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Stand der
Technik
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Die
Erfindung betrifft einen Prüfkörper für optoelektronische
Bildanalysesysteme, der einen ebenen Basiskörper aufweist, auf dem mehrere
geometrische Strukturen angeordnet sind, sowie ein Verfahren zur
Herstellung eines Prüfkörpers.
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Nach
der Herstellung von Produkten bzw. Bauteilen ist es meist erforderlich,
diese vor ihrem Einsatz mit einem geeigneten Reinigungsverfahren von
Schmutzpartikeln zu säubern.
Im Rahmen der Qualitätssicherung
wird üblicherweise
die Leistungsfähigkeit
der entwickelten Reinigungsverfahren mit Hilfe von lichtmikroskopischen
Systemen überprüft.
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Dazu
wird ein Produkt bzw. Bauteil, welches nach dem entwickelten Reinigungsverfahren
gesäubert
wurde, nochmals eingehend gereinigt, wobei die dabei entfernten
Schmutzpartikel beispielsweise in einer Reinigungsflüssigkeit
verbleiben, welche durch einen Filter geleitet wird. Dabei bleiben
die Schmutzpartikel auf dem Filter zurück, der unter einem Lichtmikroskop
des lichtmikroskopischen Systems positioniert wird. Mit Hilfe des
lichtmikroskopischen Systems wird der beladene Filter analysiert,
wobei das Lichtmikroskop mit einem Bildanalysesystem bzw. Auswertesystem
verbunden ist. Bei der Auswertung werden helle und dunkle Flecken
unterschieden sowie deren Größe und Anzahl
bestimmt. Anschließend
erfolgt eine Klassifizierung der dunklen Flecken, die die Schmutzpartikel
darstellen.
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Nachteilig
dabei ist jedoch, daß die
erhaltenen Auswerteprotokolle der aus der Praxis bekannten Bildanalysesysteme
derzeit nicht verifizierbar sind, da die genaue reale Belegung des
Filters, d.h. die Anzahl an Schmutzpartikeln verschiedener Partikelgrößenklassen,
nicht bekannt ist und über
eine manuelle Auswertung nur schwer ermittelbar ist. Deshalb ist
eine Abweichung zwischen dem Auswerteprotokoll und der realen Belegung
nicht bestimmbar.
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Aus
der Praxis sind Prüfkörper bzw.
sogenannte Standards bekannt, welche mit einer einzigen geometrischen
Struktur belegt sind. Diese einzelne Struktur, dessen Abmessungen
bekannt ist, wird mittels eines optoelektronischen Bildanalysesystemes in
einem einzelnen Meßschritt
ausgemessen und klassifiziert.
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Mit
derartigen Prüfkörpern können nachteilhafterweise
jedoch nur Einzelmessungen durchgeführt werden, wohingegen mit
einem Bildanalysesystem eine Gesamtheit realer mit Schmutzpartikeln
belegter Filter dahingehend ausgewertet werden soll, daß eine Klassifikation
der Schmutzpartikel nach Größe und Anzahl
vorliegt, anhand der eine Bewertung eines angewendeten Reinigungsverfahrens durchgeführt werden
kann.
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Filter
mit Schmutzpartikeln werden mit bekannten optoelektronischen Bildanalysesystemen derart
ausgewertet, daß die
beladene Filterfläche
in verschiedene Prüfparzellen
bzw. Prüfflächen aufgeteilt
wird, die nacheinander von dem Bildanalysesystem abgetastet werden.
Nach Beendigung des automatischen Prüflaufes werden die verschiedenen
Einzelmessungen zusammengelegt, und es wird eine Auswertung für die gesamte
Filterfläche
erstellt. Mit den aus der Praxis bekannten Prüfkörpern ist ein derartiger automatischer
Meßlauf
eines optoelektronischen Bildanalysesystems nicht simulierbar, da
diese nur mit einer einzelnen geometrischen Struktur belegt sind
oder mehrere ineinanderverschachtelte geometrische Strukturen aufweisen,
welche von den Bildanalysesystemen nicht aufgelöst werden können.
