DE3003333C2

DE3003333C2 - Vorrichtung zur Messung von Inhomogenitäten des Brechungsindex

Info

Publication number: DE3003333C2
Application number: DE19803003333
Authority: DE
Inventors: Paul Dr. Kuttner; Heinz 8000 München Schamberger
Original assignee: Optische Werke G Rodenstock
Current assignee: Optische Werke G Rodenstock
Priority date: 1980-01-30
Filing date: 1980-01-30
Publication date: 1985-06-05
Also published as: DE3003333A1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Messung von Inhomogenitäten des Brechungsindex im ultravioletten, sichtbaren und infraroten Spektralbereich von Körpern gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Eine Vorrichtung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 ist aus »journal of Research« 73 C₁1969 S. 1 bis 4 bekannt. Diese bekannte Vorrichtung ist zwar in der Lage, verhältnismäßig genaue Aussagen über den Gradienten des Brechungsindex zu liefern, diese Aussagen erhält man aber erst p.^ch Auswertung umständlich zu lösender Gleichungssysteme. Darüberhinaus ist es mit der bekannten Vorrichtung nicht möglich schnell eine »Grobaussage« über die optischen Eigenschaften des Körpers zu erhalten, da das Verhalten der lnterfercnzringc eine unmittelbare Interpretation nicht zuläßt.

Außer diesem Bedienungsnachteil hat die bekannte Vorrichtung aber auch den Nachteil, daß ihr technischer Aufbau in mehrfacher Hinsicht kompliziert ist. Fertigungstoleranzen bei dem aus zwei Komponenten zu· sammengekiueten Prisma, dessen Grundfläche zudem sammelnde Wirkung haben muß, beeinflussen außerordentlich stark das Auflösungsvermögen für den Brechungsindexgradienten. Die Justierung des Spiegels ist — wie in der genannten Literaturstelle eingeräumt ist — kritisch. Dabei ist die Vorrichtung — wie alle nach dem interierometrischen Prinzip arbeitende Vorrichtungen — äußerst empfindlich gegen Schwingungen, was gerade bei der Vermessung ausgedehnter Körper äußer« störend ist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 derart weiterzubilden, daß bei relativ geringem technischem Aufwand präzise und leicht interpretierbare Meßergebnisse erhalten werden.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 angegebene Merkmale gelöst.

Die Erfindung geht dabei von der Erkenntnis aus, daß in einer nahezu planparallelen Platte vorhandene Inhomogenitäten des Brechungsindex eine Winkelablenkung eines durch die Platte hindurchtretenden Parallelstrahls erzeugen. Die erfindungsgemäß vorgeschlagenen Intensitätsmessungen an der Linienbildflanke erlaubt bei geringem technischen Aufwand eine genaue Messung der durch Inhomogenitäten des Brechungsindex hervorgerufenen Auslenkungen des Parallelstrahls. Die Verwendung eines Strahls mit geringem Durchmesser (beispielsweise 2 bis 3 mm) setzt nicht nur die Anforderungen an die Optik herab, die ebenfalls nur einen derartigen Durchmesser haben muß, sondern erlaubt auch eine einfache Zuordnung des erhaltenen Meßergebnisses — beispielsweise einer »Schreiber-Aufzeichnung« — zu der Lage der Inhomogenitäten in dem zu untersuchenden Körper.

Dabei können die Inhomogenitäten sowohl monotone als auch wechselnde Gradienten haben.

Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
Die Erfindung wird nachstehend anhand der Zeichnung näher erläutert, in der zeigt

F i g. 1 den schematischen Aufbau eines Gerätes zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens,

Fig. 2 die Intensitätsverteilung des Strahlenbündels und

4$ Fig. 3 schematisch die Anordnung zur Feststellung von Abweichungen von der Planparallelität des zu prüfenden Körpers.

Bei dem in Fig. 1 gezeigten Gerät wird die von der Strahlungsquelle 1 ausgesandte Strahlung durch den Chopper 2 in Rech'eckimpulse zerhackt. Sie tritt dann durch ein Filtersystem 3 zur Auswahl des gewünschten Spektralbereiches, um dann vom Kondensor 4 auf den Eintrittsspalt 5 des Kollimators 6 abgebildet zu werden. Die Blende 7 dient zur Begrenzung des aus dem KoIIimator 6 austretenden Parallelstrahlenbundels auf den gewünschten Strahlquerschnitt, der das örilirhp Anfio S'jngsvcrniögcn des derates bestimmt. Anschließend durchdringt der Strahl den Prüfling 8 und wird dabei durch eine vorhandene Brechungsindex-Inhomogenität in Richtung zum ansteigenden Brechungsindex abgelenkt. Der abgelenkte Strahl tritt nun in das Ferrohrobjektiv 10 ein und wird von diesem auf den Austrittsspalt II fokussiert. Über die Optik 12 wird der durch den Ausirittsspalt 11 hindurchtretende Anteil der Strahlung

b5 auf den lR-Detektor 13 gelenkt, der die Intensität der ankommenden Strahlung mißt.

