DE4030300A1 - MEASURING ARRANGEMENT FOR THE CONTACTLESS DETERMINATION OF THE THICKNESS AND / OR THERMAL PROPERTIES OF FILMS AND THIN SURFACE COATINGS - Google Patents
MEASURING ARRANGEMENT FOR THE CONTACTLESS DETERMINATION OF THE THICKNESS AND / OR THERMAL PROPERTIES OF FILMS AND THIN SURFACE COATINGSInfo
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Abstract
Description
Das Prinzip der Dickenbestimmung von Folien und dünnen Oberflä chenbeschichtungen mit Hilfe der instationären Wärmeleitung ist seit langem bekannt. Es beruht darauf, bei einer zeitlich ver änderlichen Aufheizung einer Probenoberfläche den daraus resul tierenden zeitlichen Verlauf der Oberflächentemperatur auszu werten. Es läßt sich zeigen, daß der zeitliche Verlauf der Tem peratur nach einer zeitlich definierten Aufheizung empfindlich von der Dicke sowie den thermischen Kenngrößen einer Schicht oder Folie abhängt. Im Prinzip kann die Aufheizung dabei einen zeitlichen Verlauf haben, der zwischen einem Einzelimpuls und einer periodischen sinusförmigen Form liegt. Ist die Anregung periodisch, so stellt sich die Temperaturoszillation hinsicht lich Amplitude und Phase in charakteristischer Weise ein.The principle of determining the thickness of foils and thin surfaces surface coatings with the help of transient heat conduction known for a long time. It is based on a temporally ver changeable heating of a sample surface the resul from it to determine the temporal course of the surface temperature evaluate. It can be shown that the temporal course of the tem temperature sensitive after a time-defined heating on the thickness and the thermal parameters of a layer or foil depends. In principle, the heating can be one have a time course between a single pulse and a periodic sinusoidal shape. Is the suggestion periodically, so the temperature oscillation arises Lich amplitude and phase in a characteristic way.
Ein Meßanordnung mit einer Heizeinrichtung zur Erzeugung einer auf das Meßobjekt gerichteten zeitlich intensitätsmodulierten Heizstrahlung und mit einem Strahlungsempfänger für die vom an geregten Meßobjekt emittierte thermische Strahlung ist bei spielsweise aus Z. Werkstofftech. 15, 140 bis 148 (1984) be kannt. Bei der dort dargestellten Versuchsanordnung wird die von einem Laser erzeugte und in einem nachgeordneten Modulator in der Intensität periodisch veränderte Heizstrahlung auf das Meßobjekt gerichtet. Die absorbierte Heizstrahlung erzeugt dann sogenannte Wärmewellen, die von Grenzflächen im Probeninneren reflektiert werden. Diese reflektierten Wärmewellen werden dann an der Oberfläche des Maßobjekts über die resultierend Modula tion der thermischen Emission nachgewiesen. Hierzu wird ein In frarot-Detektor verwendet, dessen Ausgangssignal in einem pha senempfindlichen Lock-In-Verstärker mit dem Referenzsignal des Modulators verglichen wird. Der derart ermittelte Phasenunter schied gibt dann Aufschluß über die jeweilige Schichtdicke, wo bei durch einen Schiebeschlitten auch eine lokale Ortsauflösung ermöglicht wird.A measuring arrangement with a heating device for generating a temporally intensity-modulated directed at the measurement object Radiant heat and with a radiation receiver for those from thermal radiation emitted by the measured object is at for example from Z. Werkstofftech. 15: 140-148 (1984) knows. In the experimental arrangement shown there, the generated by a laser and in a downstream modulator periodically changing radiant heat on the Target. The absorbed heating radiation then generates so-called heat waves from interfaces inside the sample be reflected. These reflected heat waves are then on the surface of the measurement object via the resulting modula tion of thermal emission demonstrated. An In infrared detector used, the output signal in a pha Sensitive lock-in amplifier with the reference signal of the Modulator is compared. The phase determined in this way then gives information about the respective layer thickness, where a local spatial resolution with a sliding carriage is made possible.