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Des
weiteren ist es bekannt, reale Schmutzpartikel auf einem Basiskörper anzuordnen
und in einer mit dem Basiskörper
eine feste Verbindung ausbildende Einbettungsmasse zu lokalisieren.
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Dabei
ist jedoch von Nachteil, daß bekannte Einbettungsmassen
nicht dauerbeständig
sind und die Anordnung der Partikel nicht gleich bleibt, so daß derartige
Prüfkörper mit
zunehmender Lebensdauer unbrauchbar werden.
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Ein
weiterer Nachteil besteht darin, dass die Abmessungen der verwendeten
Schmutzpartikel erst manuell bestimmt werden müssen, um die Auswertung eines
optoelektronischen Bildanalysesystems bewerten zu können, wobei
derartige Standards Unikate darstellen, die nur sehr schwer, wenn überhaupt, reproduzierbar
sind.
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Weiterhin
ist aus der
DE 27 12
590 C2 ein optischer Dichtestandard bekannt, der der Eichung und
Prüfung
eines Instrumentes dient, in welchem ein Standard mit einer beleuchteten
Zone längs
einer vorgegebenen Abtastachse abgetastet wird. Dabei wird überprüft, ob das
Instrument zur Erfassung der optischen Dichte eines Mediums geeignet
ist. Darüber
hinaus sind aus der
EP
1063569 A2 und der
DE 35
07 778 A1 Prüfkörper bekannt,
auf denen Muster abgebildet sind, mit deren Hilfe sich die Mustererkennung
eines optischen Systems überprüfen lässt. Aus der
DE 196 49 925 A1 ist
ein weiterer Prüfkörper bekannt,
der mit einer photometrisch aktiven, fluoreszenzaktiven, chemolumineszenten
oder biolumineszenten Testsubstanz versehen ist und zur Eichung von
optischen Systemen dient, die die Reinigung, Desinfektion und/oder
Sterilisation von Gegenständen überprüft.
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Aufgabe
der vorliegenden Erfindung ist die Bereitstellung eines Prüfkörpers, der
auf Dauer einen standardisierten Abgleich von eingesetzten optoelektronischen
Bildanalysesystemen zur Partikelanalyse realitätsnah ermöglicht.
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Vorteile der
Erfindung
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Der
erfindungsgemäße Prüfkörper für optoelektrische
Bildanalysesysteme mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 hat demgegenüber den
Vorteil, dass unter Verwendung des erfindungsgemäßen Prüfkörpers ein automatischer Messverlauf
simuliert werden kann und dessen Ergebnis eindeutig verifizierbar
ist bzw. anhand der bekannten Belegung des Prüfkörpers exakt bewertet werden
kann.
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Dies
wird dadurch erreicht, dass auf einem ebenen Basiskörper des
Prüfkörpers mehrere
geometrische Strukturen unterschiedlicher Größe in einer vorgegebenen d.h.
bekannten Belegung angeordnet sind, die sich optisch von dem Basiskörper abheben,
und die Belegung des Basiskörpers
mit den geometrischen Strukturen derart vorgesehen ist, dass eine Überlagerung
der Strukturen vermieden wird. Dadurch wird zum einen die reale
Belegung eines Filters hinreichend genau nachgebildet, und zum anderen
werden geometrische Strukturen zur Verfügung gestellt, die für ein Bildanalysesystem
auflösbar sind.
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Der
erfindungsgemäße Prüfkörper bietet
bei einem automatischen Meßlauf
den Vorteil, daß bei
einer Aufteilung der Oberfläche
des Prüfkörpers in mehrere
Prüfparzellen,
welche nacheinander von einem optoelektronischen Bildanalysesystem
angefahren, ausgemessen und anschließend bewertet werden, der besonders
problematische Anwendungsfall, daß ein Partikel bzw. im vorliegenden
Fall eine geometrische Struktur nur teilweise in einer Prüfparzelle bzw.
einem Prüfabschnitt
angeordnet ist und der andere Teil der geometrischen Struktur in
einem benachbarten Prüfabschnitt
angeordnet ist, exakt überprüft werden
kann, in wiefern bei der Auswertung dieses Schmutzpartikels bzw.
dieser geometrischen Struktur auf eine einzige Struktur erkannt
wird, ob durch die Aufteilung von dem Bildanalysesystem mehrere
verschiedene Schmutzpartikel bzw. geometrische Strukturen bzw. eine
geometrische Struktur mehrfach erkannt wird, oder ob keine Struktur
erkannt wird.
