DE102014215193A1

DE102014215193A1 - Messanordnung zur Reflexionsmessung

Info

Publication number: DE102014215193A1
Application number: DE102014215193.7A
Authority: DE
Inventors: Jörg Margraf; Jens Mondry
Original assignee: Carl Zeiss Spectroscopy GmbH
Current assignee: Carl Zeiss Spectroscopy GmbH
Priority date: 2014-08-01
Filing date: 2014-08-01
Publication date: 2016-02-04
Also published as: WO2016015921A1; DE202014010613U1; US20170211975A1; CN106574866A; US10054484B2; CN106574866B

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Messanordnung zur Erfassung eines absoluten Reflexionsspektrums einer Probe (04, 21, 42, 54, 66) in einem Produktionsprozess der Probe (04, 21, 42, 54). Sie umfasst eine Lichtquelle zur Erzeugung vom Messlicht, einen Homogenisator zur Erzeugung einer gleichmäßigen räumlichen Beleuchtungsstärkeverteilung des Messlichtes; einen beweglichen Reflektor (6, 16, 39, 52, 59, 62) und einen Empfänger (07, 22, 37, 53) zum Einsammeln des von der Probe (04, 21, 42, 54) und/oder dem Reflektor (6, 16, 39, 52) reflektierten Messlichtes. Erfindungsgemäß ist der Reflektor (6, 16, 39, 52, 59, 62) sowohl für eine Referenzmessung, als auch für eine Probenmessung in einem Beobachtungsstrahlengang positioniert und auf der selben Seite der Probe (04, 21, 42, 54, 66) wie die Lichtquelle angeordnet, um das reflektierte Messlicht dem Empfänger (07, 22, 37, 53) zuzuführen.

Description

Die Erfindung betrifft eine Messanordnung zur Reflexionsmessung mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1.
Gattungsgemäße Messanordnungen werden zum Beispiel zur spektrometrischen Untersuchung von Oberflächen verwendet, um Eigenschaften, wie Farbe und/oder Glanz der Oberfläche zu bestimmen.
Die Farbmessung erfolgt häufig durch eine Reflexionsmessung. Das Reflexionsvermögen einer Probe kann entweder durch eine Relativmessung gegen einen bekannten und als zeitlich unveränderlich angenommenen Reflexionsstandard oder durch eine Absolutmessung bei Verwendung eines geeigneten Strahlengangs realisiert werden.
Zur Farbmessung mit Standards sind beispielsweise drei international genormte Messgeometrien bekannt, die sich durch die Winkel, unter denen die Probe beleuchtet und betrachtet wird, kennzeichnen. Bei 45°/0° erfolgt die Beleuchtung im 45° Winkel und die Betrachtung erfolgt bei 0°. Bei 0°/d erfolgt die Beleuchtung bei 0° (senkrecht), das über eine Photometerkugel (Ulbricht'Kugel) diffus reflektierte Licht wird an einer Stelle gemessen. Bei d/8° bzw. d/0° wird diffus über eine Photometerkugel beleuchtet und unter 8° bzw. 0° das von der Probe zurück geworfene Licht gemessen.
Der individuelle Farbeindruck unter anderen als den standardisierten Betrachtungswinkeln kann dabei unter Umständen stark von der standardisierten Farbmessung abweichen. Insbesondere bei reflektierenden und/oder speziell beschichteten Flächen können dabei blickwinkelabhängig erhebliche Abweichungen in der Farbwahrnehmung entstehen.
Aus der DE 699 20 581 T2 ist ein Multikanal-Messkopf bekannt, der mit einer d/8° Messgeometrie eine kombinierte Messung von Farb- und Oberflächeneffekten mit einer Relativmessung ermöglicht.
Die DE 60 2005 005 919 T2 beschreibt ein tragbares goniometrisches Spektrometer dessen optisches System längs eines Beleuchtungsreferenzkanals verschiedene Messwinkel mittels mehrerer Beleuchtungsquellen bereitstellt. Ein Verschlussmechanismus umfasst dabei eine internen Referenz zur Messung der Referenzparameter bei verschlossener Öffnung. Eine Messschnittstelle tritt über Kontaktelemente in direkte Verbindung mit der zu messenden Probe, um eine senkrecht zur Messachse stehende Probeneben zu definieren.
Aus der DE 20 2012 010 549 U1 ist ein autonomes Handmessgerät mit Relativmessung bekannt, das mehrere Beleuchtungsquellen umfasst, die gerichtetes Beleuchtungslicht unter verschiedenen Winkeln auf ein Messfenster lenkt. Das reflektierte Licht wird durch verschiedene im Messgerät angeordnete spektrale und bildgebende Empfänger verarbeitet.
