WO2022233939A1 - Verfahren und anordnung zum zerstörungsfreien überprüfen einer oberflächenstruktur - Google Patents

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WO2022233939A1
WO2022233939A1 PCT/EP2022/061987 EP2022061987W WO2022233939A1 WO 2022233939 A1 WO2022233939 A1 WO 2022233939A1 EP 2022061987 W EP2022061987 W EP 2022061987W WO 2022233939 A1 WO2022233939 A1 WO 2022233939A1
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surface structure
light
light guide
liquid
large area
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PCT/EP2022/061987
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Inventor
Markus Klippstein
André HEBER
Eric Günl
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Sioptica Gmbh
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    • G01B11/00—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques
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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01B—MEASURING LENGTH, THICKNESS OR SIMILAR LINEAR DIMENSIONS; MEASURING ANGLES; MEASURING AREAS; MEASURING IRREGULARITIES OF SURFACES OR CONTOURS
    • G01B11/00—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques
    • G01B11/30—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring roughness or irregularity of surfaces
    • G—PHYSICS
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    • G01B13/00—Measuring arrangements characterised by the use of fluids
    • G01B13/22—Measuring arrangements characterised by the use of fluids for measuring roughness or irregularity of surfaces

Definitions

  • the invention relates to the field of non-destructive testing of surface structures, such as surface structures that are used as tool inserts for generating optical surfaces on a workpiece, especially on a light guide.
  • DE 10 2010 037 786 A1 describes a laser scanning microscope in which reflected light is detected and evaluated.
  • the disadvantage here is that the optical functioning of an optical surface structure to be tested cannot be simulated, as a result of which even sufficiently good surface structures can be incorrectly sorted out.
  • DE 197 54 647 A1 discloses a scanning electron microscope. While this offers excellent resolution, the aforementioned deficiency is again in the foreground:
  • the disadvantage here is that the optical function of an optical surface structure to be tested cannot be simulated, which means that even sufficiently good surface structures can be incorrectly sorted out.
  • An inspection system is described in US 2015/0253256 A1. Strong chromatic aberration is used here, so that different wavelengths illuminate different levels of a substrate, which in turn means that back-reflected light from the different levels can be evaluated.
  • the optical functioning of an optical surface structure to be tested cannot be simulated.
  • US Pat. No. 9,952,393 B2 discloses a light guide structure based on anodized aluminum oxide and a fluoropolymer. In certain configurations, liquids are used in the light guide. However, the document does not disclose how an optical surface structure can be checked.
  • the inspection should only show optically relevant defects in the surface structures, without erroneously evaluating those surface structures as faulty in which only optically irrelevant faults occur for the later optical function of the parts manufactured with the tool insert.
  • the method and the arrangement should also be able to check fine optical structures in the micrometer or nanometer range.
  • the invention should also be able to be implemented inexpensively with the simplest possible means and the check should only require a comparatively small amount of time.
  • a method for non-destructive testing of a surface structure which comprises the steps listed below.
  • the surface structure is provided in a step a).
  • a step b) following the provision at least part of the surface structure is first wetted with a liquid. This wetting leads to the formation of a liquid layer on said part of the surface structure, ie above it. This layer is delimited on its underside by the surface structure and on its upper side by a gaseous medium—usually air or another gas—and thus has a layer thickness—referred to simply as thickness below.
  • a thickness variation of the liquid above said part of the surface structure is at most 50% of the maximum thickness of the liquid above the surface structure, so that the liquid forms a light guide with two large areas at the top and bottom, which has the inverse shape of the surface structure on a first large area and is delimited by this and is delimited on a second large area by air or another gas.
  • step c) light is coupled into the light guide, for which purpose appropriate means for coupling light are used.
  • the means for coupling the light couple the light preferably directly into the liquid in such a way that at least part of the coupled light propagates in the light guide formed from the liquid by total internal reflection (light guide effect) within the light guide until it is at least partially incident on the inverse form of the surface structure.
  • the means for coupling in light are therefore expediently located in the liquid.
  • the means for coupling light can be, for example, LEDs (which are preferably housed waterproof in a transparent material, or one or more other light guides, for example consisting of a transparent polymer such as PMMA or polycarbonate, which transmit light into the liquid Due to the light-guiding effect in the light guide, light is applied to the said inverse form of the surface structure on the first large area due to the light being coupled in, whereby at least part of the light coupled into the light guide is coupled out of the light guide via the second large area. An image of the light coupled out of the second large area of the light guide is then recorded in a step d) and evaluated in a step e). The evaluation is carried out with regard to a check of at least one predetermined parameter, the check being negative, ie leading to a negative result, if the evaluation of the at least one parameter shows that this is outside a specified parameter range (otherwise the check is positive).
  • a color image, a black-and-white image and/or preferably a luminance image can be recorded with a suitable camera, for example.
  • Recording an image includes recording several images with different exposure times in order to create an image with a higher dynamic range, namely a so-called HDFt recording.
  • the respective image can be recorded from only one angle, but preferably (sequentially or parallel) from as many different angles as possible, i.e. in this case there are several such images that are available for the subsequent evaluation.
  • the following parameters can be specified, for example: average brightness, peak brightness, minimum brightness,
  • Other and/or further parameters are possible.
  • a target value to be achieved or a target value range to be achieved, which is identical to the specified parameter range, is specified, taking into account a tolerance range.
  • Said evaluation preferably takes place by means of a processor with software.
  • a dedicated arrangement for this which has at least one corresponding electronic evaluation system. The check is negative if the evaluation of at least one parameter—or, if several parameters are used simultaneously, the evaluation of all parameters for at least one parameter—shows that this is outside the specified parameter range. Otherwise the verification is positive.
  • steps b) and c) as in
  • the trough is then filled with a liquid, so that the liquid forms a light guide that is delimited by the dimensions of the trough and has the inverse shape of the surface structure on a first large area.
  • light is coupled into the light guide by means of the means for coupling light, with these means being immersed in the liquid, so that due to the light guiding effect in the light guide, said inverse form of the surface structure on the first large area is exposed to light, whereby at least part of the in light coupled into the light guide is coupled out of the light guide via a second large area.
  • the trough can be made of metal or plastic, such as PMMA or polycarbonate, for example.
  • steps b) and c) are implemented as described below:
  • a cavity is attached to the surface structure and/or to a carrier substrate on which the surface structure is arranged, the cavity being waterproof flush with the surface structure and/or the carrier substrate, and wherein the cavity comprises means for coupling light into the cavity and is optionally at least partially transparent on at least one narrow side.
  • the cavity is then filled with a liquid, so that the liquid forms a light guide that is delimited by the dimensions of the cavity and has the inverse shape of the surface structure on a first large area. Light is then coupled into the light guide, for which purpose the means for coupling light are used.
  • the means for coupling in light can be, for example, a light-emitting diode or preferably a row of LEDs that is waterproof.
  • the cavity can be made of metal or plastic, such as PMMA or polycarbonate, for example.
  • the cavity can also be attached to the surface structure in a watertight manner, for example by means of adhesive tape. It is advantageous, but not necessary, for the structured area of the surface structure to be smaller than the area of the cavity, so that the narrow sides of the cavity touch the surface structure outside of the structured area.
  • the cavity is preferably open and/or transparent in the direction of the light coupled out of the light guide consisting of the liquid.
  • the first large surface corresponds to the underside and the second large surface to the top of the light guide.
  • the liquid is transparent to visible light and is preferably deionized or distilled water.
  • the liquid is an alcohol or another liquid which can be removed from the surface structure without leaving any residue or evaporates from there without leaving any residue.
  • the liquid can also or exclusively be transparent in the wavelength range that is not visible to the human eye, for example in the UV or IR range, e.g. if surface structures are to be tested whose optical effect in such
  • the method according to the invention acquires particular importance when the surface structure to be checked is formed inversely to the decoupling structure of the large area of a light guide (to be produced by means of the surface structure). It is therefore the case that the inverse form of the surface structure to be checked in turn forms a non-inverse form of an actual decoupling structure of a light guide, also, if present, with defects in the surface structure itself and/or on the surface bearing the surface structure, which is in the frame of the procedure must be checked. Due to the invention, the functioning of a light guide (to be produced by means of the surface structure) is thus simulated without the
  • the thickness of the liquid typically differs from the thickness of the light guide in order to obtain a homogeneously bright light guide that facilitates the identification of defects, since the Coupling of the light is qualitatively different between the liquid light guide and a solid light guide (e.g. consisting of a polymer) that can be produced with the help of the surface structure.
  • a solid light guide e.g. consisting of a polymer
  • the liquid light guide the light is only decoupled in a reflective manner.
  • the deflection occurs due to refractive index heterogeneities, which in most cases are less efficient than reflections. Therefore, the liquid light guide is usually thicker than a solid light guide.
  • the optimum height of the liquid film for approximately simulating the optical functionality based on the surface structure is around 5 mm. If the height of the liquid film is lower, the brightness reduces with the distance from the means for coupling light into the liquid. With greater film thicknesses of the liquid, the brightness increases with distance.
  • the optimal height must be determined for the respective application or surface structure.
  • the method according to the invention can also be used advantageously when the surface structure to be checked is formed in polarity like the decoupling structure on the large area of a light guide (to be produced by means of the surface structure).
  • the inverse form of the surface structure to be checked in turn forms an inverse form of an actual decoupling structure of a light guide, also, if present, with defects in the surface structure itself and/or on the surface bearing the surface structure, which is part of the procedure needs to be checked.
  • the functioning of a light guide (to be produced by means of the surface structure) is simulated without destroying the surface structure.
  • Corresponding parameters must also be defined for this application, because the light coupled out of the light guide produced by means of the liquid usually has a different distribution than the light guide to be finally produced. In this case, a light guide to be produced would be produced with a negative (reversed polarity, eg by means of a copy) of the surface structure to be checked here.
  • the method according to the invention can also be used when the surface structure to be checked does not correspond to the decoupling structure of a light guide or its inverse form.
  • at least one parameter, preferably several, can also be specified for the evaluation, as described above.
  • the surface structure to be checked is firmly applied to a tool insert.
  • a tool insert often also referred to as a "shim”
  • a light guide to be produced by means of the tool insert is physically reproduced due to the light guide formed by the liquid according to the invention, albeit usually with a different material and not statically. This allows an advantageous check to be made as to whether all the flaws and imperfections on the surface structure are actually visible on the light guides produced later or not.
  • Such a tool insert can advantageously be made of a metal or a
  • Metal alloys consist, e.g. of nickel, nickel-cobalt, nickel-phosphorus, a stainless steel, brass, copper or aluminum.
  • the tool insert 6 it is possible for the tool insert 6 to consist of a glass or a polymer, e.g. an acrylic-based, hardened lacquer.
  • the means for coupling light into the light guide include a coupling structure in addition to a light source—such as at least one LED or a row of LEDs.
  • Such coupling structures are familiar to the person skilled in the art and are often used when coupling light from rows of LEDs into the narrow sides of light guides, in particular to homogenize the light distribution in the light guide and/or to reduce or completely prevent "hotspot” artifacts.
  • Such in-coupling structures also known as “serration”, consist, for example, of convex and/or concave lenticular, prism, lens or hexagonal structures (or of other structures as well).
  • a camera is used to record the image in step d), which is preceded by conoscopic imaging optics, for example in the form of a corresponding lens or microscope assembly.
  • Conoscopy is a contrast method for imaging transparent or luminous objects, which measures brightness with angular resolution.
  • the system described in the previous sections is particularly suitable for detecting defects across the surface of a microstructured surface, for example. However, it is impossible to detect systematic deviations in the structures, e.g. structure angles or rounding of the outcoupling structures, for example in the case of microprisms. However, these errors can be detected by means of an angle-resolved brightness measurement.
