DE19528855A1 - Verfahren und Vorrichtung zur spektralen Remissions- und Transmissionsmessung - Google Patents

Verfahren und Vorrichtung zur spektralen Remissions- und Transmissionsmessung

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Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Messung optischer Eigenschaften transparent-reflektieren­ der Objekte gemäß Anspruch 1 und Anspruch 8 sowie eine optische Meßeinrichtung nach Anspruch 14, 15 und 18 zur Durchführung der Verfahren nach den An­ sprüchen 1 bis 13.
Bei der Herstellung und/oder Qualitätskontrolle optischer Erzeugnisse ist es häufig erforderlich, die optischen Eigenschaften, wie z. B. das Refle­ xions- und Transmissionsverhalten, in Abhängigkeit von der Lichtwellenlänge zu messen und grafisch darzustellen bzw. die optischen Meßgrößen in wei­ teren Rechen- und Auswerteverfahren zu verarbei­ ten. Ein Beispiel hierfür sind die optische Analy­ se der als Infrarotfilter wirkenden Filterschich­ ten, die Wärmestrahlung zurückhalten, jedoch sichtbares Licht möglichst ungehindert durchlassen sollen. Derartige Filterschichten finden bevorzugt Anwendung in der Beschichtung von Architekturglas oder zur Beschichtung von Fahrzeugscheiben. Ein weiteres Beispiel sind Entspiegelungsschichten, insbesondere für die Breitbandentspiegelung, die innerhalb des Bereichs des sichtbaren Lichtes eine möglichst geringe Reflexion aufweisen sollen. So­ wohl während des Herstellungsprozesses der Schich­ ten als auch bei der Endkontrolle der optischen Schichteigenschaften ist eine Messung deren spek­ traler Abhängigkeiten erforderlich.
Zur Charakterisierung des spektralen Reflexions- bzw. Transmissionsvermögens optischer, insbesonde­ re der in einem Dünnschichtprozeß hergestellten Schichtsubstanzen ist es üblich, deren Reflexions- und/oder Transmissionspektrum über den interessie­ renden Wellenlängenbereich intensitätsmäßig als sogenannte Strahlungsfunktion zu erfassen. Auf der Basis derartiger Strahlungsfunktionen werden Farb­ werte der beschichteten Substrate bestimmt, die charakteristisch für die optischen Eigenschaften der Substrate selbst sind. Ein generelles bei der­ artigen Messungen auftauchendes Problem ist, die in Reflexion- und/oder Transmission gemessenen Strahlungsfunktionen der interessierenden Objekt­ flächen unabhängig von den wellenlängenabhängigen optischen Transmissionseigenschaften der Detekti­ onskanäle zu bestimmen. Zudem können zeitlich be­ dingte Instabilitäten in der Emissionscharakteri­ stik der Lichtquellen, z. B. infolge deren Alterung als Langzeiteffekte bzw. infolge Schwankungen der Versorgungsspannung oder der Umgebungstemperatur als störende Kurzzeiteffekte auftreten, die eine reproduzierbare und aussagekräftige Analyse von Farbwerten verhindern. Weiterhin sind derartige Strahlungsfunktionsmessungen auch nachteilig be­ einflußt durch Instabilitäten der optischen Detek­ tionskanäle der verwendeten lichtdispersiven Vor­ richtungen, wie z. B. Spektrometer, und der zur Lichtdetektion eingesetzten Fotoempfängereinrich­ tungen, wie z. B. Fotomultiplier oder CCD- (charge coupled device)-Detektoren. Zudem ist es erforder­ lich, die an den Probenflächen zu messenden Strah­ lungsfunktionen unbeeinflußt von dem jeweils aktu­ ellen charakteristischen Emissionspektrum der zur Beleuchtung des Meßfeldes verwendeten Lichtquelle und der spektralen Empfindlichkeitskurve der ver­ wendeten Detektoren aufzunehmen, da sonst die z. B. mit zwei unterschiedlichen Lichtquellen gemessenen Strahlungsfunktionen derselben Probenfläche nicht miteinander vergleichbar und für den Betrachter nicht mehr aussagekräftig sind. Insbesondere wer­ den auch nachteilig keine reproduzierbaren Werte erhalten.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zu Grunde, ein Meßverfahren und eine Meßeinrichtung zur Be­ stimmung von Farbwerten aus an einer reflektieren­ den und/oder transparenten Probe gemessenen Strah­ lungsfunktionen anzugeben, bei welchen zeitlich bedingte Meßartefakte sowohl im Hinblick auf Lang­ zeit- wie auf Kurzzeitinstabilitäten vermieden werden.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe bei Reflexions­ messungen gelöst durch die Merkmale der Ansprüche 1, 14 und 18 und bei Durchlichtmessungen durch die Merkmale der Ansprüche 8, 15 und 18.
