DE3631652A1 - Messanordnung zur beruehrungslosen dickenbestimmung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Meßanordnung zur zer­ störungsfreien, berührungslosen Bestimmung der Dicke von Folien und dünnen Oberflächenbeschichtungen mittels instationärer Wärmeleitung, mit

• - einer Heizeinrichtung zur Erzeugung einer auf das Meßobjekt gerichteten zeitlich intensitätsmodulierten Heizstrahlung und
• - einem Strahlungsempfänger für die vom angeregten Meß­ objekt emittierte thermische Strahlung.

Das Prinzip der Dickenbestimmung von Folien und dünnen Oberflächenbeschichtungen mit Hilfe der instationären Wärmeleitung ist seit langem bekannt. Es beruht darauf, bei einer zeitlich veränderlichen Aufheizung einer Probenoberfläche den daraus resultierenden zeitlichen Verlauf der Oberflächentemperatur auszuwerten. Es läßt sich zeigen, daß der zeitliche Verlauf der Temperatur nach einer zeitlich definierten Aufheizung empfindlich von der Dicke sowie von den thermischen Kenngrößen einer Schicht oder Folie abhängt. Im Prinzip kann die Auf­ heizung dabei einen zeitlichen Verlauf haben, der zwischen einem Einzelpuls und einer periodischen sinusförmigen Form liegt. Ist die Anregung periodisch, so stellt sich die Temperaturoszillation hinsichtlich Amplitude und Phase in charakteristischer Weise ein.

Eine Meßanordnung der eingangs genannten Art ist bei­ spielsweise aus Z. Werkstofftech. 15, 140-148 (1984) bekannt. Bei der dort dargestellten Versuchsanordnung wird die von einem Laser erzeugte und in einem nach­ geordneten Modulator in der Intensität periodisch ver­ änderte Heizstrahlung auf das Meßobjekt gerichtet. Die absorbierte Heizstrahlung erzeugt dann sog. Wärme­ wellen, die von Grenzflächen im Probeninneren reflek­ tiert werden. Diese reflektierten Wärmewellen werden dann an der Oberfläche des Meßobjekts über die resul­ tierende Modulation der thermischen Emission nachge­ wiesen. Hierzu wird ein Infrarot-Detektor verwendet, dessen Ausgangssignal in einem phasenempfindlichen Lock-In Verstärker mit dem Referenzsignal des Modu­ lators verglichen wird. Der derart ermittelte Phasen­ unterschied gibt dann Aufschluß über die jeweilige Schichtdicke, wobei durch einen Schiebeschlitten auch eine lokale Ortsauflösung ermöglicht wird.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine für den praktischen Einsatz geeignete Meßanordnung zur zer­ störungsfreien, berührungslosen Bestimmung der Dicke von Folien und dünnen Oberflächenbeschichtungen mittels instationärer Wärmeleitung zu schaffen, die bei geringem baulichen Aufwand eine Dickenbestimmung hoher Genauig­ keit ermöglicht.

Diese Aufgabe wird bei einer Meßanordnung der eingangs genannten Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Strahlungsempfänger auf einen außerhalb der Wellenlänge oder des Wellenlängenbereichs der anregenden Heiz­ strahlung liegenden Empfangsbereich begrenzt ist.

Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, daß für Dickenbestimmungen hoher Genauigkeit eine Separation von Anregungs- und Nachweisstrahlung unerläßlich ist. Dem­ entsprechend muß der Empfangsbereich des Strahlungs­ empfängers derart begrenzt werden, daß Strahlung mit der Wellenlänge oder im Wellenlängenbereich der anregenden Heizstrahlung nicht die Messung der emittierten thermi­ schen Strahlung verfälschen kann.

Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist dem Strahlungsempfänger zur Begrenzung des Empfangsbe­ reichs ein für die Wellenlänge oder den Wellenlängenbe­ reich der anregenden Heizstrahlung undurchlässiges Filter vorgeschaltet. Mit Hilfe eines derartigen Fil­ ters kann die Begrenzung des Empfangsbereichs auf be­ sonders einfache Weise realisiert werden. Vorzugsweise ist das Filter dann so ausgebildet, daß Strahlung außer­ halb des Durchlaßbereichs nicht absorbiert wird. Würde an der Oberfläche des Meßobjekts direkt reflektierte Strahlung in dem Filter absorbiert, so könnten durch diesen Absorptionsprozeß neue zeitkohärente und daher störende Infrarot-Quellen entstehen.

Die unerwünschte Absorption der Heizstrahlung wird vor­ zugsweise dadurch verhindert, daß das Filter Strahlung außerhalb des Durchlaßbereichs reflektiert. Diese Ref­ lexion kann dann auf einfache Weise dadurch erzielt werden, daß das Filter auf der vom Strahlungsempfänger abgewandten Seite eine dielektrische Vielfachbeschichtung trägt.

Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist dem Strahlungsempfänger eine Abbildungsoptik vorgeschaltet. Eine derartige Abbildungsoptik, bei welcher es sich um eine Infrarot-Sammellinse oder eine Spiegeloptik handeln kann, fokussiert dann die emittierte thermische Strahlung derart in den Strahlungsempfänger, daß die Temperatur eines definierten Bereichs der Oberfläche des Meßobjekts erfaßt werden kann.

Vorzugsweise ist der Strahlungsempfänger als Infrarot- Detektor ausgebildet. Dabei haben pyroelektrische Infrarot-Detektoren den Vorteil, daß sie robust und billig sind und keine Kühlung benötigen. Entsprechende Halbleiterdetektoren ermöglichen demgegenüber eine bes­ sere Nachweisempfindlichkeit.

Gemäß einer besonders bevorzugten Ausgestaltung der Er­ findung umfaßt die Heizeinrichtung einen Temperatur­ strahler, der gegenüber den bisher verwendeten Lasern einen erheblich geringeren Kostenaufwand erfordert.

Ist der Temperaturstrahler als Glühlampe, insbesondere als Halogenlampe ausgebildet, so kann für die Erzeugung der Anregungsstrahlung auf die weit verbreiteten elek­ trischen Lichtquellen zurückgegriffen werden.

Weiterhin ist es besonders vorteilhaft, wenn dem Tempe­ raturstrahler ein für Wellenlängen im Empfangsbereich des Strahlungsempfängers undurchlässiges Filter nachge­ ordnet ist. Ein derartiges Filter sorgt dann dafür, daß die anregende Heizstrahlung keinen Anteil im Empfangs­ bereich des Strahlungsempfängers hat.

Während die bisher verwendeten Laser auch aus größerer Entfernung eine definierte und ausreichend intensive Energiezufuhr gewährleisten, sollte bei dem Einsatz von Lasern für eine geeignete Strahlenbündelung gesorgt werden. Besonders günstig ist es dann, wenn die Heiz­ strahlung über einen Lichtleiter auf das Meßobjekt über­ tragbar ist. Mit Hilfe eines derartigen Lichtleiters können dann auch Abstände im Meter-Bereich ohne nennens­ werte Verluste überbrückt werden.

Besonders vorteilhaft ist es dann, wenn der Lichtleiter als Flüssigkeitslichtleiter ausgebildet ist. Derartige Flüssigkeitslichtleiter werden beispielsweise in Ver­ bindung mit entsprechenden Glühlampen mit Erfolg für endoskopische Zwecke eingesetzt.

Weiterhin ist es auch besonders günstig, wenn der Licht­ leiter für Wellenlängen im Empfangsbereich des Strah­ lungsempfängers undurchlässig ist. In diesem Fall kann dann ggf. ein separates, für Wellenlängen im Empfangsbe­ reich des Strahlungsempfängers undurchlässiges Filter entfallen.

