DE102007061213A1

DE102007061213A1 - Anordnung zum Bestimmen des Reflexionsgrades einer Probe

Info

Publication number: DE102007061213A1
Application number: DE102007061213A
Authority: DE
Inventors: Nico Correns; Werner Hoyme; Felix Dr. Kerstan; Thomas Keune; Wilhelm Schebesta
Original assignee: Carl Zeiss MicroImaging GmbH
Current assignee: Carl Zeiss Microscopy GmbH
Priority date: 2007-12-19
Filing date: 2007-12-19
Publication date: 2009-06-25
Also published as: EP2235503A1; US20110007319A1; WO2009077110A1

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf eine Anordnung zum Messen des Reflexionsgrades der direkten oder gestreuten Reflexion an einer Probe (8), mit einer Lichtquelle zur gesonderten Beleuchtung der Probe (8) einerseits und von Vergleichsflächen andererseits sowie mit einer Auswerteschaltung zur rechnerischen Verknüpfung der von den Vergleichsflächen ermittelten Intensitätswerte zu dem Reflexionsgrad der Probenoberfläche. Die erfindungsgemäße Anordnung umfaßt neben der Lichtquelle, bevorzugt einer Reflektorlampe (2), - einen Weißstandard (6), einen Schwarzstandard (7) und die Oberfläche der Probe (8) zur Verkörperung einer Meßfläche, wobei der Austausch des Weißstandards (6), des Schwarzstandards (7) und der Probe (8) in einer vorgegebenen Folge gegeneinander vorgesehen ist, - Mittel zur Messung der Intensität des von einer internen Weißfläche (10) reflektierten Lichts und zur Messung der Intensität des jeweils von der Meßfläche reflektierten Lichts sowie - eine Auswerteschaltung, die zum Registrieren der gemessenen Intensitätswerte und zu deren rechnerischen Verknüpfung zu dem Reflexionsgrad ausgebildet ist.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Anordnung zum Messen des Reflexionsgrades der direkten oder gestreuten Reflexion einer Probe, mit einer Lichtquelle zur gesonderten Beleuchtung der Probe einerseits und von Vergleichsflächen andererseits, sowie mit einer Auswerteschaltung zur rechnerischen Verknüpfung der von den Vergleichsflächen ermittelten Intensitätswerte zu dem Reflexionsgrad.
Im Stand der Technik sind Anordnungen zur Bestimmung des Reflexionsgrades von Probenoberflächen bekannt, bei denen als Vergleichsflächen eine Weißstandardfläche und eine Schwarzstandardfläche verwendet werden. Jeweils zu Beginn der Messungen wird mit diesen beiden Standards eine Meßskala festgelegt und mit dieser Skala das Meßgerät kalibriert. Zwischen den beiden von dem Weißstandard und dem Schwarzstandard gebildeten Eckwerten, beide am selben Ort wie die Probe gemessen, ordnet sich der von der Probenoberfläche ermittelte Reflexionsgrad ein.
Allerdings ändern sich bei den zur Reflexionsmessung genutzten Meßgeräten die Systemparameter, da beispielsweise die Intensität der Lichtquelle nachläßt oder sich die Empfindlichkeit von Sensoren ändert, die zur optoelektronischen Wandlung von Empfangssignalen dienen. Um diese Änderungen zu kompensieren, ist bei wiederholt durchzuführenden Messungen eine Rekalibrierung der Meßskala erforderlich.
Im einfachsten Fall wird dazu die Probe aus der Probenebene entfernt, an deren Stelle zunächst die Weißstandardfläche und danach die Schwarzstandardfläche oder umgekehrt positioniert und damit die Meßskala neu definiert. Diese Verfahrensweise ist wegen der für die Kalibrierung erforderlichen verhältnismäßig großen Zeitdauer lediglich im Labor einsetzbar. In der Prozeßmeßtechnik dagegen sind diese Unterbrechungen störend und in vielen Fällen auch gar nicht möglich.
Zwar sind Systeme bekannt, bei denen die Dauer der Unterbrechung reduziert wird, indem nur einmal zu Beginn eines Meßprozesses mit den beiden Standards das System kalibriert wird und dann jeweils nach einem vorgegebenen Zeitabschnitt, beispielsweise einer Stunde, Änderungen der Systemparameter kompensiert dadurch werden, daß innerhalb der Meßeinrichtung zusätzliche Flächen, jeweils eine für Schwarz und eine für Weiß, zeitlich nacheinander in den Meßlichtstrahlengang eingeschwenkt werden und als Vergleichsflächen dienen.
Für das Ein- und Ausschwenken der Weiß- und Schwarzflächen müssen allerdings ebenfalls Meßprozesse unterbrochen werden und können somit nicht kontinuierlich ablaufen.
Außerdem kann bei den aus dem Stand der Technik bekannten Meßgeräten nicht ausgeschlossen werden, daß von der Probenoberfläche reflektiertes Licht auf die Sensoren einstrahlt und dadurch eine exakte Kalibrierung verhindert wird.
Davon ausgehend liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Anordnung der eingangs genannten Art so weiterzubilden, daß eine effizientere Bestimmung des Reflexionsgrades von Proben bzw. Probenoberflächen als bisher im Stand der Technik gewährleistet ist.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst mit einer Anordnung, umfassend:

a) eine Lichtquelle zur gesonderten Beleuchtung sowohl einer Weißfläche als auch einer Meßfläche, wobei – zur Verkörperung der Meßfläche ein Weißstandard, ein Schwarzstandard und die Probenoberfläche vorgesehen sind, und – ein Austausch des Weißstandards, des Schwarzstandards und der Probe in einer vorgegebenen Folge gegeneinander vorgesehen ist,
b) Mittel zur Messung der Intensität des von der Weißfläche reflektierten Lichts und zur Messung der Intensität des jeweils von der Meßfläche reflektierten Lichts,
c) eine Auswerteschaltung, ausgebildet zum Registrieren der gemessenen Intensitätswerte und zu deren rechnerischer Verknüpfung zu dem Reflexionsgrad.

Damit wird vorteilhaft erreicht, daß die Kalibrierung während eines Meßprozesses beliebig oft und in beliebig vorgegebenen Zeitabschnitten erneut vorgenommen werden kann ohne den Meßablauf erheblich zu stören, wie weiter unten anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert wird.
Vorteilhaft ist die Weißfläche diffus reflektierend ausgebildet, und die Lichtquelle, die Weißfläche und die Mittel zur Intensitätsmessung sind allseitig vom Gehäuse eines Meßkopfes umschlossen, wohingegen die Meßfläche außerhalb des Meßkopfes angeordnet ist. Diesbezüglich weist das Gehäuse des Meßkopfes einen Bereich auf, der für das von der Lichtquelle ausgehende und für das von der Meßfläche reflektierte Licht transparent ist. Wegen der Integration der Weißfläche in den vom Gehäuse umschlossenen Meßkopf wird nachfolgend auch die Bezeichnung interne Weißfläche verwendet.
Als Mittel zur Intensitätsmessung ist mindestens ein optoelektronischer Wandler vorgesehen, der im Zusammenhang mit der hier beschriebenen Erfindung nachfolgend als Detektor bezeichnet wird, und es sind Lichtwellenleiter mit jeweils vorgeordneter Einkoppeloptik zur Erfassung und zur Übertragung von Licht, das an der internen Weißfläche reflektiert wird, und von Licht, das an der Meßfläche reflektiert wird, zu dem Detektor vorhanden.
In einer bevorzugten Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Anordnung sind zur Erfassung von an der Meßfläche reflektiertem Licht mehrere Einkoppeloptiken mit einem nachgeordneten Lichtwellenleiter radialsymmetrisch zur Meßfläche angeordnet. Damit ist der Einfluß von Strukturen auf das Ergebnis der Intensitätsmessung vermindert, da der Messung nicht nur das Licht zugrunde liegt, das von lediglich einer Reflektionsrichtung zum Detektor gelangt. Der Einfluß von Strukturen wird um so besser kompensiert, je mehr Einkoppelpositionen rings um die Meßfläche positioniert sind.
In den Übertragungsweg des Lichts, das von der Meßfläche reflektiert wird und zum Detektor gelangt, ist ein erster Shutter eingeordnet, und in den Übertragungsweg des Lichts, das von der internen Weißfläche reflektiert wird und zum Detektor gelangt, ist ein zweiter Shutter eingeordnet. Die beiden Shutter sind zur Sperrung oder Freigabe des jeweiligen Übertragungsweges vorgesehen und entsprechend ausgebildet.
Dabei ist die Messung von Intensitätswerten in Abhängigkeit von der Sperrung oder Freigabe der Übertragungswege wie folgt vorgesehen:

Intensitätswert Übertragungsweg ÜW1 Übertragungsweg ÜW2

I_W Freigabe Sperrung

I_Wi Sperrung Freigabe

I_D Sperrung Sperrung

I_S Freigabe Sperrung

I_P Freigabe Sperrung

mit:

– I_W der Intensität des vom Weißstandard reflektierten Lichts,
– I_Wi der Intensität des von der internen Weißfläche reflektierten Lichts,
– I_D der Intensität bei unbeleuchteter Detektoroberfläche,
– I_S der Intensität des vom Schwarzstandard reflektierten Lichts, und
– I_P der Intensität des von der Probe reflektierten Lichts.

