DE2656131C2

DE2656131C2 - Polarimeter

Info

Publication number: DE2656131C2
Application number: DE2656131A
Authority: DE
Inventors: Rolf Karl London Gundermann
Original assignee: Optical Activity Ltd
Current assignee: Optical Activity Ltd
Priority date: 1975-12-11
Filing date: 1976-12-10
Publication date: 1985-03-21
Also published as: US4118125A; DE2656131A1; JPS5272268A; GB1570067A

Description

zählt Das Zählergebnis des Vorwärts-Rückwärts-Zählers kann entweder auf einer Anzeigeeinrichtung angezeigt oder aus dem Ellipsometer ausgelesen werden.

Die Rotationsgeschwindigkeit des drehbaren Analysators wird bei der dort beschriebenen Anordnung mit einer optischen Codierscheibe mit zwei Spuren gesteuert, um einen absoluten mechanischen Nullbezugspunkt zu liefern. Der Hauptoszillator liefert dabei ein Taktsignal, um den Servoantrieb genau auf einem bestimmten Wert zu halten, wobei der Zählvorgang durch Nullimpulse von der optischen Codiereinrichtung gestartet wird. Am Ende einer Umdrehung wird der Teil mit ganzen Graden des Vorwärts-Rückwärts-Zählers in ein Speicherregister übertragen und der Bruchanteil gelöscht Dabei ist die Anordnung so getroffen, daß bei der nächsten Umdrehung der Zählvorgang erst dann gestartet wird, wenn sich der Antrieb um die gegebene Anzahl von Graden, die im Speicherregister gespeichert sind, vorwärts bewegt hat, damit die Anordnung Bewegungen über 360° oder mehr ohne Doppeldeutigkeit verfolgen kann.

Bei der bekannten Anordnung besteht somit das Erfordernis, das Ausgangssignal des Lichtdetektors in aufwendiger Weise zu digitalisieren, so daß es erforderlich ist einerseits einen Pegeldetektor der angegebenen Art einzubauen und außerdem die Verarbeitung des Ausgangssignals des Photodetektors mit erheblichem Aufwand durchzuführen. Dadurch erhält die Anordnung einen relativ komplizierten und aufwendigen Aufbau, was die Anzahl von Fehlerquellen naturgemäß erhöht Die zu verarbeitenden Signale werden dort von zwei verschiedenen Quellen geliefert, nämlich einerseits vom Photodetektor über den Pegeldetektor und andererseits vom Hauptoszillator, so daß auch hierdurch Fehler auftreten können. Schließlich bringt es die bekannte Anordnung wegen der Verwendung der optischen Codierscheibe mit sich, daß eine sehr feine optische und mechanische Einstellung erforderlich ist und erheblicher elektronischer Aufwand getrieben werden muß, so daß weitere Fehlermöglichkeiten gegeben sind.

Ausgehend von einem Polarimeter der eingangs angegebenen Art liegt daher der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein derartiges Polarimeter zu vereinfachen und seine Zuverlässigkeit im Betrieb zu verbessern.

Die erfindungsgemäße Lösung .besteht darin, ein Polarimeter der in Rede stehenden Art so auszubilden, daß es folgende Baugruppen aufweist:

— einen mit dem Taktgeber verbundenen veränderlichen Frequenzteiler, der ein erstes digitales Signal liefert;

— eine mit dem veränderlichen Frequenzteiler und dem Lichtdetektor verbundene Einrichtung, die den veränderlichen Frequenzteiler derart steuert, daß das erste digitale Signal in einer festen Phasenbeziehung zum Ausgangssignal des Lichtdetektors gehalten wird;

— einen mit dem Taktgeber verbundenen Referenzfrequenzteilsr, der ein zweites digitales Signal liefert;

— und eine Einrichtung, der das erste und das zweite digitale Signal zugeführt sind und die die Phasendifferenz zwischen dem ersten und dem zweiten digitalen Signal bestimmt.

In Weiterbildung d-ss erfindungsgemäßen Polarimeters ist vorgesehen, daß die Einrichtung zur Bestimmung der Phasendifferenz einen Zähler aufweist, der die Taktimpulse während eines Zeitabschnittes zählt, in welchem die ersten und zweiten digitalen Signale den gleichen logischen Zustand aufweisen.

