DE19953528A1 - Vorrichtung und Verfahren zur automatischen Messung der Spannungsdoppelbrechung mit feststehendem Analysator - Google Patents
Vorrichtung und Verfahren zur automatischen Messung der Spannungsdoppelbrechung mit feststehendem AnalysatorInfo
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur automatischen Messung der Spannungsdoppelbrechung an transparenten Körpern, insbesondere gekrümmten Körpern, auf Basis des Senarmont-Verfahrens, wobei die zu untersuchende Probe mit einem polarisierenden Lichtstrahl bestrahlt wird, die Intensität des transmittierten Lichtes der Probe, nachdem es einen feststehenden Analysator sowie einen polarisierenden Strahlteiler durchtreten hat, von unterschiedlichen Fotodetektoren aufgenommen wird. DOLLAR A Die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß zur Bestimmung der Doppelbrechung aus dem Differenzsignal der unterschiedlichen Fotodetektoren mit Hilfe eines Kompensationsverfahrens die Winkellage der Polarisationsebene und damit der optische Gangunterschied in der Probe bestimmt wird.
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. Z. B. US 4681450 und
DE 198 19 670 nutzen 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 der DE 42 35 065 beschrieben mit einem Schrittmotor.
- - Die Winkelstellung als Maß für die Spannungsdoppelbrechung wird entweder aus der Stellung des Motor selbst oder aus einem zusätzlichen Winkelkodierer abgeleitet.
- 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.
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, die Nachteile gemäß dem Stand der Technik zu
überwinden und insbesondere eine Vorrichtung und ein Verfahren zur
schnellen automatischen Messung der Doppelbrechung mit einer Meßzeit < 1
s und mit einer Meßgenauigkeit von < 1 nm optischem Wegunterschied zur
Verfügung zu stellen, bei dem die Nachteile rotierender Bauteile, wie z. B.
eines Analysators vermieden werden.
Diese Aufgabe wird durch die in den unabhängigen Ansprüchen aufgeführten
Merkmale gelöst.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der
Unteransprüche.
Nachfolgend soll die Erfindung beispielhaft anhand der Zeichnung
beschrieben werden.
Es zeigt:
Fig. 1 den schematischen Aufbau einer Vorrichtung zur automatischen
Spannungsmessung nach dem Senarmont-Verfahren mit
polarisierendem Strahlteiler.
Generell umfaßt die Vorrichtung eine Laserdiode im sichtbaren
Wellenlängenbereich mit Fokussieroptik als monochromatische Strahlquelle.
Der Polarisationsgrad der Halbleiterlaserdiode, der üblicherweise in der
Größenordnung 1 : 300 ist, wird durch einen zusätzlichen Polarisationsfilter
parallel zur Polarisationsrichtung des Laserstrahls erhöht. Durch die
Ansteuerelektronik wird vorteilhafterweise die Ausgangsleistung zur Einhaltung
der Laserklasse I, d. h. Netzhautschutz durch Lidreflex, limitiert, gleichzeitig
wird eine Intensitätsmodulation zur späteren Trennung von Fremdlichtanteilen
durchgeführt. 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 die Detektoren (Kompensation einer evt. Linsenwirkung der
Probe). Vor den Fotodetektoren wird ein polarisierender Strahlteiler derart
angeordnet, daß jeweils senkrecht zueinander polarisierte Strahlanteile auf
einen Detektor fallen. Eine andere Ausführungsform besteht aus einem
nichtpolarisierenden Strahlteiler und Polarisationsfiltern vor den
Fotoempfängern, um Strahlanteile mit gegeneinander geneigter
Polarisationsrichtung (nicht notwendig 90°) zu selektieren. Die Fotodetektoren
werden vorteilhaft im rauscharmen Strommodus betrieben, wobei auch
Fotoempfänger mit integriertem Vorverstärker benutzt werden können. Die
Signalauswertung erfolgt durch Multiplikation der Messwerte mit den sin- und
cos-Werten eines fiktiven Winkels Theta. Im Differenzsignal ergibt sich eine
Signal mit der Frequenz der Modulation der Laserintensität und einer
Amplitude, die proportional zur Abweichung von Theta zur realen Phasenlage
des Polarisationswinkels ist. Die Minimierung dieses Differenzsignals nach
Synchrondemodulation wird zur schrittweisen Anpassung des Winkels Theta
an die reale Winkellage der Polarisationsebene genutzt. Dies ermöglicht eine
elektronische Kompensation.
