Zur Messung einer Schichtdicke oder Materialdicke sind Messungen mit langwelliger Strahlung, insbesondere im Terahertz-oder Mikrowellenbereich bekannt, insbesondere als Laufzeitmessungen. Hierbei wird im Allgemeinen Strahlung entlang einer optischen Achse auf das Messobjekt eingestrahlt, das aus einem für Strahlung transparenten Material, z. B. Kunststoff, besteht, wobei das Material für die Strahlung einen höheren Brechungsindex aufweist als Luft oder Vakuum. Ein derartiges Material kann insbesondere ein Kunststoff, weiterhin z. B. auch Holz, Keramik oder ein faserverstärktes Material wie CFK oder GFK (kohlefaserverstärkter Kunststoff, glasfaserverstärkter Kunststoff) sein. Ein Teil der einfallenden Strahlung wird beim Eintritt in die Material-Schicht reflektiert, und ein weiterer Teil der in die Material-Schicht eingetretenen Strahlung wird an einer nachfolgenden Grenzfläche, zum Beispiel einer Rückseite der Material-Schicht beim Übergang zu Luft, reflektiert. Somit können Mess-Peaks der Signalamplitude der an den Grenzflächen reflektierten Strahlung aufgenommen werden. Zur Vermessung wird im Allgemeinen der Sendestrahl senkrecht auf die

Oberfläche des Prüfobjektes gestrahlt, und der reflektierte Strahl nachfolgend detektiert, wodurch eine Laufzeitmessung erfolgen kann, bei der die zeitliche Differenz der Messpeaks dem zweifachen Strahlengang der Strahlung durch die Schicht des Prüfobjektes entspricht.

Derartige Schichtdicken-Messungen können insbesondere zur Überprü- fung der Qualität eines Kunststoff-Objektes nach dessen Herstellung durchgeführt werden, z. B. unmittelbar nach der Herstellung, indem das Messobjekt am Ende einer Produktionslinie direkt durch die Messvorrichtung befördert wird. Messungen einer spezifischen Materialdicke, insbesondere bei kontinuierlicher Führung des Prüfobjektes, erfordern hierbei im Allgemeinen eine spezifische Bandbreite, wobei die erforderliche Bandbreite von der zu ermittelnden Schichtdicke abhängt. Die Erzeugung eines Sendestrahls mit hinreichender Intensität und geeigneter Bandbreite ist im Mikrowellen- und

Terawellen-Frequenzbereich jedoch zum Teil aufwändig. Insbesondere vollelektronisch ausgebildete Terahertz- und Mikrowellen-Sender können oftmals nur mit erheblichem Aufwand ausgebildet werden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, mit geringem Aufwand eine sichere Vermessung eines Messobjektes und eine genaue Ermittlung einer Schichtdicke zu ermöglichen.

Diese Aufgabe wird durch ein Messverfahren sowie eine Messvorrichtung nach den unabhängigen Ansprüchen gelöst. Die Unteransprüche be- schreiben bevorzugte Weiterbildungen.

Hierbei ist die erfindungsgemäße Messvorrichtung insbesondere zur Durchführung des erfindungsgemäßen Messverfahrens vorgesehen, und das erfindungsgemäße Messverfahren wird insbesondere mit Einsatz oder unter Verwendung der erfindungsgemäßen Messvorrichtung durchgeführt. Erfindungsgemäß erfolgt somit eine Messung mit nicht-senkrechtem Einfall der Strahlung auf die Oberfläche der Schicht des Prüfobjektes, und eine nachfolgende Messung der reflektierten Teilstrahlen.

Durch den nicht-senkrechten bzw. schrägen Einfall sind die an der Oberseite und Unterseite der Schicht reflektierten Teilstrahlen entlang der Einfallsrichtung zueinander versetzt. Somit verlaufen diese reflektierten Teilstrahlen mit einem lateralen Versatz bzw. Versatz in Richtung senkrecht zur Ausfallsrichtung.

