DE69417376T2 - Hochauflösendes und Hochgeschwindigkeits-Filmdickemessverfahren und Vorrichtung dazu - Google Patents

Description

• Die vorliegende Erfindung betrifft generell die Messung der Dicke von Polymerfilmen und insbesondere die Verwendung kohärenten monochromatischen Lichtes zur Messung der Dicke von Polymerfilmen während des Herstellungsvorgangs.
• Polymerfilme werden in verschiedenen Produkt-Anwendungsfällen verwendet, bei denen unterschiedliche Eigenschaften verlangt werden. Diese Filme sind je nach ihrem späteren Verwendungszweck als Filme oder Bahnen mit unterschiedlichen Breiten und Dicken ausgebildet. Zu den Gesichtspunkten bei der Herstellung zählen Zugfestigkeit, Haltbarkeit, Verwendung als Substrat für andere Filme, die Fähigkeit, gefärbt zu werden oder Pigmente anzunehmen, Ätzbarkeit, Klarheit oder leichte Herstellung.
• Die beabsichtigte Verwendung des Films diktiert generell die erforderliche Dicke des Films. Zur Durchführung dieser Messungen sind mehrere Meßsysteme verfügbar, darunter Tastmeßvorrichtungen mit mechanischem Stift, Betastrahlungs-Meßvorrichtungen, Meßvorrichtungen mit Lichtquellen für gefiltertes Breitbandlicht, und Gammastrahlungs-Meßvorrichtungen.
• Tastmeßvorrichtungen mit mechanischem Stift sind zwar von ihrer Beschaffenheit her einfach, für die Verwendung bei Herstellungsvorgängen jedoch unpraktisch. Bei diesem Verfahren wird eine Probe verwendet, die von Polymerfilm-Vorratsrollen entnommen worden ist, die Dicke dieser Probe wird gemessen, und darauf basierend wird ein Rückschluß auf die Rolle insgesamt gezogen. Obwohl der Vorgang präzise ist, verläuft er langsam und ist anfällig für Sekundärfehler bei der Mittelwertbildung der Meßwerte für die gesamte Vorratsrolle.
• Betastrahlungs-Meßvorrichtungen sind zwar zur Kontrolle von Herstellungsvorgängen verwendet worden, haben sich jedoch als übermäßig langsam erwiesen und bergen die Gefahr gefährlicher Strahlungsemissionen. Beta-Meßvorrichtungen haben sich als unpräzise herausgestellt und sind auf die Anzahl von Elektronen beschränkt, die durch die Polymerfilmbahn geschossen werden können. Die mangelnde Präzision der Betastrahlungs-Meßvorrichtungen basiert auf der Annahme, daß das Material eine konstante Dichte hat, wenn das Basisgewicht des Polymerfilms in seinen Meßwert umgesetzt wird.
• Lichtquellen für gefiltertes Breitbandlicht sind übermäßig ineffizient, da bei ihnen Lichtquellen verwendet werden müssen, welche gefiltert werden müssen, um eine zur Messung von Polymerfilm-Dicken geeignete schmalere Bandbreite zu erhalten. Bei dem Filterungsvorgang wird eine beträchtliche Energiemenge verschwendet, die als Wärme verlorengeht. Trotz der durch den Filterungsvorgang erzielten Reduzierung der Bandbreite ist der Wellenlängenbereich immer noch in deutlich breit genug, um einen signifikanten Fehler in das Meßsystem einzuführen.
• Es sind Röntgen- und Gammastrahlungs-Meßvorrichtungen entwickelt worden, die jedoch in der Verwendung unpraktisch sind, da die Handhabung dieser Strahlungs-Meßvorrichtungen von inhärent gefährlicher Natur ist.
• Aufgrund der inhärenten Langsamkeit und der mangelnden Präzision der oben aufgeführten Systeme wird ein beträchtliches Ausmaß an Abfall verursacht. Im Falle von Betastrahlungs-Meßvorrichtungen, die on-line verwendet werden, ist die Veränderungsrate derart langsam, daß eine beträchtliche Menge an Ma terial den Vorgang durchlaufen kann, bevor eine Änderung des Herstellungsvorgangs bewirkt werden kann. Für andere Meßvorrichtungen, die off-line verwendet werden können, müssen repräsentative Proben genommen werden. Die Polymerfilm-Vorratsrollen enthalten oft Tausende von feet an Film. Da nur repräsentative Proben jeder Rolle gemessen werden, kann in dem Fall, daß eine Probe schlecht ist, möglicherweise die gesamte Vorratsrolle für schlecht befunden werden und ausgesondert werden, selbst falls tatsächlich nur ein kleines Segment schlecht ist. Selbstverständlich kann auch der umgekehrte Fall eintreten, in dem die repräsentative Probe für gut befunden wird, jedoch zwischen Längen von Polymerfilm entnommen wurde, welche in Wirklichkeit schlecht waren.
• Aus DE-A-22 52 527 sind eine mit hoher Geschwindigkeit und hoher Auflösung arbeitende Vorrichtung sowie ein entsprechendes Verfahren zum Messen der Dicke eines Materialfilms bekannt, bei denen mittels einer Strahlungsenergiequelle ein Strahl mit kohärenter monochromatischer Strahlungsenergie erzeugt wird, der durch den Absorptionseffekt des Materialfilms, dessen Dicke gemessen werden soll, beeinflußt wird. Der Strahlungsenergie-Strahl wird durch einen Strahlteiler in einen ersten Meßstrahl und einen Referenzstrahl geteilt. Der erste Meßstrahl wird durch Luft und den Materialfilm geschickt, während der Referenzstrahl nur durch Luft geschickt wird. Es sind Detektoren vorgesehen, um aus den detektierten Abschnitten des Referenzstrahls und des ersten Meßstrahls einen Referenzstrahl-Intensitätswert bzw. einen Erst-Meßstrahls-Intensitätswert zu erzeugen. Die beiden Intensitätswerte werden miteinander verglichen, um einen Absorptionswert zu erzeugen, der der Dicke des Materialfilms proportional ist.
