WO2008052526A1 - Lichtsender, lichtempfänger und messeinrichtung zur messung optischer eigenschaften transparenter substrate - Google Patents

Lichtsender, lichtempfänger und messeinrichtung zur messung optischer eigenschaften transparenter substrate Download PDF

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WO2008052526A1
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transmitter
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Jochen Krause
Holger Proehl
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Von Ardenne Anlagentechnik Gmbh
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    • G01J1/04—Optical or mechanical part supplementary adjustable parts
    • G01J2001/0481—Preset integrating sphere or cavity

Definitions

  • Light transmitter, light receiver and measuring device for measuring optical properties of transparent substrates
  • the invention relates to a light emitter, a light receiver and a measuring device using such a light emitter or light receiver for measuring optical properties of transparent substrates.
  • the measuring device essentially comprises in addition to the light emitter, which emits diffused light for illuminating the substrate to be measured, a light receiver, which is arranged in the beam path of the light emitted by the light emitter and has passed through the substrate or has been reflected by the substrate.
  • collimated light is usually directed to the sample for irradiation.
  • the light passing through is then imaged back into an optic and evaluated according to the measurement task.
  • the measuring geometry fails.
  • the measuring necessary with diffused light.
  • the requirements are very application-specific and depend on the object properties.
  • the structure then generally consists of a light source which is arranged in an integrating or integrating sphere and whose output opening opposite a light receiver intercepts the exiting light.
  • An integrating or integrating sphere is a hollow sphere having an inner surface with absolutely matt reflection properties.
  • the light of a light source arranged inside the sphere is reflected many times diffusely, so that each surface area of the inner area, including an exit opening, is equally illuminated and its luminance is proportional to the total luminous flux.
  • the substrate positioned with its surface section to be measured directly at the exit or entrance opening of the integration sphere is either diffused, ie. incident from a variety of different directions, illuminated or scattered in the substrate light is completely absorbed by the ball.
  • a light receiver or a light emitter is arranged in each case beyond the substrate, the exit or incidence opening of the sphere opposite one another and with a defined angular orientation.
  • optical properties such as the reflection and transmission behavior and monitor in situ to control the manufacturing process. This is especially the This is the case when thin layers with high uniformity, defined layer thicknesses and defined optical properties are to be applied to flat substrates in a coating process.
  • the angle-dependent transmission of substrates by the application of thin, e.g. sputtered layers is modified, the in-situ measurement of the transmission during the manufacturing process, the layer growth in terms of quality and thickness to observe and control.
  • the scattering in the thin layers themselves is negligible.
  • the coated substrates e.g. used in the feasibility of short light paths within the coating chamber Fo- tometer, which detect a monochromatic transmission and / or reflection signal of the substrate and a reference signal of the light source of the photometer.
  • the measuring device described in DE 10 2005 010 681 A1 is also suitable for plasma- or ion beam-assisted processes, where the light path is due to the much greater distance of the coating, ion or plasma source to the substrate and due to the required protection of the Measuring device is considerably extended before disturbing material deposits.
  • the substrate to be measured crosses the beam path between a light source and a light receiver unit, and in any case high demands are placed on the adjustment, in particular of the light transmitter.
  • the protection of the measuring device relative to the coating source takes place in the last-mentioned device through a diaphragm.
  • an integration sphere as a light emitter or light receiver for measuring, for example, scattering substrates is due to the susceptibility such a measuring arrangement and its high cost neither for measurements in a coating chamber nor for the in-situ measurement of a continuous manufacturing process advantageous.
  • the described light transmitter and light receiver as an essential part of the measuring device for measuring optical properties, it is likewise possible, similar to the integration sphere, to direct diffused light onto the substrate and to record diffused light on the measuring spot within the light receiver.
  • the design of the light emitter and light receiver as a hollow cylinder is much simpler and less expensive to manufacture and easier to handle compared to an integrating sphere. Therefore, the described light emitter and light receiver are particularly suitable for use under special climatic measuring conditions and for use in coating systems. It is also possible to use a plurality of light transmitters or light receivers for measurement on a substrate. Since the devices described can be used both for coated and for uncoated substrates, the following is generally about substrates, regardless of whether it is coated or not.
  • the light emitted by the light source of a light transmitter in the hollow cylinder is reflected several times at the high and diffusely reflecting inner surface, so that the light emerging through the light exit opening of the hollow cylinder has a directional distribution of the intensity.
  • having the radiation which, comparable to the emerging from an integration sphere radiation having a cosine of the respective angle proportional intensity, a characteristic lobe shape.
  • the angle considered here is that between the optical axis of the light emitter and the respectively considered direction of propagation of the light.
  • the light exit opening is located in a base of the hollow cylinder, only the radiation is included in the directional distribution with an angle between 0 ° and a maximum value which is smaller than 90 °.
  • This maximum value is exclusively due to the geometry of the diameter of the hollow cylinder in relation to the size and position of the light exit opening and leads to a lobe shape, which is slimmer, i. has a smaller opening angle than an integration sphere.
  • this has only a negligible influence on the transmission measurement, since the proportion of the missing propagation direction can be minimized on the one hand by the geometric design of the light emitter and on the other hand by its positioning with a defined distance from the substrate.
  • a minimum length of the hollow cylinder is required. This must be such that a sufficient number of reflections can be made so that no preferred direction of the light is more noticeable. For dimensioning, it is also necessary to intensity distribution of the selected light source and their position relative to the light exit opening to be considered.
  • a light receiver which, instead of a light source, comprises a light sensor for receiving the light which has sunk into the light receiver and diffusely reflected therein.
  • the light entering the light inlet opening is reflected several times at the high and diffusely reflecting inner surface of the hollow cylinder of the light receiver, so that the light exiting on the base surface of the hollow cylinder, which is opposite the light entry opening and in which the light sensor is arranged, the directional described above Distribution of the intensity of the radiation has.
  • the relevant angle is that between the optical axis of the light receiver and the respectively considered direction of propagation of the light.
  • the light outlet or light entrance opening is in accordance with an embodiment of the light transmitter or light receiver with a transparent, the light scattering plate, hereinafter referred to as a lens, completely covered.
  • the light reflected multiple times within the hollow cylinder or incident on the light entry opening is scattered by the diffusing screen.
  • the light emitted by this light emitter radiates in almost all directions and thus fulfills the requirements of a diffused emitter of light for the transmission measurement, in particular at scattering substrates.
  • the use of a diffusing screen and the measurement of little scattering substrates regardless of the use of the light emitter possible, since in no case a direct beam path from the light emitter through the substrate or via the reflection on the substrate to the light sensor can.
  • the intensity of the recorded radiation or its change at a defined measuring spot is measured and evaluated, comparable to the measurement with an integration sphere, so that a direct, ie non-diffusely reflected, beam path distorts the measurement or even prevented.
  • Lens be specifically influenced.
  • at least one lens may be a uniformly sandblasted glass or plastic disc. It is also possible to use a holographic diffuser or a microlens or micro-wedge diffuser.
  • Effect can be multiplied by multiple reflection on the inner surface of the hollow cylinder in connection with a lens.
  • suitable choice of the inner circumferential surface of the hollow cylinder above the first scattering disc, ie after the passage of the light through a first stage special effects in the reflection can be achieved, whereby specific application-specific requirements for the measurement can be met.
  • material combinations of the lenses are possible.
  • a favorable intensity distribution with a large maximum value of the angle of emergence of emerging from the light exit opening of a light emitter or entering the light inlet opening of a light receiver light is achieved if, according to a further embodiment of the light emitter, the respective opening the size of the first, the opening opposite the base Has inner surface of the hollow cylinder. That is to say that the opening of the hollow cylinder for the entry or exit of the light is not reduced in relation to the inner diameter of the hollow cylinder, and the passage of light or light is not limited by diaphragms or the like.
  • the light transmitter described and also the light receiver described are very flexible in construction. By inserting different components, they can be easily adapted to the respective measuring task, eg with regard to the light source or the light sensor, the spectrum or the polarization by the user himself.
  • it allows their configuration as a hollow cylinder in a particularly simple manner, the light emitted by the light sensor and the light received by filters to adapt to specific requirements by the filter or filters are arranged in the hollow cylinder so that the light passing through the hollow cylinder and each filter inevitably happens Has.
  • this disc-shaped filter are suitable, which are fitted parallel to the first base, successively with a defined distance in the cylinder. In the arrangement of multiple filters, the distance to each other and to the light source or to the light sensor and to the opening of the hollow cylinder to be chosen so that the sufficient multiple reflection is not hindered.
  • Polarizing filters are suitable, for example, for certain materials of the substrate to be measured or for certain layer materials deposited on a carrier material.
  • color filters in particular cause the spectral adjustment of the light of the light source, e.g. to the configuration of the light receiver to improve its modulation.
  • other filters are also suitable.
  • the light receiver comprises a polychromator, with which the recorded light signal is split into its spectral components and evaluated.
  • light sources can either be arranged in the hollow cylinder radiation sources, such as lasers or discharge lamps, or light-conducting, projecting or imaging optical arrangements, such as Glass fibers, lenses, lenses, mirrors or integrated optical waveguides or direct light-emitting optical components, such as LEDs.
  • radiation sources such as lasers or discharge lamps, or light-conducting, projecting or imaging optical arrangements, such as Glass fibers, lenses, lenses, mirrors or integrated optical waveguides or direct light-emitting optical components, such as LEDs.
  • halogen sources, deuterium lamps or xenion lamps are used as radiation sources with a wide spectral range and high luminance.
  • the light exit opening of a projecting into the hollow cylinder, illuminated light guide serves as a light source. The latter has the effect that the thermal load of the hollow cylinder and thus a thermal, the emission spectrum of the light emitter negatively influencing effect can be avoided.
  • a further light source is arranged in the hollow cylinder, which is located at a position comparable to the first light source, so that the light emitted by the second light source ⁇ emits light diffusely at the light exit opening of the hollow cylinder.
  • both light sources will be arranged in close proximity to each other. However, if this involves an undesired, locally conditioned thermal load, it is likewise possible to arrange both light sources at a distance from one another.
  • the second light source is to be operated independently of the first, downtime of a light source can be compensated or special measurement requirements can be met by appropriate combination of both sources.
  • the light sensor of the light receiver to the respective measurement task, the substrate and the properties of the light used is customizable.
  • the known light sensors can be used, such as a photodiode, a photoresistor or the input of a light guide analogous to the use described above as a light source, combined with a collimator.
  • a plurality of light sensors arranged in a grid pattern in the manner of a grid can also be used.
  • the use of a light guide as a light sensor makes it possible to set up the detector outside the measuring arrangement and thus make it easily accessible for operation or possibly to couple it directly to the evaluation unit.
  • Such a design can be used, for example, for in-situ measurements of the optical properties of layers to be deposited in a coating installation.