Gemäß den Ansprüchen 1, 8 und 18 erfolgt die Farb­ wertbestimmung im wesentlichen in zwei Schritten, nämlich erstens einer spektralfotometrischen Mes­ sung der Remissionsgradkurve β(λ) und der an­ schließenden rechnerischen Auswertung der Remissi­ onsgradkurve β(λ) zur Ermittlung von Farbwertzah­ len. Zur Messung der Remissionsgradkurve β(λ) wird ein Teil der Probenfläche durch eine Leuchtquelle lokal beleuchtet und das von der Probenfläche re­ flektierte Lichtspektrum mittels einer lichtdis­ persiven Vorrichtung spektral zerlegt und mit ei­ ner Fotoempfängereinrichtung intensitätsmäßig ge­ messen. Die Remissionsgradkurve β(λ) ergibt sich dann zu:
mit:
mit den Bezeichnungen:
ΦP(λ) = auf der Probe gemessene Strahlungsfunk­ tion,
ΦR(λ) = auf einer Referenzfläche gemessene Strahlungsfunktion,
ΦS(λ) = Strahlungsfunktion des Probenhintergrun­ des.
Die Strahlungsfunktionen Φki,i=1 . . . 3(λ) geben das cha­ rakteristische Lampenlichtspektrum wieder. Erfin­ dungsgemäß werden bei der Auflichtmessung jeweils die Strahlungsfunktionen ΦP(λ), ΦR(λ) und ΦS(λ) einzeln gemessen, wobei das sich auch auf kurzzei­ tiger Zeitskala ändernde charakteristische Emissi­ onsspektrum der Beleuchtungsquelle durch Messung der Φki,i=1 . . . 3(λ) unmittelbar im Nachgang zu den je­ weiligen Strahlungsfunktionen ΦP, ΦR, ΦS gemessen wird. Durch die unmittelbare Messung der jeweili­ gen Strahlungsfunktion Φki,i=1,2,3(λ) im Anschluß an die Messung von jeweils ΦP, ΦR und ΦS ist vorteil­ haft gewährleistet, daß bei Bildung der Funktions­ verhältnisse βP, βR und βS in den Gleichungen II, III, IV jeweils auf das aktuelle Lampenspektrum normiert wird.
Bei Durchlichtmessung werden die Strahlungsfunk­ tionen ΦP(λ) und ΦR(λ) mit ihren zugehörigen Φki,i=1,2,3(λ) gemessen. Zur Berechnung von β(λ) in Gleichung I ist βS(λ) konstant Null gesetzt. Der Einfluß eines kurzzeitig in seinem Intensitätsver­ lauf schwankenden Lampenspektrums auf die βP(λ), βR(λ) und βS(λ) ist damit vorteilhaft ausgeschlos­ sen. Für den Fall, daß innerhalb eines Meßzyklus Intensitätsinstabilitäten der Lichtquelle auftre­ ten, ist es vorteilhaft (siehe Anspruch 12), bei der Messung über die einzelnen Strahlungsfunktio­ nen Φ(λ) jeweils eine Mittelwertbildung vorzuneh­ men, d. h. die einzelnen Strahlungsfunktionen über mehrere Einzelmeßzyklen aufzusummieren und aus der resultierenden Summenfunktion eine Mittelwertfunk­ tion zu bilden.
Zur Durchführung der mit den Ansprüchen 1 bzw. 8 angegebenen erfindungsgemäßen Lösung dienen die in den Ansprüchen 14, 15 und 18 angegebenen Merkmale. Dabei ist von Vorteil, daß bei der vorliegenden Erfindung nur ein einziger Detektionskanal, insbe­ sondere nur eine lichtdispersive spektralauflösen­ de Einrichtung und ein lichtempfindlicher Fotoemp­ fänger eingesetzt werden. Hierdurch wird ein un­ terschiedliches Ansprechverhalten verschiedener, voneinander getrennter Detektionsvorrichtungen in einzelnen Detektionskanälen zur Messung der ΦR,S,P(λ) und Φki,i=1,2,3 vorteilhaft vermieden.
Zur Berücksichtigung von Langzeitinstabilitäten der verwendeten Meßvorrichtungen wird βP(λ) auf das Reflexionsspektrum eines Weißstandards normiert. Wie in Anspruch 7 angegeben, wird hierzu als Weiß­ standard die Fläche eines Bariumsulfat-Preßlings oder eines Flächenkörpers, vorzugsweise gefertigt aus Magnesiumoxid bzw. einem keramischen Materi­ al, verwendet.
Für den Fall, daß für den unteren Definitionspunkt der βP(λ)- bzw. βR(λ)-Skala nicht gilt β(λ)=0, was der Emissionscharakteristik eines schwarzen Strah­ lers entspricht, sondern βS(λ)≠0 gilt und/oder daß bei der Messung von ΦP(λ) und ΦR(λ) auch Fremd­ lichteinflüsse wirksam werden, ist eine zusätzli­ che Dunkelkompensationsmessung zur Bestimmung von βS(λ) erforderlich, wie in obiger Gleichung (I) be­ rücksichtigt.
Als Beleuchtungsquelle wird gemäß Anspruch 2 und Anspruch 9 vorteilhaft eine Fotometerkugel (Ulbrichtsche Kugel) verwendet, deren Inneres von einer Lichtquelle beleuchtet wird. Dabei ist gemäß Anspruch 5 und Anspruch 10 als Leuchtquelle eine Halogenlampe oder die Lichtaustrittsöffnung eines in die Fotometerkugel ragenden beleuchteten Licht­ leiters vorgesehen. Dies hat den Vorteil, daß die thermische Belastung der Fotometerkugel durch eine Wärme abgebende Lichtquelle vermieden wird und da­ mit ein thermischer, das Emissionsspektrum der Leuchtquelle negativ beeinflussender Effekt nicht auftritt.