• Es ist Aufgabe der Erfindung, ein präzises Verfahren zum online erfolgenden Überwachen und Steuern des Herstellungsvorgangs anzugeben, mit dem unzulänglich hergestellte Polymerfil me oder übermäßiger Abfall bei der Herstellung adäquater Polymerfilme minimiert oder sogar beseitigt werden können.
• Gemäß der Erfindung wird diese Aufgabe durch eine Vorrichtung gemäß Anspruch 1 und ein Verfahren gemäß Anspruch 5 gelöst. Die Unteransprüche betreffen jeweils bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung.
• Die vorliegende Erfindung betrifft eine Meßvorrichtung zum Messen der Dicke dünner Polymerfilm-Bahnen oder -Schichten. Unter Verwendung einer monochromatischen Lichtquelle ist das erfindungsgemäße Verfahren derart ausgelegt, daß mit hoher Geschwindigkeit und präzise erfolgende Messungen der Dicke des dünnen Polymerfilms basierend auf der relativen Lichtabsorption des Polymerfilms unter Anwendung des Lambert'schen Gesetzes der Absorption durch homogene Materialien durchgeführt werden können.
• Gemäß der Erfindung wird ein nichtabsorbierbarer zweiter Meßstrahls kohärenter monochromatischer Strahlungsenergie durch im wesentlichen die gleiche Stelle an dem Materialfilm wie der erste Meßstrahl hindurchgeschickt. Dieser zweite Meßstrahl wird durch einen Streu-Effekt des Materialfilms beeinflußt. Aus einem detektierten Abschnitt des nichtabsorbierbaren zweiten Meßstrahls wird ein zweiter Meßstrahl-Intensitätswert erzeugt. Zwecks Eliminieren des Streu-Effekts des Materialfilms aus dem Absorptionswert wird der Absorptionswert auf der Basis des Intensitätswertes des nichtabsorbierbaren zweiten Meßstrahls modifiziert.
• Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung werden die Hochgeschwindigkeitseigenschaften mit Vorteil ausgenutzt, um während des Herstellungsvorgangs kontinuierliche schnelle Ablesewerte der Filmdicken-Meßwerte zu ermöglichen. Diese Ablesewerte werden zur Bildung eines Rückkopplungs-Steuerssystems verwendet, um den Herstellungsvorgang innerhalb der Pa rameter zu halten, die für den Herstellungsvorgang gesetzt sind. Auf diese Weise wird, wenn der Herstellungsvorgang zur Erzeugung eines zu dicken oder zu dünnen Films tendiert, mittels des Steuerssystems der Vorgang on-line geändert, um diese Tendenz zu korrigieren. Diese Ausführungsform ist in der Lage, die Bahn von Seite zu Seite zu überstreichen, während sich diese bewegt, womit nicht nur korrekte Messungen in Verlaufsrichtung der Bahn gewährleistet sind, sondern auch die Dicke über die Breite der Bahn hinweg geprüft werden kann. Diese Vorrichtung ist zur eigenständigen Nullpunktbildung und Kalibrierung in der Lage, indem sie periodisch eine Querbewegung von der Bahn weg durchführt und Nullungs-Meßwertabnahmen durch eine Luftprobe und Kalibrierungs-Meßwertabnahmen durch Proben einer bekannten Polymerfilm-Dicke vornimmt.
• Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung sind mittels On-line-Meßvorrichtungen erfolgende Messungen opalisierender oder durchsichtiger dünner Polymerfilme möglich. Nicht alle Polymerfilme sind durchsichtig, sondern sie können auch Streueffekte haben, die ihnen eine opalisierende oder durchsichtige Erscheinung geben. Aufgrund von Lichtstreuung werden die Versuche, eine Lichtabsorptionsmessung in nichtlinearer Weise durchzuführen, beeinträchtigt. Die Erfindung nimmt eine Messung der Lichtabsorption und Lichtstreuung vor und korrigiert die durch Lichtstreuung verursachten Veränderungen in der Lichtabsorption, um eine berechnete Polymerfilm-Dicke zu erzielen.
• Eine weitere Ausführungsform der Erfindung ist derart konfiguriert, daß sie als tragbare Vorrichtung verwendet werden kann, die zu mehreren Fertigungslinien transportiert werden kann. Die Vorrichtung selbst ist gut geeignet zum schnellen und leichten Aufbau. Durch die Verwendung eines modifizierten Lichtstrahlzerhacker weist die Vorrichtung einen einzigen Lichtdetektor zur Messung der Intensität des Meßlichstrahls und des Referenzlichtstrahls auf. Diese Ausführungsform kann leicht genullt und kalibriert werden, indem die Vorrichtung in eine Off-line-Position bewegt wird, dann eine Luftprobe und eine Probe mit bekannter Polymerfim-Dicke verwendet wird, und dann die erfindungsgemäße Vorrichtung leicht zurück zu dem Herstellungsvorgang bewegt wird.
