WO2011029685A1 - Verfahren und vorrichtung zur messung von optischen kenngrössen transparenter, streuender messobjekte - Google Patents

Verfahren und vorrichtung zur messung von optischen kenngrössen transparenter, streuender messobjekte Download PDF

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Holger Proehl
Thomas Knoth
Tina Schoessler
Martin Dimer
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Von Ardenne Anlagentechnik Gmbh
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Definitions

  • the invention relates generally to a method for measuring optical characteristics of transparent, scattering
  • Coating system be provided with transparent layers.
  • the invention also relates to a device for carrying out the method.
  • optical characteristics that are obtained by reflection and / or transmission measurements, to
  • a measure of the scattering of a layer or any transparent measurement object is its turbidity, also referred to as large-angle scattering or HAZE. According to the international standard ASTM D 1003, this is the percentage of the total light passing through a test object, which undergoes a directional deviation of more than 2.5 ° in the test object, i. which is scattered out of the directional beam when passing through the measurement object. This scattered fraction can be determined by hiding the directional component of the transmitted light.
  • the light scattering can be next to one
  • Integrating sphere or integrating sphere denotes, arranged and illuminated unidirectionally from the Ulbrichtkugel opposite side.
  • a photodetector in the sphere and at defined angles with respect to the light entrance opening arranged so-called gloss or light traps to hide the directional component the different transmission values of the measurement object can be measured, on the one hand not or only at a small angle or the other by the measurement object in larger angle (here> 2.5 °) to take into account scattered light.
  • the first is the total transmission T tota i
  • the incident light can be determined on the basis of measurements without a measurement object, and the scattering effects of the sphere on T d i ffus can be taken into account.
  • ASTM D 1003 serves the
  • Integrating sphere as illumination source for illuminating the flat object to be measured directly and flat in front of the light exit opening of the sphere with diffuse light.
  • a photodetector arranged on the other side of the measuring object, the transmission values required for the above calculation are again to be measured.
  • Activation and deactivation of the light traps are to determine the different transmission values.
  • Measuring sequence it is not possible to make turbidity measurements in an inline coating system for quality assurance, in which, usually flat, substrates are coated continuously and in larger quantities.
  • the invention is therefore based on the object
  • Measuring device determine and so for the current
  • Control of the characteristic in an inline plant is usable.
  • a measuring method is specified in which two
  • Measuring channels can be measured by for both
  • Measurements can be used separate photodetectors. For each of the photodetectors, another portion of the light passing through the target is selected by modifying the diffused light source to hide the directional transmission in at least one direction, such that no light from the illumination source is directly incident on it Direction oriented photodetector drops. This ensures that only in this direction
  • Measurement object scattered light i. its diffuse
  • Photodetector which has a different orientation, a portion of the light is detected, which of the
  • Illumination source hits the photodetector through the test object (Ttotai) ⁇ From both values, the turbidity of the test object is determined as described above. Although light detection in the two measurement channels should be done in the same way or if this is not possible, systematic deviations in the measurement due to the optical elements and detectors used to
  • the orientation of the photodetectors and thus the definition of the selected radiation directions are made on the basis of the light exit opening of the illumination source and the measuring axis extending therethrough.
  • For the measurement can be different Spread angle can be measured, for example, the specified by the ASTM D 1003 angle of 8 °, so that the normalized
  • Measuring geometry d / 8 ° for the transmission measurement is realized.
  • Other, arbitrary angles of scattering or directional transmission can by appropriate
  • Detector assemblies can also be measured simultaneously.
  • the simultaneous measurement of the two transmission values T tota i and T d i ffus allow the measurement during a relative movement between the object to be measured and the measuring device.
  • the relative movement can be arbitrary by the measuring object alone, by the
  • Measuring device or both be realized together.
  • planar or band-shaped substrates on which transparent layers are to be applied in an inline coating system and which are continuous or else e.g. planar or band-shaped substrates on which transparent layers are to be applied in an inline coating system and which are continuous or else
  • the measuring device can be moved over the substrate to detect local dependencies, e.g. across to
  • Measurement object can be distributed, for example. along any measuring tracks running over the measuring object.
  • various devices can be used which emit diffused light and which allow the blanking in one direction. Diffused light with a relatively uniform distribution of light almost in the entire half-space is obtained by using a
  • Integrating sphere An integrating or integrating sphere is a hollow sphere with an inner surface with absolutely matt reflection properties. The light of a light source arranged in the interior of the sphere is diffusely reflected many times, so that each surface area of the inner area, as well as a light exit opening, is equally illuminated and its luminance is the total luminous flux is proportional. But they are equal as well
  • Hollow body with a highly reflective and diffusely diffusing, i. white inner surface are equipped and / or the light scattering lenses at the
  • Light share done by light traps in the hollow body do not have the highly reflective property and are realized by openings in the hollow body or black apertures.
  • the light traps can usually be activated and deactivated simply by closing or opening the openings or by positioning the shutters.
  • the measuring device and the measuring objects may be arranged a distance a between the measuring object and the illumination source. At a distance greater than zero, it should be understood that the illumination source is different than the ASTM D 1003 and above
  • the distance between the two should be kept as low as possible in order to minimize the influence of the measurement by the distance.
  • the distance is determined by the fact that an unhindered movement of both relative to each other is still possible without interference, without touching the illumination source and the measurement object.
  • Such a distance is to be set in particular when large-area substrates are to be measured, in which
  • Lighting source connected or aligned to a component. Consequently, these components and thereby in each case the two photodetectors of the measuring device are moved together, so that the internal geometry of the
  • Measuring device is not changed as a result of the movement.
  • various concepts are known to the person skilled in the art, depending on the shape and the size of the measurement object and on the type of movement.
  • a continuous i.
  • a finite distance a and in particular if it fluctuates as a result of the relative movement leads to an influencing of the measurement signal of a scattering measurement object, because a finite component with a large angle no longer hits the measurement object from the illumination source due to this distance.
  • an increased incidence of light into the sphere can be observed, which is the
  • Embodiment of the invention a reference measurement of this Proportion in the hollow body of the illumination source by means of a reference photo detector arranged there. This is arranged in the illumination source such that no light from the light source in the hollow body directly on the
  • Reference photodetector measured light intensity can be determined at any time caused by drift or aforementioned effects intensity change of the illumination source. The corruption can then be eliminated by suitable calibration procedures.
  • Calibration measurements can also be inline while running
  • Measuring process can be carried out by the measuring device is moved to a location where no measurement object is present, or in such an intermediate position, a measurement is triggered.
  • a measurement without a measuring object is suitable for at least partially detecting the effects described.
  • Adjustment options e.g. in an in-line system and due to inequalities in the beam path, the effects associated with the distance a are pronounced to different degrees for the two measuring channels of the first and the second photodetector.
  • a calibration measurement comprising at least three measurements is made.
  • Kalibrierflop initially takes a designated as dark measurement.
  • intensity measurements are carried out by means of a reference photodetector arranged in the illumination source as described above, hereinafter referred to as
  • Stray light coupling from the environment of the measuring arrangement are determined. By subtracting these sub-components from the follow-up measurements, a corresponding correction of the measurement results is achieved.
  • a so-called blank measurement without sample or on a non-scattering or low-scattering sample as described e.g. represents an uncoated plane-parallel glass substrate whose transmission behavior is known.
  • a non-scattering or low-scattering sample is assumed to have a turbidity of less than 0.5%, in which case the term of the sample has been chosen only to distinguish it from the measured object.
  • a sample is also a measurement object, but usually with known properties.
  • the blank measurement also takes place by means of the reference channel and the two transmission channels. From the measured values of the reference channel and the channel of the total transmission, a proportionality factor is determined, which is a prerequisite for the correct transmission measurement. From the
  • Photodetector which measures the diffuse transmission of the sample, as well as the second transmission channel, which measures the total transmission of the sample. It will be for both Transmission channels a proportionality factor determined as described above. This represents light components, which are due to the distance between the illumination source and the sample and thus by the absence of light with a large
  • a sample can be used whose transmission and scattering are in the range of the values to be expected for the measurement object. In this way, a good calibration can be achieved.
  • the underlying area is determined by simple test measurements or experiments. With this factor, a purely linear
  • Non-linearity of the measuring channels are eliminated.
  • collimated monochromatic light preferably laser light is used.
  • monochromatic or polychromatic light can be used for illumination.
  • Configuration of the measuring device with an integrating sphere or a comparable illumination source can be performed in addition.
  • Photodetectors arranged comparable measurement of the diffuse reflection component and the total reflection component measure.
  • Reflectance is to be understood as that proportion which, according to the total transmission, both the directed reflection and the diffuse reflection in the same
  • Direction comprises aligning the photodetector for this measurement in such a beam path, which differs from the diffuse reflecting surface, e.g. an inactive light trap falls on the measuring object.