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Dieser
problematische Fall kann zu erheblichen Abweichungen der Meßreihe des
Bildanalysesystems von der realen Belegung eines Filters führen, was
unerwünscht
ist, da anhand der Auswertung eines optoelektronischen Bildanalysesystemes
die Güte
eines Reinigungsverfahrens bewertet wird und bei ermittelten hohen
Verunreinigungen eines Bauteils mit bestimmten Schmutzpartikeln
einer bestimmten Größenklasse
entsprechende Maßnahmen zur
Verbesserung des Reinigungsverfahren unternommen werden.
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Mit
dem erfindungsgemäßen Prüfkörper ist vorteilhafterweise
die Leistungsfähigkeit
eines optoelektronischen Bildanalysesystems anhand einer Abweichung
einer Auswertung des Prüfkörpers mittels eines
optoelektronischen Bildanalysesystemes von der tatsächlichen
Belegung des Prüfkörpers bestimmbar,
was bisher nahezu unmöglich
war.
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Mit
dem erfindungsgemäßen Verfahren
gemäß den Merkmalen
des Patentanspruches 11 können in vorteilhafter Weise
reproduzierbare Prüfkörper mit
beliebigen geometrischen Strukturen mit einer vorgegebenen Belegung
auf einfache Art und Weise erzeugt werden. Insbesondere können mit
dem Verfahren nach der Erfindung dauerbeständige Prüfkörper mit einer hohen Präzision gefertigt
werden, die beliebig oft mit gleicher Güte reproduzierbar sind. Damit
kann in vorteilhafter Weise auf Dauer ein standardisierter Abgleich
von eingesetzten optoelektronischen Bildanalysesystemen zur Partikelanalyse
realitätsnah
erfolgen.
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Die
Realitätsnähe ergibt
sich insbesondere aus der Tatsache, daß die vorgegebene Belegung des
Prüfkörpers mit
den geometrischen Strukturen und auch die Form der Strukturen der
Belegung von realen Filtern und der Form von realen Schmutzpartikeln
nachgebildet bzw. simuliert wird.
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Zeichnung
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Ein
Ausführungsbeispiel
der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird in der nachfolgenden
Beschreibung näher
erläutert.
Es zeigt
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1 einen
Basiskörper,
der mit mehreren geometrischen Strukturen einer vorgegebenen Belegung
versehen ist;
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2 eine
vergrößerte Darstellung
der Anordnung der geometrischen Strukturen gemäß dem Ausschnitt X aus 1;
und
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3 eine
Anordnung mehrerer Kreisflächen
in einer Matrix.
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Beschreibung
des Ausführungsbeispiels
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Die 1 zeigt
in vereinfachter Darstellung einen Prüfkörper 1 für optoelektronische
Bildanalysesysteme, der einen ebenen Basiskörper 2 aufweist, auf
dem mehrere geometrische Strukturen 3 unterschiedlicher
Form und Größe in einer
dauerbeständigen
vorgegebenen Belegung fest angeordnet sind. Die Strukturen 3 heben
sich optisch von dem Basiskörper 2 ab,
wobei die Belegung des Basiskörpers 2 mit
den geometrischen Strukturen derart vorgesehen ist, daß eine Überlagerung
der geometrischen Strukturen 3 untereinander vermieden
wird.
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Der
Basiskörper 2 besteht
im vorliegenden Ausführungsbeispiel
aus einer transparenten Glaskeramikplatte, welche vorzugsweise eine
Dicke von etwa 2,4 mm aufweist, auf welcher die geometrischen Strukturen 3 in
der vorgegebenen Belegung fest angeordnet sind.
