DE3117687A1

DE3117687A1 - Measuring method for determining optical or electromagnetic properties of measurement objects

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Publication number: DE3117687A1
Application number: DE19813117687
Authority: DE
Inventors: Eckhard Dr.rer.nat. 2800 Bremen Küpper
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1981-05-05
Filing date: 1981-05-05
Publication date: 1982-04-01

Abstract

A measuring method is specified for determining optical or electromagnetic properties of measurement objects, in which a measurement object is inserted into the beam path of a polarised electromagnetic radiation and the radiant power of the transmitted or reflected radiation or of a scattered radiation is measured. In order to permit the optical or electromagnetic properties of the measurement objects to be comprehensively determined in a simple way, the direction of polarisation of the incident beams, or the measurement object is rotated continuously or intermittently about the direction of radiation, the radiant power is subsequently measured as a function of the angle of rotation, and a compensating curve of a suitable material type and having a prescribed number of coefficients is matched to the measured values. <IMAGE>

Description

BESCHREIBUNG DESCRIPTION

Die Erfindung betrifft ein Meßverfahren zur Bestimmung optischer oder elektromagnetischer Eigenschaften von Meßobjekten, bei dem ein Meßobjekt in den Strahlengang einer polarisierten elektromagnetischen Strahlung eingefügt, und die Strahlungsleistung der transmittierten oder reflektierten Strahlung gemessen wird.The invention relates to a measuring method for determining optical or electromagnetic properties of measurement objects, in which a measurement object in the Beam path of a polarized electromagnetic radiation inserted, and the Radiation power of the transmitted or reflected radiation is measured.

Es ist bekannt, optische oder elektromagnetische Eigenschaften von Meßobjekten, insbesondere von Materialproben oder Apparatesystemen dadurch zu bestimmen, daß der Polarisationszustand des Meßobjekts bei Transmission oder Reflexion entsprechend polarisierter einfallender Strahlung bestimmt wird. Der Polarisationszustand der einfallenden elektromagnetischen Strahlung ändert sich beim Hindurchlaufen durch ein Meßobjekt, z.B. einer Stoffschicht, und diese Anderung erlaubt Rückschlüsse auf die Anisotropie des untersuchten Stoffes oder auf seine optische Aktivität. Handelt es sich bei dem Meßobjekt um eine in den Strahlengang eingefügte Apparatur, z.B. um einen Spiegel od. dgl., so läßt sich aus der Änderung des Polarisationszustands die Eigenpolarisation der betreffenden Apparatur ermitteln.It is known to have optical or electromagnetic properties of To determine measurement objects, in particular of material samples or apparatus systems, that the polarization state of the test object in transmission or reflection accordingly polarized incident radiation is determined. The polarization state of the incident electromagnetic radiation changes when passing through an object to be measured, e.g. a layer of material, and this change allows conclusions to be drawn on the anisotropy of the substance under investigation or on its optical activity. If the object to be measured is an apparatus inserted into the beam path, e.g. around a mirror or the like, the change in the polarization state determine the intrinsic polarization of the apparatus in question.

Es ist bekannt, den Polarisationszustand von elektromagnetischer Strahlung anhand dreier Größen zu bestimmen: es wird die maximale und die minimale transmittierte oder reflektierte Strahlungsleistung, d.h.It is known the state of polarization of electromagnetic radiation to be determined on the basis of three quantities: the maximum and the minimum transmitted or reflected radiant power, i.e.

das Quadrat der elektrischen Feldstärke E ermittelt.the square of the electric field strength E is determined.

Der Quotient der Quadratwurzeln beider Werte wird als Achsenverhältnis bezeichnet, und es ist dabei als Ortskurve-des Absolutbetrags der elektrischen Feldsterke eine Ellipse unterstellt. Als dritte Größe wird die Änderung der SChwingungsebene des Lichtes,d.h. die Änderung des Winkels zwischen den Richtungen des Strahlungsminimums (oder des Strahlungsmaximums) vor und hinter dem untersuchten Meßobjekt gemessen.The quotient of the square roots of both values is called the axis ratio and it is called the locus of the absolute value of the electric field strength assumed an ellipse. The third variable is the change in the level of vibration of light, i.e. the change in the angle between the directions of the radiation minimum (or the radiation maximum) measured in front of and behind the examined object to be measured.

