DE112004000299T5 - Bildaufnahmevorrichtung - Google Patents

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Hiroaki Asahi
Kazunori Kawasaki
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    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F27FURNACES; KILNS; OVENS; RETORTS
    • F27DDETAILS OR ACCESSORIES OF FURNACES, KILNS, OVENS, OR RETORTS, IN SO FAR AS THEY ARE OF KINDS OCCURRING IN MORE THAN ONE KIND OF FURNACE
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Abstract

Bildaufnahmevorrichtung zum Überwachen einer in einen Schwebezustand gebrachten, zu erhitzenden Probe in einem elektrostatischen Schwebeofen und zum Ausgeben von Positionsdaten, mit: einer mit einer telezentrischen Linse versehenen CMOS-Kamera oder CCD-Kamera zum Fotografieren einer Probe, einer Hintergrundlichtquelle, die von der CMOS-Kamera oder CCD-Kamera aus auf der gegenüberliegenden Seite der Probe angeordnet ist und die Probe mit Licht mit einer Wellenlänge von 400 bis 600 nm bestrahlt, und einem digitalen Signalprozessor, der in Echtzeit eine Bildverarbeitung zur Kantenverstärkung durchführt und die Position des Schwerpunkts der in den Schwebezustand gebrachten Probe ausgibt.

Description

  • Technisches Gebiet
  • Die vorliegende Erfindung betrifft eine Bildaufnahmevorrichtung, die benutzt wird um beim Erhitzen einer Probe in einem elektrostatischen Schwebeofen den Moment zu bestimmen, bei dem die Probe schmilzt, während die Bildaufnahmevorrichtung die Position der in den Schwebezustand gebrachten Probe erfasst.
  • Stand der Technik
  • Elektrostatische Schwebeöfen bringen Proben in einen Schwebezustand mittels eines elektrostatischen Feldes, das zwischen ihren Hauptelektroden erzeugt wird, nachdem die Proben zwischen die Hauptelektroden eingebracht und mittels Elektrodenkontakt, ultravioletter Strahlung oder Erhitzen aufgeladen worden sind. Die Probe wird an einer vorbestimmten Position gehalten, indem das Potenzial zwischen den Hauptelektroden oder Hilfselektroden kontrolliert wird, und die Probe wird mit Laserlicht bestrahlt, um sie zu erhitzen und zu schmelzen. Durch Abkühlen und Erstarren der so erhitzten und geschmolzenen Probe können Kristalle in einem Zustand ohne externe Störungen gefertigt werden.
  • Um die Qualität zu verbessern, ist es notwendig, während der Erzeugung des Kristalls im elektrostatischen Schwebeofen das Schweben der Probe zu kontrollieren, und somit ein Schwingen der Probe zu verhindern bzw. so weit als möglich zu unterdrücken. Es ist ferner wichtig, die Position der Probe genau zu erfassen, um das Schweben der Probe zu kontrollieren.
  • Herkömmlicherweise gibt es als Verfahren zum Erfassen der Position der Probe z.B. ein Positionserfassungsverfahren, welches Laserlicht als Hintergrundlicht benutzt und mit einem Fo toelement den hellsten Punkt oder das statistische Zentrum von hellen Punkten außerhalb einer Region, die von einer im Wesentlichen sphärisch geformten Probe abgedeckt wird, bestimmt und diese Positionsdaten ausgibt. Ferner gibt es ein Positionserfassungsverfahren, welches wie im vorgenannten Ansatz Laserlicht als Hintergrundlicht benutzt und ein mit einer CCD-Kamera aufgenommenes Bild der Probe verarbeitet, um die Position des Schwerpunktes zu errechnen und selbige als Positionsdaten auszugeben.
  • Da jedoch im zuerst genannten Positionserfassungsverfahren die Position des Schwerpunktes der Probe nicht errechnet wird, hat dieses Verfahren keine große Genauigkeit bezüglich der Positionserfassung der Probe, es sei denn, dass die Probe sphärisch ist. Daraus ergibt sich das Problem, dass es relativ schwierig bzw. unmöglich wird, das Schweben einer Probe zu kontrollieren.
  • Andererseits wird im letztgenannten Positionserfassungsverfahren zwar die Position des Schwerpunktes der Probe errechnet, aber da zur Bildverarbeitung viel Zeit benötigt wird, kann die zur Schwebekontrolle notwendige Sampling-Geschwindigkeit nicht sichergestellt werden, so dass dieses letztere Verfahren nur sehr bedingt eingesetzt werden kann.