Die unterschiedlichen Teilstrahlen können somit gemessen werden. So können zum einen die Teilstrahlen eines festen Sendestrahles, d.h. bei festem Sender, gemessen werden. Hierbei ist eine Messung der ausgesandten Strahlung über eine Wegstrecke in der geometrischen Richtung möglich. Die geometrische Richtung ist insbesondere an der Ausgangsseite (Ausfallseite) eine laterale Richtung, d.h. Ortsrichtung, oder an der Einfallsseite ein Ein- stell-Winkel. Hierdurch ist es möglich, die beiden reflektierten Teilstrahlen als Messpeaks bzw. Signal-Peaks der Signalamplitude zu ermitteln.

Die örtliche bzw. laterale Vermessung senkrecht zur Ausfallsrichtung kann durch unterschiedliche Ausbildungen erreicht werden. Zum einen kann ein Sensor oder mehrere Sensoren in der lateralen Ortsrichtung (Messrichtung) ständig verfahren werden, insbesondere mit einer deutlich höheren Geschwindigkeit als eine Vorlaufgeschwindigkeit des Prüfobjektes.

Alternativ hierzu kann auch eine Sensorkette bzw. ein lineares Array benachbarter Sensoren eingesetzt werden, d.h. eine statische Anordnung der Detektoreinrichtung bzw. der Empfangszeile. Hierbei können entsprechende Detektoren klein ausgebildet und auf einem Schaltungsträger nebeneinander angeordnet werden. Die Schichtdicke kann nachfolgend durch geometrische Überlegungen ermittelt werden, bei denen der Einfallswinkel und die örtlich aufgelöste Signalbreite, d. h. der örtliche bzw. laterale Abstand der Messpeaks, herangezogen werden können. Weiterhin kann der Brechungsindex des Materials der Schicht des Prüfobjekts bei diesen geometrischen Ermittlungen herangezogen werden.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann auch der Sendestrahl verstellt werden, z. B. durch Verstellen, insbesondere Schwenken oder Kippen des Senders, oder auch z. B. durch ein in den Strahlengang eingeführtes verstellbares optisches Element, z. B. einen Spiegel. Bei derartigen Ausführungsformen kann somit der Sensor fest bleiben, oder auch mitgeschwenkt werden.

Somit wird bei den Ausführungsformen insbesondere eine Triangulation im THz- oder Mikrowellenbereich mit zwei Reflexionen ermöglicht.

Erfindungsgemäß werden somit einige Vorteile erreicht. Es ist eine hohe Auflösung und somit genaue Ermittlung der Schichtdicke möglich. Die Auflösung kann durch Einstellung eines geeigneten Einfallswinkels, insbesondere auch eines flachen Einfallswinkels, geändert und somit gesteigert werden.

Hierbei ist nur eine geringe Bandbreite der ausgesandten Strahlung erforderlich; grundsätzlich ist die Bandbreite bei dieser geometrischen Ermittlung nicht relevant.

So kann erfindungsgemäß z. B. modulierte, nicht modulierte, phasenmodulierte, amplitudenmodulierte oder auch z. B. gepulste Strahlung verwendet werden. Neben Messungen einer Schichtdicke sind auch Messungen mehrere Schichten möglich.

Unerwünschte Vielfachreflexionen können als schwächere Peaks mit größerem Signalabstand leicht erkannt werden und werden vorteilhafterweise zur weiteren Ermittlung somit nicht herangezogen werden.

Ergänzend kann eine Optik verwendet werden, z. B. im Strahlengang der ausgesandten Strahlung zur Bündelung bzw. Fokussierung, und/oder im Strahlengang der reflektierten Strahlung zur Auffächerung und höheren Auflösung der Messung.

Die Erfindung wird im Folgenden anhand der beiliegenden Zeichnungen an einigen Ausführungsformen näher erläutert. Es zeigen: eine Messvorrichtung zum Ermitteln einer Schichtdicke eines Messobjektes gemäß einer Ausführungsform;

Fig. 2 ein Messdiagramm des Sensors, das die Signalamplitude in Abhängigkeit der Position entlang der Messrichtung x (lateralen Verstellrichtung) zeigt;

Fig. 3 eine Messvorrichtung zum Ermitteln einer Schichtdicke eines Messobjektes gemäß einer weiteren Ausführungsform.