Es hat sich nun gezeigt, daß die Beschreibung der optischen oder elektromagnetischen Eigenschaften des Meßobjekts mit drei Kenngrößen im allgemeinen den Polarisationszustand nicht vollständig ist.It has now been shown that the description of the optical or electromagnetic Properties of the test object with three parameters in general the polarization state is not complete.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, das Meßverfahren der eingangs genannten Art derart weiterzubilden, daß eine umfassendere Bestimmung der optischen oder elektromagnetischen Eigenschaften von Meßobjekten, insbesondere von Stoffproben oder Apparatesystemen, auf einfache Weise möglich ist.The object of the invention is therefore the measurement method of the initially mentioned type in such a way that a more comprehensive determination of the optical or electromagnetic properties of objects to be measured, in particular of material samples or apparatus systems, is possible in a simple manner.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß bei dem Meßverfahren der eingangs genannten Art dadurch gelöst, daß die Polarisationsrichtung der einfallenden Strahlung oder das Meßobjekt um eine in Strahlrichtung laufende Drehachse gedreht, und die Strahlungsleistung in Abhängigkeit von dem Drehwinkel gemessen wird, und daß eine Ausgleichskurve eines geeigneten mathematischcn Typs mit einer vorgegebenen Anzahl von Koeffizienten angesetzt und zur Bestimmung der Koeffizienten an die Meßwerte angepaßt wird.According to the invention, this object is achieved with the measuring method described at the beginning mentioned type solved in that the polarization direction of the incident radiation or the object to be measured is rotated about an axis of rotation running in the direction of the beam, and the Radiated power is measured as a function of the angle of rotation, and that a regression curve of a suitable mathematical type with a predetermined one Number of coefficients applied and to determine the coefficients on the measured values is adjusted.

Die Vorteile der Erfindung liegen insbesondere darin, daß durch die Bestimmung von mehr als drei Kenngrößen oder Koeffizienten der gemessenen Polarisationskeule bisher nicht beobachtbare Eigenschaften der untersuchten Meßobjekte einwandfrei bestimmt werden können.The advantages of the invention are in particular that by the Determination of more than three parameters or coefficients of the measured polarization lobe hitherto unobservable properties of the test objects examined are flawless can be determined.

Sobald bei einem Meßobjekt eine Polarisationskeule gemessen, aus der sich keine Ellipse für die elektrischen Feldsterken ergibt, liefert das erfindungsgemäße Meßverfahren zusätzliche Erkenntnisse über das Meßobjekt, die bei dem bekannten Meßverfahren bisher nicht zu gewinnen waren.As soon as a polarization lobe is measured on a measurement object, from which if there is no ellipse for the electric field strengths, the one according to the invention provides Measurement method additional knowledge about the measurement object, which in the known Measurement methods were previously not to be won.

Die Drehung der Polarisationsrichtung der einfallenden Strahlung bzw. des Meßobjekts kann entweder schrittweise oder kontinuierlich erfolgen, die Messung der transmittierten oder reflektierten Strahlungsleistung ist dann ebenfalls schrittweise bzw. kontinuierlich vorzunehmen. Als Drehachse dient die Strahlrichtung, und eine ausgezeichnete Polarisationsrichtung dient als Lage des Winkels Null.The rotation of the polarization direction of the incident radiation or of the measurement object can be carried out either step by step or continuously, the measurement the transmitted or reflected radiation power is then also gradual or continuously. The beam direction serves as the axis of rotation, and one The excellent direction of polarization serves as the position of the angle zero.

