DE102006057727A1

DE102006057727A1 - Verfahren zur Messung der Doppelbrechung und/oder der Retardation, insbesondere an zumindest teiltransparenten Folien sowie zugehörige Vorrichtung

Info

Publication number: DE102006057727A1
Application number: DE200610057727
Authority: DE
Inventors: Wolfram Aumeier
Original assignee: Brueckner Maschinenbau GmbH and Co KG
Current assignee: Brueckner Maschinenbau GmbH and Co KG
Priority date: 2006-12-07
Filing date: 2006-12-07
Publication date: 2008-06-12
Also published as: WO2008067938A1

Abstract

Ein verbessertes Verfahren sowie eine verbesserte Vorrichtung zur Messung der Doppelbrechung und/oder der Retardation an Proben (3) zeichnet sich unter anderem durch folgende Maßnahmen aus: - mit einer Strahlungsanordnung mit zumindest einer Lichtquelle (LQ1, LQ2) oder mit zumindest zwei Lichtquellen (LQ1, LQ2) zur Erzeugung von zwei Lichtstrahlen (LS1, LS2; LS1_1, LS1_2; LS2_1, LS2_2), - es ist ein polarisationserhaltendes, diffraktives Element (DO; DO1, DO2) vorgesehen, und - es ist eine Detektoreinrichtung (9; 9a, 9b) mit polarisationsempfindlichen Analysatoren (A; A1, A2; 19) vorgesehen, mittels der die Intensität des von den Teilstrahlen erzeugten Beugungsstruktur-Musters (BM) messbar ist.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Messung der Doppelbrechung und/oder der Retardation, insbesondere an zumindest teiltransparenten Folien nach dem Oberbegriff des Anspruches 1 sowie eine zugehörige Vorrichtung nach dem Oberbegriff des Anspruches 27.
Ein entsprechendes Messverfahren bzw. eine entsprechende Vorrichtung dient vor allem zur schnellen störunempfindlichen Echtzeit-Messung an Proben mittels elektromagnetischer Strahlung, d.h. insbesondere Strahlung im sichtbaren Bereich.
Das Einsatzgebiet der Erfindung ist von daher nicht beschränkt. Eine der möglichen, im Rahmen der vorliegenden Erfindung bevorzugten Anwendungsfälle betrifft die Online-Messung (Echtzeit-Messung) der Doppelbrechnung bzw. der Retardation von transparenten oder zumindest teil-transparenten, also optischen Kunststofffolien und -filmen während des Herstellungsprozesses.
Mit einem derartigen Messverfahren bzw. mit einem der artigen Messgerät kann online eine Qualitäts- bzw. Prozesskontrolle beispielsweise bei der Herstellung von Kunststofffolien durchgeführt werden. Die gewonnenen Messwerte dienen dabei der Kalibrierung spezifischer Folieneigenschaften und verfahrenstechnischer Einstellungen. Dadurch lassen sich die Kosten durch aufwendige Offline-Messungen oder Fehlläufe einsparen. Durch die Messung können weiterhin online, also in Echtzeit, wichtige Qualitätsmerkmale vor allem im sichtbaren Wellenlängenbereich sowie weitere Eigenschaften wie die der Transmission beispielsweise an durchsichtigen Folien gemessen werden.
Ein Teilaspekt der Vorrichtung besteht u.a. darin, dass während des Produktionsprozesses die Folieneigenschaften durch Änderung der Prozess- und insbesondere der Reckparameter mittels der gemessenen Doppelbrechungseigenschaften gezielt eingestellt werden können. So können beispielsweise die Retardationseigenschaften von z.B. optischen Filmen durch Änderung der Reckparameter gezielt eingestellt werden. Somit kann die Endfolieneigenschaft während des Produktionsprozesses eingestellt werden. Ähnliches gilt für die Einstellung der Prozessparamenter und Endfilmeigenschaften z.B. für Schrumpffolien oder der Minimierung des sog. Bowing Verhaltens u.a.
Eine entsprechende Foliendicken-Messung im Online- oder Echtzeitverfahren, die extern erfolgen kann aber auch integraler Bestandteil der beanspruchten Messvorrichtung sein kann, dient somit zur Berechnung der Doppelbrechungs-Werte.
"Doppelbrechung" bei elektromagnetischen Wellen, d.h. insbesondere bei im sichtbaren Bereich liegenden Lichtstrah len, bedeutet, dass ein polarisierter Lichtstrahl in zwei Komponenten aufgespaltet wird und durch das zu untersuchende Medium mit unterschiedlicher Geschwindigkeit durch die Folie hindurch läuft. Die Doppelbrechung ist dabei ein dem Material der untersuchten Probe inhärenter Wert oder inhärente Größe, die Rückschlüsse auf die Materialeigenschaften der zu untersuchenden Probe erlaubt. Dabei wird häufig auch von "Retardation" gesprochen. Die beiden ordentlicher und außerordentlicher Strahl genannten Polarisationskomponenten durchlaufen die zu untersuchende Probe (beispielsweise den zu untersuchenden Folienfilm) mit unterschiedlicher Geschwindigkeit, nämlich längs einer sogenannten "schnellen Achse" und einer sogenannten "langsamen Achse", wobei der entsprechend auf der "langsamen Achse" verlaufende polarisierte Lichtstrahl quasi "verzögert" die zu untersuchende Probe durchläuft, hier also eine "Retardation" erfährt. Die Größenordnung der "Retardation" ist dabei ein Längenmaß, üblicherweise im Nanometerbereich "nm".
Von daher wird häufig der Begriff "Retardation" als äquivalenter Begriff zu "Doppelbrechung" verwendet und verstanden, da die Retardation dem Doppelbrechungswert multipliziert mit der Dicke der Probe entspricht.
Die Messung der Retardation bzw. der Doppelbrechung beruht meist auf dem sogenannten "Senarmont-Verfahren", bei dem der Phasenwinkel der polarisierten Lichtstrahlen durch zeitaufgelöste Drehung einer der Polarisationskomponenten gewonnen wird. Diese Verfahren erfordern zumindest eine Drehung um einen Wert π einer Polarisationskomponente und sind deshalb für die Online- oder Echtzeitmessung an schnell laufenden Folien nicht geeignet.
Es sind darüber hinaus auch schon modifizierte Senarmont-Verfahren entwickelt und vorgeschlagen worden, bei denen die Polarisationsoptik durch schnell drehende elektro- oder mechanisch-optische Elemente ersetzt werden, um so eine zeitnahe Messung der Retardation bzw. der Doppelbrechung zu ermöglichen. Derartige Verfahren sind beispielsweise aus der WO 99/42796 A1 und im Rahmen einer darauf aufbauenden Weiterentwicklung aus der WO 03/040671 A1 bekannt geworden.
Nachteilig an diesen Verfahren ist jedoch, dass sie eine sehr hohe Rechenleistung benötigen und aufgrund der Taktraten der Messwerterfassung bei schnell laufenden Folien über eine bestimmte Wegstrecke der Folie quasi nur einen "verschmierten" oder "integrierten" Durchschnittswert erfassen können, also keine Echtzeit-Auflösung in ausreichender Größenordnung zulassen.
Insbesondere bei uniaxial und biaxial verstreckten Folien treten zudem meist höhere Ordnungen (R > λ) auf, die mit dem gängigen Senarmont-Verfahren nicht gemessen werden können. In der Literatur sind hierzu Beispiele bekannt, bei denen über zwei eng beieinander liegende Wellenlängen und ein Minimierungsverfahren höhere Ordnungen ermittelt werden können.
Es hat sich gezeigt, dass insbesondere bei optischen Folien alle drei Brechungsindizes n_x, n_Y, n_Z bzw. die Doppelbrechungswerte Δn_xy, Δn_xz, oder Δn_yz zur Qualitätskontrolle notwendig sind. Bei der Brechzahl handelt es sich bekanntermaßen um die Brechung der elektromagnetischen Welle in der zu untersuchenden Probe (Folie), also die Richtungsänderung der Welle aufgrund einer lokalen Änderung ihrer Ausbreitungsgeschwindigkeit, die teilweise auch als "Brechungsindex" bezeichnet wird, der in allen drei räumlichen Achsen von Bedeutung ist.
Hier ist es die Unterscheidung zum eigentlichen Messverfahren notwendig, bei dem die Doppelbrechungsmesswerte bestimmt werden, und zunächst nicht die Brechungsindizes.
So wird gemäß der US 5 864 403 A zur Messung der absoluten biaxialen Brechungswerte eines plastischen Materials vorgeschlagen, eine Weißlichtquelle mit einem unterschiedlichen Wellenspektrum zu verwenden, worüber zwei Lichtstrahlen auf eine Probe gestrahlt werden, die die Probe an der gleichen Stelle durchlaufen, wobei beide Lichtstrahlen in einem unterschiedlichen Winkel zueinander ausgerichtet sind. Die Strahlen laufen dabei zunächst durch Polarisatoren, bevor sie an gleicher Stelle auf die Probe treffen. Nach Durchlaufen der Probe treffen die Strahlen auf einen weiteren Polarisator, bevor sie nach der Wellenlängentrennung durch einen Spektrographen auf einen Detektor treffen, um die Strahlintensität als Funktion der Wellenlänge für die Einfallswinkel der beiden Strahlen zu verschiedenen Zeitpunkten zu messen. Hieraus wird letztlich der Doppelbrechungswert bzw. die Retardation ermittelt. Aus der Kenntnis der Dicke der Folie soll dann gemäß dieser Vorveröffentlichung der In-Plane-Wert und der Out-of-Plane-Wert (IP-OP-Wert) für den Wellenlängenbereich berechnet werden.
Eine Möglichkeit, die Retardation oder Doppelbrechungs-Werte online (also in Echtzeit) für schnell laufende Folienbahn zu messen, besteht darin, das zeitaufgelöste Signal aus der drehenden Polarisationskomponente in eine räumlich getrennte Polarisationsinformation umzuwandeln. Dabei wird ein polarisationserhaltendes diffraktives optisches Element (also eine Beugungsstruktur) dazu verwendet, die Drehung eines Polarisationselementes in ein räumlich verteiltes Muster abzubilden. Jeder dieser Musterflächen wird dann ein Einzelanalysator und eine Detektionseinheit zugeordnet, wobei die Einzelanalysatoren bezüglich ihrer Polarisationsebene in unterschiedlicher Richtung zueinander angeordnet sind, wie dies aus der Vorveröffentlichung DE 195 37 706 A1 zu entnehmen ist. Dabei wird der zu analysierende Lichtstrahl mit Hilfe einer synthetisch erzeugten zweidimensionalen Beugungsstruktur in eine große Anzahl von Teilstrahlen gleichen Strahlprofils und gleicher Intensität vervielfacht, wobei die Vielzahl der Strahlen dann eine entsprechende Anzahl von linearpolarisationsempfindlichen Elementen mit unterschiedlichen Winkelrichtungen durchlaufen, um anschließend auf eine entsprechende Anzahl von Detektoren aufzutreffen, deren Signale bezüglich der Winkel fourieranalysiert werden können.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es demgegenüber, ein verbessertes Messverfahren sowie eine verbesserte Vorrichtung für eine Echtzeit-Doppelbrechungs-Messung zu schaffen, mit der online (also im Echtzeit-Verfahren) mit vergleichsweise geringem apparativen Aufwand mit hoher Auflösung möglichst exakte Werte über die zu untersuchende Probe, insbesondere bezüglich schnell bewegten Folienbahnen ermittelt werden können.
Die Aufgabe wird bezüglich des Verfahrens entsprechend den im Anspruch 1 und bezüglich der Vorrichtung entsprechend den im Anspruch 27 angegebenen Merkmalen gelöst.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
Mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens und der zugehörigen Messvorrichtung kann in Echtzeit, also online, die Qualitäts- und vor allem auch die Prozesskontrolle beispielsweise bei der Herstellung von Kunststofffolien und -filmen verbessert werden, die transparent oder teiltransparent sind. Die gewonnenen Messwerte können dabei zur Kalibrierung spezifischer Folieneigenschaften und für verfahrenstechnische Einstellungen herangezogen werden. Damit werden die Kosten durch aufwendige Online-Messungen und Fehlläufe eingespart. Schließlich lassen sich im Rahmen der Erfindung auch online wichtige Qualitätsmerkmale aus dem sichtbaren Wellenlängenbereich und damit weitere Eigenschaften bezüglich der Proben vor allem bei transparenten bzw. teil-transparenten Kunststofffolien messen. Ein Beispiel der Prozesskontrolle ist hier die gezielte Beeinflussung der Endfilmeigenschaften mittels der Messung der Doppelbrechungs(DB)-Werte.
Vor allem lässt sich im Rahmen der Erfindung die Retardation und die Doppelbrechungs-Werte an schnell laufenden Kunststofffolienbahnen ermitteln, die beispielsweise mit einer Geschwindigkeit von bis zu 600 m/min fortbewegt werden. Dabei lassen sich im Rahmen der Erfindung folgende Ergebnisse ermitteln:

a) Es können die Werte für die Retardation und die Doppelbrechungswerte bezüglich der zu untersuchenden Proben nullter und höherer Ordnungen bestimmt werden;
b) es lassen sich die Retardations- und Doppelbrechungs werte in allen drei Raumrichtungen ermitteln;
c) es lässt sich die Wellenlängenabhängigkeit bezüglich der Retardations- und Doppelbrechungswerte ermitteln;
d) es kann die wellenlängenabhängige Transmission bestimmt werden;
e) bei der Detektion über mehrere Wellenlängen oder Wellenlängenbereiche kann zusammen mit der Bestimmung der Transmission über das Lambert-Beersche-Gesetz die Dicke der Probe (Folie) bestimmt werden, die dann zur Ermittlung der Doppelbrechungswerte herangezogen werden kann; und
f) es lassen sich die Brechungswerte bestimmen.

Insbesondere bei optischen Folien ist ein entscheidendes Qualitätskriterium das Verhältnis der Brechungswerte zueinander. Dabei wird unterschieden bezüglich der Doppelbrechungswerte (n_X-n_Y), die in der Folienebene liegen und die als sog. In-Plane-Brechungswerte (n_X-n_Y) bezeichnet werden, wobei nachfolgend der Begriff "In-Plane" teilweise auch als "IP" abgekürzt bekannt wird. Daneben existieren die entsprechenden Brechungswerte in Dickenrichtung der zu untersuchenden Probe, also beispielsweise in Dickenrichtung der zu untersuchenden Folie, die kurz als Out-of-Plane-Doppelbrechungswerte (n_z-n_x), (n_z-n_Y) bezeichnet werden, wobei die Bezeichnung "Out-of-Plane" nachfolgend kurz auch als "OP" abgekürzt benannt wird. Da es sich um optische Folien handelt, sind natürlich die Doppelbrechungswerte im sichtbaren Bereich (von beispielsweise 400 bis 700 nm) von besonderem Interesse.
In der Regel sind die sog. Out-of-Plane-Doppelbrechungswerte größer als die In-Plane-Doppelbrechungswerte. Zu beachten ist hierbei ferner, dass die optischen Folien meist nur nullter oder erster Ordnung (R < λ, R < 2λ) zur Anwendung kommt. Bei der Konzeption eines universellen Doppelbrechungs-Messgerätes ist zudem die Wellenlängenabhängigkeit über den sichtbaren Bereich zu berücksichtigen.
Bei uniaxial wie aber auch bei biaxial verstreckten Folien treten in der Regel Doppelbrechungs-Werte höherer Ordnung auf, die mit Standardmessgeräten nicht zu bestimmen sind. Bei diesen Geräten treten Ordnungssprünge auf, die eine eindeutige Interpretation der Messung zunichte machen.
Abhilfe kann hier nur dadurch geschaffen werden, dass zumindest ein zweiter Messstrahl mit geringfügig anderer Wellenlänge kollinear zum Hauptstrahl überlagert wird. Durch die entstehenden Gangunterschiede bei verschiedenen Wellenlängen lässt sich dann mit Hilfe eines Minimierungsverfahrens auf die Ordnung der doppelbrechenden Folie schließen. So ist z.B. auch die Messung an bisher nicht eindeutig bestimmbaren hoch-verstreckten Polypropylen-Folien (PP-Folien) möglich.
Insbesondere dann, wenn ein weiter Spektralbereich durchmessen werden soll, hat es sich im Rahmen der Erfindung ebenfalls als günstig erwiesen, die entsprechende Ordnungsbestimmung nicht nur mit z.B. zwei diskreten Wellenlängen auszuführen, die einen Wellenlängenversatz Δλ zueinander aufweisen, sondern eine Messung basierend auf einem Mehrwellenlängenverfahren durchzuführen, bei der gleichzeitig mehr als zwei Wellenlängen zur Messung ver wendet werden. Die Ordnungsbestimmung ist für den IP- und OP-Strahlengang möglich.
Diese und weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich auch aus den nachfolgend anhand von Zeichnungen näher erläuterten Ausführungsbeispielen. Dabei zeigen im Einzelnen:
1: eine schematische Anordnung einer erfindungsgemäßen Messvorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Messverfahrens;
2: eine erste Ausführungsvariante zur Verdeutlichung einer möglichen Strahlkopplung für die In-Plane- und die Out-of-Plane-Anregung;
3: eine zu 2 abweichende Ausführungsform gemäß einer zweiten Variante für die In-Plane- und die Out-of-Plane-Anregung insbesondere für optische Filme;
4: eine schematische Darstellung einer Detektionseinheit zur Detektion des einfallenden Lichtstrahles bezüglich der In-Plane- bzw. der Out-of-Plane-Lichtstrahl-Auswertung;
5: eine Darstellung des in eine Vielzahl von Teilstrahlen aufgespaltenen Lichtstrahls unter Erzeugung einer unterschiedlichen Intensitätsverteilung nach Durchlaufen einer polarisationsabhängigen Analysator- Konfiguration gemäß einer Ausführungsform nach dem Stand der Technik;
6: eine entsprechende Darstellung gemäß 5 jedoch für die Durchführung eines erfindungsgemäßen Messverfahrens;
7: eine erste schematische Darstellung eines im Rahmen des erfindungsgemäßen Messverfahrens erhaltenen Beugungsstruktur-Musters eines Lichtstrahles, nachdem der Lichtstrahl ein wellenlängenabhängiges diffraktives Element unter Erzeugung einer Vielzahl von Teilstrahlen durchlaufen hat;
8: ein zu 7 abweichendes Ausführungsbeispiel einer unterschiedlichen Analysatoranordnung mit entsprechend unterschiedlich erhaltenem Beugungsstruktur-Muster; und
9: eine Darstellung zur Erläuterung der Bestimmung des Phasenwinkels und damit der Retardation des doppelbrechenden Mediums entsprechend der untersuchten Probe.
Nachfolgend wird zunächst auf 1 Bezug genommen, in der eine grundsätzliche Prinzipdarstellung einer In-Plane- und einer Out-of-Plane-Messung mittels zweier Lichtstrahlen erläutert wird.
Dazu ist in 1 beispielsweise längs der Pfeildarstellung ein schnell vorwärts bewegter transparenter oder zumindest teil-transparenter (optischer) Kunststofffilm 3 quer zur Folienebene gezeigt.
Auf der einen Seite des Kunststofffilms 3, im gezeigten Ausführungsbeispiel auf der linken Seite, ist eine Anordnung mit einer Lichtstrahl-Erzeugungseinrichtung 5 gezeigt, mittels der ein erster Lichtstrahl LS1 und ein zweiter Lichtstrahl LS2 erzeugt werden.
Gemäß dem Ausführungsbeispiel nach 1 sind zwei Lichtstrahl-Erzeugungseinrichtungen 5a und 5b vorgesehen, wobei mittels der Lichtstrahl-Erzeugungseinrichtung 5a ein senkrecht auf die Ebene der zu untersuchenden Probe 3 fallender Lichtstrahl und mittels der Lichtstrahl-Erzeugungseinrichtung 5b ein dazu winkelig ausgerichteter zweiter Lichtstrahl erzeugt wird, der an gleicher Stelle X (oder in einem möglichst eng umgrenzten gleichen Probenbereich X) in einem von 90° abweichenden Winkel von beispielsweise α_OP auf die Ebene der Probe 3 fällt, wobei der Winkel α_OP kleiner als der polarisierende Reflexionswinkel ist, also bevorzugt kleiner als 50°, insbesondere 30° ist.
Jeder der beiden Lichtstrahlen LS1 und LS2 wird mittels einer Lichtquelle LQ1 und LQ2 erzeugt, die beispielsweise aus einer Weißlichtquelle wie einer Lampe oder einem oder mehreren Lasern mit festen oder durchstimmbaren Wellenlängen bestehen kann.
Der so erzeugte Lichtstrahl wird durch einen Wellenlängen-Separator WS1 bzw. WS2 geleitet, dies kann ein Monochromator, ein Kantenfilter oder ein akustisch optisch durchstimmbarer Filter (AOTF) sein. Die Wellenlängenseparatoren sind notwendig, wenn:

a) nur über einen bestimmten Wellenlängenbereich oder nur mit bestimmen Wellenlängen gemessen werden soll,
b) in einem Zwei- oder Mehrwellenlängenverfahren höhere Ordnungen bestimmt werden sollen,
c) eine Kalibrierung der Detektionseinheit durchgeführt werden soll,
d) integral die Dicke der Probe bestimmt werden soll.

Gemäß dem Ausführungsbeispiel nach 1 können die Lichtstrahlen bezüglich des In-Plane- und bezüglich des Out-of-Plane-Zweiges miteinander optisch gekoppelt sein. Dies ist mittels des Kopplers C1 bzw. C2 in 1 angedeutet.
Diese Kopplung kann bei optischen Folien (Proben 3) mit Messungen nullter Ordnung auch dazu verwendet werden, mit nur einer Lichtquelle auszukommen. Dazu kann beispielsweise die Lichtquelle LQ2 und der Wellenlängen-Separator WS2 entfallen. Der sog. zweite Lichtstrahl in dem Out-of-Plane-Zweig wird dann durch die Lichtquelle LQ1 und durch den Wellenlängen-Separator WS1 alleine versorgt. Nach der Strahlkopplung, die später noch detailliert erläutert wird, wird dann der jeweilige Lichtstrahl LS1 bzw. LS2 mit einer Aufweiteoptik CU1 bzw. CU2 aufgeweitet, wobei dann der jeweilige Lichtstrahl LS1 und LS2 zunächst eine Polarisationsoptik PO1 und PO2 sowie Verzögerungsplatten (λ/2) durchläuft und dann durch die Folie 3 strahlt.
Die optionale optische Kopplung der beiden Lichtquellen bzw. Lichtstrahlen kann den folgenden Zwecken dienen:

a) der Bestimmung der Retardations- und damit der Doppelbrechungs-Werte höherer Ordnungen;
b) der zeitsynchronen Erfassung der In-Plane- und Out-of-Plane-Messwerte für die Folie 3 nullter Ordnung;
c) die Erfassung von In-Plane- und Out-of-Plane-Messwerten für Folien höherer Ordnung;
d) dem selektiven Erfassen bestimmter Wellenlängen und -bereiche;
e) der Referenzerfassung zur Transmissions- und Dickenermittlung; und
f) der Eichung der Detektionseinheiten.