  • the angular coordinates and half-width of an emission peak allow conclusions to be drawn about the quality of the microstructures.
  • the conoscopy is therefore particularly well suited to detecting any errors or parameter deviations.
  • the angle-resolved brightness can be determined by a goniometer to which a light sensor is attached.
  • the object of the invention is achieved by an arrangement for non-destructive testing of a surface structure.
  • Such an arrangement comprises a cavity for receiving a liquid, with the liquid wetting at least part of the surface structure to be checked and forming a layer above said part of the surface structure with a thickness whereby a thickness variation of the liquid above said part of the surface structure is at most 50% of the maximum thickness of the liquid above the surface structure, so that the liquid forms a light guide with two large areas at the top and bottom, which has an inverse shape of the surface structure on a first large area and is delimited by this and on a second large area by air or a other gas is limited.
  • the arrangement also includes means for coupling light into the light guide, so that due to the light guide effect in the light guide, said inverse shape of the surface structure on the first large area is exposed to light, whereby at least part of the light coupled into the light guide out of the light guide via the second large area is decoupled.
  • the arrangement also includes a camera for recording an image of the second large area of the Light guide decoupled light as well as a computing unit connected to the camera with software, which evaluates the recorded image with regard to the verification of at least one specified parameter, the verification being negative precisely when the evaluation of the at least one parameter shows that it is outside of a specified parameter range , and otherwise positive.
  • the cavity comprises at least one frame, which is applied to the surface structure and/or a carrier substrate on which the surface structure is arranged, the cavity terminating in a watertight manner with the surface structure and/or its carrier substrate , wherein the cavity is also at least partially transparent on at least one narrow side (open also counts as transparent here) and comprises means for coupling light into the cavity.
  • the cavity has the shape of a trough, in which the surface structure to be checked is placed, the cavity being at least partially filled with the liquid.
  • the camera can be preceded by conoscopic imaging optics.
  • FIG. 1 shows a basic sketch for implementing a method for checking a surface structure in a first embodiment
  • FIG. 2 shows a schematic diagram for implementing a method for checking a surface structure in a second embodiment
  • FIG. 3 shows a basic sketch of a possible error-prone verification variant of a surface structure in the prior art, as well as
  • FIG. 4 shows a basic sketch of a possible variant for checking a surface structure within the scope of the present method.
  • FIG. 1 shows the basic sketch for the implementation of a method for checking a surface structure in a first embodiment.
  • the corresponding method for non-destructive testing of a surface structure 1 then includes the steps explained below: In a first step a), the surface structure is initially provided.
  • a subsequent second step b at least part of the surface structure 1 is wetted with a liquid 4 .
  • This wetting leads to the formation of a liquid layer on said part of the surface structure 1, i.e. above it.
  • This layer (consisting of the liquid 4) is delimited on its underside by the surface structure 1 and on its upper side by a gaseous medium—usually air or another gas—and thus has a layer thickness—hereinafter referred to as thickness .
  • a thickness variation of the liquid 4 above said part of the surface structure 1 is at most 50% of the maximum thickness of the liquid 4 above the surface structure 1, so that the liquid 4 forms a light guide 5 with two large areas at the top and bottom, which at a first large area is the has the inverse form of the surface structure 1 and is delimited by this and is delimited on a second large area by air or another gas.
  • the liquid 4 is not delimited by air or another gas on its second large surface, but by a transparent material such as glass or a polymer such as PMMA, PMMI or polycarbonate.
  • step c) light is coupled into the light guide 5, for which purpose corresponding means 3 for coupling light are used, for example illuminants such as an LED or an LED line, each waterproof, which is possible, for example, through a transparent housing using polymer materials can be guaranteed.
  • corresponding means 3 for coupling light for example illuminants such as an LED or an LED line, each waterproof, which is possible, for example, through a transparent housing using polymer materials can be guaranteed.
  • Due to the light-guiding effect in the light guide 5 - this is symbolized in Fig. 1 by the solid lines with arrows - said inverse shape of the surface structure 1 is exposed to light on the first large area, whereby at least part of the light coupled into the light guide 5 is emitted from the Light guide 5 is coupled out via the second large area, which is symbolized by the dashed arrows.
  • An image of the light coupled out of the second large area of the light guide 5 is then recorded in a step d) and in a step e) evaluated.
  • the evaluation is carried out with regard to a check of at least one specified parameter, with the check being negative, ie leading to a negative result, if the evaluation of the at least one parameter shows that it is outside a specified parameter range (otherwise the check is positive).
  • a surface structure 1 to be checked can, for example, have a large number of identical or at least partially different microlenses, microprisms, lattice structures, scattering structures and/or other three-dimensional structures
  • the thickness or layer thickness of the liquid 4 can be, for example, a few 50 microns to a few or a few millimeters, but is preferably between 0.3 millimeters and 3 millimeters, 5 millimeters or 10 millimeters.
  • steps b) and c) are implemented as described below:
  • the surface structure 1 is placed in a tub 2 .
  • the trough 2 is filled with a liquid 4 so that the liquid forms a light guide 5 which is delimited by the dimensions of the trough 2 and which has the inverse shape of the surface structure 1 on a first large area.
  • the tub 2 can be filled before it is inserted or afterwards.
  • the tub 2 can for example
  • Metal or plastic such as PMMA or polycarbonate.
  • FIG. 1 shows the implementation of the method at least after steps a) to c).
  • the means 3 for coupling the light are located in the liquid 4 and couple the light directly into it.
  • an arrangement on the narrow sides of the tub 2 - for example in Fig. 1 within the limits on the right and left side - is possible, provided that these are transparent.
  • a color image, a black-and-white image and/or preferably a luminance image i.e. a luminance distribution over the area
  • the respective image can be recorded from only one angle, but preferably (sequentially or parallel) from as many different angles as possible, ie in this case there are several such images that are available for the subsequent evaluation.
  • the following parameters can be considered, for example: average brightness, peak brightness, minimum brightness,
  • Other and/or further parameters are possible.
  • a target variable to be achieved with corresponding tolerances or a target variable range to be achieved is specified for each such parameter, which is also referred to as the parameter range.
  • Said evaluation preferably takes place by means of a processor with software.
  • a dedicated arrangement for this which has at least one corresponding electronic evaluation system.
  • the check is negative if the evaluation of at least one parameter—or, if several parameters are used simultaneously, the evaluation of all parameters for at least one parameter—shows that this is outside a predetermined parameter range. Otherwise the verification is positive.
  • the Figure 2 shows the schematic diagram for the implementation of a method for
  • Steps b) and c) are implemented as described below: On the surface structure 1 and / or on a carrier substrate 6, on which the surface structure 1 is arranged, a cavity 2a is attached, wherein the cavity 2a watertight with the surface structure 1 and / or the carrier substrate 6 closes, and wherein the cavity 2a means 3 for coupling light into the cavity 2a (however, the means 3 can also be provided separately from the cavity 2a in the same) and optionally at least partially transparent on at least one narrow side--the boundaries shown on the left and right in FIG is.
  • the cavity 2a is then filled with a liquid 4, so that the liquid 4 forms a light guide 5 which is delimited by the dimensions of the cavity 2a and has the inverse shape of the surface structure 1 on a first large area.
  • Light is then coupled into the light guide 5 by means of the means 3, so that due to the light-guiding effect in the light guide 5, said inverse shape of the surface structure 1 is exposed to light at or near the first large area of the cavity 2a, whereby at least part of the Cavity 2a coupled light is coupled out of the light guide 5 over a second large area.
  • the means 3 for coupling in light can be, for example, a row of LEDs that is waterproof.
  • the cavity 2a can be made of metal or plastic, such as PMMA or polycarbonate, for example.
  • the cavity 2a can also be attached to the surface structure in a watertight manner, e.g. by means of adhesive tape. It is advantageous, but not necessary, for the structured area of the surface structure 1 to be smaller than the area of the cavity 2a, so that the narrow sides of the cavity 2a touch the surface structure 1 outside of the structured area.
  • the cavity 2a is preferably open and/or transparent in the direction of the light coupled out of the light guide 5 consisting of the liquid 4 (indicated in FIG. 2 by the dashed box on the upper side of the cavity 2a).
  • the first large area corresponds to the underside and the second large area to the upper side of the light guide 5.
  • the liquid 4 is preferably transparent to visible light and it preferably consists of deionized or distilled water. Other configurations are possible, for example based on alcohol.
  • the method described above acquires particular importance when the surface structure 1 to be checked is formed inversely to the decoupling structure of the large area of a light guide (to be produced by means of the surface structure 1). It is thus the case that the inverse form of the surface structure 1 to be checked in turn forms a non-inverse form of an actual decoupling structure of a light guide, also, if present, with defects in the surface structure itself and/or on the surface bearing the surface structure that need to be checked as part of the process. Due to the invention, the functioning of a light guide (to be produced by means of the surface structure 1) is thus simulated without destroying the surface structure 1. It should also be noted that the thickness of the liquid 4 should preferably not deviate by more than 40% to 60% from the thickness of the light guide for which the surface structure 1 to be checked was produced.
  • the surface structure 1 to be checked is advantageously firmly applied to a carrier substrate 6 or tool insert 6 .
  • a tool insert 6 often also referred to as a "shim”
  • a light guide to be produced by means of the tool insert 6 is physically reproduced due to the light guide 5 formed by the liquid 4 according to the invention, albeit usually with a different material and not statically. This allows an advantageous check to be made as to whether all the flaws and imperfections on the surface structure really play a role in the light guides produced later or not.
  • FIG. 3 and FIG. 3 shows the basic sketch of a possible error-prone checking variant of a surface structure in the prior art
  • FIG. 4 shows the basic sketch of a possible checking variant of a surface structure within the scope of the present method.
  • one surface structure 1 is irradiated, for example, with essentially parallel white light, which is caused here by the elements of the surface structure 1 (here: microprisms) is indicated by rays incident from the top left.
  • the rays emerging from the elements of the surface structure 1 are thereby visualized by a visual Inspection with a camera or by an observer detected and evaluated.
  • the double boxes A, B and C outline what can be seen from selectable viewing angles.
  • the left box of a double box A, B, C would stand for a view from -10° from the perpendicular bisector and the right box of a double box for a view from +10° from the perpendicular bisector (angle measured in the horizontal).
  • the two right-hand elements of the surface structure 1 have a high brightness in the -10° direction and a medium brightness in the +10° direction. Based on these results, the surface structure 1 could be declared defective because there are too many fluctuations in brightness.
  • parameters in such a test could include, for example, the homogeneity of the luminance images that were recorded from -10° and +10° horizontally from the perpendicular bisector (e.g. by “area scan”), to serve.
  • These homogeneities of the two luminance images are each defined as the minimum value divided by the maximum value of the luminance in the luminance image. If these two homogeneities for the two luminance images recorded from the two directions are less than 50%, for example, the examination of the surface structure is negative, otherwise positive.
  • (relative) gradients for luminance variations within the luminance images could also serve, with the luminance images again being recorded from -10° and +10° horizontally from the perpendicular bisector, in particular by "Area Scan".
  • These (relative) gradients of the two luminance images could, for example, be defined as the strongest percentage changes in luminance within a radius of, for example, 3 (or 5 or 10 or another selectable number of) pixels. The largest (relative) gradient in percent is then determined for each luminance image. If these two (relative) gradients for the two luminance images recorded from the two directions are greater than 25%, for example, then the examination of the surface structure is negative, otherwise it is positive.
  • a tool insert 6 can advantageously consist of a metal or a metal alloy, for example nickel, nickel-cobalt, nickel-phosphorus, stainless steel, brass, copper or aluminum.
