DE102011087978A1

DE102011087978A1 - Method and device for determining the refractive index gradient of a material

Info

Publication number: DE102011087978A1
Application number: DE102011087978A
Authority: DE
Inventors: Jens Bliedtner; Stephan Rinck; Andrea Barz; Michael Brückner
Original assignee: Fachhochschule Jena
Current assignee: Fachhochschule Jena
Priority date: 2010-12-09
Filing date: 2011-12-08
Publication date: 2012-07-05
Also published as: WO2012076640A1

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Anordnung zur Bestimmung des Brechzahlgradienten einer Probe (1) eines Materials an dessen Oberfläche (2) unter Zugrundelegung des Reflexionsverhaltens dieses Materials. Dabei wird ein Bündel von Lichtstrahlen (7) einer Lichtquelle (8) fokussiert und durch ein optisch transparentes Medium, welches eine höhere Brechzahl als das Material der Probe aufweist, hindurch auf eine Position (10) an der Oberfläche (2) der Probe (1) fokussiert. Das optisch transparente Medium ist zwischen Probe (1) und Lichtquelle (8) angeordnet. Der Einfallswinkelbereich der fokussierten Lichtstrahlen (7) enthält den Grenzwinkel der Totalreflexion. Totalreflektierte Lichtstrahlen (7) werden in einem Ausfallswinkelbereich nach Durchtritt durch das optisch transparente Medium ortsaufgelöst als Intensitätsprofil mit einer Detektierungseinrichtung detektiert. Anhand des Intensitätsprofils wird der Brechungsindex des Materials an der Position der Oberfläche (2) ermittelt. Anschließend wird die Position, auf die das Bündel von Lichtstrahlen fokussiert wird, variiert. Anhand der für die einzelnen Positionen bestimmten Brechungsindizes wird dann mittels einer Ansteuer- und Auswerteeinrichtung ein Brechzahlgradient bestimmt.The invention relates to a method and an arrangement for determining the refractive index gradient of a sample (1) of a material on its surface (2) based on the reflection behavior of this material. A bundle of light rays (7) from a light source (8) is focused and passed through an optically transparent medium, which has a higher refractive index than the material of the sample, to a position (10) on the surface (2) of the sample (1 ) focused. The optically transparent medium is arranged between the sample (1) and the light source (8). The angle of incidence range of the focused light rays (7) contains the critical angle of total reflection. Totally reflected light rays (7) are detected spatially resolved as an intensity profile with a detection device in an angle of reflection range after passing through the optically transparent medium. The refractive index of the material at the position of the surface (2) is determined based on the intensity profile. The position on which the bundle of light rays is focused is then varied. Based on the refractive indices determined for the individual positions, a refractive index gradient is then determined by means of a control and evaluation device.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Bestimmung des Brechzahlgradienten eines Materials unter Zugrundelegung des Reflexionsverhaltens dieses Materials. Die Erfindung bezieht sich weiterhin auf eine Anordnung zur Ausübung dieses Verfahrens.The invention relates to a method for determining the refractive index gradient of a material on the basis of the reflection behavior of this material. The invention further relates to an arrangement for practicing this method.

In der modernen Produktion spielen optische Systeme oft eine entscheidende Rolle. Dies reicht von der Prozessüberwachung und -regelung bis hin zur Produktkontrolle und Qualitätssicherung. Die wachsenden Anforderungen der Industrie, welche mit herkömmlichen optischen Bauelementen meist nicht zu realisieren sind, haben in den letzten Jahren zu einer verstärkten Entwicklung von Optiken mit gezielt beeinflussbaren Brechungseigenschaften geführt. Solche gradientenoptischen Bauelemente, kurz als GRIN(Gradientenindex)-Bauelemente bezeichnet, sind Bauelemente aus inhomogenen Medien mit einer sich als Funktion des Ortes kontinuierlich, d. h. stetig, oder auch sprunghaft ändernden Brechzahl n.In modern production, optical systems often play a crucial role. This ranges from process monitoring and control to product control and quality assurance. The growing demands of the industry, which are usually not possible to realize with conventional optical components, have led in recent years to an increased development of optics with specifically influenced refractive properties. Such gradient optical devices, referred to as GRIN (Gradient Index) devices for short, are components of inhomogeneous media having a continuous function as a function of location, i. H. steady, or even abruptly changing refractive index n.

Für eine erfolgreiche Markteinführung und Produktion von optischen Bauelementen ist die Bestimmung und Kontrolle der Produktparameter, das heißt der Größe und Lage des Brechzahlprofils zwingend erforderlich, d. h. es wird eine Objektivierung der technischen Parameter durch geeignete Mess- und Prüftechnik/Qualitätssicherung benötigt.For a successful market introduction and production of optical components, the determination and control of the product parameters, ie the size and position of the refractive index profile is absolutely necessary, d. H. An objectification of the technical parameters by suitable measuring and testing technology / quality assurance is required.

Zum gegenwärtigen Zeitpunkt gestaltet sich die Erfassung von Brechungsindexprofilen in Gläsern jedoch sehr schwierig bzw. ist für große Gradienten nicht möglich. Mit handelsüblichen Geräten sind Gradientenverläufe aufgrund der verwendeten Mess- und/oder Auswerteverfahren und aufwendiger Probenpräparation entweder nicht detektierbar, wie beispielsweise mit einem Abbe-/Pulfrich-Refraktometer, welches nur für homogene Festkörper geeignet ist, oder die Messungen sind – wenn man beispielsweise interferometrische, auch interferenzmikroskopische Durchlicht-Verfahren verwendet – sehr arbeitsintensiv und teuer. Die überwiegende Mehrzahl der heutigen Verfahren nutzt die Interferenz von Lichtstrahlen mit unterschiedlichen Phasen zur Bestimmung der optischen Eigenschaften. Die Methode erlaubt die Erfassung der Brechzahl mit hoher Genauigkeit. Solche Verfahren sind beispielsweise in JP 2007 05 73 76 A und JP 2005 33 14 81 A beschrieben.At the present time, however, the detection of refractive index profiles in glasses is very difficult or impossible for large gradients. With commercially available devices gradient gradients are either not detectable due to the measuring and / or evaluation method used and elaborate sample preparation, such as with a Abbe / Pulfrich refractometer, which is only suitable for homogeneous solids, or the measurements are - if, for example, interferometric, also interference-microscopic transmitted-light method used - very labor intensive and expensive. The overwhelming majority of today's methods use the interference of light beams with different phases to determine the optical properties. The method allows the detection of the refractive index with high accuracy. Such methods are for example in JP 2007 05 73 76 A and JP 2005 33 14 81 A described.

Bei Verwendung eines Schlierenmessgeräts wie das nach dem Töpfer-Verfahren im Durchlicht arbeitende SAG80 der Firma Carl Zeiss – sind die Ergebnisse nicht hinreichend genau. Bei diesem Verfahren wird über einen beleuchteten Spalt ein Spaltbild erzeugt. Weist eine Messprobe unterschiedliche Brechungsindizes auf, so wird auf Grund der Lichtablenkung ein weiteres verschobenes Spaltbild erzeugt. In Abhängigkeit vom Brechungsindex erfolgt die Ablenkung unter unterschiedlichen Winkeln. Durch sukzessives Ausblenden des abgelenkten Lichtes mittels einer Schneidblende kann der Gradient anhand der Schattenkontur verfolgt werden. Als sehr nachteilig erwiesen sich die aus der sich kontinuierlich ändernden Brechzahl resultierenden diffusen Schattenränder. Sie erschweren und subjektivieren die Festlegung einzelner Messpunkte und verursachen deutliche Fehler bei der Ermittlung der Ablenkwinkel. Die beschriebene Methode ist mit einem sehr hohen Zeit- und Arbeitsaufwand verbunden und aufgrund der Messfehler nicht hinreichend genau. Sie kann daher nur als Behelfsmöglichkeit zur Bestimmung von Brechzahlgradienten dienen.When using a Schlieren measuring device, such as the SAG80 from Carl Zeiss, which operates in the transmitted light according to the Töpfer method, the results are not sufficiently accurate. In this method, a slit image is generated via an illuminated gap. If a measurement sample has different refractive indices, a further shifted slit image is generated due to the light deflection. Depending on the refractive index, the deflection takes place at different angles. By successively hiding the deflected light by means of a cutting aperture, the gradient can be traced on the basis of the shadow contour. The diffuse shadow edges resulting from the continuously changing refractive index proved to be very disadvantageous. They complicate and subjectivize the determination of individual measuring points and cause significant errors in the determination of the deflection angle. The method described is associated with a very high time and effort and due to the measurement error is not sufficiently accurate. It can therefore only serve as a means of determining the refractive index gradient.

