicht-kohärentes Licht erzeugt, abgibt. Der Lichtstrahl 1 wird über einen rotierenden Polygon­ spiegel 3 abgelenkt und in schneller Folge über eine Abtaststrecke 4 quer zur Bahn 5 geschickt. Unterhalb der Bahn 5 gegebenenfalls auch oberhalb (dies nicht dargestellt), sind Fotosensoren 6, hier sogenannte Foto-Multiplier, überlappend angeordnet, die den durch die Bahn 5 fallenden Lichtanteil messen und entsprechend der Absorption ein gestuftes Signal abgeben. Hierzu ist ein Meßkreis vorgesehen, der an sich bekannt ist.

Um das in der Fig. 1 schematisch dargestellte Untersuchungssystem 100 zu kalibrieren, wird von Zeit zu Zeit eine Kalibriervorrichtung in Form einer Flachtraverse 7 im Bereich der Bahn in die Abtaststrecke 4 eingeschoben. Ist die Abtaststrecke 4 nicht allzu breit, so genügt eine einzige derartige Flachtraverse und Kalibriervorrichtung. Bei sehr breiten Bahnen können auch mehrere derartiger Kalibriervorrichtungen nebeneinander gelegt werden, so daß jeder betreffende Bereich der Abtaststrecke 4 gemessen und kalibriert werden kann.

Die Kalibriervorrichtung besteht gemäß Fig. 2 aus zwei in einem Rahmen 8 zusammengefaßten Glasscheiben 10, 10', die zwischen sich Bahnmaterial 9 tragen, welches über die Abtaststrecke 4 verteilte fehlersimulierende Bereiche und/oder weitere, den Lichtstrahl 1 in definierter Weise beeinflussende Elemente trägt. Darüberhinaus können noch in den Rahmen 8 integrierte Reflektoren u. dgl. verwendet werden, wie noch erläutert werden wird.

Die beiden Glasscheiben 10, 10' werden mit dem dazwi­ schenliegenden Bahnmaterial 9 eng aufeinandergepreßt und mit einem Halterahmen 8 eingerahmt und aufeinander befestigt.

Fig. 3 zeigt die Vorrichtung zum Kalibrieren in Drauf­ sicht. Auf dem Bahnmaterial 9 sind im Bereich der Abtast­ strecke 4 zwei Bereiche 14, 14' mit sogenannten Referenz­ fehlern versehen. Hierbei handelt es sich jeweils um eine "helle Stelle", ein Loch, und jeweils um "dunkle Fehler" von 0,5, 1,0 und 1,5 mm Breite. Bei der "hellen Stelle" handelt es sich um einen Streifen des zu prüfenden Materials mit einer größeren Transparenz als das umgebende Material. Die "dunklen Fehler" sind Bereiche, die Flecken simulieren sollen. Sie haben eine sehr hohe Lichtabsorption.

Neben den Bereichen 14 für Referenzfehler sind Graukeil­ anordnungen angebracht, die ebenfalls in Transmission gemessen werden. Hierbei handelt es sich um Folien mit definierter, unterschiedlicher Transparenz bzw. Licht-Absorption. Die Breite und Höhe der damit erzeugten Amplituden gibt Aufschluß über die Empfindlich­ keit der Foto-Multiplier und deren Meßbereiche.

Fig. 3a zeigt einen Signalverlauf 18, wobei die X-Achse der Ablenkung des Lichtstrahls 1, beginnend mit der linken Seite des Bereiches 14 und endend mit der rechten Seite des Bereiches 15, entspricht; auf der Y-Achse ist die jeweilige Lichtabsorption dargestellt. Es ergeben sich demnach Peaks bei den entsprechenden dunklen Fehlern und den entsprechenden Strichmasken sowie bei den Graukeilen, die entsprechend eine Grundlage für das Kalibrieren sein können.

