DE10134458A1

DE10134458A1 - Messsystem zum Messen der optischen Eigenschaften eines Objekts und insbesondere dafür vorgesehener Messkopf

Info

Publication number: DE10134458A1
Application number: DE2001134458
Authority: DE
Inventors: Juergen Neumeier; Juergen Kreis
Original assignee: AUTRONIC MELCHERS GmbH
Current assignee: Instrument Systems GmbH
Priority date: 2001-07-16
Filing date: 2001-07-16
Publication date: 2003-02-06
Anticipated expiration: 2021-07-17
Also published as: DE10134458B4

Abstract

Beschrieben ist ein Meßsystem (10) zum Messen der optischen Eigenschaften eines Objekts, insbesondere einer Flachanzeige wie eine Flüssigkristallanzeige oder LCD, das mit einem Meßkopf (12) versehen ist, der um eine zu einer Meßebene des Objekts üblicherweise normale Drehachse (16) drehbar ist. An dem Meßkopf (12) ist ein Detektor (18) neigbar angebracht. Eine erste Neigungseinrichtung (20) dient zum Einstellen des Neigungswinkels des Detektors (18) gegen die Drehachse (16) des Meßkopfes (12). Eine an dem Meßkopf (12) angebrachte Lichtquelle (22) dient zum Beleuchten des Objekts. Eine zweite Neigungseinrichtung (30) dient zum freien Einstellen der Neigung der Lichtquelle (22) in ein und derselben Neigungsebene wie der Detektor (18). Der Meßkopf (12) ist mit vertikal angeordneter Drehachse (16) gelagert. Das Objekt ist durch einen Tisch horizontal, vorzugsweise verschiebbar gelagert. Dieser Aufbau des Meßsystems bietet den Vorteil, daß der Meßkopf (12) die Größe des zu messenden Objekts nicht begrenzt und daß Detektor (18) und Lichtquelle (22) an ein und demselben Meßkopf (12) angebracht sind und jeweils in ein und derselben Neigungsebene frei einstellbar sind. Der Detektor (18) kann eine Meßoptik, ein Meßmikroskop oder einfach ein Lichtsensor sein.

Description

Die Erfindung betrifft ein Meßsystem und einen Meßkopf der im Oberbegriff der Patentansprüche 1 bzw. 8 angegebenen Art.
Ein solches Meßsystem und ein solcher Meßkopf sind auf der Web site (www.microvsn.com) "SS220 Display Analysis System" und "SS200 Series Display Analysis System" der Fa. Microvision, Auburn CA 95603 USA, bekannt (ausgedruckt am 19.12.2000), worauf weiter unten noch näher eingegangen wird.

Ein bekanntes Display-Meßsystem der Anmelderin (DISPLAY MEASURING SYSTEM, DMS SERIES, PRODUCT SPECIFICATIONS, Version 4.0a, Rev. 15/11/2000, © 1985-2000) ist dafür ausgebildet, die optischen Eigenschaften von Flachanzeigen wie Flüssigkristallanzeigen oder LCDs in Abhängigkeit von der Beobachtungsrichtung und den elektrischen Ansteuerbedingungen unter verschiedenen Beleuchtungsbedingungen und bei verschiedenen Temperaturen zu messen und auszuwerten. Es handelt sich um ein goniometrisches Meßsystem, bei dem die Meßoptik an einem Neigungsarm um eine Achse in der Objektebene geneigt wird und das Objekt um die Normale gedreht wird. Das Meßobjekt liegt mit der Meßfläche nach oben horizontal auf einem Tisch oder Rahmen. Neuerdings wird dabei ein zweiter, von dem erstgenannten Neigungsarm unabhängiger Neigungsarm vorgesehen, an dem eine Beleuchtungseinrichtung befestigt und in der gleichen Ebene wie die Meßoptik geneigt werden kann. Die Einstellung der Neigungsachse in die Objektebene erfolgt durch Höhenverstellung der Neigemechanik (z-Achse). Bei diesem Display-Meßsystem ist die Größe des Objekts, das gemessen werden kann, naturgemäß begrenzt, denn sie wird durch die Ausladung der beiden Neigungsarme bestimmt, unter denen das Objekt angeordnet ist. Der Tisch, auf dem das Meßobjekt dabei liegt und der mit dem Objekt drehbar ist, hat ebenfalls einen stark begrenzten linearen Positionierbereich für das Objekt (xy-Verschiebetisch).

Eine sinngemäß gleiche Kinematik wie das goniometrische Display-Meßsystem der Anmelderin, das vorstehend beschrieben ist, weist ein LCD Evaluation System der Fa. Otsuka Electronics Co. Ltd., Osaka, Japan, auf (vgl. Specifications for LCD Evaluation System), das ebenfalls mit neigbarer Meßoptik, neigbarer Beleuchtungseinrichtung sowie drehbarem und xy-positionierbarem Meßtisch versehen ist. Das Meßobjekt liegt mit der Meßfläche nach oben horizontal auf einem Tisch oder Rahmen und wird beim Messen gedreht, wie bei dem Display-Meßsystem der Anmelderin. Durch das Drehen des Objekts und das Neigen von Meßoptik und Beleuchtungseinrichtung in derselben Neigungsebene läßt sich ein Meßpunkt auf der Meßfläche des Meßobjekts unter allen Winkeln betrachten, und durch die xy-Verschiebung des Objekts lassen sich alle Punkte auf der Meßfläche betrachten.

