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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur quantitativen
Bestimmung der optischen Güte
eines transparenten Materials. Insbesondere betrifft die vorliegende
Erfindung ein Verfahren und eine Vorrichtung, womit basierend auf
dem Prinzip der abbildenden Streulichtmessung Streulichtparameter
eines optisch transparenten Prüfkörpers ermittelt
werden, die als Maß für die Materialgütecharakterisierung
in Bezug auf Größe und Verteilung
diffuser Streuzentren in dem transparenten Prüfkörper dienen. Ein besonders
bevorzugter Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung betrifft die
Charakterisierung von optisch transparenten Materialien für die EUV-Lithographie
(extreme ultraviolet lithography), zur Herstellung von optischen
Elementen, beispielsweise von Linsen oder Prismen, oder von Masken
für die
Mikrolithographie.
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Um
die optische Güte
transparenter Materialien angeben zu können, ist es wichtig, das Streuverhalten
des Lichts beim Materialdurchgang zu bestimmen. Lichtstreuung an
Volumeninhomogenitäten kann
bei optischen Elementen (wie z.B. Linsen und Prismen) die Abbildungseigenschaften
des optischen Gesamtsystems wesentlich verschlechtern. Somit wird
von Herstellern optischer Materialien gefordert, das Lichtstreuverhalten
eines optischen Rohlings, der zur Herstellung von optischen Elementen
verwendet werden soll, zu quantifizieren, um eine „Gut-Schlecht-Kontrolle" bzw. eine Einstufung
in Einsatzgebiete mit unterschiedlichen optischen Anforderungen
zu ermöglichen.
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Bisher
verwendet man zumeist eine subjektive Einteilung des Streuverhaltens
von Optik-Rohlingen
in Streuklassen. Aufgrund visueller Beobachtung wird das Streuverhalten
der Prüfkörper in
die Streuklassen unterteilt. Dabei wird sowohl die subjektiv empfundene
Streuleistung als auch die Homogenität der Streuung in einem Güteparameter
zusammengefasst, der die optische Güte des Prüfkörpers charakterisieren soll.
Dieser Parameter kennzeichnet das Streuverhalten nur sehr ungenau.
Um diese Qualitätskontrolle
zu objektivieren ist es notwendig, das Streulicht zu messen. Eine
typische Streulichtmessanordnung zur Beurteilung der Transmissionseigenschaften
optischer Elemente ist ein TS-Messplatz (ISO/DIS 13696). Der Prüfkörper wird
mit einem Lichtbündel
senkrecht beleuchtet und das in Transmissionsrichtung gestreute
Licht mit Hilfe einer Ulbricht-Kugel (vgl. ASTM F1048-87) oder einer
Coblentzkugel (vgl. Gliech, S., Steinert, J., Duparre, A.: Light
scattering measurements of optical thin-film components at 157 and
193nm, App. Optics, Vol. 41, No. 16, 2002) integral aufgenommen
und bewertet. Der so ermittelte TS-Wert (Total Scattering) beschreibt
den globalen Streuverlust des Prüflings
präzise.
Jedoch wird das Streuverhalten des Prüfkörpers in seiner Gesamtheit
betrachtet. Zum Streuverhalten trägt nicht nur eine Volumenstreuung
innerhalb des Prüfkörpers bei
sondern auch eine Grenzflächenstreuung
an der Eintritts- und Austrittsfläche des Prüfkörpers.
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Bei
der Charakterisierung von Optik-Rohlingen ist zu berücksichtigen,
dass diese zumeist nur eine einfache Oberflächenpolitur besitzen, sodass die
Streuung an den Grenzflächen
um einige Größenordnungen
intensiver ist als die Streuung an den Volumeninhomogenitäten. Der
gemessene TS-Wert kennzeichnet somit vorrangig das Streulichtverhalten der
Grenzflächen.
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US
2001/0040678 A1 offenbart eine Vorrichtung und ein Verfahren zur
Detektion von Einschlüssen
bzw. Streuzentren in einer Platte aus einem optisch transparenten
Material. Ein Lichtstrahl fällt senkrecht
auf eine Eintrittsfläche
der Platte ein, tritt durch die Platte hindurch und wird dabei teilweise
in Vorwärtsrichtung
gestreut. Hinter der Platte ist eine Lichtfalle vorgesehen, die
verhindert, dass der Lichtstrahl auf einen Photodetektor, der hinter
der Lichtfalle angeordnet ist, auftrifft. Eine hinter der Lichtfalle angeordnete
Linse bildet das in Vorwärtsrichtung
in einen kegelförmigen
Raumwinkelbereich gestreute Licht auf den Photodetektor ab. Der
Streuwinkelbereich ist vergleichsweise groß und durch die numerische
Apertur der Linse vorgegeben. Licht, das an der Lichteintritts-
oder Lichtaustrittsfläche
der Platte gestreut wird, kann nicht von Licht getrennt werden,
das in dem Strahlvolumen innerhalb der Platte gestreut wird. Die
Lichteintritts- und Lichtaustrittsfläche der Platte müssen deshalb
fein poliert werden, was aufwändig
ist. Selbst wenn die Lichteintritts- und Lichtaustrittsfläche der
Platte fein poliert ist, kann eine Streuung an den Grenzflächen nicht
von einer Streuung an den Volumeninhomogenitäten getrennt werden, falls
die zu prüfende
Platte dünn
ist.