• Diese und verschiedenartige weitere Merkmale und Vorteile, die die vorliegende Erfindung kennzeichnen, werden in Kenntnis der folgenden detaillierten Beschreibung und bei Betrachtung der zugehörigen Zeichnungen ersichtlich.
• Fig. 1 zeigt eine schematische Ansicht eines Systems gemäß einer Ausführungsform der Erfindung zur On-line-Verwendung in einem Herstellungsvorgang für Polymerfilme,
• Fig. 2 zeigt eine Seitenansicht der Erfindung gemäß Fig. 1,
• Fig. 3 zeigt eine schematische Ansicht einer weiteren Ausführungsform der Erfindung zur On-line-Verwendung in dem Herstellungsvorgang,
• Fig. 4 zeigt eine Draufsicht auf eine weitere Ausführungsform der Erfindung, die zur tragbaren Verwendung zwischen mehreren Fertigungslinien geeignet ist,
• Fig. 5 zeigt eine Vorderansicht eines modifizierten Lichtstrahlzerhackers, wie er bei der Erfindung verwendet wird, und
• Fig. 6 zeigt eine graphische Darstellung des Lichtintensitätssignals, wie es an dem mit der Erfindung verwendeten Lichtdetektor erscheint.
• Bei der Erfindung handelt es sich um ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Messen der Dicke von Materialien. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform wird die Erfindung während des Herstellungsvorgangs für On-line-Messungen der Produktdicke verwendet, und die Meßwerte werden dann als Maßgabe zum Steuern des Herstellungsvorgangs verwendet, indem die Produktdicke während der Herstellung dünner Polymerfilme eingestellt wird.
• Die Erfindung ist ferner geeignet zur Durchführung schneller Punkt-Messungen der Dicke des Films, die off-line und mit nur geringem Aufbauaufwand erfolgen kann.
• Gemäß Fig. 1 weist die Vorrichtung 10 einen Laser 12, einen Strahlzerhacker 16, einen Strahlteiler 18, einen Spiegel 24 und Lichtdetektoren 26 und 28 auf. Die Vorrichtung weist ferner abhängig betriebene Linearmotoren 32 und 34, Motorbahnen 36 und 38, eine Luftprobe 40 und eine bekannte Polymerprobe 42 auf, die an dem Vorrichtungsrahmen 56 befestigt sind. Ein Computer-Untersystem 44 ist durch Kabel 46 und 48 mit den Lichtdetektoren 26 und 28 und den abhängig betriebenen Linearmotoren 32 und 34 verbunden und gibt ferner Steuersignale an einen Signaldemodulator 50 und Motorantriebe 52 und 54 aus.
• Bei Betrieb ist die Vorrichtung 10 in der Lage, den Herstellungsvorgang zur Herstellung von Polymerfilmen on-line zu überwachen. Der Polymerfilm 30 wird als fortlaufende Bahn oder Lage hergestellt, die schließlich in Form zu Materialrollen aufgewickelt wird. Der Laser 12 gibt einen monochromatischen Lichtstrahl 14 mit einer Wellenlänge von 3.390 Nanometer (nm) aus, d. h. der Absorptionswellenlänge, die für einen aus Polyester gebildeten Polymerfilm geeignet ist. Es kann jedoch in Abhängigkeit von dem zu messenden Polymerfilm Licht mit einer unterschiedlicher Wellenlänge verwendet werden. Gemäß einem weiteren Beispiel absorbiert Polypropylen in einem Wellenlängenbereich von 2.390 nm. Eine Laser-Quelle wird bevorzugt, da sie geeignet zur Erzeugung einer adäquaten Lichtintensität ist und da es nicht nötig ist, einen Laserstrahl auf den Polymerfilm 30 zu fokussieren. Der Polymerfilm 30 wird als Teil des Herstellungsvorgangs bewegt und ist während seiner Bewegung einem Flattereffekt ausgesetzt, und nur Licht aus einer Laser- Quelle ist gegenüber den Auswirkungen des Flatterns unempfindlich. Ferner haben sich Helium-Neon-Laser als geeignet zur Verwendung bei einer Ausführungsform der Erfindung erwiesen.
• Der Laserstrahl 14 wird mittels der Strahlzerhackers 16 mit einer bekannten Frequenz, z. B. 1 Kilohertz (kHz), zerhackt. Das Ergebnis besteht darin, daß der Strahl 14 in diskrete Lichtimpulse aufgeteilt wird. Durch Synchronisieren der Detektion dieser Impulse des Strahls 14 wird der Einfluß von Hintergrund- und Umgebungsrauschen, wie es z. B. durch Interferenz aufgrund Wechselstroms von 60 Hertz (Hz) oder durch Raumbeleuchtung auftritt, reduziert.
• Gemäß Fig. 1 ist der Strahlzerhacker 16 ein Stimmgabelzerhacker, der mit 1 kHz vibriert. Der Lichtstrahl 14 wird dann durch den Strahlteiler 18 aufgeteilt, der aus Zinkselenid ausgebildet ist und derart ausgerichtet ist, daß er ungefähr 75% des Lichtstrahls 14 in den Meßstrahl 20 reflektiert und die übrigen 25% des Lichtstrahls 14 als Referenzstrahl 22 durchläßt. Der Referenzstrahl 22 wird auf den Lichtdetektor 26 ausgerichtet, aus dem an den Referenz-Intensitätswert erhält. Der Meßstrahl 20 wird von dem Spiegel 24 reflektiert, der den Meßstrahl 20 zu dem Lichtdetektor 28 leitet, aus dem man den Meß- Intensitätswert erhält. Das Errechnen des Verhältnisses zwischen den Referenz- und den Meß-Intensitätswerten ergibt einen Lichtintensitätswert I, der der Meßstrahl-Intensität proportional ist; siehe unten Gleichung 1. Durch Verwendung des Verhältnisses zwischen dem Intensitätswert des Referenzstrahls 22 durch Luft und der gleichzeitigen Lichtintensität des Meßstrahls 20 durch den Polymerfilm 30 wird das aus dem Laser 12 kommende Rauschen reduziert.