Bei dem Meßsystem der Fa. Microvision, das einleitend bereits erwähnt worden ist, hat der Meßkopf eine ähnliche Kinematik wie der Meßkopf der Anmelderin oder der Fa. Otsuka, ist jedoch nur für eine Meßoptik geeignet. Die zu messende Vorderfläche des Objekts (z. B. ein Flachbildschirm) steht aufrecht. Lichtquellen werden bei Bedarf fest an dem drehbaren Meßkopf montiert, und zwar außerhalb der Neigungsebene der Meßoptik, z. B. zwei Lichtquellen jeweils mit einem Winkelabstand von 30 Grad gegen die Neigungsebene, wobei die Lichtquellen sich mit dem Meßkopf drehen, deren Neigung aber nicht frei eingestellt werden kann. Dieser bekannte Meßkopf ist in allen bis jetzt bekannten Varianten mit der Drehachse horizontal, also mit Blick nach vorn angeordnet, und dabei vertikal und horizontal rechtwinkelig zu der Drehachse positionierbar (auf beliebige Punkte auf der Meßobjektebene) und längs der Drehachse zur Einstellung des Arbeitsabstandes. Vorkehrungen zum Vorsehen einer Streuhalbkugel als homogene diffuse Beleuchtungsquelle sind bei diesem bekannten Meßkopf nicht getroffen. Dieser bekannte Meßkopf und das Meßsystem, in welchem er verwendet wird, beseitigen somit zwar das Problem einer begrenzten Objektgröße und eines begrenzten linearen Positionierbereiches für das Objekt, das jedoch auf Kosten von weiteren Problemen, nämlich daß die Neigung der Lichtquellen nicht frei eingestellt werden kann und das Objekt aufrecht und völlig unabhängig von dem Meßsystem vor diesem aufrecht aufgebaut werden muß. Das bringt Schwierigkeiten bei dem Einrichten des Meßortes und dem Aufrechterhalten der einmal eingestellten Relativlage zwischen Meßsystem und Meßobjekt mit sich.

Die unabhängige Aufstellung von Meßsystem und Meßobjekt wird bei einem bekannten Display-Testsystem der Fa. Instrument Systems GmbH, München, vermieden (Display Test System DTS 140), bei dem das Meßobjekt auf einer Art kardanisch aufgehängtem Meßtisch mit Rahmen befestigt wird, der auf derselben Grundplatte wie der Meßkopf angeordnet und um eine vertikale und eine horizontale Achse gedreht werden kann, um die relative Beobachtungsrichtung eines Sensorsystems zum Meßobjekt einzustellen. Zum Messen werden ein oder mehrere Lichtsensorsysteme nebeneinander montiert mit horizontaler Meßrichtung eingesetzt, die rechtwinkelig zur Meßrichtung horizontal und vertikal positionierbar sind (auf beliebige Punkte auf dem Meßobjekt) und längs der Meßrichtung zur Einstellung des Arbeitsabstands verfahrbar sind. Ist die Meßrichtung rechtwinkelig zur Oberfläche, steht die Meßebene des Objekts (z. B. ein Flachbildschirm) vertikal. Da der Objekttisch mit dem Objekt geneigt wird, muß dieses gegen Herunterfallen gesichert werden. Bei einem solchen Meßsystem ist die Objektgröße naturgemäß ebenfalls begrenzt.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Meßsystem und einen insbesondere dafür vorgesehenen Meßkopf zu schaffen, bei welchen die Objektgröße nicht begrenzt ist und die Neigung der Lichtquelle frei eingestellt werden kann.

Diese Aufgabe ist erfindungsgemäß durch ein Meßsystem mit den Merkmalen des Anspruchs 1 bzw. durch einen Meßkopf mit den Merkmalen des Anspruchs 8 gelöst.

Bei dem Meßsystem nach der Erfindung ermöglicht die zweite Neigungseinrichtung das freie Einstellen der Neigung der Lichtquelle in ein und derselben Neigungsebene wie der Detektor. Mit der ersten Neigungseinrichtung ist bei dem Meßsystem nach der Erfindung der Neigungswinkel des Detektors gegen die Normale der Objektebene einstellbar. Zusätzlich ist der Meßkopf und damit die Neigungsebene des Detektors drehbar (Azimuth-Winkel). Auf diese Weise ist die Einstellung der Beobachtungsrichtung des Detektors innerhalb eines Beobachtungskegels bezüglich des Meßobjekts einstellbar, z. B. zur Erfassung und Messung der Lichtabstrahlung eines begrenzten Meßflecks in der Objektebene in einen Raumwinkel mit wohl definierter, begrenzter Apertur. Das hat den Vorteil, daß die Drehung des Meßobjekts selbst vermieden wird. Ein weiterer Vorteil ist bei dem Meßsystem nach der Erfindung, daß bei in der Regel vertikaler Drehachse des Meßkopfes das Meßobjekt ohne die Notwendigkeit einer weiteren Befestigung horizontal auf dem Meßtisch ruht, der bei Bedarf horizontal positionierbar ist. Die zweite Neigungseinrichtung zum Neigen der Lichtquelle in der gleichen Neigungsebene wie der Detektor ermöglicht eine optimale Beleuchtung des Meßfleckes. Vorzugsweise werden Detektor und Lichtquelle um die gleiche geometrische Drehachse (Neigungsachse) bewegt, die üblicherweise in die Objektebene gelegt wird. In der Neigungsebene ermöglicht die Erfindung eine freie Neigungspositionierung von Lichtquelle und Meßoptik.

Der Meßkopf nach der Erfindung läßt sich besonders vorteilhaft insbesondere bei dem vorgenannten Meßsystem nach der Erfindung einsetzen. Er ist aber auch in anderen Meßsystemen einsetzbar, wo es darauf ankommt, zwei unabhängig neigbare Detektor- und/oder Beleuchtungseinheiten oder andere Einheiten in derselben Neigungsebene neigen und so mit ihren Meß-, Beleuchtungs- oder dgl. Richtungen auf einen gemeinsamen Meßfleck ausrichten zu können.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung bilden die Gegenstände der Unteransprüche.