Jedoch sowohl die interferometrischen als auch das vorangehend beschriebene Töpler-Verfahren arbeiten nach dem Durchlichtprinzip, das heißt die Proben werden zur Messung durchstrahlt. Dies stellt sehr hohe Anforderungen an die Probenqualität. Die beiden gegenüberstehenden Messflächen müssen nicht nur in sich plan, sondern auch zueinander planparallel sein, da sonst neben den Brechzahländerungen auch geometrische Abweichungen (z. B. Dicken-, Winkelabweichungen) mit erfasst werden. Dies macht Probenpräparation und Messungen zeit- und kostenaufwendig. Für eine hinreichende Genauigkeit müssen diese Proben auf einen Ring (λ/2) und besser poliert werden. Je größer die räumliche Ausdehnung der Messobjekte ist, umso schwieriger wird es, diese erforderliche Planität zu erreichen.However, both the interferometric and the Töpler method described above operate on the transmitted light principle, that is, the samples are irradiated for measurement. This places very high demands on the sample quality. The two measuring surfaces facing each other must not only be flat in plan, but also plane-parallel to one another, since otherwise deviations in the refractive index and geometric deviations (for example thickness and angle deviations) are also detected. This makes sample preparation and measurements time and cost consuming. For sufficient accuracy, these samples must be polished to a ring (λ / 2) and better. The larger the spatial extent of the measurement objects, the more difficult it becomes to achieve this required planarity.

Ein weiteres Problem ist, dass zur genauen Darstellung und Auswertung der Interferenzmuster der gesamte Messkörper durchstrahlt werden sollte. Bei größeren Objekten sind in der Regel nur Teilabschnitte abbild- und messbar.Another problem is that for accurate representation and evaluation of the interference pattern of the entire measuring body should be irradiated. In the case of larger objects, only partial sections can usually be imaged and measured.

Für Verfahren, welche zur Ermittlung der Brechzahlverteilung die Reflexion eines Lichtstrahls an der Vorder- und Rückseite des Messobjektes nutzen, gelten dieselben Anforderungen bzw. Einschränkungen.For processes which use the reflection of a light beam at the front and back of the measurement object to determine the refractive index distribution, the same requirements or restrictions apply.

Somit stellt die derzeit verfügbare Messtechnik eine Hemmschwelle für den Einsatz von innovativen optischen Bauelementen wie GRIN-Optikbauelementen dar.Thus, currently available measurement technology represents a barrier to the use of innovative optical devices such as GRIN optical devices.

Für eine zukünftige Produktion von GRIN-Elementen in mittleren bis großen Stückzahlen ist es dringend erforderlich, ein geeignetes Verfahren zur Bestimmung von Brechungsindexprofilen in Gläsern zu entwickeln, welches Messungen mit hinreichender Genauigkeit und vertretbarem Aufwand erlaubt. Im Vergleich zu konventionellen Verfahren sollte keine aufwendige Probenpräparation notwendig sein.For the future production of GRIN elements in medium to large quantities, it is urgently necessary to develop a suitable method for the determination of refractive index profiles in glasses, which allows measurements with sufficient accuracy and reasonable effort. In comparison to conventional methods, no complex sample preparation should be necessary.

Geräte, die diesen Anforderungen zumindest teilweise genügen, sind derzeit ausschließlich für Glasfasern und Mikrooptiken auf dem Markt, sie sind jedoch für größere Bauelemente nicht nutzbar. So wird beispielsweise bei GRIN-Fasern und -Mikrooptiken der Brechzahlgradient häufig nach der sogenannten Refractive-Near-Field-Methode bestimmt, welche die ortsabhängige Änderung der Lichtbrechung ausnutzt. Verfahrensbedingt lassen sich nur mikrooptische, kleine Proben mit einem Messbereich von maximal 0,5 × 0,5 mm² analysieren. Für die Messungen sind zwei polierte Planflächen, die exakt einen Winkel von 90° einschließen, erforderlich. Dies bedingt ebenfalls eine zeitaufwendige Probenpräparation. Devices that at least partially meet these requirements are currently only available for glass fibers and micro-optics on the market, but they are not usable for larger components. For example, in GRIN fibers and micro-optics, the refractive index gradient is often determined by the so-called refractive-near-field method, which exploits the location-dependent change in the refraction of light. Due to the process, only micro-optical, small samples with a maximum measuring range of 0.5 × 0.5 mm ² can be analyzed. The measurements require two polished flat surfaces which exactly enclose an angle of 90 °. This also requires a time-consuming sample preparation.

Hinsichtlich der Bestimmung von Homogenitätsverläufen in optischen Gläsern wurden in den letzten Jahren die interferometrischen Messverfahren weiterentwickelt, mit dem Ziel sehr kleine Homogenitätsschwankungen zu bestimmen. Die dabei ermittelte Wellenfrontabweichung kann in eine Brechzahlschwankung umgerechnet werden. Die gerätetechnischen Anforderungen dafür sind jedoch so erheblich, dass diese Messverfahren lediglich bei den großen glasherstellenden Firmen, wie bspw. Schott und Ohara, zum Einsatz kommen.With regard to the determination of homogeneity curves in optical glasses, the interferometric measuring methods have been further developed in recent years, with the aim of determining very small homogeneity fluctuations. The detected wavefront deviation can be converted into a refractive index fluctuation. However, the technical requirements for this are so significant that these measuring methods are only used by the major glass-producing companies, such as Schott and Ohara.

Davon ausgehend liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde ein kostengünstiges Verfahren der vorgenannten Art zu schaffen, das diese Nachteile nicht mehr aufweist, sowie mindestens eine zur Ausübung dieses Verfahrens geeignete, mit wenig Aufwand zu realisierende Anordnung anzugeben, die insbesondere auch für die Analyse makrooptischer Proben geeignet sind.On this basis, the present invention seeks to provide a cost-effective method of the aforementioned type, which no longer has these disadvantages, as well as at least one suitable for practicing this method, with little effort to implement arrangement, which is particularly suitable for the analysis of macro-optical samples are.

Erfindungsgemäß sind bei einem Verfahren zur Bestimmung des Brechzahlgradienten einer Probe eines Materials folgende Verfahrensschritte vorgesehen: Zunächst wird ein Bündel von Lichtstrahlen fokussiert und durch ein optisch transparentes Medium, welches eine höhere Brechzahl als das Material der Probe aufweist, hindurch auf eine Position an der Oberfläche der Probe fokussiert, der Ort, an dem das Lichtstrahlbündel auf die Probe trifft, liegt also im Fokus, so dass das Bündel im wesentlichen an einem einzigen Punkt zusammentrifft. Die fokussierten Lichtstrahlen des Bündels treffen unter verschiedenen Winkeln auf das Medium und die Probe, dieser Winkelbereich ist der Einfallswinkelbereich. Dabei muss darauf geachtet werden, dass der Einfallswinkelbereich der fokussierten Lichtstrahlen den Grenzwinkel der Totalreflexion enthält, so dass der Teil der Lichtstrahlen mit Einfallswinkeln größer als dem Grenzwinkel an der Position auf der Probe reflektiert wird, und der Teil der Lichtstrahlen mit Einfallswinkeln kleiner gleich dem Grenzwinkel an der Position auf der Probe in diese eintritt, d. h. nicht reflektiert wird.According to the invention, the following method steps are provided in a method for determining the refractive index gradient of a sample of a material: First, a bundle of light rays is focused and passed through an optically transparent medium, which has a higher refractive index than the material of the sample, to a position on the surface of the sample Focused sample, the place where the light beam strikes the sample, so in focus, so that the bundle essentially coincides at a single point. The focused light beams of the beam strike the medium and the sample at different angles, this angle range being the incident angle range. Care must be taken that the angle of incidence range of the focused light rays contains the critical angle of total reflection so that the part of the light rays with angles of incidence greater than the critical angle is reflected at the position on the sample, and the part of the light rays with angles of incidence less than or equal to the critical angle at the position on the sample enters this, d. H. is not reflected.

