DE19816359A1 - Fasersensor zum Erkennen von Oberflächenstrukturen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Ermittlung von Oberflächenstrukturen an Objekten, insbesondere von Leimspuren auf Klebeflächen.

Klebstoffe werden mit Erfolg in zahlreichen Fertigungsprozessen eingesetzt. Insbesondere in automatisierten Fertigungsprozessen ist eine Kontrolle des ortsgenauen Auftrages von Klebstoff auf die dafür vorgesehene Klebefläche erforderlich. Der Klebstoffauftrag erfolgt z. B. bei der Herstellung von Verpackungsmaterialien über gesteuerte Beleimungsdüsen, an denen die Klebeflächen mit hoher Geschwindigkeit (bis zu 10 m/s) vorbeigeführt werden. Durch Störungen beim Auftragsprozeß kommt es vor, daß Klebeflächen falsch oder gar nicht beleimt werden. Um diese Verpackungszuschnitte rechtzeitig zu erkennen und steuernd in den Prozeß eingreifen zu können, werden Detektoren benötigt, die den Klebstoffauftrag mit der erforderlichen Geschwindigkeit kontrollieren.

Die bekannten Detektoren zum Nachweis des Klebstoffauftrags nutzen die Fluoreszenz von Substanzen aus, die dem Klebstoff vorab beigemischt und durch geeignete elektromagnetische Strahlung angeregt werden. Die Beimischung dieser fluoreszierenden Substanzen zum Klebstoff ist bei Verpackungen, die zum Beispiel für die Lebensmittelindustrie benötigt werden, unerwünscht.

Andere Detektoren verwenden bei wasserhaltigen Klebstoffen die Absorptionseigenschaften von Wasser im infraroten Spektralbereich. Nachteil dieser Detektoren ist ihr auf wasserhaltige Klebstoffe begrenzter Einsatzbereich.

Es ist Aufgabe der Erfindung, eine Einrichtung zum Nachweis von Oberflächenstrukturen, insbesondere von Klebstoffaufträgen, anzugeben, die den Klebstoff ohne Beimischung zusätzlicher Substanzen nachweist und deren Einsatzbereich nicht auf wasserlösliche Klebstoffe begrenzt ist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß über einen Lichtwellenleiter Licht einer Lichtquelle auf die zu bewertende Oberfläche gelenkt wird. Durch den Abstand der Austrittsseite des Lichtwellenleiters von der Oberfläche und durch die Apertur des Lichtleiters wird die Größe der beleuchteten Zone bestimmt. Als Lichtquelle werden solche mit klassischer Strahlung, Laser und Lumineszenzdioden eingesetzt. Das von der beleuchteten Oberfläche zurückgesandte Licht wird von einem zweiten Lichtwellenleiter, der parallel zum ersten angeordnet ist, aufgenommen und einem Empfänger zugeführt. Bei einem konstanten Abstand des zweiten Lichtwellenleiters von der Oberfläche und einer Oberfläche mit konstantem Reflexions-, Absorptions- und Streuvermögen über den gesamten zu bewertenden Bereich registriert der Empfänger beim Vorbeiführen der Oberfläche am Lichtwellenleiter stets ein konstantes Signal. Die numerische Apertur des Lichtwellenleiters legt erfindungsgemäß einen Beobachtungskegel fest und bestimmt dadurch die Lichtmenge, die der Lichtwellenleiter von der beleuchteten Oberfläche aufnimmt. Erscheint nun in der beleuchteten Zone eine Oberflächenveränderung, z. B. in Form einer Erhebung ( Leimspur), so ändert sich die vom Lichtwellenleiter aufgenommene Lichtmenge und der Empfänger registriert überraschend ein geändertes Signal, das als Maß für das Vorhandensein einer Oberflächenveränderung, insbesondere einer Leimspur, dient. Hat die Erhebung die beobachtete Zone auf der Oberfläche verlassen, so stellt sich wieder das Ausgangssignal am Empfänger ein. Eine Signalveränderung tritt auch auf, wenn eine Vertiefung in der beobachteten Zone der Oberfläche erscheint. Das Verfahren basiert auf der wohl definierten numerischen Apertur des Lichtwellenleiters.