Wenn in einer Ausgestaltung des Meßsystems nach der Erfindung der Tisch in x- und y- Richtung relativ zu dem Meßkopf verfahrbar ist, läßt sich das Meßobjekt sicher positionieren, ohne daß der Meßkopf in x- und y-Richtung bewegt zu werden braucht. Das bietet die Möglichkeit einer beliebig skalierbaren ersten Lagereinrichtung zum Verschieben des Meßobjekts in xy-Richtung ohne Modifikation des Meßkopfes.

Wenn in einer weiteren Ausgestaltung des Meßsystems nach der Erfindung der Tisch in z- Richtung relativ zu dem Meßkopf verfahrbar ist, läßt sich der Meßort justieren, ohne daß der Meßkopf verfahren zu werden braucht.

Wenn in einer weiteren Ausgestaltung des Meßsystems nach der Erfindung die zweite Lagereinrichtung ein Drehlager an einem feststehenden Portal aufweist, läßt sich der Meßkopf in stationärer Lage sicher und doch drehbar anordnen.

Wenn in einer weiteren Ausgestaltung des Meßsystems nach der Erfindung der Tisch auf einer Plattform gelagert ist, die ihrerseits in einem stationären Rahmen gelagert ist, läßt sich die gegenseitige Lage zwischen Meßobjekt und Meßkopf von äußeren Einflüssen freihalten und genau einstellen.

Wenn in einer weiteren Ausgestaltung des Meßsystems nach der Erfindung zur Drehung des Meßkopfes, zu einem Verschieben des Tisches und zum Neigen des Detektors und der Lichtquelle jeweils Motoren vorgesehen sind, ist das gesamte Meßsystem fernsteuerbar.

Wenn in einer weiteren Ausgestaltung des Meßsystems nach der Erfindung dieses in einer Lichtabschirmkammer untergebracht ist, läßt sich der Meßvorgang selbst von Umgebungslichteinflüssen freihalten.

Wenn in einer Ausgestaltung des Meßkopfes nach der Erfindung dieser mit einem gabelförmigen Halter ausgebildet ist, an dessen Gabelschenkeln der Detektor bzw. die Lichtquelle neigbar angebracht sind und dessen Gabelsteg um die Drehachse des Meßkopfes drehbar ist, lassen sich auf besonders einfache und zweckmäßige Weise der Detektor und die Lichtquelle an dem Meßkopf so anbringen, daß sie in derselben Neigungsebene neigbar sind.

Wenn in einer weiteren Ausgestaltung des Meßkopfes nach der Erfindung die beiden Neigungseinrichtungen so ausgebildet sind, daß sich eine Beobachtungsrichtung des Detektors und eine Beleuchtungsrichtung der Lichtquelle in einem Meßpunkt schneiden, läßt sich zu jedem Meßvorgang die optimale Beleuchtung durch die Lichtquelle einstellen.

Wenn in einer weiteren Ausgestaltung des Meßkopfes nach der Erfindung die erste und die zweite Neigungseinrichtung im Bereich der freien Enden der Gabelschenkel gebildete kreisbogenförmige Führungsbahnen für den Detektor bzw. die Lichtquelle aufweisen, lassen sich die Neigungen von Detektor und Lichtquelle besonders einfach, aber auch besonders genau steuern.

Wenn in einer weiteren Ausgestaltung des Meßkopfes nach der Erfindung die Krümmungsmittelpunkte der beiden Führungsbahnen auf einer gemeinsamen Neigungsachse der beiden Neigungseinrichtungen liegen, die die Drehachse des Meßkopfes in dem Meßpunkt schneidet, läßt sich bei einmal eingestellter Höhe des Meßkopfes über dem Objekt und bei üblicherweise in die Meßebene des Objekts gelegter gemeinsamer Neigungsachse der Meßfleck für einen Meßvorgang festlegen, der dann seine Lage unverändert beibehält, solange er im Rahmen des erwähnten Beobachtungskegels aus unterschiedlichen Richtungen betrachtet wird.

Wenn in einer weiteren Ausgestaltung des Meßkopfes nach der Erfindung die gemeinsame Neigungsachse in einer Ebene liegt, die dicht unterhalb einer durch die freien Enden der Gabelschenkel festgelegten Ebene angeordnet ist und vorzugsweise gleich der Meßebene des Objekts ist, läßt sich der Meßkopf leicht in den optimalen Meßabstand von der Meßebene des Objekts bringen.

Wenn in einer weiteren Ausgestaltung des Meßkopfes nach der Erfindung der Detektor und die Lichtquelle an Wagen angebracht sind, die zum Positionieren des Detektors bzw. der Lichtquelle auf den Führungsbahnen verfahrbar sind, lassen sich die Neigungen von Detektor und Lichtquelle genau und wiederholbar auf einfache Weise einstellen.

Wenn in einer weiteren Ausgestaltung des Meßkopfes nach der Erfindung die Wagen jeweils mittels Kugelumlaufführung auf ihrer Führungsbahn laufen und einen Motor zum Antreiben des Wagens tragen und wenn insbesondere benachbart zu jeder Führungsbahn eine Riemenauflagebahn für einen Zahnriemen angeordnet ist, mit dem ein durch den Motor antreibbares Antriebszahnrad kämmt, haben die beiden Neigungseinrichtungen einen besonders einfachen mechanischen Aufbau. Wagen dieser Art sind Standardprodukte, die im Handel erhältlich sind.

Wenn in einer weiteren Ausgestaltung des Meßkopfes nach der Erfindung die zweite Lagereinrichtung einen in der Drehachse des Meßkopfes an dem Gabelsteg angebrachten Wellenzapfen aufweist, der in einem stationären Teil drehbar lagerbar ist und zum Drehen des Meßkopfes durch dessen Motor drehantreibbar ist, hat auch die Antriebseinrichtung des Meßkopfes einen besonders einfachen mechanischen Aufbau. In dieser Ausgestaltung der Erfindung ist der stationäre Teil das Portal, das mit dem Rahmen verbunden ist, welcher die Plattform und den Tisch für das Objekt trägt.

