DE19953527B4

DE19953527B4 - Verfahren und Vorrichtung zur automatischen Messung der Spannungsdoppelbrechung mit rotierendem Analysator

Info

Publication number: DE19953527B4
Application number: DE1999153527
Authority: DE
Inventors: André Dr. Witzmann; Markus Hildebrand
Original assignee: Schott AG
Current assignee: Schott AG
Priority date: 1999-11-05
Filing date: 1999-11-05
Publication date: 2006-02-02
Anticipated expiration: 2019-11-06
Also published as: DE19953527A1

Abstract

Verfahren zur automatischen Messung der Spannungsdoppelbrechung an transparenten Körpern, insbesondere gekrümmten Körpern auf Basis des Senarmont-Verfahrens, wobei die zu untersuchende Probe mit einem polarisierten Lichtstrahl bestrahlt wird, die Intensität des transmittierten Lichtes der Probe nachdem es einen kontinuierlich drehenden Analysator durchtreten hat, aufgenommen wird und die Phasenverschiebung der Lichtintensität nach Durchtritt durch den Analysator als Maß für die Doppelbrechung bestimmt wird, dadurch gekennzeichnet, daß zur Auswertung der Phasenlage des Intensitätssignales dieses digitalisiert wird und die zeitliche Position des Nulldurchganges mit Hilfe eines Interpolationsverfahrens durch einen Mikro- bzw. Signalprozessor erfolgt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur automatischen Messung der Spannungsdoppelbrechung an transparenten Körpern, insbesondere gekrümmten Körpern, wie z. B. Rohren, Stäben, nach dem Senarmont-Verfahren.

Die Messung der Spannungsdoppelbrechung in Materialien, die Spannungsdoppelbrechung aufweisen (z. B. Gläser, Plastikwerkstoffe), ist ein verbreitetes Verfahren zur Bestimmung der mechanischen Spannung in diesen Materialien. Insbesondere in der Glasindustrie spielen die Eigenspannungen des Glases, die z. B. durch inhomogene Abkühlung entstehen, eine entscheidende Rolle für die Eigenschaften des Glases in der Weiterverarbeitung und als Endprodukt. Im allgemeinen wirken sich hohe und speziell ungleichmäßige Eigenspannungen negativ auf die in der Weiterverarbeitung verbreiteten Bruchprozesse aus. Im Endprodukt wird die mechanische Festigkeit durch gezielt hergestellte Vorspannung des Glases (z. B. Windschutzscheiben) wesentlich erhöht, andererseits können prozeßbedingt Restspannungen die Festigkeit von Glasbehältnissen (z. B. Flaschen, Ampullen) negativ beeinflussen. Aus diesen Gründen gehört die Spannungsmessung zu den Standardmethoden der Prozeß- und Gütekontrolle. Eine große Bedeutung haben bislang noch manuelle Methoden der Polarimetrie (Friedel-Kabinen, Polarisationsmikroskopie mit z. B. Ehringhauskompensator). Nachteile dieser Methoden sind vor allem die Personalintensität, die Subjektivität des Meßresultates (Messfehler bis zu 3° Drehung der Polarisationsachse bei Messung in der Friedelkabine) und das Fehlen einer Rechnerschnittstelle für Datenbankfunktionalitäten (wenn man von der Tastatur für manuelle Eingaben absieht). Verschiedene automatisierte Verfahren haben ihren Ursprung in der Ellipsometrie. So nutzen beispielsweise die Verfahren gemäß der US 4 681 450 und der DE 198 19 670 Mehrfachdetektoranordnungen, die schnelle Messungen ermöglichen, aber relativ aufwendige Justage erfordern oder Anforderungen an die Strahlhomogenität stellen. Andere Anordnungen, die die spektralen Eigenschaften der Spannungsdoppelbrechung nutzen (z. B. US 4668086 ) sind problematisch bei der Anwendung gefärbter Gläser. Die verschiedenen Ansätze, das klassische Senarmont-Verfahren zu automatisieren, lassen sich in zwei Klassen aufteilen:

1. Kompensationsverfahren

– Mit einem geeigneten Antrieb wird der Analysator auf minimale, transmittierte Lichtintensität gedreht, wie z. B. in DE 42 35 065 mit einem Schrittmotor.
– Die Winkelstellung als Maß für die Spannungsdoppelbrechung wird entweder aus der Stellung des Motors selbst oder aus einem zusätzlichen Winkelkodierer abgeleitet.