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GB 2379977 A offenbart
einen Rauchmelder, bei dem in einem Volumen in Vorwärtsrichtung
gestreutes Licht mit einem Aufbau, der vergleichbar zu dem in der
US 2001/00404678 A1 beschriebenen Aufbau ist, detektiert wird. Statt
einer Linse, die hinter der Lichtfalle angeordnet ist, wird die
Verwendung von ellipsenförmigen
Hohlspiegeln offenbart, um den erfassbaren Streuwinkelbereich zu
vergrößern.
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US 5,471,298 offenbart ein
Verfahren und eine Vorrichtung zum Bestimmen der Größe von Fehlstellen
bzw. Streuzentren in einem Kristall. Ein Lichtstrahl fällt senkrecht
auf den Prüfkörper ein
und bildet in dem Prüfkörper ein
längliches
Streuvolumen aus. Licht, das an Fehlstellen bzw. Streuzentren in dem
Strahlvolumen unter 90 Grad relativ zu der optischen Achse des einfallenden
Lichtstrahls gestreut wird, wird auf ein lichtempfindliches Element
abgebildet. Die Abbildung des gestreuten Lichts auf das lichtempfindliche
Element ist so gewählt,
dass Fehlstellen bzw. Streuzentren ortsaufgelöst detektiert und hinsichtlich
ihrer Größe aufgelöst werden
können. Um
die Fehlstellen bzw. Streuzentren in dem gesamten länglichen
Strahlvolumen zu detektieren, muss das lichtempfindliche Element
und eine zugeordnete Abbildungsoptik entlang der gesamten Länge des Streuvolumens,
d. h. über
die gesamte Länge
des Prüfkörpers, verfahren
werden und müssen
eine Vielzahl von Bildaufnahmen entlang der gesamten Länge des
Streuvolumens bzw. des Prüfkörpers ausgewertet
werden, was zeitaufwändig
und mühsam
ist.
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WO
01/73408 A1 offenbart eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Detektion
von Fehlstellen bzw. Streuzentren in einem optisch transparenten
Prüfkörper. Licht
fällt senkrecht
auf die Oberfläche
des Prüfkörpers ein,
um in dem Prüfkörper ein
längliches Streuvolumen
auszubilden. Das an Fehlstellen bzw. Streuzentren in dem Strahlvolumen
gestreute Licht wird unter 90 Grad relativ zu der optischen Achse
des einfallenden Lichtstrahls detektiert. Zur Detektion wird eine
eindimensionale Matrix von lichtempfindlichen Elementen verwendet,
die entlang einer Kante des Prüfkörpers ausgerichtet
ist. Die Abbildung des gestreuten Lichts auf die Matrix von lichtempfindlichen
Elementen ist so gewählt,
dass das gesamte Strahlvolumen in dem Prüfkörper einschließlich der Lichteintrittsfläche und
der Lichtaustrittsfläche
auf die eindimensionale Matrix von lichtempfindlichen Elementen
abgebildet wird. Somit können
mit einer Aufnahme sämtliche
Fehlstellen bzw. Streuzentren in dem Strahlvolumen ortsaufgelöst detektiert
werden. Eine Trennung der Streuung an den Lichteintritts- und Lichtaustrittsflächen des
Prüfkörpers von
der Streuung an Volumeninhomogenitäten ist nicht vorgesehen. Zwar
lassen sich einzelne Bildstellen bzw. Streuzentren in dem länglichen
Strahlvolumen mit hoher Genauigkeit ortsaufgelöst detektieren, um beispielsweise
einzelne schadhafte Volumina in dem Prüfkörper auszusondern, doch ist
eine einfache quantitative Charakterisierung der optischen Güte des Prüfkörpers dennoch
nicht möglich.
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Aufgabe
der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren und eine Vorrichtung
bereitzustellen, womit die optische Güte eines transparenten Materials
eines Prüfkörpers in
einfacher und kostengünstiger
Weise quantitativ charakterisiert werden kann.
