DE102013219830A1

DE102013219830A1 - Optische Vorrichtung zur Reflexionsmessung unter diffuser Beleuchtung und Verfahren zum Optimieren einer solchen

Info

Publication number: DE102013219830A1
Application number: DE201310219830
Authority: DE
Inventors: Jörg Margraf; Robert van Lengen
Original assignee: Carl Zeiss Microscopy GmbH
Current assignee: Carl Zeiss Spectroscopy GmbH
Priority date: 2013-09-30
Filing date: 2013-09-30
Publication date: 2015-04-02
Anticipated expiration: 2033-10-01
Also published as: DE102013219830B4

Abstract

Bei optischen Vorrichtungen (1) zur Reflexionsmessung unter diffuser Beleuchtung, umfassend einen Diffusor (3), der einen Hohlkörper (7) mit einer lichtstreuenden Oberfläche (8) in seinem Inneren (I) und eine Lichtaustrittsöffnung (9) zur Auskopplung von an der Oberfläche (8) gestreutem Licht aus dem Inneren (I) aufweist, und eine Lichtquelle (4), angeordnet zur Beleuchtung der lichtstreuenden Oberfläche (8), sowie einen Lichtempfänger (5) mit einer Richtoptik, angeordnet zur Aufnahme von durch die Lichtaustrittsöffnung (9) in den Hohlkörper (7) einfallendem Licht längs einer Detektionsachse (D), welche mit einer Bezugsachse (B) einen positiven ebenen Winkel, insbesondere von 8°, einschließt, bestimmt der Durchmesser der Lichtaustrittsöffnung (9) die Toleranz gegenüber Abstandsänderungen und Veränderungen der Neigung der Probenoberfläche. Die Lichtaustrittsöffnung (9) kann jedoch bei gleichbleibender Hohlkörpergröße nicht beliebig vergrößert werden. Es soll daher eine genauere Vermessung von reflektierenden Proben in einem signifikant von Null verschiedenen Abstand, insbesondere auch bei schwankenden Abständen und schwankender Neigung der Probenoberfläche gegenüber der Vorrichtung, ermöglicht werden. Zu diesem Zweck weist die Lichtaustrittsöffnung (9) eine rotationsasymmetrische Form auf, wobei eine Längsachse (X) der Lichtaustrittsöffnung (9) in einer von der der Detektionsachse (D) und der Bezugsachse (B) aufgespannten Ebene verläuft. Durch diese Form wird die Öffnungsfläche besser ausgenutzt und die homogenisierende Wirkung des Diffusors bleibt erhalten. Optische Spektroskopie

Description

Die Erfindung betrifft eine optische Vorrichtung zur Reflexionsmessung unter diffuser Beleuchtung, umfassend einen Diffusor, der einen Hohlkörper mit einer lichtstreuenden Oberfläche in seinem Inneren und eine Lichtaustrittsöffnung zur Auskopplung von an der Oberfläche gestreutem Licht aus dem Inneren aufweist, und eine Lichtquelle, angeordnet zur Beleuchtung der lichtstreuenden Oberfläche, sowie einen Lichtempfänger mit einer Richtoptik, angeordnet zur Aufnahme von durch die Lichtaustrittsöffnung in den Hohlkörper einfallendem Licht längs einer Detektionsachse, welche mit einer (vorgegebenen) Bezugsachse einen positiven ebenen Winkel, insbesondere von 8°, einschließt sowie ein Verfahren, insbesondere computerimplementiert, zur Verbesserung einer Messgenauigkeit einer solchen Vorrichtung. Neben der Lichtaustrittsöffnung kann der Hohlkörper weitere Öffnungen für die Lichtquelle und/oder den Lichtempfänger aufweisen. Alternativ kann er Ausbuchtungen für die Lichtquelle und/oder den Lichtempfänger aufweisen, so dass sie sich in seinem Inneren befinden.
Im Sinne der Erfindung umfasst der Begriff Licht jede mit optischen Mitteln manipulierbare elektromagnetische Strahlung, also insbesondere ultraviolette, sichtbare und infrarote Strahlung. Die Detektionsachse eines Lichtempfängers gibt beispielsweise eine Symmetrieachse seines Sehfeldes an, insbesondere kann es sich um die optische Achse des Lichtempfängers handeln. Sie beginnt in dem betreffenden Lichtempfänger. Licht, dass sich längs dieser Achse (in Richtung auf den Detektor zu) ausbreitet, gelangt in den Lichtempfänger. Jeder Lichtempfänger kann beispielsweise ein Ende eines jeweiligen Lichtwellenleiters oder Lichtwellenleiterbündels sein, insbesondere einschließlich einer Einkoppeloptik, die gleichzeitig als Richtoptik dienen kann. Die Richtoptik kann insbesondere eine Kollimationsoptik sein, so dass der Detektionsstrahlengang längs der Detektionsachse einen konstanten Querschnitt aufweist. Die lichtstreuende Oberfläche kann beispielweise aus Bariumsulfat, Polytetrafluorethylen oder Gold bestehen.
Zur Reflexionsmessung (Remissionsmessung) wird typischerweise eine als „d:8“ bezeichnete Geometrie eingesetzt, bei welcher die Detektionsachse des Lichtempfängers gegenüber der Bezugsachse, die in der Regel der (mittleren) Oberflächennormalen der Probe entspricht, und damit in der Regel gegenüber der der Probe um einen ebenen Winkel von 8° geneigt ist. Eine solche Vorrichtung ist beispielsweise aus DE 100 10 213 A1 (dort insbesondere 2) bekannt, deren Offenbarungsgehalt, insbesondere zur Ermittlung von Reflexionsgraden (Remissionsgraden), hier soweit als möglich einbezogen wird. Die Vorrichtung umfasst eine Ulbricht-Kugel als Diffusor. Durch ihre Lichtaustrittsöffnung kann Licht, das durch Streuung an ihrer inneren Oberfläche homogenisiert wird, aus dem kugelförmigen Hohlkörper austreten und zu einer vor der Lichtaustrittsöffnung befindlichen Messebene gelangen, in der die Probe angeordnet werden kann. An der Probe wird das Licht zumindest teilweise zur Lichtaustrittsöffnung remittiert (zurückgestreut und/oder dorthin reflektiert), so dass es durch die Lichtaustrittsöffnung wieder in den Hohlkörper eintritt. Ein erster Lichtempfänger ist zur Detektion dieses in den Hohlkörper remittierten Lichts (Messlicht), in dem Eigenschaften der Probe kodiert sind, angeordnet. Seine Detektionsachse verläuft durch die Detektionsöffnung und die Lichtaustrittsöffnung.