Als Ausgle-ichskurven zur Anpassung an die gemessene Polarisationskeule dienen Funktionen vom Typ: T(D) = A + B cosS (D - D1) bzw.As compensation curves for adaptation to the measured polarization lobe are used for functions of the type: T (D) = A + B cosS (D - D1) or

2 4 T(D) = A + B2 cos (D - D1) + B4 cos (D - D1) + Die Koeffizienten A, B, , D1 sowie eventuell noch B2, B4 etc. werden durch Anpassung der Ausgleichskurve an die gemessene Polarisationskeule bestimmt. Diese Koeffizienten oder Parameter beinhalten die gesuchte Infomation über optische bzw. elektromagnetische Eigenschaften des untersuchten Meßobjekts. D ist der Drehwinkel.2 4 T (D) = A + B2 cos (D - D1) + B4 cos (D - D1) + the coefficients A, B,, D1 and possibly also B2, B4 etc. are adjusted by adapting the regression curve at the measured polarization lobe is determined. These coefficients or parameters contain the information you are looking for about optical or electromagnetic Properties of the object under test. D is the angle of rotation.

Falls die Messung nicht im ganzen Winkelbereich von Null Grad bis 90 Grad durchgtführt werden kann, weil der Randwert kleiner ist als der Meßfehler, wird bevorzugt die Ausgleichskeule durch die genaueren Meßpunkte gelegt und auf den Randwert extrapoliert, um die Koeffizienten zu bestimmen.If the measurement does not take place in the entire angular range from zero degrees to 90 degrees can be carried out because the marginal value is smaller than the measurement error, the compensation lobe is preferably placed through the more precise measuring points and on extrapolated the boundary value to determine the coefficients.

Im folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung an Hand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen: Fig. 1 eine erste Meßanordnung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Meßverfahrens; Fig. 2 eine zweite Meßanordnung zur Durchführung des erfindungsgemäßen MeB-verfahrens; und Fig. 3 drei gemessene Polarisationskeulen sowie die gewählten und angepaßten Ausgleichskurven, Parameter ist die Wellenzahl.In the following, embodiments of the invention are based on the Drawing explained in more detail. They show: FIG. 1 a first measuring arrangement for implementation of the measuring method according to the invention; 2 shows a second measuring arrangement for implementation the MeB method according to the invention; and FIG. 3 three measured polarization lobes as well as the selected and adapted compensation curves, the parameter is the wave number.

Die Fig. 1 und 2 zeigen Meßanordnungen zur Durchführung des Meßverfahrens. Ein Sender 2, der bei einer optischen Messung z.B. aus einer isotropes Licht abgebenden Lampe besteht, gibt eine hinsichtlich Richtung und Amplitude gleichverteilte Strahlung ab, welche nach Durchlaufen eines Polarisators 4 eine vorgegebene Polarisationsrichtung, d.h. Schwingungsebene des elektrischen Feldsektors E besitzt. Diese polarisierte Strahlung tritt durch ein Meßobjekt 6, z.B. eine Materialprobe, hindurch.FIGS. 1 and 2 show measuring arrangements for carrying out the measuring method. A transmitter 2 that emits isotropic light during an optical measurement, for example from an Lamp exists, emits radiation that is uniformly distributed in terms of direction and amplitude from which, after passing through a polarizer 4, has a predetermined direction of polarization, i.e. the plane of oscillation of the electric field sector E. This polarized Radiation passes through a measurement object 6 such as a material sample.

Hinter dem Meßobjekt 6 ist ein Empfänger 8, z.B. ein Fotoelement, angeordnet, der die Intensität der durch das Meßobjekt 6 hindurchlaufenden Strahlung mißt. Während der Messung wird der Polarisator 4 oder das Meßobjekt 6 schrittweise oder kontinuierlich um die Strahlrichtung r gedreht, und die am Empfänger empfangene Strahlungsleistung wird in Abhängigkeit vom Drehwinkel gemessen.Behind the measurement object 6 is a receiver 8, e.g. a photo element, arranged, which determines the intensity of the radiation passing through the measurement object 6 measures. While the measurement becomes the polarizer 4 or the measurement object 6 rotated stepwise or continuously around the beam direction r, and that at the receiver The radiation power received is measured as a function of the angle of rotation.