  • the light emitter or the light receiver of further embodiments are constructed in such a way that the white inner circumferential surface of the hollow cylinder is formed by an inner hollow cylinder which can be inserted into an outer hollow cylinder, the manufacture of the hollow cylinder with its specific inner surface can be particularly cost-effective and flexible ,
  • This embodiment allows e.g. the outer hollow cylinder of a stable, readily available material, e.g. To produce steel or plastic and only for the inner, without play to be inserted inner hollow cylinder, the specific material with the required optical properties, e.g. white polytetrafluoroethylene (PTFE) to use.
  • PTFE white polytetrafluoroethylene
  • the inner hollow cylinder is subdivided into two or possibly more hollow cylinder sections and a diffusing screen and / or a disk-shaped filter can be inserted between two hollow cylinder sections.
  • the diameters of the slices to be inserted correspond to the inner diameter of the outer cylinder and thus to the outer diameter of the inner cylinder.
  • the inner components of the hollow cylinder such as diffusers and filters are modularly variable by individual hollow cylinder sections and the discs are inserted in the appropriate order in the outer hollow cylinder.
  • the distance between the individual components can be produced by the height of one or more hollow cylinder sections joined to one another.
  • a measuring device which measures the optical properties of transparent substrates using the described light emitters or photoreceivers or both devices, is essentially constructed as it is known from the use of an integrating sphere, however, both the described light emitter and the described light receiver can be arranged at a distance from the substrate without affecting the measurement result appreciable. Due to this possible arrangement of light emitter and light receiver, both the transmission and the reflection or both must be measured simultaneously with the measuring device.
  • the light emitter can be arranged in a measuring device for measuring transmission at an angle which is only approximately 0 °.
  • the angle at which the light emitter is arranged is the angle between the optical axis of the hollow cylinder and the surface normal of the light emitter facing surface of the substrate and will be referred to hereinafter as the angle of incidence.
  • a surface normal is generally understood such a straight line that is perpendicular to all lines of the considered area.
  • the intensity distribution of the light of the distribution achieved with an integrating sphere is similar that then, in contrast to the known, collimated light on the substrate directing measuring devices, the exact adjustment of a defined angle is no longer required.
  • the adjustment effort for the position and in particular for the angle of the light transmitter is substantially reduced, thus simplifying the handling of the measuring device.
  • the angle of incidence can be in the range from 0 ° to ⁇ 15 °. Particularly preferred is an angle of incidence in the range of 0 ° to + 10 °.
  • the described measuring device and in particular the distance between the light emitter and the substrate as well as the possibility of tilting the light emitter relative to the surface normal of the surface of the illuminated substrate section facing the light emitter also allows the light emitter to be arranged at such an angle, a further light receiver is arranged in the beam path of the light emitted by the light emitter and reflected by the substrate.
  • a further light receiver is arranged in the beam path of the light emitted by the light emitter and reflected by the substrate.
  • the measuring device described also permits the simple realization of standards for instrument geometries of optical measuring devices, for example the CIE standard.
  • the failure angle according to the CIE Diffuse / 8 ° standard is almost 8 ° with diffuse illumination of the specimen.
  • the application of this standard in the measuring device avoids the falsification of the measurement results described above and at the same time does justice to the lobe shape of the intensity distribution of the light emanating from the light transmitter.
  • the standardized geometry because of the above-mentioned restriction of the angle of incidence to a maximum of ⁇ 15 ° also CIE diffuse / 8 °.
  • FIG. 1 shows a measuring device for transmission measurement using a light transmitter according to claim 1,
  • Fig. 3 shows a measuring device for transmission and reflection measurement using a light emitter and light receiver according to the invention
  • FIG 4 shows a measuring device for reflection measurement using a light transmitter according to claim 1.
  • the measuring device shown in Fig. 1 comprises a light emitter 1 according to claim 1, which is directed with its light exit opening 14 to a light receiver 2. Between light emitter 1 and light receiver 2 is the substrate 4 to be measured, for example, a glass substrate with light-scattering properties, which is arranged at a first distance a x to the light emitter 1 and a second distance a 2 to the light receiver 2. In the embodiment, the first distance ai greater than the second distance a 2 , but this is not necessarily the case.
  • the light transmitter 1 can be arranged with the end of the hollow cylinder 10 directly on the substrate 4, so that the hollow cylinder 10 and the substrate 4 are in contact.
  • the light transmitter 1 used consists of an outer hollow cylinder 10, which is closed at both base surfaces, each with a disk-shaped component.
  • the length of the outer hollow cylinder 10 is more than twice its diameter.
  • the substrate 4 facing first base 12 of the hollow cylinder 10 is closed by a lens 18, in the embodiment as Evenly sandblasted glass performed.
  • the diffuser 18 is fitted in a form-fitting manner in the outer hollow cylinder 10.
  • the substrate 4 facing surface of the lens 18 is arranged at a distance a s to the end of the hollow cylinder 10, which in the embodiment corresponds approximately to the thickness of the lens but can also deviate therefrom. Due to this distance a s, a distance a s between the diffusing screen and the substrate 4 would exist in the above-described arrangement of the hollow cylinder 10 directly on the substrate 4.
  • the second base 16 of the hollow cylinder of the light emitter 1 is replaced by a base plate 19, e.g. made of plastic.
  • a base plate 19 In the base plate 19 are centrally and at a distance from each other two light sources 26, e.g. let in two halogen lamps, which radiate into the hollow cylinder and each have a through the base plate 19 led to the outside cable 27.
  • a disc-shaped blue filter 28 is fitted.
  • the blue filter 28 slightly compensates for the spectrum of halogen lamps displaced to yellow light and alters it to a smoother, flatter distribution over the available bandwidth, so that the spectrum is better adapted to the light receiver 2 used to achieve its more uniform modulation.
  • the inner wall of the hollow cylinder of the light emitter 1 is formed by two inner hollow cylinder sections 20, the outer diameter of which likewise corresponds almost to the inner diameter of the outer hollow cylinder 10.
  • the first inner hollow cylinder section 20 is between the
  • Lens 18 and the blue filter 28 inserted and thus defines the distance between the two components. It consists of white PTFE which has the required high reflectivity onsgrad and the required surface roughness to produce diffused light.
  • the inner surface 11 of the outer hollow cylinder 10 can be manufactured with comparable optical properties (FIG. 2), eg by making the hollow cylinder itself of this or another suitable material having the stated properties or its inner surface coated accordingly. In this case, eliminates an inner hollow cylinder or inner hollow cylindrical sections 20 and for the support of
  • Filters and lenses are suitable, not shown holding means inside the outer hollow cylinder 10 is provided.
  • the second inner hollow cylinder portion 20 of the described example is disposed between the base plate 19, which closes the outer hollow cylinder 10, and the blue filter 28.
  • the length of the first hollow cylinder section 20 is a multiple of the length of the second hollow cylinder section 20.
  • the second hollow cylinder section 20 is also made of white PTFE, which is the largest possible ratio of the length of the second hollow cylinder section 20 to the length of the first hollow cylinder section 20 not necessarily the case.
  • the light emitter 1 is aligned with the light receiver 2 so that the axis of the outer hollow cylinder 10 which coincides with the axes of the two inner hollow cylindrical portions 20 has approximately the same direction as the surface normal of the illuminated portion of the substrate surface. An exact alignment to the direction of the surface normal is not required, so that in the example a deviation remains and forms an angle of incidence W E of approximately 1 degree.
  • the light emitted by the respectively active light source 26 and passing through the blue filter 28 already has different propagation directions and is reflected many times within the first hollow cylinder section 20, so that the light striking the diffusing screen 18 is already diffuse in nature and uniform Illumination of the lens 18 guaranteed. As it passes through the diffuser 18, further scattering takes place, which also results in a uniform illumination of the surface of the light entry opening 32 of the light receiver 2, also referred to as the receiver surface, and results in the characteristic intensity distribution described.
  • the light receiver 2 To receive the light emitted by the light emitter 1, the light receiver 2 has as light sensor 24 the input of a light guide 36 with a collimator 34.
  • the light receiver 2 also consists of a hollow cylinder 10 whose one, the substrate 4 facing the base surface is the light inlet opening 32. At this end and at a distance from the end, a collimator 34 is inserted in the hollow cylinder 10 for changing the angle of the incident light into the light entrance opening 32 such that it is less than or equal to the acceptance angle of the light guide 36, wherein the forwarding of the light by total reflection he follows.
  • both different collimators 34 and differently constructed light sensors 24 can be used. For example, are known as collimators 34 lens or diaphragm systems and as light sensors 24 on the basis of photodiodes.
  • the light receiver 2 is connected to a light detector unit (not shown in detail), which has a pole. includes lychromator.
  • a light detector unit (not shown in detail), which has a pole. includes lychromator.
  • the transmission measurement over the entire wavelength spectrum can be carried out, which enables the measurement of the continuous change in the optical properties due to the change in the layer thickness during the deposition of a thin layer on a carrier substrate in a vacuum system.
  • the light detector unit can also comprise a dispersive element, in particular a monochromator, so that spectrophotometric measurements are possible.
  • Light receiver 2 with a defined exit angle W A positioned in the example described at an angle of 8 ° according to the CIE Standards Diffuse / 8 ° in the beam path of the light falling out.
  • the exit angle is between the optical axis 22, here the light receiver 2, and the surface normal 23 of the surface of the substrate 4 measured.
  • the optical axis 22 is the axis of symmetry of the optical element, in this case the hollow cylinder of the light emitter 1 or of the light receiver 2.
  • the surface normals 23 of both surfaces of flat substrates 4 are parallel to one another. Since, however, the measurement should not be limited to substrates 4 with parallel surfaces, in the following each angle specification is referred to the surface normal 23 of the illuminated surface of the substrate 4. Thus, the angle specifications are comparable.
  • the determination of the transmission of a substrate 4 is based on the quotient formation of the light intensity I of the light passing through the substrate 4 and the intensity of the incident light I 0 .
  • the measured value determined with the substrate 4 is set in relation to the measured value, which was determined with the same measuring arrangement without substrate 4, by assuming the latter value as 100% transmission.
  • another measurement takes place without substrate 4 and with covered light transmitter 1.
  • the evaluation of these measured values of the measurement, reference and dark phase for deriving the angle-dependent transmission value takes place in one suitable, not shown processor unit.
  • FIG. 2 shows a measuring device according to the invention using a light receiver 2 according to claim 2.
  • a measuring device comprising such a light receiver 2 is to be modified so that a light transmitter 1 directs collimated light onto the light inlet opening 32 of the light receiver 2 and thus illuminates a substrate 4 positioned in front of the light entrance opening 32.
  • the light transmitter 1 consists of a hollow cylinder 10, which faces away from the substrate 4 on the baseplate 19 in its first
  • Base 12 has the output of a light guide 36 as a light source 26.
  • a light guide 36 as a light source 26.
  • the collimator 34 which is arranged at the other end of the hollow cylinder 10 but at a distance from the end, light is generated with a parallel beam path and directed onto the substrate 4.
  • a differently designed, conventional light emitter 1 can be used which emits collimated light onto the substrate 4.
  • the light transmitter 1 in Fig. 2 slightly inclined to the surface normal 23 of the substrate 4, so that the angle of incidence W E is about 1 °.
