DE4105192A1

DE4105192A1 - Polarimetrisches verfahren und vorrichtung zur bestimmung von eigenschaften von materialoberflaechen und transparenten materialien sowie zur winkelmessung

Info

Publication number: DE4105192A1
Application number: DE4105192A
Authority: DE
Inventors: Stefan Oelckers; Elke Heinecke
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1990-02-26
Filing date: 1991-02-20
Publication date: 1991-08-29
Anticipated expiration: 2011-02-21
Also published as: DE4105192C2

Description

Das Verfahren und die Vorrichtung ermöglicht in Abhängigkeit von den bekannten Größen einer zu untersuchenden Oberfläche oder eines transparenten Materials und der gegebenen Aufgabenstellung vielfältige Untersuchungen, die entweder Detailaussagen oder gemittelte Aussagen über die jeweilige Oberfläche oder das jeweilige Material zulassen.

Es läßt elektromagnetische Strahlung auf eine Oberfläche oder durch ein transparentes Material fallen und untersucht den Anteil an s- und p-polarisierter Strahlung im reflektierten und/oder transmittierten Strahl, wodurch man eine Intensitätsdifferenz erhält, die sowohl von den optischen Konstanten des Materials als auch vom Einfallswinkel der Strahlung bestimmt wird als auch von der Oberflächenstruktur, wobei die Fleckgröße größer oder kleiner als die typische Struktur des Materials gewählt werden kann.

Man kann somit Aussagen entweder über die typische Struktur, den Einfallswinkel oder die optischen Konstanten der Oberfläche des transparenten Materials erhalten.

Stand der Technik und Kritik am Stand der Technik

Materialuntersuchungen oder Messungen von Beschichtungsstärken mit den verschiedenen klassischen Varianten der Ellipsometrie und Polarimetrie sind seit langem bekannt. Für Profiluntersuchungen von Oberflächen werden im allgemeinen andere Verfahren angewendet, da klassische elliptometrische und polarimetrische Messungen zum einen sehr empfindlich von Oberflächenverschmutzungen gestört werden können, zum anderen klassische elliptometrische und polarimetrische Messungen im Verhältnis aufwendig zu automatisieren sind. Probleme bei der Automatisierung ergeben sich auch bei den hergebrachten Methoden für im Verhältnis einfache Probleme wie das Messen von Neigungswinkeln.

Für Profiluntersuchungen werden üblicherweise eher Verfahren wie das Autofokusverfahren oder bei diffus reflektierenden Oberflächen auch das Triangulationsverfahren angewendet. Mit diesen Verfahren wird jeweils punktweise durch mittelbare Entfernungsmessung die lokale Höhe der Oberflächenstruktur gemessen und es kann somit nach Messung einer hinreichenden Anzahl von Punkten die Oberflächenstruktur erhalten werden. Die lokale oder globale Neigung der Oberflächenstruktur kann jedoch nur mittelbar als Ableitung der erhaltenen Höhenlinie erhalten werden. Diese Verfahren nutzen nicht die Eigenart von elektromagnetischer Strahlung, daß s- und p-polarisierte Anteile der einfallenden Strahlung unterschiedlich stark reflektiert bzw. transmittiert werden.

Messungen von Rauhigkeiten oder Oberflächenbeschädigungen werden im Bereich der optischen Meßtechnik entweder indirekt durch Profilmessungen mit oben genannten Verfahren realisiert, oder es werden Effekte wie zum Beispiel die Strahlaufweitung von an der Oberfläche reflektierten Stahlung ausgewertet. Zuletztgenannte Verfahren sind jedoch in ihrer Genauigkeit und Aussagekräftigkeit stark begrenzt. Auch diese Verfahren nutzen jedoch nicht die Eigenart von elektromagnetischer Strahlung, daß s- und p-polarisierte Anteile der einfallenden Strahlung unterschiedlich stark reflektiert bzw. transmittiert werden.

Messungen von Drehwinkeln und Werkstückausrichtungen werden z. B. mittels in Deckung bringen von Lichtzeigern mit Markierungen realisiert, auch diese Verfahren nutzen jedoch nicht die Eigenart von elektromagnetischer Strahlung, daß s- und p-polarisierte Anteile der einfallenden Strahlung unterschiedlich stark reflektiert bzw. transmittiert werden.