Wird – worauf vorstehend hingewiesen wurde – anstelle zweier getrennter Lichtquellen und zweier Wellenlängen-Separatoren nur eine Lichtquelle LQ und nur ein Wellenlängen-Separator WS verwendet und der Lichtstrahl dann in zwei Lichtstrahlen LS1 und LS2 aufgespalten, so lässt sich darüber hinaus auch noch eine Kosteneinsparung durch die gekoppelte Verwendung der Lichtquellen für die In-Plane- und Out-of-Plane-Messung erzielen.
Bevor auf die weitere Auswertung der in die Folie in dem Folienbereich X einstrahlenden Lichtstrahlen LS1 und LS2 eingegangen wird, soll zunächst Bezug nehmend auf 2 eine erste Variante der Strahlkopplung für die In-Plane- und die Out-of-Plane-Anregung erläutert werden.
In 2 ist der Messaufbau in größerem Detail erläu tert, wobei gleiche Bezugszeichen gleiche Teile wie in 1 betreffen.
Zur Bestimmung der Retardations- und Doppelbrechungs-Werte höherer als der ersten Ordnung ist zumindest eine zweite Wellenlänge notwendig (wie oben z.B. auch bezüglich des Mehrwellenlängenverfahrens ausgeführt ist), die kollinear durch das annähernd gleiche Probevolumen gestrahlt wird. Dies kann in einer Variante der Erfindung unter Verwendung zumindest eines zweiten Lichtstrahls mit zum ersten Lichtstrahl versetzter Wellenlänge oder durch Verwendung eines Lichtstrahls mit einem Wellenlängenbereich erfolgen. Eine analoge Vorgehensweise ist für mehrere Wellenlängen möglich.
Geht man beispielsweise davon aus, dass die Lichtquelle LQ1 mit einer Wellenlänge von 635 nm und die zweite Lichtquelle LQ2 mit einer Wellenlänge von beispielsweise 685 nm kollinear in dem annähernd gleichen Probenbereich X eingestrahlt wird, so können in der Praxis höhere Ordnungen bis zur neunten Ordnung bezüglich der zu untersuchenden Probe ermittelt werden. Je näher diese beiden vorstehend genannten Wellenlängen zueinander liegen, desto höher ist die theoretisch zu ermittelnde Ordnung. In der Praxis müssen allerdings Wellenlängen noch sauber separiert werden, weshalb häufig ein Wellenlängen-Unterschied
Δλ > 10 nm
notwendig ist. Für viele Einsatzfälle ist ein Wert von
Δλ ≅ 30 nm
sinnvoll. Derartige Werte können also allgemein zwischen 10 bis 100 nm, insbesondere zwischen 10 bis 80 nm oder 10 bis 60 nm bzw. 10 bis 50 nm variieren. Wie ausgeführt, sind Werte von etwa 20 nm bis 40 nm häufig geeignet.
Bei der nachfolgend erläuterten Variante gemäß 2 werden zwei Lichtquellen LQ1 und LQ2 verwendet, wobei die darüber erzeugten Lichtstrahlen jeweils einem Wellenlängen-Separator WS1 bzw. WS2, wie anhand von 1 erläutert, zugeführt werden.
Die darüber erzeugten beiden Lichtstrahlen LS1 und LS2 werden über eine Strahlteiler-Optik Ski bzw. SK2 miteinander gekoppelt.
Wird beispielsweise eine Breitbandlichtquelle mit Monochromator verwendet, dann lässt sich mit der Lichtquelle LQ1 ein Wellenlängenbereich von beispielsweise
λ1 = 400 – 700 nm
durchfahren, während mittels der Lichtquelle LQ2 beispielsweise ein Wellenlängenbereich von
λ2 = (400 + Δλ) – 700 nm
zeitsynchron mit gleichbleibendem Δλ eingestrahlt wird. Es besteht darüber hinaus auch die Möglichkeit, im sog. Probebetrieb die Ordnung zu bestimmen. Nimmt man dazu an, dass die Lichtquelle LQ1 im sichtbaren Bereich durchgescannt wird, dann besteht über die nachfolgend noch erläuterten Schalteinrichtungen S1 für den ersten Lichtstrahl LS1 bzw. die Schalteinrichtung S2 für den zweiten Licht strahl LS2 die Möglichkeit, die Lichtquelle LQ2 in einer Wellenlänge λ1 + Δλ gesteuert einzustrahlen und dann die Ordnung zu bestimmen. Dieses Prinzip funktioniert analog, wenn verschiedene diskrete Laserquellen statt einer Breitbandlichtquelle verwendet werden.
Gemäß 2 ist zu ersehen, dass die beiden Lichtquellen LQ1 und LQ2 Lichtstrahlen erzeugen, die nach Durchlaufen der Wellenlängen-Separatoren WS1 und WS2 für den In-Plane- und Out-of-Plane-Strahlengang in einer Aufspaltungs-Einheit SU1 und SU2 in Strahlen mit gleicher Intensität unpolarisiert aufgespalten werden. Diese Aufspaltungseinheiten SU1 und SU2 können beispielsweise aus je einem nicht polarisierenden Breitband-Strahlteiler BS1 und BS2 und je einem 100 %igen Spiegel M1 bzw. M2 bestehen. Die Aufspaltungseinheiten können auch durch alle anderen geeigneten Maßnahmen realisiert werden, beispielsweise auch in Form eines Lichtleiter-Multiplexers.
Somit wird der Lichtstrahl LS1 über den Strahlteiler BS1 in den durchlaufenden Lichtstrahl LS1_1 und in den davon abzweigenden Lichtstrahl LS1_2 geteilt. Ebenso wird der zweite Lichtstrahl LS2 über den zweiten Strahlteiler BS2 in den Lichtstrahl LS2_1 und L2_2 aufgeteilt.
Der mit der Wellenlänge λ₁ strahlende Lichtstrahl LS1_1 wird einer Kollimationseinheit CU1_1 (Aufweitungs-Optik CU1_1) und der zweite Teilstrahl LS1_2 der Aufweitungs-Optik CU1_2 zugeführt, dadurch aufgeweitet und anschließend einem weiteren Strahlteiler BS1_1 bzw. BS2_1 zugeführt. In diesen vorstehend erwähnten Strahlteilern wird jeweils ein Anteil des mit der Wellenlänge λ₁ strahlenden Lichtstrahles LS1_1 bzw. LS1_2 durch den Strahlteiler BS1_1 bzw. BS2_1 hindurchgeleitet.
Entsprechendes gilt für den zweiten Lichtstrahl LS2, der über die erwähnte Aufspaltungseinheit SU2 in zwei Lichtstrahlen LS2_1 und LS2 _2 aufgespalten wird, wobei der eine Lichtstrahl LS2_1 über eine Aufweit-Optik CU2_1 ebenfalls dem erwähnten Strahlteiler BS1_1 und der zweiten Lichtstrahl LS2_2 dem weiteren Strahlteiler BS2_1 zugeführt wird, worüber ein Teil des Lichtstrahls parallel zu dem jeweils anderen Lichtstrahl LS1_1 bzw. LS1_2 umgelenkt wird, so dass sich sowohl auf dem In-Plane-Zweig als auch auf dem Out-of-Plane-Zweig jeweils Anteile beider Lichtstrahlen LS1 bzw. LS2 ausbreiten.
Diese Lichtstrahlen verlaufen dann bevorzugt zunächst durch ein Verzögerungsglied λ/2 (häufig realisiert in Form einer sog. Verzögerungsplatte unter Bewirkung einer λ/2 Phasenverschiebung), um anschließend die erwähnte Polarisationsoptik PO1 bzw. PO2 und danach dann die Probe 3 beispielsweise in Form eines transparenten Filmes zu durchstrahlen.
In den erwähnten In-Plane- und Out-of-Plane-Strahlengängen (die kurz auch als IP- bzw. OP-Strahlengänge bezeichnet werden) stehen also jeweils die Lichtstrahlen mit der Wellenlänge λ₁ und λ₂ mit je der halben Intensität an.
Wie aus 2 auch hervorgeht, wird jeder der beiden aufgespaltenen Lichtstrahlen in den beiden weiteren Strahlteilern BS1_1 und BS2_1 teilweise auch in einen 90° Winkel reflektiert, so dass dieser Strahlenanteil mit Detektoren DET1 bzw. DET2 zur Bestimmung der Transmission als Referenz herangezogen werden kann. Diese Messwerte können ferner zur Ermittlung der Foliendicke über das Lambert-Beersche-Gesetz herangezogen werden.
Die erwähnten Schalter S1 und S2 (die vor der Aufweitungs-Optik CU1_2 bzw. CU2_1 angeordnet sind) dienen, wie erwähnt, zur Bestimmung der Ordnung, allerdings auch zur Eichung der jeweiligen Retardation bei unterschiedlichen Wellenlängen.
Mittels der Ausführungsform gemäß 1 und 2 ist also eine diskrete Detektion von definierten Wellenlängen oder -bereichen mittels der nachfolgend noch erörterten Detektionseinheit möglich. Bei diskreten eingestrahlten Wellenlängen λ₁ λ₂ kann eine entsprechende Eichung der Detektionseinheit entfallen.
Nachfolgend wird auf das Ausführungsbeispiel gemäß 3 eingegangen, welches eine Ausführungsvariante in Abweichung zu 2 zeigt.
Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß 3 besteht die Möglichkeit, dass die beiden Lichtstrahlen LS1 und LS2 diskrete Wellenlängen λ₁ und λ₂, λ₃ ..., λ_n umfassen, wobei n = 1, 2, 3 ..., n, also die natürlichen Zahlen bis n betreffen, oder aber es besteht die Möglichkeit, dass die beiden Lichtstrahlen jeweils in einem Wellenlängenbereich λ_x strahlen. Allerdings ist in diesem Falle dann die Eichung der nachfolgend erläuterten Detektionseinheit für die jeweilige Wellenlänge notwendig.
Das Ausführungsbeispiel gemäß 3 dient insbesondere zur zeitgleichen Bestimmung der Retardations-Werte für optische Folien im sichtbaren Wellenlängenbereich.
Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß 3, bei welchem gleiche Bezugszeichen und gleiche Benennungen gleiche Teile betreffen, wird also ein Lichtstrahl mit einem Wellenlängenbereich λ₁X in der Lichtquelle LQ1 erzeugt und dem nachfolgenden Wellenlängenbereichs-Separator WS1 und nachfolgend einer Strahlteiler-Einheit SU mit einem Strahlteiler BS1 und einem versetzt dazu angeordneten Spiegel M1 zugeführt, wodurch der Lichtstrahl LS1 in zwei Lichtstrahlen LS1_1 und LS1_2 aufgeteilt wird. Die so erzeugten beiden Strahlenzweige werden In-Plane- und Out-of-Plane der zu untersuchenden Probe mit unterschiedlichem Winkel einander zugeführt, also der Strahl rechtwinkelig zur Folie und der andere in einem spitzen Winkel.
Wie in 3 angedeutet ist, kann alternativ dazu für den zweiten Strahlengang eine separate zweite Lichtquelle LQ2 und ein weiterer Wellenlängenbereich-Separator WS2 vorgesehen sein, der in 3 strichliert umgrenzt ist. In diesem Falle würden dann der Strahlteiler SU wegfallen. Der erwähnte Wellenlängenbereichs-Separator WS1 dient also dazu, einen bestimmten Wellenlängenbereich λ₁X aus dem in der einen Lichtquelle LQ1 erzeugten Lichtstrahl herauszufiltern und durchzulassen. In der erwähnten Variante können aber auch zwei Lichtquellen LQ1 und LQ2 mit jeweils einem nachgeordneten Wellenlängenbereichs-Separator WS1 bzw. WS2 verwendet werden, die einen bestimmten Wellenlängenbereich λ₁X bzw. λ₂X aus den in den beiden Lichtquellen LQ1 und LQ2 erzeugten Lichtstrahlen herauszufiltern und durchzulassen, wobei λ₁X und λ₂X gleiche Wellenlängenbereiche, sich zumindest überlappende Wellenlängenbereiche oder versetzt zueinander liegende Wellenlängenbereiche darstellen können. Analoges gilt für den Fall, dass diskrete Wellenlängen anstelle eines Wellenlängenbereiches verwen det werden.
Anstelle der erwähnten Wellenlängenbereiche λ₁X können natürlich auch, wie bei dem Ausführungsbeispiel gemäß 2, diskrete Wellenlängen λ_n eingestellt werden.
Um die später noch beschriebenen Detektionseinheiten mit bestimmten Wellenlängen eichen zu können, werden die Wellenlängen-Separatoren WS1 und WS2 (zur Selektion der Lichtstrahlen) zur Eichung verwendet.
Wie oben beschrieben, können zur Eichung ein Monochromator oder verschiedene Kantenfilter verwendet werden.
Nach der Eichung kann die Eicheinrichtung entfernt werden oder sie dient weiterhin als Einheit zur Wellenlängenbereichs-Selektion. Die übrigen Einheiten und deren Funktionalität entsprechen grundsätzlich dem Aufbau nach 2, wobei in jedem Wellengang der in einem Wellenlängenbereich strahlende Lichtstrahl LS1_1 einen Strahlteiler BS1_1 bzw. BS2_1 durchläuft, ebenso wie die Polarisationsoptik, um dann auf die zu untersuchende Probe beispielsweise in Form des Filmes zu fallen.
Bei den beiden vorstehend erwähnten Strahlteilern wird jeweils ein Anteil des betreffenden Lichtstrahles ausgekoppelt und der Detektoreinheit DET1 bzw. DET2 zugeführt.
Diese Messgrößen im Sende- und Empfangsteil können zur Ermittlung der Transmission und zur direkten Bestimmung der Foliendicke über das Lambert-Beersche-Gesetz herangezogen werden. Die Dickenmessung dient dann zur Berechnung der Doppelbrechungswerte über den Phasenwinkel bzw. die Retardation.
Nachfolgend werden anhand von 4 die Detektionseinheiten 9 (nämlich die Detektionseinheit 9a zur Ermittlung der IP-Werte sowie der Detektionseinheit 9b für die Ermittlung der OP-Werte) näher erläutert, wie sie vom Prinzipaufbau bereits aus 1 ersichtlich sind. Anhand von 4 ist dieser Aufbau im größeren Detail dargestellt, wobei vorausgeschickt wird, dass die Detektionseinheiten ebenso wie die Lichtstrahl-Erzeugungseinrichtungen im In-Plane- und im Out-of-Plane-Strahlengang analog aufgebaut sind, weshalb anhand von 4 nur ein Detektionsteil für die IP- bzw. die OP-Komponenten beschrieben wird, wobei dieses Detektionsteil 9, 9a für den In-Plane-Zweig und in weiterer Ausführungsform als Detektionsteil 9, 9b für den Out-of-Plane-Zweig verwendet wird (wobei diese Detektionsteile 9, 9a nachfolgend teilweise auch als D₁ bzw. D₂ bezeichnet werden).
Dabei wird bereits an dieser Stelle angemerkt, dass zur Ermittlung der IP- wie aber auch der OP-Werte nur jeweils ein Detektionszweig notwendig ist. Nur dann, wenn das Ergebnis mit einer höheren Auflösung erzielt werden soll (worauf nachfolgend noch eingegangen wird), können weitere Detektionszweige D_N angebracht sein.
Dabei soll bereits an dieser Stelle angemerkt werden, dass mittels der erläuterten Detektionseinheit eine Mehrwellenlängen-Auswertung und -Detektion zeitgleich erfolgen kann und dass zudem eine kontinuierliche Auswertung zur Bestimmung höherer Ordnungen (zum Ausschluss von Dispersionsfehlern) ebenso ermöglicht wird.
Der aus der Probe austretende und nachfolgend kurz als LS bezeichnete Lichtstrahl LS entweder des In-Plane- oder des Out-of-Plane-Zweiges ist nach Durchlaufen der Probe 3 (in Form des transparenten oder teil-transparenten Films 3) elliptisch polarisiert und beinhaltet nach dem Durchgang durch die Folie 3 die benötigte Polarisationsinformation in Form eines Phasenwinkels, der in einen entsprechenden Wert für die Retardation und für die Doppelbrechung umgerechnet werden kann. Ferner besteht der Lichtstrahl im In-Plane- wie aber auch im Out-of-Plane-Strahl aus der Überlagerung aus den jeweils ausgestrahlten Wellenlängen, also aus den entweder eingestrahlten diskreten Wellenlängen und/oder dem zumindest einen Wellenlängenbereich.