• Die Nullung der Vorrichtung 10 erfolgt dadurch, daß ein Meß- und Referenzstrahl-Verhältnis errechnet wird, wenn der Meß strahl 20 durch einen Luftstrahl tritt. Der Verhältniswert für diese beiden Meßwerte ergibt den Intensitätswert I&sub0; und dient als Nullungs-Intensitätswert in der nachstehenden Gleichung 1. Dies kann erfolgen, bevor der Polymerfilm 30 in der Vorrichtung 10 plaziert wird. Alternativ kann, wie es mit der vorliegenden Ausführungsform in praktischerer Weise durchführbar ist, unter Verwendung der auf den Bahnen 36 und 38 laufenden abhängig betriebenen Linearmotoren 32 und 34 der Meßstrahl 20 von dem Rand des Polymerfilms 30 weg bewegt werden, nachdem der Polymerfilm 30 in der Vorrichtung 10 plaziert worden ist. Nachdem man den Null-Meßwert erhalten hat, wird der Meßstrahl 20 derart zurückbewegt, daß er durch den Polymerfilm 30 hindurchtritt, so daß man die Meßstrahl-Intensität nach der Absorption durch den Polymerfilm 30 erhält.
• Die Kalibrierung der Vorrichtung 10 wird durchgeführt durch Messen des Intensitätswertes nach der Absorption durch eine bekannte Dicke, wie z. B. durch eine Polymerfilmprobe 42. Durch Lösung auf den Nullungs-Intensitätswert durch Luft und den Intensitätswert durch die bekannte Dicke hin werden zwei Punkte auf einer Kurve erstellt. Die Lichtfrequenz wird derart gewählt, daß eine soweit wie möglich lineare Kurve erzeugt wird, um das Lambert'sche Gesetz gemäß der folgenden Gleichung zu erfüllen:
• Gleichung 1 I/I&sub0; = e-αt,
• wobei die Intensität I&sub0; in diesem Fall das Referenz-Verhältnis oder der Null-Ablesewert für die außerhalb der Bahn durch die Luft abgenommenen Ablesewerte ist, die Intensität I das Verhältnis zwischen den Werten des Meßstrahls 20 und des Referenzstrahls 22, die man erhält, wenn der Meßstrahl 20 durch einen Polymerfilm 30 projiziert wird, e der natürliche Exponent ist, α der Absorptionskoeffizient ist, der nicht mit der Dicke variiert, sich jedoch mit den unterschiedlichen verwendeten Licht-Wellenlängen verändert, und t die Dicke des homo genen absorbierenden Materials ist. Auf diese Weise führt eine Lösung, die auf die Schrägung der Linie zwischen dem Nullungs- Wert und dem Kalibrierungswert hin abzielt, zu der Konstanten α in Gleichung 1. Durch Neukombination und Lösung auf die Dicke hin ergibt sich das folgende Verhältnis:
• Gleichung 2 t = (1/α)1n(I&sub0;/I).
• Da sich der Wert α bei der verwendeten Licht-Wellenlänge nicht ändert, braucht die Kalibrierung zur Bestimmung von α nicht wiederholt zu werden. Die Vorrichtung 10 bietet jedoch die Möglichkeit, die Polymerfilmprobe 42 am Inneren des Rahmens 56 und derart ausgerichtet zu befestigen, daß sie jedes Mal abgetastet wird, wenn der Meßstrahl 20 von der Bahn weggenommen wird, um eine Nullung durch den Luftspalt 40 hindurch auszuführen. Der Wert t, wie er durch die Vorrichtung 10 gemessen wird, kann für eine Evaluation gegen die Herstellungsvorgang- Parameter nach Feedback-Art verwendet werden, um die Bahn- Dicke in Hinblick auf die eingestellten Herstellungsparameter zu optimieren.
• Fig. 2 zeigt eine Seitenansicht der Vorrichtung 10, um der Ausrichtung der Vorrichtung 10 und des Rahmens 56 in Relation zu dem sich bewegenden Polymerfilm 30 Perspektive zu geben. Gemäß Fig. 2 bewegt sich der Polymerfilm 30 während seines Herstellungsvorgangs von der Rolle 58 zu der Rolle 60. Somit bewegt sich der Polymerfilm 30 in Fig. 1 aus der Ebene des Papiers heraus. Die Ausrichtung des Rahmens 56 ist derart beschaffen, daß der Meßstrahl 20 auf die Oberfläche des Polymerfilms 30 nicht enger als ungefähr 5º (d. h. 0,0873 Radian) zu der Normalen der Ebene des Polymerfilms auftrifft. Diese Ausrichtung minimiert jegliche schädlichen Reflexionen des Meßstrahls 20 von der Oberfläche des Polymerfilms 30.
