DD294343A5 - Verfahren und anordnung zur bestimmung der verteilung schwacher doppelbrechung in optischen medien - Google Patents

Abstract

Verfahren und Anordnung zur Bestimmung der Verteilung schwacher Doppelbrechung in optischen Medien. Das Verfahren dient dem Nachweis optischer Anisotrophie, z. B. hervorgerufen durch mechanische Spannungen. Die Verwendung von Laserlicht fuer derartige Messungen fuehrt zu Fehlern, die durch Interferenzen hervorgerufen wurden. Diese Fehler sollen vermieden werden. Die Bestimmung geschieht durch einen punktweisen Vergleich der von zwei senkrecht zueinander polarisierten Strahlen herruehrenden Intensitaetsmeszwerten erfindungsgemaesz dadurch, dasz die Doppelbrechung Dn fuer jeden Meszpunkt nach der Formel{Medien, optisch; Doppelbrechung, schwach; Anisotrophie; Spannungen, mechanisch; Strahlen, senkrecht zueinander polarisiert; Intensitaetsmeszwerte; Vergleich}

Description

-2- 294 343 Darlegung des Wesens der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Bestimmung der Verteilung der Doppelbrechung in optischen Medien, insbesondere hochbrechenden Gläsern, zu entwickeln, welches beim punktweisen Vergleich der Intensitäten zweier senkrecht zueinander polarisierten Strahlen (Meß- und Vergleichsstrahl) die Korrektur des bei Verwendung kohärenten Lichtes der Wellenlänge λ durch Interferenz zusätzlich entstehenden Fehlers der Doppelbrechung erlaubt. Diese Aufgäbe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die über die Meßprobe der Dicke d gemessenen Intensitätsverteilungen des Meßstrahls I_n, und des Vergleichsstrahls l_v nach der Formel für die Doppelbrechung Δη

λ Λ Γ »-Λ» -^u = arctan V

nd ^v I(1/I + 1/I_i

nd

ausgewertet werden. Das Polarisationsverhältnis u der Anordnung wird hierbei durch die Güte der verwendeten Polarisatoren, des Polarisationsstrahlteilers und durch die Polarisation des eingesetzten Lasers bestimmt. Es können umso kleinere Doppelbrechungen aufgelöst werden, je kleiner das Polarisationsverhältnis ist. Das erfindungsgemäße Verfahren beschränkt sich auf schwache Doppelbrechungen, da die erfind" ngsgemäß verwendete Formel nur für kleine Intensitätsverhältnisse von Meß- zu Vergleichsstrahl gilt und somit für große Doppelbrechungen zu Abweichungen führt. Für eine Qualitätsprüfung vorrangig bezüglich der Spannungsdoppelbrechung sind jedoch vor allem kleine Doppelbrechungswerte von Interesse. In der erfindungsgemäß benutzten Formel sind die Intensitätsmaxima und -minima l,_max bzw. l,_min des Interferenzbildes der Intensitätssumme I, = I_n, + I» enthalten, die manuell oder mittels computergestützter Bildauswertung aus dem Meßergebnis ermittelt werden können und bei Schwankungen jeweils als Mittelwerte für die gesamte Moßprobe eingesetzt werden. Diese Auswertung läßt sich erfindungsgemäß besonders günstig durchführen, wenn die Meßprobenoberflächen derart präpariert wurden, daß mehrere Interferenzstreifen in der Intensitätsverteilung des Vergleichsstrahls erhalten werden. Vorteilhaft am erfindungsgemäßen Verfahren ist, daß die kohärente Überlagerung der an den inneren polierten Meßprobenoberflächen mehrfach reflektierten Lichtstrahlen und die damit verbundene Veränderung des gemessenen Gangunterschieds bei der Ermittelung der Doppelbrechung Δη berücksichtigt wird, ohne daß über die Meßprobe Daten wie die Brechzahl, der Reflexionsfaktor oder die Reintransmission bekannt sein müssen.