Der Durchmesser der Lichtaustrittsöffnung wird für Messgeometrien, in denen die Detektionsrichtung von der Bezugsachse abweicht, so gestaltet, dass sie das Sehfeld des Mess-Lichtempfängers und ein durch Reflexion an der Probenoberfläche mit dem Sehfeld korrespondierendes Beleuchtungsstrahlenbündel ohne Beschnitt freigibt. Alternativ wird — bei vorgegebener Lichtaustrittsöffnung — das Sehfeld des Lichtempfängers durch seine Richtoptik vorzugsweise so gestaltet, dass es und das mit ihm korrespondierende Beleuchtungsstrahlenbündel durch den Rand der Lichtaustrittsöffnung nicht beschnitten werden. Als Folge davon ist der Abstand zwischen der Probe und dem Diffusor eine für die Messgenauigkeit kritische Größe, da er den effektiven Lichtleitwert des Beleuchtungsstrahlengangs entscheidend beeinflusst. Beispielsweise kann es bei Bewegungen der Probe relativ zur Messvorrichtung zu Abstandsänderungen kommen. Bei zu großem Abstand werden die mit dem Sehfeld korrespondierenden Beleuchtungsstrahlen durch den Rand der Lichtaustrittsöffnung beschnitten. Der vom Lichtempfänger optisch aufgenommene Bereich der Probe (Messfleck in der Messebene) wird dann nicht mehr vollständig ausgeleuchtet und es kommt zu Messfehlern. Entsprechende Fehler durch Beschnitt des mit dem Sehfeld korrespondierenden Beleuchtungsstrahlenbündels treten auch bei einer Verkippung oder Verformung der Probe, beispielsweise durch ihre Eigenlast, oder bei Unebenheiten der Probenoberfläche auf.
Der Durchmesser der Lichtaustrittsöffnung bestimmt also die Toleranz der Messvorrichtung gegenüber Abstandsänderungen und Veränderungen der Neigung der Probenoberfläche. Die Lichtaustrittsöffnung kann jedoch bei gleichbleibender Hohlkörpergröße nicht zugunsten einer größeren Toleranz beliebig vergrößert werden, da sonst die homogenisierende Wirkung der inneren Vielfachstreuung des Diffusors verlorengeht. Eine anteilige Fläche von 5% an der lichtstreuenden Oberfläche gilt typischerweise als obere Grenze für die Gesamtfläche aller Öffnungen des Hohlkörpers (Labsphere: „Technical Guide – Integrating Sphere Theory and Applications“). Um eine größere Lichtaustrittsöffnung nutzen zu können, kann also allenfalls ein größerer Hohlkörper verwendet werden, der jedoch oft durch den verfügbaren Bauraum begrenzt ist.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine verbesserte optische Vorrichtung der eingangs genannten Art anzugeben, die eine genaue Vermessung von reflektierenden (remittierenden) Proben in einem signifikant von Null verschiedenen Abstand, insbesondere auch bei schwankenden Abständen und schwankender Neigung der Probenoberfläche gegenüber der Vorrichtung, ermöglicht.
Die Aufgabe wird gelöst durch eine optische Vorrichtung, welche die in Anspruch 1 angegebenen Merkmale aufweist, und durch ein Verfahren, welches die in Anspruch 12 angegebenen Merkmale aufweist.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass die Lichtaustrittsöffnung oder zumindest eine ebene Projektion ihres Randes (vorzugsweise entlang der Bezugsachse) eine (bezüglich jeder durch die Lichtaustrittsöffnung verlaufenden Raumachse) rotationsasymmetrische Form aufweist, wobei eine Längsachse der Lichtaustrittsöffnung in einer von der der Detektionsachse und der Bezugsachse aufgespannten Ebene verläuft. Die Längsachse ist im Sinne der Erfindung die Richtung einer Spiegelsymmetrieachse der Lichtaustrittsöffnung und/oder der größten lichten Weite der Lichtaustrittsöffnung.
Diese spezielle Ausrichtung der Lichtaustrittsöffnung stellt innerhalb der Hauptebene, in der reflektiertes (remittiertes) Licht detektiert wird, zumindest näherungsweise die effektiv größte Lichtaustrittsöffnungsweite bereit, wobei durch die rotationsasymmetrische Form die Öffnungsfläche der Lichtaustrittsöffnung besser ausgenutzt wird und die homogenisierende Wirkung des Diffusors erhalten bleibt. Durch eine solche, in Form und Lage an die Messgeometrie angepasste Lichtaustrittsöffnung sind größere Abstände zur Probe und insbesondere Abstandsschwankungen bei gleichbleibender Messgenauigkeit möglich, da bei gleichem Flächenanteil der Lichtaustrittsöffnung an der lichtstreuenden Oberfläche im Vergleich zur herkömmlichen rotationssymmetrischen Form ein Beschnitt der betreffenden Beleuchtungsstrahlen erst bei größeren Abständen zur Probe einsetzt.
Zweckmäßigerweise sind die Lichtaustrittsöffnung und der Lichtempfänger gegen die Lichtquelle abgeschattet, um den Austritt und die Detektion von gerichtetem Licht zu vermeiden. Zweckmäßigerweise sind die Lichtquelle und der Lichtempfänger relativ zur Lichtaustrittsöffnung fixiert, um eine konstant hohe Messgenauigkeit zu ermöglichen. Der Lichtempfänger kann beispielsweise selbst einen optoelektronischen Wandler oder alternativ eine Einkoppeloptik und einen Lichtwellenleiter oder alternativ eine Freistrahlübertragungsoptik umfassen.
Zweckmäßigerweise ist die Bezugsachse eine Normale einer Ebene, in welcher die Lichtaustrittsöffnung, insbesondere deren Rand, liegt, und/oder eine durch einen geometrischen Schwerpunkt des Inneren des Hohlkörpers verlaufende, die Lichtaustrittsöffnung durchstoßende Raumachse und/oder eine die Lichtaustrittsöffnung durchstoßende Symmetrieachse des Hohlkörpers oder verläuft entlang einer mittleren Lichtaustrittsrichtung der Lichtaustrittsöffnung. In der Regel ist die Bezugsachse eine Oberflächennormale der Probe (bei unebenen Proben eine mittlere Oberflächennormale).