Aufgabe und Lösung der Aufgabe

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die von den unter Patentanspruch 1, 2 genannten Materialeigenschaften abhängigen Unterschied (z. B. die Differenz) der Reflexionskoeffizienten für s- und p-polarisierte Strahlung auszuwerten. Diese beiden Reflexionskoeffizienten werden in der Literatur üblicherweise mit Rs und Rp bezeichnet. Ein entsprechendes Verhalten zeigen auch die mit Ts und Tp bezeichneten Transmissionskoeffizienten. Der Unterschied zwischen den jeweiligen Koeffizienten (gegebenenfalls nach Anspruch 4 durch ihren Mittelwert dividiert) wird im folgenden als Meßwert bezeichnet.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß das Objekt mit weiter unten spezifizierter Strahlung bestrahlt wird. Liegt keine Oberflächenverschmutzung, Verunreinigung etc. vor, wächst die Differenz der beiden Reflexions- (oder Transmissions-) koeffizienten von null bei senkrechtem Strahlungseinfall bis zu einem Maximum beim sogenannten Brewsterwinkel, um danach wieder abzufallen. Der Meßwert ist also abhängig vom Winkel zwischen dem Strahl und der Flächennormalen und somit zur Bestimmung von lokalen Oberflächenneigungen geeignet. Außerdem ist der Meßwert abhängig vom komplexen Brechungsindex des untersuchten Materials, was in der einschlägigen Literatur an vielen Stellen dargestellt wird, sowie von seiner Mikrooberflächenstruktur was, nur zum Teil mathematisch faßbar ist.

Wird Strahlung, welche von einem Gebiet komme, welches groß ist im Vergleich zur Oberflächenstruktur, auf den Detektor gegeben, so ist der Meßwert proportional einem gewichteten Mittel aus den beitragenden Oberflächenneigungen. Oberflächenrauhigkeiten z. B. können erfindungsgemäß durch die eben beschriebene Weise nach Anspruch 13, 14, 15 ohne den Umweg der Profilbestimmung gemessen werden. Korrelationslängen von den Meßwert beeinflussenden Strukturen wie Rauhigkeit oder Verunreinigungen bzw. Verunreinigungseinschlüsse können erfindungsgemäß dadurch bestimmt werden, daß nach Anspruch 14 oder 15 das Verhalten des Meßwertes bei verschiedenen Strahlquerschnitten ausgewertet wird. Die Korrelationslänge der Struktur kann aus dem mittleren Strahldurchmesser bestimmt werden, ab dem sich der Meßwert nicht mehr wesentlich ändert.

Geschieht der Strahleneinfall unter einem Winkel zur mittleren Flächennormalen (Anspruch 7), wird erfindungsgemäß zum einen die Genauigkeit der Winkelbestimmung erhöht, denn die Veränderung des Meßwertes pro Veränderung des Einfallwinkels ist bei mittleren Einfallwinkeln größer als bei kleinen Einfallwinkeln. Zum Anderen wird im wesentlichen nur noch der Neigungswinkel der Projektion der Flächennormalen in die Ebene, welche den Strahlengang enthält, erfaßt.

Eine Information über die Richtung der Flächennormalen kann erfindungsgemäß erhalten werden, indem nach Anspruch 5 und 6 ein Triggersignal (mit der gleichen Frequenz wie die Drehfrequenz der Polarisationsrichtung und konstanten Phasenverhältnissen zwischen Triggersignal und Polarisationsrichtungssignal des einfallenden Strahls) auf die Auswerteeinheit gegeben wird. Die Phasendifferenz zwischen Meßwertsignal und Triggersignal ergibt Auskunft über die Richtung der Flächennormalen, sie ist abhängig von der Depolarisation durch die Wechselwirkung an der Oberfläche.

Wird bei bekannter Oberflächenstruktur eine Verunreinigung/Beschichtung auf oder in das Material gebracht, so verändert sich der Meßwert eines nach Anspruch 1-19 aufgebauten Gerätes entsprechend der Menge etc. und den optischen Eigenschaften dieses Stoffes, so daß erfindungsgemäß ein solcher Aufbau/ein solches Verfahren auch zum Messen solcher Verunreinigungen verwendet werden kann.

Wird erfindungsgemäß nach Anspruch 13, 14, 15 die Strahlung, welche mit einem größeren Gebiet wechselwirkte, auf den Detektor geleitet, so ist der Meßwert abhängig von den Flächenanteilen der bestrahlten Materialien, deren Oberflächenstrukturen etc. und deren optischen Eigenschaften, so daß man mit einem derartigen Aufbau (eventuell unter erfindungsgemäßer Zuhilfenahme von z. B. Blenden nach Anspruch 19) z. B. Flächendeckungen bestimmen kann.