Aus den so ermittelten Intensitätswerten ist die Ermittlung eines korrigierten Reflexionsgrades R_P in der Weise vorgesehen, wie weiter unten an einem Beispiel erläutert wird.
Von besonderem Vorteil ist es, wenn die erste Weißstandardfläche zu der Ausbreitungsrichtung des von der Meßfläche reflektierten Lichts so geneigt ist, daß dieses Licht nicht auf die interne Weißfläche trifft. Damit wird sichergestellt, daß das Ergebnis der Messung der Intensität I_W des von der internen Weißfläche reflektierten Lichts nicht von Licht verfälscht werden kann, das von der Meßfläche reflektiert wird.
Weiterhin ist es von Vorteil, wenn die interne Weißfläche kreisringförmig ausgebildet ist und auf einem zentrisch dazu angeordneten Umkreis mehrere Einkoppeloptiken positioniert sind, die jeweils über Lichtwellenleiter und einen Shutter mit einem Detektor verbunden sind, wobei die Detektoren für unterschiedliche Wellenlängenbereiche empfindlich sind.
Mit dieser Ausgestaltung ist es möglich, die erfindungsgemäße Anordnung für einen extrem breiten Wellenlängenbereich des auf eine Probe gerichteten Beleuchtungslichts zu nutzen. So können beispielsweise drei Detektoren vorgesehen sein, von denen einer für den Wellenlängenbereich des visuell wahrnehmbaren Lichts (VIS), ein zweiter für den nahen Infrarot-Wellenlängenbereich (NIR) und der dritte für den Wellenlängenbereich des ultravioletten Lichts (UV) empfindlich ist.
Ebenfalls besonders vorteilhaft ist es, eine Lichtquelle vorzusehen, die Licht mit spektral-isotroper Intensitätsverteilung abstrahlt. Diese kann beispielsweise als Reflektorlampe ausgebildet sein.
Im einfachen Fall können der Detektor als Photodiode und die Auswerteschaltung zur Registrierung und Verknüpfung integraler Intensitätswerte ausgebildet sein.
Höhere Meßgenauigkeiten lassen sich jedoch erzielen, wenn der Detektor Bestandteil eines Spektrometers ist und eine ortsauflösende Empfangsfläche aufweist. Dabei kann das Spektrometer mit zwei Lichteintrittsspalten ausgestattet sein, wobei die Übertragung von an der internen Weißfläche reflektiertem Licht zu einem ersten Eintrittsspalt des Spektrometers und die Übertragung von an der Meßfläche reflektiertem Licht zu dem anderen Eintrittsspalt des Spektrometers erfolgt.
Innerhalb des Spektrometers ist das durch die beiden Eintrittsspalte einfallende Licht auf die Empfangsfläche gerichtet, und die Auswerteschaltung ist zur Registrierung und Verknüpfung spektral aufgelöster Intensitätswerte ausgebildet.
Bei einer ebenfalls bevorzugten Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Anordnung schließt die Ausbreitungsrichtung des von der Lichtquelle auf die Meßfläche treffenden Lichts mit der Normalen N_M der Meßfläche einen Winkel α > 0 ein, und die Ausbreitungsrichtung des von der Meßfläche zur Einkoppeloptik gelangenden Lichts schließt mit der Normalen der Meßfläche einen Winkel γ = α + β mit dem Winkel β > 0 ein.
Damit wird die räumliche Strahlstärkeverteilung beispielsweise einer Reflektorlampe in der Weise ausgenutzt, daß sich die axialen und radialen Abhängigkeiten der sich auf der Probe bzw. Probenoberfläche ergebenden Bestrahlungsstärke in einem möglichst großen Bereich des Arbeitsabstandes, das heißt des Abstandes zwischen der Lichtquelle und der Meßfläche, gegenseitig kompensieren und so ein Reflexionsmeßwert erhalten wird, der vom Arbeitsabstand weitestgehend unabhängig ist.
Die Erfindung soll nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispieles näher erläutert werden. In den zugehörigen Zeichnungen zeigen
1 eine Darstellung des prinzipiellen Aufbaues der erfindungsgemäßen Anordnung,
2 eine Draufsicht auf die Anordnung nach 1,
3 die Darstellung vorteilhafter Ausbreitungsrichtungen des von der Lichtquelle auf die Meßfläche treffenden Lichts und des von der Meßfläche zur Einkoppeloptik gelangenden Lichts relativ zur Normalen der Meßfläche,