Vorzugsweise weist der Lichtempfänger durch die Richtoptik ein Sehfeld auf, dessen Schnitt mit einer Ebene der Lichtaustrittsöffnung in Richtung der Längsachse der Lichtaustrittsöffnung signifikant kleiner als die Lichtaustrittsöffnung und quer zur Längsachse der Lichtaustrittsöffnung kleiner als diese im Bereich ihres dem Lichtempfänger näheren Endes (nachfolgend auch als erstes Ende bezeichnet) ist, vorzugsweise aber insignifikant kleiner. Dadurch wird einerseits die lichtempfindliche Fläche und der Dynamikbereich des Lichtempfängers beziehungsweise eines diesem nachgeschalteten optoelektronischen Wandlers und andererseits die die Homogenisierung beeinträchtigende Fläche der Lichtaustrittsöffnung maximal ausgenutzt. Andererseits wird so die Fläche der Lichtaustrittsöffnung möglichst gering gehalten. Daneben stellt der übrige Bereich der Lichtaustrittsöffnung, insbesondere abseits des Sehfeldes des Lichtempfängers an dem vom Lichtempfänger entfernteren Ende der Lichtaustrittsöffnung (nachfolgend auch als zweites Ende bezeichnet), entlang der Längsachse die bereits beschriebene Toleranz für Abstandsänderungen bereit.
Bei einer Abweichung der Oberflächennormalen der Probe von der Bezugsachse ist der Schnitt des (abstandsabhängig) effektiven Beleuchtungsstrahlenbündels mit der Lichtaustrittsöffnung nicht mehr auf der Längsachse zentriert. Die Abweichung nimmt mit zunehmender Verkippung und mit zunehmendem Probenabstand zu. Vorteilhaft sind daher Ausgestaltungen, in denen im Verlauf der Längsachse von einem ersten Ende der Lichtaustrittsöffnung zu einem zweiten Ende in zumindest einem ersten Abschnitt die zur Längsachse orthogonalen lokalen lichten Weiten der Lichtaustrittsöffnung streng monoton zunehmen, insbesondere mit einer Länge des ersten Abschnitts, die der gesamten lichten Weite entlang der Längsachse entspricht. Das erste Ende der Lichtaustrittsöffnung ist dann zweckmäßigerweise näher an dem Lichtempfänger angeordnet als das zweite Ende. Durch die erfindungsgemäße Verbreiterung mit zunehmender Entfernung von dem Ende der Lichtaustrittsöffnung, durch welches der Lichtempfänger blickt, steht für das effektive Beleuchtungsstrahlenbündel vorteilhafterweise ein größerer Toleranzbereich für Winkeländerungen der Probenoberfläche zur Verfügung, wobei die Abstandstoleranz erhalten bleibt. Andererseits bleibt die Fläche der Lichtaustrittsöffnung so gering wie möglich, um eine starke Homogenisierung zu erzielen.
Besonders bevorzugt sind Ausgestaltungen, bei denen im Verlauf der Längsachse die zu ihr orthogonalen lokalen lichten Weiten in einem zweiten Abschnitt konstant bleiben oder streng monoton abnehmen, insbesondere mit stärkerer Abnahme pro Längeneinheit der Längsachse im zweiten Abschnitt als Zunahme im ersten Abschnitt. Es handelt sich näherungsweise um eine elliptische oder eine ovale Form oder eine Tropfenform, insbesondere realisierbar durch eine abschnittsweise lineare Näherung an diese Formen. Dadurch kann die Fläche der Lichtaustrittsöffnung möglichst gering gehalten werden. Vorzugsweise kann ein jeweiliger Radius am ersten Ende der Lichtaustrittsöffnung einem Durchmesser des Sehfelds des Lichtempfängers entsprechen.
Zweckmäßigerweise kann in oder an der Lichtaustrittsöffnung eine transparente (also zumindest in einem spektralen Bereich optisch klare) Schutzfensterscheibe angeordnet sein. Dadurch wird der Diffusor vor mechanischen und chemischen Einflüssen aus dem Probenraum geschützt. Typischerweise weist die Schutzfensterscheibe planparallele Oberflächen auf. Sie kann auf herkömmliche Weise orthogonal zur Bezugsachse, also in der Regel parallel zur Messebene (Probenoberfläche) ausgerichtet sein.
Der Messort (Messfleck), an dem unmittelbar aus dem Hohlkörper austretende Beleuchtungsstrahlen (längs der Detektionsachse) zum Lichtempfänger reflektiert werden, wird nachfolgend auch als Primärreflex bezeichnet. Das Bündel all dieser Beleuchtungsstrahlen wird nachfolgend als primäres Beleuchtungsstrahlenbündel bezeichnet.
Aufgrund der von der Bezugsachse abweichenden Detektionsachse nimmt der Lichtempfänger auch Lichtanteile auf, die gemäß den optischen Reflexionsgesetzen mehrfach an der Probe und dazwischen an der Schutzfensterscheibe reflektiert (in der Probe auch remittiert) und dadurch in den Detektionsstrahlengang zum Detektor eingekoppelt (eingespiegelt) werden. Der Beitrag dieser Lichtanteile zum Messsignal wird als „Reflection Feedback“ (RFB) bezeichnet.
Der Ort, an dem unmittelbar aus dem Hohlkörper austretende Beleuchtungsstrahlen so zur Schutzfensterscheibe reflektiert werden, dass sie dort (anteilig) in das primäre Beleuchtungsstrahlenbündel eingekoppelt, also zum Primärreflex geleitet und von dort (längs der Detektionsachse) zum Lichtempfänger reflektiert werden, wird nachfolgend als Sekundärreflex bezeichnet. Das Bündel all dieser Beleuchtungsstrahlen wird nachfolgend als sekundäres Beleuchtungsstrahlenbündel bezeichnet. Der Ort, an dem unmittelbar aus dem Hohlkörper austretende Beleuchtungsstrahlen so zur Schutzfensterscheibe reflektiert werden, dass sie (anteilig) in das sekundäre Beleuchtungsstrahlenbündel eingekoppelt, also zum Sekundärreflex geleitet, an der Schutzfensterscheibe zum Primärreflex reflektiert und von dort (längs der Detektionsachse) zum Lichtempfänger reflektiert werden, wird nachfolgend als Tertiärreflex bezeichnet. Das Bündel all dieser Beleuchtungsstrahlen wird nachfolgend als tertiäres Beleuchtungsstrahlenbündel bezeichnet. Reflexe höherer Ordnung können sind in der Regel vernachlässigbar.
Um eine höhere Messgenauigkeit zu erreichen, muss der Beitrag von RFB bis zu einer vorgegebenen Reflexordnung (rechnerisch) kompensiert werden. Typischerweise werden die Beiträge von Sekundärreflex und Tertiärreflex kompensiert. Bei Abstandsänderungen der Probe und Veränderungen der Neigung der Probenoberfläche kann es jedoch zum Beschnitt der betreffenden Beleuchtungsstrahlenbündel kommen, so dass der RFB-Beitrag zum Messsignal signifikant schwankt. Als Folge davon ist die RFB-Kompensation nicht korrekt, so das Messergebnis verfälscht wird.