  • the photodetector of the reflection measurement is also in the
  • the measurement of the sheet resistance is possible in parallel to the transmission measurement, wherein in the case of the movement between the measuring device and the object to be measured, a non-contact resistance measurement, e.g. can be done by means of a high frequency eddy current method.
  • a non-contact resistance measurement e.g. can be done by means of a high frequency eddy current method.
  • FIG. 1 shows a schematic structure of a measuring device for measuring total and diffuse transmission on a moving plate-shaped measuring object
  • FIG. 2A shows a schematic structure of a measuring device for measuring the diffuse and total transmission and the diffuse and directed reflection in the plan view
  • FIG. 2B shows a schematic structure of a measuring device according to Fig. 2A along the section line B-B
  • Fig. 2C is a schematic structure of a measuring device according to Fig. 2A along the section line C-C to
  • Fig. 3 is a schematic representation of a movable
  • the measuring device according to FIG. 1 comprises a
  • Illumination source 5 in the illustrated embodiment, an integrating sphere which is above a flat, plate-shaped and measured object 1, generally and so also referred to below as the substrate 1, is arranged.
  • the substrate 1 is transparent and has a transparent and scattering
  • a coating system (not shown) is moved.
  • a sequence of substrates continuously becomes one
  • the turbidity-coated substrate should be with the illustrated
  • Measuring device continuously and distributed on the substrate to be measured.
  • other transparent and scattering measurement objects can be measured.
  • the illumination source 5 has the substrate 1
  • the distance a is in the illustrated large-area substrates 1, as they are coated for photovoltaic, in the range between 1 and 10 mm. For other DUTs 1, other distances a may be required.
  • the illumination source 5 is one of the desired
  • Spectrum adapted light source 9 e.g. a halogen lamp, arranged.
  • the light from the light source 9 is reflected many times by the highly reflective and diffusely scattering inner surface 11, so that 7 diffused light from the light exit opening on the substrate 1 falls.
  • the light source 9 is through suitable apertures 10 so
  • Reference photosensor 13 also referred to as a reference channel 13 in the sense of a measuring channel, hits, which also in the
  • the illumination source 5 further comprises two
  • an active light trap 15 is a
  • an inactive light trap 16 represented by a white, bordered area.
  • Illumination source 5 two light traps 15, 16 on, one of which is active and one inactive. Other light traps 15, 16 or internals in the illumination source 5 are for
  • the two light traps 15, 16 in FIG. 1 are arranged symmetrically with respect to the optical axis 17 of the illumination source 5, which simultaneously forms the measuring axis in the exemplary embodiment.
  • the light traps 15, 16 are arranged such that a straight line through the center of the light exit opening 7 to the center of the respective light trap 15, 16 (by a
  • Standard measuring geometry d / 8 ° can be realized.
  • other angles can also be set as long as at least one such wide angle is realized for the measurement of the wide-angle scattering, which is necessary for the determination of the turbidity.
  • two photodetectors 21, 22 are arranged on this side of the substrate 1 opposite to the illumination source 5.
  • photodetectors 21, 22 all kinds of
  • Photoelectric components are used, which are designed for the spectrum used, such as various Photocells or phototransistors. To be favoured
  • Wavelength range of visible light are sensitive. Also, more complex optical systems, e.g. comprise a spectral resolution, are applicable as a photodetector.
  • collimating optics For example, collimating optics
  • Optical fiber, spectrometer or the like usable.
  • the two photodetectors 21, 22 are symmetrical to
  • Measuring axis 17 of the measuring system arranged such that each of them is aligned with another of the two light traps 15, 16. Since one of the light traps 15 is active, the diffuse transmission T d i ffus of the light emitted by the illumination source 5 and passing through the substrate 1 is measured by the photodetector 21, hereinafter referred to as first photodetector 21 or diffuse transmission channel 21.
  • Photodetector 22 also referred to as total transmission channel 22.
  • the total transmission channel 22 may also have a different orientation, in which case the
  • the turbidity of the coated substrate 1 is taken into account, taking into account in the
  • Illumination source 5 backscattered, distorting
  • Measuring point of the measuring object 1 is always the coincident with the measuring axis 17 point.
  • a measurement at substrate standstill is possible.
  • a measurement without measuring object 1 for calibration purposes can, for example, always take place in the exemplary embodiment if a gap in the sequence of substrates 1 is just below the light exit opening 7.
  • FIGS. 2A to 2C illustrate an alternative embodiment of the measuring device with which the proportion of the directed and the diffuse reflection of the measuring object can be measured at the same time.
  • an active light trap 15 is shown, which of course is active on the inner surface 11 of the illumination source 5 and is shown here only in its position.
  • the photodetectors for measuring the diffuse components of reflection and transmission are arranged, wherein only the third photodetector 23, as a diffuse reflection channel 23 is to be seen, since the first photodetector 21, ie the diffuse transmission channel 21 below the
  • Illumination source 5 is located and therefore not visible in Fig. 2A.
  • an inactive light trap 16 is shown schematically on the outer surface of the illumination source 5.
  • Illumination source 5 Illumination source 5
  • the fourth photodetector 24 is arranged. The latter measures the directional reflection of the proportion of light falling on the substrate from the inactive light trap 16 and will therefore also be referred to below as directed reflection channel 24.
  • Both reflection channels 23, 24 are in each case symmetrical with respect to the corresponding light trap 15, 16, relative to the measuring axis 17 of the measuring device, which centrally through the light exit opening 7 of the illumination source 5
  • the measuring axis 17 is perpendicular to the plane of the drawing in FIG. 2A and is therefore shown only as a cross.
  • the measuring plane of the diffuse reflection and
  • FIG. 2A Transmission measurement, according to FIG. 2A the plane along the section line B-B, is shown in FIG. 2B.
  • the beam path through the substrate 1 to the diffuse transmission channel 21 and reflected on the substrate 1 to the diffuse reflection channel 23 can be followed by means of the dashed line. Due to the position of the active light trap 15, the standard measuring geometry d / 8 ° is also realized here again.
  • the light source 9 is here in turn mounted by aperture 10 such that no direct light through the
  • FIG. 2C illustrates the same measuring device as FIG. 2A and FIG. 2B, but in the sectional plane CC of FIG. 2A.
  • This cutting plane corresponds to the plane for measuring the total transmission and directed reflection.
  • the total transmission channel 22 is arranged below the substrate 1 and the directed reflection channel 24 in the integrating sphere of the illumination source 5.
  • the light trap 16 as a starting point for the light component detected in these two channels is inactive for this purpose. in the For the rest, reference is made to the comments on FIGS. 1, 2A and 2B.
  • Fig. 3 is an arrangement of the illumination source 5, optionally also with the reflection channels 23, 24, and the transmission channels 21, 22 on trusses 25, the positioning of the illumination source 5 and
  • the illumination source 5 and the transmission channels serve.
  • Illumination source 5 with the associated slide 27 and also the transmission channels 21, 22, with their associated slide 27 are shown in Fig. 2 for the sake of clarity as a compact component.
  • Carriage directions 28 show the associated ones
  • Slide movement directions 28 are, allow different relative movements and consequent measuring point distributions on the substrate 1 to. If the substrate 1 stops and only the carriages 27 are moved, measuring points can be set distributed over the width of the substrate. Are the

Abstract

Die Erfindung betrifft die Messung verschiedener Transmissions- und Reflexionswerte von transparenten Messobjekten (1), die in einer Inline-Beschichtungsanlage mit transparenten Schichten versehen werden, und eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens. Ihr liegt die Aufgabe zugrunde, ein solches Verfahren und dazu verwendbare Vorrichtung anzugeben, mit denen die gewünschten Kenngrößen und insbesondere die Trübung des Messobjekts (1) inline, d.h. auch während einer Relativbewegung zwischen Messobjekt (1) und Messvorrichtung, zu ermitteln und so für die laufende Kontrolle der Kenngröße in einer Inline-Anlage verwendbar sind. Zur Lösung der Aufgabe werden mittels zweier Fotodetektoren (21, 22) Transmissionsanteile in zwei verschiedenen Strahlungsrichtungen einer diffuses Licht aussendenden Beleuchtungsquelle (5) gemessen, von denen in einer Richtung der Anteil des diffusen Lichts der Beleuchtungsquelle (5) unterdrückt wird.