Aus der DE-A-36 31 652 ist eine weitere derartige Meßanordnung bekannt, bei welcher die Genauigkeit der Messungen dadurch er heblich gesteigert wird, daß der Strahlungsempfänger, insbeson dere durch ein vorgeschaltetes Filter, auf einen von der anre genden Heizstrahlung separaten Empfangsbereich begrenzt wird. Die Heizstrahlung wird bei dieser bekannten Meßanordnung über einen flexiblen Lichtleiter auf das Meßobjekt übertragen.DE-A-36 31 652 is another such measuring arrangement known, in which the accuracy of the measurements thereby he is significantly increased that the radiation receiver, in particular through an upstream filter, onto one of the others heating radiation separate reception area is limited. The heating radiation is in this known measuring arrangement transfer a flexible light guide to the test object.
In der älteren Patentanmeldung entsprechend der DE-A-39 39 876 wurde eine modifizierte Meßanordnung vorgeschlagen, bei welcher ein Meßkopf einerseits die von einer Heizeinrichtung erzeugte Heizstrahlung auf das Meßobjekt richtet und andererseits die vom angeregten Maßobjekt emittierte thermische Strahlung emp fängt und an einen Strahlungsempfänger weiterleitet. Die Heiz einrichtung und der Meßkopf sind dabei über einen ersten fle xiblen Lichtleiter miteinander verbunden, während der Strah lungsempfänger und der Meßkopf über einen zweiten flexiblen Lichtleiter miteinander verbunden sind. Im Meßkopf befindet sich eine Umlenkeinrichtung, welche die eine Strahlung reflek tiert und die andere Strahlung transmittiert, sowie zwei abbil dende Elemente, die zwischen dem ersten Lichtleiter und der Um lenkeinrichtung bzw. zwischen dem zweiten Lichtleiter und der Umlenkeinrichtung angeordnet sind. Die geschilderte Meßanord nung ermöglicht einen flexiblen Einsatz unter Fertigungsbedin gungen. Insbesondere kann durch die stationäre Anordnung von Heizeinrichtung und Strahlungsempfänger der Meßkopf relativ klein und leicht ausgebildet werden, so daß sich die Möglich keit einer beweglichen Anordnung und insbesondere der Nachfüh rung des Meßkopfes bei bewegten Meßobjekten ergibt.In the older patent application corresponding to DE-A-39 39 876 a modified measuring arrangement was proposed, in which a measuring head, on the one hand, that generated by a heating device Radiant heat directed at the object to be measured and the other hand thermal radiation emitted by the excited measurement object emp catches and forwards to a radiation receiver. The heating device and the measuring head are over a first fle xiblen light guides connected together during the beam tion receiver and the measuring head via a second flexible Light guides are connected to each other. Located in the measuring head there is a deflection device which reflects the one radiation tiert and the other radiation transmitted, and two images end elements between the first light guide and the order steering device or between the second light guide and the Deflection device are arranged. The described measuring arrangement tion enables flexible use under production conditions gung. In particular, the stationary arrangement of Heating device and radiation receiver of the measuring head relative be made small and light, so that the possibility speed of a movable arrangement and in particular the tracking tion of the measuring head results in moving objects.
Den in den Ansprüchen 1 und 2 angegebenen Erfindungen - die auf dem gleichen Erfindungsgedanken beruhen - liegt das Problem zu grunde, eine Meßanordnung zur berührungslosen Bestimmung der Dicke und/oder thermischen Eigenschaften von Folien und dünnen Oberflächenbeschichtungen mit einer sehr hohen Miniaturisierung und Flexibilität des Meßkopfes zu schaffen.The inventions specified in claims 1 and 2 - based on are based on the same idea of the invention - the problem lies reasons, a measuring arrangement for the contactless determination of the Thickness and / or thermal properties of foils and thin Surface coatings with a very high level of miniaturization and to create flexibility of the measuring head.
Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin, daß zur Verbindung einer stationären Heizeinrichtung und eines stationären Strahlungsempfängers mit einem beweglichen Meßkopf nur ein flexibles Lichtleiterbündel erforderlich ist, bei welchem eine der beiden Strahlungsarten in einem inneren Lichtleiter und die andere Strahlungsart in mehreren ringförmig angeordneten äußeren Lichtleitern geführt wird. Diese Anordnung der Lichtleiter ermöglicht dann auch innerhalb des Meßkopfes eine erhebliche Vereinfachung der Strahlungsführung.The advantages achieved with the invention are in particular in that to connect a stationary heater and of a stationary radiation receiver with a movable one Measuring head only a flexible fiber optic bundle is required, in which one of the two types of radiation in an inner Light guide and the other type of radiation in several rings arranged outer light guides is guided. This arrangement the light guide then also enables within the measuring head a considerable simplification of the radiation guidance.
Eine besonders vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ist in Anspruch 3 angegeben. Die Weiterbildung nach Anspruch 3 ermög licht die optische Abbildung der Heizstrahlung und der thermi schen Strahlung durch ein einziges, für beide Wellenlängenbe reiche transparentes, abbildendes Element. Der Meßkopf besteht dann nur noch aus dem Lichtleiterbündel mit integriertem abbil dendem Element. Gemäß Anspruch 4 ist dieses abbildende Element vorzugsweise durch eine Sammellinse gebildet, welche aus CaF2, Saphir oder ZnSe besteht. Unterschiede im Brechungsindex für die beiden Wellenlängenbereiche und damit in der Brennweite des abbildenden Elements sind dabei sowohl für die berührungslose Dickenmessung als auch für die berührungslose Bestimmung der thermischen Eigenschaften von Folien und dünnen Oberflächenbe schichtungen tolerierbar.A particularly advantageous embodiment of the invention is specified in claim 3. The development according to claim 3 enables light optical imaging of the radiant heat and thermal radiation by a single, for both wavelengths transparent, imaging element. The measuring head then consists only of the light guide bundle with an integrated imaging element. According to claim 4, this imaging element is preferably formed by a converging lens, which consists of CaF 2 , sapphire or ZnSe. Differences in the refractive index for the two wavelength ranges and thus in the focal length of the imaging element can be tolerated both for non-contact thickness measurement and for the non-contact determination of the thermal properties of foils and thin surface coatings.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung darge stellt und werden im folgenden näher beschrieben. Es zeigenEmbodiments of the invention are shown in the drawing represents and are described in more detail below. Show it
Fig. 1 ein erstes Ausführungsbeispiel einer Meßanordnung zur be rührungslosen Bestimmung der Dicke von Folien und Oberflächen beschichtungen, Fig. 1 a first embodiment of a measuring arrangement for coatings be rührungslosen determining the thickness of plastic films and surfaces,
Fig. 2 ein zweites Ausführungsbeispiel einer Meßanordnung zur berührungslosen Bestimmung der Dicke von Folien und Oberflä chenbeschichtungen, Fig. 2 shows a second embodiment chenbeschichtungen a measuring arrangement for contactless determination of the thickness of films and surfaces,
Fig. 3 das in der Meßanordnung gemäß Fig. 1 verwendete Lichtlei terbündel im Querschnitt und Fig. 3 used in the measuring arrangement according to FIG. 1 Lichtlei terbündel in cross section and
Fig. 4 das in der Meßanordnung gemäß Fig. 2 verwendete Lichtlei terbündel im Querschnitt. Fig. 4 used in the measuring arrangement according to FIG. 2 Lichtlei terbündel in cross section.