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Diese
Aufgabe wird gelöst
durch ein Verfahren mit den Merkmalen nach Anspruch 1 sowie durch eine
Vorrichtung mit den Merkmalen nach Anspruch 11.
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Weitere
vorteilhafte Ausführungsformen
sind Gegenstand der rückbezogenen
Ansprüche.
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Gemäß der vorliegenden
Erfindung wird ein Verfahren zur quantitativen Bestimmung der optischen
Güte eines
transparenten Materials eines Prüfkörpers bereitgestellt,
bei welchem Verfahren ein Lichtstrahl auf den Prüfkörper aus dem transparenten
Material einfällt,
um in dem Prüfkörper ein Streuvolumen
auszubilden, und ein in dem Streuvolumen unter einem vorgegebenen
Streuwinkel gestreutes Licht auf ein lichtempfindliches Element
abgebildet wird, wobei Signale des lichtempfindlichen Elements zumindest über einen
Abschnitt des Streuvolumens integriert oder aufsummiert werden, um
eine Messgröße zu ermitteln,
die repräsentativ
für die
optische Güte
des transparenten Materials des Prüfkörpers ist.
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Erfindungsgemäß werden
sämtliche
Fehlstellen bzw. Streuzentren in dem Streuvolumen innerhalb des
Prüfkörpers gleichzeitig
von dem lichtempfindlichen Element erfasst. Durch Integrieren bzw.
Aufsummieren der Signale des lichtempfindlichen Elements wird die
Intensität
des gestreuten Lichts integriert oder aufsummiert, sodass eine Messgröße ermittelt
werden kann, die die optische Güte
des transparenten Materials in eindeutiger Weise spezifiziert. Eine
solche eindeutig bestimmbare Messgröße eignet sich als Herstellerangabe
bzw. Spezifikation von optisch transparenten Materialien.
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Vorteilhaft
ist ferner, dass erfindungsgemäß eine aufwändige ortsaufgelöste Bestimmung
einzelner Fehlstellen bzw. Streuzentren in dem Streuvolumen grundsätzlich unterbleiben
kann. Auch eine aufwändige
statistische Auswertung von ortsaufgelöst detektierten Streuzentren
bzw. Fehlstellen in dem Streuvolumen, beispielsweise mittels Häufigkeitsverteilungen
und dergleichen, kann unterbleiben.
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Gemäß einem
bevorzugten Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung ist das Bildfeld
des lichtempfindlichen Elements dergestalt beschnitten, dass kein
Streulicht, das von einer Streuung an der Lichteintritts- und Lichtaustrittsfläche des
Prüfkörpers herrührt, zur
Ermittlung der Messgröße verwendet
wird. Eine solche Bildebenenbeschneidung kann durch eine geeignete
Geometrie des Strahlengangs des gestreuten Lichts, durch geeignete
Anordnung des lichtempfindlichen Elements in Bezug zu dem Prüfkörper, mittels
einer geeigneten Apertur und/oder einem geeigneten Strahlformungsmittel
in dem Strahlengang des gestreuten Lichts bewerkstelligt werden.
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Gemäß einer
weiteren Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung wird eine solche Bildebenenbeschneidung
auf elektronischem Wege mittels einer geeigneten Bildauswertungssoftware
realisiert, die Signale, die von einer Lichtstreuung an der Lichteintritts-
oder Lichtaustrittsfläche
des Prüfkörpers herrührt, ausblendet.
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Gemäß einem
bevorzugten Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung ist das lichtempfindliche Element
eine ein- oder zweidimensionale Matrix von lichtempfindlichen Elementen,
beispielsweise eine ein- oder zweidimensionale CCD-Matrix. Erfindungsgemäß werden
die Helligkeitswerte der Pixel, die dem Streuvolumen entsprechen,
aufsummiert oder integriert, um die erfindungsgemäße Messgröße zu ergeben.
Gleichzeitig ist jedoch auch weiterhin eine ortsaufgelöste Detektion
von Fehlstellen bzw. Streuzentren in dem Streuvolumen möglich.
