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Beschreibung.
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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Film- oder Schichtdicken-Meßvorrichtung
mittels Infrarotstrahlen. Die Erfindung bezieht sich speziell auf Meßvorrichtungen
zum kontinuierlichen und exakten Messen sehr dünner durchsichtiger oder halbdurchsichtiger
Kunststoffilme oder -schichten sowie Filmen, die in hohem Maße ebene Oberflächen
besitzen. Viele dünne durchsichtige oder halbdurchsichtige Kunststoffilme sowie
Filme, die in hohem Maße ebene Oberflächen besitzen, werden im allgemeinen in Form
eines kontinuerlichen Blatts oder Streifens hergestellt. Häufig wird eine Filmdicken-Meßlehre
für die kontinuierliche oder in periodischen Intervallen erfolgende Dickenmessung
verwendet, um ein hochwertiges Endprodukt zu. erhalten.
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Es wurden bisher zwei Arten von F ilmdicken-Me ß lehren verwendet,
und zwar Berührungs-Meßvorrichtungen und berührungsfrei arbeitende Meßvorrichtungen.
Bei einer Berührungs-Meßlehre steht eine Rundskala oder eine Mikrometerschraube
in direkter Berührung, um die Filmdicke zu messen. Bei der berührungsfreien Messung
werden radioaktive Strahlen wie zum Beispiel Beta-oder Gammastrahlen verwendet,
die den Film durchdringen. Die Menge der von dem Film absorbierten radioaktiven
Strahlen wird zum Bestimmen der Filmdicke heranyezogen.
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Ein bedeutender Nachteil der radioaktiven berührungsfreien Filmdickenmessunq
besteht in den aufwendigen und teuren Maßnahmen, die zum Schutz der die Messung
ausführenden Person vor unerwünschten Belastungen durch die Radioisotopen ergriffen
werden müsse; Die Abschirmung gegenüber der Strahlung erhöht die Kosten
der
Anlage beträchtlich.
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Es wurden berührungsfreie Dicken-Meßlehren vorqeschlagen, die mit
Infrarotstrahlung arbeiteten, um die Nachteile der radioaktiven berührungsfreien
Dicken-Meßlehren zu vermeiden. Diese Geräte basieren auf der unterschiedlichen Absorption
von Infrarotstrahlen durch den Film entsprechend der Wellenlänge der den Film durchlaufenden
Infrarotstrahlung. Infrarotstrahlen mit einer Wellenlänge ) Rt der Bezugswellenlänge,
die einen geringen Lichtabsorptionsfaktor aufweisen, werden zum Bestrahlen des Films
abwechselnd mit Strahlen einer Wellenlänge der Meß-Wellenlänge, die einen größeren
Lichtabsorptionsfaktor aufweisen, verwendet. Die Intensitäten der nach dem Durchlaufen
des Films gemessenen Strahlen werden in ein logarithmisches Verhältnis umgesetzt,
unddieaes wird dann zum Bestimmten der Änderungen der Filmdicken herangezogen.
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-Wenn die Dickenverteilung über die Breite des Films gemessen werden
muß, werden die Infrastrahlungsquelle und der zugehörige Sensor auf einem Abtastrahmen
montiert, der in seitlicher Richtung des Films hin- und herbewegt wird, während
der Film aufgewickelt wird. Eine exakte Ausrichtung zwischen der Infrarotstrahlenquelle
und dem Sensor ist wichtig, weil die Schwankungen der von dem Sensor empfangenen
Strahlung die Messung der Filmdicke beeinflussen. Jegliche Abweichung in der Ausrichtung
zwischen Strahlungsquelle und Sensor, verursacht durch herstellung.sbedingte Fehler
im Abtastrahmen, hat Meßfehler zur Folge. Ein wirksamer Weg zum Steuern der Herstellungskosten
des Abtastrahmens besteht darin, den auf die Abweichung der Lichtachse zurückzuführenden
Abtastfehler zu vermindern. Versuche, den Abtastfehler bei herkömmlichen. Infrarot-D1eßvorrichtungen
zu eliminiersen,
hatten keinen Erfolg.