Wie bereits anhand von 1 gezeigt, trifft also nach Austritt aus der zu untersuchenden Probe 3 der Lichtwellenstrahl LS auf eine Splitteinheit SPLIT, in der sowohl der Lichtstrahl im In-Plane- als auch im Out-of-Plane-Zweig mittels eines Strahlteilers D-BS1 in einen Detektions-Lichtstrahl D-LS1 und D-LS2 aufgespalten wird.
Der Teilstrahl D-LS1 wird einem Separator D-SEP1 und der weitere Lichtstrahl D-LS2 einem zweiten Separator D-SEP2 zugeführt.
Der aus den beiden Separatoren D-SEP1 bzw. D-SEP2 austretende Lichtstrahl wird dann auf ein diffraktives Element DOE (DOE1 bzw. DOE2) – welches später detailliert erläutert wird – in Abhängigkeit von der Wellenlänge λ in ein räumliches Muster aufgespalten und über eine Linse L1 bzw. L2 auf ein danach angeordnetes Analysator-Element A abgebildet, welches im gezeigten Ausführungsbeispiel ein Analysator-Element A1 bezüglich des einen Teilstrahles D- LS1 und auf ein Analysator-Element A2 bezüglich des zweiten Teilstrahles D-LS2 umfasst. Aus diesem Abbild-Muster – das nachfolgend noch erläutert wird – lassen sich Informationen über den Phasenwinkel, die Ordnung usw. des Lichtstrahles gewinnen, wobei die räumlichen und die Intensitäts-Informationen und eventuell die farblichen (Wellenlängen-)Informationen mittels einer nachgeschalteten Kamera DET1 bzw. DET2 aufgenommen und in einem Rechner verwertet werden können.
Abweichend zu dem vorstehend erläuterten Ausführungsbeispiel wäre es grundsätzlich ausreichend, den Lichtstrahl LS des In-Plane- oder des Out-of-Plane-Zweiges (also des IP- oder des OP-Zweiges) nur durch das diffraktive Element DOE1 und die nachfolgende Linse L1 auf den Analysator A1 einstrahlen zu lassen, um die darüber erhaltene Information dann über den Empfangssensor, in der Regel die Kamera DET1, aufzunehmen und entsprechend auszuwerten. Die Verwendung der Splitteinheit SPLIT dient letztlich dazu, durch die Aufspaltung eine nochmals verbesserte Auflösung zu erzielen. Diese Einheit (SPLIT) ist zum einen in 4 unter Verwendung der dort wiedergegebenen Einheit Shift eingezeichnet, um die punktiert umgrenzte zweite Detektionseinheit D₂ gebildet ist. Die "Shift 1"-Einheit stellt ebenfalls wieder ein Verzögerungsglied (beispielsweise in Form einer Verzögerungsplatte) dar, wodurch beispielsweise eine λ/4 oder λ/2 oder dergleichen Phasenverschiebung in dem abgezweigten Lichtstrahl erzeugt wird, wodurch eine bessere Trennung zwischen langsameren und schnelleren Komponenten in dem einfallenden Lichtstrahl LS ermöglicht wird.
Dabei ist aus 4 ferner zu ersehen, dass eine sog. Shift-Einheit zwischen dem ausgekoppelten Lichtstrahl D-LS1 und D-LS2 angeordnet ist, also zwischen dem Strahlteiler D-BS1, der für den ersten Lichtstrahl D-LS1 durchlässig ist und einen Teilstrahl auskoppelt, der dann nach Durchlaufen der Shift-Einheit auf den Spiegel RT,M1 fällt und im gezeigten Ausführungsbeispiel entsprechend umgelenkt wird und dabei den weiteren Wellenlängen-Separator oder Kantenfilter (insbesondere Kantenfilter) D-SEP2 durchläuft.
Die erwähnten SPLIT-Einheiten sind in 1 als "SPLIT IP" und "SPLIT OP" für den IP- und den OP-Strahl dargestellt, wenn eine Aufspaltung in jeweils zwei Strahlengänge zur Erhöhung der Auflösung beabsichtigt ist.
Bei extremen Anforderungen an die Auflösung kann es notwendig sein, den Messbereich noch weiter zu erweitern. Dazu werden weitere Detektionszweige D₁ bis D_N über Strahlteiler BS angekoppelt, wie dies in 4 durch die punktierte Umrisslinie angedeutet ist. Will man z.B. den gesamten sichtbaren Bereich mit höchster Auflösung erfassen, kann beispielsweise über einen Kantenfilter D-SEP nur ein Teilbereich des Spektrums auf das jeweilige diffraktive Element DOE eingestrahlt und detektiert werden.
Der jeweilige Separator D-SEP1 bzw. D-SEP2 ist z.B. für eine bestimmte Wellenlänge λ₁, λ₂ etc. bis λ_N bzw. einen Wellenlängenbereich λ₁X durchgängig, für einen anderen Wellenlängenbereich λ₁X + ΔλX aber sperrend. Beim weiteren Separator oder Kantenfilter D-SEP2 ist dieses Verfahren genau umgekehrt. Somit ist es möglich, die jeweiligen Anregungswellenlängen und -bereiche zu trennen.
An dem Spiegel RT,M1 wird ein Teilstrahl durchgelassen, der dann auf die Detektoreinheit DT3 fällt, also eine Detektionseinheit, die, wie ausgeführt, zur Bestimmung der Transmission und der Dicke der Folie benötigt wird.
Nachfolgend wird auf die Detektionseinheiten anhand von 1 und insbesondere auch anhand von 5 ff. näher eingegangen.
Dabei sind die Detektionseinheiten 9, d.h. die Detektionseinheiten 9a und 9b, für die beiden Strahlengänge In-Plane und Out-of-Plane analog aufgebaut, weshalb nachfolgend nur ein Detektionsanteil für einen Strahlenzweig beschrieben wird. Diese Detektionseinheiten 9 bzw. 9a und 9b umfassen grundsätzlich das diffraktive Element DOE, die Linse L1 bzw. L2, das Analysatorelement A1 bzw. A2 und letztlich die der Detektion dienende Messeinheit oder Sensoren DET1 bzw. DET2, die bevorzugt aus einer Kamera bestehen.
Die Grundkomponenten der Detektionseinheit 9 basieren auf dem erwähnten diffraktiven Element DOE und einer nachgeordneten Analysatoreinheit A. Das Detektionsprinzip wird dabei zunächst anhand von 5 bezüglich seines grundsätzlichen Wirkungsprinzips unter Bezugnahme auf ein nach dem Stand der Technik bekannten Verfahren erläutert.
Wird davon ausgegangen, dass beispielsweise ein Lichtstrahl LS mit nur einer Wellenlänge λ₁ in eine zu untersuchende Probe 3 eingestrahlt wird, so wird der Lichtstrahl LS nach Durchgang durch das polarisationserhaltende diffraktive Element DOE in ein vorbestimmtes Muster, d.h. ein vorbestimmtes Beugungsstruktur-Muster BM abgebildet. In dem anhand von 5 gezeigten Beispiel wird der Licht strahl LS durch das diffraktive Element DOE in N-Teilstrahlen aufgespalten bzw. aufgefächert, die auf einer nachfolgend noch erörterten Analysator-Anordnung A eine Abbildung in Kreisflächen 15 ergeben, wobei diese Kreisflächen 15 und damit das Beugungsstruktur-Muster BM symmetrisch um einen Teilkreis herum liegen.
Dieses Beugungsstruktur-Muster wird also auf die erwähnte Analysator-Anordnung A gestrahlt, wobei die Analysator-Anordnung A an jeder Abbildungsposition 115 (in 5 also im Bereich jedes Einzelkreises 15) Einzel-Analysatoren in Form von Polarisatoren umfassen, die in einem bestimmten Winkel zueinander angeordnet sind. Im erläuterten Ausführungsbeispiel gemäß 5 ist dabei jeder Einzel-Analysator 19 mit seiner Polarisationsebene um 15° gegenüber der Polarisationsebene eines benachbarten Einzel-Analysators gedreht.
Allgemein wird also ein Lichtstrahl LS durch das erwähnte diffraktive Element DOE in N-Teilstrahlen aufgespalten. Die Polarisationsausrichtungen der einzelnen Analysatoren sind in Winkeln von α = 180N ·iangeordnet, wobei i = 1, 2, 3, ..., N die natürlichen ganzen Zahlen sind und dabei N der Anzahl der Teilchenstrahlen und damit der Anzahl der Einzel-Analysatoren entspricht.
Je nach Phasenwinkel des doppelbrechenden Mediums entsteht so ein Intensitätsmuster BS hinter der Analysator-Anordnung, das beispielsweise mit Einzeldioden, Zeilenarrays oder Vollflächensensoren erfasst werden kann. Insbesondere eignen sich hierfür LCD-Zellen oder beispielsweise CCD-Kameras etc.
Mittels der vorstehenden, anhand von 5 erläuterten Analysator-Anordnung lässt sich also der Phasenwinkel ermitteln, wobei der räumliche Aufbau beliebig sein kann. Das insoweit erläuterte Messverfahren zur Umwandlung einer zeitlichen Polarisationsinformation in eine räumliche ist dabei grundsätzlich aus der eingangs bereits erwähnten Vorveröffentlichung DE 195 37 706 A1 bekannt.
Anhand von 6 wird nunmehr in Abweichung zu 5 das erfindungsgemäße Messverfahren näher erläutert.
Erfindungsgemäß ist nämlich nunmehr vorgesehen, dass die wellenlängenabhängigen, diffraktiven Eigenschaften des diffraktiven Elementes DOE zur zeitgleichen Erfasssung der Polarisationseigenschaften (Retardation) mehrerer diskreter Wellenlängen und/oder zumindest eines Wellenlängenbereiches genutzt werden.
Trifft nämlich ein Lichtstrahl auf das diffraktive Element DOE, welcher in mehreren diskreten Wellenlängen und/oder in zumindest einem Wellenlängenbereich strahlt, dann werden in Abhängigkeit der Wellenlänge analoge Muster, d.h. analoge Beugungsstruktur-Muster B, erzeugt, die je nach Auslegung des verwendeten diffraktiven Elementes DOE räumlich getrennt sind oder räumlich getrennt sein können und an jedem Musterort polarisationserhaltend sind.
6 zeigt dabei die erfindungsgemäße Prinzipdarstellung der Wellenlängenselektivität eines diffraktiven Elementes DOE mit einer Analysatoranordnung am Beispiel von drei diskreten Wellenlängen λ₁, λ₂ und λ₃. Würden in Abweichung zu 6 keine Analysatoren, also keine Polarisatoren verwendet werden, so würde sich das gleiche in 6 wiedergegebene Abbildmuster ergeben, allerdings wären dann die Intensitäten an allen Abbildpositionen auf den jeweiligen Teilkreisen gleich.
Mit der Wellenlängenselektivität des diffraktiven Elementes DOE ist also eine räumliche Trennung in Abhängigkeit der Wellenlänge möglich. Es wird ein Beugungsmuster BM erzeugt, dessen Einzelkomponenten zudem alle die gleiche Polarisationsinformation für die jeweilige Wellenlänge enthalten. Wird, wie erläutert, vor jedes Einzelmuster (in 5 bzw. 6 die jeweilige Kreisfläche 15 an der betreffenden Abbildungsposition 115) ein Analysator A mit definiertem, aber voneinander verschiedenen Polarisationswinkeln gebracht, dann kann der Phasenwinkel des doppelbrechenden Mediums bei verschiedenen Wellenlängen bzw. Wellenlängenbereichen zeitgleich detektiert werden. Man kann also die Polarisationseigenschaften in einem breiten Wellenlängenbereich und bei höheren Ordnungen zeitgleich erfassen.
Das in 6 in räumlicher Darstellung wiedergegebene Beugungsmuster BN ist in ebener Betrachtung in 7 nochmals wiedergegeben, wobei an jeder Abbildposition 115 (im gezeigten Ausführungsbeispiel mit den Kreisflächen 15) dann ein Analysator A in Form eines Einzel-Analysators 19 positioniert ist, der, wie oben erläutert, im gezeigten Ausführungsbeispiel eine um 15° abweichende Ausrichtung der Polarisationsebene aufweist.
Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß 6 und 7 ist dabei ein Beugungsmuster in Abhängigkeit von dem verwendeten diffraktiven Element DOE als ein Beispiel wiedergegeben. Dabei zeigt die Abbildfunktion gemäß 6 und 7 ein Abbild- oder Beugungsmuster für den Fall, dass für die zu zu untersuchende Probe ein Lichtstrahl mit mehreren diskreten Wellenlängen (die sich also voneinander unterscheiden) verwendet wird. Werden anstelle von diskreten Wellenlängen für die zu untersuchende Probe ein Lichtstrahl verwendet, der einen Wellenlängenbereich umfasst, so gehen die Muster ineinander über, wie dies beispielsweise in 7 durch die ovalen Umrandungen 115' wiedergegeben ist.
Mit anderen Worten ist also in 7 längs der Doppelpfeildarstellung WW angegeben, welche Abbildpunkte in Abhängigkeit von dem Wellenlängenwechsel erzeugt werden. Gemäß der Pfeildarstellung DisP sind die diskreten Polarisationsabbildungs-Punkte oder Flächen angegeben, also jene Bereiche, in welchen der Lichtstrahl in Abhängigkeit der Polarisation an unterschiedlichen Orten abgebildet wird.
Entsprechend des in Abhängigkeit des verwendeten diffraktiven Elementes DOE erzeugten Beugungsmusters BM muss also auch eine entsprechend abgestimmt abgepasste Analysator-Anordnung A verwendet oder eine Analysatoranordnung entsprechend ausgelegt werden. Handelt es sich dabei um wenige diskrete Wellenlängen, kann eine Analysatoranordnung A auch unter Verwendung von diskreten Analysatorelementen 19 hergestellt werden. An jeder Muster-Position wird dann am Analysatorelement ein Einzelanalysator 19 in einem de finierten Winkel angebracht, wie dies bereits oben beschrieben wurde. Andernfalls muss eine gesamte Analysator-Anordnung mit entsprechenden Abschnitten und Bereichen erzeugt bzw. entsprechend angepasst werden, wobei diese Bereiche beispielsweise 115' zur Auswertung der entsprechenden Polarisationsinformationen entsprechend ausgerichtete Polarisationsbereiche aufweisen müssen.
Anhand von 8 ist nur abweichend von 7 ein anderes Beispiel gezeigt, wenn ein anderes diffraktives Element DOE verwendet wird, das zu einer anderen Abbildfunktion führt. Auch in diesem Falle muss ein der einzelnen Abbildposition 115 (die in 8 jeweils aus einer quadratischen Fläche besteht) entsprechendes Analysator-Einzelelemente 19 positioniert werden, oder aber es wird ein gemeinsamer Analysator verwendet, der einzelne gegliederte Analysator-Abschnitte 19 umfasst, die für eine Detektion einer bestimmten Polarisationsausrichtung entsprechend der Pfeildarstellung angepasst sind. Dies soll nur zeigen, dass unterschiedlichste Abbildpositionen und Anordnung von Analysatoren denkbar und möglich sind, in Abhängigkeit des verwendeten diffraktiven Elementes DOE.
Aus der vorstehenden Erläuterung ergibt sich, dass bei mehreren diskreten Wellenlängen oder Wellenlängenbereichen das Analysator-Muster dann aber praktisch nicht mehr herstellbar ist. Von daher ist das erfindungsgemäß vorgesehene Analysator-Element in Form der Einzel-Analysatoren 19 vorgesehen, für die sich drei Wege anbieten:

i) Es ist die Verwendung bzw. die Herstellung diskreter Einzel-Analysatoren 19 in Form von Einzel-Polarisatoren 19a möglich, wie dies oben beschrieben wurde,
ii) es ist die lithographische oder holographische Verwendung und Herstellung eines Analysator-Elementes möglich, oder
iii) es ist die Verwendung eines Analysator-Elementes unter Verwendung der Struktur einer LCD-Anordnung möglich.

Bezüglich der vorstehend an zweiter Stelle genannten Verwendung von lithographischen oder holographischen Analysator-Elementen bietet sich die Verwendung lithographisch oder holographisch hergestellter Polarisations-Gitter-Arrays an. Jedes Musterelement, das in Abhängigkeit von dem DOE-Muster angeordnet ist, weist dann eine definierte Polarisationsstellung aus. Wie in den 6 bis 8 angedeutet ist, werden die Analysator-Elemente zumindest im Bereich von 0 bis π zueinander verdreht angeordnet. Je mehr Einzel-Analysatoren in diesem Bereich angeordnet sind, desto höher wird die Auflösung des Phasenwinkels.
Da die Drehung der Polarisation in einer LCD-Zelle spannungsabhängig ist, kann bezüglich der oben genannten dritten Variante innerhalb der Auflösung eines LCD-Schirmes jede LCD-Zelle mit einem bestimmten Polarisationswinkel eingestellt werden. In einem Eichverfahren kann also Licht einer Wellenlänge durch das diffraktive Element DOE auf den LCD-Schirm abgebildet werden. Für jedes angestrahlte Muster wird dann auf den Einzel-LCD-Zellen eine definierte Polarisationsausrichtung aufgeprägt und im Rechner hinterlegt. Das sog. Eich-Verfahren wird dann für beliebige anderen Wellenlängen wiederholt. Somit ist es also möglich, eine hoch auflösende Polarisationsanordnung mit der Auflösung eines LCD-Bildschirmes zu schaffen.
Mittels des erläuterten Messverfahrens und des erläuterten Messaufbaus lassen sich im Zusammenhang mit der geschilderten Detektionseinheit eine Reihe von Informationen ermitteln, nämlich