Für den Fall, daß die Oberfläche schon ohne die Klebstoffspur eine ortsabhängige Veränderungen im Reflexions-, Absorptions- und Streuvermögen - bei Verpackungsmaterialien etwa durch farbige Aufdrucke - hat, ändert sich auch entsprechend das zeitlich registrierte Signal am Empfänger. Dieser Signalverlauf wird von einem Computer als Referenzmuster gespeichert. Danach werden alle weiteren Signalverläufe, die von den Oberflächen mit Klebstoffspur aufgenommen werden, mit dem Referenzmuster verglichen. Das Differenzsignal liefert dann die Information über das Vorhandensein der Klebstoffspur. In einer zweiten Ausführungsform wird erfindungsgemäß ein weiteres Lichtwellenleiterpaar, das ebenfalls aus dem Beleuchtungslichtwellenleiter und dem Signallichtwellenleiter besteht, so positioniert, daß die beobachtete Oberflächenzone neben der Klebstoffspur liegt, also diese nicht mit erfaßt. Das mit dieser Anordnung erhaltene Signal dient als Referenzsignal und wird mit dem ersten Signal über eine Differenzbildung oder eine Quotientenbildung verknüpft. Das resultierende Signal gibt wieder Aufschluß über das Vorhandensein und die Position der Klebstoffspur. Um störendes Umgebungslicht von der Signalerfassung auszuschalten, kann an der Eintrittsseite oder an der Austrittsseite des Lichtwellenleiters erfindungsgemäß ein Filter angeordnet werden, das nur die zur Messung erwünschte Strahlung durchläßt. Bei Verwendung von schmalbandiger Strahlung, insbesondere von Laser- und Lumineszenzdiodenstrahlung, läßt das Filter nur diese Strahlung durch und unterdrückt die unerwünschte Strahlung des Umgebungslichtes. Anstelle der Filter kann auch eine dielektrische Spiegelschicht mit dem entsprechenden Transmissionsverhalten auf die Enden der Lichtwellenleiter aufgebracht werden.

In einem weiteren Ausführungsbeispiel wird erfindungsgemäß ein Y-förmig verzweigter Lichtwellenleiter verwendet, wobei in den einen Lichtleiterzweig das Beleuchtungslicht eingekoppelt wird. Über das Austrittsende des Y-förmigen Lichtwellenleiters wird das Beleuchtungslicht auf die Oberfläche geleitet. Dort leuchtet das Licht entsprechend der numerischen Apertur des Lichtwellenleiters und dem gewählten Abstand eine Beobachtungsfläche aus. Das zurückkommende Licht wird über die Faser wieder aufgenommen und über den zweiten Lichtwellenleiterzweig einem Empfänger zugeführt.

Ein zweiter, identischer Y-förmiger Lichtwellenleiter kann erfindungsgemäß zur Gewinnung eines Referenzsignals verwendet werden. Dieser zweite Y-förmige Lichtwellenleiter wird auf eine Beobachtungszone neben der Leimspur ausgerichtet. Die Signalauswertung erfolgen dann wie oben beschrieben.

Zeigt die nachzuweisende Oberflächenveränderung, insbesondere der Klebstoff, ein starkes Absorptionsverhalten bei einer geeignet gewählten Beleuchtungswellenlänge, so kann erfindungsgemäß bei den oben beschriebenen Vorrichtungsvarianten ein Filter zwischen Lichtwellenleiter und Empfänger angeordnet werden, das nur das Licht im Bereich der Absorptionsbande durchläßt. So wird erreicht, daß sich das am Empfänger gemessene Signal ändert, wenn eine Oberflächenveränderung mit geändertem Absorptionsverhalten durch das Beobachtungsfenster läuft.

Erfindungsgemäß wird durch die gleichzeitige Aufnahme des von der beobachteten Oberflächenzone zurückkommenden Lichtes im Spektralbereich außerhalb der Absorptionsbande ein Referenzsignal abgenommen und mit dem ersten Signal, das das Absorptionsverhalten bei der Absorptionsbande mißt, über eine Differenz- oder Quotientenbildung ausgewertet. Der Vorteil dieser Vorrichtung ist es, daß die störenden spezifischen optischen Eigenschaften der Oberfläche, die sie ohne die zusätzlichen Strukturen hat, eliminiert werden.

In einer weiteren Ausführungsform wird erfindungsgemäß ein verzweigter Lichtwellenleiter verwendet, der insgesamt drei Einzelfasern in eine gemeinsame Faser münden läßt. Das gemeinsame Faserende wird auf die zu untersuchende Oberfläche gerichtet. Über den einen Lichtwellenleiterzweig wird das Beleuchtungslicht eingekoppelt und auf die Oberfläche geleitet. Die beiden anderen Lichtwellenleiter dienen jeweils das Meßsignal- bzw. das Referenzsignalkanal. Filter oder dielektrische Filterschichten auf den Lichtwellenleiterenden separieren das gewünschte Signal bzw. Referenzlicht.

