DE3929713C2

DE3929713C2 - Verfahren zur Messung eines optischen Gangunterschiedes an anisotropen transparenten Objekten

Info

Publication number: DE3929713C2
Application number: DE19893929713
Authority: DE
Inventors: Joachim Bergner; Rainer Dipl Phys Danz
Original assignee: Carl Zeiss Jena GmbH
Current assignee: Jenoptik AG
Priority date: 1988-11-02
Filing date: 1989-09-07
Publication date: 1996-01-11
Anticipated expiration: 2009-09-08
Also published as: DD276734A1; DE3929713A1

Description

Die Erfindung betrifft ein Meßverfahren für optische Gangunter schiede beliebiger Größe, die von anisotropen Objekten beliebi ger Orientierung zu der verwendeten Polarisationseinrichtung erzeugt werden. Mit diesen Messungen können phasen- und struk turanalytische Untersuchungen in der Festkörperanalytik ebenso durchgeführt werden wie die Bestimmung und Regelung technisch- technologischer Eigenschaften, z. B. an hochpolymeren Stoffen. Vorzugsweises Anwendungsgebiet ist die Polarisationsmikroskopie.

Verfahren gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches sind aus DE 29 16 202 A1, DE 31 29 505 A1 und US-PS 3902805 bekannt.

Weitere Vorrichtungen zur Messung eines Gangunterschiedes sind in DE 36 43 846 A1 sowie DE 35 40 496 A1 beschrieben.

Nach der DE-OS 29 16 202 wird das hinter einem Wollaston-Prisma entstehende Interferenzmuster hinsichtlich Amplitude und Pha senlage mit einem Dioden-Array aufgenommen, und aus den Meßwer ten wird die Elliptizität des Lichtes bestimmt.

Nach Journ. Micr. 139 (1985) 239 . . . 247 werden die mit einem Photometer gewonnenen Intensitätswerte in Abhängigkeit von der Analysatordrehung mit einem 64 K-Rechner einer harmonischen Analyse unterworfen und der Gangunterschied nach der S´narmont- Methode berechnet.

Eine sehr schnelle und genaue Messung des Gangunterschiedes ermöglicht die Anordnung nach DE-OS 36 31 959. Als Lichtquelle dient ein transversaler stabilisierter Zeeman-Laser; gemessen wird die zeitliche Verschiebung von Schwebungsknoten als Funktion des Objekt-Gangunterschiedes.

Ein wesentlicher Nachteil, der bei allen genannten Verfahren auftritt, ist die erforderliche azimutale Orientierung der Probe zur Meßanordnung, da mit linear polarisiertem Licht gearbeitet wird.

Auch sind Vorrichtungen bekannt, mit denen zirkular polarisierte Strahlung über elektro- und magnetooptische Kristalle zu Modulationszwecken in linear polarisierte Strahlung mit konstant rotierender Schwingungsebene umgewandelt wird (DE-OS 17 97 378).

Eine subjektiv arbeitende Meßmethode für Gangunterschiede in einem Zirkularpolariskop ist als Tardy-Methode bekannt (Brit. Journ. Appl. Phys. 3 (1952) 176 . . . 181). Die nur monochromatisch arbeitende Methode ist sehr umständlich und zeitraubend, da sie in vielen Einzelschritten von gegenläufig gedrehten Polaren das Intensitätsminimum aufsucht und in dieser Lage mit einem S´narmont- Kompensator mißt.

Nach der in der DE-OS 23 10 090 beschriebenen Polarimetermethode wird die zur Drehung einer Schwingungsebene mittels eines Quarzkeils erforderliche Verschiebung mit einem Wegspannungswandler als Maß für die vom Objekt hervorgerufene Drehung gemessen. In der US-PS 46 55 589 werden drei Viertelwellen-Platten vor dem Objekt teilweise drehbar angeordnet, um acht verschiedene Polarisationsazimute in festen Inkrementen (keine periodische Änderung!) zu erzeugen.

Bei der Methode nach der US-PS 39 02 805 wird die Probe mit zirkular polarisiertem Licht durchstrahlt und die austretende Lichtwelle in zwei Strahlen unterschiedlicher Wellenlängen aufgespaltet, deren Phasendifferenz in einem Phasenmeter bestimmt wird. Wegen mangelnder Achromasie kann dieses Verfahren nur in einem eng begrenzten Spektralbereich wirken. Für Objekte mit deutlicher Dispersion der Doppelbrechung tritt ein zusätzlicher Fehler auf.