Die als Leuchtquelle verwendete Fotometerkugel weist zur Detektion der Strahlungsfunktion Φki,i=1,2,3(λ) eine im wesentlichen senkrecht zur Lichtaustrittsöffnung bzw. Lichteinfallrichtung zweite Lichtaustrittsöffnung auf, durch die aus­ schließlich das charakteristische Emissionsspek­ trum der Beleuchtungsquelle detektiert wird. Bei einer zur Auflichtmessung verwendeten Fotometerku­ gel weist diese eine weitere, der ersten Licht­ austrittsöffnung diametral gegenüber liegende wei­ tere Lichtaustrittsöffnung auf, durch welche der von der Probe in die Fotometerkugel reflektierte Anteil des Lichtes vorzugsweise über eine optische Abbildungsoptik auf den Eintrittsbereich eines Lichtleiters fokussiert wird, der andernends mit dem Eintrittsspalt einer spektralauflösenden lichtdispersiven und nachgeschalteten lichtsensi­ tiven Fotoempfängereinrichtung zur Detektion des wellenlängenabhängigen Intensitätsspektrums gekop­ pelt ist.
Im Unterschied zu dem bei der Auflichtmessung ver­ wendeten Fotometerkugeltyp ist bei der Transmissi­ onsmessung die Beleuchtungsquelle und die, das transmittierte Licht auffangende Optikanordnung auf entgegengesetzten Seiten der Proben angeord­ net, wie in Anspruch 8 angegeben. Das Licht ge­ langt dabei durch die Probe hindurch z. B. auf eine Sammeloptik, die an dem Lichteintrittsende eines Lichtleiters angekoppelt ist, mit welchem das Licht auf den Eintrittsspalt einer lichtdispersi­ ven Einrichtung, vorzugsweise eines Monochroma­ tors, z. B. eines Gittermonochromators, gelenkt wird.
Um die Strahlungsfunktionen ΦP, ΦR, ΦS einerseits und die Strahlungsfunktionen Φki,i=1,2,3(λ) anderer­ seits jeweils ohne gegenseitige Beeinflussung im Bereich der Eintrittsöffnung des Spektrometers, insbesondere ohne Signalüberlagerung, messen zu können, sind in die beiden Strahlengänge jeweils einzelne Lichtblenden eingesetzt, die wechselsei­ tig, unabhängig voneinander, geöffnet bzw. ge­ schlossen werden können. Die Verwendung von Licht­ leitern hat zudem den Vorteil, daß die Meßvorrich­ tung mit der lichtanalysierenden und detektieren­ den Vorrichtung flexibel verbunden ist und daß so­ mit die Meßvorrichtung frei über dem zu untersu­ chenden Probenflächenbereich verfahrbar und posi­ tionierbar ist. Die Verwendung flexibler Lichtlei­ ter hat zudem den Vorteil, daß mehrere Fotometer­ kugelmeßvorrichtungen vorgesehen werden können, die unabhängig voneinander an verschiedenen Meßpo­ sitionen angeordnet sind. Die von diesen einzelnen Meßstationen abgegebenen Lichtsignale werden mit einer Blendenmultipliervorrichtung voneinander trennbar sukzessive der lichtdispersiven Vorrich­ tung 14 zugeleitet und analysiert und detektiert.
Weitere vorteilhafte Ausbildungen sind in den Un­ teransprüchen angegeben.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand zweier, be­ sonders vorteilhafte Ausführungsbeispiele darstel­ lende, Figuren beschrieben. Es zeigen:
Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Meßvorrichtung zur Durchführung des er­ findungsgemäßen Verfahrens für Trans­ missionsmessungen und
Fig. 2 eine schematische Darstellung einer Meßanordnung zur Durchführung des er­ findungsgemäßen Verfahrens für Auf­ lichtmessungen.
Die Meßeinrichtung zur Durchführung des erfin­ dungsgemäßen Verfahrens für Auflichtmessungen ist dargestellt in Fig. 2. Die Oberfläche 22a des zu untersuchenden Probenkörpers 2a wird mit dem aus einer Öffnung 24 einer Fotometerkugel 6a austre­ tenden Licht bestrahlt, wobei die Fotometerkugel 6a als Ulbrichtsche Kugel ausgebildet ist. Als Lichtquelle ist in der Fotometerkugel 6a eine Lam­ pe 4 positioniert. Das von der Lampe 4 abgestrahl­ te Licht wird an den Innenwandungen der Fotometer­ kugel 6a diffus mehrfach gestreut und fällt auf den zu untersuchenden Bereich 3a der Oberfläche 22a im wesentlichen senkrecht auf. Das von der Probenfläche 3a, 22a in die Fotometerkugel diffus und/oder regulär zurückreflektierte Licht wird mittels einer, der Öffnung 24 diametral gegenüber und innerhalb des Fotometerkugelkörpers 6a ange­ ordneten Linsenoptik 20 auf das Einkoppelstück 9 fokussiert. Auf der der Linsenanordnung 20 abge­ wandten Seite des Einkoppelstücks 9 setzt sich dieses in einem flexiblen Lichtleiterstrang 8b und 10b fort, wobei zwischen den Lichtleitern 8b und 10b eine verschließbare Blende 11b angeordnet ist. Das bei geöffneter Blende 11b von dem Lichtleiter 8b in den Lichtleiter 10b überführte Lichtbündel wird durch den Lichtleiter 10b austrittsseitig auf die Eintrittsöffnung 16 einer spektraldispersiven Vorrichtung, vorzugsweise eines Monochromators 14, gelenkt. Über einen Spiegel 31 wird das eintreten­ de Licht auf ein optisch, vorzugsweise konkav wir­ kendes Gitter 29 umgelenkt und von diesem räumlich dispersiv aufgespalten auf eine lichtempfindliche Fotoempfängereinrichtung 15 abgebildet. Die Fo­ toempfängereinrichtung 15 wandelt das auftreffende Licht entsprechen seiner wellenlängenabhängigen Intensitätsverteilung in elektrische Signale um, die zur Speicherung und weiteren Verarbeitung ei­ nem Computer 17 zugeführt werden.