Description

Verfahren und Vorrichtung zur Messung von
optischen Kenngrößen transparenter, streuender Messobjekte
Die Erfindung betrifft allgemein ein Verfahren zur Messung von optischen Kenngrößen transparenter, streuender
Messobjekte und eine Vorrichtung zur Durchführung des
Verfahrens. Sie betrifft insbesondere die Messung
verschiedener Transmissions- und Reflexionswerte platten- oder bandförmiger Substrate, die in einer Inline-
Beschichtungsanlage mit transparenten Schichten versehen werden. Die Erfindung betrifft ebenso eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.
Häufig werden optische Kenngrößen, die durch Reflexions- und/oder Transmissionsmessungen gewonnen werden, zur
Charakterisierung von transparenten Substraten mit oder ohne Beschichtung und ebenso zur Qualitätssicherung in der
Herstellung von Schichten und Schichtsystemen verwendet. Anhand dieser Kenngrößen lassen sich direkte Schlüsse auf Eigenschaften der beschichteten Substrate ziehen, die für deren jeweiligen Verwendungszweck von Interesse sind.
Lediglich beispielhaft seien hier die Transmissions-,
Reflexions-, Absorptions- und Emissionseigenschaften, die Farbwerte, die Schichtdicke und deren Homogenität genannt. Für elektrisch leitfähige Schichten, die z.B. in der
Photovoltaik als Flächenkontakte auf einem Substrat
aufgebracht werden, ist z.B. der Schichtwiderstand zu überwachen. Ist dieser Flächenkontakt auf der
Lichteinfallseite des Schichtstapels einer Solarzelle angeordnet, sind auch die transparenten Eigenschaften von Bedeutung. Denn bekanntermaßen ist einerseits ein hoher Lichteinfall zu ermöglichen, andererseits ist ein gewisses Maß an Lichtstreuung in der Schicht günstig, um die
Lichteinkopplung in den absorbierenden Halbleiter zu verbessern .
Ein Maß für die Streuung einer Schicht oder eines beliebigen transparenten Messobjektes ist dessen Trübung, auch als Großwinkelstreuung oder HAZE bezeichnet. Dabei handelt es sich gemäß der internationalen Norm ASTM D 1003 um den prozentualen Anteil des gesamten durch ein Messobjekt gehenden Lichts, der im Messobjekt eine Richtungsablenkung um mehr als 2,5° erfährt, d.h. der beim Durchgang durch das Messobjekt aus dem gerichteten Strahl heraus gestreut wird. Dieser gestreute Anteil kann ermittelt werden, indem der gerichtete Anteil des transmittierten Lichts ausgeblendet wird. Die Lichtstreuung kann neben einer
Oberflächenrauhigkeit des Messobjekts auch durch
Materialinhomogenitäten, statistisch eingelagerte Partikel oder anderes bedingt sein, die zu der im Wesentlichen statistischen Ablenkung des Lichts um verschiedene Winkel führen .
In der ASTM D 1003 werden zwei grundsätzliche Methoden zur Ermittlung der Trübung von transparenten, planen
Messobjekten beschrieben. Bei einem so genannten HAZE-Meter wird ein Messobjekt direkt und flach vor der
Lichteintrittsöffnung einer Fotometerkugel, auch als
Ulbrichtkugel oder Integrationskugel bezeichnet, angeordnet und unidirektional von der der Ulbrichtkugel gegenüber liegenden Seite her beleuchtet. Mittels eines Fotodetektors in der Kugel sowie in definierten Winkeln gegenüber der Lichteintrittsöffnung angeordneten so genannten Glanz- oder Lichtfallen zur Ausblendung des gerichteten Anteils können die verschiedenen Transmissionswerte des Messobjekts gemessen werden, die zum einen nicht oder nur im kleinen Winkel oder zum anderen durch das Messobjekt in größerem Winkel (hier > 2,5°) gestreutes Licht berücksichtigen.
Erstes ist die Totaltransmission Ttotai , Zweites die diffuse Transmission Tdiffus . Aus beiden Werten wird bis auf kleinere Korrekturen die Trübung durch Verhältnisbildung bestimmt: HAZE = -^xl00 % .
T
Gemäß der genannten Vorschrift können anhand von Messungen ohne Messobjekt das einfallende Licht ermittelt und die Streueffekte der Kugel auf Tdiffus berücksichtigt werden. In einer zweiten Methode der ASTM D 1003 dient die
Ulbrichtkugel als Beleuchtungsquelle zur Beleuchtung des direkt und flach vor der Lichtaustrittsöffnung der Kugel angeordneten planen Messobjekts mit diffusem Licht. Mittels eines auf der anderen Seite des Messobjekts angeordneten Fotodetektors sind wiederum die für die obige Berechnung erforderlichen Transmissionswerte zu messen. Durch
Aktivierung und Desaktivierung der Lichtfallen sind die verschiedenen Transmissionswerte zu ermitteln.
Während die DE 196 28 250 AI die Beleuchtung mittels unidirektionalem Licht für die Messung der
Großwinkelstreuung verwendet, beschreibt die DE 195 28 855 AI die spektrale Transmissionsmessung unter Verwendung einer diffusen Beleuchtung des Messobjekts. Mit beiden
beschriebenen Verfahren sind wie auch bei der Messvorschrift der ASTM D 1003 zwei nacheinander durchzuführende Messungen erforderlich, um die Trübung des transparenten Messobjektes zu bestimmen, eine zur Ermittlung der totalen und eine zur Ermittlung der diffusen Transmission. Infolge dieser
Messabfolge ist es jedoch nicht möglich Trübungsmessungen in einer Inline-Beschichtungsanlage zur Qualitätssicherung vorzunehmen, in der, meist plane, Substrate kontinuierlich und in größeren Mengen beschichtet werden.
Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, ein
Verfahren zur Messung optischer Kenngrößen transparenter Messobjekte und eine Vorrichtung zur Transmissionsmessung anzugeben, mit denen die gewünschten Kenngrößen und
insbesondere die Trübung des Messobjekts inline, d.h. auch während einer Relativbewegung zwischen Messobjekt und
Messvorrichtung, zu ermitteln und so für die laufende
Kontrolle der Kenngröße in einer Inline-Anlage verwendbar ist . Es wird ein Messverfahren angegeben, bei dem zwei
unterschiedliche Transmissionswerte, die totale und die diffuse Transmission, gleichzeitig mit zwei separaten
Messkanälen gemessen werden können, indem für beide
Messungen separate Fotodetektoren verwendet werden. Für jeden der Fotodetektoren wird ein anderer Anteil des durch das Messobjekt hindurch tretenden Lichts selektiert, indem die diffuses Licht ausstrahlende Beleuchtungsquelle derart modifiziert wird, dass in zumindest einer Richtung die gerichtete Transmission ausgeblendet wird, so dass kein Licht von der Beleuchtungsquelle direkt auf den in dieser Richtung ausgerichteten Fotodetektor fällt. Damit ist gewährleistet, dass in dieser Richtung nur von dem
Messobjekt gestreutes Licht, d.h. dessen diffuse
Transmission Tdiffus detektiert wird. Mit dem zweiten
Fotodetektor, der eine andere Ausrichtung aufweist, wird ein Anteil des Lichts detektiert, welches von der
Beleuchtungsquelle durch das Messobjekt auf den Fotodetektor trifft (Ttotai) · Aus beiden Werten ist wie oben beschrieben die Trübung des Messobjekts zu ermitteln. Obwohl die Lichtdetektion in den beiden Messkanälen auf gleiche Weise erfolgen sollte oder sofern dies nicht möglich ist, sind systematische Abweichungen in der Messung aufgrund der verwendeten optischen Elemente und Detektoren zu
beachten. Diese können durch eine geeignete Kalibrierung ermittelt und/oder eleminiert werden.
Die Ausrichtung der Fotodetektoren und damit die Festlegung der ausgewählten Strahlungsrichtungen erfolgen anhand der Lichtaustrittsöffnung der Beleuchtungsquelle und der dadurch verlaufenden Messachse. Für die Messung können verschiedene Streuwinkel gemessen werden, z.B. die von der ASTM D 1003 festgelegte Winkel von 8°, so dass die normierte
Messgeometrie d/8° für die Transmissionsmessung realisiert wird. Auch andere, beliebige Winkel der Streuung oder gerichteten Transmission können durch entsprechende
Detektoranordnungen auch simultan gemessen werden.
Die gleichzeitige Messung der beiden Transmissionswerte Ttotai und Tdiffus gestatten die Messung während einer Relativbewegung zwischen Messobjekt und Messeinrichtung. Die Relativbewegung kann beliebig durch das Messobjekt allein, durch die
Messeinrichtung oder beide gemeinsam realisiert sein. Mit dem unten beschriebenen Messverfahren können z.B. flächige oder bandförmige Substrate, auf denen in einer Inline- Beschichtungsanlage transparente Schichten aufgebracht werden sollen und die dazu kontinuierlich oder auch
diskontinuierlich durch die Anlage transportiert werden, fortlaufend überwacht werden. Anstelle dessen oder
gleichzeitig kann die Messeinrichtung über das Substrat bewegt werden, um lokale Abhängigkeiten z.B. quer zum
Substrattransport zu ermitteln. Auf diese Weise können
Messpunkte in-situ, inline und kontinuierlich auf dem
Messobjekt verteilt gesetzt werden, z.B. entlang beliebiger über das Messobjekt verlaufender Messspuren.