Mit der in Fig. 1 in stark vereinfachter schematischer Darstel lung aufgezeigten Meßanordung soll an einem mit Mo bezeichneten Meßobjekt beispielsweise die Dicke einer auf Stahlblech aufge brachten Lackschicht gemessen werden. Hierzu wird zunächst die in der Heizeinrichtung He einer stationären Licht/Elektronik/Strahlungs empfänger-Einheit LESE erzeugte intensitätsmodulierte Heizstrahlung Hs auf die Oberfläche des Meßobjekts Mo gerich tet. Für die Übertragung der Heizstrahlung Hs sind eine inner halb der Licht/Elektronik/Strahlungsempfänger-Einheit LESE an geordnete erste Linse L1, der innere Lichtleiter Li1 eines fle xiblen Lichtleiterbündels Lb1 und ein in einem Meßkopf Mk ange ordnetes, abbildendes Element E vorgesehen. Die in der Lack schicht des Meßobjekts Mo absorbierte Heizstrahlung Hs bewirkt an der Oberfläche eine Temperaturoszillation. Die resultieren de, vom Meßobjekt Mo emittierte thermische Strahlung St wird über das bereits erwähnte abbildende Element E im Meßkopf Mk, über mehrere äußere Lichtleiter La1 des Lichtleiterbündels Lb1 und eine in der Licht/Elektronik/Strahlungsempfänger-Einheit LESE angeordnete zweite Linse L2 zu dem ebenfalls in dieser Einheit angeordneten Strahlungsempfänger SE übertragen. Die ne ben der Heizeinrichtung He und dem Strahlungsempfänger Se in der Licht/Elektronik/Strahlungsempfänger-Einheit LESE angeord nete Elektronikeinheit ist mit Ee bezeichnet.With the measurement arrangement shown in FIG. 1 in a highly simplified schematic representation, the thickness of a lacquer layer applied to steel sheet is to be measured on a measurement object designated Mo, for example. For this purpose, the intensity-modulated heating radiation Hs generated in the heating device He of a stationary light / electronics / radiation receiver unit LESE is directed onto the surface of the measurement object Mo. For the transmission of the heating radiation Hs an inner half of the light / electronics / radiation receiver unit LESE to ordered first lens L 1 , the inner light guide Li 1 of a flexible light guide bundle Lb 1 and an imaging element E arranged in a measuring head Mk are provided . The heating radiation Hs absorbed in the lacquer layer of the measurement object Mo causes a temperature oscillation on the surface. The resulting thermal radiation St emitted by the measurement object Mo is transmitted via the imaging element E already mentioned in the measurement head Mk, via a plurality of outer light guides La 1 of the light guide bundle Lb 1 and a second lens L 2 arranged in the light / electronics / radiation receiver unit LESE transmitted to the radiation receiver SE also arranged in this unit. The next to the heater He and the radiation receiver Se in the light / electronics / radiation receiver unit LESE arranged electronics unit is designated Ee.
Aus der vorstehenden Schilderung ist ersichtlich, daß das ab bildende Element E sowohl für die optische Abbildung der Heiz strahlung Hs als auch für die optische Abbildung der thermi schen Strahlung St vorgesehen ist. Hierzu ist das abbildend Element E als Sammellinse ausgebildet, die für beide Wellenlän genbereich transparent ist. Materialien, die diese Anforderun gen erfüllen, sind beispielsweise CaF2, Saphir oder ZnSe. Un terschiede im Brechungsindex für die beiden Wellenlängenberei che und damit in der Brennweite des abbildenden Elements E sind für die geschilderten Meßzwecke tolerierbar.From the above description it can be seen that the forming element E is provided both for the optical imaging of the heating radiation Hs and for the optical imaging of the thermal radiation St's. For this purpose, the imaging element E is designed as a converging lens which is transparent to the two wavelength regions. Materials that meet these requirements are, for example, CaF 2 , sapphire or ZnSe. Differences in the refractive index for the two wavelength ranges and thus in the focal length of the imaging element E are tolerable for the measurement purposes described.