Zur Bestimmung der Apparatestrahlungsfunktionen Φki,i=1,2,3(λ) wird die sich innerhalb der Fotometer­ kugel 6a ausbildende Spektralverteilung des zur Beleuchtung der Schicht 3a verwendeten Lichts aus dem Inneren der Fotometerkugel 6a über ein in eine Öffnung 27 der Fotometerkugel 6 eingesetztes Aus­ koppelstück 13 in den Lichtleiter 8a und weiter über den Lichtleiter 10a auf die Eintrittsöffnung 16 der lichtdispersiven Vorrichtung 14 gesenkt. Die Lichtleiter 8a und 10a sind analog den Licht­ leitern 8b und 10b durch eine wahlweise zu ver­ schließende Blende 11a lichtdicht voneinander trennbar. Zur Aufnahme der apparativen Spektral­ funktionen Φki,i=1,2,3(λ) wird das über die Lichtlei­ ter 8a und 10a der lichtdispersiven Vorrichtung 14 zugeführte Licht spektral zerlegt, mit der Fo­ toempfängereinrichtung 15 detektiert und in Abhän­ gigkeit von seiner spektralen Intensität als wel­ lenlängenabhängige elektrische Signale dem Compu­ ter 17 zur Speicherung und weiteren Verarbeitung zugeführt. Als Fotoempfängereinrichtung 15 ist z. B. ein lichtempfindliches CCD-array oder ein Photomultiplier vorgesehen.
Zur Aufnahme eines Weißstandardspektrums wird vor­ zugsweise ein aus Keramik bestehender Preßling 5 verwendet, der vorzugsweise aus Bariumsulfat be­ steht bzw. eine im wesentlichen ein Weißlichtre­ flexionsspektrum generierende Oberfläche 26 auf­ weist. Zur Positionierung der Aus- bzw. Einlaßöff­ nung 24 über der Referenzfläche 26 ist die Fotome­ terkugel 6a mittels einer in der Fig. 2 nicht dargestellten Verfahrvorrichtung parallel zu den zu untersuchenden Flächen 3a, 22a, 26 verschiebbar. Zur Aufnahme der zur Berechnung der Remissionskur­ ve β(λ) zu bestimmenden Spektralfunktionen ΦP, ΦR, ΦS und Φki,i=1,2,3(λ) wird das über die Lichtleiter 8a, 10a bzw. 8b, 10b geführte Licht mittels der Blenden 11a bzw. 11b wechselweise einzeln der lichtdispersiven Vorrichtung 14 zugeführt. Dabei ist als konstruktive Vereinfachung vorgesehen, die Lichtleiter 10a und 10b als Y-Lichtleiter auszu­ bilden, wobei der gemeinsame Leiterstrang dem Ein­ trittsspalt 16 der lichtdispersiven Vorrichtung 14 gegenüber positioniert ist.
Als Lampe 4 ist erfindungsgemäß vorgesehen, eine Halogenlampe zu verwenden, die im Dauerlichtbe­ trieb betrieben wird. Anstelle einer unmittelbar in die Fotometerkugel 6a eingebrachten Lampe 4 ist alternativ vorgesehen, das Innere der Fotometerku­ gel 6a mittels einer im wesentlichen orthogonal zur Austrittsöffnung 24, dem Auskoppelstück 13 und dem durch die optische Linsenanordnung 20 defi­ nierten Strahlengang in einer in der Fotometerku­ gel vorgesehenen Öffnung 6a hineinragenden und in Fig. 2 nicht dargestellten Lichtleiterendteil zu beleuchten. Durch die zu der Austritts- bzw. Ein­ trittsöffnung 24, dem Auskoppelstück 13 und der optischen Linsenanordnung 20 orthogonalen Ausrich­ tung der Lampe 4 ist erfindungsgemäß gewährlei­ stet, daß der aus der Austrittsöffnung 24 und der aus dem Auskoppelstück 13 aus der Fotometerkugel 6a austretende Lichtanteil sich in seiner spektra­ len Intensitätsverteilung nicht voneinander unter­ scheiden, und daß das aus der Austrittsöffnung 27 ausgekoppelte Licht zur Bestimmung der spektralen Apparatefunktion Φki,i=1,2,3(λ) verwendbar ist.