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Zusammenfassend
trifft somit ein Lichtbündel
auf eine der polierten Grenzflächen
des Prüfkörpers auf,
wobei das Lichtbündel
das Material durchdringt und an der zweiten polierten Grenzfläche, die der
ersten polierten Grenzfläche
gegenüberliegt
und parallel zu dieser ist, austritt. Das im beleuchteten Materialvolumen
ausgebildete Streuvolumen wird mit Hilfe einer Kamera unter einem
festen Streuwinkel θs zur
Oberflächennormale
der Austrittsfläche
abgebildet. Dieser Streuwinkel ist bevorzugt so gewählt, dass
er einem für
die spätere
optische Anwendung typischen Aperturwinkel entspricht. Das optische
Abbildungssystem ist so dimensioniert, dass die Begrenzung der Bildebene,
wie diese durch die Abmessungen der CCD-Matrix und/oder der Blende
vorgegeben wird, die zu vermessende Objektebene beschneidet. Damit
ist es möglich,
den Streulichtanteil der ersten und zweiten Grenzfläche des
Prüfkörpers, d.h.
der Lichteintritts- und Lichtaustrittsfläche, auszublenden. Die Erfassung
des gesamten Streuvolumens erfolgt durch Nachführung der Kamera, wobei die
Schnittweitenänderung
der Abbildung in zunehmender Materialtiefe durch eine zweidimensionale Kameraführung kompensiert
wird. Das somit in mehreren Bildern erfasste Streuvolumen kann hoch
aufgelöst
in seiner Homogenität
untersucht werden. Weiterhin kann die Gesamtstreuleistung des Streuvolumens
unter einem festen Streuwinkel θs gemessen
werden und als quantifizierbare Größe das Streulichtverhalten
des Prüfkörpers kennzeichnen.
Um einen standardisierten Wert zur quantitativen Beschreibung des
Streuverhaltens der Prüfkörper angeben
zu können,
wird als Streulichtkenngröße die BSDF
(Bidirectional Scatter Distribution Function) verwendet. Sie ist
für einen
senkrechten Lichteinfall eine Funktion des Streuwinkels θs und des Streulichtazimutwinkels φs und beschreibt
das Verhältnis
von gemessener Streuleistung Ps in einem durch die Meßapertur
vorgegebenen Raumwinkelelement dΩs
bezogen auf die eingestrahlte Leistung Pi und ist nach Stover (vgl.
Stover J. C.; Optical scattering – measurement and analysis;
McGraw-Hill, Inc. 1990) definiert durch: BSDF
= (Ps/Ωs)/(Pi
cos θs).
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Der
Kosinusfaktor projiziert das beleuchtete Streuvolumen in Richtung
des Streuwinkels θs
und ermöglicht
somit einen direkten Vergleich zu Streulichtmessungen von Oberflächen. Die
Einheit der BSDF ist 1/Steradiant. Für die Charakterisierung des Streulichtverhaltens
transparenter Prüfkörper wird die
Leistung des Streulichts erfindungsgemäß unter einem festen Streuwinkel θs detektiert,
so dass als quantifizierbare Streulichtkenngröße der BSDF-Wert für θs = konst. angegeben wird.
Mit Hilfe dieser Kenngröße ist eine
objektive Bewertung des Streuverhaltens transparenter Prüfkörper möglich.
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Nachfolgend
wird die Erfindung anhand von bevorzugten Ausführungsbeispielen und unter
Bezugnahme auf die beigefügte
Beschreibung beschrieben werden, woraus sich weitere Merkmale, Vorteile
und zu lösende
Aufgaben ergeben werden und worin:
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1 eine
schematische Ansicht einer Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung
zur quantitativen Bewertung des Streuverhaltens eines transparenten
Prüfkörpers darstellt,
wobei auf den Prüfkörper einfallendes
Licht unter einem festen Streuwinkel θs gestreut und detektiert wird;
und
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2 in
einem schematischen Flussdiagramm ein Verfahren gemäß der vorliegenden
Erfindung zur quantitativen Bewertung des Streuverhaltens eines
transparenten Prüfkörpers darstellt.
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Gemäß der 1 strahlt
ein Laser 1, beispielsweise ein He-Ne-Laser bei einer Wellenlänge von
650 nm, einen Lichtstrahl 2 ab, der senkrecht auf den Prüfkörper 3 einfällt. Der
Prüfkörper 3 weist
eine polierte Lichteintrittsfläche 4 und
eine beabstandet und zu dieser parallel angeordnete, polierte Lichtaustrittsfläche 6 auf.
Die von dem einfallenden Lichtstrahl 2 festgelegte optische
Achse steht senkrecht auf der Lichteintritts- und Lichtaustrittsfläche 4, 6.
Nach dem Austritt aus dem Prüfkörper 3 wird
der austretende Lichtstrahl 15 auf eine Lichtfalle 7 abgebildet,
die verhindert, dass jegliches nicht in dem Prüfkörper gestreute Licht auf das
lichtempfindliche Element 10 abgebildet wird. In dem Prüfkörper 3 bildet
der Lichtstrahl 2 ein längliches
Streuvolumen 5 aus, dessen Profil dem Profil des eintretenden
Laserstrahls 2 entspricht und durch die verwendete Abbildungsgeometrie
vorgegeben ist. Wie der 1 entnehmbar ist, ist der Querschnitt
des eintretenden Lichtstrahls 2 wesentlich kleiner als
eine Abmessung des Prüfkörpers 3 senkrecht
zu der von dem Lichtstrahl 2 festgelegten optischen Achse.
