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Die
Erfindung betrifft ein Partikelanalysesystem, umfassend eine optische
Abbildungseinrichtung zum Abbilden einer Partikelansammlung auf
einem im Wesentlichen planaren Substrat, eine Beleuchtungseinrichtung
zum Beleuchten von mindestens einem Teil der Partikelansammlung,
eine Polarisationseinrichtung mit optischem Polarisator und optischem
Analysator, eine Positioniereinrichtung zum rasterweisen Verlagern
einer beleuchteten Messfläche
der Partikelansammlung, sowie eine Auswerteeinrichtung zum Erhalten
und Auswerten von Abbildungsdaten, die von der Abbildungseinrichtung
an jeder Messfläche
erzeugt werden.
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An
die technische Sauberkeit der Oberflächen schmutzsensibler Komponenten,
Aggregate, Produkte oder Arbeits- und Kontaktflächen werden zunehmend höhere Anforderungen
gestellt. Als Beispiele seien der Automobilbau, die Luft- und Raumfahrt,
die Feinwerktechnik, die Halbleiterfertigung, die Lebensmittelverarbeitung,
das Gesundheitswesen oder die Pharmazie genannt. So geht beispielsweise bei
Antrieben, Kraftstoffeinspritzanlagen, Bremssystemen oder anderen
komplexen Bauteilen und Fluidsystemen mit der Miniaturisierung und
Leistungssteigerung der Einzelkomponenten und daraus hergestellter
komplexer Baugruppen eine zunehmende Anfälligkeit gegen Partikelverunreinigungen
aus der Produktion einher.
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Für die Spezifizierung
von Produkt- und Bauteiloberflächen
hinsichtlich ihrer technischen Sauberkeit wird daher der so genannte „Restschmutz" messtechnisch erfasst
und dokumentiert.
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Häufig sind
die zu beprobenden Oberflächen zu
groß,
komplex geformt, rauh oder aus anderen Gründen einer direkten Analyse
schlecht zugänglich. Daher
werden die auf der Oberfläche
haftenden Partikel in der Regel mittels Reinigungslösung oder
Klebefilm abgelöst
und anschließend
in der Reinigungslösung,
im Filterrückstand
oder auf dem Klebefilm hinsichtlich ihrer Größe, Verteilung und chemischen Natur
analysiert. Aus der Analyse wird auf die Gesamtverunreinigung geschlossen.
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Eine
Partikelanalyse umfasst in der Regel eine Auswertung der Partikeleigenschaften
in Bezug auf Anzahl, Größe und Art
der Partikel, manchmal auch deren Morphologie. Um den Zeitaufwand
zu reduzieren und um eine hohe Reproduzierbarkeit der Messergebnisse
und möglichst
wenig Schmutzeintrag durch Bedienpersonal zu gewährleisten, erfolgt diese Analyse
vorzugsweise automatisiert.
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Ein
Verfahren und eine Vorrichtung für
die automatische mikroskopische Analyse einer Partikelansammlung
in flächiger
Verteilung, wie etwa auf einem Filter, ist aus der
US 5,655,029 A bekannt. Darin
wird vorgeschlagen, eine partikelbehaftete Probe mittels eines Mikroskops
automatisch rasterweise abzutasten und die Abbildung der Messflächen auf einem
Monitor anzuzeigen. Die so erhaltenen Abbildungen werden digitalisiert
und hinsichtlich Größe und Morphologie
der Partikel ausgewertet.
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Bei
der automatisierten Auswertung derartiger Aufnahmen bereiten insbesondere
metallische Partikel Schwierigkeiten. Eine mikroskopische Aufnahme
eines metallischen Partikels zeigt typischerweise reflektierende
und nicht reflektierende Bereiche und enthält Korridore mit ähnlicher
Helligkeit wie der Hintergrund. Ein automatisch arbeitendes Analysesystem
läuft daher
Gefahr, solche Partikel nicht als Ganzes zu erkennen, sondern die
Abbildung mehreren, kleineren Partikeln zuzuordnen.
