DE19953528B4

DE19953528B4 - Vorrichtung und Verfahren zur automatischen Messung der Spannungsdoppelbrechung mit feststehendem Analysator

Info

Publication number: DE19953528B4
Application number: DE1999153528
Authority: DE
Inventors: André Dr. Witzmann
Original assignee: Schott AG
Current assignee: Schott AG
Priority date: 1999-11-05
Filing date: 1999-11-05
Publication date: 2010-10-07
Anticipated expiration: 2019-11-06
Also published as: DE19953528A1

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 Strahl polarisierten Lichtes bestrahlt wird, dessen Intensität mit einer Frequenz moduliert wird und die Intensität des transmittierten Lichtes der Probe, nachdem es einen feststehenden Analysator sowie einen polarisierenden Strahlteiler durchtreten hat, von unterschiedlichen Fotodetektoren aufgenommen wird,
dadurch gekennzeichnet, dass
– die Doppelbrechung aus den Signalen der unterschiedlichen Fotodetektoren durch nachfolgende Auswertung der Signale bestimmt wird:
– die Signale werden mit sin- und cos-Werten eines fiktiven Winkels multipliziert und ein Differenzsignal gebildet, wobei sich im Differenzsignal ein Signal ergibt mit der Frequenz der Modulation der Intensität des Lichtes und einer Amplitude, die proportional zur Abweichung des fiktiven Winkels zur realen Phasenlage eines Polarisationswinkels ist;
– das Differenzsignal wird synchrondemoduliert zur schrittweisen Anpassung des fiktiven Winkels an die reale Phasenlage des Polarisationswinkels, wodurch die Winkellage...

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 Weitererarbeitung und als Endprodukt. Im allgemeinen wirken sich hohe und speziell ungleichmäßige Eigenspannungen negativ auf die in der Weitererarbeitung 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 19819670 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 4235065 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.
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 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.

Die DE 31 29 505 zeigt eine Vorrichtung zum Messen von Gangunterschieden im polarisierten Licht, wobei die Gangunterschiedsmessung auf die Intensitätsmessung zweier senkrecht zueinander polarisierter Komponenten der Messstrahlung zurückgeführt wird.
Aus der DE 42 35 065 ist ein mechanisches Kompensationsverfahren bekannt geworden.
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:
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 l, 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 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) (O. 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.

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 Strahl polarisierten Lichtes bestrahlt wird, dessen Intensität mit einer Frequenz moduliert wird und die Intensität des transmittierten Lichtes der Probe, nachdem es einen feststehenden Analysator sowie einen polarisierenden Strahlteiler durchtreten hat, von unterschiedlichen Fotodetektoren aufgenommen wird, dadurch gekennzeichnet, dass – die Doppelbrechung aus den Signalen der unterschiedlichen Fotodetektoren durch nachfolgende Auswertung der Signale bestimmt wird: – die Signale werden mit sin- und cos-Werten eines fiktiven Winkels multipliziert und ein Differenzsignal gebildet, wobei sich im Differenzsignal ein Signal ergibt mit der Frequenz der Modulation der Intensität des Lichtes und einer Amplitude, die proportional zur Abweichung des fiktiven Winkels zur realen Phasenlage eines Polarisationswinkels ist; – das Differenzsignal wird synchrondemoduliert zur schrittweisen Anpassung des fiktiven Winkels an die reale Phasenlage des Polarisationswinkels, wodurch die Winkellage der Polarisationsebene und damit der optische Gangunterschied in der Probe bestimmt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Signalauswertung der von den Fotodetektoren aufgenommenen Signale in einem Quotientenverfahren erfolgt.
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.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 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 Auflösung besser als 0,5 mm ist.
Vorrichtung zur automatischen Messung der Spannungsdoppelbrechung an transparenten Körpern, insbesondere gekrümmten Körpern, auf Basis des Senarmont-Verfahrens mit – einer Einrichtung zur Abstrahlung von polarisiertem Licht, dessen Intensität mit einer Frequenz moduliert wird; – einem Probenhalter; – einem Analysator; – mindestens zwei Fotoempfängern, die Signale zur Verfügung stellen; – einer Auswerteeinheit, dadurch gekennzeichnet, dass – der Analysator ein feststehender Analysator ist, – vor den Fotoempfängern ein Strahlteiler angeordnet ist und – die Auswerteeinheit eine Einrichtung zur Bestimmung der Winkellage einer Polarisationsebene umfasst, wobei – die Signale in der Auswerteeinheit mit sin- und cos-Werten eines fiktiven Winkels multipliziert werden und ein Differenzsignal gebildet wird, wobei sich im Differenzsignal ein Signal ergibt mit der Frequenz der Modulation der Intensität des Lichtes und einer Amplitude, die proportional zur Abweichung des fiktiven Winkels zur realen Phasenlage eines Polarisationswinkel ist und – das Differenzsignal synchrondemoduliert zur schrittweisen Anpassung des fiktiven Winkels an die reale Phasenlage des Polarisationswinkels wird.
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 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Fotoempfänger ein Dual- oder Quadrantenempfänger ist.