  • the inclination of the light transmitter 1 is based on a comparison with the known measuring devices. relatively large adjustment tolerance. Consequently, other angles of inclination may be present or the angle of incidence W E may be 0 °.
  • the light receiver 2 consists of a hollow cylinder 10 whose inner surface 11 is white and thus diffusely reflecting.
  • the measuring device shown in FIG. 2 serves for the measurement of substrates 4 with light-scattering properties, so that the light having passed through the substrate 4 with such a scattering falls into the light inlet opening 32 of the light receiver 2 that no
  • the angular arrangement of the light receiver 2 is in the illustrated embodiment for the realization of the CIE standard diffuse / 8 ° also 8 °.
  • the incident on the measurement spot in the illustrated embodiment, the input of a light guide 36, light is forwarded as described above for the evaluation to a detector unit, not shown.
  • Fig. 3 shows a measuring device with a light emitter 1 and a light receiver 2 for the transmission measurement and a further light receiver 3 for the reflection measurement.
  • the distance between the light transmitter 1 and the substrate 4 was chosen and the light Transmitter 1 arranged with such an angle of incidence W E that it is possible to arrange a further light receiver 3 in the beam path of the light emitted by the light emitter 1 and the substrate 4 at the reflection angle W R reflected light NEN.
  • W E angle of incidence
  • the light emitter 1 and the further light receiver 3 with an angle of incidence W E , the amount here again is smaller than 15 °, and a reflection angle W R directed to the substrate, both angles almost coincide.
  • the further light receiver 3 comprises a hollow cylinder with the entrance of a light guide 36 as the light sensor 24.
  • the light sensor 24 is arranged centrally in the base plate 19 of the hollow cylinder 10 opposite the light entry opening 32.
  • a scattering plate 18 is inserted into the hollow cylinder 10, since the scattering properties of the substrate 4 do not act for the reflection measurement.
  • the above-described characteristic intensity distribution in the light receiver can also be achieved for the reflection and an image of a light reflection directly on the light sensor 24 can be avoided.
  • the characteristic intensity distribution of the light makes it possible, as explained above for the transmission measurement, also in the measuring device for reflection measurement according to FIG. 4, that the light exit angle W A and the reflection angle W R can deviate slightly, ie within a few degrees of each other ,
  • the size of the possible difference between the two angles is also dependent here on various parameters of the measurement, eg geometrical parameters such as the diameter of the light exit opening 14 and the light entry opening 32, the distance between the light transmitter 1 or light receiver 2 and substrate 4 or the wavelength and the intensity the light emitted by the light source 26, the reflectivity of the substrate 4 and other parameters.
  • a blue filter 28 is inserted in the hollow cylinder 10 near the light source 26.
  • another suitable light transmitter 1, which fulfills the requirements for the light to be emitted, can be used as an alternative to that described.
  • the light receiver 2 for transmission measurement corresponds in this embodiment of the measuring device in construction, function and arrangement of the light receiver in Fig. 1, so that reference is made to the above explanations.
  • a diffusion plate 18 is inserted into the hollow cylinder 10 of the light receiver 2.
  • the measuring device of a further embodiment serves only to measure the reflection of the substrate 4.
  • a light transmitter 1 which has a hollow cylinder 10 with a diffusely scattering inner surface 11 and at the light exit opening 14 a diffusion plate 18, becomes diffuse scattered light directed to a substrate 4.
  • a light receiver 2 is arranged, the basic structure of the light receiver of FIG. 1 corresponds.
  • the light incident through the light entrance opening 32 with a different propagation direction is collimated by a collimator 34 and is incident on the light sensor 24, for example a photodiode, which is connected by a cable 27 to an evaluation unit (not shown).
  • the light sensor 24 is here in the
  • the light emitter and the light receiver according to the invention have been described in various combinations with conventional light emitters and light receivers for various applications. These embodiments are merely possible examples of design, combination, and use, and are by no means exhaustive. Further useful modifications that may be made by those skilled in the art within the scope of the invention are, of course, possible and contemplated.
  • Light transmitter, light receiver and measuring device for measuring optical properties of transparent substrates

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Abstract

Es wird ein Lichtsender (1) beschrieben, der aus einem Hohlzylinder (10) mit einer hoch reflektierenden und diffus streuenden inneren Oberfläche, mit einer in dessen Inneren angeordneten Lichtquelle (26) und mit einer zur Lichtquelle beabstandeten Lichtaustrittsöffnung (14) besteht. Es wird auch ein Lichtempfänger (2) beschrieben, der aus einem ebensolchen Hohlzylinder (10) besteht, mit einem Lichtsensor (24) anstelle der Lichtquelle, beabstandet zu einer Lichteintrittsöffnung (32). Dabei sind Lichtquelle (26) bzw. Lichtsensor (24) mit solch einem Abstand zur Lichtaustrittsöffnung (14) bzw. zur Lichteintrittsöffnung (32) bei entsprechender Ausbreitungsrichtung des Lichts angeordnet, dass das von der Lichtquelle (26) ausgesendete bzw. vom Lichtsensor (24) empfangene und im Hohlkörper (10) mehrfach reflektierte Licht als diffuses Licht aus der Lichtaustrittsöffnung (14) austritt bzw. auf den Lichtsensor (24) fällt. Es wird ebenso eine Messeinrichtung unter Verwendung eines solchen Lichtsenders (1) oder Lichtempfängers (2) zur Messung optischer Eigenschaften von transparenten Substraten (4) beschrieben.

Description

Lichtsender, Lichtempfänger und Messeinrichtung zur Messung optischer Eigenschaften transparenter Substrate
[0001] Die Erfindung betrifft einen Lichtsender, einen Lichtempfänger sowie eine Messeinrichtung unter Verwendung eines solchen Lichtsenders oder Lichtempfängers zur Messung optischer Eigenschaften von transparenten Substraten.
[0002] Es sind Lichtsender oder Lichtempfänger bekannt, die aus einem Hohlkörper bestehen mit einer hoch reflektierenden und diffus streuenden, d.h. weißen inneren Oberfläche, einer im Inneren des Hohlkörpers angeordneten Lichtquelle bzw. Lichtsensor und einer dazu beabstandeten Licht- austrittsöffnung bzw. Lichteintrittsöffnung. Die Messeinrichtung umfasst im Wesentlichen außer dem Lichtsender, der diffuses Licht zur Beleuchtung des zu messende Substrat aussendet, einen Lichtempfänger, welcher im Strahlengang des Lichts angeordnet ist, das vom Lichtsender ausgesendet ist und das Substrat passiert hat oder vom Substrat reflektiert wurde .
[0003] Zur Messung der Transmissions- und Reflexionseigenschaften verschiedenster transparenter Medien wie Glas, Folien, Beschichtungen oder Glasfilter wird in der Regel kollimiertes Licht zur Durchstrahlung auf die Probe gerichtet. Das hindurchtretende Licht wird anschließend wieder in -eine Optik abgebildet und entsprechend der Messaufgabe ausgewertet .
[0004] Bei gewölbten Objekten wie Brillengläsern, be- Schichteten Linsen oder bei streuenden, d.h. die Strahlung ohne Intensitätsverlust ungerichtet ablenkenden Substraten, wie Streuscheiben für Signalanlagen, versagt diese Messgeometrie. Hier ist, wie auch bei trüben Flüssigkeiten die Mes- sung mit diffusem Licht notwendig. Dabei sind die Anforderungen sehr anwendungsspezifisch und hängen von den Objekteigenschaften ab. Der Aufbau besteht dann im Allgemeinen aus einer Lichtquelle, die in einer Integrations- oder Ulbricht- kugel angeordnet ist und deren Ausgangsöffnung gegenüber liegend ein Lichtempfänger das austretende Licht auffängt. Ebenso ist es auch möglich, den Strahlengang einer Lichtquelle zu kollimieren und auf die Probenöffnung der Ulbrichtkugel zu richten. In beiden Anordnungen wird das Mess- objekt in den Strahlengang nahe der Kugelöffnung eingeführt.
[0005] Eine Integrations- oder Ulbrichtkugel ist eine Hohlkugel mit einer inneren Oberfläche mit absolut matten Reflexionseigenschaften. Das Licht einer im Inneren der Kugel angeordneten Lichtquelle wird vielfach diffus reflek- tiert, so dass jedes Flächenstück der Innenfläche, so auch eine Austrittsöffnung, gleich stark beleuchtet wird und dessen Leuchtdichte dem Gesamtlichtstrom proportional ist.
[0006] Je nach Richtung des Strahlenganges wird auf diese Weise das mit seinem zu messenden Flächenabschnitt unmittel- bar an der Austritts- oder Einfallsöffnung der Integrationskugel positionierte Substrat entweder diffus, d.h. aus einer Vielzahl verschiedener Richtungen einfallend, beleuchtet oder das im Substrat gestreute Licht wird vollständig mit der Kugel aufgefangen. Entsprechend der jeweils gewählten Messgeometrie wird jeweils jenseits des Substrats, der Austritts- oder Einfallsöffnung der Kugel gegenüber liegend und mit einer definierten Winkelausrichtung ein Lichtempfänger oder ein Lichtsender angeordnet.
[0007] Bei der Herstellung und/oder Qualitätskontrolle optischer Erzeugnisse ist es häufig erforderlich, deren optische Eigenschaften, wie z.B. das Reflexions- und Transmissionsverhalten zu bestimmen und in-situ zu überwachen, um den Herstellungsprozess zu steuern. Das ist insbesondere der Fall, wenn auf flächige Substrate in einem Beschichtungspro- zess dünne Schichten mit hoher Gleichmäßigkeit, definierten Schichtdicken und definierten optischen Eigenschaften aufgebracht werden sollen.
[0008] Da z.B. die winkelabhängige Transmission von Substraten durch das Aufbringen dünner, z.B. gesputterter Schichten modifiziert wird, ist mittels der in-situ-Messung der Transmission während des Herstellungsprozesses das Schichtwachstum hinsichtlich Qualität und Dicke zu beobach- ten und zu steuern. Die Streuung in den dünnen Schichten selbst ist dabei vernachlässigbar.
[0009] Zur Messung der Reflexion und Transmission der beschichteten Substrate werden z.B. bei der Realisierbarkeit von kurzen Lichtwegen innerhalb der Beschichtungskammer Fo- tometer verwendet, die ein monochromatisches Transmissions- und/oder Reflexionssignal des Substrats und ein Referenzsignal der Lichtquelle des Fotometers erfassen.
[0010] Die in der DE 10 2005 010 681 Al beschriebene Messvorrichtung ist auch für plasma- oder ionenstrahlunter- stützte Prozesse geeignet, wo der Lichtweg aufgrund der wesentlich größeren Entfernung der Beschichtungs-, Ionen- oder Plasmaquelle zum Substrat und aufgrund des erforderlichen Schutzes der Messvorrichtung vor störenden Materialablagerungen deutlich verlängert wird. Auch in dieser Vorrichtung kreuzt das zu messende Substrat den Strahlengang zwischen einer Lichtquelle und einer Lichtempfängereinheit und in jedem Fall stehen an die Justierung insbesondere des Lichtsenders hohe Anforderungen. Der Schutz der Messvorrichtung gegenüber der Beschichtungsquelle erfolgt in der letztge- nannten Vorrichtung durch eine Blende.