  • FIGS. 1 and 2 can also be used to explain an arrangement for non-destructive testing of a surface structure 1, with which in particular the method described above can be carried out.
  • This arrangement comprises either a trough 2 (see FIG. 1) or a cavity 2a (see FIG. 1) forms a layer with a thickness, whereby a thickness variation of the liquid 4 above said part of the surface structure 1 is at most 50% of the maximum thickness of the liquid 4 above the surface structure 1, so that the liquid 4 has a light guide 5 with two large areas on top and below, which has an inverse form of the surface structure 1 on a first major area and is delimited by this and is delimited on a second major area by air or another gas.
  • the arrangement also includes means 3 for coupling light into the light guide 5, so that due to the light guiding effect in the light guide 5, said inverse shape of the surface structure 1 is exposed to light on the first large area, whereby at least part of the light coupled into the light guide 5 is decoupled from the light guide 5 via the second large area.
  • the arrangement also includes a camera 7 for recording an image of the light coupled out of the second large surface of the light guide 5 and a computer unit with software (not shown here) connected to the camera 7, which evaluates the recorded image with regard to checking at least one specified parameter , the check being negative precisely when the evaluation of the at least one parameter shows that it is outside a predetermined parameter range, and otherwise being positive.
  • a trough 2 is used, in which the surface structure 1 to be checked is placed, with the trough 2 being at least partially filled with the liquid 4 .
  • the cavity 2a comprises at least one frame which the surface structure 1 and/or a carrier substrate 6, on which the surface structure 1 is arranged, is applied, with the cavity 2a sealing off watertight with the surface structure 1 and/or its carrier substrate 6, with the cavity 2a having means 3 for coupling light into the Cavity 2a, in particular in the light guide 5 formed from the liquid 4, includes.
  • these means 3 do not yet have to be permanently connected to the cavity 2a.
  • a method and an arrangement are described with which a surface structure, in particular that of a tool insert for optical structures, can be checked non-destructively.
  • the inspection only reveals optically relevant defects in the surface structures, without incorrectly evaluating those surface structures as faulty in which only optically irrelevant faults occur for the later optical function of the parts manufactured with the tool insert.
  • the method and the arrangement is able to check even fine optical structures in the micrometer or nanometer range.
  • the invention can also be implemented inexpensively using simple means and, as desired, requires only a comparatively small amount of time.
  • the invention described above can advantageously be used wherever sensitive optical and other surface structures are to be checked non-destructively, in particular - but not only - when checking the surface structure of tool inserts for the Fierposition of light guides.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum zerstörungsfreien Überprüfen einer Oberflächenstruktur (1), umfassend die Schritte: Bereitstellen der zu überprüfenden Oberflächenstruktur (1), Benetzen mindestens eines Teils der Oberflächenstruktur (1) mit einer Flüssigkeit (4), wobei die Dickenvariation der Flüssigkeit (4) oberhalb des besagten Teils der Oberflächenstruktur (1) höchstens 50% von der maximalen Dicke der Flüssigkeit (4) oberhalb der Oberflächenstruktur (1) beträgt, so dass die Flüssigkeit (4) einen Lichtleiter (5) bildet, welcher an einer ersten Großfläche die inverse Form der Oberflächenstruktur (1) aufweist und durch diese begrenzt ist und an einer zweiten Großfläche durch Luft oder ein anderes Gas begrenzt wird, Einkoppeln von Licht in den Lichteiter (5) durch Mittel (3) zur Einkopplung von Licht, so dass aufgrund des Lichtleiteffekts im Lichtleiter (5) die besagte inverse Form der Oberflächenstruktur (1) an der ersten Großfläche mit Licht beaufschlagt wird, wodurch mindestens ein Teil des in den Lichtleiter (5) eingekoppelten Lichtes aus dem Lichtleiter (5) über die zweite Großfläche ausgekoppelt, Aufzeichnen eines Bildes des aus der zweiten Großfläche des Lichtleiters (5) ausgekoppelten Lichtes, Auswertung des aufgezeichneten Bildes hinsichtlich mindestens eines Parameters, wobei die Überprüfung negativ ausfällt, wenn die Auswertung des mindestens einen Parameters ergibt, dass dieser außerhalb eines vorgebbaren Parameterbereichs liegt. Die Erfindung bezieht sich ferner auf das Verfahren umsetzende Anordnungen.

Description

Titel
[0001] Verfahren und Anordnung zum zerstörungsfreien Überprüfen einer Oberflächenstruktur Technisches Gebiet der Erfindung
[0002] Die Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der zerstörungsfreien Überprüfung von Oberflächenstrukturen, beispielsweise von Oberflächenstrukturen, die als Werkzeugeinsätze für die Erzeugung optischer Oberflächen auf einem Werkstück, insbesondere auf einem Lichtleiter, verwendet werden.
Stand der Technik
[0003] Zur zerstörungsfreien Überprüfung von Oberflächenstrukturen sind verschiedene mikroskopische und Fernfeld-Ansätze bekannt, die Elektronen, Photonen oder mechanische Abtastungen einsetzen. Hierzu zählen unter anderen Methoden wie etwa Rasterelektronenmikroskopie, Konfokalmikroskopie, Streumessungen oder auch visuelle Inspektionen auf Basis bestimmter räumlich und/oder in der Wellenlänge beschränkter Beleuchtungen.
[0004] So beschreibt die DE 10 2010 037 786 A1 ein Laser-Scanning-Mikroskop, bei welchem reflektiertes Licht detektiert und ausgewertet wird. Nachteilig dabei ist, dass nicht die optische Funktionsweise einer zu prüfenden optischen Oberflächenstruktur nachempfunden werden kann, wodurch auch hinreichend gute Oberflächenstrukturen fälschlicherweise aussortiert werden können.
[0005] Ferner offenbart die DE 197 54 647 A1 ein Rasterelektronenmikroskop. Während dieses eine exzellente Auflösung bietet, steht wiederum der vorgenannte Mangel im Vordergrund: Nachteilig ist auch hier, dass nicht die optische Funktionsweise einer zu prüfenden optischen Oberflächenstruktur nachempfunden werden kann, wodurch auch hinreichend gute Oberflächenstrukturen fälschlicherweise aussortiert werden können. [0006] In der US 2015/0253256 A1 wird ein Inspektionssystem beschrieben. Dabei kommt eine starke chromatische Aberration zum Einsatz, so dass unterschiedliche Wellenlängen verschiedene Ebenen eines Substrates beleuchten, wodurch wiederum rückreflektiertes Licht aus den verschiedenen Ebenen ausgewertet werden kann. Auch hiermit kann nicht die optische Funktionsweise einer zu prüfenden optischen Oberflächenstruktur nachempfunden werden.
[0007] Schließlich offenbart die US 9,952,393 B2 eine Lichtleiterstruktur, welche auf eloxiertem Aluminiumoxid und einem Fluoropolymer basiert. Hierbei kommen in bestimmten Ausgestaltungen Flüssigkeiten im Lichtleiter zum Einsatz. Die Schrift offenbart jedoch nicht, wie eine optische Oberflächenstruktur geprüft werden kann.
[0008] Den vorgenannten Verfahren und Anordnungen steht somit gemein, dass sie nicht die tatsächliche optische Wirkung eines mit einer solchen Oberflächenstruktur hergestellten Teiles nachempfinden und mithin fälschlicherweise Oberflächenstrukturen als defekt bewerten, die eigentlich nutzbar wären. Außerdem sind die Probengrößen von Rasterelektronenmikroskope als auch Laser-Scanning-Mikroskope limitiert und Mikrostrukturen können lediglich lokal vermessen werden.
Beschreibung der Erfindung
[0009] Es ist daher Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren und eine Anordnung zu beschreiben, mit welcher man eine Oberflächenstruktur, insbesondere die eines Werkzeugeinsatzes für die Herstellung von optischen Strukturen, zerstörungsfrei überprüfen kann. Die Überprüfung soll möglichst nur optisch relevante Mängel der Oberflächenstrukturen aufzeigen, ohne diejenigen Oberflächenstrukturen fälschlicherweise als fehlerhaft zu bewerten, bei denen für die spätere optische Funktion der mit dem Werkzeugeinsatz hergestellten Teile optisch nur irrelevante Fehler auftreten. Das Verfahren bzw. die Anordnung soll in der Lage sein, auch feine optische Strukturen im Mikro- bzw. Nanometerbereich zu überprüfen. Die Erfindung soll ferner mit möglichst einfachen Mitteln preiswert umsetzbar sein und die Überprüfung nur einen vergleichsweise geringen Zeitaufwand erfordern. [0010] Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst von einem Verfahren zum zerstörungsfreien Überprüfen einer Oberflächenstruktur, welches die im Folgenden aufgeführten Schritte umfasst. [0011] Zunächst wird die Oberflächenstruktur in einem Schritt a) bereitgestellt. In einem der Bereitstellung folgenden Schritt b) wird zunächst mindestens ein Teil der Oberflächenstruktur mit einer Flüssigkeit benetzt. Diese Benetzung führt zur Bildung einer Flüssigkeitsschicht auf dem besagten Teil der Oberflächenstruktur, d.h. oberhalb davon. Diese Schicht wird auf ihrer Unterseite durch die Oberflächenstruktur begrenzt und auf ihrer Oberseite durch ein gasförmiges Medium - in der Regel Luft oder ein anderes Gas - begrenzt und weist somit eine Schichtdicke - im Folgenden einfach als Dicke bezeichnet - auf. Eine Dickenvariation der Flüssigkeit oberhalb des besagten Teils der Oberflächenstruktur beträgt höchstens 50% von der maximalen Dicke der Flüssigkeit oberhalb der Oberflächenstruktur, so dass die Flüssigkeit einen Lichtleiter mit zwei Großflächen oben und unten bildet, welcher an einer ersten Großfläche die inverse Form der Oberflächenstruktur aufweist und durch diese begrenzt ist und an einer zweiten Großfläche durch Luft oder ein anderes Gas begrenzt wird.
[0012] Im nächsten Schritt c) wird Licht in den Lichtleiter eingekoppelt, wozu entsprechende Mittel zur Einkopplung von Licht verwendet werden. Die Mittel zur Lichteinkopplung koppeln das Licht bevorzugt direkt in die Flüssigkeit ein, und zwar derart, dass wenigstens ein Teil des eingekoppelten Lichtes in dem aus der Flüssigkeit gebildeten Lichtleiter durch totale interne Reflexion (Lichtleitereffekt) innerhalb des Lichtleiters propagiert, bis es wenigstens teilweise auf die inverse Form der Oberflächenstruktur trifft. Zweckmäßig befinden sich die Mittel zur Lichteinkopplung daher in der Flüssigkeit. Bei den Mitteln zur Lichteinkopplung kann es sich beispielsweise um LEDs handeln (welche bevorzugt wasserdicht in einem transparenten Material eingehaust sind, oder um einen oder mehrere weitere Lichtleiter, etwa bestehend aus einem transparenten Polymer wie beispielsweise PMMA oder Polycarbonat, welche Licht in den aus der Flüssigkeit bestehenden Lichtleiter einkoppeln. Aufgrund des Lichtleiteffekts im Lichtleiter wird durch die Lichteinkopplung die besagte inverse Form der Oberflächenstruktur an der ersten Großfläche mit Licht beaufschlagt, wodurch mindestens ein Teil des in den Lichtleiter eingekoppelten Lichtes aus dem Lichtleiter über die zweite Großfläche ausgekoppelt wird. [0013] Anschließend wird ein Bild des aus der zweiten Großfläche des Lichtleiters ausgekoppelten Lichtes in einem Schritt d) aufgezeichnet und in einem Schritt e) ausgewertet. Die Auswertung erfolgt hinsichtlich einer Überprüfung mindestens eines vorgegebenen Parameters, wobei die Überprüfung genau dann negativ ausfällt, d.h. zu einem negativen Ergebnis führt, wenn die Auswertung des mindestens einen Parameters ergibt, dass dieser außerhalb eines vorgegebenen Parameterbereichs liegt (ansonsten ist die Überprüfung positiv).