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Um
derartige Messfehler auszuschließen, sind automatische Partikelzählsysteme
mit einem Polarisator ausgestattet, mittels dem die metallisch reflektierenden
Partikelbereiche ausgeblendet werden können und daher auch metallische
Partikel als Ganzes erscheinen. Diese Maßnahme hat jedoch den Nachteil,
dass die metallische Natur des Partikels optisch nicht mehr unmittelbar
zu erkennen ist. Häufig
interessieren bei der Bestimmung des Restschmutzes aber gerade die
vorhandenen metallischen Partikel.
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Der
Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein System für die Partikelanalyse
bereitzustellen, das auch bei einer automatischen mikroskopischen
Analyse einer Partikelansammlung mit metallischen Partikeln schnell
und reproduzierbar ein exaktes Analyseergebnis liefert.
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Diese
Aufgabe wird ausgehend von einem System der eingangs genannten Gattung
erfindungsgemäß dadurch
gelöst,
dass die Polarisationseinrichtung mit einer elektrischen Stelleinrichtung
versehen ist, mittels welcher der Polarisator und der Analysator zueinander
in eine erste Polarisatorstellung und in eine zweite Polarisatorstellung
verstellbar sind, und dass die Abbildungseinrichtung softwaregesteuert
an jeder Messfläche
Abbildungsdaten der Partikelansammlung mit der ersten Polarisatorstellung
und mit der zweiten Polarisatorstellung erzeugt.
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Beim
erfindungsgemäßen Analysesystem
ist eine elektrische Stelleinrichtung vorgesehen, mittels der Polarisator
und Analysator automatisch und definiert in mindestens zwei unterschiedliche
Polarisatorstellungen zueinander gebracht werden können. Die Stelleinrichtung
wirkt hierzu entweder auf den Polarisator ein, auf den Analysator
oder auf beide Bauteile. Auf diese Weise können mittels der Abbildungseinrichtung
mindestens zwei Aufnahmen der gleichen Messfläche der Partikelansammlung
mit unterschiedlich polarisiertem Licht erhalten werden.
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Die
Abbildungseinrichtung ist daher so ausgelegt, dass sie softwaregesteuert
an jeder Messfläche
Abbildungsdaten der Partikelansammlung mit einer ersten Polarisatorstellung
und mit einer zweiten Polarisatorstellung erzeugt. Eine der beiden
Polarisatorstellungen zeichnet sich durch eine hohe – im Idealfall
die maximale – Extinktion
für die
Reflexion metallischer Partikel aus. Die elektrische Stelleinrichtung
ermöglicht
es, diese Polarisatorstellung definiert und für jede Messfläche reproduzierbar
einzustellen.
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Der
softwareunterstützte
Vergleich der mit Licht unterschiedlicher Polarisation erhaltenen
Abbildungen der gleichen Messfläche
liefert Informationen über
die Art der Partikel, die für
eine automatischen Detektion metallischer Partikel genutzt werden
kann.
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So
kann beispielsweise zunächst
eine Abbildung der Messfläche
erfolgen, bei der die Polarisatorstellung so gewählt ist, dass Reflexionen metallischer
Partikel ausgeblendet werden. Dadurch erscheinen Partikel jeglicher
chemischer Zusammensetzung in ihrer tatsächlichen Größe, so dass eine weitgehend
fehlerfreie Auswertung der Abbildung in Bezug auf Größe und Morphologie
der Partikel möglich
ist, wie dies auch sonst aus dem Stand der Technik bekannt ist.