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Wird beidn herkömmlichen Infrarot-Abtastgeräten die Filmdicke sehr
gering (weniger als 50 Wm)7treten Interferenzerscheinungen zwischen den'von der
Vorderseite und der Rückseite des -Films reflektierten Infrarotstrahlen auf. Die
Interferenz erhöht den Meßfehler. Ein Vorschlag, mit dem Interferenzfehler fertig
zu werden, bestand darin, diffuse Infrarotstrahlen anstelle paralleler Strahlen
zu verwenden. Die Verwendung diffuser Strahlen.jedoch wirft ein schwerwiegendes
Problem hinsichtlich der Nullpunktverschiebung auf, das auf die Achsenabweichung
'zwischen Projektor und Empfänger zurückzuführen ist. Die diffusen'Strahlen führen
zu keiner signifikant verbesserten Meßgenauigkeit.
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In.der japanischen Patentanmeldung 115850-1976 ist eine Einrichtung
zum Verhindern der Interferenz bei Infrarot-Meßgeräten beschrieben, bei der die
diffusen Strahlen auf das zu messende Material gelenkt werden. Die Lichtstrahlen
werden auf eine Lichtstreuplatte wie zum Beispiel Mattglas projiziert, und die erhaltenen
gestreuten Lichtstrahlen dienen zum Bestrahlen des Films. Wenngleich die Meßgenauigkeit
verbessert wird durch das Eliminieren der Interferenz des Bestrahlungslichts bezüglich
der glatten Filmoberflächen sowie relativ rauher Filmoberflächen, so ist eine solche
Maßnahme jedoch nur wirksam bei Filmdicken bis hinunter zu 100 ßm. Es wurden andere
Einrichtungen vorgeschlagen,. bei denen eine Hochleistungs-Infrarotstrahlungsquelle
zum Einsatz kommt, dieseEinrichtun4en besaßen je'doch einen geringen Wirkungsgrad
und ecntsprachen nicht den Erfordernissen der Industrie.
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Der Erfindung liegt demnach die Aufgabe zugrunde, eine
Film-
oder Scichtdicken-Meßvorrichtung, die mittels Infrarotstrahlung arbeitet, zu schaffen,
bei der die den auszumessenden Film durchsetzenden Infrarotstrahlen in einem Infrarotdetektor
gesammelt werden, ohne daß' irgendein Energieverlust entsteht, so daß extrem dünne
Filme ebenso mit hoher Genauigkeit gemessen werden können, wie Filme, die in hohem
Maße ebene Oberflächen besitzen.
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Bei einer Ausführungsform der Erfindung ist ein die Infrarotstrahlungsquelle
enthaltender Lichtprojektor vorgesehen,. eine rotierende Scheibe, auf der Bandpassfilter
montiert sind, und ein einen Infrarotdetektor enthaltenden Lichtempfänger, der auf
der anderen Seite des auszumessenden Films angeordnet ist. Auf der Projektorseite
des Films ist ein erster Reflektor montiert, der eine konkave hemisphärische, reflektierende
Oberfläche besitzt, in deren Mitte sich ein Loch befindet, durch das die Infrarotstrahlen
laufen. Die konkave, reflektierende Oberfläche ist dem Film zugewandt. Auf der Projektorseite
des Films ist ein zweiter Reflektor montiert, der eine dem ersten Refelktor zugewandte,
konvexe, sphärische oder konische reflektierende Oberfläche besitzt. Auf der Lichtempfangsseite
des Films ist eine Licht-Sammelführung vorgesehen, die eine konische reflektierende
Oberfläche besitzt,, wobei im Scheitelpunkt ein Infrarotdetektor angeordnet ist.
Der Infrarotdetektor wandelt die Lichtintensitäten in elektrische Signale urti,
die in ein,e elektronische Datenverarbeitung-und Anzeigeeinheit eingegeben werden,
um die Filmdicke zu berechnen; die Filmdicke wird dann auf der Anzeigeeinheit zur
Anzeige gebracht.
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Im Folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der
Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 eine schematische
Darstellung einer herkömmlichen Infrarot-Filmdicken-Meßvorrichtung, Fig. 2 eine
schematische Querschnittsansicht einer Ausführungsform einer Infrarotstrahlungs-Filmdicken-Meßvorrichtung
gemäß de'r -Erfindung, Fig. 3 ein grafische Darstellung von Testergebnissen, -die
durch Vergleichen der Messungen der bekannten Vorrichtung gemäß Fig. 1 und der Ausf-ührungsform
der Erfindung gemäß Fig. 2-erhalten wurden, wobei das gemessene Ausgangs signal
auf der vertikalen Achse und die Filmdicke auf der horizontalen Achse aufgetragen
sind, Fig. 4 eine Querschnittsansicht der Reflektoren des Ausführungsbeispiels.gemäß
Fig. 2, Fig. 5 eine Diagramm-Darstellung der Åus,gangssignale der Reflektoren gemäß
Fig. 4, wobei-auf der vertikalen Achse die Meßbeleuchtung und auf der horizontalen
Achse die Lage entland des offenen Durchmessers des konkaven Reflektors gemäß Fig.