F i g. 2 zeigt die Intensitätsverteilung der Strahlung in der Ebene des Spaltes 11, die durch die Abbildung des

Spaltes 5 über Kollimator- und Fernrohroptik erzeugt wird. Durch geeignete Wahl der Aberrationen der Optiken 6 und 10 und der Einstellebene des Spaltes 11 oder durch geeignete Form eines der Spalte 5 ode- Il wird erreicht, daß diese Intensitätsverteilung im benutzten Bureich B eine lineare Abhängigkeit vom Ort X aufweist Die in Fig.2 dargestellte Intensitätsverteilung wird als »Linienbild« bezeichnet Zur Einstellung des Gerätes auf den Nullpunkt wird der Prüfling 8 aus dem Strahlengang entfernt und der Spalt 11 in X-Richtung so justiert, dab im Arbeitspunkt A eine mittlere Intensität /ι durch den Spalt 11 hindurchtritt und vom Detektor 13 registriert werden kann.

Hat nun der Prüfling an der Meßstelle eine Inhomogenität derart, daß der Brechungsindex entlang des Weges Sin .V-Richtung zunimmt, so wird der Meßstrahl in X-Richtung abgelenkt und das Linienbild verschiebt sirh um einen Betrag X in X-Richtung von ΛΊ nach Xi. Die durch den Spalt 11 hindurchtretende Strahlung ändert damit ihre Intensität um///von 1\ auf/2, wobei gilt:

10

15

20

Al = k-Ax.

(I)

Die konstante Steigung k wird durch Ausmessung des Linienbildes bestimmt, indem der Spalt 11 um definierte Strecken χ verschoben wird und dabei die Intensität / am Detektor 13 gemessen wird. Die Steigung k ergibt sich dann zu

d/

30

dn

Ein Indexgradient —j— verursacht eine Linienbildver-

schiebung Ax, die abhängig ist von der Dicke d des Prüflings und von der Brennweite Ader Linse 10:

d/7

(III)

Diese Linienbildverschiebungen Ax ruft eine Intensitätsänderung AI am Detektor 13 hervor, die sich aus (1) und (III) berechnet zu:

40

(IV)

Bei einem aufgeführten erfindungsgemäßen Gerät wurde mit den Werten d = 1 cm und /= 10 cm gearbeitet. Ein Ax von ¹^ {λ = Wellenlänge der benutzten Strahlung) konnte noch gemessen werden. Die Nachweisgrenzen des Gerätes lagen demnach im IR-Bereich mit/? ■= 4 μπι nachGl. (III) bei:

45

50

q/7

ds

0,0002 cm
1 cm · 10 cm

= 2 · ΙΟ-⁵

1 cm

55

Im sichtbaren Bereich mit λ = 0,5 μΐη ergibt sich:
0,000025 cm

Al
ds

1 cm · 10 cm

2,5 · 10-*

cm

Der Prüfling 8 aus optisch durchlässigem Material befindet sich auf einem elektrisch ansteuerbaren Kreuztisch 9, mit dessen Hilfe er in X- und K-Richtung durch den Meßstrahl gefahren werden kann. Die elektrische Ansteuerung 17 erlaubt so eine scannerartige Abtastung des gesamten Prüflings. Das vom Detektor 13 kommende Signal wird durch einen Wechselspannungsverstärker geringer Bandbreite mit maximaler Verstärkung auf der Copperfrequenz verstärkt. Bei geringen Signalstärken, wie sie im IR-Bereich vorliegen, wird hierzu vorzugsweise ein Lock-in-Verstärker verwendet, der nm dem Referenzsignal der Lichtschranke 18 gesteuert wird und so das Untergrundrauschen unterdrückt und nur die vom Chopper 2 modulierte Strahlung registriert. Nach Bearbeitung in dem Auswertegerät 15 wird das Signal dem x-j'-Schreiber 16 zugeführt. Da die Signalhöhe direkt proportional dem Indexgradienten des Prüflings am Meßort in X-Richtung ist. kann so eine quasidrcidimensionale Aufzeichnung des Indexgradienten erfolgen. In vielen Fällen ist es wünschenswert, neben dem Indexgradienten die Abhängigkeit des Brechungsindex π vom Meßort darzustellen. Hierfür besitzt das Auswertegerät 15 einen mikroprozessorgesteuerten Integrator, der bei Einstellung auf einen Anfangswert aus der Funktion des Indexgradienten

d/7 ,. ,

den Verlauf des Brechungsindex

"=J 77

berechnet.