[0011] Die Anwendung einer Integrationskugel als Lichtsender oder Lichtempfänger zur Messung beispielsweise streuender Substrate ist aber aufgrund der Störanfälligkeit solch einer Messanordnung und ihrer hohen Kosten weder für Messungen in einer Beschichtungskammer noch für die in-situ- Messung eines kontinuierlichen Herstellungsprozesses vorteilhaft.
[0012] Es ist daher Aufgabe der Erfindung, eine Vorrichtung zur Messung optischer Eigenschaften von transparenten Substraten anzugeben, die auch für die in-situ-Messung in Vakuumbeschichtungsanlagen und auch zur Messung an streuenden Substraten einsetzbar ist und gleichzeitig einen gerin- gen apparativen und Kostenaufwand ermöglicht.
[0013] Mit dem beschriebenen Lichtsender und Lichtempfänger als einen wesentlichen Teil der Messeinrichtung zur Messung optischer Eigenschaften ist es, vergleichbar zur Integrationskugel, ebenfalls möglich, diffuses Licht auf das Sub- strat zu richten und diffuses Licht auf dem Messfleck innerhalb des Lichtemfpängers aufzunehmen. Die Ausführung von Lichtsender und Lichtempfänger als Hohlzylinder ist im Vergleich zu Integrationskugel deutlich einfacher und kostengünstiger in der Fertigung und ebenso einfacher in der Hand- habung. Deshalb sind der beschriebene Lichtsender und Lichtempfänger besonders für den Einsatz unter speziellen klimatischen Messbedingungen und für den Einsatz in Beschich- tungsanlagen geeignet. Auch die Anwendung mehrerer Lichtsender oder Lichtempfänger zur Messung an einem Substrat ist möglich. Da die beschriebenen Vorrichtungen sowohl für beschichtete als auch für unbeschichtete Substrate verwendbar sind, soll im Folgenden allgemein von Substraten die Rede sein, unabhängig davon, ob es beschichtet ist oder nicht.
[0014] Das von der Lichtquelle eines Lichtsenders im Hohlzylinder ausgesendete Licht wird an der hoch und diffus reflektierenden inneren Oberfläche mehrfach reflektiert, so dass das durch die Lichtaustrittsöffnung des Hohlzylinders austretende Licht eine direktionale Verteilung der Intensi- tät der Strahlung aufweist, die, vergleichbar der aus einer Integrationskugel austretende Strahlung mit einer dem Kosinus des jeweiligen Winkels proportionalen Intensität, eine charakteristische Keulenform aufweist. Der hier betrachtete Winkel ist jener zwischen der optischen Achse des Lichtsenders und der jeweils betrachteten Ausbreitungsrichtung des Lichts .
[0015] Da sich die Lichtaustrittsöffnung in einer Grundfläche des Hohlzylinders befindet, ist in der direktionalen Verteilung nur die Strahlung mit einem Winkel zwischen 0° und einem Maximalwert enthalten, der kleiner ist als 90°. Dieser Maximalwert ist ausschließlich geometrisch durch den Durchmesser des Hohlzylinders im Verhältnis zur Größe und Lage der Lichtaustrittsöffnung bedingt und führt zu einer Keulenform, die schlanker ist, d.h. einen geringeren Öffnungswinkel aufweist als bei einer Integrationskugel. Dies hat auf die Transmissionsmessung jedoch nur einen vernachlässigbaren Einfluss, da der Anteil der fehlenden Ausbreitungsrichtung zum einen durch die geometrische Gestaltung des Lichtsenders und zum anderen durch seine Positionierung mit einem definierten Abstand zum Substrat minimiert werden kann. Des weiteren minimiert sich dieser Effekt insbesondere bei der Messung an gering streuenden Substraten, da festgestellt wurde, dass die Strahlung, die mit großem Winkel auf das Substrat trifft, aufgrund ihrer Streuung im Substrat nicht durch das Substrat hindurch zu einem Lichtempfänger tritt, da der Lichtempfänger unter kleinem Winkel zum Substrat positioniert ist.
[0016] Um die charakteristische Intensitätsverteilung mithilfe des Lichtsenders zu erzielen, ist eine Mindestlänge des Hohlzylinders erforderlich. Diese muss so bemessen sein, dass eine ausreichende Anzahl von Reflexionen erfolgen kann, so dass keine Vorzugsrichtung des Lichts mehr festzustellen ist. Zur Bemessung ist es auch erforderlich, sowohl die In- tensitätsverteilung der gewählten Lichtquelle und deren Lage relativ zur Lichtaustrittsöffnung zu berücksichtigen.
[0017] Die oben beschriebenen Aspekte hinsichtlich des Aufbaus und der Wirkungsweise eines Lichtsenders treffen in analoger Weise auch für einen Lichtempfänger zu, der anstelle einer Lichtquelle einen Lichtsensor umfasst zur Aufnahme des in den Lichtempfänger eingefallenen und in ihm diffus reflektierten Lichts. Das in die Lichteintrittsöffnung eintretende Licht wird an der hoch und diffus reflektierenden inneren Oberfläche des Hohlzylinders des Lichtempfängers mehrfach reflektiert, so dass das auf jene Grundfläche des Hohlzylinders austretende Licht, welche der Lichteintrittsöffnung gegenüber liegt und in welcher der Lichtsensor angeordnet ist, die oben beschriebene direktionale Verteilung der Intensität der Strahlung aufweist. Auch bei einem Lichtempfänger ist der relevante Winkel jener zwischen der optischen Achse des Lichtempfängers und der jeweils betrachteten Ausbreitungsrichtung des Lichts.
[0018] Um die Länge des Hohlzylinders zu optimieren und um zu gewährleisten, dass z.B. bei gering streuenden Substraten überhaupt eine diffuse Reflexion des in den Hohlzy- linder einfallenden Lichts erfolgt, ist entsprechend einer Ausgestaltung des Lichtsenders oder des Lichtempfängers die Lichtaus- bzw. Lichteintrittsöffnung mit einer transparen- ten, das Licht streuenden Platte, im Folgenden als Streuscheibe bezeichnet, vollständig abgedeckt. Das innerhalb des Hohlzylinders mehrfach reflektierte bzw. auf die Lichteintrittsöffnung fallende Licht wird durch die Streuscheibe gestreut. Für einen Lichtsender strahlt das von diesem Lichtsender abgestrahlte Licht in nahezu alle Richtung und erfüllt somit den Erfordernissen eines diffuses Licht abstrahlenden Senders für die Transmissionsmessung insbesondere an streuenden Substraten entspricht. [0019] Bei einem Lichtempfänger wird durch den Einsatz einer Streuscheibe auch die Messung an wenig streuenden Substraten und zwar unabhängig von der Verwendung des Lichtsenders möglich, da in keinem Fall ein direkter Strahlengang vom Lichtsender durch das Substrat oder über die Reflexion am Substrat zum Lichtsensor erfolgen kann. Denn für die Messung der optischen Eigenschaften des durchstrahlten oder reflektierenden Substrats wird, vergleichbar der Messung mit einer Integrationskugel, die Intensität der aufgenommenen Strahlung oder deren Änderung an einem definierten Messfleck gemessen und ausgewertet, so dass ein direkter, d.h. nicht diffus reflektierter Strahlengang die Messung verfälscht oder gar verhindert.
[0020] Darüber hinaus kann die Wirkung der Streuscheibe durch geeignete Wahl oder Modifikation des Materials der
Streuscheibe gezielt beeinflusst werden. Im einfachsten Fall kann zumindest eine Streuscheibe eine gleichmäßig sandgestrahlte Glas- oder KunststoffScheibe sein. Auch die Verwendung eines holografischen Diffusers oder eines Diffuser mit Mikrolinsen oder Mikrokeilen ist möglich.
[0021] Ebenso ist es für eine stärkere Streuwirkung möglich, dass im Hohlzylinder parallel zur ersten Streuscheibe und mit einem Abstand zu dieser eine zweite Streuscheibe derart angeordnet ist, dass das Licht im Hohlzylinder auch die zweite Streuscheibe passiert. Auf diese Weise kann die
Wirkung durch Mehrfachreflexion an der Innenfläche des Hohl- zylinders im Zusammenhang mit einer Streuscheibe vervielfältigt werden. Auch können durch geeignete Wahl der inneren Mantelfläche des Hohlzylinders oberhalb der ersten Streu- scheibe, d.h. nach dem Durchgang des Lichts durch eine erste Stufe, besondere Effekte in der Reflexion erzielt werden, wodurch besonderen anwendungsspezifischen Anforderungen an die Messung entsprochen werden kann. Gleichermaßen sind Materialkombinationen der Streuscheiben möglich. [0022] Eine günstige Intensitätsverteilung mit großem Maximalwert des Ausfallswinkels des aus der Lichtaustrittsöffnung eines Lichtsenders austretenden oder in die Lichteintrittsöffnung eines Lichtempfängers eintretenden Lichts wird erzielt, wenn entsprechend einer weiteren Ausgestaltung des Lichtsenders die jeweilige Öffnung die Größe der ersten, der Öffnung gegenüber liegenden Grundfläche der Innenfläche des Hohlzylinders aufweist. D.h. die Öffnung des Hohlzylin- ders für den Ein- oder Austritt des Lichts wird gegenüber dem inneren Durchmesser des Hohlzylinders nicht verringert, Lichtein- oder Lichtaustritt werden nicht durch Blenden oder vergleichbares begrenzt.
[0023] Darüber hinaus wirkt es sich für eine gleichmäßige Intensitätsverteilung aufgrund einer gleichmäßigen Mehrfach- reflexion im Hohlzylinder auch günstig aus, wenn die Licht- guelle in der der ersten Grundfläche gegenüberliegenden, zweiten" Grundfläche angeordnet ist. Es versteht sich, dass alternativ auch eine Anordnung der Lichtquelle oder des Lichtsensors in einer anderen Fläche des Hohlzylinders mög- lieh ist, z.B. um einen direkten Strahlengang des Lichts zwischen der Öffnung und Lichtquelle bzw. Lichtsensor auch bei fehlender Streuscheibe auszuschließen.