1) Der Detektor ist wellenlängenselektiv. In Abhängigkeit von der Wellenlänge bildet sich entsprechend der DOE-Struktur ein definiertes räumliches Muster ab. Das vom DOE gestreute Muster ist polarisationserhaltend. Die räumliche Struktur definiert also die Wellenlänge.
2) Das generierte Muster erlaubt durch die einzelnen Analysatorelemente die Bestimmung des Phasenwinkels und damit die Retardation des doppelbrechenden Mediums. Schematisch sind z.B. in 9 die Polarisationsellipsen dreier diskreter Wellenlängen mit ihren Phasenwinkeln dargestellt. Da die Detektion zeitgleich erfolgt, liegt also für jede Wellenlänge wegen der Wellenlängenabhängigkeit der Retardation ein unterschiedlicher Phasenwinkel an (Δϕ = 2πR/λ). In der Praxis treten Ordnungssprünge (R > nλ, n = 1..N) auf und Δϕ → 0, nπ. Da es mit der Anordnung möglich ist, bei quasi diskreten Wellenlängen jeweils den Phasenwinkel zu bestimmen und sich der Phasenwinkel mit der Wellenlänge invers ändert, ist es möglich, den wellenlängenabhängigen Ordnungssprung direkt über ein Minimierungsverfahren zu detektieren.
3) Da die Stellung der Polarisationselemente bekannt ist und der Phasenwinkel aus der Intensitätsmessung bestimmt werden kann, ist auch die Bestimmung der Hauptachsen und der Amplitude der Doppelberechnung bekannt, was wiederum für die Ermittlung der Müller Matrix verwendet werden kann.
4) Mit der Anwendung von mindestens zwei nahe beieinander liegenden Wellenlängen kann die Ordnung der Doppelbrechung online und zeitsynchron bestimmt werden.
5) Für optische Filme kann online und zeitsynchron die Retardation in einem großen Wellenlängenbereich bestimmt werden.
6) Wird über die Intensitäten (I ~ cos² (πR/λ f(λ))) eines Wellenlängenmusters integriert, kann also die Retardation zusätzlich zur Phasenwinkelinformation bestimmt werden, was die Auflösung höher treibt.
7) Wie vorstehend unter Punkt 6) ausgeführt ist, kann zusätzlich für jede Wellenlänge auch die Transmission bestimmt werden, da ja in jeder Anregung auch die eingestrahlte Intensität gemessen wird.
8) Über die Bestimmung der Transmission bei mehreren Wellenlängen kann über das Lambert-Beersche-Gesetz die Dicke der Probe bestimmt werden.

Die Detektion und Auswertung dieser vorstehend erläuterten Informationen geschieht dann bevorzugt in einer Vollformat-CCD-Kamera, die in 1 bzw. 5 als DET1 und DET2 gekennzeichnet ist. Diese Kameras sind dann aber nicht nur für den In-Plane-Strahlungszweig IP, sondern auch für den Out-of-Plane-Strahlungszweig OP vorgesehen, so dass dann insgesamt vier derartige Kameras DET verwen det werden.
Nimmt man also an, dass sich beispielsweise die zu untersuchende Probe, vor allem in Form einer zu untersuchenden Folienbahn, mit 600 m/min vorwärts bewegt, dann könnte bei einem Messtrahldurchmesser von beispielsweise 10 mm für die Lichtstrahlen alle 10 ms die Bestimmung der Polwinkel vorgenommen werden. Da sich pro Messpunktvolumen allerdings unterschiedliche Polarisationseigenschaften zeigen können, ist eine Mittelung über mehrere Messpunkte angebracht oder notwendig.
Schließlich soll noch darauf hingewiesen werden, dass eine Grundvoraussetzung zur aufgelösten Detektion der Transmissionen durch die zu untersuchende Probe hindurch darin besteht, die Intensitäten der Anregungen der Lichtstrahlen zu kennen bzw. zu erfassen. Bei der Anregung wird dies dadurch gewährleistet, dass die eingestrahlten Intensitäten in den Detektoreinrichtungen DET1, DET2 erfasst werden können, wie dies anhand von 2 bzw. 3 gezeigt ist. Denn bei den dort wiedergegebenen Strahlteilern kann aus jedem der ausgekoppelten Strahlen für die erste oder die zweite Wellenlänge bzw. den ersten oder zweiten Wellenlängenbereich jeweils ein der Intensitätsanpassung dienender Teilstrahl ausgekoppelt werden, der über die erwähnten Detektoreinrichtungen DET1 und DET2 gemessen werden kann.
Nachdem das Transmissionsspektrum gemessen wurde, kann über das Lambert-Beersche-Gesetz auch die Dicke der Probe bestimmt werden, die wiederum zur Berechnung der Doppelbrechungswerte verwendet wird. Natürlich kann auch für diese Bestimmung die Dickeninformation aus externen Messvorrichtungen der Dicke herangezogen werden.
Abschließend wird noch auf die Eichung und Kalibrierung der erfindungsgemäßen Vorrichtung eingegangen.
Zur Eichung werden ein Monochromator oder andere diskrete Wellenlängen eingesetzt. Für eine diskrete Wellenlänge wird dann der Ort auf der Analysatoreinheit und deren Abbildung auf der Kamera, also in der Detektionseinrichtung DET1 bzw. DET2 ermittelt.
Eine weitere Kalibrierungsmethode besteht in der Verwendung von Spektrallinien von Weißlichtquellen (Spektrallampen). Diese ermöglichen eine kontinuierliche Selbstkalbrierung während des Betriebes.
Ähnlich dazu könnten der Weißlichtquelle überlagerte diskrete Laserwellenlängen oder durch Notch-Filter erzeugte diskrete Auslöschungen als Kalibrierpunkte herangezogen werden.
Durch dieses Eichverfahren lassen sich also die wellenlängenabhängigen Auftreffpunkte bei dem Abbildmuster auf der Analysatoreinrichtung bestimmen, und zwar auch dann, wenn die Abbildmuster beispielsweise sich oval oder länglich erstreckende Abbildpositionen ergeben, die sich über einen Wellenlängenbereich hinweg erstrecken.
Für Proben insbesondere in Form von transparenten oder teiltransparenten Kunststofffolien, für die R < λ gilt, treten bei einer Verdrehung der Polarisationsellipse umd π maximale Retardationsunterschiede bei R(700 nm) bis R(400 nm) von maximal 150 nm auf. Bei diesen Folien ist es nicht notwendig, eine zweite Wellenlänge zu verwenden. Vielmehr kann der gesamte Wellenlängenbereich mit einer vereinfachten Anordnung gemessen und geeicht werden.
Im Prinzip reicht es hier aus, mit wenigen Wellenlängen eine entsprechende Eichmessung durchzuführen. Der Rest des Spektrumverlaufes kann mathematisch angepasst werden.
Bei Folien höherer Ordnung kann z.B. das Spektrum der Anregung LS1 mit der Wellenlänge λ1 kontinuierlich mit der maximalen Abtastrate der Detektionseinheit oder Detektionskamera DET1 durchfahren werden. Bei definierten Wellenlängen von λ1 wird ein sog. Probing Puls der Wellenlänge λ2 = λ1 + Δλ eingespeist, der eventuell eine höhere Intensität als λ1 haben kann. Um die höhere Intensität sicherzustellen, wird mittels des Detektors DT3 (gezeigt in 4) die Durchschnittsintensität von λ1 gemessen und dementsprechend die Intensität von λ2 angepasst, was dazu führt, dass an den Detektoren ein höherer Signalpegel entsteht, der eine Unterscheidung zum Signal von λ1 ermöglicht. Eventuell kann dieser Probing Puls auch mit einer anderen Polarisation verwendet werden.