Die bei der oben beschriebenen Messung verwendeten Materialproben müssen beiderseits genau planparallel geschliffen und poliert sein. Die Ebenheit der Oberfläche, die erforderlich ist, um auch kleinste Inhomogenitäten noch nachweisen zu können, ist hoch (Passe besser als 1 Ring) und verteuert die Messung erheblich. Daher wird erfindungsgemäß eine zusätzliche Einrichtung verwendet, um mit demselben Gerät gleichzeitig die Abweichungen der Prüflingsoberfläche zu messen und bei der Auswertung zu berücksichtigen.

Fi g. 3 zeigt die hierfür erfindungsgemäß verwendete Einrichtung, bei der durch den Spalt 19 ein Lichtstrahl auf die Kollimatoroptik 20 fällt, die ihn zu einem Parallelstrahl bündelt. Anstelle von 19 und 20 kann auch ein Laser Verwendung finden.

Der Lichtstrahl fällt bei 21 aui die gleiche Stelle des Prüflings S, die auch vom Meßstrahl ge'roffen wird. Dort wird er (teilweise) reflektiert und dann über die Spiegel 22, 23, 24 und 25 auf die entgegengesetzte Seite des Prüflings gelenkt, wo er auf der Stelle 26 auftritt, aus der der Meßstrahl wieder austritt. Hier wird er abermals reflektiert und mit der Optik 27 auf den Spalt 28 abgebildet. Hier wird nun wieder, ähnlich wie in F i g. 1 und 2 beschrieben, die seitliche Ablenkung des Strahls in λ'-Riu'niung bestimmt, die hier aber nicht von Inhomogenitäten des Materials, sondern von Unebenheiten der beiden Oberflächen des Prüflings 8 bei 21 und 26 verursacht wird. Die Meßergebnisse werden gleichzeitig mit dem Ergebnis der Messungen des Indexgradienten dem Auswertegerät 15 zugeführt und unter Benutzung des mittleren Brechungsindex des Prüflings bei der Auswertung als Korrekturglieder berücksichtigt. Mit dieser zusätzlichen Einrichtung brauchen die Materialproben für die Prüflinge nur noch mit einer geringeren werkstattüblichen Genauigkeit bearbeitet zu werden, was für Serienprüfungen von erheblichem Vorteil ist.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Vorrichtung zur Messung von Inhomogenitäten des Brechungsindex im ultravioletten, sichtbaren und infraroten Spektralbereich von Körpern, die in dem jeweiligen Spektralbereich transparent sind und im wesentlichen ebene Außenflächen im Strahlengang haben,

mit einer Strahlungsquelle (1), einer Einrichtung (4, 5, 6) zur Erzeugung eines parallelen Lichtbündels, das den zu prüfenden Körper (8) durchsetzt, einer Fokussierungseinrichtung (10) zur Erzeugung eines Linienbildes, einer Austrittsblende (11) und einer Einrichtung zur Relativbewegung von optischem System und Körper zur Prüfung des Körpers in mehreren Bereichen,
dadurch gekennzeichnet,
daß eine Einrichtung (7) den Querschnitt des parallelen Lichtbündels auf ein Maß begrenzt, das wesentlich kleiner ist als die Ausdehnung der zu ermittelnden Inhomogenitäten,

daß die Austrittsblende (11) wesentlich kleiner ist als das Linienbild und in der Linienbildflanke angeordnet ist, und

daß ein Detektor (13) hinter der Austrittsblende die Intensität mißt, die ein Maß für die Verschiebung des Strahlenbündels in verschiedenen Bereichen des Körpers ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine elektronische Recheneinheit die gemessenen Abweichungen von der Planparallelität des zu messenden Körper? im Durchtrittsbereich des Strahlenbündels bei der elektronischen Verarbeitung der Auslenkungsdaten berücksichtigt.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die elektronische Recheneinheit die Meßdaten so aufbereitet, daß sie quasi dreidimensional darstellbar sind.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die elektronische Recheneinheit aus den Daten des Indexgradienten die Indexkurven ableitet.