Es ist daher vorteilhaft, die rotationsasymmetrische Lichtaustrittsöffnung so auszubilden, dass aus der Lichtaustrittsöffnung unmittelbar austretendes, in einer durch den maximalen Abstand zur Lichtaustrittsöffnung definierten Messebene erstmalig reflektiertes tertiäres Beleuchtungsstrahlenbündel an der Schutzfensterscheibe anteilig zur Messebene reflektiert, von dort erneut zur Schutzfensterscheibe reflektiert, erneut anteilig zur Messebene reflektiert und von dort (längs der Detektionsachse) zum Lichtempfänger reflektiert wird, wobei ein Schnitt des tertiären Lichtstrahlenbündel mit der Messebene bei der ersten Reflexion in der Messebene geometrisch ähnlich zu einem Schnitt eines unmittelbar aus der Lichtaustrittsöffnung austretenden und genau einmal in der Messebene zum Lichtempfänger reflektierten primären Beleuchtungsstrahlenbündels mit der Messebene ist. Dadurch können Primärreflex, Sekundärreflex und Tertiärreflex zuverlässig vom Lichtempfänger erfasst und so eine hohe Messgenauigkeit erreicht werden.
Da die Beleuchtungsstrahlen für den Sekundärreflex (und untergeordnete Reflexe) näher am Rand der Lichtaustrittsöffnung austreten als diejenigen für den Primärreflex, werden sie bei Vergrößerung (und Schwankung) des Abstands zwischen Lichtaustrittsöffnung und Probe und/oder Verkippung der Probe (oder Oberflächenunebenheiten) in herkömmlichen Ulbricht-Kugeln mit rotationssymmetrischer Lichtaustrittsöffnung eher beschnitten als diejenigen für den Primärreflex, was zu signifikanten Schwankungen der vom Lichtempfänger aufgenommenen Lichtintensität führt. Das Messergebnis ist entsprechend stark fehlerbehaftet. Durch die von der Erfindung bereitgestellte größere Toleranz gegenüber Abstands- und Winkeländerungen der Probe ermöglicht es, den Sekundärreflex, insbesondere auch den Tertiärreflex, zuverlässig in die Messung einzuschließen. Die Lichtaustrittsöffnung kann aber prinzipiell so ausgebildet sein, dass auch Beleuchtungsstrahlen aus Reflexen höherer Ordnung unbeschnitten zum Primärreflex beitragen.
In einer besonders vorteilhaften Ausführungsform kann die Schutzfensterscheibe gegenüber der Detektionsachse so verkippt sein, dass ein ebener Winkel zwischen einer Oberflächennormalen der Schutzfensterscheibe und der Detektionsachse größer als der ebene Winkel zwischen der Detektionsachse und der Bezugsachse ist. Gegenüber einer unverkippten (zur Messebene parallelen) Schutzfensterscheibe wird so der Abstand zwischen den Reflexen in der Messebene verringert. Dadurch ist die zur zuverlässigen Detektion von RFB notwendige größte lichte Weite der Lichtaustrittsöffnung geringer, so dass die Lichtaustrittsöffnung gegenüber herkömmlichen Ulbricht-Kugeln weiter verkleinert sein kann. Dadurch wird insbesondere der Homogenisierungsgrad verbessert.
Die optische Vorrichtung kann zweckmäßigerweise eine Probenlagervorrichtung, welche einen maximalen Abstand zwischen einer Probe und Lichtaustrittsöffnung und eine Normale einer von ihr aufgespannten Ebene als die Bezugsachse definiert, insbesondere mit Ausbildung der Probenlagervorrichtung als Probentransportvorrichtung.
Besonders bevorzugt sind Ausgestaltungen mit einem mit dem Lichtempfänger optisch verbundenen Spektrometer und einer Auswerteeinheit, die, insbesondere programmtechnisch, dazu eingerichtet ist, anhand von elektrischen Signalen des Spektrometers und anhand von vorgegebenen oder in der Auswerteeinheit gespeicherten Messwerten mindestens eines Referenzstandards eine Eigenschaft einer Probe zu ermitteln. Auf diese Weise können spektral kodierte Probeneigenschaften ermittelt werden. Ein Spektrometer umfasst beispielsweise einen Eintrittsspalt, ein winkeldispersives Element wie ein Gitter, insbesondere ein abbildendes Gitter, und einen optoelektronischen Wandler sowie optional eine Auswerteeinheit. Vorzugsweise ist die Auswerteeinheit dazu eingerichtet, einen Beitrag von aus der Lichtaustrittsöffnung austretendem und mehrfach an der Probe und der Schutzfensterscheibe reflektiertem Licht zu dem Signal des Spektrometers zu ermitteln und entweder den Beitrag im Messsignal zu kompensieren oder ermittelte Probeneigenschaft anhand des Beitrags zu korrigieren. Dabei erfolgt die Ermittlung des RFB-Beitrags vorzugsweise unter Annahme von Beschnittfreiheit der Beleuchtungsstrahlenbündel der kompensierten Reflexordnungen, um den Kompensationsaufwand gering zu halten.
Optimal ausgenutzt werden kann die Fläche der Lichtaustrittsöffnung, indem die Lichtaustrittsöffnung achsensymmetrisch um die Längsachse ist, da zu erwarten ist, dass Winkeländerungen an der Probenoberfläche symmetrisch in beide Richtungen auftreten.
Um die Strahlungsfunktionen der interessierenden Probenflächen unabhängig von langfristigen Veränderungen der wellenlängenabhängigen optischen Transmissionseigenschaften des Detektionsstrahlengangs, der lichtstreuenden Oberfläche und der Emissionscharakteristik der Lichtquelle bestimmen zu können, ist es notwendig, die Messvorrichtung durch Vermessung eines Referenzstandards im Detektionsstrahlengang der Messvorrichtung zu kalibrieren. In der Regel wird zumindest ein sogenannter Weiß-Standard verwendet, der typischerweise einen maximalen Reflexionsgrad bei allen an der Probe zu messenden Wellenlängen aufweist. Ein solcher Standard kann zur Kalibrierung beispielsweise anstelle der Probe an den Messort gebracht werden.
Zur Bereitstellung eines Referenzkanals zur Kompensation kurzzeitiger Schwankungen der Emissionscharakteristik der Lichtquelle kann der Hohlkörper eine weitere Öffnung oder Ausbuchtung für einen zweiten Lichtaufnehmer aufweisen. Der zweite Lichtaufnehmer nimmt dann ausschließlich Licht aus Richtung der lichtstreuenden Oberfläche (Referenzlicht), in dem Eigenschaften der Lichtquelle kodiert sind, auf, beispielsweise mittels einer auf die Oberfläche ausgerichteten Richtoptik. Seine Detektionsachse verläuft dann vollständig innerhalb des Innenraums bis zur diffus reflektierenden Oberfläche.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann besonders vorteilhaft zum Messen einer Eigenschaft eines Körpers, dessen Oberfläche Licht (überwiegend) gerichtet reflektiert, verwendet werden. Bei solchen Proben, die als spekular bezeichnet werden, wirken sich Abstands- und Winkeländerungen ihrer Oberfläche aufgrund der Reflexionsgesetze stark auf die Übertragungseffizienz zum Lichtempfänger aus.