Ferner erweist es sich bei dem erfindungsgemäßen Polarimeter als zweckmäßig, wenn die Einrichtung zur Steuerung des veränderlichen Frequenzteilers einen Phasenfehlerdetektor mit nachgeschaltetem Spannungsfrequenzwandler aufweist

In Weiterbildung des erfindungsgemäßen Polarime- !0 ters ist vorgesehen, daß eine Einrichtung vorgesehen ist mit der der R°ferenzfrequenzteiler synchron mit dem veränderlichen Frequenzteiler startbar ist

Mit dem erfindungsgemäßen Polarimeter wird in vorteilhafter Weise eine präzise arbeitende, zuverlässige

Ί5 Anordnung geschaffen, bei der keine aufwendige Digitalisierung des Ausgangssignals vom Photodetektor erforderlich ist. Der Phasenvergleich zur Bestimmung der Phasendifferenz wird beim erfindungsgemäßen Polarimeter zwischen einem ersten und einem zweiten digitalen Signal durchgeführt die von >^J':iselben Taktimpulsen von dem demselben Takigebei abgeleitet sind, so daß gerade keine zwei verschiedenen Quellen zur Erzeugung der erforderlichen Signale verwendet sind. Auf diese Weise können von vornherein solche Fehler ausgeschlossen werden, die sich sonst daraus ergeben können, wenn zwei Impulse von getrennten Quellen geliefert werden. Auch ist keine komplizierte Verarbeitung von Ausgangssignalen des Photodetektors erforderlich. Insgesamt ergibt sich beim erfindungsgemäßen Polarimeter eine Anordnung, die bei einfachem Aufbau sehr genaue Ergebnisse liefert und die Möglichkeiten von irgendwelchen Fehlern auf ein Minimum reduziert. Die Erfindung wird nachstehend anhand der Beschreibung eines Ausführungsbeispiels und unter Bezugnahme auf die einzige Figur der Zeichnung näher erläutert. Die Zeichnung zeigt ein Blockschaltbild eines Polarimeter gemäß der Erfindung.

!n der Zeichnung erkennt man ein Polarimeter mit einer Lichtquelle 1, die von einer Wolfram-Glühlampe und einem Kollimator gebildet wird. Das kollimierte Licht der Lichtquelle 1 tritt durch ein Präzisionsinterferenzfilter 2 mit schmaler Bandbreite, einen Polarisator 3 mit fester optischer Orientierung und einün Analysator 4 hindurch, der um seine Achse drehbar ist Ein Lichtdetektor 5 in Form einer Siliciurn-Photodiode, die in der Strombetriebsart betrieben wird, mißt die vom Analysator 4 durchgelassene Lichtintensität und liefert ein elektrisches Ausgangssignal, das proportional zur gemessenen Lichtintensität ist. Zwischen dem Polarisator 3 und dem Analysator 4 kann sich eine Probe 6 befinden, deren optische Aktivität gemessen werden soll.

Im Betrieb wird der Analysator 4 mit konstanter Geschwindigkeit gedreht, so daß das elektrische Ausgangssignal des Lichtdetektors 5 eine Sinusquadrat-Wellenform mit zwei Perioden pro Drehung des Analysator 4 aufweist. Wenn eine optisch aktive Probe 6 zwischen den Polarisator 3 und den Analysator 4 eingeführt wird, wird die Phase der Sinusquadral-Wellenform relativ zur Winkelstellung des Analysators 4 um einen Betrag verschoben, welcher der von der Probe 6 erzeugten optischen Drehung proportional ist. Diese Phasenverschiebung wird durch das Polarimeter gemessen, um die optische Aktivität der Probe 6 zu bestimmen.

Der Analysator 4 ist fest mit dem Rotor eines Schrittmotors 7 verbunden, der mit digitalen Taktimpulsen synchron angetrieben wird, die von einem Taktgeber 8 geliefert werden, so daß jeder Schritt des Schrittmotors 7 einer vorgegebenen Anzahl von Taktimpulsen ent-

spricht. Das Ausgangssignal des Taktgebers 8 wird durch einen Frequenzteiler 9 in seiner Frequenz um einen Faktor 1500 verkleinert und dann dem Schrittmotor 7 über einen Motorantreiber 24 zugeführt. Der Schrittmotor 7 durchläuft achtundvierrig Schritte pro s Dehung, so daß für jede Motordrehung 72 000 Taktimpulse des Taktgebers 8 erforderlich sind, wobei jeder Taktimpuls einem Winkel von Viooo" entspricht.