4 aufgezeichnet sind, Fig. 6 ein Diagramm des Ausgangssignals einer Bleisulfitzelle
in einem Infrarotstrahlen-Detektor, wobei das' Ausgangssignal auf der vertikalen
und die Intensität des einfallenden Lichts auf der horizontalen Achse aufgetragen
sind,
Fig. 7 eine schematische Querschnittsansicht einer anderen
Ausführungsform der Erfindung, Fig. 8(a) eine Seitenansicht des zweiten Reflektors
gemäß Ausführungsbeispiel nach Fig. 7, Fig. 8(b) eine perspektivische Ansicht dieser
Anordnurig, Fig. 9(a) eine Seitenansicht einer' weiteren Ausführungsform des zweiten
Reflektors nach der Erfindung, Fig. 9(b) eine entsprechende perspektivische Ansicht,
Fig. 10 'eine Querschnittsansicht der Reflektoren .der Ausführungsform gemäßFig.
7, Fig. 11 eine grafische Darstellung der Lichtintensitätsverteilung über der reflektierenden
Oberfläche des Empfängers, wenn dieser zusammen mit den Reflektoren gemäß Fig. 10
zum Einsatz kommt, und Fig. .1-2 eine grafische Darstellung der durch die Achsenabweichung
zwischen dem Projektor und dem Empfänger verursachten Nullpunktverschiebung, und
zwar einmal für eine herkömmliche Infrarot-Dicken-Messungs-Vorrichtung, zum anderen
für eine erfindungsgemäße Vorrichtung.
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Fig. 1 zeigt einen Infrarotlichtprojektor 10, der Infrarotlichtstrahlen
abgibt. Der Projektor 10 enthält eine Infrarotstrahlungsquelle 12, wie zum Beispiel
eine
Wolfram-Glühbirne oder eine Glühstablampe, die entsprechend
der erforderlichen Wellenlänge des Infrarotlichts ausgewählt wird, und einen Verschluß
mit einer Scheibe 14, die von einem Synchronmotor 16 gedreht wird.
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Die rotierende Scheibe 14 besitzt zwei'voneinander um 1800 beabstandete
und in der Nähe des Scheibenumfangs angeordnete,Of£nungen. Über den öffnungen der
rotierenden Scheibe 14 sind Bandpassfilter 18 und 20 angeordnet.
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Das Bandpassfilter 18 läßt Infrarotlicht mit einer Bezugswellenlänge
#R hindurch, während das Filter 20 Infrarotstrahlen mit einer Meßwellenlänge #M
durchläßt.
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Zwischen der Infrartstrahlungsquelle 12 und den Bandpassfiltern 18
und 20 befindet sich eine Linse 22, um die von der Quelle 12 ausgestrahlten streuenden
Strahlen in ein paralleles Strahlenbündel zu verwandeln. Somit werden die parallelen
Strahlen des die Linse 22. verlassenden Lichts durch die Bandpassfilter 18 und 20
gefiltert.
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In festem Abstand'bezüglich des Lichtprojektors 10 befindet sich ein
Lichtsensor 24, während der auszumessende Film 26 sich kontinuierlich zwischen den
beiden Elementen hindurchbewegt. Der Sensor 24 enthält eine Lichtsammellinse 28,
deren.Achse mit derjenigen der Linse 22 ausgerichtet ist. Der Infrarotdetektor 30
ist im Brennpunkt der Lichtsammellins 28 angeordnet und kann eine photoelektrische
Zelle wie zum Beispiel eine Bleisulfitzelle oder eine Bleiselenitzelle aufweisen.
Der Infrarotdetektor 30 ist an eine elektronische Schaltung 32'angeschlossen, die
ihrerseits an ein Meßgerät 34 angeschlossen ist, um die Dicke des Films 26 anzuzeigen.