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Licht,
das an Inhomogenitäten
bzw. diffusen Streuzentren, beispielsweise Fehlstellen, Streuzentren,
Volumeninhomogenitäten
und dergleichen, in dem Streuvolumen 5 in die Raumrichtung θs gestreut wird,
wird mittels einer Blende 8 und einer Linse bzw. einem
Objektiv 9 auf eine CCD-Kamera 10 abgebildet,
die eine ein- oder zweidimensionale Matrix von lichtempfindlichen
Elementen aufweist, deren eine Kante parallel zu einer Ebene ausgerichtet
ist, die von der optischen Achse des einfallenden Lichtstrahls 2 und
der optischen Achse 11 des gestreuten Lichts aufgespannt
wird. Die lichtempfindlichen Elemente der CCD-Kamera 10 werden
von einer Bildauswerteeinheit 12 und einer CPU 13 ausgelesen, weiterverarbeitet
und ausgewertet, wie nachfolgend beschrieben.
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Gemäß der 1 legt
die Blende 8 ein Raumwinkelelement fest, das auf die CCD-Kamera 10 abgebildet
wird. Die Apertur der Blende 8 kann so gewählt sein,
dass geeignete Abschnitte des Streuvolumens 5 auf die CCD-Kamera
abgebildet werden, wie nachfolgend beschrieben.
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Gemäß der 1 ist
beabstandet und stromabwärts
der Lichteintrittsfläche 4 des
Prüfkörpers 3 ein
vorderes Ende 20 des Streuvolumens 5, das zur Ermittlung
der Messgröße verwendet
wird, definiert und ist stromaufwärts der Lichtaustrittsfläche 6 des Prüfkörpers 3 ein
hinteres Ende 21 des Streuvolumens 5, das zur
Ermittlung der Messgröße verwendet
wird, definiert. Der Abstand des vorderen Endes 20 bzw.
des hinteren Ende 21 zu der Lichteintrittsfläche 4 bzw.
der Lichtaustrittsfläche 6 des
Prüfkörpers 3 ist
so gewählt,
dass jegliches Licht, das von einer Streuung des einfallenden Lichtstrahls 2 an
der Lichteintrittsfläche 4 bzw.
der Lichtaustrittsfläche 6 herrührt, nicht
zur Ermittlung der Messgröße verwendet wird.
Diese Begrenzung der Bildebene kann grundsätzlich ausschließlich mithilfe
der Geometrie des Strahlengangs des gestreuten Lichts und der Lagebeziehung
der CCD-Kamera 10 in Bezug auf den Prüfkörper 3 bewerkstelligt
werden, kann jedoch grundsätzlich
auch durch geeignete Auswertung der von der CCD-Kamera 10 ausgelesenen
Bilddatenwerte mittels der Bildauswerteeinheit 12 und/oder
der CPU 13 erfolgen, wie nachfolgend anhand der 2 beschrieben.
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Um
einen beliebigen Volumenbereich des Prüfkörpers 3 vermessen
zu können,
ist der Prüfkörper 3 auf
einer nicht dargestellten Prüfkörper-Halterung
gehalten und kann beliebig in der xz-Ebene verschoben werden. Um
Abbildungen des Streuvolumens 5 in unterschiedlichen Materialtiefen
zu ermöglichen,
sind die CCD-Kamera 10, das Objektiv bzw. die Linse 9 und
die Blende 8 gemeinsam gehalten und können diese gemeinsam in der
xy-Ebene verschwenkt
werden. Gemäß der 1 wird
Licht, das unter einem spitzen Winkel θs in die Vorwärtsrichtung gestreut
wird, auf die CCD-Kamera 10 abgebildet. Erfindungsgemäß ist dieser
Streuwinkel θs
bevorzugt auf einen Aperturwinkel des aus dem Material des Prüfkörpers 3 herzustellenden
optischen Elements abgestimmt und entspricht diesem ganz besonders bevorzugt.
Wird beispielsweise aus dem Material des Prüfkörpers 3 eine optische
Linse mit einer vorgegebenen numerischen Apertur hergestellt, so
wird der Streuwinkel θs
bevorzugt auf den Wert des der numerischen Apertur entsprechenden
Aperturwinkels eingestellt oder auf Werte, die kleiner sind, als
der so festgelegte Aperturwinkel. Bevorzugt ist Streuwinkel θs kleiner
als etwa 45 Grad, bevorzugter kleiner als etwa 30 Grad.
