DE102011111545B3

DE102011111545B3 - Anordnung zur Inspektion von transparenten Proben

Info

Publication number: DE102011111545B3
Application number: DE201110111545
Authority: DE
Inventors: Holger Weigand; Carsten Glasenapp
Original assignee: Carl Zeiss AG
Current assignee: Carl Zeiss AG
Priority date: 2011-08-24
Filing date: 2011-08-24
Publication date: 2012-10-18
Anticipated expiration: 2031-08-25
Also published as: WO2013026708A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Inspektion von transparenten Proben, insbesondere aus Glas, bei der ein Probenhalter die transparente Probe an mindestens einer Umfangsfläche fasst und zumindest eine der zwei Deckflächen der Probe einer Inspektion durch einen Sensor eines Messgerätes zugänglich ist. Die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass der Probenhalter aus mindestens zwei Haltestegen (2, 2') besteht, die auf einem Träger (8) in lateraler Richtung zur Mitte der Probe (1) hin verschiebbar angeordnet sind wobei auf mindestens einen der Haltestege (2) oder (2') eine Spannkraft F in diese laterale Richtung ausgeübt wird und mindestens einer der Haltestege (2) oder (2') als hohler, wannenförmiger Quader (9) ausgebildet ist, dessen Wände (5) aus einem nichttransparenten Material gefertigt sind, eine Rückwand mit Lichtquellen (6) bestückt ist und eine offene Seite in lateraler Richtung zur Probe (1) hin ausgerichtet ist und der hohle, wannenförmige Quader (9) mit einem Elastomer (4) so ausgefüllt ist, dass dieses Elastomer (4) in lateraler Richtung zur Probe hin über den Wänden (5) des Quaders (9) hervorsteht.