Das in DE 39 06 119 A1 angegebene Verfahren nutzt zum Eliminieren des Objektazimutes ebenfalls eine Zirkular-Polarisationseinrichtung. Der Meßbereich ist jedoch auf Rλ beschränkt; für Objekte mit R=k · m · λ (k=0, 1, 2 . . .; m=0 . . . 1) ist die Ordnungszahl k mit zusätzlichen Mitteln zu bestimmen.

Ziel der Erfindung ist ein Verfahren zur Gangunterschiedsmessung an anisotropen transparenten Objekten für quantitative Bestimmungen von Objekten beliebiger azimutaler Lage und beliebiger Größe ihrer Gangunterschiede.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Gangunterschiedsmessung an anisotropen transparenten Objekten zu schaffen, bei der quantitative Bestimmungen von Objekten beliebiger azimutaler Lage und beliebiger Größe ihrer Gangunterschiede möglich ist. Die Aufgabe wird durch ein Verfahren zur Gangunterschiedsmessung an anisotropen transparenten Objekten, bei dem ein Objekt in beliebiger azimutaler Lage seiner Hauptschwingungsrichtungen n_z′ und n_x′ in einer aus zwei mit ihren Schwingungsrichtungen Sp und Sa gekreuzten oder parallelen linearen Polaren und zwei zwischen diesen liegenden, vorzugsweise achromatischen Viertelwellen-Retardern bestehenden Zirkular-Polarisationseinrichtung nach dem ersten Viertelwellen- Retarder angeordnet ist, erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß bei periodischer Änderung der Schwingungsrichtung des Polarisators oder Analysators gleichzeitig die Schwingungsellipse eines Objektes gedreht wird, bis der maximale Kontrast für das zu vermessende Objekt erreicht ist, danach wird ein zweiter Viertelwellen-Retarder gegen einen mit seinen Hauptschwingungsrichtungen n_z′K und n_x′K unter 45° zu den Schwingungsrichtungen Sp und Sa angeordneten Meßkompensator mit meßbar veränderlichem Gangunterschied R_K ausgewechselt und die Schwingungsellipse des Objektes um 45° so gedreht, daß die Schwingungsrichtung n_z′O des Objektes mit der Schwingungsrichtung n_x′K des Meßkompensators zusammenfällt, und folgend die optisch wirksame Kompensationsvorrichtung des Meßkompensators bis zur Aufhebung des Objekt-Gangunterschieds R_O verändert und dieser aus

R_O = R_K ± ¼ · λ

berechnet wird, wobei das Vorzeichen je nach Anordnung der Viertelwellen-Retarder und des Meßkompensators festgelegt ist. Durch das erfindungsgemäße Verfahren wird das Ziel erreicht und die Aufgabe gelöst.

Das erfindungsgemäße Verfahren wird anhand einer schematisch in der Zeichnung dargestellten Zirkular-Polarisationseinrichtung erläutert. Es zeigt

Fig. 1 schematisch vereinfacht die Anordnung der zur Durchführung des Verfahrens notwendigen optischen Bauelemente und

Fig. 2 die Lage der Schwingungsrichtungen dieser Bauelemente während verschiedener Verfahrensschritte.

In einer Zirkular-Polarisationseinrichtung gemäß Fig. 1 bildet die Schwingungsrichtung des Analysators Sa mit der des Polarisators Sp einen Winkel α₄. Zwischen diesen beiden Schwingungsrichtungen ist ein erster Viertelwellen-Retarder Q1 so angeordnet, daß seine Schwingungsrichtung n_z′Q1 den Winkel α₃ mit der Schwingungsrichtung Sp bildet und mit der Schwingungsrichtung n_x′Q2 des zweiten Viertelwellen-Retarders zusammenfällt. Die azimutale Lage des Objektes O sei durch den Winkel α_z seiner Schwingungsrichtung n_x′O mit der Schwingungsrichtung Sp gegeben. Die Viertelwellen-Retarder Q1 und Q2 erzeugen die Phasendifferenzen δ₁ bzw. δ₃, das Objekt die Phasendifferenz δ_z, wobei allgemein die Beziehung R=δ λ/2 · π gilt. Im dargestellten Fall wird hinter dem Analysator eine Intensität

I = I_o (sin² ½ · δ₂ + cos² α₄ · cos δ₂ + ½ · sin δ₂ · sin 2 α₄ · cos 2 α₂)

beobachtet. Zwischen gekreuzten Polaren (α₄=π/2) erscheint das Objekt unabhängig von seinem Azimut mit einer Intensität, die nur von seiner Phasendifferenz δ₂ abhängt. Darin besteht der Vorteil der vorgenannten Zirkular-Polarisationseinrichtung gegenüber einer Linear-Polarisationseinrichtung.