Weitere der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe ist es, die im allgemeinen mit klassischen polarimetrischen Messungen verbundene Drehwinkelbestimmung von Polarisator oder Analysator zu vermeiden. Dieses - und die Messung der unter Anspruch 1, 2 angeführten Materialeigenschaften - wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß das zu untersuchende Material z. B. mit polarisierter Strahlung bestrahlt wird (Anspruch 1, 2), dessen Polarisationsrichtung sich z. B. - bei großen Anforderungen an die Genauigkeit - mit wählbarer Periodenlänge um die Strahlachse dreht (Anspruch 5) und von einem Detektor die Strahlung nach der Wechselwirkung erfaßt wird, und vom Detektorsignal vor allem die periodischen Intensitätsschwankungen (Anspruch 5) und gegebenenfalls deren Verhältnis zum Mittelteil (Anspruch 4) und gegebenenfalls die Phasenbeziehung zu einem Triggersignal (Anspruch 6) erfaßt wird. An die Stelle der oben beschriebenen Strahlung kann erfindungsgemäß z. B. auch unpolarisiert Strahlung treten (s. u.). Die notwendige Charakteristik des Strahls wird z. B. dadurch erreicht, daß z. B.

a) unpolarisierte Strahlung nach oder vor der Wechselwirkung durch einen Polarisations-Chopperdiscfilter geleitet wird.
b) wie unter a) mit dem Unterschied, daß linear polarisierte Strahlung der Strahlungsquelle so in seiner Strahlungsrichtung ausgerichtet wird, daß die Oberfläche mit definierten - vorzugsweise gleichen Anteilen - von s- und p-polarisierter Strahlung bestrahlt wird.
c) linear polarisierte Strahlung einer Strahlungsquelle mit einer Faradayzelle periodisch in seiner Polarisationsrichtung gedreht wird.
d) wie unter a) mit dem Unterschied, daß an die Stelle eines Chopperpolarisators z. B. eine geeignete Kerrzelle tritt.

Störende Polarisationseffekte, die nicht durch die zu messende Oberfläche bedingt sind, können apparativ oder durch Eichung ausgeglichen werden.

Die Auswertung des Detektorsignals kann z. B. nach Anspruch 4 durch geeignete Operationsverstärkerschaltungen oder/und - nach A/D- Wandlung durch einen Rechner geschehen.

Das Verfahren kann auch als bildgebendes Verfahren verwendet werden, wenn nach Anspruch 11 oder 14 oder 15 vorgegangen wird.

Konzentrationsbestimmungen o. ä. von optisch aktiven (die Polarisationsachse drehenden) Flüssigkeiten o. ä. können vorteilhaft erreicht werden, wenn erfindungsgemäß nach Anspruch 18 sowohl vor als auch nach der Wechselwirkung der Strahlung mit dem zu messenden Medium ein Polarisations-Chopper o. ä. vorgesehen wird, und diese z. B. in zeitlicher Abfolge in verschiedenen Phasenbeziehungen betrieben werden. Dieses kann besonders effizient geschehen, wenn die Frequenzen beider Chopper nahe beieinanderliegen, das Verschwinden der Phasendifferenz z. B. durch einen Referenzstrahl registriert wird, oder im Falle der Verwendung von Kerrzellen von vornherein bekannt ist, und die Zeit von diesem Moment bis zum nächsten Intensitätsminimum (oder auch Maximum) bestimmt wird.

Soll der Meßwert mit großer Genauigkeit ermittelt werden, wird dies erfindungsgemäß dadurch erreicht, daß mit einem oder mehreren der Ansprüche 3, 4, 5, 20 verfahren wird;
soll der Meßwert mit geringem Aufwand ermittelt werden, wird dies erfindungsgemäß dadurch erreicht, daß auf Anwendung von einem oder mehreren der Ansprüche 3, 4, 5, 20 verzichtet wird;
soll der Meßwert z. B. zur Materialerkennung mit oder ohne z. B. Strukturerkennung dienen, wird dies erfindungsgemäß besonders vorteilhaft dadurch erreicht, daß mit Ansprüchen 8 oder 9 verfahren wird, wodurch für jede Wellenlänge/Wellenlängenkombination ein spezifischer Meßwert erhalten werden kann; eine ähnliche Vergrößerung der Meßwertaussage kann erzielt werden, wenn bei transparenter Strahlung sowohl reflektierte wie transmittierte Strahlung ausgewertet wird.
Soll der störende Einfluß von Fremstrahlung vermieden werden, so kann dieses erfindungsgemäß durch Verfahren nach Anspruch 4, 10 geschehen.
Ist bei gegebenem Aufbau nicht sicher gewährleistet, daß alle relevanten Strahlungsanteile den Detektor treffen, bzw. diesen gleichmäßig auf seinen sensiblen Bestandteilen treffen, so ist erfindungsgemäß nach Anspruch 11 vorzugehen.

Die erzielbaren Vorteile wurden z. T. schon im Rahmen der Kritik am Stand der Technik angedeutet, liegen aber vor allem darin begründet, daß mit dem Gegenstand dieses Patentes eine einfache, hochgenaue, im Verhältnis störungsunempfindliche Alternative zur hergebrachten Polarimetrie/Ellipsometrie gegeben ist, die sich darüber hinaus durch gute Anbindbarkeit an Datenverarbeitungsanlagen, gute Automatisierbarkeit und Verzichtbarkeit auf mechanisch bewegte Teile auszeichnet.