Vorteil dieser Verfahren ist die hohe Messgenauigkeit bis in die Größenordnung von 1/1000° Drehung der Polarisationsebene. Nachteil ist jedoch die relativ große Messzeit in der Größenordnung von einigen Sekunden.

2. Nulldurchgangsverfahren

– Es wird ein kontinuierlich drehender Analysator verwendet. Damit ist die Phasenverschiebung der sinusförmig modulierten Lichtintensität nach dem Analysator ein Maß für die optische Phasenverschiebung der Lichtwellen durch Doppelbrechung in der Probe.

In JP 6109623 A erfolgt die Bestimmung der Phasenlage durch Fourieranalyse. Nachteil ist die Abhängigkeit der Fourieranalyse vom Sampleintervall bzw. von der Fensterfunktion und von der spektralen Reinheit des Signals. Weitere Verfahren nutzen optische Encoder oder Zeitmessungen, um die Winkelposition des Nulldurchgangs des hochpassgefilterten Detektorsignals zu bestimmen. Wesentlicher Nachteil dieser Methoden ist die Empfindlichkeit des Nulldurchgangsdetektors auf Störungen bzw. Rauschanteile im Detektorsignal.

Die o. g. Methoden bzw. Vorrichtungen sind für die Messung von Proben mit gekrümmter Oberfläche, insbesondere von Rohren oder Stäben, nur bedingt einsetzbar, da die optische Abbildung durch die Probe in Betracht zu ziehen ist.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Vorrichtung und ein Verfahren zur sicheren Bestimmung der Spannungsdoppelbrechung anzugeben, mit dem die Nachteile des Standes der Technik überwunden werden können. Insbesondere sollen ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Verfügung gestellt werden, die eine schnelle automatische Messung der Doppelbrechung mit einer Meßzeit von beispielsweise < 1 s an insbesondere nicht ebenen Körpern mit einer Meßgenauigkeit von < 1 nm optischem Wegunterschied ermöglicht.

Diese Aufgabe wird durch die in den unabhängigen Ansprüchen aufgeführten Merkmale gelöst.

Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.