Als Winkel Null wird für die gemessene Polarisationskeule die Polarisationsrichtung der einfallenden Strahlung festgelegt.The polarization direction becomes the angle zero for the measured polarization lobe the incident radiation.

Fig. 2 zeigt eine der Fig. 1 entsprechende MeBanordnung, bei der lediglich das Meßobjekt und der Polarisator 4 im Strahlengang vertauscht sind. Der Sender 2 emittiert Strahlung direkt durch das Meßobjekt 6 hindurch, welches anschließend den Polarisator 4 durchläuft und dann auf den Empfänger 8 auftrifft. Bei dieser Meßanordnung wird das Meßobjekt schrittweise oder kontinuierlich um die Drehachse gedreht, die mit der Strahlrichtung r zusammenfällt.FIG. 2 shows a measuring arrangement corresponding to FIG. 1, in which only the test object and the polarizer 4 are interchanged in the beam path. The transmitter 2 emits radiation directly through the measurement object 6, which then passes through the polarizer 4 and then strikes the receiver 8. At this Measurement arrangement, the object to be measured is gradually or continuously around the axis of rotation rotated, which coincides with the beam direction r.

Fig. 3 zeigt für drei verschiedene Wellenzahlen t I/i\ , die Transmission in Abhängigkeit vom Drehwinkel D, die am Ultrarotspektrometer 225 von Perkin-Elmer gemessen wurde. In die Meßdiagramme sind geeignete gewählte und an die Meßpunkte angepaßte Ausgleichskurven eingetragen. Die Ausgleichskurven, welche die Polarisationskeule möglichst genau annähern sollen, sind von folgendem Typ gewählt: 5 T(D) = Q1 + (V1 - Q1) cos (D - Dl).3 shows the transmission for three different wave numbers t I / i \ as a function of the angle of rotation D, which is determined by the Perkin-Elmer 225 ultrared spectrometer was measured. Suitable selected and attached to the measuring points are in the measuring diagrams adjusted regression curves entered. The best-fit curves that form the polarization lobe should approximate as closely as possible, are of the following type: 5 T (D) = Q1 + (V1 - Q1) cos (D - Dl).

Hierin bedeuten: T(D) = Transmission beim Drehwinkel D Q1 = Achsenabschnitt in Querrrichtung V1 = Achsenabschnitt in Vorzugsrichtung S = Schlankheits-Exponent der Keule D1 = Winkel zwischen den Schwingungsebenen des Lichtes im Probenraum und nach Durchgang durch Ultrarotspektrometer.Here mean: T (D) = transmission at angle of rotation D Q1 = Axis intercept in transverse direction V1 = axis intercept in preferred direction S = slenderness exponent the lobe D1 = angle between the planes of oscillation of the light in the sample space and after passing through an ultrared spectrometer.

Die Meßwerte liegen auf Ausgleichskurven, welche für die drei verschieden gewählten Wellenzahlen, nämlich γ = 1/# = 720, 730 bzw. 1378 cm durch den Schlankheitsexponent S = 1,822 + 0,002, 1,80 t 0,04 bzw. 1,3587 i 0,0002 gekennzeichnet sind. Die ermittelten Werte für den Schlankheitsexponent weichen deutlich von dem zunächst erwarteten Wert S = 2 ab, der bei dem üblichen Polardiagramm des Übergangsmoments eines elektrischen Dipols vorliegt. Durch den ermittelten Schlankheitsexponenten ist - für die jeweilige Wellenzahl -die Eigenpolarisation des untersuchten Geräts präzise und vollstandig bestimmt.The measured values are on compensation curves which are different for the three selected wave numbers, namely γ = 1 / # = 720, 730 or 1378 cm through the Slenderness exponent S = 1.822 + 0.002, 1.80 t 0.04 or 1.3587 i 0.0002 are. The values determined for the slenderness exponent differ significantly from that initially expected value S = 2, which is the case with the usual polar diagram of the transition moment an electric dipole is present. By the determined slenderness exponent is - for the respective wavenumber - the intrinsic polarization of the examined device precisely and completely determined.