Das an der Position auf der Oberfläche der Probe totalreflektierte Licht, also die reflektierten Lichtstrahlen, treten entsprechend der optischen Gesetze in einem Ausfallswinkelbereich wieder aus dem optisch transparenten Medium aus und werden nach Durchtritt durch dieses Medium ortsaufgelöst detektiert. Die Detektierung erfolgt dabei als Intensitätsprofil, d. h. in Bereichen, auf die die reflektierten Strahlen auf einen Detektor treffen, wird eine höhere Intensität registriert als in Bereichen, auf die keine Strahlen treffen, da sie Ausfallswinkeln kleiner als dem Grenzwinkel der Totalreflexion entsprechen. Idealerweise wird also ein Hell-Dunkel-Feld mit sprunghaftem Übergang detektiert. Der ortsauflösende Detektor muss also so angeordnet sein, dass er grundsätzlich beide Bereiche detektieren kann. Anhand des Intensitätsprofils wird dann der Brechungsindex an der Position der Oberfläche ermittelt: Dort, wo die Intensität sprunghaft auf Null abfällt, ist der Grenzwinkel der Totalreflexion zu lokalisieren. Wird ein CCD-Zeilendetektor verwendet, so lässt sich dieser Übergang einem Pixel zuordnen.The light totally reflected at the position on the surface of the sample, ie the reflected light beams, emerge again from the optically transparent medium in a range of reflection angles in accordance with the laws of optics and are detected in a spatially resolved manner after passage through this medium. The detection takes place as an intensity profile, d. H. In areas where the reflected rays hit a detector, a higher intensity is registered than in areas not hit by rays because they correspond to angles of reflection smaller than the critical angle of total reflection. Ideally, therefore, a light-dark field with a sudden transition is detected. The spatially resolving detector must therefore be arranged so that it can detect both areas in principle. The refractive index at the position of the surface is then determined on the basis of the intensity profile: Where the intensity drops abruptly to zero, the critical angle of total reflection must be located. If a CCD line detector is used, this transition can be assigned to a pixel.

Die vorangehend beschriebenen Schritte werden dann für weitere Positionen auf der Oberfläche der Probe wiederholt, anschließend wird anhand der für die einzelnen Positionen bestimmten Brechungsindizes der Brechzahlgradient bestimmt. Selbstverständlich lässt sich das Verfahren auch bei homogenen Materialien anwenden. In diesem Fall wird die Brechzahl selbst bestimmt, der Brechzahlgradient ist Null, da sich die Brechzahl zwischen verschiedenen Positionen nicht ändert.The above-described steps are then repeated for further positions on the surface of the sample, then the refractive index gradient is determined based on the refractive indices determined for the individual positions. Of course, the method can also be applied to homogeneous materials. In this case, the refractive index itself is determined, the refractive index gradient is zero, since the refractive index does not change between different positions.

Bei den Materialien, deren Proben untersucht werden, handelt es sich oft um transparente Materialien, wie spezielle gradientenoptische Bauelemente. Da jedoch der lokale Brechungsindex über die Reflexion an der Probe bestimmt wird, sind dem Messverfahren ohne weiteres auch teiltransparente Materialien – wie beispielsweise Silizium-Wafer – oder auch nichttransparente Materialien zugänglich. So lässt sich beispielsweise auch die Brechzahl von dichroitischen Spiegeln oder anderen reflektierenden Elementen bestimmen. Dies kann insofern von Bedeutung sein, als manche Anwendungen beispielsweise das durch das reflektierende Element tretende Restlicht, was etwa 10% der gesamten Lichtmenge ausmachen kann, verwenden.The materials whose samples are examined are often transparent materials, such as special gradient optical components. However, since the local refractive index is determined by the reflection on the sample, partially transparent materials such as silicon wafers or even nontransparent materials are readily available to the measuring method. For example, the refractive index of dichroic mirrors or other reflective elements can also be determined. This may be significant in that some applications use, for example, the residual light passing through the reflective element, which may be about 10% of the total amount of light.

Vorzugsweise werden die Lichtstrahlen – von einer Strahlungsquelle ausgehend – durch ein hochbrechendes Prisma als optisch transparentes Medium hindurch so auf die Oberfläche gerichtet, dass das von der Oberfläche reflektierte Licht wieder durch das Prisma hindurch tritt und danach auf eine ortsauflösende Detektierungseinrichtung trifft. Das Prisma steht dabei zumindest an der Messposition in Kontakt mit der Oberfläche der Probe, so dass die Bedingung der Totalreflexion realisiert wird bzw. Prisma und Probe optisch gekoppelt sind. Hierzu können die Oberfläche der Probe und die entsprechende Seite des Prismas beispielsweise beide durch Polieren plan ausgestaltet sein, während der Messung stehen sie dann in Kontakt. Dies verhindert auch eine mögliche Überlagerung mit Reflexionen, die an Rauhigkeiten an der Oberfläche der Probe entstehen können. Zum Wechsel der Position sind dann zur Vermeidung von Ungenauigkeiten in der Positionierung durch Haft- und Gleitreibung die planen Flächen kurzzeitig voneinander entlang der Normalenrichtung der Planflächen zu trennen.Preferably, the light beams - starting from a radiation source - are directed through a high refractive prism as optically transparent medium onto the surface such that the light reflected from the surface passes through the prism again and then encounters a spatially resolving detection device. The prism is at least at the measuring position in contact with the surface of the sample, so that the condition of total reflection is realized or prism and Sample are optically coupled. For this purpose, the surface of the sample and the corresponding side of the prism, for example, both be designed plan by polishing, during the measurement they are then in contact. This also prevents possible interference with reflections that may be due to roughness on the surface of the sample. To change the position then the flat surfaces are temporarily separated from each other along the normal direction of the flat surfaces to avoid inaccuracies in the positioning by static friction and sliding friction.

Bei einer besonders bevorzugten Verfahrensweise ist zwischen der Prismenfläche, aus welcher die fokussierten Lichtstrahlen austreten und in die das reflektierte Licht wieder eintritt einerseits und der Oberfläche des Materials andererseits eine Immersionsflüssigkeit aufgebracht. Auf diese Weise können Prisma und Probe gegeneinander verschoben werden, ohne dass Reibungsprobleme entstehen, auf das Trennen entlang der Normalenrichtung kann verzichtet werden. Die Immersionsflüssigkeit hat dabei idealerweise einen zum Prisma identischen Brechungsindex, er kann aber auch kleiner als der des Prismas sein, muss jedoch größer als der Brechungsindex des Materials der Probe sein. Durch kontinuierliche Zufuhr von Immersionsflüssigkeit sorgt man zweckmäßig dafür, dass der Flüssigkeitsfilm bei konstanter Dicke, beispielsweise im Bereich von einigen 10 μm bis zu etwa 0,1 mm gehalten und ein Abreißen verhindert wird.In a particularly preferred procedure, an immersion liquid is applied between the prism surface from which the focused light rays emerge and into which the reflected light re-enters on the one hand and the surface of the material on the other hand. In this way, prism and sample can be shifted against each other, without causing friction problems, the separation along the normal direction can be dispensed with. The immersion liquid ideally has a refractive index identical to that of the prism, but it may also be smaller than that of the prism, but must be greater than the refractive index of the material of the sample. By continuous supply of immersion liquid, it is expedient to ensure that the liquid film is kept at a constant thickness, for example in the range from a few 10 μm up to about 0.1 mm, and that tearing off is prevented.