Als Beleuchtungsquelle können verschiedene Vorrichtungen verwendet werden, die diffuses Licht aussenden und die die Ausblendung in einer Richtung ermöglichen. Diffuses Licht mit einer relativ gleichmäßigen Verteilung des Lichts nahezu im gesamten Halbraum erhält man durch Verwendung einer
Ulbrichtkugel. 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 reflektiert, so dass jedes Flächenstück der Innenfläche, so auch eine Lichtaustrittsöffnung, gleich stark beleuchtet wird und dessen Leuchtdichte dem Gesamtlichtstrom proportional ist. Gleichermaßen sind aber auch
Beleuchtungsquellen verwendbar, die vergleichbar als
Hohlkörper mit einer hoch reflektierenden und diffus streuenden, d.h. weißen inneren Oberfläche ausgestattet sind und/oder die zur Lichtstreuung Streuscheiben an der
Lichtaustrittsöffnung aufweisen.
Bei Verwendung einer Ulbrichtkugel oder eines vergleichbaren Hohlkörpers kann die Ausblendung eines gerichteten
Lichtanteils durch Lichtfallen im Hohlkörper erfolgen. Diese Lichtfallen weisen nicht die hoch reflektierende Eigenschaft auf und sind durch Öffnungen im Hohlköper oder schwarze Blenden realisiert. Die Lichtfallen können durch Schließen oder Öffnen der Öffnungen bzw. durch Positionierung der Blenden zumeist einfach aktiviert und deaktiviert werden. Zur Unterstützung der möglichen Relativbewegung zwischen
Messeinrichtung und Messobjekte kann in einer Ausgestaltung des Verfahrens und der dazu verwendeten Vorrichtung ein Abstand a zwischen dem Messobjekt und der Beleuchtungsquelle angeordnet sein. Unter einem Abstand, der größer Null sein soll, ist zu verstehen, dass die Beleuchtungsquelle, anders als in der Messvorschrift ASTM D 1003 und im oben
beschriebenen Stand der Technik, nicht direkt am Messobjekt anliegen soll.
Der Abstand zwischen beiden sollte dabei so gering wie möglich gehalten sein, um die Beeinflussung der Messung durch den Abstand zu minimieren. Somit bestimmt sich der Abstand dadurch, dass eine ungehinderte Bewegung beider relativ zueinander gerade noch ungehindert möglich ist, ohne dass sich Beleuchtungsquelle und Messobjekt berühren. Ein solcher Abstand ist insbesondere dann einzustellen, wenn großflächige Substrate Messobjekt sind, bei denen mit
Verwerfungen, Verbiegungen durch beabstandete Auflagen oder Schwankungen in der Dicke eines oder mehrerer aufeinander folgender Substrate zu rechnen ist. Diese Schwankungen in der Höhe bestimmen den Abstand a.
Eine Relativbewegung zwischen der Beleuchtungsquelle und dem Messobjekt schließt selbstverständlich die Bewegung der Fotodetektoren und aller weiteren, mit der
Beleuchtungsquelle verbundenen oder zu dieser ausgerichteten Komponenten ein. Folglich werden diese Komponenten und dabei in jedem Fall die beiden Fotodetektoren der Messeinrichtung gemeinsam bewegt, so dass die innere Geometrie der
Messeinrichtung infolge der Bewegung nicht verändert wird. Für die Realisierung dieser gemeinsamen Bewegung sind dem Fachmann in Abhängigkeit von der Gestalt und der Größe des Messobjekts und von Art der Bewegung verschiedene Konzepte bekannt. So kann mittels einer kontinuierlichen, d.h.
ununterbrochenen Relativbewegung ein Scannen des Messobjekts erfolgen, wobei Messobjekt und Messeinrichtung voneinander losgelöste, auch ungleichförmige Bewegungsabläufe
durchlaufen können, um die gewünschte Fläche oder Spur auf dem Messobjekt zu vermessen.
Ein endlicher Abstand a und insbesondere wenn dieser infolge der Relativbewegung schwankt führt zu einer Beeinflussung des Messsignals eines streuenden Messobjekts, denn ein endlicher Anteil mit großem Winkel trifft infolge dieses Abstandes nicht mehr von der Beleuchtungsquelle auf das Messobjekt. Zudem ist bei der Verwendung einer Ulbrichtkugel oder einer vergleichbaren Beleuchtungsquelle ein erhöhter Lichteinfall in die Kugel zu verzeichnen, der die
Charakteristika der Beleuchtungsquelle verfälscht. Diese Effekte verstärken sich mit zunehmender Streuung und
zunehmender Reflexion des Messobjekts und verfälschen beide gemessenen Transmissionswerte.
Um den Einfluss dieser Effekte auf die Messungen zu kennen und gegebenenfalls zu berücksichtigen erfolgt in einer
Ausgestaltung der Erfindung eine Referenzmessung dieses Anteils in dem Hohlkörper der Beleuchtungsquelle mittels eines dort angeordneten Referenzfotodetektors. Dieser ist derart in der Beleuchtungsquelle angeordnet, dass kein Licht von der Lichtquelle im Hohlkörper direkt auf den
Fotodetektor fällt. Aus der mittels des
Referenzfotodetektors gemessenen Lichtintensität lässt sich zu jeder Zeit die durch Driften oder zuvor genannte Effekte hervorgerufene Intensitätsänderung der Beleuchtungsquelle ermitteln. Die Verfälschung kann daraufhin durch geeignete Kalibrierverfahren eliminiert werden. Solche
Kalibriermessungen können auch inline im laufenden
Messprozess vorgenommen werden, indem die Messeinrichtung an einen Ort gefahren wird, an dem kein Messobjekt vorhanden ist, oder in solch einer Zwischenstellung eine Messung ausgelöst wird. Eine solche Messung ohne Messobjekt ist geeignet, die beschriebenen Effekte zumindest teilweise zu erfassen .
Darüber hinaus können aufgrund beschränkter
Justagemöglichkeiten z.B. in einer Inline-Anlage und durch Ungleichheiten im Strahlengang, die mit dem Abstand a verbundenen Effekte für die beiden Messkanäle des ersten und des zweiten Fotodetektors unterschiedlich stark ausgeprägt sein .
Aus diesem Grund wird entsprechend einer Ausgestaltung des Messverfahrens eine zumindest drei Messungen umfassende Kalibriermessung vorgenommen. Im Rahmen dieser
Kalibriermessung erfolgt zunächst eine als Dunkelmessung bezeichnete Messung. Dabei erfolgen Intensitätsmessungen mittels eines wie oben beschrieben in der Beleuchtungsquelle angeordneten Referenzfotodetektors, nachfolgend als
Referenzkanal bezeichnet, und mittels des ersten und des zweiten Fotodetektors, beide nachfolgend als diffuse und totale Transmissionskanäle bezeichnet, bei ausgeschalteter Beleuchtungsquelle. Diese Messergebnisse liefern einen
Untergrundanteil des Referenzkanals und einen Untergrundanteil der Transmissionskanäle, die durch das Dunkelrauschen der Fotodetektoren aber auch durch
Streulichteinkopplung aus der Umgebung der Messanordnung bestimmt sind. Mithilfe Subtraktion dieser Untergrundanteile von den Folgemessungen wird eine entsprechende Korrektur der Messergebnisse erzielt.
Nachfolgend erfolgt eine so genannte Leermessung ohne Probe bzw. an einer nicht oder gering streuenden Probe, wie sie z.B. eine unbeschichtetes planparalleles Glassubstrat darstellt, deren Transmissionsverhalten bekannt ist.
Allgemein wird eine nicht oder gering streuende Probe bei einer Trübung von kleiner 0,5 % angenommen, wobei hier der Begriff der Probe lediglich zur Unterscheidung gegenüber dem Messobjekt gewählt wurde. Grundsätzlich ist auch eine Probe ein Messobjekt, meist jedoch mit bekannten Eigenschaften.