Description

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Inspektion von transparenten Proben, insbesondere aus Glas, bei der ein Probenhalter die transparente Probe an mindestens einer Umfangsfläche fasst und zumindest eine der zwei Deckflächen der Probe einer Inspektion durch einen Sensor eines Messgerätes zugänglich ist.
Zu prüfende Glasteile, insbesondere Linsen, Glasplatten oder Prismen müssen während des Prüfvorganges an Flächen gefasst und/oder gelagert werden, die nicht geprüft werden müssen oder die der Prüfung in dieser Fassungsart nicht zugänglich sind.
Erfolgt die Prüfung mit Hilfe des menschlichen Auges werden kleinere Teile am Rand zwischen Daumen und Zeigefinger eingespannt. Gebräuchlich ist auch die Verwendung einer Pinzette, um insbesondere kleine optische Teile aus Glas zu inspizieren.
Weiterhin werden optische Bauteile während eines Prüfvorganges auf eine Fläche oder in einen Rahmen gelegt oder in einer Spannzange oder in einem Spannfutter gefasst. In diesem Fall erfolgt die Inspektion meist mit Hilfe von mechanischen, optischen oder elektrischen Messgeräten.
In WO 2007/023042 A1 ist eine Vorrichtung zur Messung von optischen Eigenschaften eines transparenten Prüflings beschrieben, die eine Haltevorrichtung für den Prüfling umfasst.
Die DE 10 2007 039630 B3 beschreibt eine Vorrichtung zum Prüfen eines Prüfobjektes, die eine Halteeinrichtung mit einem verformbaren Kontaktelement aufweist.
Aus der DE 10 2009 020 259 A1 ist eine Vorrichtung für eine Lichtmikroskop bekannt, die eine Probenhalterung und eine Objektivhalterung umfasst. Für eine erhöhte Genauigkeit der relativen Lateralpositionen von Probe und Objektiv sind die Probenhalterung und Objektivhalterung an einer gemeinsamen Führungseinrichtung aufgenommen.
In US 5,790,247 A ist ein Messgerät zur Inspektion von transparenten Proben beschrieben. Die Probe ist auf einem verschiebbaren Tisch gelagert. Über der zu prüfenden Oberfläche ist ein Detektorsystem in Form einer oder mehrere CCD-Kameras angeordnet. Die Beleuchtung der Probe erfolgt in einer ersten Messung durch eine schräg auf die Oberfläche der Probe einfallende Strahlung. In einer zweiten Messung erfolgt die Beleuchtung der Probe mittels einer Lichtquelle, deren Strahlung in eine Seitenfläche der Probe eingestrahlt wird, so dass die Probe wie ein Lichtleiter betrieben wird. Durch die zwei verschiedenen Beleuchtungsarten werden unterschiedliche Fehlerarten ermittelt. Die Beleuchtungseinrichtung für die Seitenfläche besteht aus einer Lichtquelle, welche ihre Strahlung in eine Lichtleitfaser einkoppelt. Das Ende der Lichtleitfaser ist rechteckförmig ausgebildet und die geführte Strahlung wird in die Seitenfläche des Prüflings eingekoppelt. Das rechteckförmige Ende der Lichtleitfaser wird an die Seitenfläche der Probe angelegt.
Diese Lösung hat den Nachteil, dass zwischen dem rechteckförmigen Ende des Lichtleiters und der Seitenfläche der Probe Reflexionsverluste an den Grenzflächen auftreten. Problematisch ist es, über die im Verhältnis zum Querschnitt der Lichtleitfaser sehr große Länge der Seitenfläche gleichförmige Koppelbedingungen zu erreichen. Durch die Auflage der Probe auf einem flächigen Träger kann es zu Beschädigungen der Oberfläche der Probe kommen und eine Vermessung der Probe im Durchlicht ist nicht möglich. Die transparenten Proben sind zum Beispiel aus einem Glasmaterial. Gewisse Typen von Defekten an Glasoberflächen verändern lokal den Brechzahlübergang der Grenzfläche zwischen Glas und dem umgebenden Medium. Licht, das sich in Folge der Totalreflexion im Innern des Glases ausbreitet, erzeugt ein evaneszentes Feld außerhalb des Glases. Im Bereich von Defekten ändert sich dieses Feld, so dass lokal eine Brechung in das umgebende Medium auftreten kann, was die Auskopplung von Licht geringer Intensität zur Folge hat. Dieses lokal ausgekoppelte Licht kann detektiert werden und erlaubt Rückschlüsse auf den verursachenden Defekt. Damit auch Defekte mit geringen Auswirkungen auf den Brechzahlsprung an der Grenzfläche detektiert werden können, ist es unabdingbar, im Innern des Glasmaterials hohe Lichtintensitäten zu erreichen.
Beleuchtet man die Stirnseite des zu inspizierenden Glases ohne zusätzliche optische Mittel, so gelingt es im Allgemeinen nur, Licht mit Winkeln nahe der Senkrechten durch die Stirnseite einzustrahlen, während Licht, das unter größeren Einfallswinkeln die Stirnseite trifft, mit immer größer werdendem Anteil reflektiert wird. Deshalb kann Beleuchtungslicht, das unter großen Einfallswinkeln auftrifft, nur mit schwachen Intensitäten in das Glas eingestrahlt werden.
Mit der Erfindung soll eine Anordnung zur Inspektion von transparenten Proben geschaffen werden, bei der sicher gestellt wird, dass die Probe nicht beschädigt wird und eine Messung im Durchlicht möglich ist. Weiterhin soll die Lichteinkopplung in das Material der Probe gleichmäßig und mit hoher Effizienz erfolgen.
Die Lösung der Aufgabe gelingt erfindungsgemäß mit den Merkmalen des Anspruchs 1.