Anhand der Ermittlung des Brechungsindex an einer Vielzahl von Positionen an der Oberfläche kann neben dem Brechzahlgradienten auch ein Homogenitätsverlauf der Brechzahl für das Material bestimmt werden. Während der Variation der Positionen, an denen das Lichtstrahlbündel auf die Oberfläche gerichtet wird, sollte der Abstand zwischen der Prismenfläche, aus welcher das fokussierte Licht austritt und in die das reflektierte Licht wieder eintritt einerseits und der Oberfläche des Materials andererseits konstant gehalten werden.On the basis of the determination of the refractive index at a plurality of positions on the surface, a homogeneity profile of the refractive index for the material can be determined in addition to the refractive index gradient. During the variation of the positions at which the light beam is directed onto the surface, the distance between the prism surface from which the focused light exits and in which the reflected light re-enters on the one hand and the surface of the material on the other hand should be kept constant.

Für das Lichtstrahlbündel lässt sich vorzugsweise das Licht einer superlumineszenten LED (SLED) verwenden, dabei beschränkt man sich zweckmäßig auf einen schmalbandigen Spektralbereich etwa um die Mitte des Spektrums am Faserausgang der SLED, welches die Form einer Gaußverteilung hat, d. h. insbesondere auf einen Bereich oberhalb der Halbwertsbreite. Auf diese Weise lässt sich das Auftreten von sogenannten Speckles auf dem Detektor, wie bei kohärenten Lichtquellen zu beobachten, vermeiden.The light beam of a super-luminescent LED (SLED) can preferably be used for the light beam. It is expedient to limit it to a narrow-band spectral range approximately around the middle of the spectrum at the fiber output of the SLED, which has the form of a Gaussian distribution, ie. H. in particular to an area above the half width. In this way, it is possible to avoid the occurrence of so-called speckles on the detector, as observed in the case of coherent light sources.

Zur Verbesserung des Signal-Rausch-Verhältnisses ist es außerdem vorteilhaft, als Detektor einen Zeilendetektor zu verwenden, auf den das aus dem optisch transparenten Medium austretenden Licht linienförmig fokussiert wird.To improve the signal-to-noise ratio, it is also advantageous to use as a detector a line detector, on which the light emerging from the optically transparent medium is focused in a line.

Die Erfindung bezieht sich außerdem auf eine – insbesondere zur Durchführung des vorangehend beschriebenen Verfahrens geeignete – Anordnung zur Bestimmung von Brechzahlgradienten einer Probe eines Materials, umfassend:

– eine Lichtquelle,
– ein optisch transparentes Medium, welches eine höhere Brechzahl als das Material der Probe aufweist und zwischen Lichtquelle und Probe angeordnet ist,
– eine optische Einrichtung zur Fokussierung des von der Lichtquelle ausgehenden Bündels von Lichtstrahlen durch das optisch transparente Medium hindurch auf eine Position an der Oberfläche der Probe, wobei ein Einfallswinkelbereich der fokussierten Lichtstrahlenden Grenzwinkel der Totalreflexion enthält,
– eine ortsauflösende Detektierungseinrichtung für die Detektierung des von dieser Position der Oberfläche in einem Ausfallswinkelbereich reflektierten Lichts als Intensitätsprofil,
– eine Einrichtung zur Variation der Position, auf die das Bündel von Lichtstrahlen fokussiert ist, und
– eine mit der Detektionseinrichtung verbundene Ansteuer- und Auswerteeinrichtung, die ausgebildet ist zur Bestimmung des Brechungsindex der Probe an der Position, an dem das Bündel von Lichtstrahlen auftrifft, anhand des detektierten Intensitätsprofils, und die zur Verknüpfung der für alle Positionen ermittelten Brechungsindizes zu einem Brechzahlgradienten ausgebildet ist.

The invention also relates to an arrangement suitable for carrying out the above-described method for determining refractive index gradients of a sample of a material, comprising:

A light source,
An optically transparent medium which has a higher refractive index than the material of the sample and is arranged between the light source and the sample,
An optical device for focusing the bundle of light beams emanating from the light source through the optically transparent medium to a position on the surface of the specimen, wherein an incident angle range of the focused light beam contains limiting angles of total reflection,
A spatially resolving detection device for detecting the light reflected from this position of the surface in a field of emergence angle as the intensity profile,
A device for varying the position on which the bundle of light rays is focused, and
- A detection means connected to the detection and evaluation means, which is adapted to determine the refractive index of the sample at the position at which the bundle of light rays incident on the basis of the detected intensity profile, and for linking the refractive indices determined for all positions to a refractive index gradient is trained.

Vorzugsweise ist das optisch transparente Medium als Prisma ausgestaltet, durch welches hindurch das Bündel von Lichtstrahlen auf die Oberfläche und durch welches hindurch das reflektierte Licht auf die Detektierungseinrichtung gerichtet ist, wobei zwischen einer Prismenfläche, aus welcher die fokussierten Lichtstrahlen austreten und in die das reflektierte Licht wieder eintritt einerseits und der Oberfläche der Probe des Materials andererseits besonders bevorzugt eine Immersionsflüssigkeit vorgesehen ist. Die Immersionsflüssigkeit weist dabei die oben bereits im Zusammenhang mit dem Verfahren erwähnten Eigenschaften auf.Preferably, the optically transparent medium is configured as a prism, through which the bundle of light rays is directed onto the surface and through which the reflected light is directed onto the detection device, between a prism surface from which the focused light rays emerge and into which the reflected light on the one hand again and the surface of the sample of the material on the other hand particularly preferably an immersion liquid is provided. The immersion liquid has the properties already mentioned above in connection with the method.

Die Ansteuer- und Auswerteeinrichtung ist vorzugsweise auch zur Verknüpfung der für alle Positionen ermittelten Brechzahlen zu einem Homogenitätsverlauf ausgebildet.The control and evaluation device is preferably also designed to link the refractive indices determined for all positions to a homogeneity profile.

Die Lichtquelle ist vorzugsweise als superlumineszente LED (SLED) ausgestaltet, die – in Verbindung mit einem Faser-Anschlussstück (fibre pigtail) – in einem breiten Spektralbereich von beispielsweise 100 nm Licht in Form einer Gaußverteilung emittiert. Aus diesem Spektralbereich wird vorzugsweise der mittlere Bereich mit der höchsten Leistungsdichte ausgewählt. Dabei kann – für die Anordnung und das Verfahren gleichermaßen – vorteilhaft der Wellenlängenbereich variiert werden, beispielsweise durch den Wechsel der zur Lichterzeugung verwendeten LED. Dieser Wechsel erfordert eine Einstellung der fokussierenden Optiken, die automatisch vorgenommen werden kann.The light source is preferably designed as a superluminescent LED (SLED), which - in conjunction with a fiber connector (fiber pigtail) - in a broad spectral range of, for example, 100 nm light in the form of a Gaussian distribution emitted. From this spectral range, the middle region with the highest power density is preferably selected. In this case - advantageously for the arrangement and the method alike - the wavelength range can be varied, for example by changing the LED used to generate light. This change requires adjustment of the focusing optics, which can be done automatically.

Zur Verbesserung des Signal-Rausch-Verhältnisses ist es außerdem vorteilhaft, bei der ortsauflösenden Detektierungseinrichtung einen Zeilendetektor zu verwenden, beispielsweise eine CCD-Zeile, und das aus dem optisch transparenten Medium austretende Bündel von Lichtstrahlen mittels einer entsprechenden Optik, beispielsweise mit einer Zylinderlinse, auf diesen Zeilendetektor linienförmig zu fokussieren.To improve the signal-to-noise ratio, it is also advantageous to use a line detector in the spatially resolving detection device, for example a CCD line, and the bundle of light beams emerging from the optically transparent medium by means of a corresponding optical system, for example with a cylindrical lens to focus linearly on this line detector.

Mit diesem Verfahren und der dazu vorgeschlagenen Anordnung können erstmalig Brechzahlen makrooptischer Bauelemente ortsaufgelöst detektiert und ein- bzw. zweidimensionale Gradientenprofile mit deutlich reduziertem Kostenaufwand ermittelt werden.With this method and the arrangement proposed for this purpose, it is possible for the first time to detect refractive indices of macrooptical components in a spatially resolved manner and to determine one- or two-dimensional gradient profiles at a significantly reduced cost.

Damit wird nicht nur für die weitere Entwicklung von neuartigen optischen Bauelementen eine wichtige Voraussetzung geschaffen, sondern auch für deren Markteinführung, Produktion und Qualitätskontrolle.This not only creates an important prerequisite for the further development of novel optical components, but also for their market launch, production and quality control.