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Gemäß der 1 tritt
sämtliches
in dem Streuvolumen 5 unter dem Streuwinkel θs gestreute Licht
aus der Lichtaustrittsfläche 6 des
Prüfkörpers 3 aus.
Dies ist jedoch nicht zwingend erforderlich, vielmehr kann das unter
dem Raumwinkel θs
gestreute Licht zusätzlich
oder ausschließlich
aus der in Strahlrichtung des einfallenden Lichtstrahls 2 gesehen rechten
Seitenfläche
des Prüfkörpers 3 austreten, beispielsweise
dann, wenn Bereiche nahe der rechten Seitenfläche des Prüfkörpers 3 vermessen
werden sollen. Stets wird dabei die Geometrie des Strahlengangs
des gestreuten Lichts und die Lagebeziehung der CCD-Kamera 10 in
Bezug auf den Prüfkörper 3 so
gewählt,
dass nur vorgegebene Bereiche des Streuvolumens 5, wie
nachfolgend beschrieben, auf die CCD-Kameras 10 abgebildet
werden. Bei der Abbildung ist dabei die Lichtbrechung an der Grenzfläche zwischen
dem Prüfkörper 3 und
der den Prüfkörper 3 umgebenden
Luft zu berücksichtigen,
was der Darstellung des Strahlengangs in der 1 entnommen
werden kann.
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Zur
Bestimmung der Leistung des einfallenden Lichtstrahls 2 kann
vor der Lichteintrittsfläche 4 des
Prüfkörpers 3 ein
Strahlteiler 14 vorgesehen sein, der einen Teil des einfallenden
Lichtstrahls auf einen nicht dargestellten Photodetektor abbildet, dessen
Ausgangssignal von der CPU 13 eingelesen und weiterverarbeitet
werden kann.
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Nachfolgend
wird anhand der 2 eine beispielhafte Vorgehenweise
gemäß der vorliegenden Erfindung
zur quantitativen Bestimmung der optischen Güte eines transparenten Materials
eines Prüfkörpers beschrieben
werden.
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Zunächst werden
in dem Schritt S1 der Prüfkörper 3 und
der Lichtstrahl 2 geeignet relativ zueinander positioniert,
wie in der 1 gezeigt. Mit der so festgelegten
Relation zwischen Prüfkörper 3 und
einfallendem Lichtstrahl 2 wird in dem Prüfkörper 3 ein längliches
Streuvolumen 5 ausgebildet, das sich in der xz-Ebene an
einer vorgegebenen Position befindet.
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Dann
werden die Geometrie des Strahlengangs des gestreuten Lichts und
die Lagebeziehung der CCD-Kamera 10, der Linse bzw. des
Objektivs 9 und der Blende 8 so gewählt, dass
Licht, das in dem Streuvolumen 5 unter einem vorgegebenen
Raumwinkel gestreut wird, auf die CCD-Kamera 10 abgebildet
wird. Dabei kann grundsätzlich
das gesamte Streuvolumen 5 abgebildet werden. Ganz besonders bevorzugt
werden jedoch die Parameter der Abbildung so gewählt, dass nur das Streuvolumen
zwischen dem vorderen und dem hinteren Endbereich 20, 21 gemäß der 1 auf
die CCD-Kamera 10 abgebildet wird, also die Bildebene aufgrund
der Geometrie des Strahlengangs des gestreuten Lichts und der Lagebeziehung
der CCD-Kamera 10 in Bezug auf den Prüfkörper 3 geeignet beschnitten
wird. Gemäß einer
weiteren Ausführungsform
können
auch Unterabschnitte des Streuvolumens 5 zwischen dem vorderen
und dem hinteren Endbereich 20, 21 auf die CCD-Kamera 10 abgebildet
werden, wobei durch schrittweise Verschwenken der aus der Blende 8, dem
Objektiv bzw. der Linse 9 und der CCD-Kamera 10 gebildeten
Einheit um die Mitte des Prüfkörpers 3 schließlich die
gesamte Länge
des Streuvolumens 5 zwischen dem vorderen und dem hinteren
Endbereich 20, 21 abgetastet wird. Die Bilder
des so schrittweise abgebildeten Streuvolumens 5 werden
dann in der Bildauswerteeinheit 12 und/oder der CPU 13 durch
Aufsummieren bzw. Integrieren, wie nachfolgend beschrieben, zu einem
Bild des Streuvolumens 5 zusammengefügt.
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Die
Parameter der Abbildung des Streuvolumens 5 auf die CCD-Kamera 10 zur
geeigneten Bildebenenbeschneidung können bei bekannter Geometrie
der Prüfvorrichtung,
insbesondere bei bekannten Abmessungen des Prüfkörpers 3, bei bekanntem
Streuwinkel θs,
bei bekanntem Abstand der CCD-Kamera 10 zu dem Prüfkörper 3 und
bei bekannter Brennweite des Objektivs bzw. der Linse 9 einmalig
und im Voraus festgelegt werden.