Ausführungsbeispiel 1 Aufbau zum Messen lokaler Oberflächenneigungen

Im Ausführungsbeispiel 1 wird kohärentes stark gebündeltes Licht eines Lasers (1) über einen 50%-Spiegel (2) senkrecht auf das zu untersuchende Material (3) gegeben (Anspruch 7). Ist das Licht des Lasers linear polarisiert, sollte die Polarisationsrichtung des Lichtes so gelegt werden, daß - nach der Reflexion am Spiegel - die Intensitäten von zur mittleren Materialoberfläche s- und p-polarisiertem Lichtanteil gleich sind. Nach der Reflexion an der Materialoberfläche sind die Intensitäten der beiden Strahlanteile (bei gegebenen optischen Konstanten der Oberfläche) um so unterschiedlicher je größer der Winkel zwischen Lichtstrahl und der lokalen Flächennormalen ist. Der reflektierte Lichtstrahl (4) wird durch einen sich mit fester Frequenz drehenden Chopperpolarisator (5) geleitet (Anspruch 5, 20). Das auf den Detektor (6) fallende Licht durchläuft ein Intensitätsminimum, wenn der Polarisator gerade den zur bestrahlten Oberfläche p-polarisierten Strahlanteil durchläßt und ein Maximum, wenn gerade der s-polarisierte Anteil durchgelassen wird. Die Signalspannung des Detektors wird auf zwei verschiedene Meßverstärker (7 und 8) gegeben. Der Verstärker 7 ist Frequenzselektiv verstärkend (mit möglichst kleinem Q-Wert) und verstärkt nur Wechselsignale der Frequenz des Chopperpolarisators (Anspruch 5). Der Verstärker 8 verstärkt nur den Gleichspannungsanteil des Detektorsignals. In einer geeigneten Elektronik (9) (z. B. unter Verwendung von Operationsverstärkern) werden die Ausgangssignale der beiden Verstärker dividiert (Anspruch 4). Nach einer A/D- Wandlung im A/D-Wandler (10) kann der Meßwert von einem Rechner (11) weiterverarbeitet werden, und/oder von einem Schreiber oder ähnlichem Anzeigegerät angezeigt werden. Hat der Rechner eine große Rechenleistung kann die Auswerteelektronik (9) weggelassen werden und diese Aufgabe vom Rechner mitübernommen werden. Wird auch noch der Zeitpunkt des Signalmaximums in bezug zur Stellung des Choppers zu diesem Zeitpunkt gebracht d. h. die Phasenbeziehung zwischen Detektorsignal und Chopper ausgewertet (Anspruch 6), so kann neben dem Betrag der Neigung der Oberflächennormalen auch die Richtung der lokalen Oberflächennormalen bestimmt werden. Der bis jetzt beschriebene Aufbau kann noch durch ein Linsensystem (12) ergänzt werden (Anspruch 11), welches dafür sorgen kann, daß

a) auch bei der Reflexion stark abgelenkte Strahlen auf den Detektor geleitet werden,
b) der Detektor immer im selben Detektorgebiet getroffen wird,
c) auch bei einer Lichtquelle mit nicht so kleinem Lichtstrahlquerschnitt nur das von einem möglichst kleinen Gebiet der Oberfläche reflektierte Licht ausgewertet wird (Anspruch 15). Letzteres kann auch unter Verwendung von Blenden erreicht werden (Anspruch 19).

Ebenso wie der reflektierte Lichtstrahl kann auch der eventuell transmittierte Lichtstrahl ausgewertet werden.

Ausführungsbeispiel 2 (Abwandelungen des Ausführungsbeispiels 1)

Statt senkrecht zur mittleren Flächennormalen der Oberfläche gewähltem Lichteinfall kann auch ein schräger Lichteinfall gewählt werden (Anspruch 7). Der Spiegel (2) kann unter diesen Umständen entfallen und die Elemente 5, 6, 12 sollten dann entlang der mittleren Ausfallachse angeordnet werden. Bei diesem modifizierten Aufbau wird eine größere Genauigkeit der Winkelbestimmung erzielt, und in erster Näherung (ohne Verwendung diesen Effekt kompensierender Logik) nur die Projektion der Neigung in die Ebene des Strahlengangs gemessen.