Im Hinblick auf die erforderliche Separation von Anre­ gungs- und Nachweisstrahlung ist es schließlich auch noch zweckmäßig, wenn die anregende Heizstrahlung auf Wellenlängen im Sichtbaren, im nahen Ultraviolett und im nahen Infrarot begrenzt ist. Dabei hat sich eine Be­ grenzung auf Wellenlängen zwischen 0,2 und 2 µm als be­ sonders vorteilhaft erwiesen, da Heizstrahlung in diesem Wellenlängenbereich vom Meßobjekt größtenteils absor­ biert und kaum reflektiert wird.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeich­ nung dargestellt und wird im folgenden näher beschrieben.

Es zeigen in stark vereinfachter schematischer Dar­ stellung:

Fig. 1 eine Meßanordnung zur berührungslosen Bestimmung der Dicke von Folien und Oberflächenbeschich­ tungen und

Fig. 2 die Separation von Anregungs- und Nachweisstrah­ lung.

Mit der in Fig. 1 dargestellten Meßanordnung soll an einem mit Mo bezeichneten Meßobjekt die Dicke einer auf Stahlblech Sb aufgebrachten Lackschicht Ls ermittelt werden. Hierzu wird zunächst die mit einer Heizeinrich­ tung He erzeugte, intensitätsmodulierte Heizstrahlung Hs auf die Oberfläche der Lackschicht Ls gerichtet. Für die Erzeugung der intensitätsmodulierten Heizstrahlung Hs sind eine an eine regelbare Lampenversorgung Lv ange­ schlossene Halogenlampe Hl und ein nachgeordneter Modu­ lator M vorgesehen. Der Modulator M umfaßt einen durch einen Antriebsmotor Am angetriebenen Lichtzerhacker oder Chopper C und eine mit Cs bezeichnete Choppersteuerung. Nach dem Modulator M wird dann die intensitätsmodulierte Heizstrahlung Hs über ein Filter F 2 und einen flexiblen Lichtleiter Ll auf die Lackschicht Ls gerichtet.

Die in der Lackschicht Ls absorbierte Heizstrahlung Hs bewirkt an der Oberfläche eine Temperaturoszillation, die über die entsprechend emittierte thermische Strahlung St von einem Strahlungsempfänger Se erfaßt wird. Die emittierte thermische Strahlung St gelangt dabei über ein Filter F 1 zu einer als Infrarot-Sammel­ linse ausgebildeten Abbildungsoptik Ao, welche die thermische Strahlung St so in den Strahlungsempfänger Se fokussiert, daß jeweils nur die Temperatur eines definierten Bereichs der Oberfläche der Lackschicht Ls erfaßt wird.

Die Signalverarbeitung umfaßt einen Lock-In Verstärker LI und ein mit Dv bezeichnetes Digitalvoltmeter. Der Lock-In Verstärker LI ermittelt dabei den Phasenunter­ schied zwischen dem Referenzsignal Rs des Modulators M und dem Ausgangssignal As des Strahlungsempfängers Se. Das dem Lock-In Verstärker LI nachgeordnete Digitalvolt­ meter Dv kann dann so geeicht werden, daß es die je­ weilige Dicke der Lackschicht Ls anzeigt.

Bei der in Fig. 1 dargestellten Meßanordnung soll eine Separation von Anregungs- und Nachweisstrahlung bewirkt werden, die im folgenden unter zusätzlichem Hinweis auf Fig. 2 erläutert wird. Dort sind auf einer horizontalen Achse Wellenlängen λ in µm aufgetragen, die im nahen Ultraviolett UV, im Sichtbaren S und im Infrarot IR liegen. Mit Bezug auf diese Achse ist ferner zu er­ kennen, daß die Halogenlampe Hl eine Heizstrahlung Hs mit Anteilen im nahen Ultraviolett UV, im Sichtbaren S und im nahen Infrarot IR aussendet. Der Bereich der Wellenlänge λ der von der Halogenlampe Hl ausgesandten Heizstrahlung Hs liegt im dargestellten Ausführungs­ beispiel ungefähr zwischen 0,25 und 2,5 µm. Das Filter F 1 oder - wie dargestellt - der als Flüssigkeitslicht­ leiter ausgebildete Lichtleiter Ll lassen von dieser Heizstrahlung Hs nur Wellenlängen λ im Sichtbaren S und im nahen Infrarot Ir durch, wobei dieser Bereich den Wellenlängenbereich Wlb der auf das Meßobjekt Mo ein­ fallenden Heizstrahlung Hs entspricht. Im dargestellten Ausführungsbeispiel ist der Wellenlängenbereich Wlb auf Wellenlängen λ zwischen 0,25 und 0,75 µm begrenzt, da die im Lichtleiter Ll verwendete Flüssigkeit nur in diesem Wellenlängenbereich transparent ist.