Die Messung der absolut gerichteten Reflexion kann durch den Einsatz von Kompensationsmethoden wie der VW- oder VN-Anordnung erfolgen. Bei den unterschiedlichen Lösungsansätzen wird dabei immer gewährleistet, dass sich die Übertragungsfunktion für die Referenzmessung und die Messung an der Probe nur durch das Reflexionsvermögen der Probe unterscheidet.
Insbesondere zur genauen Absolutmessung von hochreflektierenden Proben hat sich die VW-Konfiguration bewährt, bei der das Licht zweimal an der Probe reflektiert wird und entsprechend das Quadrat der Reflexion direkt gemessen werden kann. Für einige Spektrometer sind entsprechende Messeinsätze verfügbar.
Der Nachteil der VW- oder VN-Anordnungen besteht vor allem darin, dass zum Umschalten zwischen Proben- und Referenzmessung der Spiegel in zwei verschiedene Ebenen geklappt werden muss, zwischen denen die Probenebene angeordnet ist. Solche Anordnungen sind für den Laboreinsatz konzipiert.
Die DE 10 2012 208 248 B3 beschreibt ein lichtleiterbasiertes absolut messendes Farbsensorsystem mit einer Kompensation einer Abstandsänderung der Probe. Dabei werden Beleuchtungskanal, ein fotoempfindlicher Nebenempfangskanal und ein fotoempfindlicher Hauptempfangskanal in einem dreiteiligen Faserbündel verwendet. Die Empfangskanäle weisen bezüglich der Abstandsempfindlichkeit unterschiedliche charakteristische Funktionen auf.
Aus der DE 199 50 588 B4 ist eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Qualitätskontrolle von insbesondere lackierten goniochromatischen Oberflächen. Es werden eine oder mehrere der Kenngrößen Farbe, Glanz, Glanzschleier oder andere bestimmt. Dazu werden in einem Gehäuse zwei Lichtquellen und eine Optik und Filtereinrichtung derart angeordnet, dass das spektral vorbestimmte Licht im 45°-Winkel auf das Probenfenster trifft. Das reflektierte Licht wird über eine Lichtaufnahmeeinrichtung eines optischen Lichtleiters empfangen und zu einer Messeinrichtung gelenkt. Mehrere solcher Messeinrichtungen können in verschiedenen Winkeln auf das Probenfenster gerichtet sein.
Bei industriellen Anwendungen erweist sich ein veränderlicher Probenort oftmals als problematisch für die absolute Farbmessung. In solchen Anwendungen wird z. Bsp. mit einer Überbelichtung der Probe (größerer Lichtfleckdurchmesser) eine Abstandsvariation der Probe kompensiert oder es werden zusätzlich Abstandssensoren oder positionsempfindliche Lichtdetektoren verwendet, um die Messfehler zu kompensieren.
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine robuste Messanordnung zur absoluten Reflexionsmessung an einer Probe bereit zu stellen, die insbesondere für die Inline-Messung im Produktionsprozess großer beschichteter Flächen, wie zum Beispiel Glasscheiben, Folien oder anderer bahnförmiger oder großflächiger Materialien geeignet ist.
Die Aufgabe wird mit einer Messanordnung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
Eine erfindungsgemäße Messanordnung umfasst zur Erfassung eines absoluten Reflexionsspektrums einer Probe zunächst in bekannter Weise eine Lichtquelle zur Erzeugung von Messlicht, einen Homogenisator zur Erzeugung einer gleichmäßigen räumlichen Beleuchtungsstärkeverteilung des Messlichtes, einen beweglichen Reflektor und einen Empfänger. Der Reflektor leitet das von der Lichtquelle ausgesendete Messlicht und/oder das von der Probe reflektierte Licht zu dem Empfänger. Der Empfänger kann in bekannter Weise mit einem Spektrometer verbunden werden oder auch direkt den Eingang eines Spektrometers bilden. Im Sinne einer absoluten Reflexionsmessung ist der Reflektor sowohl für eine Referenzmessung, als auch für eine Probenmessung in einem Beobachtungsstrahlengang positioniert.
Erfindungsgemäß ist der Reflektor sowohl in der Messposition als auch in der Referenzposition auf der selben Seite der Probe angeordnet, wie die Lichtquelle, um das Messlicht dem Empfänger zuzuführen.
Die Messung der absoluten Reflexion ist dadurch charakterisiert, dass sie ohne Zuhilfenahme einer bekannten Probe erfolgt.