Nach dem definierten Verstellen der Polarisationseinrichtung mittels
der elektrischen Stelleinrichtung wird eine Abbildung der Messfläche erhalten,
bei der die Pofarisatorstellung so gewählt ist, dass Reflexionen metallischer
Partikel erkennbar werden. Durch softwaregestützten Vergleich der beiden
Abbildungen mittels der Auswerteeinrichtung kann somit erkannt werden,
in welchen Partikeln Reflexionen, die in der Regel metallischen
Partikeln zuzuordnen sind, vorhanden sind. Dadurch kann somit auch
die Anzahl, die Größe und die
Morphologie der reflektierenden Partikel exakt bestimmt werden.
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Bei
der elektrischen Verstelleinrichtung handelt es sich beispielsweise
um einen Stellmotor, um eine Verschiebeeinrichtung der dergleichen.
Das Verstellen der Polarisationseinrichtung mittels elektrischer
Stelleinrichtung gewährleistet
einen automatischen Betrieb des Analysesystems auch hinsichtlich der
Metallpartikel-Detektion.
Entscheidend ist aber, dass dadurch eine vorgegebene Stellung von
Polarisator und Analysator zueinander exakt und reproduzierbar einstellbar
ist. Erst diese Maßnahme
ermöglicht
eine ausreichend hohe Messgenauigkeit des Analysesystems und des
damit durchgeführten
Analyseverfahrens.
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Insgesamt
ermöglicht
das erfindungsgemäße Analysesystem
somit außer
einer Bestimmung der Größe und Größenverteilung
von Partikeln einer Partikelansammlung auch eine Erfassung und Sortierung
der Partikel nach metallischen und nicht-metallischen Partikeln
und deren Morphologie. Das erfindungsgemäße Analysesystem ist daher
insbesondere auch für
einen Einsatz der Restschmutzbestimmung geeignet.
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Vorzugsweise
umfasst die optischen Abbildungseinrichtung ein Auflicht-Stereo-Mikroskop.
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Die
Auflicht-Beleuchtung der Partikelansammlung vermeidet Messfehler,
die ansonsten bei einer Durchlicht-Analyse durch störende Strukturen des
Substrates hervorgerufen werden können. Durch die Verwendung
eines Stereo-Mikroskopes ergibt sich eine bessere Tiefenschärfe und
damit einhergehend eine bessere Messgenauigkeit.
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Es
hat sich als besonders vorteilhaft erwiesen, wenn die Beleuchtungseinrichtung
ein Ringlicht am Objektivtubus eines Mikroskops umfasst.
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Das
Ringlicht gewährleistet
auch bei einfacher Konstruktion eine besonders homogene Ausleuchtung
der Messfläche
und trägt
daher zur Verbesserung der Messgenauigkeit bei. Bei dem Ringlicht
handelt es sich beispielsweise um ein LED-Ringlicht oder um eine
Kaltlichtquelle mit Halogenlampe.
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In
dem Zusammenhang wird eine Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Analysesystems bevorzugt,
bei der der Polarisator als Polarisations-Ringfolie ausgebildet
und im Beleuchtungsstrahl des Ringlichts angeordnet ist.
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Die
Strahl-Polarisierung für
die Beleuchtung der Messprobe erfolgt dabei vor dem Durchgang des Strahls
durch die Vergrößerungsoptik,
was mit geringeren Abbildungsfehlern und damit einer höheren Messgenauigkeit
einhergeht. Der Polarisator in Form einer Ringfolie ermöglicht eine
konstruktiv einfache Gestaltung der Polarisationseinrichtung insgesamt.
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Dazu
trägt auch
bei, wenn die Polarisations-Ringfolie mittels der elektrischen Stelleinrichtung verstellbar
ist.
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Hierbei
erfolgt die automatisch Verstellung der Polarisatorstellung durch
eine geeignete Einwirkung der elektrischen Verstelleinrichtung auf
die Polarisations-Ringfolie.
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Insbesondere
im Hinblick auf ein exaktes Abscannen der Partikelansammlung umfasst
die Positioniereinrichtung vorzugsweise eine Mehrachsensteuerung.
