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Die
Erfindung betrifft eine Messvorrichtung zur Messung der optischen
Eigenschaften unterschiedlichster Materialien. Je nach Ausgestaltung können
Transmission, Reflexion, Absorption und Streuung von Oberflächen,
Pulvern, Flüssigkeiten usw. bestimmt werden.
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Aus
EP0499312 ist eine Messvorrichtung
zur Transmissions- und/oder Reflexionsmessung scheibenförmiger
Messobjekte bekannt. Dabei wird das Messobjekt mittig zwischen zwei
Detektoren gebracht und mittels eines Strahlenbündels einer
Strahlungsquelle derart bestrahlt, dass der am Messobjekt reflektierte
Strahlungsanteil den einen Detektor erreicht, während der
vom Messobjekt durchgelassene Strahlungsanteil auf den anderen Detektor
trifft. Insbesondere bei Messungen über einen weiten Spektralbereich
(z. B. 380–2500 nm) ist die Verwendung von zwei Detektoren
aus Kostengründen sehr ungünstig.
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SU823989 betrifft eine Messvorrichtung
mit Integrationskugel. Ein Strahlenbündel einer Strahlungsquelle
wird auf ein Messobjekt fokussiert. Die vom Messobjekt durch Reflexion
und Transmission ausgehenden Strahlenbündel werden mittels
spiegelsymmetrischer Strahlengang-Anordnung in einer Integrationskugel
(Ulbricht-Kugel) zusammengeführt und nachfolgend durch
einen Detektor ausgewertet. Nachteilig ist einerseits, dass die
Erstreflexion der beiden Strahlenbündel innerhalb der Integrationskugel
an unterschiedlichen Stellen erfolgt. Bei inhomogener Oberfläche
und relativ großen Öffnungen der Integrationskugel
entsteht ein unbekannter Messfehler. Andererseits ist bei relativ
kleinen Öffnungen der Integrationskugel eine äußerst
exakte Ausrichtung des Messobjekts erforderlich, um den gewünschten Strahlengang
zu gewährleisten und weitere Messfehler auszuschließen.
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In
DE19857141 ist eine optische
Messvorrichtung mit Integrationskugel beschrieben, die als Spektrometerzusatz
ausgestaltet ist und in den Probenraum gebräuchlicher Spektrometer
eingesetzt werden kann. Dieser Spektrometerzusatz ermöglicht Transmissions-
und Reflexionsmessungen von pulverförmigen Substanzen und
sieht eine rechnerische Ermittlung der Absorptions- und Streuwerte
vor.
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Die
erfindungsgemäße Messvorrichtung soll vorzugsweise
Transmissions-, Reflexions- und Absorptionsmessungen von Messobjekten
(vorzugsweise von im Dünnschichtverfahren dielektrisch und/oder
metallisch beschichteten scheibenförmigen Substraten) auf
einfache, schnelle und wenig fehleranfällige Weise ermöglichen.
Zur Transmissions- und Reflexionsmessung soll ein gemeinsamer Detektor verwendet
werden und das Absorptionsverhalten soll unmittelbar gemessen und
nicht aus zwei Messungen berechnet werden. Weiterhin soll die neue
Messvorrichtung zusammen mit handelsüblichen faseroptischen
Spektrometern einsetzbar sein, wodurch eine Anpassung auf bestimmte
Probekammern entfällt und die Verwendung vorhandener faseroptischer Spektrometer
unterschiedlichster Hersteller zur Messwerterfassung möglich
ist.