Die in Fig. 1 schematisch dargestellte Meßvor­ richtung 1 dient zur erfindungsgemäßen Messung der in Transmission eines Meßobjektes 2b zu bestimmen­ den Remissionsgradkurve β(λ). Dabei befinden sich die Leuchtquelle, die analog wie bei der für Re­ flexionsmessungen eingesetzten Fotometerkugel 6a in der Fotometerkugel 6b integriert ist, und die Lichtdetektionsoptik 20 auf entgegengesetzten Sei­ ten des Meßobjektes 2b. Das aus der Öffnung 24 der Fotometerkugel 6b austretende Licht fällt im we­ sentlichen senkrecht im Bereich der zu untersu­ chenden Schicht 3b auf die Meßfläche 22b und wird nach Durchgang durch das Meßobjekt 2b mittels der Abbildungsoptik 20 auf die Eintrittsöffnung eines Auskoppelstücks 9 fokussiert. Mittels Lichtleitern 8b und 10b, welche durch eine den Strahlengang lichtdicht verschließbare Blende 11b voneinander trennbar sind, wird das, das Meßobjekt 2b durch­ laufende Licht auf die Eintrittsöffnung 16 einer spektraldispersiven Vorrichtung 14, vorzugsweise eines Gittermonochromators, gelenkt und in seine wellenlängenabhängigen Intensitätsanteile aufge­ spalten, welche nach Wandlung in elektrische Si­ gnalgrößen mittels einer Fotoempfängervorrichtung 15 einem Computer 17 zur Speicherung und zur wei­ teren Verarbeitung zugeführt werden. Zur Aufnahme der apparativen Spektralfunktionen Φki,i=1,2,3(λ) weist die Fotometerkugel 6b eine Öffnung 27 auf, in welche ein Auskoppelstück 13 eingesetzt ist, das das aus der Fotometerkugel 6b in die Öffnung 27 austretende Licht in einen Lichtleiter 8a über­ führt, welcher andernends an eine verschließbare Blende 11a angekoppelt ist. Bei geöffneter Blende 11a tritt das Licht aus dem Lichtleiter 8a in ei­ nen dem Lichtleiter 8a endseitig benachbart ange­ ordneten Lichtleiter 10a ein und wird auf die Ein­ trittsöffnung 16 der spektraldispersiven Vorrich­ tung 14 gelenkt, um in diesem in sein Spektrum zerlegt und in intensitätsabhängige elektrische Signale umgewandelt zu werden, welche dem Computer 17 zur Speicherung und weiteren rechnerischen Ver­ arbeitung zugeführt werden.
Die Lichtleiter 10a und 10b sind dabei als soge­ nannter optischer Verzweiger ausgebildet, der in dem in den Fig. 1 und 2 dargestellten Ausfüh­ rungsbeispiel als Y-Lichtleiter ausgebildet ist.
Zur Ausschaltung von Fremdlichteinflüssen bei Mes­ sung der apparativen Spektralfunktion Φki,i=1,2,3 (λ) ist die Austrittsöffnung 27 vorzugsweise orthogo­ nal zur Öffnung 24 und zur Lampe 4 in der Fotome­ terkugel 6b angeordnet. Hierdurch wird vermieden, daß durch die Öffnung 24 in die Fotometerkugel 6b einstrahlendes Licht direkt in die Austrittsöff­ nung 27 gelangt und bewirkt, daß das von der Lampe 4 abgestrahlte Licht erst nach mehrfacher Reflexi­ on innerhalb der Fotometerkugel 6b die Austritts­ öffnung 27 als diffus gestreute Lichtverteilung verläßt.
Bezugszeichenliste
1 Meßvorrichtung
2a Meßobjekt
2b Meßobjekt
3a Schicht
3b Schicht
4 Lampe
5 Preßling
6a Fotometerkugel
6b Fotometerkugel
8a Lichtleiter
8b Lichtleiter
9 Einkoppelstück
10a Lichtleiter
10b Lichtleiter
11a Blende
11b Blende
12 optischer Multiplier
13 Auskoppelstück
14 lichtdispersive Vorrichtung
15 Fotoempfängereinrichtung
16 Eintrittsöffnung
17 Auswerteeinrichtung
18 Beleuchtungsfläche
19 Austrittsöffnung
20 Abbildungsoptik
22a Meßfläche
22b Meßfläche
24 Austrittsöffnung
26 Referenzfläche, Flächenkörper
27 Austrittsöffnung
A Meßposition
B Meßposition
C Meßposition

Claims (19)

1. Verfahren zur Messung der optischen Eigen­ schaften transparent-reflektierender und/oder reflektierender Objekte in Abhängigkeit von der Lichtwellenlänge, vorzugsweise für die Messung der optischen Eigenschaften mittels eines Vakuumbeschichtungsverfahrens aufge­ brachter dünner Schichten (3a), mit einer Lichtquelle (4, 6a), einer spektralauflösenden lichtdispersiven Vorrichtung (14), einer Fo­ toempfängereinrichtung (15) und einer elek­ tronischen Auswerteeinrichtung (17), welche die Intensitätssignale der durch die Fotoemp­ fängereinrichtung (15) nachgewiesenen Lichtspektren in Abhängigkeit von der Licht­ wellenlänge λ elektronisch