DE2010928A1

DE2010928A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Messen des Winkels zwischen der Schwingungsebene linearpolarisierten Lichtes und einer Bezugsebene

Info

Publication number: DE2010928A1
Application number: DE19702010928
Authority: DE
Inventors: Heinz 7920 Heidenheim; Engle James 7082 Oberkochen. G03b 21-00 Franke
Original assignee: Carl Zeiss SMT GmbH
Current assignee: Carl Zeiss SMT GmbH
Priority date: 1970-03-07
Filing date: 1970-03-07
Publication date: 1971-09-23
Also published as: GB1322470A; AT324730B; FR2084259A5; CH511432A

Description

FIRMA CARL ZEISS, 7920 HEIDENHEIM (BRENZ)

Verfahren und Vorrichtung zum Messen des Winkels zwischen der Sehwingungsebene linearpolaris ierten Lichtes und einer Bezugsebene

In der optischen Meßtechnik besteht oft die Aufgabe, den Winkel zwisehen·der Schwingungsebene linear polarisierten Lichtes und einer Bezugsebene, d, h. den sogenannten Drehwinkel zu messen.

Als Beispiel sei hier die Polarimetrie genannt. Hier wird zur Bestimmung von Eigenschaften, z.B. der Konzentration einer Messubstanz der ©rehwinke1 des Lichtes nach Durchtritt durch die Messsübstanz gemessen. Die Bezugsebene für diese Messung bildet die Schwi ngungsebene des Lichtes, das die Messubstanz nicht, durchsetzt. ■'.-■·' ■"■;" ^: - "■-'■"'■".."■". . : '■■"--.- .."'■"■".

Es ist bekannt und üblichv die Messung des Drehwinkels durch Kompensation vorzunehmen» Hierzu wird dle Schwingungsebene des Lichtes durch ein polarisationsoptisches Element so lange gedreht, bis sie wieder mit der Bezügsebene zusammenfällt..-·

Diese Art derMessungen ist zwar sehr genau, sie arbeitet jedoch als indirektes Meßverfahren verhältnismäßig langsam.

In der Mikroskopie' ist esbekannt, sogenannte Phasenobjekte, d.h. Objekte die an räumlich verschiedenen Stellen unterschiedlieh optisch dicht, aber vollkommen farblos und transparent sind, mit Hilfe von Interferenzmethoden sichtbar zu machen. Dabei hat sich immer mehr eine Methode eingebürgert, bei der die Interferenz durch polarisationsoptische Mittel erzeugt wird, Solche Interferenz-Mikroskope ermöglichen es, Gangunterschiede bzw. Phasen-

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- . Γ G

differenzen sehr genau zu messen. Auch hier erfolgt die Messung durch Kompensation des Drehwinkels.

Soll das Interferenzbild des Objektes punktweise, beispielsweise in einem mäanderförmigen Zeilenraster ausgemessen werden, so erlaubt das bisher übliche Meßverfahren nur eine geringe Abtastgeschwindigkeit. Erwünscht ist es jedoch, die Abtastung des Objektes mit hoher Geschwindigkeit vorzunehmen.

Der vorliegenden Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Messen des Winkels zwischen der Schwingungsebene linearpolarisierten Lichtes und einer Bezugsebene zu schaffen*, welche eine direkte Messung mit hoher Geschwindigkeit ermöglichen.

Das Verfahren nach der Erfindung zeichnet sich dadurch aus, daß das zu messende Licht durch einen rotierenden Analysator auf einen photoelektrischen Empfänger geleitet wird, und daß die Phasenlage des vom Empfänger erzeugten Signals relativ zu einem die Bezugsebene definierenden Signal gemessen wird.

Bei der Rotation des AnalysatOrs erzeugt der photoelektrische Empfänger ein sinusförmiges Signal von der Frequenz 2 6Jt, wenn man mit CO die Kreisfrequenz der Analysatordrehung bezeichnet.