Der Unteranspruch 2 ist eine vorteilhafte Ausgestaltung des Hauptanspruchs. Die Anordnung zur Inspektion einer transparenten flächig ausgedehnten Probe ist dadurch gekennzeichnet, dass der Probenhalter aus mindestens zwei Haltestegen besteht, die auf einem Träger in lateraler Richtung zur Mitte der Probe hin verschiebbar angeordnet sind. Dabei wird auf mindestens einen der Haltestege eine Spannkraft F in diese laterale Richtung ausgeübt. Mindestens einer der Haltestege ist als hohler, wannenförmiger Quader ausgebildet, dessen Wände aus einem nichttransparenten Material gefertigt sind. Eine Rückwand ist mit Lichtquellen bestückt und eine offene Seite des wannenförmigen Quaders ist in lateraler Richtung zur Probe hin ausgerichtet. Der wannenförmige Quader ist mit einem Elastomer so ausgefüllt, dass dieses Elastomer in lateraler Richtung zur Probe hin über den Wänden des wannenförmigen Quaders hervorsteht. Vorzugsweise sind die Innenflächen der Wände des Quaders verspiegelt. Eine effizientere Lichteinkopplung wird dadurch erreicht, dass das Beleuchtungslicht mit großer Effizienz, insbesondere auch bei größeren Einfallswinkeln, in die zu inspizierende transparente Probe einkoppelt wird. Die erfindungsgemäße Lösung lässt sich auch bei einem Biochip-Reader einsetzen.
Hier sind auf einer Glasplatte biologische Proben aufgebracht, welche zum Fluoreszieren angeregt werden sollen. Auch hier besteht die Notwendigkeit, seitlich in die Glasplatte Licht mit hoher Effizienz Licht einzukoppeln. Die Fassung der Probe mit einer vorbestimmten Spannkraft F sowie die Berührung der Seitenwände der Probe nur durch das Elastomer stellen sicher, dass eine Beschädigung der Probe vermieden wird.
Die Erfindung wird nachfolgend an Hand von Ausführungsbeispielen beschrieben.
Es zeigen:
1: Anordnung zur Inspektion von transparenten Proben
2: Aufbau eines Haltesteges und Lichtausbreitung innerhalb der Koppelstellen
3: Haltesteg und Probe in einer Draufsicht im Schnitt.
4: Prinzipdarstellung des Pobenhalters für eine rechteckige Probe
5: Prinzipdarstellung des Pobenhalters für eine runde Probe
1 zeigt eine Anordnung zur Inspektion einer transparenten Probe 1. Die Probe 1 wird von zwei Haltestegen 2, 2' festgehalten. Die zwei Haltestege 2, 2' sind auf einem Träger 8 beweglich montiert und lateral zur Mitte der Probe 1 hin verschiebbar gelagert. Auf die Haltestege 2, 2' wird in dieser lateralen Richtung eine Spannkraft F ausgeübt, welche die zu untersuchende Probe 1 fasst. Die Anordnung beinhaltet weiterhin einen Sensor 3, welcher Licht registrieren kann, welches aus dem Festkörpermaterial der transparenten Probe 1 und aus der Probenoberfläche heraustritt. Die Messungen können von beiden Seiten der Probenoberfläche durchgeführt werden.
2 zeigt den Aufbau eines Haltesteges 2 sowie seine Ankopplung an die Probe 1 im Querschnitt. 3 zeigt diese Teile in einer Draufsicht im Schnitt. Der Haltesteg dient der Halterung der zu untersuchenden Probe, der je nach Probenform und Probengröße an zwei, drei, vier oder mehreren Seitenflächen der Probe 1 angedrückt wird. Zumindest einer der Haltestege 2 ist als hohler Quader 9 aus einem nicht transparenten Material gefertigt, wobei eine Rückseite mit Bohrungen zur Aufnahme von Lichtquellen 6 (Leuchtdioden oder anderen, in optischen Kunststoffen gekapselten Lichtquellen) versehen ist, während die gegenüberliegende Seite offen bleibt. Nach dem Montieren der Lichtquellen 6 werden die Haltestege mit einem optisch transparenten Elastomer 4, wie zum Beispiel Silikon, so aufgefüllt, dass das Elastomer über den hohlen Quader hervorsteht. Vorzugsweise ist das Elastomer 4 beim Verfüllen flüssig, so dass die Leuchtdioden 6 an der Lichtaustrittsseite vollständig benetzt werden und nach dem Aushärten des Elastomers 4 ein Kunststoff-Elastomer-Übergang ohne Lufteinschlüsse entsteht. Idealerweise lässt sich durch Veränderung der Elastomer-Rezeptur der Grad seiner Flexibilität variieren. Weiter sollten die Innenflächen des hohlen Quaders 9 vor der Montage verspiegelt sein, wodurch das von den Lichtquellen 6 ausgestrahlte Licht im Innern des Elastomers 4 gut durchmischt wird.
Dadurch erfüllt das Elastomer 4 mit dem umhüllenden Quader 9 die Funktion eines Lichtintegrators mit einer mechanisch flexiblen Auskoppelfläche. Durch Andrücken dieser Auskoppelfläche an die zu inspizierende Probe 1 lässt sich der größte Teil des homogen gemischten Lichtes aus dem Elastomer 4 in die Stirnseite der Probe einkoppeln. Mit Hilfe einer nicht gezeigten beweglichen Haltemechanik können die Haltestege gleichzeitig als Probenhalter und Beleuchtungsquelle fungieren, wobei durch das flexible Elastomer 4 insbesondere eine schonende Fixierung der Probe 1 ermöglicht wird. Durch geeignete Wahl des Aspektverhältnisses der Geometrie des Quaders 9 und der Strahlcharakteristik der verwendeten Lichtquellen 6 kann die Winkel-Homogenität des Lichtes sowohl im flexiblen Elastomer 4 als auch in der zu inspizierenden Probe 1 optimiert werden. In 2 wird weiterhin gezeigt, dass die Lichtübertragung innerhalb einer Licht leitenden Kette, bestehend aus der Lichtquelle 6 (Leuchtdioden mit einer Kunststoffummantelung mit einer Brechzahl 1,5), dem Elastomer 4 (Silikon mit einer Brechzahl 1,4) und der Probe 1 aus Glas (BK7 mit Brechzahl 1,5), erfolgt. Durch die kleinen Brechzahlsprünge von ca. 0,1 kann ein sehr großer Anteil des Beleuchtungslichtes in das zu prüfende Glas eingekoppelt werden.
4 zeigt die prinzipielle Anordnung zum Vermessen einer rechteckigen transparenten Probe 1. Zwei Haltestege 2, 2, liegen an gegenüberliegenden Seitenflächen der transparenten Probe 1 an. In der Regel ist es bei kleineren Probenabmessungen ausreichend, wenn nur einer der Haltestege 2 oder 2' mit einer Lichtquelle ausgestattet ist.
Sofern größere Proben inspiziert werden sollen, können die Fassung der Probe und die Lichteinkopplung an zwei gegenüberliegenden Seiten erfolgen. Eine rechteckförmige Probe kann aber auch an vier Seitenflächen gefasst und durch diese Seitenflächen beleuchtet werden (nicht dargestellt).
5 zeigt die prinzipielle Anordnung zum Vermessen einer runden transparenten Probe 1. Drei Haltestege 2, 2' und 2'', liegen an der kreisförmigen Seitenfläche der transparenten Probe 1 an.
Bezugszeichenliste

