DD154039B5

DD154039B5 - Vorrichtung zum messen von gangunterschieden in polarisiertem Licht

Info

Publication number: DD154039B5
Application number: DD22479380A
Authority: DD
Inventors: Rudolf Dipl Phys Hentrivh; Reed Dipl Ing Werlich
Original assignee: Zeiss Carl Jena Gmbh
Priority date: 1980-10-29
Filing date: 1980-10-29
Publication date: 1996-02-08
Also published as: JPS5788347A; DD154039A1; DE3129505A1; GB2087551A

Description

Anwendungsgebiet der Erfindung

Gangunterschiedsmessungen im Durchlicht dienen zum Nachweis anisotroper Bestandteile, z. B. in der Polarisationsmikroskopie und zum Nachweis von Spannungen, z. B. bei Spannungsprüfgeräten in einer Meßprobe. Mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung wird der Gangunterschied bestimmt, der auf Grund der Doppelbrechung der Meßprobe zwischen zwei senkrecht zueinander polarisierten Teilstrahlen entsteht.

Charakteristik der bekannten technischen Lösungen

Gangunterschiedsmessungen nach den Kompensationsmethoden nach Berek, Ehringhaus, Brace-Köhler, Bear-Schmidt, Senarmont usw. erfordern einen hohen Zeitaufwand, da die Meßprobe zur Polarisationsrichtung des einfallenden Lichtes durch azimutale Drehung einjustiert werden muß, bevor die Kompensation erfolgen kann.

Ein weiterer Nachteil dieser bekannten Meßverfahren ist, daß bei Kompensation des Gangunterschiedes auf Intensität 0 stets im unempfindlichsten Nachweisbereich gearbeitet wird. Die zur Vermeidung dieses Nachteils angewandten Halbschattenverfahren erfordern zusätzlichen technischen Aufwand und bringen methodische Erschwernisse.

In den GB-Patentschriften Nr. 1 459 410 und Nr. 1 525 283 sowie in der US-Patentschrift Nr. 3 988 067 werden automatisierte Polarisationseinrichtungen beschrieben, bei denen mittels elektrooptischer Lichtmodulatoren sowohl eine Modulation des Gangunterschiedes als auch eine Modulation des Azimutwinkels vorgenommen wird.

Die Strahlung wird photoelektrisch nachgewiesen und es werden zwei Wechselsignale gewonnen, die zur Steuerung motorischer Antriebe dienen und einen Abgleich des Azimutwinkels und die Kompensation des Gangunterschiedes bewirken.

Wenn beide Meßparameter abgeglichen sind, gehen die Wechselsignale gegen Null. Aus der erfolgten Drehung ergeben sich Gangunterschied und Azimutwinkel der doppelbrechenden Probe.

Bekannt ist auch eine Vorrichtung, bei der eine Meßprobe zwischen zwei Zirkularpolarisatoren angeordnet ist, um z. B. die Isoklinen bei spannungsoptischen Untersuchungen auszuschalten und die azimutale Orientierung der Meßprobe zu vermeiden (s. L. Föppel und E. Mönch: „Praktische Spannungsoptik" Berlin, Göttingen, Heidelberg 1950).

Bei dieser Vorrichtung wird aus der Aufhellung der Meßprobe halbquantitativ auf die Größe der Spannung in der Probe geschlossen und nicht der Gangunterschied als Meßgröße ermittelt.

Bekannt ist außerdem eine Vorrichtung zur objektiven Messung von Gangunterschieden ohne Kompensation (s. Flügge:

„Handbuch der Physik" Bd. XXV/1 G. N. Ramachandran und S. Ramaseshan: „Cristal Optics", Berlin, Göttingen, Heidelberg

Bei dieser Vorrichtung ist die Meßprobe zwischen einem Polarisator und einem Doppelbildprisma (z. B. nach Wollaston) drehbar angeordnet. Durch photoelektrischen Helligkeitsvergleich der vom Doppelbildprisma erzeugten linearpolarisierten Teilbündel erhält man ein Kriterium für die azimutale Ausrichtung der Meßprobe. Das Probenazimut wird verändert, bis die beiden Teilbündel gleiche Helligkeit aufweisen. Anschließend wird das Doppelbildprisma um 90° gedreht und die Intensitäten der beiden Teilbündel werden gemessen. Sie verhalten sich wie die Quadrate der Halbachsen der Schwingungsellipse und sind demzufolge ein Maß für den Gangunterschied der Meßprobe. Aus DE 1 183 708 ist eine weitere Vorrichtung zur Messung von Gangunterschieden in polarisiertem Licht bekannt, wobei der Probenkörper mit linear polarisiertem Licht beleuchtet wird und ein mit einer Gradeinteilung versehener Analysator vorgesehen ist, der von Hand gedreht werden muß.