Zur Auswertung der absoluten Reflexion kann entweder die Lichtquelle bzw. das Messlicht spektral durchstimmbar sein (Monochromator) oder/und der Empfänger das Licht spektral analysieren (Spektrometer).
Weiterhin ist es möglich, die Polarisationseigenschaften des Messlichts vor und/oder nach der Probe mittels Polarisator/Analysator zu verändern.
Vorzugsweise ist der Homogenisator ein an seiner Innenfläche diffus reflektierender Hohlkörper (z. Bsp. Ulbrichtkugel oder Ulbrichtröhre oder frei gestalteter Kugel-Zylinder-Aufbau), der auch die Lichtquelle umfasst, mit einer Lichtaustrittsöffnung, durch die das Messlicht auf die Probe gelangt. In dem diffus reflektierenden Hohlkörper wird an jedem Punkt dieselbe Strahlungsintensität in jede Richtung erzeugt, so dass je nach Einrichtung des Beobachtungsstrahlenganges in einem bestimmen Bereich nahezu beliebige Beleuchtungs- und/oder Beobachtungswinkel realisierbar sind.
Der Reflektor ist im einfachsten Fall ein Planspiegel, kann aber in abgewandelten Ausführungsformen für spezielle Anwendungen auch ein abbildender Spiegel sein. Selbstverständlich können auch mehrere Reflektoren verwendet werden.
Der Empfänger ist vorzugsweise als Lichtleiterbündel mit einer Eingangsoptik ausgeführt, kann aber in abgewandelten Ausführungsformen auch ein Einzel-Lichtleiter mit oder ohne Eingangsoptik, eine Eintrittsöffnung einer Freistrahloptik oder eine Eintrittsöffnung eines Spektrometers sein. Der Empfänger oder ein ihm nachgeordnetes Element wandelt das von der Probe bzw. dem Reflektor kommende Messlichts in ein elektrisches Signal um, das in bekannter Weise weiter verarbeitet wird.
Alle transmittierenden oder reflektierenden Teile des Messaufbaus werden sowohl bei Referenzmessung als auch bei Probenmessung vom Licht passiert und Einfalls- und Ausfallswinkel verändern dabei nicht ihren Betrag.
Die Vorteile der Erfindung sind insbesondere darin zu sehen, dass für großflächige Proben (z. Bsp. bei der Beschichtung von großflächigen Industriegläsern oder Folien) eine gegenüber einer Lageänderung der Probe unempfindliche, sehr preiswerte und robuste Messanordnung realisiert werden kann. Kein Teil des Messaufbaus muss in oder durch die Probenebene bewegt werden und die Probe muss für Referenzmessungen nicht aus der Probenebene entfernt werden.
In bevorzugten Ausführungsformen sind Komponenten der Messanordnung in einer Traversenanordnung platzierbar und dort positionierbar.
Bei der Absolutmessung wird zunächst zur Referenzierung das von der Lichtquelle ausgesandte Messlicht über einen Reflektor zu einem Empfänger gelenkt und die Intensität des empfangenen Messlichtes ermittelt. Wird dann eine Probe in den Strahlengang eingebracht und erneut die (wellenlängenabhängige) Intensität des Messlichts ermittelt, lässt sich aus dem Verhältnis der beiden (wellenlängenabhängigen) Messsignale die spektrale Charakteristik der gemessenen Probe ermitteln.. Das Prinzip der Absolutmessung ist dem Fachmann bekannt, daher wird hier auf eine ausführliche Erläuterung verzichtet.
Vorteilhafterweise kann die Messanordnung für die Erfassung der Reflexionsspektren unter verschiedenen Beobachtungswinkeln verwendet werden.
Der Reflektor ist vorzugsweise in einer erstem Messposition und einer ersten Referenzposition positionierbar. Dabei sind in beiden ersten Positionen ein Beleuchtungswinkel und ein Beobachtungswinkel gleichgroß eingestellt.
Vorteilhafterweise ist der Reflektor zusätzlich in einer zweiten und ggf. weiteren Mess- und Referenzpositionen positionierbar, so dass verschiedene Beleuchtungs- und Beobachtungswinkel einstellbar sind. Damit lassen sich gewollte oder ungewollte Unterschiede bei verschiedenen Betrachtungswinkeln erkennen.