Die Erfindung soll nachfolgend beispielhaft anhand der Zeichnung beschrieben werden.
Es zeigt:
1 den schematischen Aufbau einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur automatischen Spannungsmessung Generell umfaßt eine erfindungsgemäße Vorrichtung eine Laserdiode im sichtbaren Wellenlängenbereich mit Fokussieroptik 1 als monochromatische Strahlquelle. Der Polarisationsgrad der Halbleiterlaserdiode, der üblicherweise in der Größenordnung 1 : 300 ist, wird durch einen zusätzlichen Polarisationsfilter 2 parallel zur Polarisationsrichtung des Laserstrahls erhöht. Bevorzugt wird durch die Ansteuerelektronik die Ausgangsleistung zur Einhaltung der Laserklasse II, d. h. Netzhautschutz durch Lidreflex, limitiert. Mittels der Optik wird die Laserstrahlung auf einen Fleck < 0,5 mm Durchmesser in der Probenebene fokussiert. Die Probe selbst befindet sich auf einem Probenhalter, der die Justierung bzw. Verschiebung der Probe in der Ebene senkrecht zur Strahlrichtung ermöglicht. Die Polarisationsrichtung des Laserstrahls liegt in einer Ebene, die 45° zu den Hauptspannungsrichtungen der Probe geneigt ist. Auf der Empfängerseite befindet sich eine λ/4-Platte, deren schnelle Achse in der Ebene des Polarisators liegt, gefolgt von einer Sammellinse zur Fokussierung der Laserstrahlung auf den Detektor. Hierdurch wird die Linsenwirkung der Probe kompensiert. Vor dem Fotodetektor befindet sich der auf der Achse eines elektronisch stabilisierten Synchronmotors angebrachte Analysator und ein optischer Bandpaßfilter für die Wellenlänge des Laserlichtes. Dies erlaubt die Reduktion des Einflusses von Umgebungslicht. Auf der Anlaysatorscheibe ist eine reflektierende Markierung aufgebracht, die von einer Lichtschranke detektiert wird. Der Fotodetektor ist vorteilhafterweise ein Dual- oder Quadrantendetektor. Die Wahl des Detektors ist an die erwartete Probengeometrie angepaßt. Vom Detektor wird das Summensignal für die Phasenauswertung genutzt. Die Differenzsignale werden zur Anzeige bzw. Kontrolle der Probenpositionierung verwendet. Die volle Meßgenauigkeit wird für paraxiale Strahlen bei senkrechtem Durchgang durch die Probe erreicht. Durch die Verwendung eines kleinen Strahldurchmessers in der Probenebene und die Auswertung der Bestrahlung des Mehrfachfotoempfängers kann diese Bedingung auch für eine Vielzahl gekrümmter Proben eingestellt und kontrolliert werden. Die günstigste Detektoranordnung kann der Fachmann nach der zu vermessenden Probengeometrie in Verbindung mit der Fokussierlinse und evtl. zusätzlichen Blenden auswählen. Eine einfache Detektoranordnung zur Vermessung zylindrischer Körper besteht aus einem Dualdetektor, dessen beide Detektorflächen senkrecht zur Zylinderachse ausgerichtet sind. Jede asymmetrische Probenpositionierung bewirkt eine einseitige Beleuchtung des Dualdetektors, die dem Bediener angezeigt wird und durch eine entsprechende Probenverschiebung korrigiert werden kann. Mit einem linearen Dreifachdetektor läßt sich aus dem Intensitätsverhältnis zwischen zentralem und äußeren Detektoren ein Maß für die Brechkraft der Probe ableiten, die bei Überschreiten eines kritischen Wertes zur Ungültigkeit des Meßwertes führt. Eine Korrektur dieses Fehlers ist in Grenzen durch Verringerung des Strahldurchmessers möglich.
Die Auswertung der Phasenlage des Fotodetektorsignals zum Drehwinkel des Analysators für die Berechnung der Spannungsdoppelbrechung erfolgt mit einem Mikro- oder Signalprozessor. Dazu wird das Summensignal des Fotodetektors zur Entfernung des Gleichstromanteils und von höherfrequenten Störsignalanteilen mit einem elektronischen Bandpass gefiltert, digitalisiert und die Meßwerte von > 1 Periode im Speicher des Prozessors abgelegt. Mit bekannten Interpolationsverfahren wird die zeitliche Position der Nulldurchgänge des Signals mit Subsamplegenauigkeit bestimmt. Auf diese Weise ist es ohne weiteres möglich, die Position des Nulldurchgangs auf besser als 1/10 des Sampleabstandes zu bestimmen. Ein Vorteil gegenüber der rein elektronischen Bestimmung des Nulldurchgangs ist die Reduktion des Einflusses von Störsignalen auf die Nulldurchgangsdetektion.
Um auch die Bestimmung der Referenzposition der Reflexmarke auf der Polarisatorscheibe mit Subsamplegenauigkeit zu ermöglichen, wird mit der schnellen Lichtschranke (Schaltzeit < 1 μs) ein Rampengenerator getriggert, der für eine Zeit von mindestens 10 Samples eine von 0 V linear steigende Spannung erzeugt, die digitalisiert und synchron zum Fotodetektorsignal aufgenommen wird. Aus diesem Rampensignal läßt sich wiederum der Referenzzeitpunkt mit Subsamplegenauigkeit bestimmen. Die eigentliche Messung besteht aus einer Kalibrierung ohne Probe, bei der die Periodendauer und die Phasenlage des Fotodetektorsignals für Gangunterschied 0 gemessen werden. Nach Einbringen und gegebenenfalls Justage der Probe erfolgen permanent weitere Messungen der Phasenlage und Periodendauer des Fotodetektorsignals. Aus der Differenz Δζ der Phasenlagen ohne und mit Probe wird in bekannter Weise unter Verwendung der Wellenlänge des Laserlichtes der optische Gangunterschied in der Probe berechnet. Vorteilhaft wird die Umrechnung des gemessenen Gangunterschiedes in eine mechanische Spannung unter Verwendung des spannungsoptischen Koeffizienten des jeweiligen Materials und der durchstrahlten Probendicke ebenfalls im Prozessor realisiert. Durch die Verwendung eines Prozessors für die Signalanalyse ist es leicht möglich, eine Schnittstelle zur Datenübertragung an übergeordnete Rechner/Datenbanken zu schaffen.
Bei der in 1 dargestellten Ausführungsform der Erfindung wird der Polarisationsgrad der Strahlung einer Laserdiode mit Fokussieroptik (1) der Wellenlänge 670 nm mit einem zusätzlichen Folienpolarisator (2) erhöht. Der Strahl wird auf eine Spotgröße von 0,5 mm auf der Achse des zu messenden Rohres (3) fokussiert. Die Positionierung und Zentrierung der Probe zum Laserstrahl erfolgt mit der y-z-Verstellung des prismatischen Probenhalters (4). Mit der λ/4-Platte (5) (0. Ordnung für 670 nm) wird die i. A. elliptische Polarisation des Strahls in eine geneigte, lineare Polarisation transformiert und mit einer 60 mm-Sammellinse auf den Dual-Fotoempfänger (9) fokussiert. Der Polarisator (7) wird mit dem elektronisch kommutierten und stabilisierten Synchronmotor (10) mit einer Drehzahl von 16,67 Hz angetrieben. Die Detektion der Referenzposition erfolgt mit Lichtschranke (11). Die Signalanalyse erfolgt mit einem 24-Bit Signalprozessor Motorola DSP 560002 in Kombination mit einem Audio-Codec CS4215 (AD-Wandlung mit 48 kHz und 16 Bit Auflösung) und einem LCD-Display zur Meßwertanzeige. Die Meßfrequenz ist im wesentlichen durch die Datenaufnahmezeit limitiert. Für die Meßwertanzeige mit 4 Werten/s werden nochmals 4 Einzelmessungen gemittelt. Die erreichte Meßgenauigkeit ist deutlich kleiner als ± 1 nm optische Wegdifferenz.
Mit der Erfindung wird erstmals eine Vorrichtung realisiert, die den Ansprüchen an die Prozess- und Qualitätskontrolle z. B. in der Glasindustrie unter Berücksichtigung nichtplaner Proben (Rohre, Flaschen, Ampullen, etc.) genügt. Insbesondere im Bereich geringer Gangunterschiede, d. h. geringer Spannungen oder geringer Probendicken, wird eine deutlich erhöhte Meßgenauigkeit und Objektivierung der Meßergebnisse erzielt.