Der Meßkopf Mk besteht somit nur aus dem Lichtleiterbündel Lb1 mit integriertem abbildendem Element E. Dies ermöglicht eine sehr hohe Miniaturisierung und Flexibilität des Meßkopfes Mk. Die Anordnung des inneren Lichtleiters Li1 und des äußeren Lichtleiters La1 ist aus Fig. 3 ersichtlich. Im dargestellten Ausführungsbeispiel umgeben insgesamt 11 äußere Lichtleiter La1 ringförmig den im Durchmesser wesentlich größeren inneren Lichtleiter Li1. Kurz vor dem Eintritt in die Licht/ELektronik/Strahlungs empfänger-Einheit LESE wird das Lichtleiterbündel Lb1 derart aufgetrennt, daß der innere Lichtleiter Li1 in einem er sten Zweig zu der der Heizeinrichtung He zugeordneten ersten Linse L1 führt, während die gebündelten äußeren Lichtleiter La1 in einem zweiten Zweig zu der dem Strahlungsempfänger Se zuge ordneten zweiten Linsa L2 führen.The measuring head Mk thus consists only of the light guide bundle Lb 1 with an integrated imaging element E. This enables a very high level of miniaturization and flexibility of the measuring head Mk. The arrangement of the inner light guide Li 1 and the outer light guide La 1 can be seen in FIG. 3. In the exemplary embodiment shown, a total of 11 outer light guides La 1 surround the inner light guide Li 1, which is substantially larger in diameter. Shortly before entering the light / electronics / radiation receiver unit LESE, the light guide bundle Lb 1 is separated in such a way that the inner light guide Li 1 leads in a first branch to the heater lens He assigned to the first lens L 1 , while the bundled outer one Light guide La 1 lead in a second branch to the second lens L 2 assigned to the radiation receiver Se.
Die Signalverarbeitung erfolgt in der Licht/Elektronik/Strah lungsempfänger-Einheit LESE beispielweise so, wie es in der Z, Werkstofftech. 15, 140 bis 148 (1984) oder der DE-A-36 31 652 beschrieben ist.The signal processing takes place in the light / electronics / beam The receiver unit READ, for example, as in the Z, Materials Tech. 15, 140 to 148 (1984) or DE-A-36 31 652 is described.
Als innere Lichtleiter Li1 des flexiblen Lichtleiterbündels kann ein Flüssigkeitslichtleiter verwendet werden, der aus einem flüssigen lichtleitenden Kern mit einer Kunststoffumman telung als optische Isolierung besteht. Der Kern besteht aus einer extrem reinen und ungiftigen Lösung, die beispielsweise im Wellenlängenbereich von 250 bis 750 nm transparent ist. Als äußere Lichtleiter La1 werden Infrarot-Lichtleiter verwendet, die beispielsweise als Chalcogenid-Lichtleiter ausgebildet sind.As the inner light guide Li 1 of the flexible light guide bundle, a liquid light guide can be used, which consists of a liquid light-guiding core with a plastic coating as optical insulation. The core consists of an extremely pure and non-toxic solution that is transparent, for example, in the wavelength range from 250 to 750 nm. Infrared light guides are used as outer light guides La 1 , which are designed, for example, as chalcogenide light guides.
Das in den Fig. 2 und 4 dargestellte zweite Ausführungsbeispiel unterscheidet sich von dem vorstehend beschriebenen ersten Aus führungsbeispiel dadurch, daß zwischen dar Licht/Elektronik/Strahlungs empfänger-Einheit LESE und dem Meßkopf Mk ein Licht leiterbündel Lb2 angeordnet ist, dessen innerer Lichtleiter Li2 den Strahlungsempfänger Se und den Meßkopf Mk miteinander ver bindet, während die äußeren Lichtleiter La2 die Heizeinrichtung He und den Meßkopf Mk miteinander verbinden. Dementsprechend wird als innerer Lichtleiter Li2 ein Infrarot-Lichtleiter ver wendet, während als äußere Lichtleiter La2 Flüssigkeitslicht leiter verwendet werden.The second embodiment shown in FIGS. 2 and 4 differs from the first exemplary embodiment described above in that between the light / electronics / radiation receiver unit READ and the measuring head Mk, a light guide bundle Lb 2 is arranged, the inner light guide Li 2 binds the radiation receiver Se and the measuring head Mk together, while the outer light guides La 2 connect the heating device He and the measuring head Mk. Accordingly, an infrared light guide is used as the inner light guide Li 2 , while liquid light guides are used as the outer light guide La 2 .