  • Wenn eine Halogenlampe als Hintergrundlicht benutzt wird, dann ist es unmöglich, einen ausreichenden Kontrast der Probe gegenüber dem Hintergrund zu erzielen, wenn die Probe aufgrund der hohen Temperatur anfängt zu glühen. Daher wird in dem letzteren Positionserfassungsverfahren Laserlicht als Hintergrundlicht verwendet (siehe 3). Allerdings gibt es dann bei Verwendung einer CCD-Kamera das Problem von Interferenzen des Laserlichts aufgrund der Kameralinse.
  • Ferner muss in den vorgenannten Positionserfassungsverfahren das Emissionsvermögen ständig korrigiert werden, da eine Anordnung verwendet wird, in der der Moment, in dem die Probe schmilzt, bestimmt wird, indem die Temperatur der Probe mit einem Strahlungsthermometer gemessen wird. Dabei besteht das Problem, dass es schwierig ist, den Zeitpunkt des Schmelzens korrekt zu bestimmen. Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, diese Probleme zu lösen.
  • DARSTELLUNG DER ERFINDUNG
  • Die vorliegende Erfindung wurde im Hinblick auf die Probleme im Stand der Technik gemacht, und es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Bildaufnahmevorrichtung anzugeben, mit der ein ausreichender Kontrast der Probe gegenüber einem Hintergrund selbst dann erzielt werden kann, wenn die Probe aufgrund von hohen Temperaturen anfängt zu glühen, und welche die zur Schwebekontrolle notwendigen Positionsdaten nicht nur bei sphärischen Proben, sondern auch bei Proben mit komplizierterer Form in Echtzeit ausgeben kann, und somit in der Lage ist, den Augenblick, bei dem sich eine Probe mit komplizierter Form in eine sphärische Probe ändert, visuell anzugeben, d.h. den Augenblick, bei dem die Probe schmilzt, visuell zu bestimmen.
  • Als Ergebnis intensiver Forschungstätigkeiten, um dieses Problem zu lösen, haben die Erfinder der vorliegenden Erfindung gefunden, dass die obige Aufgabe gelöst werden kann durch Kombination einer mit einer telezentrischen Linse versehenen CMOS-Kamera oder CCD-Kamera zum Fotografieren einer Probe, einer Hintergrundlichtquelle, die eine Probe mit Licht mit einer Wellenlänge von 400 bis 600 nm bestrahlt, und eines digitalen Signalprozessors, der in Echtzeit eine Bildverarbeitung zur Kantenverstärkung durchführt, und haben somit die vorliegende Erfindung gemacht.
  • D.h., eine Bildaufnahmevorrichtung nach der vorliegenden Erfindung ist eine Bildaufnahmevorrichtung zum Überwachen einer in einen Schwebezustand gebrachten, zu erhitzenden Probe in einem elektrostatischen Schwebeofen und zum Ausgeben von Positionsdaten mit: einer mit einer telezentrischen Linse versehenen CMOS-Kamera oder CCD-Kamera zum Fotografieren einer Probe, einer Hintergrundlichtquelle, die von der CMOS-Kamera oder CCD-Kamera aus auf der gegenüberliegenden Seite der Probe angeordnet ist und die Probe mit Licht mit einer Wellenlänge von 400 bis 600 nm bestrahlt, und einem digitalen Signalprozessor, der in Echtzeit eine Bildverarbeitung zur Kantenverstärkung durchführt und die Position des Schwerpunkts der in den Schwebezustand gebrachten Probe ausgibt.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform der Bildaufnahmevorrichtung der vorliegenden Erfindung wird eine Metall-Halogen-Lichtquelle, die Licht mit einer Wellenlänge von 400 bis 450 nm ausstrahlt, als Hintergrundlichtquelle benutzt. In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Bildaufnahmevorrichtung der vorliegenden Erfindung ist ein Farbfilter zum Verändern der spektralen Eigenschaften an die telezentrische Linse der CMOS-Kamera oder CCD-Kamera befestigt.
  • Wenn eine zu erhitzende Probe in einem elektrostatischen Schwebeofen mit der Bildaufnahmevorrichtung der vorliegenden Erfindung überwacht wird, dann ist es wünschenswert, dass die jeweiligen CMOS-Kameras oder CCD-Kameras von zwei Bildaufnahmevorrichtungen senkrecht zueinander zum Fotografieren angeordnet sind. Ferner ist es zur Verstärkung des Kontrasts der Probe gegenüber dem Hintergrund wünschenswert, dass eine Linse zum Bündeln des von der Hintergrundlichtquelle auf die Probe ausgestrahlten Lichts zwischen der Hintergrundlichtquelle und der Probe angeordnet ist, allerdings ist die vorliegende Erfindung nicht auf diese Anordnung beschränkt.