Um mehrere parallel zueinander verlaufende Strukturen oder breite Strukturen, die nicht mehr von einem Lichtwellenleiter mit gegebener Apertur erfaßt werden, bewerten zu können, werden erfindungsgemäß mehrere Lichtwellenleitersensoren zusammen angeordnet. Den Faserenden, die das Meßsignal liefern, können erfindungsgemäß entweder ein gemeinsamer Photoempfänger, eine Photodiodenzeile oder -matrix, eine CCD-Zeile oder -zeilenmatrix oder ein anderer ortsauflösender Empfänger nachgeordnet sein. Bei der Verwendung von Empfängerzeilen oder -matrixanordnungen wird jedes Faserende einem oder mehreren diskreten Empfängerelementen zugeführt. Die Auswertung der Signale erfolgt, wie oben beschrieben, entweder über das gesamte Empfängersignal integriert oder als separate Auswertung einzelner Empfängerelemente mit einem nachgeschalteten Mikroprozessor oder Meßcomputer.

Eine weitere Ausführungsform der Erfindung sieht vor, das eine Linse oder ein Objektiv dem der Oberfläche zugewandten Ende des Lichtwellenleiters zugeordnet ist. Damit kann die auf der Oberfläche erfaßbare Zone verändert werden kann. Durch das zusätzliche Einfügen von Blenden ist es möglich, in Form und Größe veränderliche Beobachtungszonen der Oberfläche zu erfassen.

Eine weitere Variante der Vorrichtung sieht erfindungsgemäß eine Neigung der Lichtwellenleiter zur Beobachtungsoberfläche vor. Dadurch wird eine in manchen Anwendungsfällen erwünschte ovale Beleuchtungs- und Beobachtungszone erzeugt. Gleichzeitig kann durch die Neigung des Lichtwellenleiters zur Untersuchungsoberfläche erreicht werden, daß eine Selektion der für den Signalnachweis erwünschten Lichtanteile erfolgt.

In einer weiteren Anordnung werden erfindungsgemäß der oder die Lichtwellenleiter die für die Beleuchtung verwendet werden, und der oder die Lichtwellenleiter, die zur Signalaufnahme dienen, aus entgegengesetzter Richtung zur Beobachtugsoberfläche aufeinander gelenkt. Dadurch wird die Form der Beobachtungszone auf der Oberfläche geändert, und es kann das refelektierte Beleuchtungslicht nach dem Reflexionsgesetz empfangen werden. In einer weiteren Ausführungsform kann auf die Zuführung von Beleuchtungslicht durch den Lichtwellenleiter verzichtet werden und das Licht einer externen Lichtquelle, etwa das Beleuchtungslicht der Produktionsanlage, zur Signalgewinnung mit dem Lichtwelleleitersensor genutzt werden.

In einem Ausführungsbeispiel soll die Vorrichtung an Hand von Zeichnungen erklärt werden. Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung des Fasersensors mit einem y-förmigen Lichtwellenleiter

Fig. 2 eine schematische Darstellung der Vorrichtung mit dreifach verzweigtem Lichtwellenleiter und

Fig. 3 eine schematische Darstellung der Vorrichtung mit mehreren parallel angeordneten Lichtwellenleitern.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung weist einen Lichtwellenleiter (1) auf, der y-förmig (2) verzweigt ist, wobei das untere Lichtwellenleiterende zur untersuchenden Oberfläche (3) mit der Struktur (4) zeigt. Das Lichtwellenleiterende muß einen konstanten Abstand während der gesamten Messung zur Oberfläche beibehalten. Über die Lichtquelle (7), die in dem Ausführungsbeispiel eine Lumineszenzdiode ist wird Licht in den Lichtwellenleiterzweig (2) eingekoppelt und auf die zu untersuchende Oberfläche geschickt. Durch die Apertur des Lichtwellenleiters bedingt, wird eine begrenzte Zone auf der Oberfläche beleuchtet.