Ausführungsbeispiel 3 Aufbau zur Materialerkennung (Aufbau wie im Ausführungsbeispiel 2)

Die Amplitude des Verstärkers 7 ist abhängig von dem gewählten Einfallwinkel, der lokalen Oberflächenneigung, der Wellenlänge des verwendeten Lichtes und den "optischen Konstanten" namentlich der komplexen Dielektrizitätskonstanten bzw. dem komplexen Brechungsindex. Handelt es sich um eine hinreichend glatte reflektierende Oberfläche, so kann statt der in diesem Fall bekannten lokalen Oberflächenneigung der komplexe Brechungsindex des Materials bestimmt werden und diese Information zur Materialerkennung o. ä. genutzt werden. Da bei dünnen Beschichtungen oder Oberflächenverschmutzungen sowohl die Beschichtung als auch die darunterliegende Oberfläche reflektiert, kann in diesem Fall (bei bekannten optischen Konstanten) die Beschichtungsstärke bestimmt werden. Mehr Informationen sind zu erhalten wenn die optischen Konstanten nicht nur bei einer sondern bei mehreren Wellenlängen bestimmt werden. Es muß in diesem Falle entweder ein in der Wellenlänge durchstimmbarer Laser oder eine nichtmonochromatische Strahlungsquelle unter Zuhilfenahme von Wellenlängenfiltern (Anspruch 9) verwendet werden. Bei diesem Aufbau kann eine Materialerkennung o. ä. auch noch gelingen wenn die lokale Oberflächenneigung nicht bekannt ist.

Ebenso wie die reflektierte Strahlung kann auch die transmittierte Strahlung ausgewertet werden, wobei das Detektorsignal in diesem Falle nicht nur durch die Strukturen an der Oberfläche, sondern auch durch die Strukturen im Inneren des Materials bestimmt wird. Werden beide Lichtstrahlen ausgewertet, so kann entschieden werden, ob eine Veränderung des Meßwertes im Verhältnis zum letzten von Strukturen der oberen Oberfläche, oder dem Inneren und der unteren Oberfläche verursacht wurde.

Ausführungsbeispiel 4 Aufbau zur Materialausrichtung (Aufbau wie im Ausführungsbeispiel 1)

Ein für alle Materialien gleichermaßen ausgezeichneter Winkel des Strahlungseinfalls ist der senkrechte Strahlungseinfall. Soll ein Material in eine definierte Ausrichtung gebracht werden, so ist der Strahleneinfall vorzugsweise entlang der einzustellenden Oberflächennormalen zu wählen und das Material so in seiner Lage zu verändern, daß das Signal am A/D-Wandler minimiert wird.

Ausführungsbeispiel 5 Aufbau zur Bestimmung von Rauhigkeiten (Aufbau ähnlich wie im Ausführungsbeispiel 1 (vorzugsweise) oder auch 2)

Wird das Material mit einem Lichtstrahl eines Durchmessers beschienen (Anspruch 13, 15), welcher größer als die den Meßwert beeinflussenden Strukturlängen (z. B. Rauhigkeitslängen) ist, so wird sich ein Signal am A/D- Wandler einstellen welches z. B. im Falle von rauhen Oberflächen ein gewichtetes Mittel der im bestrahlten Gebiet vorliegenden lokalen Oberflächenneigungen darstellt, und somit in diesem Fall eine Aussage eben über die Rauhigkeit des Materials zuläßt. Durch Einfügen geeigneter Blenden (Anspruch 19) in den reflektierten Strahl kann der Beitrag von z. B. besonders großen Neigungswinkeln aus dem gewichteten Mittel eliminiert werden. Bei Verwendung von Kreisblenden veränderlichen Durchlaßquerschnitts kann der Beitrag der einzelnen Oberflächenneigungswinkel zur Rauhigkeit ermittelt werden.

Ausführungsbeispiel 6 Aufbau zur Bestimmung von Korrelationslängen (Aufbau ähnlich wie im Ausführungsbeispiel 1 oder 2)

Wird das Material mit einem Lichtstrahl veränderlichen Durchmessers beschienen (Anspruch 14, 15), so wird sich bei verschiedenen Strahlquerschnitten ein unterschiedlich großes Signal am A/D-Wandler einstellen, sich jedoch ab einem bestimmten Strahldurchmesser für größere Strahldurchmesser nicht mehr wesentlich verändern. Aus diesem Strahldurchmesser kann dann die Korrelationslänge der räumlichen Inhomogenität senkrecht zum Strahlungseinfall bestimmt werden.

Ausführungsbeispiel 7 Aufbau zur Bestimmung von Flächendeckungen (Aufbau ähnlich wie im Ausführungsbeispiel 1 oder 2)

Wird das Material (z. B. ein planes Werkstück auf einer Unterlage mit identischen Umrissen) mit einem Lichtstrahl eines Durchmessers beschienen welcher größer als seine Abmessungen ist (Anspruch 13, 15), und erzeugt die Unterlage z. B. einen viel größeren Meßwert als das Werkstück so zeichnet sich in diesem Fall ein zur Deckung kommen von Werkstück und Unterlage durch einen minimierten Meßwert aus. Ein entsprechender Effekt kann auch erzielt werden, wenn die Unterlage deutlich größer ist als das Werkstück, und in den reflektierten Strahlengang eine Blende mit den Umrissen des Werkstückes gebracht wird.

