DE1447253A1 - Verfahren und Vorrichtung zur kontinuierlichen interferometrischen Messung von Dickeoder Brechungsindex eines laufenden Films - Google Patents
Verfahren und Vorrichtung zur kontinuierlichen interferometrischen Messung von Dickeoder Brechungsindex eines laufenden FilmsInfo
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Description
DIPL INO. O. PULS I
DR.E.V.PECHMANN 1 / / *7 O C
»AT« IfTANWlLTB
8 MÜNCHEN 00 ρ λ λ .- 9t-_ „
•CDWBiaCRSTB, »
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1A-28 €71
ι 1. August 1968
Bo schreib u ng
ca der Patentanmeldung
2.1. BU POHZ DS HEMOUBS AND COMPAHY,
Wilmington, Delaware, 19 898, U.S.A.
betreffend
Vorfahren und Vorrichtung zur kontinuierlichen interfcronotrioohcn Keaaung von Dicke oder Breohunfiaindex
eines laufenden Pilna.
Die Erfindung bezieht eich auf ein Verfahren zur kontinuierlichen interferometrischen Heasung von Dicke
oder Brechungeindex eines laufenden, durchsichtigen Filme,
bei dem auf den PiIa ein Weißliohtbündel gerichtet wird und
die an der Vorderseite und an der Rückseite des Pilias reflektierten, einen Ganguntersohied aufweisenden LichtbUndel
naoh Verändern Ihros Gangunteraohie^ea sur Interferenz ge-ο bracht werden und die tob Erzeugen einer weißen Interferenz-
a> yeratärkung erforderliche Veränderung des Ganguntersohiedos
m gemessen wird, sowie auf eine Vorrichtung zur Durchführung
dieses Verfahrens·
eine Probe alt Bonoohrooatieoheia Lieht bestrahlt, wobei eine
Neue Unterlagen-ιΐΑ7|ΐΑΐ»ιβ»·*·Α-ΐΜ»ρ»***ΐβι BAD OfllQINAL
-2- '' ■ ■
sich In einen InterfGrenzstreifen äußernde Intcrforenzverstärkung
bekanntlich bei interferometriaoher Überlagerung von zwei Vellenzügen gleicher Wellenlänge mit einen Gangunterochied
eines doppelten ganzzahligen Vielfachen der halben Wellenlänge erfolgt· Kun liegt die Wellenlänge eines
monochromatischen Anteils sichtbaren Lichtes etwa zwischen 4 000 und 7 500 £. Typische Pilndicken liegen jedoch im Bereich
von etwa 50 Ai · Sine solche Filmdicke ist also etwa
hundert aal größer ale eine charakteristische* Wellenlänge
sichtbaron Lichtes«
Bei interferonetriachen Längenmessungen unter Verhältnissen, wie sie bei noraalen Filndiekennessungon vorliegen,
ist also bei Bestrahlung der. Probe mit monochromatischem+
Licht zur Auswertung dos Heßorgebnissea ein Auszählen von
sehr vielen Interferenzstreifen, und zwar in der Größenordnung hundert Interferenzstreifen, erforderlich, was recht
nilhsam ist· Längcnnessungen mit monochromatischem Licht
eignen sich daher in erster Linie nur unter solchen Vorhältnissen,
bei denen die Wellenlänge der Pllmdioke vergleichbar
ist, oder natürlich dann, wenn man Wellenlängenmossungon vornehmen
will«
Sie deutsche Patentschrift 930 509, die britische Patentschrift
595 940 und die DAS 1 090 831 betreffen derartige
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BAD
Untersuchungen rait monochromatischem Licht, wobei jeweils
die genannte Schwierigkeit auftaucht, eine größere Anzahl
von Interferenzstreifen auszuwerten· Von solchen Untersuchungen sind folgende Verfahrenamerkmale bereite in verschiedenem Zusa-nnenhang
bekannt! Periodisches Verschieben ein or die Phasenlage
eines interferometrisch untersuchten Wellenzugen bostim-.
laenden Interferometerfläohe, Auswerten eines Interforensbildes
durch Empfangen des Bildes in einer llchtelektrisohen Detektor—
vorrichtung sowie Auswerten von Abständen des erzeugten optischen Bildes durch Messung des Zeitabstandes zwischen einen
einer optischen Verstärkung zugeordneten elektrischen Ausgangesignal der Detektorvorrichtung und einer Zeitmarke. Trotzdem
haben eich, wie gesagt, derartige Vorrichtungen, bei denen ein Film mit monochromatischem Licht bestrahlt wird, wegen der
Vielzahl der auftretenden Interferenzmaxiria nicht bewährt· Man hat lediglich versucht, die bein Auszählen der Streifen auftretenden
Schwierigkeiten durch Hilfsmaßnahmen zu verringern, z.B. durch Verwendung eines in den Strahlengang eingeschalteten
und hin- und herbewegTwHfen Easters alt Rasterabotand der monochromatischen
Wellenlänge (britische Patentschrift 595 940) oder eines entsprechenden anderen, im Strahlengang bewegten Gitters
(deutsches Patent 930 589). Ungeeignet für kontinuierliche FiIadlckemessungen
eines laufenden Films sind solohe bekannten Anordnungen, bei denen die zur Auswertung vorgesehene interferonetriache
Vorrichtung starr mit der Untersuohungsprobe verbunden
ist (BAS 1 090 881).
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Bei interferoiaetriachen Untersuchungen der eingangs
genannten Art dagegen wird statt einer monochromatischen Unterßuchungslicirtquelle
eine weiße, d.h. be it "bändige tfntereuchungelichtquelle
, "benutzt ·
La iat in der optiochon interferomotriachen lechnik
allfpaein bekannt, daß derartige vreiöo Untersuchungslichtquellen
nur dann einen "weißon" Interforonzveratärkungostreifen
ergabon» wenn öle optiaoUo Wegaifferons öer interforonetriach
verglichenen Lichtbündel gleich ITuIl ist« Dieee
weiße Interferenzverstärkung wird lediglich noch von einigen
benachbarten farbigen Interferenzstreifen begleitet, während
oich alle weiteren Interferenzveretärkungen der monochromatischen
Anteile des breitbandigen UnterauchungBllchtbündels inabesondere im Abstand von der einzigen weißen Interferenzverstärkung
so überlagern, daß sie nid4 mehr in Eraöieinung
treten-(siehe z.B. "Fundamental of Optics" von Jenkins und
White, McGraw-Hill Book Company, Inc., 1957, Seite 250 und "Ködern Interferometers" von C. Candler, Ililger & Watts, Ltd.,
1951, Seiten 223 bis 225, insbesondere Seite 225» Satz 1).
Derartige breitbandige "weiße" Untersuchungslichtbündel eignen
daher
sich/zur interferometrisehen Untersuchung von Proben mit wesentlich
größeren Abmessungen als eine tgcpisohe Unterauchungsliehtwollenliinge.