[0014] Beim besagten Aufzeichnen eines Bildes des aus der zweiten Großfläche des Lichtleiters ausgekoppelten Lichtes kann beispielsweise mit einer geeigneten Kamera ein Farbbild, ein Schwarzweißbild und/oder bevorzugt ein Leuchtdichtebild (d.h. eine Leuchtdichteverteilung über die Fläche) aufgezeichnet werden. Das Aufzeichnen eines Bildes schließt das Aufzeichnen mehrerer Bilder mit unterschiedlichen Belichtungszeiten mit ein, um daraus ein Bild mit einem höheren Dynamikumfang, nämlich eine sogenannte HDFt-Aufnahme, zu erzeugen. Ferner kann das jeweilige Bild jeweils aus lediglich einem Winkel, bevorzugt jedoch (sequenziell oder parallel) aus möglichst unterschiedlichen Winkeln aufgezeichnet werden, d.h. es gibt in diesem Falle mehrere derartige Bilder, die für die nachfolgende Auswertung zur Verfügung stehen.
[0015] Bei der Auswertung des aufgezeichneten Bildes hinsichtlich mindestens eines vorgegebenen Parameters können beispielsweise folgende Parameter vorgegeben werden: durchschnittliche Helligkeit, Peak-Helligkeit, Minimalhelligkeit,
Maximalhelligkeit, Homogenität (Minimalwert dividiert durch Maximalwert), Regenbogensichtbarkeit (d.h., Quantifizierung von Farbverläufen, etwa auch durch Ermitteln der Homogenität der Farbwerte X und Y über die Fläche des Bildes), Fehlstellensichtbarkeit (etwa durch die Auswertung von Gradienten über die Helligkeit der Fläche; diese sollten einen bestimmten Grenzwert nicht überschreiten) und/oder Sichtbarkeit von Hotspots (beispielsweise durch die Kontrastermittlung entlang einer im Bild festgelegten Linie, etwa im Abstand von wenigen Millimetern von den Mitteln zur Einkopplung von Licht). Andere und/oder weitere Parameter sind möglich. Für die Identifikation von Defekten in Bildern existieren eine Vielzahl von Algorithmen im Stand der Technik.
[0016] Für jeden solchen Parameter wird eine unter Berücksichtigung eines Toleranzbereichs zu erreichende Zielgröße bzw. ein zu erreichender Zielgrößenbereich vorgegeben, welcher identisch zum vorgegebenen Parameterbereich ist.
[0017] Bevorzugt findet die besagte Auswertung mittels eines Prozessors mit Software statt. Es kann aber auch eine dezidierte Anordnung hierzu vorliegen, die mindestens eine entsprechende Auswerteelektronik aufweist. [0018] Dabei fällt die Überprüfung negativ aus, wenn die Auswertung des mindestens einen Parameters - oder, bei Nutzung gleichzeitig mehrerer Parameter, die Auswertung aller Parameter mindestens für einen Parameter - ergibt, dass dieser außerhalb des vorgegebenen Parameterbereichs liegt. Ansonsten ist die Überprüfung positiv. [0019] In einer ersten Ausgestaltung der Erfindung werden die Schritte b) und c) wie im
Folgenden beschrieben umgesetzt: Zunächst wird die Oberflächenstruktur - bzw. ein Trägersubstrat, an dem die Oberflächenstruktur angebracht ist - in eine Wanne eingelegt. Dann wird die Wanne mit einer Flüssigkeit befüllt, so dass die Flüssigkeit einen durch die Dimensionen der Wanne begrenzten Lichtleiter bildet, welcher an einer ersten Großfläche die inverse Form der Oberflächenstruktur aufweist. Schließlich wird mittels der Mittel zur Lichteinkopplung Licht in den Lichtleiter eingekoppelt, wobei diese Mittel in die Flüssigkeit eingetaucht werden, so dass aufgrund des Lichtleiteffekts im Lichtleiter die besagte inverse Form der Oberflächenstruktur an der ersten Großfläche mit Licht beaufschlagt wird, wodurch mindestens ein Teil des in den Lichtleiter eingekoppelten Lichtes aus dem Lichtleiter über eine zweite Großfläche ausgekoppelt wird. Die Wanne kann beispielsweise aus Metall oder Plastik, etwa PMMA oder Polycarbonat, bestehen.
[0020] In einer zweiten Ausgestaltung der Erfindung werden die Schritte b) und c) demgegenüber wie im Folgenden beschrieben umgesetzt: Eine Kavität wird an der Oberflächenstruktur und/oder an einem Trägersubstrat, auf welcher die Oberflächenstruktur angeordnet ist, angebracht, wobei die Kavität wasserdicht mit der Oberflächenstruktur und/oder dem Trägersubstrat abschließt, und wobei die Kavität Mittel zur Einkopplung von Licht in die Kavität umfasst und optional an mindestens einer Schmalseite wenigstens teilweise transparent ist. Anschließend wird die Kavität mit einer Flüssigkeit befüllt, so dass die Flüssigkeit einen durch die Dimensionen der Kavität begrenzten Lichtleiter bildet, welcher an einer ersten Großfläche die inverse Form der Oberflächenstruktur aufweist. In den Lichtleiter wird dann Licht eingekoppelt, wozu die Mittel zur Einkopplung von Licht verwendet werden. So wird aufgrund des Lichtleiteffekts im Lichtleiter die besagte inverse Form der Oberflächenstruktur an der ersten Großfläche der Kavität mit Licht beaufschlagt, wodurch mindestens ein Teil des in die Kavität eingekoppelten Lichtes aus dem Lichtleiter über eine zweite Großfläche ausgekoppelt wird. [0021] Bei den Mitteln zur Einkopplung von Licht kann es sich beispielweise um eine Leuchtdiode oder bevorzugt um eine LED-Zeile handeln, die wasserfest ist. Die Kavität kann beispielsweise aus Metall oder Plastik, etwa PMMA oder Polycarbonat, bestehen. Die Kavität kann ferner z.B. mittels Klebeband wasserdicht auf der Oberflächenstruktur befestigt werden. Dabei ist es vorteilhaft, aber nicht notwendig, dass der strukturierte Bereich der Oberflächenstruktur kleiner als die Fläche der Kavität ist, so dass die Schmalseiten der Kavität außerhalb des strukturierten Bereichs auf der Oberflächenstruktur aufsetzen. Die Kavität ist bevorzugt in Richtung des aus dem aus der Flüssigkeit bestehenden Lichtleiters ausgekoppelten Lichtes offen und/oder transparent.
[0022] In den meisten Anwendungsfällen entspricht die erste Großfläche der Unterseite und die zweite Großfläche der Oberseite des Lichtleiters.
[0023] Vorzugsweise ist die Flüssigkeit für sichtbares Licht transparent und sie besteht bevorzugt aus entionisiertem oder destilliertem Wasser. Andere Ausgestaltungen sehen vor, dass es sich bei der Flüssigkeit um einen Alkohol oder eine andere Flüssigkeit handelt, welche sich rückstandfrei von der Oberflächenstruktur entfernen lässt bzw. von dort rückstandsfrei verdunstet. Für besondere Anwendungsfälle kann die Flüssigkeit auch oder ausschließlich im nicht für das menschliche Auge sichtbaren Wellenlängenbereich transparent sein, etwa im UV- oder IR-Bereich, z.B. wenn Oberflächenstrukturen getestet werden sollen, deren optischer Effekt in solchen
Wellenlängenbereichen liegt.
[0024] Das erfindungsgemäße Verfahren erlangt besondere Bedeutung, wenn die zu überprüfende Oberflächenstruktur invers zur Auskoppelstruktur der Großfläche eines (mittels der Oberflächenstruktur herzustellenden) Lichtleiters ausgebildet ist. Somit gilt, dass die inverse Form der zu überprüfenden Oberflächenstruktur wiederum eine nicht inverse Form einer tatsächlichen Auskoppelstruktur eines Lichtleiters bildet, und zwar auch, sofern vorhanden, mit Fehlstellen in der Oberflächenstruktur selbst und/oder auf der die Oberflächenstruktur tragenden Oberfläche, die es im Rahmen des Verfahrens zu überprüfen gilt. Aufgrund der Erfindung wird somit die Funktionsweise eines (mittels der Oberflächenstruktur herzustellenden) Lichtleiters nachempfunden, ohne die
Oberflächenstruktur zu zerstören. Es ist dabei noch zu beachten, dass die Dicke der Flüssigkeit typischerweise von der Dicke des Lichtleiters abweicht, um einen homogen hellen Lichtleiter zu erhalten, der die Identifikation von Defekten erleichtert, da die Auskopplung des Lichts sich qualitativ zwischen dem Flüssigkeitslichtleiter und einem mit Hilfe der Oberflächenstruktur erzeugbaren soliden Lichtleiter (z.B. bestehend aus einem Polymer) unterscheidet. Im Falle des Flüssigkeitslichtleiters wird das Licht ausschließlich reflektierend ausgekoppelt. Im Falle von soliden Lichtleitern hingegen erfolgt die Ablenkung durch Brechzahlheterogeneitäten, die in den meisten Fällen weniger effizient als Reflexionen sind. Daher ist der Flüssigkeitslichtleiter in der Regel dicker als ein solider Lichtleiter. Beispielsweise beträgt für einen 2 mm dicken soliden Lichtleiter, der Licht mit Hilfe von prismatischen Strukturen auskoppelt, die optimale Höhe des Flüssigkeitsfilms zur annähernden Nachbildung der optischen Funktionalität auf Basis der Oberflächenstruktur um etwa 5 mm. Ist die Höhe des Flüssigkeitsfilms geringer, so reduziert sich die Helligkeit mit dem Abstand zu den Mitteln zur Einkopplung von Licht in die Flüssigkeit. Bei größeren Filmdicken der Flüssigkeit steigt die Helligkeit mit dem Abstand. Die optimale Höhe muss jeweils für die entsprechende Anwendung bzw. Oberflächenstruktur bestimmt werden. [0025] Das erfindungsgemäße Verfahren kann auch dann vorteilhaft angewendet werden, wenn die zu überprüfende Oberflächenstruktur in der Polarität wie die Auskoppelstruktur auf der Großfläche eines (mittels der Oberflächenstruktur herzustellenden) Lichtleiters ausgebildet ist. Dabei gilt, dass die inverse Form der zu überprüfenden Oberflächenstruktur wiederum eine inverse Form einer tatsächlichen Auskoppelstruktur eines Lichtleiters bildet, und zwar auch, sofern vorhanden, mit Fehlstellen in der Oberflächenstruktur selbst und/oder auf der die Oberflächenstruktur tragenden Oberfläche, die es im Rahmen des Verfahrens zu überprüfen gilt. Aufgrund der Erfindung wird somit die Funktionsweise eines (mittels der Oberflächenstruktur herzustellenden) Lichtleiters nachempfunden, ohne die Oberflächenstruktur zu zerstören. Für diesen Anwendungsfall müssen ebenso entsprechende Parameter festgelegt werden, denn das aus dem mittels der Flüssigkeit erzeugten Lichtleiter ausgekoppelte Licht weist in aller Regel eine andere Verteilung auf als der final zu erzeugende Lichtleiter. Ein herzustellender Lichtleiter würde in diesem Falle etwa mit einem Negativ (getauschte Polarität, z.B. mittels einer Kopie) der hier zu überprüfenden Oberflächenstruktur hergestellt.