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Das
Substrat ist hierbei mittels der Mehrachsensteuerung positionsgenau
in allen Raumrichtungen verfahrbar.
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Ein
weitere Verbesserung der Messgenauigkeit ergibt sich bei einer Ausführungsform
des Analysesystems, bei der die Beleuchtungseinrichtung ein Autofokus-System
umfasst.
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Das
Autofokus-System ermöglicht
eine automatische Scharfstellung bei lokalen Änderungen der Substrat-Höhe.
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Nachfolgend
wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels und einer Patentzeichnung
näher erläutert. In
der Zeichnung zeigt im Einzelnen:
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1 in
schematischer Darstellung eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Analysesystems
mit einem Auflicht-Stereo-Mikroskop,
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2 eine
Abbildung einer Partikelansammlung, erhalten mit gekreuzten Polarisatoren,
als Teil eines ersten Verfahrensschritts des erfindungsgemäßen Analyseverfahrens,
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3 die
Abbildung der Partikelansammlung gemäß 2 unter
einer Beleuchtung mit nicht polarisiertem Licht, als Teil eines
zweiten Verfahrensschritts des erfindungsgemäßen Analyseverfahrens, und
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4 eine
auf Basis der Abbildungen von 2 und 3 analysierte
und berechnete Darstellung der Partikelansammlung mit Markierung
der metallischen Partikel.
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Das
Analysesystem gemäß 1 umfasst ein
Auflicht-Stereomikroskop 1 mit einem Gesichtsfeldbereich
zwischen 1×1
mm2 und 5×5 mm2 Das Stereomikroskop 1 ist
mit einer digitalen CCD-Kamera 2 ausgestattet. Die Kamera 2 ist
mit einem Rechner 3 verbunden, auf dem Software für die Bildanalyse
und -auswertung installiert ist und über den das von der Kamera
aufgenommene Bild auf einem Monitor 4 dargestellt wird.
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Auf
einer Aufnahme 8 unterhalb des Stereomikroskops 1 ist
ein Filter 9 mit einer zu analysierenden Partikelansammlung
abgelegt. Der Durchmesser des Filters 9 beträgt typischerweise
26 mm oder 50 mm. Die Aufnahme 8 ist über eine Mehrachsensteuerung 10 mit
dem Rechner 3 verbunden und in allen Raumrichtungen verfahrbar,
wie dies die Richtungspfeile 11 andeuten, so dass durch
entsprechende Positionierung der Aufnahme 8 ein rasterförmiges Abscannen
der gesamten Messfläche 15 des
Filters 9 ermöglicht
wird.
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Zur
Beleuchtung des Filters 9 ist am Objektivtubus des Stereomikroskops 1 ein
LED-Ringlicht 5 fixiert, das einen Beleuchtungsstrahl 14 aus
sichtbarem, weißem
Licht emittiert.
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Unterhalb
des Ringlichts 5 und innerhalb des Beleuchtungsstrahls 14 ist
eine ringförmige
Polarisationsfolie 6 vorgesehen, die in einem Rahmen 7 gehalten
wird. Der Rahmen 7 ist mit einem Stellmotor 13 verbunden
und zusammen mit der Polarisationsfolie 6 mittels diesem
um die Ring-Mittelachse rotierbar. Der Stellmotor 13 ist
ebenfalls mit dem Rechner 3 verbunden.
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Vom
Filter 9 reflektiertes Licht gelangt über einen weiteren Polarisator
(Analysator 12) zur Kamera 2 und wird zum Rechner 3 übertragen.
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Nachfolgend
wird ein Verfahren zur Partikelanalyse anhand eines Beispiels und
anhand der 1 bis 4 näher erläutert:
Das
Analysesystem ist für
den automatischen Betrieb ausgelegt. Der Benutzer legt lediglich
den Filter 9 ein und startet die Messung. Der Eintrag der
Auszählergebnisse
in eine Datenbank des Rechners 3 und eine Erstellung eines
Berichts erfolgen ohne Benutzerinteraktion.