Der Polarisationsgrad der Strahlung der in Fig. 1 dargestellten Laserdiode mit
Fokussieroptik (1) der Wellenlänge 670 nm wird mit einem zusätzlichen
Folienpolarisator (2) erhöht. Mit Hilfe einer Ansteuerelektronik wird die
Ausgangsleistung auf 1 mW eingestellt und eine Intensitätsmodulation mit
einer Frequenz von 20 kHz realisiert. 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 x-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 die beiden Fotoempfänger (9) fokussiert. Der Strahlteiler (7) wird für die
Separation der beiden senkrecht zueinander polarisierten
Strahlungskomponenten eingesetzt. Die Filter (8) dienen zur zusätzlichen
Unterdrückung von Fremdlichteinflüssen. Die Signalanalyse erfolgt mit einem
Resolver-to-Digital-Converter (z. B. AD2S80 von Analog Devices). Nach
entsprechender Pegelanpassung wird die Modulationsfrequenz der
Laserdiode auf den Referenzeingang des Converters gegeben, die Signale
der Fotoempfänger auf die sinus- und cosinus-Resolvereingänge. Mit einer
Standardbeschaltung des Converters liegt an dessen Digitalausgängen die
aktuelle Winkelstellung an, für die Kompensation erreicht wurde, wobei durch
die rein elektronische Kompensation der Winkelstellung der
Polarisationsebene Nachstellzeiten erreicht werden, die um Größenordnungen
unter denen äquivalenter mechanischer Realisierungen liegt. Aus dem
ausgegebenen Kompensationswinkel kann der Fachmann mittels einfacher
trigonometrischer Umformungen die Lage der Polarisationsebene bzw. den
optischen Gangunterschied in der Probe berechnen. Die Umrechnung des
gemessenen Gangunterschiedes in eine mechanische Spannung unter
Verwendung des spannungsoptischen Koeffizienten des jeweiligen Materials
und der durchstrahlten Probendicke erfolgt in bekannter Weise.
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.)
gerecht wird. Insbesondere im Bereich geringer Gangunterschiede, d. h.
geringe Spannungen oder geringe Probendicke, wird eine deutlich erhöhte
Meßgenauigkeit und Objektivierung der Meßergebnisse erzielt. Es sind keine
mechanisch bewegten Komponenten nötig, wodurch die
Betriebszuverlässigkeit deutlich erhöht wird. Mit geeigneten Ausführungen der
erfindungsgemäßen Vorrichtung sind so hohe Meßraten möglich, daß auch
eine Echtzeitverfolgung an schnellen Prozessen möglich wird. Aufgrund des
verwendeten Quotientenverfahrens ist die Messung unempfindlich gegen
Schwankungen der Lichtintensität, z. B. bei Proben mit schwankender
Transmission.
1
Laserdiode mit Fokussieroptik
2
Polarisator
3
Probe
4
Probenhalter mit x-z-Verstellung
5
λ/4-Platte
6
Linse
7
polarisierender Strahlteiler
8
Filter
9
Fotoempfänger
Claims (9)
1. 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 feststehenden
Analysator sowie einen polarisierten Strahlteiler durchtreten hat, von
unterschiedlichen Fotodetektoren aufgenommen wird,
dadurch gekennzeichnet, daß
zur Bestimmung der Doppelbrechung aus den Signalen der
unterschiedlichen Fotodetektoren mit Hilfe eines
Kompensationsverfahrens die Winkellage der Polarisationsebene und
damit der optische Gangunterschied in der Probe bestimmt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
die Signalauswertung der von den Fotodetektoren aufgenommenen
Signale in einem Quotientenverfahren erfolgt.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß
die Signalauswertung derart schnell erfolgt, daß Lageänderungen der
Polarisationsebene mit einer Geschwindigkeit größer 100°/Sekunde
synchron verfolgt werden können.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-3, dadurch gekennzeichnet,
daß der Gangunterschied in der 0. Ordnung mit einer Auflösung <
1 nm bestimmt wird.
5. 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.
6. Vorrichtung zur automatischen Messung der
Spannungsdoppelbrechung an transparenten Körpern, insbesondere
gekrümmten Körpern auf Basis des Senarmont-Verfahrens mit
- 1. 6.1 einer Einrichtung zur Abstrahlung von polarisiertem Licht
- 2. 6.2 einem Probenhalter
- 3. 6.3 einem Analysator
- 4. 6.4 mindestens zwei Fotoempfängern
- 5. 6.5 einer Auswerteeinheit,
- 1. 6.6 der Analysator ein feststehender Analysator ist,
- 2. 6.7 vor den Fotoempfängern ein Strahlteiler angeordnet ist und
- 3. 6.8 die Auswerteeinheit eine Einrichtung zur Bestimmung der Lage der Polarisationsebene mittels eines Kompensationsverfahrens umfasst.
7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß
die Einrichtung zur Abstrahlung von polarisiertem Licht eine
Laserlichtquelle und einen Polarisator umfasst.
8. Vorrichtung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß
der Probenhalter einen x-z-Tisch umfasst.
9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6-8, dadurch gekennzeichnet,
daß der Fotoempfänger ein Dual- oder Quadrantenempfänger ist.
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