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Gelöst
wird diese Aufgabe entsprechend Anspruch 1 mittels zweier gleichartiger
Strahlenbündel vorzugsweise einer Strahlungsquelle, die
am Messobjekt gemeinsame Strahlenbündel durchgelassener und
reflektierter Strahlung bilden. Ein Messobjekt (im Folgenden Substrat
genannt) ist in der Messebene angeordnet. Zwei Messstrahlenbündel
treffen von gegenüberliegenden Seiten auf das Substrat,
wobei das eine Strahlenbündel bei Transmission durch das Substrat
und das andere Strahlenbündel bei Reflexion am Substrat
einen gemeinsamen Strahlengang aufweisen und nachfolgend vorzugsweise
mit einem faseroptischen Spektrometer auswertbar sind. Da gleichartige
Strahlenbündel mit gleicher Leistung und gleicher spektraler
Zusammensetzung vorgesehen sind, ergeben Transmissions- und Reflexionsstrahlung
des Substrats die gleichen Strahlungseigenschaften, wie die eines
unbeeinflussten Strahlenbündels abzüglich der
Absorption des Substrates. Somit ergibt die Messung eines absorptionsfreien
(und streuungsfreien) Substrates die gleichen Strahlungseigenschaften,
wie die unmittelbare Messung eines Strahlenbündels ohne
Substrat in der Messebene. Wird eine entsprechende Leermessung zum
Abgleich des Spektrometers durchgeführt, so kann bei anschließenden
Substratmessungen unmittelbar das Absorptionsverhalten des Substrates
abgelesen werden. Dabei entsprechen 100% Strahlung keiner Absorption
und 0% Strahlung 100% Absorption. Die Messebene bezeichnet eine
imaginäre Ebene, in der ein vorzugsweise planes Substrat
zur Messung angeordnet wird. Dabei sind beispielsweise Auflageflächen
vorgesehen, die ein einfaches Anordnen von Substraten in der Messebene
ermöglichen. Bei beschichteten Substraten liegt die beschichtete
Seite vorzugsweise unmittelbar in der Messebene.
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Die
Ansprüche 2, 3 und 4 betreffen eine bevorzugte Ausgestaltung
der Erfindung. Die Verwendung diffus reflektierender Flächen
ist besonders vorteilhaft, da die Messstrahlengänge nicht
auf enge Strahlenbündel begrenzt sind, sondern entsprechend dem
Lambertschen-Gesetz in einem großen Winkelbereich verlaufen.
Bei spiegelsymmetrischer Anordnung der beiden diffus reflektierenden
Flächen (Lambertschen Flächen) zur Messebene,
liegen im gesamten Strahlungsbereich die durch ein Substrat durchscheinende
Fläche und das Spiegelbild der anderen Fläche
aus beliebiger "Blickrichtung" übereinander. So kann das
Absorptionsverhalten eines Substrates für unterschiedliche
Einfallswinkel unmittelbar gemessen werden. Wird ein faseroptisches
Element zur Einkopplung der Strahlung in einen Detektor verwendet,
so weist dieses Element einen begrenzten Öffnungswinkel
auf. Sind faseroptisches Element (vorzugsweise eine einzelne Faser
aus Quarzglas) und diffus reflektierende Flächen in Lage,
Abmessungen und Eigenschaften derart angepasst, dass der Öffnungswinkel
(„Blickwinkel”) des faseroptischen Elements größer
ist als das virtuelle Bild der zu messenden Flächen, so
werden auch bei leichtem Versatz der Flächenbilder durch
das Substrat, die gesamten Flächenbilder ausgewertet. Die
diffus reflektierenden Flächen werden vorzugsweise aus
einer gesinterten Teflon-Verbindung hergestellt, die unter den Namen
Spectralon® und Zenith® im
Handel ist. Diese weist ein fast optimales Lambertsches-Verhalten
auf und ist für einen weiten Spektralbereich (200–2500
nm) einsetzbar. Lambertsche Flächen sind in ihrem Strahlungsverhalten
unabhängig von der exakten Position einer Strahlungsquelle,
so dass bei Austausch der Strahlungsquelle keine Nachjustierung
der Strahlungswinkel erforderlich ist. Das Umfeld der diffus reflektierenden
Flächen ist durch geeignete Maßnahmen (z. B. Gehäuse)
strahlungsabsorbierend ausgestaltet.
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In
einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung entsprechend
der Ansprüche 5, 6, 7 und 8 werden die beiden Messstrahlenbündel
im Bereich einer Messöffnung einer Integrationskugel fokussiert,
wobei der Kreuzungspunkt der beiden Strahlenbündel in der
Messebene liegt. Die Verwendung einer Integrationskugel ist beispielsweise
dann sinnvoll, wenn ein kleiner Messpunkt ausgewertet werden soll.
Sind die Transmissions- und die Reflexionseigenschaften des Substrates
winkelabhängig, so ist eine exakte Winkeljustage für
eine aussagekräftige Messung der Absorptionseigenschaften
erforderlich. Durch Integration der reflektierten und der durch gelassenen
Detektionsstrahlung werden kleinere Fehler beispielsweise durch
Brennpunktversatz ausgeglichen. Durch die unmittelbare Nähe
des zu messenden Substrates zur Integrationskugel, ist die Messvorrichtung
unempfindlich gegen kleine Positionsfehler (Winkelfehler) des Substrates.