Die Erfindung umfasst auch ein Verfahren, insbesondere computerimplementiert, zur Verbesserung einer Messgenauigkeit einer optische Vorrichtung zur Reflexionsmessung unter diffuser Beleuchtung einer Probe, wobei in einem Modell, das einen Diffusor, der einen Hohlkörper mit einer lichtstreuenden Oberfläche in seinem Inneren und eine Lichtaustrittsöffnung zur Auskopplung von an der Oberfläche gestreutem Licht aus dem Inneren aufweist, und eine Lichtquelle, angeordnet zur Beleuchtung der lichtstreuenden Oberfläche, sowie ein Lichtempfänger mit einer Richtoptik, angeordnet zur Aufnahme von durch die Lichtaustrittsöffnung in den Hohlkörper einfallendem Licht längs einer Detektionsachse, welche mit einer (vorgegebenen) Bezugsachse einen positiven ebenen Winkel, insbesondere von 8°, darstellt, ein Lichtaustritt aus dem Inneren durch die Lichtaustrittsöffnung, eine Reflexion an einer Oberfläche der Probe und ein Durchtritt von reflektiertem Licht durch die Lichtaustrittsöffnung zum Lichtempfänger bei einem vorgegebenen Abstand zwischen Probe und Lichtaustrittsöffnung simuliert wird, wobei für unterschiedliche Neigungen der Oberfläche der Probe gegenüber der Bezugsachse ein jeweiliger Schnitt eines (primären) Beleuchtungsstrahlenbündels, das durch Reflexion an der Probenoberfläche längs der Detektionsrichtung mit einem Sehfeld des Lichtempfängers korrespondiert, mit einer Ebene der Lichtaustrittsöffnung ermittelt wird und eine Form der Lichtaustrittsöffnung anhand einer Einhüllenden der Schnitte und anhand eines Schnittes des Sehfelds des Lichtempfängers mit der Ebene der Lichtaustrittsöffnung ermittelt wird, insbesondere so, dass die Einhüllende vollständig innerhalb der Lichtaustrittöffnung liegt.
Durch die Berücksichtigung der Einhüllenden ist sichergestellt, dass Beschnitt des Primärreflexes für alle Abstände und Neigungen bis zu den jeweiligen Maximalwerten vermieden werden.
Vorzugsweise wird dabei auch eine anteilige Reflexion von aus Richtung der Probe kommendem Licht an einer in der Lichtaustrittsöffnung angeordneten Schutzfensterscheibe und ein Durchtritt von Licht durch die Schutzfensterscheibe simuliert. Dadurch wird die Genauigkeit der Optimierung verbessert.
Besonders vorteilhaft sind dabei Ausführungsformen, in denen für die unterschiedlichen Neigungen auch ein jeweiliger Schnitt eines durch anteilige Reflexion an der Schutzfensterscheibe in das primäre Beleuchtungsstrahlenbündel eingekoppelten, an der Oberfläche der Probe reflektierten sekundären Beleuchtungsstrahlenbündels mit der Ebene der Lichtaustrittsöffnung ermittelt und in die Einhüllende eingeschlossen wird, insbesondere auch für die unterschiedlichen Neigungen auch ein jeweiliger Schnitt eines durch anteilige Reflexion an der Schutzfensterscheibe in das sekundäre Beleuchtungsstrahlenbündel eingekoppelten, an der Oberfläche der Probe reflektierten tertiären Beleuchtungsstrahlenbündels mit der Ebene der Lichtaustrittsöffnung ermittelt und in die Einhüllende eingeschlossen wird. Durch die Berücksichtigung der Einhüllenden auch des Sekundärreflexes und des Tertiärreflexes ist sichergestellt, dass Beschnitt dieser Reflexe für alle Abstände und Neigungen bis zu den jeweiligen Maximalwerten vermieden und so RFB in allen spezifizierten Lagen der Probe zuverlässig erfasst wird.
Besonders vorteilhaft ist es, alle in die Einhüllende eingeschlossenen Schnitte für unterschiedliche Wellenlängen eines (vorgegebenen) Spektralbereiches, insbesondere (nur) für dessen obere und untere Grenzwellenlänge, zu ermitteln, indem die Simulation für diese Wellenlängen durchgeführt wird, und für alle diese Wellenlängen in die Einhüllende einzuschließen. Durch diese Berücksichtigung von Farbfehlern wird die Genauigkeit der Optimierung verbessert.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert.
In den Zeichnungen zeigen:
1 eine optische Vorrichtung zur Reflexionsmessung unter diffuser Beleuchtung nach dem Stand der Technik,
2 eine erste optische Vorrichtung zur Reflexionsmessung unter diffuser Beleuchtung mit rotationsasymmetrischer Lichtaustrittsöffnung,
3 eine zweite optische Vorrichtung zur Reflexionsmessung unter diffuser Beleuchtung mit rotationsasymmetrischer Lichtaustrittsöffnung und
4 eine dritte optische Vorrichtung zur Reflexionsmessung unter diffuser Beleuchtung mit rotationsasymmetrischer Lichtaustrittsöffnung und geneigter Schutzfensterscheibe.
In allen Zeichnungen tragen übereinstimmende Teile gleiche Bezugszeichen.
1 zeigt eine herkömmliche optische Vorrichtung 1 zur Reflexionsmessung unter diffuser Beleuchtung im vertikalen Querschnitt (1A) und im horizontalen Querschnitt (1B), wobei einige Teile der Einfachheit halber schematisch dargestellt sind. Die Vorrichtung 1 umfasst neben einer Probenlagerung 2, die die Oberfläche der Probe P als Messebene definiert, einen Diffusor 3, eine Lichtquelle 4 und einen Lichtempfänger 5, der optisch mit einem an sich bekannten Spektrometer 6 verbunden ist. Der Diffusor 3 weist einen Hohlkörper 7 mit einer lichtstreuenden Oberfläche 8 in seinem Inneren I sowie eine kreisförmige Lichtaustrittsöffnung 9 zur Auskopplung von an der Oberfläche 8 gestreutem Licht aus dem Inneren I auf. Die Lichtquelle 4 ist zur Beleuchtung der lichtstreuenden Oberfläche 8 angeordnet und mit einem Schatter 10 umgeben, der die Lichtaustrittsöffnung 9 und den Lichtempfänger 5 vor direktem, gerichtetem Licht aus der Lichtquelle 4 abschirmt. Der Lichtempfänger 5 umfasst eine Richtoptik und ist zur Aufnahme von durch die Lichtaustrittsöffnung 9 in den Hohlkörper 7 einfallendem Licht längs einer Detektionsachse D angeordnet, wobei sein Sehfeld beispielsweise durch einen parallelen Strahlengang ausgezeichnet ist. Die Detektionsachse D schließt mit der Bezugsachse B, die sowohl Symmetrieachse des Hohlkörpers (7) als auch eine Normale der Oberfläche der Probe (P) ist, einen positiven ebenen Winkel von beispielsweise 8° ein. Die Richtoptik dient beispielsweise als Einkoppeloptik in einen Lichtwellenleiter 11, der das aufgenommene Licht zum Spektrometer 6 leitet. In der Lichtaustrittsöffnung ist eine planparallele Schutzfensterscheibe 12 angeordnet. Für die Darstellung der Beleuchtungs- und Detektionsstrahlen wird sie als unendlich dünn angesehen, so dass der Übersicht halber beim Durchgang keine Parallelversätze auftreten.