Das zurückgeworfene Licht wird entsprechend der Apertur des Lichtwellenleiters von diesem wieder aufgenommen und auf den Photoempfänger (6) geleitet. Verläßt die am Empfänger vorbeigeführte Struktur auf der Oberfläche die beleuchtete Zone, ändert sich die in den Lichtwellenleiter eingekoppelte Lichtmenge. Am Photoempfänger wird eine Signaländerung gemessen. Mit dieser Anordnung ist es möglich, Strukturänderungen auf Oberflächen zu registrieren.

Das Filter (5) vor dem Photoempfänger kann wahlweise verwendet werden, um störendes Umgebungslicht zu unterdrücken und nur das Beleuchtungslicht auf den Photoempfänger zu lassen. Dieses Filter kann auch dazu dienen Fluoreszenzlicht vom Anregungslicht zu trennen und auf den Photoempfänger zu lassen. Die Fluoreszenz wird in diesem Falle auf der Oberfläche oder auf der Struktur durch das Beleuchtungslicht angeregt. Das Filter (5) kann auch dazu dienen, einen definierten Spektralbereich einzugrenzen, in dem Absorptionsänderungen auf der Oberfläche oder der Strukturen beim Vorbeiführen der Probe am Lichtwellenleiter zu beobachten sind.

Das Filter (8) kann wahlweise eingesetzt werden, wenn aus dem Strahlungsspektrum der Lichtquelle ein für Absorptionsmessungen oder Fluoreszenzanregungen geeigneter Spektralbereich ausgefiltert werden soll. In Fig. 2 ist eine Ausführungsform mit dreifacher Verzweigung des Lichtwellenleiters gezeigt. Mit dieser Anordnung läßt sich gleichzeitig mit dem eigentlichen Meßsignal auch ein Referenzsignal aufzeichnen. Die Oberfläche wird mit dieser Vorrichtung sowohl in einem Wellenlängenbereich bewertet, bei der die Probe eine Absorption aufweist, als auch in einem Wellenlängenbereich, bei dem die Probe für die elektromagnetische Strahlung transparent ist. Aus der von der Lichtquelle (7) emittierten Strahlung wird mit dem Spektralfilter (8) ein Bereich ausgefiltert, der die Absorptionsbande oder -linie der Probe, bei wasserhaltigen Klebstoffen z. B. die Absoptionslinie um 1,4 µm, und deren Umgebung überdeckt. Das Licht trifft auf die Probe und wird dort z. B. von der Klebstoffspur zum Teil absorbiert. Das zurückgestreute und reflektierte Licht wird von dem Lichtwellenleiter wieder aufgenommen und über den Lichtellenleiterzweig (11) auf den Photoempfänger (9) geschickt. Das Filter (10) läßt nur das Licht bei der Absorptionslinie, im Falle der Klebstoffspur ist dies die Bande um 1,4 µm, durch. Ein anderer Lichtteil gelangt über den Lichtwellenleiterzweig (1) auf den Photoempfänger (6). Das Spektralfilter (5) läßt nur das Licht aus der Umgebung der Absorptionsbande, im Falle der Klebstoffspur z. B. bei 1 µm, durch.

Die in Fig. 3 dargestellte Anordnung ermöglicht es, mehrere z. B. parallel zueinander verlaufende Klebstoffspuren oder breite Klebstoffspuren zu detektieren. Sie stellt eine Aneinanderreihung mehrerer identisch aufgebauter Lichtwellenleitersensoren nach Fig. 1 dar. Das Licht einer Lumineszenzdiode wird in alle Lichtwellenleiterzweige (2) der einzelnen Lichtwellenleitersensoren eingekoppelt und zur Beleuchtung auf die Oberfläche geleitet. Die einzelnen Lichtwellenleiterenden haben den gleichen Abstand von der Oberfläche. Das durch die Oberflächenstruktur (4) beeinflußte Licht wird entsprechend dem Öffnungswinkel der Lichtwellenleiter (1) aufgenommen und zur Optik (13) geleitet. Diese bildet die Lichtaustrittsflächen der Lichtwellenleiter auf eine CCD-Zeilenkamera (14) ab, die wiederum mit einem Auswertecomputer (15) verbunden ist.

Zwischen Lichtwellenleiter und CCD-Zeilenkamera können auch Spektralfilter zu Unterdrückung unerwünschter Spektralbereiche angeordnet sein.