Ausführungsbeispiel 8 Aufbau zur Bestimmung von optischer Aktivität (Aufbau ähnlich wie im Ausführungsbeispiel 1 unter Auswertung des transmittierten Strahles)

Wird sowohl im einfallenden wie auch im transmittierten Lichtstrahl ein Chopperpolarisator positioniert und unterscheiden sich die Drehfrequenzen der beiden Polarisatoren nur wenig (Anspruch 18), so kann mit einem solchen Aufbau die optische Aktivität des durchstrahlten Mediums bestimmt werden. Dieses kann z. B. geschehen indem die Zeitdifferenz zwischen dem Auftreten des minimalen Meßwert des durch das Medium geleiteten Strahles und dem entsprechenden Minimum des Meßwertes eines nicht durch das Medium geleiteten Referenzstrahles bestimmt wird, was gleichbedeutend mit der Bestimmung des Phasenverhältnisses zwischen den beiden Strahlen ist. Ist die Durchlaßrichtung der Polarisatoren (z. B. bei Verwendung von Kerr- oder Faradayzellen hinreichend exakt bekannt kann auf die Verwendung des Referenzstrahles verzichtet werden. Es kann z. B. mittels Logg-In-Verstärkertechnologie das Phasenverhältnis zwischen den Änderungen der Intensitäten des durch das Medium getretenen Strahls und des Referenzstrahles bestimmt werden. Alternativ können die Polarisatoren auch bei identischer Frequenz betrieben werden, und es kann das Phasenverhältnis der Polarisatoren periodisch geändert werden.

Ausführungsbeispiel 9 Aufbau eines bildgebenden Verfahrens (Aufbau ähnlich wie im Ausführungsbeispiel 1 oder 2)

Es wird ein transparentes Material mit einem parallelen Lichtbündel bestrahlt. Das aus den einzelnen Punkten des Mediums austretende Licht wird jeweils einzeln den Elementen eines Detektorenarrays zugeführt, wobei diese Zuführung direkt, durch Linsen oder Glasfaserkabel geschehen kann. Das Signal jedes einzelnen Elementes wird in der beim Ausführungsbeispiel 1 besprochenen Art und Weise aufbereitet. Die Meßwerte der Detektoren können als Bild dargestellt werden, indem z. B. die Farbe der einzelnen Bildpunkte durch den Meßwert jeweils eines Detektors bestimmt wird. Ebenso kann bei schrägem oder auch senkrechtem Lichteinfall auch das reflektierte Licht ausgewertet werden.

Erläuterungen zu Figuren

zu Fig. 1

1 Laser
2 50%-Spiegel
3 zu untersuchende Oberfläche
4 reflektierter Lichtstrahl
5 Chopperpolarisation
6 Detektor
7 frequenzselektiver Verstärker
8 mittelnder Verstärker
9 Komparator
10 AD-Wandler
11 Rechner oder Schreiber
12 Sammellinse

zu Fig. 2

13 Monitor
14 Auswerteeinheit
15 Detektorarray
16 zu untersuchendes lichtdurchlässiges Material
17 einfallender paralleler Lichtstrahl
18 Chopperpolarisator

Claims

1. Verfahren und Vorrichtung zum Prüfen von Materialeigenschaften, dadurch gekennzeichnet, daß die zu untersuchende Oberfläche mit elektromagnetischer Strahlung bestrahlt wird und die Intensitätsanteile von s- und p-Polarisation in der von der zu untersuchenden Oberfläche reflektierten elektromagnetischen Strahlung gemessen werden, indem mindestens eine Polarisationsfolie in den Strahlengang gebracht wird, und mit diesen Meßwerten Oberflächeneigenschaften und Materialeigenschaften bestimmt werden können wie Rauhigkeit, Unregelmäßigkeiten, Beschädigung, Korrelationslänge von Oberflächenstrukturen, Korrelationslänge von Unregelmäßigkeiten, Korrelationslänge von Beschädigungen, Neigung, Oberflächenprofil, Verschmutzungsgrad oder Verschmutzungsart, Beschichtungsstärke oder Beschichtungsart sowie auch Drehwinkelbestimmungen, Ausrichtungsbestimmung, Flächendeckungsbestimmung und Materialerkennung damit vorgenommen werden können.