[0024] Der beschriebene Lichtsender und auch der beschriebene Lichtempfänger sind sehr flexibel im Aufbau. Durch das Einfügen verschiedener Komponenten sind sie z.B. hinsichtlich der Lichtquelle bzw. des Lichtsensors, des Spektrums oder der Polarisation durch den Anwender selbst einfach an die jeweilige Messaufgabe anzupassen. So gestattet es ihre Ausgestaltung als Hohlzylinder auf besonders einfache Weise, das von der Lichtquelle ausgesendete und das vom Lichtsensor aufgenommene Licht durch Filter an bestimmte Anforderungen anzupassen, indem der oder die Filter im Hohlzylinder so angeordnet werden, dass das den Hohlzylinder passierende Licht auch jeden Filter zwangsläufig passiert hat. Dafür sind scheibenförmige Filter geeignet, die parallel zur ersten Grundfläche, aufeinanderfolgend mit einem definierten Abstand im Zylinder eingepasst sind. Bei der Anordnung von mehreren Filtern ist der Abstand zueinander und zur Lichtquelle bzw. zum Lichtsensor sowie zur Öffnung des Hohlzylinders so zu wählen, dass die ausreichend mehrfache Reflexion nicht behindert wird.
[0025] Als Filter können z.B. Polarisationsfilter oder Farbfilter verwendet werden. Polarisationsfilter kommen bei- spielsweise für bestimmte Materialien des zu messenden Substrats oder bei bestimmten, auf einem Trägermaterial abgeschiedenen Schichtmaterialien in Betracht. Hingegen bewirken Farbfilter insbesondere die spektrale Anpassung des Lichts der Lichtquelle z.B. an die Konfiguration des Lichtempfän- gers um dessen Aussteuerung zu verbessern. Entsprechend der zu messenden optischen Eigenschaften, des Substrats, der Lichtquelle oder des Lichtsensors kommen auch andere Filter in Betracht.
[0026] Als Lichtquellen können entsprechend der erforder- liehen Intensität, des Spektrums, der klimatischen Einsatzbedingungen oder auch der Messaufgabe verschiedene Ausführungen eingesetzt werden. Für die Schichtdickenmessung auf einem Trägermaterial abgeschiedener metallischer Schichten ist z.B. eine Infrarotquelle nutzbar, während eine Weiß- lichtquelle z.B. zur Ermittlung des Transmissionsspektrums von dielektrischen Schichten verwendet wird. In diesem Fall umfasst der Lichtempfänger einen Polychromator, mit dem das aufgenommene Lichtsignal in seine spektralen Anteile aufgespalten und ausgewertet wird.
[0027] Darüber hinaus können Lichtquellen entweder im Hohlzylinder angeordnete Strahlungsquellen sein, wie z.B. Laser oder Entladungslampen, oder auch Licht leitende, projizierende oder abbildende optische Anordnungen, wie z.B. Glasfasern, Objektive, Linsen, Spiegel oder integrierte optische Wellenleiter oder auch direkt Licht emittierende optische Bauelemente, wie z.B. LEDs. Beispielsweise kommen als Strahlungsquellen mit weitem Spektralbereich und hoher Leuchtdichte Halogenlampen, Deuteriumlampen oder Xenionlam- pen zur Anwendung. Oder die Lichtaustrittsöffnung eines in den Hohlzylinder ragenden, beleuchteten Lichtleiters dient als Lichtquelle. Letzteres hat die Wirkung, dass die thermische Belastung des Hohlzylinders und damit ein thermischer, das Emissionsspektrum des Lichtsenders negativ beeinflussender Effekt vermieden werden.
[0028] In einer weiteren Ausgestaltung des Lichtsenders ist im Hohlzylinder eine weitere Lichtquelle angeordnet, die sich an einem zur ersten Lichtquelle vergleichbaren Platz befindet, so dass auch das von der zweiten Lichtquelle aus- ■ gesandte Licht an der Lichtaustrittsöffnung des Hohlzylinders diffus austritt. Regelmäßig werden deshalb beide Lichtquellen in unmittelbarer Nähe zueinander angeordnet sein. Ist damit jedoch eine unerwünschte, lokal bedingte thermi- sehe Belastung verbunden, ist es ebenso möglich, beide Lichtquellen mit einem Abstand zueinander anzuordnen.
[0029] Sofern die zweite Lichtquelle unabhängig von der ersten zu betreiben ist, können Ausfallzeiten einer Lichtquelle kompensiert oder besondere Messanforderungen durch entsprechende Kombination beider Quellen erfüllt werden.
[0030] In vergleichbarer Weise ist auch der Lichtsensor des Lichtempfängers an die jeweilige Messaufgabe, das Substrat und den Eigenschaften des verwendeten Lichts anpassbar. In den entsprechenden Ausgestaltungen des Lichtempfän- gers können die bekannten Lichtsensoren eingesetzt werden, wie z.B. eine Fotodiode, ein Fotowiderstand oder auch der Eingang eines Lichtleiters analog der oben beschriebenen Verwendung als Lichtquelle, kombiniert mit einem Kollimator. Zur Vergrößerung des Messfleckes sind in einer weiteren Ausgestaltung auch mehrere, rasterartig in einer Fläche angeordnete Lichtsensoren verwendbar. Der Einsatz eines Lichtleiters als Lichtsensor gestattet es, den Detektor außerhalb der Messanordnung einzurichten und ihn so für die Bedienung einfach zugänglich zu machen oder ihn eventuell direkt mit der Auswertungseinheit zu koppeln. Eine solche Gestaltung ist z.B. für In-situ-Messungen der optischen Eigenschaften von abzuscheidenden Schichten in einer Beschichtungsanlage einsetzbar.
[0031] Sind der Lichtsender oder der Lichtempfänger weiterer Ausgestaltungen derart aufgebaut, dass die weiße innere Mantelfläche des Hohlzylinders durch einen in einen äußeren Hohlzylinder einschiebbaren inneren Hohlzylinder gebil- det wird, kann die Fertigung des Hohlzylinders mit dessen spezifischer innerer Oberfläche besonders kostengünstig und flexibel erfolgen. Diese Ausgestaltung gestattet es z.B. den äußeren Hohlzylinder aus einem stabilen, gut verfügbaren Material, z.B. Stahl oder Kunststoff herzustellen und nur für den inneren, ohne Spiel passend einzuschiebenden inneren Hohlzylinder das spezifische Material mit den erforderlichen optischen Eigenschaften, z.B. weißem Polytetrafluorethylen (PTFE) zu verwenden.
[0032] Die Modifikation von Lichtsender oder Lichtempfän- ger entsprechend der aktuellen Messaufgabe sind einfach möglich, wenn der innere Hohlzylinder in zwei oder gegebenenfalls auch mehr Hohlzylinderabschnitte unterteilt und zwischen zwei Hohlzylinderabschnitte eine Streuscheibe und/oder ein scheibenförmiger Filter einlegbar ist. Dazu entsprechen die Durchmesser der einzufügenden Scheiben dem Innendurchmesser des Außenzylinders und somit dem Außendurchmesser des Innenzylinders. Auf diese Weise sind die inneren Komponenten des Hohlzylinders, wie z.B. Streuscheiben und Filter baukastenartig variierbar, indem einzelne Hohlzylinderabschnitte und die Scheiben in der entsprechenden Reihenfolge in den äußeren Hohlzylinder eingeführt werden. Der Abstand zwischen den einzelnen Komponenten ist durch die Höhe einzelner oder mehrerer aneinander gefügter Hohlzylinderabschnitte her- stellbar.
[0033] Eine Messeinrichtung, die unter Verwendung der beschriebenen Lichtsender oder Lichtempfänger oder beider Vorrichtungen die optischen Eigenschaften von transparenten Substraten misst, ist im Wesentlichen so aufgebaut, wie es von der Verwendung einer Integrationskugel bekannt ist, wobei jedoch sowohl der beschriebene Lichtsender als auch der beschriebene Lichtempfänger mit einem Abstand zum Substrat angeordnet werden können, ohne das Messergebnis merkbar zu beeinflussen. Aufgrund dieser möglichen Anordnung von Licht- sender und Lichtempfänger ist mit der Messeinrichtung sowohl die Transmission als auch die Reflexion oder beides gleichzeitig zu messen.
[0034] Aufgrund der charakteristischen, keulenartigen Intensitätsverteilung des von dem oben beschriebenen Licht- sender auf den zu messenden Flächenabschnitt des Substrats treffenden Lichts kann der Lichtsender in einer Messeinrichtung zur Transmissionsmessung mit einem Winkel angeordnet sein, der nur ungefähr 0° beträgt. Der Winkel, mit dem der Lichtsender angeordnet ist, ist der Winkel zwischen der optischen Achse des Hohlzylinders und der Flächennormalen der dem Lichtsender zugewandten Oberfläche des Substrats und soll im Folgenden als Einfallswinkel bezeichnet werden. Als Flächennormale wird allgemein eine solche Gerade verstanden, die senkrecht zu allen Geraden der betrachteten Fläche steht.
[0035] Aufgrund der Entfernung des Lichtsenders vom Substrat ähnelt die Intensitätsverteilung des Lichts der Verteilung, die mit einer Integrationskugel erzielt wird, so dass dann, im Gegensatz zu den bekannten, kollimiertes Licht auf das Substrat richtenden Messeinrichtungen, die genaue Einstellung eines definierten Winkels nicht mehr erforderlich ist. Damit wird der Justieraufwand für die Position und insbesondere für den Winkel des Lichtsenders wesentlich verringert und so die Handhabbarkeit der Messeinrichtung vereinfacht .
[0036] So kann bei einer solchen Ausgestaltung des Lichtsenders, mit der eine breite Keulenform der Intensitätsver- teilung erzielbar ist, der Einfallswinkel im Bereich von 0° bis zu ±15° liegen. Besonders bevorzugt ist ein Einfallswinkel im Bereich von 0° bis +10°.
[0037] Die beschriebene Messeinrichtung und insbesondere der Abstand zwischen Lichtsender und Substrat sowie die Mög- lichkeit, den Lichtsender gegenüber der Flächennormalen der dem Lichtsender zugewandten Oberfläche des beleuchteten Substratabschnitts zu kippen, gestattet es auch, dass der Lichtsender mit solch einem Winkel angeordnet wird, dass ein weiterer Lichtempfänger im Strahlengang des vom Lichtsender ausgesendeten und vom Substrat reflektierten Lichts angeordnet ist. Damit ist in einer Messeinrichtung gleichzeitig die Transmissions- und die Reflexionsmessung möglich.
[0038] Die beschriebene Messeinrichtung gestattet auch auf einfache Weise die Realisierung von Standards für In- strumentgeometrien von optischen Messeinrichtungen, z.B. dem CIE-Standard. So beträgt der Ausfallswinkel entsprechend dem Standard CIE Diffuse/8°nahezu 8° bei diffuser Beleuchtung der Probe. Die Anwendung dieses Standards in der Messeinrichtung vermeidet die zuvor beschriebene Verfälschung der Messergebnisse und wird gleichzeitig der Keulenform der oben dargelegten Intensitätsverteilung des aus dem Lichtsender austretenden Lichts gerecht. [0039] Auch zur Reflexionsmessung kann in günstiger Weise die genormte Geometrie realisiert werden, wegen der oben angeführten Beschränkung des Einfallswinkels auf maximal ±15° ebenfalls CIE Diffuse/8°. Dazu ist sowohl der Lichtsen- der mit einem Einfallswinkel von nahezu 8° als auch der weitere Lichtempfänger mit diesem Winkel, jedoch gespiegelt an der Flächennormalen, im Folgenden als Reflexionswinkel bezeichnet, ausgerichtet, so dass der Empfänger in dem Strahlengang jenes vom Substrat reflektierten Lichts angeordnet ist.