Claims (18)

1. Vorrichtung zum Nachweis von Strukturveränderungen an Oberflächen, insbesondere von Erhöhungen und Vertiefungen, schnell bewegter Teile, gekennzeichnet dadurch, daß die Vorrichtung einen y-förmigen Lichtwellenleiter, dessen einer Zweig mit einer Lichtquelle und dessen anderer mit einem Empfänger verbunden ist, aufweist, der im konstanten Abstand von der zu untersuchenden Probe angeordnet ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Lichtquelle alle klassischen Lichtquellen, Laser und Lumineszenzdioden verwendet werden können.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 und 2 dadurch gekennzeichnet, daß zwei Lichtwellenleiter parallel zueinander im konstanten Abstand von der zu untersuchenden Probe angeordnet werden, wobei dem einen Lichtwellenleiter eine Lichtquelle und dem anderen ein Photoempfänger zugeordnet wird.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1, 2 und 3 dadurch gekennzeichnet, daß zwei identisch aufgebaute Lichtwellenleiter parallel zueinander im konstanten Abstand von der zu untersuchenden Oberfläche angeordnet werden, wobei der eine Lichtwellenleiter auf die Bahn mit der Strukturveränderung und der andere neben die Bahn mit der Strukturveränderung ausgerichtet ist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 1, 2, 3 und 4 dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Signale der Photodioden einem Differenzverstärker zugeführt werden.

6. Vorrichtung nach Anspruch 1, 2, 3 und 4 dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Signale der Photodioden einem Quotientenbildner zugeführt werden.

7. Vorrichtung nach Anspruch 1 und 2 dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung einen dreifach verzweigten Lichtwellenleiter aufweist, wobei dem einen Zweig eine Lichtquelle und den beiden anderen je ein Photoempfänger zugeordnet sind.

8. Vorrichtung nach Anspruch 1, 2, 4 und 7 dadurch gekennzeichnet, daß Spektralfilter zwischen Photoempfänger und Lichtwellenleiter angeordnet sind.

9. Vorrichtung nach Anspruch 1, 2, 7 und 8 dadurch gekennzeichnet, daß das Spektralfilter zwischen einem Photoempfänger und dem einen Lichtwellenleiterzweig eine hohe Transmission im Bereich einer Absorptionslinie oder -bande der Strukturänderung auf der Oberfläche aufweist.

10. Vorrichtung nach Anspruch 1, 2, 7, 8 und 9 dadurch gekennzeichnet, daß das Spektralfilter zwischen einem Photoempfänger und einem Lichtwellenleiterzweig eine hohe Transmission außerhalb des Bereiches einer Absorptionslinie oder -bande der Strukturänderung auf der Oberfläche aufweist.

11. Vorrichtung nach Anspruch 1, 2, 3, 7, 8, 9, und 10 dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Lichtwellenleiter nebeneinander angeordnet werden.

12. Vorrichtung nach Anspruch 1, 2, 3, 7, 8, 9,10 und 11 dadurch gekennzeichnet, daß den Lichtwellenleitern ein gemeinsamer Photoempfänger zugeordnet ist.

13. Vorrichtung nach Anspruch 1, 2, 3, 7, 8, 9, 10 und 11 dadurch gekennzeichnet, daß den Lichtwellenleitern eine CCD-Zeilenkamera mit Auswerteeinheit nachgeordnet ist.

14. Vorrichtung nach Anspruch 1, 2, 3, 7, 8, 9, 10 und 11 dadurch gekennzeichnet, daß den Lichtwellenleitern eine CCD-Matrixkamera mit Auswerteeinheit nachgeordnet ist.

15. Vorrichtung nach Anspruch 1, 2, 3, 7, 8, 9, 10 und 11 dadurch gekennzeichnet, daß den Lichtwellenleitern eine Diodenzeilenkamera mit Auswerteeinheit nachgeordnet ist.

16. Vorrichtung nach Anspruch 1, 2, 3, 7, 8, 9, 10 und 11 dadurch gekennzeichnet, daß den Lichtwellenleitern eine CCD-Matrixkamera mit Auswerteeinheit nachgeordnet ist.

17. Vorrichtung nach Anspruch 1, 2, 3, 7, 8, 9, 10 und 11 dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtwellenleiter zur Oberfläche geneigt angeordnet werden.

18. Vorrichtung nach Anspruch 1, 2, 3, 7, 8, 9, 10 und 11 dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtwellenleiter zur Beleuchtung aus der einen Richtung zur Oberfläche geneigt angeordnet sind und die Lichtwellenleiter für die Lichtaufnahme aus der entgegengesetzten Richtung geneigt zur Oberfläche angeordnet sind.