speichert und dar­ stellt, wobei ein erster Teil des von der Lichtquelle (4) emittierten Lichtes auf die Objektfläche (3a, 22a, 26) gelenkt wird und daß das in Abhängigkeit von der Beschaffenheit der Oberfläche (3a, 22a, 26) reflektierte Licht auf eine Eintrittsöffnung (16) der lichtdis­ persiven Vorrichtung (14) zur Messung einer spektralen Strahlungsfunktion Φ(λ) gelenkt wird und daß ein zweiter Teil des von der Lichtquelle emittierten Lichtes zur Bestim­ mung einer spektralen Apparatefunktion Φki,i=1,2,3(λ) der Lichtquelle (4, 6a) direkt auf die Eintrittsöffnung (16) der lichtdispersi­ ven Vorrichtung (14) gelenkt wird, wobei das Meßverfahren folgende Meßschritte umfaßt:
  • a) Messung der spektralen Strahlungsfunk­ tion ΦP(λ) auf der Objektfläche (3a, 22a),
  • b) Messung der spektralen Apparatefunktion Φk1(λ) der Lichtquelle (4, 6a),
  • c) Messung der spektralen Strahlungsfunk­ tion ΦR(λ) auf einer Referenzfläche (26),
  • d) Messung der spektralen Apparatefunktion Φk2(λ) der Lichtquelle (4, 6a),
  • e) Messung der spektralen Strahlungsfunk­ tion ΦS(λ) des probenfreien Meßfeldes zur Bestimmung der Strahlungsfunktion ΦS(λ) des Probenhintergrundes,
  • f) Messung der spektralen Apparatefunktion Φk3(λ) der Lichtquelle (4, 6a),
  • g) Berechnung der wellenlängenabhängigen Strahlungsfunktionenverhältnisse βP(λ), βR(λ), βS(λ) gemäß: und der Remissionsgradkurve β(λ) gemäß:
  • h) elektronische Abspeicherung der Remis­ sionsgradkurve β(λ) für deren grafische Darstellung und zur weiteren Berechnung wellenlängenbezogener optischer Kenn­ werte der Objektfläche (3a, 22a, 26) aus der Remissionsgradkurve β(λ).
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Lichtquelle als eine in ih­ rem Innern ausgeleuchtete Fotometerkugel (6a) ausgebildet ist und wobei ein Teil des emit­ tierten Lichts durch eine der Meßfläche (22a, 22b) gegenüber liegende Austrittsöffnung (24) in der Fotometerkugel (6a, 6b) auf die Probe (2a, 2b, 26) gelenkt wird.
3. Verfahren nach den Ansprüchen 1 und/oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das von der Meß­ fläche (3a, 22a, 26) in die Fotometerkugel (6a) reflektierte Licht mittels einer der Aus­ trittsöffnung (24) diametral gegenüber ange­ ordneten Abbildungsoptik (20) auf den Ein­ trittsspalt (16) der lichtdispersiven Vor­ richtung (14) gelenkt wird, und daß die Foto­ meterkugel (6a) mindestens eine weitere Öff­ nung (27) aufweist, durch welche ein Teil der im Innern der Fotometerkugel (6a) erzeugten Lichtstrahlung zur Bestimmung der apparativen Strahlungsfunktion Φki,i=1,2,3(λ) auf den Ein­ trittsspalt (16) der lichtdispersiven Vor­ richtung (14) gelenkt wird.
4. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die in der Fotometerkugel (6a) erzeugte Lichtstrah­ lung mittels einer im wesentlichen in senk­ rechter Ausrichtung zu den Austrittsöffnungen (24, 27) angeordneten und in die Fotometerku­ gel (6a) strahlenden Lampe (4) oder mittels eines in die Fotometerkugel (6a) mündenden lichtemittierenden Austrittsendbereichs eines an seinem anderen Fasernende von einer Lampe beleuchteten Lichtleiters erzeugt wird.
5. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß als Lam­ pe (4) eine Halogenlampe eingesetzt wird, welche vorzugsweise im Dauerlichtzustand be­ trieben wird.
6. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das aus der Austrittsöffnung (27) und der Abbildungs­ optik (20) ausgekoppelte Licht mittels Licht­ leitern (8a, 8b, 10a, 10b) auf den Eintritts­ spalt (16) der lichtdispersiven Vorrichtung (14) gelenkt wird, wobei den einzelnen Licht­ leiterwegen (8a, 10a) bzw. (8b, 10b) jeweils mindestens eine Blende (11a, 11b) zugeordnet ist, durch die jeweils ein Strahlengang se­ lektiv zur Messung der Strahlungsfunktion ΦP(λ), ΦS(λ), ΦR(λ) und Φki,i=1,2,3(λ) für den Lichtdurchgang ausgewählt wird.
7. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß als Re­ ferenzfläche (26) ein Weißstandard, vorzugs­ weise ein Preßling aus Bariumsulfat oder Ma­ gnesiumoxid oder ein aus keramischem Material gefertigter Flächenkörper (26) eingesetzt sind.