• Bei der Vorrichtung 10 gemäß Fig. 1 wird eine Zerhackerfrequenz von 1 kHz verwendet. Das Abtasten der Intensitäts-Aus gangswerte der Lichtdetektoren 26 und 28 ist mit dem Zerhacker synchronisiert und liefert die Intensitäts-Ausgangssignale aus den Lichtdetektoren 26 und 28 mit der gleichen Rate. Das Computer-Untersystem 44 mittelt zehn aufeinanderfolgende Ablesewerte mit einer Abtastrate von 100 Messungen pro Sekunde. Bei dieser Ausführungsform beträgt der Durchmesser des Laserstrahls ungefähr 0,83 Millimeter (mm). Legt man eine zweckmäßige Geschwindigkeit des Polymerfilms 39 und eine zweckmäßige Datenerfassungszeit zugrunde, laufen bei jedem Ablesevorgang ungefähr 3,175 mm (d. h. 1/8 inch) an Polymerfilm 30 durch den Meßstrahl. Bei einer Bahn-Geschwindigkeit von 609,6 Meter/Minute (d. h. 2.000 feet/Minute) erfolgen 100 Messungen über eine Länge von 10,16 Meter (d. h. 33 1/3 feet) des sich bewegenden Polymerfilms 30 hinweg. Dies verhält sich grob äquivalent zu der Abnahme eines Meßwertes der Dicke eines 3,175 mm (d. h. 1/8 inch) messenden Polymerfilms 30 ungefähr alle 101,6 mm (d. h. vier inches) entlang der Länge der Bahn.
• Bei der vorliegenden Erfindung werden abhängig betriebene Linearmotoren 32 und 34 verwendet. Andere Typen von Motoren sind riemengetrieben oder gewindegetrieben; es ist jedoch jede Anordnung abhängig betriebener Schrittmotoren akzeptabel, um eine fortlaufende korrekte Ausrichtung der Optik über den gesamten Bewegungsbereich zu gewährleisten. Die abhängig betriebenen Linearmotoren 32 und 34 sind in der Lage, sich auf Bahnen 36 und 38 mit einer Rate von 254 mm/Sekunde (d. h. 10 inches/Sekunde) hin- und herzubewegen. Die durchschnittliche Vorratsrolle von Polymerfilm 30 ist 1524 mm (d. h. 60 inches) breit. Deshalb ist die Vorrichtung 10 in der Lage, den Meßstrahl 20 alle sechs Sekunden von der Bahn wegzunehmen, oder nach 600 Messungen, um die Nullungs- und Neukalibrierungs-Meßwerte zu erhalten.
• Wie bereits erwähnt, ergibt das Verhältnis zwischen der Intenstität des Meßstrahls 20 und der Intensitäts des Referenzstrahls 22 die Dicke des Polymerfilms auf Basis der Gleichung 1. Bei homogenen Materialien folgt die Lichtabsorption dem Lambert'schen Gesetz über das Verhältnis der Dicke eines Materials zu der absorbierten Lichtmenge. Polymerfilme wie Polyester sind homogen, und im Falle von Polyester absorbieren sie zweckmäßigerweise im Wellenlängenbereich von 3.390 nm. Nicht alle Polymerfilme sind optisch durchsichtig, sondern sind statt dessen durchscheinend, und zwar deshalb, weil in dem Polymerfilm eine physikalische oder chemische Eigenschaft vorhanden ist, die das Licht streut.
• Viele durchscheinende Polymerfilme absorbieren das Licht nicht nur, sondern streuen es gleichzeitig auch. Somit ergeben sich ein Intensitätsverlust aufgrund der Absorption und ein Intensitätsverlust aufgrund der Streuung. Die Verluste aufgrund jedes dieser Effekte führen jedoch zu unterschiedliche Neigungen für die logarithmischen linearen Verhältnisse. Falls nur die Absorption gemessen wird und dabei die Effekte der Streuung ignoriert werden, dann kehrt der Ablesebetrag für ein durchscheinendes Polymer zu einem anormal dicken Wert zurück. Der Effekt der Streuung folgt auch einer exponentialen Beziehung, die dem in Gleichung 1 ausgedrückten Lambert'schen Gesetz ähnlich, wobei jedoch die Streuung durch die folgende Gleichung ausgedrückt wird:
• Gleichung 3 I' /I'&sub0; - eτt,
• wobei τ die Trübungskonstante ist und I' und I' die Intensitätswertveränderungen aufgrund des Durchtritts durch eine durchscheinende Substanz sind.
• Da der gemessene Verlust an Intensität für einige durchscheinende Filme gegenüber der Absorption und der Streuung sekundär ist, sind die einzelnen sich durch Absorption und Streuung ergebenden Beiträge zu dem gemessenen Abfall der Intensität eine Kombination von Gleichung 1 mit Gleichung 3, woraus sich folglich ergibt:
• Gleichung 4: (I/I&sub0;) = (e-τt) (e-αt),
• und die Lösung hinsichtlich der Dicke t ergibt:
• Gleichung 5: t = (1/(α + τ))ln (I&sub0;/I).
• Fig. 3 zeigt eine Vorrichtung 11, eine alternative Ausführungsform zum Messen von Bahnen, die aufgrund eines Lichstreueffektes innerhalb der Bahn durchscheinend oder opaleszent sind. Veränderungen in der optischen Klarheit werden teilweise durch Unvollkommenheiten der Filmoberfläche oder klumpenartige Partikeln oder als inhärente Eigenschaften des Polymerfilms selbst verursacht. Diese Lichtstreueffekte sind unabhängig von der Absorption und sind im Fall von Unvollkommenheiten der Oberfläche sogar unabhängig von der Dicke des Films.