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Bei diesem herkömmlichen System wandelt die Linse 22 die Strahlen
des tnfrarotlichts von der Quelle 12 in parallele Strahlen um, die dann .durch die
Bandpassfilter 18 und 20 gefiltert werden, so daß lediglich Strahlen mit der Bezugswellenlänge
Ä R und der Meßwellenlänge l M
abwechselnd an den zu messenden
Film 26 gelangen. Der Infrarotdetektor 30 erfaßt die den.Film 26 durchlaufenden
Infrarotstrahlen. Die Ausgangssignale des Infrarotdetektors 30 zeigen die Intensitäten
der empfangenen infraroten Lichtstrahlen der Wellenlängen A R und an, und diese
Signale werden an die elektronische Schaltung 32 gegeben, wo das logarithmische
Verhältnis zwischen den beiden Wellenlängen berechnet wird, um die Dicke des Films
26 zu bestimmen und auf dem Meßgerät 34 anzuzeigen.
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Wenngleich diese herkömmliche Dickenmeßvorrichtunq gemäß Fig. 1 die
Filmdicke kontinuierlich mißt, und ein sicheres und leicht handhabbares Gerät ist,
so leidet sie doch unter einem bedeutsamen Nachteil, wenn die Filmdicke sehr gering
wird, beispielsweise weniger als 50 «m.
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Zwischen den auf der Vorder- und Rückseite des Films, reflektierten
Strahlen bilden sich Interferenzen, durch diese ein erhöhter Meßfehler entsteht.
Beispielsweise bei Polyäthylen-, Terephtalat- und Polypropylen-Filmen-,.
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deren Oberflächen in hohem Maße eben sind, tretenMehrfachstrahl-Interferenzen
auf, und solche Interferenzen bewirken Änderungen in der übertragenen Lichtmenge,
was zu erhöhten Meßfehlern führt.
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In Fig. 2 sind die grundlegenden Elemente' einer bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung dargestellt, wobei, entsprechende Teil wie bei der Anordnung gemäß
Fig. 1 die gleichen Bezugszeichen besitzen. Der Lichtprojektor 1G weist einen Verschluß
und eine Infrarotlichtquelle 12, wie zum Beispiel eine Wolframlampe, auf, die Infrarotstrahlung
mit einem bestimmten Wellenlängenbereich abgibt, vorzugsweise liegen die Wellenlängen
zwischen 1,6 und 1,9 am oder 2,0 und 2,6 ßm. Der Verschluß besitzt eine Drehscheibe
14 aus für. Infrarotstrahlen un-
durchlässigem Material. Die Scheibe
wird von einem Synchronmotor 16 gedreht. Die Scheibe 14 besitzt zwei Bandpassfilter
18 und 20 mit einer Halbbandbreite von 200 bis 400 Nanometern. Unter Halbbandbreite"
wird hier die doppelte Differenz zwischen einer Wellenlänge für maximale Durchlässigkeit
und-derjenigen für den halben Wert des Maximums verstanden,. Das Bandpassfilter
18 überträgt die, Infrarotstrahlen mit einer Bezugswellenlänge X Rt gekennzeichnet
durch einen geringen Absorptionskoeffizie.nten; dies bedeutet,.daß lediglich ein
geringer Anteil der Infrarotstrahlung dieser Wellenlänge von dem zu messenden Film
absorbiert wird. Das andere Bandpassfilter 20 auf der Drehscheibe 14 läßt lediglich-die
Infrarot strahlen der Meßwellenlänge 2 X hindurch; hier ist der Absorptionskoeffizient
größer als bei der Bezugswellenlänge X Zwischen den Bandpassfiltern 18 und 20 auf
der Drehscheibe 14 und der Infrarotstrahlungsquelle 12 befindet sich eine Linse
22, um die abgestrahlten Infrarotstrahlen in parallele Strahlen umzusetzen.
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Ein.Li-chtsensor 24 empfängt die Strahlen'des von der Lichtquelle
12 abqegebenen Infrarotlichts. Der zu messende Film läuft kontinuierlich in eine
Richtung zwischen dem Projektor 10'und dem Lichtsensor 24 hindurch.
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Auf der der Lichtquelle 12 zugewandten Seite des Films 26 ist ein
erster Reflektor 36 starr angeordnet, zwischen ihm und der Lichtquelle befinden
sich die Bandpassfilter 18 und 20. Der erste Reflektor 36 ist ein rechteckiger Block
mit hohem Reflexionsvermögen; er besitzt eine innere, hemisphärische, konkave reflektierende
Oberfläche 34, die sandstrahlgereinigt ist oder mit reflektierendem Material wie
zum Beispiel Barium beschichtet
ist, um eine unebene Oberfläche
für diffuse Reflexion zu erreichen. Der Reflektor besitzt in der hemisphärischen,
konkaven- reflektierenden Oberfläche 38 ein Loch 40 mit einem Durchmesser, der ausreicht,
um den Strahl' des von dem Projektor 10 abgegebenen Infrarotlichts in den ersten
Reflektor 36 hindurchzulassen.