8. Verfahren zur Messung der optischen Eigen­ schaften transparent-reflektierender und/oder transparenter Objekte in Abhängigkeit von der Lichtwellenlänge, vorzugsweise für die Mes­ sung der optischen Eigenschaften mittels ei­ nes Vakuumbeschichtungsverfahrens aufgebrach­ ter dünner Schichten (3b), mit einer Licht­ quelle (4, 6b), einer spektral auflösenden lichtdispersiven Vorrichtung (14), einer Fo­ toempfängervorrichtung (15) und einer elek­ tronischen Auswerteeinrichtung (17), welche die Intensitätssignale der durch die Fotoemp­ fängereinrichtung (15) nachgewiesenen Lichtspektren in Abhängigkeit von der Licht­ wellenlänge λ elektronisch speichert und dar­ stellt, und wobei ein erster Teil des von der Lichtquelle (4, 6b) emittierten Lichtes auf die Objektfläche (3b, 22b) gelenkt wird und daß das in Abhängigkeit von der Beschaffen­ heit der beleuchteten Probenfläche (3b, 22b) transmittierte Licht auf eine Eintrittsöff­ nung (16) der lichtdispersiven Vorrichtung (14) zur Messung einer spektralen Strahlungs­ funktion Φ(λ) gelenkt wird und daß ein zwei­ ter Teil des von der Lichtquelle (4, 6b) emit­ tierten Lichtes zur Bestimmung der spektralen Apparatefunktion Φki,i=1,2,3(λ) der Lichtquelle (4, 6b) direkt auf die Eintrittsöffnung (16) der lichtdispersiven Vorrichtung (14) gelenkt wird, wobei das Meßverfahren folgende Meß­ schritte umfaßt:
  • a) Messung der spektralen Strahlungsfunk­ tion ΦP(λ) des von dem Meßobjekt (2a) transmittierten Lichtes der Probenflä­ che (3b, 22b),
  • b) Messung der spektralen Apparatefunktion Φk1(λ) der Lichtquelle (4, 6b),
  • c) Messung einer spektralen Strahlungs­ funktion in einer meßobjektfreien Meß­ position (C) zur Bestimmung einer Refe­ renzstrahlungsfunktion ΦR(λ), wobei das aus der Lichtquelle (4, 6b) austretende Licht vorzugsweise unmittelbar der Ab­ bildungsoptik (20) zugeführt wird,
  • d) Messung der spektralen Apparatefunktion Φk2(λ) der Lichtquelle (4, 6b),
  • e) Berechnung der wellenlängenabhängigen Strahlungsfunktionsverhältnisse βP(λ), βR(λ) gemäß: und der Remissionsgradkurve β(λ) gemäß:
  • f) elektronische Abspeicherung der Remis­ sionsgradkurve β(λ) für deren grafische Darstellung und zur weiteren Berechnung wellenlängenbezogener optischer Kenn­ werte der Objektfläche (3b, 22b) aus der Remissionsgradkurve β(λ).
9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die in der Fotometerkugel (6b) erzeugte Lichtstrahlung mittels einer im we­ sentlichen in senkrechter Ausrichtung zu den Austrittsöffnungen (24, 27) angeordneten und in die Fotometerkugel (6b) strahlenden Lampe (4) oder mittels eines in die Fotometerkugel (6b) mündenden lichtemittierenden Austritt­ sendbereichs eines an seinem anderen Fa­ sernende von einer Lampe beleuchteten Licht­ leiters erzeugt wird.
10. Verfahren nach Anspruch 8 und/oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß als Lampe (4) eine Halo­ genlampe eingesetzt wird, welche vorzugsweise im Dauerlichtzustand betrieben wird.
11. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß das aus der Austrittsöffnung (27) und der Abbildungs­ optik (20) ausgekoppelte Licht vorzugsweise mittels Lichtleitern (8a, 8b, 10a, 10b) auf den Eintrittsspalt (16) der lichtdispersiven Vor­ richtung (14) gelenkt wird, wobei den einzel­ nen Lichtleiterwegen (8a, 10a) bzw. (8b, 10b) jeweils mindestens eine Blende (11a, 11b) zu­ geordnet ist, durch die jeweils ein Strahlen­ gang selektiv zur Messung der Strahlungsfunk­ tion ΦP(λ), ΦR(λ) und Φki(λ) für den Licht­ durchgang ausgewählt wird.
12. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Strahlungsfunktionen ΦP(λ), ΦR(λ), ΦS(λ) und Φki,i=1 . . . 3(λ) jeweils mehrfach aufsummiert ge­ messen werden und daß aus den derartig gebil­ deten Summenfunktionswerten gemittelte Funk­ tionswerte berechnet werden, aus denen die Strahlungsfunktionsverhältnisse βP(λ), βR(λ) und βS(λ) und die Remissionsgradkurve β(λ) be­ rechnet werden.
13. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß das Verfahren zur Überwachung und/oder Regelung insbesondere eines vakuumgestützten Dünnfilm­ herstellungsprozesses eingesetzt wird.
14. Optische Meßeinrichtung zur Durchführung des Meßverfahrens nach mindestens einem der An­ sprüche 1 bis 7, vorzugsweise zur Bestimmung von Farbwerten von mit einem Dünnfilmherstel­ lungsprozeß auf ein Substrat (2a) aufgebrach­ ter Schichten (3a), mit einer die Substrat­ flächen (3a, 22a) beleuchtenden Lichtquelle (4, 6a) und einer lichtdispersiven Einrichtung (14, 15) zur spektral aufgelösten Intensitäts­ messung des von der Substratfläche (3a, 22a) reflektierten und über einen ersten Strahlen­ gang (20, 9, 8b, 11b, 10b) zugeführten Lichtes, wobei mindestens ein weiterer Lichtstrahlen­ gang (13, 8a, 10a, 11a) vorgesehen ist, um die von der Lichtquelle (4, 6a) emittierte Strah­ lung direkt der lichtdispersiven Einrichtung (14) zur spektraldispersiven intensitätsmäßi­ gen Detektion zuzuführen, wobei mittels Blen­ denvorrichtungen (11a, 11b) die beiden Strah­ lengänge einzeln, unabhängig voneinander, insbesondere wechselweise lichtdicht vonein­ ander unterbrechbar sind, wodurch die wellen­ längenabhängigen Intensitätsspektren des von der Substratfläche (3a, 22a, 26a) reflektierten Lichtes und das von der Lichtquelle (4, 6a) emittierte charakteristische Emissionsspek­ trum einzeln und getrennt voneinander meßbar sind.