[0026] Es ist anzumerken, dass das erfindungsgemäße Verfahren auch dann angewendet werden kann, wenn die zu überprüfende Oberflächenstruktur nicht der Auskoppelstruktur eines Lichtleiters und auch nicht deren inverser Form entspricht. In diesem Falle kann für die Auswertung auch mindestens ein Parameter, bevorzugt mehrere, festgelegt werden, wie weiter oben beschrieben.
[0027] Vorteilhaft ist die zu überprüfende Oberflächenstruktur fest auf einem Werkzeugeinsatz aufgebracht. Ein solcher Werkzeugeinsatz, oftmals auch als „Shim“ bezeichnet, beinhaltet in seiner Oberflächenstruktur z.B. konvexe Mikroprismen, die dann im durch die Flüssigkeit gebildeten Lichtleiter -wie auch in einem mittels des Werkzeugeinsatzes herzustellender Lichtleiter- konkav sind und als definierte Auskoppelstrukturen für Licht dienen. Mit anderen Worten: Ein mittels des Werkzeugeinsatzes herzustellender Lichtleiter wird aufgrund des erfindungsgemäß durch die Flüssigkeit gebildeten Lichtleiter physisch nachgebildet, wenn auch üblicherweise mit einem anderen Material und nicht statisch. Diese erlaubt die vorteilhafte Überprüfung, ob wirklich alle auf der Oberflächenstruktur vorhandenen Fehlstellen und Unzulänglichkeiten auf später hergestellten Lichtleitern sichtbar sind oder nicht. [0028] Ein solcher Werkzeugeinsatz kann vorteilhaft aus einem Metall oder einer
Metalllegierung bestehen, z.B. aus Nickel, Nickel-Kobalt, Nickel-Phosphor, einem rostfreien Stahl, Messing, Kupfer oder aus Aluminium. Alternativ ist es möglich, dass der Werkzeugeinsatz 6 aus einem Glas oder einem Polymer besteht, z.B. aus einem acrylbasierten, ausgehärteten Lack. [0029] Weiterhin kann es von Vorteil sein, wenn die Mittel zur Einkopplung von Licht in den Lichtleiter zusätzlich zu einem Leuchtmittel -wie mindestens einer LED oder einer LED-Zeile- eine Einkoppelstruktur umfassen. Derartige Einkoppelstrukturen sind dem Fachmann geläufig und werden häufig bei der Einkopplung von Licht aus LED-Zeilen in die Schmalseiten von Lichtleitern angewendet, insbesondere um die Lichtverteilung im Lichtleiter zu homogenisieren und/oder „Hotspot“-Artefakte zu verringern oder ganz zu verhindern. Solche Einkoppelstrukturen, auch als „Serration“ bekannt, bestehen beispielsweise aus konvexen und/oder konkaven Lentikulär-, Prismen-, Linsen- oder Hexagonalstrukturen (oder auch aus noch anderen Strukturen).
[0030] Die Anwendung einer solchen Einkoppelstruktur im Rahmen der Erfindung kann dafür sorgen, dass der aus der Flüssigkeit bestehende Lichtleiter eine vergleichbare Lichteinkopplung erfährt, wie ein mittels der Oberflächenstruktur später herzustellender Lichtleiter, so dass das aufgezeichnete Bild noch näher an ein Bild des optischen Verhaltens eines später herzustellenden Lichtleiters heranreicht.
[0031] In einer weiterführenden Ausgestaltung wird zur Aufzeichnung des Bildes in Schritt d) eine Kamera verwendet, der eine konoskopische Abbildungsoptik, beispielsweise in Form eines entsprechenden Objektivs oder Mikroskopaufbaus, vorgeschaltet ist. Bei der Konoskopie handelt es sich um ein Kontrastverfahren zur Abbildung transparenter oder leuchtender Objekte, welches Helligkeit winkelaufgelöst misst. Die in den vorherigen Abschnitten beschriebene Systematik ist besonders geeignet, um beispielsweise Defekte über die Oberfläche einer mikrostrukturierten Oberfläche zu detektieren. Hierbei ist es jedoch unmöglich, systematische Abweichungen der Strukturen zu detektieren, z.B. Strukturwinkel oder Verrundungen der Auskoppelstrukturen, etwa im Fall von Mikroprismen. Diese Fehler können jedoch mittels einer winkelaufgelösten Helligkeitsmessung detektiert werden. Unter anderem lassen die Winkelkoordinate und Halbwertsbreite eines Emissionspeaks auf die Güte der Mikrostrukturen schließen. Die Konoskopie ist daher besonders gut geeignet, eventuelle Fehler bzw. Parameterabweichungen zu erkennen. Alternativ kann die winkelaufgelöste Helligkeit durch ein Goniometer, an das ein Lichtsensor befestigt ist, bestimmt werden.
[0032] Die Aufgabe der Erfindung wird von einer Anordnung zum zerstörungsfreien Überprüfen einer Oberflächenstruktur gelöst. Eine solche Anordnung umfasst eine Kavität zur Aufnahme einer Flüssigkeit, wobei die Flüssigkeit mindestens einen Teil der zu überprüfenden Oberflächenstruktur benetzt und oberhalb des besagten Teils der Oberflächenstruktur eine Schicht mit einer Dicke bildet, wobei eine Dickenvariation der Flüssigkeit oberhalb des besagten Teils der Oberflächenstruktur höchstens 50% von der maximalen Dicke der Flüssigkeit oberhalb der Oberflächenstruktur beträgt, so dass die Flüssigkeit einen Lichtleiter mit zwei Großflächen oben und unten bildet, welcher an einer ersten Großfläche eine inverse Form der Oberflächenstruktur aufweist und durch diese begrenzt ist und an einer zweiten Großfläche durch Luft oder ein anderes Gas begrenzt wird. Die Anordnung umfasst au ßerdem Mittel zur Einkopplung von Licht in den Lichtleiter, so dass aufgrund des Lichtleiteffekts im Lichtleiter die besagte inverse Form der Oberflächenstruktur an der ersten Großfläche mit Licht beaufschlagt wird, wodurch mindestens ein Teil des in den Lichtleiter eingekoppelten Lichtes aus dem Lichtleiter über die zweite Großfläche ausgekoppelt wird. Schließlich umfasst die Anordnung noch eine Kamera zur Aufzeichnung eines Bildes des aus der zweiten Großfläche des Lichtleiters ausgekoppelten Lichtes sowie eine mit der Kamera verbundene Recheneinheit mit Software, die das aufgezeichnete Bild hinsichtlich der Überprüfung mindestens eines vorgegebenen Parameters auswertet, wobei die Überprüfung genau dann negativ ausfällt, wenn die Auswertung des mindestens einen Parameters ergibt, dass dieser außerhalb eines vorgegebenen Parameterbereichs liegt, und ansonsten positiv ausfällt.
[0033] In einer ersten Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Anordnung umfasst die Kavität mindestens einen Rahmen, welcher auf die Oberflächenstruktur und/oder ein Trägersubstrat, auf welcher die Oberflächenstruktur angeordnet ist, aufgebracht ist, wobei die Kavität wasserdicht mit der Oberflächenstruktur und/oder dessen Trägersubstrat abschließt, wobei die Kavität ferner an mindestens einer Schmalseite wenigstens teilweise transparent (auch offen gilt hier als transparent) ist und Mittel zur Einkopplung von Licht in die Kavität umfasst.
[0034] Demgegenüber weist in einer zweiten Ausgestaltung die Kavität eine Wannenform auf, in welcher die zu überprüfende Oberflächenstruktur eingelegt ist, wobei die Kavität mindestens teilweise mit der Flüssigkeit gefüllt ist.
[0035] Bei beiden Ausgestaltungen kann der Kamera eine konoskopische Abbildungsoptik vorgeordnet sein.
[0036] Es gelten für die erfindungsgemäße Anordnung sinngemäß die weiter oben schon im Detail beschriebenen Ausführungen, die hier aus Redundanzgründen nicht noch einmal wiederholt werden sollen.
[0037] Grundsätzlich bleibt die Leistungsfähigkeit der Erfindung erhalten, wenn die vorbeschriebenen Parameter in bestimmten Grenzen variiert werden.
[0038] Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in den angegebenen Kombinationen, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung einsetzbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen. Kurze Beschreibung der Zeichnungen
[0039] Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen, die ebenfalls erfindungswesentliche Merkmale offenbaren, noch näher erläutert. Diese Ausführungsbeispiele dienen lediglich der Veranschaulichung und sind nicht als einschränkend auszulegen. Beispielsweise ist eine Beschreibung eines Ausführungsbeispiels mit einer Vielzahl von Elementen oder Komponenten nicht dahingehend auszulegen, dass alle diese Elemente oder Komponenten zur Implementierung notwendig sind. Vielmehr können andere Ausführungsbeispiele auch alternative Elemente und Komponenten, weniger Elemente oder Komponenten oder zusätzliche Elemente oder Komponenten enthalten. Elemente oder Komponenten verschiedener Ausführungsbespiele können miteinander kombiniert werden, sofern nichts anderes angegeben ist. Modifikationen und Abwandlungen, welche für eines der Ausführungsbeispiele beschrieben werden, können auch auf andere Ausführungsbeispiele anwendbar sein. Zur Vermeidung von Wiederholungen werden gleiche oder einander entsprechende Elemente in verschiedenen Figuren mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet und nicht mehrmals erläutert. Es zeigen:
[0040] Fig. 1 eine Prinzipskizze zur Umsetzung eines Verfahrens zum Überprüfen einer Oberflächenstruktur in einer ersten Ausgestaltung,
[0041] Fig. 2 eine Prinzipskizze zur Umsetzung eines Verfahrens zum Überprüfen einer Oberflächenstruktur in einer zweiten Ausgestaltung,
[0042] Fig. 3 eine Prinzipskizze zu einer möglichen fehlerbehafteten Überprüfungsvariante einer Oberflächenstruktur im Stand der Technik, sowie
[0043] Fig. 4 eine Prinzipskizze zu einer möglichen Überprüfungsvariante einer Oberflächenstruktur im Rahmen des vorliegenden Verfahrens.
Ausführliche Beschreibung der Zeichnungen
[0044] Die Zeichnungen sind nicht maßstabsgetreu und geben lediglich Prinzipdarstellungen wieder. In allen Zeichnungen sind ferner nur wenige ausgewählte Elemente und Strahlen dargestellt, obwohl in der physischen Ausgestaltung jeweils eine Vielzahl von Strahlen und/oder Elementen einer Oberflächenstruktur vorhanden ist. [0045] Die Zeichnung Fig.1 zeigt die die Prinzipskizze zur Umsetzung eines Verfahrens zum Überprüfen einer Oberflächenstruktur in einer ersten Ausgestaltung. Das entsprechende Verfahren zum zerstörungsfreien Überprüfen einer Oberflächenstruktur 1 umfasst anschließend die im Folgenden erläuterten Schritte: [0046] In einem ersten Schritt a) wird zunächst die Oberflächenstruktur bereitgestellt.