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Die konkave reflektierende Oberfläche 38 ist so angeordnet, daß das
Licht auf dem Film 26 reflektiert wird, wie es in Fig. 2 dargestellt ist. Das Loch
40 ist so angebracht, daß seine Mitte mit der Achse der Linse 22 und der Infrarotlichtquelle
12 ausgerichtet ist. In der Nähe der Mitte der konkaven reflektierenden Oberfläche
38 istein zweiter Reflektor 44 vorgesehen, der von einer geeigneten (nicht dargestellten)
Vorrichtung ge-, halten wird. Der zweite Reflektor 44 besitzt eine konvexe, hemisphärische,
glatte, reflektierende Oberfläche 42, die der konkaven reflektierenden Oberfläche
38 gegenüberliegt.
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Der Lichtempfänger 24 enthält eine Lichtsammelführung 48 mit einer
konischen reflektierenden Oberfläche 46, die so oberflächenbehandelt ist, daß eine
sehr glatte Spiegelfläche vorhanden ist. Ein vorzugsweise eine Photozelle aufweisender
Infrarotdetektor 30 ist am Scheitel der konischen reflektierenden Oberfläche'36
angeordnet.
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Die oben beschriebene Anordnung arbeitet wie folgt: Gemäß Fig. 2 wandelt
die Linse 22 das von der Lichtquelle 12 abgegebene Infrarotlicht in parallele Strahlen
um, die abwechselnd von den Bandpassfiltern 18 und 20 auf der Drehscheibe 14 gefiltert
werden. Die Filter 18 und 20 übertragen lediglich Infrarotstrahlen einer Wellenlänge
Ä Rt der Bezugswellenlänge, und A Mt der Meßwellenlänge. Die durchgelassenen Infrarotstrahlen
gelangen dann
durch das Loch 40 in den ersten Reflektor 36'.
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Dann werden die Infrarotstrahlen von der konvexen reflektierenden
Oberfläche 42 des zweiten Reflektors 44 reflektiert. Die reflektierten Strahlen
werden durch die konkave reflektierende Oberfläche 38 des ersten Reflektors 36 gestreut,
und die diffusen'Infrarotstrahlen gelangen durch den zu messenden Film 26 in den
Lichtsensor 24. Die durchgelassenen Strahlen werden entlang der konischen reflektierenden
Oberfläche 46 der Lichtsammelführung 48 in Richtung auf den Infrarotdetektor 30'
reflektiert oder geführt. Da die Infrarotstrahlen der Bezugswellenlänge- X R und
der Meßwellenlänge A M abwechselnd in den Infrarotdetektor 30 eintreten, erzeugt
der Detektor abwechselnd elektrische Ausgangssignale, die die Intensität Jeder Wellenlänge
repräsenti-en. Die Ausgangssignale werden dann-an eine elektronische Schaltung,
wie in Fig. 1 dargestellt ist, gegeben, wo das logarithmische Verhältnis der durchgelassenen
'Lichtintensitäten der beiden Wellenlängen berechnet wird, um'die Filmdicke zu bestimmen.
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Da die meisten der durch die konkave Oberfläche 38 des ersten Reflektors
36 diffus reflektierenden In,frarotstrahlen-auf die konische reflektierende Oberfläche
46 der Licsammelführung 48 fallen und in den Infrarotdetektor 30 konvergieren, können
elektrische Signale mit einem hohem Rausch- oder Störabstand erhalten werden, wodurch
eine hohem Genauigkeit und Züverlässigkeit der Filmdickenmessung erzielt wird.
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Mit zunehnendem Scheitelwinkel der konischen reflektierenden Oberfläche
46 besitzen die Strahlen die Neigung, von- dieser Oberfläche anstatt auf den Infrarotdetektor
30 auf den Film 36 reflektiert zu werden, wobei ein
kleinerer Anteil
der Strahlen den Detektor 30 erreicht.