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Entsprechend
Anspruch 6 ist ein rohrförmiges Blendenelement im Bereich
der Messöffnung vorgesehen, so dass Strahlung abgeblendet
wird, die das zu messende Substrat in sehr schrägem Winkel erreichen
würde. Dies ist insbesondere bei Substraten mit winkelabhängiger
Beschichtung sehr nützlich: Die vom Substrat in Richtung
Integrationskugel durchgelassenen und reflektierten Strahlenanteile der
Strahlenbündel werden von der Oberfläche der Integrationskugel
(entsprechend Cosinus-Funkion/Lambertschem-Gesetz) diffus reflektiert.
Ein Teil dieser Strahlung würde in beliebigem Winkel erneut auf
das Substrat treffen und insbesondere das Messergebnis winkelabhängiger
Substrate verfälschen.
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Bei
Verwendung von zwei Messvorrichtungen mit unterschiedlich ausgestaltetem
Blendenelement (z. B. unterschiedliche Längen) kann zwischen Absorption
und Streuung eines Substrates unterschieden werden, da die Absorption
bei beiden Messvorrichtungen gleich, die Streuung jedoch mit unterschiedlichem
Faktor bewertet würde. Grundsätzlich ist also
auch die Ermittlung des Streuanteils möglich. Bei dielektrisch
und oder metallisch beschichteten Substraten ist der Streuanteil
jedoch meist gering und eine gemeinsame Auswertung des Absorptions-
und Streuverhaltens in der Regel ausreichend.
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Eine
zweite Messebene entsprechend Anspruch 7 ermöglicht die
gesonderte Messung von Transmission und Reflexion. Befindet sich
das zu messende Substrat in dieser zweiten Messebene, und ist die
Messvorrichtung so ausgestaltet, dass das zweite Strahlenbündel
entweder im Bereich dieser Messebene absorbiert wird oder bei Reflexion
(an Substrat bzw. Messebene) die Messöffnung der Integrationskugel
verfehlt, so werden nur die Transmissionswerte des ersten Strahlenbündels
ermittelt (Transmissionsmessung). Befinden sich ein strahlungsundurchlässiges
Substrat in der zweiten Messebene und das zu messende Substrat in
der ersten Messebene, so werden nur die Reflexionswerte des zweiten
Strahlenbündels ermittelt (Reflexionsmessung). Anspruch
8 erleichtert den Anschluss von zwei faseroptischen Spektrometern
mit beispielsweise unterschiedlichem Spektralbereich. Der grundsätzlich erreichbare
Messbereich reicht von ca. 200 bis 2500 nm (UV(VIS/IR). Der Messbereich
faseroptischer Spektrometer umfasst in der Regel nur einen Teilbereich,
so dass die gleichzeitige Verwendung von zumindest zwei Spektrometern
oft sinnvoll ist. Natürlich ist es auch möglich
zwei Spektrometer mittels einer Y-Faser an einer Lichtaustrittsöffnung
anzuschließen. Bei einer Messvorrichtung nach Anspruch
2 ist es sogar vorteilhaft, dass zur Verwendung von zwei Spektrometern
an einem Detektionspunkt das faseroptische Element (entsprechend
Anspruch 4) als Y-Faser ausgestaltet ist.
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Weitere
bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Ansprüchen
9, 10 und 11 beschrieben.
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Nach
Anspruch 9 kann die Einkopplung von Strahlung in die Messstrahlengänge
einzeln gesperrt werden, um in der ersten Messebene (Messebene nach
Anspruch 1) zusätzlich zur Absorptionsmessung auch Transmissions-
und Reflexionsmessungen vornehmen zu können.
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Anspruch
10 betrifft einen unkomplizierten Abgleich der beiden Strahlenbündel.
Anspruch 11 bezieht sich auf eine besonders vorteilhafte Ausgestaltung
der Strahlungsquelle. Im Gegensatz zu einer realen Strahlungsquelle
(z. B. Halogenlampe) handelt es sich um eine „virtuelle"
Strahlungsquelle. Strahlung mit relativ großem Einfallswinkel
wird in die Spitze einer konischen Faser eingekoppelt und durchläuft
die Faser. Mit jeder Reflexion an der Faserwand verringert sich
der Winkelbereich des Strahlenbündels. Ist die Strahlungsaustrittsfläche
senkrecht zur Faser ausgestaltet, so verlässt ein gerichtetes
Strahlenbündel die Faser. Dieses kann beispielsweise mittels
eines gleichschenkligen Prismas in zwei gerichtete Strahlenbündel
mit geeignetem Abstrahlwinkel aufgeteilt werden. Der virtuelle Schnittpunkt
der beiden Strahlenbündel entspricht dann der „virtuellen" Strahlungsquelle.