Verwendet man als einfallenden Strahl linear polarisiertes Licht, so ist es bekanntlich notwendig, die Meßprobe in jedem Meßpunkt so auszurichten, daß deren Hauptachsen um ±45 Grad gegenüber der Polarisationsrichtung des einfallenden Strahls gedreht sind. Diese Anforderung entfällt, wenn für das erfindungsgemäße Verfahren ein zirkulär polarisierter auf die Meßprobe einfallender Strahl eingesetzt wird. Dazu wird in der erfindungsgemäßen Anordnung zwischen der Meßprobe und dem Polarisationsstrahlteiler eine λ/4-Platte eingefügt, um die zirkulären Anteile des nach der Meßprobe elliptisch polarisierten Lichtes in lineare Anteile zu überführen. Die Hauptachsen der λ/4-Platie sind um 45 Grad gegenüber den Polarisationsrichtungen des Polarisationsstrahlteilers gedreht. In dieser Anordnung ist es möglich, daß bei bestimmten Winkellagen der optischen Bauelemente, wie z. B. des Photoempfängers und der Meßprobe, der Vergleichsstrahl durch Rückreflexion auf den Meßstrahl überkoppelt und dabei die Polarisationsrichtung des Meßstrahls erfährt. Dieser Effekt, der zu erheblichen Meßfehlern führt, wird erfindungsgemäß beseitigt, indem im Vergleichsstrahl eine weitere λ/4-Platte angeordnet wird, die die Polarisationsrichtung des rückreflektierten Vergleichsstrahls um 90 Grad dreht. Die Hauptachsen dieser λ/4-Platte werden im allgemeinen parallel zu denen der ersten λ/4-Platte eingestellt,

Ausführungsbeispiel

Das Wesen der Erfindung soll nachstehend an einem Ausführungsbeispiel erläutert werden. Die zugehörigen Zeichnungen enthalten

Fig. 1: eine schematische Darstellung einer Anordnung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Messung der

Doppelbrechung mit zirkulär polarisiertem kohärenten Licht, Fig. 2: Darstellung jeweils einer Periode von typischen Interferenzabhängigkeiten der Intensitäten des Vergleichsstrahsl (a) und des Meßstrahls (b), der ohne Korrektur ermittelten Doppelbrechung (c) und der nach der erfindungsgemäßen Formel ermittelten Doppelbrechung (d) als Funktion der optischen Dicke der Meßprobe.

In Fig. 1 ist eine Anordnung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Bestimmung der Doppelbrechung mit kohärentem Licht dargestellt. D&s hierbei verwendete zirkulär polarisierte Licht wird von einem polarisierten Laser (1) und einer λ/4-Platte (2) erzeugt und senkrecht durch die Meßprobe (3) geführt. Eine zweite λ/4-Platte (4) ist so angeordnet, daß ihre optischen Achsen senkrecht bzw. parallel zu den entsprechenden optischen Achsen der ersten λ/4-Platte stehen. Ein Polarisationsstrahlteiler (5) teilt den Lichtstrahl in zwei senkrecht zueinander polarisierte Strahlen, den Meß- und den Vergleichsstrahl. Der Polarisationsstrahlteiler wird dabei so angeordnet, daß der vom Fotoempfänger (7) nachgewiesene Meßstrahl minimale Intensität hat, wenn keine Meßprobe im Strahlengang vorhanden ist. In diesem Falle wird vom Fotoempfänger (8) des Vergleichsstrahls maximale Intensität nachgewiesen.

Unter bestimmten Bedingungen kann rückreflektiertes Licht des Vergleichsstrahls (z.B. vom Fotoempfänger [8]) beispielsweise im Falle eines Reflexionspolarisationsstrahlteilers durch die λ/4-Platte (4) durchgehend auf die Meßprobe treffen. Wird das Licht von dieser so reflektiert, daß es ein zweites Mal durch die λ/4-Platte geht, dreht sich die Polarisationsrichtung dieses Strahls, so daß er ungeschwächt auf den Fotoempfänger des Meßstrahls treffen kann und das Meßergebnis verfälscht. Um dies zu vermeiden, wurde erfindungsgemäß eine weitere λ/4-Platte (6) im Vergleichsstrahl angeordnet, die eine Ausbreitung des rückreflektierten Vergleichsstrahls durch den Polarisationsstrahl'..iler verhindert.

Eine weitere Anordnung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird durch Weglassen aller λ/4-Platten (2, 4, 6) in Fig. 1 erreicht. Dabei wird hier direkt das linear polarisierte Licht des Lasers verwendet. Es ist hier jedoch zu beachten, daß die optischen Achsen der Meßprobe einen Winkel von ±45 Grad zur Polarisationsrichtung des Laserlichtes einnehmen.