Der als Strahlungsempfänger Se verwendete Infrarot-De­ tektor würde ohne das vorgeschaltete Filter F 1 auch auf Strahlung im Wellenlängenbereich Wlb ansprechen. Damit der Strahlungsempfänger Se mit Sicherheit nur die vom Meßobjekt Mo emittierte thermische Strahlung St erfaßt, wird das Filter F 1 so ausgelegt, daß es nur für Strah­ lung St durchlässig ist, deren Wellenlängen λ ober­ halb des Wellenlängenbereichs Wlb liegen. Der Durch­ lässigkeitsbereich des Filters F 1 definiert den Empfangs­ bereich Eb des Strahlungsempfängers Se. Im dargestell­ ten Ausführungsbeispiel ist das Filter F 1 durch eine dielektrische Vielfachbeschichtung so ausgelegt, daß es nur für thermische Strahlung St mit Wellenlängen λ oberhalb 1,0 µm durchlässig ist und Wellenlängen λ von weniger als 1 µm reflektiert.

Die erfindungsgemäße Separation von Anregungs- und Nachweisstrahlung ist in Fig. 2 dadurch zu erkennen, daß sich der Wellenlängenbereich Wlb der anregenden Heiz­ strahlung Hs und der eingeschränkte Empfangsbereich Eb des Strahlungsempfängers Se deutlich unterscheiden. Der dazwischenliegende Differenzbereich Δ λ der Wellen­ länge λ kann als Sicherheitszone angesehen werden, durch welche Uberschneidungen auch bei geringfügigen Ände­ rungen der jeweiligen Durchlaßbereiche ausgeschlossen werden. Derartige Änderungen sind beispielsweise darauf zurückzuführen, daß es sich bei dem Filter F 1 um ein Interferenzfilter handelt, dessen Durchlaßbereich sich mit dem Einfallsbereich der Heizstrahlung Hs ändern kann. Dementsprechend kann auch ggf. eine Beeinflussung des Strahlungsempfängers Se durch eine "Rest-Streu­ strahlung" durch geeignete Plazierung des Filters F 1 weiter reduziert oder ausgeschlossen werden. Mit der vorstehend beschriebenen Meßanordnung können Dickenbestimmungen von Folien und Beschichtungen durch­ geführt werden, sofern das Meßobjekt von wenigstens einer Seite her zugänglich ist. Die zerstörungsfreie und berührungslose Dickenbestimmung ist insbesondere für Lackschichten oder Kunststoffbeschichtungen geeignet, die auf ein Trägermaterial mit von der Beschichtung verschiedenen thermischen Größen, insbesondere Metall, aufgebracht sind. Die Meßanordnung ist prinzipiell auch bei einem Arbeitsabstand im Meter-Bereich einsetzbar. Es können auch Oberflächenbeschichtungen unmittelbar nach der Auftragung im noch unverfestigten Zustand vermessen werden. Mit der Meßanordnung kann eine zuverlässige On-line-Überwachung und On-line-Regelung der Folien- bzw. Beschichtungsdicke in der Fertigung durchgeführt werden. Wird bei der in Fig. 1 dargestellten Meßanordnung in der Heizeinrichtung He anstelle der Halogenlampe Hl ein Laser eingesetzt, so ist die Wellenlänge λ der Heiz­ strahlung Hs auf die Emissionswellenlänge des jewei­ ligen Lasers begrenzt. In Fig. 2 ist dies für einen Argonlaser durch die Wellenlänge Wl angedeutet. Bei Ver­ wendung eines Lasers können dann auch das Filter F 2 und insbesondere der Lichtleiter Ll entfallen.