Des Weiteren erlaubt das neue Verfahren eine Homogenitätsprüfung hinsichtlich Brechzahlkontinuität, welche im Vergleich zu handelsüblichen Verfahren genauer und wesentlich preiswerter ist. Die Messwerterfassung und -verarbeitung kann in Verbindung mit Datenbanksystemen eine Validierung der Brechzahlhomogenitätsverläufe ermöglichen.Furthermore, the new method allows a homogeneity check for refractive index continuity, which is more accurate and much cheaper compared to commercial methods. Data acquisition and processing in conjunction with database systems can enable validation of the refractive index homogeneity curves.

Die Anwendbarkeit des Verfahrens für eine Vielfalt von Materialien eröffnet einen breiten Markt in den unterschiedlichsten Branchen, wie z. B. in der optischen Industrie, in der Kunststoffherstellung und -verarbeitung und in der Umformtechnik, hier beispielsweise beim Blankpressen.The applicability of the process for a variety of materials opens up a broad market in a wide variety of industries, such as: As in the optical industry, in plastics production and processing and in forming technology, here, for example, in molding.

Durch definiertes – einachsiges oder zweiachsiges – Verschieben des Messobjektes über dem Prisma kann an jedem Punkt auf der Probenoberfläche die Brechzahl ermittelt werden.By defined - uniaxial or biaxial - moving the object to be measured above the prism, the refractive index can be determined at each point on the sample surface.

Dadurch ist zum einen die Erfassung von ein- bzw. zweidimensionalen Gradientenprofilen und zum anderen eine Homogenitätsprüfung des Brechungsindex sowohl für Mikro- als auch Makrooptiken möglich.As a result, on the one hand, the detection of one- or two-dimensional gradient profiles and, on the other hand, a homogeneity check of the refractive index is possible for both micro- and macro-optics.

Im Gegensatz zu den bisherigen Verfahren wird bei diesem neuen Verfahren zur Bestimmung des Brechungsindex die Reflexion an der Objektoberfläche genutzt; somit ist nur die Bearbeitung der jeweils zu messenden Fläche erforderlich und der Präparationsaufwand gering. Ferner führen strukturelle Fehler im Glasbauteil nicht zum Verfälschen der Messergebnisse.In contrast to the previous methods, the reflection on the object surface is used in this new method for determining the refractive index; Thus, only the processing of each area to be measured is required and the preparation effort low. Furthermore, structural errors in the glass component do not lead to falsification of the measurement results.

Wie bereits beschrieben, ist die Höhe der messbaren Brechzahl abhängig vom Brechungsindex des Prismas bzw. der Immersionsflüssigkeit. Dieser muss höher sein als der des zu messenden Glases. Für die Vermessung beispielsweise von GRIN-Elementen, die Brechzahlen von bis zu 1,65 aufweisen, sind daher Prismen und Immersionsflüssigkeiten mit höheren Brechzahlen, beispielsweise 1,7 zu verwenden. Ohne weiteres sind Brechzahlen bis zu 1,8 zu erreichen, für noch höhere Brechzahlen müsste derzeit auf toxische Immersionsflüssigkeiten zurückgegriffen werden, was den Einsatz aufgrund notwendiger Schutzmassnahmen aufwändiger werden lässt.As already described, the height of the measurable refractive index is dependent on the refractive index of the prism or of the immersion liquid. This must be higher than that of the glass to be measured. For the measurement of, for example, GRIN elements having refractive indices of up to 1.65, prisms and immersion liquids having higher refractive indices, for example 1.7, are therefore to be used. Refractive indices of up to 1.8 can be achieved without any problem; for even higher refractive indices, it would be necessary at present to resort to toxic immersion liquids, which makes use more expensive because of necessary protective measures.

Dabei wird die Ortsauflösung verbessert, je größer die Differenz zwischen der Brechzahl der Probe und derjenigen der Immersionsflüssigkeit bzw. des Prismas sind. Vorzugsweise sind die Brechungsindizes beider identisch, da dann die Beeinflussung der Strahlen an den Grenzflächen zwischen beiden Medien am geringsten ist.The spatial resolution is improved, the greater the difference between the refractive index of the sample and that of the immersion liquid or of the prism. Preferably, the refractive indices of both are identical, since then the influence of the rays at the interfaces between the two media is the lowest.

Die Messgenauigkeit der Brechwerte wird durch die Auflösung des Detektors und die Präzision der Profilerfassung durch die minimale Schrittweite der Verschiebeeinrichtung und den Durchmesser des Lichtstrahls vorgegeben.The measurement accuracy of the refractive indices is determined by the resolution of the detector and the precision of the profile detection by the minimum step size of the displacement device and the diameter of the light beam.

Die Auflösung des Verfahrens wird im wesentlichen durch die Schrittweite der Probenverschiebung – beispielsweise in Bereichen von weniger als 1 μm bis zu einigen μm – und zum anderen durch die Auflösung der CCD-Zeile bestimmt. Auch die Größe und Form des Fokuspunktes lässt sich mit entsprechender Optik gestalten, von weniger als 10 μm bis zu etwa 100 μm beispielsweise. Damit besteht verfahrensbedingt die Möglichkeit sowohl niedrig auflösender Messanordnungen (schnell und kostengünstig) bis hin zu sehr hoch auflösenden Systemen zu konzipieren.The resolution of the method is essentially determined by the step size of the sample displacement - for example in the range of less than 1 micron to a few microns - and the other by the resolution of the CCD line. Also, the size and shape of the focal point can be designed with appropriate optics, from less than 10 microns to about 100 microns, for example. For procedural reasons, this means that it is possible to design both low-resolution measuring arrangements (fast and cost-effective) and very high-resolution systems.

Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in den konkret angegebenen Merkmalen, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung einsetzbar sind, ohne den Rahmen des Erfindungsgedankens zu verlassen.It is understood that the features mentioned above and those yet to be explained below can be used not only in the specific features specified, but also in other combinations or alone, without departing from the scope of the inventive idea.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Zeichnungen, die auch erfindungswesentliche Merkmale zeigen, näher erläutert. Dazu zeigtThe invention will be explained in more detail with reference to drawings, which also show features essential to the invention. In addition shows

1 ein Ausführungsbeispiel der Anordnung, die zur Ausübung des erfindungsgemäßen Verfahrens geeignet ist, und 1 an embodiment of the arrangement which is suitable for carrying out the method according to the invention, and

2 eine Abwandlung im Aufbau dieser Anordnung. 2 a modification in the structure of this arrangement.

Dargestellt in 1 ist eine Probe 1 aus einem Material, für welches ein Brechzahlgradient n_g = f(x, y) zu bestimmen ist. Im vorliegenden Beispiel ist das Material transparent, dies ist aber keine zwingende Voraussetzung, auch teiltransparente oder nichttransparente Materialien lassen sich untersuchen, da das Messverfahren die Reflexion an der Probe ausnutzt. Die Probe 1 weist eine plane Oberfläche 2 auf, der in einem Abstand a die Lichtein- und Lichtaustrittfläche 3 eines Prismas 4 parallel gegenübersteht. Zwischen Probe 1 und Prisma 4 befindet sich eine Immersionsflüssigkeit 14. Das Prisma 4 weist neben dieser Lichtein- und Lichtaustrittfläche 3 weiterhin eine Lichteintrittfläche 5 sowie eine Lichtaustrittsfläche 6 auf. Die Prismenflächen 3, 5 und 6 sind im Rahmen dieser Erfindung sinngemäß nach der Ein- bzw. Austrittsrichtung eines Bündels von Lichtstrahlen 7 benannt, das von einer Lichtquelle 8 ausgehend durch eine Fokussiereinrichtung 9 hindurch nach Durchtritt durch das Prisma 4 auf einen Ort 10 der Oberfläche 2 der Probe 1 trifft. Der Winkel α entspricht in etwa dem Grenzwinkel der Totalreflexion, so dass die Lichtstrahlen 7 sowohl unter Winkeln, die größer als dieser Grenzwinkel sind, als auch unter Winkeln, die kleiner als dieser Grenzwinkel sind, auf die Probe 1 treffen.Shown in 1 is a sample 1 from a material for which a refractive index gradient n _g = f (x, y) is to be determined. In the present example, the material is transparent, but this is not a mandatory prerequisite, even partially transparent or non-transparent materials can be examined, since the measurement method exploits the reflection on the sample. The sample 1 has a flat surface 2 on, at a distance a, the Lichtein- and light exit surface 3 of a prism 4 parallel faces. Between sample 1 and prism 4 there is an immersion liquid 14 , The prism 4 has next to this Lichtein- and light exit surface 3 furthermore a light entry surface 5 and a light exit surface 6 on. The prism surfaces 3 . 5 and 6 are in the context of this invention mutatis mutandis according to the input or output direction of a bundle of light rays 7 named by a light source 8th starting by a focusing device 9 passing through the prism 4 to a place 10 the surface 2 the sample 1 meets. The angle α corresponds approximately to the critical angle of total reflection, so that the light rays 7 both at angles greater than this critical angle and at angles less than this critical angle to the sample 1 to meet.