2. Verfahren und Vorrichtung zur Prüfung von Materialeigenschaften transparenter Materialien, dadurch gekennzeichnet, daß das zu untersuchende Material mit elektromagnetischer Strahlung bestrahlt wird und die Intensitätsanteile von s- und p-Polarisation in der von der zu untersuchenden Oberfläche transmittierten elektromagnetischen Strahlung gemessen werden, indem mindestens eine Polarisationsfolie in den Strahlengang gebracht wird, und mit diesen Meßwerten Oberflächeneigenschaften und Materialeigenschaften bestimmt werden können wie Rauhigkeit, Unregelmäßigkeiten, Beschädigung, Korrelationslänge von Oberflächenstrukturen oder Einschlüssen, Korrelationslänge von Unregelmäßigkeiten, Korrelationslänge von Beschädigungen, Neigung, Oberflächenprofil, Verschmutzungsgrad oder Verschmutzungsart, Beschichtungsstärke oder Beschichtungsart, Verunreinigungsstärke, Verunreinigungslokalisation sowie auch Drehwinkelbestimmung, Ausrichtungsbestimmung, Flächendeckungsbestimmung und Materialerkennung damit vorgenommen werden können.

3. Verfahren und Vorrichtung nach Anspruch 1-2, 20, dadurch gekennzeichnet, daß die zu untersuchenden Polarisationsanteile der Strahlung mit dem oben erwähnten anisotropen Medium vorzugsweise zeitlich abwechselnd auf den selben Detektor geleitet werden, oder auch - von mindestens zwei - räumlich getrennten Detektoren registriert werden.

4. Verfahren und Vorrichtung nach Anspruch 1-3, 20, dadurch gekennzeichnet, daß die Differenz o. ä. der Intensitäten der s- und p-polarisierten Strahlanteile auf den Mittelwert der Intensitäten von diesen beiden Strahlanteilen bezogen wird.

5. Verfahren und Vorrichtung nach Anspruch 1-4, 20, dadurch gekennzeichnet, daß von den Intensitäten der transmittierten oder reflektierten Strahlung periodisch abwechselnd die Intensitäten des s- und p-polarisierten Anteils gemessen werden, und nur die Oberwelle dieses Signals gegebenenfalls nach Durchgang durch einen frequenzselektiven Meßverstärker ausgewertet werden und gegebenenfalls in bezug zum Mittelwert beider Anteile in bezug gesetzt werden.

6. Verfahren und Vorrichtung nach Anspruch 5, 20, dadurch gekennzeichnet, daß das zusätzlich bei jeder Periode zu bestimmter Zeit ein Triggersignal gegeben wird, oder ein Referenzsignal gleicher Frequenz und konstanter Phase (bezogen auf Frequenz und Phase der Drehung der Polarisationsrichtung der elektromagnetischen Strahlung durch den Polarisator) auf die Auswerteeinheit gegeben wird.

7. Verfahren und Vorrichtung nach Anspruch 1-6, 20, dadurch gekennzeichnet, daß der Strahlungseinfall entweder schräg oder senkrecht geschehen kann. Im letzteren Fall ist bei Reflektionsmessungen ein geeigneter Strahlteiler wie z. B. ein halbdurchlässiger Spiegel vorzusehen für den Fall, daß die reflektierte Strahlung ausgewertet werden soll.

8. Verfahren und Vorrichtung nach Anspruch 1-7, 20, dadurch gekennzeichnet, daß die Strahlungsquelle entweder monokromatisch, nicht monokromatisch oder in der Wellenlänge durchstimmbar ist.

9. Verfahren und Vorrichtung nach Anspruch 1-8, 20, dadurch gekennzeichnet, daß - gegebenenfalls durchstimmbare oder wechselbare - Wellenlängenfilter in den Strahlengang gebracht werden um jeweils nur einen Spektralbereich der Strahlungsquelle auszuwerten.

10. Verfahren und Vorrichtung nach Anspruch 1-9, 20, dadurch gekennzeichnet, daß Wellenlängenfilter in den Strahlengang gebracht werden, um Störungen durch Fremdlicht zu minimieren.

11. Verfahren und Vorrichtung nach Anspruch 1-10, 20, dadurch gekennzeichnet, daß die vom untersuchten Objekt reflektierte oder transmittierte Strahlung mittels einer geeigneten Konstruktion aus z. B. Linsen, Hohlspiegeln oder sogenannten Floureszenzkollektoren, sowie gegebenenfalls auch Diffusorscheiben o. ä. auf einen oder mehrere Detektoren gegeben wird.

12. Verfahren und Vorrichtung nach Anspruch 1-11, 20, dadurch gekennzeichnet, daß das zu untersuchende Objekt nur in einem kleinen Gebiet bestrahlt wird und die Gesamtheit des Meßergebnisses gegebenenfalls durch eine Anzahl von solchen Bestrahlungen an verschiedenen Orten erhalten wird.