[0040] Da alle hier beschriebenen Messungen auf dem Lam- bert-Beerschen Gesetz beruhen, d.h. auf der Quotientenbildung der Lichtintensität I des durch das Substrat hindurch tretenden oder vom Substrat reflektierten Lichts und der Intensität des einfallenden Lichts I0, erfolgt eine Verfälschung von Messergebnissen bei einer Ausrichtung eines Lichtempfängers senkrecht zur Substratoberfläche infolge jenes Anteils des Lichts, der nach Mehrfachreflexion zwischen der Substratoberfläche und der Grenzfläche des Licht- empfängers in den Empfänger trifft. Deshalb ist entsprechend einer Ausgestaltung der Messeinrichtung der Lichtempfänger in dem Strahlengang jenes das Substrat passierenden Lichts mit einem Winkel von größer 0° angeordnet, so dass nur der entsprechende Winkelanteil im Empfänger abgebildet wird. Dieser Winkel wird eingeschlossen von der Richtung des zu detektierenden Anteils des Lichts und der Flächennormale der dem Lichtempfänger zugewandten Oberfläche des Substrats. Dieser Winkel soll im Folgenden als Ausfallswinkel bezeichnet werden.
[0041] Zum besseren Verständnis wird nachfolgend die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispieles und einer Zeichnung näher erläutert. Dabei zeigt Fig. 1 eine Messeinrichtung zur Transmissionsmessung unter Verwendung eines Lichtsenders gemäß Anspruch 1,
Fig. 2 eine Messeinrichtung zur Transmissionsmessung un- ter Verwendung eines Lichtempfängers gemäß Anspruch 2,
Fig. 3 eine Messeinrichtung zur Transmissions- und Reflexionsmessung unter Verwendung eines erfindungsgemäßen Lichtsenders und Lichtempfängers und
Fig. 4 eine Messeinrichtung zur Reflexionsmessung unter Verwendung eines Lichtsenders gemäß Anspruch 1.
[0042] Die in Fig. 1 dargestellte Messeinrichtung umfasst einen Lichtsender 1 gemäß Anspruch 1, der mit seiner Lichtaustrittsöffnung 14 auf einen Lichtempfänger 2 gerichtet ist. Zwischen Lichtsender 1 und Lichtempfänger 2 befindet sich das zu messende Substrat 4, z.B. ein Glassubstrat mit Licht streuende Eigenschaften, das mit einem ersten Abstand ax zum Lichtsender 1 angeordnet ist und einem zweiten Abstand a2 zum Lichtempfänger 2. Im Ausführungsbeispiel ist der erste Abstand ai größer als der zweite Abstand a2, was aber nicht zwangsläufig der Fall sein muss. In einer nicht näher dargestellten Ausgestaltung der Messeinrichtung kann der Lichtsender 1 mit dem Ende des Hohlzylinders 10 direkt am Substrat 4 angeordnet werden, so dass Hohlzylinder 10 und Sub- strat 4 in Kontakt stehen.
[0043] Der verwendete Lichtsender 1 besteht aus einem äußeren Hohlzylinder 10, der an beiden Grundflächen mit jeweils einem scheibenförmigen Bauteil verschlossen ist. Die Länge des äußeren Hohlzylinders 10 beträgt mehr als das Dop- pelte seines Durchmessers. Die dem Substrat 4 zugewandte erste Grundfläche 12 des Hohlzylinders 10 ist durch eine Streuscheibe 18 verschlossen, im Ausführungsbeispiel als gleichmäßig sandgestrahlte Glasscheibe ausgeführt. Die Streuscheibe 18 ist in den äußeren Hohlzylinder 10 formschlüssig eingepasst. Die dem Substrat 4 zugewandte Oberfläche der Streuscheibe 18 ist mit einem Abstand as zum Ende des Hohlzylinders 10 angeordnet, der im Ausführungsbeispiel ungefähr der Dicke der Streuscheibe entspricht aber auch davon abweichen kann. Aufgrund dieses Abstandes as bestünde bei der oben beschriebenen Anordnung des Hohlzylinders 10 direkt am Substrat 4 ein Abstand as zwischen der Streuscheibe und dem Substrat 4.
[0044] Die zweite Grundfläche 16 des Hohlzylinders des Lichtsenders 1 wird durch eine Grundplatte 19, z.B. aus Kunststoff verschlossen. In die Grundplatte 19 sind zentral und mit einem Abstand zueinander zwei Lichtquellen 26, z.B. zwei Halogenlampen eingelassen, die in den Hohlzylinder strahlen und jeweils ein durch die Grundplatte 19 nach außen geführtes Kabel 27 aufweisen.
[0045] Parallel zur Grundplatte 19 und mit einem Abstand zu den Lichtquellen 26 ist ein scheibenförmiger Blaufilter 28 eingepasst. Der Blaufilter 28 gleicht das zu gelbem Licht verschobene Spektrum der Halogenlampen etwas aus und verändert es zu einer gleichmäßigeren, flacheren Verteilung über die vorhandene Bandbreite, so dass das Spektrum besser dem verwendeten Lichtempfänger 2 angepasst ist, um dessen gleichmäßigere Aussteuerung zu erzielen.
[0046] Die Innenwandung des Hohlzylinders des Lichtsenders 1 wird durch zwei innere Hohlzylinderabschnitte 20 gebildet, deren Außendurchmesser gleichermaßen nahezu dem Innendurchmesser des äußeren Hohlzylinders 10 entsprechen. Der erste innere Hohlzylinderabschnitt 20 ist zwischen der
Streuscheibe 18 und dem Blaufilter 28 eingefügt und definiert damit den Abstand zwischen beiden Komponenten. Er besteht aus weißem PTFE das den erforderlichen hohen Reflexi- onsgrad aufweist und die erforderliche Oberflächenrauhigkeit, um diffus gestreutes Licht zu erzeugen. Alternativ kann anstelle des inneren Hohlzylinders auch die innere O- berfläche 11 des äußeren Hohlzylinders 10 mit vergleichbaren optischen Eigenschaften hergestellt sein (Fig. 2), z.B. indem der der Hohlzylinder selbst aus diesem oder einem anderen geeigneten Material mit den genannten Eigenschaften hergestellt oder dessen Innenfläche entsprechend beschichtet ist. In diesem Fall entfallen ein innerer Hohlzylinder oder innere Hohlzylinderabschnitte 20 und für die Halterung von
Filtern und Streuscheiben sind geeignete, nicht näher dargestellte Haltemittel im Inneren des äußeren Hohlzylinders 10 vorgesehen.
[0047] Der zweite innere Hohlzylinderabschnitt 20 des beschriebenen Beispiels ist zwischen der Grundplatte 19, welche den äußeren Hohlzylinder 10 schließt, und dem Blaufilter 28 angeordnet. Die Länge des ersten Hohlzylinderab- schnittes 20 beträgt ein Vielfaches der Länge des zweiten Hohlzylinderabschnittes 20. Auch der zweite Hohlzylinderab- schnitt 20 besteht aus weißem PTFE, was bei einem möglichst großen Verhältnis der Länge des zweiten Hohlzylinderab- schnitts 20 zur Länge des ersten Hohlzylinderabschnitts 20 nicht zwangsläufig der Fall sein muss.
[0048] Der Lichtsender 1 ist so auf den Lichtempfänger 2 ausgerichtet, dass die Achse des äußeren Hohlzylinders 10, die mit den Achsen der beiden inneren Hohlzylinderabschnitte 20 zusammenfällt, ungefähr die gleiche Richtung aufweist, wie die Flächennormale des beleuchteten Abschnittes der Substratoberfläche. Eine genaue Ausrichtung auf die Richtung der Flächennormalen ist nicht erforderlich, so dass im Beispiel eine Abweichung verbleibt und einen Einfallswinkel WE von ungefähr 1 Grad bildet. [0049] Zur Beleuchtung des Substrats 4 wird eine der beiden Lichtquellen 26 betrieben. Das von der jeweils aktiven Lichtquelle 26 ausgestrahlte und durch den Blaufilter 28 tretende Licht weist bereits verschiedene Ausbreitungsrich- tungen auf und wird innerhalb des ersten Hohlzylinderab- schnittes 20 vielfach reflektiert, so dass das auf die Streuscheibe 18 treffende Licht bereits diffusen Charakter aufweist und eine gleichmäßige Ausleuchtung der Streuscheibe 18 gewährleistet. Bei dessen Durchgang durch die Streuschei- be 18 erfolgt eine weitere Streuung, was im Ergebnis auch zur einer gleichmäßigen Ausleuchtung der Fläche der Lichteintrittsöffnung 32 des Lichtempfängers 2, auch als Empfängerfläche bezeichnet, und zu der beschriebenen charakteristischen Intensitätsverteilung führt.
[0050] Zum Empfang des vom Lichtsender 1 ausgesandten Lichts weist der Lichtempfänger 2 als Lichtsensor 24 den Eingang eines Lichtleiters 36 mit einem Kollimator 34 auf. Auch der Lichtempfänger 2 besteht aus einem Hohlzylinder 10 dessen eine, dem Substrat 4 zugewandte Grundfläche die Lichteintrittsöffnung 32 darstellt. An diesem Ende und mit einem Abstand zum Ende ist im Hohlzylinder 10 ein Kollimator 34 eingefügt zur Änderung des Winkels des in die Lichteintrittsöffnung 32 einfallenden Lichts derart, dass er kleiner oder gleich dem Akzeptanzwinkel des Lichtleiters 36 ist, bei welchem die Weiterleitung des Lichts mittels Totalreflexion erfolgt. Es ist selbstverständlich, dass in Abhängigkeit von der Wellenlänge des Lichts oder von weiteren optischen Parametern der Messeinrichtung sowohl verschiedene Kollimatoren 34 als auch anders aufgebaute Lichtsensoren 24 einsetzbar sind. Z.B. sind als Kollimatoren 34 Linsen- oder Blendensysteme und als Lichtsensoren 24 solche auf der Basis von Fotodioden bekannt.
[0051] Der Lichtempfänger 2 ist mit einer nicht näher dargestellten Lichtdetektoreinheit verbunden, die einen Po- lychromator umfasst. Damit kann die Transmissionsmessung über das gesamte Wellenlängenspektrum ausgeführt werden, was die Messung der kontinuierlichen Veränderung der optischen Eigenschaften infolge der Änderung der Schichtdicke während des Abscheidens einer dünnen Schicht auf einem Trägersubstrat in einer Vakuumanlage ermöglicht. Alternativ kann die Lichtdetektoreinheit auch ein dispersives Element, insbesondere einen Monochromator umfassen, so dass spektralfotomet- rische Messungen möglich sind.