Die Leermessung erfolgt ebenfalls mittels des Referenzkanals und der beiden Transmissionskanäle. Aus den Messwerten von Referenzkanal und dem Kanal der totalen Transmission wird ein Proportionalitätsfaktor ermittelt, welcher Voraussetzung für die korrekte Transmissionsmessung ist. Aus den
Messwerten von Referenzkanal und dem Kanal der diffusen Transmission wird eine Kalibriermessung realisiert, die die von der Messapparatur selbst in den diffusen
Transmissionskanal gestreuten Lichtanteils erfasst. Mithilfe dieser letztgenannten Kalibriermessung ist die diffuse
Transmissionsmessung in Abhängigkeit von der Transparenz der Probe zu korrigieren.
Danach erfolgt eine so genannte Streumessung an einer streuenden Probe mit bekannter Transmission und Streuung. Diese Streumessung erfolgt ebenfalls mittels des
Referenzkanals und des Transmissionskanals des ersten
Fotodetektors, welcher die diffuse Transmission der Probe misst, sowie des zweiten Transmissionskanals, der die totale Transmission der Probe misst. Es wird für beide Transmissionskanäle ein Proportionalitätsfaktor wie oben beschrieben ermittelt. Dieser stellt Lichtanteile dar, die durch den Abstand zwischen der Beleuchtungsquelle und der Probe und damit durch das Fehlen von Licht mit großem
Einfallswinkel bedingt sind.
Für die Streumessung kann eine Probe verwendet werden, deren Transmission und Streuung im Bereich der für das Messobjekt zu erwartenden Werte liegt. Auf diese Weise kann eine gute Kalibrierung erzielt werden. Der jeweils zugrunde zu legende Bereich ist durch einfache Probemessungen oder Versuche zu bestimmen. Mit diesem Faktor wird eine rein lineare
Kalibriermessung der Messkanäle möglich.
Ergänzend kann durch eine vierte Messung an einer weiteren bekannten, streuenden Probe mit von der vorgenannten Probe abweichenden Transmissions- und Streueigenschaften die
Nichtlinearität der Messkanäle eliminiert werden.
Mittels der beschriebenen Messvorrichtung lassen sich in weiteren Ausgestaltungen des Verfahrens weitere optische Kennwerte des Messobjekts ermitteln, die auf der
Transmissionsmessung beruhen. So können Farbwerte bestimmt werden oder die Messungen können durch entsprechende
Ausrichtung der Fotodetektoren, alternativ auch durch ergänzende Fotodetektoren winkelabhängig vorgenommen werden, wobei für mehrfache, simultane Streuwinkelmessungen
kollimiertes monochromatisches Licht, vorzugsweise Laser- Licht verwendet wird. Allgemein kann zur Beleuchtung sowohl monochromatisches oder polychromatisches Licht verwendet werden .
Auch Reflexionsmessungen können bei entsprechender
Ausgestaltung der Messvorrichtung mit einer Ulbrichtkugel oder einer vergleichbaren Beleuchtungsquelle ergänzend durchgeführt werden. Bei dieser Aufgabenstellung werden im Strahlengang des vom Messobjekt reflektierten Lichts Fotodetektoren angeordnet, die vergleichbar der Transmissionsmessung den diffusen Reflexionsanteil und den totalen Reflexionsanteil messen. Als totaler
Reflexionsanteil ist dabei jener Anteil zu verstehen, der entsprechend der totalen Transmission sowohl die gerichtete Reflexion als auch die diffuse Reflexion in gleicher
Richtung umfasst, indem der Fotodetektor für diese Messung in einem solchen Strahlengang ausgerichtet wird, der von der diffus reflektierenden Oberfläche, z.B. einer inaktiven Lichtfalle auf das Messobjekt fällt.
Da das auf das Messobjekt einfallende Licht von einem Punkt der inneren Oberfläche der Beleuchtungsquelle stammt, ist auch der Fotodetektor der Reflexionsmessung in der
Oberfläche zu integrieren. Sofern die totale und die diffuse Messung in einer Messanordnung gemessen werden, sind deren beiden Fotodetektoren in zwei verschiedenen Messebenen realisiert, die z.B. rechtwinklig zueinander stehen können. Bezüglich der Messanordnung wird auf die Darlegungen der Ausführungsbeispiele verwiesen. Vergleichbar der oben beschriebenen Kalibrierung für die Transmissionsmessung sind auch für die Reflexionsmessung Untergrundanteile zu ermitteln und zu berücksichtigen um bereinigte Reflexionswerte zu erhalten.
Darüber hinaus ist parallel zur Transmissionsmessung auch die Messung des Schichtwiderstandes möglich, wobei für den Fall der Bewegung zwischen Messvorrichtung und Messobjekt eine berührungslose Widerstandsmessung z.B. mittels eines Hochfrequenz-Wirbelstromverfahrens erfolgen kann. Durch eine Kombination der Messköpfe für die Transmissionsmessung und für die Widerstandsmessung können die optischen Kennwerte und der Schichtwiderstand am gleichen Ort des Messobjekts überwacht werden.
Die Erfindung soll nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispieles näher erläutert werden. In der
zugehörigen Zeichnung zeigt
Fig. 1 einen schematischen Aufbau einer Messeinrichtung zur Messung von totaler und diffuser Transmission an einem bewegten plattenförmigen Messobjekt,
Fig. 2A einen schematischen Aufbau einer Messeinrichtung zur Messung der diffusen und totalen Transmission sowie der diffusen und gerichteten Reflexion in der Draufsicht, Fig. 2B einen schematischen Aufbau einer Messeinrichtung nach Fig. 2A entlang der Schnittlinie B-B zur
Messung von diffusem Anteil von Transmission und Reflexion,
Fig. 2C einen schematischen Aufbau einer Messeinrichtung nach Fig. 2A entlang der Schnittlinie C-C zur
Messung der Anteile der totalen Transmission und gerichteten Reflexion, und
Fig. 3 eine schematische Darstellung einer beweglichen
Messeinrichtung gemäß Fig. 1. Die Messeinrichtung gemäß Fig. 1 umfasst eine
Beleuchtungsquelle 5, im dargestellten Ausführungsbeispiel eine Ulbrichtkugel, die über einem flachen, plattenförmigen und Messobjekt 1, allgemein und so auch nachfolgend als Substrat 1 bezeichnet, angeordnet ist. Das Substrat 1 ist transparent und weist eine transparente und streuende
Beschichtung auf. Es ist eine Abfolge von Substraten 1 dargestellt, die mittels einer Transportvorrichtung 3 in Substrattransportrichtung 4 kontinuierlich oder
diskontinuierlich durch eine Beschichtungsanlage (nicht dargestellt) bewegt wird. In der Beschichtungsanlage wird auf der Abfolge von Substraten kontinuierlich eine
transparente elektrisch leitfähige Schicht aufgebracht und z.B. durch ein geeignetes Ätzverfahren zur Erzeugung der Licht streuenden Eigenschaft nachbehandelt. Die Trübung beschichteten Substrats soll mit der dargestellten
Messvorrichtung fortlaufend und auf dem Substrat verteilt gemessen werden. Alternativ können auch andere transparente und streuende Messobjekte gemessen werden.
Die Beleuchtungsquelle 5 weist dem Substrat 1
gegenüberliegend eine Lichtaustrittsöffnung 7 auf und ist mit dieser mit einem Abstand a über dem Substrat 1
angeordnet. Der Abstand a liegt bei den dargestellten großflächigen Substraten 1, wie sie für die Photovoltaik beschichtet werden, im Bereich zwischen 1 und 10 mm. Bei anderen Messobjekten 1 können andere Abstände a erforderlich sein . In der Beleuchtungsquelle 5 ist eine dem gewünschten
Spektrum angepasste Lichtquelle 9, z.B. eine Halogenlampe, angeordnet. Das Licht der Lichtquelle 9 wird von der hoch reflektierenden und diffus streuenden inneren Oberfläche 11 vielfach reflektiert, so dass aus der Lichtaustrittsöffnung 7 diffuses Licht auf das Substrat 1 fällt.
Die Lichtquelle 9 ist durch geeignete Blenden 10 so
abgeschirmt, dass kein direkter Lichtreflex auf die
Lichtaustrittsöffnung 7 und ebenso wenig auf einen
Referenzfotosensor 13, im Sinne eines Messkanals auch als Referenzkanal 13 bezeichnet, trifft, der ebenfalls im
Inneren der Beleuchtungsquelle 5 angeordnet ist.
Die Beleuchtungsquelle 5 umfasst des Weiteren zwei
Lichtfallen 15, 16, im Ausführungsbeispiel Löcher in der Kugelwandung, die zu öffnen und wieder zu verschließen sind und im geöffneten Zustand aktiv sind, d.h. dass in diesem
Zustand auf die aktive Lichtfalle 15 auftreffendes Licht die Beleuchtungsquelle 5 durch die Öffnung verlässt (durch eine punktierte Linie dargestellt) , so dass von dieser Stelle der inneren Oberfläche 11 der Beleuchtungsquelle kein Licht reflektiert wird. Im inaktiven Zustand weist dieser Teil der inneren Oberfläche 11 dieselben Reflexionseigenschaften auf, wie die übrige innere Oberfläche 11. Sie wird nachfolgend zur Verdeutlichung als inaktive Lichtfalle 16 bezeichnet. In den Figuren ist eine aktive Lichtfalle 15 durch eine
schwarze Fläche, eine inaktive Lichtfalle 16 durch eine weiße, umrandete Fläche dargestellt.