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Empirische Untersuchungen haben gezeigt, daß ein bevorzugter Scheitelwinkel
zwischen 20 und 600 liegt. Bei einem Scheitelwinkel von 400 war das Ausgangssignal
des Sensors 30 2,5 -mal größer als das Ausgangssignal bei einem Scheitelwinkel von
1000, Ein weiterer Vorteil der vorliegenden Erfindung ist darin zu sehen, daß die
diffusen Strahlen aus verschiedenen Winkeln auf den Film auftreffen, weil die konkave
reflektierende Oberfläche 38 die Infrarot strahlen reflektiert, bevor diese den
Film 26 passieren. Die Interferenz zwischen den auf der Vorder- und Rückseite des
Films reflektierten Strahlen,-die bei parallelen Strahlen möglicherweise auftritt,
kann vermieden werden, so daß mögliche Meßfehler minimal sind.
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In Fig. 3 sind'die Meßergebnisse von Filmdickenmessungen unter Verwendung
einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dargestellt. Für diese grafische
Darstellung wurden Bandpassfilter mit einer Halbbandbreite von 200 bis 400 Nanometer
verwendet, um einen Polyäthlen-Terephtalat-Filtn zu messen, der in hohem Maße ebene
Oberflächen besitzt. Ein derartiger Film würde bei Messung mit parallelen Strahlen
gemäß dem Stand der Technik Interferenzerscheinungen selbst bei einer Dicke von
etwa 100 Fm aufweisen und dadurch die Meßgenauigkeit abträglich beeinflussen.
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Aus Fig. 3 erkennt mann, daß die erfindungSgemäße Vorrichtung den
Meßfehler auf weniger als 1 ßm für einen sehr dünnen Film zwischen 1 und 10 ßm begrenzen
kann.
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Ferner werden die durch Interferenzerscheinungen zwischen den auftreffenden
Infrarotstrahlen hervorgerufenen Fehler in hohem Maße herabgesetzt, wodurch die
Meßgenauigkeit
im Vergleich zum Stand der Technik, bei dem parallele
Infrarotstrahlen eingesetzt wurden, verbessert wird.
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Fast sämtliche Infrarot strahlen sowohl der Bezugswellenlänge A R
als'auch'der Meßwellenlänge t M' die von der konkaven Oberfläche 38 des ersten Reflektors
36 reflektiert wurden, erreichen die konische reflektierende Oberfläche 46 der Lichtsammelführung
34, um weiter auf den Infrarotdetektor 30 reflektiert und konvergiert zu werden.
Hierdurch werden stabile Ausgangs signale gewährleistet, und man benötigt keine
Ho'chleistungs-Lichtquelle; man kommt mit einer kleinen Lichtquellè von etwa 10
bis 30 Watt aus Mit der erfindungsgemäßen Anordnung können also Kunststoffilme wie
zum Beispiel Polyäthylen-Terephtalat-oder Polypropylän-Filme mit einer Meßgenauigkeit
von weniger als 1 wm gemessen werden. Die Erfindung kann auch zum Messen von Filmen
eingesetzt werden, deren, Oberflächen in hohem Maße eben sind; ferner'können sehr
dünne Filme gemessen werden, die beispielswe,ise nur 10 bis 20 ßm dünn sind, ohne
daß durch Mehrfachreflexionen Interferenzen .entstehen.
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Die vorliegende Erfindung ist auch nützlich bei der Qualitätskontrolle
von Filmen, da eine kontinuier-liche Messung der Filmdicke während der Herstellung
des Films möglich ist, wobei der Film zwischen dem Lichtprojektor und dem Lichtempfänger
hindurchläuft. Ein Dickenmeßgeät nach der Erfindung ist sehr'sicher zu handhaben
und zu bedienen, verglichen mit den herkömmlichen Geräten, be,i denen Radioaktivität
eingesetzt wurde. Der Projektor.lmd Empfang'er sind weiterhin wesentlich einfacher
und kompakter als radioaktive Meßgeräte, so daß eine wesentliche Herabsetzung der
Gesamtproduktionskosten er-
zielt wird.
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Die vorliegende Erfindung wurde geprüft mit Lichtsammel.-führungen
48, die konische und hemisphärische Oberflächen besaßen. Die mit der hemisphärischen
Oberfläche erhaltene Lichtintensität betrug etwa 1/3 oder 1/4 der Intensität, die
bei der konischen Oberfläche erhalten wurde. Daher ist eine hemisphärische reflektierende
Oberfläche nicht so gut.
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Fig. 4 zeigt eine Querschnittsansicht des ersten und zweiten-Reflektors
36 und 44, und es ist dargestellt, wie die diffusen Infrarotstrahlen entstehen.