15. Optische Meßeinrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach mindestens einem der Ansprü­ che 8 bis 13, vorzugsweise zur Bestimmung von Farbwerten von mit einem Dünnfilmherstel­ lungsprozeß auf ein Substrat (2b) aufgebrach­ ter Schichten (3b), mit einer die Substrat­ fläche (22b) beleuchtenden Lichtquelle (4, 6b) und einer lichtdispersiven Einrichtung (14) zur spektralaufgelösten Intensitätsmessung der das beschichtete oder unbeschichtete Substrat (2b, 3b) durchdringenden Lichtstrah­ lung, wobei mindestens ein weiterer Licht­ strahlengang (13, 8a, 10a, 11a) vorhanden ist, mit welchem der von der Lichtquelle (4, 6b) emittierte Direktlichtanteil auf die licht­ dispersive Einrichtung (14) zur spektraldis­ persiven, intensitätsmäßigen Detektion lenk­ bar ist, wobei mindestens zwei Blendenvor­ richtungen (11a, 11b) vorgesehen sind, mit welchen die einzelnen Strahlengänge einzeln, unabhängig voneinander, insbesondere wechsel­ weise lichtdicht voneinander unterbrechbar sind, wodurch die wellenlängenabhängigen In­ tensitätsspektren des von dem Substrat (2b) und der auf diesem aufgebrachten Schicht (3b) transmittierten Lichtes sowie das von der Lichtquelle (4, 6b) emittierte charakteristi­ sche Emissionsspektrum einzeln und getrennt voneinander meßbar sind.
16. Optische Meßeinrichtung nach Anspruch 14 und/oder 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtquelle (6a, 6b) eine Ulbrichtsche Kugel ist, in deren Innenraum eine Lampe (4) ange­ ordnet ist, wobei die Ulbrichtsche Kugel zwei Öffnungen (24, 27) aufweist, aus welchen je­ weils ein Teil des Lichtes zur Beleuchtung einer Substratmeßfläche (22a, 22b) oder einer Referenzfläche (26) und ein anderer Lichtan­ teil zur Messung der apparativen Strahlungs­ funktion Φki,i=1,2,3(λ) der Lichtquelle (6a) ab­ zweigbar ist.
17. Optische Meßeinrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 14 bis 15, dadurch gekennzeich­ net, daß lichtoptisch wirkende Mittel (8a, 8b, 10a, 10b, 11a, 11b, 20) vorgesehen sind, mittels derer das von dem Substrat (2a, 2b) oder der Referenzfläche (26) reflektierte und/oder transmittierte Licht und das charak­ teristische von der Lichtquelle (4, 6a, 6b) emittierte Lichtspektrum spektralanalytisch zur Messung der Strahlungsfunktionen ΦP(λ), ΦR(λ), ΦS(λ), Φki,i=1,2,3(λ) einer spektraldis­ persiven und lichtdetektierenden Vorrichtung (14, 15) zuführbar ist.
18. Optische Meßeinrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach mindestens einem der Ansprü­ che 1 bis 13 und insbesondere nach mindestens einem der Ansprüche 14 bis 17, vorzugsweise zur Bestimmung von Farbwerten von mit einem Dünnfilmherstellungsprozeß auf ein Substrat (2a, 2b) aufgebrachten Schichten (3a, 3b), mit einer die Substratfläche (22a, 22b) beleuch­ tenden Lichtquelle (4, 6a, 6b), einer lichtdis­ persiven Einrichtung (14) zur spektralaufge­ lösten Intensitätsmessung der das beschichte­ te oder unbeschichtete Substrat (2b, 3b) durchdringenden und/oder von dem Substrat (2b, 3b) reflektierten Lichtstrahlung zur Be­ stimmung von spektralen Strahlungsfunktionen gemäß:
  • a) ΦP(λ) auf der Meßfläche (3a, 22a),
  • b) Φk1(λ) der Lichtquelle (4, 6a),
  • c) ΦR(λ) auf einer Referenzfläche (26) bzw. in einer meßobjektfreien Meß­ position (C), wobei das aus der Lichtquelle (4, 6b) austretende Licht vorzugsweise unmittelbar ei­ ner Abbildungsoptik (20) zuführbar ist,
  • d) Φk2(λ) der Lichtquelle (4, 6b),
  • e) ΦS(λ) des meßobjektfreien Meß­ platzes,
  • f) Φk3(λ) der Lichtquelle (4, 6b)
und zur Berechnung der wellenlängenabhängigen Strahlungsfunktionsverhältnisse βP(λ) und βR(λ) gemäß: und der Remissionsgradkurve β(λ) gemäß:
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