Die mit dem Spektrometer 6 verbundene Auswerteeinheit 13 ist programmtechnisch dazu eingerichtet, anhand von elektrischen Signalen des Spektrometers 6 und anhand von vorgegebenen oder in der Auswerteeinheit 13 gespeicherten Messwerten mindestens eines Referenzstandards eine Eigenschaft der Probe P zu ermitteln. Die Messwerte des Referenzstandards werden in einem Kalibrierdurchgang ermittelt, wobei vor der Lichtaustrittsöffnung 9 der Referenzstandard als Probe P angeordnet wird.
Das Sehfeld des Lichtempfängers 5 auf der Probe P (Primärreflex R₁) ist nur durch das primäre Beleuchtungsstrahlenbündel L₁ ausgeleuchtet, da nur dessen mit den Detektionsrandstrahlen gemäß den optischen Reflexionsgesetzen korrespondierenden Beleuchtungsrandstrahlen von der Oberfläche 8 aus den Messfleck erreichen. Der in der Zeichnung linke Beleuchtungsrandstrahl des Primärreflexes R₁ verläuft jedoch nahe dem Rand der Lichtaustrittsöffnung 9. Verändert sich lokal die Probendicke oder entfernt sich die Probe P von der Lichtaustrittsöffnung 9, so wandert der Messfleck auf der Probe P nach links und der linke Beleuchtungsrandstrahl aus der Lichtaustrittsöffnung 9 hinaus. Dadurch ist der Primärreflex R₁ nicht mehr vollständig genutzt; das effektive Beleuchtungsfeld L₁ ist dann beschnitten.
Durch unterbrochene Linien sind auch die Beleuchtungsrandstrahlen und der Beleuchtungsmittelstrahl des Sekundärreflexes R₂ dargestellt, die schließlich durch Reflexion an der Schutzfensterscheibe 12 teilweise in die Beleuchtungsrandstrahlen und den Beleuchtungsmittelstrahl des Primärreflexes R₁ eingekoppelt werden. Die Schutzfensterscheibe 12 besteht beispielsweise aus dem Material BK7, das etwa 8% des auftreffenden Lichts reflektiert. Das effektive Beleuchtungsfeld L₂ des aus der Reflexion an der Schutzfensterscheibe 12 resultierenden Sekundärreflexes R₂ ist jedoch beschnitten, erkennbar an der scheinbaren Herkunft des linken Randstrahls aus dem lichtundurchlässigen Hohlkörper 7. Dadurch tragen der Sekundärreflex R₂ und der nicht dargestellte Tertiärreflex mit schwankender Größe zum Messsignal des Lichtempfängers 5 bei, wenn die Probenoberfläche ihre Lage verändert.
Schließlich ist ein großer Teil der Lichtaustrittsöffnung 9 ungenutzt (freier Bereich zwischen Öffnungsrand und den schraffierten Schnitten der Beleuchtungs- und Detektionsstrahlen in 1B), was den Grad der Homogenisierung des zur Probe P austretenden Lichts unnötig vermindert.
In 2 ist ein Ausschnitt aus einer erfindungsgemäß verbesserten Vorrichtung 1 gezeigt, die im übrigen mit der in 1 gezeigten Vorrichtung übereinstimmt. Im Unterschied zu dieser weist die Lichtaustrittsöffnung jedoch eine rotationsasymmetrische Form auf, wobei die Längsachse X der Lichtaustrittsöffnung 9 in einer von der der Detektionsachse D und der Bezugsachse B aufgespannten Ebene verläuft. Im Verlauf der Längsachse X vom ersten, dem Lichtempfänger 5 näheren Ende der Lichtaustrittsöffnung (9) zum zweiten Ende nimmt die Breite (zur Längsachse orthogonale lokale lichte Weite) der Lichtaustrittsöffnung (9) zunächst in einem ersten Abschnitt streng monoton zu, bleibt dann in einem zweiten Abschnitt konstant und nimmt in einem dritten Abschnitt streng monoton ab. Die Abnahme pro Längeneinheit der Längsachse X im dritten Abschnitt ist dabei stärker als die Zunahme im ersten Abschnitt. Durch diese Form ist die Lichtaustrittsöffnung 9 gegenüber 1 im wesentlichen auf die zur Beleuchtung und Detektion genutzte Fläche beschränkt, wobei eine Toleranz gegenüber Verkippungen der Probenoberfläche quer zur Längsachse X besteht, so dass ein besserer Homogenisierungsgrad und damit eine höhere Messgenauigkeit bereitgestellt wird. Zum besseren Vergleich der Flächengrößen ist die Lichtaustrittsöffnung gemäß 1 in 2 durch eine unterbrochene Linie angedeutet.
3 zeigt, wie der Beschnitt des Sekundärreflexes R₂ gegenüber 1 und 2 vermieden und die Toleranz auf Abstandsschwankungen vergrößert werden kann. Zu diesem Zweck kann die Lichtaustrittsöffnung 9 in Richtung der Längsachse X eine größere lichte Weite aufweisen, hier beispielsweise um 100% größer sein als die größte lokale lichte Weite quer zur Längsachse X. Auf diese Weise wird ein Beschnitt des sekundären Beleuchtungsstrahlenbündels L₂ vermieden, so dass es den Sekundärreflex R₂ beschnittfrei ausleuchtet, wodurch die Messung genauer durchgeführt werden kann. Dennoch ist die Gesamtfläche der Lichtaustrittsöffnung 9 vorteilhafterweise kleiner als bei einer herkömmlichen Ausführungsform wie in 1. Im übrigen ist die Vorrichtung 1 identisch mit der in 2 gezeigten.