Damit die Lichtstrahlen 7 mindestens teilweise totalreflektiert werden können, ist es erforderlich, dass die Brechzahl des Prismas und der Immersionsflüssigkeit größer als die mittlere oder vermutete Brechzahl der Probe ist. Bevorzugt sollten beide Brechzahlen gleich sein oder nahezu identisch, da dann der Strahlengang an der Grenzschicht am wenigsten beeinflusst wird. Beträgt also die erwartete Brechzahl des zu untersuchenden Materials beispielsweise 1,65, so sollte die Brechzahl von Prisma und Immersionsflüssigkeit bei etwa 1,70 gewählt werden. Die Ortsauflösung wird dabei umso besser, je größer die Differenz ist.So that the light rays 7 It may be necessary for the refractive index of the prism and the immersion liquid to be greater than the average or assumed refractive index of the sample. Preferably, both refractive indices should be the same or almost identical, since then the beam path at the boundary layer is least affected. If, for example, the expected refractive index of the material to be investigated is 1.65, the refractive index of prism and immersion liquid should be selected to be about 1.70. The spatial resolution becomes better the larger the difference.

Von dem Ort 10 wird das Bündel von Lichtstrahlen 7 aufgrund der Totalreflexion unter einem Winkel β reflektiert. In der Reflexionsrichtung des Lichtes ist eine Detektierungseinrichtung angeordnet, die eine CCD-Zeile 11 aufweist. Dort wird die Intensität der einfallenden Lichtstrahlen detektiert, so dass sich ein Intensitätsprofil ergibt. Die Ausgangssignale der CCD-Zeile 11 liegen über einem Signalweg 12 an einer Ansteuer- und Auswerteschaltung 13 an, die ausgestattet ist mit einer Rechenfunktion zur Ermittlung der exakten Größe des Winkels β sowie zur Bestimmung des Brechungsindex des Probenmaterials an dem Ort 10. Die Bestimmung des Grenzwinkels erfolgt dabei anhand einer Analyse des Intensitätsprofils. Da sich beim Erreichen des Grenzwinkels der Totalreflexion die Intensität sprunghaft ändert, lässt sich der Grenzwinkel zunächst in Relation zu einem Pixel auf der CCD-Zeile 11 setzen. Anhand der Parameter, die die Anordnung von Lichtquelle, Prisma, Probenoberfläche, und CCD-Zeile in ihren Abmessungen, Abständen und Winkelbeziehungen beschreiben, sowie anhand der Brechzahlen von Prisma und Immersionsflüssigkeit lässt sich die Brechzahl des Materials an dem vermessenen Ort bestimmen. Alternativ kann die Auswerteeinrichtung auch mittels Vergleichsmessungen unter gleichen Bedingungen, insbesondere was die Dicke und Art der Immersionsflüssigkeit betrifft, an homogenen Gläsern bekannter Brechzahl geeicht werden, so dass jedem Pixel eindeutig eine Brechzahl zugeordnet werden kann.From the place 10 becomes the bundle of rays of light 7 due to the total reflection at an angle β reflected. In the reflection direction of the light, a detection device is arranged, which is a CCD line 11 having. There, the intensity of the incident light beams is detected, so that there is an intensity profile. The output signals of the CCD line 11 lie over a signal path 12 at a control and evaluation circuit 13 equipped with an arithmetic function for determining the exact size of the angle β and for determining the refractive index of the sample material at the location 10 , The determination of the critical angle takes place on the basis of an analysis of the intensity profile. Since the intensity changes abruptly when reaching the critical angle of total reflection, the critical angle can first be compared to a pixel on the CCD line 11 put. Based on the parameters describing the arrangement of light source, prism, sample surface, and CCD line in terms of their dimensions, distances and angular relationships, as well as the refractive indices of prism and immersion liquid, the refractive index of the material at the measured location can be determined. Alternatively, the evaluation device can also be calibrated by comparison measurements under the same conditions, in particular with regard to the thickness and type of immersion liquid, to homogeneous glasses of known refractive index, so that each pixel can be uniquely assigned a refractive index.

Als Lichtquelle 8 wird eine SLED mit Anschlussfaserstück verwendet. Diese Anordnung emittiert Licht in einem breitbandigen Wellenlängenbereich beispielsweise zwischen 30 nm und 60 nm. Die Leistungsdichte folgt einer gaußförmigen Verteilung, weshalb bevorzugt ein schmalerer Bereich, beispielsweise zwischen 10 nm und 20 nm um das Maximum dieser Verteilung für die Beleuchtung ausgewählt wird Die Verwendung von SLED gegenüber kohärenten Lichtquellen hat den Vorteil, dass das Auftreten von Speckles auf der CCD-Zeile 11 verhindert werden kann.As a light source 8th a SLED with connecting piece of fiber is used. This arrangement emits light in a broadband wavelength range, for example, between 30 nm and 60 nm. The power density follows a Gaussian distribution, which is why a narrower range, for example between 10 nm and 20 nm, is selected by the maximum of this distribution for the illumination The use of SLED Compared to coherent light sources has the advantage that the appearance of speckles on the CCD line 11 can be prevented.

Außerdem ist eine Verschiebeinrichtung vorgesehen (in 1 nicht dargestellt), die dazu dient, die Position bzw. den Ort 10 zu variieren, an welcher das Bündel von Lichtstrahlen 7 auf die Oberfläche 2 auftrifft. Die Verschiebung der Probe 1, die auf einem Halter – beispielsweise mittels Fixierung in einer Dreipunkt-Auflage – befestigt ist, kann mittels zweier translatorischer Antriebe erfolgen, die Abtastung erfolgt dann in einem kartesischen Koordinatensystem. Platzsparender kann ein Verschieben mittels eines rotatorischen Antriebs erfolgen, der durch einen fest montierten Linearantrieb angetrieben wird. Die Kombination aus translatorischer und rotatorischer Verschiebung der Probe resultiert dann in einer sternförmigen Messpunktverteilung, die minimale Schrittweite kann beispielsweise bei 5 μm liegen, und bei etwa 80 μm am Probenrand bei sternförmiger Abtastung.In addition, a displacement device is provided (in 1 not shown), which serves the position or the place 10 to vary on which the bundle of light rays 7 on the surface 2 incident. The displacement of the sample 1 , which is mounted on a holder - for example by means of fixation in a three-point support - can be done by means of two translational drives, the sampling is then carried out in a Cartesian coordinate system. Space saving can be done by means of a rotary drive, which is driven by a fixed mounted linear drive. The combination of translational and rotational displacement of the sample then results in a star-shaped measurement point distribution, the minimum step size can be, for example, 5 .mu.m, and at about 80 .mu.m at the sample edge with star-shaped sampling.

Dabei wird nach jeder Ortsveränderung an dem jeweils neu eingestellten Ort der Brechungsindex bestimmt und diesem Ort zugeordnet. Aus einer Vielzahl solcher Messungen und deren Messergebnissen wird mittels der Ansteuer- und Auswerteschaltung 13 der Brechungsindex der Probe 1 ortsaufgelöst bestimmt und daraus ein Brechzahlhomogenitätsverlauf bzw. ein Brechzahlgradient, auch als Gradientenindex bezeichnet, für das Material, aus dem die Probe 1 besteht, gewonnen und zur weiteren Verfügbarkeit gespeichert.In this case, the refractive index is determined after each change of location at the newly set location and assigned to this location. From a variety of such measurements and their measurement results by means of the control and evaluation circuit 13 the refractive index of the sample 1 determined spatially resolved and from a refractive index homogeneity course or a refractive index gradient, also referred to as gradient index, for the material from the the sample 1 exists, won and stored for further availability.