Besonders bevorzugt ist jedoch die Ausgestaltung der Faser mit zwei
spiegelsymmetrischen Strahlungsaustrittsflächen geeigneten
Winkels, wodurch die in die Faser eingekoppelte Strahlung direkt
in zwei gerichtete Strahlenbündel aufgeteilt wird.
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Die
Verwendung einer konischen Faser als Strahlungsquelle ermöglicht
eine gezielte Erzeugung der beiden Strahlenbündel. In eine
Faser eingekoppelte Strahlung kann somit verlustarm für
die erfindungsgemäße Messvorrichtung eingesetzt
werden. Besonders dann, wenn UV-Strahlung benötigt wird, ist
diese „virtuelle" Strahlungsquelle vorteilhaft, da bereits
faseroptische Strahlungsquellen für den UV- und den kombinierten
UV/VIS/IR-Bereich auf dem Markt sind, deren Strahlung somit effizient
in die erfindungsgemäße Messvorrichtung eingekoppelt
werden kann.
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Beispielhafte
Ausführungsformen der Erfindung werden nachfolgend anhand
der Zeichnung näher erläutert.
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Es
zeigen:
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1 eine
schematische Seitenansicht einer optischen Messvorrichtung mit diffus
reflektierenden Flächen
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2 eine
schematische Seitenansicht einer optischen Messvorrichtung mit Integrationskugel
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3 eine
schematische Aufsicht auf die Integrationskugel aus 2
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4 eine
Prinzipdarstellung einer faseroptischen Strahlungsquelle
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In 1 ist
eine erfindungsgemäße Messvorrichtung mit diffus
reflektierenden Elementen 80a und 80b dargestellt.
Eine Strahlungsquelle 1 (z. B. Halogenlampe 14)
ist in Höhe einer Messebene 20 angeordnet und
sendet begrenzt durch ein Blendenelement 5 zwei symmetrisch
zur Messebene 20 laufende Strahlenbündel 10a, 10b aus.
Das Strahlenbündel 10a trifft auf eine diffus
reflektierende Fläche 40a des Elements 80a und
wird von dieser als diffuses Strahlenbündel mit den Strahlungsanteilen 11a und 11a'
reflektiert.
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Entsprechend
spiegelsymmetrisch zur Messebene 20 läuft das
Strahlenbündel 10b zu einer diffus reflektierenden
Fläche 40b des Elements 80b und wird
von dieser als diffuses Strahlenbündel (entsprechend Lambertschem-Gesetz)
mit den Anteilen 11b und 11b' reflektiert. Ein
Ausschnitt des diffusen Strahlenbündels 110b ist
schematisch dargestellt. Die diffus reflektierenden Flächen 40a und 40b sind auf
eine definierte Größe durch strahlungsabsorbierende
Einfassungen 81a und 81b begrenzt. Bevorzugt sind
alle strahlungsundurchlässigen Elemente im Messbereich
(z. B. Abblendelemente 9a/9b, „Schalter" 19a/19b,
Blendenelement 5, Einfassung des faseroptischen Elements 100, 100', 100'' und nicht
dargestellte Gehäuseelemente strahlungsabsorbierend ausgeführt.
Die diffus reflektierenden Elemente 80a und 80b werden
vorzugswei se aus Spectralon® oder
Zenith® und derart aus einem Stück
gefertigt, dass die Flächen 40a und 40b bei
Teilung des Stückes als Schnittflächen entstehen.
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Die
Strahlenbündel 10a und 10b sind durch die Öffnungen
der Blende 5 begrenzt. Durch justierbare Abblendelemente 9a und 9b ist
die Strahlungsleistung der Strahlenbündel 10a und 10b genau
aufeinander abgleichbar.