Crotzdom ist eine optisch© Auswertung auch derartiger, von einer breitbandigen "weißon" Untersuehungslicht-
;8:0S806/C3i0
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• BAD
quelle gewonnener Interferenzstreifenbildcr relativ schwierig»
unter anderen wegen der farbigen fiebennaxina»
Sin mit weißem Licht arbeitendes Verfahre» sur Filmdicken·
aus
aeoouns iat/den US-Patenten 2 518 647t 2 578 859 und 2 655
aeoouns iat/den US-Patenten 2 518 647t 2 578 859 und 2 655
bekannt. Der PiIa wird dabei unter einen schrägen
bestrahlt und die an Vorder-» und Rückseite des Pil&n reflek-
„> . . ■ ■ ■
tierten Lichtbündel 'werüoa auf einen optisches IMl geleitet»
Pas auftretende IntorforöK^uilc! wird -risuell untei"£*tiöht· TJabei
worden Intorferenzverstäikimr-entreifoü der optischen Wegaiffefea*
dar baidon an Vorder- und iiüc!:oeite doa Filma γι"", stiert on Liehtatrahlbündel
zugeordnet und UickcrsiaasurujaB durcfe, jf-untetellong dar
Laße eines Interferonsveratärkiiagsstreifena gegenüber «iner
yorgenoEuaen*
Dabei -.vird allgeoain eine größere A&zahl von ^t>tieclien
Keilen bereitgehalten» da nit einem eiaai^er. optischen KoIl
nur ein geringer Meßbereich erfaßt werden Jcann. Bs ist bekannt,
eino Heßbereiohcerweiterung ainee einzelnen opticohen Keils
dadurch eu erreichens daß ma dis Wlakc-lanordnung dae Keila
gegenüber deia PiIa ändert und gegeböneiifalls weiterhin noch
einen Spiegel vorsieht. Dieser apiogsl wird bei einer AuoführungsiOrm
von Hand verstellt»,böie Interfereneveratärkung
sichtbar wird* Die Pilmdicke 1st dann an einer mit dem Spiegel
verbundenen, onteprechend geeichten Skala ablesbar»
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Hit dieaen "bekannten Anordnungen kann asu 'bereits
dicke-? oder Mliabreehungsinäesaneasüngen dürohfüisr©*!, dl© nach
Angaben in der erstgenannten Patentschriftvon "Platterer- v
ccheinuügea de® Filmes 'nur venig "beeiäflußt sind» BIe' Ein— ']
^ 'Bedienung--'einer solchea 'AnoTämmg erfordert '■
Köaneiie Me Auswertung des later·»» "'
erfolgt näEilioii-Tiiasell^ was ss±®ffiXieh
schwierig undj-wenii; Bickt-gro-ße Sorgfalt auf di© Messung Verv/andt
wird, reoht ungenau ist« Entsprecli©nd ©rfcorttrt Jede
Hösaung relatl-v-; tifel 2©ita Die"'"bekannten Aa'ordtiuagen "eignen-sick.dal»ei
höclxstöaö für die stichprobenweise Snslitiun-g; von ■ ' ■'
Heßwerten,-' keinesfalls aberfür "quasi-köBtiniiieriieli·"-dttrchuufütorQBd@HeasiAögent
^9Ba · der Eioke eines lauf enden Film© ä " ' "':
-währönd:'der Produktion«^Außer'deiä ist b«i;"deo"' Ibekamiten An»
Ordnungen·: nicht vorgesehen, das MeSerge"bnie In Forsi eines zaB·'
eiöktrischen 5igBales dar'ziusteilen, welches daim flir-Eaglstr-ier«*·
Steuer·* ■■ .oder "Scg.elsfweo-k# "verwendet:werden, könnte'· " V
■ Der. Erfindung liegt buh dle'-Aofgabe. jsagxunäe, ein für die
berührungsfröiö'KessuiigVderPilmdicke oder ö'es - Bröonungsläuexes
.geeignete"s *¥erfährön 'äei4 eingangs- geaarinteli' Art se ' au': gestalte'n»-"
daß eine' selBattiitige vpä& if'drtlaufen'de''"Hölsätine öhnä das ständige
^^er3OSM ©tattfinden 'AaBS8 'und' daß " *r
#inW Ejs^atri^run^oder änöere Äms^ertung "der "Meß
3098 06/0 340 ^ -
.. ■■" "■■■'.. ' ■ ' ' ; ; -. BAD OH1O1NÄL
Zum Lösen dieser Aufgabe ist lauter Verwendung sun Teil
bekannter Vorfahrenaeleiiente vorgesehen» daß der GangunterscMed
periodisch verlindert und mit gleicher Periode eine Zeitmarke
erzeugt wird, daß die gemeinsame Intensität der interferierenden
Lichtbündel auf an sich bekannte^ photoelektrioohen Wege
als elektrisches Signal dargestellt wird und daß der Zeitab— .
stand, zwischen der periodischen Zeitmarke und ^den Auftreten
eines der weißen Interferenzverstärkung entsprechenden Signales·
Das Verfahren gemäß der Erfindung erfordert weder "besonderes
fachmännisches Können der die Messungen auswertenden Person noch treten Schwierigkeiten aweeh die optische Auswertung?
K.B, durch das Vorhandensein der farbigen Hebennaxima,
auf, da nan elektrisch die Intarferenzverstärkungen leicht einwandfrei
smitteln kann.'Vorzugsweise werden zur Messung erfindungsgonäQ
diejenigen- - Intensitätssighale unterdrückt,
die unter den Pegel der den weißen Interferenzverstärkongen
entsprechenden elektrischen Signale liegen·
Bei den Verfahren d<4r eingange genannten Art mit Verwendung
optischer Keile ist es bereite bekannt, die beiden an der Vorderseite und aft der Rückseite des Filr»3 reflektierten
XiichtbUndel jeweils in zwei weiße Teilbündel zu zerlegen.
Hierzu wird nach der Erfindung ein Interferometer von
Klchelson-Typ verwendet und der Zeitabstand zwischen der Zeitmarke
und jedem Auftreten eines Signales gemessen, das einem
909806/0340
BAD
der beiden Interferenzverstärkungen entspricht» diet von je
einem TeilbÜndol das einen LichtbündGl3 und je einem
"bündei dpa anderen Liclit'btlndels efseu^t ifer-^Uf Sei
des Verf^rens ^Lei; ag laiSgllcb, mit natiestt norQa|em
fall a£ den J1IIn au arteiten* Meßfehler aufgrund von Platter—
erscheinungon des Pilms sind dann
Darüberliinaiis kann bei Benutzung von vier Seilbündeln in
vorteilhafter Weise als Zeitnarke das der andoren der beiden
Interferensverstärkunsön entsprechende Signal verwendet worden·
Möglich ist auch, daß als .Zeitmarke ein Signal verwendet wird,
dao einer gleichzeitigqn InterferenEverstärlDihg sowohl der
ieilbündel des einen Lichtbündels einerseits und der Teilbündel
des anderen Lichtbändels andererseitsentspriqht. Hierbei tritt
die Zeitnarke genau dann auf, wenn die "beiden optischen Weglängen
im Interferometer gleich sind·
Wie gesagt, wird bei der Erfindung zur
breitrandige "weiße" Lichtquelle benutzt. Kan kann
monochromatische Lichtquelle zusätzlich als ^
verwenden. Sie Zeitmessung kann in an *«M^1;'^i&icannter Veise durö||
Zählung kleiner ^eitintersrälle mit an sich bekannter Zählteq
erfolgen·:". '■ -" ; . '■''■'■■■■ ' . ■ ■ ■
βfif
Sägezahnfunktion hin- und herbewegbar ist» vobol die sich
relativ langsam verändmde Zahnflanke.. der ;Bewegungsfunktion
der Zeitmessung zugeordnet iat» . . . * .
I'Ian kann jedoch, wenn oan geiaäß der der Erfindung zugrunde-"
liegenden Grundidee lediglich mit zwei interferonatrisch über—
lagerten Lichtbündeln arbeitet, die von Vorder- und Rüekeeite
des Pilms herstamnens so vorgehen, daß als interferoEietrisches
Analysiergerät eine ebene llohtdurchläsoigo Platte dient, die
uia eine zur Filnebene parallele Achs© periodisch drehbar ist,
an deren dem PlIm zugewandten Seite eine Reflection des an der
iiüoksoita roXIektierton Liolitbüiidele unä an doroB dom FiIn abgewandten Seite eine Reflektion des an der Vorderseite dss Films
reflektierten Lichtbtindela jeweils an einer lichtreflektieren-«
den Beschichtung erfolgt, und daß das üntersuohungsliohtbUndel
unter einen, schrägen Winkel auf den Film auffäöllt. Als Zoit-Eiarkö
kann dann lrgend©ino einer Phass der Plattenbewegung zugeordnete
Zeitcaarke dienen· Ea ist auch möglich« diese Zeitmarke
so zu wählen,, daß in wesentlichen nur dann eine Zeitdifferenzanzeige auftritt, wenn die Pilndicko oder der Brechungsindex
des untersuchten Films ein© vorgegebene lolerans überschreiten·
«■xrJBjsEf» Erfindung wird in folgenden
Zeichnungen an 'mehreren Ausfuhrungsbeispielen näher erläutert·
Zeichnungen an 'mehreren Ausfuhrungsbeispielen näher erläutert·
Pig. 1 zeigt eine Schonaceiohnung einer Vorrichtung gemäß
der Erfindung zur Dickebaatiznmung; eines laufenden Films,
bei der die Stelle, des auf-
909806/0^^
h:
AO
-■■■ -χ- ...,, ■■ ·_
ι- - ..
treffens der Strahlung auf den Film vergrößert bei JL im unteren Seil der Zeichnung herausgeaeichnet 1st)
treffens der Strahlung auf den Film vergrößert bei JL im unteren Seil der Zeichnung herausgeaeichnet 1st)
Pi gar 2 «eigt eine Bar st ellung eines Michelson-Interferometer
β mit hin- und herbewegbarem Reflektor, das zum Gewinnen von Xnterferensaarken Verwendung
finden kann, wie sie beim Hessen der 7ilmdicke gemäß der Erfindung verwendet; werden|
Figur 3 zeigt ein mit gleichlangen int erferomet riechen
Armen in der Vorrichtung der Fig. 1 und 2 gewonnenes typisches Interferogramm su beiden Selten
der zentralen weißen Interferensverstärkung mit
: η Λ
Überlagerung dee Baum-Zeltverlaufs·der
bungsbewegung des hin-und herbewegbaren Spiegelst
Figur 4- zeigt eine Darstellung des seitlichen Verlaufs
der Bewegung des hin- und herbewegbaren Spiegels der int er f erometrischen Vorrichtung der Fig. 2 in
einem Längenmaßstab, welcher der Änderung der optisehen
Uegdlfferenz während der Spiegelbewegung des
■'■'■■■ -\. ■■.%"._■: ·-■'"."■"■ - ' .=
Interferometers entspricht« wobei die maximale
Uegstrecke etwas größer als die su messende Filmdicke
ist \ .!