Der Lichtdetektor 5 erzeugt ein Stromausgangssignal, das in einem Strom-Spannungs-Wandler 10 in eine entsprechende Spannung umgewandelt wird. Die resultierende Ausgangsspannung des Strom-Spannungs-Wandlers 10 wird in einem Verstärker 11 verstärkt, der eine automatische Verstärkungsregelung aufweist, um eine wesentliche Signalschwächung zu kompensieren, is die dann auftreten kann, wenn lichtabsorbierende Proben 6 verwendet werden. Das verstärkte Signal wird einem Phasenfehlerdetektor 12 zugeführt, der außerdem das Äusgangssignai eines veränderlichen Frequenzteilers 13 erhält, der seinerseits mit dem Taktge- her 8 verbunden ist. Der ν änderliche Frequenzteiler 13 teilt die Frequenz der Taktimpulse durch 36 000, um ein erstes digitales Signal mit einer Frequenz zu liefern, die identisch mii der Frequenz des vom Lichtdetektor 5 gelieferten Ausgangssignais ist. Die Phasen des ersten digitalen Signals und des Ausgangssignals des Lichtdetektor 5 werden in dem Phasenfehlerdetektor 12 verglichen, der einem ^cpannungsfrequenzwandler 14 ein Fehlersignal liefert, um den veränderlichen Frequenzteiler 3 zu steuerr,. um die Ph?.»e des ersten digitalen Signals zu verändera Der Phasenfehlerdetektor M und der Spannunfsfrequenzwandler 14 halten das erste digitale Signal in einer festen Phasenbezier.ung zum Ausgangssignal des Lichtdetektors 5, und zwar genau 90° außer Phase mit dem Ausgangssignal des Lichtdetektors S.

ur€T I äni^eir«.r ο i3t HüisCiuCiTi ϊϊΐΐί CimCim Γ\0ιϋ~νΐΐΖ-

frequerzteiler 15 verbunden, der dazu dient, die Frequenz der Taktimpulse durch 36 000 zu dividieren, um ein zweites digitales Signal zu liefern, dessen Frequenz identisch mit der Frequenz des Ausgangssignals des Lichtdetektor 5 ist. Der Referenzfrequenzteiler 15 ist frei laufend. Der Raferenzfrequenzteiler 15 kann mit dem veränderlichen Frequenzteiler 13 durch das Herunterdrücken eines Taster 16 synchronisiert werden, der « mit einer Rückstelleinrichtung 17 verbunden ist. Wenn drr Taster 16 heruntergedrückt wird, wird der Referenzfrequenzteiier IS zurückgestelit und synchron mit dem erten digitalen Signal, das von dem veränderlichen Frequenzteiler 13 geliefert wird, erneut gestartet.

Ein normalerweise abgeschalteter Zähler 18 hat einen Zähleingang, der mit dem Taktgeber 8 verbunden ist und einen Steuereingang, der mit einem Phasendifferenzdetektor 19 verbunden ist, der das erste und das zweite digitale Signal jeweils von dem veränderlichen Frequenzteiler 13 und dem Referenzfrequenzteiler 15 erhält Der Phasendifferenzdetektor 19 vergleicht das erste und das zweite digitale Signal während jedes Zyklus' des ersten digitalen Signals und startet den Zähler 18 für den Teil jedes Zyklus', in welchem das erste und so das zweite digitale Signal beide den logischen Zustand 1 aufweisen, wobei dieser Teil des Zyklus' der Phasendifferenz zwischen dem ersten und dem zweiten digitalen Signal und damit der Phasenverschiebung des Ausgangssignais des Lichideiektors 5 relativ zu der Phase der Taktimpulse entspricht. Die Anzahl der Taktimpulse, die in jedem Zyklus vom Zähler 18 gezählt werden. Hefen somit eine genaue: Angabe oder Anzeige der Pha senverschiebung.

Der vom Zähler 18 erreichte Zählerstand wird am Ende eines jeden Zyklus' an eine Anzeigeeinrichtung 20 übertragen, wo der Zählerstand in einem Speicher aufgezeichnet und dazu benutzt wird, um eine digitale Anzeige zu betätigen. Durch Veränderung des Teilungsverhältnisses der drei Frequenzteiler 9,13 und 15 können verschiedene Maßstabsfaktoren erzielt werden. Die Frequenz des Taktgebers ist innerhalb eines Bereiches von 270 kHz—500 kHz wählbar, um ungefähr vier Drehungen des Analysators 4/s unabhängig von dem gewählten Maßstabsfaktor zu erzielen.