Wenn in einer weiteren Ausgestaltung des Meßkopfes nach der Erfindung an den freien Enden der Gabelschenkel ein Halter zum Befestigen einer Streuhalbkugel als homogene diffuse Beleuchtungsquelle vorgesehen ist, bleiben die Bewegungs- und Meßmöglichkeiten von Detektor und Lichtquelle erhalten. Die Streuhalbkugel ist vorzugsweise aus zwei Kugelviertelschalen aufgebaut.

Wenn in einer weiteren Ausgestaltung des Meßkopfes nach der Erfindung an der Unterseite des Meßkopfes eine Abdeckung anbringbar ist, läßt sich die Streuhalbkugel, die integrierte Lichtleiter für ihre diffuse reflektive Beleuchtungsquelle aufweist, nach unten hin abdecken und sich so der Meßfleck unabhängig von äußeren Umgebungseinflüssen beleuchten.

Wenn in einer weiteren Ausgestaltung des Meßkopfes nach der Erfindung eine Temperierkammer vorgesehen ist zur Aufnahme des Objekts während des Meßvorganges, die einen Oberteil mit einer Öffnung hat, in die die Abdeckung des Meßkopfes so einpaßbar ist, daß der Meßkopf gegenüber dem Oberteil der Temperierkammer drehbar ist, läßt sich der Meßvorgang bei wählbarer Temperatur und unabhängig von der Temperatur der äußeren Umgebung durchführen. Der Meßkopf kann während des Meßvorganges beliebig um seine Drehachse gedreht werden, da die Abdeckung in dem Oberteil der Temperierkammer drehbar gelagert ist.

Wenn in einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung die Temperierkammer so ausgebildet ist, daß sie die erste Lagereinrichtung des Objekts aufnehmen kann, läßt sich das Objekt in bezug auf den Meßkopf auf einfache Weise innerhalb der Temperierkammer positionieren, wobei diese Positionierung wiederum mit unverschiebbarem Tisch erfolgen kann, so daß der Beobachtungskegel sich nur für einen Meßpunkt ergibt, oder mit xy-positionierbarem Tisch, so daß sich Beobachtungskegel für alle Meßpunkte des Objekts ergeben. Bei zusätzlicher z-Positionierbarkeit läßt sich der Meßort auch in der Höhe einstellen.

Wenn in einer weiteren Ausgestaltung des Meßkopfes nach der Erfindung in der Drehachse des Meßkopfes ein Laser zum Markieren des Meßortes angebracht ist, läßt sich der Meßort besonders einfach einstellen.

Wenn in einer weiteren Ausgestaltung des Meßkopfes nach der Erfindung der Detektor eine Meßoptik oder ein Lichtsensor ist, läßt sich der Meßfleck auf optische Eigenschaften des Meßobjekts hin untersuchen wie Emissions-, Transmissions- und Reflexionseigenschaften, nämlich Leuchtdichte, spektrale Verteilung, Polarisation usw.

Wenn in einer weiteren Ausgestaltung des Meßkopfes nach der Erfindung die Meßoptik ein Meßmikroskop ist, das vorzugsweise mit einer Kamera versehen und fernsteuerbar ist, bietet sich die Möglichkeit, den vorgenannten Laser besonders wirksam einzusetzen. Bei Verwendung eines automatisierten Meßmikroskops ergibt sich die Möglichkeit, per Videokamera, die in dem Meßmikroskop vorgesehen ist, die präzise Einstellung der Höhenposition der Meßobjektebene in die Neigungsachse des Meßkopfes zu steuern und zu beobachten. Der Laserfleck muß bei geneigter Beobachtungsrichtung, zum Beispiel 45 Grad, dabei in der optischen Achse des Mikroskops liegen, die im Bild z. B. mit einem Fadenkreuz markiert ist. Grundsätzlich ermöglicht ein fernsteuerbares Meßmikroskop mit Kamera unter Zuhilfenahme von mehreren Meßfleckblenden eine besonders variable Objektbeobachtung und eine Messung des vom Objekt abgestrahlten Lichts.

Wenn in einer weiteren Ausgestaltung des Meßkopfes nach der Erfindung die Lichtquelle austauschbar ist und insbesondere eine Lichtquelle mit kollimiertem Strahl ist, liefert sie nahezu paralleles Licht geringer Divergenz. Das ermöglicht die Messung der Reflexionscharakteristik (In-Plane-BRDF oder Bidirectional Reflectance Distribution Function) von reflektierenden Objekten und Oberflächen.