Fig. 4 ein Flussdiagramm eines erfindungsgemäßen Messverfahrens;

Fig. 5 eine der Fig. 1 entsprechende Darstellung unter Berücksichtigung der Brechung an der Oberfläche; und Fig. 6 eine weitere Ausführungsform mit verstellbarem Sender und festem Sensor;

Eine Messvorrichtung 1 dient zur Messung einer Schichtdicke d einer Schicht 2c eines Prüfobjektes 2. In dieser Ausführungsform ist das Prüfobjekt lediglich durch die Schicht 2c gebildet, so dass hier direkt das Prüfobjekt betrachtet werden kann, es sind jedoch auch Mehrschichtsysteme möglich.

Die Messvorrichtung 1 weist hierzu einen Sender 3 auf, der elektromagnetische Strahlung als Sendestrahl 4 im Frequenzbereich von z. B. 10 GHz bis 10 THz, insbesondere 10 GHz bis 3 THz, d. h. im Radarbereich, Mikrowellenbereich oder Terahertz-Bereich aussendet. Das Prüfobjekt 2 bzw. seine Schicht 2c besteht aus einem elektrisch nicht-leitenden Material, insbesondere einem Kunststoff, ggf. auch aus z. B. Keramik oder Papier.

Der Sendestrahl 4 kann vorteilhafterweise mittels einer geeigneten Optik des Senders 8 gebündelt bzw. fokussiert werden. Je nach Ausbildung des Senders 3, d. h. der Quelle der ausgesandten Strahlung, kann auch eine Blende zur Ausbildung eines hinreichend dünnen Sendestrahls 4 vorgesehen sein. Der Sendestrahl 4 wird unter einem Einfallswinkel α gegenüber einer Oberfläche 2a des Prüfobjektes 2, d. h. unter einem Winkel (90°- a) gegenüber einer Normalen N der Oberfläche 2a, eingestrahlt und gelangt somit zu einer Eintrittsstelle 6a auf die Oberseite 2a eingestrahlt. Da sich ein Brechungsindex n (z. B. n=1 ,5) des Materials des Prüfobjektes 2 von dem

Brechnungsindex nO = 1 in der Luft bzw. Umgebung unterscheidet, findet beim Einfall der ausgesandten Strahlung 4 auf die Oberfläche 2a, d.h. an einer Eintrittsstelle 6a, eine erste Teilreflexion statt, bei der ein erster Refle- xions-Teilstrahl 4a unter einem Austrittswinkel ß = α an der Oberfläche 2a reflektiert wird. Der verbleibende Teilstrahl 4b mit dem Hauptteil der Intensität tritt nachfolgend in das Prüfobjekt 2 ein und gelangt zu einer Austrittstelle 6b an der Rückseite 2b des Prüfobjektes 2, d.h. der unteren Grenzfläche. An der Rückseite 2b liegt wiederum eine Änderung des Brechungsindex von n= 1 ,5 auf nO = 1 der Umgebung 5 (Luft) vor, so dass wiederum eine Teilreflexion mit einem zweiten Teilreflexions-Strahl 4c erfolgt.

Das Prüfobjekt 2 weist eine parallele Oberseite 2a und Rückseite 2b auf; es kann insbesondere eine Folie, d. h. biplanar, weiterhin auch ein konzentrisches Rohr mit einer zylindrischen Oberseite 2a und hierzu konzentrischen, zylindrischen Unterseite 2b sein, so dass die Oberseite 2a und Unter- seite 2b jeweils an der Eintrittstelle 6a und der Austrittsstelle 6b parallel zueinander verlaufen. Bei Ausbildung des Prüfobjektes 2 als Rohr verläuft die Messung vorteilhafterweise in der aus der Normalen N und der Rohrachse A gebildeten Ebene, d. h. einer diametralen Schnittebene. Somit kann der Sendestrahl 4 vorteilhafterweise unter dem Einfallswinkel α auf die Rohrach- se A gerichtet werden .

Der zweite Teilreflexions-Strahl 4c wird an der Unterseite 2b zurück reflektiert und gelangt zunächst durch das Prüfobjekt 2, tritt wiederum durch die Oberseite 2a (unter hier vernachlässigter Abschwächung) und verläuft nach- folgend parallel zum ersten Teilreflexions-Strahl 4a. Somit bilden die Teilreflexionsstrahlen 4a und 4c zusammen die reflektierte Strahlung 7.