Die Messung erfolgt vorteilhaft in der Weise, daß während jeder Umdrehung des Analysators ein die Lage der Bezugsebene definierender Impuls erzeugt wird und daß der zeitliche Abstand zwischen diesem Impuls und dem darauffolgenden Minimum des Empfängersignals gemessen wird. Dieser zeitliche Abstand ist direkt dem Drehwinkel des Lichtes proportional.

Die Umsetzung der Winkelmessung in die Messung eines zeitlichen Abstandes ermöglicht eine unmittelbare Anzeige des Meßwertes in digitaler Form. Das digitale Meßsignal kann auch zur weiteren Datenverarbeitung dienen.

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Es bereitet schaltungstechnisch einige Schwierigkeiten, den Zeitpunkt des Signal-Minimums eindeutig zu erfassen, da das Signal ■ an dieser Stelle die Steigung Null hat. Zur Beseitigung dieser Schwierigkeit wird vorgeschlagen, zur Bestimmung der Lage des Minimums des Empfängersignals zwei symmetrisch zum Minimum im Bereich einer endlichen Steigung des zeitlichen Signalverlaufes liegende Steuerimpulse zu erzeugen. Die Erzeugung dieser Steuerimpulse kann in relativ einfacher Weise dadurch erfolgen, daß man einem Differentialverstärker neben, dem. Meßsignal eine konstante Gleichspannung zuführt, deren Höhe einmalig so justiert wird, daß die Differenz beider Eingangsspannungen ihr Vorzeichen ändert, wenn das sinusförmige Meßsignal einen kleinen Winkelbetrag vor und kurz nach dem Mini mum-Durchgang erreicht und somit eine endliehe Steigung besitzt.

Die Digitalisierung des Meßsignals erfolgt zweckmäßig in der Weise, daS durch den die Bezugsebene definierenden Impuls die Verbindung zwischen einem, 'Zählimpulse der Frequenz, f erzeugenden Generator und einem Zähler freigegeben wird,, daß der erste Steuerimpuls die Frequenz der zum Zähler gelangenden Impulse auf f/2 herabsetzt und daß der zweite Steuerimpuls die Verbindung zum Zähler unterbricht. Die Anzahl der zwischen'den beidenSteuer- < impulsen mit halber Zählfrequenz eingelesenen Zählimpulse: ist genau so groß wie eine über die Hälfte dieser Zeit mit voller Zählfrequenz eingelesene Impulszahl. Demzufolge gibt die in den Zähler eingelesene Impulszahl direkt den Drehwinkel der Sphwingungs ebene des Lichtes in digitaler Form an. : ;

Die Erfindung wird im folgenden an;Hand der Fig. 1 > 4 der beigefügten Zeichnungen näh$r erläutert. Im einzelnen zeigen:

Fig, -1 ein^ AusführunjESbei$plel der neuen Vorrichtung in : .-. schematischer Darstellung; \

Fig. 2a den zeitlichen Verlauf der an den Eingängen des Biferentialverstärkers der in Fig.. 1 dargestellten Schaltung auftretenden Spannung; "

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Pig. 2b den zeitlichen Verlauf der Ausgangsspannung des DifferentialVerstärkers;

Fig. 2c den zeitlichen Verlauf des die Bezugsebene definierenden Signalesj

Pig. 3 eine Anordnung zur digitalen Zählung des Meßwertes;

Pig. 4 ein mit der Vorrichtung nach der Erfindung ausgerüstetes Interferenz-Mikroskop in schematischer Darstellung.

In Fig. 1 ist mit 1 eine linear polarisierte Lichtschwingung bezeichnet, deren Schwingungsebene um den Winkel o6 gegen die vertikale Bezugsebene gedreht ist. Die Lichtschwingung 1 wird durch den rotierenden Analysator 2 auf einen photoelektrischen Empfänger 3 geleitet, welcher vorzugsweise als Sekundärelektronenvervielfacher ausgebildet ist. Der Empfänger 3 ist mit einem Gleichstromverstärker 4 verbunden, dessen Ausgang mit dem Differential-Gleichspannungsverstärker 5 in Verbindung steht. Dem zweiten Eingang des Differentialverstärkers 5 wird eine konstante Gleichspannung zugeführt, deren Höhe mittels des veränderbaren Widerstandes 6 gewählt ist. Der Ausgang des Differentialverstärkers 5 ist mit einer Anordnung 7 zur digitalen Erfassung des Meßwertes verbunden. Die Anordnung 7 steht ihrerseits mit einem Zähler 8 in Verbindung, welcher den Meßwert, d.h. den Drehwinkel oC in digitaler Form direkt anzeigt.