Pigur 5 zeigt eine Darstellung einer swelten Ausführungsform einer Vorrichtung gemäß der Erfindung t
£jG98oi/Cm0 ^ J
H47253
§ zeigt eine Messvorrichtung nach der Erfindung für
Dickenabweichungen eines Filmes von einer Solldicke;
7 zeigt die Formen elektrischer Signale in &er Vorrichtung
nach Fig. 6j
Fig. 8 ist eine Barstellung einer optischen Meßvorrichtung
nach der Erfindung für den Brechungsindex;
und 10 zeigen Interferogramme mit Interferenzstreifen, wie
sie die Vorrichtung gemäß Pig. 8 liefert.
Gemäß Fig. 1 kann die Filmdicke eines frei laufenden Films mit reflektierter Strahlung ständig gemessen werden,
indem eine Vorrichtung gemäß der Erfindung auf einer einzigen Seite des zu untersuchenden Films angeordnet wird. Indessen
ist, a&ch eine Arbeitsweise mit durchgehender- Strahlung
möglich, wie es im folgenden beschrieben ist.
Der mit 10 bezeichnete Film kann mit einem schmalen Strahl einer analytischen Strahlung 15 betrachtet werden,
Während er über die Führungswalzen 11 und 12 läuft. Saß
der Weg des Films aufwärts gerichtet gezeichnet ist, ist
willkürlich gewählt. Typisch ist eine Filmgeschwindigkeit von etwa 110 a/min, und für einen klaren Zellophanfilm mit
einer Dicke ie Bereich zwischen 0,0025 pm und 0,4 mm kann
beispielsweise das Untersuchungslichtbündel eine "weiße?·
BAD ORIGINAL
.41
Strahlung ld nahen Infrarotbereioh sein, d.h.« im 1-3
micron-Bereich. Interferenzen bei der Dicke-Hesaung, die
durch Filmschwankungen Zustandekommen könnten« sind effektiv
beseitigtv indem der PiIa mit den Untersuchungslichtbündel
mit nahezu senkrecht sum PlXm rerlaufendem Einfall
betrachtet wird·
Ale Strahlungsquelle 16 kann typischerweise eine
weißglühende 35-Watt-Wolframdrahtlampe dienen» die durch
eise nickt gegeigte ö-Yolt-GleicliStiroBquella betrieben
wird. Die Quelle 16 ist innerhalb eines lichtdichten Gehäuses 1? angeordnet, das mit einer doppelkonvexen SOkuesierungslinse
18 aus Glas in Fluchtung mit einer Blendenöffnung 20 versehen ist, so daß eine 1 ι 1 Abbildung des
heißen Drahtes der Lichtquelle 16 auf die Filmebene Über das die Strahlung umlenkende versilberte Prisma 19 pro4iziort
wird; die Strahlungsquelle 16 hat ein Ausmaß von etwa
1/4" χ 1/8".
Wie im vergrößerten Querschnitt der Herausseichnung A
.dargestellt 1st, trifft das einfallende Untersuohungslicht-.
bündel 15 auf die frontseitige etrahlungsreflektierende
Fläche dos Filmes 10, von wo ein . iLiohtbündel
entlang eines Weges E^ reflektiert wird, während der Hauptanteil
der übrigen Strahlung durch den Film durchtritt und während des Durohtritts charakteristisch in der dargestell-
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ten Welse gebrochen wird. Bio se durontretende Strahlung
trifft dann schließlich auf die hintere strahlunger«flektierende iläohe dee filmob 10 und ein :.. ,Liohtbündel
davon wird ingekehrt in Richtung aur Front fläche« wiederum alt der charakteristischen Brechung, und verläßt dieee
frontfläche schließlich entlang des Weges Hg· Sie aus der
Probe austretende Strahlung, und swar beide auf den Wegen
B1 und Bg austretende ' '..;,·,.*:.c .Bündel, ist gemeinsam bei '
23 beseichnet· Diese Strahlung wird dann *u der anderen
fläche dee JfcLemae 19 «urüekgeleitet und von dieser Fläche durch die Blendenöffnung 24 in die Eingangsöffnung 2$
eines Interferometers 26 reflektiert·
Da· Interferometer kann vom Michelson-Typ sein, wie
es soheaatisch in fig· 2 dargestellt ist, und swar alt der
Besonderheit, daß ein strahlungsreflektierender Spiegel des
Interferometers, der bei dem Beispiel willkürlich als der Spiegel 30 gewählt ist, zyklisch hin» und herbewegt wird,
und swar Ober einen im folgenden noch im einzelnen beschriebenen Bereich, während der andere strahlungsreflektierende
Spiegel 31 fest an seiner Stelle gehalten wird. In üblicher Weise weist das Interferometer einen geneigten halbdurchlSssigen Strahlungeteiler 32 auf, für den in typischer
Weise eine 1/4 Zoll dicke halbdurchlässig^ Glasplatte rer~
wendet werden kann, die an der Unterseite teilweise verspiegelt und mit einem Winkel von 4£° su den Spiegeln 50
9Q9806/0340
BAD ORIGINAL
und 31 angeordnet ist. Der Strömungsteiler 32 liefert
in
die einfallende Strahlung/Teilbündeln annähernd gleicher Intensität su Jedem der Spiegel 30 und 31» von wo die Strahlen sum Strahlungsteiler 32 zurüekreflektiert werden, wie es mit den Pfeilköpfen angezeigt ist· Sie Strahlen werden dann nahe benachbart nach außen auf einen photo« elektrischen Detektor 33 geleitet, der in diesem ?all ein Detektor der Bleisulfid-Art sein kann· Das beschriebene Interferometer umfaßt einen Sagezahn-Qeaillator 37 unfeinen dazugehörigen elektronischen Leistungsverstärker 3S4 der zyklische ßägeaahn-Spannungsispulee au einem solenoidartigen el©ktro-dynamisehen Motor 39 liefert« um den Spiegel 30 mit einer Frequens von. Torxugsweiae 50 Herta hin- und beraub ewegeij·
die einfallende Strahlung/Teilbündeln annähernd gleicher Intensität su Jedem der Spiegel 30 und 31» von wo die Strahlen sum Strahlungsteiler 32 zurüekreflektiert werden, wie es mit den Pfeilköpfen angezeigt ist· Sie Strahlen werden dann nahe benachbart nach außen auf einen photo« elektrischen Detektor 33 geleitet, der in diesem ?all ein Detektor der Bleisulfid-Art sein kann· Das beschriebene Interferometer umfaßt einen Sagezahn-Qeaillator 37 unfeinen dazugehörigen elektronischen Leistungsverstärker 3S4 der zyklische ßägeaahn-Spannungsispulee au einem solenoidartigen el©ktro-dynamisehen Motor 39 liefert« um den Spiegel 30 mit einer Frequens von. Torxugsweiae 50 Herta hin- und beraub ewegeij·
Beim Betrieb werden dia allgemeinen Prinzipien der Interferometrie in folgender Weise angewendet)
Die Phasendifferenz a, die bei Berücksichtigung beliebiger
sweier Strahlen der Wellenlänge A gegeben ist» wenn die Strahlen einen Beobachtungspunkt, beispielsweise
den Detektor 33 erreichen, ist eine Fi Aktion der optischen
Wegdifforens b und kann durch die Gleichung
(D
ausgedruckt werden«
909806/0340 BAD ORiaiNAL
H47253
Wenn die Strahlen in Phase sind, existiert Interferenzverstärkung,
die sich durch "Interferenzstreifen11 hoher Intensität äußert, während sich zwei Strahlen, die
nicht in Phase sind, mehr oder weniger gegenseitig aufheben, je nach dem, inwieweit die Strahlen außer Phase
sind.