• Die Vorrichtung 11 enthält einen Laser 70 im sichtbaren Spektrum, der einen Strahl 72 ausgibt, welcher mit dem Meßstrahl 20 auf der Ebene des Polymerfilms 30 ausgerichtet ist. Bei Polypropylen hat der Laser 12 optimal eine Ausgangslichtwellenlänge von 2,390 nm. Diese Wellenlänge ist ideal für Polypropylen, da sie ein lineares Kurvenverhältnis für die Lichtabsorption gegenüber der Dicke bietet. Die Wellenlänge des Lasers 70 wird derart gewählt, daß sie eine minimale Absorption in dem Material erfährt, aus dem der Polymerfilm 30 besteht, da der Laser nur den Streueffekt des Polymerfilms 30 mißt. Für Polypropylen lag eine ideale Wellenlänge für den Laser 70 im sichtbaren Lichtspektrum innerhalb des roten Bereichs. Der Meßstrahl 20 wird im Vergleich sowohl durch die Streuung als auch durch die Absorption beeinflußt. Folglich sind die Dicken-Meßwerte, die man durch den Meßstrahl 20 erhält, außerordentlich groß. Indem man in der durch Gleichung 5 definierten Weise das Ausgangssignal des Detektors 74 mit den Ausgangswerten der Detektoren 26 und 28 in Beziehung setzt, ist es möglich, den Streueffekt zu berechnen und zu beseitigen und nur die Absorption zu messen, um den Dicken-Wert zu erhalten. Die Nullung und die Neukalibrierung für die Vorrichtung 11 gleichen denjenigen bei der Vorrichtung 10, wobei eine an dem Spalt 40 angetroffene Luftprobe und eine Probe 42 mit bekannter Dicke und Streuung verwendet wird.
• Die Verwendung des Lasers 70 ermöglicht eine On-line-Berechnung der Konstanten T, was die Lösung von Gleichung 5 erlaubt. Das Lösen der Gleichung 3 auf T hin ergibt:
• Gleichung 6 : 7 = (1/t)ln(I'&sub0;/I').
• Das Einsetzen von Gleichung 6 in die Gleichung 5 für den Wert von T und das Lösen für t ergibt:
• Gleichung 7: t = (1/α)ln((\I&sub0;/I) (I'/I')).
• Die Verwendung geeigneter Proben einschließlich Luft ermöglicht die erforderliche Zwischen-Kalibrierung des Systems.
• Fig. 4 zeigt eine als Vorrichtung 100 gekennzeichnete Ausführungsform. Bei der Vorrichtung 100 handelt es sich um eine Vereinfachung, bei der die Verwendung eines einzigen Lichtdetektors 102 vorgesehen ist. Die Vorrichtung 100 ist nur zur Messung in einer bahnabwärts verlaufenden Richtung konzipiert. Der Rahmen 104 ist ein offenendiger oder "C"-förmiger Rahmen, damit die Vorrichtung 100 über eine sich bewegende Bahn hinweg gleiten kann. Die Vorrichtung 100 ist mobil dahingehend, daß sie von einer Fertigungslinie zur nächsten verfahren werden kann.
• Bei der Vorrichtung 100 wird ein synchronisierter Lichtstrahlzerhacker 106 gemäß Fig. 5 verwendet. Wie gezeigt, ist der Zerhacker 106 ein Rad mit mehreren Löchern. Vorzugsweise hat der Strahlzerhacker 106 vierundzwanzig Löcher in einem Muster von sechzehn Löchern in einem äußeren kreisförmigen Array und acht Löchern in einem näher zur Mitte gelegenen inneren kreisförmigen Array. Die Löcher sind derart angeordnet, daß keine Überlappung der inneren Löcher mit den Löchern der äußeren Loch-Anordnung besteht.
• Ein Laser 108 dient als geeignete Lichtquelle für einen Lichtstrahl 110 mit zweckmäßiger Wellenlänge für den durch Absorption zu messenden Polymerfilm. Der Lichtstrahl 110 wird durch einen Strahlteiler 112 geteilt, wobei ein Meßstrahl 114 und ein Referenzstrahl 116 erzeugt werden. Der Meßstrahl 114 ist derart ausgerichtet, daß er auf den äußeren Ring von Löchern an dem Zerhacker 106 auftrifft. Wenn sich der Zerhacker 106 dreht, wird der Meßstrahl 114 sechzehn Mal für jede Drehung des Zerhackers 106 gepulst. Ein Spiegel 118 ist derart ausgerichtet, daß er den Referenzstrahl 116 derart auf den Zerhacker 106 richtet, daß der Referenzstrahl 116 auf den am Zerhacker 106 ausgebildeten inneren Ring von Löchern auftrifft. Auf diese Weise wird der Referenzstrahl 116 acht Mal für jede Drehung des Zerhackers 106 gepulst. Die Anordnung der Löcher innerhalb des Zerhackers 106 ist derart beschaffen, daß der Lichtdetektor 102 zwei Impulse von dem Meßstrahl 114 und dann einen Impuls von dem Referenzstrahl 116 empfängt und sich dann das Muster gemäß Fig. 6 wiederholt, wobei die vertikale Achse 200 der Intensität und die horizontale Achse 202 der Zeit entspricht.
• Von dem Zerhacker 106 wird der Lichtstrahl 114 aufeinanderfolgend durch Spiegel 120 und 122 derart reflektiert, daß der Meßstrahl 114 sich von einem Arm des Rahmens 104 quer zu dem anderen Arm bewegt und auf den Lichtdetektor 102 auftrifft. Der Rahmen 104 ist über einem sich bewegenden Polyesterfilm 124 plaziert, der so ausgerichtet ist, daß der Meßstrahl 114 durch den Polymerfilm 124 mit einem geeigneten Einfallswinkel hindurchtritt, der nicht weniger als 5º (d. h. 0,0873 Radian) zu der Normalen der Ebene des Polymerfilms 124 beträgt. Von dem Zerhacker 106 wird der Referenzstrahl 116 aufeinanderfolgend durch Spiegel 120, 126, 128 und 130 derart reflektiert, daß der Referenzstrahl 116 sich um den Rahmen 104 bewegt und auf den Lichtdetektor 102 trifft, wobei er nur mit Luft in Berührung gelangt ist.
• Wie bei der Vorrichtung 10 setzt die Vorrichtung 100 die von dem Detektor 102 gelieferten Intensitätswerte für den Meßstrahl 114 und den Referenzstrahl 116 in gegenseitige Beziehung, um einen Wert I zu erhalten. I&sub0; und α werden off-line durch Messung einer Luftprobe und einer Polymerfilmprobe bekannter Dicke erhalten.