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Wie
dem Fachmann ohne weiteres ersichtlich sein wird, kann eine entsprechende
Bildebenenbeschneidung auch auf elektronischem Wege an den aus der
CCD-Kamera 10 ausgelesenen Bilddatenwerten vorgenommen
werden. Zu diesem Zweck kann eine Bildauswertungssoftware vergleichsweise helle
Bildpunkte, die von der vergleichsweise starken Streuung des Lichtstrahls 2 an
der Lichteintrittsfläche 4 bzw.
der Lichtaustrittsfläche 6 herrühren, automatisch
identifizieren, zusammen mit der Anzahl von Pixel zwischen dem so
bestimmten vorderen und hinteren hellen Bereich auf dem Chip der
CCD-Kamera 10. Diese Anzahl Pixel stellt ein Maß für die Projektion
der Länge
des Streuvolumens 5 auf die optische Achse 11 des
gestreuten Lichts dar. Die Bildauswertungssoftware berechnet dann
in Kenntnis der Gesamtlänge
des Prüfkörpers 3 entlang
der Einfallsrichtung des Lichtstrahls 2 einen Zahlenwert,
der der Anzahl Pixel für
den Abstand zwischen der Lichteintrittsfläche 4 des Prüfkörpers 3 und
dem vorderen Ende 20 des Streuvolumens 5 bzw.
für den
Abstand zwischen der Lichtaustrittsfläche 6 und dem hinteren Ende 21 des
Streuvolumens 5 entspricht. Die Bildauswertungssoftware
schneidet dann ausgehend von den zuvor bestimmten hellen Bereichen,
die der Lichtstreuung an der Lichteintrittsfläche 4 bzw. der Lichtaustrittsfläche 6 entsprechen,
jeweils die so berechnete Anzahl Pixel ab und verwendet für die weitere
Bildauswertung nur die restlichen Pixel, die der nicht beschnittenen
Bildebene entsprechen.
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Auf
diese Weise wird von dem Prüfkörper 3 ein
Bild erfasst (Schritt S3) und wird in dem erfassten Bild ein Streuvolumen
bestimmt (Schritt S4). Zur weiteren Rauschunterdrückung können selbstverständlich mehrere
nacheinander für
dieselbe Position des Prüfkörpers 3 aufgenommene
Bilder gemittelt werden.
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Gemäß der vorliegenden
Erfindung sind das vordere bzw. hintere Ende 20, 21 des
Streuvolumens 5 somit ausreichend beabstandet zu der Lichteintrittsfläche 4 bzw.
der Lichtaustrittsfläche 6 des
Prüfkörpers 3,
sodass stets gewährleistet
ist, dass zur Charakterisierung der optischen Güte des Prüfkörpers 3 kein Streulicht
verwendet wird, dass von einer Lichtstreuung an der Lichteintrittsfläche 4 bzw.
der Lichtaustrittsfläche 6 herrührt.
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Anschließend werden
in dem Schritt S5 die in dem so bestimmten Streuvolumen erfassten
Bilddatenwerte aufsummiert oder integriert. Diese Integration bzw.
Aufsummierung erfolgt in dem einfachsten Fall einer eindimensionalen
CCD-Zeile in einer Richtung zwischen lichtempfindlichen Elementen,
die dem vorderen bzw. hinteren Ende 20, 21 des Streuvolumens 5 entsprechen.
Für den
Fall einer zweidimensionalen CCD-Matrix können in dem Schritt S4 auch
die Ränder
des Streuvolumens 5 in der xz-Ebene bestimmt werden. Selbstverständlich können diese
Ränder
auch im Voraus festgelegt werden. Für den Fall einer CCD-Kamera 10 mit
einem zweidimensionalen CCD-Chip werden die Bilddatenwerte in dem
Schritt S5 dann über
sämtliche
Zeilen, die dem Streuvolumen 5 entsprechen, integriert bzw. aufsummiert.
Diese Integration bzw. Aufsummierung kann mittels der CPU 13 rasch
ausgeführt
werden, sodass erfindungsgemäß sehr rasch
eine Messgröße ermittelt
werden kann, die die optische Güte
des Prüfkörpers 3 eindeutig
charakterisiert.