Wenn in der Herauszeichnung A in Pig. 1 die einfallende Strahlung PQ auf den JiIm mit einem Winkel 0 auffällt,
der gegenüber der Normalen gemessen wird, verläßt das stierst reflektierte lichtbündel R1 die frontseitige
Btrahlungsreflektierende Fläche des Films, während die verbleibende Strahlung in den Film der Dicke d entlang
eines gebrochenen Weges mit dem Winkel O1 zum Punkt S eintritt,
der auf der rückwärtigen Fläche des Films 10 liegt. Bin Teil dieser Strahlung wird zum Punkt T auf der frontseitigen
Fläche des Films entlang dem gebrochenen Weg ST zurückreflektiert, und das zweite reflektierte lichtbündel,
das auch zur Messung herangezogen wird, tritt dann als R2 aus. Wenn der Film einen Brechungsindex η hat, kann
die optische Wegdifferenz b zwischen R1 und Rg berechnet
werden als
b «- 2 η d cos O1 (siehe S. 262 in "Fundamentals
of Optics" von Jenkins & White),
- χΤ-
BAD ORIGINAL 909806/034 0
voraus β lob. die opt lache Phasendifferene unter Verwendung
dor In angepaßter V/eise verwendeten Gleichung 1 ergibt ale
{ 2 η d cos O1 ) (2).
Die Intensitäten J1 der als Strahlbündel H1 und E2
reflektierten Strahlung sind nahzu gleich, voraus eich die
Intensität der als Ganzes betrachteten "beiden Strahlen aus den Seiten 211 his 213 der oben genannten Literaturstelle
ergibt als
IMI1 cos2 § (3).
Wie man in Fig. 2 erkennt» werden die den Strahl23
bildenden Bündel R1 und E2 in Teilbündel aufgeteilt, die
einerseits sun festen Spiegel 31 und andererseits «sum hin-
und herbewegbaren Spiegel 30 reflektiert und von diesen Spiegeln wieder rttokreflektiert werden, wodurch sich vier
getrennte Wellenzüge bzw. ieilbündel innerhalb des Interfero«
neters ergeben«
Entsprechend den Grundsätzen der Interferometrie herrscht in dem Pail, wenn die Weglängen von der Strahlungsquelle zu den Spiegeln gleich sind, Interferenzverstärkung für alle Wellenlängen, d.h. "weiße" Interferenzverstärkung, zwischen dem ausfallenden reflektierten Lioht
der Spiegel· Sie unter dieser Bedingung vorhandene weiße Intorfereisverstärkung liegt dort, wo der Abstand des
909806/0340 «
Spiegels 30 vom Lichtteiler 32 genau gleich den Abstand
dee Spiegels 31 vom Lichtteiler 32 ist, oder mit anderen
Worten, wo. die Arme dee Interferometers gleich sind, da der ■
Punkt Q der Herauszeiohnung A in Fig. 1 an der Frontseite des
FlIn effektiv die gemeinsame Strahlungsquelle HIr die zwei
Tellbündel des Lichtbündels H1 ist, die dann miteinander
eine weifie Interferenzverstärkung erfahren, während 6er
Punkt S9 aber dan Punkt T, eine andere gemeinsame Quelle für
die zwei TeilbCindel des Bündels R ist, die dann auch eine
weiße Interferenzverstärkung erfahren, die sich der R1 -Interferenz üfcerlagert. Pas Ergebnis ist ein Interferenzstreifen, der maximale Strahlungsintensität besitzt und
als zentrale Interferenzverstärkung deutlich duroh den
Zocken ρ des Interferogramms der Pig. 3 gezeigt ist. Bei
einen riiohelson-artigen Interferometer ergibt der zentrale
Interferenzstreifen eine geeignete Zeitmarke, von der aus
Zeitmessungen in der ira folgenden beschriebenen Welse gemacht
werden können; jedoch kann auch irgendeine andere in Bezug auf die Spiegelstellung festgelegte Zeitraarke in entsprechender Welse praktisch verwendet werden.
Wird nun einer der Spiegel 30, 31 - in» vorliegenden Fäll
der Spiegel 30 - relativ zum anderen Spiegel bewegt, so wird die Lange des Lichtweges für diejenigen Teilbündel
der Lichtbftndel Hj und H,, die den Weg über den Spiegel
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30 nehmen, vergrößert oder verkleinert, d.h. es wird eine
optische We^differonz r zwischen dieeen T«llbfindeln und den
verbleibenden zwei TeilbUndeln einjcefiihrt, deren Llchtweg«
lön^e nicht ver&nöert wirö. Ta öas Llchtbündel Π^» bedingt
durch den Umweg OST im Film, im Bezug: auf das Bündel R1, bereits
eine pyößere Weglänpe zurückgelegt hat, erjreben eich
neben der zentralen Interferenz zwßi weitere Interferenzmöglichkeiten
zwischen Je-wdls zwei der Tier Tellbiinööl, Wird d©r
Spiegel 2ö 2..B., nach links bewegt, was einer Verkleinerung
der Lieftttteglänge entspricht, bo wir«? bei einer Spiegeletellunj^,
bei der die optische Wegdifferenz? r'der duroh den
Film einfrefUhrten optischen WeptliffereniB b gleicht, die Wegdifferens
zwischen dam über ήen feststehenden Spiegel 31 geleiteten
Tsilbündel des Lieh Wind <äle R^ und flem (Ibejr den veretellten
Spiegel 30 geleiteten Bei Windel des Lichtbündels Rg
zu Null, was eine weiß© Interferenzverstärkun^ zwischen diesen
beiden Teilbtiadeln ergibt.
Der entstandene Seiten-InterferenKStreifen ^l hat, verglicheni
mit dem zentralen Interferenzstreifen pg verringerte
Intensität» da ihm die überlagerte Interferenzverstfirkung
der verbleibenden zwei der im ganzen vier 'Pellbündel fehlt.
Trotzeem hebt sich der SeIten-Interferenzηtrelfen klar vom
angrenzenden Untergrund und anderen freierentlichon, nicht
deutbaren komplexen Teillnterferenzsignal-Niveaue ab. I a die
Stellung des Spiegels, bei der der Interferenzstreifen g-
909806/0340
auftritt, und damit auch unter Berücksichtigung der
Geschwindigkeit der Spiegelbewegung, die Zelt zwischen
dem Auftreten der oben erläuterten Zeitraarke und den
Auftreten dee Streifens g- von der optischen Wegdifferenz b und damit z.B. Von der Filndicke abhängt, 1st ein zweiter zeitlicher Bezugspunkt geschaffen, auf den eich die Messung gemäß der Erfindung etfltzen kann.
Geschwindigkeit der Spiegelbewegung, die Zelt zwischen
dem Auftreten der oben erläuterten Zeitraarke und den
Auftreten dee Streifens g- von der optischen Wegdifferenz b und damit z.B. Von der Filndicke abhängt, 1st ein zweiter zeitlicher Bezugspunkt geschaffen, auf den eich die Messung gemäß der Erfindung etfltzen kann.