Ein Polaritätsdetfiktor 23 speichert den logischen Zustand des Referenzfrequenzteilers 15, der während des Überganges zu positiven Werten des Ausgangssignals des veränderlichen Frequenzteilers 13 vorhanden ist, um die Phasenbeziehung zwischen den Ausgangssigna- !cn des veränderlichen Frequenzteilers 13 und des Referenzfrcqucnr.teiiers i5 und damit die Poiarität der optischen Aktivität der Probe 6 anzuzeigen.

Das Ausgangssignal des Lichtdetektors 5 wird von einem Niedrigsignaldetektor 21 überwacht, derein Aufblitzen der digitalen Anzeige der Anzeigeeinrichtung 20 verursacnt, wenn der Pegel eines solchen Ausgangssignals unzureichend ist.

Der Phasenfehlerdetektor 12 ist durch einen Geschwindigkeitsrückkopplungsgenerator 22 mit einer Geschv.üidigkeitsrückkopplung versehen, wobei der Geschwindigkeitsrückkopplungsgernerator 22 das Ausgangssignal des Spannungsfrequenzwandlers 14 und das Ausgangssignal des Verstärkers J1 überwacht 1· d eine negative Rückkopplung proportional zur Amplitude des Ausgangssignals des Verstärkers 11 und der Größe des Fehlersignals vom Spannungsfrequenzwandler 14 erzeugt.

Bei dem oben beschriebenen Ausführungsbeispiel _:_~i l:.j 1L1.J..... _x„i;.u uj>kra.<^ U=;

tfltlVi TVIXNIkUVIIC ΓΛΙ/BIIUVI U.'lgVII 1IIV£IIVII. »» ««14 VII« *#^ · dem beschriebenen Ausführungsbeispiel z. B. der Polarisator 3 mit fester Orientierung im Lichtweg von der Lichtquelle 1 zum Lichtdetektor 5 vor dem drehbaren Analysator 4 angeordnet ist, kann die Anordnung auch so getroffen sein, daß bei einer anderen Ausführungsform der drehbare Analysator 4 vor dem Polarisator 3 mit fester Orientierung angeordnet ist.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

1 2 gekennzeichnet, daß die Einrichtung (18,19) zur BePatentansprüche: Stimmung der Phasendifferenz einen Zähler (18) aufweist, der die Taktimpulse während eines Zeitab-

1. Polarimeter mit schnittes zählt, in welchem die ersten und zweiten

5 digitalen Signale den gleichen logischen Zustand

a) einem Polarisator mit einer festen Orientierung, aufweisen.

b) einem Analysator, der um seine Achse drehbar 4. Polarimeter nach einem oder mehreren der Anist, sprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die

c) einem Motor, der den Analysator mit konstan- Einrichtung (12, 14) zur Steuerung des veranderliter Geschwindigkeit dreht, 10 chen Frequenzteilers (13) einen Phasenfehlerdetek-

d) einem Taktgeber zur Lieferung von Taktimpul- tor (12) mit nachgeschaltetem Spannungsfrequenzsen, mit denen die Drehung des Analysators wandler (14) aufweist.

synchron verläuft, und 5. Polarimeter nach einem oder mehreren der An-

e) einem Lichtdetektor, Sprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß eine gekennzeichnet durc: folgende Baugrup- 15 Einrichtung (16,17) vorgesehen ist mit der der Refepen: renzfrequenzteiler (15) synchron mit dem veränderlichen Frequenzteiler (13) startbar ist

f) einen mit dem Taktgeber (8) verbundeneu ver änderlichen Frequenzteiler (13), der ein erstes

digitafesSignal liefert, 20

g) eine mit dem veränderlichen Frequenzteiler

(13) und dem Lichtdetektor (5) verbundene Ein- Die Erfindung betrifft ein Polarimeter, mit einem Porichtung (12, 14), die den veränderlichen Fre- larisator mit einer festen Orientierung, mit einem Analyquenzteiler (13) derart steuert, daß das erste sator, der um seine Achse drehbar ist, mit einem Motor, digitale Signal in einer festen Phasenbeziehung 25 der den Analysator mit konstanter Geschwindigkeit zum Ausgangssignal des JUchtdetektors (5) ge- dreht, mit einem Taktgeber zur Lieferung von Taktimhalten wird, pulsen, mit denen öie Drehung des Analysators syn-

h) einen mit dem Taktgeber (8) verbundenen Refe- chron verläuft, und mit einem Lichtdetektor.