Durch eine Vergrößerung kann auch der RFB-bedingte Tertiärreflex beschnittfrei ausgeleuchtet und vollständig zur Messung genutzt werden. Dies reduziert andererseits den Homogenisierungsgrad des Diffusors 3.
Schließlich ist in 4 eine Ausführungsform dargestellt, in welche die Schutzfensterscheibe 12 gegenüber der Detektionsachse D so verkippt ist, dass der ebene Winkel zwischen der Oberflächennormalen der Schutzfensterscheibe 12 und der Detektionsachse D größer als der ebene Winkel zwischen der Detektionsachse D und der Bezugsachse B von 8° ist. Dadurch erfolgt die teilweise Reflexion vom Sekundärreflex R₂ her an der Schutzfensterscheibe 12 unter einem kleineren Winkel als die Reflexion längs der Detektionsachse D im Primärreflex R₁ in der Messebene M auf der Probe P. Das führt dazu, dass der Sekundärreflex R₂ gegenüber 3 stärker mit dem Primärreflex R₁ überlappt. Der Tertiärreflex R₃ wird durch das tertiäre Beleuchtungsstrahlenbündel L₃ beschnittfrei ausgeleuchtet, so dass die Messgenauigkeit weiter verbessert ist. Der Tertiärreflex R₃ liegt sogar noch näher am Sekundärreflex R₂ als dieser am Primärreflex R₁. Bei BK7 trägt der Tertiärreflex 0,64% zur Energie/Intensität des Primärreflexes R₁ bei.
Vorzugsweise ist die Lichtaustrittsöffnung 9 so bemessen, dass bei einem vorgegebenen maximalen Abstand der Probe P von der Lichtaustrittsöffnung 9 alle drei Reflexe R_1,2,3 durch das betreffende Beleuchtungsstrahlenbündel L_1,2,3 vollständig ausgeleuchtet sind und auch bei Verkippungen der Probenoberfläche innerhalb einer vorgegebenen Neigung bleiben. Dennoch kann die relative Fläche der Lichtaustrittsöffnung 9 an der gesamten streuenden Oberfläche 8 kleiner sein als in herkömmlichen Ausführungen mit rotationssymmetrischer Lichtaustrittsöffnung. Auf diese Weise wird die höchste Messgenauigkeit erzielt.
Die Vorteile der erfindungsgemäßen Messvorrichtung 1 können unter anderem bei der Herstellung und/oder bei der Qualitätskontrolle optischer Erzeugnisse genutzt werden, insbesondere zur Prozess-Steuerung. Hier ist es häufig erforderlich, optische Eigenschaften, beispielsweise das Reflexions- und/oder Transmissionsverhalten, in Abhängigkeit von der Lichtwellenlänge zu messen. Ein Beispiel hierfür sind optische Analysen von als Infrarotfilter wirkenden Filteroberflächen, die Wärmestrahlung zurückhalten, jedoch sichtbares Licht möglichst ungehindert durchlassen sollen. Derartige Filteroberflächen werden beispielsweise auf Architekturglas oder Fahrzeugscheiben aufgebracht. Ein weiteres Beispiel sind Entspiegelungsoberflächen, insbesondere für die Breitbandentspiegelung, die innerhalb des Bereichs des sichtbaren Lichtes eine möglichst geringe Reflexion aufweisen sollen. Die Vorrichtung 1 kann beispielsweise gemäß DE 100 10 213 A1 eingesetzt werden.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann vorteilhafterweise mehrere Lichtempfänger aufweisen, die mittels einer jeweiligen Richtoptik Licht, das von der Lichtaustrittsöffnung her durch den Hohlkörper fällt, aufnehmen. Für jeden Lichtempfänger kann eine eigene Öffnung oder Ausbuchtung im Hohlkörper vorgesehen sein.
Bezugszeichenliste

1: Messvorrichtung
2: Probenlagerung
3: Diffusor
4: Lichtquelle
5: Lichtempfänger
6: Spektrometer
7: Hohlkörper
8: Lichtstreuende Oberfläche
9: Lichtaustrittsöffnung
10: Schatter
11: Lichtwellenleiter
12: Schutzfensterscheibe
13: Auswerteeinheit
I: Inneres
D: Detektionsachse
B: Bezugsachse
S: Symmetrieachse
P: Probe
R₁: Primärreflex
L₁: Primäres Beleuchtungsstrahlenbündel
R₂: Sekundärreflex
L₂: Sekundäres Beleuchtungsstrahlenbündel
R₃: Tertiärreflex
L₃: Tertiäres Beleuchtungsstrahlenbündel
M: Messebene
X: Längsachse

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 10010213 A1 [0003, 0052]

Claims

Optische Vorrichtung (1) zur Reflexionsmessung unter diffuser Beleuchtung, umfassend einen Diffusor (3), der einen Hohlkörper (7) mit einer lichtstreuenden Oberfläche (8) in seinem Inneren (I) und eine Lichtaustrittsöffnung (9) zur Auskopplung von an der Oberfläche (8) gestreutem Licht aus dem Inneren (I) aufweist, und eine Lichtquelle (4), angeordnet zur Beleuchtung der lichtstreuenden Oberfläche (8), sowie einen Lichtempfänger (5) mit einer Richtoptik, angeordnet zur Aufnahme von durch die Lichtaustrittsöffnung (9) in den Hohlkörper (7) einfallendem Licht längs einer Detektionsachse (D), welche mit einer Bezugsachse (B) einen positiven ebenen Winkel, insbesondere von 8°, einschließt, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtaustrittsöffnung (9) oder zumindest eine ebene Projektion ihres Randes eine rotationsasymmetrische Form aufweist, wobei eine Längsachse (X) der Lichtaustrittsöffnung (9) in einer von der der Detektionsachse (D) und der Bezugsachse (B) aufgespannten Ebene verläuft.
Vorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei im Verlauf der Längsachse (X) von einem ersten Ende der Lichtaustrittsöffnung (9) zu einem zweiten Ende in zumindest einem ersten Abschnitt die zur Längsachse (X) orthogonalen lokalen lichten Weiten der Lichtaustrittsöffnung (9) streng monoton zunehmen, insbesondere mit einer Länge des ersten Abschnitts, die der gesamten lichten Weite entlang der Längsachse (X) entspricht.
Vorrichtung (1) nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei im Verlauf der Längsachse (X) die zu ihr orthogonalen lokalen lichten Weiten in einem zweiten Abschnitt konstant bleiben oder streng monoton abnehmen, insbesondere mit stärkerer Abnahme pro Längeneinheit der Längsachse (X) im zweiten Abschnitt als Zunahme im ersten Abschnitt.
Vorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das erste Ende näher an dem Lichtempfänger (5) angeordnet ist als das zweite Ende.
Vorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei in oder an der Lichtaustrittsöffnung (9) eine transparente Schutzfensterscheibe (12) angeordnet ist.