Die Infrarotstrahlen gelangen durch das unten in der konkaven reflektierenden Oberfläche
38 des ersten Reflektors 36 ausgebildete Loch 40 und treten in einen Bereich für
zerstreute oder diffuse Strahlung ein, wo die Strahlen von der glatten konvexen
reflektierenden Oberfläche 42 reflektiert und dann zerstreut oder diffus am Punkt
-T der konkaven reflektierenden Oberfläche 38 weiter reflektiert werden, um in Richtung
auf den (nicht dargestellten) zu messenden Film gelenkt zu,werden. Die am Punkt
P in Richtung auf den Film reflektierten Infrarotstrahlen befinden sich in einem
Sektor indes Scheitelwinkels e , der durch die Linien PQ und PR definiert wird.
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Die Lichtintensitä'tsverteilung der in den (nicht dargestellten)'Lichtempfänger
eintretenden Infrarotstrahlen ist in Fig. 5 skizziert. Aus dem Diagramm entnimmt
man, daß ein Abfall der Lichtintensität hinter dem zweiten Reflektor 44 erfolgt,
was in dem Diagramm durch'den Buchstaben $ angedeutet ist.
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Die Ausgangskennlinie oder Widerstands schwankung bezüglich der einfallenden
Lichtintensität, wie sie durch
die fotoelektrische Zelle 30 geliefert
wird, wobei es sich bei dieser Zelle beispielsweise um eine Bleisulfit-oder eine
Bleiselenitzelle handelt, die in dem Lichtempfänger 48 angeordnet ist, schwankt
abhängig von der-Wellenlänge des einfallenden Lichts. Eine Bleisulfitzelle ergibt
die in Fig. 6 dargestellte Kennlinie. Da die Ausgangskennlinie der fotoelektrischen
Zelle für Infrarotstrahlen bei einer Bezugswellenlänge Ä R von' derjenigen bei der
Meßwellenlänge A M abweicht, ändert sich das Ausgangssignal der Photozelle-zwschen
den Wellenlången selbst dann, wenn die Intensität der.Infrarotstrahlung fü beide
Wellenlängen X R und' M im selben Verhältnis schwankt. Da weiterhin die Lichtintensität
hinter dem.zweiten Reflektor 44 (siehe S'in Fig.
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5) abfällt, wird die Intensitätsschwankung -der -auftreffenden Infrarotstrahlen,
verursacht dur'ch die geringfügige Achsenabweichung zwischen Projektor und Empfänger,
verstärkt, was zu'einer Nullpunktverschiebung führt.
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Fig. 7 zeigt eine Ausführungsform der Erfindung, die der Ausführungsform
gemäß Fig. 2 ähnelt. Der Unterschied besteht darin, daß der zweite Reflektor 44
gemäß Fig. 2 durch eine 'alternative Anordnung 44' ersetzt ist;'dieses Teil besitzt
eine konvexe reflektierende Oberfläche 42'.
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Gemäß Fig. 8 weist der zweite Reflektor 44' einen kegelstumpfförmigen
Abschnitt 45 und einen sphärischen Abschnitt 42' am Boden des Kegelstumpfs auf.
Die konvexe reflektierende Oberfläche 42' ist derart oberflächénbehandelt, daß eine
sehr glatte Oberfläche vorhanden ist.
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In Fig. 9 ist ein weiterer zweiter Reflektor 44'' dargestellt, bei
dem eine konische konvexe reflektierende Oberfläche 42" am Unterteil des Kegelstumpfs
45 ausgebildet ist. Wie bei der Ausführungsform gemäß Fig. 8
ist
die konvexe reflektierende Oberfläche 42" so oberflächenbehandelt, daß eine glatte
Oberfläche zur Verfügung steht.
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Gemäß Fig. 7 ist der Durchmesser D1 der konischen, reflektierenden
Oberfläche 46 an der Unterseite kleiner als der Durchmesser Dz der konkaven reflektierenden
Oberfläche 38 des ersten Reflektors 36 an dessen offenem Ende.
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Gemäß Fig. 7 bündelt die Linse 22 das von der Quelle 1.2 abgegebene
Infrarotlicht zu parallelen Strahlen, die dann von den Bandpassfiltern 18 und 20
auf der Scheibe 14 gefiltert werden, so daß die Infrarotstrahlen mit der Bezugswellenlänge
i R und der Meßwellenlänge M M abwechselnd durch das Loch 40 in den ersten Reflektor
36 gelangen. Diese Infrarotstrahlen werden dann durch die konvexe reflektierende
Oberfläche 42' des zweiten Reflektors 44' reflektiert. Diese von der Oberfläche
42' reflektierten Strahlen werden weiter durch die konkave reflektierende Oberfläche
38 des ersten Reflektors 36 in Richtung auf den Film 26 reflektiert und zerstreut.