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Für die Belegung
des Basiskörpers 2 bzw. der
Meßfläche des
Basiskörpers 2 sind
verschiedene Freiheitsgrade vorgesehen, wobei die Belegung des Basiskörpers 2 insbesondere
in Abhängigkeit
der Form der geometrischen Strukturen 3 ausgebildet ist. Unter
der Form der geometrischen Strukturen 3 sind bei einem
Rechteck das Seitenverhältnis
sowie die Abmessungen insgesamt zu verstehen, wobei bei der Auswertung
der Belegung des Prüfkörpers 1 mit einem
Bildanalysesystem die Diagonale einer als Rechteck ausgebildeten
geometrischen Struktur 3 von besonderem Interesse ist.
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Selbstverständlich liegt
es im Ermessen des Fachmannes die geometrischen Strukturen als andere
zweidimensionale geometrische Formen, wie beispielsweise Dreiecke,
Kreise, Ellipsen oder dergleichen auszugestalten. Ein wesentliches
Kriterium bei der Gestaltung der geometrischen Strukturen 3 stellt die
Gestaltung des Umrisses jeder einzelnen geometrischen Struktur 3 dar,
der für
ein einwandfreies Meßergebnis
scharf und klar ausgebildet sein sollte.
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2 zeigt
einen Ausschnitt X gemäß 1 in
stark vergrößerter Darstellung,
wobei die verschiedenen Größen, Formen
und Orientierungen der einzelnen geometrischen Strukturen 3 besser
erkennbar sind. Die geometrischen Strukturen 3 sind als
Rechtecke mit unterschiedlichen Seitenverhältnissen und einer maximalen
Länge bzw.
Diagonale von ca. 20 μm
bis 700 μm
ausgebildet.
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Des
weiteren weisen die geometrischen Strukturen 3 eine vorgegebene
bzw. definierte Orientierung auf dem Basiskörper 2 auf, die einen
weiteren Freiheitsgrad bzw. einen weiteren Parameter der Belegung
des Basiskörpers 2 darstellt.
Die geometrischen Strukturen 3 sind in der Regel nicht
mit der gleichen Orientierung auf dem Basiskörper 2 angeordnet.
Dies ist darin begründet,
daß die
auf realen Filtern angeordneten Schmutzpartikel ebenfalls verschiedene
Orientie rungen aufweisen und der Prüfkörper 1 somit so realitätsnah wie
möglich
ausgestaltet ist. Damit kann die Wirksamkeit bzw. Leistungsfähigkeit
der optoelektronischen Bildanalysesysteme noch besser überprüft werden.
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Einen
weiteren Freiheitsgrad der Belegung des Basiskörpers 2 stellt die
Vorgabe einer absoluten Position jeder einzelnen geometrischen Struktur 3 auf
dem Basiskörper 2 dar.
Die Absolutkoordinaten einer geometrischen Struktur 3 auf
dem Basiskörper 2 sind
insbesondere dann von besonderen Interesse, wenn der Prüfkörper 1 bzw.
die Meßfläche des
Basiskörpers 2 in
mehrere Meß-
bzw. Prüffelder
unterteilt wird und mehrere geometrische Strukturen 3 an
der Grenze zwischen zwei, drei oder vier Meßfeldern angeordnet sind. Idealerweise
wird die Gesamtheit einer solchen Struktur in einem Meßfeld vollständig und
in den anderen Meßfeldern
nicht erfaßt.
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Liefert
das Bildanalysesystem nach der Erfassung der geometrischen Strukturen 3 in
seiner Auswertung eine von der tatsächlichen Anzahl der geometrischen
Strukturen abweichende Anzahl, so kann die Abweichung darin begründet sein,
daß das Bildanalysesystem
anstatt einer geometrischen Struktur 3 mehrere oder gar
keine geometrische Strukturen 3 erkennt und klassifiziert.
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Weiter
ist die Belegung des Basiskörpers 2 durch
eine Anzahl an geometrischen Strukturen 3 einer bestimmten
Größenklasse
sowie in Abhängigkeit eines
Abstandes zwischen jeweils zwei benachbarten Strukturen vorgegeben.