In einem darauf folgenden zweiten Schritt b) wird mindestens ein Teil der Oberflächenstruktur 1 mit einer Flüssigkeit 4 benetzt. Diese Benetzung führt zur Bildung einer Flüssigkeitsschicht auf dem besagten Teil der Oberflächenstruktur 1 , d.h. oberhalb davon. Diese Schicht (bestehend aus der Flüssigkeit 4) wird auf ihrer Unterseite durch die Oberflächenstruktur 1 begrenzt und auf ihrer Oberseite durch ein gasförmiges Medium - in der Regel Luft oder ein anderes Gas - begrenzt und weist somit eine Schichtdicke - im Folgenden als Dicke bezeichnet - auf. Eine Dickenvariation der Flüssigkeit 4 oberhalb des besagten Teils der Oberflächenstruktur 1 beträgt höchstens 50% von der maximalen Dicke der Flüssigkeit 4 oberhalb der Oberflächenstruktur 1 , so dass die Flüssigkeit 4 einen Lichtleiter 5 mit zwei Großflächen oben und unten bildet, welcher an einer ersten Großfläche die inverse Form der Oberflächenstruktur 1 aufweist und durch diese begrenzt ist und an einer zweiten Großfläche durch Luft oder ein anderes Gas begrenzt wird. Für besondere Ausgestaltungen ist es auch denkbar, dass die Flüssigkeit 4 an deren zweiter Großfläche nicht durch Luft oder ein anderes Gas begrenzt wird, sondern durch ein transparentes Material wie etwa Glas oder ein Polymer wie PMMA, PMMI oder Polycarbonat.
[0047] Im nächsten Schritt c) wird Licht in den Lichtleiter 5 eingekoppelt, wozu entsprechende Mittel 3 zur Einkopplung von Licht verwendet werden, beispielsweise Leuchtmittel wie etwa eine LED oder eine LED-Zeile, jeweils wasserfest, was beispielsweise durch eine transparente Einhausung mittels Polymermaterialien gewährleistet werden kann. Aufgrund des Lichtleiteffekts im Lichtleiter 5 - dieser ist in Fig. 1 durch die durchgezogenen Striche mit Pfeilen symbolisiert - wird die besagte inverse Form der Oberflächenstruktur 1 an der ersten Großfläche mit Licht beaufschlagt, wodurch mindestens ein Teil des in den Lichtleiter 5 eingekoppelten Lichtes aus dem Lichtleiter 5 über die zweite Großfläche ausgekoppelt wird, was durch die gestrichelten Pfeile symbolisiert wird.
[0048] Anschließend wird ein Bild des aus der zweiten Großfläche des Lichtleiters 5 ausgekoppelten Lichtes in einem Schritt d) aufgezeichnet und in einem Schritt e) ausgewertet. Die Auswertung erfolgt hinsichtlich einer Überprüfung mindestens eines vorgegebenen Parameters, wobei die Überprüfung genau dann negativ ausfällt, d.h. zu einem negativen Ergebnis führt, wenn die Auswertung des mindestens einen Parameters ergibt, dass dieser außerhalb eines vorgegebenen Parameterbereichs liegt (ansonsten ist die Überprüfung positiv).
[0049] Eine zu überprüfende Oberflächenstruktur 1 kann beispielsweise eine Vielzahl an gleichen oder mindestens teilweise unterschiedlichen Mikrolinsen, Mikroprismen, Gitterstrukturen, streuende Strukturen und/oder andere dreidimensionale
Mikrostrukturen enthalten, deren Größe im Mikrometerbereich oder Submikrometerbereich liegt.
[0050] Die Dicke bzw. Schichtdicke der Flüssigkeit 4 kann beispielsweise wenige 50 Mikrometer bis wenige oder einige Millimeter betragen, bevorzugt jedoch zwischen 0,3 Millimetern und 3 Millimetern, 5 Millimetern oder 10 Millimetern liegen.
[0051] Es werden in der ersten Ausgestaltung der Erfindung gemäß Fig.1 die Schritte b) und c) wie im Folgenden beschrieben umgesetzt: Die Oberflächenstruktur 1 wird in eine Wanne 2 eingelegt. Die Wanne 2 wird mit einer Flüssigkeit 4 befüllt, so dass die Flüssigkeit einen durch die Dimensionen der Wanne 2 begrenzten Lichtleiter 5 bildet, welcher an einer ersten Großfläche die inverse Form der Oberflächenstruktur 1 aufweist. Die Befüllung der Wanne 2 kann vor dem Einlegen oder auch danach erfolgen. Schließlich wird mittels der Mittel 3 zur Lichteinkopplung Licht in den Lichtleiter 5 eingekoppelt, wobei diese Mittel in die Flüssigkeit 4 eingetaucht werden, so dass aufgrund des Lichtleiteffekts im Lichtleiter 5 die besagte inverse Form der Oberflächenstruktur 1 an der ersten Großfläche mit Licht beaufschlagt wird, wodurch mindestens ein Teil des in den Lichtleiter 5 eingekoppelten Lichtes aus dem Lichtleiter 5 über eine zweite Großfläche ausgekoppelt wird. Die Wanne 2 kann beispielsweise aus
Metall oder Plastik, etwa PMMA oder Polycarbonat, bestehen.
[0052] Die Darstellung gemäß Fig.1 zeigt die Umsetzung des Verfahrens mindestens nach den Schritten a) bis c). Bei der in Fig. 1 gezeigten Ausgestaltung befinden sich die Mittel 3 zur Lichteinkopplung in der Flüssigkeit 4 und koppeln das Licht direkt in diese ein. Alternativ ist auch eine Anordnung an den Schmalseiten der Wanne 2 - etwa in Fig. 1 innerhalb der Begrenzungen auf der rechten und linken Seite - möglich, sofern diese transparent sind. [0053] Beim besagten Aufzeichnen eines Bildes des aus der zweiten Großfläche des durch die Flüssigkeit 4 gebildeten Lichtleiters 5 ausgekoppelten Lichtes kann beispielsweise mit einer geeigneten Kamera 7 ein Farbbild, ein Schwarzweißbild und/oder bevorzugt ein Leuchtdichtebild (d.h. eine Leuchtdichteverteilung über die Fläche) aufgezeichnet werden. Ferner kann das jeweilige Bild jeweils aus lediglich einem Winkel, bevorzugt jedoch (sequenziell oder parallel) aus möglichst unterschiedlichen Winkeln aufgezeichnet werden, d.h. es gibt in diesem Falle mehrere derartige Bilder, die für die nachfolgende Auswertung zur Verfügung stehen.
[0054] Bei der Auswertung des aufgezeichneten Bildes hinsichtlich der Überprüfung des mindestens eines Parameters können beispielsweise folgende Parameter in Frage kommen: durchschnittliche Helligkeit, Peak-Helligkeit, Minimalhelligkeit,
Maximalhelligkeit, Homogenität (Minimalwert dividiert durch Maximalwert), Regenbogensichtbarkeit (d.h., Quantifizierung von Farbverläufen, etwa auch durch Ermitteln der Homogenität der Farbwerte X und Y über die Fläche des Bildes), Fehlstellensichtbarkeit (etwa durch die Auswertung von Gradienten über die Helligkeit der Fläche; diese sollten einen bestimmten Grenzwert nicht überschreiten) und/oder Sichtbarkeit von Hotspots (beispielsweise durch die Kontrastermittlung entlang einer im Bild festgelegten Linie, etwa im Abstand von wenigen Millimetern von den Mitteln 3 zur Einkopplung von Licht). Andere und/oder weitere Parameter sind möglich. Für jeden solchen Parameter wird eine zu erreichende Zielgröße mit entsprechenden Toleranzen bzw. ein zu erreichender Zielgrößenbereich vorgegeben, was auch als Parameterbereich bezeichnet wird.
[0055] Bevorzugt findet die besagte Auswertung mittels eines Prozessors mit Software statt. Es kann aber auch eine dezidierte Anordnung hierzu vorliegen, die mindestens eine entsprechende Auswerteelektronik aufweist.
[0056] Dabei fällt die Überprüfung negativ aus, wenn die Auswertung des mindestens einen Parameters - oder, bei Nutzung gleichzeitig mehrerer Parameter, die Auswertung aller Parameter mindestens für einen Parameter - ergibt, dass dieser außerhalb eines vorgegebenen Parameterbereichs liegt. Ansonsten ist die Überprüfung positiv. [0057] Die Fig.2 zeigt die Prinzipskizze zur Umsetzung eines Verfahrens zum
Überprüfen einer Oberflächenstruktur in einer zweiten Ausgestaltung. Dabei werden die Schritte b) und c) wie im Folgenden beschrieben umgesetzt: [0058] An der Oberflächenstruktur 1 und/oder an einem Trägersubstrat 6, auf welchem die Oberflächenstruktur 1 angeordnet ist, wird eine Kavität 2a angebracht, wobei die Kavität 2a wasserdicht mit der Oberflächenstruktur 1 und/oder dem Trägersubstrat 6 abschließt, und wobei die Kavität 2a Mittel 3 zur Einkopplung von Licht in die Kavität 2a umfasst (die Mittel 3 können jedoch auch separat von der Kavität 2a in selbiger bereitgestellt werden) und optional an mindestens einer Schmalseite - in Fig. 2 die links und rechts gezeigten Begrenzungen - wenigstens teilweise transparent ist. Die Kavität 2a wird anschließend mit einer Flüssigkeit 4 befüllt, so dass die Flüssigkeit 4 einen durch die Dimensionen der Kavität 2a begrenzten Lichtleiter 5 bildet, welcher an einer ersten Großfläche die inverse Form der Oberflächenstruktur 1 aufweist. Anschließend wird mittels der Mittel 3 Licht in den Lichtleiter 5 eingekoppelt, so dass aufgrund des Lichtleiteffekts im Lichtleiter 5 die besagte inverse Form der Oberflächenstruktur 1 an bzw. nahe der ersten Großfläche der Kavität 2a mit Licht beaufschlagt wird, wodurch mindestens ein Teil des in die Kavität 2a eingekoppelten Lichtes aus dem Lichtleiter 5 über eine zweite Großfläche ausgekoppelt wird.
[0059] Bei den Mitteln 3 zur Einkopplung von Licht kann es sich beispielweise um eine LED-Zeile handeln, die wasserfest ist. Die Kavität 2a kann beispielsweise aus Metall oder Plastik, etwa PMMA oder Polycarbonat, bestehen. Die Kavität 2a kann ferner z.B. mittels Klebeband wasserdicht auf der Oberflächenstruktur befestigt werden. Dabei ist es vorteilhaft, aber nicht notwendig, dass der strukturierte Bereich der Oberflächenstruktur 1 kleiner als die Fläche der Kavität 2a ist, so dass die Schmalseiten der Kavität 2a außerhalb des strukturierten Bereichs auf der Oberflächenstruktur 1 aufsetzen. Die Kavität 2a ist bevorzugt in Richtung des aus dem aus der Flüssigkeit 4 bestehenden Lichtleiters 5 ausgekoppelten Lichtes offen und/oder transparent (in Fig.2 durch den gestrichelten Kasten an der Oberseite der Kavität 2a angedeutet).
[0060] In den hier vorgestellten Ausgestaltungsfällen entspricht die erste Großfläche der Unterseite und die zweite Großfläche der Oberseite des Lichtleiters 5. Vorzugsweise ist die Flüssigkeit 4 für sichtbares Licht transparent und sie besteht bevorzugt aus entionisiertem oder destilliertem Wasser. Andere Ausgestaltungen sind möglich, beispielsweise auf Basis von Alkohol.