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Nachdem die Strahlen den Film 26 durchlaufen haben, werden sie an
der konkaven, konischen reflektierenden Oberfläche 46 der Lichtsammelführung 48
reflektiert, um an dem Infrarotstrahlendetektor 30 zusammenzulaufen.
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Wie oben erläutert wurde, betreten die Infrarotstrahlen mit der Bezugswellenlänge-
R und der Meßwellenlänge #M abwechselnd den Detektor 30, der die Intensität der
Strahlen in elektrische Signale umsetzt. Diese Signale werden an eine geeignete
elektronische Schaltung gegeben, wo das Verhältnis der durchgelassenen oder übertragenen
Lichtintensität zwischen den beiden'Wellenlängen in ein logarithmisches Verhältnis
umgesetzt wird,
um die Filmdicke zu bestimmen und sie auf einem
(nicht dargestellten) Meßinstrument. anzuzeigen.
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Das Blockieren der zerstreuten oder diffusen Strahlen durch den zweiten-Reflektor
44' ist in F'ig. 10 dargestellt. Der zweite Reflektor 44' weist einen Kegelstumpf
45 und eine .konvexe, reflektierende Oberfläche 42' auf, die ein Kugelausschnitt
sein kann (jedoch nicht hemisphärisch ist),. Ein Teil der Strahlen wird am Punkt
P der konkaven refektierenden- 'Oberfläche 38 des ersten Refelktors 36 reflektiert
und pflanzt sich entlang einer Linie PR fort. Da der zweite Reflektor 44' an seiner
Basis als Kegelstumpf ausgebildet ist, ist der Anteil der von dem zweiten Reflektor
44' blockierten diffusen Strahlen sehr gering, und der- Zerstreuungswinkel e der
in Richtung auf den Film 26 laufenden Strahlen ist größer als bei der-Anordnung
gemäß Fig. 4.
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Folglich hat die Lichtintensitätsverteilung am Empfänger 24 den in
Fig. 11 gezeigten Verlauf, wobei die Lihtintensität in der Nähe der Lichtachse des
Sensors 24 annähernd konstant ist.
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Da der öffnungsdurchmesser D1 der konischen refiektierenden Oberfläche
der Lichtsammelführung 48 kleiner ist als der Öffnungsdurchmesser D2 der konkaven
reflektierenden Oberfläche 38'des ersten Reflektors 36, bleibt die Menge'des in
die Sammelführung 48 eintretenden Lichts auf fast demselben Pegel, falls die Achsen
des Projektors 21 und des Sensors 24 voneinander abweichen sollten, wodurch das
Ausma-B der Nullpunktverschiebung minimiert wird.
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Fig. 12 zeigt das Meßergebnis-der Nullpunktverschiebung bei der Achscnabweichung
zwischen Empfänqer und Projek-
tor, und zwar bei einerseits einem
herkömmlichen Infrarot-Filmdickenmeßgerät, und andererseits bei einem erfindungsgemäßen
Filmdicken-Meßgerät. Man sieht, daß bei denselben Abweichungen die Nullpunktverschiebung
bei der erfindungsgemäßen Anordnung etwa nur 1/4 von derjenigen bei der herkömmlichen
Anordnung beträgt.
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Folglich sind bei der er£indungsgemäßen Anordnung bei der Herstellung
des Abtastrahmens, auf den der Projektor und Empfänger zu montieren sind, größere
Bearbeitungsfehler möglich'als bei der herkömmlichen Anordnung. Dies führt zu'einer
wesentlichen Herabsetzung der Produktionskosten des, Abtastrahmens. Um den Abtastfehler
beispielsweise auf 0,1 Fm zu'begrenzen, muß der Abtastrahmen nur so genau'hergestellt
sein, daß die Abweic.hung der Achsen von Projektor und Empfänger nur etwa. + 1 mm
beträgt.
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Gemäß der Erfindung kann also die Nullpunktverschiebung selbst dann
minimiert werden, wenn eine gewisse Achsenabweichung zwischen Projektor und Empfänger
vorliegt, so daß eine in hphem Maße genaue Messung der Filmdicke erreicht wird.
Dai die Erfindung größere Toleranzen bei der Fertigung des Abtastrahmens zuläßt,
können die Produktionskosten beträchtlich gesenkt werden.