4 ein Beispiel für die Einordnung eines Shutters in einen mittels Lichtwellenleiter realisierten Übertragungsweg des Meß- oder Referenzlichts zum Spektrometer,
5 ein Beispiel für die Anordnung mehrerer Einkoppeloptiken radialsymmetrisch zur Meßfläche,
6 ein Zeitdiagramm für einige Meßgrößen zur Veranschaulichung des Prinzips der internen Referenzierung.
1 zeigt eine in einen Meßkopf 1 integrierte Reflektorlampe 2, von der ein erster Strahlungsanteil 3 durch ein Meßkopffenster 4 hindurch auf eine Probenhalterung 5 gerichtet ist.
Die Probenhalterung 5 ist vorgesehen und ausgebildet zur Aufnahme eines Weißstandards 6, eines Schwarzstandards 7 und einer Probe 8, für die der Reflexionsgrad R_P bestimmt werden soll. Weißstandard 6, Schwarzstandard 7 und Probe 8 sind auf der Probenhalterung 5 positionierbar und dort in einer vorgegebenen Folge gegeneinander austauschbar.
Innerhalb des Meßkopfes 1 ist ein zweiter Strahlungsanteil 9 des von der Reflektorlampe 2 kommenden Lichts auf eine gestreut reflektierende, als Maßverkörperung eines weiteren Weißstandards ausgebildete Fläche gerichtet, im Folgenden als interne Weißfläche 10 bezeichnet.
Weiterhin sind innerhalb des Meßkopfes 1 Lichtwellenleiter 11, 12, 13 und 14 vorgesehen. Dem Lichtwellenleiter 11 ist eine Einkoppeloptik 15 vorgeordnet, die so positioniert ist, daß sie die von der internen Weißfläche 10 gestreut reflektierte Strahlung aufnimmt und in den Lichtwellenleiter 11 einkoppelt. Das mittels der Einkoppeloptik 15 in den Lichtwellenleiter 11 eingekoppelte Licht gelangt zur Lichteintrittsseite eines Shutters 16, dessen Lichtaustrittsseite optisch mit dem Lichtwellenleiter 12 verbunden ist. Der Lichtwellenleiter 12 steht mit einem ersten Eintrittsspalt 17 eines Spektrometers 18 in Verbindung.
Dem Lichtwellenleiter 13 ist eine Einkoppeloptik 19 vorgeordnet, die zum Aufsammeln von Licht vorgesehen und ausgebildet ist, das von einer Meßfläche, nämlich entweder von dem sich auf der Probenhalterung 5 befindenden Weißstandard 6, Schwarzstandard 7 oder der Oberfläche der Probe 8 reflektiert wird und das durch das Meßkopffenster 4 in den Meßkopf 1 hinein gelangt.
Das von der Einkoppeloptik 19 in den Lichtwellenleiter 13 eingekoppelte Licht wird innerhalb des Lichtwellenleiters 13 zur Lichteintrittsseite eines Shutters 20 fortgeleitet und gelangt von der Lichtaustrittsseite des Shutters 20 in den Lichtwellenleiter 14. Der Lichtwellenleiter 14 endet in einem zweiten Eintrittsspalt 21 des Spektrometers 18.
Somit bilden die Einkoppeloptik 15, Lichtwellenleiter 11, Shutter 16 und Lichtwellenleiter 12 einen Übertragungsweg für Licht zum Spektrometer 18, das von der internen Weißfläche 10 reflektiert wird, und die Einkoppeloptik 19, der Lichtwellenleiter 13, der Shutter 12 und der Lichtwellenleiter 14 bilden einen Übertragungsweg für von der Meßfläche reflektiertes Licht zum Spektrometer 18.
Innerhalb des Spektrometers 18 befindet sich die ortsauflösende Empfangsfläche 22 eines Detektors, auf welche sowohl das Spektrum des durch den Eintrittsspalt 17 eintretenden Lichts als auch das Spektrum des durch den Eintrittsspalt 21 eintretenden Lichts trifft.
Die Signalausgänge der Empfangsfläche 22 und die Steuereingänge der Shutter 16 und 20 stehen mit einer (zeichnerisch nicht dargestellten) Auswerteschaltung in Verbindung, die zum Registrieren von Intensitätswerten für an der internen Weißfläche 10 reflektiertes Licht und für an der Meßfläche, d. h. am Weißstandard 6, am Schwarzstandard 7 oder an der Probe 8 reflektiertes Licht sowie zur rechnerischen Verknüpfung dieser Intensitätswerte ausgebildet ist.
Die Messung der Intensitätswerte wird dabei in Abhängigkeit von der Sperrung oder Freigabe der Übertragungswege wie folgt vorgenommen, wobei hier im Ausführungsbeispiel von spektral gemessenen, von der Wellenlänge abhängigen Intensitäten ausgegangen werden soll:

Intensitätswert Übertragungsweg ÜW1 Übertragungsweg ÜW2

I_W Freigabe Sperrung

^IWi Sperrung Freigabe

I_D Sperrung Sperrung

I_S Freigabe Sperrung

I_P Freigabe Sperrung

mit:

– I_W der Intensität des vom Weißstandard 6 reflektierten Lichts,
– I_Wi der Intensität des von der internen Weißfläche 10 reflektierten Lichts,
– I_D der Intensität bei unbeleuchteter Detektoroberfläche,
– I_S der Intensität des vom Schwarzstandard 7 reflektierten Lichts, und
– I_P der Intensität des von der Probe 8 reflektierten Lichts.

Für die reflektierten Intensitäten gilt jeweils: IW = I·(RF + RW·[1 – RF]2) + ID IS = I·(RF + RS·[1 – RF]2) + ID IP = I·(RF + RF·[1 – RF]2) + ID IWi = Ii·RWi + ID mit

I:: Intensität des Strahlungsanteils 3 zur externen Meßfläche,
I_i:: Intensität des Strahlungsanteils 9 zur internen Weißfläche 10,
R_W:: Reflexionsgrad des Weißstandards 6,
R_Wi:: Reflexionsgrad der internen Weißfläche 10,
R_S:: Reflexionsgrad des Schwarzstandards 7,
R_P:: Reflexionsgrad der Probe 8,
R_F:: Reflexionsgrad des Meßkopffensters 4,

Meßablauf und Ermittlung des Reflexionsgrades sind beispielhaft wie folgt vorgesehen:
Zu einem Zeitpunkt t0 zu Beginn eines Meßprozesses wird zunächst eine Ausgangskalibrierung anhand des in vorgegebener Folge als Meßfläche genutzten Weißstandards 6 und Schwarzstandards 7 vorgenommen, indem die Intensitätswerte I_W, I_Wi, I_D und I_S gemessen werden.
Die Messungen erfolgen zum Zeitpunkt t0 und zu allen späteren Zeitpunkten t > t0 einheitlich mit der Integrationszeit it = min(it_e, it_i), wobei it_e und it_i die Integrationszeiten bei vollausgesteuerten Signalen I_W bzw. I_Wi zum Zeitpunkt t0 der Ausgangskalibrierung sind.
Die Intensitätswerte zum Zeitpunkt t0 der Ausgangskalibrierung werden wie folgt miteinander verrechnet:
Berechnung einer Differenz D_WS(t0): DWS(t0) = IW(t0) – IS(t0) = I(t0)·[1 – RF]2·(RW – RS)Berechnung einer Differenz D_Wi(t0): DWi(t0) = IWi(t0) – ID(t0) = Ii(t0)·RWi Berechnung einer Differenz D_S(t0): Ds(t0) = IS(t0) – ID(t0) = I(t1)·(RF + RS·[1 – RF]2)
Durch die Differenzbildung wird die Intensität I_D der unbeleuchteten Detektorfläche aus den gemessenen Intensitäten I_W, I_S und I_Wi herausgerechnet.
Die berechneten Differenzen D_WS, D_S und D_Wi0 bleiben bis zur nächsten externen Kalibrierung erhalten.
Die Ausgangskalibrierung ist erfolgreich abgeschlossen, wenn die von den entsprechenden externen Standards 6 und 7 sowie von der internen Weißfläche 10 remittierten Intensitäten als Intensitätswerte I_Wi, I_D, I_S und I_W mit der Integrationszeit it gemessen worden sind.

Größen zum Zeitpunkt der Ausgangskalibrierung t0

Messgrößen Berechnete Differenzen

it

I_W D_WS

I_S D_S

I_Wi0 D_Wi0

I_D
Im Verlauf der dann folgenden langzeitlichen Vermessung des Probenmaterials wird in vorgegebenen Zeitabständen Δt eine interne Referenzierung zum Zweck einer Rekalibrierung vorgenommen, um die Änderung von Systemparametern auszugleichen und dadurch die Langzeitstabilität zu erhalten.
Dazu werden lediglich die Intensitätswerte I_Wi(t) und I_D(t) sowie der Intensitätswert I_P(t) zu den Zeitpunkten t = t0 + Δt anhand der Probe 8 gemessen.
Die Intensitätswerte werden wie folgt miteinander verrechnet: Berechnung einer Differenz D_Wi(t): D_Wi(t) = I_Wi(t) – I_D(t) = I_i(t)·R_Wi Berechnung einer Differenz D_P(t): D_P(t) = I_P(t) – I_D(t) = I(t)·(R_F + R_P(t)·[1 – R_F]²) Während die berechneten Differenzen D_WS, D_S und D_Wi0 bis zur nächsten externen Kalibrierung erhalten bleiben, werden die berechneten Differenzen D_Wi(t) und D_P(t) zu jedem Zeitpunkt t > t0 aktualisiert.
Nach jeder internen Referenzierung wird die Quotientenbil dung
aktualisiert.
Sie beschreibt die relative Änderung der Empfindlichkeit und der Meßintensität, die am internen und externen Meßort gleich ist.
Die Rekalibrierung ist erfolgreich abgeschlossen, wenn die aktuellen Werte I_Wi(t), I_D(t) gemessen und in die Berechnung des Ergebniswertes R_P(t) nach unten stehender Formel eingebracht wurden:

Größen, die zu jedem Zeitpunkt t > t0 neu ermittelt werden

Berech nungen

Messgrößen Differenzen Quotienten

I_P(t) D_P(t) Q(t) (siehe unten)

I_Wi(t) D_Wi(t) q(t)