[0061] Das vorangehend beschriebene Verfahren erlangt besondere Bedeutung, wenn die zu überprüfende Oberflächenstruktur 1 invers zur Auskoppelstruktur der Großfläche eines (mittels der Oberflächenstruktur 1 herzustellenden) Lichtleiters ausgebildet ist. [0062] Somit gilt, dass die inverse Form der zu überprüfenden Oberflächenstruktur 1 wiederum eine nicht-inverse Form einer tatsächlichen Auskoppelstruktur eines Lichtleiters bildet, und zwar auch, sofern vorhanden, mit Fehlstellen in der Oberflächenstruktur selbst und/oder auf der die Oberflächenstruktur tragenden Oberfläche, die es im Rahmen des Verfahrens zu überprüfen gilt. Aufgrund der Erfindung wird somit die Funktionsweise eines (mittels der Oberflächenstruktur 1 herzustellenden) Lichtleiters nachempfunden, ohne die Oberflächenstruktur 1 zu zerstören. Es ist dabei noch zu beachten, dass die Dicke der Flüssigkeit 4 bevorzugt nicht mehr als 40% bis 60% von der Dicke des Lichtleiters abweichen sollte, für welchen die zu überprüfende Oberflächenstruktur 1 erzeugt wurde.
[0063] Vorteilhaft ist die zu überprüfende Oberflächenstruktur 1 fest auf einem Trägersubstrat 6 bzw. Werkzeugeinsatz 6 aufgebracht. Ein solcher Werkzeugeinsatz 6, oftmals auch als „Shim“ bezeichnet, beinhaltet in seiner Oberflächenstruktur 1 z.B. konvexe Mikroprismen, die dann im durch die Flüssigkeit 4 gebildeten Lichtleiter 5 -wie auch in einem mittels des Werkzeugeinsatzes 6 herzustellender Lichtleiter- konkav sind und als definierte Auskoppelstrukturen für Licht dienen. Mit anderen Worten: Ein mittels des Werkzeugeinsatzes 6 herzustellender Lichtleiter wird aufgrund des erfindungsgemäß durch die Flüssigkeit 4 gebildeten Lichtleiter 5 physisch nachgebildet, wenn auch üblicherweise mit einem anderen Material und nicht statisch. Diese erlaubt die vorteilhafte Überprüfung, ob wirklich alle auf der Oberflächenstruktur vorhandenen Fehlstellen und Unzulänglichkeiten auf später hergestellten Lichtleitern eine Rolle spielen oder nicht.
[0064] Dieser Vorteil wird im Folgenden vermittels der Zeichnungen Fig.3 und Fig.4 näher erläutert. Dabei zeigt Fig.3 die Prinzipskizze zu einer möglichen fehlerbehafteten Überprüfungsvariante einer Oberflächenstruktur im Stand der Technik, sowie Fig.4 die Prinzipskizze zu einer möglichen Überprüfungsvariante einer Oberflächenstruktur im Rahmen des vorliegenden Verfahrens.
[0065] Bei einem rein durch optische Beleuchtung und visuelle Inspektion durchgeführten Verfahren im Stand der Technik gemäß Fig.3 wird die eine Oberflächenstruktur 1 beispielsweise mit im Wesentlichen parallelen Weißlicht bestrahlt, was hier durch die auf die Elemente der Oberflächenstruktur 1 (hier: Mikroprismen) von links oben einfallenden Strahlen angedeutet ist. Die von den Elementen der Oberflächenstruktur 1 ausfallenden Strahlen werden dabei durch eine visuelle Inspektion mit einer Kamera oder von einem Betrachter detektiert und ausgewertet. In den Doppelkästchen A, B und C ist skizziert, was aus wählbaren Betrachtungswinkeln zu sehen ist. Beispielsweise würde hier das jeweils linke Kästchen eines Doppelkästchens A, B, C für eine Betrachtung aus -10° von der Mittelsenkrechten und das rechte Kästchen eines Doppelkästchens für eine Betrachtung aus +10° von der Mittelsenkrechten stehen (Winkel gemessen in der Horizontalen). Zur erkennen ist hieran, dass die offensichtlich in der Oberflächenstruktur 1 korrekten linken drei Elemente einen hohen Kontrast zwischen -10° und +10° erzeugen (hohe Helligkeit nach -10°, geringe Helligkeit nach +10°), während das vierte Element der Oberflächenstruktur 1 eine mittlere Helligkeit in beide Richtungen erzeugt. Schließlich generieren in dieser
Überprüfungsvariante im Stand der Technik in diesem Beispiel die beiden rechten Elemente der Oberflächenstruktur 1 in Richtung -10° eine hohe Helligkeit und in Richtung +10° eine mittlere Helligkeit. Anhand dieser Ergebnisse könnte die Oberflächenstruktur 1 für defekt erklärt werden, weil zu viele Helligkeitsschwankungen vorliegen.
[0066] Allerdings ist es in der Realität oft so, dass viele Fehlertypen in einer Oberflächenstruktur 1 , insbesondere in Werkzeugeinsätzen 6 für herzustellende Lichtleiter, keine oder nur geringfügige Normabweichungen verursachen. In dem Beispiel nach Fig.3 würde somit die Oberflächenstruktur 1 möglicherweise fälschlich als unbrauchbar deklariert. An dieser Stelle kommen die Vorteile der Erfindung zum T ragen, wie anhand der Fig.4 mit einer Prinzipskizze zu einer möglichen Überprüfungsvariante einer Oberflächenstruktur 1 im Rahmen des vorliegenden Verfahrens erläutert wird.
[0067] Aufgrund der Beleuchtung mit Licht aus den Mitteln 3 mittels totaler interner Reflexion im aus der Flüssigkeit 4 gebildeten Lichtleiter 5 ist ein größeres Winkelspektrum (als etwa bei Beleuchtung mit parallelem Licht aus einem Fernfeld gemäß Fig.3) zur Beleuchtung der Oberflächenstruktur 1 vorhanden, wobei hier genau genommen gar nicht primär die Beleuchtung der Oberflächenstruktur 1 die tragende Rolle spielt. Vielmehr werden durch die inverse Struktur der Oberflächenstruktur 1 an der Unterseite des aus der Flüssigkeit 4 bestehenden Lichtleiters 5 Lichtauskopplungseffekte benutzt, um Licht über die Oberseite des Lichtleiters 5 zur Aufnahme und Auswertung auszukoppeln. Dabei spielen insbesondere auch wieder totale interne Reflexionen eine Rolle, je nach Winkelverhältnissen. [0068] Mit Blick auf die Doppelkästchen A, B und C in der Fig.4 ist zu erkennen, dass offensichtlich alle in der Oberflächenstruktur 1 vorkommenden Elemente -trotz Beschädigung oder Deformation bei den drei rechten beispielhaften Elementen der Oberflächenstruktur 1- eine mittlere Helligkeit in beide Richtungen (-10° und +10°) erzeugen. Da in der vorliegenden Erfindung beispielsweise der Lichtleiteffekt eines späterhin durch die Oberflächenstruktur 1 herzustellenden Lichtleiters durch den aus der Flüssigkeit 4 gebildeten Lichtleiter 5 nachempfunden wird, kann bei hinreichender Erfüllung mindestens eines Parameters zur Auswertung eines Bildes des aus dem Lichtleiter 5 ausgekoppelten Lichtes diese vorliegende beispielhafte Oberflächenstruktur 1 als akzeptabel deklariert werden, d.h. die Überprüfung fällt positiv aus, auch wenn eine
Elemente der Oberflächenstruktur 1 nicht perfekt sind.
[0069] Als Parameter in einem solchen Test könnten, wie aus dem vorstehend Beschriebenen ableitbar ist, beispielsweise die Homogenitäten der Leuchtdichtebilder, die aus -10° und +10° horizontal von der Mittelsenkrechten aufgenommen worden sind (z.B. per „Area Scan“), dienen. Diese Homogenitäten der beiden Leuchtdichtebilder sind dabei jeweils definiert als minimaler Wert dividiert durch den maximalen Wert der Leuchtdichte im Leuchtdichtebild. Sind diese beiden Homogenitäten für die beiden aus den beiden Richtungen aufgenommenen Leuchtdichtebilder z.B. kleiner als 50%, so fällt die Überprüfung der Oberflächenstruktur negativ aus, ansonsten positiv. [0070] Als alternativer oder zusätzlicher Parameter in einem solchen Test könnten außerdem beispielsweise (relative) Gradienten für Leuchtdichtevariationen innerhalb der Leuchtdichtebilder dienen, wobei die Leuchtdichtebilder wiederum aus -10° und +10° horizontal von der Mittelsenkrechten aufgenommen worden sind, insbesondere per „Area Scan“. Diese (relativen) Gradienten der beiden Leuchtdichtebilder könnten z.B. definiert sein also die stärksten prozentualen Änderungen der Leuchtdichte innerhalb von einem Radius von beispielsweise 3 (oder 5 oder 10 oder einer anderen wählbaren Anzahl von) Pixeln. Dann wird für jedes Leuchtdichtebild der jeweils größte (relative) Gradient in Prozent ermittelt. Sind diese beiden (relativen) Gradienten für die beiden aus den beiden Richtungen aufgenommenen Leuchtdichtebilder größer als beispielsweise 25%, so fällt die Überprüfung der Oberflächenstruktur negativ aus, ansonsten positiv.
Der vorgenannte Schrankenwert von 25% kann auch größer oder kleiner gewählt werden, je nach Anwendungsfall. Andere Definition für Parameter sind denkbar und liegen im Rahmen der Erfindung. [0071] Ein Werkzeugeinsatz 6 kann vorteilhaft aus einem Metall oder einer Metalllegierung bestehen, z.B. aus Nickel, Nickel-Kobalt, Nickel-Phosphor, einem rostfreien Stahl, Messing, Kupfer oder aus Aluminium.
[0072] Die Zeichnungen Fig.1 und Fig.2 können auch zur Erläuterung einer Anordnung zum zerstörungsfreien Überprüfen einer Oberflächenstruktur 1 herangezogen werden, mit der insbesondere das vorangehend beschriebene Verfahren durchgeführt werden kann. Diese Anordnung umfasst entweder eine Wanne 2 (siehe Fig.1) oder eine Kavität 2a (siehe Fig.2) zur Aufnahme einer Flüssigkeit 4, wobei die Flüssigkeit 4 mindestens einen Teil der zu überprüfenden Oberflächenstruktur 1 benetzt und oberhalb des besagten Teils der Oberflächenstruktur (1) eine Schicht mit einer Dicke bildet, wobei eine Dickenvariation der Flüssigkeit 4 oberhalb des besagten Teils der Oberflächenstruktur 1 höchstens 50% von der maximalen Dicke der Flüssigkeit 4 oberhalb der Oberflächenstruktur 1 beträgt, so dass die Flüssigkeit 4 einen Lichtleiter 5 mit zwei Großflächen oben und unten bildet, welcher an einer ersten Großfläche eine inverse Form der Oberflächenstruktur 1 aufweist und durch diese begrenzt ist und an einer zweiten Großfläche durch Luft oder ein anderes Gas begrenzt wird. Die Anordnung umfasst außerdem Mittel 3 zur Einkopplung von Licht in den Lichtleiter 5, so dass aufgrund des Lichtleiteffekts im Lichtleiter 5 die besagte inverse Form der Oberflächenstruktur 1 an der ersten Großfläche mit Licht beaufschlagt wird, wodurch mindestens ein Teil des in den Lichtleiter 5 eingekoppelten Lichtes aus dem Lichtleiter 5 über die zweite Großfläche ausgekoppelt wird. Schließlich umfasst die Anordnung noch eine Kamera 7 zur Aufzeichnung eines Bildes des aus der zweiten Großfläche des Lichtleiters 5 ausgekoppelten Lichtes sowie eine mit der Kamera 7 verbundene - hier nicht gezeigte - Recheneinheit mit Software, die das aufgezeichnete Bild hinsichtlich der Überprüfung mindestens eines vorgegebenen Parameters auswertet, wobei die Überprüfung genau dann negativ ausfällt, wenn die Auswertung des mindestens einen Parameters ergibt, dass dieser außerhalb eines vorgegebenen Parameterbereichs liegt, und ansonsten positiv ausfällt.