Ziel der Erfindung ist eine einfache Vorrichtung zum Messen kleiner Gangunterschiede (R < λ/2) doppelbrechender Proben, bei der der Meßvorgang objektiviert und automatisiert werden kann. Die Messung soll so schnell erfolgen, daß Bildanalyseverfahren mit dem Gangunterschied als Meßkriterium realisiert werden können.

Darlegung des Wesens der Erfindung

Die bekannten Vorrichtungen zur Bestimmung des Gangunterschiedes R setzen eine bestimmte Probenorientierung in bezug auf die Polarisationsrichtung voraus, d. h. die Bestimmung der Hauptschwingungsrichtung φ der Probe ist Voraussetzung für die Messung des Gangunterschiedes. Der meßtechnische und der Zeitaufwand zur Bestimmung der beiden Meßgrößen φ und R ist relativ hoch, da bei allen bekannten Meßvorrichtungen mechanische Bewegungen der Meßprobe bzw. der Kompensationselemente erforderlich sind. Mit Hilfe der bekannten Vorrichtungen ist die Messung des Gangunterschiedes an wenigen ausgewählten Orten der Meßprobe bei vertretbarem Zeitaufwand realisierbar.

Mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung wird die Gangunterschiedsmessung auf eine Intensitätsmessung zweier senkrecht zueinander polarisierter Komponenten der Meßstrahlung zurückgeführt. Die Messung ist unabhängig vom Hauptachsenazimut der Meßprobe. Diese Vereinfachung des Meßvorganges ermöglicht die Automatisierung der Gangunterschiedsmessung und bietet die Möglichkeit, die Methode der Bildanalyse mit dem Gangunterschied als Meßkriterium anzuwenden.

Merkmale der Erfindung

Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung wird die Meßprobe mit zirkulär polarisiertem Licht beleuchtet. Infolge der Doppelbrechung der Probe wird der Polarisationszustand des Lichtes verändert, so daß elliptisch polarisiertes Licht die Probe verläßt. Das Achsenverhältnis der Schwingungsellipse ist eine Funktion des Gangunterschiedes R. Ihre azimutale Lage wird durch die Orientierung der Probe bestimmt. Der Meßprobe nachgeschaltet ist ein λ/4-Phasenplättchen und eine Analysatoreinrichtung, die die Strahlung in zwei senkrecht zueinander polarisierte Komponenten aufteilt, deren Intensitäten getrennt voneinander photoelektrisch gemessen werden.

Sofern die Meßprobe keine Doppelbrechung zeigt, wird durch das zweite Phasenplättchen, das einen Gangunterschied von λ/4 oder ein ungerades Vielfaches von λ/4 hervorruft, linearpolarisiertes Licht erzeugt, dessen Schwingungsrichtung unter zur Hauptschwingungsrichtung des Phasenplättchens orientiert ist. Die Analysatoreinrichtung ist so justiert, daß dieses Licht zu einem der beiden Strahlungsempfänger gelangt, während die vom anderen Strahlungsempfänger nachgewiesene Intensität I₂ = 0 ist

Wird eine doppelbrechende Meßprobe in den Strahlengang gebracht, so ändert sich die Strahlaufteilung folgendermaßen:

I₁ = -^- cos ²Tt-J-: I₂=-^- sin 2 _π^_

In diesen Formeln bedeuten AJ die eingestrahlte Intensität, R den zu messenden Gangunterschied der Meßprobe und λ die Meßwellenlänge. Durch Quotientenbildung wird die Abhängigkeit von der eingestrahlten Intensität eliminiert und es ergibt sich

Aus der trigonometrischen Funktion wird der Gangunterschied R der Meßprobe ermittelt. Der Wertevorrat der trigonometrischen Funktion wird für den Bereich 0 bis λ/2 des Gangunterschiedes ausgeschöpft. Bei größeren Gangunterschiedswerten ist eine eindeutige Zuordnung durch Kombination mit anderen Meßverfahren möglich.

Die Unstetigkeit der Funktion für R = — kann vermieden werden, wenn bei der Messung eine Komponente I₁ oder I₂

und die Gesamtstrahlung I_G = I₁ + I₂ gemessen werden

Durch Quotientenbildung ergibt sich

I₂ . , R , I₁ R

-p- = sin ²Tr — oder -p- = cos ² ir-r—

Iq λ Iq λ

und es kann daraus wiederum der Gangunterschied R ermittelt werden.