Wenn in einer weiteren Ausgestaltung des Meßkopfes nach der Erfindung die Lichtquelle austauschbar ist und insbesondere eine diffuse Lichtquelle mit einstellbarer Ausdehnung der Leuchtfläche ist, läßt sich der Einfluß von Umgebungslicht auf die Anzeigeeigenschaften (Kontrast, Farbwiedergabe) des Meßobjekts bei unterschiedlicher Lichtquellengeometrie messen.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher beschrieben. Es zeigt
Fig. 1 eine Vorderansicht eines Ausführungsbeispiels eines Meßsystems nach der Erfindung zum Messen der optischen Eigenschaften eines Objekts,
Fig. 2 das Meßsystem nach Fig. 1 in einer Seitenansicht,
Fig. 3 als Einzelheit einen erfindungsgemäßen Meßkopf des Meßsystems in perspektivischer Darstellung, wobei zusätzlich zu der Darstellung in den Fig. 1 und 2 außer einem dort sichtbaren Detektor eine Lichtquelle zum Beleuchten des Objekts gezeigt ist,
Fig. 4 den Meßkopf des Meßsystems nach Fig. 1 in einer Längsschnittansicht, wobei zusätzlich eine Temperierkammer dargestellt ist, mit welcher der Meßkopf drehbar verbunden ist und in welcher das Objekt während der Messung untergebracht werden kann,
Fig. 5 den Meßkopf nach Fig. 4 in einer Ansicht in Richtung eines Pfeils A in Fig. 4, wobei der Detektor in Fig. 5 in einer Endstellung gezeigt ist, die in Fig. 4 gestrichelt dargestellt ist, und
Fig. 6 die Temperierkammer nach Fig. 5 als Einzelheit und in Draufsicht.
Die Fig. 1 und 2 zeigen in Vorderansicht bzw. in Seitenansicht ein insgesamt mit 10 bezeichnetes Meßsystem zum Messen der optischen Eigenschaften eines Objekts 13 (in Fig. 4 dargestellt), bei dem es sich üblicherweise um einen Flachbildschirm wie z. B. eine Flüssigkristallanzeige oder ein LCD handelt. Das Meßsystem hat einen Meßkopf 12, der um eine zu einer Meßebene 14 (in Fig. 5 dargestellt) des Objekts üblicherweise normale Drehachse 16 drehbar ist. An dem Meßkopf 12 ist ein Detektor 18 neigbar angebracht. Der Detektor 18 ist in Fig. 4 unten zusätzlich in einer Endstellung gestrichelt dargestellt, in der er mit ausgezogenen Linien in Fig. 5 gezeigt ist. Bei dem Detektor handelt es sich in dem hier beschriebenen Beispiel um ein Meßmikroskop, auf das weiter unten noch näher eingegangen wird. Zum freien Einstellen des Neigungswinkels des Detektors 18 gegen die Drehachse 16 des Meßkopfes 12 ist eine erste Neigungseinrichtung vorgesehen, die insgesamt mit 20 bezeichnet ist. An dem Meßkopf 12 ist außer dem Detektor 18 eine Lichtquelle 22 zum Beleuchten des Objekts neigbar angebracht, die nur in Fig. 3 gezeigt ist. Zusätzlich zu der ersten Neigungseinrichtung zum freien Einstellen des Neigungswinkels des Detektors 18 ist an dem Meßkopf 12 eine insgesamt mit 30 bezeichnete zweite Neigungseinrichtung zum freien Einstellen der Neigung der Lichtquelle 22 vorgesehen. Die zweite Neigungseinrichtung 30 ist ebenfalls nur in Fig. 3 dargestellt. Eine insgesamt mit 24 bezeichnete erste Lagereinrichtung zur relativverschiebbaren Lagerung von Meßkopf 12 und Objekt weist einen Tisch 26 zum horizontal verschiebbaren Lagern des Objekts auf. Der Tisch 26 ist ein Kreuz- oder xy-Tisch, der aus einem x-Schlitten und einem y-Schlitten besteht. Der y-Schlitten (in Fig. 1 der untere Schlitten) des Tisches 26 ist in y-Richtung auf einer Plattform 28 verfahrbar. Der x-Schlitten ist auf dem y-Schlitten in x-Richtung verfahrbar. Der Tisch 26 ist insgesamt mit der ihn tragenden Plattform 28 in z- oder Vertikalrichtung verfahrbar. Eine insgesamt mit 34 bezeichnete zweite Lagereinrichtung dient zur Lagerung des Meßkopfes 12 mit vertikaler Drehachse 16. Die zweite Lagereinrichtung 34 ist ein Drehlager, das an einem feststehenden Portal 32 angebracht ist. Die Plattform 28 ist in einem Rahmen 36 gelagert, der mit dem Portal 32 fest verbunden ist. Der Meßkopf 12 ist um 360 Grad drehbar. Der Detektor 18 und die Lichtquelle 22 sind in dem hier beschriebenen Ausführungsbeispiel beidseitig der Vertikale jeweils in einem Winkelbereich von 70 Grad neigbar. Dieser Winkelbereich ist hier konstruktiv bedingt, da, wie in den Fig. 3 und 4 zu erkennen, der Detektor 18 und die Lichtquelle 22 jeweils auf gleicher Höhe gleich weit nach innen ragen, so daß die Beobachtung eines Meßpunktes 54 (Fig. 5) durch den Detektor und die Beleuchtung des Meßpunktes 54 durch die Lichtquelle in derselben Neigungsebene erfolgen. Der Detektor 18 und die Lichtquelle 22 könnten auch in unterschiedlicher Höhe angeordnet und an einander vorbeibewegbar sein. Daraus ergäbe sich ein größerer Winkelbereich als 70 Grad für deren Neigung.
Zur Drehung des Meßkopfes 12, zum Verschieben des Tisches 26 in x-, y- und z-Richtung sowie zum Neigen des Detektors 18 und der Lichtquelle 22 sind jeweils Motoren vorgesehen, die in den Zeichnungen zwar gezeigt sind, auf die an dieser Stelle aber nicht näher eingegangen zu werden braucht.
Eine Lichtabschirmkammer 38, in der das gesamte Meßsystem 10 untergebracht ist, ist lediglich in Fig. 1 und nur schematisch angedeutet.
Der Meßkopf 12 ist als ein gabelförmiger Halter aufgebaut, der insgesamt mit 40 bezeichnet ist. Der gabelförmige Halter 40 hat zwei Gabelschenkel 42D und 42L. Dabei steht D für Detektor und L für Lichtquelle, um die Zuordnung der Gabelschenkel und von weiteren Komponenten des Meßkopfes anzudeuten. Selbst wenn in den Zeichnungen D- oder L-Komponenten nicht sichtbar sind, sind hier in der Beschreibung immer beide Bezugszahlen angegeben. An dem Gabelschenkel 42D ist der Detektor 18 neigbar angebracht. An dem Gabelschenkel 42L ist die Lichtquelle 22 neigbar angebracht. Die Gabelschenkel 42D, 42L sind durch einen Gabelsteg 44 verbunden, mit dem der Meßkopf 12 um die Drehachse 16 drehbar ist. Dafür weist die zweite Lagereinrichtung 34 einen in der Drehachse 16 des Meßkopfes 12 an dem Gabelsteg 44 angebrachten hohlen Wellenzapfen 46 auf der in einen stationären Teil, nämlich dem Portal 32 drehbar gelagert ist (vgl. Fig. 1 und 2) und zum Drehen des Meßkopfes 12 durch dessen Motor 48 über einen Zahnriemen 50 drehantreibbar ist.