  • Wenn in der Bildaufnahmevorrichtung der vorliegenden Erfindung eine Probe mit dem elektrostatischen Schwebeofen erhitzt wird, dann wird von der Hintergrundlichtquelle Licht auf eine in den Schwebezustand gebrachte Probe ausgestrahlt, der Kontrast der Probe gegenüber dem Hintergrund wird von der CMOS-Kamera oder der CCD-Kamera festgehalten und die Position des Schwerpunktes wird aus dem aufgenommenen Bild berechnet, so dass Positionsdaten ausgegeben werden können.
  • Da die CMOS-Kamera bzw. die CCD-Kamera, die die Probe fotografiert, mit der telezentrischen Linse versehen ist, können Fehler bezüglich der gemessenen Größe des Bildes aufgrund von Änderungen der Vergrößerung des Bildes korrigiert werden. D.h., die Größe der Probe und der relative Abstand der Probe zu einem Bezugspunkt auf der Probe ändern sich nicht, selbst wenn die Probe sich geringfügig auf der optischen Achse bewegt, so dass korrekte Positionsdaten erhalten werden können.
  • Da ferner Licht mit einer Wellenlänge von 400 bis 600 nm von der Hintergrundlichtquelle ausgestrahlt wird, wird ein ausreichender Kontrast der Probe gegenüber dem Hintergrund erzielt, selbst wenn die Probe aufgrund von hohen Temperaturen anfängt zu glühen. Was das festgehaltene Bild der Probe betrifft, so führt der digitale Signalprozessor eine Bildverarbeitung zur Kantenverstärkung des Bildes in Echtzeit durch und gibt die zur Schwebekontrolle notwendige Position des Schwerpunktes aus, was ein Schwebeschmelzen von Proben mit komplizierter Form ermöglicht. Somit kann der Augenblick, bei dem eine in den Schwebezustand gebrachte Probe mit komplizierter Form sich zu sphärischer Form verändert, visuell festgestellt werden.
  • Da in der Bildaufnahmevorrichtung nach einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung die oben beschriebene Anordnung vorgesehen ist, kann Interferenz von Licht zwischen Linsen der CMOS-Kamera bzw. der CCD-Kamera vermieden werden, so dass das aufgenommene Bild noch mehr geschärft wird. Und da in der Bildaufnahmevorrichtung nach der weiteren bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung die oben beschriebene Anordnung vorgesehen ist, kann ein ausreichender Kontrast der Probe gegenüber einem Hintergrund noch zuverlässiger erzielt werden.
  • KURZE BESCHREIBUNG DER FIGUREN
  • 1 ist ein schematisches Diagramm, welches eine Bildaufnahmevorrichtung nach einer erfindungsgemäßen Ausführungsform zeigt;
  • 2 ist ein Graph, welcher die spektralen Eigenschaften einer als Hintergrundlichtquelle in der Bildaufnahmevorrichtung von 1 verwendeten Metall-Halogen-Lampe zeigt; und
  • 3 ist ein Graph, welcher die spektralen Eigenschaften einer Halogenlampe zeigt.
  • BESTER WEG ZUR AUSFÜHRUNG DER ERFINDUNG
  • Die vorliegende Erfindung wird detailliert unter Zuhilfenahme einer Ausführungsform beschrieben, aber die genaue Anordnung der vorliegenden Erfindung ist nicht auf die folgende Ausführungsform beschränkt.
  • Wie in 1 schematisch dargestellt, enthält ein elektrostatischer Schwebeofen 10 in seinem Inneren einen im Wesentlichen zylindrischen Raum, wobei die Mitte dieses Raums als Schwebeposition für eine Probe A vorgesehen ist. In der Außenwand des elektrostatischen Schwebeofens 10 sind mehrere Luken zum Zugriff (nicht abgebildet) vorgesehen, und Öffnungen 11 sind in Übereinstimmung mit der Anordnung der Luken vorgesehen.