Im dargestellten Ausführungsbeispiel weist die
Beleuchtungsquelle 5 zwei Lichtfallen 15, 16 auf, von denen eine aktiv und eine inaktiv ist. Weitere Lichtfallen 15, 16 oder Einbauten in der Beleuchtungsquelle 5 sind für
verschiedene der oben beschriebenen Messungen möglich, hier der besseren Übersicht wegen jedoch nicht dargestellt. Für die oben beschriebene Trübungsmessung ist grundsätzlich jedoch nur eine aktive Lichtfalle 15 erforderlich.
Die beiden Lichtfallen 15, 16 in Fig. 1 sind symmetrisch zur optischen Achse 17 der Beleuchtungsquelle 5 angeordnet, die im Ausführungsbeispiel gleichzeitig die Messachse bildet. Die Lichtfallen 15, 16 sind derart angeordnet, dass eine Gerade durch das Zentrum der Lichtaustrittsöffnung 7 zum Zentrum der jeweiligen Lichtfalle 15, 16 (durch eine
gestrichelte Linie dargestellt) mit der optischen Achse 17 einen Winkel von 8° einschließt, so dass die
Standardmessgeometrie d/8° realisierbar ist. Alternativ oder ergänzend können auch andere Winkel eingestellt sein, solange für die Messung der Weitwinkelstreuung, die für die Ermittlung der Trübung erforderlich ist, zumindest ein solcher Weitwinkel realisiert ist. Auf jener der Beleuchtungsquelle 5 gegenüberliegenden Seite des Substrats 1 sind zwei Fotodetektoren 21, 22 angeordnet. Als Fotodetektoren 21, 22 können alle Arten von
fotoelektrischen Bauelementen verwendet werden, die für das verwendete Spektrum konzipiert sind, wie z.B. verschiedene Fotozellen oder Fototransistoren. Bevorzugt werden
fotoelektrische Bauelemente, die über den gesamten
Wellenlängenbereich des sichtbaren Lichts empfindlich sind. Auch komplexere optische Systeme, die z.B. eine spektrale Auflösung umfassen, sind als Fotodetektor anwendbar.
Beispielsweise sind kollimierende Optiken,
Lichtwellenleiter, Spektrometer oder ähnliches verwendbar.
Die beiden Fotodetektoren 21, 22 sind symmetrisch zur
Messachse 17 des Messsystems derart angeordnet, dass jeder von ihnen auf ein andere der beiden Lichtfallen 15, 16 ausgerichtet ist. Da eine der Lichtfallen 15 aktiv ist, wird mit dem darauf ausgerichteten Fotodetektor 21, nachfolgend als erster Fotodetektor 21 oder diffuser Transmissionskanal 21 bezeichnet, die diffuse Transmission Tdiffus des von der Beleuchtungsquelle 5 ausgesendeten und das Substrat 1 passierenden Lichts gemessen. Der zweite Fotodetektor 22, der eine vom ersten Fotodetektor 21 abweichende Ausrichtung aufweist, im Ausführungsbeispiel auf die zweite, inaktive Lichtfalle 16 ausgerichtet, dient der Messung der totalen Transmission Ttotai · Zur Unterscheidung wird der zweite
Fotodetektor 22 auch als totaler Transmissionskanal 22 bezeichnet. Da der totale Transmissionskanal 22 zu diesem Zweck auf einen Abschnitt der diffus reflektierenden inneren Oberfläche 11 schauen muss, kann er alternativ auch eine andere Ausrichtung aufweisen, wobei in diesem Fall die
Standardmessgeometrie d/8° nicht mehr realisiert ist.
Mittels der Messwerte der beiden Transmissionskanäle 21, 22 und des Referenzkanals 13 ist die Trübung des beschichteten Substrats 1 unter Berücksichtigung des in die
Beleuchtungsquelle 5 rückgestreuten, verfälschenden
Lichtanteils, wie oben im Detail beschrieben und auch der ASTM D 1003 zu entnehmen, zu ermitteln. Der aktuelle
Messpunkt des Messobjekts 1 ist stets der mit der Messachse 17 zusammenfallende Punkt. Eine genaue örtliche Zuordnung einer Vielzahl von nacheinander gemessenen Messpunkten ist über den bekannten Bewegungsablauf des Substrats 1 möglich. Alternativ ist auch eine Messung bei Substratstillstand möglich. Eine Messung ohne Messobjekt 1 zu Kalibrierzwecken kann im Ausführungsbeispiel z.B. immer dann erfolgen, wenn sich gerade eine Lücke in der Abfolge von Substraten 1 unter der Lichtaustrittsöffnung 7 befindet.
Die Fig. 2A bis 2C stellen eine Ausführungsvariante der Messvorrichtung dar, mit welcher gleichzeitig der Anteil der gerichteten und der diffusen Reflexion des Messobjekts gemessen werden kann.
In der Draufsicht in Fig. 2A auf eine Ulbrichtkugel als Beleuchtungsquelle 5 der Messvorrichtung sind eine aktive Lichtfalle 15 dargestellt, die selbstverständlich an der inneren Oberfläche 11 der Beleuchtungsquelle 5 aktiv ist und hier lediglich in ihrer Lage dargestellt ist. In derselben
Messebene, in welcher in Fig. 2A die Schnittlinie B-B gelegt wurde, sind die Fotodetektoren für die Messung der diffusen Anteile von Reflexion und Transmission angeordnet, wobei nur der dritte Fotodetektor 23, als diffuser Reflexionskanal 23 bezeichnet zu sehen ist, da sich der erste Fotodetektor 21, d.h. der diffuse Transmissionskanal 21 unterhalb der
Beleuchtungsquelle 5 befindet und deshalb in Fig. 2A nicht sichtbar ist.
In der Messebene, die rechtwinklig zu jener der diffusen Reflexions- und Transmissionsmessung steht und in Fig. 2A mit der Schnittlinie A-A zusammenfällt ist eine inaktive Lichtfalle 16 schematisch auf der äußeren Oberfläche der Beleuchtungsquelle 5 dargestellt. In dieser Messebene sind der zweite Fotodetektor 22 bzw. der totale
Transmissionskanal 22 (nicht sichtbar, da unter der
Beleuchtungsquelle 5) und der vierte Fotodetektor 24 angeordnet. Letztgenannter misst die gerichtete Reflexion des Lichtanteils, der von der inaktiven Lichtfalle 16 auf das Substrat fällt und wird deshalb nachfolgend auch als gerichteter Reflexionskanal 24 bezeichnet.
Beide Reflexionskanäle 23, 24 liegen jeweils symmetrisch gegenüber der entsprechenden Lichtfalle 15, 16, bezogen auf die Messachse 17 der Messvorrichtung, welche zentral durch die Lichtaustrittsöffnung 7 der Beleuchtungsquelle 5
verläuft. Die Messachse 17 steht in Fig. 2A senkrecht zur Zeichnungsebene und ist deshalb nur als Kreuz dargestellt.
Die Messebene der diffusen Reflexions- und
Transmissionsmessung, gemäß Fig. 2A die Ebene entlang der Schnittlinie B-B, ist in Fig. 2B dargestellt. Anhand der gestrichelten Linie ist der Strahlengang durch das Substrat 1 zum diffusen Transmissionskanal 21 und reflektiert am Substrat 1 zum diffusen Reflexionskanal 23 zu verfolgen. Durch die Lage der aktiven Lichtfalle 15 ist auch hier wieder die Standard-Messgeometrie d/8° realisiert.
Die Lichtquelle 9 ist auch hier wiederum durch Blenden 10 derart montiert, dass kein direktes Licht durch die
Lichtaustrittsöffnung 7, in den Referenzkanal 13 oder den diffusen Reflexionskanal 23 trifft. Bezüglich der weiteren Ausgestaltung der Messvorrichtung, insbesondere zur
Beleuchtungsquelle 5 oder dem räumlichen Bezug der
Messvorrichtung zum Substrat 1, wird auf die obigen
Darlegungen zu Fig. 1 verwiesen.