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zweiter Seiten-Interf er ©na streif en. *it exakt
derselben Amplitude wie g,j, nämlioh gg, wird.4 an der entgegongosetzten
Seite des aentralea Xnterferensatreifens
ρ hervorgebracht« und zwar als Ergebnis einer nach recht*
gerichteten Bewegung des Spiegele 50 gleicher Größe be*üglieh
des Strahlenteilerβ 52; denn die Weglänge des Teilstrahlbündels
R^ zum Spiegel 50 ist dann schließlich so
weit verlängert, bis sie der des Rg-iellstrahlbündele
gleichkommt, das vom Spiegel 51 rückreflektiert wird·
Dieser dritte Interferenzstreifen bringt miso einen anderen
separaten seitlichen Bezugspunkt hervor, und »war entweder in Beziehung zum zentralen Interferenzstreifen
p, zum Seiten-Interferenzstreifen ß* oder eben zu irgendeinem
anderen in geeigneter Weise festgelegten Bezugspunkt, der eine Kessung gemäß der Erfindung zuläßt·
Eine genaue Steuerung der Verschiebungsbewegung dos
Spiegele 50 ist natürlich notwendig, um eine genaue Zeitmessung zu erhalten·, ein bequemer Antrieb ist der durch
den Sägezahn-Oszillator 37 der Fig. 2 gegebene Antrieb,
der den Spiegel nach einer Weg-Zeit funktion hin- und herbewegt, die durch den Linienzug m repräsentiert ist, der
dem Interferogramm der fig· 5 überlagert gezeichnet 1st·
Dieser Linienzug 1st für den Zweck dieser Beschreibung symmetrisch zum zentralen Interferenz streifen ρ dargestellt,
909806/0340 / bad orsssnal
aber natürlich besteht ein großer Spielraum in dieser
Hinsicht· Um die Zeitmessung von Intervallen Λ t zwischen den zentralen Interferenz streifen ρ und dem Seiten-Interferenzstreifen g~ 2U vereinfachen, wird vorzugsweise die Translationsgeschwindigkeit des Spiegels
JO, d.h. der Anstieg des Linienzugos m, während seines
Überstreichens über das korrespondierende Distanzintervall konstant gehalten, so daß sich die kurzen Rückkehrperioden des Spiegels, die zu den Endlinien m' und m" gehören, alt Absicht jeweils links bzw» rechts an die Seiten-Interferenz streifen E^
Quantitativ kann die Intensität der Strahlung I^,
die von den photo elektrischen Detektor 33 gesehen wird, als Funktion der .Änderung des optischen Weglängenunterschiedes r der Teils tr ahlbündel auegedrückt werden, und
zwar als Produkt der Intensitätsverteilung vom film und vom Interferometer mit Simulierung über alle vorkommenden
Frequenzen, und zwar durch die Gleichung
wobei I0, die Strahlung der Quelle, als konstant angenommen 1st und β * /X die Wellenzahl der verwendeten Strahlung ist. Eine Aufzeichnung der photo elektrisch aufgenommenen Strahlung In dem interessanten Bereich stellt das
bereits besprochene Interferogranm der Pig. 3 dar·
909806/0340
Sä
Die Bewegung des Spiegels 30 um einen bestirnten Betrag bewirkt eine Vergrößerung bzw· Verkleinerung der in Interferometer
eingeführten optischen Wegdifferenz uia den doppelten Betrag, da ein vom Strahlenteiler 32 ausgehendes Toilbündel
den Weg zwischen den Strahlenteiler und dem Spiegel zweimal durchläuft· Entsprechend ist es möglich, den V/eg des Spiegels
dirokt in Einheiten der optischen Wegdifferenz r anzugeben, wie dies in Pig. 4 gesohehen ist.
In dieser Figur iot, unter Berücksichtigung nur einer HHIfte
deo Spiegelweges, die Weglinie m schematisch susammen mit den
ihr zugeordneten Bndabschnitten m1 dargestellt und gibt die
Beziehung zwischen der als Abszisse aufgetragenen Zeit au der als Ordinate aufgetragenen Weglänge des Spiegels in Einheiten
der optischen Wegdifferenz r an. Die Steigung der Geraden m ist demnach in dieser Darstellung ein Kaßf nicht mehr wie in Pig.
für die Translationsgesohwindigkeit des Spiegels, sondern für
die Geschwindigkeit, mit der die optische Wegdifferenz im Interferometer
wiihrend der Spiegelbewegung geändert wird.
Bezeichnet man mit E die Zeit, die erforderlich ist, den
Spiegel aus seiner Hull-lage, d.h. der Lage, in der die Wegdifferenz
r im Interferometer Hull ist, bis zum Punkt seiner maximalen Auslenkung zu bewegen, und mit B die der maximalen
Spiegelauslenkung entsprechende maximale optische Wegdifferenz,
•TI
dann ist. der Quotient ψ gleich der Steigung der Geraden m und
damit gleich der Geschwindigkeit der Änderung der optischen Wegdifferonss.
Me Größen B und T sind aus den Konstruktionsdaten des
Spiegolantriebes ableitbar und für einen bestimmten Spiegelantrieb
jeweils konstant.
909806/0340 BAD ORDINAL
Dae verstrichene ZeitintervallΛt awl sehen benachbarten weißen Interferenzstreifen ist die optische Weg—
different b im I1IIn dividiert durch, die Geschwindigkeit
der Änderung der optischen Wegdifferenz ^, so daß »an
bei Substitution aus der Gleichung (1) erhält 2nd! co 8 θ λ
At «)
oder, wenn man die Größen umstellt« ergibt sich d« dl«
Dicke des 711ms, ale eine funktion der verstrichenen
Zeit t zwischen den Interferenz streifen entsprechend
der Gleichung
CAt) (6).
d „
α 2ηϊ 1
Dementsprechend gibt die ^estimating der verstrichenen
Zeit 4 t ein direktes Maß der iilmdicke d, vorauegeeetst
natürlich, daß die Bewegung des Spiegele 30 wenigstens
so groß ist wie der maximale optische Weg la ?ilm, falls
nicht der Bezugspunkt in vorbeetimmter Welse in einer
Sichtung verlegt wird, bei der der analytische Ibtastbereich verkürzt wird. Letzteres wird im allgemeinen bevor-
zugt, da so die Zelten des Zyklus entsprechend reduziert werden können und in einer gegebenen Zeitperiode eine größere Zahl von Dickemessungen vorgenommen werden kann·
909806/0340 Bad oraG/NAL
H 472 5 3
In Fig. 5 ist eine andere Art eines Interferometers
dargestellt, die sich dazu eignet, nur einen ,einseinen
weißen Interferenssstreifen herzustellen« Eier wird der
Film 10* durch die Eingangs Strahlung 15 · betrachtet« die
sowohl auf die frontsoltige als auch auf die rückseitige
strahlungsreflektierende Fläche in derselben Weise wie in
Fig. 1 auffällt, wobei sie als Ausgangsstrahlung in einem zuerst reflektierten Teilstrehlbündel 23* und einem an
zweiter Stelle reflektierten Teilstrahlbuadel 23N reflektiert
wird, wie es schematisch gezeigt ietj diese beiden
Teil strahlbündel werden auf eine optische Platte 42 mit
ebenen Flächen geleitet·
Die Platte 42 ist mit einer ersten lichtreflekti er enden
Beschichtung* wie aufgedampftem Aluminium oder ähnlichem
Material, versehen, die sich nur ü^ar «inen beschränkten
Bereichj&er Frontfläche 4-3 und nur quer sum Weg des Ι£ο^Ζ*
strahlbündelo 23" erstreckt j ferner iat die Platte 42 mit
einer zweiten lichtreflektierenden Beschichtung 44 über
einen schmalen Bereich auf der Rückseite 4er Platte versehen, die sich nur quor zum Weg dos teiletrahlbündelβ
23* erstreckt. Unter diesen Umstanden werden die ewei
Vellcnzüge entlang Wegen umgelenkt« die sie auf einem
Strahlungsdetektor 33' auftroffen lassen, der von derselben
Art sein kann wie der früher beschriebene Detektor 33·
09806/0340
BAD
Den Abtastvorschub der Platte 42 erhält man, indem
man die Platte um einen Drehpunkt D so oszillieren läßt,
daß die L&ago des Wegs eines reflektierten TeiletrahTbündels, In diesem Fall des Tellstrahlbundels 23"» festgehalten wird· Immer dann, venn die Einfallswinkel der
Strahlung auf den Film und auf die Platten gleich aind
und ebenfalle die optischen Vegdlfferensen BCH Innerhalb
des Films 10* und BFC des Tellatrahlbündels 23* innerhalb
der Platte 42 ebenfalls gleich sind, wie·es periodisch während der üyklischon Oszillation der Platte 42 um den
Drehpunkt D der Fall 1st, erhält man einen weißen Inter*
ferensstreifen. BIe Anforderungen an extreme Präzision
bei der Spiegelanordnung an der Platte 42 können übrigens, falls gew&nsoht, geringer gehalten werden, Indem
man einfach die ganse Frontuplegelfläche der Platte nur
halb versilbert und dl· ganse Backfläche voll vereilbert·
Ale Bezugspunkt, der dl« andere der sw«i Zeitintervallmarken liefert, auf dl· die Hessung begründet wird,
kann dann bequem Irgendein anderer Punkt der osslllatorisehen Bewegung der Platt· 42 dienen, der in geeigneter
Weise seitlieh verschoben gegenüber dem weißen Interferenz* streifen ist und dessen Erreichen durch Lieferung eines
elektrischen Impulses signalisiert wird· Ditaer elektrische Ausgangeimpuls wird demzufolge seitlieh mit der zjk-Iisehen Bewegung der Platte 42 synchronisiert·
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*AD ORfQfNAL
Sie zwischen don jeweils gewählten Zeitmarken verstrichene
ZsIt kann man mit an sich bekannter Zeitmeßtochnik
messen, indem man eine Vielzahl kleiner Zeitintervalle als Zeitbasis zugrundelegt und die Zahl der
zwischen dan Zeitmarken liegenden Zeitintervalle abzählt·
Die Zeitintervalle können mit einem Glockenimpulagenerator geschaffen werden« der In der zu messenden Zeitdifferenz
eine Vielzahl von Glockenimpulsen liefert, deren
Anaaal zwischen den beiden Zeitnarlcen mit üblichen Kitteln
gezählt wird, vgl. "Instruments and Control-System1*, S.