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Um
störende
Einflüsse
aufgrund eines nicht verschwindenden Bildhintergrunds bzw. eines
Rauschens zu eliminieren, kann ein weiterer Schritt S6 vorgesehen
sein, in dem Bereiche eines Bildhintergrunds bestimmt werden, für die ein
Hintergrundwert bestimmt wird, der von der in dem Schritt S5 ermittelten
Messgröße subtrahiert
wird. Damit die in dem Schritt S5 ermittelte Messgröße unabhängig von
der Intensität
des einfallenden Lichtstrahls 2 ist, kann die ermittelte
Messgröße in dem
Schritt S7 auch auf die Intensität
des einfallenden Lichtstrahls 2 normiert werden. Hierzu
kann der Strahlteiler 14 gemäß der 1 verwendet
werden, wie vorstehend beschrieben. Damit die in dem Schritt S5
ermittelte Messgröße unabhängig von
der tatsächlichen
Länge des
auf die CCD-Kamera 10 abgebildeten Streuvolumens 5 ist,
kann die ermittelte Messgröße in dem
Schritt S7 auch auf die tatsächliche
Länge des
auf die CCD-Kamera 10 abgebildeten Streuvolumens 5 normiert
werden.
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Die
so ermittelte Messgröße entspricht
dem Wert BSDF (Bidirectional Scatter Distribution Function), die
vorstehend beschrieben wurde und als eindeutig quantifizierbare
Streulichtkenngröße für einen vorgegebenen
Streuwinkel θs
angegeben werden kann. Mithilfe dieser Kenngröße ist erfindungsgemäß eine objektive
Bewertung des Streuverhaltens eines transparenten Prüfkörpers möglich.
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Selbstverständlich kann
die gesamte Oberfläche
des Prüfkörpers 3 in
der vorstehend beschriebenen Weise abgetastet werden, was in dem
Abfrageschritt S8 gemäß der 2 geprüft wird.
Auf diese Weise lässt
sich eine zweidimensionale Karte für die optische Güte des Prüfkörpers 3 in
der xz-Ebene ermitteln.
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Wie
der vorstehenden Beschreibung ohne weiteres entnommen werden kann,
wird das Bild des Streuvolumens in dem Schritt S3 mithilfe einer
ein- oder zweidimensionalen CCD-Kamera
ortsaufgelöst erfasst.
Somit können
erfindungsgemäß auch Streuzentren
und dergleichen in dem Streuvolumen 5 hoch aufgelöst erfasst
und untersucht werden.
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Experimente
der Erfinder haben ergeben, dass gemäß der vorliegenden Erfindung
die optische Güte
eines Prüfkörpers sehr
rasch und reproduzierbar bestimmt werden kann. Der so ermittelte
Zahlenwert eignet sich hervorragend zur Spezifikation, beispielsweise
als Herstellerangabe.
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Wenngleich
vorstehend beschrieben wurde, dass die Messgröße für einen vorbestimmten Streuwinkel θs ermittelt
wird, ist die vorliegende Erfindung darauf nicht beschränkt. Vielmehr
können
Messgrößen in der
vorstehend beschriebenen Weise auch für mehrere verschiedene Streuwinkel θs ermittelt
und spezifiziert werden, was beispielsweise von Vorteil ist, wenn
das zu prüfende
transparente Material für mehrere
verschiedene optische Anwendungen verwendbar ist.
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Wie
der vorstehenden Beschreibung entnehmbar ist, ist ein weiterer Gesichtspunkt
der vorliegenden Erfindung gerichtet auf eine Software, um die CPU 13,
die Bildauswerteeinheit 12, die CCD-Kamera 10,
eine Schwenkeinheit (nicht gezeigt) zum Verschwenken einer aus der
Blende 8, dem Objektiv bzw. der Linse 9 und der CCD-Kamera 10 gebildeten Einheit
um die Mitte des Prüfkörpers 3 und/oder
zum Verstellen der Prüfkörperhalterung
zur Durchführung des
vorstehend beschriebenen Verfahrens in geeigneter Weise zu steuern.
Eine solche Software kann auf einem geeigneten Datenträger, beispielsweise
einer CD-Rom, einem
magnetischen oder optischen Datenträger oder einem Speicherbaustein,
abgelegt sein und maschinen- oder computerlesbar sein.
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- 1
- Lichtquelle/Laser
- 2
- Lichtbündel/Einfallender
Lichtstrahl
- 3
- Prüfkörper/Probe
- 4
- Eintrittsfläche
- 5
- Streukanal
- 6
- Austrittsfläche
- 7
- Lichtfalle
- 8
- Blende
- 9
- Objektiv/Linse
- 10
- Lichtdetektor/CCD-Chip
- 11
- Optische
Achse des Abbildungsstrahlengangs
- 12
- Bildverarbeitungseinrichtung
- 13
- CPU
- 14
- Strahlformungsmittel
- 15
- Transmittierter
Lichtstrahl
- 20
- Vordere
Objektebene
- 21
- Hintere
Objektebene