In Fig. 2 ist jeweils eine Periode der typischen Abhängigkeiten von der optischen Dicke (nd) der Meßprobe dargestellt, wie sie bei Interferenz von kohärentem Licht durch mehrfache Reflexion an den inneren Oberflächen der Meßprobe entstehen. Für das angegebene Beispiel wurde eine absorptionsfreie Meßprobe mit einer Brechzahl von η = 2,6 (entspricht einem Reflexionsfaktor von R = 0,2) und einer Doppelbrechung von Δη = 0,1 λ/d (λ Wellenlänge des Lasers, d Dicke der Meßprobe) sowie eine Anordnung mit idealen Polarisatoren (Polarisationsverhältnis u = 0) angenommen. Ein Interferenzbild der Meßprobe entsteht daraus, wenn sich deren Dicke z.B. durch einen keilförmigen Querschnitt kontinuierlich ändert.

Die in Fig. 2 a dargestellte Abhängigkeit der Vergleichsstrahlintensität l„ ist durch die Doppelbrechung beeinflußt. So liegen das Maximum und das Minimum nicht bei l_vmax/l₀ = 1 bzw. KmJIo = (1 - R)²/(1 + R)' = 0,44 wie dies ohne Doppelbrechung der Fall wäre. Die entsprechende Abhängigkeit der Meßstrahlintensität I_n, (Fig. 2 b) wird wesentlich durch die Doppelbrechung bestimmt, denn diese Intensität würde hier ohne Doppelbrechung verschwinden.

Ermittelt man nun aus diesen Meßwerten l_v und I_n, die Doppelbrechung nach der herkömmlichen Formel

Δη = arctan

nd

so erhält man die in Fig. 2 c dargestellten Werte. Die maximale Abweichung vom ursprünglich vorausgesetzten Wert von And/\ = 0,1 wäre also etwa ±40%.

Bei einer Bestimmung nach der erfindungsgemäßen Formel

λ Λ / (L/U - u Δη = arctan V

nd ^v l(1/l + 1/l_l

nd

mit l_s = L + l_v erhält man das in Fig.2d gezeigte Ergebnis. Die Werte \_imix und l_5min sind jeweils die Summen der Maxima aus Fig. 2 a und 2 b bzw. die Summen der Minima. Zur Bestimmung dieser Werte müssen wenigstens ein Maximum und ein Minumum aus den Interferenzbildern erkennbar sein, d. h. die Meßprobe sollte erfindungsgemäß so präpariert sein, daß mehrere Interferenzstreifen auftreten. Aus Fig. 2 d wird deutlich, daß die Abweichung vom angenommenen Wert der Doppelbrechung hier nur noch etwa ±8% beträgt. Dieser Effekt der Verminderung des prozentualen Fehlers wird umso deutlicher, je kleiner die Doppelbrechung und je größer die Brechzahl ist. Die maximale Doppelbrechung, für die die erfindungsgemäße Formel verwendet werden kann, ist von der Brechzahl abhängig und liegt im angegebenen Beispiel bei Δη = 0,14A/d. Für sehr kleine Doppelbrechungswerte (d.h. l_m <ξ l_v) kann letztendlich durch Linearisierung des Tangens und Ersetzen I, = l_vdie erfindungsgemäße Formel weiter vereinfacht werden.

Claims (4)

1. Verfahren zur Bestimmung der Verteilung schwacher Doppelbrechung in optischen Medien, insbesondere hochbrechenden Gläsern, mittels eines punktweisen Vergleichs der von zwei senkrecht zueinander polarisierten Strahlen (Meßstrahl und Vergleichsstrahl) herrührenden Intensitätsmeßwerten, gekennzeichnet dadurch, daß zur weitestgehenden Eliminierung eines bei Verwendung kohärenten Lichtes durch Interferenz hervorgerufenen Fehlers die Doppelbrechung Δη für jeden Meßpunkt nach der Formel

_An = ^L_arctan ^{w (}'^m/'^{v) U}

ermittelt wird, wobei l_v, l_m und l_s die Intensitäten des Vergleichs-, des Meßstrahls bzw. deren Summe im jeweiligen Meßpunkt sowie l_smax und l_smin die mittleren Intensitäten der Maxima bzw. Minima im Interferenzbild der Intensitätssumme, u das Polarisationsverhältnis der Anordnung, λ die Wellenlänge des Lichtes und d die Dicke der Meßprobe sind."

2. Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß mehrere Interferenzstreifen in der Intensitätsverteilung des Vergleichsstrahls der Messung zugrunde gelegt werden.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet dadurch, daß ein zirkulär polarisierter auf die Meßprobe einfallender Strahl verwendet wird und zwischen Meßprobe und Polarisationsstrahlteiler eine λ/4-Platte mit um 45 Grad zu dessen Polarisationsrichtungen gedrehten Hauptachsen angeordnet wird.

4. Anordnung zur Bestimmung der Verteilung schwacher Doppelbrechung in optischen Medien, insbesondere hochbrechenden Gläsern, mittels eines punktweisen Vergleichs der von zwei senkrecht zueinander polarisierten Strahlen (Meßstrahl und Vergleichsstrahl herrührenden Intensitätsmeßwerten, gekennzeichnet dadurch, daß zur Vermeidung von Rückkopplungen zwischen Vergleichs- und Meßstrahl eine λ/4-Platte im Vergleichsstrahl angeordnet wird.

Hierzu 2 Seiten Zeichnungen

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft ein Meßverfahren und eine Anordnung zur Bestimmung schwacher Doppelbrechung auf Grundlage der Messung des optischen Gangunterschieds, der bei Durchstrahlung einer Meßprobe zwischen den beiden senkrecht zueinander polarisierten Lichtkomponenten auftritt. Die Doppelbrechungsmessung dient dem Nachweis optischer Anisotropie, wie sie insbesondere auch durch mechanische Spannungen verursacht wird.

Charakteristik des bekannten Standes der Technik

Vorrichtungen und Methoden zur Messung von durch Doppelbrechung verursachten Gangunterschieden sind bekannt und beruhen im wesentlichen auf der Durchstrahlung der Meßprobe mit linear oder zirkulär polarisiertem Licht und der Untersuchung des Polarisationszustandes des Lichtes hinter der Meßprobe mittels eines linearen bzw. zirkulären Analysators. Bekannt sind auch verschiedene Kompensations- und Modulationsverfahren, die eine höhere Meßgenauigkeit erlauben. In einer Anzahl von bekannten Meßvorrichtungen und -verfahren werden Intensitätsschwankungen des einfallenden Lichtes und die unterschiedliche Transmission der Meßprobe mittels Zwei- oder Mehrkanalmessung ausgeglichen, wobei die Meßkanäle durch polarisierende oder nicht polarisierende Strahlteiler geschaffen werden. In der Patentschrift DD 0154039 wird beispielsweise ein Polarisationsstrahlteiler in einer Anordnung eingesetzt, die mit zirkulär polarisiertem Licht arbeitet. Der Gangunterschied wird dabei einfach aus dem Quotienten der Intensitäten der beiden gemessenen Teilstrahlen ermittelt. In modernen Vorrichtungen zur Gangunterschiedsmessung werden häufig Laser als Lichtquelle eingesetzt, deren Vorteile vor allem durch das monochromatische Licht, die Parallelität der Strahlenbündel und die hohe verfügbare Lichtintensität bestimmt werden. Nachteilig wirkt sich dagegen der zusätzliche Meßfehler der Doppelbrechung aus, der durch die Interferenz der mehrfach zwischen den beiden inneren polierten Probenoberflächen reflektierten Lichtstrahlen zustande kommt. Dieser Effekt wurde in der Literatur beschrieben (z. B. Holmes, J. Opt. Soc. Am. 54 [1964] S. 1115; Hanekamp, Opt. Commun. 65 [1988] S. 261), wird aber in bekannten Meßverfahren nicht berücksichtigt.

Ziel der Erfindung

Das Ziel der Erfindung besteht in der weitestgehenden Eliminierung der zusätzlichen Meßfehler bei der Bestimmung der Doppelbrechung, die insbesondere bei der Untersuchung von hochbrechenden Materialien auftreten, wenn Laserlicht verwendet wird.