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Befindet
sich kein Substrat in der Messebene 20, so tritt der Strahlenbündelanteil 11b als
Strahlenbündelanteil 12b in das faseroptische
Element 100 (Detektionspunkt) ein. Die diffuse Strahlung
von Fläche 40a erreicht nicht auf direktem Weg
das faseroptische Element 100. Nur ein geringer Strahlungsanteil
wird von Fläche 40b diffus reflektiert, so dass
ein äußerst kleiner von Fläche 40a abgegebener
Strahlungsanteil durch das Faseroptische Element 100 detektiert
wird. Durch den symmetrischen Aufbau der Messvorrichtung entsteht
hierdurch jedoch kein Messfehler.
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Befindet
sich in Messebene 20 ein teiltransparent beschichtetes
Substrat, dessen beschichtete Seite sich vorzugsweise unmittelbar
in der Messebene 20 befindet, so werden die Strahlenbündelanteile 11a und 11b jeweils
in einen Transmissionsteil und einen Reflexionsteil aufgeteilt.
Strahlenbündelanteil 11a wird in einen Reflexionsanteil 12b und
einen Transmissionsanteil (nicht dargestellt), Strahlenbündelanteil 11b hingegen
in einen Transmissionsanteil 12b und einen Reflexionsanteil
(nicht dargestellt) aufgeteilt. Die durchgelassenen und reflektierten Strahlenbündelanteile 12b werden
vom faseroptischen Element 100 detektiert. Ist das Substrat
absorptionsfrei (und streuungsfrei), so ergeben die Strahlenbündelanteile 12b die
gleiche Strahlungsleistung wie die oben beschriebene Leermessung ohne
Substrat. Ist das Substrat absorptionsbehaftet, so wird die Strahlungsintensität
um den Absorptionsanteil vermindert (100%-Absorption).
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Befindet
sich ein zu messendes Substrat in der Messebene 20 und
wird das Strahlenbündel 10a durch Einbringen des „Schalters" 19a gesperrt,
so erreicht nur der vom Substrat durchgelassene Strahlungsanteil 12b des
Strahlenbündelanteils 11b den Detektionspunkt 100 (Transmissionsmessung).
Wird hingegen das Strahlenbündel 10b durch Einbringen des „Schalters" 19b gesperrt,
so erreicht nur der vom Substrat reflektierte Strahlungsanteil 12b des
Strahlenbündelanteils 11a den Detektionspunkt 100 (Reflexionsmessung).
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Zusätzlich
zu den Strahlenbündelanteilen 11a, 11b und 12b und
dem faseroptischen Element (Detektionspunkt) 100 sind die
Strahlenbündelanteile 11a' 11b' und 12b' und
das faseroptische Element 100' für einen weiteren
Detektionswinkel gestrichelt darge stellt. Die obenstehende Beschreibung
ist analog auch auf diesen Detektionswinkel anwendbar. Weiterhin
ist der Öffnungswinkel (Apertur) 120' des faseroptischen
Elements 100' schematisch dargestellt.
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Sollen
die diffus reflektierenden Elemente 80a und 80b aufeinander
kalibriert werden, so sind die Elemente 80a und 80b entweder
untereinander zu vertauschen, oder das faseroptische Element 100 an
Position 100'' zu bringen. Hierfür sind sowohl
eine zweite Befestigungsmöglichkeit des faseroptischen Elements 100 an
Position 100'' als auch eine drehbare Aufhängung
denkbar. Die Messwinkeleinstellung des Detektionspunktes 100, 100' kann
mit vergleichbaren mechanischen Vorkehrungen erfolgen. Die Strahlenbündel 10a und 10b sowie
die Strahlenbündelanteile 11a, 11a', 11b und 11b' entsprechen
den Messstrahlengängen, die Strahlenbündelanteile 12b und 12b' entsprechen
dem Detektionsstrahlengang.
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In 2 ist
eine erfindungsgemäße Messvorrichtung mit Integrationskugel 8 dargestellt.
Eine Strahlungsquelle 1 ist in Höhe einer Messebene 20 angeordnet
und sendet zwei symmetrisch zur Messebene 20 laufende Strahlenbündel 10a, 10b aus. Handelt
es sich um eine reale Strahlungsquelle wie z. B. eine Halogenlampe 14,
so ist die Strahlungsabgabe natürlich nicht auf diese beiden
Strahlenbündel 10a und 10b begrenzt und
es sind geeignete Strahlbegrenzungen (Blenden) einzusetzen. Das
Strahlenbündel 10a trifft auf einen Spiegel 4a,
wird von diesem reflektiert und durch eine Linse 3a als
Strahlenbündel 11a in den Bereich der Messöffnung 7 einer Integrationskugel 8 fokussiert.