  • Eine Bildaufnahmevorrichtung 1 überwacht die Probe A, die im elektrostatischen Schwebeofen 10 im Schwebezustand erhitzt wird, und gibt die Positionsdaten der Probe aus. Diese Bildaufnahmevorrichtung 1 umfasst eine CMOS-Kamera 2, eine Metall-Halogen-Lichtquelle 3 und einen digitalen Signalprozessor (DSP) 4. Die CMOS-Kamera 2 ist in der Zugriffsluke nahe der Öffnung 11 montiert und fotografiert die sich im Schwebezustand befindliche Probe A in der Mitte des elektrostatischen Schwebeofens 10. Die Metall-Halogen-Lichtquelle 3 ist an der Zugriffsluke auf der entgegengesetzten Seite der CMOS-Kamera 2 montiert und bestrahlt die Probe A mit Licht mit einer Wellenlänge von 400 bis 450 nm (siehe 2) und dient somit als Hintergrundlichtquelle. Der digitale Signalprozessor (DSP) 4 führt in Echtzeit eine Bildverarbeitung zur Kantenverstärkung des mit der CMOS-Kamera 2 aufgenommenen Bildes durch und gibt die Position des Schwerpunkts der sich im Schwebezustand befindlichen Probe A aus.
  • Die CMOS-Kamera 2 ist mit einer telezentrischen Linse 5 versehen, auf die ein blauer Filter (Farbfilter) 6 zur Veränderung der spektralen Eigenschaften aufgesetzt ist. Ferner ist eine Bündelungslinse 7, welche das von der Metall-Halogen-Lichtquelle 3 auf die Probe A abgestrahlte Licht bündelt, zwischen der Metall-Halogen-Lichtquelle 3 und der Öffnung 11 angeordnet.
  • In dieser Ausführungsform sind zwei Bildaufnahmevorrichtungen 1 vorgesehen, und diese beiden Vorrichtungen 1 sind so angeordnet, dass die optische Achse L1, die die CMOS-Kamera 2 mit der Metall-Halogen-Lichtquelle 3 der einen Bildaufnahmevorrichtung 1 verbindet, senkrecht zu der optischen Achse L2, die die CMOS-Kamera 2 und die Metall-Halogen-Lichtquelle 3 der anderen Bildaufnahmevorrichtung 1 verbindet, angeordnet ist.
  • Wenn eine Probe A im elektrostatischen Schwebeofen 10 erhitzt wird, dann wird abwechselnd Licht aus den jeweiligen Metall-Halogen-Lichtquellen 3 der Bildaufnahmevorrichtungen 1 auf die sich im Schwebezustand befindliche Probe A gestrahlt, der Kontrast der Probe A gegenüber dem Hintergrund aufgrund der Bestrahlung wird von den CMOS-Kameras 2 aufgenommen und die Position des Schwerpunktes der Probe wird aus diesen Bildern berechnet und als Positionsdaten ausgegeben.
  • Wenn dabei die CMOS-Kamera 2, die die Probe fotografiert, mit einer telezentrischen Linse 5 ausgerüstet ist, dann verändert sich die Größe der Probe A nicht, selbst wenn sich die Probe A geringfügig auf der optischen Achse L1 (bzw. auf der optischen Achse L2) bewegt, so dass genaue Positionsdaten erhalten werden können.
  • Da ferner Licht mit einer Wellenlänge von 400 bis 450 nm von der als Hintergrundlichtquelle dienenden Metall-Halogen-Lichtquelle 3 ausgestrahlt wird, kann ein hoher Kontrast der Probe gegenüber dem Hintergrund erzielt werden, selbst wenn die Probe A aufgrund der hohen Temperatur (z.B. 2500 K) anfängt zu glühen. Was das aufgenommene Bild der Probe A betrifft, so führt der digitale Signalprozessor 4 eine Bildverarbeitung zum Verstärken der Kanten des Bildes mit einem Sampling-Intervall von (vorzugsweise nicht mehr als) 0,5 bis 1 msec durch und gibt die zur Schwebekontrolle notwendige Position des Schwerpunkts der Probe aus, so dass das Schwebeschmelzen einer Probe A mit komplizierter Form ermöglicht wird. Somit kann der Moment, bei dem sich eine im Schwebezustand befindliche Probe mit komplizierter Form in sphärische Form verändert, visuell bestimmt werden.
  • Da ferner in der Bildaufnahmevorrichtung 1 eine Metall-Halogen-Lichtquelle 3 als Hintergrundlichtquelle verwendet wird, kann optische Interferenz zwischen den Linsen der CMOS- Kameras 2 verhindert werden, so dass das aufgenommene Bild weiter geschärft wird. Ferner wird der Kontrast der Probe A gegenüber dem Hintergrund dadurch weiter sichergestellt, dass in der Bildaufnahmevorrichtung 1 der blaue Filter (Farbfilter) 5, der die spektralen Eigenschaften ändert, an der CMOS-Kamera 2 befestigt ist und die bündelnde Linse 7 zwischen der Metall-Halogen-Lichtquelle 3 und der Öffnung 11 vorgesehen ist.