Die geometrischen Strukturen 3 werden vorzugsweise sehr
nahe neben einander planiert, um überprüfen zu können, wie
das Bildanalysesystem diese auflöst.
Dabei ist von besonderem Interesse, ob das Bildanalysesystem aus den
vielen kleinen geometrischen Strukturen eine einzige geometrische
Struktur bildet oder ob es alle einzeln auflösen und einzeln klassifizieren
kann.
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In
diesem Zusammenhang wird auf die Darstellung in der 2 hingewiesen,
bei der mehrere geometrische Strukturen 4A bis 4E stufenförmig aneinander
gereiht sind, wobei der Abstand zwischen den geometrischen Strukturen 4A bis 4E etwa
so groß gewählt ist
wie die Größe der geometrischen Strukturen 4A bis 4E selbst.
Aus der Praxis ist bekannt, daß derartige
Anordnungen von geometrischen Strukturen zueinander, die stellvertretend
für reale
Schmutzpartikel stehen, dazu führen,
daß nur ein
einziger Partikel von dem Bildanalysesystem erkannt und klassifiziert
wird.
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Mit
dem Prüfkörper 1 können zusätzlich unterschiedliche
Aspektverhältnisse
betrachtet werden, die der Realität sehr nahe kommen. So stehen
die großen
quadratischen geometrischen Strukturen stellvertretend für Spänchen, während die
länglichen nadelförmigen geometrischen
Strukturen als Stellvertreter für
nadelförmige
Fasern bzw. Partikel vorgesehen sind.
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Die
vorbeschriebenen Freiheitsgrade der Belegung des Prüfkörpers 1 bzw.
des Basiskörpers 2 mit
den geometrischen Strukturen 3 werden in Abhängigkeit
des jeweils vorliegenden realen Anwendungsfalles definiert, und
der Prüfkörper 1 wird
entsprechend den festgelegten Werten hergestellt, wo mit im allgemeinen
ein einmal modellierter Prüfkörper mit
hoher Präzision
beliebig oft reproduzierbar ist.
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Die
Herstellung des Prüfkörpers 1 erfolgt
im wesentlichen in zwei Schritten. Zunächst wird eine Vorlage, vorzugsweise
eine CAD-Zeichnung, für
die Belegung des Basiskörpers 2 mit
geometrischen Strukturen erstellt. Dabei werden in einem ersten Schritt
mehrere verschiedene Flächenelemente
mit jeweils ca. 20 bis 30 geometrischen Strukturen 3 unterschiedlicher
Form und Orientierung angefertigt. Das Flächenelement weist im vorliegenden
Ausführungsbeispiel
eine Größe von 1
mm × 1
mm auf, wobei es selbstverständlich
im Ermessen des Fachmannes liegt, die Größenverhältnisse eines solchen Flächenelementes
sowie die Anzahl der Strukturen davon abweichend vorzusehen. Anschließend werden
jeweils mehrere dieser unterschiedlichen Flächenelemente innerhalb einer
in der 3 dargestellten Kreisfläche 5 statistisch
angeordnet. Die Aufteilung der Kreisfläche 5 in verschiedene
Flächenelemente
dient der Vereinfachung und bietet eine größere Übersichtlichkeit.
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Alternativ
hierzu kann es vorgesehen sein, die gesamte Fläche 5 auf einmal mit
Strukturen zu versehen, wobei die Größe und Form der belegten Fläche frei
wählbar
ist und anstatt der Kreisform auch ein Quadrat oder ein Rechteck
vorgesehen werden kann.
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Eine
bestimmte Anzahl der Kreisflächen 5 wird
in einer Matrix 6 mit einem definierten Abstand zueinander,
der vom Mittelpunkt einer jeden Kreisfläche zu dem Mittelpunkt der benachbart
angeordneten Kreisfläche
gemessen wird, positioniert.