1: transparente Probe
2: Haltesteg
3: Sensor
4: Elasomer
5: Wände
6: Lichtquelle
7: Blende
8: Träger
9: Quader
10: Lichtstrahl
11: verlustfreier Lichtübergang
12: Fehler
13: durch Fehler ausgekoppeltes Licht
F: Spannkraft

Claims

Anordnung zur Inspektion einer transparenten flächig ausgedehnten Probe (1), insbesondere aus Glas, bei der ein Probenhalter die transparente Probe (1) an einer Umfangsfläche fasst und mindestens eine der zwei Deckflächen der Probe (1) einer Inspektion durch einen Sensor (3) eines Messgerätes zugänglich ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Probenhalter aus mindestens zwei Haltestegen (2, 2') besteht, die auf einem Träger (8) in lateraler Richtung zur Mitte der Probe (1) hin verschiebbar angeordnet sind wobei auf mindestens einen der Haltestege (2) oder (2') eine Spannkraft F in diese laterale Richtung ausgeübt wird und mindestens einer der Haltestege (2) oder (2') als hohler, wannenförmiger Quader (9) ausgebildet ist, dessen Wände (5) aus einem nichttransparenten Material gefertigt sind, eine Rückwand mit Lichtquellen (6) bestückt ist und eine offene Seite in lateraler Richtung zur Probe (1) hin ausgerichtet ist und der hohle, wannenförmige Quader (9) mit einem Elastomer (4) so ausgefüllt ist, dass dieses Elastomer (4) in lateraler Richtung zur Probe hin über den Wänden (5) des Quaders (9) hervorsteht.
Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Innenflächen der Wände (5) des Quaders verspiegelt sind.