renzfrequenzteiler (15), der ein zweites digitales Die Erfindung betrifft ferner ein Polarimeter, mit ei-

Signal liefert und 30 nem Polarisator γρι* einer festen Orientierung, mit ei·

i) eine Eii-ichtung (18,19), der das erste und das nem Analysator, der um seine Achse drehbar ist mit

zweite digitale Signal zugeführt sind und die die einem Schrittmotor, der den Analysator dreht, mit ei-

Phasendifferenz zwischen dem ersten und dem nem Taktgeber zur Lieferung von Taktimpulsen, mit

zweiten digitalen Signal be.'jmmt. denen die Drehung des Analysators synchron verläuft

35 wobei jeder Schritt des Schrittmotors einer vorgegebe-

2. Polarimeter mit ner. Anzahl von Taktimpulsen entspricht, und mit einem

Lichtdetektor.

a) einem Polarisator mit einer festen Orientierung, Polarimeter dieser Art sind aus der Literaturstelle

b) einem Analysator, der um seine Achse drehbar Surface Science, Bd. 16,1969,5.166—: 76 bekannt. Dort ist, 40 ist ein Polarimeter in Form eines automatischen Ellipso-

c) einem Schrittmotor, der den Analysator dreht meters beschrieben, bei dem sich der Analysator mit

d) einem Taktgeber zur Lieferung von Taktimpu! konstanter Frequenz dreht und bei dem das Ausgangssisen, mit denen die Drehung des Analysators gnal eines Photodetektors, der das vom Polarisator und synchron veriluft. wobei jeder Schritt des vom Analysator hindurchgelassene Licht mißt, einem Schrittmotors einer vorgegebenen Anzahl von 45 Pege'idetektor eingegeben wird. Liegt das Eingangssi-Taktimpulsen entspricht und gnal für den Pegeldetektor oberhalb einer vorgegebe-

e) einem Lichtdetektor, nen Intensität, liefert der Pegeldetektor ein konstantes gekennzeichnet durch folgende Baugruppen: Ausgar.gssignal, anderenfalls wird vom Pegeldetektor

ein Ausgangssignal mit dem Pegel O geliefert, so daß das

O einen mit dem Taktgeber (8) verbundenen ver- 50 Ausgangssignal des Photodetektors auf diese Weise di-

änderlichen Frequenzteiler (13), der ein erstes gitalisiert wird,

digitales Signal liefert Ein Quadraturdetektor erhält bei der dort bcschrie-

g) eine mit dem veränderlichen Frequenzteiler benen Anordnung ein erstes Eingangssignal vom Pegel-

(13) und dem Lichtdetektor (5) verbundene Ein- detektor und ein zweites Eingangssignal als Referenzsi-

richtung (12, 14), die den veränderlichen Fre- 55 gnal, das von einem Hauptoszillator abgeleitet wird,

quenzteiler (13) derart steuert, daß das erste Der Quadraturdetektor selbst liefert einerseits ein posi-

digitale Signal in einer festen Phasenbeziehung tives Signal, wenn sich das Ausgangssignal des Pegelde-

zum Ausgangssignal des Lichtdetektors (5) gc- tektors nach dem Referenzsigna! ändert, bzw. anderer-

halten wird, seits ein negatives Ausgangssignal, wenn sich das Aus-

h) einen mit dem Taktgeber (8) verbundenen Refe- 60 gangssignal des Pegeldetektors vor dem Referenzsignal renzfrequenzteiler (15), der ein zweites digitales ändert. In den Fällen, wo das Ausgangssignal des Pegel-Signal liefert, und detektors und das Referenzsignal beide hohen oder

i) eine Einrichtung (18,19), der das erste und das niedrigen Pegel haben, wird das Ausgangssignal des

zweite digitale Signal zugeführt sind und die die Quadraturdetektors den Wert O annehmen.

Phasendifferenz /.wischen dem ersten und dem 65 Des Ausgangssignal des Quadraturdctcktors wird ci-

zweiten digitalen Signal bestimmt. nem Vorwärts-Rückwärts-Zähler eingegeben, der in einem ersten Bereich ganze Phasengrade zählt, während

3. Polarimeter nach Anspruch 1 oder 2, dadurch er in einem zweiten Bereich Bruchteile der Phasengrade