Ausfiihrungsbeispiel

Die Erfindung wird an Hand einer Figur erläutert. Sie zeigt die Kombination eines Durchlicht-Polarisations-Mikroskopes mit der Vorrichtung zum Messen von Gangunterschieden (schematische Darstellung).

Zur Beleuchtung einer Meßprobe 1 mit monochromatischem zirkularpolarisiertem Licht dienen eine Lichtquelle 2, ein Kollektor 3, ein Monochromatfilter 4, ein Polarisator 5, ein λ/4-Phasenplättchen 6 und ein Kondensor 7.

Das λ/4-Phasenplättchen 6 ist so orientiert, daß seine Hauptschwingungsrichtung unter 45° zur Schwingungsrichtung des linearpolarisierten Lichtes liegt.

Ein Objektiv 8 entwirft ein Bild der Meßprobe 1 auf einer Meßblende 9, die das zu messende Objektdetail begrenzt. Am Ort der Meßblende befindet sich ein Umlenkspiegel 10, der zusammen mit einem Okular 11 und einem Polarisator 12 die Beobachtung des Umfeldes des zu messenden Objektdetails gestattet. Das Licht, das durch die Meßblende gelangt, wird durch ein Polarisationsprisma 13 nach Wollaston, Rochon, Senarmont oder Dove in zwei senkrecht zueinander polarisierte Komponenten 14 und 15 aufgespalten, die von zwei Strahlungsempfängern 16 und 17 getrennt nachgewiesen werden. Das Polarisationsprisma 13 ist so justiert, daß die Schwingungsrichtungen der beiden Komponenten unter ±45° zur Hauptachse eines λ/4- Phasenplättchens 18 liegen. In einer Einrichtung zur elektronischen Signalverarbeitung 19 wird der Gangunterschied aus den Signalen der Strahlungsempfänger ermittelt und über eine Meßwertanzeige 20 ausgegeben.

Eine weitere Variante der erfindungsgemäßen Vorrichtung könnte so realisiert werden, daß die Vorrichtung mit einem Strahlungsempfänger in zeitlichem Wechsel die beiden Komponenten I₁ und I₂ nachweist.

Bei der in der Figur dargestellten Einrichtung wird dies erreicht durch die Anordnung eines Modulators hinter dem Polarisationsprisma, der die beiden Komponenten abwechselnd abdeckt und eines optischen Systems, das die beiden Komponenten auf dem Strahlungsempfänger vereinigt. Die Modulation erfolgt in der Weise, daß im zeitlichen Wechsel I₁ und I₂ oder I₁ und I_G oder I₂ und I_G zum Strahlungsempfänger gelangen. Darüber hinaus besteht die Möglichkeit, daß hinter der Meßblende 10 abwechselnd ein Linearpolarisator mit der Polarisationsrichtung +45° zur Hauptschwingungsrichtung des λ/4-Phasenplättchens 9 und ein Linearpolarisator mit der Polarisationsrichtung -45° zur Hauptschwingungsrichtung des λ/4-Phasenplättchens 9 in den Strahlengang geschaltet wird. Der Strahlungsnachweis erfolgt durch einen Strahlungsempfänger, der in zeitlichem Wechsel die Intensität I₁ und I₂ nachweist. Durch Ein- und Ausschalten nur eines Linearpolarisators wird erreicht, daß in zeitlichem Wechsel die Gesamtstrahlung I_G und eines der Teilstrahlenbündel Strahlungsempfänger gelangen.

Claims

Vorrichtung zum Messen von Gangunterschieden in polarisiertem Licht, bestehend aus einer Einrichtung zur Beleuchtung einer Meßprobe mit zirkularpolarisiertem Licht, einem λ/4-Phasenplättchen und einem Analysator, dadurch gekennzeichnet, daß der Analysator ein Polarisationsprisma (13) ist, das das Licht, nachdem es die Meßprobe (1) und das λ/4-Phasenplättchen (9) durchsetzt hat, in zwei senkrecht zueinander polarisierte Komponenten aufteilt, deren Schwingungsrichtungen unter +45° zur Hauptachse des λ/4-Phasenplättchens (9) orientiert sind und eine Strahlungsempfängeranordnung (16,17) vorgesehen ist, die die Intensität der beiden Komponenten getrennt voneinander mißt.

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