I_D(t)
Die so ermittelten Differenzen und der Quotient q(t) der internen Referenzierung werden zu jedem Zeitpunkt t > t0 miteinander verrechnet in dem Quotienten Q(t):
Der Reflexionsgrad R_P(t) der Probe 8 bzw. Probenoberfläche zum Zeitpunkt t ergibt sich aus dem Quotienten der Messwerte Q(t) und den zertifizierten Werten der bei der Ausgangskalibrierung verwendeten Weiß- bzw. Schwarzstandards R_W und R_S:
Werden nicht zertifizierte Standards verwendet, muss R_W = 1 und R_S = 0 angenommen werden. Die gemessenen Reflexionsgrade R_P(t) sind dann nur in Bezug auf die speziellen Exemplare der Standards R_W und R_S gültig und nicht unabhängig von diesen.
Zur Veranschaulichung des Prinzips der internen Referenzierung ist in 6 beispielhaft ein Zeitdiagramm für einige Werte dargestellt.
Aus 1 ist weiterhin ersichtlich, daß die interne Weißfläche 10 mit der Meßfläche einen Winkel 6 einschließt, welcher gewährleistet, daß die interne Weißfläche zu der Ausbreitungsrichtung des von der Meßfläche reflektierten Lichts so geneigt ist, daß dieses Licht nicht auf diese interne Weißfläche treffen kann. In 1 ist dieser Umstand durch eine gestrichelte Linie 23 angedeutet.
Die interne Weißfläche 10 ist auf der Innenseite eines Kegelstumpfes kreisringförmig ausgebildet, der zentrisch zur Ausbreitungsrichtung des von der Reflektorlampe 2 zum Meß kopffenster 4 bzw. zur Probenhalterung 5 gerichtet ist. Dies ist im Zusammenhang mit 2 zu erkennen, einer Draufsicht in Richtung D aus 1 auf den Kegelstumpf.
2 zeigt weiterhin einen zentrisch dazu angeordneten Umkreis 24, auf dem – optional in einer besonderen Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Anordnung – zusätzlich zu den bereits beschriebenen Einkoppeloptiken 15 und 19, zu den Lichtwellenleitern 11, 12, 13, 14, zu den Shuttern 16 und 20 und zu dem Spektrometer 18 weitere, hier nicht mit gesonderten Bezugszeichen versehene Einkoppeloptiken, Lichtwellenleiter und Shutter vorhanden und in derselben Weise wie bereits beschrieben mit Spektrometern verbunden sind, wobei die zusätzlichen Spektrometer für unterschiedliche Wellenlängenbereiche empfindlich sind.
Wie bereits dargelegt, ist es mit dieser Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Anordnung möglich, den Reflexionsgrad für einen sehr breiten Wellenlängenbereich des auf die Probe 8 gerichteten Beleuchtungslichts zu ermitteln, wie beispielsweise VIS, NIR oder UV.
Anhand 3 wird auf eine ebenfalls vorteilhafte Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Anordnung verwiesen. Diese Ausgestaltung hat den Zweck, die räumliche Strahlstärkeverteilung der hier beispielsweise verwendeten Reflektorlampe 2 in der Weise auszunutzen, daß sich die axialen und radialen Abhängigkeiten der sich auf der Oberfläche der Probe 8 ergebenden Bestrahlungsstärke in einem möglichst großen Bereich des Arbeitsabstandes z gegenseitig kompensieren und so der zu ermittelnde Reflexionsmeßwert R_P vom Arbeitsabstand z weitestgehend unabhängig ist.
Erreicht wird dies, indem die Ausbreitungsrichtung des von der Reflektorlampe 2 auf die jeweilige Meßfläche treffenden Lichts mit der Normalen N_M der Meßfläche einen Winkel α > 16° einschließt, und die Ausbreitungsrichtung des von der Meßfläche zur Einkoppeloptik gelangenden Lichts mit der Normalen N_M der Meßfläche einen Winkel γ = α + β mit dem Winkel β > 4° einschließt, wobei der Scheitel des Winkels γ sich bei z = 100 mm befindet.
Als Einkoppeloptik 19 kann beispielsweise eine Linse mit einer Brennweite von f = 5 mm vorgesehen sein.
Eine Einbindung der Shutter 16, 20 in die Lichtwellenleiter 11, 12 bzw. 13, 14 ist in 4 beispielhaft anhand des Shutters 16 dargestellt. Dabei führt von der Einkoppeloptik 15 bis zum Shutter 16 ein Lichtwellenleiterbündel mit einem Durchmesser von 1 mm und einer numerischen Apertur NA = 0,22, und vom Shutter 16 zum Eintrittsspalt 17 ein Lichtwellenleiter 12 mit einem Durchmesser von 0,6 mm und einer numerischen Apertur NA = 0,37.
5 zeigt mit Blickrichtung von der Reflektorlampe 2 auf das kreisrunde Meßkopffenster 4 ein Beispiel für die Anordnung mehrerer Einkoppeloptiken radialsymmetrisch zur Einstrahlrichtung des Lichts auf die Meßfläche. Mit einem Bezugszeichen versehen ist hier der Übersichtlichkeit halber wiederum lediglich die Einkoppeloptik 19. Den übrigen Einkoppeloptiken ist, wie der Einkoppeloptik 19 auch, jeweils ein Lichtwellenleiter nachgeordnet, in welchem von der Meßfläche durch das Meßkopffenster 4 in den Meßkopf 1 hinein reflektiertes und von der Einkoppeloptik aufgesammeltes Licht zunächst zum Shutter 20 fortgeleitet wird, von wo es über den gemeinsamen Lichtwellenleiter 14 und den Eintrittsspalt 21 auf die Empfangsfläche 22 gelangt.
In den Erfindungsgedanken eingeschlossen sind selbstverständlich auch Ausgestaltungen, bei denen das Spektrometer nur einen Eintrittsspalt aufweist, die Lichtwege vor dem Spektrometer zusammengeführt werden und dann das Licht durch den einen Eintrittsspalt hindurch tritt und das jeweilige Spektrum auf die Empfangsfläche 22 abgebildet wird.
Ein besonderer Vorteil der erfindungsgemäßen Anordnung besteht darin, daß sie sowohl zur Messung der direkten Reflexion von einer Probenoberfläche als auch zur Messung der gestreuten Reflexion einer Probe angewendet werden kann.