Eine erste Variante der besonders bevorzugte Ausführungsform mit einem sehr einfachen und robusten Aufbau ist zur Vermessung spekularen Proben geeignet. Dabei sind der Reflektor und der Empfänger in einer Empfangsebene angeordnet, die sich im Wesentlichen zwischen der Lichtquelle und der Probe parallel zu einer Probenebene erstreckt. Vorteilhafterweise muss der Reflektor hierbei nicht (wie sonst bei einer VW-Messanordnung) aus einer unterhalb der Probe liegenden Ebene in eine oberhalb der Probe liegenden Ebene geklappt werden, sondern kann innerhalb der Empfangsebene positioniert werden. Dadurch wird der Aufbau kompakt und der Stellmechanismus für den Reflektor einfach und kostengünstig herstellbar.
Mit einer einfachen Schwenkmechanik für den Reflektor kann dieser von der ersten Referenzposition in die erste Messposition für einen bestimmten Beleuchtungswinkel positioniert werden.
Sollen die Beleuchtungs- und/oder Beobachtungswinkel variiert werden, ist dies beispielsweise mit einem Antrieb in einer Linearführung und einem Dreh- und/oder Kippmechanismus für den Reflektor realisierbar. Die Linearführung ist dabei vorzugsweise im Wesentlichen parallel zur Probenebene ausgerichtet. Die verschiedenen Winkel der Beobachtungsstrahlengänge lassen sich allein durch die Lage und Neigung des Reflektors einstellen.
Eine zweite Variante der besonders bevorzugte Ausführungsform ist zur Vermessung von diffus und spekular reflektierenden Proben geeignet. In dieser Variante sind der Reflektor und der Empfänger innerhalb des Hohlkörpers angeordnet. Die Lichtaustrittsöffnung dient hierbei auch als Messfenster, durch das das reflektierte Messlicht über den Reflektor zum Empfänger gelenkt wird. Je nach Neigung des Reflektors wird ein Beleuchtungs- und Betrachtungswinkel eingestellt.
Die Lichtaustrittsöffnung ist vorzugsweise als Langloch ausgeführt und erlaubt dadurch die Positionierung eines kreisrunden Messflecks über einen Bereich verschiedener Messwinkel. Weitere Aspekte bei der vorteilhaften Gestaltung der Lichtaustrittsöffnung sind in DE 10 2013 219 830 beschrieben und in dieser Anmeldung vollumfänglich eingeschlossen.
Die weitere Verarbeitung der Reflexionsdaten erfolgt in bekannter Weise mittels eines Spektrometers, an das das im Empfänger ankommende Messlicht übermittelt wird.
In vorteilhafter Weise können mittels eines Zusatzmoduls, welches unterhalb der Probenebene anzuordnen ist, auch Transmissions- und Rückflächenreflexionseigenschaften der Probe ermittelt werden.
Einige bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung sind nachfolgend anhand der Figuren näher erläutert. Es zeigen:
1: eine erste bevorzugte Ausführungsform der Erfindung zur Vermessung spekularer Proben in einer Prinzipdarstellung mit einer Einstellung eines ersten Beleuchtungswinkels;
2: die in 1 gezeigte Ausführungsform mit der Einstellung eines zweiten Beleuchtungswinkels;
3: eine zweite bevorzugte Ausführungsform der Erfindung zur Vermessung spekularer Proben mit einem festen Beleuchtungswinkel;
4: eine dritte bevorzugte Ausführungsform zu Vermessung spekularer Proben in Modulbauweise;
5: eine vierte bevorzugte Ausführungsform der Erfindung zur Vermessung diffuser und spekularer Proben in einer Prinzipdarstellung;
6: eine fünfte bevorzugte Ausführungsform der Erfindung mit zwei rotierbaren Reflektoren;
7: mögliche Messvarianten mit der in 6 dargestellten Ausführungsform.
1 und 2 zeigen Prinzipskizzen einer ersten bevorzugten Ausführungsform der Erfindung mit einer Einstellung verschiedener Beleuchtungswinkel α. In 1 ist dabei ein Beleuchtungswinkel α₁ von 8° eingestellt, während 2 einen eingestellten Beleuchtungswinkel α₂ von 45° zeigt. Dabei zeigen Abbildung a) Einstellungen für eine Referenzmessung und Abbildung b) Einstellungen für eine Probenmessung. In sequentiellen Messungen sind mit dieser Anordnung Beleuchtungswinkel von 0° bis 65° einstellbar und messbar.
Eine Ulbrichtkugel 01 mit einer diffus reflektierenden Innenfläche 02 umfasst eine nicht dargestellte Lichtquelle und eine Lichtaustrittsöffnung 03. Der Vorteil der Verwendung der Ulbrichtkugel 01 besteht darin, dass am jedem Punkt der Innenfläche 02 in jede Richtung dieselbe Lichtintensität reflektiert wird und somit jede Beleuchtungsrichtung auf einfache Weise erzeugt werden kann, sofern die Lichtaustrittsöffnung 03 entsprechend dimensioniert ist.