Vorrichtung (1) nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei die Schutzfensterscheibe (12) gegenüber der Detektionsachse (D) so verkippt ist, dass ein ebener Winkel zwischen einer Oberflächennormalen der Schutzfensterscheibe (12) und der Detektionsachse (D) größer als der ebene Winkel zwischen der Detektionsachse (D) und der Bezugsachse (B) ist.
Vorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, umfassend eine Probenlagervorrichtung (2), welche einen maximalen Abstand zwischen einer Probe (P) und Lichtaustrittsöffnung (9) und eine Normale einer von ihr aufgespannten Ebene als die Bezugsachse (B) definiert, insbesondere mit Ausbildung der Probenlagervorrichtung (2) als Probentransportvorrichtung.
Vorrichtung (1) nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei die Lichtaustrittsöffnung (9) so ausgebildet ist, dass aus der Lichtaustrittsöffnung (9) unmittelbar austretendes, in einer durch den maximalen Abstand zur Lichtaustrittsöffnung (9) definierten Messebene erstmalig reflektiertes tertiäres Beleuchtungsstrahlenbündel (L₃) an der Schutzfensterscheibe (12) anteilig zur Messebene reflektiert, von dort erneut zur Schutzfensterscheibe (12) reflektiert, erneut anteilig zur Messebene reflektiert und von dort zum Lichtempfänger (5) reflektiert wird, wobei ein Schnitt des tertiären Lichtstrahlenbündel mit der Messebene bei der ersten Reflexion in der Messebene geometrisch ähnlich zu einem Schnitt eines unmittelbar aus der Lichtaustrittsöffnung (9) austretenden und genau einmal in der Messebene zum Lichtempfänger (5) reflektierten primären Beleuchtungsstrahlenbündels (L₁) mit der Messebene ist.
Vorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, umfassend ein mit dem Lichtempfänger (5) optisch verbundenes Spektrometer (6) und eine Auswerteeinheit (13), die, insbesondere programmtechnisch, dazu eingerichtet ist, anhand von elektrischen Signalen des Spektrometers (6) und anhand von vorgegebenen oder in der Auswerteeinheit (13) gespeicherten Messwerten mindestens eines Referenzstandards eine Eigenschaft einer Probe (P) zu ermitteln, insbesondere mit Einrichtung der Auswerteeinheit dazu, einen Beitrag von aus der Lichtaustrittsöffnung austretendem und mehrfach an der Probe und der Schutzfensterscheibe reflektiertem Licht zu dem Signal des Spektrometers zu ermitteln und entweder den Beitrag im Messsignal zu kompensieren oder ermittelte Probeneigenschaft anhand des Beitrags zu korrigieren.
Vorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Lichtaustrittsöffnung (9) achsensymmetrisch um die Längsachse (X) ist.
Verwendung einer Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche zum Messen einer Eigenschaft eines Körpers, dessen Oberfläche Licht (überwiegend) gerichtet reflektiert.
Verfahren, insbesondere computerimplementiert, zur Verbesserung einer Messgenauigkeit einer optische Vorrichtung (1) zur Reflexionsmessung unter diffuser Beleuchtung einer Probe (P), wobei in einem Modell, das einen Diffusor (3), der einen Hohlkörper (7) mit einer lichtstreuenden Oberfläche (8) in seinem Inneren (I) und eine Lichtaustrittsöffnung (9) zur Auskopplung von an der Oberfläche (8) gestreutem Licht aus dem Inneren (I) aufweist, und eine Lichtquelle (4), angeordnet zur Beleuchtung der lichtstreuenden Oberfläche (8), sowie ein Lichtempfänger (5) mit einer Richtoptik, angeordnet zur Aufnahme von durch die Lichtaustrittsöffnung (9) in den Hohlkörper (7) einfallendem Licht längs einer Detektionsachse (D), welche mit einer (vorgegebenen) Bezugsachse (B) einen positiven ebenen Winkel, insbesondere von 8°, darstellt, ein Lichtaustritt aus dem Inneren (I) durch die Lichtaustrittsöffnung (9), eine Reflexion an einer Oberfläche der Probe (P) und ein Durchtritt von reflektiertem Licht durch die Lichtaustrittsöffnung (9) zum Lichtempfänger (5) bei einem vorgegebenen Abstand zwischen Probe (O) und Lichtaustrittsöffnung (9) simuliert wird, wobei für unterschiedliche Neigungen der Oberfläche der Probe (P) gegenüber der Bezugsachse (B) ein jeweiliger Schnitt eines (primären) Beleuchtungsstrahlenbündels, das durch Reflexion an der Probenoberfläche längs der Detektionsrichtung (D) mit einem Sehfeld des Lichtempfängers (5) korrespondiert, mit einer Ebene der Lichtaustrittsöffnung (9) ermittelt wird und eine Form der Lichtaustrittsöffnung anhand einer Einhüllenden der Schnitte und anhand eines Schnittes des Sehfelds des Lichtempfängers (5) mit der Ebene der Lichtaustrittsöffnung (9) ermittelt wird, insbesondere so, dass die Einhüllende vollständig innerhalb der Lichtaustrittöffnung (9) liegt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Verfahrensansprüche, wobei auch eine anteilige Reflexion von aus Richtung der Probe kommendem Licht an einer in der Lichtaustrittsöffnung (9) angeordneten Schutzfensterscheibe (12) und ein Durchtritt von Licht durch die Schutzfensterscheibe (12) simuliert wird.
Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei für die unterschiedlichen Neigungen auch ein jeweiliger Schnitt eines durch anteilige Reflexion an der Schutzfensterscheibe (12) in das primäre Beleuchtungsstrahlenbündel eingekoppelten, an der Oberfläche der Probe (P) reflektierten sekundären Beleuchtungsstrahlenbündels mit der Ebene der Lichtaustrittsöffnung (9) ermittelt und in die Einhüllende eingeschlossen wird, insbesondere auch für die unterschiedlichen Neigungen auch ein jeweiliger Schnitt eines durch anteilige Reflexion an der Schutzfensterscheibe (12) in das sekundäre Beleuchtungsstrahlenbündel eingekoppelten, an der Oberfläche der Probe (P) reflektierten tertiären Beleuchtungsstrahlenbündels mit der Ebene der Lichtaustrittsöffnung (9) ermittelt und in die Einhüllende eingeschlossen wird.
Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei alle in die Einhüllende eingeschlossenen Schnitte für unterschiedliche Wellenlängen eines Spektralbereiches, insbesondere für dessen obere und untere Grenzwellenlänge, ermittelt werden, indem die Simulation für diese Wellenlängen durchgeführt wird, und für alle diese Wellenlängen in die Einhüllende eingeschlossen werden.