Fig. 2C stellt dieselbe Messvorrichtung wie Fig. 2A und Fig. 2B dar, jedoch in der Schnittebene C-C der Fig. 2A. Diese Schnittebene entspricht der Ebene zur Messung der totalen Transmission und gerichteten Reflexion. Dazu sind in dieser Ebene analog den Messkanälen in Fig. 2B, wiederum mit der Standardgeometrie d/8°, der totale Transmissionskanal 22 unterhalb des Substrats 1 und der gerichtete Reflexionskanal 24 in der Ulbrichtkugel der Beleuchtungsquelle 5 angeordnet. Die Lichtfalle 16 als Ausgangspunkt für den in diesen beiden Kanälen detektierten Lichtanteil ist dafür inaktiv. Im Übrigen wird auf die Darlegungen zu den Fig. 1, Fig. 2A und Fig. 2B verwiesen.
In Fig. 3 ist eine Anordnung der Beleuchtungsquelle 5, gegebenenfalls auch mit den Reflexionskanälen 23, 24, und der Transmissionskanäle 21, 22 auf Traversen 25 dargestellt, die der Positionierung von Beleuchtungsquelle 5 und
Transmissionskanäle 21, 22 unter Beibehaltung deren
geometrischer Zuordnung und Ausrichtung zueinander über jedem Punkt der Breite des Substrats 1 dienen. Zur Bewegung sind die Beleuchtungsquelle 5 und die Transmissionskanäle
21, 22 auf Schlitten 27 montiert, die miteinander gekoppelt entlang der Traversen 25 zu verschieben sind. Die
Beleuchtungsquelle 5 mit dem zugehörigen Schlitten 27 und ebenso die Transmissionskanäle 21, 22, mit ihrem zugehörigen Schlitten 27 sind in Fig. 2 der besseren Übersicht wegen als ein kompaktes Bauteil dargestellt. Die möglichen
Schlittenbewegungsrichtungen 28 zeigen die zugehörigen
Pfeile .
In Kombination mit einer Bewegung der Substrate 1 entlang ihrer Substrattransportrichtung 4 (Fig. 1), die in Fig. 2 senkrecht zur Zeichnungsebene und damit zu den
Schlittenbewegungsrichtungen 28 stehen, lassen verschiedene Relativbewegungen und daraus folgende Messpunktverteilungen auf dem Substrat 1 zu. Bleibt das Substrat 1 stehen und nur die Schlitten 27 werden bewegt, so können Messpunkte über die Substratbreite verteilt gesetzt werden. Sind die
Schlitten 27 oder alternativ die Beleuchtungsquelle 5 und die Transmissionskanäle 21, 22 ohne Schlitten 27 stationär und nur das Substrat 1 wird bewegt, verläuft die Messspur parallel zur Substrattransportrichtung 4. Sind beide Partner beweglich sind beliebige, im einfachsten Fall Z-förmige Messspuren fahrbar, so dass in Abhängigkeit von den
möglichen Geschwindigkeiten ein mehr oder weniger dichtes Scannen des Substrats 1 zur Überwachung der optischen
Kenngrößen und über geeignete, nicht näher dargestellte Auswerte- und Regeleinheiten (nicht dargestellt) die Einflussnahme auf den vorhergehenden Beschichtungsprozess erfolgen kann.
Verfahren und Vorrichtung zur Messung von
optischen Kenngrößen transparenter, streuender Messobjekte
Bezugszeichenliste
1 Messobjekt, Substrat
3 Transport orrichtung
4 Substrattransportrichtung
5 Beleuchtungsquelle
7 Lichtaustrittsöffnung
9 Lichtquelle
10 Blende
11 innere Oberfläche
13 Referenzfotodetektor, Referenzkanal
15 aktive Lichtfalle
16 inaktive Lichtfalle
17 optische Achse, Messachse
21 erster Fotodetektor, diffuser Transmissionskanal
22 zweiter Fotodetektor, totaler Transmissionskanal
23 dritter Fotodetektor, diffuser Reflexionskanal
24 vierter Fotodetektor, totaler Reflexionskanal
25 Traverse
27 Schlitten
28 Schlittenbewegungsrichtung a Abstand zwischen Beleuchtungsquelle und Messobjekt

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur Messung optischer Kenngrößen von
transparenten, streuenden Messobjekten (1), folgende
Verfahrensschritte umfassend: - Beleuchtung eines transparenten, streuenden
Messobjekts (1) mit diffusem Licht mittels einer eine Lichtaustrittsöffnung (7) aufweisenden
Beleuchtungsquelle (5) , wobei der Anteil des diffusen Lichts in einer aus der Lichtaustrittsöffnung (7) auf das Messobjekt (1) gerichteten Strahlungsrichtung unterdrückt wird,
- Detektion des durch das Messobjekt (1) hindurch getretenen Lichts der Beleuchtungsquelle (5) mittels zwei, mit voneinander abweichender Richtung auf die Lichtaustrittsöffnung (7) ausgerichteten Fotodetektoren
(21, 22), wobei die Fotodetektoren gleichzeitig
detektieren und einer der Fotodetektoren, im folgenden als erster Fotodetektor (21) bezeichnet, in jener Strahlungsrichtung ausgerichtet ist, in welcher besagter Anteil des diffusen Lichts unterdrückt wird,
- Ermittlung der diffusen Transmission Tdiffus des Messobjekts aus dem Verhältnis der Lichtintensität des im Messobjekt (1) gestreuten und mittels des ersten Fotodetektors (21) detektierten Lichts und der
bekannten Lichtintensität des auf das Messobjekt (1) einfallenden Lichts und
Ermittlung der totalen Transmission Ttotai des Messobjekts (1) aus dem Verhältnis der Lichtintensität des durch das Messobjekt (1) hindurch getretenen und mittels des zweiten Fotodetektors (22) detektierten Lichts und der bekannten Lichtintensität des auf das Messobjekt (1) einfallenden Lichts.
2. Verfahren zur Messung optischer Kenngrößen von
transparenten, streuenden Messobjekten (1) nach vorstehendem Verfahrensanspruch, wobei aus der ermittelten totalen und diffusen Transmission die Trübung des Messobjekts (1) ermittelt wird.
3. Verfahren zur Messung optischer Kenngrößen von
transparenten, streuenden Messobjekten (1) nach einem der vorstehenden Verfahrensansprüche, wobei als die
Beleuchtungsquelle (5) ein Hohlkörper mit einer hoch
reflektierenden und diffus streuenden, d.h. weißen inneren Oberfläche (11) verwendet wird, mit einer im Inneren des Hohlkörpers angeordneten Lichtquelle (9) und einer dazu beabstandeten Lichtaustrittsöffnung (7), so dass kein Licht von der Lichtquelle (9) direkt durch die
Lichtaustrittsöffnung (7) tritt und wobei besagter
Lichtanteil in einer Strahlungsrichtung mittels in der inneren Oberfläche (11) des Hohlkörpers angeordneten aktiven Lichtfalle (15) unterdrückt wird, welche solch eine Position und Ausrichtung aufweist, dass in der Ausrichtung eines der beiden Fotodetektoren (21, 22) kein Lichtanteil aus der Lichtaustrittsöffnung (7) tritt.
4. Verfahren zur Messung optischer Kenngrößen von
transparenten, streuenden Messobjekten (1) nach Anspruch 3, wobei - ein Anteil des vom Messobjekt (1) diffus
reflektierten Lichts der Beleuchtungsquelle (5) detektiert wird, indem ein dritter Fotodetektor (23) , nachfolgend als diffuser Reflexionskanal (23) bezeichnet, innerhalb des Hohlkörpers in jener vom Messobjekt (1) reflektierten Strahlungsrichtung
ausgerichtet ist, in welcher besagter Anteil des diffusen Lichts unterdrückt wird und
- die diffuse Reflexion Rdiffus des Messobjekts (1) aus dem Verhältnis der Lichtintensität des am Messobjekt
(1) diffus reflektierten und mittels des diffusen
Reflexionskanals (23) detektierten Lichts und der bekannten Lichtintensität des auf das Messobjekt (1) einfallenden Lichts ermittelt wird.
5. Verfahren zur Messung optischer Kenngrößen von
transparenten, streuenden Messobjekten nach Anspruch 3 oder 4, wobei
- ein Anteil des vom Messobjekt direkt reflektierten Anteils des Lichts der Beleuchtungsquelle (5)
detektiert wird, indem ein vierter Fotodetektor (24), nachfolgend als gerichteter Reflexionskanal (24) bezeichnet, innerhalb des Hohlkörpers in einer vom Messobjekt (1) reflektierten Strahlungsrichtung
ausgerichtet ist, in welcher das diffus gestreute Licht von der Beleuchtungsquelle (5) auf das Messobjekt (1) fällt und
- die gerichtete Reflexion RriCht des Messobjekts (1) aus dem Verhältnis der Lichtintensität des am
Messobjekt (1) direkt reflektierten und mittels des gerichteten Reflexionskanals (24) detektierten Lichts und der bekannten Lichtintensität des auf das
Messobjekt (1) einfallenden Lichts ermittelt wird.