Claims

Meßverfahren zur Bestimmung optischer oder elektromagnetischer Eigenschaften von Meßobjekten ANSPRÜCHE 1. Meßverfahren zur Bestimmung optischer oder elektromagnetischer Eigenschaften von Meßobjekten, bei dem ein Meßobjekt in den Strahlengang einer polarisierten elektromagnetischen Strahlung eingefügt, und die Strahlungsleistung der trans.«lttierten oder reflektierten Strahlung bzw. der gestreuten Strahlung gemessen wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Polarisationsrichtung der einfallenden Strahlung oder das Meßobjekt um eine in Strahlrichtung laufende Drehachse gedreht, und die Strahlungsleistung in Abhängigkeit von dem Drehwinkel gemessen wird, und daß eine Ausgleichskurve eines geeigneten mathematischen Typs mit einer vorgegebenen Anzahl von Koeffizienten angesetzt und zur Bestimmung der Koeffizienten an die Meßwerte angepaßt wird.Measurement method for determining optical or electromagnetic properties of test objects CLAIMS 1. Measurement methods for determining optical or electromagnetic Properties of measurement objects, in which a measurement object is in the beam path of a polarized electromagnetic radiation inserted, and the radiation power of the trans or reflected radiation or the scattered radiation is measured, thereby characterized in that the polarization direction of the incident radiation or the The object to be measured is rotated around an axis of rotation running in the direction of the beam, and the radiation power depending on the angle of rotation is measured, and that a compensation curve of a suitable mathematical type with a predetermined number of coefficients is applied and adapted to the measured values to determine the coefficients.

2. Meßverfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Polarisationsrichtung der einfallenden Strahlung oder das Meßobjekt schrittweise in vorgegebenen Winkelschritten gedreht wird, und daß nach jedem Winkelschritt die Strahlungsleistung gemessen wird.2. Measuring method according to claim 1, characterized in that the polarization direction the incident radiation or the measurement object step by step in predetermined angular steps is rotated, and that the radiation power is measured after each angular step.

3. Meßverfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine ausgezeichnete Polarisationsrichtung der einfallenden Strahlung die Lage des Winkels Null festlegt.3. Measuring method according to claim 1 or 2, characterized in that an excellent direction of polarization of the incident radiation determines the location of the Defines zero angle.

4. Meßverfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgleichskurve vom Typ 5 T(D) = 1 + (V1 - Q1) cos (D - Dl) ist, wobei T(D) = transmittierter oder reflektierter Anteil der Strahlung beim Drehwinkel D Q1 = Achsenabschnitt in Querrichtung V1 = Achsenabschnitt in Vorzugsrichtung S = Schlankheits-Exponent der Keule D1 = Winkel zwischen den Schwingungsebenen des Lichtes vor und nachdem Durchgang des Meßobjekts ist.4. Measuring method according to one of the preceding claims, characterized in that that the regression curve of type 5 is T (D) = 1 + (V1 - Q1) cos (D - Dl), where T (D) = transmitted or reflected portion of the radiation at the angle of rotation D Q1 = Axis intercept in transverse direction V1 = axis intercept in preferred direction S = slenderness exponent the lobe D1 = angle between the planes of oscillation of light before and after Passage of the test object is.

5. Meßverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgleichskurve vom Typ T(D) = A cos6 (D - D1) + B cos4 (D - D1) + C cos² (D - D1) + D2 ist und die fünf irreduziblen Koeffizienten A, B, C, D2, D1 enthält.5. Measuring method according to one of claims 1 to 3, characterized in that that the compensation curve of the type T (D) = A cos6 (D - D1) + B cos4 (D - D1) + C cos² (D - D1) + D2 and contains the five irreducible coefficients A, B, C, D2, D1.