Die beiden vorstehend beschriebenen Ausführungsformen einer er findungsgemäßen Meßanordnung werden in erster Linie zur berüh rungslosen Bestimmung der Dicke von Folien und dünnen Oberflä chenbeschichtungen eingesetzt. Eine berührungslose Bestimmung der thermischen Eigenschaften wie Wärmeleitfähigkeit und spezi fische Wärme von Folien und dünnen Oberflächenbeschichtungen ist mit den beschriebenen Meßanordnungen ebenfalls möglich.The two embodiments of a he described above Measuring arrangement according to the invention are primarily for touch easy determination of the thickness of foils and thin surfaces Chen coatings used. A non-contact provision the thermal properties such as thermal conductivity and spec Fish heat from foils and thin surface coatings is also possible with the measuring arrangements described.
Claims (4)
- - einer Heizeinrichtung (He) zur Erzeugung einer über einen Meßkopf (Mk) auf das Meßobjekt (Mo) gerichteten Heizstrahlung (Hs),
- - einem Strahlungsempfänger (Se) für die vom angeregten Meßob jekt (Mo) emittierte und vom Meßkopf (Mk) aufgenommene ther mische Strahlung (St) und mit
- - einem flexiblen Lichtleiterbündel (Lb1), welches aus einem inneren Lichtleiter (Li1) und mehreren, den inneren Lichtlei ter (Li1) ringförmig umgebenden äußeren Lichtleitern (La1) besteht, wobei
- - der innere Lichtleiter (Li1) die Heizeinrichtung (He) und den Meßkopf (Mk) miteinander verbindet und wobei
- - die äußeren Lichtleiter (La1) den Strahlungsempfänger (Se) und den Meßkopf (Mk) miteinander verbinden.
- a heating device (He) for generating a heating radiation (Hs) directed onto the measurement object (Mo) via a measuring head (Mk),
- - A radiation receiver (Se) for the object (Mo) emitted by the excited measuring object and received by the measuring head (Mk) thermal radiation (St) and with
- - A flexible light guide bundle (Lb 1 ), which consists of an inner light guide (Li 1 ) and several, the inner Lichtlei ter (Li 1 ) ring-shaped outer light guides (La 1 ), wherein
- - The inner light guide (Li 1 ) connects the heating device (He) and the measuring head (Mk) to each other and where
- - The outer light guides (La 1 ) connect the radiation receiver (Se) and the measuring head (Mk).
- - einer Heizeinrichtung (He) zur Erzeugung einer über einen Meßkopf (Mk) auf das Meßobjekt (Mo) gerichteten Heizstrahlung (Hs),
- - einem Strahlungsempfänger (Se) für die vom angeregten Meßob jekt (Mo) emittierte und vom Meßkopf (Mk) aufgenommene ther mische Strahlung (St) und mit
- - einem flexiblen Lichtleiterbündel (Lb2), welches aus einem inneren Lichtleiter (Li2) und mehreren, den inneren Lichtlei ter (Li2) ringförmig umgebenden äußeren Lichtleitern (La2) besteht, wobei
- - der innere Lichtleiter (Li) den Strahlungsempfänger (Se) und den Meßkopf (Mk) miteinander verbindet und wobei die äußeren Lichtleiter (La2) die Heizeinrichtung (He) und den Meßkopf (Mk) miteinander verbinden.
- a heating device (He) for generating a heating radiation (Hs) directed onto the measurement object (Mo) via a measuring head (Mk),
- - A radiation receiver (Se) for the object (Mo) emitted by the excited measuring object and received by the measuring head (Mk) thermal radiation (St) and with
- - A flexible light guide bundle (Lb 2 ), which consists of an inner light guide (Li 2 ) and several, the inner Lichtlei ter (Li 2 ) ring-shaped outer light guides (La 2 ), wherein
- - The inner light guide (Li) connects the radiation receiver (Se) and the measuring head (Mk) and the outer light guide (La 2 ) connects the heating device (He) and the measuring head (Mk).
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