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Technisches Gebiet
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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.
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Stand der Technik
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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DARSTELLUNG DER ERFINDUNG
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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KURZE BESCHREIBUNG DER FIGUREN
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1 ist
ein schematisches Diagramm, welches eine Bildaufnahmevorrichtung
nach einer erfindungsgemäßen Ausführungsform
zeigt;
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2 ist
ein Graph, welcher die spektralen Eigenschaften einer als Hintergrundlichtquelle
in der Bildaufnahmevorrichtung von 1 verwendeten Metall-Halogen-Lampe
zeigt; und
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3 ist
ein Graph, welcher die spektralen Eigenschaften einer Halogenlampe
zeigt.
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BESTER WEG ZUR AUSFÜHRUNG DER
ERFINDUNG
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Die
vorliegende Erfindung wird detailliert unter Zuhilfenahme einer
Ausführungsform
beschrieben, aber die genaue Anordnung der vorliegenden Erfindung
ist nicht auf die folgende Ausführungsform beschränkt.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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GEWERBLICHE ANWENDBARKEIT
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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.
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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.
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ZUSAMMENFASSUNG
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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.