Der rotierende Analysator 2 ist mit einem undurchsichtigen Rand 9 versehen, welcher eine Lichtdurchtrittsöffnung 10 aufweist. Während einer Umdrehung des Analysators 2 fällt einmal Licht von der Lichtquelle 11 durch die Öffnung 10 auf den Empfänger 12. Der damit erzeugte Taktimpuls wird der Anordnung 7 zugeführt. Er definiert die Lage der Bezugsebene.

Es ist möglich, die Bezugsebene in ihrer Lage zu verändern und zwar durch eine entsprechende Verschiebung von Lichtquelle 11 und Empfänger 12.

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; ν . v. ;_: 2010328 V

Die Wirkungsweise der in Pig, 1 dargestellten Vorrichtung ist folgende. ,-' V; ' ·

Liegt die Sehwirigurigsebene der Lichtschwingung 1 in der Bezugs ebene, so liefert bei Drehung des Analysators 2 der Empfänger 3 ein Signal, welches proportional cos &jt ist. Ui ist dabei die Winkelgeschwindigkeit der Analysatordrehung und hat die Größe 2 ⁴JT* F wenn die Drehzahl des Analysators mit F bezeichnet wird.

Das nach Verstärkung im Verstärker 4 entstehende Signal U\ ist ■'

in Fig. 2a dargestellt. Wie man erkennt, liegt das erste Minimum dieser Kurve bei '^/2. Wird nun die Lichtschwingung 1 durch die -

Wirkung der.Meßsubstanz um den Drehwinkel <a. gedreht, so ver- *.'.-■' * schiebt sich die in Fig. 2a dargestellte Signalkurve parallel zur Zeitäeiise um den entsprechenden Winkelbetrag und hat jetzt den mit U^ bezelehne;ten zeitlichen Verlauf»

Die Spannung Uh -wird einem Eingang des Differential-Gleiehspannungs-' Verstärkers 5 zugeführt, dessen anderem Eingang die in Fig. 2a mit Ug bezeichnete konstante Gleichspannung zugeführt wird. Diese Spannung ist so einjustiert, daß die Differenz beider Eingangsspannungen ihr Vorzeichen wechselt, wenn das Meßsignal U^- in Winkelgraden ausgedrückt einen kleinen Winkelbetrag ρ kurz vor und. kurz nach dem Minimum-Durchgang erreicht und somit eine endliche Steigung aufweist. ■ ;- . V '

Der Differentialverstärker 5 verstärkt sehr hoch, so daß durch die damit bedingte Übersteuerung am Ausgang die in Fig. 2b dargestellte Rechteckspannung Uj- entsteht, deren Flanken 14 und 15 zeitlich mit dem Vorzeichenwechsel am Eingang des Differentialverstärkers 5 zusammenfallen. Da das Signal Un symmetrisch zum Minimum verläuft, liegt der zeitliche Durchgang des Minimums genau in der Mitte zwischen den beiden Flanken 14 und 15, unabhängig davon, wie groß der Winkel ß gewählt ist.

Bei jeder Umdrehung des Analysators 2 entsteht ein die Bezugs-" ebene definierendes Signal U₁₂» dessen zeitlicher Verlauf in

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Pig. 2c dargestellt ist. Wie man aus d.eser Figur erkennt, liegt der Taktimpuls bei ^/2 und definiert damit die vertikale Bezugs ebene.