1: Meßkopf
2: Reflektorlampe
3: Strahlungsanteil
4: Meßkopffenster
5: Probenhalterung
6: Weißstandard
7: Schwarzstandard
8: Probe
9: Strahlungsanteil
10: interne Weißfläche
11, 12, 13, 14: Lichtwellenleiter
15: Einkoppeloptik
16: Shutter
17: Eintrittsspalt
18: Spektrometer
19: Einkoppeloptik
20: Shutter
21: Eintrittsspalt
22: Empfangsfläche
23: gestrichelte Linie
24: Umkreis
z: Arbeitsabstand

Claims

Anordnung zum Messen des Reflexionsgrades an einer Probe (8), umfassend, a) eine Lichtquelle zur gesonderten Beleuchtung sowohl einer Weißfläche (10) als auch einer Meßfläche, wobei – zur Verkörperung der Meßfläche ein Weißstandard (6), ein Schwarzstandard (7) und die Probe (8) vorgesehen sind, und – in einer vorgegebenen Folge der Austausch des Weißstandards (6), des Schwarzstandards (7) und der Probe (8) gegeneinander vorgesehen ist, b) Mittel zur Messung der Intensität des von der Weißfläche (10) reflektierten Lichts und zur Messung der Intensität des jeweils von der Meßfläche reflektierten Lichts, und c) eine Auswerteschaltung, die zum Registrieren der gemessenen Intensitätswerte und zu deren rechnerischer Verknüpfung zu dem Reflexionsgrad ausgebildet ist.
Anordnung nach Anspruch 1, wobei mindestens die Weißfläche (10) diffus reflektierend ausgebildet ist.
Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, wobei – die Lichtquelle, die Weißfläche und die Mittel zur Intensitätsmessung allseitig vom Gehäuse eines Meßkopfes (1) umschlossen sind, wohingegen – die Meßfläche außerhalb des Meßkopfes (1) angeordnet ist.
Anordnung nach Anspruch 3, bei welcher das Gehäuse des Meßkopfes (1) einen Bereich in Form eines Meßkopffen sters (4) aufweist, der für das von der Lichtquelle ausgehende und für das von der Meßfläche reflektierte Licht transparent ist.
Anordnung nach einem der vorgenannten Ansprüche, bei welcher – als Mittel zur Intensitätsmessung mindestens ein optoelektronischer Detektor vorgesehen ist, und – Lichtwellenleiter (11, 13) mit jeweils vorgeordneter Einkoppeloptik (15, 19) zur Erfassung und Übertragung von an der Weißfläche (10) reflektiertem Licht und an der Meßfläche reflektiertem Licht zu dem Detektor vorhanden sind.
Anordnung nach Anspruch 5, bei welcher zur Erfassung von an der Meßfläche reflektiertem Licht mehrere Einkoppeloptiken mit einem nachgeordneten Lichtwellenleiter radialsymmetrisch zur Meßfläche angeordnet sind.
Anordnung nach Anspruch 5 oder 6, wobei – in den Übertragungsweg von an der Meßfläche reflektiertem Licht zum Detektor ein erster Shutter (20) eingeordnet ist, und – in den Übertragungsweg von an der Weißfläche (10) reflektiertem Licht zum Detektor ein zweiter Shutter (16) eingeordnet ist, und – die beiden Shutter (16, 20) zur Sperrung oder Freigabe des jeweiligen Übertragungsweges ausgebildet sind.
Anordnung nach Anspruch 7, bei welcher die Messung von Intensitätswerten in Abhängigkeit von der Sperrung oder Freigabe der Übertragungswege wie folgt vorgesehen ist: Intensitätswert Übertragungsweg ÜW1 Übertragungsweg ÜW2 I_W Freigabe Sperrung I_Wi Sperrung Freigabe I_D Sperrung Sperrung I_S Freigabe Sperrung I_P Freigabe Sperrung