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Der
Filter 9 wird durch entsprechende Bewegung der Mehrachsensteuerung
und mittels des Rechners 3 gesteuert in Form rasterförmig angeordneter
Messbereiche sukzessive abgescannt. Beim rasterweisen Abscannen
der Partikelansammlung auf dem Filter 9 wird an jeder Messfläche 15 eine
erste Serie von Abbildungsdaten aus einer Abbildung ohne die von
metallischen Partikeln reflektierte Strahlung erzeugt. Hierzu wird
der Polarisator 6 mittels des Stellmotors 13 so
lange um die Ring-Mittelachse rotiert, bis ein mit der Motorsteuerung
verbundener Sensor maximale Extinktion anzeigt. Das linear polarisierte
Licht des Ringlichts 5 trifft auf die Messfläche 15 und
als reflektiertes Licht auf den Analysator 12, dessen Polarisationsrichtung
hierbei im Wesentlichen senkrecht zum Polarisator 6 verläuft. Reflexionen
metallischer Partikel werden dadurch ausgeblendet und alle Partikel
werden in ihrer tatsächlichen
Größe abgebildet,
unabhängig
von ihren Reflexionseigenschaften.
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Eine
derartige Abbildung einer Partikelansammlung 20 zeigt 2.
Diese Art der Abbildung ermöglicht
eine weitgehend fehlerfreie Auswertung in Bezug auf Größe und Morphologie
der Partikel mittels des Rechners 3.
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In
einem weiteren Verfahrensschritt wird die Polarisationsfolie 6 automatisch
und rechnergesteuert erneut mittels des Stellmotors 13 verdreht
und dadurch die Polarisationsrichtung des Beleuchtungsstahls 14 so
geändert,
dass sich eine minimale Extinktion des von Partikeln reflektierten
Lichts ergibt.
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Die
Positionen der Polarisationsfolie 6, die den beiden Polarisationszuständen mit
maximaler und minimaler Extinktion entsprechen werden im Rechner 3 gespeichert
und beim weiteren Abscannen der Partikelansammlung 20 für jeden
Messbereich erneut verwendet und programmgesteuert eingestellt.
Die definierte Einstellung der beiden Polarisationszustände gewährleistet
ein exaktes und reproduzierbares Analyseergebnis.
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Nach
der Einstellung der Polarisationsrichtung des Beleuchtungsstahls 14 auf
minimale Extinktion des reflektierten Lichts wird eine weitere Abbildung
der Messfläche 15 erhalten,
wie sie in 3 dargestellt ist. Hierbei sind
Reflexionen metallischer Partikel 21 erkennbar, so dass
diese Partikel 21 vom automatischen Bildverarbeitungsprogramm
identifiziert und von den nicht metallischen Partikeln 22 unterschieden
werden und den passenden Partikeln der ersten Aufnahme zugeordnet
werden können. Dadurch
kann auch die Anzahl, die Größe und die Morphologie
der metallisch reflektierenden Partikel 21 exakt bestimmt
werden.
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Eine
bildliche Darstellung dieser Analyse zeigt 4. Hier
sind die durch Vergleich der Datensätze beider Abbildungen der
Partikelansammlung 20 von 2 und 3 die
als metallisch erkannten Partikel 21 farblich markiert.
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Nach
dem Erstellen der beiden Abbildungen mit unterschiedlichem Polarisationszustand
im Bereich der ersten Messfläche 15 wird
der Filter mittels automatisch und motorischen mittels der Mehrachsensteuerung
zur nächsten Messfläche 15 verfahren, die
auf die oben beschriebene Art und Weise analysiert wird. Durch rasterweises
Abscannen der Filteroberfläche
werden die einzelnen Messflächen
in Bezug auf Größe und Art
der Partikel analysiert und ausgewertet.