Claims

Verfahren zur automatischen Messung der Spannungsdoppelbrechung an transparenten Körpern, insbesondere gekrümmten Körpern auf Basis des Senarmont-Verfahrens, wobei die zu untersuchende Probe mit einem polarisierten Lichtstrahl bestrahlt wird, die Intensität des transmittierten Lichtes der Probe nachdem es einen kontinuierlich drehenden Analysator durchtreten hat, aufgenommen wird und die Phasenverschiebung der Lichtintensität nach Durchtritt durch den Analysator als Maß für die Doppelbrechung bestimmt wird, dadurch gekennzeichnet, daß zur Auswertung der Phasenlage des Intensitätssignales dieses digitalisiert wird und die zeitliche Position des Nulldurchganges mit Hilfe eines Interpolationsverfahrens durch einen Mikro- bzw. Signalprozessor erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßwerte von mehr als 1 Periode, bevorzugt mehr als 4 Perioden der Lichtintensität zur Bestimmung der Phasenlage aufgenommen werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, daß aus der Differenz der Phasenlage ohne und mit Probe unter Verwendung der Wellenlänge der optische Gangunterschied in der Probe bestimmt wird.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Gangunterschied in der O. Ordnung mit einer Auflösung < 1 nm bestimmt wird.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Lichtstrahl, der auf die Probe auftrifft einen derartigen Spotdurchmesser aufweist, daß die laterale Aufflösung besser als 0,5 mm ist.
Vorrichtung zur automatischen Messung der Spannungsdoppelbrechung an transparenten Körpern, insbesondere gekrümmten Körpern auf Basis des Senarmont-Verfahrens mit 6.1 einer Einrichtung zur Abstrahlung von polarisiertem Licht 6.2 einem Probenhalter 6.3 einem Analysator 6.4 einem Fotoempfänger 6.5 einer Auswerteeinheit, dadurch gekennzeichnet, daß 6.6 der Analysator ein rotierender Analysator ist und 6.7 die Auswerteeinheit eine Einrichtung zur Aufnahme und Digitalisierung des Fotoempfängersignals umfasst sowie 6.8 eine Einrichtung zur Bestimmung des Nulldurchganges des vom Fotoempfänger aufgenommenen Lichtsignales mittels eines Interpolationsverfahrens.
Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zur Abstrahlung von polarisiertem Licht eine Laserlichtquelle und einen Polarisator umfasst.
Vorrichtung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Probenhalter einen x-z-Tisch umfasst.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 – 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Photoempfänger ein Dual- oder Quadrantenempfänger ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 – 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Auswerteeinheit eine Einrichtung zur Selbstkalibrierung umfasst.