Das Aus gangs signal U₁- des Differentialverstärkers 5 "sowie da.-: Signal ILg werden der Anordnung 7 zugeführt, welche in Fig. I-näher dargestellt 1st. Diese Anordnung enthält zwei bistabile Kippstufen 16 und I7 welche jeweils 2 Impulseingänge aufweisen Di-ese Eingänge setzen über Differenzierglieder die Kippstufen jeweils auf L(Ein) bzw. auf O(Aus) wenn sie mit positiv gerichteten Impulsflanken beaufschlagt werden, während negativ gerichtete Flanken wirkungslos bleiben.

Die Wirkungsweise der in Fig. 3 dargestellten Anordnung ist

folgende. Der Taktimpuls ILο setzt zum Zeitpunkt t = -*p * ^

die bistabile Kippstufe 16 auf L. Damit v/i^d ein Zähltor 18 p.e-öffnet, von dessen Ausgang Zählimpulse mit der Frequenz f über ein Oder-Gatter I9 auf den vorher gelöschten Zähler 8 gelangen, der in modulo l80° zählt.

Die Zählimpulse werden von einem Impulsgenerator 20 geliefert, dessen Impulsfrequenz ein Vielfaches der Frequenz der Analy:;a'.ordrehung ist. Die Flanke 14 des Signales Uj- setzt zum Zeitpuni t tj_ = ( JT/2 + ofC -ß ) / üJ die Stufe 16 w±ee»r auf 0 und setzt gleichzeitig die zweite bistabile Kippstufe I7 über ein Und-Gatter 21 auf L. Damit gelangen die über die Untersetzerstufe 22 ^:1 untersetzten Zählimpulse über ein zweites Zähltor 23 und über das Oder-Gatter I9 mit der Frequenz f/2 auf den Zähler 8. Die Flanke 15 setzt zum Zeitpunkt t_p = ( Jl"/2 +<£+/$) /cj Vuev eine Negationsstufe 2h die Kippstufe 17 wieder auf Null, womit der Zählvorgang beendet ist.

Die Anzahl der zwischen den Impulsflanken 14 und 15 entsorechend einem Winkel, von 2 β mit ha Liier Zählfrequenz f/2 eingeLesenen Ziihlimpulse ist genau so groiJ wie die Anz-'ihl einer über den Winkel β mit voller Z^:;hlfrequenz f einge.lesenen ZählimpuLse ·

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■ ■'■■■■ '.,■ ■■■ : .. - ^τ - :

Die Anzahl ζ der Zählimpuise beträgt im dargestellten Beispiel ζ = oC * F/Cu d.h. diese Zahl ist direkt dem. Drehwinkels proportional.

Der Zählerstandkannnach jeder Umdrehung des Arialysators 2 aus dem Zähler 8 digital ausgelesen werden. Nach dem Auslesen wird der Zähler über den Eingang 25 sofort wieder gelöscht, so daß er fur die nächste Umdrehung des"" Analysators. in Zählbereitschaft

steht. ;: .-- ■ _ _--'-

Das in Fig. 4 dargestellte Interferenz-Mikroskop besteht aus der Lichtquelle 30. dem Kollektor 31»■ dem Polarisator 32 dem Kondensator 33, dem Strahlenteiler 34 einer λ /2-Platte 35* dem Strah- ^, lenvereiniger 37» dem Objektiv 38» einer Blende 39» sowie dem Λ /4-Pla'ttchen ²IO und dem Okular 41. Mit 36 ist schematisch der Objekttisch bezeichnet, welcher das zu untersuchende Objekt trägt. Die Differenz des Brechwertes η eines Vergleichsmediums, das von dem Vergleichslichtstrahl 42 durchsetzt wird, gegen den Brechwert η des Meßobjektes/ das von dem Meßstrahl 43 durchsetzt wird, erscheint im dargestellten Beispiel als Drehwinkel oC einer linear polarisierten Schwingung.