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Entsprechend
spiegelsymmetrisch zur Messebene 20 läuft das
Strahlenbündel 10b zu einem Spiegel 4b,
wird von diesem reflektiert und von einer Linse 3b als
Strahlenbündel 11b in den Bereich der Messöffnung 7 fokussiert.
Dabei durchläuft das Strahlenbündel 11b die
Integrationskugel 8, ohne jedoch auf die Oberfläche 2 (Integrationsfläche)
zu treffen. Die Spiegel 4a und 4b sind entweder
zwei Oberflächenspiegel, die direkt nebeneinander produziert sind,
so dass sie in ihren Reflexionseigenschaften gleich sind, oder es
kommen unbeschichtete Substrate mit ausreichend hoher Reflexion
(z. B. Saphirglas oder Cubic Zirkonia) zum Einsatz.
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Die
Strahlenbündel 11a und 11b sind durch Blenden 5a und 5b begrenzt.
Dabei ist die Öffnung der Blende 5a etwas größer,
so dass durch ein justierbares Abblendelement 9 die Strahlungsleistung des
Strahlenbündels 11a genau auf die Strahlungsleistung
des Strahlenbündels 11b justiert werden kann.
Das Abblendelement 9 ist vorzugsweise als Schraube ausgestaltet,
die durch Drehen weiter in das Strahlenbündel 11a hinein
bzw. aus diesem hinaus bewegt werden kann. Dabei ist die Spitze
des Abblendelements 9 vorzugsweise strahlungsabsorbierend
ausgestaltet.
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Befindet
sich weder in Messebene 20 noch in der zusätzlichen
Messebene 30 ein zu messendes Substrat, so tritt das Strahlenbündel 11a als
Strahlenbündel 12a in die Integrationskugel 8 ein
und trifft auf die Integrationsfläche 2 (Oberfläche).
Dass Strahlenbündel 11b läuft als Strahlenbündel 12b weiter
und trifft auf die zweite Messebene 30. Diese Messebene ist
vorzugsweise als strahlungsabsorbierende Fläche ausgestaltet,
die nur im Bereich des Strahlenbündels 11a eine
Durchlassöffnung aufweist. Somit wird das Strahlenbündel 11a (12a)
vollständig integriert und das Strahlenbündel 11b (12b)
absorbiert.
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Befindet
sich in Messebene 20 ein beschichtetes teiltransparentes
Substrat, dessen beschichtete Seite sich vorzugsweise unmittelbar
in der Messebene 20 befindet, so werden die Strahlenbündel 11a und 11b jeweils
in einen Transmissionsteil und einen Reflexionsteil aufgeteilt.
Strahlenbündel 11a wird zu einem Transmissionsteil 12a und
einem Reflexionsteil 12b, Strahlenbündel 11b hingegen
wird zu einem Reflexionsteil 12a und einem Transmissionsteil 12b. Die
durchgelassenen und reflektierten Strahlenbündelanteile 12a werden
integriert. Ist das Substrat absorptionsfrei (und streuungsfrei),
so ergeben die Strahlenbündelanteile 12a die gleiche
Strahlungsleistung wie die oben beschriebene Leermessung ohne Substrat.
Ist das Substrat absorptionsbehaftet, so wird die Strahlungsintensität
um den Absorptionsanteil vermindert (100%-Absorption).
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Befindet
sich ein teiltransparentes Substrat in der zweiten Messebene 30,
so wird das Strahlenbündel 11a durch das Substrat
beeinflusst und als Strahlenbündel 12a integriert
(Transmissionsmessung), während das Strahlenbündel 11b durch
die strahlungsabsorbierende Ausgestaltung der zweiten Messebene 30 absorbiert
wird.
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Befindet
sich ein strahlungsabsorbierendes oder strahlungsundurchlässiges
Substrat in der zweiten Messebene 30 und das zu messende
Substrat in der Messebene 20, so wird das Strahlenbündel 11a nicht
zur Messöffnung 7 durchgelassen. Das Strahlenbündel 11b hingegen
wird teilweise als Strahlenbündel 12a reflektiert
und in der Integrationskugel 8 integriert (Reflexionsmessung),
während der durchgelassene Teil 12b absorbiert
wird. Die zweite Messebene 30 ist vorzugsweise auch derart
ausgestaltet und angeordnet, dass das Strahlenbündel 12b bei Reflexion
am Substrat bzw. an der Messebene 30 die Lichteintrittsöffnung 7 verfehlt.