  • GEWERBLICHE ANWENDBARKEIT
  • Wie oben ausgeführt, wird in der Bildaufnahmevorrichtung der vorliegenden Erfindung eine Anordnung vorgesehen, mit der beim Erhitzen einer Probe in einem elektrostatischen Schwebeofen ein ausreichender Kontrast der Probe gegenüber einem Hintergrund erreicht werden kann und die für die Schwebekontrolle notwendige Position des Schwerpunkts mit hoher Geschwindigkeit und Präzision ausgegeben werden kann, selbst wenn die Probe aufgrund von hoher Temperatur anfängt zu glühen. Ein vorteilhafter Effekt, der somit erzielt werden kann, ist, dass der Augenblick, bei dem sich eine im Schwebezustand befindliche Probe mit komplizierter Form in eine sphärische Form ändert, visuell festgestellt werden kann.
  • Ferner ist in einer bevorzugten Ausführungsform der Bildaufnahmevorrichtung der vorliegenden Erfindung eine Anordnung vorgesehen, in der das mit einer CMOS-Kamera oder CCD-Kamera aufgenommene Bild weiter geschärft werden kann. Außerdem, da die Bildaufnahmevorrichtung dieser bevorzugten Ausführungsform in dieser Weise angeordnet ist, kann der Kontrast der Probe gegenüber dem Hintergrund noch zuverlässiger erzielt werden.
  • ZUSAMMENFASSUNG
  • Die vorliegende Erfindung ist eine Bildaufnahmevorrichtung mit einer CMOS-Kamera, die mit einer telezentrischen Linse versehen ist und eine in einen Schwebezustand gebracht Probe in der Mitte eines elektrostatischen Schwebeofens fotografiert, einer Metall-Halogen-Lichtquelle, die von der CMOS-Kamera aus auf der gegenüberliegenden Seite der Probe angeordnet ist und Licht mit einer Wellenlänge von 400 bis 450 nm auf die Probe strahlt, und einem digitalen Signalprozessor, der eine Bildverarbeitung zur Kantenverstärkung des mit der CMOS-Kamera aufgenommenen Bildes in Echtzeit durchführt und eine Position des Schwerpunkts der in den Schwebezustand gebrachten Probe ausgibt, wobei ein blauer Filter an der CMOS-Kamera befestigt ist. Selbst wenn die Probe aufgrund von hohen Temperaturen anfängt zu glühen, kann mit dieser Bildaufnahmevorrichtung ein ausreichender Kontrast der Probe gegenüber dem Hintergrund erzielt werden. Ferner werden von der Bildaufnahmevorrichtung die für die Schwebekontrolle einer Probe mit komplizierter Form notwendigen Positionsdaten ausgegeben, so dass der Moment, bei dem sich die Probe mit komplizierter Form in eine sphärische Form ändert, visuell festgestellt werden kann.

Claims (3)

  1. Bildaufnahmevorrichtung zum Überwachen einer in einen Schwebezustand gebrachten, zu erhitzenden Probe in einem elektrostatischen Schwebeofen und zum Ausgeben von Positionsdaten, mit: einer mit einer telezentrischen Linse versehenen CMOS-Kamera oder CCD-Kamera zum Fotografieren einer Probe, einer Hintergrundlichtquelle, die von der CMOS-Kamera oder CCD-Kamera aus auf der gegenüberliegenden Seite der Probe angeordnet ist und die Probe mit Licht mit einer Wellenlänge von 400 bis 600 nm bestrahlt, und einem digitalen Signalprozessor, der in Echtzeit eine Bildverarbeitung zur Kantenverstärkung durchführt und die Position des Schwerpunkts der in den Schwebezustand gebrachten Probe ausgibt.
  2. Bildaufnahmevorrichtung nach Anspruch 1, wobei eine Metall-Halogen-Lichtquelle, welche Licht mit einer Wellenlänge von 400 bis 450 nm ausstrahlt, als Hintergrundlichtquelle verwendet wird.
  3. Bildaufnahmevorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei ein die spektralen Eigenschaften verändernder Farbfilter an der telezentrischen Linse der CMOS-Kamera oder CCD-Kamera befestigt ist.
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