Die beiden Neigungseinrichtungen 20 und 30 sind so ausgebildet, daß sich eine Beobachtungsrichtung 52 des Detektors 18 und eine Beleuchtungsrichtung der Lichtquelle 22 in dem Meßpunkt 54 schneiden (vgl. Fig. 5, in welcher zwar die Lichtquelle 22 mit ihrer Beleuchtungsrichtung nicht gezeigt ist, jedoch in der gleichen Ebene, nämlich der Neigungsebene, wie die Beleuchtungsrichtung 52 liegt). Die erste und die zweite Neigungseinrichtung 20 bzw. 30 weisen im Bereich der freien Enden der Gabelschenkel 42D, 42L gebildete kreisbogenförmige Führungsbahnen 56D, 56L für den Detektor 18 bzw. die Lichtquelle 22 auf. Die Krümmungsmittelpunkte der beiden Führungsbahnen 56D, 56L liegen auf einer gemeinsamen Neigungsachse der beiden Neigungseinrichtungen 20, 30, die die Drehachse 16 des Meßkopfes 12 in dem Meßpunkt 54 schneidet (Fig. 5). In dem hier dargestellten Beispiel liegt die durch den Meßpunkt 54 gehende gemeinsame Neigungsachse in der Meßebene 14, die dicht unterhalb einer durch die freien Enden der Gabelschenkel 42D, 42L festgelegten Ebene 58 angeordnet ist und in dem hier beschriebenen Ausführungsbeispiel gleich der Meßebene des Objekts ist.
Der Detektor 18 und die Lichtquelle 22 sind jeweils an einem Wagen 60D bzw. 60L angebracht. Zum Positionieren des Detektors 18 und der Lichtquelle 22 sind zwei Bogenführungen vorgesehen, die in dem hier beschriebenen Ausführungsbeispiel jeweils aus der Führungsbahn 56D bzw. 56L und aus dem Wagen 60D bzw. 60L bestehen. Die Wagen 60D und 60L sind auf den Führungsbahnen 56D bzw. 56L jeweils mittels Kugelumlauf verfahrbar. Die Wagen 60D, 60L laufen jeweils mit vier Kugelumlaufführungen, die insgesamt mit 63D bzw. 63L bezeichnet sind, auf ihrer Führungsbahn 56D bzw. 56L und tragen jeweils einen Motor 70D bzw. 70L zum Antreiben des Wagens. Weiter trägt jeder Wagen 70D, 70L ein Winkelgetriebe 71D bzw. 71L, das mit dem zugeordneten Motor 70D bzw. 70L gekuppelt ist, wie in Fig. 5 angedeutet. Die Wagen 60D, 60L weisen jeweils einen Tragrahmen 66D bzw. 66L auf. An den Tragrahmen 66D, 66L sind außer dem Detektor 18 bzw. der Lichtquelle 22 die Motoren 70D bzw. 70L, die Kugelumlaufführungen 63D bzw. 63L und die Winkelgetriebe 71D bzw. 71L befestigt, wie es in Fig. 5 und auch in Fig. 4 für den Wagen 60D dargestellt ist (in der Darstellung in Fig. 4 ist der Übersichtlichkeit halber nur der Tragrahmen 66D mit dem Winkelgetriebe 71D gezeigt). Der Detektor 18 ist über einen Meßlichtleiter 19 und/oder eine elektrische Leitung mit einer Auswerteeinrichtung (nicht dargestellt) verbunden. Benachbart zu jeder Führungsbahn 56D, 56L ist eine Riemenauflagebahn 57D bzw. 57L für einen Zahnriemen 65D bzw. 65L angeordnet, mit dem ein durch den Motor 70D bzw. 70L antreibbares Abtriebszahnrad 64D bzw. 64L des Winkelgetriebes 71D bzw. 71L kämmt. Die Zahnriemen 65D, 65L sind mit ihren Enden an den Enden der jeweiligen Riemenauflagebahn 57D bzw. 57L befestigt. Die glatte Seite der Zahnriemen zeigt nach oben. Mit dieser Seite sind die Zahnriemen 65D, 65L um Umlenkrollen 61D und 62D bzw. 61L und 62L geführt, wie es in Fig. 5 zu erkennen ist. Zwischen den beabstandeten Umlenkrollen 61D, 61L und 62D, 62L bilden die Zahnriemen 65D, 65L jeweils eine Schlaufe 72D bzw. 72L, mit welcher der Zahnriemen um das Abtriebszahnrad 64D bzw. 64L geführt ist. Wenn die Motoren 70D, 70L in Betrieb gesetzt werden, bewegt sich der Wagen 60D bzw. 60L aufgrund des Eingriffes zwischen dem Abtriebszahnrad 64D bzw. 64L und dem Zahnriemen 65D bzw. 65L auf der Führungsbahn 56D bzw. 56L.
Der Meßkopf 12 hat einen an den freien Enden der Gabelschenkel 42D, 42L vorgesehenen Halter 74 zum Befestigen von zwei Kugelviertelschalen 76a bzw. 76b einer Streuhalbkugel 76 als zusätzliche, homogene diffuse Beleuchtungsquelle für den Meßpunkt 54. Der Halter 74 ist eine kreisringförmige Platte, auf der die Streuhalbkugel 76 aufsitzt. Das Innere der Streuhalbkugel 76 wird über integrierte Einzellichtleiter 75 beleuchtet, die das Licht über Lichtleiter 77D, 77L empfangen. Die Kugelviertelschalen 76a, 76b haben gegenseitigen Abstand und begrenzen so einen Schütz 79, damit der Detektor 18 den Meßpunkt 54 beobachten und die Lichtquelle 22 den Meßpunkt beleuchten kann. Die Streuhalbkugel 76 sorgt dabei für eine gleich bleibende Umgebungsbeleuchtung des Meßpunktes. In der Regel wird entweder die bewegbare Lichtquelle 22 oder die homogene diffuse Beleuchtungsquelle der Streuhalbkugel betrieben. Von letzterer können bei Bedarf die Kugelviertelschalen entfernt werden, wenn nur die bewegbare Lichtquelle 22 verwendet werden soll. Das Licht für die homogene diffuse Beleuchtungsquelle wird nicht von der Lichtquelle 22 geliefert, sondern von einer Faseroptik (quasi Ringleuchte), deren Einzellichtleiter 75 in der kreisringförmigen, an dem Meßkopf 12 befestigten Platte 74 eingebaut sind und das Licht nach schräg oben in die Kugelviertelschalen strahlen.
In der Drehachse des Meßkopfes 12 ist an dem Meßkopf ein Laser 80 zum Markieren des Meßortes angebracht.
An der Unterseite des Meßkopfes 12 ist gemäß Fig. 4 eine Abdeckung 82 für die Streuhalbkugel 76 angebracht. Die Abdeckung 82 ist Teil der kreisringförmigen Platte, die den Halter 74 bildet. Unter dem Meßkopf 12 ist eine Temperierkammer 84 angeordnet, innerhalb welcher die Temperatur in einem Bereich von -35°C bis +80°C einstellbar ist. Die Temperierkammer 84, die zusätzlich als eine Einzelheit in Fig. 6 in Draufsicht gezeigt ist, dient zur Aufnahme des Objekts 13 während des Meßvorganges. Sie hat einen Oberteil 85 mit einer Öffnung 86, in die die als ein Vorsprung an dem Halter 74 ausgebildete Abdeckung 82 des Meßkopfes 12 so einpaßbar ist, daß der Meßkopf 12 gegenüber dem Oberteil 85 der Temperierkammer 84 drehbar ist. Die Öffnung 86 ist zu diesem Zweck als ein gestufter Kreisausschnitt in dem Oberteil 85 der Temperierkammer 84 ausgebildet. Die Temperierkammer 84 enthält gemäß Fig. 4 eine erste Lagereinrichtung 24' mit einem Tisch 26' zum Lagern und xyz-Positionieren des Objekts 13. Die Lagereinrichtung 24' und der Tisch 26' erfüllen die gleichen Funktionen wie die Lagereinrichtung 24 bzw. der Tisch 26 und brauchen daher hier nicht erneut beschrieben zu werden.
Zur Verdeutlichung wurden in Fig. 4 einige Teile auseinandergezogen:

- Ein Unterteil 87 der Temperierkammer 84,
- der Oberteil 85 der Temperierkammer 84 mit der Öffnung 86 für den kreisringförmigen Halter 74 am Meßkopf 12,
- die Kugelviertelschale(n) der homogenen diffusen Beleuchtungsquelle der Streuhalbkugel 76.

Oben ist bereits erwähnt worden, daß der Detektor 18 eine Meßoptik oder ein Lichtsensor sein kann. Wenn es sich bei dem Detektor 18 um eine Meßoptik handelt, kann diese ein Meßmikroskop sein, das mit einer Videokamera versehen und fernsteuerbar ist. Die Lichtquelle 22 kann eine Lichtquelle mit kollimiertem Strahl sein. Alternativ kann die Lichtquelle 22 eine diffuse Lichtquelle mit einstellbarer Ausdehnung der Leuchtfläche sein.

Claims

1. Meßsystem zum Messen der optischen Eigenschaften eines Objekts(13), insbesondere eines Flachbildschirms wie z. B. einer Flüssigkristallanzeige oder LCD,
mit einem Meßkopf (12), der um eine zu einer Meßebene des Objekts üblicherweise normale Drehachse (16) drehbar ist,
mit einem an dem Meßkopf (12) angebrachten Detektor (18),
mit einer ersten Neigungseinrichtung (20) zum Einstellen des Neigungswinkels des Detektors (18) gegen die Drehachse (16) des Meßkopfes (12),
mit einer an dem Meßkopf (12) angebrachten Lichtquelle (22) zum Beleuchten des Objekts und
mit einer ersten Lagereinrichtung (24; 24') zur Lagerung des Objekts (13) mit dem Meßkopf (12) zugewandter Meßebene,
gekennzeichnet durch eine zweite Neigungseinrichtung (30) zum freien Einstellen der Neigung der Lichtquelle (22) in ein und derselben Neigungsebene wie der Detektor (18),
durch eine zweite Lagereinrichtung (34) zur stationären Lagerung des Meßkopfes (12) mit vertikal angeordneter Drehachse (16) und
durch einen als erste Lagereinrichtung vorgesehenen Tisch (26; 26') zum Lagern des Objekts (13) mit horizontal angeordneter Meßebene.

2. Meßsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Tisch (26) in x- und y- Richtung relativ zu dem Meßkopf (12) verfahrbar ist.

3. Meßsystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Tisch (26) in z- Richtung relativ zu dem Meßkopf (12) verfahrbar ist.

4. Meßsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Lagereinrichtung (34) ein Drehlager an einem feststehenden Portal (32) aufweist.

5. Meßsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Tisch (26) auf einer Plattform (28) gelagert ist, die ihrerseits in einem stationären Rahmen (36) gelagert ist.

6. Meßsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß zur Drehung des Meßkopfes (12), zu einem Verschieben des Tisches (26) und zum Neigen des Detektors (18) und der Lichtquelle (22) jeweils Motoren (48, 70) vorgesehen sind.

7. Meßsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 6, gekennzeichnet durch eine Lichtabschirmkammer (38), in der das Meßsystem (10) untergebracht ist.

8. Meßkopf, insbesondere für ein Meßsystem (10) zum Messen der optischen Eigenschaften eines Objekts (13), insbesondere eines Flachbildschirms wie z. B. einer Flüssigkristallanzeige oder LCD, wobei der Meßkopf (12) um eine zu einer Meßebene üblicherweise normale Drehachse (16) drehbar ist,
mit einem an dem Meßkopf (12) neigbar angebrachten Detektor (18),
mit einer ersten Neigungseinrichtung (20) zum Einstellen des Neigungswinkels des Detektors (18) gegen die Drehachse (16) des Meßkopfes (12) und
mit einer an dem Meßkopf (12) angebrachten Lichtquelle (22) zum Beleuchten des Objekts,
gekennzeichnet durch eine zweite Neigungseinrichtung (30) zum Einstellen des Neigungswinkels der Lichtquelle (22) in ein und derselben Neigungsebene wie der Detektor (18).

9. Meßkopf nach Anspruch 8, gekennzeichnet durch einen gabelförmigen Halter (40), an dessen Gabelschenkeln (42D, 42L) der Detektor (18) bzw. die Lichtquelle (22) neigbar angebracht sind und dessen Gabelsteg (44) um die Drehachse (16) des Meßkopfes drehbar ist.

10. Meßkopf nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Neigungseinrichtungen (20, 30) so ausgebildet sind, daß sich eine Beobachtungsrichtung (52) des Detektors (18) und eine Beleuchtungsrichtung der Lichtquelle (22) in einem Meßpunkt (54) schneiden.

11. Meßkopf nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die erste und die zweite Neigungseinrichtung (20, 30) im Bereich der freien Enden der Gabelschenkel (42D, 42L) gebildete kreisbogenförmige Führungsbahnen (56D, 56L) für den Detektor (18) bzw. die Lichtquelle (22) aufweisen.

12. Meßkopf nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Krümmungsmittelpunkte der beiden Führungsbahnen (56D, 56L) auf einer gemeinsamen Neigungsachse der beiden Neigungseinrichtungen (20, 30) liegen, die die Drehachse (16) des Meßkopfes (12) in dem Meßpunkt (54) schneidet.

13. Meßkopf nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die gemeinsame Neigungsachse in einer Ebene (14) liegt, die dicht unterhalb einer durch die freien Enden der Gabelschenkel (42D, 42L) festgelegten Ebene (58) angeordnet ist und vorzugsweise gleich der Meßebene des Objekts (13) ist.

14. Meßkopf nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß der Detektor (18) und die Lichtquelle (22) an Wagen (60D, 60L) angebracht sind, die zum Positionieren des Detektors (18) bzw. der Lichtquelle (22) auf den Führungsbahnen (56D, 56L) verfahrbar sind.

15. Meßkopf nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Wagen (60D, 60L) jeweils mittels Kugelumlaufführung (63D, 63L) auf ihrer Führungsbahn (56D, 56L) laufen und einen Motor (70D, 70L) zum Antreiben des Wagens tragen.

16. Meßkopf nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß benachbart zu jeder Führungsbahn eine Riemenauflagebahn (57D, 57L) für einen Zahnriemen (65) angeordnet ist, mit dem ein durch den Motor (70D, 70L) antreibbares Abtriebszahnrad (64D, 64L) kämmt.

17. Meßkopf nach einem der Ansprüche 9 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Lagereinrichtung (34) einen in der Drehachse (16) des Meßkopfes (12) an dem Gabelsteg (44) angebrachten Wellenzapfen (46) aufweist, der in einem stationären Teil drehbar lagerbar ist und zum Drehen des Meßkopfes (12) durch dessen Motor (48) drehantreibbar ist.

18. Meßkopf nach einem der Ansprüche 9 bis 17, gekennzeichnet durch einen an den freien Enden der Gabelschenkel (42D, 42L) vorgesehenen Halter (74) zum Befestigen einer Streuhalbkugel (76) als homogene diffuse Beleuchtungsquelle.

19. Meßkopf nach einem der Ansprüche 1 bis 18, gekennzeichnet durch eine an der Unterseite des Meßkopfes (12) anbringbare Abdeckung (82).

20. Meßkopf nach Anspruch 19, gekennzeichnet durch eine Temperierkammer (84) zur Aufnahme des Objekts (13) während des Meßvorganges, die einen Oberteil (85) mit einer Öffnung (86) hat, in die die Abdeckung (82) des Meßkopfes (12) so einpaßbar ist, daß der Meßkopf (12) gegenüber dem Oberteil (85) der Temperierkammer (84) drehbar ist.

21. Meßkopf nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperierkammer (84) so ausgebildet ist, daß sie die erste Lagereinrichtung (24') des Objekts (13) aufnehmen kann.

22. Meßkopf nach einem der Ansprüche 8 bis 21, gekennzeichnet durch einen in der Drehachse (16) des Meßkopfes (12) angebrachten Laser (80) zum Markieren des Meßortes.

23. Meßkopf nach einem der Ansprüche 1 bis 22, dadurch gekennzeichnet, daß der Detektor (18) eine Meßoptik oder ein Lichtsensor ist.

24. Meßkopf nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßoptik ein Meßmikroskop ist, das vorzugsweise mit einer Kamera versehen und fernsteuerbar ist.

25. Meßkopf nach einem der Ansprüche 1 bis 24, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtquelle (22) austauschbar ist und eine Lichtquelle mit kollimiertem Strahl sein kann.

26. Meßkopf nach einem der Ansprüche 1 bis 24, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtquelle (22) austauschbar ist und eine diffuse Lichtquelle mit einstellbarer Ausdehnung der Leuchtfläche sein kann.