Eine Probe 04 ist in einem Abstand zur Ulbrichtkugel 01 in einer Probenebene 05 angeordnet. Die Probe 04 ist dabei eine großflächige Probe wie beispielsweise Industrieglas oder Folie oder Ähnliches. Ein Reflektor 06 und ein Empfänger 07 sind in einer im Wesentlichen parallel zur Probenebene 05 verlaufenden Ebene 08 angeordnet. Der Reflektor 06 ist in seiner Neigung verstellbar und in der Ebene 08 verlagerbar angeordnet. Ausgehend vom Empfänger 07 ist ein Beobachtungsstrahlengang 09 dargestellt, welcher von der Ulbrichtkugel 01 aus gesehen auch einen Beleuchtungsstrahlengang darstellt.
In den Abbildungen a) ist der Reflektor 06 jeweils für eine Referenzmessung hinsichtlich seiner Lage und Neigung so eingestellt, dass ein bestimmter Einfallswinkel des Beleuchtungsstrahlenganges 09 reflektiert und zum Empfänger 07 gelenkt wird.
In den Abbildungen b) ist der Reflektor 06 jeweils so in der Ebene 08 verschoben und in seiner Neigung verändert, dass ein Abb. a) entsprechender Beleuchtungswinkel α₁, α₂ auch auf der Probe 04 eingestellt ist.
3 zeigt eine zweite bevorzugte Ausführungsform der Erfindung, bei der in einfacher Weise ein fester Beleuchtungswinkel bzw. Beobachtungswinkel eingestellt ist. Diese Ausführungsform ist besonders für die Integration in eine feste Produktionsumgebung geeignet, wenn nur die Messung unter einem bestimmten Winkel erforderlich ist. Eine Messanordnung 11 umfasst in dieser Ausführungsform eine Beleuchtungseinheit 12 mit einer Ulbrichtkugel 13. Die Ulbrichtkugel 13 weist eine Lichtaustrittsöffnung 14 auf. Die Messanordnung 11 umfasst weiterhin einen Reflektor 16, der an einem Schwenkarm 17 angeordnet ist. Der Schwenkarm 17 ist mittels eines nicht darstellten Rotationsantriebes aus einer Messstellung 18 in eine Referenzstellung 19 (gestrichelt dargestellt) schwenkbar. Eine Probe 21 wird beabstandet zur Messanordnung 11 an dieser vorbeigeführt oder vor dieser positioniert, so dass aus der Lichtaustrittsöffnung 14 unter einem Beleuchtungswinkel von α₃ = 55° austretendes Messlicht auf die Probe 21 als Messfleck auftrifft, von dieser über den in der Messstellung 18 befindlichen Reflektor 16 zur einem Empfänger 22 geleitet wird. Dabei werden vorteilhafterweise mit einer Schwenkbewegung des Schwenkarms 17 gleichzeitig Neigung und Abstand des Reflektors 18 zum Empfänger 22 eingestellt. Ein Schwenkwinkel β des Schwenkarms 17 wird so eingestellt, dass sowohl in der Messstellung 18 als auch in er Referenzstellung 19 derselbe Beleuchtungswinkel α₃ gegenüber einer Probenebene hergestellt ist. Der Empfänger ist in dieser Ausführungsform mit Hilfe eines Lichtwellenleiters 23 einem Spektrometer zur Auswertung zugeführt.
Die 4 zeigt eine besonders für Traversenanwendungen geeignete dritte Ausführungsform der Erfindung in Modulbauweise. Diese Form ist besonders geeignet für die Anwendung zur direkten Überwachung der Materialeigenschaften in einem Produktionsprozess bahnförmiger Materialen oder Materialien, die entlang einer Strecke im Prozess (z. B. mittels eines Förderbandes) transportiert werden. Dies könnten beispielsweise Folienbeschichtungsanlagen sein, Produktionsschienen großer Glasscheiben oder Ähnliches. sein. Dabei zeigt Abbildung a) eine Messstellung und Abbildung b) eine Referenzstellung. Diese Ausführungsform erlaubt vorteilhafterweise eine automatisierte Vermessung/Scannen eines Probenortes unter frei wählbaren Betrachtungswinkeln (0 bis 65°). Es sind hiermit normgerechte und nicht normierte Messanordnungen mit einer Messanordnung realisierbar.
Die Messanordnung umfasst ein erstes Modul 31, welches ist in einer ersten Linearführung 32 angeordnet ist und eine Beleuchtungseinheit 33 mit einer Ulbrichtkugel 34 und ein Empfängermodul 36, das unterhalb des Beleuchtungsmoduls 34 angeordnet ist beinhaltet. Das erste Modul 31 umfasst weiterhin einen Antrieb 37.