12^-128, September 1962, veröffentlicht durch "The Instruments
Publishing Company"·
Die Zeitintervalle können jedoch auch geschaffen werden,
indes» man der "weißen", d.h., breitbandigen, ließatrahlung
eine monochromatische Strahlung mittels eines halbdurchlässigen Spiegels Überlagert» so daß zwei unterschiedliche Eingangsstrahlenbündel zum Interferometer
gelangen· Typischerwelse wird eine monochromatische Strahlung
im sichtbaren Lichtbereich alt Grünton mit einer wellenlänge
von etwa 5000 % verwendet· Im aufgenommenen Interferogramm
überlagert sich dann dem Interf erenzverstärkungsbild
der breitbandigen Hoßstrahlung mit den ale Zeitmarken
verwendbaren weißen Interferenzatreifen ein Interf erenzstreif
enbild mit einer Vielzahl von Interf erenzmaxLma der
909806/0340 _ .*, - BAD
monochromatischen Strahlung, deren zwischen don Zeitmarken
festgestellte Anzahl aufgrund der bekannten frequenz
dor monochromatischen Strahlung die au messend© Zeitdifferenz bestimmen läßt» Bei einem Film mit einer Dicke von,
0,25 Bm erhält man beispielsweise zwischen dem als erste
Zeitmarke dienenden zentralen weißen Interferenzstreifen
und einem dor beiden woißen Seiten-Interferenzstreifen, der als zweite Zoltmarkc dient, ungefähr 760 IntorferenamaxJLma
der als Zeitbasis dienenden monochromatischen Strahlung von 5000 £· Auch hier kann man mit elektronischen Iapulsfiltern
die Aus 1^"1-lung der als Zeitbasia dienenden Interferenzverstarkun&cn
elektronisch vornehmen und gegebenenfallo
selbsttätig registrieren·
In manchen Fällen ist man nicht daran interessiert, ständig die Filmdicke selbst su bestimmen, sondern man
möchte lediglich feststellen, wann die Hlmdicke von
vorgeschriebenen Sollwerten, gegebenenfalls alt einer gewissen Toleranz, abweicht« Dann ist es vorteilhaft,
bei dor Messung einen von der Sollfilmdicke abhängigen Eullordinatenabstand einzuführen.
Eine Möglichkeit einer solchen Meßmethode besteht in der Unterdrückung dec als eine Zeitmarke dienenden
zentralen weißen Interferenz streif ons um einen bekannten
festen vorgegebenen Wert und einer entsprechenden
909806/0340
Haßstabwahl im Bereich der variablen Zeitmarka« Eine andere
Möglichkeit besteht in einer entsprechenden Verstellung
dee Interferometers, indem man etwa bei einen Michelson-Interferometer
entweder den Ab at and dee festen Spiegele
zum halbdurchlässigen Eingangs spiegel verkürst oder eine entsprechende Verstellung an de? Halterung dee beweglichen
Spiegels vornimmt· Beim letztgenannten lleßverfehren ist; es
"beispielsweise zur Überwachung der Dicke eines Films mit
etwa 0,4 mm Soll dick ο typisch, den beweglichen Spiegel mit
einer Abtastgeschwindigkeit von etwa 10 bis 160 Harts über
einen Beroiah zwischen nur 0,06 und 0,004 mm hin« und herzubewegen,
^e nach dem^ welche Toleranz eingehalten werden
soll* Jo höher die !Frequenz der Abtastgeschwindigkeit* tat,
um so größer ist die Zahl der Film&ickemessusgea, die in
einem gegebenen Zeitintervall durchgeführt werden können»
Es ist zweckmäßig, wenn das ßeßsignal» welches von
dem dem Interferometer nachgeordnsten Jäapfanger aufr^nomno.n
wird, durch ein einstellbare β Dämpfungsglied geleitet
wird, dessen abgestufte Verstärkung von .-i^d eingäiüitsllt
werden kann, so daß eine BedienungBperson 41e Meß« und
gegebenenfalls !Registriervorrichtung bezüglich der Signalhöhe an die au messende Filmdicke anpassen kenn·
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IAD ORiQlNAU
Sine Einrichtung, mit der das soeben "beschriebene Verfahren
durchgeführt werden kann, zeigt die Figur 6. Bei dieser Einrichtung
wird die Filmdickenmessung an einem fortlaufend bewegten Film 10" vorgenommen, der zwischen 2 Rollen 11· und
12« vor dem optisohen Teil 65 der Meßeinrichtung vorbeiläuft.
Der Aufbau des optischen Teiles 65 der Meßeinrichtung entspricht dem in Fig. 1 gezeigten, wobei anstatt des Prismas
ein halb durchlässiger, unter 45° geneigter Spiegel 67 vorgesehen ist. Als Interferometer ist das in Fig. 2 gezeigte
Interferometer vom Michelson—Typ benutzt« Der elektrische
Teil 66 der Meßeinriohtung umfaßt einen Sägezahn-Generator 70,
dessen Ausgangssignal 68 über einen Verstärker 71 den elektrodynamischen Motor 72 für den Antrieb des Spiegels 30· zugeführt
ist. Einer der beiden Spiegel 30· oder 31' ist mittels einer
Mikrometerschraube entsprechend der Solldioke des Filmes so verstellt, daß die Fotozelle nur noch einen der beiden Seiten-Interferenzstreifen
g1 oder g2 sieht, wobei der Hub des bewegbaren Spiegels entsprechend der zu erwartenden Dickea
weiohungen von der Solldicke gewählt ist.
Das Ausgangssignal der Fotozelle 33· gelangt Über einen
Verstärker 75» ein Dämpfungsglied 76, einen weiteren Verstärker und über eine Impulsformstufe 78 in einen Multivibrator 79·
Die Zeitmarke wird, da der zentrale Interferenzstreifen als mögliche Zeitmarke entfällt, aus dem Sägezahnsignal des
Generators 70 abgeleitet« Dieses Signal gelangt über die Leitung 83 ebenfalls in den Multivibrator 79· Dieser gibt ein
reohteokwellenförmiges Signal ab, dessen Gleichetrommittelwert
"So"" K47253
vom zeitlichen Unterschied des Auftretens der Impulse aus der
Stufe 78 und der Spitzen des Sägezahnsignales abhängt. Der Mittelwert wird in einem Meßinstrument 80 sichtbar gemacht
und gleichzeitig in einem Schreiber 81 aufgezeichnet.
Pig« 7 zeigt die auftretenden Signale für den Fall, daß
der Film genau die Solldicke hat, wobei mit I das vom Sägezahngenerator an den Multivibrator 79 abgegebene Signal, mit II
das im. bistabilen Multivibrator, wenn dieser lediglioh durch das Signal I getriggert ist, erzeugte Signal,mit III das von
der Stufe 78 abgegebene und ©ine zusätzliche Triggerung des
Multivibrators bewirkende Signal und mit IV das in den Instrumenten 80 und 81 zu mittelnde Ausgangssignal des Multivibrators
bezeichnet ist.
909806/0340 BAD
Als breitbandi£o Strahlungsquelle für das "weiße*
Keßfitrahlbündel vorwendet nan. ublicherijoico eine glühende
Wolfraadrahtbirne, dio mit Gleichstrom betrieben
wird und Strahlung im Vollenlängenbereich zwischen 1-3
micron aussendet.