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Zusätzlich
zur oben beschriebenen Transmissions- und Reflexionsmessung mit
Hilfe einer zweiten Messebene 30 können diese
Messungen auch in der ersten Messebene 20 dadurch erfolgen, dass
mittels der „Schalter" 19a und 19b jeweils
eines der Strahlenbündel 10a oder 10b gesperrt
wird. Befindet sich ein zu messendes Substrat in der Messebene 20 und
wird das Strahlenbündel 10b durch Einbringen des „Schalters" 19b gesperrt,
so erreicht nur der vom Substrat durchgelassene Strahlungsanteil 12a des
Strahlenbündels 11a die Integrationsfläche 2 (Transmissionsmessung).
Wird hingegen das Strahlenbündel 10a durch Einbringen
des „Schalters" 19a gesperrt, so erreicht nur
der vom Substrat reflektierte Strahlungsanteil 12a des
Strahlenbündels 11b die Integrationsfläche 2 (Reflexionsmessung).
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Ist
die Messung streuungsfreier, winkelabhängiger Substrate
beabsichtigt, so ist kein Strahlungseinfall auf das Substrat mit
von den Strahlenbündeln 11a und 11b abweichenden
Strahlungswinkeln erwünscht. Um den Einfall der von der
Integrationsfläche 2 der Integrationskugel 8 diffus
abgegebenen Strahlung auf das Substrat zu unterbinden ist im Bereich
der Messöffnung 7 ein rohrförmiges Blendenelement 17 geeignet
angeordnet. Dieses Blendenelement 17 verhindert schrägen
Strahlungseinfall von der Integrationsfläche 2 auf
das Substrat und entsprechende Rückreflexionen in die Integrationskugel 8,
wobei die Strahlenbündel 11a und 11b sowie
die Strahlungsanteile 12a ungehindert durchgelassen werden.
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Die
Integrationskugel 8 muss natürlich nicht zwangsweise
kugelförmig sein, sondern kann auch beispielsweise linsenförmig
oder eckig ausgestaltet sein. Besonders bevorzugt ist eine derartige
Ausgestaltung der Integrationskugel 8, dass die Außenfläche
(Mantelfläche) des Blendenelements 17 möglichst
wenig Einfluss auf das Reflexionsverhalten der Integrationsfläche 2 ausübt
(entsprechend Zeichnung 1). Dadurch wird die Strahlungsdichte in
der Integrationskugel deutlich weniger abgeschwächt.
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Weiterhin
ist bevorzugt, dass insbesondere die Positionierung von Integrationskugel 2,
Linsen 3a und 3b, Spiegeln 4a und 4b,
Blenden 5a und 5b sowie der Messebenen 20 und 30 durch
ein gemeinsames Halterungselement erfolgt, um Winkelfehler und dergleichen
zu minimieren. Zur Herstellung des Halterungselements eignen sich
beispielsweise Gusstechniken in Kombination mit „Rapid
Prototyping" oder auch „Freeform"-Laserverfahren.
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Zur
Winkeljustierung der beiden Strahlenbündel 11a und 11b ist
die Strahlungsquelle 1 (entsprechend Doppelpfeil) höhenverstellbar
ausgeführt. Befindet sich ein winkelabhängiges,
absorptionsarmes Substrat mit steilen Filterkanten in der Messebene 20 und treffen
beide Strahlenbündel 11a und 11b in nicht
gleichem Winkel auf das Substrat, so lassen sich zwar der integrierte
Transmissions- und Reflexionsanteil 12a der Strahlenbündel 11a und 11b mittels des
Abblendelements 9 auf gleiche Strahlungsleistung justieren,
es verbleiben jedoch Peaks größerer oder kleinerer
Strahlungsleistung im Bereich der Filterkanten. Diese Peaks lassen
sich durch geeignete Höhenjustierung der Strahlungsquelle 1 und
die damit verbundene Winkeljustierung eliminieren. Bei erfolgter
Justierung der Strahlungsleistung und des Winkeleinfalls der beiden
Strahlenbündel 11a und 11b ergeben absorptionsfreie
Substrate beliebiger Filterkurven die gleiche Strahlungsleistung
und Spektralverteilung wie eine substraffreie Leermessung von Strahlenbündel 11a.