Die beschriebene Meßanordnung wurde für die Dickenbe­ stimmung von Lackschichten Ls aus noch unverfestigtem grauen Aoryllack auf 0,5 mm dicken Stahlblech Sb einge­ setzt. Bei einer Frequenz des Modulators von 13 Hz zeigte das entsprechend geeichte Digitalvoltmeter Dv beispielsweise einen Phasenunterschied von 120° an, was einer Dicke der Lackschicht von 55 µm entsprach.

Claims (14)

1. Meßanordnung zur zerstörungsfreien, berührungslosen Bestimmung der Dicke von Folien und dünnen Ober­ flächenbeschichtungen mittels instationärer Wärme­ leitung, mit

• - einer Heizeinrichtung (He) zur Erzeugung einer auf das Meßobjekt (Mo) gerichteten zeitlich intensi­ tätsmodulierten Heizstrahlung (Hs) und
• - einem Strahlungsempfänger (Se) für die vom ange­ regten Meßobjekt (Mo) emittierte thermische Strah­ lung (St),

dadurch gekennzeichnet, daß der Strahlungsempfänger (Se) auf einen außerhalb der Wel­ lenlänge (Wl) oder des Wellenlängenbereichs (Wlb) der anregenden Heizstrahlung (Hs) liegenden Empfangsbe­ reich (Eb) begrenzt ist.

2. Meßanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß dem Strahlungsempfänger (Se) zur Begrenzung des Empfangsbereichs (Eb) ein für die Wellenlänge (Wl) oder den Wellenlängenbereich (Wlb) der anregenden Heizstrahlung (Hs) undurchlässiges Filter (F 1) vorgeschaltet ist. 3. Meßanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das Filter (F 1) Strahlung außerhalb des Durchlaßbereichs nicht absorbiert. 4. Meßanordnung nach Anspruch 3, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das Filter (F 1) Strahlung außerhalb des Durchlaßbereichs reflektiert.5. Meßanordnung nach Anspruch 4, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das Filter (F 1) auf der vom Strahlungsempfänger (Se) abgewandten Seite eine di­ elektrische Vielfachbeschichtung trägt.

6. Meßanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß dem Strahlungsempfänger (Se) eine Abbildungsoptik (Ao) vorgeschaltet ist.

7. Meßanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Strahlungsempfänger (Se) als Infrarot-Detektor aus­ gebildet ist.

8. Meßanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Heizeinrichtung (He) einen Temperaturstrahler umfaßt.

9. Meßanordnung nach Anspruch 8, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Temperaturstrahler als Glühlampe ausgebildet ist.

10. Meßanordnung nach Anspruch 8 oder 9, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Temperatur­ strahler als Halogenlampe (Hl) ausgebildet ist.

11. Meßanordnung nach einem der Ansprüche 8 bis 10, da­ durch gekennzeichnet, daß dem Temperaturstrahler ein für Wellenlängen im Empfangs­ bereich (Eb) des Strahlungsempfängers (Se) undurch­ lässiges Filter (F 2) nachgeordnet ist.

12. Meßanordnung nach einem der Ansprüche 8 bis 11, da­ durch gekennzeichnet, daß die Heizstrahlung (Hs) über einen Lichtleiter (Ll) auf das Meßobjekt (Mo) übertragbar ist.

13. Meßanordnung nach Anspruch 12, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Lichtleiter (Ll) als Flüssigkeitslichtleiter ausgebildet ist.

14. Meßanordnung nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, daß der Lichtleiter (Ll) für Wellenlängen im Empfangsbereich (Eb) des Strahlungsempfängers (Se) undurchlässig ist.

15. Meßanordnung nach einem der Ansprüche 8 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß die anregende Heizstrahlung (Hs) auf Wellenlängen im Sichtbaren, im nahen Ultraviolett und im nahen In­ frarot begrenzt ist.

16. Meßanordnung nach Anspruch 15, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Heizstrahlung (Hs) auf Wellenlängen zwischen 0,2 und 2 µm begrenzt ist.