Um eine gute Verschiebbarkeit einerseits und eine konstante Dicke der Schicht mit der Immersionsflüssigkeit andererseits zu gewährleisten wird während der Messung kontinuierlich für eine Zufuhr von Immersionsflüssigkeit gesorgt, so dass der Flüssigkeitsfilm zwischen Prisma 4 und Oberfläche 2 der Probe 1 nicht abreißen kann. Die Dicke der Schicht mit der Immersionsflüssigkeit hängt u. a. von der Viskosität der Flüssigkeit ab und kann beispielsweise zwischen 10 μm und 100 μm liegen.In order to ensure a good displaceability on the one hand and a constant thickness of the layer with the immersion liquid on the other hand, during the measurement continuously provided for a supply of immersion liquid, so that the liquid film between prism 4 and surface 2 the sample 1 can not tear off. The thickness of the layer with the immersion liquid depends inter alia on the viscosity of the liquid and can for example be between 10 .mu.m and 100 .mu.m.

In 2 ist eine Abwandlung der in 1 gezeigten Anordnung dargestellt, die eine noch kompaktere Bauweise ermöglicht. Das hier gezeigte Prisma 15 ist parallelogrammförmig aufgebaut, die der Lichteintrittsfläche 5 parallele Seite ist verspiegelt und bildet einen Umlenkspiegel 16. Die Fokussiereinrichtung 9 umfasst hier zwei Linsen, mit denen das – nicht parallele – Bündel von Lichtstrahlen 7 auf die Probe 1 fokussiert wird. Der Zentrumsstrahl – durch eine durchgezogene Linie gekennzeichnet – fällt dabei in einem Winkel, der geringfügig größer als der Grenzwinkel der Totalreflexion ist, auf die Probe 1, so dass Lichtstrahlen, die unter einem noch größeren Winkel auf die Probe 1 treffen, wie der gepunktet dargestellte Strahl, reflektiert werden, wohingegen Strahlen, die unter einem kleineren Winkel – gemessen bezüglich der Normalen der Probenoberfläche – auf die Probe 1 treffen, durch die Probe hindurchtreten, wie es bei dem strichpunktiert dargestellten Strahl der Fall ist.In 2 is a variation of the in 1 shown arrangement that allows an even more compact design. The prism shown here 15 is parallelogram-shaped, the light entrance surface 5 parallel side is mirrored and forms a deflection mirror 16 , The focusing device 9 here comprises two lenses, with which the - not parallel - bundle of light rays 7 to the test 1 is focused. The center beam - characterized by a solid line - falls on the sample at an angle that is slightly larger than the critical angle of total reflection 1 , allowing light rays to be at an even greater angle to the sample 1 as the spotted beam are reflected, whereas rays incident on the sample at a smaller angle - measured with respect to the normal of the sample surface 1 meet, pass through the sample, as is the case with the dot-dash line.

Zur Verbesserung des Signal-Rauschverhältnisses kann über der CCD-Zeile 11 eine Zylinderlinse eingebaut werden, die das auftreffende Licht linienförmig fokussiert. Die CCD-Zeile 11 wird dabei so in Relation zu der Lichtaustrittsfläche 6 positioniert, dass das dem Übergang im Intensitätsprofil entsprechende Hell-Dunkel-Feld über den gesamten möglichen Brechzahlbereich bestmöglich genutzt wird: Da der Brechungsindex grundsätzlich nichtlinear von der Position dieses Hell-Dunkel-Übergangs abhängt, jedoch in einem großen Bereich annähernd linear verläuft, kann durch entsprechende Positionierung der CCD-Zeile, 11 was den Winkel zur Lichtaustrittsfläche 6 betrifft, der lineare Bereich vergrößert werden, was die Auswertung genauer werden lässt.To improve the signal-to-noise ratio can be above the CCD line 11 a cylindrical lens are installed, which focuses the incident light line. The CCD line 11 becomes in this way in relation to the light exit surface 6 positioned that the light-dark field corresponding to the transition in the intensity profile is best used over the entire possible refractive index range: Since the refractive index in principle depends nonlinearly on the position of this light-dark transition, but in a large range is approximately linear, can appropriate positioning of the CCD line, 11 what the angle to the light exit surface 6 is concerned, the linear range can be increased, which makes the evaluation more accurate.

Das erfindungsgemäße Verfahren und die Anordnung dazu ermöglichen die ortsaufgelöste Bestimmung von Brechzahlen in GRIN-Bauelementen. Ein- und zweidimensionale Brechzahlprofile werden unabhängig von der räumlichen Ausdehnung der Gradienten bzw. der optischen Bauelemente erfaßt. Dadurch ist insbesondere auch die ortsaufgelöste Analyse sowohl in Mikrooptiken, in mittleren Bauteilgeometrien bis hin zu sehr großen Bauteilabmessungen möglich. Dies ist mit dem Stand der Technik bisher nicht möglich.The inventive method and the arrangement allow the spatially resolved determination of refractive indices in GRIN devices. One- and two-dimensional refractive index profiles are detected independently of the spatial extent of the gradients or of the optical components. As a result, in particular the spatially resolved analysis is possible both in micro-optics, in average component geometries up to very large component dimensions. This is not possible with the prior art.

Das Gerät lässt sich außerdem sehr kompakt gestalten, so dass es als handgeführtes, mobiles Gerät ausgebildet werden kann. Damit ist es dann auch möglich, an großen Glasbauteilen, beispielsweise an Floatglasplatten, die Brechzahl direkt zu bestimmen. Dazu wird das Gerät auf die Glasplatte aufgesetzt, wobei zwischen Glasplatte und optisch transparentem Medium eine Immersionsflüssigkeit oder ein anderes Medium mit gleicher Wirkung aufgetragen wird. Dies kann vorab erfolgen, aber auch durch eine entsprechende, im Gerät integrierte Zufuhreinrichtung. Variierende Abstände zwischen dem zu untersuchenden Objekt und dem optisch transparenten Medium, d. h. insbesondere variierende Schichtdicken des Immersionsmediums, lassen sich durch eine auch automatisch durchführbare Neufokussierung der Fokussiereinrichtung und rechnerisch in der Auswerteschaltung berücksichtigen.The device can also be made very compact, so that it can be designed as a hand-held, mobile device. It is then also possible to determine the refractive index directly on large glass components, for example on float glass plates. For this purpose, the device is placed on the glass plate, wherein an immersion liquid or another medium having the same effect is applied between glass plate and optically transparent medium. This can be done in advance, but also by a corresponding, integrated in the device feeder. Varying distances between the object to be examined and the optically transparent medium, d. H. In particular, varying layer thicknesses of the immersion medium can be taken into account by means of a refocusing of the focusing device that can also be carried out automatically and mathematically in the evaluation circuit.

Darüber hinaus wird erstmalig die Vermessung von optischen Bauteilen realisierbar, welche Brechungsindexgradienten in aus drei Raumrichtungen aufweisen. Somit besteht auch die Möglichkeit, neue optische monolithische Funktionsbauteile im optical design zu entwickeln, die messtechnisch nach der Herstellung auch bewertet werden können.In addition, for the first time, the measurement of optical components can be realized, which have refractive index gradients in from three spatial directions. Thus, it is also possible to develop new optical monolithic functional components in optical design, which can also be evaluated metrologically after production.