Claims

Verfahren zur Messung der Doppelbrechung und/oder der Retardation an Proben (3), insbesondere in Form von laufenden Folienbahnen bestehend aus ein- oder mehrschichtigen transparenten oder teiltransparenten Kunststofffilmen, mit folgenden Merkmalen – mittels zumindest einer Lichtquelle (LQ1, LQ2) oder mittels zwei Lichtquellen (LQ1, LQ2) werden zwei Lichtstrahlen (LS1, LS2; LS1_1, LS1_2; LS2_1, LS2_2) erzeugt, – die beiden Lichtstrahlen (LS1, LS2; LS1_1, LS1_2; LS2_1, LS2_2) werden in unterschiedlichem Winkel zueinander auf die Probe (3) gerichtet und durchstrahlen die zu analysierende Probe (3) in unterschiedlichen Winkeln, – die beiden Lichtstrahlen (LS1, LS2; LS1_1, LS1_2; LS2_1, LS2_2) durchstrahlen die Probe (3) an gleicher Position (X) oder einen bezogen auf die Probengröße und/oder Probenbreite eng umgrenzten Probenbereich (X), – die beiden durch die zu analysierende Probe (3) hindurchlaufenden Lichtstrahlen (LS1, LS2; LS1_1, LS1_2; LS2_1, LS2_2) treffen auf eine Detektoreinrichtung (9; 9a, 9b), gekennzeichnet durch die folgenden weiteren Merkmale – die zumindest beiden die zu analysierende Probe (3) durchlaufenden Lichtstrahlen (LS1, LS2; LS1_1, LS1_2; LS2_1, LS2_2) werden so erzeugt, dass sie Lichtwellen mit zumindest zwei diskreten Wellenlängen (λ₁, λ₂, ...) und/oder mit zumindest einem Wellenlängenbereich (λ_x) umfassen, – beide Lichtstrahlen (LS1, LS2; LS1_1, LS1_2; LS2_1, LS2_2) durchlaufen ein polarisationserhaltendes, diffraktives Element (DOE; DOE1, DOE2), wodurch der durch das diffraktive Element (DOE; DOE1, DOE2) hindurch fallende Lichtstrahl (LS1, LS2; LS1_1, LS1_2; LS2_1, LS2_2) in eine Vielzahl von Teilstrahlen mit einem vom diffraktiven Element (DOE; DOE1, DOE2) und von der Wellenlänge des Lichtstrahls (LS1, LS2; LS1_1, LS1_2; LS2_1, LS2_2) abhängigen Beugungsstruktur-Muster (BM) aufgespalten und/oder abgebildet wird, und – es wird eine Detektoreinrichtung (9; 9a, 9b) mit polarisationsempfindlichen Analysatoren (A; A1, A2; 19) verwendet, wobei mittels der Detektoreinrichtung (9; 9a, 9b) die polarisationsabhängige Intensität an den Abbildungspositionen (115, 115') des von den Teilstrahlen erzeugten Beugungsstruktur-Musters (BM) und in Abhängigkeit davon der Phasenwinkel und damit die Retardation der doppelbrechenden Probe (3) bestimmt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass beide Lichtstrahlen (LS1, LS2; LS1_1, LS1_2; LS2_1, LS2_2) ein polarisationserhaltendes diffraktives Element (DOE; DOE1, DOE2) durchlaufen, worüber ein lichtwellenlängeabhängiges Beugungsstruktur-Muster erzeugt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass mittels der Wellenlängenselektivität des diffraktiven Elements (DOE; DOE1, DOE2) eine räumliche Trennung der Teilstrahlen in Abhängigkeit der Wellenlänge oder des Wellenlängenbereiches erzeugt wird, wobei die in die gleiche Richtung abgelenkten Teilstrahlen mit unterschiedlichen diskreten Wellenlängen (λ₁, λ₂, ..., λ_N) oder mit zumindest einem Wellenlängenbereich ((λ₁X) die jeweilige Polarisationsinformation enthalten.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass ein wellenlängenabhängiges diffraktives Element (DOE; DOE1, DOE2) verwendet wird, worüber ein von der Wellenlänge der Lichtstrahlen (LS1, LS2; LS1_1, LS1_2; LS2_1, LS2_2), die die zu untersuchende Probe (3) durchlaufen, abhängiges analoges Beugungsstruktur-Muster (BM) für die beiden Lichtstrahlen (LS1, LS2; LS1_1, LS1_2; LS2_1, LS2_2) erzeugt wird, wobei a) bei Verwendung von Lichtstrahlen (LS1, LS2; LS1_1, LS1_2; LS2_1, LS2_2), die in verschiedenen diskreten Wellenlängen (λ₁, λ₂, ..., λ_N) strahlen, ein Beugungsmuster (BM) mit voneinander getrennten Abbildungspositionen (115), oder b) bei Verwendung von Lichstrahlen (LS1, LS2; LS1_1, LS1_2; LS2_1, LS2_2), die in zumindest einem Wellenlängenbereich (λ₁X) strahlen, ein Beugungsmuster (BM) mit zusammenhängenden Abbildungspositionen (115') auf dem Analysator (A; A1, A2; 19) erzeugt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass N-unterschiedlich polarisierte Analysator-Elemente (A; A1, A2; 19) oder ein oder mehrere Analysator-Elemente verwendet werden, die insgesamt N-unterschiedlich polarisierte Analysator-Abschnitte umfassen, nämlich für N Teilstrahlen, für deren Polarisationsausrichtung α = 180N ·ii = 1, 2, ..., N gilt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass eine der Analysatoranordnung (A; A1, A2; 19) nachgeordnete Detektoreinrichtung (DET; DET1, DET2) verwendet wird, die Einzeldioden, Zeilenarrays und/oder vollflächige Sensoren, insbesondere in Form von CCD-Kameras etc. umfasst.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Phasenwinkel der doppelbrechenden Probe (3) bei verschiedenen Wellenlängen bzw. zumindest einem Wellenlängenbereich der verwendeten Lichtstrahlen (LS1, LS2; LS1_1, LS1_2; LS2_1, LS2_2) zeitgleich detektiert wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass zur Detektion des Phasenwinkels der doppelbrechenden Probe (3) mittels zumindest einer und vorzugsweise zwei Lichtquellen (LQ1, LQ2) Lichtstrahlen (LS1, LS2; LS1_1, LS1_2; LS2_1, LS2_2) erzeugt werden, die einen Wellenlängen-Separator (WS1, WS2) durchlaufen, der der zumindest einen oder den beiden Lichtquellen (LQ1, LQ2) nachgeordnet ist, wobei die erzeugten Lichtstrahlen (LS1, LS2; LS1_1, LS1_2; LS2_1, LS2_2) in zwei zueinander versetzt liegenden Wellenlängenbereichen, in einem sich überschneidenden Wellenlängenbereich und/oder in einem sich überdeckenden oder gleich großen Wellenlängenbereich strahlen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass ein diffraktives Element (DOE; DOE1, DOE2) verwendet wird, mittels dessen die Teilstrahlen vorzugsweise jeweils diskrete kreisförmige oder ovale oder sonstige Abbildpositionen (115, 115') erzeugen, die durch den polarisationsselektiven Analysator fallen und auf die Detektoreinrichtung (DIT; DIT1, DIT2) treffen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass ein Analysator (A; A1, A2; 19) verwendet wird, welcher aus einem lithographischen oder holographischen Analysatorelement besteht.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass ein Analysator (A; A1, A2; 19) verwendet wird, dessen Struktur aus einer LCD-Anordnung besteht.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass ein vorzugsweise farbselektiver Analysator (A, A1, A2; 19) verwendet wird, der aus einer CCD-Kamera, insbesondere einer Vollformat-CCD-Kamera besteht.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass ein Analysator (A, A1, A2; 19) verwendet wird, der mehrere einzelne Analysatorelemente (19) umfasst, deren Polarisations-Ebenen unterschiedlich ausgerichtet sind, oder der aus einer Analysator-Anordnung (A; A1, A2) besteht, die mehrere Bereiche mit unterschiedlicher Ausrichtung der Polarisationen entsprechend der Abbildpositionen (115, 115') des Beugungsmusters (BM) in Abhängigkeit des verwendeten diffraktiven Elementes (DOE; DOE1, DOE2) umfasst.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass der eine Lichtstrahl (LS1, LS2; LS1_1; LS2_1) senkrecht die zu untersuchende Probe (3) vorzugsweise in Form eines Films und der zweite Lichtstrahl (LS1, LS2; LS1_2; LS2_2) dazu winkelig die zu untersuchende Probe (3) vorzugsweise in Form eines Filmes durchstrahlt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass zwei getrennte Lichtquellen (LQ1, LQ2) verwendet werden, um die zwei Lichtstrahlen (LS1, LS2; LS1_1, LS1_2; LS2_1, LS2_2) zu erzeugen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass nur eine Lichtquelle (LQ1) verwendet wird, aus der ein Teilstrahl abgezweigt wird, so dass die beiden winkelig zueinander ausgerichteten Lichtstrahlen (LS1, LS2; LS1_1, LS1_2; LS2_1, LS2_2) die zu untersuchende Probe (3) in einem Winkel zueinander durchstrahlen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass zwei Lichtstrahlen (LS1, LS2; LS1_1, LS1_2; LS2_1, LS2_2) verwendet werden, deren Wellenlängenbereich sich in einem Bereich von 2 bis 20 %, vorzugsweise 4 bis 16 %, insbesondere 8 bis 12 % unterscheidet.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass eine Wellenlänge für die verwendeten Lichtstrahlen (LS1, LS2; LS1_1, LS1_2; LS2_1, LS2_2) verwendet wird, deren Wellenlängenunterschied Δλ größer ist als 4 nm, insbesondere größer ist als 6, 8 oder 10 nm.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass zwei Lichtstrahlen (LS1, LS2; LS1_1, LS1_2; LS2_1, LS2_2) verwendet werden, deren Wellenlängen sich um weniger als 100 nm, insbesondere weniger als 80, 60, und insbesondere weniger als 40 nm unterscheiden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass mittels der Analysator-Elemente (A; A1, A2; 19) und der nachgeordneten Detektoreinrichtung (DET; DET1, DET2) der Phasenwinkel des Lichtstrahls (LS1, LS2; LS1_1, LS1_2; LS2_1, LS2_2) und damit die Retardation und/oder der Doppelbrechungswert und mittelbar die Brechungsindizes der zu untersuchenden Probe (3) ermittelt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass im Detektionsbereich der die zu untersuchende Probe (3) durchstrahlende Lichtstrahl (D-LS1, D-LS2, ..., D-LSN) in N Strahlen mit unterschiedlicher Wellenlänge oder unterschiedlichem Wellenlängenbereich aufgeteilt wird, wobei N = 1, 2, ... eine natürliche Zahl ist, und die wellenlängenabhängigen Lichtstrahlen jeweils einem diffraktivem Elemente (DOE; DOE1, DOE2) zugeführt werden.
Verfahren nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtstrahlen (D-LS1, D-LS2, ..., D-LSN) vor dem Auftreffen auf dem Analysator (A; A1, A2; 19) eine Linse (L1, L2, ..., N) durchlaufen.
Verfahren nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, dass die wellenlängenabhängig getrennten Lichtstrahlen (D-LS1, D-LS2, ..., D-LSN) jeweils einen Wellen-, Wellenlängen-Separator oder Filter (D-SEP1, D-SEP2, ..., D-SEPN) durchlaufen, bevor sie auf das jeweils nachgeordnete diffraktive Element (DOE; DOE1, DOE2, ..., DOEN) durchstrahlen.
Verfahren nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, dass im Detektionsbereich in jedem Teil-Wellenstrahl ein Wellenlängen-Separator oder Filter (D-SEP1, D-SEP2, ..., D-SEPN) verwendet wird, der so aufgebaut ist, dass der eine Wellenlängen-Separator oder Filter (D-SEP1) für eine bestimmten Wellenlänge oder einem bestimmten Wellenlängenbereich durchlässig ist und für einen anderen versetzt liegenden Wellenbereich sperrt, wohingegen der ausgekoppelte zweite Lichtstrahl (D-LS2) genau umgekehrt dazu sperrt oder durchlässig ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 21 bis 24, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den ausgekoppelten Lichtstrahlen (D-LS1, D-LS2, ... D-LSN) jeweils eine Shift-Einheit (SHIFT) verwendet wird, mittels derer eine Phasenverschiebung von vorzugsweise λ/4 oder λ/2 durchgeführt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 26, dadurch gekennzeichnet, dass Strahlteiler vorgesehen sind, mittels denen jeweils ein Teilstrahl ausgekoppelt werden kann, der auf nachgeordnete Detektoren (DT1, DT2, DT3, ..., DTN) fällt, wobei die ausgekoppelten Lichtstrahlen verwendet werden, wenn der Lichtstrahl mittels eines Monochromators erzeugt werden.