13. Verfahren und Vorrichtung nach Anspruch 1-11, 20, dadurch gekennzeichnet, daß das zu untersuchende Objekt in einem Gebiet gewählter Größe bestrahlt wird und die Gesamtheit des Meßergebnisses gegebenenfalls durch eine Anzahl von solchen Bestrahlungen an verschiedenen Orten erhalten wird.

14. Verfahren und Vorrichtung nach Anspruch 1-11, 20, dadurch gekennzeichnet, daß das zu untersuchende Objekt in einem Gebiet veränderlicher Größe bestrahlt wird und die Gesamtheit des Meßergebnisses gegebenenfalls durch eine Anzahl von solchen Bestrahlungen an verschiedenen Orten erhalten wird.

15. Verfahren und Vorrichtung nach Anspruch 1-11, 20, dadurch gekennzeichnet, daß das zu untersuchende Objekt in einem Gebiet gewählter Größe bestrahlt wird, jedoch nur die von einem kleinerem Gebiet fester oder veränderlicher Größe reflektierte oder transmittierte Strahlung ausgewertet wird und die Gesamtheit des Meßergebnisses gegebenenfalls durch eine Anzahl von solchen Bestrahlungen an verschiedenen Orten erhalten wird.

16. Verfahren und Vorrichtung nach Anspruch 1-14, 20, dadurch gekennzeichnet, daß das beschriebene Verfahren mit den bekannten Verfahren zur Oberflächenstrukturerkennung mittels Triangulationsverfahren, Autofokusverfahren oder Strahlaufweitungsverfahren kombiniert werden kann, wobei der gleiche Meßstrahl für beide Verfahren verwendet werden kann, dieser aber gegebenenfalls nach der Wechselwirkung mit dem zu untersuchenden Material geteilt werden kann.

17. Verfahren und Vorrichtung nach Anspruch 1-16, 20, dadurch gekennzeichnet, daß die - vorzugsweise mit einem Detektorarray - erhaltenen Meßwerte bildlich dargestellt werden, so das in jedem Bildpunkt eine Aussage über die lokalen Materialeigenschaften enthalten ist.

18. Verfahren und Vorrichtung nach Anspruch 1-17, 20, speziell zur Messung der optischen Aktivität dadurch gekennzeichnet, daß sich im Strahlengang sowohl vor als auch nach der Wechselwirkung mit dem zu untersuchenden Material jeweils ein Chopperpolarisator o. ä. befindet, wobei gegebenenfalls ein nicht mit dem zu untersuchenden Material wechselwirkender Referenzstrahl durch diese Polarisatoren geleitet wird, und a) die Frequenzen der Chopperpolarisatoren sich - vorzugsweise gering - unterscheiden, oder b) die Frequenzen beider Polarisatoren gleich sind und diese in einem bekannten (vorzugsweise periodisch veränderlichen) Phasenverhältnis stehen.

19. Verfahren und Vorrichtung nach Anspruch 13, 15, dadurch gekennzeichnet, daß zusätzlich Blenden in den Strahlengang gebracht werden.

20. Verfahren und Vorrichtung nach Anspruch 1-19, dadurch gekennzeichnet, daß ergänzend zu Anspruch 1, 2 anstelle der Polarisationsfolie allgemein ein doppelbrechendes/optisch aktives Medium/Apperatur in den Strahlengang gebracht wird, und dieses sowohl vor als auch nach der Wechselwirkung der Strahlung mit dem Medium im Strahlengang positioniert sein darf, wobei die hierdurch zu erzielende Strahlungscharakteristik z. B. dadurch erreicht werden kann, daß

a) unpolarisierte Strahlung nach oder vor der Wechselwirkung durch einen Polarisations-Chopperdiscfilter geleitet wird.
b) wie unter a) mit dem Unterschied, daß linear polarisierte Strahlung der Strahlungsquelle so in seiner Strahlungsrichtung ausgerichtet wird, daß die Oberfläche mit definierten - vorzugsweise gleichen Anteilen - von s- und p-polarisierter Strahlung bestrahlt wird.
c) linear polarisierte Strahlung einer Strahlungsquelle mit einer Faradayzelle periodisch in seiner Polarisationsrichtung gedreht wird.
d) wie unter a) mit dem Unterschied, daß an die Stelle eines Chopperpolarisators z. B. eine geeignete Kerrzelle bzw. zwei Kerrzellen mit zueinander senkrechten optischen Achsen treten. Störende Polarisationseffekte, die nicht durch die zu messende Oberfläche bedingt sind, können apparativ oder durch Eichung ausgeglichen werden. Die Auswertung des Detektorsignals kann z. B. nach Anspruch 4 durch geeignete Operationsverstärkerschaltungen oder/und nach A/D- Wandlung durch einen Rechner geschehen.