In der ersten Linearführung 32 ist weiterhin ein Reflektormodul 38 mit einem Reflektor 39 und mit einem eigenen Antrieb 41 zur Linearverstellung des Reflektormoduls 38 in einer Empfangsebene vorgesehen. Dieser Antrieb 41 kann in speziellen Ausführungsformen über ein Getriebe oder ähnlichen Mechanismus gleichzeitig zur Kipp- und/oder Drehverstellung des Reflektors 39 dienen. Die erste Linearführung 32 ist vorteilhafterweise in eine Traversenanordnung integriert und oberhalb einer zu untersuchenden und im Produktionsprozess befindlichen Probe 42 angeordnet. Das erste Modul 31 und das Reflektormodul 38 als Teile der erfindungsgemäßen Messanordnung sind in einem Abstand a zueinander positioniert und der Reflektor 39 ist in Richtung Probe 42 geklappt, so dass eine Messposition zur Messung einer 45° Beleuchtung/Beobachtung eingestellt ist (Abbildung a). Der Beleuchtungs-/Beobachtungsstrahlengang ist punktiert dargestellt. Durch Variation des Abstandes a und der Lage des Reflektors 39 sind nun sequentiell verschiedene Beleuchtungswinkel einstellbar. Selbstverständlich kann zur Abstandsänderung auch ein Abstand c des ersten Moduls von einer Nullposition 40 erfolgen. Die Messung der Abstände kann, wie bei solchen Traversensystemen üblich beispielsweise durch absolut codierte Maßstäbe erfolgen.
In Abbildung b ist durch Kippen des Reflektors 39 und Einstellen eines Abstandes b zwischen erstem Modul 31 und Reflektormodul 38 eine Referenzposition für eine 45°-Messung dargestellt. Die Referenzmessung kann jederzeit erfolgen und in einer Gerätesteuerung zwischengespeichert werden.
Unterhalb der Probe 42 ist in einer zweiten Linearführung 43 ein drittes Zusatzmodul 44 mit eigenem Antrieb 45 vorgesehen, mit dem weiterhin eine Rückseitenreflexionsmessung und Transmissionsmessung möglich ist. Zu diesem Zweck sind hier drei Reflektoren 46, 47, 48 auf unterschiedlichen Niveaus angeordnet. Bei einer entsprechenden Positionierung des Zusatzmoduls über einen Abstand d wird eingestellt, ob das von der Probe 43 transmittierte Licht dem Empfänger nicht zugeführt (Reflektor 46 unterhalb des auftreffenden Messlichtes), zugeführt (Reflektor 47 unterhalb des auftreffenden Messlichtes) oder mitsamt von der Unterseite der Probe 43 rückreflektierten Lichts zugeführt wird. So besteht das Empfängersignal je nach Einstellung des Abstandes d nur aus dem Reflex der Oberseite, dem Reflex der Oberseite plus des zweimal transmittierten Lichts, oder dem Reflex der Oberseite, des zweimal transmittierten Lichts plus der Mehrfachreflexion zwischen Unterseite der Probe 43 und dem Spiegel 48. Das Zusatzmodul 44 kann in alternativen Ausführungsformen auch lediglich einen einzigen Reflektor umfassen der für den entsprechenden Messzweck in der Höhe positionierbar ist. Die Reflexionswerte der Spiegel müssen bekannt sein und werden mit Hilfe der Messanordnung selbst bestimmt. Eine weitere Ausführungsform der Transmissionsmessung findet sich in 6.
Mit einer minimal möglichen Anzahl von Linearführungen und Antrieben sind sequentielle Messungen der Reflexion bis 75° Beleuchtungswinkel möglich. Zusätzlich sind Rückseitenreflexions- und Transmissionsmessungen in bekannter Weise durchführbar.
5 zeigt eine vierte bevorzugte Ausführungsform der Erfindung in einer Prinzipskizze. Bei dieser Ausführungsform sind innerhalb einer Ulbrichtkugel 51 ein Reflektor 52 und ein Empfänger 53 angeordnet. Die Beleuchtung einer Probe 54 erfolgt durch eine Lichtaustrittsöffnung 56 hindurch. Um einen großen Winkelbereich von Beleuchtungsrichtungen abzudecken, weist die Lichtaustrittsöffnung 56 eine optimierte Form auf. die Lichtaustrittsöffnung 56 weist eine Blende 57 auf, die neben der Reflektorkippung eine auf den gewünschten Beleuchtungswinkel abgestimmte Größe des Beleuchtungsfensters 56 freigibt. Der Empfänger 53 ist so weit lateral aus der senkrechten Mittelebene der Kugel herausgekippt, dass der dem Reflektor 52 gegenüberliegende Kugelmeridian vollständig ungestört als Messlichtquelle zur Verfügung steht, z. B. um ca. 20°. Der Reflektor 52 ist demzufolge um den halben Winkel lateral verkippt. Siehe Abb. (f) in Draufsicht.