Vorrichtung zur Messung der Doppelbrechung und/oder der Retardation an Proben (3), insbesondere in Form von laufenden Folienbahnen bestehend aus ein- oder mehrschich tigen transparenten oder teiltransparenten Kunststofffilmen, mit folgenden Merkmalen – mit einer Strahlungsanordnung mit zumindest einer Lichtquelle (LQ1, LQ2) oder mit zumindest zwei Lichtquellen (LQ1, LQ2) zur Erzeugung von zwei Lichtstrahlen (LS1, LS2; LS1_1, LS1_2; LS2_1, LS2_2), – die Strahlenanordnung ist derart, dass die beiden Lichtstrahlen (LS1, LS2; LS1_1, LS1_2; LS2_1, LS2_2) in unterschiedlichem Winkel zueinander auf die zu untersuchende Probe (3) gerichtet sind und in unterschiedlichem Winkel durchstrahlen können, – die Strahlenanordnung ist so aufgebaut, dass die beiden Lichtstrahlen (LS1, LS2; LS1_1, LS1_2; LS2_1, LS2_2) die Probe (3) an gleicher Position (X) oder einen bezogen auf die Probengröße und/oder Probenbreite eng umgrenzten Probenbereich (X) durchstrahlen, – es ist ferner eine Detektoreinrichtung (9; 9a, 9b) vorgesehen, in der die Lichtstrahlen (LS1, LS2; LS1_1, LS1_2; LS2_1, LS2_2) messbar sind, die die zu analysierende Probe (3) durchlaufen haben, gekennzeichnet durch die folgenden weiteren Merkmale – es ist zumindest eine und vorzugsweise sind zumindest zwei Lichtquellen (LQ1, LQ2) und gegebenenfalls zumindest ein oder vorzugsweise zwei Wellenlängen-Separatoren (WS1, WS2) vorgesehen, worüber zumindest zwei Lichtstrahlen (LS1, LS2; LS1_1, LS1_2; LS2_1, LS2_2) erzeugbar sind, deren Lichtwellen zumindest zwei diskrete Wellenlängen (λ₁, λ₂, ...) und/oder zumindest einen Wellenlängenbereich (λ_x) umfassen, – es ist ein polarisationserhaltendes, diffraktives Element (DOE; DOE1, DOE2) vorgesehen, worüber der durch das diffraktive Element hindurch fallende Lichtstrahl (LS1, LS2; LS1_1, LS1_2; LS2_1, LS2_2) in eine Viel zahl von Teilstrahlen mit einem vom diffraktiven Element (DOE; DOE1, DOE2) und von der Wellenlänge des Lichtstrahls (LS1, LS2; LS1_1, LS1_2; LS2_1, LS2_2) abhängigen Beugungsstruktur-Muster (BM) aufgespalten und/oder abgebildet wird, und – es ist eine Detektoreinrichtung (9; 9a, 9b) mit polarisationsempfindlichen Analysatoren (A; A1, A2; 19) vorgesehen, mittels der die Intensität des von den Teilstrahlen erzeugten Beugungsstruktur-Musters (BM) zur Bestimmung des Phasenwinkels und damit der Retardation der doppelbrechenden Probe (3) messbar ist.
Vorrichtung nach Anspruch 27, dadurch gekennzeichnet, dass zwei polarisationserhaltende diffraktive Elemente (DOE; DOE1, DOE2) vorgesehen sind, nämlich jeweils ein diffraktives Element (DOE1, DOE2) für einen Lichtstrahl (LS1, LS2; LS1_1, LS1_2; LS2_1, LS2_2).
Vorrichtung nach Anspruch 27 oder 28, dadurch gekennzeichnet, dass zur Erzeugung eines von der Wellenlänge abhängigen analogen Beugungsstruktur-Musters (BM) ein wellenlängenabhängiges diffraktives Element (DOE; DOE1, DOE2) vorgesehen ist, worüber voneinander getrennte Abbildpositionen (115) auf dem Analysator (A; A1, A2; 19) erzeugbar sind, wenn der verwendete Lichtstrahl (LS1, LS2; LS1_1, LS1_2; LS2_1, LS2_2) in diskreten Wellenlängen (λ₁, λ₂, ..., λ_N) strahlt.
Vorrichtung nach Anspruch 27 oder 28. dadurch gekennzeichnet, dass zur Erzeugung eines von der Wellenlänge abhängigen analogen Beugungsstruktur-Musters (BM) ein wellenlängenabhängiges diffraktives Element (DOE; DOE1, DOE2) vorgesehen ist, worüber wellenlängenabhängig zu sammenhängende Abbildpositionen (115') auf dem Analysator (A; A1, A2; 19) erzeugbar sind, wenn der verwendete Lichtstrahl (LS1, LS2; LS1_1, LS1_2; LS2_1, LS2_2) in einem Wellenlängenbereich (λ₁X) strahlt.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 27 bis 30, dadurch gekennzeichnet, dass N-unterschiedlich polarisierte Analysator-Elemente (A; A1, A2; 19) oder ein oder mehrere Analysator-Elemente vorgesehen sind, die insgesamt N-unterschiedlich polarisierte Analysator-Abschnitte umfassen, nämlich für N Teilstrahlen, für deren Polarisationsausrichtung α = 180N ·igilt, wobei i = 1, 2, ..., N ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 27 bis 31, dadurch gekennzeichnet, dass eine der Analysatoranordnung (A; A1, A2; 19) nachgeordnete Detektoreinrichtung (DET; DET1, DET2) vorgesehen ist, die Einzeldioden, Zeilenarrays und/oder vollflächige Sensoren, insbesondere in Form von CCD-Kameras etc. umfasst.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 27 bis 32, dadurch gekennzeichnet, dass eine Messeinrichtung zur Messung und Auswertung der Phasenwinkel der doppelbrechenden Probe (3) vorgesehen ist, mittels der die Phasenwinkel bei verschiedenen Wellenlängen oder zumindest einem Wellenlängenbereich der Lichtstrahlen (LS1, LS2; LS1_1, LS1_2; LS2_1, LS2_2) zeitgleich detektierbar sind.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 27 bis 33, dadurch gekennzeichnet, dass der Phasenwinkel der doppelbrechenden Probe (3) unter Verwendung zweier Lichtstrahlen (LS1, LS2; LS1_1, LS1_2; LS2_1, LS2_2) zeitgleich detektierbar ist, wobei die zumindest beiden verwendeten Lichtstrahlen (LS1, LS2; LS1_1, LS1_2; LS2_1, LS2_2) in zwei zueinander versetzt liegenden Wellenlängenbereichen, in einem sich überschneidenden Wellenlängenbereich und/oder in einem sich überdeckenden oder gleich großen Wellenlängenbereich strahlen.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 27 bis 34, dadurch gekennzeichnet, dass ein diffraktives Element (DOE; DOE1, DOE2) vorgesehen ist, mittels dessen die Teilstrahlen jeweils diskrete kreisförmige oder ovale Abbildungspositionen (115, 115') bilden, die durch den polarisationsselektiven Analysator fallen und auf die Detektoreinrichtung (DIT; DIT1, DIT2) treffen.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 27 bis 35, dadurch gekennzeichnet, dass ein Analysator (A; A1, A2; 19) vorgesehen ist, welcher aus einem lithographischen oder holographischen Analysatorelement besteht.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 27 bis 36, dadurch gekennzeichnet, dass ein Analysator (A; A1, A2; 19) vorgesehen ist, dessen Struktur aus einer LCD-Anordnung besteht.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 27 bis 37, dadurch gekennzeichnet, das ein Analysator (A, A1, A2; 19) vorgesehen ist, der aus einer CCD-Kamera, insbesondere einer Vollformat-CCD-Kamera besteht.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 27 bis 38, dadurch gekennzeichnet, dass ein Analysator (A, A1, A2; 19) vorgesehen ist, der mehrere einzelne Analysatorelemente (19) umfasst, deren Polarisations-Ebenen unterschiedlich ausgerichtet sind, oder aus einer Analysator-Anordnung (A; A1, A2) besteht, die mehrere Bereiche mit unterschiedlicher Ausrichtung der Polarisationen entsprechend der Abbildpositionen (115, 115) des Beugungsmusters (BM) in Abhängigkeit des verwendeten diffraktiven Elementes (DOE; DOE1, DOE2) umfasst.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 27 bis 39, dadurch gekennzeichnet, dass die Gesamtanordnung derart ist, dass der eine Lichtstrahl (LS1, LS2; LS1_1; LS2_1) senkrecht die zu untersuchende Probe (3) vorzugsweise in Form eines Films und der zweite Lichtstrahl (LS1, LS2; LS1_2; LS2_2) dazu winkelig die zu untersuchende Probe (3) vorzugsweise in Form eines Filmes durchstrahlt.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 27 bis 40, dadurch gekennzeichnet, dass zwei getrennte Lichtquellen (LQ1, LQ2) vorgesehen sind, mittels denen zwei Lichtstrahlen (LS1, LS2; LS1_1, LS1_2; LS2_1, LS2_2) erzeugbar sind.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 27 bis 41, dadurch gekennzeichnet, dass nur eine Lichtquelle (LQ1) vorgesehen ist, aus der ein Teilstrahl abzweigbar ist, worüber zwei winkelig zueinander ausgerichteten Lichtstrahlen (LS1, LS2; LS1_1, LS1_2; LS2_1, LS2_2) zum Durchstrahlen der zu untersuchenden Probe (3) in winkeliger Ausrichtung zueinander erzeugbar sind.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 27 bis 42, dadurch gekennzeichnet, dass zwei Lichtstrahlen (LS1, LS2; LS1_1, LS1_2; LS2_1, LS2_2) erzeugbar sind, deren Wellenlängenbereich sich von zwei 2 bis 20 %, vorzugsweise 4 bis 16 %, insbesondere 8 bis 12 % unterscheiden.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 27 bis 43, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtstrahlen (LS1, LS2; LS1_1, LS1_2; LS2_1, LS2_2) Lichtstrahlen mit unterschiedlicher Wellenlänge umfassen, deren Wellenlängenunterschied Δλ größer ist als 4 nm, insbesondere größer ist als 6, 8 oder 10 nm.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 27 bis 44, dadurch gekennzeichnet, dass zwei Lichtstrahlen (LS1, LS2; LS1_1, LS1_2; LS2_1, LS2_2) erzeugbar sind, deren Wellenlängen sich um weniger als 100 nm, insbesondere weniger als 80, 60, und insbesondere weniger als 40 nm unterscheiden.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 27 bis 45, dadurch gekennzeichnet, dass mittels der Analysator-Elemente (A; A1, A2; 19) und der nachgeordneten Detektoreinrichtung (DET; DET1, DET2) der Phasenwinkel des Lichtstrahls (LS1, LS2; LS1_1, LS1_2; LS2_1, LS2_2) und damit die Retardation und/oder der Doppelbrechungsindex der zu untersuchenden Probe (3) ermittelbar ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 27 bis 46, dadurch gekennzeichnet, dass im Detektionsbereich für die zu untersuchende Probe (3) N diffraktive Elemente (DOE; DOE1, DOE2, ..., DOEN) vorgesehen sind, die von in N Teilstrahlen aufgeteilten, die zu untersuchende Probe (3) durchlaufenden Lichtstrahlen (D-LS1, D-LS2, ..., D-LSN) durchstrahlt werden.
Vorrichtung nach Anspruch 47, dadurch gekennzeichnet, dass dem diffraktiven Element (DOE; DOE1, DOE2, ..., DOEN) eine Linse (L1, L2, ..., N) nachgeordnet bzw. dem Analysator (A; A1, A2, ..., AN; 19) eine Linse (LS1) vorgeordnet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 48, dadurch gekennzeichnet, dass N Wellenlängen-Separatoren oder Filter (D-SEP1, D-SEP2, ..., D-SEPN) vorgesehen sind, die von jeweils einem wellenlängenabhängig getrennten Lichtstrahl (D-LS1, D-LS2, ..., D-LSN) vor dem Auftreffen auf einem nachgeordneten diffraktive Element (DOE; DOE1, DOE2, ..., DOEN) durchlaufen werden.
Vorrichtung nach Anspruch 49, dadurch gekennzeichnet, dass im Detektionsbereich in jedem Teil-Wellenstrahl ein Wellenlängen-Separator oder Filter (D-SEP1, D-SEP2, ..., D-SEPN) vorgesehen ist, der so aufgebaut ist, dass der eine Wellenlängen-Separator oder Filter (D-SEP1) für eine bestimmte Wellenlänge oder einem bestimmten Wellenlängenbereich durchlässig ist und für einen anderen versetzt liegenden Wellenbereich sperrt, wohingegen der ausgekoppelte zweite Lichtstrahl (D-LS2) genau umgekehrt dazu sperrt oder durchlässig ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 47 bis 50, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den ausgekoppelten Lichtstrahlen (D-LS1, D-LS2, ..., D-LSN) jeweils eine Shift-Einheit (SHIFT) angeordnet ist, mittels derer eine Phasenverschiebung von vorzugsweise λ/2 oder λ/4 durchführbar ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 27 bis 51, dadurch gekennzeichnet, dass bei mittels eines Monochromators erzeugtem Lichtstrahl (LS) Strahlteiler (D-BS1, D-BS2, ..., D-BSN) vorgesehen sind, mittels denen jeweils ein Teilstrahl (D-LS1, D-LS2, ..., D-LSN) auskoppelbar ist, der auf nachgeordnete Detektoren (DT1, DT2, ..., DTN) fällt.