Wird die Leermessung über den gesamten Spektralbereich
auf 100% gesetzt, so ergibt die Messung eines absorptionsfreien (und
streuungsfreien) Kalibriersubstrates ebenso eine 100%-Linie.
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Die
Einkopplung der integrierten Strahlung in ein faseroptisches Spektrometer
erfolgt über eine Lichtaustrittsöffnung 6.
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Die
Strahlenbündel 10a, 10b, 11a und 11b entsprechen
den Messstrahlengängen, das Strahlenbündel 12a entspricht
dem Detektionsstrahlengang.
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Auf
die Darstellung von Gehäuseelementen wurde verzichtet,
da eine geeignete Anordnung dem Fachmann bekannt ist.
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In 3 sind
Lichtaustrittsöffnungen 6a und 6b näher
dargestellt. Gegenüber der Lichtaustrittsöffnungen 6a und 6b befindet
sich jeweils die Integrationsfläche 2 der Integrationskugel 8 und
nicht die jeweils andere Lichtaustrittsöffnung 6a oder 6b.
Dadurch erfolgt die Einkopplung der integrierten Strahlung bevorzugt
in Faserrichtung (dargestellt als Strahlenbündel 60a und 60b).
Die Lichtaustrittsöffnungen 6a und 6b sind
symmetrisch zum rohrförmigen Blendenelement 17 und
zur Einlassöffnung 16 des Strahlenbündels 11b (1)
in die Integrationskugel 8 angeordnet. Eine Lichtaustrittsöffnung 6a/6b hat
einen auf den Faserstecker (z. B. SMA-905) angepassten Durchmesser.
Die eigentliche Lichtaustrittsöffnung 61a/61b der
Integrationskugel 8 hat einen kleineren Durchmesser, um
bessere Integration zu ermöglichen. Bevorzugt wird ein
strahlungsabsorbierender Blendenring 62a/62b hinter
der Lichtaustrittsöffnung 61a/61b angeordnet.
Dieser Blendenring 62a/62b kann beispielsweise
ein O-Ring aus Kautschuk sein. Als Material für die Integrationskugel 8 wird
vorzugsweise ein hochweißes Material auf Teflon-Basis verwendet,
dass unter den Handelsbezeichnungen Spectralon® und
Zenith® auf dem Markt ist.
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4 betrifft
eine bevorzugte Ausgestaltung der Strahlungsquelle 1 als
virtuelle Strahlungsquelle 1'. Dabei wird ein Strahlenbündel
großer Apertur 13 (z. B. aus einer Quarzfaser
in das dünne Ende eines konischen faseroptischen Elements 15 eingekoppelt.
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Die
Strahlung durchläuft das Element 15, wobei aufgrund
der konischen Ausgestaltung der Öffnungswinkel der Strahlung
bei jeder Reflexion verringert wird. Am dicken Ende des faseroptischen
Elements 15 sind Strahlungsaustrittsflächen dachförmig und
symmetrisch in geeignetem Winkel angeschliffen, so dass zwei Strahlenbündel 10a und 10b mit geringer
Apertur austreten, die den Strahlenbündeln 10a und 10b aus 1 oder 2 entsprechen.
Diese Ausgestaltung hat den Vorteil, dass beliebige Strahlungsquellen
in die Messvorrichtung eingekoppelt werden können (z. B.
eine kombinierte Deuterium- und Halogenquelle). Das konische faseroptische Element 15 ist
vorzugsweise aus einer für den UV-Bereich angepassten Quarzglasfaser
hergestellt.
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Natürlich
sind weitere Möglichkeiten zur Erzeugung zweier spektral
gleicher Strahlenbündel 10a und 10b denkbar:
Es kann durch geeignet gebogene Lichtleitfasern auf die Spiegel 4a und 4b (2)
verzichtet werden; es können zwei gleich strahlende Lampen
zur Erzeugung je eines der Strahlenbündel 10a und 10b (2)
mit entsprechend angepasster Optik zum Einsatz kommen; oder es können
anstelle der diffus reflektierenden Flächen 40a und 40b (1)
unmittelbar diffuse Strahler verwendet werden usw. Das Grundprinzip
der erfindungsgemäßen Messvorrichtung bleibt jedoch
erhalten.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - EP 0499312 [0002]
- - SU 823989 [0003]
- - DE 19857141 [0004]