Im Mittelbereich der Vorrichtung ist ein Bereich 16 für eine Lichtpunktgrößenbestimmung vorgesehen. Hierbei wird eine an sich bekannte Strichplatte in der Mitte des Bahn­ materials, das dort aufgeschnitten ist, eingebaut. Die Lichtpunktgröße auf der Materialbahn wird mittels der Strichplatte, auf der die Striche der Breiten 0,1, 0,25, 0,75, 1,0 und 2,0 mm befinden, vermessen. Die Absorption des Lichtstrahles wird wiederum festgestellt. Unter der Annahme, daß die Intensitätsverteilung des Laserstrahls einer Gauß-Verteilung entspricht, läßt sich ein funktioneller Zusammenhang zwischen der resultierenden Intensität und dem 1:e²-Durchmesser des Strahls ermitteln und ein Maß für den Strahldurchmesser definieren.

Schließlich sind auf dem Rahmen, oder oberhalb der Papierbahn im Sendergehäuse, Sensoren angebracht. Diese Bereiche sind mit 19, 19' gekennzeichnet. Nur wenn der Lichtstrahl genau über die beiden mittleren Sensoren 19m fährt, befindet er sich im Zentrum. Bei Abweichung ergeben sich davon abweichende Signale, so daß eine entsprechende Korrektur möglich ist. Die Lage des Licht­ strahls muß rechtwinklig zur Materialbahnkante sein, da sonst eine eindeutige Ortsbestimmung der gefundenen Fehler auf der Bahn nicht möglich ist. Das Meßergebnis der Sensoren kann einzeln zur Anzeige gebracht oder als Differenzmessung dargestellt werden.

Mit Hilfe einer einfachen, im Bereich oberhalb der Bahn angebrachten Halterung läßt sich die Flachtraverse ein­ schieben. Eine Messung kann in kurzer Zeit automatisiert erfolgen, ebenso das Kalibrieren des Untersuchungs­ systems.

Sollte die Bahnbreite größer sein als die vorgesehene Flachtraverse, so können auch in einen großen Rahmen 20 mehrere derartiger Flachtraversen 7 eingelassen sein, so daß eine Messung Abschnitt für Abschnitt quer zur Bahnerstreckung erfolgen kann.

Claims (9)

1. Vorrichtung zum Kalibrieren eines mit einem abtastenden Lichtstrahl arbeitenden Untersuchungs­ systems (100) für bahnförmige Materialien, bei dem der Lichtstrahl (1) über eine quer zur Bahn (5) verlaufende Abtaststrecke (4) geführt, auf die Bahn (5) gestrahlt und von dieser reflektiert und/oder durchgelassen wird und der entsprechend geänderte Meßstrahl von Fotosensoren aufgefangen und in ein elektrisches Signal umgewandelt wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung als über die Breite der Abtaststrecke (4) der Bahn (5) reichende Flachtraverse (7) gestaltet ist, die in den Bereich des Bahnverlaufs und der Abtaststrecke (4) in eine definierte Stellung einbringbar ist und über die Abtaststrecke (4) verteilte Fehler oder fehlersimulierende Bereiche 14, 14'; 15, 15'; 16) und/oder weitere, den Lichtstrahl (1) in definierter Weise beeinflussende Elemente trägt.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Flachtraverse (7) einen Rahmen (8) und einen darin eingefaßten Abschnitt (9) der zu untersuchenden Bahn (5) umfaßt.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Abschnitt (9) der zu untersuchen­ den Bahn (5) sandwichartig zwischen zwei Glas­ scheiben (10, 10') eingefaßt ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß der eingefaßte Abschnitt (9) mit wenigstens einer Graukeilanordnung versehen ist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekenn­ zeichnet, daß zwei Graukeilanordnungen vorhanden sind, die jeweils in beträchtlichem Abstand von der Mitte der Abtaststrecke (4) angebracht sind.

6. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die fehlersimulierenden Bereiche Strichmuster mit Strichen gestaffelter Breite umfassen.

7. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Fehlersimu­ lierenden Bereiche (15, 15') wenigstens eine Perforation und/oder eine Materialausdünnung umfassen.

8. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß diese mit einer Meßvorrichtung zur Lichtfleckgrößen-Bestimmung ausgestattet ist, die vorzugsweise im Mittelbereich der Abtaststrecke (4) angeordnet ist.

9. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, daß über die Breite der Bahn (5) wenigstens zwei bespannte Flachtraversen (7) in einen Hauptrahmen (20) eingelegt sind.