Der Analysator 2 ist drehbar angeordnet und oberhalb des Okulars 41 ist der photoelektrische Empfänger 3 angeordnet, dem die in Fig. 1 schon dargestellte Anzeigevorrichtung nachgeschaltet ist. Dem Digital-Zähler 8 ist hier ein Drucker 9 nachgeschaltet, wel- M eher die digitalen Meßwerte laufend ausdruckt.

Zur Abtastung des Objektes wird der Objekttisch 36 beispielsweise nach einem määnderförmigen Zeilenraster bewegt. Die dem Interferenz-Mi kroskap nachgeschaltete Meß- und Zählvorrichtung arbeitet so schnell, daß der Drucker 9 laufend die Meßwerte ausdruckt und zwar auch bei einer hohen Abtastgeschwindigkeit des Objekttisches

In dem in Fig, 4 dargestellten Beispiel wird die Bezugsebene dadurch festgelegt, daß der Objekttiseh 36 ein Leerpräparat trägt

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und daß der Empfänger 12 sowie die zugeordnete Lichtquelle 11 so lange verschoben werden, bis der Zähler 8 den Meßwert O anzeigt. Führt man nun das zu messende Präparat ein, so wird laufend und mit hoher Geschwindigkeit der Drehwinkel cP gegenüber dieser festgelegten Bezugsebene gemessen.

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Claims

Patentansprüche

Verfahren zum Messen des Winkels zwischen der Schwingungsebene linear polarisierten Lichtes und einer Bezugsebene, dadurch gekennzeichnet, daß das zu messende Licht (1) durch einen rotierenden Analysator (2) auf einen photoelektrischen Empfänger (3) geleitet wird.und daß die Phasenlage des vom Empfänger erzeugten Signals (Uh) relativ zu einem die Bezugs ebene definierenden Signal (U,ρ) gemessen wird.

2* Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß während jeder Umdrehung des Anälysators (2) ein die Lage " ä der Bezugsebene definierenden Impuls (U^₂) erzeugt wird und " daß der zeitliche Abstand zwischen diesem Impuls und dem darauffolgenden Minimum des Empfängersignales (U^) gemessen wird.

>. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß zur Bestimmung der Lage des Minimums des Empfängersignales (Uj.) zwei symmetrisch zum Minimum im Bereich einer endlichen Steigung des zeitlichen Signalverlauf liegende Steuerimpulse erzeugt werden. ν

4. Verfahren nach Anspruch 1 bis 3» dadurch gekennzeichnet, daß zur digitalen Meßwertänzeige durch den die Bezugsebene defl- ^ nierenden Impuls (U₁₂) die Verbindung zwischen einen^Zähl-. impulse der Frequenz f erzeugenden Generator (20) und einem Zähler (8) freigegeben wird, daß der erste Steuerimpuls (l4) die Frequenz der zum Zähler gelangenden Impulse auf f/2 herabsetzt und daß der zweite Steuerimpuls (15) die Verbindung zum-Zähler unterbricht. -

5· Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß nach jedem Umlauf des Anälysators (2) der Zähler (8) ausgelesen und danach sofort gelöscht wird.

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6. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 bis 5j dadurch gekennzeichnet, daS im Wege des zu messenden Lichtes (1) ein rotierender Analysator (2) und ein photoelektrischer Empfänger O) angeordnet sind, daß mit dem Analysator eine Einrichtung (10, 11, 12) zur Erzeugung eines Taktimpulses (U^g) pro Analysatorumlauf verbunden ist, daß dem Empfänger ein Gleichstrom-Verstärker (4) nachgeschaltet ist, dessen Ausgang mit einem Eingang eines hochverstärkenden Differential-GleichspannungsVerstärkers (5) verbunden ist, dessen zweitem Eingang eine konstante Gleichspannung (U^) zugeführt ist und daß mit dem Ausgang des Differentialverstärkers (5) eine digitale Zählschaltung (7) verbunden ist, die auch mit dem Taktimpulserzeuger in Verbindung steht.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Zählschaltung (7) mit einem in modulo l80° zählenden Zähler (8) verbunden ist.

W3h/Vieiss
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