Zur Messung der Phasendifferenz δ₂ mit Hilfe bekannter Kipp-, Keil- oder Drehkompensatoren, die mit ihrer Schwingungsrichtung n_z′K unter 45° zu den Schwingungsrichtungen Sp und Sa angeordnet werden müssen, muß α₂ ebenfalls 45° betragen.

Dieses wird durch das erfindungsgemäße Verfahren erreicht, indem zwischen dem Objekt O und dem zweiten Viertelwellen-Retarder Q2 ein die Schwingungsrichtung drehendes optisches Bauelement D, z. B. eine senkrecht zur optischen Achse orientierte Quarzplatte mit veränderlicher Dicke, angeordnet und so lange beeinflußt wird, bis die durch periodische Änderung der Schwingungsrichtung Sp des Polarisators Pol modulierte und mit einem hinter dem Analysator An angeordneten Photometer Phot gemessene Intensität ihre Extremwerte erreicht. Das ist gegeben, wenn

dI/dα₂ = 0 = - sin δ₂ · sin 2 α₄ · sin 2 α₂

d. h., bei α₂ = 0, π/2, π, . . .

Nach Erreichen dieser Lage wird der zweite Viertelwellen-Retarder Q2 durch einen Meßkompensator K mit veränderlicher Phasendifferenz δ₃′=R_K · 2 π/λ ersetzt und mit dem drehenden optischen Bauelement D eine zusätzliche Änderung des Winkels α₂ um 45° in der Richtung vorgenommen, in der sich bei Veränderung des Meßkompensator-Gangunterschiedes R_K innerhalb seines Meßbereiches R_K<R_O eine Stelle ergibt, in der die vom Objekt erzeugte Phasendifferenz δ₂ und die des ersten Viertelwellen-Retarders Q1 erzeugte Phasendifferenz δ₁=π/2 kompensiert werden, im weißen Licht damit wie im Linear-Polarisationsmikroskop gewohnt ein neutralschwarzer Streifen sichtbar wird. In diesem Fall ist die Gesamt-Phasendifferenz δ durch

wenn n_z′ Q1 mit n_x′ K zusammenfällt)
gegeben, und damit

δ = δ₃′ ± ½ π - δ₂ = 0 bzw. R_O = R_K ± ¼ · λ

Die Drehung der Schwingungsrichtung n_x′O des Objektes O um 45° geschieht nach der für das verwendete drehende optische Bauelement D bekannten Abhängigkeit des Drehwinkels von der durchgeführten Beeinflussung dieses Bauelementes.

Claims

Verfahren zur Messung eines optischen Gangunterschiedes an anisotropen transparenten Objekten, bei dem ein Objekt (O) in beliebiger azimutaler Lage seiner Hauptschwingungsrichtungen n_z′ und n_x′ in einer aus zwei mit ihren Schwingungsrichtungen (Sp und Sa) gekreuzten oder parallelen Polarisatoren/Analysatoren und zwei zwischen diesen liegenden, vorzugsweise achromatischen Viertelwellen-Retardern bestehenden Zirkular- Polarisationseinrichtung nach dem ersten Viertelwellen- Retarder (Q₁) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß bei periodischer Änderung der Schwingungsrichtung eines Polarisators (Pol) oder eines Analysators (An) gleichzeitig die Schwingungsellipse des Objektes (O) gedreht wird, bis der maximale Kontrast für das zu vermessende Objekt (O) erreicht ist, und daß danach der zweite Viertelwellen-Retarder (Q₂) gegen einen mit seinen Hauptschwingungsrichtungen n_z′K und n_x′K unter 45° zu den Schwingungsrichtungen (Sp und Sa) angeordneten Meßkompensator (K) mit meßbar veränderlichem Gangunterschied (R_K) ausgewechselt und die Schwingungsellipse des Objektes (O) um 45° so gedreht wird, daß die Schwingungsrichtung n_z′O des Objektes (O) mit der Schwingungsrichtung n_x′K des Meßkompensators (K) zusammenfällt, und daß folgend die optisch wirksame Kompensationsvorrichtung des Meßkompensators (K) bis zur Aufhebung des Objekt-Gangunterschiedes R_O verändert und dieser aus R_O = R_K ± ¼ · λ,λ - Wellenlänge des Meßlichtesberechnet wird, wobei das Vorzeichen je nach Anordnung der Viertelwellen-Retarder (Q₁, Q₂) und des Meßkompensators (K) festgelegt ist.