Eo versteht sich, daß man statt in .ßeflektionsverfuhren
gemäß Fig. 1 auch im Surchstrahlungßverfahren die
Pilmdicke messen kann. Die optische Ueglöngendifferonz
awiachen awoi ssur Hoccuc^; liora^osogonon 'DuilotrahlbuA-deln
entsteht dann dadurch, daß ein Sciletrahlbündel den
Film direkt durchsetzt, während das andere oinmal im Film
hin- und herreilektiort wird, ehe es wie das erste !oilstrahlbündel
durch den Film hindurchtritt. Dieses Verfahren ist Jedoch apparativ aufwendiger, da ilinrichtungen
für die Filmdickemoßsuns zu beiden Seiten des Filmes angeordnet
werden müssen, was beim jßeflektionsverfahron
nicht erforderlich let« Wenn man im Durchotrahlungsverfahrcn
mit einer zur Schaffung der Zcitbaaia dienenden
monochromatischen Zusatzstrahlungcquelle arbeitet, ordnet
man diese jaattiplieli zv:eckaüßigerwelse so an, daß die monochromatische
Strahlung nicht don PiIm durchtritt·
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U47253 - 25 -
Wendet aßn sieb nun noch einmal dor oben diskutierten
Gleichung (5) auf so erweist eich das Zeitintervall
J^ t ebenso als Funktion des Brechungsindex a wie der
Länge des Veges d, so daß die Erfindung auoh Kittel
schafft $ um ebenso gut den Brechungsindex messen, zu
können·
Ein© zum Ausführen einer solchen Messung Vorrichtung ist etwas scheiaatisch in JPig· 8 dargestellt«
Hier kann die Probe 86 alt der Dick© d ein laufesder Film
sein odsr aber eine Probe einer fließenden Flüssigkeit oder
irgendeine andere physikaliscka Katorialform, die la der im
folgenden beschriebenen Weis© Strahlung von iiy?@r Gberfl&ohe
reflektiert»
Die verwendete optische Anordnung ähnelt der dor Fig.
1, mit der Ausnahme 9 daß hier gleichzeitig awei
mstrische TJntereuohungesi durchgeführt werden, uci swax?
der
normal sur Probet bei/der Strahlungsweg in "voll aer Liniendai'stelluiig in Fig. β angezeigt is^t \md eine andere mit einem Vialcol ^segeaüber der ΪΤοπαλΧοώ.» "bei der der Strahlun^sweg in gestrichelten Linien dargestellt ist* Dies läßt sich in bequemer Ueise durch "Vorvfendung einer üblich-su Quelle 87 mit FokuasieruBgslinsen. 18^ imd 1SW durchfuhren, von denen die erste die Strahlung sum Strahlenteiler 90 richtet, der in wesentlichen die ganze Strahlung entlang des Veges 92 senkrecht zur Plächo der Probe richtet, wäh-
normal sur Probet bei/der Strahlungsweg in "voll aer Liniendai'stelluiig in Fig. β angezeigt is^t \md eine andere mit einem Vialcol ^segeaüber der ΪΤοπαλΧοώ.» "bei der der Strahlun^sweg in gestrichelten Linien dargestellt ist* Dies läßt sich in bequemer Ueise durch "Vorvfendung einer üblich-su Quelle 87 mit FokuasieruBgslinsen. 18^ imd 1SW durchfuhren, von denen die erste die Strahlung sum Strahlenteiler 90 richtet, der in wesentlichen die ganze Strahlung entlang des Veges 92 senkrecht zur Plächo der Probe richtet, wäh-
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3%
rend die letztgenannte Linse die Strahlung Bit einest Winkel von vorzugsweise 4-5° gegen die Probe richtet, vie es
als Linie 85 eingezeichnet ist. £ia Seil doa normal Gerichteten Strahlenbündels wird sowohl von der frontseitigen als
auch der rückseitigen Oberfläche der Probe 36 aus durch den Strahlungsteiler 90 reflektiert und gelangt sum Interferometer 911 das identisch die Porm haben kann, vie ea schon
im Zusammenhang mit Fig. 2 besprochen 1st· Das winklig auf die Probe 86 auf treffende Strahlenbündel wird von aar frontseitigen Fläche entlang eines Weges 88 reflektiert, wobei
aber «in Anteil Innerhalb der Probe entlang eines Weges
alt einem Winkel θ * gegenüber der normalen gebrochen wird»
um anschließend von der rückseitigen Pläche der Probe reflektiert xu werden und dann die Probe entlang des Weges
89 su verlassen· Biese beiden Seilstrahlbündel warden mittel« des Spiegels 93 sum Strahlenteiler 90 reflektiert und
gelangen dann cum Interferometer 91·
Aue den Torhergehenden wird ersiohtlich, daß vier
getrennt« Vellenzüge vorhanden sind, die sich zum Gewinnen von weiBen Interferenz streifen eignen, wobei der central· Interf erensetrcdf en ρ', siehe Pig» 9, durch Interferenanrerstärkung zwischen, allen vier Wellenzügen suetandekommt, wenn der hin- und herbewegbare Spiegel dee Interferometers 91 an einem Punkt seines Weges ankommt« Indem
die swei Interf erometerarme exakt gleich sind. Wenn ando-
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H47253
rerselts sick dor hin- und herbowegbare Spiegel weiter bei
seiner Ein- und Herbewegung fortbewegt, entstehen weiSe
Seiten-Interferons streifen, die dar Reihe nach in Beziehung
su dem Strahlenbündel auftreten, das normal auf die Probe entlang der Weglinie 92 auf trifft - das bewirkt den
InterferensBtreifen h^ - und in Beziehung su dem Strahlenbündel, das winklig auf die Prob» entlang der Weglinie 85
aufteifft - das bewirkt den Inserier endstreifen h*>· Die
8eltem-Xnterfer@n2strelfen h<
vsna Mg sind voneinander etwa
1 ϋΐβ~1«5& des öiteö&eß. A&§fci&&©s mfise&ea leatetlea
Interferenzetrelfsin und Selt«&-lmterf®?eas streif en entfernt,
aber si® unterscheiden »lein geaag, um sieh sur Hessung der
Zeitintervalle .^f t1 und Δ %^ £^ »i&^?^-· *&i dl« ßioh dl«
Grutiäsätzlicii ist es möglieb., den Brechungsindex auca mit
der Anordnung der i"ig* 1 oder 5 su 'öestimmen, wenn vorausgesetzt
werden kann, daß die Tvdhen- bzvi· Filmdiclce bekannt ist.
Da dies jeäocb. nicht immer der Fall ist, werden bei dieser
Anordnung, wie schon ausgeführt, gleichseitig zwei Untersuchungen
durchgeführt, tob denen die eine zum Interferenz- .
streifen k-j tmd die andere zum Interferenzstreifen hp führt.
Jede einzelne Untersuchung gleicht im Prinzip der Einzeluntersuehung
nach Mg. 1 und 2. Wie dort werden in das Interferometer einfallende Mchfbündel Jeweils in zwei Teilbünäel
aufgespalten, so daß im Interferometer 91 also 8 Teilbündel
vorhanden sind, Davon interferieren die sum Strahl 91 gehörenden 4 Teilbündel untereinander, wie es anhaad von
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ES'
Pig. 1 und Pig. 2 beschrieben wurde und ergeben die Interferenz h... und außerdem eine in Fig. 9 nicht gezeigte,
symmetrisch zur Interferenz h1 auf der anderen Seite ä^e
Maximums Pf liegende'Interferenz. In gleicher Weise interferieren
die zu den Lichtbündeln 88 und 89 gehörenden 4 Teilbündel und ergeben die Interferenz hp und eine weitere
dazu symmetrische, ebenfalls nicht gezeigte Interferenz. Der durch die Anordnung gegebene Weglängenunterschied
zwischen dem senkrecht auf den PiIm eingefallenen Strahl und dem schräg eingefallenen Strahl ist so groß, daß er
im Interferometer nicht kompensiert wercten kann und daher
die jeweils vier zu einem der Strahlen gehörenden Teilbündel miteinander r-"~ , zur Interferenz kommen.