mit: – I_W der Intensität des vom Weißstandard (6) reflektierten Lichts, – I_Wi der Intensität des von der Weißfläche (10) reflektierten Lichts, – I_D der Intensität bei unbeleuchteter Detektoroberfläche, – I_S der Intensität des vom Schwarzstand (7) reflektierten Lichts, und – I_P der Intensität des von der Probe (8) reflektierten Lichts.
Anordnung nach Anspruch 7, bei welcher – anhand der Intensitätswerte I_W, I_Wi, I_D und I_S zunächst eine Ausgangskalibrierung und danach – in vorgegebenen Zeitabständen tΔ anhand der Intensitätswerte I_Wi, I_D und des Intensitätswertes I_P anhand einer Probenmessung eine interne Referenzierung vorgesehen ist zum Zweck der Rekalibrierung der Anordnung und dadurch zur Kompensation von Änderungen von Systemparametern.
Anordnung nach einem der Ansprüche 5 bis 9, bei der – von der jeweiligen Einkoppeloptik (15, 19) bis zum Shutter (16, 20) ein Lichtwellenleiterbündel (11, 13) mit einem Durchmesser von 1 mm und einer numerischen Apertur NA = 0,22 vorgesehen ist, und – vom jeweiligen Shutter (16, 20) zum Detektor ein Lichtwellenleiter (12, 14) mit einem Durchmesser von 0,6 mm und einer numerischen Apertur NA = 0,37 vorgesehen ist.
Anordnung nach einem der vorgenannten Ansprüche, bei welcher die Weißfläche (10) zu der Ausbreitungsrichtung des von der Meßfläche reflektierten Lichts so geneigt ist, daß dieses Licht nicht auf die Weißfläche (10) trifft.
Anordnung nach einem der der vorgenannten Ansprüche, bei welcher – die Weißfläche (10) kreisringförmig ausgebildet ist, und – auf einem zentrisch dazu angeordneten Umkreis (24) mehrere Einkoppeloptiken positioniert sind, die jeweils über Lichtwellenleiter und einen Shutter mit einem Detektor verbunden sind, wobei – die Detektoren für unterschiedliche Wellenlängenbereiche empfindlich sind.
Anordnung nach Anspruch 12, mit drei Detektoren, von denen einer für den Wellenlängenbereich des visuell wahrnehmbaren Lichts (VIS), ein zweiter für den nahen Infrarot-Wellenlängenbereich (NIR) und der dritte für den Wellenlängenbereich des ultravioletten Lichts (UV) empfindlich ist.
Anordnung nach einem der vorgenannten Ansprüche mit einer Lichtquelle, die Licht mit spektral-isotroper Intensitätsverteilung abstrahlt, bevorzugt ausgebildet als Reflektorlampe (2).
Anordnung nach einem der vorgenannten Ansprüche, bei welcher der Detektor als Photodiode und die Auswerteschaltung zur Registrierung und Verknüpfung integraler Intensitätswerte ausgebildet ist.
Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 14, bei welcher – der Detektor Bestandteil eines Spektrometers (18) ist und eine ortsauflösende Empfangsfläche (22) aufweist, – die Übertragung von der Weißfläche (10) reflektiertem Licht zu einem ersten Eintrittsspalt (17) des Spektrometers (18), und – die Übertragung von der Meßfläche reflektiertem Licht zu einem zweiten Eintrittsspalt (21) des Spektrometers (18) vorgesehen ist, wobei – innerhalb des Spektrometers (18) das durch die beiden Eintrittsspalte (17, 21) einfallende Licht auf die Empfangsfläche (22) gerichtet ist, und – die Auswerteschaltung zur Registrierung und Verknüpfung spektral aufgelöster Intensitätswerte ausgebildet ist.
Anordnung nach einem der vorgenannten Ansprüche, bei welcher – die Ausbreitungsrichtung des von der Lichtquelle auf die Meßfläche treffenden Lichts mit der Normalen N_M der Meßfläche einen Winkel α > 0 einschließt, und – die Ausbreitungsrichtung des von der Meßfläche zur Einkoppeloptik gelangenden Lichts mit der Normalen der Meßfläche einen Winkel γ = α + β mit dem Winkel β > 0 einschließt.
Anordnung nach Anspruch 17, bei welcher – der Abstand z zwischen der Lichtquelle und der Meßfläche im Bereich z = 100 mm bis 200 mm liegt, – der Winkel α = 16° beträgt, – der Winkel β = 4° beträgt, – der Scheitel des Winkels γ bei z = 100 mm liegt, und – als Einkoppeloptik eine Linse mit einer Brennweite von f = 5 mm vorgesehen ist.