Abbildung a) zeigt die Beleuchtung der Probe 54 unter einem Beleuchtungs- und Beobachtungswinkel von 8°, Abbildung c) von 45° und Abb. e) von 60°. Abbildungen b) und d) zeigen die Referenzmessungseinstellungen des Reflektors 52 für 8° bzw. 45° Beleuchtungswinkel.
Abb. f) zeigt eine Draufsicht auf die Ulbrichtkugel 51. In dieser Darstellung ist die besonderen Form der Lichtaustrittsöffnung 56 und die Neigung des Empfängers 53 erkennbar. Da das Ziel auch dieser Anordnung ist, dass das Messlicht sowohl bei der Referenzmessung (direkt) als auch bei der Probenmessung (über die Probe) für alle Messwinkel vom selben Areal der Lichtquelle (Ulbrichtkugel) stammt.
6 zeigt eine fünfte bevorzugte Ausführungsform der Erfindung in Abb. a) in einer Draufsicht und in Abb. b in einer Seitenansicht. Die Messanordnung umfasst zwei abbildende Off-Axis-Spiegel 59, 62, welche um eine optische Achse einer Lichtquelle 63 und eines Empfängers 60 rotierbar sind und dadurch den Strahlengang umlenken. Die optischen Achsen 64, 65 von Empfänger 60 und Lichtquelle 63 sind dabei parallel zu einer Ebene, in der eine Probe 66 angeordnet ist, ausgerichtet.
Wird der Empfänger 60, welcher beispielsweise ein Freistrahlspektrometer sein kann, mittels eines Antriebs 58 des abbildenden Off-Axis-Spiegels 59 in Richtung der Lichtquelle 63 ausgerichtet, und wird die Lichtquelle 63 mittels eines Antriebes 61 des Off-Axis-Spiegels 62 auf den Empfänger 60 ausgerichtet (Strahlengang 67, Abb. b), kann eine Referenzmessung ausgeführt werden, welche die Intensität der Lichtquelle 63 in Abhängigkeit der Gerätefunktion bestimmt.
Werden Empfänger 60 und Lichtquelle 63 in geeignetem Winkel auf eine Probe 66 ausgerichtet (Strahlengang 68, Abb. b), so kann die Intensität der Lichtquelle 63 in Abhängigkeit der Gerätefunktion und der Reflexion der Probe 66 gemessen werden.
Die Probenreflexion als gesuchte Größe kann nun einfach aus dem Quotient von Probenmessung und Referenzmessung berechnet werden. Die Intensität der Lichtquelle 63 und die Abhängigkeit von der Gerätefunktion kürzen sich im Quotient und entfallen somit als unbekannte Größen. Somit wird das Prinzip einer Absolutmessung realisiert. Der Beobachtungswinkel γ auf die Probe 66 kann über den Abstand von Empfänger 60 zu Lichtquelle 63 oder über den Abstand von Empfänger 60 und Lichtquelle 63 zur Probe 66 variiert werden.
In 7 sind die Varianten der Reflexions- und Transmissionsmessung zu der in 6 gezeigte Ausführungsform gezeigt. Wie in 4 bereits beschrieben, kann durch Einsatz eines Spiegels 69 auf der Rückseite der Probe 66 und geeignete Variation der Winkelstellung der Spiegel 59 und 62 neben Reflexion (7a) auch die Transmission (7b) und die Reflexion der Probe 66 von der Rückseite aus (7c) bestimmt werden. Die Referenzmessung (7d) kann in Anwesenheit der Probe 66 erfolgen, was im Produktionsprozess einen erheblichen Vorteil darstellt. Die Reflexionseigenschaften des Spiegels 69 müssen bekannt sein und können regelmäßig z. B. während einer Wartung mittels der Messanordnung selbst aktualisiert werden.