[0052] Bekanntermaßen gibt es nicht nur einen einzigen Transmissionswert zur Charakterisierung eines Materials, sondern eine Abhängigkeit nach der Winkelverteilung der einfallenden Intensität sowie nach dem Winkelbereich, in dem die das Substrat 4 passierende, ausfallende Strahlung gemes- sen wird. Aufgrund letztgenannter Abhängigkeit wird der
Lichtempfänger 2 mit einem definierten Austrittswinkel WA, im beschriebenen Beispiel mit einem Winkel von 8° entsprechend dem CIE Standards Diffuse/8 ° im Strahlengang des ausfallenden Lichts positioniert. Auch der Austrittswinkel wird zwi- sehen der optischen Achse 22, hier des Lichtempfängers 2, und der Flächennormalen 23 der Oberfläche des Substrats 4 gemessen. Als optische Achse 22 ist die Symmetrieachse des optischen Elements, hier des Hohlzylinders des Lichtsenders 1 oder des Lichtempfängers 2 zu verstehen. In der Regel sind die Flächennormalen 23 beider Oberflächen flacher Substrate 4 zueinander parallel. Da die Messung jedoch nicht auf Substrate 4 mit parallelen Oberflächen begrenzt sein soll, wird im Folgenden jede Winkelangabe auf die Flächennormale 23 der beleuchteten Oberfläche des Substrats 4 bezogen. Damit sind die Winkelangaben miteinander vergleichbar.
[0053] Die Ermittlung der Transmission eines Substrats 4 beruht auf der Quotientenbildung aus der Lichtintensität I des durch das Substrat 4 hindurch tretenden Lichts und der Intensität des einfallenden Lichts I0. Zur Ermittlung der Transmission eines Substrates wird der mit dem Substrat 4 ermittelte Messwert zu dem Messwert ins Verhältnis gesetzt, der bei gleicher Messanordnung ohne Substrat 4 ermittelt wurde, indem letzterer Wert als lOOige Transmission angenom- men wird. Um den Rauschpegel infolge von Restlicht oder anderer Beeinflussung des Lichtempfängers zu ermitteln und zu berücksichtigen, erfolgt eine weitere Messung ohne Substrat 4 und mit abgedecktem Lichtsender 1. Die Auswertung dieser Messwerte der Mess-, Referenz- und Dunkelphase zur Ableitung des winkelabhängigen Transmissionswertes erfolgt in einer geeigneten, nicht näher dargestellten Prozessoreinheit.
[0054] Fig. 2 zeigt eine erfindungsgemäße Messeinrichtung unter Verwendung eines Lichtempfängers 2 gemäß Anspruch 2. Eine Messeinrichtung, die einen solchen Lichtempfänger 2 umfasst, ist so zu modifizieren, dass ein Lichtsender 1 kol- limiertes Licht auf die Lichteintrittsöffnung 32 des Lichtempfängers 2 richtet und so ein vor der Lichteintrittsöffnung 32 positioniertes Substrat 4 beleuchtet. Der Lichtsender 1 besteht aus einem Hohlzylinder 10, der an der Grund- platte 19 in seiner ersten, dem Substrat 4 abgewandten
Grundfläche 12 den Ausgang eines Lichtleiters 36 als Lichtquelle 26 aufweist. Mittels des Kollimators 34, der am anderen Ende des Hohlzylinder 10 jedoch mit einem Abstand zum Ende angeordnet ist, wird Licht mit parallelem Strahlenver- lauf erzeugt und auf das Substrat 4 gerichtet. Anstelle eines solchen Lichtsenders 1 kann in einer weiteren Ausführungsform auch ein anders gestalteter, konventioneller Lichtsender 1 verwendet werden, der kollimiertes Licht auf das Substrat 4 abstrahlt.
[0055] Auch der Lichtsender 1 in Fig. 2 ist, wie zu Fig. 1 beschrieben, zur Flächennormalen 23 des Substrats 4 leicht geneigt, so dass der Einfallswinkel WE ca. 1° beträgt. Wie oben beschrieben beruht die Neigung des Lichtsenders 1 auf einer, im Vergleich zu den bekannten Messeinrichtungen, re- lativ großen Justierungstoleranz. Folglich können auch andere Neigungswinkel vorliegen oder der Einfallswinkel WE0° betragen kann.
[0056] Der Lichtempfänger 2 besteht aus einem Hohlzylin- der 10, dessen innere Oberfläche 11 weiß und somit diffus reflektierend ist. Die in Fig. 2 dargestellte Messeinrichtung dient der Messung von Substraten 4 mit Licht streuenden Eigenschaften, so dass das durch das Substrat 4 hindurch getretene Licht mit solch einer Streuung in die Lichtein- trittsöffnung 32 des Lichtempfängers 2 fällt, dass kein
Lichtstrahl direkt von der Lichtquelle 26 auf den Lichtsensor 24 fällt und eine diffuse Reflexion innerhalb des Hohl- zylinders 10 des Lichtempfängers 2 erfolgen kann. Ist diese Bedingung aufgrund der geringeren Streuwirkung des Substrats 4 nicht erfüllt, so kann der Lichtempfänger alternativ auch mit einer Streuscheibe 18 im Hohlzylinder 10 ergänzt werden. Ungeachtet von der Verwendung einer Streuscheibe 18 ist in Abhängigkeit von der Streuwirkung des Substrats 4 die Lichteintrittsöffnung 32 so zu dimensionieren und so nah am Sub- strat 4 zu positionieren, dass das gesamte, durch das Substrat 4 hindurch getretene Licht detektierbar ist. Die winklige Anordnung des Lichtempfängers 2 beträgt im dargestellten Ausführungsbeispiel zur Realisierung des CIE Standards Diffuse/8°ebenfalls 8°.
[0057] Das auf den Messfleck, in der dargestellten Ausführungsform der Eingang eines Lichtleiters 36, einfallende Licht wird wie oben beschrieben für die Auswertung zu einer nicht dargestellten Detektoreinheit weitergeleitet.
[0058] Fig. 3 stellt eine Messeinrichtung dar mit einem Lichtsender 1 und einem Lichtempfänger 2 für die Transmissionsmessung sowie einem weiteren Lichtempfänger 3 für die Reflexionsmessung. Zu diesem Zweck wurde der Abstand zwischen Lichtsender 1 und Substrat 4 so gewählt und der Licht- sender 1 mit solch einem Einfallswinkel WE angeordnet, dass es möglich ist, einen weiteren Lichtempfänger 3 im Strahlengang des vom Lichtsender 1 ausgesendeten und vom Substrat 4 unter dem Reflexionswinkel WR reflektierten Lichts anzuord- nen. Auch zur Reflexionsmessung kann in günstiger Weise die genormte Geometrie realisiert werden, wegen der oben angeführten Beschränkung des Einfallswinkels WE auf maximal ±15° ebenfalls CIE Diffuse/8 °. Dazu ist sowohl der Lichtsender 1 mit einem Einfallswinkel von nahezu 8° als auch der weitere Lichtempfänger 3 mit diesem Winkel (Reflexionswinkel WR) , jedoch gespiegelt an der Flächennormalen 23 ausgerichtet, so dass der weitere Lichtempfänger 3 in dem Strahlengang jenes vom Substrat 4 reflektierten Lichts angeordnet ist.
[0059] Auch wenn der Lichtsender 1 diffus gestreutes Licht aussendet, ist aufgrund der oben beschriebenen keulenartigen Intensitätsverteilung des abgestrahlten Lichts eine Reflexionsmessung möglich. Hierzu sind Lichtsender 1 und der weitere Lichtempfänger 3 mit einem Einfallswinkel WE, dessen Betrag auch hier wieder kleiner als 15° beträgt, und einem Reflexionswinkel WR auf das Substrat gerichtet, wobei beide Winkel nahezu übereinstimmen. Der weitere Lichtempfänger 3 umfasst im dargestellten Ausführungsbeispiel einen Hohlzy- linder mit dem Eingang eines Lichtleiters 36 als Lichtsensor 24. Der Lichtsensor 24 ist der Lichteintrittsöffnung 32 ge- genüber liegend in der Grundplatte 19 des Hohlzylinders 10 zentrisch angeordnet. An der Lichteintrittsöffnung 32 ist eine Streuplatte 18 in den Hohlzylinder 10 eingefügt, da für die Reflexionsmessung die streuenden Eigenschaften des Substrats 4 nicht wirken. Auf diese Weise kann auch für die Reflexion die oben beschriebene charakteristische Intensitätsverteilung im Lichtempfänger erzielt werden und eine Abbildung eines Lichtreflexes direkt auf dem Lichtsensor 24 vermieden werden. [0060] Die charakteristische Intensitätsverteilung des Lichts gestattet es, wie oben für die Transmissionsmessung dargelegt, auch in der Messeinrichtung zur Reflexionsmessung gemäß Fig. 4, dass Lichtaustrittswinkel WA und Reflexionswin- kel WR geringfügig, d.h. im Bereich von wenigen Grad voneinander abweichen können. Die Größe der möglichen Differenz zwischen beiden Winkeln ist auch hier von verschiedenen Parametern der Messung abhängig, z.B. geometrischen Parametern wie dem Durchmesser der Lichtaustrittsöffnung 14 und der Lichteintrittsöffnung 32, dem Abstand zwischen Lichtsender 1 oder Lichtempfänger 2 und Substrat 4 oder von der Wellenlänge und der Intensität des von der Lichtquelle 26 abgestrahlten Lichts, vom Reflexionsvermögen des Substrats 4 und weiteren Parametern.
[0061] An den Lichtsender 1 stehen keine anderen Anforderungen als die Aussendung kollimierten Lichts auf das Substrat 4. Dazu wird vergleichbar dem Lichtsender in Fig. 2 ein Hohlzylinder 10 mit einer einzelnen Lichtquelle 26, hier einer Halogenlampe, in seiner Grundplatte 19 und einem KoI- limator 34 in der Nähe der Lichtaustrittsöffnung 14 verwendet. Um das zu gelbem Licht verschobene Spektrum der Halogenlampe etwas auszugleichen ist in den Hohlzylinder 10, nahe der Lichtquelle 26 ein Blaufilter 28 eingefügt. Auch hier kann alternativ zu dem beschriebenen auch ein anderer geeigneter Lichtsender 1 verwendet werden, der die Anforderungen an das abzustrahlende Licht erfüllt.
[0062] Der Lichtempfänger 2 zur Transmissionsmessung entspricht in dieser Ausgestaltung der Messeinrichtung im Aufbau, Funktion und Anordnung dem Lichtempfänger in Fig. 1, so dass dazu auf die obigen Darlegungen verwiesen wird. Es ist lediglich beispielhaft eine Streuplatte 18 in den Hohlzylinder 10 des Lichtempfängers 2 eingefügt. [0063] Die Messeinrichtung einer weiteren Ausgestaltung (Fig. 4) dient nur der Messung der Reflexion des Substrats 4. Mittels eines Lichtsenders 1, der einen Hohlzylinder 10 mit diffus streuender innerer Oberfläche 11 und an der Lichtaustrittsöffnung 14 eine Streuplatte 18 aufweist, wird diffus gestreutes Licht auf ein Substrat 4 gerichtet. Spiegelbildlich zum Lichtsender 1 mit der Flächennormalen 23 des Substrats 4 als Spiegelachse ist ein Lichtempfänger 2 angeordnet, dessen grundlegender Aufbau des Lichtempfängers aus Fig. 1 entspricht. Das durch die Lichteintrittsöffnung 32 mit verschiedenartiger Ausbreitungsrichtung einfallende Licht wird durch einen Kollimator 34 parallel gerichtet und fällt auf den Lichtsensor 24, z.B. eine Fotodiode, die mit einem Kabel 27 mit einer nicht dargestellten Auswertungsein- heit verbunden ist. Der Lichtsensor 24 ist hier in der
Grundplatte 19 des Lichtempfängers und somit der Lichteintrittsöffnung 32 gegenüber liegend angeordnet.