[0073] In einer ersten Ausgestaltung gemäß Fig.1 wird eine Wanne 2 verwendet, in welcher die zu überprüfende Oberflächenstruktur 1 eingelegt ist, wobei die Wanne 2 mindestens teilweise mit der Flüssigkeit 4 gefüllt ist.
[0074] In einer zweiten Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Anordnung gemäß Fig.2 gilt demgegenüber, dass die Kavität 2a mindestens einen Rahmen umfasst, welcher auf die Oberflächenstruktur 1 und/oder ein Trägersubstrat 6, auf welcher die Oberflächenstruktur 1 angeordnet ist, aufgebracht ist, wobei die Kavität 2a wasserdicht mit der Oberflächenstruktur 1 und/oder dessen Trägersubstrat 6 abschließt, wobei die Kavität 2a Mittel 3 zur Einkopplung von Licht in die Kavität 2a, insbesondere in den aus der Flüssigkeit 4 gebildeten Lichtleiter 5, umfasst. Diese Mittel 3 müssen jedoch noch nicht fest mit der Kavität 2a verbunden sein.
[0075] Sämtliche Erläuterungen zum weiter oben beschriebenen Verfahren gelten sinngemäß auch für die vorangehend beschriebene Anordnung. Diese werden daher hier aus Gründen der Redundanzvermeidung nicht wiederholt. [0076] Die vorstehend beschriebene Erfindung löst die gestellte Aufgabe: Es wurde ein
Verfahren und eine Anordnung beschrieben, mit welcher man eine Oberflächenstruktur, insbesondere die eines Werkzeugeinsatzes für optische Strukturen, zerstörungsfrei überprüfen kann. Die Überprüfung zeigt nur optisch relevante Mängel der Oberflächenstrukturen auf, ohne diejenigen Oberflächenstrukturen fälschlicherweise als fehlerhaft zu bewerten, bei denen für die spätere optische Funktion der mit dem Werkzeugeinsatz hergestellten Teile optisch nur irrelevante Fehler auftreten. Das Verfahren bzw. die Anordnung ist in der Lage, auch feine optische Strukturen im Mikro- bzw. Nanometerbereich zu überprüfen. Die Erfindung ist ferner mit einfachen Mitteln preiswert umsetzbar und erfordert wie gewünscht nur einen vergleichsweise geringen Zeitaufwand.
[0077] Die vorangehend beschriebene Erfindung kann vorteilhaft überall da angewendet werden, wo sensitive optische und andere Oberflächenstrukturen zerstörungsfrei überprüft werden sollen, insbesondere - aber nicht nur - bei der Überprüfung der Oberflächenstruktur von Werkzeugeinsätzen für die Fierstellung von Lichtleitern.
Bezuqszeichenliste
1 Oberflächenstruktur
2 Wanne 2a Kavität
3 Mittel
4 Flüssigkeit
5 Lichtleiter
6 T rägersubstrat / Werkzeugeinsatz 7 Kamera

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zum zerstörungsfreien Überprüfen einer Oberflächenstruktur (1), umfassend die Schritte: a) Bereitstellen der zu überprüfenden Oberflächenstruktur (1 ), b) Benetzen mindestens eines Teils der Oberflächenstruktur (1) mit einer Flüssigkeit (4), welche oberhalb des besagten Teils der Oberflächenstruktur (1) eine Schicht mit einer Dicke bildet, wobei eine Dickenvariation der Flüssigkeit (4) oberhalb des besagten Teils der Oberflächenstruktur (1) höchstens 50% von der maximalen Dicke der Flüssigkeit (4) oberhalb der Oberflächenstruktur (1) beträgt, so dass die Flüssigkeit (4) einen Lichtleiter (5) mit zwei Großflächen bildet, welcher an einer ersten Großfläche eine inverse Form der Oberflächenstruktur (1) aufweist und durch diese begrenzt ist und an einer zweiten Großfläche durch Luft oder ein anderes Gas begrenzt wird, c) Einkoppeln von Licht in den Lichtleiter (5) durch Mittel (3) zur Einkopplung von Licht, so dass aufgrund des Lichtleiteffekts im Lichtleiter (5) die besagte inverse Form der Oberflächenstruktur (1) an der ersten Großfläche mit Licht beaufschlagt wird, wodurch mindestens ein Teil des in den Lichtleiter (5) eingekoppelten Lichtes aus dem Lichtleiter (5) über die zweite Großfläche ausgekoppelt wird, d) Aufzeichnen eines Bildes des aus der zweiten Großfläche des Lichtleiters (5) ausgekoppelten Lichtes, e) Auswertung des aufgezeichneten Bildes hinsichtlich einer Überprüfung mindestens eines vorgegebenen Parameters, wobei die Überprüfung genau dann negativ ausfällt, wenn die Auswertung des mindestens einen Parameters ergibt, dass dieser außerhalb eines vorgegebenen Parameterbereichs liegt. Verfahren zum zerstörungsfreien Überprüfen einer Oberflächenstruktur (1) nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Schritte b) und c) umgesetzt werden durch:
Anbringen einer Kavität (2a) an der Oberflächenstruktur (1) und/oder an einem Trägersubstrat, auf welcher die Oberflächenstruktur (1) angeordnet ist, wobei die Kavität (2a) wasserdicht mit der Oberflächenstruktur (1) und/oder dem Trägersubstrat abschließt, und wobei die Kavität (2a) Mittel (3) zur Einkopplung von Licht in die Kavität (2a) umfasst und optional an mindestens einer Schmalseite wenigstens teilweise transparent ist,
Befüllen der Kavität (2a) mit einer Flüssigkeit (4), so dass die Flüssigkeit einen durch die Dimensionen der Kavität (2a) begrenzten Lichtleiter (5) bildet, welcher an einer ersten Großfläche die inverse Form der Oberflächenstruktur (1) aufweist,
Einkoppeln von Licht in den Lichtleiter (5) mittels der Mittel (3), so dass aufgrund des Lichtleiteffekts im Lichtleiter (5) die besagte inverse Form der Oberflächenstruktur (1) an der ersten Großfläche der Kavität (2a) mit Licht beaufschlagt wird, wodurch mindestens ein Teil des in die Kavität (2a) eingekoppelten Lichtes aus dem Lichtleiter (5) über eine zweite Großfläche ausgekoppelt wird.
3. Verfahren zum zerstörungsfreien Überprüfen einer Oberflächenstruktur (1) nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Schritte b) und c) umgesetzt werden durch:
Einlegen der Oberflächenstruktur (1) in eine Wanne (2),
Befüllen der Wanne (2) mit einer Flüssigkeit (4), so dass die Flüssigkeit einen durch die Dimensionen der Wanne (2) begrenzten Lichtleiter (5) bildet, welcher an einer ersten Großfläche die inverse Form der Oberflächenstruktur (1) aufweist,
Einkoppeln von Licht in den Lichtleiter (5) mittels der Mittel (3) durch Eintauchen der besagten Mittel (3) in die Flüssigkeit (4), so dass aufgrund des Lichtleiteffekts im Lichtleiter (5) die besagte inverse Form der Oberflächenstruktur (1) an der ersten Großfläche mit Licht beaufschlagt wird, wodurch mindestens ein Teil des in den Lichtleiter (5) eingekoppelten Lichtes aus dem Lichtleiter (5) über eine zweite Großfläche ausgekoppelt wird. 4. Verfahren nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Flüssigkeit (4) für sichtbares Licht transparent ist und bevorzugt aus entionisiertem oder destilliertem Wasser besteht.
5. Verfahren nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zu überprüfende Oberflächenstruktur (1 ) invers zur Auskoppelstruktur der
Großfläche eines Lichtleiters oder wie die Auskoppelstruktur auf der Großfläche eines Lichtleiters ausgebildet ist.
6. Verfahren nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zu überprüfende Oberflächenstruktur (1) fest auf einem Werkzeugeinsatz (6) aufgebracht ist.
7. Verfahren nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel (3) zur Einkopplung von Licht in den Lichtleiter (5) eine Einkoppelstruktur umfassen.
8. Verfahren nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur Aufzeichnung des Bildes in Schritt d) eine Kamera (7) mit vorgeschalteter konoskopischer Abbildungsoptik verwendet wird.
9. Anordnung zum zerstörungsfreien Überprüfen einer Oberflächenstruktur (1), umfassend: a) eine Kavität (2a) oder eine Wanne (2) zur Aufnahme einer Flüssigkeit (4), wobei die Flüssigkeit (4) mindestens einen Teil der zu überprüfenden Oberflächenstruktur (1) benetzt und oberhalb des besagten Teils der Oberflächenstruktur (1) eine Schicht mit einer Dicke bildet, wobei eine Dickenvariation der Flüssigkeit (4) oberhalb des besagten Teils der Oberflächenstruktur (1) höchstens 50% von der maximalen Dicke der Flüssigkeit (4) oberhalb der Oberflächenstruktur (1) beträgt, so dass die Flüssigkeit (4) einen Lichtleiter (5) mit zwei Großflächen bildet, welcher an einer ersten Großfläche eine inverse Form der Oberflächenstruktur (1) aufweist und durch diese begrenzt ist und an einer zweiten Großfläche durch Luft oder ein anderes Gas begrenzt wird, b) Mittel (3) zur Einkopplung von Licht in den Lichtleiter (5), so dass aufgrund des Lichtleiteffekts im Lichtleiter (5) die besagte inverse Form der Oberflächenstruktur (1) an der ersten Großfläche mit Licht beaufschlagt wird, wodurch mindestens ein Teil des in den Lichtleiter (5) eingekoppelten Lichtes aus dem Lichtleiter (5) über die zweite Großfläche ausgekoppelt wird, c) eine Kamera (7) zur Aufzeichnung eines Bildes des aus der zweiten Großfläche des Lichtleiters (5) ausgekoppelten Lichtes, d) eine mit der Kamera (7) verbundene Recheneinheit mit Software, die das aufgezeichnete Bild hinsichtlich mindestens eines Parameters auswertet, wobei die Überprüfung genau dann negativ ausfällt, wenn die Auswertung des mindestens einen Parameters ergibt, dass dieser außerhalb eines vorgebbaren Parameterbereichs liegt. 10. Anordnung nach Anspruch 9 mit einer Kavität (2a), dadurch gekennzeichnet, dass die Kavität (2a) mindestens einen Rahmen umfasst, welcher auf die Oberflächenstruktur (1) und/oder ein Trägersubstrat, auf welcher die Oberflächenstruktur (1) angeordnet ist, aufgebracht ist, wobei die Kavität (2a) wasserdicht mit der Oberflächenstruktur (1) und/oder dessen Trägersubstrat abschließt, wobei die Kavität (2a) ferner an mindestens einer Schmalseite wenigstens teilweise transparent ist und Mittel (3) zur Einkopplung von Licht in die Kavität (2a) umfasst.
11. Anordnung nach Anspruch 9 mit einer Wanne (2), dadurch gekennzeichnet, dass die zu überprüfende Oberflächenstruktur in die Wanne (2) eingelegt ist, wobei die Wanne (2) mindestens teilweise mit der Flüssigkeit (4) gefüllt ist.
12. Anordnung nach einem der Ansprüche 9 bis 11 , dadurch gekennzeichnet, dass der Kamera (7) eine konoskopische Abbildungsoptik vorgeordnet ist.
13. Anordnung nach einem der Ansprüche 9 bis 11 , dadurch gekennzeichnet, dass die optische Achse der Kamera (7) zu einer Oberflächennormalen einer Großfläche geneigt und/oder um diese gedreht werden kann.
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