Bezugszeichenliste

01: Ulbrichtkugel
02: Innenfläche
03: Lichtaustrittsöffnung
04: Probe
05: Probenebene
06: Reflektor
07: Empfänger
08: Ebene
09: Beobachtungsstrahlengang
10
11: Messanordnung
12: Beleuchtungseinheit
13: Ulbrichtkugel
14: Lichtaustrittsöffnung
15
16: Reflektor
17: Schwenkarm
18: Messstellung
19: Referenzstellung
20
21: Probe
22: Empfänger
23: Lichtwellenleiter
31: Modul, erstes
32: Linearführung
33: Beleuchtungsmodul
34: Ulbrichtkugel
35
36: Empfängermodule
37: Antrieb
38: Reflektormodul
39: Reflektor
40
41: Antrieb
42: Probe
43: Linearführung
44: Zusatzmodul
45: Antrieb
46: Reflektor
47: Reflektor
48: Reflektor
51: Ulbrichtkugel
52: Reflektor
53: Empfänger
54: Probe
55
56: Lichtaustrittsöffnung
57: Blende
58: Antrieb
59: Off-Axis-Spiegel
60: Empfänger
61: Antrieb
62: Off-Axis-Spiegel
63: Lichtquelle
64: optische Achse
65: optische Achse
66: Probe
67: Strahlengang
68: Strahlengang
69: Spiegel

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 69920581 T2 [0006]
DE 602005005919 T2 [0007]
DE 202012010549 U1 [0008]
DE 102012208248 B3 [0012]
DE 19950588 B4 [0013]
DE 102013219830 [0036]

Claims

Messanordnung zur Erfassung eines absoluten Reflexionsspektrums einer Probe (04, 21, 42, 54, 66) in einem Produktionsprozess der Probe (04, 21, 42, 54, 66) umfassend: – eine Lichtquelle zur Erzeugung vom Messlicht, – einen Homogenisator zur Erzeugung einer gleichmäßigen räumlichen Beleuchtungsstärkeverteilung des Messlichtes; – einen beweglichen Reflektor (6, 16, 39, 52, 59, 62) und – einen Empfänger (07, 22, 37, 53) zum Einsammeln des von der Probe (04, 21, 42, 54, 66) und/oder dem Reflektor (6, 16, 39, 52) reflektierten Messlichtes, dadurch gekennzeichnet, dass – der Reflektor (6, 16, 39, 52, 59, 62) sowohl für eine Referenzmessung, als auch für eine Probenmessung in einem Beobachtungsstrahlengang positioniert und auf der selben Seite der Probe (04, 21, 42, 54, 66) wie die Lichtquelle angeordnet ist, um das reflektierte Messlicht dem Empfänger (07, 22, 37, 53) zuzuführen.
Messanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass, der Homogenisator ein an seiner Innenfläche (02) diffus reflektierender Hohlkörper ist, der eine Lichtaustrittsöffnung aufweist (03, 14, 56) und die Lichtquelle umfasst.
Messanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Reflektor (6, 16, 39, 52, 59, 62) in einer ersten Messposition und einer ersten Referenzposition positionierbar ist, wobei jeweils derselbe Beleuchtungswinkel und Beobachtungswinkel eingestellt ist.
Messanordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Reflektor (6, 16, 39, 52, 59, 62) an mindestens einer zweiten definierten Messpositionen positionierbar ist, um den Beobachtungsstrahlengang hinsichtlich des Beleuchtungswinkels und des Beobachtungswinkel zu variieren, wobei zu der zweiten Messposition eine zweite definierte Referenzposition des Reflektors (6, 16, 39, 52, 59, 62) bestimmt ist, in die der Reflektor (6, 16, 39, 52, 59, 62) positionierbar ist.
Messanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Reflektor (6, 16, 39) und der Empfänger (07, 22, 37) in einer Empfangsebene (08) angeordnet sind, die sich im Wesentlichen zwischen der Lichtquelle und der Probe (04, 21, 42, 54, 66) parallel zu einer Probenebene erstreckt.
Messanordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass sich die erste Messposition und die erste Referenzposition in der Empfangsebene (08) befinden.
Messanordnung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Reflektor (16) mittels eines Schwenkantriebes von der ersten Messposition in die erste Referenzposition bewegbar ist.
Messanordnung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Reflektor (39) in einer Linearführung (32) angeordnet ist und mittels eines Linearantriebes und eines Dreh- oder Kippmechanismus innerhalb der Empfangsebene (08) in verschiedene Messpositionen und Referenzpositionen positionierbar ist.
Messanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Reflektor (52) und der Empfänger (53) innerhalb des Hohlkörpers angeordnet sind.
Messanordnung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Reflektor mittels eines Dreh- oder Kippmechanismus positionierbar ist.
Messkopf nach einem der Ansprüche 2 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Form der Lichtaustrittsöffnung ein Langloch ist.