Claims (10)

1. Hochgeschwindigkeits- und Hoch-Auflösung-Materialfilm-Meßvorrichtung (10), die Filmdicken messen kann, vom Typ mit

- einer Strahlungsenergiequelle (12) zum Erzeugen kohärenter monochromatischer Strahlungsenergie (14), die durch einen Absorptionseffekt eines Materialfilms (30) beeinflußt wird,

- einem betriebsmäßig mit der Strahlungsenergiequelle (12) gekoppelten Strahlteiler (18) zum Teilen der Strahlungsenergie (14) in einen Referenzstrahl (22) und einen ersten Meßstrahl (20),

- einer Detektoreinrichtung (26, 28, 74) zum Erzeugen eines Referenzstrahl-Intensitätswertes und eines Erst-Meßstrahl-Intensitätswertes aus detektierten Abschnitten des Referenzstrahls (22) bzw. des ersten Meßstrahls (20), und

- einem betriebsmäßig mit dem Detektor (26, 28) verbundenen Komparator (44) zum Vergleichen des Referenzstrahl-Intensitätswertes mit dem Erst-Meßstrahl-Intensitätswert zwecks Erzeugung eines Absorptionswertes, der der Dicke des Materialfilms (30) proportional ist,

- wobei der Strahlteiler (18) derart angeordnet ist, daß der Referenzstrahl (22) nur durch Luft hindurch übertragen wird und der erste Meßstrahl (20) durch Luft und den Materialfilm (30) hindurch übertragen wird,

dadurch gekennzeichnet, daß

- die Strahlungsenergiequelle (12) ferner eine Einrichtung (70) zum Erzeugen eines nichtabsorbierbaren zweiten Meßstrahls (72) aus kohärenter monochromatischer Strahlungsenergie aufweist, der durch einen Streu-Effekt des Materialfilms (30) beeinflußt wird, wobei die Einrichtung (70) zum Erzeugen des zweiten Meßstrahls (72) derart angeordnet ist, daß der zweite Meßstrahl (72) durch im wesentlichen die gleiche Stelle an dem Materialfilm (30) hindurchgeschickt wird wie der erste Meßstrahl (20),

- die Detektoreinrichtung (26, 28, 74) einen Detektor (74) aufweist, um einen Intensitätswert des nichtabsorbierbaren zweiten Meßstrahls aus einem detektierten Abschnitt des nichtabsorbierbaren zweiten Meßstrahls (72) zu erzeugen, und

- der Komparator (44) eine Einrichtung aufweist, um den Absorptionswert auf der Basis des Intensitätswertes des nichtabsorbierbaren zweiten Meßstrahls zu modifizieren und dadurch den Streu-Effekt des Materialfilms (30) aus dem Absorptionswert zu eliminieren.

2. Vorrichtung (10) nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch einen betriebsmäßig mit dem Strahlteiler (18) gekoppelten Zerhacker (16) zum Zerhacken der kohärenten monochromatischen Strahlungsenergie (14) vor dem Teilen der Strahlungsenergie (14).

3. Vorrichtung (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, gekennzeichnet durch eine Kalibriereinrichtung (44) zum Weglenken des ersten Meßstrahls (20) und des zweiten Meßstrahls (72) von dem Materialfilm (30), um den ersten Meßstrahl (20) und den zweiten Meßstrahl (72) in Luft als Probe (40) zu kalibrieren und den ersten Meßstrahl (20) und den zweiten Meßstrahl (72) in einem Polymer-Probenfilm (42) bekannter Dicke zu kalibrieren.