So gilt entsprechend der ougia Gleichung (5)
%Λ - K (2nd) cos ΘΛ, wobei K - S/B let, aber, da θΛ
für normal einfallende Strahlung 0 Grad ist» gilt οαβ θ Λ
- 1, und deshalb iat A t^ - K (2nd). Ähnlich gilt A tg · K
(2nd) cos θv indessen 1st in dieses Pell θ^ der in Fig*
gezeigte Brechungswinkel, de? XOr winklig einfallende Strahlung größer als O ist« Kombiniert aan die Gleichungen, so
gilt A t2 - ä t^ cob 9Λ% oder co· 9^m Δ tg/ Δ *«ρ Bi*M
ses Verhält nie der swei ausführbaren Zeitaessungen kann
leicht durch konventionell« spannungaaaBlge Analogaittal
erhalten werden·
- 26" -
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- 26 - '
wobei η der Brechungsindex ist· Benutzt man die trigonometrische Formel sin2 θ ^ + co β θ ^ · 1 und substituiert
man sin θ /η für sin O^ eo erhält man dl« Gleichung
η cos Q ^ ■ /n2 - sin2 Θ* Da ein ^ bekannt ist und
oos θ ^ bestimmt wird ale das Zeitverhaltni· Δ tg/ Δ t^f
kann der Brechungsindex btreohnet werden·
Viele polymere Materialien besitzen dl· Eigenschaft
der Doppelbrechung in verschiedenen Graden« und zwar in Abhängigkeit von dem Ausmaß der molekularen Orientierung
innerhalb der Kristalle· So hat Jeder Kristall drei rerschiedene Breohungslndises· Dx, n_ und nK, dl« orthogonal
aufeinander bezogen sind. Die Doppelbrechung in der Ebene
Länge (x) - Breite (7) für dünne Schichten ist dann definiert als ηχ - nl. Wenn ein Doppelbrechung aufweisender
Film mit normal einfallender Strahlung ebenso untersucht wird« wie es welter oben für Filmdickenmessung dargelegt
wurde, werden zweifache Seitefr-Interferensstreifen k^ und
k2 erhalten, wie es in Hg. 10 gezeigt ist· Wiederum können
die Zeitintervalle Λ t<. und ^jt«» die beim Abtasten vom
zentralen Interferenz streifen p" zu den Selttn-Xnterf erenzstreifen k^ bzw· kg auftreten, gemessen werden· Wie von der
Diskussion der Gleichung (5) in Anwendung auf Untersuchungen auf normalen Einfall zum Bestimmen des Breohungsindex in der
oben beschriebenen Welse klar wird, ist im Betrieb dl· opti-
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BAD
sehe Siohtev die ale Produkt eines gegebenen Breohungsindex η und der filmdicke d definiert ist, sum Zeitintervall
/It durch eine gewöhnlich· Konttante K1 In Besiehung gtsetst, so daJ3 all gea ein /Jt · Ϊ1 nd gilt«
Deasufolge itt Λ t£ - A*\ " χ>2^4 * K'n. d· Venn der
letitere Ausdruck durch das Produkt S* mal einer mittleren Dicke dattel dividiert wird« erhält «an die Doppel·»
brechung, näalioh
K*d(mitttl)
Sie mittlere Picke Mittel» ^* ^6704^ verwendet wird,
ist bei der Berechnung nicht besonder· kritisch, solange sie sich generell innerhalb des Bereichs der Werte befindet, die bei der überwachung der Dicke in der beschriebenen Weise geaessen werden· Vorteilhaft kann die JUsdickt
sugl ei cn mit der Doppelbrechung gemessen werden, da dieselben Selten-Interferensetreifen k^ und kg als Harken
verwendet werden ι alt Dicke wird dann der Mittelwert genommen, der sich auf ein. Zeitintervall ttütit ιwischen
tj| und At2* Vt33B extreat Gtnauigktit gewünscht wird·
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BAD ORIGINAL
Hoch verschiedene andere Eigenschaften - nur bei*
spielsweise die Anwesenheit von speziellen Substanzen
in einem Produkt - sind oft "beglöitot durch charakteristische Strahlungsinterferen*effektef die gea&B der
Erfindung auegemeseen und in BeEiehung su ihrer Ursache
geeetst werden können, falle aan dies· Effekt· iaolieren
kann·
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Claims (8)
1. Verfahren zur kontinuierlichen Interferometrisohen
Messung iron Dicke oder Brechungsindex eines laufenden, durchsichtigen Films, bei dem auf den Film ein Weißlichtbündel gerichtet wird und die an der Vorderseite und an der
Bückseite des Filmes reflektierten, einen Ganguntersohied
aufweisenden Llohtbündel nach Verändern Ihres Gangunter·
sohiedes zur Interferenz gebracht werden und die zum Erzeugen einer weißen InterferenzrerStärkung erforderliche
Veränderung des Ganguntersohiedes gemessen wird,(dadurch gekennzeichnet , daß der Ganguntersohied
periodisch verändert und mit gleicher Periode eine Zeltmarke erzeugt wird, daß die gemeinsame Intensität der Inter·»
ferlerenden Llohtbündel (25'» 23**) auf an sich bekanntem,
pbotoelektrischem Wege als elektrisches Signal dargestellt wird und daß der Zeltabstand zwisohen der periodischen Zeit«·
marke und jedem Auftreten eines der weißen Interferenzreratärkung entsprechenden Signales· gemessen wird·
co 2» Verfahren nach Anspruch 1» bei dem die beiden reflek-
J£ tierten Llohtbündel(jeweils in zwei weiße Seilbündel zerlegt
^ werden, die nach Verändern ihres Gangunterschiedes zur Inter-
o ferenz gebracht werden, wobei der Ganguntersohied zweier, ron
to
*·· dem einen bzw· dem anderen Lichtbündel stammenden leilbündel
ο
gemeinsam gegenüber den zwei anderen Teilbündeln Verändert wird,
BAD ORIGINAL
€ U ,Ί'"ιΓ·Γ_'«1 Ar: 7 ä I ADs.
2 Nr. 1 S^fZ ο-. = Aiidti-u
dadurch gekennzeichnet , daß der Zeitabstand
zwischen der Zeitmarke und jedem Auftreten eines Signalee gemessen
wird, daa einen der beiden Interferensnrerätärkungen
(g-ji Q?) entspricht! die Jvon je einem feilbündel des einen
lichfbündels (R^} R2) und je einem Teilbündel des anderen
Xiichtbündeis (R^t H1) erzeugt werden.
3· Verfahren nach Anspruch 2, dadurch g β k e η η ·
zeichnet » daß ale ZeitmaKge das der anderen der
beiden Interferenssveratärkungen (ß2i S1) entsprechende
Signal verwendet wird·
4· Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet
, daB als Zeitmarke ein Signal verwendet
wird» das einer gleichzeitigen Interfereneverotärkung (g)t
Gowohl der 2eilbUndel|des einen LichthUndele (R1) eineraeita
und der Teilbündel de* anderen LiohtbUndels (R2) andererseits
entspricht»
5· Verfahren nach Anspruch 1 bis 4* dadurch g β k e η η seichnet
, daß die elektrischen Xntensitätsaignale, die
O0 unter dem Pegel der einer Interferenaverstärkung entsprechenden
co Signale liegen, unterdrückt werden.
Q
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 "bis 5, dadurch
^ gekennzeichnet» daß die Zeitmessung in an sich
"bekannter Weise durch Zählung kleiner Zeitbaeieintervalle j
vorgenommen wird·
β 3 BAD ORIGINAL
1U7253
7. Vorrichtung zum Ausführen dea Verfahrene nach einen der Ansprüche 1, 5 und 6» daduroh gekennzeichnet t daß ale interf erosietrisd&e Analyaiergerät eine
ebene lichtdurchlässige Platte (42) dient, die im eine zur
Filmebene parallele Achse periodisch drehbar ist, an deren dem PiIm (10*) zugewandten Seite (43) eine Beflektion des
an der Rückseite (0) reflektierten Lichtbündels (23") und an deren dem film abgewandten Seite (44) eine Heflektion dea
an der Vorderseite (B) dea Filraa reflektierten' Lichtbündel»
(23*) jeweils an einer liohtreflektierenden Beechiohtung erfolgt, und daß das Veißlichtbündel (15*) unter einem schrägen
Winkel auf den Film auffällt (Pig. 5)·
8. Torrichtung zur Ausführung des Verfahrens nach einem
der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet , dafi als interferometrisohes Analyaiergerät ein Michelson-Interferometer (26) dient, dessen beweglicher Spiegel (30)
nach einer Sägezahnfunktion (Fig· 4) hin- und herbewegbar ist, wobei die aioh relativ langsam verändernde (Zahnflanke
der Bewegungsfunktion der Zeitmessung zugeordnet ist·
9· Vorrichtung sum Ausführen des Verfahrens naoh Anspruch
6, daduroh gekennaeiob.net , daß aufler der Lichtquelle (16) für das Weißliohtbündel (15) noch eine susäteliohe,
mit ihren Interferenzatreifen eine Zeitbaeia schaffende monochromatische Lichtquelle vorgesehen ist·
BAD ORlQJNAL
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GB (1) | GB1024598A (de) |
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