Ein wesentlicher Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht in der Bestimmung der Brechzahlwerte einzig und allein durch Reflexion an der Objektoberfläche. Dies erfordert im Gegensatz zu den meisten bisherigen Verfahren nur die Bearbeitung einer Messfläche. Dadurch führt das Verfahren zu einer deutlichen Reduzierung des Zeitaufwands für den Messprozess und der Probenpräparation sowie der Kosten für die Probenpräparation. Entscheidend ist aber auch, dass an beliebig geformten optischen Bauelementen und Konturen, bis hin zu den in den nächsten Jahren verstärkt eingesetzt werdenden asphärischen Bauelementen und Freiformflächen, am fertig bearbeiteten Bauelement gemessen werden kann. Bekannte interferometrische Messverfahren erfordern hingegen für jede asphärische Form ein individuelles CGH (computer-generiertes Hologramm), was zusätzliche Herstellungskosten zwischen 4.000–10.000 € erfordert.An essential advantage of the method according to the invention is the determination of the refractive index values solely by reflection at the object surface. This requires, in contrast to most previous methods, only the processing of a measuring surface. As a result, the process leads to a significant reduction in the time required for the measuring process and the sample preparation as well as the costs for the sample preparation. However, it is also decisive that it is possible to measure on the finished component on arbitrarily shaped optical components and contours, up to the aspherical components and free-form surfaces which are increasingly being used in the next few years. On the other hand, known interferometric measuring methods require an individual CGH (computer-generated hologram) for each aspherical form, which requires an additional production cost of between € 4,000-10,000.

Die Kostengünstigkeit ist ein wesentlicher Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens gegenüber bisher bekannten Lösungen.The cost-effectiveness is a significant advantage of the method according to the invention over previously known solutions.

Aus der Einfachheit des Wirkprinzips und der Minimierung der zur Realisierung notwendigen Komponenten resultiert ein wenig störanfälliges und sehr preiswertes Verfahren, das sich auch erstmalig für optische Bauelemente im Niedrigkosten-Bereich anwenden lässt. Somit kann das Verfahren die Realisierung eines breiten Spektrums von Messaufgaben, unterschiedlichster Bauteilsortimente der jeweiligen Hersteller, in Abhängigkeit von der Auslegung der Gerätekonfiguration ermöglichen. Die Auflösung begrenzenden Parameter des neuen Wirkprinzips gestatten eine modulare Anwendung des Verfahrens. Ableitbare Gerätelösungen lassen dann eine Modifizierung entsprechend der gewählten Messaufgabe und -anwender problemlos zu.The simplicity of the operating principle and the minimization of the necessary components for the realization results in a little interference-prone and very inexpensive method, which can also be applied for the first time for optical components in the low cost range. Thus, the method can the Realization of a wide range of measuring tasks, different component assortments of the respective manufacturers, depending on the design of the device configuration. The resolution-limiting parameters of the new mode of action allow a modular application of the method. Derivable device solutions then allow a modification according to the selected measurement task and users without problems.

Das neue Verfahren erlaubt neben der Bestimmung von Gradientenprofilen auch eine Homogenitätsprüfung hinsichtlich Brechzahlkontinuität, die im Vergleich zu handelsüblichen Verfahren genauer und kosteneffizienter ist. Es ist in sehr unterschiedlichen Fachgebieten einsetzbar, insbesondere in den Bereichen Herstellung optischer Werkstoffe, Herstellung optischer Komponenten, Fasertechnologie, Optoelektronik/Sensorik. Prinzipiell erlaubt das Verfahren die Anwendung sowohl für mineralische Gläser als auch für andere Materialien, wie z. B. Kunststoffe, Kristallwerkstoffe und auch Flüssigkeiten.In addition to the determination of gradient profiles, the new method also allows a homogeneity check for refractive index continuity, which is more accurate and cost-efficient compared to commercially available methods. It can be used in very different fields, in particular in the fields of production of optical materials, production of optical components, fiber technology, optoelectronics / sensor technology. In principle, the method allows the application both for mineral glasses and for other materials, such. As plastics, crystal materials and liquids.

Der Anwender wird in die Lage versetzt, Brechzahlverläufe ortsaufgelöst in optischen Komponenten mit einem vergleichsweise niedrigen Investitionsaufwand bestimmen zu können. Darüber hinaus kann das neue Verfahren auch für die Qualitätssicherung unterschiedlichster Bauteilsortimente der o. g. Bereiche fertigungsnah eingesetzt werden.The user is enabled to be able to determine refractive index profiles spatially resolved in optical components with a comparatively low capital expenditure. In addition, the new method can also for the quality assurance of different component assortments of o. G. Be used areas close to production.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

11: Probesample
22: Oberflächesurface
33: Lichtein- und LichtaustrittflächeLichtein- and light exit surface
44: Prismaprism
55: LichteintrittflächeLight entry surface
66: LichtaustrittsflächeLight-emitting surface
77: Lichtstrahlbeam of light
88th: Laserquellelaser source
99: Fokussiereinrichtungfocusing
1010: Ortplace
1111: CCD-ZeileCCD line
1212: Signalwegpathway
1313: Ansteuer- und AuswerteschaltungControl and evaluation circuit
1414: ImmersionsflüssigkeitImmersion liquid
1515: Prismaprism
1616: Umlenkspiegeldeflecting
aa: Abstanddistance
α, βα, β: Winkelangle

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

JP 2007057376 A [0004]
JP 2005331481 A [0004]

Claims

Method for determining the refractive index gradient of a sample ( 1 ) of a material on its surface ( 2 ), in which a) a bundle of light beams ( 7 ) and through an optically transparent medium, which has a higher refractive index than the material of the sample, to a position on the surface ( 2 ) of the sample ( 1 ), wherein an incident angle range of the focused light beams ( 7 b) reflected light beams are detected spatially resolved in an exit angle range after passing through the optically transparent medium as an intensity profile, c) based on the intensity profile of the refractive index of the material at the position of the surface ( 2 ), d) the steps a) -d) for further positions on the surface ( 2 ) of the sample ( 1 ), and e) the refractive index gradient is determined on the basis of the refractive indices determined for the individual positions.

Process according to Claim 1, in which the optically transparent medium is a prism ( 4 . 15 ) is used.

A method according to claim 2, wherein between a prism surface from which the focused light rays exit and in which the reflected light re-enters on the one hand and the surface ( 2 ) of the sample ( 1 ) On the other hand, an immersion liquid ( 14 ) is applied.

Method according to claim 3, wherein during the variation of the positions at which the bundle of light beams ( 7 ) on the surface ( 2 ), the distance between the prism surface from which the focused light beams ( 7 ) and in which the reflected light re-enters on the one hand and the surface ( 2 ) of the sample ( 1 ) on the other hand by continuous supply of immersion liquid ( 14 ) is kept constant.

Method according to one of claims 1 to 4, wherein the reflected light is focused after emerging from the optically transparent medium linearly onto a line detector.

Method according to one of claims 1 to 5, in which for the light beams ( 7 ) Light of a super-luminescent LED is used.

Arrangement for determining the refractive index gradient of a sample ( 1 ) of a material comprising: - a light source ( 8th ), - an optically transparent medium which has a higher refractive index than the material of the sample ( 1 ) and between light source ( 8th ) and sample ( 1 ), - an optical device ( 9 ) for focusing one of the light source ( 8th ) outgoing bundle of light rays ( 7 ) through the optically transparent medium to a position ( 10 ) on the surface ( 2 ) of the sample ( 1 ), wherein an incident angle range of the focused light beams ( 7 ) contains the limit angle of total reflection, - a spatially resolving detection device for detecting the position from this position ( 10 ) of the surface in a range of reflection angles of totally reflected light as an intensity profile, - a device for varying the position to which the bundle of light rays ( 7 ), and - a control and evaluation device connected to the detection device ( 13 ), which is designed to determine the refractive index of the sample ( 1 ) at the position ( 10 ), on which the bundle of light beams impinges, on the basis of the detected intensity profile, and which is designed to link the refractive indices determined for all positions to a refractive index gradient.

Arrangement according to Claim 7, in which the optically transparent medium is in the form of a prism ( 4 . 15 ), wherein between a prism surface from which the focused light beams ( 7 ) and in which the reflected light re-enters on the one hand and the surface ( 2 ) of the sample ( 1 ) On the other hand, an immersion liquid ( 14 ) is provided.

Arrangement according to claim 7 or 8, characterized in that the light source ( 8th ) is designed as superluminous LED.

Arrangement according to one of Claims 7 to 9, characterized in that the detection device comprises a line detector ( 11 ) and means for linear focusing of the bundle of light rays ( 7 ) includes on this.