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Anschließend wird
die Vorlage in Rasterdaten konvertiert, und es wird ein Basiskörper 2,
der als transparente Glaskeramikplatte ausgeführt ist und eine aufgedampfte
Metallbeschichtung aufweist, belichtet und geätzt, so daß die einzelnen geometrischen
Strukturen 3 der Kreisflächen 5 auf dem Basiskörper 2 verbleiben,
während
die Metallschicht in den anderen Bereichen des Basiskörpers 2 durch
den Ätzvorgang
entfernt wird. Die Matrix 6 bildet dabei eine Schablone
bzw. Vorlage zur gleichzeitigen Herstellung der geometrischen Strukturen 3 auf
mehreren Basiskörpern 2.
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Die
Glaskeramikplatte mit den jeweils in den Kreisflächen 5 angeordneten
geometrischen Strukturen 3 wird auseinander gesägt, so daß in einem
Fertigungsprozeß mehrere
Prüfkörper 1 entstehen.
Diese werden anschließend
in nicht näher
dargestellte Metallträger
eingebettet, die in Mikroskoptischen der optoelektronischen Bildanalysesysteme
exakt positioniert werden können.
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Bei
der aufgedampften Metallschicht handelt es sich im vorliegenden
Ausführungsbeispiel
um eine Chromschicht, wobei es jedoch im Ermessen des Fachmannes
liegt, für
die Beschichtung des Basiskörpers 2 andere
geeignete Metalle, Metallegierungen oder auch geeignete nichtmetallische
Werkstoffe vorzusehen.
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Mit
diesem Herstellverfahren sind Prüfkörper mit
sehr hoher Präzision
reproduzierbar, da bei der Herstellung der geome trischen Strukturen 3 ein
sehr hoher Genauigkeitsgrad bezüglich
der Abmessungen erreicht wird, wobei der Genauigkeitsgrad bei etwa
0,1 μm liegt.
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Der
Prüfkörper 1 ist
zur Überprüfung optoelektronischer
Bildanalysesysteme verschiedenster Bauarten anwendbar. Die Prüfkörper 1 sind
für optoelektronische
Bildanalysesysteme geeignet, die mit einem Auflichtsystem oder mit
einem Durchlichtsystem ausgebildet sind.
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Darüber hinaus
sind mit den vorgeschlagenen Prüfkörpern 1 nahezu
alle in der Realität
auftretende Anordnungen und Formen von Schmutzpartikeln nachbildbar
bzw. simulierbar, da die geometrischen Strukturen 3 als
Kombinationen verschiedenster geometrischer Formen, wie beispielsweise
Kreise, Dreiecke, Vierecke und auch jede beliebige andere geeignete
geometrische Form, problemlos ausgeführt werden können.
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Die
vorgestellte Simulation einer realen Belegung einer Filterfläche zeichnet
sich dadurch aus, daß sie
in weiten Bereichen, insbesondere bei der Auswahl der Größe, Anzahl,
Orientierung der einzelnen geometrischen Strukturen sowie bei der
Gestaltung der Größe und der
Form der belegten Fläche, eine
enorme Variabilität
aufweist. Dadurch, daß die Herstellung
des Prüfkörpers 1 durch
die computergestützte
Erstellung der Vorlage und dem darauf aufbauenden Belichten und Ätzen der
vorbeschichteten Glasplatte erfolgt, können sehr schnell Anpassungen an
reale Aufgabenstellungen, wie beispielsweise Änderungen des Größenbereichs
der geometrischen Strukturen, vorgenommen werden.
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Darüber hinaus
können
mit dieser Vorgehensweise bzw. mit der Zeichnung als Ausgangspunkt
jederzeit identische Prüfkörper mit
gleicher Genauigkeit gefertigt werden, und es sind aufgrund der Zeichnungsvorlage
die Belegungsparameter des Prüfkörpers bzw.
die Größe, Lage
und Orientierung jeder einzelnen Struktur bekannt. Damit kann die
bildanalytische Auswertung hinsichtlich der Genauigkeit der Messung
und der vollständigen
Erfassung der Strukturen, insbesondere bei automatischen Messungen über eine
größere Bildfolge,
beurteilt werden.