Eine genauere Betrachtung zeigt dabei, dass der Teilstrahl 4b beim Eintritt in das Prüfobjekt 2 entsprechend dem Brechungsindex n des Materials des Prüfobjektes 2 nach unten bzw. zur Normalen hin gebrochen wird, und der zweite Teilreflexionsstrahl 4c dann beim Austritt aus der Oberseite 2a wieder zurück gebrochen wird, so dass er parallel zu dem zum ersten Teilreflexionsstrahl 4a verläuft. Eine Empfangszeile 8 ermöglicht eine Vermessung der Signalamplitude

S oder auch der Intensität der reflektierten Strahlung 7 in dem relevanten Wellenlängenbereich. Die Empfangszeile 8 dient somit zur örtlich aufgelösten Sensierung der Signalamplitude S oder der Intensität der Strahlung in Abhängigkeit der Position auf einer X-Achse, die vorzugsweise parallel zu dem Sendestrahl 4 verläuft. Hierzu weist die Empfangszeile 8 gemäß der Ausfüh- rungsform der Fig. 1 einen in X-Richtung verschiebbaren Sensor 9 auf.

Der Sensor 9 fährt die X-Achse in einem relevanten Abschnitt mit einer Geschwindigkeit v9 ab, die deutlich größer als eine Verstellgeschwindigkeit v2 des Prüfobjektes 2 ist.

Somit wird das in Fig. 2 gezeigte Messdiagramm der Signalamplitude S in Abhängigkeit der x-Position gewonnen. Je nach Bündelung des Sendestrahls 4 durch eine Optik kann eine feinere Auflösung erreicht werden. Hierbei zeichnen sich die Teilreflexionsstrahlen 4a und 4c als lokale Messpeaks M1 und M2 bei den Werten x1 und x2 ab. Hieraus ergibt sich eine Signalbreite dx= x2 - x1

Es gilt somit: dx / d = 2siny,

und somit

d = dx / 2siny

mit dx = x2 -

Eine genauere Betrachtung nach Fig. 5 berücksichtigt die Brechung der Strahlung beim Einfall auf die Oberfläche 2a; es ergibt sich somit

1 .) Gemäß dem Brechungsgesetz gilt:

o ß = arcsin(——— )

n2 2.) Somit gilt für die Strecke AC:

AC = 2^ tan(arcsin( ^Sin(/) " ¹ )

nl

3.) Für die Strecke DC gilt:

DC = AC cos(r) = ldcos(y) tan(arcsin( ^sm ^ ^nl )

nl

Wobei DC = dx, also der Signabstand ist, Aus 2. und 3.) ergibt sich dx

4.) d =

· ,sin(r)«l..

2 cos( ) tan(arcsm( ))

nl

wobei γ (gamma) = 90°- α anzusetzen ist.

Somit kann die Materialdicke d bei fest eingestelltem Einfallswinkel α unter Messung von dx = x2 - x1 ermittelt werden. Je kleiner der Einfallswinkel α gewählt wird, desto größer wird die örtliche (laterale) Auflösung in x- Richtung, d. h. es werden genauere Messungen ermöglicht.

Zur Ansteuerung des Senders 3 und der Empfangszeile 8, d.h. somit auch einer Versteileinrichtung 28 zum Verstellen des Sensors 3 der Fig. 1 und Aufnahme der Signalamplitude S ist eine Steuer- und Recheneinrichtung 12 vorgesehen.

Gemäß der Ausführungsform der Fig. 3 weist die Empfangszeile eine Kette 18 bzw. ein lineares Array derartiger Sensoren 9 ausgebildet, die vor- zugsweise auf einem gemeinsamen Schaltungsträger angeordnet sind. Somit ermöglicht die Ausführungsform der Fig. 3 eine statische Messung über die x-Achse. Das Messverfahren kann somit durch das Flussdiagramm der Fig. 4 wieder gegeben werden, mit den Schritten:

nach einem Start in Schritt StO:

St1 : Aussenden von Strahlung, insbesondere eines Sendestrahls 4 in einem Mikrowellen- oder Terahertz-Wellenbereich unter einem nichtsenkrechten Einfallswinkel α auf eine Oberfläche 2a eines Prüfobjektes 2, St2: Messung der an der Oberseite 2a und nach Durchtritt durch das Prüfobjekt 2 an der Unterseite 2b des Prüfobjektes 2 reflektierten Teil- Reflexionsstrahlen 4a, 4c in Abhängigkeit einer Längsposition x, die nicht parallel zur Ausfallsrichtung Ro liegt, insbesondere entlang der Einfallsrichtung Ri der ausgesandten Strahlung 4 oder senkrecht zur Ausfallsrichtung der reflektierten Strahlung 7,

St3: Ermittlung von Maximalwerten x1 , x2 der gemessenen reflektierten Strahlung 7, 4a, 4c und eines Signalabstandes dx der Maximalwerte x1 , x2, St4: Ermittlung der Schichtdicke d oder Materialdicke aus zumindest dem Einfallswinkel α und dem Signalabstand dx, wobei vorzugsweise ergänzend der Brechungsindex mit einbezogen wird.

Fig. 6 zeigt eine weitere Ausführungsform, bei der der Sender 3 verstellt wird, z. B. um im Einfallswinkel α verstellt wird und die Signalamplitude S in Abhängigkeit des Einfallswinkels α gemessen und ausgewertet wird.

Somit kann gemäß Fig. 6 zum Zeitpunkt t1 unter dem Einfallswinkel a1 ein Sendestrahl 4-1 ausgesandt und der an der Rückseite 2b reflektierte, zweite Teil- Reflexionsstrahl 4c-1 gemessen werden, und

zum Zeitpunkt t2 unter dem Einfallswinkel a2 der an der Oberseite 2a reflektierte erste Teil- Reflexionsstrahl 4a-2 gemessen werden.

Hieraus kann aus geometrischen Überlegungen wiederum die Schicht- dicke d ermittelt werden. Weiterhin kann in Fig. 6 z. B. auch der Sensor um seine Achse geschwenkt werden, um die Sensitivität konstant zu halten.

Weiterhin können auch optische Elemente im Strahlengang, z. B. Spie- gel, alleine oder zusätzlich verstellt werden.

Bei Vermessung eines Rohrs als Prüfobjekt 2 kann die Messvorrichtung 1 mit Sender 3 und Empfangszeile 4 um die Rohrachse A rotieren. Bei Vermessung einer planene Folie als Prüfobjekt 2 kann die Messvorrichtung 1 in Richtung der Breite der Folie 2, d. h. in die Zeichenebene der Fig. 1 hinein und heraus verstellt werden, oder es werden mehrere Sender 3 und Empfangszeilen 8, 18 nebeneinander vorgesehen.

Die Messvorrichtung 1 ist insbesondere auch für einen fortlaufenden Überwachungsprozess geeignet, bei dem das Prüfobjekt 2 in einer Förderrichtung entlang der Achse A, d. h. insbesondere auch parallel zur Oberseite 2a, mit einer Fördergeschwindigkeit (Vorschubgeschwindigkeit v2 geführt und fortlaufend mit der Messvorrichtung 1 vermessen wird. Somit ist vorzugsweise ergänzend eine in Fig. 1 angedeutete Fördereinrichtung 10 zum Fördern des Prüfobjektes 2 vorgesehen.

Bei Mehrschichtsystemen können mehrere Schichten bzw. mehrere Grenzflächen erfasst werden, die entsprechend auch in z. B. Fig. 1 bis 5 räumlich bzw. in Messrichtung x getrennte Signale liefern; auch in Fig. 6 sind die Signale räumlich getrennt.

Entsprechend kann auch z. B. bei einem einschichten Rohr in einer Messung die ersten beiden Grenzflächen und nachfolgend nach Durchqueren des Rohr die hinteren beiden Grenzflächen erfasst werden, so dass das Rohr an zwei gegenüber liegenden Wandbereichen gleichzeitig vermessen werden kann, entsprechend mehrschichtige Rohre. Die Vermessung kann insbesondere direkt im Anschluss an die Herstellung des Prüfobjektes 2, z. B. nach einem Extrusionsvorgang eines Prüfobjektes 2 aus Kunststoff, insbesondere noch als Teil der Extrusionsvorrichtung vorgesehen sein.