6. Verfahren zur Messung optischer Kenngrößen von
transparenten, streuenden Messobjekten (1) nach einem der vorstehenden Verfahrensansprüche, wobei die
Beleuchtungsquelle (5) mit einem solchen Abstand a > 0 zum Messobjekt (1) angeordnet ist, dass eine ungehinderte
Relativbewegung zwischen dem Messobjekt (1) und der
Beleuchtungsquelle (5) gerade noch möglich ist.
7. Verfahren zur Messung optischer Kenngrößen von
transparenten, streuenden Messobjekten (1) nach Anspruch 6, wobei eine Mehrzahl von Messungen an verschiedenen Orten des Messobjekts (1) durchgeführt werden, indem die
Beleuchtungsquelle (5) und die Transmissionskanäle (21, 22) gemeinsam und das Messobjekt (1) relativ dazu bewegt werden.
8. Verfahren zur Messung optischer Kenngrößen von
transparenten, streuenden Messobjekten (1) nach einem der Verfahrensansprüche 2 bis 7, wobei ein Lichtanteil, welcher durch Streulichteinfall oder Reflexionen vom Messobjekt (1) entsteht, im Hohlkörper durch eine Referenzmessung mittels eines im Hohlkörper angeordneten Referenzfotodetektors (13), nachfolgend auch als Referenzkanal (13) bezeichnet,
ermittelt wird.
9. Verfahren zur Messung optischer Kenngrößen von
transparenten, streuenden Messobjekten nach
Verfahrensanspruch 8, wobei eine Kalibrierung der
Messeinrichtung erfolgt, indem
- eine Dunkelmessung mittels eines in der
Beleuchtungsquelle (5) angeordneten
Referenzfotodetektors (13) und mittels des ersten oder zweiten Fotodetektors (21, 22), nachfolgend als diffuser und totaler Transmissionskanal (21, 22) bezeichnet, bei ausgeschalteter Beleuchtungsquelle (5) erfolgt, zur Ermittlung eines Untergrundanteils des Referenzkanals (13) und eines Untergrundanteils der Transmissionskanäle (21, 22),
- eine Leermessung erfolgt ohne Probe oder an einer gering streuenden Probe mittels des Referenzkanals und beider Transmissionskanäle, zur Ermittlung eines ersten Proportionalitätsfaktors, welcher einen von der Probe in den Referenzkanal rückgestreuten Lichtanteil
darstellt, indem der Messwert des Referenzkanals ins Verhältnis gesetzt wird zum Messwert des totalen
Transmissionskanals, und zur Ermittlung eines zweiten Proportionalitätsfaktors, welcher einen von der
Messapparatur in den diffusen Transmissionskanal rückgestreuten Lichtanteil darstellt, indem der
Messwert des Referenzkanals ins Verhältnis gesetzt wird zum Messwert des diffusen Transmissionskanals und
- eine Streumessung erfolgt an einer streuenden Probe mit bekannter Transmission und Streuung mittels des Referenzkanals (13) und des diffusen
Transmissionskanals (21), welcher die diffuse
Transmission der Probe misst, sowie des totalen
Transmissionskanals (22), welcher die totale
Transmission der Probe misst, zur Ermittlung je eines Proportionalitätsfaktors für jeden Transmissionskanal (21, 22), welcher Lichtanteile darstellt, welche durch den Abstand zwischen der Beleuchtungsquelle (5) und der Probe bedingt sind.
10. Verfahren zur Messung optischer Kenngrößen von
transparenten, streuenden Messobj ektenMessobj ekt (1) nach Verfahrensanspruch 7, wobei eine Kalibrierung der
Messeinrichtung erfolgt, bei der anstelle des diffusen und totalen Transmissionskanals (21, 22) und deren Messwerte der diffuse und gerichtete Reflexionskanal (23, 24) und deren Messwerte verwendet werden.
11. Vorrichtung zur Messung optischer Kenngrößen von transparenten, streuenden Messobjekten (1), folgende
Komponenten umfassend:
- eine Beleuchtungsquelle (5) mit einer Lichtaustrittsöffnung (7) zur Beleuchtung eines
Messobjekts (1) mit diffusem Licht,
- zwei Fotodetektoren (21, 22), die der
Lichtaustrittsöffnung (7) der Beleuchtungsquelle (5) beabstandet gegenüber liegen und deren Detektoreingang mit voneinander abweichender Richtung auf die
Lichtaustrittsöffnung (7) gerichtet ist, wobei die Fotodetektoren gleichzeitig detektieren,
- einen Probenaufnahmeraum, der zwischen der
Lichtaustrittsöffnung (7) der Beleuchtungsquelle (5) und den Fotodetektoren (21, 22) derart angeordnet ist, dass von der Beleuchtungsquelle (5) ausgehendes Licht zunächst durch ein innerhalb des Probenaufnahmeraums angeordnetes Messobjekt (1) hindurch und dann in die Fotodetektoren (21, 22) eintritt,
- wobei das aus der Lichtaustrittsöffnung (7) austretende diffuse Licht in einer Strahlungsrichtung keinen Lichtanteil aufweist und einer der
Fotodektektoren (21, 22) in dieser Strahlungsrichtung ausgerichtet ist.
12. Vorrichtung zur Messung optischer Kenngrößen von transparenten, streuenden Messobjekten (1) nach Anspruch 11,
- wobei die Beleuchtungsquelle (5) durch einen
Hohlkörper mit einer hoch reflektierenden und diffus streuenden, d.h. weißen inneren Oberfläche (11), einer im Inneren des Hohlkörpers angeordneten Lichtquelle (9) und einer dazu beabstandeten Lichtaustrittsöffnung (7) gebildet ist, so dass kein Licht von der Lichtquelle (9) direkt durch die Lichtaustrittsöffnung (7) tritt und
- wobei die innere Oberfläche (11) des Hohlkörpers eine aktive Lichtfalle (15) in solch einer Position und
Ausrichtung aufweist, dass in der Ausrichtung eines der beiden Fotodetektoren (21, 22) kein Lichtanteil aus der Lichtaustrittsöffnung (7) tritt.
13. Vorrichtung zur Messung optischer Kenngrößen von transparenten, streuenden Messobjekten (1) nach Anspruch 12, folgende weitere Komponenten umfassend:
- einen dritten Fotodetektor (23) , nachfolgend als diffuser Reflexionskanal (23) bezeichnet, welcher im Inneren des Hohlkörpers symmetrisch zur aktiven
Lichtfalle (15) angeordnet ist bezogen auf die
optischen Achse (17) des Hohlkörpers als
Symmetrieachse, welche durch dessen Mittelpunkt und das Zentrum der Lichtaustrittsöffnung (7) verläuft,
- wobei kein Licht von der Lichtquelle (9) direkt auf den dritten Fotodetektor (23) fällt.
14. Vorrichtung zur Messung optischer Kenngrößen von transparenten, streuenden Messobjekten (1) nach Anspruch 12 oder 13, folgende weitere Komponenten umfassend:
- einen vierten Fotodetektor (24), welcher im
Inneren des Hohlkörpers abweichend von der Position angeordnet ist, welche symmetrisch zur aktiven
Lichtfalle (15) liegt, bezogen auf die optischen Achse (17) des Hohlkörpers als Symmetrieachse, welche durch dessen Mittelpunkt und das Zentrum der
Lichtaustrittsöffnung (7) verläuft,
- wobei kein Licht von der Lichtquelle (9) direkt auf den viertten Fotodetektor (24) fällt.
15. Vorrichtung zur Messung optischer Kenngrößen von transparenten, streuenden Messobjekten (1) nach einem der vorstehenden Vorrichtungsansprüche, wobei ein Messobjekt (1) im Probenraum mit einem Abstand zur Lichtaustrittsöffnung (7) positionierbar ist.
16. Vorrichtung zur Messung optischer Kenngrößen von transparenten, streuenden Messobjekten (1) nach einem der vorstehenden Vorrichtungsansprüche, wobei die
Beleuchtungsquelle (5) und die Fotodetektoren (21, 22, 23, 24) gemeinsam mittels einer Bewegungseinrichtung relativ zum Probenaufnahmeraum bewegbar sind.
17. Vorrichtung zur Messung optischer Kenngrößen von transparenten, streuenden Messobjekten (1) nach einem der vorstehenden Vorrichtungsansprüche, wobei die Vorrichtung eine Messeinheit zur berührungslosen Messung eines
Flächenwiderstands des Messobjekts (1) umfasst.
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