4. Vorrichtung (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, gekennzeichnet durch

- eine betriebsmäßig mit dem Strahlteiler (18) verbundenen Querbewegungsvorrichtung (32, 34, 36, 38) zum Hin- und Herbewegen des ersten Meßstrahls (20) in Querrichtung über die Breite des Materialfilms (30), und

- eine Feedback-Steuereinrichtung (44) zum Verwenden des Absorptionswertes, um während der Herstellung, bei der der Materialfilm (30) bewegt wird, eine Produktionsdicke des Materialfilms (30) zu steuern.

5. Verfahren zum Messen eines sich bewegenden Materialfilms (30) während der Herstellung, mit den folgenden Schritten:

- Erzeugen eines Strahls (14) mit kohärenter monochromatischer Strahlungsenergie, der durch einen Absorptionseffekt des Materialfilms (30) beeinflußt wird,

- Teilen des ausgestrahlten Energie-Strahls (14) in einen Referenzstrahl (22) und einen ersten Meßstrahl (20),

- Hindurchschicken des ersten Meßstrahls (20) durch Luft und den Materialfilm (30),

- Hindurchschicken des Referenzstrahls (22) nur durch Luft,

- Erzeugen eines Referenzstrahl-Intensitätswertes und eines Erst-Meßstrahl-Intensitätswertes aus detektierten Abschnitten des Referenzstrahls (22) bzw. des ersten Meßstrahls (20), und

- Vergleichen des Referenzstrahl-Intensitätswertes mit dem Erst-Meßstrahl-Intensitätswert zur Erzeugung eines Absorptionswertes, der einer Dicke des Materialfilms (30) proportional ist,

gekenzeichnet durch die weiteren Schritte:

- Erzeugen eines nichtabsorbierbaren zweiten Meßstrahls (72) kohärenter monochromatischer Strahlungsenergie, der durch einen Streu-Effekt des Materialfilms (30) beeinflußt wird,

- Hindurchschicken des nichtabsorbierbaren zweiten Meßstrahls (72) durch im wesentlichen die gleiche Stelle an dem Materialfilm (30) wie der erste Meßstrahl (20),

- Erzeugen eines Intensitätswertes des nichtabsorbierbaren zweiten Meßstrahls aus einem detektierten Abschnitt des nichtabsorbierbaren zweiten Meßstrahls (72), und

- Modifizieren des Absorptionswertes auf der Basis des Intensitätswertes des nichtabsorbierbaren zweiten Meßstrahls zwecks Eliminieren des Streu-Effekts des Materialfilms (30) aus dem Absorptionswert.

6. Verfahren nach Anspruch 5, gekennzeichnet durch die Schritte des Kalibrierens des ersten Meßstrahls (20) und des zweiten Meßstrahls (72) durch periodisches Umlenken des ersten und des zweiten Meßstrahls (20,72) von dem Materialfilm (30) durch Luft als Probe (40) und durch periodisches Umlenken des ersten und des zweiten Meßstrahls (20,72) durch einen Polymer-Probenfilm (42) bekannter Dicke.

7. Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, gekennzeichnet durch die Schritte des Hin- und Herbewegens des Meßstrahls (20) in Querrichtung über die Breite des Materialfilms (30), und des Steuerns der Produktionsdicke des Materialfilms (30) während des Herstellungsvorgangs auf Basis des Absorptionswertes.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 7, ferner mit dem Schritt des Hin- und Herbewegens des ersten Meßstrahls und des zweiten Strahls kohärenter monochromatischer Energie in Querrichtung über den sich bewegenden Film.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Vergleichs-Schritt das Anwenden eines Algorithmus enthält, der aus der folgenden Gruppe gewählt ist:

- Berechnen des Verhältnisses aus dem Referenzstrahl-Intensitätswert zu dem Intensitätswert des ersten Meßstrahls und Vergleichen des Verhältnisses mit Referenzwerten zum Bestimmen der Dicke des Materialfilms (30),

- Anwendung des Lambert'schen Gesetzes

I = I&sub0;e-αt

wobei I das Verhältnis der Intensitätswerte des ersten Meßstrahls und der Referenzstrahl-Intensitätswerte ist,

I&sub0; ein Referenz-Verhältnis ist,

α eine Kalibrierungskonstante ist, und

t die Dicke des Materialfilms (30) ist,

- Anwendung der Gleichung

t = (1/α) ln(I&sub0;/I),

wobei I das Verhältnis der Intensitätswerte des ersten Meßstrahls und der Referenzstrahl-Intensitätswerte ist,

I&sub0; ein Referenz-Verhältnis ist,

α eine Kalibrierungskonstante ist, und

t die Dicke des Materialfilms (30) ist, und

- Anwendung der Gleichung

t = (1α)ln(I&sub0;/I)(I'/I&sub0;')

wobei I das Verhältnis der Intensitätswerte des ersten Meßstrahls und der Referenzstrahl-Intensitätswerte ist,

I&sub0; ein Referenz-Verhältnis ist,

α eine Kalibrierungskonstante ist,

t die Dicke des Materialfilms (30) ist, und

I' und I&sub0;'

die Intensitätswert-Veränderungen aufgrund des Hindurchtretens durch eine lichtdurchlässige Substanz sind.

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 9, ferner mit dem Schritt des Zerhackens der Strahle kohärenter monochromatischer Strahlungsenergie.