[0064] In den beschriebenen Ausführungsformen der Messeinrichtungen wurden die erfindungsgemäßen Lichtsender und Lichtempfänger in verschiedenen Kombinationen mit konventionellen Lichtsendern und Lichtempfängern für verschiedene Anwendungsfälle beschrieben. Diese Ausführungsformen stellen lediglich mögliche Beispiele hinsichtlich der Gestaltung, der Kombination und der Verwendung und keinesfalls eine ab- schließende Aufzählung dar. Weitere sinnvolle und durch den Fachmann im Rahmen des Inhalts der Erfindung ausführbare Modifikationen sind selbstverständlich möglich und mit um- fasst . Lichtsender, Lichtempfänger und Messeinrichtung zur Messung optischer Eigenschaften transparenter Substrate
Bezugszeichenliste
1 Lichtsender
2 Lichtempfänger 3 weiterer Lichtempfänger
4 Substrat
10 äußerer Hohlzylinder
11 innere Oberfläche
12 erste Grundfläche 14 Lichtaustrittsöffnung
16 zweite Grundfläche
18 Streuscheibe
19 Grundplatte
20 innerer Hohlzylinderabschnitt 22 optische Achse des Lichtsenders oder Lichtempfängers
23 Flächennormale
24 Lichtsensor
26 Lichtquelle
27 Kabel 28 Filter, Blaufilter
32 Lichteintrittsöffnung
34 Kollimator
36 Lichtleiter ai erster Abstand a2 zweiter Abstand as Abstand der Streuscheibe zum Ende des Hohlzylinders
WE Einfallswinkel
WA Ausfallswinkel
WR Reflexionswinkel

Claims

Lichtsender, Lichtempfänger und Messeinrichtung zur Messung optischer Eigenschaften transparenter SubstratePatentansprüche
1. Lichtsender zur Messung optischer Eigenschaften transparenter Substrate (4) bestehend aus einem Hohlkörper mit einer hoch und diffus reflektierenden, im Folgenden als weiß bezeichneten inneren Oberfläche, einer im Inneren des Hohlkörpers angeordneten Lichtquelle (26) und einer zur Lichtquelle (26) beabstandeten Lichtaustrittsöffnung (14), dadurch gekennzeichnet, dass der Hohlkörper ein Hohlzylinder (10) ist, in dessen erster Grundfläche (12) die Lichtaustrittsöffnung (14) angeordnet ist und dass die Lichtquelle (26) mit solch einem Abstand zur Lichtaustrittsöffnung (14) und mit solch einer Ausbreitungsrichtung des Lichts angeordnet ist, dass das von der Lichtquelle (26) ausgesendete und im Hohlkörper mehrfach reflektierte Licht aus der Lichtaustrittsöffnung (14) als diffuses Licht austritt.
2. Lichtempfänger zur Messung optischer Eigenschaften transparenter Substrate (4) bestehend aus einem Hohlkörper mit einer hoch und diffus reflektierenden, im Folgenden als weiß bezeichneten inneren Oberfläche, einem im Inneren des Hohlkörpers angeordneten Lichtsensor (24) und einer zum Lichtsensor (24) beabstandeten Lichteintrittsöffnung (32), dadurch gekennzeichnet, dass der Hohlkörper ein Hohlzylinder (10) ist, in dessen erster Grundfläche (12) die Lichteintrittsöffnung (32) angeordnet ist und dass der Lichtsensor (24) mit solch einem Abstand zur Lichteintrittsöffnung (32) und mit solch einer Einfallsrichtung des Lichts angeordnet ist, dass das in die Lichteintrittsöffnung (32) eintretende und im Hohlkörper mehrfach reflektierte Licht auf den Lichtsensor (24) als diffuses Licht trifft.
3. Lichtsender oder Lichtempfänger nach Anspruch 1 bzw. 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtaustrittsöff- nung (14) bzw. die Lichteintrittsöffnung (32) mit einer transparenten, das Licht streuenden Platte, im Folgenden als Streuscheibe (18) bezeichnet, vollständig abgedeckt ist.
4. Lichtsender oder Lichtempfänger nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass im Hohlzylinder (10) parallel zur ersten Streuscheibe (18) und mit einem Abstand zu dieser eine zweite Streuscheibe (18) derart angeordnet ist, dass das durch die Lichtaustrittsöffnung (14) austretende bzw. durch die Lichteintrittsöffnung (32) ein- tretendes Licht auch die zweite Streuscheibe (18) passiert hat.
5. Lichtsender oder Lichtempfänger nach einem der Ansprüche
3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine Streuscheibe (18) ein holografischer Diffuser ist.
6. Lichtsender oder Lichtempfänger nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine Streuscheibe (18) eine gleichmäßig sandgestrahlte Glasoder KunststoffScheibe ist.
7. Lichtsender oder Lichtempfänger nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtaustrittsöffnung (14) bzw. die Lichteintrittsöffnung die Größe der ersten Grundfläche (12) der Innenfläche des Hohlzylinders (10) aufweist.
8. Lichtsender oder Lichtempfänger nach einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite
Streuscheibe (18) die Größe der ersten Grundfläche (12) der Innenfläche des Hohlzylinders (10) aufweist.
9. Lichtsender oder Lichtempfänger nach einem der Ansprüche
1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtquelle (26) bzw. der Lichtsensor (24) in der der ersten Grundfläche (12) gegenüberliegenden zweiten Grundfläche (16) angeordnet ist.
10. Lichtsender oder Lichtempfänger nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass im Hohlzylin- der (10) im Strahlengang des Lichts zumindest ein Filter (28) angeordnet ist.
11. Lichtsender oder Lichtempfänger nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass eine Lichtquelle (26) der Ausgang bzw. ein Lichtsensor (24) der Eingang eines Lichtleiters (36) ist.
12. Lichtsender oder Lichtempfänger nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die weiße innere Mantelfläche des Hohlzylinders (10) durch zumindest einen in einen äußeren Hohlzylinder einschiebbaren inneren Hohlzylinder gebildet wird.
13. Lichtsender oder Lichtempfänger nach Anspruch 12, da- durch gekennzeichnet, dass der innere Hohlzylinder durch zwei innere Hohlzylinderabschnitte (20) gebildet wird und zwischen zwei inneren Hohlzylinderabschnitte (20) eine Streuscheibe (18) und/oder ein scheibenförmiger Filter (28) einlegbar ist.
14. Lichtsender nach einem der Ansprüche 1 oder 3 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass im Hohlzylinder (10) eine zweite, unabhängig von der ersten betreibbare Lichtquelle (26) derart angeordnet ist, dass auch das von der zweiten Lichtquelle (26) ausgesendete Licht im Hohlzylin- der (10) mehrfach reflektiert wird und aus der Lichtaustrittsöffnung (14) als diffuses Licht austritt.
15. Lichtsender nach einem der Ansprüche 1 oder 3 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine Lichtquelle (26) monochromatisches Licht aussendet.
16. Lichtsender nach einem der Ansprüche 1 oder 3 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine Licht- quelle (26) polychromatisches Licht aussendet.
17. Lichtempfänger nach einem der Ansprüche 2 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Lichtsensor einen Eingang eines Lichtleiters mit einem Kollimator um- fasst .
18. Lichtempfänger nach einem der Ansprüche 2 bis 13 oder 17, dadurch gekennzeichnet, dass der Lichtsensor eine flächige Anordnung von mehreren Sensorelementen um- fasst .
19. Messeinrichtung zur Messung optischer Eigenschaften von transparenten Substraten (4) mit einem Lichtsender (1), der mit einem definierten Einfallswinkel (WE) zwischen seiner optischen Achse (22) und der Flächennormalen (23) der dem Lichtsender (1) zugewandten Oberfläche des Substrats (4) angeordnet ist und diffuses Licht zur Beleuch- tung des zu messenden Substrats (4) aussendet, und mit zumindest einem Lichtempfänger (2), der im Strahlengang des vom Lichtsender (1) ausgesendeten und das Substrat (4) passierenden oder vom Substrat reflektierten Lichts angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass ein Lichtsender (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 16 mit einem Abstand zum Substrat (4) angeordnet ist.
20. Messeinrichtung zur Messung optischer Eigenschaften von transparenten Substraten (4) mit einem Lichtsender (1), der mit einem definierten Einfallswinkel (WE) zwischen seiner optischen Achse (22) und der Flächennormalen (23) der dem Lichtsender (1) zugewandten Oberfläche des Substrats (4) angeordnet ist und diffuses Licht zur Beleuch- tung des zu messende Substrat (4) aussendet, und mit zumindest einem Lichtempfänger (2), der im Strahlengang des vom Lichtsender (1) ausgesendeten und das Substrat (4) passierenden oder vom Substrat reflektierten Lichts ange- ordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Lichtempfänger (1) nach einem der Ansprüche 2 bis 13 oder 17 oder 18 mit einem Abstand zum Substrat (4) angeordnet ist.
21. Messeinrichtung nach einem der Ansprüche 19 oder 20, dadurch gekennzeichnet, dass der Einfallswinkel (WE) im Bereich von 0° bis ±15° liegt.
22. Messeinrichtung nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, dass Einfallswinkel (WE) vorzugsweise im Bereich von 0° bis ±10° liegt.
23. Messeinrichtung nach einem der Ansprüche 19 bis 22, dadurch gekennzeichnet, dass der Ausfallswinkel (WA) zwischen der optischen Achse (22) eines der Transmissionsmessung dienenden Lichtempfängers (2) und der Flächennormalen (23) des Substrats (4) größer 0° ist.
24. Messeinrichtung nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, dass der Ausfallswinkel (WA) nahezu 8° beträgt.
25. Messeinrichtung nach einem der Ansprüche 19 bis 24, dadurch gekennzeichnet, dass der Einfallswinkel (WE) ungleich dem Ausfallswinkel (WA) ist.
26. Messeinrichtung nach einem der Ansprüche 19 bis 25, dadurch gekennzeichnet, dass der Einfallswinkel (WE) ungleich dem Reflexionswinkel (WR) zwischen der optischen Achse (22) eines der Reflexionsmessung dienenden Licht- empfängers (2, 3) und der Flächennormalen (23) des Substrats (4) ist.
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